KR100264097B1 - 강화된 확산/추출 수단을 구비한 저압 가스 공급원 및 분배 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡착 물질의 층을 수용하는 내부 공간이 속에 형성되어 있는 용기를 구비한 가스 저장 및 분배 시스템에 관한 것으로, 그 흡착 물질은, 용기에 저장되어 그로부터 선택적으로 분배되는 가스에 대해 친화성을 갖는다. 가스가 용기로부터 배출되도록 선택적으로 가스 흐름을 연통시키는 밸브 헤드, 질량 유량 제어 장치, 조정기 조립체 등이 제공될 수 있다. 가스가 용기로부터 배출되도록 가스 흐름을 연통시키는 동안에 흡착 물질의 층으로부터 나오는 가스의 흐름에 대한 저항을 감소시키기 위해 가스-투과성 다공성 관, 불활성 패킹, 또는 분산된 불활성 물질과 같은 가스-흐름 저항 감소 구조체가 용기의 내부 공간에 배치된다.

Description

강화된 확산/추출 수단을 구비한 저압 가스 공급원 및 분배 장치{LOW PRESSURE GAS SOURCE AND DISPENSING APPARATUS WITH ENHANCED DIFFUSIVE/EXTRACTIVE MEANS}
본 발명은 유체 성분(들)이 고체 흡착 매체에 의해 흡착 유지되고 분배 작업중에는 흡착 매체로부터 그 유체 성분이 이탈되는 용기 또는 저장 컨테이너로부터 유체를 선택적으로 분배하기 위한 저장 및 분배 시스템에 관한 것이다.
광범위한 산업 공정 및 용례에서는, 치밀하고 휴대 가능하며 수요가 있을 때 바로 유체를 공급할 수 있는 신뢰할 만한 처리 유체의 공급원을 필요로 한다. 그러한 공정 및 용례에는 반도체 제조, 이온 주입, 편평한 패널 디스플레이의 제조, 의학적 치료, 물 처리, 비상 호흡 장비, 용접 작업, 액체 및 가스 등의 공급을 포함하는 공간적 차원의 용도(space based application)가 포함된다.
1988년 5월 17일자로 칼 오. 크놀뮐러(Karl O. Knollmueller)에게 허여된 미국 특허 제 4,744,221 호에는 아르신(arsine)을 저장하고 연속하여 분배하는 방법이 개시되어 있는데, 이러한 방법에서는, 약 -30℃ 내지 +30℃의 온도에서 아르신을 구멍의 크기가 약 5 내지 15 옹스트롬(Angstrom)의 범위에 있는 제올라이트(zeolite)와 접촉시켜 아르신을 제올라이트상에 흡착시키고 난 후에, 아르신이 제올라이트 물질로부터 분리되기에 충분한 시간동안 약 175℃까지의 상승 온도로 제올라이트를 가열함으로써 아르신을 분배한다.
크놀뮐러의 특허에 개시된 방법은, 제올라이트 물질 가열 수단에 의해 제올라이트로부터 미리 흡착된 아르신을 원하는 양만큼 이탈시키기에 충분한 온도로 제올라이트를 가열하도록 구성 및 배치되어야 한다는 단점이 있다.
아르신을 보유하고 있는 제올라이트를 수용하는 용기의 외부에 가열 자켓 또는 그 밖의 수단을 사용하는 것은, 용기가 통상 상당한 열용량을 가지며, 그에 따라 분배 작업에 상당한 지체 시간(lag time)이 도입된다는 문제점이 있다. 또한, 아르신의 가열은 그것의 분해를 야기하여, 결과적으로 수소 가스가 형성되게 하며, 그러한 수소 가스는 처리 시스템 내에 폭발의 위험을 가져온다. 또한, 그와 같은 열 매개(thermally-mediated)에 의한 아르신의 분해는 처리 시스템에서의 가스 압력에 실질적인 증대를 가져오며, 이는 시스템의 수명 및 작동 효율의 관점에서 볼 때 극히 불리하다.
내부에 배치되는 가열 코일 또는 다른 가열 요소를 제올라이트층 자체 내에 설치하는 것은, 아르신 가스가 원하는 정도로 균일하게 분리되도록 그러한 수단에 의해 제올라이트 층을 균일하게 가열하는 것이 어렵기 때문에 문제가 된다.
수용 용기 내의 제올라이트층을 통과하는 가열된 캐리어 가스류의 사용은 전술한 단점을 해결할 수도 있지만, 가열된 캐리어 가스를 아르신으로부터 이탈시키는 데 필요한 온도가 바람직스럽지 못하게 높을 수도 있으며, 그렇지 않은 경우 아르신 가스의 최종적인 용도에 부적절하게 되어 분배된 가스를 최종 용도에 맞게 조정하기 위해 냉각 또는 그 밖의 처리가 필요하다.
1996년 5월 21일자로 글렌 엠. 톰(Glenn M. Tom)과 제임스 비. 맥메이너스(James V. McManus)에게 허여된 미국 특허에는 가스 저장 및 분배 시스템이 개시되어 있는데, 그 시스템은 예컨대 히드라이드 가스(hydride gas), 할라이드 가스(halide gas), V족의 유기금속 화합물(organometallic Group V compounds) 등과 같은 가스를 저장 및 분배하기 위한 것으로, 크놀뮐러의 특허에 개시된 가스 공급 처리에서의 여러 가지 단점을 해결한다.
톰 등의 특허의 가스 저장 및 분배 시스템은 가스의 저장 및 분배를 위한 흡착-이탈(adsorption-desorption) 장치를 구비하는데, 그 장치는 고체상의 물리적 흡착제를 보유하고 있는 저장 및 분배 용기를 포함하며, 그 용기에 대한 가스의 상대적인 흐름이 선택적으로 이루어지도록 배치된다. 소르베이트(sorbate) 가스가 흡착제상에 물리적으로 흡착된다. 분배 조립체가 저장 및 분배 용기에 가스 흐름이 연통되게 연결되며, 소르베이트가 고체상의 물리적 흡착 매체로부터 이탈되어 그 이탈된 가스가 분배 조립체를 통해 흐르도록, 용기의 외부에 용기의 내부 압력보다 낮은 압력이 제공된다. 가열 수단이 이탈 처리를 증대시키기 위해 사용될 수도 있지만, 전술한 바와 같이 가열은 흡착/이탈 시
스템에 여러 가지 단점을 가져오며, 그에 따라 흡착 매체로부터 소르베이트 가스를 압력차의 매개(pressure difference-mediated)에 의해 분리시킴으로써 적어도 부분적으로 이탈을 수행하면서 톰 등의 시스템을 작동시키는 것이 바람직하다.
톰 등의 특허의 저장 및 분배 용기는 고압 가스 실린더라는 선행 기술의 사용에 대해 당업계에서의 실질적인 진전을 구체화한 것이다. 종래의 고압 가스 실린더는 손상되거나 기능이 불량한 조정기 조립체로부터의 누출뿐만 아니라, 실린더에서의 내부 가스 압력이 허용 한도를 초과하는 경우 파열 및 실린더로부터의 원치 않은 대량 가스 방출이 이루어지기 쉽다. 그러한 과압은 예컨대 실린더에서의 내부 가스 압력의 빠른 상승을 초래하는 가스의 내부 분해로부터 파생될 수도 있다.
따라서, 톰 등의 특허의 가스 저장 및 분배 용기는, 예컨대 제올라이트 또는 활성탄 물질과 같은 캐리어 흡착제 상에 가스를 역으로 흡수시킴으로써 저장된 소르베이트 가스의 압력을 감소시킨다.
통상, 톰 등의 특허의 가스 저장 및 분배 용기는, 예컨대 (각기 동일 치수 단위로 측정된) 높이 대 직경의 종횡비가 3 대 6의 범위로 될 수도 있는 수직으로 긴 특성을 갖는 실린더 또는 가스 용기를 구비한다. 그러한 저장 및 분배 용기와 관련된 분배 흐름 회로는 광범위하게 변경할 수도 있지만, 흐름 도관과 용기와의 접합부에 다공성 소결 금속으로 이루어진 프릿을 배치하는 것은 공통된다. 프릿은 용기로부터 가스가 이탈/분배되는 동안에 흡착층으로부터 나오는 미립자 고체의 출구에 물리적 여과 격막으로 개재된다.
가스는 용기의 일단부에서만 프릿을 통해 저장 및 분배 용기로부터 배출되기 때문에, 분배된 가스의 공급율은 빠져 나온 가스 분자가 대량 운송 제한적(mass transport limited)일 경우 억제될 수 있다. 용기의 바닥에 저장된 가스는 용기의 상단까지 흡착/이탈되게 "작용" 해야 한다. 그러한 경로를 따라, 가스는 (용기의 하단부와 외부 가스 흐름 회로와 연결된 용기의 상단과의 사이의) 흡착층에 의해 제공된 다수의 가스 흡착 부분에 의해 배출이 지체되거나 방지될 수도 있다.
따라서, 높은 배출 속도 및 몇 가지 경우에서는 정상 작동 중에도 가스 저장 및 분배 용기의 공급 용량은 대량 운송 제한적일 수 있고 최적에 미치지 못할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 톰 등의 특허에 개시된 형식의 개선된 저장 및 분배 유체 공급 시스템을 제공하려는 것으로, 그 시스템은 전술한 대량 운송 제한의 문제가 제거된 것이다.
본 발명의 그 밖의 목적 및 장점은 이하의 설명을 통하여 명백하게 된다.
도 1은, 저장 및 분배 용기 내의 중심에 배치되고 용기의 상단에서 유출구에 고정된 흐름 조정기 분배 조립체에 연결되는 다공성 관을 구비하는 본 발명의 일실시예에 따른 저장 및 분배 용기 및 관련된 흐름 회로를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 2는 저장 및 분배 용기의 내부 공간에 불활성 패킹 물질을 구비하고 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저장 및 분배 시스템을 개략적으로 도시한 사시도이며,
도 3은 도 2의 저장 및 분배 용기 내의 흡착층의 일부를 도시한 도면으로, 불활성 패킹 물질과 흡착 매체가 산재된 혼합물이 도시된 단면도이고,
도 4는 흐름-강화를 위한 중앙의 다공성 주요관과 연통되는 다공성 분기관의 "거미형" 구조를 구비한 본 발명의 다른 실시예에 따른 저장 및 분배 용기를 개략적으로 도시한 사시도이며,
도 5는 본 발명에 따라 구성된 가스 저장 및 분배 시스템의 평가를 위한 시험 장치를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 6은 내부 공간에 긴 다공성 프릿(frit) 관이 배치되어 있는 가스 저장 및 분배 실린더(곡선 A)와 내부 공간에 짧은 다공성 프릿 관이 배치되어 있는 가스 저장 및 분배 실린더(곡선 B)의 실린더 압력(mm Hg)과 이탈 유량(sccm)을 이탈 시간(min)의 함수로서 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10,110 : 가스 저장 및 분배 시스템
11,111,204 : 용기의 내부 공간
12,112,200 : 가스 저장 및 분배 용기
14,114,206 : 흡착층
16,116 : 흡착 매체
18,118 : 조정기 조립체
20 : 다공성 금속관
212 : 주요 흐름관
214,216 : 분기 급송관
본 발명은 흡착성 유체의 저장 및 분배용 시스템에 관한 것으로, 이 시스템은 흡착성 유체에 흡착 친화성이 있는 고체상의 물리적 흡착 매체를 유지하도록 구성 및 배치된 저장 및 분배 용기를 구비하고, 그러한 용기에 대해 흡착성 유체를 상대적으로 유동시키는 것이다. 유체에 친화성을 갖는 고체상의 물리적 흡착 매체가 내부 가스 압력(interior gas pressure)에서 저장 및 분배 용기에 배치된다. 흡착성 유체는 흡착 매체상에 물리적으로 흡착된다. 분배 조립체는 저장 및 분배 용기에 가스 흐름이 연통되도록 연결되고, 탄소 흡착 물질로부터 유체가 열 및/또는 압력차의 매개에 의해 이탈된 후에, 요구가 있을 때 즉시 이탈된 유체가 선택적으로 분배되도록 구성 및 배치되는 것으로, 그 분배 조립체는,
(Ⅰ) 탄소 흡착 물질로부터 유체가 이탈되어 이탈된 유체가 용기로부터 분배 조립체를 통해 흐르도록 상기 내부 압력보다 낮은 압력을 저장 및 분배 용기의 외부에 제공하고,
(Ⅱ) 열에 의해 이탈된 유체가 통과하여 유동되도록 구성 및 배치되며, 탄소 흡착 물질을 가열하여 그로부터 유체가 이탈되어, 용기로부터 이탈된 유체가 분배 조립체 내로 흐르도록 하는 수단을 구비한다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 유체 저장 및 공급 용기의 유체 배출 특성은 저장/분배 용기 내에 "채널화한(channelized)" 흡착층에 의해 개선되어, 용기로부터 관련된 외부 분배 흐름 회로 내으로의 저장 유체의 유출에 증진된 경로(들)가 제공된다.
그러한 양태의 하나의 실시예에 있어서, 유체-투과성 흐름 도관이 저장/분배 용기의 내부 공간에 제공된다. 흐름 도관은 유체 투과성 벽면, 예컨대 다공성, 즉 구멍이 있는 벽면을 구비하며, 가스 저장 및 분배 용기의 하부로부터 상부에서의 용기의 유출구까지 연장된다[여기서 "유출구(outlet)"란 용어는 용기가 분배 조립체에 결합되는 포트 또는 개구부를 가리킨다].
분배 조립체는 외부 흐름 경로가 제공되도록 저장/분배 용기에 연결되며, 그로부터 분배되는 유체를 용기 외부의 위치로 이송하기 위해 용기에 결합되는 도관, 흐름 채널, 조정기, 커플링, 밸브 및/또는 그 밖의 구조물들과 같은 수단을 구비한다.
따라서, 저장/분배 용기의 내부 공간에 배치되는 흐름 도관은 비흡수성 흐름 경로를 제공하며, 용기에 수용된 가스는 그것이 분배되도록 그 흐름 경로를 따라 용기의 유출구까지 흐르지만, 그러한 (흡착제가 없는) 비흡착성 경로를 따라서는 흡착 매체와 접촉되지 않는다.
그 결과, 내부에 배치되는 흐름 도관은 이탈된 유체와 그 유체에 인접해 있는 틈새 유체(interstitial fluid)가 도관의 유체-투과성 벽을 통해 유입될 수 있게 하여, 유체가 용기의 유출구를 막지 않고 유동할 수 있다. 흐름 도관의 유체-투과성 벽은 다공성 매체로 형성되는데, 예컨대 금속, 세라믹, 복합재 등으로 형성되거나, 관통구, 개구부, 작은 구멍 등이 있는 연속 중실 벽으로 형성될 수 있다.
유체-투과성 흐름 도관은 유체-투과 특성을 갖는 일련의 개별적 분기 도관을 구비할 수 있으며, 그러한 도관은 긴 용기의 단면에 걸쳐 용기의 내부 공간에 배치되어, 용기로부터 나온 디소르베이트(desorbate) 및 틈새 유체의 흡착제가 없는 흐름이 채널화되도록 급송관(feeder line)으로서 작용한다.
유체-투과성 도관은 용기의 유입구까지의 이탈 유체의 흐름을 위한 압력 강하가 낮은 경로(low pressure drop pathway)를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 구멍이 있는 벽으로 된 도관은 용기 내부 공간의 중심에 배치되며, 용기 내부 공간의 하단으로부터 용기의 상단을 향해 상향으로 연장된다. 그러한 구조에 의해, 디소르베이트 유체의 확산 및 대류적인 대량 흐름이 가스 저장 및 분배 용기의 중앙을 향해 빠르게 이동되면, 가스가 용기 유출구에 연결된 유체-투과성 도관을 향해 상향으로 이동된다.
본 발명의 그와 같은 양태의 다른 실시예에서, 용기의 내부 공간의 소르베이트 가스를 위한 강화된 흐름 경로는 다량의 불활성 물질(예컨대, 화학적으로 불활성인 유리 비드)을 흡착 물질과 혼합함으로써 제공된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, " 불활성(inert) "이란 용어는 그 관련 물질(appertaining material)이 용기에 저장되어 그로부터 분배되는 유체(들)에 비흡착성이며 그 유체에 대해 반응성이 없음을 의미한다. 불활성 물질은 연통되는 빈 공간을 구비한 틈새형 공간(interstitial space)을 형성하는 패킹 특성을 가져, 그 공간을 통과하는 다수의 비흡착성 유체 흐름 경로를 형성한다.
불활성 패킹 물질은 개별적인 저장소에 국한되거나 흡착 물질 사이에 산재될 수 있다. 또한, 불활성 물질은 용기 내부 공간의 상부에서 흡착 물질의 층 위쪽에 제공되어, 이탈된 유체를 위한 상부 공간(head space) 또는 저장부를 제공함으로써 흡착 물질로부터의 유체의 분리를 강화시킬 수 있다.
또한, 실린더의 상단에 패킹 물질을 사용하면 실린더 체적의 변화 또는 흡착제 수용력에 관계없이 용기가 일정량의 소르베이트 유체를 수용하도록 흡착제 양의 수준을 맞추는 데에 유용하다.
일반적으로는, 후속적으로 분배되는 유체의 흡착 및 이탈과 관련하여, 압력차에 의해서만 작동되는 것이 바람직하지만, 몇몇 예에서 본 발명의 시스템은, 유리하게는, 고체상의 물리적 매체의 선택적 가열을 위해 저장 및 분배 용기에 관해 유효하게 작동하도록 배치된 히터를 사용하여, 고체상의 물리적 흡착 매체로부터의 소르베이트 유체의 이탈을 열적으로 강화시킬 수 있다.
관련 유체에 대해 흡수 친화성을 갖는 어떠한 적절한 흡착 물질도 사용될 수 있지만, 적합한 고체상의 물리적 흡착 매체는 결정질의 알루미노규산염 혼합물(crystalline aluminosilicate composition) 및 소위 다른 분자체(molecular sieve), 실리카, 알루미나, 미세망상 중합체(macroreticulate polymer), 규조토(kieselguhr), 탄소 등을 포함하며, 결정질의 알루미노규산염 혼합물(제올라이트)과 탄소 흡착 물질이 가장 적합하다. 적합한 탄소 물질은 매우 균일한 구형 입자 형상을 갖는 소위 비드 활성탄(bead activated carbon)을 포함한다.
보다 구체적으로는, 본 발명은 가스 저장 및 분배 시스템에 관한 것으로, 그 시스템은,
저장되어 선택적으로 분배되는 가스에 대해 친화성을 갖는 흡착 물질의 층을 수용하는 내부 공간이 내부에 형성된 용기;
용기로부터 가스가 배출되도록 선택적으로 가스 흐름을 연통시키는 수단; 및
용기로부터 가스가 배출되도록 가스 흐름을 연통시키는 동안에 흡착 물질의 층으로부터의 가스 흐름에 대한 저항을 감소시키도록 용기의 내부 공간에 배치되는 수단을 포함한다.
가스가 용기로부터 배출되도록 선택적으로 가스 흐름을 연통시키는 수단은, 적절하게는, 개방 및 폐쇄 흐름 위치에서 선택적으로 작동 가능한 밸브, 용기로부터의 가스의 유량을 조정하는 질량 유량 제어 장치 또는 그 밖의 적절한 유량 제어 장치 및, 공급원 용기로부터 가스를 분배하는, 당업계에서 통상적으로 사용되는 흐름 조절 장치를 구비한다.
가스가 용기로부터 배출되도록 가스 흐름을 연통시키는 동안에 흡착 물질의 층으로부터의 가스의 흐름에 대한 저항을 감소시키도록 용기의 내부 공간에 배치되는 수단은, 적절하게는, 가스 흐름에 대해 투과성인 것으로서, 용기의 내부 공간에 있는 불활성 패킹 물질, 유리 비드 또는 분리되거나 불연속적인 다른 적절한 물질과 같은 것으로 흡착 물질의 층에 분산된 불활성 물질, 또는 용기로부터의 가스의 배출시에 흡착층으로부터 가스가 흘러나오도록 흡착층에 위치되는 투과성 확산관, 또는 그 밖의 적절한 수단으로, 그러한 수단이 결여된 상응하는 시스템과 관련하여 흡착층을 통과하는 가스의 흐름에 대한 저항을 감소시키는 수단을 구비할 수 있다.
특히 바람직한 양태에 있어서, 본 발명은 가스 저장 및 분배 시스템에 관한 것으로, 그 시스템은,
저장되어 선택적으로 분배되는 가스에 친화성을 갖는 흡착 물질의 층을 수용하는 내부 공간이 내부에 형성된 수직의 직립 원통형 용기;
용기로부터 가스가 상단으로 배출(top-end discharge)되도록 선택적으로 가스 흐름을 연통시키는 수단으로, 용기 상단의 가스 배출구 및 그 가스 배출구에 연결된 가스 유량 제어 장치를 구비하는 수단; 및
가스 흐름에 대해 투과성을 가지며, 가스 배출구에 연결되고 용기의 내부 공간에서 하향으로 연장되어, 용기로부터 가스가 배출되도록 가스 흐름을 연통시키는 동안에 흡착 물질의 층으로부터의 가스의 흐름에 대한 저항을 감소시키는 다공성 관을 구비한다.
본 발명의 다른 양태 및 특징은 이하의 개시 내용으로부터 더욱 충분히 명백하게 된다.
"탄소 흡착 매체를 사용한 유체 저장 및 공급 시스템(FLUID STORAGE AND DELIVERY SYSTEM UTILIZING CARBON SORBENT MEDIUM)"에 대한 글렌 엠. 톰 및 제임스 비. 맥메이너스의 명의로 1996년 5월 20일자로 출원된 미국 특허 출원 제08/650,634호의 개시 내용 및 글렌 엠. 톰 및 제임스 비. 맥메이너스의 명의로 1996년 5월 21일자로 허여된 미국 특허 제5,518,528호의 개시 내용은 전체로서 본 명세서에 참조로 포함된다.
이하의 개시 내용에서, 본 발명은 흡착 유체로서 가스를 들어 설명하지만, 본 발명은 액체, 가스, 증기, 및 다상 유체(multiphase fluid)에 폭넓게 적용될 수 있으며, 단일 성분 유체뿐만 아니라 유체 혼합물의 저장 및 분배도 고려한 것이다.
도면을 참조하면, 도 1은 저장 및 분배 용기(12)를 구비한 저장 및 분배 시스템(10)을 개략적으로 도시한 것이다. 예컨대, 저장 및 분배 용기는 길이가 긴 특징이 있는 종래의 가스 실린더 컨테이너로 이루어질 수 있다. 그러한 용기의 내부 공간에는 적절한 흡착 매체(16)의 층(14)이 배치되어 있다.
흡착 매체(16)는 용기(12)에 저장되고 후속하여 용기(12)로부터 분배되는 유체에 대해 흡착 친화성을 갖는 적절한 흡착 효과가 있는 어떠한 물질로도 구성될 수 있으며, 소르베이트가 그 흡착 매체로부터 적절하게 이탈될 수 있다. 예로서 크기가 4 내지 13 Å인 미세구멍이 있는 알루미노규산염 혼합물, 크기가 20 내지 40Å인 중간 크기의 구멍이 있는 결정질의 알루미노규산염 혼합물과 같은 결정질의 알루미노규산염 혼합물, BAC-MP, BAC-LP, 및 BAC-G-70R 탄소 물질 비드(뉴욕에 소재하는 미국의 쿠레아 코오포레이션사;Kureha Corporation of America,New York, NY)와 같은 매우 균일한 구형 입자 형상의 비드 활성탄 흡착제와 같은 카본 흡착제 물질, 실리카, 알루미나, 미세망상 중합체, 규조토 등이 있다.
흡착 물질은 유체 저장 및 분배 시스템의 성능에 유해한 영향을 줄 수 있는 미량 성분(trace component)이 없도록 적절하게 가공되거나 처리될 수 있다. 예컨대, 흡착제는 플루오르화수소산(hydrofluoric acid)과 같은 것으로 세척 처리되어 금속 및 산소 전이 금속 종(oxidic transition metal species)과 같은 미량 성분이 충분히 제거되게 할 수 있다.
도시된 바와 같이, 가스 실린더 용기(12)는 그 상단이 종래 장치의 압력 검사 및 유동 제어 요소를 구비한 가스 조정기 조립체에 연결되어 있다. 용기의 내부 공간(11)에는 다공성 금속관(20)이 배치되어 있다. 다공성 금속관은 저장 및 분배 용기의 내부 공간의 중앙에 배치되며, 용기 내부 공간의 하부 영역으로부터 가스 조정기 조립체(18)와의 결합부까지 수직 상향으로 연장되어 있다. 관(20)에는 그 길이 방향을 따라 일련의 개구부(22)가 구비되어 있다. 흡착 물질(16)의 흡착층(14)에 배치되는 관의 부분에는 내부에 흡착 매체의 미립자와 관련하여 크기가 적절하게 정해진 개구부가 마련될 수 있으므로, 그러한 개구부는 흡착제 미립자에 의해 막히거나 폐색되지 않는다.
도 1의 실시예에서의 다공성 금속관은 주어진 최종 용도에 사용되는 특정한 가스 저장 및 분배 시스템에 적절한 어떠한 크기 및 치수로도 될 수 있다.
도 1의 실시예에 도시된 다공성 금속관의 변형으로서, 관은 다공성 소결 금속 부재, 길이가 긴 프릿 부재, 또는 흡착제 덩어리(mass)를 통과하여 연장되며 흡착 매체가 없는 상향 연장 채널을 분배된 유체에 제공하는 그 밖의 어떠한 유체 투과성 구조체로도 구성될 수 있다. 그러한 흡착제가 없는 채널에서 가스는 흡착 매체에 의한 장애 없이 흐를 수 있으므로, 그러한 채널로의 반경 방향의 확산성 유체 유동은, 용기로부터 외부 분배 위치로 가스가 수역학적으로 흐르게 하는 용기 외부의 저압을 포함하는 인가 압력차 하에서, 유체가 유체/흡착제 수용 용기의 유출구쪽으로 상향 이동될 수 있게 하며, 가스가 용기의 내부 공간의 흡착 매체로부터 원 위치에서 이탈되게 한다.
도 1에 도시된 가스 용기(12)는 수직으로 길게 늘어진 특징이 있으며, (각각 동일 치수 단위로 측정된) 높이 대 직경의 종횡비는, 예컨대 약 3 대 6이다. 그러나, 용기는 본 발명의 폭넓은 적용 범위 내에서 광범위하게 다양한 형태(크기, 형상 및 치수)가 가능하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저장 및 분배 시스템(110)을 개략적으로 도시한 사시도로, 이 시스템에는 저장 및 분배 용기(112)의 내부 공간(111)의 상부 영역에 불활성 패킹 물질(130)이 함유되어 있다.
예컨대 다공성 발포 물질, 소결 유리 매트릭스, 또는 그 밖의 불활성 패킹 물질과 같은 불활성 패킹 물질은, 가스에 대한 흡착 친화성이 있는 흡착 매체(116)를 함유하는 층(114)으로부터 나오는 디소르베이트 가스의 흐름을 위해 용기의 포트(106)에 연결된 흡착제 없는 상부 공간을 제공하는 데 사용된다.
용기의 포트(106)는 조정기 조립체(118)에 공지의 방식으로 연결된 후, 가스가 용기로부터 조정기 조립체를 통해 하류 분배 위치까지 압력차의 매개에 의해 흐르도록 수동 또는 자동으로 조절될 수 있다.
용기(112)의 상부에 패킹 물질(130)을 사용하면 흡착제(116)의 양을 조절하는 데에도 유용하므로, 용기의 용적 또는 흡착제 수용 용량(loading capacity)에 관계없이 저장 및 분배 용기는 항상 일정한 양의 소르베이트 가스를 수용하게 된다.
용기 내의 흡착 물질(115)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 분배 상태 하에서 흡착 물질(116)로부터의 디소르베이트 가스의 유출이 개선되도록 강화될 수도 있다.
도 3은 도 2의 저장 및 분배 용기(112)에 있는 흡착 물질(116)이 함유된 흡착층(114)의 일부를 도시한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 층(114)은 유리 비드(150) 형태의 불활성 패킹 물질과 흡착 매체 입자(148)가 산재된 혼합물로 이루어진다.
따라서, 본 실시예에서의 불활성 패킹 물질은 흡착 물질의 층(114)에 걸쳐 적절히 미세하게 나누어진 형태로 밀접하게 산재되어 있다. 흡착 물질 역시 펠릿 또는 비드 형태과 같은 미립자 형태 또는 그 밖의 개별적 입자 형태일 수 있다.
유리 비드 패킹 물질은 흡착층 내에 상당한 틈새를 두고 상호 연결된 빈 공간이 도입되도록 적절하게 크기 및 형상이 정해진다. 따라서, 그러한 틈새가 있는 상호 연결된 빈 공간은 흡착층으로부터의 소르베이트 유체의 유출이 강화되도록 흡착층(114)을 통과하는 채널을 제공한다.
따라서, 불활성 패킹 물질의 존재에 의해 이탈 및 분배 상태하에서 소르베이트 유체의 상향 유동이 그러한 불활성 패킹 물질이 증대되지 않은 상응하는 층에 대해 강화된다.
패킹 물질이 없을 때에는, 흡착 매체는 흡착 매체 입자에 의해서만 한정되는 틈새형 공간이 마련되는 방식으로 패킹되고, 그에 따라 초기 이탈 후의 유체의 분자와 상당한 재흡착성 상호 작용을 하게 된다. 따라서, 반복된 흡착 매체의 상호 작용은 상당한 질량 유량 저항을 형성하며, 이는 본 발명에서 유체의 저장에 있어 가스를 보유하는 데는 바람직하지만, 분배 방법에서는 저장 및 분배 용기로부터의 유체의 원하는 유출을 지연시키게 된다.
따라서, 본 발명의 가스 저장 및 분배 용기 내의 내부 공간의 "채널화(channelization)"는, 분배 상태 하에서 본 발명의 유출 강화 효과를 결여한 종래 기술의 저장 및 분배 용기에 의한 것보다 용기로부터 신속하게 많은 유체가 분배될 수 있게 한다는 것이 명백하다. 본 명세서에 예시적으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 유출 강화는 다양한 구체적 용도에 맞는 여러 가지 형태로 실시될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저장 및 분배 용기(200)를 개략적으로 도시한 사시도로, 그 용기는 중앙의 흐름-강화용 다공성 주요관과 연통되는 다공성 분기관의 "거미형" 장치가 구비되어 있다.
도 4에 도시된 저장 및 분배 용기(200)는 내부 공간(204)이 내부에 형성되어 있는 원통형 용기 벽(202)으로 이루어져 있다. 내부 공간(204)에는, 용기에 저장되어 그 용기로부터 선택적으로 분배되는 유체에 대해 흡착 친화성을 갖는 흡착 물질의 층(206)이 배치되어 있다. 흡착층은 적절한 물질로 된 미립자 흡착 매체로 구성될 수 있다.
흡착층(206)에 배치된 유체-투과성 유출관(208)에는 디소르베이트 유체의 배출구 및 용기의 분배 조립체(도 4에 도시되지 않음)로의 상향 흐름을 위한 중앙 보어(210)를 구비한 수직으로 연장된 긴 주요 흐름관(212)이 포함되어 있다. 주요 흐름관은 다공성 소결 금속 구조체로 될 수 있으며, 이 구조체에는 분배되는 유체가 통과하여 중앙 보어(210) 내로 투과될 수 있도록 하는 제한 벽면이 구비되어 있다.
도시된 바와 같이, 주요 흐름관(212)에는 일련의 분기 급송관(branch feeder tube;214)이 구비되어 있는데, 그 각각은 주요 흐름관으로부터 외측으로 연장되어 있다. 분기 급송관(214)은 다공성 소결 금속 또는 그 밖의 유체-투과성 물질로 형성되어 이탈된 유체가 그 안으로 흐를 수 있다. 각각의 분기 급송관(214)은 중공 구조체로서, 내부 보어(도시되지 않음)가 주요 흐름관(212)의 중앙 보어(210)와 연통된다. 분기 급송관은 각각 반경 방향으로 연장되는 특징을 가져 실린더 용기의 전체 단면적에 걸쳐 디소르베이트를 픽업한다.
반경 방향으로 연장된 분기 급송관(214) 아래에는 선택적으로 구성된 분기 급송관(216) 구조(array of alternatively configured branch feeder tube)가 있는데, 도시된 바와 같이 물이 내뿜어지는 형태, 즉 외측 하방으로 아치를 이룬 형상이다. 또한, 각각의 분기 급송관(216)은 중공 구조체로서, 유체-투과성 벽이 주요 흐름관(212)의 중앙 보어(210)와 유체 흐름이 연통되는 중공 보어(도시되지 않음)를 둘러싸고 있다.
분기 급송관은, 큰 부피의 흡착층으로부터 저장 및 분배 시스템의 분배 구조체와 연결된 용기 포트로 디소르베이트 유체의 흐름이 이송되도록 어떠한 적절한 크기 및 형상으로도 될 수 있고, 축방향 또는 반경 방향 분배 장치일 수 있고, 그 밖의 유체-투과성 채널 도관 장치가 사용될 수 있고, 다양하게 분기될 수 있다.
본 발명의 특징 및 장점은 이하의 예로부터 보다 충분히 명백하게 된다.
예 1
이하에서 설명하는 바와 같이, 본 발명에 따라 구성된 가스 저장 및 분배 실린더를 포함하는 시험 시스템을 구성하여 효능을 시험하였다:
시험 장치: 도 5에 도시된 바와 같이 구성한 시험 시스템에서, 공급 라인(304)에 의해 매니폴드와 흐름이 연통되도록 결합되고 선택적으로 개방/폐쇄 가능한 밸브(302)를 장착한 공급원 컨테이너(300)로부터 공급된 소르베이트 가스는 SF6이었다. 매니폴드에서, 공급원 라인(324)에 의해 헬륨(공급원은 도시되지 않음)을 공급한다. 매니폴드에는 소르베이트 가스를 위한 압력 조절기(PR)가 포함되어 있다. 가스 저장 및 분배 실린더(306)에는 매니폴드 라인(314)에 연결된 배출 밸브(308)를 설치하였다. 가스 저장 및 분배 실린더(310)에는 매니폴드 라인(316)에 연결된 배출 밸브(312)를 설치하였다. 매니폴드에서의 가스 유량은 질량 유량 제어 장치(318;MFC-1 및 320;MFC-2)에 의해 제어하였다. 매니폴드에는, 도시된 바와 같이 배치된 일련의 자동 밸브(AV-1, AV-2 등) 및 수동 흐름 밸브(MV-2)가 포함되어 있다. 매니폴드로부터 배출된 가스를 시험 시스템의 배출 가스 정화 및 처리를 위한 배출 가스 정화 유닛(326) 및 시스템 세정기(scrubber;328)로 배출 라인(322)에서 유동시켰다.
가스 실린더: 시험을 위해 2개의 렉춰 보틀(lecture bottle) 사이즈의 가스 저장 및 공급 실린더(306,310)를 준비하였다. 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 각각의 실린더를 시험 설비 매니폴드 조립체에 수직으로 장착하였으며, 그 전체 길이는 (밸브를 포함하지 않고) 11.5 인치(29.21cm), 외경은 2 인치(5.08cm), 내부 공간은 0.44 리터였다.
실린더(306)에는 길이 10.5 인치(26.67cm) × 외경 0.375 인치(0.9525cm) [0.25 인치(0.635cm)의 내경]의 다공성 프릿 관을 설치하였는데, 그 관은 실린더 밸브의 내측 단부에 부착하였다. 실린더(310)에는 더 짧은 2 인치 × 0.375 인치 외경[0.125 인치(0.3175cm)의 내경]의 다공성 프릿 관을 설치하였다.
양 실린더에는 탄소를 주성분으로 하는 흡수제(쿠레아 케미칼 인더스트리 컴패니 리미티드로부터 구입할 수 있는 쿠레아 비드 활성탄 G-BAC;Kureha Bead Carbon G-BAC, commercially available from Kureha Chemical Industry Co., Ltd.)를 충전하였다. 실린더의 헬륨 누출 검사 후에, 1×104mmHg의 진공도 하에 12 시간동안 180 ℃에서 실린더로부터 가스를 제거하였다. 실린더(306)에서의 흡착제의 중량은 가스를 제거한 후에 214g 이고, 실린더(310)의 흡착제 중량은 222g이 되는 것으로 판명되었다.
흡착: 양 실린더를 도 5에 도시된 바와 같은 시험 매니폴드에 연결시켰다. 매니폴드의 헬륨 누출을 검사하고 6×10-5mmHg까지 진공화한 후에, SF6을 질량 유량 제어 장치를 통해 양 실린더에 도입하였다. 유량의 범위는 100 내지 200 sccm 이었다. 0.1 mmHg 의 정확도로 2개의 압력 변환기에 의해 실린더 압력을 측정하였다.
실린더의 압력이 실온에서 원하는 수준에 이르렀을 때, SF6의 흐름을 중단시켰다. 실린더 압력을 안정화시킨 후에, 실린더에 도입되는 SF6의 양은 가스 유량 및 흡착 시간을 사용하여 결정하였고, 이어서 최종 실린더 압력에서의 흡착제 상의 SF6의 충전량을 결정하였다. 아래의 표 1에는 3개의 다른 압력에서의 충전량을 요약하였다.
높은 흐름 이탈: 실린더에 원하는 압력까지 SF6을 충전한 후에, 실린더를 6×10-5의 기준 펌프 압력(base pump pressure)으로 진공 펌프에 30초 동안 개방시켰다. 펌핑 후 실린더 압력이 안정화되었을 때에, 펌핑 전후의 압력차를 기록하였다. 압력차에 의거하여, 이탈된 SF6의 양을 흡착 시험에서 발생된 흡착 데이터로부터 추정하고, 그것을 각각의 실린더에 대한 이탈율을 결정하는 데 사용하였다. 이탈 결과를 아래의 표 2에 요약하였다. 양 실린더에 대한 이탈 시험을 동일 조건하에서 수행하였다. 이탈율에 있어서의 잠재적인 장애(potential interference)를 장치로부터 제거하기 위해 양 실린더를 매니폴드의 동일한 위치에 연결하였다.
낮은 흐름 이탈: 낮은 흐름 이탈 시험에서, SF6가스를 낮은 흐름 질량 유량 제어 장치(10 sccm)를 통해 진공 펌프쪽으로 이탈하였다. 실린더에 대한 실린더 압력 및 가스 유량을 모두 측정하여 도 6에 플롯으로 나타냈다. 도 6은 분당 이탈 시간의 함수로서 내부 공간에 긴 다공성 프릿 관이 배치된 가스 저장 및 분배 실린더(곡선 A)와 내부 공간에 짧은 다공성 프릿 관이 배치된 가스 저장 및 분배 실린더(곡선 B)에 대한 실린더 압력(mmHg) 및 이탈 유량(standard cubic centimeters)의 도면이다.
결과: 높은 흐름 이탈 시험에서, 실린더로부터 이탈된 가스의 양에 의거하여 긴 프릿 실린더는 짧은 프릿 실린더보다 약 60% 높은 이탈율을 나타냈다. 또한, 긴 프릿 실린더에서의 가스의 이탈 중에 진공 펌프 유입구에서의 높은 압력은 또한 긴 프릿 실린더가 보다 많은 SF6를 이탈시킨다는 것을 암시했다. 다른 구성 재료는 모두 동일했기 때문에, 차이는 프릿의 길이에 기인했다. 이러한 데이터는 긴 프릿의 가스 저장 및 분배 실린더가 짧은 프릿의 실린더(다공성 관)에 대해 흡착 매체의 빈 공간에서의 가스 전달율을 개선시켰다는 결론을 지지한다.
낮은 흐름 이탈 시험에서, 2개의 실린더 사이의 유량차는 최소가 되는 것으로 판명되었다. 낮은 흐름 범위에서, 가스 유량을 흡착성 입자의 빈 공간에서의 가스 이송에 의해서보다는 흡착 구멍으로부터 가스상(gas phase)으로의 가스 이탈에 의해 제한한다.
실린더 압력(mmHg＠21-22℃) 충전량(g/100g)
09.330.4122 05.811.924.4
개시 압력(mmHg) 긴 프릿 짧은 프릿 이탈속도의 차*%
최종압력 (mmHg) 이탈체적(liter) 이탈속도 (liter/min) 최종압력(mmHg) 이탈체적(ml) 이탈속도(ml/min)
111＠22℃80＠21℃71＠20℃ 846458 1.611.51.39 3.2132.78 926962 10.9950.89 21.991.78 615156
평균 56
*(긴 프릿의 유량-짧은 프릿의 유량)×100/짧은 프릿의 유량
이탈중의 진공 수준(mmHg)
개시 압력 긴 프릿 짧은 프릿
111＠22℃80＠21℃71＠20℃ 3.02.92.8 2.92.62.7
따라서, 본 명세서에서 구체적 특징, 양태 및 실시예를 참조로 본 발명을 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 본 명세서의 개시 내용과 일관성이 있는 광범위한 다른 변형, 특징 및 실시가 가능하며, 따라서 본 발명은 전술한 개시 내용의 사상 및 범위 내에서 폭넓게 해석된다.
본 발명의 가스 저장 및 분배 장치에서는 채널화된 흡착층을 구비하며, 다공성 관이 용기의 내부 공간 중심에 배치되어 저장된 유체의 신속한 대량 배출이 가능하다.

Claims (15)

  1. 가스 저장 및 분배 시스템으로서,
    저장되어 선택적으로 분배되는 가스에 대해 친화성을 갖는 흡착 물질의 층을 수용하는 내부 공간이 형성된 용기와,
    상기 용기로부터 상기 가스가 배출되도록 선택적으로 가스 흐름을 연통시키는 수단과,
    상기 용기로부터 상기 가스가 배출되도록 상기 가스 흐름을 연통시키는 동안에 상기 흡착 물질의 층으로부터의 가스 흐름에 대한 저항을 감소시키기 위해 용기의 내부 공간에 배치되는 수단
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용기로부터 가스가 배출되도록 선택적으로 가스 흐름을 연통시키는 수단은, 개방 및 폐쇄 흐름 위치 사이에서 선택적으로 작동 가능한 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 가스가 상기 용기로부터 배출되도록 선택적으로 가스 흐름을 연통시키는 수단은, 상기 용기로부터의 가스의 유량을 조정하는 질량 유량 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 용기로부터 가스가 배출되도록 상기 가스 흐름을 연통시키는 동안에 상기 흡착 물질의 층으로부터의 가스 흐름에 대한 저항을 감소시키도록 상기 용기의 내부 공간에 배치되는 수단은, 가스 흐름이 투과할 수 있는 불활성 패킹 물질을 상기 용기의 내부 공간에 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 용기로부터 가스가 배출되도록 상기 가스 흐름이 연통되는 동안에 상기 흡착 물질의 층으로부터의 가스 흐름에 대한 저항을 감소시키도록 상기 용기의 내부 공간에 배치되는 수단은, 상기 흡착 물질의 층에 분산되는 불활성 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 불활성 물질은 유리 비드인 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 용기로부터 가스가 배출되도록 상기 가스 흐름이 연통되는 동안에 상기 흡착 물질의 층으로부터의 가스 흐름에 대한 저항을 감소시키도록 상기 용기의 내부 공간에 배치되는 수단은, 상기 용기로부터 가스가 배출되게 하기 위해 상기 흡착층으로부터 가스가 흘러나오도록 상기 흡착층에 배치되는 투과성 확산관을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 용기에는 가스가 이 용기로부터 배출되도록 하기 위한 배출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 확산관은 그 일단부가 상기 배출구에 결합되고 타단부가 상기 흡착 물질의 층 내으로 연장되는 다공성 직선관을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 용기는 수직으로 길이가 긴 원통형 컨테이너이며, 가스가 상기 용기로부터 상단으로 배출되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 용기는 수직으로 길이가 긴 원통형 컨테이너이며, 가스가 상기 용기로부터 상단으로 배출되도록 배치되며, 상기 다공성 관은 상기 배출구로부터 하향으로 상기 흡착 물질의 층의 하부까지 수직으로 연장되는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 다공성 관은 다공성 소결 금속 구조체인 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 다공성 관은 그 길이에 걸쳐 상기 용기와 실질적으로 동일하게 연장되는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 흡착 물질의 층에 활성화된 탄소 흡착 물질을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
  15. 가스 저장 및 분배 시스템으로서,
    저장되고 선택적으로 분배되는 가스에 대해 친화성을 갖는 흡착 물질의 층을 수용하는 내부 공간이 내부에 형성되어 있는 수직으로 직립한 원통형 용기와,
    상기 용기로부터 상기 가스가 상단으로 배출되도록 선택적으로 가스 흐름을 연통시키며, 상기 용기의 상단부의 가스 배출구와 이 가스 배출구에 연결되는 가스 유량 제어 장치를 포함하는 수단과,
    상기 용기로부터 가스가 배출되도록 가스 흐름이 연통되는 동안에 상기 흡착 물질의 층으로부터의 가스의 흐름에 대한 저항을 감소시키도록 가스 흐름에 대해 투과성이고 상기 가스 배출구에 연결되어 상기 용기의 내부 공간에서 하향으로 연장되는 다공성관
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 저장 및 분배 시스템.
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