專利名稱：用于隔離和密封反應(yīng)介質(zhì)的器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般而言涉及用于隔離和密封氣體反應(yīng)物質(zhì)的器件。尤其涉及在微電子生產(chǎn)工業(yè)中應(yīng)用的氣體純化器、過(guò)濾器和監(jiān)測(cè)器。本發(fā)明特別地涉及到帶有內(nèi)置隔膜的閥組件的純化器，用于隔離和密封要純化的氣體，使之與周圍環(huán)境隔離。
用于純化、過(guò)濾或監(jiān)測(cè)氣體的各種類型的器件被廣泛應(yīng)用于工業(yè)中。例如，由于半導(dǎo)體芯片的幾何尺寸已變得更小，用于生產(chǎn)半導(dǎo)體的氣體必須是超凈的。氣體純化器在微電子工業(yè)中已應(yīng)用了許多年，用以除去這些氣體中的分子的或顆粒的雜質(zhì)。
由于用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的許多氣體是有毒的或有腐蝕性的，如果這些氣體暴露到周圍環(huán)境中，它們就會(huì)對(duì)環(huán)境和健康造成危害。由于被用作純化器元件的反應(yīng)材料在使用時(shí)被消耗掉，因此氣體純化器是典型用過(guò)即棄的器件。此外，在安裝時(shí)周圍環(huán)境的氣體會(huì)進(jìn)入純化器，由此而消耗掉其一部分使用壽命。暴露在周圍環(huán)境中也會(huì)由于在氣路系統(tǒng)投入使用前必須把潮氣和其它雜質(zhì)從系統(tǒng)中清除出去，而延長(zhǎng)了氣路系統(tǒng)預(yù)處理的時(shí)間。因此，存在著這樣的需求，即在安裝或卸除純化器過(guò)程中，使純化器與氣體供應(yīng)系統(tǒng)隔離開，并把氣體密封在純化器中。在更換純化器的過(guò)程中，通常是通過(guò)使用一對(duì)隔離閥來(lái)達(dá)到隔離和密封的目的，這對(duì)閥位于純化器元件的外部，與把純化器固定到氣路供應(yīng)系統(tǒng)上的入口和出口接頭相鄰。隔離閥的主要作用，是在維修期間，當(dāng)把準(zhǔn)備扔掉的純化器從氣路系統(tǒng)上卸除時(shí)，提高其安全性，并保護(hù)純化器反應(yīng)材料使之免于暴露在周圍環(huán)境中。但是，使用外置隔離閥的缺點(diǎn)是它們很昂貴，且增加了系統(tǒng)的內(nèi)容積，也使純化器整體更龐大。這樣的整體龐大產(chǎn)生了顯著的附加成本，尤其是因?yàn)榘雽?dǎo)體是在潔凈間環(huán)境下生產(chǎn)的。
曾試圖排除對(duì)氣體純化器的外置閥的需求。美國(guó)專利5,139,747顯示了這類設(shè)計(jì)的一個(gè)例子，該專利揭示了一種帶有提升閥的氣體純化器，該提升閥位于純化器元件內(nèi)而形成整體，從而排除了對(duì)外置閥的需求。因?yàn)槭褂昧颂厥庠O(shè)計(jì)成的密封墊，所以需要很大的力量才能致動(dòng)提升閥。如此，該專利教導(dǎo)使用一對(duì)疊式彈簧，一個(gè)放在入口而另一個(gè)放在出口，以便在提升閥上施加必要的足以形成可靠密封的力量。

圖1是美國(guó)專利5,139,747中所使用的典型提升閥結(jié)構(gòu)的橫截面圖。使用彈簧是不合乎需要的，因?yàn)閺椈稍黾恿说谋砻娣e成了沾污物的潛在來(lái)源，由于產(chǎn)生了顯著的氣流死區(qū)，大多數(shù)污染物不能通過(guò)氣流吹除。彈簧易于在彈簧材料的表面形成應(yīng)力裂縫，這也會(huì)產(chǎn)生污染物。加之，該專利的閥是采用壓配合機(jī)械零件而組裝的，這種工藝會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)部造成截留區(qū)域或死容積。死容積區(qū)域會(huì)截留流體而導(dǎo)致發(fā)生腐蝕，從而影響所供應(yīng)氣體的純凈。同樣，對(duì)于超凈應(yīng)用，例如在微電子工業(yè)中通常遇到的超凈應(yīng)用，最可行的方法是電拋光而提高那些與供應(yīng)的氣體接觸的表面的光潔度。眾所周知，彈簧是很難電拋光的，因此更容易腐蝕。
因此，存在著這樣的需求，即改進(jìn)較簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的氣體隔離和密封器件，減少其死容積，改進(jìn)其表面光潔度，以避免污物進(jìn)入到被純化和監(jiān)測(cè)的氣流中。而且，也有這樣的要求，即有可能更換這些器件而不會(huì)使人員暴露在危險(xiǎn)氣體中，或在安裝更換器件時(shí)不會(huì)使反應(yīng)材料暴露在周圍環(huán)境中。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和瑕疵，提供了一種用于隔絕和密封氣體反應(yīng)材料的裝置，它具有一個(gè)新型的閥，該閥的致動(dòng)與一個(gè)預(yù)加載的金屬隔膜運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。把器件與欲被純化或監(jiān)測(cè)的氣路連接的每個(gè)接頭，都與一個(gè)閥組件以及一個(gè)與隔膜連接的致動(dòng)器相配合，而且所有這些都被容納在這些可分離的器件的殼體中。
按照本發(fā)明的較佳實(shí)施例，一個(gè)氣體純化器包括一對(duì)內(nèi)置閥，其中一個(gè)閥在入口處而另一個(gè)閥在出口處，用于隔絕和密封的目的。氣體純化器包括一個(gè)金屬隔膜和相應(yīng)的金屬支座，當(dāng)氣體純化器與氣體供應(yīng)管路不接通時(shí)，例如與用于半導(dǎo)體生產(chǎn)運(yùn)行的氣體管路不接通時(shí)，金屬隔膜和支座間形成為安全的氣密密封。該密封是這樣實(shí)現(xiàn)的，即通過(guò)預(yù)加載在隔膜上的偏置力，使隔膜與金屬支座貼合，由此密封了純化器的內(nèi)部，并密封住已被純化的任何被傳輸?shù)臍怏w使之與周圍環(huán)境隔離。一個(gè)致動(dòng)器附著在隔膜上，該致動(dòng)器超越純化器的入口接頭和出口接頭而縱向延伸，以致當(dāng)入口和出口接頭都與氣體供應(yīng)管線連接時(shí)，在致動(dòng)器上產(chǎn)生的力足以克服金屬隔膜的預(yù)加載偏置力，由此使氣體供應(yīng)管線的入口和出口都暴露在氣體純化器中。
通過(guò)閱讀下列詳細(xì)描述，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征就會(huì)很清楚。
圖1是現(xiàn)有氣體純化器的閥組件橫截面圖，該氣體純化器帶有內(nèi)置的、彈簧致動(dòng)的提升閥；圖2是本發(fā)明氣體純化器的較佳實(shí)施例分解圖；圖3是圖2中實(shí)施例的閥組件的橫截面圖，該圖顯示了該金屬閥及其支座的細(xì)節(jié)；圖4是本發(fā)明一個(gè)替代實(shí)施例閥組件的橫截面圖；圖5是本發(fā)明再一個(gè)替代實(shí)施例閥組件的橫截面圖。
圖2和圖3所示為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例。圖2是氣體純化器10的分解圖，顯示了其各個(gè)部件，這些部件都被組裝在純化器殼體11中。純化器殼體的兩端各容納有一個(gè)閥組件12，該組件包括一個(gè)帶有中空內(nèi)腔13A的管式致動(dòng)桿13，管式致動(dòng)桿13被用于插入閥殼體16的中心孔14中，一個(gè)閥集流腔17位于殼體16的另一端。
通過(guò)把集流管17焊接到閥殼體16上而組裝成閥組件12，然后把金屬隔膜4和隔膜保持器15焊接到閥集流管上。每個(gè)閥組件都具有相同的結(jié)構(gòu)，并因此而可以相互替換。純化器在氣路供應(yīng)系統(tǒng)中的取向決定了哪個(gè)閥起入口閥的作用哪個(gè)閥起出口閥的作用。通常，入口閥，它被放置在純化器的前方，是在氣體供應(yīng)的上游端，而出口閥則位于其下游端，也就是在純化器的后方。
為使純化器10的結(jié)構(gòu)成套，把一個(gè)膜式連接件2插在純化器殼體11的下游端和出口閥組件12之間，并把出口閥組件焊接到純化器殼體上。純化器中充滿著合成樹脂20構(gòu)成的純化器物質(zhì)，例如在美國(guó)專利號(hào)4,950,419、4,853,148和4,713,224中闡述過(guò)的類型的樹脂。這種樹脂是具有很大表面積的合成支撐物，在其上涂覆著能與氣流中所含有的組分或雜質(zhì)反應(yīng)的材料。應(yīng)該理解的是，可以根據(jù)用途(例如純化或監(jiān)測(cè))而使用其它材料。這些材料包括如在美國(guó)專利號(hào)4,312,669和5,456,740中所描述的那些吸氣劑合金，以及如同美國(guó)專利號(hào)4,604,270和4,761,395中所述的樹脂基有機(jī)金屬材料，或如美國(guó)專利號(hào)5,340,552中所述的活性微基質(zhì)材料。多孔燒結(jié)物18被插入純化器殼體的上游端，用于盛裝樹脂。然后，把入口閥組件12焊接到純化器殼體上即完成了氣體純化器的組裝。
金屬隔膜4是具有高屈服點(diǎn)、高抗拉強(qiáng)度的金屬合金，它帶有一個(gè)特別有用的由愛爾及羅伊(Elgiloy)合金形成的薄膜，Elgiloy合金是鈷、鉻、鎳的混合物。該薄膜厚度為0.004英寸，并成形為波紋形結(jié)構(gòu)。當(dāng)閥被組裝完成后，膜約偏置0.005英寸，這就對(duì)其支座28施加了一個(gè)大于20磅的力，由此保證了氣密金屬密封。致動(dòng)桿13被點(diǎn)焊到隔膜4上。
參見圖3，現(xiàn)對(duì)純化器的動(dòng)作和閥的機(jī)制進(jìn)行描述。當(dāng)氣路系統(tǒng)的配合連接器22被連接到入口閥組件12的螺紋端26上時(shí)，墊圈30則抵靠在致動(dòng)桿13上，致動(dòng)桿13的端部超越螺紋端而橫向延伸，形成擴(kuò)張端35。墊圈的堅(jiān)實(shí)的邊緣環(huán)形區(qū)32與擴(kuò)張端接觸，擰緊配合連接器22，由此產(chǎn)生的力足以克服金屬隔膜4的預(yù)加載偏置力，從而通過(guò)使金屬隔膜從位于閥組件內(nèi)的支座28上移開而開啟該閥。圖3顯示了處于開啟狀態(tài)的閥。墊圈30為盤狀的，并有一個(gè)與管式致動(dòng)桿的中空內(nèi)腔13A對(duì)中的圓孔31。由于圓孔31的直徑小于擴(kuò)張端35，墊圈30的堅(jiān)實(shí)的邊緣環(huán)形區(qū)32就與擴(kuò)張端接觸，并壓縮蓋緊配合連接器22。堅(jiān)實(shí)邊緣環(huán)形區(qū)32推抵著致動(dòng)桿13的擴(kuò)張端35，由此而移動(dòng)了金屬隔膜4，從而開啟了閥組件。
進(jìn)入氣體流經(jīng)孔31和致動(dòng)桿13的內(nèi)腔13A，然后從位于致動(dòng)桿中的一系列徑向孔40中排出。氣體然后流經(jīng)環(huán)狀窄縫42及通過(guò)閥支座28，然后流經(jīng)閥集流管17中的徑向孔44。要被純化的氣體然后流經(jīng)樹脂20并在該處發(fā)生凈化作用，最后，氣體流經(jīng)膜式連接件2而到達(dá)出口閥組件12，在該處，按與上述描述過(guò)的相反的流程發(fā)生氣體的流動(dòng)和純化。然后，純化了的氣體被提供給使用地點(diǎn)。
當(dāng)要從氣體供應(yīng)管路上卸除純化器10時(shí)，該供應(yīng)線路的每個(gè)配合連接器22都從其螺紋端26處被擰松。這就使得已具有足夠預(yù)加載力的金屬膜4的內(nèi)表面密合地抵靠住支座28。這樣，被截留在純化器殼體中的任何氣體，都不能散逸到周圍環(huán)境中去。而且可以理解的是，這種管路接法(即當(dāng)純化器不連接到氣體供應(yīng)管路上時(shí))，允許一個(gè)新的純化器可帶有與周圍環(huán)境隔絕的反應(yīng)材料。
圖4顯示了本發(fā)明閥組件的一個(gè)替代實(shí)施例，其中，與上述實(shí)施例相似的元件賦預(yù)了相似的標(biāo)號(hào)。在本實(shí)施例中，錐形閥50被焊接到金屬隔膜4上，而閥的錐狀端與位于閥殼體16上的閥支座52貼合。當(dāng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，如圖所示，形成了氣密密封。把該閥組件看作為代表純化器10的入口閥，其運(yùn)轉(zhuǎn)與關(guān)于對(duì)上一個(gè)較佳實(shí)施例運(yùn)轉(zhuǎn)的描述是相似的，即氣體流程為先后流經(jīng)墊圈孔31、致動(dòng)桿13的內(nèi)腔13A、徑向孔40和環(huán)狀窄縫42。但是，在本實(shí)施例中，當(dāng)使閥50從其支座52上移開時(shí)，氣流就通過(guò)位于金屬隔膜4中的一系列孔洞48而到達(dá)純化器的其余元件。
圖5顯示了本發(fā)明閥組件的一個(gè)替代實(shí)施例，其中，與上述實(shí)施例相似的元件賦預(yù)了相似的標(biāo)號(hào)。在本實(shí)施例中，致動(dòng)桿13是實(shí)心的金屬桿，而并非如其它較佳實(shí)施例的管式致動(dòng)桿。采用該致動(dòng)桿以插入閥殼體16的中心孔14。一個(gè)槽13B位于桿13的容納金屬隔膜4的端部的對(duì)側(cè)一端。槽13B與中心孔14相連通。
圖5所示的實(shí)施例閥的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制闡述如下當(dāng)氣體供應(yīng)線路閥門系統(tǒng)的配合連接器22被連接到入口閥12的螺紋端26時(shí)，墊圈30起著抵靠致動(dòng)桿13的作用，桿13的端部橫向延伸超越螺紋端而形成擴(kuò)張端35。墊圈的堅(jiān)實(shí)邊緣區(qū)32與該擴(kuò)張端接觸，擰緊配合連接器22而產(chǎn)生的力足以克服金屬隔膜4的預(yù)加載偏置力。這就通過(guò)使金屬隔膜從其在閥組件內(nèi)的支座28上移開而開啟了該閥。圖5顯示了處于關(guān)閉狀態(tài)的閥。墊圈30是盤狀的，并有一個(gè)與致動(dòng)桿13的內(nèi)槽13B相對(duì)中的圓孔31。由于圓孔31的直徑比擴(kuò)散端35的直徑小，墊圈30的堅(jiān)實(shí)的邊緣區(qū)32就與擴(kuò)張端接觸，并通過(guò)擰緊配合連接器22而擠壓擴(kuò)張端。堅(jiān)實(shí)邊緣區(qū)32推抵著致動(dòng)桿13的擴(kuò)張端35，由此移開了金屬隔膜4而開啟了閥。進(jìn)給氣體流經(jīng)孔31和致動(dòng)桿13的槽13B，進(jìn)入閥的中心孔14，然后進(jìn)入環(huán)狀槽42，經(jīng)過(guò)閥支座28，再流經(jīng)徑向孔44而進(jìn)入純化器10中。
當(dāng)上述例子對(duì)本發(fā)明的變化性和基本特征進(jìn)行圖解說(shuō)明時(shí)，應(yīng)理解為還有許多變化可更好地替代此處介紹的在某些情況下的實(shí)施例。多種多樣的例子可被由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明所包羅，包括那些要求與污染的環(huán)境(例如周圍的空氣)隔絕的下列產(chǎn)品，即吸氣過(guò)濾器/純化器和在線的氣體監(jiān)測(cè)儀。
權(quán)利要求
1.一種用于隔絕和密封氣體反應(yīng)材料的器件，其特征在于，包括一個(gè)殼體，它具有一個(gè)入口接頭和一個(gè)出口接頭，這些接頭用以把所說(shuō)的殼體與所供應(yīng)的氣體接通；一種被密封在所說(shuō)的殼體中的氣體反應(yīng)材料；所說(shuō)的入口接頭和所說(shuō)的出口接頭都包括有操縱裝置，該裝置與在所說(shuō)的殼體中的一個(gè)預(yù)加載金屬隔膜相接觸，當(dāng)所說(shuō)的器件與所說(shuō)的供應(yīng)氣體不接通時(shí)，被偏置的所說(shuō)的隔膜與一個(gè)金屬支座相貼合，從而密封所說(shuō)的反應(yīng)材料使之與大氣環(huán)境隔離；所說(shuō)的操縱裝置包括一條氣體通道，用于確保在所說(shuō)的殼體和所說(shuō)的供應(yīng)氣體間的氣流流通，所說(shuō)的操縱裝置超越在一端的所說(shuō)的接頭，遠(yuǎn)離殼體而延伸，以致當(dāng)所說(shuō)的器件與所說(shuō)的氣體供應(yīng)相接通時(shí)，隨著所說(shuō)的操縱裝置的位移而產(chǎn)生的力量，足以克服所說(shuō)的隔膜的預(yù)加載力，由此使所說(shuō)的供應(yīng)氣體暴露于反應(yīng)材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所說(shuō)的金屬支座位于所說(shuō)的殼體上。
3.按照權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所說(shuō)的金屬支座位于所說(shuō)的金屬隔膜相對(duì)于所說(shuō)的殼體的內(nèi)部的表面。
4.按照權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所說(shuō)的反應(yīng)材料包括有機(jī)金屬樹脂。
5.按照權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所說(shuō)操縱裝置是一根與所說(shuō)的隔膜相接觸的金屬管。
6.按照權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于，所說(shuō)的操縱裝置焊接在所說(shuō)的隔膜上。
7.按照權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于，所說(shuō)的金屬管包括許多沿著所說(shuō)管子的長(zhǎng)度分布的徑向孔。
8.按照權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于，所說(shuō)的金屬管的一端遠(yuǎn)離所說(shuō)的殼體向外擴(kuò)張。
9.按照權(quán)利要求8所述的器件，其特征在于，包括一個(gè)插入所說(shuō)的接頭的墊圈，該墊圈與所說(shuō)的擴(kuò)張的遠(yuǎn)離端環(huán)形地接觸，由此，當(dāng)所說(shuō)的器件被安裝到所說(shuō)的氣路上時(shí)，可使操縱所說(shuō)的隔膜所必須的力量減至最小。
10.按照權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于，所說(shuō)的金屬隔膜是由具有高屈服點(diǎn)、高抗拉強(qiáng)度的金屬合金制成的。
11.按照權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于，所說(shuō)的金屬合金由鈷、鉻和鎳的混合物組成。
12.按照權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11中任一項(xiàng)所述的器件，包括一個(gè)整體接頭，用于清除在所說(shuō)的殼體中分布著的亞微顆粒。
13.按照權(quán)利要求1的一種器件，其中，該操縱裝置是一根實(shí)心的金屬桿，而操縱裝置的氣體通道是位于該操縱裝置鄰近入口接頭一端的一個(gè)槽，所說(shuō)的槽與包圍著該操縱裝置的殼體的中心連通。
全文摘要
一種用于隔絕和密閉氣體反應(yīng)材料的器件,為一種連同預(yù)加載的金屬隔膜一起的可被操縱的一種新型閥結(jié)構(gòu)。當(dāng)該器件與氣體供應(yīng)管路分離開的時(shí)候,該預(yù)加載隔膜的力足以形成氣密密封,由此而使該器件的內(nèi)部與周圍環(huán)境隔離。
文檔編號(hào)F16L29/02GK1195569SQ97116298
公開日1998年10月14日 申請(qǐng)日期1997年9月10日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月10日
發(fā)明者羅杰·R·庫(kù)圖 申請(qǐng)人:米利波爾公司