專利名稱：：具有安全設備的氣體凈化系統及凈化氣體的方法
背景技術：
：本發明一般地涉及氣體凈化器，且更特殊地，涉及具有安全系統的氣體凈化器，該安全系統用來切斷流向凈化器的氣流且從凈化器去除雜質氣體。以吸附雜質的方式工作的氣體凈化器主要屬于兩類基于吸氣劑的凈化器和基于催化劑的凈化器。兩類的區別在于基于吸氣劑的凈化器是采用化學吸附原理工作的，即不可逆吸附，從而使凈化器一旦用盡就必須更換；而基于催化劑的凈化器是采用物理吸附原理工作的，從而使這些凈化器一旦用盡可以采用熱或化學處理得以再生。就其再生特征而言，基于催化劑的凈化器是人們所希望的，但是可凈化氣體的范圍與基于吸氣劑的凈化器相比是窄的。兩種凈化器都是要從對凈化器而言是惰性的化學氣體中去除微量活性雜質。當一種錯誤的氣體或一種高濃度的特定氣體被輸入凈化器，或者當由于氣體管線的故障使大氣進入時，兩類凈化器也都會被毀壞。基于吸氣劑的凈化器產生極純的氣體，比如，氬，氦，氫和氮，用于如半導體加工這樣的應用場合。這些有時被稱為“吸氣柱”的氣體凈化器典型地包括一個吸氣材料床，該床通過吸收氣體中的雜質來凈化從其流過的氣體。基于吸氣劑的凈化器是具有潛在危險的，因為包含其中的吸氣材料與某種高濃度雜質是高度可反應的。例如，一種高濃度的雜質氣體，比如氧，意外地被引入到一個含有一種已知基于鋯的吸氣材料的氣體凈化器中，造成放熱反應。這里所稱的一種“高”濃度雜質氣體(或“活性氣體”)是指每單位時間的一定量氣體，使其通過與吸氣劑的放熱反應所產生的熱沒有時間被散失(通過傳導，或通過流動氣體本身)，且積累起來造成溫度急劇上升。氣體的臨界量取決于氣體的性質(例如，與吸氣劑反應的熱量越高，氣體的臨界量越低)，在整個氣體組分中活性物質的濃度，以及氣流速度。通常，超過1-2％的氧濃度就可能臨界了，然而已經發現低于5-6％的氮濃度不會對凈化器帶來問題，這是由于氮的活性較低。由放熱反應造成的溫度急劇上升會使凈化器的容器壁熔化。容器壁典型地由不銹鋼構成，在約1000℃這樣低的溫度下會熔化，因為與容器壁接觸的吸氣材料與其反應且形成一種低共熔組分。如果容器壁的熔化造成在其上面形成一個洞，那么吸氣材料容器的破裂就發生了，這是潛在的災難。這樣一個反應會導致吸氣凈化器的毀壞且結果造成生產中斷。基于催化劑的氣體凈化器也會由于活性氣體的高濃度而被損壞。最廣泛為人們所知且使用的基于催化劑的凈化器是那些基于以沸石為載體的鎳的凈化器，用于凈化氮氣。在和大氣接觸的情況下，沸石-鎳床能加熱到約600-800℃的溫度值，這會導致顆粒的燒結和氧化鎳的大量形成，結果使凈化器不能再生。如前所述，氣體凈化器需要一種安全設備，用來在高濃度雜質氣體被引入時防止凈化器材料容器的破裂。為了確保氣體凈化器總是能防止凈化器材料容器的破裂，該安全設備必須極其可靠。換句話說，該安全設備優選不能包含復雜的儀器，這些復雜的儀器除了昂貴以外還會不正常工作或產生錯誤的報警，這對半導體生產設備而言是破壞性的和代價昂貴的。附圖簡述通過下面結合附圖所進行的詳細描述，本發明容易被理解，其中類似的結構元件采用相同的標號，其中圖1為本發明的氣體凈化器和安全系統的第一個實施方案的方框圖圖2為本發明的氣體凈化器和安全系統的第二個實施方案的方框圖；圖3為本發明的氣體凈化器和安全系統的第三個實施方案的方框圖；圖4為圖1所示的氣體凈化器和安全系統的第一個實施方案的方框圖，包括本發明的一個控制單元；圖5為圖4所示的氣體凈化器和安全系統的一個不同實施方案的方框圖；圖6為本發明的氣體凈化器和安全系統的第四個實施方案的方框圖；圖7為本發明的安全設備的第一個實施方案的簡圖；圖8為本發明的安全設備的第二個實施方案的簡圖；圖9為本發明的安全設備的第三個實施方案的簡圖；圖10為本發明的安全設備的第四個實施方案的簡圖；圖11為本發明的安全設備的第五個實施方案的簡圖；圖12a和12b為本發明的安全設備的第六個實施方案的簡圖。優選實施方案的詳細描述現在將結合附圖對本發明的優選實施方案進行詳細描述。安全系統圖1所示為根據本發明的第一個實施方案構成的一個凈化器系統10，包括一個氣體凈化器12和一個安全系統14。氣體凈化器12包括具有入口18和出口20的外殼16。不純氣體來自氣源22，流過氣體管道24，通過入口18，進入氣體凈化器12。氣體被凈化后，流過出口20回到氣體管道24，且進入所期望的環境28，比如半導體加工室。氣體凈化器12可以是基于吸氣劑的凈化器或基于催化劑的凈化器。這里特別把重點放在基于吸氣劑的材料和凈化器上，但是本發明安全系統的原理可以適用于其他凈化器，如采用基底金屬來從氣體中去除氧化物質的那些凈化器，例如，在一個基于催化劑的凈化器中的沸石-鎳床可以與針對適當的氣體優化后的安全設備一起使用來獲得等同的結果。如包括在氣體凈化器12中的吸氣劑凈化器的實施對本領域的熟練者而言是眾所周知的。氣體凈化器12的外殼16可以用任何具有足夠強度和抗高溫能力的適當材料來制造，例如，金屬材料。在一個優選實施方案中，外殼16用不銹鋼制造。正如本領域熟練者所熟知的那樣，氣體凈化器12的內部包括容器壁和便于進行氣體凈化的吸氣泵或床(未示出)。當要進行凈化的氣體流過吸氣床時，形成該床的吸氣材料吸附氣體中的雜質并由此凈化該氣體。商業上可獲得的適于被凈化氣體的吸氣材料適合于構成吸氣床。構成吸氣床的吸氣材料可以是丸、片、粉末、顆粒或其他合適的形狀。舉例來說，用來凈化如氬和氦這樣的稀有氣體的優選吸氣材料有由意大利米蘭的SAESGettersS．p．A以St707TM和St101商標出售的產品。St707TM合金的組成為70wt％的Zr，24．6wt％的V和5．4wt％的Fe。St101合金的組成為84wt％的Zr和16wt％的Al。一種用來凈化N2的優選吸氣材料是由意大利米蘭的SAESGettersS．p．A以St198TM商標出售的產品。St198TM吸氣材料是Zr2Fe化合物。本發明的安全系統14是用來使氣體凈化器12避免意外輸入大量能與吸氣材料反應的雜質氣體，這會產生導致凈化器毀壞和安全與環境危害的強烈反應。本發明的安全系統優選包括安全設備20a和20b，用來檢測大量不純活性氣體的存在。如下所述，安全設備優選地根據對雜質氣體的檢測產生一個電的危險信號，而控制單元能夠接受該危險信號并通過控制閥門來保護氣體凈化器。在該第一實施方案中，安全設備20a設置在氣體管道24上，從而使所有流經管道的氣體都流過安全設備20a。上游安全設備20a優選地被設置在流過氣體凈化器12的氣流上游。與下游安全設備20b(在下面描述)不同，上游安全設備通常在正常的流向中檢測流進管道24的任何雜質氣體并與其反應；這樣，上游安全設備20a必須能夠抵御由于時間的老化(如下面的解釋)。如此，上游安全設備應具有基于一種平衡的活性水平，這種平衡是建立在正常運行時的最低壽命要求的需要和緊急時的快速活性之間的。例如，典型的最低壽命要求可以是約6個月。相反，下游安全設備20b可以具有高的活性，因為它更多地象“一次性”設備，如下面的解釋。安全設備20a的優選方案將在下面詳細討論。電信號和控制單元的操作將結合圖4進行描述。下游安全設備20b被設置在流過氣體凈化器12的氣流下游。安全設備20b被用來使凈化器12在箭頭21的方向上能避免可能的氣體回流進入凈化器12。例如，在管道24中進入凈化器12入口18的不純氣體流可能由于系統下降、生產工藝要求等原因被阻止。在這種情況下，凈化器12會具有比下游壓力要小的內部壓力，這樣，會把下游氣體從大氣或管道中收回來。這就是已知的“反向擴散”。“回流”是一種類似的情況，其中凈化器的上游壓力低于下游壓力。這里兩種類型的現象在此都稱為“回流”。在其他情況下，吸氣凈化器出現操作錯誤會造成不純氣體沿箭頭21的方向流動。由于回流事件只是在某些孤立的情形下發生，下游安全設備20b可以是一次性設備，即可以是包含用來在短時間內檢測大量雜質氣體的高度活性材料的設備。安全設備20b的優選方案在下面詳細討論。將安全設備20a和20b設置在主氣體管道24上的一個優點在于通過將氣體的一部分送到與主氣體管道分開的設備去不會存在氣體的損失。然而，這種方案的一個缺點是管道部分的長度縮短，這尤其在需要有高的流速時會成問題。另外，更換設備20a和20b要中斷主管道24和凈化器的運行。本發明的安全系統14和／或設備20a和20b也可以和其他安全系統或設備連接起來使用。圖2所示為本發明的凈化器系統的第二個實施方案10′，其中系統10′包括吸氣氣體凈化器12和根據本發明的第二個實施方案構成的安全系統14。氣體凈化器12和管道24與參照圖1所描述的凈化器的情況類似。安全設備20a和20b也與上面的描述和參照圖7-11所進行的詳細描述類似。系統10′包括系統設備20a和20b，它們被設置在從主管道24分流出來的分流管道上。例如，上游系統設備20a通過分流管道30與主管道24相連，而下游系統設備20b通過分流管道32與主管道24相連。另外，安全設備20a和20b具有放氣孔，并通過這些孔將穿過的氣體釋放到大氣中去，而系統設備20a包括放氣孔34，系統設備20b包括放氣孔36。在該方案中，流過主管道24的氣體的一部分通過分流管道和系統設備20a和20b被送到大氣中。這樣，缺點就是，這部分氣體在該系統中損失了。典型地，進入系統的氣體中的一小部分，約1／100-1／1000以這種方式損失了。例如，典型的凈化器具有的流量為5-50m3／小時，這大約為85-850升／分鐘。在這樣一個流量下，大約每分鐘有0．8-0．9升氣體通過兩個系統設備并通過放氣孔而損失了。然而，該系統的優點包括一個更為方便的構造，因為氣體管道上的接頭數目和焊接被最少化了，從而減少了這些可能的污染源。另外，一個系統設備20a或20b可以在不中斷凈化過程的情況下更換，這與圖1的實施方案不同。由于這些原因，系統10′是這里公開的優選實施方案。圖3所示為本發明的凈化器系統的第三個實施方案10″，其中系統10″包括吸氣氣體凈化器12和根據本發明的第三個實施方案構成的安全系統14。氣體凈化器12和管道24與參照圖1所描述的凈化器的情況類似。安全設備20a和20b也與上面的描述和參照圖7-11所進行的詳細描述類似。系統10″包括系統設備20a和20b，它們被設置成相對于主管道24并行的方式。這樣，系統設備20a包括一個從主管道送回系統設備輸入口的分流管道40以及從系統設備輸出口通往主管道的分流管道42。因此，該系統不會浪費或損失任何氣體到大氣中去，因為氣體通過系統設備后又被送回到主管道中。類似地，系統設備20b設置有輸入管道44和輸出管道46。在某些實施方案中，可以在主管道24上介于通往安全設備20a(和20b)的輸入和輸出接頭之間設置一個流量控制設備，用來提供準確的壓力，從而使所希望的氣體量被轉移到安全設備。這種實施方案的缺點包括復雜的構造和可能的附加污染，因為分流管道是在每個安全設備的兩個部位與主管道相連接，而在圖2的實施方案中只有一個部位。另外，并行方案會在管道中產生不希望出現的壓力降低。值得注意的是，上面所示的三種實施方案的構造可以在單個安全系統14中混合在一起。這樣，在單個系統14中，就上游系統設備20a可以有一系列圖1的構造，就下游系統設備20b可以有圖2的“T型(tee)”構造。圖4所示為圖2的凈化器系統實施方案10′的方框圖，包括本發明的一個控制單元的。該控制單元也可用于這里公開的其他凈化器系統的實施方案中。在系統設備20a和20b檢測到大量活性氣體時，控制單元50被用來提供控制保護凈化器12的緊急程序。在該實施方案中，當高水平的活性氣體的閾值被系統設備20a檢測到時，系統設備20a在線52上向控制單元50發出一個報警信號。作為響應，控制單元50通過線54向控制閥56發出一個關閉信號。控制閥56被設置在主管道24上的入口18之前，且響應從控制單元發出的關閉信號來關閉并防止任何氣體進入凈化器12。與此類似，控制單元50可以通過線54向控制閥56發出一個開啟信號，從而使閥開啟并允許氣體進入凈化器12。類似地，當在回流情形下大量活性氣體被檢測到時，系統設備20b可以在線58上向控制單元50發出一個危險信號，而控制單元可以在線60上向閥62輸出一個開啟或關閉信號，該閥被設置在主管道24上的出口20之后。閥62根據來自控制單元的信號適當地開啟或關閉主管道24。這樣，一旦出現有活性氣體的緊急情況，控制單元50根據相應的緊急區域關閉閥56或閥62。在優選實施方案中，一旦出現緊急情況，不管具體的緊急區域，單元50將閥56和閥62都關閉。這可以防止由于只關閉一個閥所引起的壓力差和氣體濃度梯度而造成在凈化器非緊急區域的可能污染。控制單元50可以用許多不同的方式來實現，例如，分立邏輯元件，微處理器，和／或軟件可以控制閥的操作和I／O信號，和／或軟件和硬件的混合可以用來實施控制單元的功能。對本領域熟練者而言，控制這些信號的方法和設備是眾所周知的。圖4還顯示了可以在圖2，4和／或5的安全設備20a和20b的“T型(tee)”構造中選擇使用的其他元件。止回閥41a和45a可以被設置在安全設備20a的周圍，用來防止氣體從放氣口流入管道。一個流量控制設備或節流孔43a可以被設置在安全設備20a之前來固定通過安全設備的流速。可以提供另一個閥47a來控制安全設備的使用。針對安全設備20b可以設置類似的閥47b，41b和45b，以及流量控制設備43b。圖5為圖4中所示的系統10′的另一個實施方案的簡圖。在圖5中，通過控制凈化器腔的放氣，控制單元50′為凈化器12提供了附加的保護。如圖4中所示的那樣，控制單元50′在線52和58上從系統設備20a和20b分別接收危險信號，又分別在線54和60上向閥56和62輸出開啟／關閉信號。另外，控制單元50′可以通過線68向一個入口放氣閥66發出開啟或關閉信號來開啟或關閉該閥。當該閥開啟時，在凈化器12中的氣體通過管道70排到大氣中。同樣，控制單元50′可以通過線74向一個出口放氣閥72發出開啟或關閉信號來開啟或關閉該閥，從而當該閥72開啟時，在凈化器12中的氣體通過管道76排到大氣中。在事故期間，放氣閥66和72被用來從凈化器12的本體排出大部分活性氣體。例如，凈化器典型地是在大約一個常壓下運行的。在緊急狀況期間，通過由控制單元50′對入口閥56和出口閥62進行關閉，凈化器被隔離。因為安全系統在事故的最初幾秒運行并關閉該系統，在被隔離的凈化器中的氣體組分基本上是由在凈化器工作壓力下且待凈化的不純氣體組成。根據事故的類型，不希望有的大量活性氣體可以從入口側或出口側進入。這樣，凈化器的臨界區域(達到高溫的區域)要么靠近入口，要么靠近出口。通過將最靠近活性氣體的放氣閥打開，凈化器中存在的處在超大氣壓力下的氣體從凈化器本體逃逸，沖洗活性氣體的臨界區域。這有兩個作用由于熱量被氣體流動所帶走，臨界區域被冷卻；以及活性氣體被去除。放氣閥66和72可以調整到預先確定的壓力下降幅度，從而保證當凈化器容器內部的壓力高于大氣壓力時向外的氣流被阻止，由此保證避免凈化器本體中的回流。當然，當被凈化的氣體是危險的(如，氫氣在高溫暴露到大氣中會爆炸)或有毒的(如，鹵化氣體(halogenatedgases)，氨等)時，可以避免放氣閥的運行。在另一個實施方案中，放氣閥可以連接到廢氣管道上，在其末端設置滌氣器或其他消減危險氣體的系統。在所有上述系統設計實施方案中，放氣閥可以僅在凈化器12的一端(入口或出口)設置，或者在其兩端都有。另外，可以在凈化器中靠近入口18和出口20處設置熱電偶來探測臨界區域的溫度。控制單元50′可以和熱電偶相連接并檢測熱電偶所測量的溫度變化；這樣，僅僅相應臨界區域的放氣閥需要被開啟，而不是兩個閥，從而改進了安全系統的效率(因為所有向外的氣流都通過臨界區域)。圖6為本發明的安全系統的另一個實施方案的簡圖，其中安全設備被設置在凈化器12的末端。例如，安全設備20a可以設置在吸氣柱凈化器12的前端并且在輸入氣體到達吸氣材料之前對其進行檢測，與圖1的實施方案相似。如果檢測到高濃度的活性氣體，如在上面的實施方案中的解釋那樣，氣流被阻止或轉移。同樣，安全設備20b可以設置在凈化器的后端來檢測回流氣體。所有上述的不同實施方案可以以許多方式組合在一起來實現安全凈化器系統的不同結構。因此，根據本發明可以實施許多種可能的系統。安全設備本發明的安全設備20a和20b可以以許多種方式來實施。下面詳細描述一些可能的實施方案。吸氣材料筒圖7所示為用來實施安全設備20a和20b的筒的實施方案100。一個小型圓柱體102由能夠抵御置于該圓柱體之中的吸氣材料108的工作溫度，如，約400℃(安全設備20a或20b的工作溫度取決于所使用的吸氣材料的幾何形狀和其他參數，比如氣體通過安全設備的流速)的材料制成，其設置有一個入口104和一個出口106。在工作溫度下，圓柱體材料對吸氣劑是惰性的。安全設備可以裝填與凈化器12中的吸氣材料不同的吸氣材料，但是通常在凈化器和安全設備中采用相同的吸氣材料比較方便。安全設備檢測吸氣材料的溫度上升，這種上升是由于太多量的活性氣體到達吸氣材料而造成的(這在小規模上與凈化器的行為是一樣的)。圓柱體優選地被加熱到工作溫度，比如350-400℃，例如通過一個線圈加熱器或諸如此類。活性氣體就是要從對吸氣材料而言是惰性的氣體中去除的雜質。在正常操作中，單位時間接觸吸氣劑的活性氣體量足夠小，從而能達到一個穩定狀態，其中由氣體和吸氣劑的反應所產生的熱有時間從系統中被排除出去。在這些條件中，系統的溫度基本上就是外部加熱器所施加的溫度(比如用于吸氣劑氣體凈化器的外部加熱器，它還適用于這里描述的其他實施方案)。在緊急狀態，情形相反，單位時間到達吸氣劑的活性氣體的量是如此的高，從而使反應的熱量不能消散，導致安全設備的溫度上升到預先確定的溫度之上。這樣，可以在安全設備內部設置一個熱電偶110來檢測這種在正常操作溫度之上的溫度增加。該熱電偶被設置在吸氣材料108中與吸氣劑床108的前緣105離開一段距離d的地方。控制單元50優選地通過線112與熱電偶相連。為了避免凈化器工作的不必要停止，希望預知統計學上溫度變化的可能性。為了實現根據該目標的安全設備，希望定義一個預先確定的溫度閾值T，該閾值必須被克服從而使系統產生一個報警條件。通常，凈化器和安全設備大約在350-600℃下工作，而凈化器壁可以承受至少1000-1100℃的溫度；這樣，存在著選擇一個預先確定的報警溫度的空間。然而，該報警溫度必須不選在太高的值，因為應該盡可能多地減少安全設備的反應時間。作為一種常規，與安全設備相連的電子或控制單元50可以被預置成在熱電偶探測到的溫度高于凈化器工作溫度50-100℃時發出報警。下面所展示的試驗是在兩個報警溫度下進行的，即50℃或更大和100℃或更大。在初步研究中已經對安全設備的詳細結構進行了試驗。為了不使太多的氣流通過安全設備從主管道24上被轉移走，安全設備的入口優選較小。可以采用不同的直徑，比如，開口的直徑可以是從1″到3／8″的范圍。在已經進行的試驗中，已經證明1／2″的直徑是優選的，尤其是當采用顆粒尺寸小于212微米的吸氣材料時。如果采用不同的吸氣劑顆粒尺寸，其他尺寸可以是優選的。安全設備20(尤其是20a)的老化是另一個主要要考慮的問題。在正常壽命期間，安全設備受到雜質氣體的影響，且靠近入口的吸氣材料吸收雜質并變得失效(或幾乎這樣)。當這種情況出現時，雜質移入安全設備內部并與新的吸氣材料反應，等等。新的吸氣材料的移動前沿114(老化前沿)被建立起來，該前沿從安全設備的入口104向出口106移動。出現事故時，與過量雜質的反應發生在最新的吸氣劑區域，即在移動老化前沿。熱電偶110的最佳定位是在反應區域，但是，熱電偶是固定的，而反應前沿隨老化前沿移動。對一個新的安全設備，熱電偶的最佳定位是越靠近安全設備中的吸氣床前沿(或其他結構)越好。例如，熱電偶110設置在離入口約0．2cm的地方以保證熱電偶被埋置在吸氣材料中。安全設備的目標壽命是六個月。已經確定在標準工作條件下，老化前沿在六個月中向吸氣劑床內移動約0．7cm。將置于離入口0．2cm的吸氣劑床和已經老化了六個月(在其壽命結束時)的安全設備一起進行了試驗，報警檢測時間是新安全設備的三倍。然而，在老化時間內，凈化器也會變得部分失效，由此凈化器吸氣材料的活性下降，從而在這種較后的階段，一段較長的報警時間足以避免容器破裂的災難事件。結果，在安全設備的整個壽命期間，離開安全設備入口0．2cm處的一個固定位置是恰當的(d=0．2cm)。用于熱電偶的一種合適材料是Ni／NiCr，且熱電偶包括兩根在0．2cm位置處相結合的裸線。至于吸氣材料在安全設備中的形式，與片狀相比，粉狀是優選的。在檢測機理上，制成粉狀的吸氣材料典型地使涉及的反應有更好的一致性。另外，吸氣材料的容器材料優選為不銹鋼或玻璃。玻璃具有附加的優點，即通過透明或半透明的容器壁可以檢查熱電偶的準確定位。就本發明的安全系統而言，檢測雜質氣體危險水平的時間是確定一個安全設備的實施是否充分的關鍵。試驗采用氧氣作為雜質氣體。任何具體的氣體濃度在試驗中至少測三次(對所有下面描述的試驗而言)。安全設備被裝填了精細粉末狀吸氣材料，比如St707TM，其顆粒尺寸低于212微米。安全設備與含有不同百分比氧氣的氬氣(Ar)流相接觸。氣體流的線速度被維持在18．5cm／秒，這提供了好的氣流狀況。試驗結果列在下面表1中。第二欄列出了安全設備檢測溫度從工作溫度升高50℃所需要的時間，而第三欄列出了升高100℃所需要的時間。表1<tablesid="table1"num="001"><table>氬氣中的氧氣％響應時間，+50℃(秒)響應時間，+100℃(秒)1．0040未達到1．0053未達到2．0029652．0012．521．52．0015303．00810．53．0010．517．53．001417．510．007．5910．008．51110．00710．520．005．57．520．003．5420．003．54空氣2．53．5空氣2．53．5空氣2．53．5</table></tables>在恒定氧氣百分比下試驗結果的分散可能是由于熱電偶定位上的微小差別。為了確定臨界時間，其中安全設備在凈化器被損壞前必須是起作用的，不僅是一些在凈化器上實際試驗得到的臨界時間，還獲得了針對另外的臨界時間的理論數據，這是基于通過擬合試驗結果優化的一個模型來獲得的。就氬氣中有1％氧氣的情況，在46．5秒的流動后，確定了凈化器將達到約480℃的溫度。這樣，就安全設備來講，40秒的響應時間足以使其作出反應在臨界溫度達到之前將系統關閉。就氬氣中有1．5％氧氣的情況，該響應時間也是足夠的。就氬氣中有2-3％氧氣的情況，凈化器達到臨界溫度(約1000℃)所需的時間約為25秒的流動。安全設備在不到15秒內檢測到+50℃的溫度增加，這使凈化器能安全工作。就氬氣中有10％氧氣的情況，在凈化器吸氣材料體上氣流的臨界時間大約是8秒。如果控制單元控制放氣閥且關閉凈化器的入口和出口閥(如圖5所示)，安全設備能夠防止凈化器的破裂。就氬氣中有20％氧氣的情況，針對標準吸氣柱的試驗結果顯示，如果控制單元控制放氣閥且關閉入口和出口閥，有3-5秒的反應時間足以使安全設備保護凈化器。空氣與前面的雜質氣體的不同在于它提供了一種氧氣和氮氣的混合物，其中氮氣與氬氣不同，它對某些吸氣材料是活性的，如St707。這種額外的活性導致表1中所示的較短反應時間。然而，試驗已經顯示，如果控制單元控制入口-出口和放氣閥，安全設備能夠保護凈化器。還進行了另一組試驗，采用的吸氣材料是St198，而不是St707。St198被用來在350℃的工作溫度下凈化氮氣。這樣，所采用的雜質氣體是氮氣中的氧氣。下面表2提供了試驗的結果表2<tablesid="table2"num="002"><table>氮氣中的氧氣％響應時間，+50℃(秒)318．5106205．4空氣／</table></tables>除了統計變動以外，St198和St707的響應時間是類似的。與St707相比，St198與氧氣具有較輕的放熱反應，但是，當溫度上升到超過400℃(由于與氧氣反應)，St198還開始吸附氮氣，產生反應熱降低檢測時間。稀有氣體中存在的氮氣會損壞采用St707吸氣材料的凈化器。還進行了試驗來評價當在氬氣中吸入不同量的氮氣時，保護這樣一個凈化器的可能性，試驗時凈化器被維持在400℃。表3提供了這些試驗的平均結果表3<tablesid="table3"num="003"><table>氬氣中的氮氣％響應時間，+50℃(秒)6未達到101414152010．1100(純N2)4．9</table></tables>由于450℃從未達到，6％的氮濃度根本就不是臨界的。一項采用標準吸氣劑柱進行的試驗顯示對純氮氣進行的凈化在6．5秒的流動后達到650℃。由于安全設備在純氮氣情況下在4．9秒內作出反應，它能有效地保護凈化器。由于6％不是危險，且因為安全設備可以從最危險的情況下解救凈化器，對安全設備而言，表3中所列的時間對于其在所有情況或幾乎所有情況下解救凈化器來講是足夠短的。涂覆了吸氣劑的條圖8所示為安全設備20a和20b的第二個實施方案130，包括一個金屬支撐條或一個沉積了吸氣劑粉末的基片。金屬條132被置于用，比如不銹鋼制成的圓柱體134中。吸氣材料136可以通過網板印刷印到支撐條132上。網板印刷在一個一起待審的專利申請序列號No．08／855，080中描述，在此引入作為參考。例如，一種鎳鉻合金箔，20微米厚，1cm寬，10cm長，可以采用網板印刷被涂覆上St122吸氣劑粉。St122是鈦粉和St707合金粉的一種機械混合物。吸氣劑粉末沉積的厚度介于70微米和200微米之間變化(因此，圖8的尺寸是夸大的)。在另外的實施方案中，可以使用其他尺寸和材料。例如，可以使用St172，一種St707和鋯粉的機械混合物。可選擇地，其他方法可以用來將吸氣材料沉積到條上。例如，如粉末冶金領域熟練者所周知的那樣，可以采用冷軋；或進行噴涂，如已經轉讓給本申請的受讓人的專利申請公開WO95／23425中所描述的那樣，在此引入作為參考。熱電偶138被連接到金屬條132上并通過導線140與控制器50相連。圓柱體優選被加熱到一個工作溫度，如350℃，例如，可以采用線圈加熱器或諸如此類。該安全設備的工作原理和上述吸氣劑筒的實施方案是一樣的，例如，用熱電偶檢測在安全設備穩定工作溫度之上的50℃或100℃的溫度上升。熱電偶可以通過將一根Ni導線140和一根NiCr導線140到焊到金屬支撐條上來獲得。如這里所述，僅僅展示了檢測氧氣的情況，然而，如在前面的吸氣劑筒實施方案中所展示的那樣，基于氧氣試驗的結論可以方便地擴展到氮氣和其他氣體。下面所描述的參數包括氧氣濃度，安全設備的老化，安全設備的形狀(平的或彎的)，工作溫度和沉積在支撐條上的吸氣劑粉末的厚度。在一個實施方案中，涂覆后的支撐條被置于不銹鋼圓柱體中，直徑1″，長5″。在該實施方案中，支撐條是平的(不是彎的)且被設置成平行于氣流方向。安全設備的初始調整是通過在約400-500℃的溫度下用300cc／分鐘的純氬激活吸氣劑來進行的，時間為30分鐘。從試驗中獲得的氧氣濃度對安全設備響應時間的影響被總結在下面表4中。安全設備被維持在400-500℃并暴露在氬氣中不同的氧氣濃度下(流量恒定為1000cc／分鐘)。每次試驗都采用一個新的，未受污染的安全設備。一種網板印刷工藝被用來將吸氣材料沉積到條上。表4<tablesid="table4"num="004"><table>操作溫度T(℃)氧氣％響應時間，+50℃響應時間，+100℃最高溫度(℃)4001／／42250011＜t＜21＜t＜2703500101＜t＜21＜t＜2784500501＜t＜21＜t＜21154</table></tables>值得注意的是，在400℃下設備沒有正常運行，而在500℃時對所有氧氣濃度的響應時間極快，所以該設備在防止凈化器損壞方面是有效的。安全設備老化的影響是通過在加速老化后對設備進行測試來確定的。在一個結果中，對50％的氧氣濃度幾乎不存在老化的影響，其中與新安全設備的1-2秒時間相比，+100℃響應時間變為3-4秒。當檢測稀釋后的雜質(1％)時，差別更明顯在一次試驗中，+50℃的情形從未達到，出現的最高溫度上升是22℃。在本實施方案中，支撐條的幾何形狀也會影響總的溫度。與直的條相比，彎的條典型地具有較高的總的溫度上升，因為放熱對彎的條作用較低。然而，出現了一種“陰影”效應，其中彎條的不同部分阻礙了同一條上的其他部分的氣體傳導。這些相對立的作用的平衡是在50％氧氣時，彎條的反應比直條更快速、達到更強烈的程度，且有可能達到使條熔化的點。然而，在氧氣為10％或更低時，會出現檢測時間的增加，即從1-2秒增加到4-7秒。溫度對安全設備反應時間的影響已經結合氧氣濃度的影響進行了描述。應當注意的是，在低氧氣濃度的檢測中，老化對溫度參數起作用，從而掩蓋了在400℃至500℃之間的性能差異。支撐條上吸氣劑沉積136的厚度也會影響安全設備的操作。已經在500℃，1000cc／分鐘的總流量，在氬氣中有10％氧氣的情況下進行了對比試驗，來評估沉積厚度的作用。結果是對檢測+50℃的溫度增加而言，70微米沉積的安全設備(1-2秒)比200微米沉積的安全設備(2-4秒)快。如上面的結果，安全設備優選、優化的工作狀態是在約500℃和70微米厚的吸氣劑沉積。使用直支撐條條比彎條優選，因為直條在低雜質濃度時有較快的檢測時間，對安全設備的工作來講，這是大多數的臨界狀態。應當注意的是，上面描述的經過測試的狀態提供了一種可以工作的安全設備；然而，通過系統試驗，可以發現這些參數的幾種優化組合。這里僅僅描述了這些“最佳結果”狀態組合中的一種。金屬熱絲圖9所示為這里所描述的安全設備20a和20b的第三個實施方案150，其中包括安裝在圓柱體中的金屬絲，且兩端連線以獲得電流。圓柱體152固定與電流源156相連的金屬絲154。控制單元50或50′包括在電路中。例如，可以采用一個內經30mm、長度230mm的玻璃圓柱體，當然，在其他實施方案中，這些尺寸可以不同。其工作原理是在有活性氣體的情況下，熱絲斷裂并使電路斷路，這與白熾燈中出現的情況很類似。控制單元50或50′把電路斷路作為報警信號。在一次試驗中，檢測了金屬鎢(W)。鎢對氧氣和水(在這里就是起氧氣儲存器的作用)是反應性的，只要這些氣體不是與氮氣和氫氣一起存在。這樣，鎢可以在稀有氣體以及氮氣和氫氣的凈化中被用來檢測氧氣或水的存在。安全設備可以采用在室溫下用純氬通過五分鐘來進行調節，從而去除可能的污染物。然后，該絲由通過它的電流來加熱。針對安全設備中流動的含有不同濃度氧氣的氬氣進行了試驗，且評估使絲斷裂并發出報警信號所需要的時間。采用氬氣中含有1％和10％氧氣的氣體對安全設備進行了測試。結果取決于絲的直徑，所加的電壓和總的氣流量。特別地，對一個給定的雜質濃度，使絲斷裂的時間(安全設備的檢測時間)隨絲的直徑增大，所加電壓(且由此為絲的溫度)的減小，以及總的氣體流量的減小而增加。已經采用氬氣中的氧氣雜質作為測試氣體進行了一系列試驗。這些試驗是根據一個矩陣組合來進行的，其中在保持其他參數恒定時，任何被評價的參數都是可變化的。具體地，總的氣流量在200cc／分鐘至1000cc／分鐘之間變化；氧氣濃度在1％至10％之間變化；加在絲上的電壓在8V至220V之間變化；而絲的直徑在0．05毫米至0．2毫米之間變化。最低的斷裂時間，大約2秒，是在900cc／分鐘，10％的氧氣，24V和0．05mm的絲直徑的情況下獲得的，而最長的斷裂時間，大約80秒，是在1000cc／分鐘，1％的氧氣，8V和0．2mm的絲直徑的情況下獲得的。這些結果顯示了一種快速，高度響應的設備；然而，可以調節響應時間來獲得一個較長的響應度，例如，一個較長壽命的設備。這樣，作為本發明的安全系統的快速響應的安全設備，本發明的金屬絲性能相當好。然而，如果暴露在雜質氣體下，與本安全系統的其他實施方案相比，金屬絲設備具有一個相對壽命短的弱點。因此，金屬絲設備最適合于用來作為下游安全設備20b，因為在這個位置它們僅接收離開凈化器12后的高純度氣體，壽命是足夠的，且對于回流進入凈化器的情況還具有快速的響應。吸氣熔斷器本發明的一種吸氣“熔斷器”安全設備的實施方案與上述金屬絲的實施方案類似。在金屬基片或條上沉積吸氣材料來生成一個吸氣“熔斷器”。例如，一條不銹鋼帶可以被用來涂覆一種吸氣材料，其中吸氣材料可用如網板印刷，冷壓，噴涂等方法涂覆在不銹鋼上，這與上述吸氣劑涂覆條實施方案中的那些技術類似。吸氣劑涂覆的金屬條可以用來代替在圖9中的圓柱體和電路中的絲154。圓柱體優選用一個加熱器加熱到工作溫度，比如500-600℃。當高濃度的雜質氧氣進入該圓柱體時，在活性氣體和吸氣材料之間發生反應且金屬帶熔化，由此切斷電路并指示緊急狀態，這與上述金屬絲類似。該方案與上述吸氣劑涂覆條的不同在于上述方案采用熱電偶來檢測報警溫度，而本方案只是切斷電路來指示一個緊急狀態。圖10所示本發明的吸氣熔斷器160的另一個實施方案，可以用于安全設備20a和20b。采用一個平的或甚至稍彎的吸氣劑涂覆條作為吸氣熔斷器的一個問題在于大量熱量從吸氣劑條上逃逸，這樣就要求在圓柱體中有大量的熱來使雜質氣體和吸氣材料之間發生反應。在圖10中，用網板印刷的方法在一個“風琴”形狀的金屬條162上印上了吸氣材料164，與上面的實施方案類似。例如，一個直條被涂覆上吸氣材料，然后該條被彎成所示的形狀。涂覆后的條162被置入一個腔166，比如一個圓柱體。在采用直的吸氣熔斷器的情況下，當吸氣材料164與高濃度雜質氣體反應時，反應造成條162燃斷并使電路連接被切斷。檢測這種電路的切斷并作為表征存在高濃度雜質氣體的報警信號。風琴形狀的條使雜質氣體和吸氣材料之間出現更快的反應，因為熱量沒有浪費掉。例如，如箭頭168所示，從條162的一部分逃逸的熱又輻射到其另外的部分上，因此，從不同部分輻射的熱被放大，從而導致在條的鄰近部分上的更快反應。這造成金屬條162的熔化比直的金屬條實施方案更快，并由此減小了安全設備的反應時間。在另一些實施方案中，可以采用其他形式，比如，可以采用方的或圓的風琴形狀。另外，優選在吸氣劑涂覆條162的周圍設置一個輻射防護屏，用來將從該條發出的熱反射回去。例如，圖10中所示為一個圓筒形的輻射防護屏169，該屏包括多個對著圓柱體或腔的壁設置的管(還優選在腔中包括一個外部加熱器，用來將腔加熱到工作溫度)。這里描述的安全設備的其他實施方案，比如平的或彎的條，也可以包括一個如圓筒形輻射防護屏169的防護屏。可選擇地，腔或圓柱體的壁可以采用一種材料來制造或涂覆，從而導致有效的熱反射。張拉線圖11所示為安全設備20a和20b的另一個實施方案170，其中在吸氣材料中的一根彈簧拉緊的線指示報警狀態。吸氣材料或床172被設置在一個容器174中，氣體流從容器中通過。在容器中可以提供一個400-500℃左右的工作溫度。一根絲或線176被設置成穿過吸氣劑床172并與彈簧178相連，而彈簧又與容器的另一端相連。正如圖9中的情況，電流源180通過線提供了流動的電流。例如，該線可以是不銹鋼或鋁的。當吸氣劑與高濃度雜質氣體反應時，該線在某個已知的溫度下熔化或斷裂，且彈簧178的張力使線斷裂，從而確保不會有電流流動。由控制單元檢測電流的斷路并作為報警狀態。例如，如果線176是鋁的，在斷裂前，吸氣劑床可以達到600℃(或低共熔狀態)；或，如果線是不銹鋼的，在電流斷流前，吸氣劑床可以達到1000℃(或低共熔)。差動傳感器圖12a和12b所示為安全設備20a或20b的另一個實施方案200，其中一個差動熱導率傳感器被用來確定報警狀態。在圖12a中，腔202包括一根測量熱傳導率的絲206，熱導率的變化取決于流經腔202的氣體中雜質氣體的濃度。進入凈化器12入口的輸入氣體流過腔202。電流im流過絲206。一個第二腔204包括一根類似的參考熱傳導率絲208，電流im流過絲208。來自凈化器12出口氣體通過腔204。圖12b所示為測量流動氣體中雜質濃度的電路。來自電流源212的電流im被分流通過絲206和208的每一根。在絲206和208與接地220之間分別設置了電阻214和216。在點222和接地之間測得一個參考電壓VREF，在點224和接地之間測得一個電壓VM。如果低濃度的雜質氣體流經腔202，這些電壓的差是小的，因為絲206和208的熱導率沒有大的差別，這樣電流im和電壓也沒有大的差別。然而，如果高濃度的雜質氣體流經腔202，它與流經腔204的經過凈化的氣體中的雜質氣體濃度大幅度地不同，從而造成所測到的電壓VREF和VM有大的差別。這樣，當在所測到的電壓之間存在著一個高于預先確定的閾值的差別，且控制單元50測到了該差別，一個報警狀態就已經出現了。這個實施方案的一個問題是其設備比前面的實施方案更復雜，這樣就產生了可靠性和成本問題。已經根據幾個優選實施方案對本發明進行了描述，但仍存在落入本發明范圍的變化，置換和等同物。同時，應當注意到實施本發明的方法和設備存在著許多種方式。權利要求1.一種具有安全設備的氣體凈化系統，包括一個氣體凈化單元，包括一個外殼和置于該外殼之中的凈化材料，當暴露在某些可以存在在所述的外殼內的氣體污染物之下時，呈現放熱反應，所述的氣體凈化單元具有一個與未凈化氣體輸入管道相連的入口和一個凈化后的氣體輸出管道相連的出口；且一個與所述的未凈化氣體輸入管道和所述的凈化后的氣體輸出管道中的一條相連的安全設備，其中，在所述的安全設備中的氣體污染物與在所述的氣體凈化單元中的所述的某些氣體污染物相類似，當它在一定的時間內高于一個給定的濃度水平時，所述的安全設備發出一個報警信號。2.如權利要求1的具有安全設備的氣體凈化系統，其中所述的安全設備是一個第一安全設備，并且進一步包括一個第二安全設備，其中所述的第一安全設備與所述的未凈化氣體輸入管道相連，其中所述的第二安全設備與所述的凈化后的氣體輸出管道相連。3.如前述任何一項權利要求的具有安全設備的氣體凈化系統，其中所述的安全設備通過在所述的某些氣體污染物和一種檢測材料之間的放熱反應來檢測高于一個給定濃度水平的所述的這些氣體污染物的存在。4.如權利要求3的具有安全設備的氣體凈化系統，其中所述的檢測材料與凈化材料具有相同的類型。5.如前述任何一項權利要求的具有安全設備的氣體凈化系統，其中所述的安全設備與所述的未凈化氣體輸入管道和所述凈化后的輸出管道中的一條串聯連接。6.如權利要求1-4中任何一項的具有安全設備的氣體凈化系統，其中所述的安全設備與所述的未凈化氣體輸入管道和所述凈化后的輸出管道中的一條并聯連接。7.如權利要求1-4中任何一項的具有安全設備的氣體凈化系統，其中所述的安全設備以分流出來的方式接入所述的未凈化氣體輸入管道和所述凈化后的輸出管道中的一條。8.如前述任何一項權利要求的具有安全設備的氣體凈化系統，還包括一個自動閥，該閥響應所述的報警信號而關閉，從而防止氣體流入所述的氣體凈化單元。9.如前述任何一項權利要求的具有安全設備的氣體凈化系統，其中所述的安全設備包括一種吸氣材料作為檢測材料和一個溫度傳感裝置來檢測所述的吸氣材料的溫度。10.如權利要求9的具有安全設備的氣體凈化系統，其中所述的吸氣材料是一種粉末吸氣材料。11.如權利要求9的具有安全設備的氣體凈化系統，其中所述的吸氣材料被應用于一個基底。12.如權利要求1-8中任何一項的具有安全設備的氣體凈化系統，其中所述的安全設備包括一根絲，當所述的某些氣體污染物高于所述的一個預先設定的濃度水平時，該絲會熔化。13.如權利要求12的具有安全設備的氣體凈化系統，其中所述的絲是處在張力之下的。14.一種安全凈化氣體的方法，包括提供一個未凈化的氣體源；將所述未凈化的氣體通入一個包含一種凈化材料的氣體凈化單元，從而提供凈化后的氣體，其中當暴露在某些氣體污染物時，所述的凈化材料呈現放熱反應；且在所述的未凈化的氣體和所述的凈化后的氣體中的一種或全部中，檢測在一段時間內氣體污染物高于一個給定濃度的超量水平的存在，其中，所述的氣體污染物與在所述的氣體凈化單元中的所述某些氣體污染物相類似；且就檢測到的所述的氣體污染物的超量水平，提供一個報警信號。15.如權利要求14的安全凈化氣體的方法，還包括在產生報警信號時切斷所述的未凈化氣體和所述的凈化后氣體中至少一種的流動。全文摘要一種具有安全設備的氣體凈化系統(10),包括一個氣體凈化單元(12)和一個或多個安全設備(20a/20b)。該氣體凈化單元包括一個外殼(16)和置于該外殼之中的凈化材料,當暴露在某些可以存在在所述的外殼內的氣體污染物之下時,呈現放熱反應。該氣體凈化單元具有一個與未凈化氣體輸入管道(24)相連的入口(18)和一個凈化后的氣體輸出管道(26)相連的出口(20)。該安全設備與所述的未凈化氣體輸入管道和所述凈化后的輸出管道中的一條相連,在所述的安全設備中的氣體污染物與在所述的氣體凈化單元中的所述的某些氣體污染物相類似,當它在一定的時間內高于一個給定的濃度水平時,所述的安全設備發出一個報警信號(52/58)。文檔編號B01D53/34GK1280516SQ98811557公開日2001年1月17日申請日期1998年10月6日優先權日1997年10月15日發明者馬爾科·蘇奇,喬治·韋爾加尼,達西·H·洛里默申請人:賽斯純凈氣體公司