DE102005035247A1

DE102005035247A1 - Fluidverteiler mit binärer Struktur

Info

Publication number: DE102005035247A1
Application number: DE200510035247
Authority: DE
Inventors: Sergej Panin
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: DE102005035247B9; DE102005035247B4

Abstract

Es wird ein Fluidverteiler mit binärer Struktur zur gleichmäßigen Verteilung von Fluiden, insbesondere bei der Einleitung von Prozessgasen in Beschichtungsanlagen, vorgeschlagen. Der Fluidverteiler umfasst eine fluiddicht verbindbare, gestapelte Anordnung einer Mehrzahl von Platten mit im Wesentlichen gleicher Größe, mit zwei Abdeckplatten sowie mindestens einer zwischen den Abdeckplatten angeordneten Verteilerplatte, mindestens einem an einer der beiden Abdeckplatten angeordneten Fluideinlass und mindestens zwei an einer der beiden Abdeckplatten angeordneten Fluidauslässen, wobei jede Verteilerplatte mindestens eine Aussparung aufweist und die Aussparungen so angeordnet sind, dass sie zwischen einem Fluideinlass und mindestens zwei Fluidauslässen eine binäre Struktur mit mindestens einer Verzweigungsstufe bilden. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen, bei denen Röhren oder Platten mit eingefrästen Kanälen verwendet werden, ist die binäre Struktur bei dem erfindungsgemäßen Fluidverteiler variabel gestaltbar, indem ein Teil der Platten ausgetauscht wird. Die Aussparungen der Verteilerplatten sind so angeordnet, dass vom Fluideinlass zu den Fluidauslässen eine binäre Struktur entsteht, in der ein eingeführter Fluidstrom so verzweigt wird, dass der Druck an allen Fluidauslässen gleich groß ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fluidverteiler mit binärer Struktur zur gleichmäßigen Verteilung von Fluiden, insbesondere bei der Einleitung von Prozessgasen in Beschichtungsanlagen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Als Fluide werden nachfolgend Stoffe mit flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften bezeichnet. Im Sinne der vorliegenden Lehre sind alle Gase und Flüssigkeiten Fluide, weil sich viele Eigenschaften von Gasen nur quantitativ, aber nicht qualitativ von den Eigenschaften von Flüssigkeiten unterscheiden. Der Fluidverteiler ist daher sowohl für Gase wie auch für Flüssigkeiten geeignet.

Fluidverteiler der oben bezeichneten Art sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Der Begriff der binären Struktur lehnt sich dabei an den aus der Graphentheorie bekannten Begriff des Binärbaums an. Bei den hier betrachteten binären Strukturen handelt es sich um eine verzweigte Struktur, die dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Knoten einer Knotenebene genau zwei Unterknoten auf der nächst höheren Knotenebene besitzt und jeder Weg zwischen den Knoten zweier benachbarter Knotenebenen gleich lang ist. Die Verzweigung der Struktur findet jeweils zwischen zwei Knotenebenen statt. Dieser Zwischenraum zwischen zwei Knotenebenen wird nachfolgend als Verzweigungsstufe bezeichnet. Eine binäre Struktur mit n Knotenebenen oberhalb der Wurzel des Binärbaums (0-te Knotenebene) weist demgemäß stets n Verzweigungsstufen auf.

In derartigen Fluidverteilern wird ein Fluidstrom in mindestens einer Verzweigungsstufe zu Teilströmen verzweigt, wobei die Anzahl der eine Verzweigungsstufe verlassenden Teilströme (d.h. die Anzahl der Kindknoten) doppelt so groß ist wie die Anzahl der in diese Verzweigungsstufe eingeführten Teilströme (d.h. die Anzahl der Elternknoten). Ein Fluidstrom, der in einen Fluidverteiler mit n Verzweigungsstufen eingespeist wird, verlässt den Fluidverteiler demzufolge in Form von 2ⁿ Teilströmen.

Aus DE 35 27 259 A1 ist ein Gasverzweigungsmechanismus mit einem Kanal zum Einführen des Gases und einer Mehrzahl von Düsen zur Abgabe des Gases vorgesehen, der eine Mehrzahl von sich verzweigenden Kanälen aufweist, die sich auf symmetrische Weise von dem Kanal aus verzweigen, wobei die Kanäle durch Röhren oder Kerben eines Metallblechs gebildet sind. Die Kanäle bilden eine so genannte binäre Struktur. Die Herstellung derartiger Strukturen ist arbeitsaufwändig und aufgrund der geforderten hohen Genauigkeit kostenintensiv.

DE 44 12 541 A1 offenbart in ähnlicher Weise eine Gaseinlassanordnung mit binärer Struktur, bei der die einzelnen Weglängen von der Gasquelle zu den Gasaustrittsöffnungen im Wesentlichen gleich sind. Alternativ zur binären Struktur wird vorgeschlagen, dass von der Gasquelle zu jeder Gasaustrittsöffnung eine getrennte Transportleitung mit im Wesentlichen gleichem Durchmesser und gleicher Weglänge angeordnet ist. Eine derartige Ausgestaltung ist jedoch aufwändig in der Fertigung und anfällig für Beschädigungen.

Ein weiterer Gasverteiler mit binärer Struktur ist aus WO 02/093987 bekannt. Hierbei ist die binäre Struktur in Form von Rinnen in die Oberseite einer Platte eingebracht, die so mit der Unterseite eines Gehäuses verbunden wird, dass die Rinnen durch das Gehäuse abgedeckt werden. Die Gaseinlassöffnung befindet sich auf der Unterseite des Gasverteilers, während die Gasauslassöffnungen durch Bohrungen in der Unterseite des Gehäuses gebildet sind und in einer Höhle des Gehäuses münden. Dieser Gasverteiler ist an eine bestimmte Anwendung angepasst und ohne das die Rinnen abdeckende Gehäuse nicht verwendbar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Fluidverteiler mit binärer Struktur anzugeben, der kostengünstig herstellbar ist, kompakte Maße aufweist, universell einsetzbar und an wechselnde Anforderungen anpassbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Fluidverteiler mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der erfindungsgemäße Fluidverteiler mit binärer Struktur zur gleichmäßigen Verteilung von Fluiden, insbesondere bei der Einleitung von Prozessgasen in Beschichtungsanlagen, umfasst eine fluiddicht verbindbare, gestapelte Anordnung einer Mehrzahl von Platten mit im wesentlichen gleicher Größe, mit zwei Abdeckplatten sowie mindestens einer zwischen den Abdeckplatten angeordneten Verteilerplatte, mindestens einem an einer der beiden Abdeckplatten angeordneten Fluideinlass und mindestens zwei an einer der beiden Abdeckplatten angeordneten Fluidauslässen, wobei jede Verteilerplatte mindestens eine Aussparung aufweist und die Aussparungen so angeordnet sind, dass sie zwischen einem Fluideinlass und mindestens zwei Fluidauslässen eine binäre Struktur mit mindestens einer Verzweigungsstufe bilden.

Durch den Aufbau des Fluidverteilers aus gestapelten Platten, die beispielsweise aus Stahlblech hergestellt sein können, in das Aussparungen gestanzt oder beispielsweise per Laser geschnitten werden, wird eine kompakte Bauform erzielt, die kos tengünstig herstellbar und an verschiedene Anforderungen anpassbar ist. Der Fluidverteiler kann bei entsprechender konstruktiver Gestaltung als Gehäuse oder Teil eines Gehäuses einer Beschichtungsanlage, als Anode, Kathode oder Magnetkörper ausgeführt sein und genutzt werden.

Im Gegensatz zu bekannten Lösungen, bei denen Röhren oder Platten mit eingefrästen Kanälen verwendet werden, ist die binäre Struktur bei dem erfindungsgemäßen Fluidverteiler variabel gestaltbar, indem ein Teil der Platten ausgetauscht wird. Die Aussparungen der Verteilerplatten sind so angeordnet, dass vom Fluideinlass zu den Fluidauslässen eine binäre Struktur entsteht, in der ein eingeführter Fluidstrom so verzweigt wird, dass der Druck an allen Fluidauslässen gleich groß ist.

Die Querschnitte der Kanäle, die die binäre Struktur bildet, sind durch Variation der Dicke der einzelnen Platten oder der Breite der Aussparungen ebenfalls anpassbar, so dass verschiedenen Anforderungen an den Volumenstrom, d.h. den Fluiddurchsatz durch den Fluidverteiler, und an den Fließdruck des Fluids, entsprochen werden kann.

In ähnlicher Weise kann durch Variation der Plattendicke oder der Aussparungsgröße vom Fluideinlass zu den Fluidauslässen hin erreicht werden, dass der Druck innerhalb des gesamten Fluidverteilers konstant bleibt. Hierzu müssen die Querschnitte der einzelnen von der binären Struktur gebildeten Kanäle in fortschreitender Fließrichtung allmählich verengt werden, so dass der Gesamtquerschnitt aller Kanäle bei einer bestimmten Wegkoordinate durch die binäre Struktur konstant bleibt. Insbesondere bei Fluiden höherer Viskosität kann es jedoch auch nötig sein, die Druckverluste aufgrund der Reibung durch eine abweichende Querschnittsgestaltung auszugleichen. Auch dies ist mit dem erfindungsgemäßen Fluidverteiler problemlos möglich.

Vorteilhaft sind ein Teil der Aussparungen Verzweigungsausspa rungen zur Verzweigung eines Fluidstroms und ein Teil der Aussparungen Verbindungsaussparungen zur Verbindung der Verzweigungsaussparungen.

Durch die Aufteilung der Aussparungen nach ihrer Funktion in der binären Struktur vereinfacht sich die Gestaltung der Platten erheblich. Damit wird es möglich, auf verzweigte Aussparungen zu verzichten und den Aussparungen einfache geometrische Formen zu geben. Die Verzweigung des Fluidstroms erfolgt bei dieser Ausgestaltung ausschließlich durch das Zusammenwirken der einfach gestalteten Verzweigungsaussparungen mit den gleichfalls einfach gestalteten Verbindungsaussparungen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist jede Verteilerplatte nur Verbindungsaussparungen oder nur Verzweigungsaussparungen auf. Hierdurch kann die konstruktive Gestaltung der Platten weiter vereinfacht werden, da bei der Anordnung der Aussparungen keine Rücksicht auf den jeweils anderen Aussparungstyp genommen werden muss.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist in jeder Verzweigungsstufe nur eine Verzweigungsaussparung vorgesehen.

Bei der in 1 gezeigten herkömmlichen binären Struktur (Stand der Technik) sind die Verzweigungsstufen mit k=1, k=2 und k=3 bezeichnet, in denen ein Fluidstrom in 2¹=2, 2²=4 bzw. 2³=8 Teilströme aufgeteilt werden. Hierbei ist k ein Zählindex für die Verzweigungsstufen, der mit fortschreitender Verzweigung zunimmt. Dabei ist jeder Verzweigung eines durch eine Verbindungsaussparung eintretenden Teilstroms genau eine Verzweigungsaussparung zugeordnet, die durch zwei weitere Verbindungsaussparungen mit den Verzweigungsaussparungen der nächsten Verzweigungsstufe verbunden sind.

In jeder Verzweigungsaussparung derselben Verzweigungsstufe ist der Druck des Fluidstroms gleich groß. Daher können Verzwei gungsaussparungen derselben Verzweigungsstufe durch eine gemeinsame Verzweigungsaussparung ersetzt werden, so dass je Verzweigungsstufe nur noch eine einzige Verzweigungsaussparung vorhanden ist.

Diese Erkenntnis macht sich die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung zunutze. Durch die Verwendung nur einer gemeinsamen Verzweigungsaussparung je Verzweigungsstufe kann der Herstellungsaufwand für die Platten weiter verringert werden, da ihre konstruktive Gestaltung weiter vereinfacht wird. Die sich ergebende binäre Struktur ist in 2 schematisch dargestellt. Die einzelnen Verzweigungsstufen sind wiederum mit k=1, k=2 und k=3 bezeichnet, wobei alle Verzweigungsaussparungen dieselbe Länge aufweisen.

Zur Verteilung eines Fluidstroms auf 2ⁿ Teilströme gleichen Drucks ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass bei dem Fluidverteiler 1 Fluideinlass, 2ⁿ Fluidauslässe, n im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Verzweigungsaussparungen und 2ⁿ-2 Verbindungsaussparungen vorgesehen sind, wobei eine 1-te Verzweigungsaussparung im Bereich des Fluideinlasses und eine n-te Verzweigungsaussparung im Bereich der Fluidauslässe angeordnet ist, jede Verzweigungsaussparung k (k=1...n-1) durch 2^k Verbindungsaussparungen mit einer benachbarten Verzweigungsaussparung k+1 verbunden ist, so dass sich die Anzahl der Verbindungsaussparungen von der 1-ten zur n-ten Verzweigungsaussparung bei jedem Übergang von einer Verzweigungsaussparung zu einer benachbarten Verzweigungsaussparung verdoppelt.

Es sind n Verzweigungsstufen vorhanden. In die Verzweigungsstufe k=1 wird ein Fluid durch einen Fluideinlass eingespeist. Aus der Verzweigungsstufe k=n treten durch 2ⁿ Fluidauslässe 2ⁿ Teilströme aus. Jede Verzweigungsstufe k wird durch eine Verzweigungsaussparung k gebildet. Jeweils zwei Verzweigungsaussparungen k und k+1 sind durch 2^k Verbindungsaussparungen, die eine Knotenebene der binären Struktur repräsentieren, miteinander verbunden. Für die Verzweigungsaussparung k=n existiert keine benachbarte Verzweigungsaussparung k+1, so dass keine Verbindungsaussparungen zur nächst höheren Verzweigungsaussparung benötigt werden. Damit ergibt sich die Gesamtzahl m der vorzusehenden Verbindungsaussparungen zu

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zur Verteilung eines Fluidstroms auf 2ⁿ Teilströme gleichen Drucks vorgesehen, dass 1 Fluideinlass, 2ⁿ Fluidauslässe, n+1 im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Verzweigungsaussparungen und 2ⁿ-1 Verbindungsaussparungen vorgesehen sind, wobei eine 0-te Verzweigungsaussparung im Bereich des Fluideinlasses und eine n-te Verzweigungsaussparung im Bereich der Fluidauslässe angeordnet ist, jede Verzweigungsaussparung k (k=0...n-1) durch k+1 Verbindungsaussparungen mit einer benachbarten Verzweigungsaussparung k+1 verbunden ist, so dass sich die Anzahl der Verbindungsaussparungen von der 0-ten zur n-ten Verzweigungsaussparung bei jedem Übergang von einer Verzweigungsaussparung zu einer benachbarten Verzweigungsaussparung verdoppelt.

Bei dieser Ausgestaltung sind n+1 Verzweigungsstufen vorhanden. Zusätzlich zu den aus der oben beschriebenen Ausgestaltung bekannten n Verzweigungsebenen wurde eine 0-te Verzweigungsebene aufgenommen. Hierdurch wird es möglich, einen außermittig zugeführten Fluidstrom zentral in die binäre Struktur einzuleiten. In der 0-ten Verzweigungsstufe wird ein Fluidstrom, der seitlich in die 0-te Verzweigungsaussparung eingespeist wird, einer, d.h. 2⁰, zentral angeordneten Verbindungsaussparung zugeführt, durch die das Fluid in die erste Verzweigungsstufe überführt wird. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn der Fluideinlass aus baulichen Gründen nur seitlich am Fluidverteiler Platz findet. In gleicher Weise wäre es auch möglich, eine n+1-te Verzweigungsebene vorzusehen, falls dies aus baulichen oder anderen Gründen nötig sein sollte.

In die Verzweigungsstufe k=0 wird ein Fluid durch einen Fluideinlass eingespeist. Aus der Verzweigungsstufe k=n treten durch 2ⁿ Fluidauslässe 2ⁿ Teilströme aus. Jede Verzweigungsstufe k wird durch eine Verzweigungsaussparung k gebildet. Jeweils zwei Verzweigungsaussparungen k und k+1 sind durch 2^k Verbindungsaussparungen, die eine Knotenebene der binären Struktur repräsentieren, miteinander verbunden. Für die Verzweigungsaussparung k=n existiert keine benachbarte Verzweigungsaussparung k+1, so dass keine Verbindungsaussparungen zur nächsthöheren Verzweigungsaussparung benötigt werden. Damit ergibt sich die Gesamtzahl m der vorzusehenden Verbindungsaussparungen zu

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind genau zwei Verteilerplatten vorgesehen, wobei alle Verbindungsaussparungen und alle Verzweigungsaussparungen eine lang gestreckte Form aufweisen.

Mit nur zwei Verteilerplatten, die zwischen den beiden Abdeckplatten angeordnet sind, ist es bei dieser Ausgestaltung möglich, eine binäre Struktur beliebiger Komplexität darzustellen. Unter einer lang gestreckten Aussparung soll für die Zwecke dieser Lehre eine Aussparung verstanden werden, deren Öffnungsmaße in zumindest einem kartesischen Koordinatensystem relativ stark voneinander abweichen, wie dies beispielsweise bei rechteckigen Aussparungen der Fall ist, bei denen die beiden Seitenlängen unterschiedlich gewählt sind, insbesondere bei denen eine Seitenlänge ein Vielfaches der anderen Seitenlänge beträgt.

Die erste Verteilerplatte umfasst alle Verzweigungsaussparungen, während die andere Verteilerplatte alle Verbindungsaussparungen enthält. Beispielsweise können in der ersten Verteilerplatte mehrere Verzweigungsaussparungen mit lang gestreckter Form parallel zueinander angeordnet sein und in der zweiten Verteilerplatte mehrere Verbindungsaussparungen mit lang gestreckter Form parallel zueinander angeordnet sein.

Dabei sind die Verbindungsaussparungen so lang, dass sie geeignet sind, zwei benachbarte Verzweigungsaussparungen zu überbrücken und so zueinander versetzt, dass sich die Zahl der Verbindungsaussparungen mit jedem zu überbrückenden Abstand zweier Verzweigungsaussparungen verdoppelt, wobei die Verbindungsaussparungen einerseits symmetrisch zum Fluideinlass (bzw. der Verbindungsaussparung zwischen der 0-ten und der 1-ten Verzweigungsaussparung, falls eine 0-te Verzweigungsaussparung vorgesehen ist) und andererseits paarweise symmetrisch zu den Verbindungsaussparungen der vorhergehenden Knotenebene angeordnet sind.

Bei dieser Ausgestaltung wächst der Bauraumbedarf des Fluidverteilers mit zunehmender Anzahl der Verzweigungsebenen bzw. Verzweigungsaussparungen nur in der Längenrichtung des Fluidverteilers. Die Dicke des Fluidverteilers kann gleich bleiben, während die Breite im Wesentlichen nur davon abhängt, wie viele Fluidauslässe vorgesehen sind und in welchem Abstand zueinander sie sich befinden sollen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verzweigungsaussparungen eine lang gestreckte Form auf und die Verbindungsaussparungen sind im Wesentlichen punktförmig.

Unter einer im Wesentlichen punktförmigen Aussparung soll für die Zwecke dieser Lehre eine Aussparung verstanden werden, deren Öffnungsmaße in einem beliebigen kartesischen Koordinatensystem nicht oder nur geringfügig voneinander abweichen, wie dies beispielsweise bei kreisförmigen bzw. bei dreieckigen oder quadratischen Aussparungen oder Aussparungen in der Form der meisten, insbesondere regelmäßiger Polygone oder Sterne der Fall ist. Die im Wesentlichen punktförmigen Aussparungen sollen jedenfalls die Bedingung erfüllen, dass eine Mehrzahl von ihnen innerhalb einer der oben beschriebenen lang gestreckten Aussparungen unterbringbar ist.

Bei dieser Ausgestaltung können zwischen den beiden Abdeckplatten beispielsweise Verteilerplatten mit je einer Verzweigungsaussparung und Verteilerplatten mit einer wachsenden Anzahl von Verbindungsaussparungen abwechselnd angeordnet sein. Beispielsweise könnte eine Konfiguration gemäß dieser Ausgestaltung wie folgt aussehen:

1. erste Abdeckplatte mit 2⁰=1 Fluideinlass
2. Verteilerplatte mit 1 Verzweigungsaussparung (k=1)
3. Verteilerplatte mit 2¹=2 Verbindungsaussparungen
4. Verteilerplatte mit 1 Verzweigungsaussparung (k=2)
5. Verteilerplatte mit 2²=4 Verbindungsaussparungen
6. Verteilerplatte mit 1 Verzweigungsaussparung (k=3)
7. Verteilerplatte mit 2³=8 Verbindungsaussparungen
8. Verteilerplatte mit 1 Verzweigungsaussparung (k=4)
9. Verteilerplatte mit 2⁴=16 Verbindungsaussparungen
10. Verteilerplatte mit 1 Verzweigungsaussparung (k=5)
11. zweite Abdeckplatte mit 2⁵=32 Fluidauslässen.

Bei dieser Ausgestaltung wächst der Bauraumbedarf des Fluidverteilers mit zunehmender Anzahl der Verzweigungsebenen bzw. Verzweigungsaussparungen nur in der Dickenrichtung des Fluidverteilers. Die Länge des Fluidverteilers kann gleich bleiben, während die Breite im Wesentlichen nur davon abhängt, wieviele Fluidauslässe vorgesehen sind und in welchem Abstand zueinander sie sich befinden sollen.

Eine andere Variante dieser Ausgestaltung besteht darin, die binäre Struktur durch die zwischen den Abdeckplatten angeordneten Verteilerplatten so auszubilden, dass die erzeugten Teilströme ausgehend vom Fluideinlass ein- oder mehrfach zwischen den Abdeckplatten hin- und hergeleitet werden, bevor sie den Fluidverteiler an den Fluidauslässen, die an derselben Abdeckplatte wie der Fluideinlass oder an der anderen Abdeckplatte angeordnet sein können, verlassen. Beispielsweise könnte eine Konfiguration gemäß dieser Ausgestaltung wie folgt aussehen:

1. erste Abdeckplatte mit 2⁰=1 Fluideinlass und 2⁵=32 Fluidauslässen
2. Verteilerplatte mit 2 Verzweigungsaussparungen (k=1 und k=5)
3. Verteilerplatte mit 2¹=2 Verbindungsaussparungen und 2⁴=16 Verbindungsaussparungen
4. Verteilerplatte mit 2 Verzweigungsaussparungen (k=2 und k=4)
5. Verteilerplatte mit 2²=4 Verbindungsaussparungen und 2³=8 Verbindungsaussparungen
6. Verteilerplatte mit 1 Verzweigungsaussparung (k=3)
7. zweite Abdeckplatte.

Im Beispiel sind der Fluideinlass und die Fluidauslässe an derselben Abdeckplatte angeordnet, während die zweite Abdeckplatte eine einfache, geschlossene Platte ist. Die Aussparungen der Verteilerplatten sind so angeordnet, dass der Fluideinlass, die Verzweigungsaussparung k=1, die 2¹ Verbindungsaussparungen, die Verzweigungsaussparung k=2 und die 2² Verbindungsaussparungen übereinander liegen. In gleicher Weise liegen die Fluidauslässe, die Verzweigungsaussparung k=5, die 2⁴ Verbindungsaussparungen, die Verzweigungsaussparung k=4 und die 2³ Verbindungsaussparungen übereinander. Die Verzweigungsaussparung k=3, die in der Verteilerplatte mit der Nr. 6 der obigen Aufzählung vorgesehen ist, ist so breit, dass sie die 2² Teilströme, die die Platte Nr. 5 verlassen, zu den ebenfalls in der Platte Nr. 5 vorgesehenen 2³ Verbindungsaussparungen weiterleitet und dadurch verzweigt.

Ein Fluidstrom wird durch den an der Platte Nr. 1 der obigen Aufzählung vorgesehenen Fluideinlass in die binäre Struktur eingeleitet. Der Fluidstrom durchströmt nacheinander Verzweigungsaussparung k=1, 2¹ Verbindungsaussparungen, Verzweigungsaussparung k=2, 2² Verbindungsaussparungen, Verzweigungsaussparung k=3 (Umlenkung der Teilströme durch die zweite Abdeckplatte), 2³ Verbindungsaussparungen, Verzweigungsaussparung k=4, 2⁴ Verbindungsaussparungen, Verzweigungsaussparung k=5, und verlässt den Fluidverteiler durch 2⁵ Fluidauslässe. Das Fluid wird also innerhalb des Fluidverteilers von der ersten zur zweiten Abdeckplatte und von dieser wieder zurück zur ersten Abdeckplatte umgeleitet.

Bei dieser Ausgestaltung kann der Bauraumbedarf des Fluidverteilers mit zunehmender Anzahl der Verzweigungsebenen bzw. Verzweigungsaussparungen sowohl in der Dickenrichtung wie auch in der Längenrichtung des Fluidverteilers wachsen, abhängig davon, wie viele Platten gestapelt werden und wie oft das Fluid zwischen den Abdeckplatte hin- und hergeleitet wird. Die Breite des Fluidverteilers hängt im Wesentlichen nur davon ab, wieviele Fluidauslässe vorgesehen sind und in welchem Abstand zueinander sie sich befinden sollen.

Selbstverständlich ist es bei dem vorgeschlagenen Fluidverteiler ohne Probleme möglich, mehr als eine binäre Struktur mit je einem Fluideinlass und jeweils eigenen Fluidauslässen zu realisieren, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. In gleicher Weise sind vom Erfindungsgedanken Ausführungsformen umfasst, bei denen die Fluidauslässe einer binären Struktur nicht linear, sondern flächig, d.h. zweidimensional in einer der Abdeckplatten verteilt angeordnet sind. Weiterhin erkennt der Fachmann, dass der erfindungsgemäße Fluidverteiler so gestaltet sein kann, dass die Fluidauslässe krummlinig angeordnet sein können, einschließlich der Möglichkeit, die Platten des Fluidverteilers gekrümmt auszuführen, beispielsweise um die aus den Fluidauslässen austretenden Teilströme von mehreren Seiten auf ein Zielobjekt zu richten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine herkömmliche binäre Struktur,
2 eine binäre Struktur mit genau einer Verzweigungsaussparung je Verzweigungsstufe,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung
4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung
6 verschiedene Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Fluidverteilers
Die Darstellungen in 1 und 2 wurden oben bereits erläutert. 1 zeigt eine herkömmliche binäre Struktur mit wachsender Anzahl von Verzweigungsaussparungen in den Verzweigungsstufen höherer Ordnung. 2 hingegen zeigt eine vorgeschlagene vereinfachte binäre Struktur, bei der in jeder Verzweigungsstufe nur eine Verzweigungsaussparung vorgesehen ist.
In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Die Figur zeigt vier Platten mit im Wesentlichen gleicher Größe, die zu einem erfindungsgemäßen Fluidverteiler gefügt werden können. Im Einzelnen handelt es sich dabei um zwei Abdeckplatten 11 und 12 und zwei Verteilerplatten 21 und 22. An der Abdeckplatte 11 ist der Fluideinlass 31 angeordnet. An der Abdeckplatte 12 sind 8 Fluidauslässe 32 angeordnet. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Fluidverteilers werden die Platten in der Reihenfolge 11, 21, 22, 12 gefügt und fluiddicht miteinander verbunden.
Jede Verteilerplatte 21, 22 weist mehrere Aussparungen 41, 42 auf, die so angeordnet sind, dass sie zwischen dem Fluideinlass 31 und den Fluidauslässen 32 eine binäre Struktur mit drei Verzweigungsstufen k=1, k=2 und k=3 bilden, wenn die Platten 11, 12, 21, 22 in einer gestapelten Anordnung zusammengefasst sind. Dabei dienen die Aussparungen der ersten Verteilerplatte 21 als Verzweigungsaussparungen 41 und die Aussparungen der zweiten Verteilerplatte 22 als Verbindungsaussparungen 42.
Im Ausführungsbeispiel ist eine 0-te Verzweigungsstufe (k=0) vorgesehen. Der Fluideinlass 31 ist nicht mittig an der Abdeckplatte 11 angeordnet. Für eine gleichmäßige Verzweigung eines Fluids ist es daher nötig, das Fluid zunächst zur Mitte der binären Struktur zu führen, was in der Verzweigungsstufe k=0 geschieht. Das Fluid wird anschließend durch eine Verbindungsaussparung 42 in die Verzweigungsaussparung 41 der Verzweigungsstufe k=1 überführt.
Für jede Verzweigungsstufe k=1, k=2, k=3 ist genau eine Verzweigungsaussparung 41 vorgesehen. Die Verzweigungsaussparung 41 der Verzweigungsstufe k=1 ist durch 2 Verbindungsaussparungen 42 mit der Verzweigungsaussparung 41 der Verzweigungsstufe k=2 verbunden. Die Verzweigungsaussparung 41 der Verzweigungsstufe k=2 ist durch 4 Verbindungsaussparungen 42 mit der Verzweigungsaussparung 41 der Verzweigungsstufe k=3 verbunden. Da in diesem Ausführungsbeispiel, wie oben beschrieben wurde, zusätzlich eine 0-te Verzweigungsstufe vorgesehen ist, beträgt die Gesamtzahl der Verbindungsaussparungen 2³-1=7. Die Verzweigungsaussparung 41 der Verzweigungsstufe k=3 ist im Bereich der 8 Fluidauslässe 32 der ersten Abdeckplatte 11 angeordnet.
Alle Verbindungsaussparungen 42 und alle Verzweigungsaussparungen 41 weisen eine langgestreckte Form auf, d.h. sie sind rechteckig gestaltet, wobei ihre Länge größer ist als ihre Breite. Im Ausführungsbeispiel verlaufen die Verbindungsausspa rungen 42 rechtwinklig zu den Verzweigungsaussparungen 41.
Alle Platten 11, 12, 21, 22 weisen Verbindungsbohrungen 5 auf, die zur fluiddichten Verbindung der Platten 11, 12, 21, 22, beispielsweise durch Schrauben, dienen, wenn der Fluidverteiler gefügt ist.
Eine stärkere Verzweigung kann erreicht werden, wenn weitere Verzweigungsstufen höherer Ordnung und entsprechend viele Verbindungsaussparungen eingefügt werden. Der Fluidverteiler des Ausführungsbeispiels weist eine besonders geringe Dicke auf, da unabhängig von der Zahl der Verzweigungsstufen lediglich 4 Platten miteinander verbunden werden müssen.
In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit sind die einzelnen Darstellungen der 4 auf 4A und 4B aufgeteilt.
Im Ausführungsbeispiel ist der Fluidverteiler aus insgesamt sieben Platten gefügt, wobei zwischen zwei Abdeckplatten 11, 12 insgesamt fünf Verteilerplatten 21, 22 vorgesehen sind. Dabei handelt es sich um drei Verteilerplatten 211, 212, 213 mit Verzweigungsaussparungen 41 und zwei Verteilerplatten 221, 222 mit Verbindungsaussparungen 42. Die Verzweigungsaussparungen 41 sind als parallel angeordnete, langgestreckte, rechteckige Aussparungen ausgeführt, während die Verbindungsaussparungen 42 im wesentlichen punktförmig, nämlich kreisrund ausgeführt sind. Verbindungsbohrungen 5 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit bei den einzelnen Platten nicht dargestellt.
Dargestellt sind in 4A zunächst die erste Abdeckplatte 11 mit dem mittig angeordneten Fluideinlass 31 und 512 linear angeordneten Fluidauslässen 32 sowie die zweite Abdeckplatte 12, die eine einfache rechteckige Platte ohne Aussparungen ist.
Anschließend sind ebenfalls in 4A die erste, zweite und dritte Verteilerplatte 211, 212, 213 mit Verzweigungsaussparungen 41 dargestellt. Dabei enthält die erste Verteilerplatte 211 die Verzweigungsaussparungen 41 der Verzweigungsstufen k=1, k=5 und k=9, die Verteilerplatte 212 die Verzweigungsaussparungen 41 der Verzweigungsstufen k=2, k=4, k=6 und k=8 und die dritte Verteilerplatte 213 die Verzweigungsaussparungen 41 der Verzweigungsstufen k=3 und k=7. Die Verzweigungsaussparungen 41 der Verzweigungsstufen k=3, k=5 und k=7 sind so breit ausgeführt, dass sie jeweils zwei Gruppen von zu je einer Knotenebene gehörenden Verbindungsaussparungen 42 überdecken.
In 4B sind die erste und die zweite Verteilerplatte 221, 222 mit Verbindungsaussparungen 42 dargestellt. Dabei enthält die erste Verteilerplatte 221 die Verbindungsaussparungen 42 der Knotenebenen k=1, k=4, k=5 und k=8 und die Verteilerplatte 222 die Verbindungsaussparungen 42 der Knotenebenen k=2, k=3, k=6 und k=7. Die 0-te Knotenebene wird durch den Fluideinlass 31 repräsentiert, während die 9-te Knotenebene durch die 512 Fluidauslässe 32 dargestellt ist. Da in diesem Ausführungsbeispiel keine 0-te Verzweigungsstufe vorgesehen ist, sind insgesamt 2⁹-2=510 Verbindungsaussparungen 42 vorhanden.
Zum Fügen des Fluidverteilers werden die Platten, wie ebenfalls in 4B im Schnitt dargestellt, in der Reihenfolge

1. erste Abdeckplatte 11
2. erste Verteilerplatte 211 mit Verzweigungsaussparungen 41
3. erste Verteilerplatte 221 mit Verbindungsaussparungen 42
4. zweite Verteilerplatte 212 mit Verzweigungsaussparungen 41
5. zweite Verteilerplatte 222 mit Verbindungsaussparungen 42
6. dritte Verteilerplatte 213 mit Verzweigungsaussparungen 41
7. zweite Abdeckplatte 12

5

Die Aussparungen der Verteilerplatten 211, 212, 213 sind so angeordnet, dass der Fluideinlass 31, die Verzweigungsaussparungen 41 und die Verbindungsaussparungen 42 so übereinander liegen, dass sie gemeinsam eine binäre Struktur bilden, in der ein Fluidstrom zu 512 Teilströmen verzweigt wird.
Ein Fluidstrom wird durch den an der Platte Nr. 1 der obigen Aufzählung vorgesehenen Fluideinlass 31 in die binäre Struktur eingeleitet. Der Fluidstrom durchströmt nacheinander Verzweigungsaussparung k=1, 2¹ Verbindungsaussparungen, Verzweigungsaussparung k=2, 2² Verbindungsaussparungen, Verzweigungsaussparung k=3 (Umlenkung der Teilströme durch die zweite Abdeckplatte), 2³ Verbindungsaussparungen, Verzweigungsaussparung k=4, 2⁴ Verbindungsaussparungen, Verzweigungsaussparung k=5, 2⁵ Verbindungsaussparungen, Verzweigungsaussparung k=6, 2⁶ Verbindungsaussparungen, Verzweigungsaussparung k=7 (Umlenkung der Teilströme durch die zweite Abdeckplatte), 2⁷ Verbindungsaussparungen, Verzweigungsaussparung k=8, 2⁸ Verbindungsaussparungen, Verzweigungsaussparung k=9 und verlässt den Fluidverteiler durch 2⁹ Fluidauslässe. Das Fluid wird also innerhalb des Fluidverteilers zweimal von der ersten zur zweiten Abdeckplatte und von dieser wieder zurück zur ersten Abdeckplatte umgeleitet.
In 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die gleichmäßige Teilung des Gasstroms in der Ebene. Analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen müssen dazu i gleiche Fluidströme in einer Linie z vorliegen. Danach wird jeder der i Fluidströme auf j Fluidauslässe verteilt, und zwar in der senkrecht zur Linie z liegenden Richtung. So entsteht ein Gasverteilungssystem in der Ebene, das i × j Fluidauslässe für jeweils gleiche Teilströme aufweist.
In 6 sind verschiedene Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Fluidverteilers dargestellt.
In der Darstellung (a) wird der Fluidverteiler 1 an einer Ionenquelle 6 verwendet, wobei der Fluidverteiler Teil des Gehäuses 61 ist und die erzeugten Teilströme in Hohlräume 62 der Ionenquelle 6 eingespeist werden.
In der Darstellung (b) wird der Fluidverteiler 1 an einer Ionenquelle 6 verwendet, bei der der Fluidverteiler 1 als Anode dient, wobei die erzeugten Teilströme über die Ionenquelle 6 hinweg geführt werden.
In der Darstellung (c) wird der Fluidverteiler 1 an einer Ionenquelle 6 verwendet, bei der der Fluidverteiler 1 das Gehäuse 61 abdeckt, wobei die erzeugten Teilströme von der Ionenquelle 6 weg geführt werden.
In der Darstellung (d) ist ein Fluidverteiler 1 dargestellt, bei dem die Fluidauslässe 32 krummlinig angeordnet sind, wobei die Platten des Fluidverteilers 1 selbst gekrümmt ausgeführt sind.

1: Fluidverteiler
11: erste Abdeckplatte
12: zweite Abdeckplatte
21: Verteilerplatte mit Verzweigungsstufen
211: Erste Verteilerplatte mit Verzweigungsstufen
212: Zweite Verteilerplatte mit Verzweigungsstufen
213: Dritte Verteilerplatte mit Verzweigungsstufen
22: Verteilerplatte mit Knotenebenen
221: Erste Verteilerplatte mit Knotenebenen
222: Zweite Verteilerplatte mit Knotenebenen
31: Fluideinlass
32: Fluidauslass
41: Verzweigungsaussparung
42: Verbindungsaussparung
5: Verbindungsbohrung
6: Ionenquelle
61: Gehäuse
62: Hohlraum

Claims

Fluidverteiler mit binärer Struktur zur gleichmäßigen Verteilung von Fluiden, insbesondere bei der Einleitung von Prozessgasen in Beschichtungsanlagen, umfassend eine fluiddicht verbindbare, gestapelte Anordnung einer Mehrzahl von Platten (11, 12, 21, 211, 212, 213, 22, 221, 222) mit im wesentlichen gleicher Größe, mit zwei Abdeckplatten (11, 12) sowie mindestens einer zwischen den Abdeckplatten (11, 12) angeordneten Verteilerplatte (21, 211, 212, 213, 22, 221, 222), mindestens einem an einer der beiden Abdeckplatten (11, 12) angeordneten Fluideinlass (31) und mindestens zwei an einer der beiden Abdeckplatten (11, 12) angeordneten Fluidauslässen (32), wobei jede Verteilerplatte (21, 211, 212, 213, 22, 221, 222) mindestens eine Aussparung (41, 42) aufweist und die Aussparungen (41, 42) so angeordnet sind, dass sie zwischen einem Fluideinlass (31) und mindestens zwei Fluidauslässen (32) eine binäre Struktur mit mindestens einer Verzweigungsstufe bilden.
Fluidverteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Aussparungen (41, 42) Verzweigungsaussparungen (41) zur Verzweigung eines Fluidstroms sind und ein Teil der Aussparungen (41, 42) Verbindungsaussparungen (42) zur Verbindung der Verzweigungsaussparungen (41) sind.
Fluidverteiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verteilerplatte (21, 211, 212, 213, 22, 221, 222) nur Verzweigungsaussparungen (41) oder nur Verbindungsaussparungen (42) aufweist.
Fluidverteiler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Verzweigungsstufe nur eine Verzweigungsaussparung (41) vorgesehen ist.
Fluidverteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 1 Fluideinlass (31), 2ⁿ Fluidauslässe (32), n im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Verzweigungsaussparungen (41) und 2ⁿ-2 Verbindungsaussparungen (42) vorgesehen sind, wobei eine 1-te Verzweigungsaussparung (41) im Bereich des Fluideinlasses (31) und eine n-te Verzweigungsaussparung (41) im Bereich der Fluidauslässe (32) angeordnet ist, jede Verzweigungsaussparung k (k=1...n-1) (41) durch 2^k Verbindungsaussparungen (42) mit einer benachbarten Verzweigungsaussparung k+1 (41) verbunden ist, so dass sich die Anzahl der Verbindungsaussparungen (42) von der 1-ten zur n-ten Verzweigungsaussparung (41) bei jedem Übergang von einer Verzweigungsaussparung (41) zu einer benachbarten Verzweigungsaussparung (41) verdoppelt.
Fluidverteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 1 Fluideinlass (31), 2ⁿ Fluidauslässe (32), n+1 im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Verzweigungsaussparungen (41) und 2ⁿ-1 Verbindungsaussparungen (42) vorgesehen sind, wobei eine 0-te Verzweigungsaussparung (41) im Bereich des Fluideinlasses (31) und eine n-te Verzweigungsaussparung (41) im Bereich der Fluidauslässe (32) angeordnet ist, jede Verzweigungsaussparung k (k=0...n-1) (41) durch k+1 Verbindungsaussparungen (42) mit einer benachbarten Verzweigungsaussparung k+1 (41) verbunden ist, so dass sich die Anzahl der Verbindungsaussparungen (42) von der 0-ten zur n-ten Verzweigungsaussparung (41) bei jedem Übergang von einer Verzweigungsaussparung (41) zu einer benachbarten Verzweigungsaussparung (41) verdoppelt.
Fluidverteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Verteilerplatten (21, 211, 212, 213, 22, 221, 222) vorgesehen sind, wobei alle Verzweigungsaussparungen (41) und alle Verbindungsaussparungen (42) eine langgestreckte Form aufweisen.
Fluidverteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweigungsaussparungen (41) eine langgestreckte Form aufweisen und die Verbindungsaussparungen (42) im Wesentlichen punktförmig sind.
Fluidverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei binäre Strukturen mit je einem Fluideinlass (31) und jeweils eigenen Fluidauslässen (32) vorgesehen sind.
Fluidverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidauslässe (32) einer binären Struktur in einer der Abdeckplatten (11, 12) zweidimensional verteilt angeordnet sind.
Fluidverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fluidauslässe (32) krummlinig auf einer Abdeckplatte (11, 12) angeordnet sind.
Fluidverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (11, 12, 21, 211, 212, 213, 22, 221, 222) des Fluidverteilers gekrümmt ausgeführt sind.