DE10297050T5

DE10297050T5 - Dampfversorgungssystem

Info

Publication number: DE10297050T5
Application number: DE10297050T
Authority: DE
Inventors: Youfan Superior Gu; Paul Hudson Dozoretz; James Lafayette Mueller; Benjamin Boulder Goss; David Loveland Neumeister
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2004-07-08
Also published as: WO2003008085A2; WO2003008085A3; JP2005501214A; US6895178B2; US20030063901A1; AU2002354927A1

Abstract

Tieftemperaturdampfversorgungssystem mit:
einer Verdampfungskammer, die ausgebildet ist, mindestens ein minimales Schwellwertvolumen an flüssigem Wasser aufzunehmen;
einem ersten Steuerventil, das ausgebildet ist, das Strömen flüssigen Wassers in der Verdampfungskammer zu steuern;
einem Flüssigkeitspegelsensor, der ausgebildet ist, den Pegel von flüssigem Wasser in der Verdampfungskammer zu erfassen;
einer Heizung, die ausgebildet ist, die Temperatur des flüssigen Wasser in der Verdampfungskammer zu modifizieren;
einem Temperatursensor, der ausgebildet ist, die Temperatur des flüssigen Wassers in der Verdampfungskammer zu erfassen; und
einem Steuerungssystem, das ausgebildet ist, die Kommunikation zwischen dem ersten Steuerventil und dem Flüssigkeitspegelsensor, der Heizung und dem Temperatursensor herzustellen, um mindestens das minimale Schwellwertvolumen an flüssigem Wasser bei oder über einer minimalen Schwellwerttemperatur zu halten, so dass beim Absinken des Druckes in der Verdampfungskammer unter ungefähr 760 Torr Wasserdampf in der Verdampfungskammer erzeugt wird, ohne Eis zu bilden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es gibt beträchtliche Anstrengungen, praktische, effiziente und effektive Dampfversorgungssysteme zu entwerfen und zu bauen, um Dampf mit präzise gesteuerten Massendurchflussraten und -drücken zur Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungen einschließlich der Umwandlung gefährlicher chemischer Nebenprodukte in verträglichere Verbindungen zur Lagerung in einer Umwelt verträglichen Weise bereitzustellen. Wenn z. B. Perfluorkohlenstoffe (PFC), etwa CF₄ und C₂F₆ in gewissen Halbleiterherstellungsprozessen verwendet werden, müssen PFC-Nebenprodukte im Abfluss derartiger Produktionsprozesse vor dem Freisetzen behandelt werden, da diese ansonsten zu einer Beeinträchtigung der schützenden Ozonschicht in der oberen Erdatmosphäre beitragen können. Eine Plasmareaktion derartiger PFC-Nebenprodukte mit Wasserdampf wandelt die PFC's in Fluorwasserstoff (HF), Kohlendioxid (CO₂) und Wasserdampf (N₂O) um, die ungefährlich sind und freigesetzt werden können, so dass dies ein attraktives Verfahren zum Handhaben des PFC-Entsorgungsproblems darstellt. Wasserdampf für derartige Reaktionen kann durch konventionelle Wasserdampfversorgungssysteme bereitgestellt werden, die unter relativ normalen Druckbedingungen arbeiten, um Wasserdampf bei oder über ungefähr 100°C zu erzeugen. Der von derartigen Systemen erzeugte Wasserdampf wird im Allgemeinen in eine Plasmareaktionskammer geleitet, indem eine Pumpe an dem Dampfversorgungssystem angebracht wird.
Es gibt einige Nachteile bei der Verwendung dieser konventionellen Wasserdampfversorgungssysteme. Erstens, herkömmliche Systeme können ungefähr 40 Watt an Leistung erfordern, um ein Gramm Wasser zu verdampfen. Daher kann die zum Verdampfen des Wassers in großen Mengen erforderliche Energie deutlich zu den Herstellungskosten beitragen. Ferner gibt es eine Reihe von Problemen hinsichtlich der Messung des Dampfflusses, der Rekondensierung des Dampfes, der Dampfdrucksteuerung und dergleichen, die zu den Kosten der Dampfversorgungssysteme beitragen.
Ein typisches Wasserdampfversorgungssystem, das für derartige Anwendungen, etwa zur PFC-Abflussumwandlung, verwendet werden kann, besitzt eine Verdampfungskammer, die mit einer großen Anzahl sehr heißer Platten mit ausreichend Oberfläche ausgestattet ist, um die Wärme zu übertragen, die zum nahezu sofortigen Verdampfen des Wassers erforderlich ist, das mit den PFC-Nebenprodukten reagiert und diese umwandelt. Flüssiges Wasser wird in die Kammer mittels eines Flüssigkeitsdosierungsgerätes mit einer Durchflussrate eingeführt, die geeignet ist, gerade ausreichend Wasser zum Verdampfen mit der gewünschten Wasserdampfzufuhrrate für die PFC-Reaktionskammer bereitzustellen.
Es gibt diverse Nachteile bei der Verwendung eines Systems dieser Art. Erstens müssen die Platten auf sehr hohen Temperaturen gehalten werden, um die nahezu sofortige Verdampfung des in die Kammer fließenden Wasser zu bewerkstelligen. Dies erfordert einen merklichen Energieaufwand, der zu erhöhten Herstellungskosten führen kann.
Zweitens, verstärkt die hohe Wassertemperatur, die zur nahezu sofortigen Verdampfung an sehr heißen Oberflächen erforderlich ist, die Korrosionswirkung in den Systemkomponenten, was zu erhöhten Reparatur- und Ersatzteilkosten führen kann. Da drittens der Flüssigkeitsstrom in die Kammer anstelle des Dampfflusses aus der Kammer heraus gemessen wird, kann die tatsächliche Dampfdurchflussrate aus der Kammer schwanken und kann auf Grund großer Druck/Temperaturfluktuationen und Verdampfungsunregelmäßigkeiten sich als instabil erweisen.
Ferner erfordert das Dampfversorgungssystem das Beibehalten einer erhöhten Temperatur in allen Komponenten, so dass der Dampfdruck mit "kalten Stellen" innerhalb des Durchflussweges in Kontakt kommt, was zu einer Rekondensierung führen könnte. Des weiteren stellt das Hochtemperatursystem eine mögliche Gefahrenquelle für Systembediener dar. In einem alternativen Wasserdampfversorgungssystem wird eine Wasserverdampfungsskammer verwendet, in der eine große Menge an Wasser auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die hoch genug ist, um Dampf nach Bedarf bereitzustellen, in Kombination mit einer Dampf- oder Gasmassendurchflusssteuerung (MFC) in einer Dampfzufuhrleitung, um die Dampfmenge zu dosieren, die aus der Verdampfungskammer heraus zu dem PFC-Plasmareaktor strömt. Obwohl diese Art des Systems einige der Nachteile des zuvor beschriebenen Systems beheben kann, ist es dennoch notwendig, das gesamte System (einschließlich einer großen Menge an deionisierten (DI) Wasser) bei einer gleichmäßig hohen Temperatur (z. B. zwischen 90°C und 140°C) zu halten, was die Kosten für die thermische Behandlung ansteigen lässt und ferner Sicherheitsbedecken für Arbeiter, die mit derartigen Systemen in Kontakt kommen, erzeugt. Des weiteren führt die Zeitdauer, die erforderlich ist, um das DI-Wasser bei einer erhöhten Temperatur zu halten, ebenso zu einer deutlichen Anhebung des Korrosionsprofils für das DI-Wasser bis zu einem Grade, der hoch genug ist, um die Systemkomponenten nachteilig zu beeinflussen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
In einer Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung ein Tieftemperaturdampfversorgungssystem mit einer Verdampfungskammer, einem ersten Steuerventil, einem Flüssigkeitspegelsensor, einer Heizung, einem Temperatursensor und einem Temperatur- und/oder Volumensteuerungssystem. Die Verdampfungskammer ist so ausgebildet, um mindestens ein minimales Schwellwertvolumen flüssigen Wassers aufzunehmen. Das erste Steuerventil steuert den Fluss des flüssigen Wassers in die Verdampfungskammer. Der Flüssigkeitspegelsensor erfasst den Pegel des flüssigen Wassers in der Verdampfungskammer. Die Heizung beeinflusst die Temperatur des flüssigen Wassers innerhalb der Verdampfungskammer. Der Temperatursensor erfasst die Temperatur des flüssigen Wassers in der Verdampfungskammer. Das Steuerungssystem ermöglicht die Kommunikation zwischen dem ersten Steuerventil, dem Flüssigkeitspegelsensor der Heizung und dem Temperatursensor, um zumindest das minimale Schwellwertvolumen des flüssigen Wassers bei oder über einer minimalen Schwellwerttemperatur zu halten, so dass beim Verringern des Druckes in der Verdampfungskammer unterhalb ungefähr 760 Torr Wasserdampf in der Verdampfungskammer gebildet wird, ohne dass Eis erzeugt wird.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Zuführen von Wasserdampf zu einem externen System bereit. Mindestens ein Schwellwertvolumen flüssigen Wassers wird in einer Verdampfungskammer beibehalten, indem der Pegel des Wassers in der Kammer erfasst und die Flussrate in die Kammer geregelt wird. Die Temperatur des flüssigen Wassers in der Verdampfungskammer wird bei oder über einer minimalen Schwellwerttemperatur gehalten, indem die Temperatur des Wassers in der Kammer erfasst und ausreichend Wärme der Verdampfungskammer zugeführt wird. Sodann wird der Druck in der Kammer unter ungefähr 760° abgesenkt, während im Wesentlichen zumindest die Temperatur des minimalen Wasservolumenschwellwerts bei oder über der minimalen Schwellwerttemperatur gehalten wird, um Wasserdampf unter ungefähr 100°C zu erzeugen, ohne Eis zu produzieren. Sodann wird das Zuführen des Wasserdampfes zu der externen Quelle gesteuert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht des Dampfversorgungssystems.
2 ist eine Vorderansicht des Dampfversorgungssystems aus 1.
3 ist ein Querschnitt des Dampfversorgungssystems aus 1, wenn es von der Rückseite her betrachtet wird.
4 ist ein Querschnitt des Flüssigkeitspegelsensors.
5 ist ein Graph, der das Phasendiagramm für Wasser darstellt.
6 ist ein Graph, der den Wasserdampfdruck (Torr) und die Wasserdampfdurchflussrate (Sccm) als eine Funktion der Zeit (Minuten) zeigt, wie dieses durch eine Ausführungsform des Systems beim Anlaufen entsteht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Das Dampfversorgungssystem 10 gemäß dieser Erfindung ist in den 1, 2 und 3 dargestellt. Im Allgemeinen umfasst das Dampfversorgungssystem 10 eine Verdampfungskammer 30 und ein Durchflussdosiergerät 50. Die Verdampfungskammer 30 besitzt eine Einlassleitungsöffnung 31, die eine Einlassleitung 40 aufnimmt, eine erste Ausflussöffnung 34, die das Herausströmen von Wasserdampf von der Verdampfungskammer 30 ermöglicht, eine erste Öffnung 32, die einen Flüssigkeitspegelsensor 41 aufnimmt, und eine zweite Öffnung 33, die einen Temperatursensor 46 aufnimmt.
Der Flüssigkeitspegelsensor 41 wird durch die erste Öffnung 32 eingeführt, so dass sich dieser nach unten in die Verdampfungskammer 30 erstreckt. Der Flüssigkeitspegelsensor 41 kann ein beliebiges konventionelles Flüssigkeitspegelerfassungsbauelement sein. In den dargestellten Ausführungsformen ist der Flüssigkeitspegelsensor 41 unter einem 45° Winkel zu der Oberseite 37 der Verdampfungskammer 30 orientiert. Dies ermöglicht es, dass das Wasserdampfversorgungssystem 10 in einer im Wesentlichen horizontalen oder vertikalen Orientierung arbeitet.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform weist der Flüssigkeitspegelsensor 41 ein Schaftgehäuse 44 und einen Schwimmkörper 42 auf, der ausgebildet ist, entlang dem Schaftgehäuse 44 betätigt zu werden, und der ferner ausgebildet ist, sich in das flüssige Wasser 20 in der Verdampfungskammer 30 zu erstrecken. Innerhalb des Schwimmkörpers 42 ist mindestens ein Magnet 43 vertikal und im Wesentlichen parallel zu dem Schaftgehäuse 44 des Flüssigkeitspegelsensors 41 positioniert. Innerhalb des Schaftgehäuses 44 befindet sich ein Reed-Schalter 45, der magnetisch offen ist, wenn die Flüssigkeitspegellinie 28 bei oder über einem ausreichenden Pegel für einen zuverlässigen Betrieb des Wasserdampfversorgungssystems 10 liegt, der jedoch geschlossen ist, wenn die Flüssigkeitspegellinie 28 unterhalb des ausreichenden Pegels liegt.
Der Flüssigkeitspegelsensor 41 ist ausgebildet, mit einem Strömungssteuerungsventil 39 zu kommunizieren, das an der Einlassleitung 40 angebracht ist. Das Strömungssteuerungsventil 39 ist ausgebildet, die Durchflussrate des flüssigen Wassers in die Verdampfungskammer 30 zu steuern. Wenn der Flüssigkeitspegelsensor 41 erkennt, dass das flüssige Wasser 20 unter den gewünschten Pegel abgesunken ist, signalisiert er dem Strömungssteuerungsventil 39, die Einlassleitung 40 zu öffnen. Wenn der Flüssigwasserpegel einen gewünschten Pegel erreicht, signalisiert der Flüssigkeitspegelsensor 41 dem Steuerungsventil, die Einlassleitung 40 zu schließen.
Der Flüssigkeitspegelsensor 41 und das Strömungssteuerungsventil 39 können über eine erste bedruckte Leiterplatte (PC) 75 und/oder eine zweite Leiterplatte 80 kommunizieren, wobei jede Leiterplatte eine Signalverarbeitungsschaltung und eine Steuerschaltung aufweist, die an dem Systemdurchflussdosierbauteil 50 montiert ist.
Der Temperatursensor 46 wird durch die zweite Öffnung 33 so eingeführt, dass dieser sich nach unten in die Verdampfungskammer 30 erstreckt. Der Temperatursensor 46 kann ein beliebiges konventionelles die Temperatur erfassendes Bauteil sein, etwa ein Thermistor, der in einer Sensorröhre angeordnet ist. Die Verwendung von Thermistoren und anderen Temperatursensoren zum Steuern von Heizungen ist dem Fachmann vertraut. Der Temperatursensor 46 ist ausgebildet, mit einer Heizung 85 zu kommunizieren, um die Verdamp fungskammer 30 nach Bedarf so zu erwärmen, um die Temperatur des flüssigen Wassers 22 bei oder über einer minimalen Schwellwerttemperatur zu halten. Der Temperatursensor 46 und die Heizung 85 können ebenso mittels der ersten Leiterplatte (PC) 75 und/oder der zweiten Leiterplatte 80 kommunizieren.
Die Heizung 85 umgibt zumindest teilweise die Verdampfungskammer 30 und kann auch teilweise das Durchflussdosierbauteil 50 umschließen. In einer Ausführungsform (nicht gezeigt) umgibt die Heizung 85 Bereiche der Unterseite 35 und der vier Wände 36 der Verdampfungskammer und kann auch zumindest teilweise die Oberseite 37 umschließen. Die Heizung 85 kann auch teilweise das angeschlossene Durchflussdosierbauteil 50 umschließen, zumindest, dort, wo es sich von der Wand 36 der Verdampfungskammer 30 nach oben erstreckt, sowie an der Oberseite 58 des Durchflussdosierbauteils 50 zwischen dem Proportionalsteuerventil 60 und dem Drucksensor 64. Ferner kann die Heizung 85 einen Teil des Drucksensors 64 umschließen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benötigt die Heizung 85 eine Ausgangsleistung von lediglich ungefähr 53 Watt für 500 Gramm flüssigen Wassers 20 in der Verdampfungskammer 30. Die Anforderungen beruhen auf dem physikalischen Aufbau des Dampfversorgungssystems 10, das ungefähr 7 inch in der Breite, ungefähr 3 inch in der Tiefe und ungefähr 7 inch in der Höhe misst. Das Dampfversorgungssystem 10 erfordert ferner das Beibehalten eines Tastgrades von ungefähr 50% zum Aufheizen und folglich kann eine 100 Watt-Heizung für die Heizung 85 geeignet sein. Die Heizung 85 besitzt in einer Ausführungsform eine Leistungsdichte im Bereich von ungefähr 1.0 bis 2.0 Watt/inch² und wird von einer AC-(Wechselspannungs-)Quelle (nicht gezeigt) versorgt, die ungefähr 120 bis ungefähr 208 Volt Wechselspannung der Heizung 85 zuführen kann.
Das Durchflussdosierbauteil 50 umfasst ein Proportionalsteuerventil 60, einen Drucksensor 64 und eine Dampfleitung 54. Das Proportionalsteuerventil 60 enthält eine Dampfeinlassöffnung 52 in einem ersten Hohlraum 51, der der ersten Abflussöffnung 34 der Verdampfungskammer 30 angepasst ist und den Übergang von Wasserdampf von der Verdampfungskammer 30 zu dem Durchflussdosierbauteil 50 ermöglicht. Das Proportionalsteuerventil 60 umfasst ferner eine zweite Abflussöffnung 53, die das Ausströmen des Wasserdampfes von dem Ventil 60 zu der Dampfleitung 54 ermöglicht. Die Dampfleitung 54 ist mit dem Steuerventil 60 verbunden und ermöglicht den Durchgang für den Wasserdampf nach dessen Austritt aus der zweiten Abflussöffnung 43 des Proportionalsteuerventils 60. Die Dampfleitung 54 besitzt eine Begrenzungsöffnung 55, durch welche der Wasserdampf strömt, um einen Transferhohlraum 56 zu erreichen. Die erste und die zweite Abflussöffnung 34, 53, die Dampfeinlassöffnung 52 und die Begrenzungsöffnung 55 führen zu einer gedrosselten Strömung durch die jeweilige entsprechende Öffnung. Die Gasdurchflussrate an diesen Öffnungen ist im Wesentlichen proportional zur Querschnittsfläche der Öffnung und dem Druck stromaufwärts der Öffnung, ist jedoch unabhängig vom Druck stromabwärts der Öffnung. Der Transferhohlraum 56 weist eine Auslassöffnung 57 auf, durch welche der Wasserdampf aus dem Durchflussdosierbauteil 50 herausströmt.
Während des Betriebes strömt flüssiges Wasser 20 mit ungefähr Raumtemperatur von der Einlassöffnung 40 durch das Strömungssteuerungsventil 39 und tritt in die Verdampfungskammer 30 durch die Einlassöffnung 31 ein. Eine erste Zone 24 der Verdampfungskammer 30 ist mit dem flüssigen Wasser 20 gefüllt. Eine zweite Zone 26 der Verdampfungskammer 30 enthält das flüssige Wasser 20 nicht. Die beiden Zonen 24, 26 sind durch die Flüssigkeitspegellinie 28 getrennt, die als die Tiefe d des Volumens des flüssigen Wassers 20 in der Verdampfungskammer 30 zu einem beliebigen Zeitpunkt definiert ist. Die Summe der Volumina der Zonen 24 und 26 ist gleich dem Gesamtvolumen der Verdampfungskammer.
Eine externe Leistungsquelle (nicht gezeigt) führt der Verdampfungskammer 30 mittels der Heizung 85, die zumindest teilweise die Verdampfungskammer 30 umgibt und die ferner zumindest teilweise das Durchflussdosierbauteil 50 umgeben kann, Wärme zu. Das Zuführen der Wärme mittels der Heizung 85 kann über die Unterseite 35, über die vier Wände 36 und optional über die Oberseite 37 der Verdampfungskammer 30 so erfolgen, dass ein Temperaturgradient in der Verdampfungskammer 30 erzeugt wird. Die der Verdampfungskammer 30 zugeführte Wärme hält die Temperatur des flüssigen Wassers 20 (und den Dampfdruck) in der Kammer aufrecht.
Mit zunehmender Erwärmung der Verdampfungskammer 30 mittels der Heizung 85 beginnt die Temperatur des flüssigen Wasser 20 in der Verdampfungskammer 30 von ihrer anfänglichen Raumtemperatur von ungefähr 20 bis 25° C bis zu einer Temperatur anzusteigen, bei welcher sich die Phase von flüssig zu dampfförmig ändert. Wenn Wasserdampf 22 anfängt, sich in der Verdampfungskammer 30 zu bilden, ist dessen Aufenthalt in der Verdampfungskammer 30 auf die zweite Zone 26 beschränkt, die ein anfängliches Volumen aufweist, das durch den Raumbereich, der das flüssige Wasser 20 nicht enthält, in der Verdampfungskammer 30 verbleibt. Das anfängliche Volumen und der anfängliche Druck der zweiten Zone 22 sind von dem Volumen des flüssigen Wassers 20 in der Verdampfungskammer 30 sowie der Temperatur des flüssigen Wassers 20, wenn das System zum Anlaufen bereit ist, abhängig.
Erfindungsgemäße Ausführungsformen können die Wasserdampfzufuhr nach Bedarf bewerkstelligen, wobei weniger Gesamtwärmeenergie zur Erzeugung des Dampfes im Vergleich zu herkömmlichen Systemen verwendet wird. Dies wird erreicht, indem rasch und genau das Volumen und die Temperatur des flüssigen Wassers in der Verdampfungskammer erfasst und manipuliert wird, um Wasserdampf bei Temperaturen im Wesentlichen unter 100°C zu erzeugen.
5 zeigt die Bedingungen, unter denen Wasser als ein Festkörper, eine Flüssigkeit oder Dampf existieren kann, sowie die Druck- und Temperaturbedingungen (wobei im Wesentlichen ein konstantes Volumen angenommen wird), die zu Änderungen im Zustand des Wassers führen. Die Linie OC ist eine Dampfdruckkurve für Wasser. Jeder Punkt entlang der Linie OC beschreibt einen Satz an Temperatur- und Druckbedingungen, unter welchen Flüssigkeit und Dampf im Gleichgewicht existieren können. Die drei Kurven schneiden sich am Punkt O, der den Trippelpunkt des Wassers darstellt. Eis, Flüssigkeit und Dampf können zusammen im Gleichgewicht unter den Bedingungen existieren, die durch diesen Punkt repräsentiert sind. Der Punkt D repräsentiert den Gleichgewichtspunkt bei normalen atmosphärischen Bedingungen (760 Torr), bei denen Wasser bei ungefähr 100°C siedet. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Wasserdampf entlang der Linie OC bei Temperaturen von weniger als 100°C zu erzeugen, ohne dass Eis bei oder unter dem Punkt O gebildet wird.
Bei einem anfänglichen Anlaufpunkt liefert das Dampfversorgungssystem 10 ein Volumen an flüssigem Wasser 20 in der Verdampfungskammer 30, das zumindest über einem minimalen Schwellwertvolumen liegt, und das durch die Heizung 85 bei oder über einer minimalen Schwellwerttemperatur gehalten wird, um Wasserdampf nach Bedarf bereitzustellen. In einer Ausführungsform liegt das minimale Schwellwertvolumen beim Anlaufen bei ungefähr 500 Gramm und die minimale Schwellwerttemperatur beim Anlaufen liegt zwischen ungefähr 17°C und 30°C. Der Anlaufpunkt ist als Punkt 1 in 5 dargestellt. Beim Punkt 1 be trägt die Temperatur des flüssigen Wassers ungefähr Raumtemperatur, oder liegt bei ungefähr 20 bis 25°C, und der Druck der zweiten Zone 26 beträgt ungefähr 760 Torr.
Wenn das Wasserdampfversorgungssystem 10 eingeschaltet wird, bewirkt eine stromabwärts angeordnete Pumpe (nicht gezeigt), etwa eine Pumpe, wie sie verwendet wird, um Wasserdampf zu einem PFC-Plasmareaktionssystem (nicht gezeigt) zu fördern, dass der Druck in der Verdampfungskammer 30 nahezu sofort unter den atmosphärischen Druck abfällt. Wenn der Druck in der Verdampfungskammer 30 fällt, fängt die Temperatur in der Verdampfungskammer 30 an, unter die minimale Schwellwerttemperatur zu fallen, und die Bedingungen, die durch die Linie OC in 5 dargestellt sind, beginnen sich, von dem Punkt 1 nach links in Richtung des Trippelpunkts O zu verschieben. Solange jedoch das minimale Schwellwertvolumen des flüssigen Wassers 20 (d. h. ungefähr 500 g) sich bei der minimalen Schwellwerttemperatur, wenn das Wasserdampfversorgungssystem 10 eingeschaltet wird, befindet, verursacht das unmittelbare Absinken des Druckes keine Bildung von Eis in der Verdampfungskammer 30, wodurch verhindert wird, dass das Wasserdampfversorgungssystem 10 einfriert.
Sobald die Temperatur unter die minimale Schwellwerttemperatur absinkt, wird unmittelbar Wärme zu der Verdampfungskammer 30 mittels der Heizung 85 zugeführt, um zu verhindern, dass die interne Temperatur auf den Trippelpunkt O entlang der OC-Kurve abfällt. Solange die Anlaufbedingungen erfüllt sind, steigt die Temperatur des flüssigen Wassers 20 rasch auf Grund des Zuführens von Wärme mittels der Heizung 85 an, der Satz der Bedingungen beginnt sich wieder zurück nach rechts entlang der OC-Kurve zu verschieben und die Betriebsbedingungen stabilisieren sich innerhalb eines Temperaturbereichs von 35 bis 45°C, wie dies durch die Punkte in dem Bereich 2 in dem Phasendiagramm in 5 dargestellt ist. Auf diese Weise wird Wasserdampf bei einem Temperaturbereich von 35 bis 45°C anstelle bei oder über 100°C wie in herkömmlichen Systemen bereitgestellt. Obwohl daher die Wassertemperatur momentan unter die minimalen Schwellwerte kurz nach dem Anlaufen des Systems fallen kann, hebt die Heizung die Temperatur rasch so an, dass das Wasser im Wesentlichen bei oder über dem minimalen Schwellwertvolumen und der minimalen Schwellwerttemperatur gehalten wird.
Wie aus dem Vorhergehenden ersichtlich ist, besteht eine Wesenheit der vorliegenden Erfindung darin, dass das System 10 schnell sowohl das Volumen des flüssigen Wassers als auch die Temperatur des flüssigen Wasser erfassen und einstellen kann, um Wasserdampf mit geringer Temperatur nahezu sofort bei Bedarf ohne das Ausbilden von Eis bereitzustellen.
Um zumindest den minimalen Schwellwert an flüssigem Wasser 20 in der Verdampfungskammer 30 beizubehalten, überwacht der Flüssigkeitspegelsensor 41 die Tiefe d des flüssigen Wassers 20 und erzeugt zusammen mit einer geeigneten Steuerschaltung ein Signal für das Strömungssteuerungsventil 39, um die Durchflussrate des flüssigen Wassers 20 durch die Einlassleitung 40 anzuheben oder abzusenken.
Wie zuvor erläutert ist, wird in einer Ausführungsform des Flüssigkeitspegelsensors ein Reed-Schalter 45 verwendet. Wenn der Reed-Schalter 45 geöffnet ist, erzeugt die Steuerschaltung ein Signal für das Strömungssteuerungsventil 39, um den Strom des flüssigen Wassers 20 durch die Einlassleitung 40 zu unterbrechen. Wenn die Flüssigkeitspegellinie 28 unter ein gewünschtes Volumen absinkt, dann fällt der Schwimmkörper 42 in der Verdampfungskammer 30, so dass der Magnet 43 nahe genug an dem Reed-Schalter 45 liegt, um diesen zu schließen, wodurch ein Signal für das Strömungssteuerungsventil 39 erzeugt wird, um wiederum das Strömen von flüssigem Wasser 20 durch die Einlassleitung 40 in die Verdampfungskammer 30 über die Einlassleitungsöffnung 31 zu ermöglichen, um damit wieder eine optimale Tiefe d des flüssigen Wassers 20 in der Verdampfungskammer 30 zu erreichen. In einer Ausführungsform dieser Erfindung ist der Flüssigkeitspegelsensor 41 ausgebildet, mittels der dazugehörigen Steuerschaltung die Flüssigkeitspegellinie 28 auf ungefähr ± 1/16 Inch zu überwachen. Die Anwendung anderer Flüssigkeitspegelsensoren und geeigneter Steuerungen zum Steuern der Flüssigkeitsdurchflussraten sind dem Fachmann vertraut und müssen zum Verständnis dieser Erfindung nicht weiter erläutert werden.
Während das Volumen des flüssigen Wassers 20 in der Verdampfungskammer 30 durch den Flüssigkeitspegelsensor 41, der mit dem Strömungssteuerungsventil kommuniziert, gesteuert wird, kann auch die Temperatur des flüssigen Wassers 20 eingestellt werden, um Gleichgewichtsbedingungen zwischen dem flüssigen Wasser 20 und dem Wasserdampf 22 in der Verdampfungskammer 30 zu gewährleisten. Der Temperatursensor 46 überwacht die Temperatur der Verdampfungskammer 30 und erzeugt zusammen mit einer geeigneten Steuerschaltung ein Signal für eine Temperatursteuerung, um die Wärmemenge zu vergrößern. Wenn daher die Temperatur des flüssigen Wassers 20 unter die minimale Schwell werttemperatur absinkt, kommuniziert der Temperatursensor 46 mit der Heizung 85, um damit rasch zusätzliche Wärme zu der Verdampfungskammer 30 zuzuführen.
Bei im Wesentlichen konstant gehaltenem Volumen des flüssigen Wassers 20 in der Verdampfungskammer 30 und bei im Wesentlichen konstant gehaltener Temperatur und konstant gehaltenem Druck in der Verdampfungskammer 30 während des Betriebs, strömt der Wasserdampf 22, der in der zweiten Zone 26 erzeugt wird, aus der Verdampfungskammer 30 über die erste Abflussöffnung 34 in das Durchflussdosierbauteil 50, in welchem die Durchflussrate für die Bereitstellung stromabwärts dosiert wird. Der Wasserdampf 22 tritt in einen ersten Hohlraum 51 des Proportionalsteuerventils über die Dampfeinlassöffnung 52 ein, die so dimensioniert ist, wie die erste Ausströmöffnung 34 der Verdampfungskammer 30. Das Proportionalsteuerventil 60 stellt zusammen mit dem Drucksensor 64, der stromabwärts von dem Proportionalsteuerventil 60 angeordnet ist, sicher, dass die Durchflussrate des Wasserdampfs 22 stromabwärts in zuverlässiger und genauer Weise gesteuert und bereitgestellt wird.
Der Dosierprozess beginnt, wenn der Wasserdampf 22 in der Verdampfungskammer 30 einen minimalen Schwellwertdruck erreicht, der bewirkt, dass sich das Proportionalsteuerventil 60 in dem Durchflussdosierbauteil 50 um eine Strecke nach oben biegt, die ausreichend ist, um die zweite Ausströmöffnung 53 freizulegen. Während sich das Proportionalsteuerventil 60 in einer nach oben gebogenen Position befindet, strömt der Wasserdampf 22 von dem ersten Hohlraum 51 stromabwärts in die Leitung 54 des Durchflussdosierbauteils 50. Die Leitung 54 besitzt ein Strömungsleitungsprofil, das anfänglich einen kleinen Durchmesser aufweist, der sich dann zu einem größeren Durchmesser unmittelbar unter dem Drucksensor 64 aufweitet. Die Durchflussrate des Wasserdampfs 22 wird von dem Druck bestimmt, wie er von dem Drucksensor 64 gemessen wird. Um einen zuverlässigen und genauen Wasserdampffluss stromabwärts bereitzustellen, müssen der Druck und damit der Durchfluss des Wasserdampfs 22 in der Leitung 54 überwacht und gesteuert werden. Es wird ein Drucksensor 64 verwendet, um den Druck in der Leitung 54 zu überwachen und zusammen mit einer geeigneten Steuerschaltung ein Signal für das Proportionalsteuerventil 60 zu erzeugen, um damit den Durchfluss des Wasserdampfes 22 anzuheben oder abzusenken. Der Drucksensor kann ein beliebiges konventionelles druckempfindliches Bauteil sein, etwa ein Absolutkapazitätsmanometer, solange dieses in der Lage ist, die Durchflussrate des Wasserdampfes 22, der bereitzustellen ist, effektiv zu erfassen und zu steuern. Die Genauigkeit des Drucksensors beeinflusst die Genauigkeit der Dampfdurchflussrate.
In einer Ausführungsform dieser Erfindung ist ein Absolutkapazitätsmanometerdrucksensor 64 verwendet, um den gemessenen Druck in dem zweiten Hohlraum 54 zu überwachen und um die Durchflussrate des Wasserdampfes 22 zu steuern, wenn dieser aus dem Proportionalsteuerventil 60 austritt. Ein Absolutkapazitätsmanometerdrucksensor 64 kann in dieser Erfindung verwendet werden, da dieser einfach, beständig und sehr genau ist.
Es gibt viele Möglichkeiten, den Betrag der Biegung zu detektieren und messen, etwa mittels Dehnungsmessgeräten, optisch, und auf andere Weisen, die dem Fachmann gut vertraut sind. Im Falle des Kapazitätsmanometersensors 64 wird die Durchbiegung der Wand oder Membran (nicht gezeigt) gemessen, indem die Kapazität zwischen der Wand oder der Membran (nicht gezeigt) und einer benachbarten Metallplatte (nicht gezeigt) erfasst wird. Bekanntlich weisen zwei Metallplatten, etwa die Metallwand (nicht gezeigt) und die Platte (nicht gezeigt), wenn diese durch ein Dielektrikum oder durch einen Raumbereich getrennt sind, eine Kapazität C auf, wenn eine Spannung zwischen diesen Platten über dem Dielektrikum oder dem leeren Raumbereich angelegt wird. Der Fachmann weiß, wie die Kapazität C und Änderungen der Kapazität C mit einer Sensorsteuerschaltung (nicht gezeigt) zu messen sind, und derartige Kapazitätsmanometer 64 sind gut bekannt und für den Fachmann einfach verfügbar. Die Verwendung von Kapazitätsmanometern und anderen Druck- oder Temperatur) Sensoren, die zum Steuern von proportionalen (oder anderen Arten von) Steuerventilen geeignet sind, sind dem Fachmann ebenso gut vertraut.
Wenn der Wasserdampf 22 durch den zweiten Hohlraum 54 mit einer gemessenen Durchflussrate, wie sie durch den Drucksensor 64 überwacht wird und mittels des Proportionalsteuerventils 60 gesteuert wird, strömt, ist sein Druck geringer als beim Eintritt in das Durchflussdosierbauteil 50 und damit ist seine Durchflussrate ebenso geringer. Der Druck in dem zweiten Hohlraum liegt bei ungefähr 30 Torr, wobei die Abnahme auftritt auf Grund der Tatsache, dass das Volumen in den zweiten Hohlraum relativ groß ist, was zu einer Ausdehnung des Wasserdampfes 22 führt. Weiter stromabwärts strömt der Wasserdampf 22 durch eine Begrenzungsöffnung 55, die einen ähnlichen Effekt wie eine Düse bewirkt und die Bedingung für eine gedrosselte Strömung erzeugt. Die Begrenzungsöffnung 55 dient dazu, die Durchflussrate des Wasserdampfes 22 durch Verringern des stromabwärti gen Druckes auf ungefähr 10 Torr zu steuern. Der Wasserdampf 22, der durch die Begrenzungsöffnung 55 durchströmt, tritt in den Transferhohlraum 56 ein und tritt dann durch eine Auslassöffnung 57 in eine Auslassleitung 70 aus, die den präzise gesteuerten Wasserdampf zu einer PFC-Reaktionskammer (nicht gezeigt) transportiert.
Die Verdampfungskammer 30 und das Durchflussdosierbauteil 50 können aus rostfreiem Strahl mit ausreichender Dicke so aufgebaut sein, dass diese die Vakuumbedingungen aushalten, die darauf innerhalb eines PFC-Reaktionssystems ausgeübt werden. Titan oder ein anderes derartiges Metall kann ebenso verwendet werden, um ein Material vorzusehen, das im Wesentlichen gegen die durch Wasser verursachte Korrosion resistent ist. Rostfreier Strahl kann ferner ebenso auf Grund der Wärmespeicherungs- und Leitfähigkeitseigenschaften geeignet sein, so dass die von der Heizung 85 beim Anlauf zugeführte Wärme rasch einen Temperaturgradienten in der Verdampfungskammer 30 erzeugen kann. Die Wärmespeicherung in der Verdampfungskammer 30 und dem Durchflussdosierbauteil 50 ist wichtig, da eine erneute Kondensierung des Wasserdampfes 22 ein oszillierendes oder fluktuierendes Strömungsmuster schaffen kann, das die Zuverlässigkeit des bereitgestellten Produkts beeinträchtigen kann.
In einer Ausführungsform hält das System 10 eine maximale Durchflussrate von 1000 Sccm an Wasserdampf während des Betriebszyklus aufrecht. Um diese Durchflussrate zu erreichen, kann die Temperatur der Verdampfungskammer 30 in einem Bereich von ungefähr 35°C bis ungefähr 45°C liegen, und der optimale Druck in der Verdampfungskammer 30 kann im Bereich von ungefähr 40 Torr bis ungefähr 75 Torr liegen. Der optimale Druck des zweiten Hohlraums 54 des Durchflussdosierbauteils 50 beträgt ungefähr 30 Torr und der optimale Druck des Transferhohlraums 56 und der Austrittsleitung 70 beträgt ungefähr 10 Torr. Diese Temperatur-Druck-Bedingungen wurden aus den Dampfdruckdaten für reines Wasser aus der Tabelle 1 unten hergeleitet:
Tabelle 1 Dampfdruckdaten für reines Wasser
Beispiel
Wie in 6 gezeigt ist, war in einer Ausführungsform des Dampfversorgungssystems 10 es möglich, einen Gleichgewichtswasserdampfdruckschwellwert zu erreichen und äußerst rasch eine stetige und vorhersagbare Wasserdampfdruckdurchflussrate bereitzustellen. 6 zeigt, dass weniger als 10 Minuten nötig waren, um in dem Wasserdampfversorgungssystem 10 einen stetigen Wasserdampfdruckpegel 98 von ungefähr 52 Torr zu erreichen, wobei nur minimale Abweichungen während des gesamten aufgezeichneten Zyklus (über 6 Stunden) auftraten. Ferner zeigt 6, dass weniger als eine Stunde erforderlich war, um in dem Dampfversorgungssystem 10 eine konsistente Wasserdampfzufuhrdurchflussrate 99 von ungefähr 682 Standardkubikzentimeter/Minute (Sccm) zu erreichen, in der während des gesamten aufgezeichneten Zyklusses nur minimale Abweichungen auftraten.
Diese Erfindung soll nicht auf alle zuvor beschriebenen Details eingeschränkt erachtet werden, da Modifizierungen und Variationen davon ausgeführt werden können, ohne vom Grundgedanken oder Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Dampfversorgungssystem und ein Verfahren zum effizienten Erzeugen von Wasserdampf nach Bedarf bereit. Insbesondere wird erfindungsgemäß ein Tieftemperaturwasserdampf erzeugt, ohne dass Eis gebildet wird, indem ein ausreichendes Volumen an Wasser bei einer ausreichenden Temperatur innerhalb einer Verdampfungskammer gehalten wird, wenn der Druck in der Verdampfungskammer abgesenkt wird.

Claims

Tieftemperaturdampfversorgungssystem mit: einer Verdampfungskammer, die ausgebildet ist, mindestens ein minimales Schwellwertvolumen an flüssigem Wasser aufzunehmen; einem ersten Steuerventil, das ausgebildet ist, das Strömen flüssigen Wassers in der Verdampfungskammer zu steuern; einem Flüssigkeitspegelsensor, der ausgebildet ist, den Pegel von flüssigem Wasser in der Verdampfungskammer zu erfassen; einer Heizung, die ausgebildet ist, die Temperatur des flüssigen Wasser in der Verdampfungskammer zu modifizieren; einem Temperatursensor, der ausgebildet ist, die Temperatur des flüssigen Wassers in der Verdampfungskammer zu erfassen; und einem Steuerungssystem, das ausgebildet ist, die Kommunikation zwischen dem ersten Steuerventil und dem Flüssigkeitspegelsensor, der Heizung und dem Temperatursensor herzustellen, um mindestens das minimale Schwellwertvolumen an flüssigem Wasser bei oder über einer minimalen Schwellwerttemperatur zu halten, so dass beim Absinken des Druckes in der Verdampfungskammer unter ungefähr 760 Torr Wasserdampf in der Verdampfungskammer erzeugt wird, ohne Eis zu bilden.
Das System nach Anspruch 1, wobei ein Teil des Flüssigkeitspegelsensors ausgebildet ist, mit dem flüssigen Wasser in Kontakt zu sein.
Das System nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor ausgebildet ist, mit dem flüssigen Wasser in Kontakt zu sein.
Das System nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor einen Thermistor umfasst.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Heizung mit einem Bereich der Verdampfungskammer in Kontakt ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Verdampfungskammer eine Oberseite, eine Unterseite und vier Wände aufweist.
Das System nach Anspruch 6, wobei die Heizung mit einem Bereich jeweils der Oberseite, der Unterseite und der vier Wände der Verdampfungskammer in Kontakt ist.
Das System nach Anspruch 6, wobei der Flüssigkeitspegelsensor durch eine Öffnung in der Oberseite der Verdampfungskammer in die Verdampfungskammer hineinragt.
Das System nach Anspruch 8, wobei der Flüssigkeitspegelsensor mit einem Winkel von ungefähr 45° relativ zur Oberseite der Kammer in die Verdampfungskammer hineinragt.
Das System nach Anspruch 1, wobei das Steuersystem eine Leiterplatte aufweist, die den Flüssigkeitspegelsensor mit dem ersten Steuerventil und den Temperatursensor mit der Heizung elektrisch verbindet.
Das System nach Anspruch 11, das ferner ein Dampfdurchflussdosierbauteil aufweist, das ausgebildet ist, den Dampfdurchfluss von der Verdampfungskammer zu einer Auslassleitung zu steuern.
Das System nach Anspruch 11, wobei das Dampfdurchflussdosierbauteilumfasst: ein zweites Steuerventil, das ausgebildet ist, das Strömen des Wasserdampfes von der Verdampfungskammer zu einer Auslassleitung zu steuern; eine Leitung, die mit einem ersten Ende mit dem zweiten Steuerventil verbunden ist und mit einem zweiten Ende mit der Auslassleitung verbunden ist, wobei die Leitung ausgebildet ist, Wasserdampf von der Verdampfungskammer zu der Auslassleiturg zu führen; und einen Drucksensor, der mit der Leitung verbunden ist, wobei der Drucksensor ausgebildet ist, mit dem zweiten Steuerventil in Verbindung zu sein; um das Strömen von Dampf zu der Auslassleitung zu steuern.
Das System nach Anspruch 11, wobei die Heizung mit einem Bereich jeweils der Verdampfungskammer und des Dampfdurchflussdosierbauteils in Kontakt ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei das minimale Schwellwertvolumen mindestens ungefähr 0.5 Liter beträgt.
Das System nach Anspruch 1, wobei die minimale Schwellwerttemperatur zwischen ungefähr 17°C und ungefähr 30°C liegt.
Das System nach Anspruch 1, wobei beim Absinken des Druckes in der Verdampfungskammer unter 100 Torr Wasserdampf in der Verdampfungskammer erzeugt wird, ohne dass sich Eis bildet.
Verfahren zum Bereitstellen eines Niedertemperaturwasserdampfes für ein externes System, wobei das Verfahren umfasst: im wesentlichen Beibehalten eines minimalen Schwellwertvolumens an flüssigem Wasser in einer Verdampfungskammer durch Erfassen des Pegels des flüssigen Wassers in der Verdampfungskammer und durch Steuern eines Flusses des flüssigen Wasser in die Verdampfungskammer; im wesentlichen Beibehalten des Volumens des flüssigen Wassers bei oder über einer minimalen Schwellwerttemperatur durch Erfassen der Temperatur des flüssigen Wassers in der Verdampfungskammer und durch Zuführen einer ausreichenden Wärmemenge zu dem Wasser in der Verdampfungskammer; Absenken des Druckes in der Verdampfungskammer auf unterhalb ungefähr 760 Torr, ohne Eis zu erzeugen; Steuern der Temperatur des flüssigen Wassers, um Dampf zu erzeugen; und Steuern des Zuführens des Wasserdampfes zu dem externen System.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Beibehaltens mindestens des minimalen Schwellwertvolumens an Wasser das Beibehalten des Volumens an Wasser bei mindestens ungefähr 0.5 Liter umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Haltens des Wasser bei oder über der minimalen Schwellwerttemperatur das Halten der Temperatur des Wassers bei zwischen ungefähr mindestens 17°C bis ungefähr 30°C umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Beibehaltens mindestens eines minimalen Schwellwertvolumens an flüssigem Wasser ferner umfasst: Signalisieren des Pegels des Wassers in der Verdampfungskammer zu einem Steuersystem und Instruieren eines ersten Steuerventils, um den Fluss flüssigen Wasser in der Verdampfungskammer zu steuern.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Haltens des flüssigen Wassers bei oder über der minimalen Schwellwerttemperatur des flüssigen Wassers umfasst: Signalisieren der Wassertemperatur zu einem Steuersystem und Instruieren einer Heizung, um die Temperatur des Wassers zu steuern.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Absenkens des Druckes in der Verdampfungskammer das Absenken des Druckes mittels Ankoppeln einer Pumpe an die Verdampfungskammer umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Steuerns der Temperatur des Wassers zur Erzeugung von Wasserdampf das Aufheizen des Wassers auf eine Temperatur unterhalb ungefähr 100°C zur Erzeugung des Wasserdampfes umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Steuerns der Temperatur des flüssigen Wassers das Aufheizen des Wassers auf eine Temperatur zwischen ungefähr 30°C und 60°C zur Erzeugung des Wasserdampfes umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Steuerns der Temperatur des Wassers zur Erzeugung des Wasserdampfes das Aufheizen des Wassers auf eine Temperatur zwischen ungefähr 35°C und 45°C zur Erzeugung des Wasserdampfes umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Steuerns des Zuführens des Wasserdampfes das Beibehalten einer maximalen Durchflussrate von ungefähr 1000 Standardkubikzentimeter/Minute umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Steuerns des Zuführens des Wasserdampfes das Beibehalten einer Durchflussrate zwischen ungefähr 500 bis 1000 Standardkubikzentimeter/Minute umfasst.