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TECHNISCHER BEREICH
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Vakuumerzeugung in einem oder mehreren Abteilen beliebiger Größe. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung, bei der Flüssigkeit aus einem geschlossenen Gehäuse abgelassen wird, um ein Vakuum zu erzeugen. Dadurch entfällt der Einsatz energieintensiver Vakuumpumpen zur Vakuumerzeugung.
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Stand der Technik
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Bei der Vakuumtechnik handelt es sich um Prozesse, die unter Bedingungen durchgeführt werden, bei denen der Druck unter dem Atmosphärendruck liegt. Ein Vakuum wird im Allgemeinen aus folgenden Gründen erzeugt: 1. um unerwünschte atmosphärische Bestandteile zu entfernen, 2. um die Prozessgeschwindigkeit zu beschleunigen, 3. um den Abstand zwischen Quelle und Ziel bei der Vakuumbeschichtung und insbesondere bei Beschleunigern usw. zu vergrößern, 4. um das Risiko einer Kontamination zu verringern, 5. um inerte Bedingungen zu schaffen, 6. um einen Prozess zu entschleunigen und 7. um einen Prozess zu beschleunigen.
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Zunächst wurde die Vakuumtechnologie vor allem für die Herstellung elektrischer Glühbirnen und danach für Elektronenröhren eingesetzt. Darüber hinaus unterstützt die Literatur, dass bestimmte Herstellungsprozesse nur unter Vakuumbedingungen durchgeführt werden können, wie z. B. Blutplasma, Titan und Kernenergie usw.
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Zur Erzeugung, Aufrechterhaltung und Messung von Vakuum wurden verschiedene Geräte entwickelt. Von allen werden Vakuumpumpen am häufigsten zur Vakuumerzeugung in verschiedenen Versuchsaufbauten eingesetzt. Bei der Funktionsweise einer Vakuumpumpe wird die Luft aus dem geschlossenen System durch Absaugen entfernt, um die Luftdichte im begrenzten Raum schrittweise zu verringern, sodass ein Vakuum erzeugt werden kann. Es entfernt die Luft in einem geschlossenen System aufgrund der mechanischen Kraftenergie einer rotierenden Welle, die in pneumatische Energie umgewandelt wird. Die Vakuumpumpen unterliegen jedoch den folgenden Einschränkungen:
- • Diese Pumpen können durch Flüssigkeitsspritzer beschädigt werden.
- • Die Flüssigkeit in der Pumpe und das Prozessgas sollten gut geeignet sein, um eine Verschmutzung zu vermeiden.
- • Der Saugdruck der Pumpe kann durch den Dampf der Flüssigkeit in der Pumpe begrenzt werden.
- • Aufgrund des Dampfdrucks der Dichtflüssigkeit kann das erreichbare Vakuum bei Betriebstemperatur begrenzt sein und den Vakuumraum verschmutzen.
- • Die Betriebs- und Wartungskosten von Vakuumpumpen sind sehr hoch.
- • Mechanische Gefahren sind durch bewegliche Teile und chemische Gefahren durch Verunreinigung des Pumpenöls mit flüchtigen Substanzen möglich.
- • Es besteht Explosionsgefahr im Abgassystem der Vakuumpumpe.
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Jeder Vakuumpumpentyp arbeitet unter seinen eigenen Prozessbedingungen mit einem bestimmten Betriebsbereich und weist seine eigenen Einschränkungen auf. Um unterschiedliche Vakuumniveaus zu erzeugen, sind unterschiedliche Pumpen- und Technologiekombinationen erforderlich. Mit abnehmendem Druck in der Kammer wird es exponentiell schwieriger, die Additionsmoleküle aus dem Arbeitsraum zu entfernen. Daher ist ein industrielles Vakuumsystem erforderlich, um einen großen Druckbereich wie 1-10' 6 Torr zu erzeugen. Manchmal ist eine Reihe industrieller Vakuumpumpen erforderlich, um eine stärkere Druckreduzierung zu erreichen, die auf 10' 9 Torr ausgedehnt werden kann. Darüber hinaus ist die Erzielung eines vollständigen Vakuums in einem großen Bereich, beispielsweise einem Raum, im Labor mit Vakuumpumpen sehr schwierig und kann chemische, mechanische, elektrische und Brandgefahren mit sich bringen. Gesteuerte Vakuumpumpen, die zum Evakuieren von Systemen verwendet werden, die giftige, reaktive, flüchtige oder korrosive Substanzen enthalten, müssen über das Abluftsystem des Gebäudes entlüftet werden. Beim Einsatz von Vakuumpumpen sind verschiedene Vorsichtsmaßnahmen zu beachten.
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US 8540688B2 beschreibt ein tragbares Gerät zur Erzeugung eines Vakuums zur medizinischen Behandlung von Wunden am Körper von Menschen oder Tieren.
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US 103591311B2 beschreibt ein Steuersystem für zusammenklappbare Schläuche, das abwechselnd ein unter Druck stehendes Fluid bereitstellen kann, um einen zusammenklappbaren Schlauch zur Verwendung auszudehnen, oder einen Vakuumdruck bereitstellen kann, um den zusammenklappbaren Schlauch zur Aufbewahrung in Längsrichtung zusammenzuziehen oder zusammenzulegen.
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Niedriger Druck ist die wesentliche Voraussetzung für die Durchführung verschiedener chemischer und physikalischer Prozesse. Für zahlreiche Bereiche der Wissenschaft und Technik ist ein niedriger Druck erforderlich. Bis heute ist aber die Vakuumpumpe die einzige verfügbare Quelle zur Vakuumerzeugung, die jedoch die oben genannten Einschränkungen aufweist.
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Um die in heutigen Systemen auftretenden Probleme zu überwinden, ist daher eine vollständige Eliminierung von Vakuumpumpen erforderlich. Die vorliegende Erfindung stellt ein System und eine Methode bereit, um den Druck eines begrenzten Bereichs (jeglicher Dimension) ohne die Hilfe von Vakuumpumpen zu reduzieren. Das System und die Methode sind energieeffizienter, kosteneffektiver und umweltfreundlicher. Das genannte System ist einzigartig in Bezug auf seine Einfachheit, Erweiterbarkeit, vielfältigen Nutzen usw.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein System zum Erzeugen von Vakuum für verschiedene Anwendungen wie Klimakontrollkammern, in denen die atmosphärischen Bedingungen, die verschiedenen Höhenlagen entsprechen, zu Akklimatisierungszwecken simuliert werden können. Dieser Aufbau kann verwendet werden, um Vakuum effizienter in extrem großen Räumen für Anwendungen in verschiedenen Bereichen zu erzeugen, wie z. B. Bodenanwendungen in Raumfahrteinrichtungen, Halbleiterindustrie, Hyperloop, Abgase mit Explosionsrisiko, Entfernung von Gasen in Schiefer-Fracking-Systemen, Gas- und Ölgewinnung aus erschöpften Bohrlöchern, Entfernung explosiver Gase aus Minen, Anwendungen zur Luftqualität in Innenräumen, Wasseraufbereitung, Industrieöfen, Schulung für hypobare Flugzeuge, pharmazeutische begehbare Räume, Lagerhallen für Chemikalien und akklimatisierte Höhenhütten, effektive Abfallnutzung und Niedertemperaturwärme in der chemischen Industrie, Landwirtschaft und Gartenbau, Trocknungsanwendungen, Lärm- und Vibrationsreduzierung in Vakuumsystemen, Reduzierung des CO2-Fußabdrucks des Systems zur Förderung der Nachhaltigkeit usw.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der hier gegebenen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Diese dienen nur zur Veranschaulichung und sind daher nicht auf die vorliegende Erfindung beschränkt. Es zeigen:
- 1 das System zur Vakuumerzeugung,
- 2 das System zur Vakuumerzeugung,
- 3 Schritt 1 der Arbeitsweise des Systems zur Vakuumerzeugung,
- 4 die Schritt-2-Methode des Betriebszustands des Systems zur Vakuumerzeugung,
- 5 die Schritt-3-Methode des Arbeitszustands des Systems zur Vakuumerzeugung und
- 6 eine weitere Veranschaulichung des Systems.
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BESTE ART(EN) ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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Im Folgenden wird eine vereinfachte Beschreibung der Erfindung gegeben, um ein grundlegendes Verständnis einiger Aspekte der Erfindung zu vermitteln. Diese Beschreibung ist kein umfassender Überblick über die vorliegende Erfindung. Es ist nicht beabsichtigt, die Schlüsselelemente der Erfindung zu identifizieren oder den Umfang der Erfindung abzugrenzen. Ihr einziger Zweck besteht darin, einige Konzepte der Erfindung in vereinfachter Form darzustellen.
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Dementsprechend wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen der hier beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus wird aus Gründen der Klarheit und Prägnanz auf Beschreibungen bekannter Funktionen und Konstruktionen verzichtet.
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Merkmale, die in Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben und/oder dargestellt werden, können in gleicher oder ähnlicher Weise in einer oder mehreren anderen Ausführungsformen und/oder in Kombination mit oder anstelle der Merkmale der anderen Ausführungsformen verwendet werden.
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Die in der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen verwendeten Begriffe und Wörter beschränken sich nicht auf die bibliografische Bedeutung, sondern werden vom Erfinder lediglich verwendet, um ein klares und konsistentes Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Dem Fachmann sollte daher klar sein, dass die folgende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur zur Veranschaulichung dient und nicht dazu dient, die Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist, einzuschränken.
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Es versteht sich, dass die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“ Pluralbezüge einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
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Mit dem Begriff „im Wesentlichen“ ist gemeint, dass die genannten Eigenschaften, Parameter oder Werte nicht exakt erreicht werden müssen, sondern dass Abweichungen oder Schwankungen auftreten können, darunter beispielsweise Toleranzen, Messfehler, Einschränkungen der Messgenauigkeit und andere bekannte Faktoren. Wie Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt ist, können diese in Mengen auftreten, die den Effekt, den die Eigenschaft erzielen sollte, nicht ausschließen.
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Es sollte betont werden, dass der Begriff „umfasst/umfassend“, wenn er in dieser Spezifikation verwendet wird, das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte oder Komponenten spezifiziert, das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale jedoch nicht ausschließt, ganze Zahlen, Schritte, Komponenten oder Gruppen davon.
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Es sollte betont werden, dass der Begriff „Vakuum“, wenn er in dieser Spezifikation verwendet wird, dazu dient, den Druck eines eingeschränkten Bereichs für mehrere Verwendungszwecke unter den Umgebungsdruck zu senken.
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Es sollte betont werden, dass der Begriff „Ultrahochvakuum“, wenn er in dieser Spezifikation verwendet wird, Drücke unter etwa 100 Nanopascal bezeichnet.
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Es sollte betont werden, dass der Begriff „Abteil“, wenn er in dieser Spezifikation verwendet wird, den Raum bezeichnet, in dem das Vakuum erzeugt werden soll, beispielsweise Umgebungskontrollkammern.
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Es sollte betont werden, dass der Begriff „Betriebsumgebungsbedingungen“ beispielsweise die Temperatur zwischen Gefrier- und Siedepunkt einer Flüssigkeit bei atmosphärischen Betriebsdrücken bezeichnet.
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Es sollte betont werden, dass der Begriff „Ventil“, wenn er in dieser Spezifikation verwendet wird, eine Vorrichtung bezeichnet, die den Fluss einer Flüssigkeit reguliert, steuert oder leitet, indem sie den Flüssigkeitsfluss öffnet, schließt oder teilweise/vollständig blockiert.
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Es sollte betont werden, dass der Begriff „Magnetventil“, wenn er in dieser Spezifikation verwendet wird, das elektrisch gesteuerte Ventil bezeichnet.
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Es sollte betont werden, dass der Begriff „Pumpe“, wenn er in dieser Spezifikation verwendet wird, die Vorrichtung bezeichnet, die verwendet wird, um die Flüssigkeit entgegen der Schwerkraft nach oben zu heben.
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Es sollte betont werden, dass der Begriff „Prozesskammer“, wenn er in dieser Spezifikation verwendet wird, den Behälter zum Befüllen mit Flüssigkeit und zum anschließenden Erzeugen des Vakuums bezeichnet.
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Es sollte betont werden, dass der Begriff „Sperrgebiet“, wenn er in dieser Spezifikation verwendet wird, den Bereich mit Grenzen bezeichnet.
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Es sollte betont werden, dass sich der Begriff „Flüssigkeiten“ auf eine Flüssigkeit bezieht, die sich der Form ihres Behälters anpasst.
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Offenlegung eines Systems zur Reduzierung des Drucks in einem eingeschränkten Bereich unter den Umgebungsdruck für mehrere Verwendungszwecke
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Das System umfasst mindestens ein Flüssigkeitsreservoir, eine Pumpe, eine Prozesskammer und ein Fach. Das System umfasst außerdem Rohre zum Transport der Flüssigkeit innerhalb des Systems und mehrere Ventile zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses. Das System umfasst außerdem ein Sicherheitsventil, um eine Explosion/Implosion im System zu verhindern, wenn der Druck/das Vakuum vom optimalen Niveau ansteigt. In der Prozesskammer hängt die Höhe der Prozesskammer vom atmosphärischen Druck am Standort ab. Die Prozesskammer ist außerdem mit dem Bodenreservoir über eine flüssigkeitsführende Quelle wie ein Rohr, ein Abflussrohr oder eine Entlüftung verbunden und mit der Vakuumleitung, die mit dem begrenzten Bereich verbunden ist, in dem Vakuum erzeugt werden soll. Im System kann auch eine Dampffalle in der Vakuumleitung angeordnet sein. In dem System wird der Flüssigkeitsfluss durch die Verwendung mehrerer Ventile gesteuert, die sich entlang der Länge der flüssigkeitsführenden Quelle befinden. An der Vakuumleitung sind Ventile, an der Oberseite der Prozesskammer Entlüftungsöffnungen sowie Flüssigkeitseinlass- und -auslassquellen der Prozesskammer vorgesehen. Die Flüssigkeitspumpe kann automatisch über einen Druck-/Leitfähigkeitssensor aktiviert werden. Alle Ventile und Pumpen können an das automatische Steuersystem angeschlossen werden.
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Ausführungsformen
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Unter Bezugnahme auf die Figuren und insbesondere auf 1 umfasst das System 100 mindestens ein Flüssigkeitsreservoir 102 eine Pumpe 104, eine Prozesskammer 106 und ein Fach 108. Das System 100 umfasst außerdem die Flüssigkeitstransportquelle 120 zum Transport der Flüssigkeit innerhalb des Systems 100 und mehrere Ventile zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses. Im System 100 befindet sich die Prozesskammer 106 auf einer Höhe von 35 Fuß oder mehr vom Flüssigkeitsspeicherreservoir, wenn Wasser als Flüssigkeit 102 verwendet wird. Die Höhe der Prozesskammer 10) hängt vom atmosphärischen Druck am Arbeitsplatz und der Dichte der verwendeten Flüssigkeit ab. Die Prozesskammer 106 ist außerdem mit dem Bodenreservoir 102 verbunden, mit einer flüssigkeitsführenden Quelle 124, einem Ablaufauslass 122, einer Entlüftung und mit der Vakuumleitung 126, die mit dem Fach 108 verbunden ist. Vakuum soll für die Endanwendung erzeugt werden. In dem System wird der Flüssigkeitsfluss durch die Verwendung mehrerer Ventile 110,112,114,116,118 gesteuert, die sich entlang der Länge der flüssigkeitsführenden Quellen befinden. Ventile sind an der Vakuumleitung 110, einer Entlüftung an der Oberseite der Prozesskammer 112, einem Flüssigkeitsauslass 114, 118 und Einlassquellen 116 der Prozesskammer 106 vorgesehen. Vakuummessgeräte/-sensoren werden an der Prozesskammer und dem Fach angebracht, um das Vakuum zu messen.
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In einer Ausführungsform des Systems 100 kann die Flüssigkeitspumpe automatisch über einen Sensor betätigt werden.
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In einer Ausführungsform des Systems 100 können alle Ventile und Pumpen außerdem mit dem automatischen Steuersystem verbunden sein.
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In einer Ausführungsform kann das Flüssigkeitsreservoir 102 eine beliebige Form haben, beispielsweise rechteckig, quadratisch, trapezförmig, konisch, kreisförmig usw. oder eine Kombination daraus.
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In einer Ausführungsform kann das Flüssigkeitsreservoir 102 ausreichend groß sein, um die Flüssigkeit für den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems aufzubewahren.
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In einer Ausführungsform kann das Flüssigkeitsreservoir 102 aus jedem Material wie Metall, Sand, Beton, Zement, Polymer oder einer Kombination davon bestehen.
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In einer Ausführungsform können die Oberflächen des Flüssigkeitsreservoirs 102 mit dem geschützten Material beschichtet werden, um die Haltbarkeitsdauer des Flüssigkeitsreservoirs 102 zu verlängern und etwaiges Auslaufen zu kontrollieren.
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m System 100 wird mindestens eine Pumpe 104 verwendet, um die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir 102 in die Prozesskammer 106 zu heben.
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In einer Ausführungsform kann mehr als eine Pumpe verwendet werden, um die Flüssigkeit vom Flüssigkeitsreservoir 102 in die Prozesskammer 106 zu heben.
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In einer Ausführungsform kann die Pumpe 104 eine Verdrängerpumpe, eine Zentrifugalpumpe, eine Axialpumpe oder eine Kombination daraus oder eine Tauchpumpe sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Pumpe 104 um eine oder mehrere Zentrifugalpumpen.
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In dem System ist die Arbeitseffizienz der Pumpe so, dass sie den Zweck der Erfindung erfüllen kann.
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Im System wird die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir 102 gepumpt und in die Prozesskammer 106 eingefüllt.
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In einer Ausführungsform kann die Prozesskammer 106 eine beliebige Form haben, beispielsweise eine röhrenförmige, zylindrische, rechteckige Form oder eine Kombination davon.
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In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Prozesskammer 106 eine zylindrische Form.
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In einer Ausführungsform hat die Prozesskammer 106 eine ausreichende Größe, um die Flüssigkeit für den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems zu speichern.
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In einer Ausführungsform kann die Prozesskammer 106 aus einem beliebigen Material wie natürlichem, künstlichem oder einer Kombination davon hergestellt sein.
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In einer Ausführungsform kann die Prozesskammer 106 aus jedem Material wie Metall, Sand, Beton, Zement, Polymer oder einer Kombination davon bestehen.
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In einer Ausführungsform kann die Oberfläche der Prozesskammer 106 mit dem geschützten Material beschichtet werden, um die Haltbarkeitsdauer der Prozesskammer zu erhöhen und das Eindringen von atmosphärischer Luft (106) zu reduzieren.
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Im System 100 befindet sich die Prozesskammer 106 auf einer Höhe „HI“ vom Flüssigkeitsspeicherreservoir 102, das von einer geeigneten Metall-/Betonkonstruktion getragen wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Prozesskammer auf einer Höhe von mindestens 35 Fuß vom Flüssigkeitsspeicherreservoir, wenn es sich bei der Flüssigkeit um Wasser handelt.
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Im System 100 befindet sich mindestens ein Kompartiment 108, in dem Vakuum erzeugt werden soll.
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In Ausführungsformen kann das Fach 108 jede beliebige Form und Größe haben.
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In Ausführungsformen kann das Fach 108 aus einem beliebigen Material wie natürlichem, synthetischem, halbsynthetischem Material oder einer Kombination daraus bestehen.
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In Ausführungsformen kann das Fach 108 eine beliebige Fläche mit Grenzen haben.
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In Ausführungsformen kann das Fach 108 leer sein oder mindestens einen Gegenstand enthalten.
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In Ausführungsformen kann das Fach 108 extrem groß dimensionierte Bereiche wie Weltraumeinrichtungen, Halbleiterindustrie, Hyperloop, Wasseraufbereitung, Industrieöfen, effektive Nutzung von Abfällen und Niedertemperaturwärme in der chemischen Industrie, in der Landwirtschaft und im Gartenbau umfassen. Trocknungsanwendungen, hypobare Ausbildung in der Luftfahrt, begehbare Pharmaräume, Lagerbereiche für Chemikalien und hochgelegene akklimatisierte Hütten, Abgase mit Explosionsgefahr, Entfernung von Gasen in Schiefer-Fracking-Systemen, Gas- und Ölgewinnung aus erschöpften Bohrlöchern, Entfernung explosiver Gase B. aus Minen, Anwendungen zur Luftqualität in Innenräumen, Reduzierung von Lärm und Vibrationen in Vakuumsystemen, Reduzierung des CO2-Fußabdrucks des Systems zur Förderung der Nachhaltigkeit usw., aber nicht nur darauf beschränkt.
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Das System 100 umfasst mehrere flüssigkeitsführende Quellen für die Zirkulation der Flüssigkeit im System.
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Das System 100 umfasst die flüssigkeitsführende Quelle 120 für die Zirkulation der Flüssigkeit im System.
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In einer Ausführungsform ist die flüssigkeitsführende Quelle 120 mit der Pumpe 104 und der Prozesskammer 106 verbunden, um die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir 102 in die Prozesskammer 106 zu transportieren.
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In einer Ausführungsform sind die flüssigkeitsführenden Quellen 122 und 124 mit der Prozesskammer 106 verbunden, um die überschüssige Flüssigkeit abzulassen und Flüssigkeit in das Flüssigkeitsreservoir 102 bzw. aus der Prozesskammer 106 abzulassen. Die Auslassenden der flüssigkeitsführenden Quellen 120 und 124 sollten niedriger sein als der Wasserspiegel im Reservoir 102.
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In einer Ausführungsform ist die Vakuumleitung 126 mit der Prozesskammer 106 und dem Fach 108 verbunden. Es wird verwendet, um die Luft und/oder Partikel und Dämpfe aus der Kammer 108 in der Prozesskammer 106 abzusaugen, um das Vakuum in der Kammer 108 zu erzeugen.
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In Ausführungsformen können die flüssigkeitsführenden Quellen jede beliebige Form und Größe haben, die dem Zweck der Erfindung dienen.
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In bevorzugten Ausführungsformen haben die flüssigkeitsführenden Quellen und die Vakuumleitung eine längliche, rohrartige Struktur mit oder ohne Biegungen.
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In bevorzugten Ausführungsformen sind die flüssigkeitsführenden Quellen Rohre.
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In Ausführungsformen können die flüssigkeitsführenden Quellen und die Vakuumleitung aus jedem beliebigen Material wie natürlichem, synthetischem, halbsynthetischem Material oder einer Kombination davon hergestellt sein.
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Das System 100 umfasst mehrere Ventile zur Steuerung der Flüssigkeitszirkulation im System.
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Im System 100 befindet sich das Ventil 110 an einer beliebigen Stelle in der Fluid-/Flüssigkeitstransportquelle 126, um die in der Kammer 108 induzierte Vakuumrate zu steuern.
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Im System 100 ist das Ventil 112 irgendwo in der flüssigkeitsführenden Quelle 122 angeordnet, um die Entlüftung der Flüssigkeit aus der Prozesskammer 106 zu steuern.
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Im System 100 ist das Ventil 114 irgendwo in der flüssigkeitsführenden Quelle 124 angeordnet, um den Flüssigkeitsabfluss aus der Prozesskammer 106 zu steuern.
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Im System 100 befindet sich das Ventil 116 an einer beliebigen Stelle in der flüssigkeitsführenden Quelle 120, um das Anheben der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir 102 in die Prozesskammer 106 zu steuern.
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Im System 100 befindet sich das Ventil 118 irgendwo in der flüssigkeitsführenden Quelle 124, um die Entlüftung von Dämpfen aus der flüssigkeitsführenden Quelle 124 und auch von Flüssigkeit aus der Prozesskammer 106 zu steuern.
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In einer Ausführungsform können die Ventile von jeder Art sein, wie z. B. Kugelventile, Schmetterlingsventile, Rückschlagventile, Membranventile, Schieberventile, Kugelventile, Messerventile, Parallelschiebeventile, Quetschventile, Kolbenventile, Stopfenventile, Schleusenventile usw., sind jedoch nicht nur auf diese beschränkt.
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In einer Ausführungsform können die Ventile manuell, automatisch oder halbautomatisch betätigt werden.
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In einer Ausgestaltung im System können alle Ventile hinsichtlich Funktionalität, Material und Ansteuerung unterschiedlich sein.
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In einer Ausführungsform können im System mindestens zwei Ventile hinsichtlich Funktionalität, Material und Ansteuerung gleich sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Systems sind alle Ventile Magnetventile.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Systemventil 112 ein Dreiwegeventil.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Systems werden alle Magnetventile über eine automatische programmierbare Steuerung betrieben.
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Unter Bezugnahme auf die Figuren und insbesondere auf 2 ist vorgesehen, dass im System 100 auch eine Dampffalle 202 in der Vakuumleitung 126 zum Auffangen von Flüssigkeiten, Dämpfen und/oder Partikeln angeordnet sein kann.
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Im System 100 kann die Flüssigkeit wässrig, nichtwässrig, gemischt wässrig, organisch, gemischt organisch oder eine Kombination davon sein und sollte in ihrem Betriebsbereich in flüssiger Form mit sehr niedrigem Dampfdruck bleiben. Bei speziellen Anwendungen, die eine vollständig inerte Atmosphäre erfordern, könnten ionische Flüssigkeiten die bevorzugte Ausführungsform sein.
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In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Flüssigkeiten um beliebige Metalle wie Quecksilber, Indium oder andere Metalle oder deren Legierungen unterhalb ihrer Erstarrungs- und Sublimationspunkte.
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In einer Ausführungsform weist die Flüssigkeit lösliche gelöste Stoffe oder Suspensionen auf.
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In einer Ausführungsform haben die gelösten Stoffe eine Löslichkeit im Bereich von bis zum Sättigungspunkt unter Arbeitsbedingungen oder sogar in Aufschlämmungen.
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In einer Ausführungsform enthält die Flüssigkeit Zusätze, um deren Verdunstung zu reduzieren.
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In einer Ausführungsform enthält die Flüssigkeit Tenside und antimykotische Materialien sowie deren Mischungen, um Verschmutzungen vorzubeugen und die Reinigung des Reservoirs und der Kammern zu erleichtern.
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In einer Ausführungsform enthält die Flüssigkeit Korrosionsschutzmittel, um die Wände der Kammern, Rohrleitungen, Ventile, Messgeräte und andere Komponenten zu schützen. Zur Vermeidung von Korrosionsproblemen galvanischer Zellen wird eine Opferanode bereitgestellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Flüssigkeit Wasser.
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Das System 100 umfasst eine Vorrichtung zur Erfassung des Vakuumniveaus in der Prozesskammer 106 und der Vakuumkammer 108.
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In einer Ausführungsform ist in der Vorrichtung 100 vorgesehen, das Vakuum in der Prozesskammer auf dem gleichen Wert wie in der Vakuumkammer 106 zu speichern, um es anschließend sofort nutzen zu können.
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Funktionsweise des Vakuumerzeugungssystems
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Schritt 1: Bezugnahme auf die Figuren und insbesondere auf 3 im System 100. Zu Beginn des Betriebs werden die Ventile 112, 122, 116 und 118 geöffnet und die übrigen Ventile geschlossen. Die Pumpe 104 beginnt mit dem Anheben der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir 102 durch die flüssigkeitsführende Quelle 120 in die Prozesskammer 106. Nachdem die Prozesskammer 106 vollständig gefüllt ist, wird die Pumpe 104 gestoppt. Die Entlüftung 112 oben in der Prozesskammer 106 sowie die Ventile 116 und 122 werden geschlossen.
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Schritt 2: Bezugnahme auf die Figuren und insbesondere auf 4 im System 100. Dann werden die Ventile 114, 118 in der flüssigkeitsführenden Quelle 124 geöffnet, und die Flüssigkeit in der Prozesskammer 106 kann in das Flüssigkeitsreservoir 102 abfließen. Nachdem die gesamte Flüssigkeit abgelaufen ist und in der Überkopfkammer ein vollständiges Vakuum erzeugt wurde, werden die Ventile 118 und 114 im Auslassrohr geschlossen.
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Schritt 3: Bezugnahme auf die Figuren und insbesondere auf 5 im System 100. Anschließend wird das Ventil 110 geöffnet, um im Fach 108 ein Vakuum zu erzeugen. Danach wird Ventil 110 geschlossen.
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Abhängig von den Vakuumanforderungen und dem Volumen der Endanwendungen wird dieser Prozess mehrmals durchgeführt, indem dieselbe Flüssigkeit im unteren Behälter verwendet wird. Dadurch kann dieses Verfahren zur Vakuumerzeugung in jeder Kammergröße eingesetzt werden.
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Die oben beschriebenen Prozesse werden als Abfolge von Schritten beschrieben, was ausschließlich zur Veranschaulichung erfolgt. Dementsprechend wird in Betracht gezogen, dass einige Schritte hinzugefügt bzw. einige Schritte weggelassen werden können. Die Reihenfolge der Schritte kann geändert oder einige Schritte können gleichzeitig ausgeführt werden.
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In der Vorrichtung 100 ist vorgesehen, das Vakuum in der Prozesskammer auf dem gleichen Wert wie in der Vakuumkammer zu speichern, um es anschließend sofort nutzen zu können.
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Die Größe der Überkopf-Prozesskammer und der Pumpe hängt von der Anwendung und dem Zeitrahmen für die Vakuumerzeugung ab. In einer Ausführungsform können mehrere Vakuumerzeugungssysteme in Reihe/parallel betrieben werden, um in einem sehr großen System Vakuum zu erzeugen und so die für die Vakuumerzeugung erforderliche Zeit zu reduzieren.
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Da die Luft aus dem Anwendungsraum in die Vakuum erzeugende Prozesskammer über der Decke gesaugt wird, ist die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination des Arbeitsraums äußerst gering.
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Es gibt mehrere Neuheiten dieses Konzepts, beispielsweise wird in diesem Prozess anstelle einer teuren, energieintensiven Vakuumpumpe oder einer Kombination von Pumpen für Anwendungen mit sehr niedrigem Vakuum eine Zentrifugalpumpe verwendet, die viel weniger Energie verbraucht Dies führt zu energiesparenden und kostensparenden Neuheiten. Außerdem wird das System im Vergleich zu bestehenden Systemen geringere Kohlenstoffemissionen aufweisen, was zu umweltfreundlicher Technologie und einer Neuheit in der Nachhaltigkeit führt. Im Prozess werden weniger Vibrationen erzeugt, da die Prozesskammer 106 und die Vakuumkammer 106 über Vibrationsdämpfer/Kopftank für Anwendungen wie FAB verbunden werden können. In Gebieten ohne Zugang zum Stromnetz kann eine kleine Solarpumpe zur dezentralen Anwendung eingesetzt werden. Bei großtechnischen Anwendungen kann die zum Erzeugen eines Vakuums erforderliche Zeit verkürzt werden. Chemische, mechanische, elektrische und Brandgefahren in Vakuumpumpen können eliminiert werden. Die gleiche Systemkonfiguration kann für jede Größe und jeden Bereich von Vakuumsystemen verwendet werden, was zu einer kostensparenden Neuheit führt.
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Obwohl Ausführungsformen unter Bezugnahme auf spezifische beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom breiteren Geist und Umfang des hier beschriebenen Systems und Verfahrens abzuweichen. Dementsprechend sind die Beschreibung und die Zeichnungen eher in einem veranschaulichenden als in einem einschränkenden Sinne zu betrachten.
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Viele Änderungen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung werden einem Durchschnittsfachmann zweifellos nach der Lektüre der vorstehenden Beschreibung klar werden. Es versteht sich, dass die hier verwendete Ausdrucksweise oder Terminologie der Beschreibung und nicht der Einschränkung dient. Es versteht sich, dass die obige Beschreibung viele Spezifikationen enthält. Diese sollten nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung ausgelegt werden, sondern dienen lediglich der Veranschaulichung einiger persönlich bevorzugter Ausführungsformen dieser Erfindung.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein System zur Erzeugung von Vakuum für verschiedene Anwendungen wie Klimakontrollkammern, in denen die atmosphärischen Bedingungen, die verschiedenen Höhenlagen entsprechen, zu Akklimatisierungszwecken simuliert werden können. Dieser Aufbau kann verwendet werden, um Vakuum effizienter in extrem großen Räumen für Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Bodenanwendungen in Raumfahrteinrichtungen, Halbleiterindustrie, Hyperloop, Wasseraufbereitung, Industrieöfen, effektive Nutzung von Abfällen und Niedertemperaturwärme zu erzeugen chemische Industrie, Landwirtschafts- und Gartenbaubetriebe, Trocknungsanwendungen, hypobare Ausbildung in der Luftfahrt, pharmazeutische begehbare Räume, Lagerräume für Chemikalien und hochgelegene akklimatisierte Hütten, Abgase mit Explosionsgefahr, Entfernung von Gasen in Schiefer-Fracking-Systemen, Gas und Öl Rückgewinnung aus erschöpften Bohrlöchern, Entfernung explosiver Gase aus Minen, Anwendungen zur Luftqualität in Innenräumen, Reduzierung von Lärm und Vibrationen in Vakuumsystemen, Reduzierung des CO2-Fußabdrucks des Systems zur Förderung der Nachhaltigkeit usw., aber nicht nur darauf beschränkt.
- i. Ohne Verwendung einer Vakuumpumpe wird ein Unterdruck durch Nutzung des natürlichen Abfalls der Flüssigkeitssäule abhängig vom vorherrschenden Atmosphären- und/oder Umgebungsdruck erzeugt, verbunden mit einem Reservoir in einer atmosphärisch abgedichteten Umgebung.
- ii. Mit diesem Aufbau kann in Behältern jeder Größe und Form, mindestens bis zu 100.000 Kubikfuß, Vakuum erzeugt werden.
- iii. Simulierte Höhe in der Umweltkammer vom Meeresspiegel bis mindestens 14000 Meter
- iv. Temperaturbereich in der Anwendungskammer von -80 °C bei Kaltanwendungen bis 800 °C in Vakuumöfen.
- v. Material der obenliegenden Prozesskammer: Edelstahl, Aluminium, Stahl, Messing, Acryl, Hartstahl.
- vi. Zur strukturellen Stabilität wird es innen und außen mit Verstrebungen versehen sein
- vii. Die tragende Struktur für die oben liegende Prozesskammer kann aus Metall/Beton bestehen.
- viii. Theoretisch kann ein perfektes Vakuum erzeugt werden. Zumindest kann auf Meereshöhe ein Vakuum erzeugt werden, das nahezu 9,3 kPa absolut entspricht. Das Ausmaß des erzeugten Vakuums hängt von der Konfiguration des Systems und der Art des verwendeten Arbeitsmediums ab.
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Das erfindungsgemäße Vakuumsystem wird wie folgt angewandt:
- Das Verfahren zum Betrieb des Vakuumsystems umfasst folgende Schritte:
- i. Schritt 1: Zu Beginn des Vorgangs werden die Ventile 112, 116 und 18 geöffnet und die übrigen Ventile geschlossen. Die Pumpe (104) beginnt mit dem Anheben der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir (102) in die Prozesskammer (106) durch die flüssigkeitsführende Quelle (120). Nachdem die Prozesskammer (106) vollständig gefüllt ist, wird die Pumpe (104) ausgeschaltet gestoppt, Ventil (116) und Entlüftungsventil (112) sowie Überlaufventil (122) oben in der Prozesskammer (106) sind geschlossen;
- ii. Schritt 2: Das Ventil (114) in der flüssigkeitsführenden Quelle (124) wird geöffnet und die Flüssigkeit in der Prozesskammer kann in das Flüssigkeitsreservoir (102) abfließen, nachdem in der oberen Prozesskammer ein vollständiges Vakuum erzeugt wurde. Ventil (114) im Auslassrohr (124) wird geschlossen;
- iii. Schritt 3: Die Ventile I8 werden geschlossen und 110 geöffnet, um das Vakuum im Fach (108) zu erzeugen.
- iv. In der Vorrichtung (100) ist vorgesehen, das Vakuum in der Prozesskammer auf dem gleichen Wert wie in der Vakuumkammer zu speichern, um es anschließend sofort nutzen zu können.
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Die Arbeitsweise des Vakuumsystems kann je nach Vakuumbedarf mehrfach betrieben und das Volumen der Endanwendungen geändert werden.
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Das Vakuumsystem und die Arbeitsweise gemäß der Erfindung finden Anwendung bei der Erzeugung von Vakuum in der Halbleiterindustrie, Hyperloop, Wasseraufbereitung, Industrieöfen, effektiver Nutzung von Abfällen und Niedertemperaturwärme in der chemischen Industrie, in Landwirtschafts- und Gartenbaubetrieben sowie bei Trocknungsanwendungen , hypobare Ausbildung in der Luftfahrt, begehbare Räume für Chemie, Erdöl, Petrochemie, Pharmazie, Lagerbereich für Chemikalien, aber nicht nur auf diese beschränkt.
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Das Vakuumsystem und das Verfahren gemäß der Erfindung finden Anwendung bei der Erzeugung von Vakuum in Abteilungen mit großen Flächen (10-100.000 Fuß3), wie z. B. Weltraumeinrichtungen und akklimatisierten Hütten in großer Höhe, sind jedoch nicht nur auf diese beschränkt.
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Das Vakuumsystem und die Arbeitsweise gemäß der Erfindung sind dort anwendbar, wo es erforderlich ist, den Druck eines geschlossenen Systems gegenüber dem Atmosphärendruck zu reduzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8540688 B2 [0006]
- US 103591311 B2 [0007]