DE4019676C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kondensationskernzähler und seine
Verwendung.
Das Bedürfnis zum Nachweis von Partikeln in Gasen mit einem
Durchmesser von <0,1 mm wächst mit den hohen Anforderungen
der modernen Reinraumtechnik ständig. Das einzige Verfahren, daß
den Nachweis von Partikeln bereits im Nanometerbereich zuläßt,
besteht darin, daß die Partikel durch Kondensation von Dampf
soweit vergrößert werden, daß sie auf andere z. B. optische Weise
gemessen werden können.
Ein typisches Gerät dieser Art ist der Kondensationskernzähler
Modell 3760 der Firma Thermo System INC, Minnesota; Minneapolis.
Dieser Kernzähler besteht aus einer Befeuchterzone sowie aus einer
Kondensationszone, wobei die Kondensationszone rechtwinklig zur
Verdampferzone angeordnet ist. Durch die Befeuchtungszone und
Kondensationszone führt ein Kanal, durch den die Probenluft
geführt wird. Die Befeuchtung der Probenluft in der Kondensationszone
erfolgt dadurch, daß die Probenluft über ein Befeuchtungsbad
mit der Betriebsflüssigkeit geführt wird. Um einen relativ hohen
Volumenstrom zu erreichen, sieht der Kernzähler des Standes der
Technik ein Röhrensystem vor, das den Volumenstrom in gleiche
Teilströme aufteilt. Der hierdurch erreichte Volumenstrom beträgt
1,4 ltr./min.
Aus der DE-GM 73 21 827 ist bereits ein Kernzähler bekannt, der eine Befeuchtungszone
aus einem durchlässigen Material aufweist.
Nachteilig bei dem Kernzähler der Firma Thermo Systeme ist, daß er trotz aufwendiger
konstruktiver Maßnahmen nur einen Volumenstrom von 1,4 ltr. pro Minute aufnehmen
kann. Ein derartiger Volumenstrom ist für Messungen, wie sie heute in der modernen
Reinraumtechnik gefordert werden, zu gering. Nachteilig ist weiterhin, daß bedingt
durch das Röhrensystem Dichtprobleme auftreten und auch ein Verlust von Partikeln
möglich ist.
Weiter ungünstig ist wie beim Kernzähler nach der DE-GM 73 21 827, daß bei multiplen
Messungen, d. h. wenn an mehreren Meßstellen gleichzeitig Messungen vorgenommen
werden sollen, jeweils einzelne Geräte, d. h. einzelne Kernzähler mit der gesamten
notwendigen Peripherie benötigt werden. Dadurch entsteht ein großer apparativer
und finanzieller Aufwand.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kernzähler anzugeben, der es ermöglicht,
größere Volumenströme zu messen und gleichzeitig an verschiedenen
Stellen mit einem relativ geringen apparativen Aufwand eine Messung
durchzuführen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kanal der Befeuchtungszone
einen ringförmigen Querschnitt aufweist. Der ringförmige
Querschnitt ist allerdings nur eine bevorzugte Variante. Andere
Formen, wie elliptische oder auch rechteckige, sind für den
erfindungsgemäßen Kernzähler ebenso geeignet. Vorteilhaft
ist, daß das durchlässige Material eine poröse Struktur aufweist,
wie Sinterkörper, Schäume, Vliese oder dergleichen. Besonders
bevorzugt ist ein Sintermaterial mit einer Wandstärke von 3-15 mm,
wobei die Ausführung mit der Wandstärke von 3-8 mm bevorzugt
ist. Dieser Kanal aus dem durchlässigen Material
dient dann zur aerodynamischen Trennung der einzelnen Aerosolströme.
Dieser Kanal taucht in die Betriebsflüssigkeit ein, wobei
die Flüssigkeit durch Kapillarkräfte durch das poröse Material
hindurchtritt und so für einen permanenten Flüssigkeitsnachschub
sorgt. Die Verluste der Betriebsflüssigkeit werden durch Zufuhr
von außen ausgeglichen. Andererseits muß das poröse Material so
feinkörnig sein, daß trotz des von außen
bestehenden hydrostatischen Überdrucks kein Vollaufen des
Befeuchterkanals erfolgt. Die Dicke der Wandstärke richtet sich
demnach je nach dem Material und beträgt im allgemeinen zwischen 2
und 15 mm. Bevorzugt ist sie zwischen 3-8 mm. Die geometrische
Dimensionierung der Befeuchtungszone muß dabei so erfolgen, daß
eine vollständige Befeuchtung des Aerosolstroms sichergestellt
ist. Dies ist dann gegeben, wenn der dimensionslose Parameter A
aus
im Bereich etwa zwischen 0,5 und 1,5 liegt. Bevorzugt ist, wenn
der Parameter die Größenordnung 1 erreicht. D ist dabei der
Diffusionskoeffizient des Betriebsdampfes im Trägergas, T die
Aufenthaltszeit des Aerosolvolumens im Befeuchter und a eine
typische Dimension des Befeuchters quer zur Strömungsrichtung,
also z. B. bei einem kreisförmigen Rohr der Rohrradius. In gleicher
Weise wird auch die Kondensationszone ausgebildet. Die
Dimensionierung des Kondensors erfolgt in analoger Weise, wobei
nunmehr aber an Stelle des Betriebsdampf-Diffusionskoeffizienten
die Temperaturleitzahl des Trägergases (K) einzusetzen ist und der
Zahlenwert des Parameters B sich im Größenbereich zwischen 0,05
und 0,4 bewegt, damit den Kondensationskernen genügend Zeit
verbleibt, um zu hinreichend großen Tröpfchen anwachsen zu können,
und nicht zuviel Dampf an der Wand kondensiert. Bevorzugt soll B
zwischen 0,1 und 0,3 liegen.
Vorzugsweise ist der Kanal der Kondensationszone besonders
ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist es dabei, ein Rohr von
kreisförmigem Querschnitt zu verwenden, wobei das Rohr im Anschluß
an den Übergangsbereich, von Verbindungsstück ausgehend, zum
Übergangsbereich zum Adapter hin verjüngt ist. Im einfachsten
Fall kann dies durch Zusammendrücken eines Rohres, wie z. B. eines
Kupferrohres, erfolgen. Das Rohr hat dann bevorzugt einen
elliptischen Querschnitt. Durch diese Ausbildung
des Kondensationskanals wird ein optimales Anwachsen der Tröpfchen
erreicht. Weiter vorteilhaft ist, daß die Optik mit dem Kanal der
Kondensationszone durch einen Adapter verbunden ist, der so
ausgestaltet ist, daß die angewachsenen Partikel ohne Verluste der
Optik zugeführt werden. Vorzugsweise hat der Adapter eine
konische Struktur.
Um einen konstanten Volumenstrom zu gewährleisten, wird das
Probengas mit einer Pumpe, der eine kritische Düse vorgeschaltet
ist, durchgesaugt.
Vorzugsweise ist es nun auch möglich, daß mehrere einzelne
Meßkanäle zu einer Kernzählereinheit zusammengefaßt werden. Dies
wird dadurch realisiert, daß für alle Kanäle sowohl der
Befeuchtungszone wie auch der Kondensationszone nur ein einziges
Betriebsbad bzw. eine einzige Kühleinrichtung vorgesehen ist. Das
Gehäuse der Befeuchtungszone umgibt damit nicht nur einen einzigen
Meßkanal, sondern alle Meßkanäle einer Meßeinheit. Genauso umgibt
das Gehäuse der Kondensationszone sämtliche Kanäle der Kühlzone.
Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung ist nun noch jeweils nur
ein Heizbad sowie eine Kühleinrichtung für die gesamte Meßeinheit
notwendig. Genauso ist für das ganze System nur eine einzige Pumpe
nötig. Dadurch wird der Betriebs- und konstruktive Aufwand in
drastischer Weise gesenkt und gleichzeitig werden multiple
Messungen ermöglicht.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt dabei das Funktionsprinzip des
Kondensationskernzählers
Fig. 2 zeigt am Beispiel einer ortsaufgelösten
Penetrationsmessung an Filtertaschen die multiple
Anwendung
Das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Kernzählers zeigt
Fig. 1.
Der partikelhaltige Gasstrom tritt dabei in den Kanal (2) der
Befeuchtungszone (1) ein. Der Kanal (2) der Befeuchtungszone (1)
ist dabei konstruktiv so gestaltet, daß zwar einerseits die
Partikel nicht durch Diffusion verlorengehen, andererseits aber
der Trägergas-Strom bei der Sättigertemperatur mit dem
Betriebsdampf gesättigt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß der
Kanal (2) der Befeuchtungszone (1) eine poröse Struktur (3)
aufweist, die für die jeweilige Betriebsflüssigkeit eine
hinreichende Permeabilität besitzt. In dem Hohlraum (4) befindet
sich dann die Betriebsflüssigkeit, die dann durch Kapillarkräfte in
das Innere des Befeuchtungskanals (2) tritt. Der Hohlraum (4), in
dem sich die Betriebsflüssigkeit befindet, ist von einem
Gehäuse (12) umgeben. Dieses Gehäuse kann z. B. aus Aluminium
gefertigt sein. Die geometrische Dimensionierung der
Befeuchtungszone muß dabei so erfolgen, daß der dimensionslose
Parameter
im Bereich zwischen 0,5-1,5 liegt.
Wenn diese Voraussetzung gegeben ist, wird eine vollständige
Befeuchtung des Aerosolstroms sichergestellt. D ist dabei der
Diffusionskoeffizient des Betriebsdampfes im Trägergas, T die
Aufenthaltszeit des Aerosolvolumens im Befeuchter und a eine
typische Dimension des Befeuchters quer zum Strom und zur
Strömungsrichtung, also z. B. bei einem kreisförmigen Rohrradius.
Durch diese Ausgestaltung ist es nun möglich, daß
je nach der Dimensionierung des Rohres unterschiedlich große
Volumenströme von Probenluft angesaugt werden können. Diese
vollständig gesättigte Probenluft wird dann über das
Verbindungsstück (8) umgelenkt und in die Kondensationszone (5)
geführt. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß zwischen der
Befeuchtungszone (1) und dem Verbindungsstück (8) keine
Dichtprobleme auftreten, wenn die Befeuchtungszone (1) mit dem
Verbindungsstück (8) über einen Teflon-O-Ring verbunden wird.
Genauso verhält es sich mit der Verbindung zwischen dem
Verbindungsstück (8) und der Kondensationszone (5). Das gesättigte
Gas tritt dann in die Kondensationszone (5) ein und wird dabei
abgekühlt, so daß eine starke Übersättigung erzeugt wird, weil der
Sättigungsdampfdruck mit sinkender Temperatur stark abnimmt, der
aktuelle Dampfpartialdruck aber noch dem hohen
Sättigungsdampfdruck im Sättiger entspricht. Die Dimensionierung
der Kondensationszone wird dabei so gewählt, daß der Parameter B
im Größenbereich zwischen 0,05 und 0,4 liegt. Die Partikel wachsen
hierdurch hinreichend an um auf optischem Wege in der
nachfolgenden Detektionskammer gezählt zu werden. Die Abkühlung
wird dabei dadurch erreicht, daß ein Kühlmittel durch den
Hohlraum (7) der Kondensationszone (5) im Kreislauf geführt wird.
Der Hohlraum (7) der Kondensationszone (5) ist dabei wiederum von
einem Gehäuse (13) umgeben. Der Volumenstrom mit den angewachsenen
Partikeln wird nun über den Adapter (11) zur Optik geführt. Der
Adapter (11) ist dabei so ausgestaltet, daß keine Verluste beim
Übergang auftreten. Dies wird dadurch erreicht, daß er konisch
ausgebildet ist. Die Partikel werden dann in einer üblichen
optischen Einrichtung, die aus einem Laser und einem Fotodetektor
bestehen kann, gezählt. Der Volumenstrom des Probengases wird
während des ganzen Meßvorganges auf eine geeignete Größe durch
eine, sich an das Gerät anschließende Pumpe, eingestellt. Als
vorteilhaft hat es sich hierbei herausgestellt, wenn der Pumpe
eine kritische Düse vorgeschaltet wird.
Fig. 2 zeigt die ortsaufgelöste Penetrationsmessung an
Filtertaschen als Beispiel für eine multiple Messung. Alle
Kondensationszähler des Standes der Technik sind bezüglich ihrer
Einzelteile völlig diskret aufgebaut, d. h. jeder Kernzähler
verfügt über eine eigene Befeuchtungszone, die eigenes Sättiger-Temperaturbad,
eine eigene Kondensationszone mit separater
Kühlung, separater Optik und einzelnen Pumpen. Es
läßt sich dies mit dem beanspruchten Kernzähler vermeiden, da
durch den Aufbau des Kernzählers es nun möglich ist, alle Kanäle
der Befeuchtungszone, da sie aus porösem Material sind, von einem
einzigen Verdampfungsbad zu umgeben. Fig. 2 zeigt eine solche
Meßanordnung für eine ortsausgelöste Penetrationsmessung an
Filtertaschen. In diesem Beispiel sollen die Filter (16) auf ihre
Durchlässigkeit geprüft werden. Dazu werden alle Filter (16)
gleichmäßig über ein Verteilersystem (17) mit einem Prüfaerosol
beaufschlagt. Den jeweiligen einzelnen Filtern ist dann immer
eine Befeuchtungszone (1) nachgeschaltet. Für diese z. B. 31
Befeuchter ist lediglich ein einziges Befeuchterbad und damit auch
nur eine Verdampfungseinheit notwendig. Die einzelnen geteilten
Volumenströme werden dann der Kondensationszone zugeführt, wobei
diese Kondensationszone nur von einem einzigen Kühlbad (19)
versorgt wird, das über einen Thermostaten (17) geregelt wird. Im
vorliegenden Beispielsfall hat jeder einzelne Kernzähler ein
eigenes optisches System (12), bestehend aus Lichtquelle und
Detektor. Es ist aber genausogut möglich, für
sämtliche Einzelmessungen nur eine einzige Lichtquelle zur
Verfügung zu stellen. Der Volumenstrom wird über eine Pumpe (20)
und kritische Düsen (21) sowie Filter (22) gesteuert. Damit können
mit einer derartigen Kernzählereinheit die unterschiedlichsten
multiplen Messungen durchgeführt werden. Die Anzahl der einzelnen
Kernzähler kann an die jeweilige Aufgabenstellung angepaßt werden.
Genauso kann durch entsprechende Auslegung des Kanalquerschnitts
der Volumenstrom angepaßt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Kernzähler steht damit ein
Kernzähler zur Verfügung, der ohne großen Aufwand an das jeweilige
Problem angepaßt werden kann.
Claims (24)
- . Kondensationskernzähler mit einer Befeuchtungszone aus einem Kanal aus durchlässigem Material, durch die die Probenluft geführt wird, und einer annähernd senkrecht dazu angeordneten Kondensationszone sowie einem optischen Detektionssystem, bestehend aus einer Lichtquelle und einem Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (2) der Befeuchtungszone (1) von einem Hohlraum (4) umgeben ist, der zur Aufnahme der Befeuchtungsflüssigkeit dient, und daß die Kondensationszone (5) aus einem Kanal (6) besteht, der von einem Hohlraum (7) umgeben ist, der zur Aufnahme eines Kühlmittels dient, wobei die Kondensationszone (5) über ein Verbindungsstück (8) mit der Befeuchtungszone (1) verbunden ist.
- 2. Kernzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (2) der Befeuchtungszone (1) einen ringförmigen Querschnitt aufweist.
- 3. Kernzähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das durchlässige Material (3) eine poröse Struktur wie Sintermaterial aufweist und eine Wandstärke von 3-15 mm hat.
- 4. Kernzähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dei Wandstärke des Sintermaterials 3 bis 8 mm ist.
- 5. Kernzähler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das durchlässige Material (3) eine für die jeweilige Befeuchtungsflüssigkeit hinreichende Permeabilität aufweist.
- 6. Kernzähler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtungsflüssigkeit ausgewählt ist aus der Gruppe der Perfluoralkane oder höheren Alkohole.
- 7. Kernzähler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtungsflüssigkeit n-Butanol ist.
- 8. Kernzähler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtungsflüssigkeit über eine externe Zuführung ergänzt werden kann.
- 9. Kernzähler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Dimensionierung des Kanals (2) der Befeuchtungszone (1) so gewählt wird, daß der dimensionslose Parameter A, der sich aus der Beziehung ergibt, im Bereich von etwa 0,5-1,5 liegt, wobei D der Diffusionskoeffizient des Betriebsdampfes im Trägergas, T die Aufenthaltszeit des Aerosolvolumens im Befeuchter und a eine typische Dimension des Befeuchters quer zur Strömungsrichtung, wie z. B. der Rohrradius bei einem kreisförmigen Rohr, ist.
- 10. Kernzähler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter A bevorzugt die Größenordnung 1 erreicht.
- 11. Kernzähler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kanals (2) der Befeuchtungszone (1) so ausgelegt ist, daß ein Volumenstrom von bis zu 6 l pro Minute Probenluft aufgenommen werden kann.
- 12. Kernzähler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kanals (2) der Befeuchtungszone (1) so ausgelegt ist, daß bevorzugt bis zu 3 l pro Minute Probenluft aufgenommen werden kann.
- 13. Kernzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (6) der Kondensationszone (5) aus einem Rohr (9) besteht, wobei das Rohr (9) im Anschluß an einen vom Verbindungsstück (8) ausgehenden Übergangsbereich (14) bis zu einem weiteren Übergangsbereich (15) hin verjüngt ist.
- 14. Kernzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Dimensionierung des Kanals (6) der Kondensationszone (5) so gewählt wird, daß der dimensionslose Parameter B, der sich aus der Beziehung ergibt, im Größenbereich zwischen 0,05 und 0,4 liegt, wobei die Symbole T und a die gleiche Bedeutung, wie in Anspruch 9 angegeben, aufweisen und K die Temperaturleitzahl des Trägergases ist.
- 15. Kernzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel im Kreislauf durch den Hohlraum (7) der Kondensationszone (5) geführt wird.
- 16. Kernzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Detektionssystem (10) mit dem Kanal (6) der Kondensationszone (5) durch einen Adapter (11) verbunden ist.
- 17. Kernzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Hohlraum (4) der Befeuchtungszone (1) wie auch der Hohlraum (7) der Kondensationszone (5) von einem Gehäuse (12; 13) umgeben ist.
- 18. Kernzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 2 einzelne Meßkanäle, wobei jeder einen Kanal (2) der Befeuchtungszone (1), der über das Verbindungsstück (8) mit dem Kanal (6) der Kondensationszone (5) verbunden ist, aufweist, zu einer Kernzählereinheit angeordnet sind.
- 19. Kernzähler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (4) der Befeuchtungszone (1) sowie der Hohlraum (7) der Kondensationszone (5) der Kernzählereinheit jeweils von einem einzigen Gehäuse umgeben sind.
- 20. Kernzähler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Meßkanal über ein eigenes optisches Detektionssystem aus Lichtquelle und Detektor verfügt.
- 21. Kernzähler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß alle Meßkanäle mit einer einzigen Lichtquelle verbunden sind.
- 22. Kernzähler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß alle Meßkanäle mit einer einzigen Pumpe (20) zur Steuerung des Volumenstroms verbunden sind.
- 23. Kernzähler nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpe (20) eine kritische Düse (21) zur Stabilisierung des Volumenstroms vorgeschaltet ist.
- 24. Verwendung des Kernzählers nach Anspruch 23 zur ortsauflösenden Messung der Penetration an Filtertaschen oder zur ortsauflösenden Messung in Reinräumen.
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