DE4019676C1 - - Google Patents

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)

1. . 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. 2. Kernzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (2) der Befeuchtungszone (1) einen ringförmigen Querschnitt aufweist.
3. 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. 4. Kernzähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dei Wandstärke des Sintermaterials 3 bis 8 mm ist.
5. 5. Kernzähler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das durchlässige Material (3) eine für die jeweilige Befeuchtungsflüssigkeit hinreichende Permeabilität aufweist.
6. 6. Kernzähler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtungsflüssigkeit ausgewählt ist aus der Gruppe der Perfluoralkane oder höheren Alkohole.
7. 7. Kernzähler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtungsflüssigkeit n-Butanol ist.
8. 8. Kernzähler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtungsflüssigkeit über eine externe Zuführung ergänzt werden kann.
9. 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. 10. Kernzähler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter A bevorzugt die Größenordnung 1 erreicht.
11. 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. 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. 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. 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. 15. Kernzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel im Kreislauf durch den Hohlraum (7) der Kondensationszone (5) geführt wird.
16. 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. 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. 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. 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. 20. Kernzähler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Meßkanal über ein eigenes optisches Detektionssystem aus Lichtquelle und Detektor verfügt.
21. 21. Kernzähler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß alle Meßkanäle mit einer einzigen Lichtquelle verbunden sind.
22. 22. Kernzähler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß alle Meßkanäle mit einer einzigen Pumpe (20) zur Steuerung des Volumenstroms verbunden sind.
23. 23. Kernzähler nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpe (20) eine kritische Düse (21) zur Stabilisierung des Volumenstroms vorgeschaltet ist.
24. 24. Verwendung des Kernzählers nach Anspruch 23 zur ortsauflösenden Messung der Penetration an Filtertaschen oder zur ortsauflösenden Messung in Reinräumen.