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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft allgemein ein System zur Regelung des Stroms
eines Fluids, insbesondere eines Gases, in und aus einer Verfahrenskammer.
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Stand der
Technik
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Bei
einem Heizungs-, Ventilations- und Klimaanlagen (HVAC)-System wird
der Luftstrom gewöhnlich
mit Hilfe von Widerständen
gesteuert, damit der Luftstrom an verschiedenen Stellen gedrosselt wird
und man das richtige Luftgleichgewicht im Gebäude erhält. Diese Widerstände, z.B.
Schiebeventile, Drosselventile oder Dämpfer, sind fest, einstellbar oder
motorgetrieben. Wird ein Widerstand eingestellt, ändert sich
der Druck im HVAC-System. Jede Änderung
im HVAC-System ändert
den Luftstrom hinter jedem anderen Widerstand. Somit verursacht das
Einstellen eines Widerstands am Ausgang "Kreuzkopplung". Bei vorhergehenden Ansätzen zur Lösung des
Problems der Luftstromregelung wurden die Widerstände unter
Verwendung von Mikroprozessoren und Servomotoren automatisiert.
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Die
städtischen
Gaswerke in den Vereinigten Staaten verteilen Gas durch ein Netzwerk,
das mit Druckreglern abschließt.
FR-A-2,389,933 beschreibt ein Bespiel für einen bereits berücksichtigten
Regler. Dieser besitzt einen Kolben, der Strom zwischen einer Hochdruck-
und einer Niederdruckkammer regelt. Die Kolbenregelung erfolgt über Veränderungen des
Steuerdrucke auf den Kolbenflächen
in entsprechenden Regel- und Ausgleichskammern. Bei diesen Gasverteilungssystemen
ist der Druck an der Verbraucherstelle von Druckschwankungen im
Verteilernetz ziemlich unabhängig.
Dies beruht darauf, dass das Verteilernetz so ausgelegt ist, dass
es großen Drücken standhalten
kann. An der Verbraucherstelle kann ein starker Druckabfall hervorgerufen
werden.
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Der
Ansatz der Gaswerke, nämlich
die Bereitstellung eines Druckreglers an der Verbraucherstelle,
ist für
die HVAC-Industrie nicht praktisch, da diese große Mengen Luft mit sehr niedrigem
Druck bewegt, und sie gewöhnlich
stärker
an der Regelung des Massenflusses und nicht des Druckes interessiert
ist. Die Behaglichkeit der Umgebung wird bestimmt durch die thermische
Masse der bewegten heißen
und kalten Luft.
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Sicherheitsventile,
die in der Gasindustrie und bei anderen Gebieten verwendet werden,
einschließlich
bei der Handhabung von Fluida unter hohem Druck, sind in Extremsituationen
offen oder geschlossen, und zwar wenn ein starker Druckanstieg oder
-abfall eine Gefahr darstellt. (Gaswerke besitzen Sicherheitsventile,
die den Gasfluss abstellen, wenn ein großer Druckabfall auftritt, da
sich ein solcher Abfall auf ein Leck stromabwärts des Ventils zurückführen lässt. Viele
Sicherheitsventile lassen Fluid aus einer Leitung ab, wenn es zu
einem starken Druckanstieg kommt, damit der Druck in der Leitung nicht über den
Berstpunkt der Leitung steigt, oder über die Leistung der an die
Leitung angeschlossenen Maschinerie). Andere Ventile, wie sie z.B.
in Benzinpumpen verwendet werden, schalten den Fluss automatisch
ab, wenn der Staudruck bis zu einem bestimmten Punkt steigt, was
anzeigt, dass der zu füllende
Tank voll ist. Diese Sicherheitsventile und Benzinpumpenventile
sind so ausgelegt, dass sie entweder ganz offen oder ganz geschlossen
sind. Sie sind jedoch nicht dazu konzipiert, den Fluidfluss genau
zu regeln.
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Eines
der kompliziertesten Probleme, das in der HVAC-Industrie auftritt,
ist die Überwachung
von Verfahrenskammern, bspw. von Reinräumen, die bei der Herstellung
integrierter Halbleiter-Chips verwendet werden, oder von Medizin-
und Biotechnologie-Laboratorien, die unter Atmosphärendruck
gehalten werden, damit keine potentiell gefährliche Mikroben aus den Laboratorien
entweichen.
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Die
Reinraum-Bestimmungen legen fest, dass die Umgebung bei einer konstanten
Temperatur und Feuchtigkeit (gewöhnlich
innerhalb weniger Grade und weniger Prozent) gehalten wird, so dass
der Massefluss in die Umgebung konstant gehalten wird, und dass
der Fluss gleichmäßig über eine
Reinraumdecke verteilt wird. Reinraumdecken werden mit speziellen
Filtern konstruiert, die so ausgelegt sind, dass sie sehr kleine
Teilchen aus der in den Raum strömenden
Luft entfernen. Die Luft, die den Filter verlässt, sollte rein sein und daneben
eine genaue Geschwindigkeit besitzen. Die Decken sind so ausgelegt,
dass sie die Luft mit der gleichen Geschwindigkeit über die
gesamte Deckenoberfläche
in den Reinraum verteilen. Die Decken und Filter sind so konstruiert,
dass sie dem Luftstrom so wenig Widerstand wie möglich bieten und dass es von
einem Filter zum nächsten
nur wenig Abweichungen gibt.
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Damit
jeder Filter den gleichen Massefluss erhält, verwendet die HVAC-Industrie ein Netzwerk von
Widerständen,
die über
das Luftverteilersystem verteilt sind. Der Luftstrom durch jeden
Filter wird durch Zufügen
oder Entfernen von Widerstand geregelt. In einem einzigen Reinraum
kann die Decke sogar 150 Filter enthalten. Ein als Ausgleich bezeichneter
Prozess wird zum Einstellen der Filterfließgeschwindigkeiten verwendet.
Die Widerstände
werden wiederholt in Reihe eingestellt, bis die Fließgeschwindigkeit
in einen bestimmten Bereich ist oder bis die Dauer, während der
der Reinraum abgeschaltet ist, während
des Ausgleichsprozesses zu teuer wird. Nach dem Beenden des Ausgleichens
unterliegt das gesamte Netzwerk noch Änderungen in der Druckzufuhr
und den Anforderungen des Reinraums.
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Luft
wird einem Reinraum auf zwei Wegen entzogen: etwas Luft verlässt den
Raum über
die Verfahrensausrüstung
und andere Arbeitsplätze
mit Abzugshauben, und etwas Luft tritt direkt über Entlüftungsöffnungen aus. Oft ist es wichtig,
dass eine konstante Fließgeschwindigkeit
oder ein konstanter Unterdruck in der Verfahrensausrüstung aufrecht
gehalten wird, damit Mängel
bei den herzustellenden Halbleiter-Chips minimiert werden, und damit auf
jeden Fall keine giftigen Dämpfe
aus der Verfahrensausrüstung
oder Abzugshauben treten und dadurch das in der Nähe arbeitende
Personal gefährdet
wird. Luft, die aus der Verfahrensausrüstung strömt, kann an zentraler Stelle
behandelt und dann nach draußen entlassen
werden. Luft, die durch den Reinraum, aber nicht durch die Verfahrensausrüstung strömt, kann
durch den Reinraum rezykliert werden. Reinräume werden üblicherweise bei einem Druck
leicht über
Atmosphärendruck
gehalten, so dass kein Staub in den Reinraum tritt, wenn die Türen zum Reinraum
offen stehen.
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In
Bezug auf die Sicherheit haben Medizin- und Biotechnologie-Laboratorien ähnliche
Probleme wie die Produktionsbereiche für integrierte Chips. Ein falsches
Vakuum oder falsche Fließgeschwindigkeiten
in Abzugshauben können
das Personal gefährlichen
Mikroben aussetzen. Luft, die von Abzugshauben strömt, kann
entsprechend an einer zentralen Stelle behandelt werden, bevor sie
nach draußen entlassen
wird. Diese Laboratorien werden häufig bei einem Druck etwas über Atmosphärendruck
gehalten, so dass Mikroben nicht unbeabsichtigt aus den Labors entweichen
können,
wenn die Labortüren
offen stehen.
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Die
Erfindung wird im beigefügten
unabhängigen
Anspruch definiert, auf den nachstehend Bezug genommen wird. Zudem
finden sich bevorzugte Eigenschaften in den daran angefügten Unteransprüchen.
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Das
System, das der Gegenstand der Erfindung ist, regelt den Luftstrom
von einer Quelle über einen
Raum, wie eine Verfahrenskammer, zu einem Auslass. Zur Erzeugung
dieses Stroms muss die Quelle natürlich einen höheren Druck
als der Raum haben, und der Auslass muss einen niedrigeren Druck
als der Raum haben. Die Drücke
der Luftquelle zur Verfahrenskammer und vom Auslass der Verfahrenskammer
variieren rascher und über
größere Werte
als der Luftdruck in der Verfahrenskammer. Im System haben die Leitungen,
die zum und vom Raum führen,
zwei Regelstufen: (i) eine Regelstufe, die in einem Plenum einen
Druck aufrecht erhält,
der einen konstanten Wert über
oder unter dem Raumdruck liegt, und (ii) eine einstellbare Ventilstufe,
die einen signifikanten Druckabfall zwischen Plenum und Raum erzeugt.
Die Regelstufe besitzt ein Plenum, das sich zwischen Raum und Druckquelle
befindet, welche entweder eine Quelle für Luft ist, deren Druck höher als
der der Umgebung ist, oder ein Auslass ist, der den mit einem Unterdruck
versorgt. Der Druck des Plenums liegt zwischen den Drücken des
Raums und der Druckquelle. Die Regelstufe umfasst einen Kolben,
dessen Stirnseite mit dem Fluid im Plenum zusammenkommt, das zwischen
dem Raum und der Druckquelle strömt,
und dessen entfernte Seite dem Raumdruck ausgesetzt ist. Der Kolben
ist so befestigt, dass er den Luftstrom durch den Regler veränderlich
bremst, und dass das Gewicht des Kolbens bevorzugt den Kolben in
eine Richtung verschiebt, wobei die Bremswirkung des Kolbens auf
den Luftstrom vermindert wird. Diese beiden Stufen befinden sich
in Leitungen, die zum und vom Raum strömen. Sie befinden sich vorzugsweise
in mehreren parallelen Leitungen, die jeweils von einer Quelle zum Raum
strömen,
oder die jeweils aus dem Raum zum Ausgang strömen.
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In
einer Vorrichtung, die den Strom aus einem Raum zum Ausgang regelt,
hat der Kolben eine Öffnung,
durch die das Fluid strömn.
Ein Deflektor, der fest neben der Öffnung befestigt ist, lässt sich zum
Führen
des Fluids durch die Öffnung
radial über die
Kolben-Stirnseite verwenden. Diese Vorrichtung regelt den Strom
des Fluids von einem Raum zu einer Vakuumquelle. Bei einer solchen
Vorrichtung bewirkt ein Druckanstieg auf der entfernten Kolbenseite eine
Steigerung der Bremswirkung des Kolbens auf den Fluidstrom. Ein
Druckanstieg auf der Kolbenstirnseite verringert die Bremswirkung
des Kolbens auf den Fluidstrom. Auf den Kolben wird eine Rückstellkraft
ausgeübt,
die die Bremswirkung auf den Fluidstrom vermindert.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Es
zeigt/zeigen:
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1,
wie sich der Strom in und aus einer Verfahrenskammer steuern lässt.
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2 und 3 Vorrichtungen
zum Regeln des Luftstroms von einer Quelle zu einem Raum.
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4 und 5 Vorrichtungen
zum Regeln des Luftstroms von einem Raum zum einem Ausgangssystem.
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Beschreibung
spezifischer Ausführungsformen
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Die 1 zeigt,
wie sich das Zweistufen-Regelsystem einsetzen lässt, damit der Luftstrom in
und aus einem Verfahren geregelt wird. Der Lufteingang hat einen
erheblich höheren
Druck als der Druck in der Verfahrenskammer und er unterliegt großen und raschen
Druckschwankungen. Der Strom des Lufteingangs verzweigt sich in
mehrere parallele Leitungen (zwei dieser Leitungen sind in dieser
Figur gezeigt), bevor er die Verfahrenskammer erreicht. In diesen
Kammern befindet sich jeweils ein Druckregler, der in einem Plenum
einen Druck aufrecht erhält, der
um einen konstanten Wert größer ist
als der Druck in der Verfahrenskammer, und der natürlich kleiner
als der Druck am Lufteingang ist. (Wie nachstehend anhand der 2 und 3 erläutert, halten
diese Druckregler einen konstanten Druck im Plenum – in Bezug
auf die Verfahrenskammer – aufrecht,
indem mit einem Kolben eine Klappe verbunden ist, die den Strom
zwischen Lufteingang und dem Plenum variabel bremst, wenn sich der
Kolben auf- und ab bewegt. Eine Seite des Kolbens ist zum Plenum
gerichtet, seine andere Seite ist durch das Bezugsdruckrohr dem
Druck in der Verfahrenskammer ausgesetzt. Der Kolben kann sich somit
in Reaktion auf Druckschwankungen im Plenum und im Raum bewegen.
Der Kolben wird so befestigt, dass das Gewicht des Kolbens dem Druckgefälle über dem
Kolben entgegenwirkt, so dass ein konstantes Druckgefälle über dem
Kolben erzeugt wird.) Stromabwärts der
Regler befindet sich jeweils ein einstellbares Ventil, das den Strom
zwischen Plenum und Verfahrenskammer bremst. Diese Ventile lassen
sich durch einen Regler einstellen. Solange diese Druckregler ein konstantes
Druckgefälle
zwischen Plenum und Verfahrenskammer halten, wird für jede Einstellung
am justierbaren Ventil eine konstante Fließgeschwindigkeit aufrecht erhalten.
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Jede
Leitung mit einer Regelstufe und einer Ventilstufe arbeitet insofern
unabhängig
von anderen Leitungen als der Druck im Plenum bei unterbrochenem
oder sonst wie verändertem
Fluss durch eine Leitung einen ziemlich konstanten Wert über dem Verfahrenskammerdruck
bleibt (so lange der Druck am Lufteingang in Bezug auf die Verfahrenskammer hoch
genug bleibt), und somit bleibt die Fließgeschwindigkeit in einer Parallelleitung
ziemlich konstant. Mit anderen Worten, es gibt keine Kreuzkopplung
zwischen den Reglern.
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Luft
kann aus der Verfahrenskammer durch eine Abzugshaube oder direkt
durch eine Entlüftungsöffnung aus
der Verfahrenskammer entweichen. Häufig möchte man den Druck in den Abzugshauben
um einen konstanten Wert unter dem der Verfahrenskammer halten.
Hierzu wird jeweils ein Vakuumregler, der im Plenum ei nen Unterdruck
zur Verfahrenskammer aufrecht erhält, an die Abzugshauben angeschlossen,
so dass auf den Fluss zwischen Abzugshaube und Plenum eine relativ
kleine Bremswirkung ausgeübt
wird. Diese schwach bremsende Verbindung erzeugt in der Abzugshaube
einen Unterdruck, der fast genauso groß ist wie der im Plenum erhaltene
Unterdruck. Er ist daher in Bezug auf die Verfahrenskammer ziemlich
konstant. Ist die Tür
zur Abzugshaube offen, ermöglicht
der Regler ein Ansteigen der Fließgeschwindigkeit durch die
Abzugshaube, so dass ein Unterdruck gehalten wird. (Die Vakuumregler ähneln wie
nachstehend anhand der 4 und 5 erläutert ist,
insofern den Druckreglern, als jeder Vakuumregler einen Kolben aufweist, dessen
Stirnseite mit der durch das Plenum strömenden Luft zusammenkommt,
und dessen entfernte Seite durch ein Bezugsdruckrohr dem Druck in
der Verfahrenskammer ausgesetzt ist. Der Kolben kann sich in Reaktion
auf Druckschwankungen im Plenum und im Raum bewegen. Der Kolben
bremst bei der Auf- und Abwärtsbewegung
variabel den Fluss vom Plenum zur Vakuumquelle, d.h. zum Ausgang.
Der Kolben kann so befestigt sein, dass das Kolbengewicht dem Druckgefälle über dem
Kolben entgegenwirkt, so dass ein konstantes Druckgefälle über dem Kolben
erzeugt wird).
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Zur
Aufrechterhaltung einer konstanten Fließgeschwindigkeit statt eines
konstanten Unterdrucks wird ein Ventil zwischen Plenum und Verfahrenskammer
untergebracht, so dass der Fluss weiter gebremst wird, wie es in
der von der Entlüftungsöffnung ausgehenden
Leitung in 1 gezeigt ist. Möchte man
eine konstante Fließgeschwindigkeit durch
eine Abzugshaube aufbauen, wird entsprechend ein Ventil zwischen
Abzugshaube und Vakuumregler untergebracht. Zum Variieren der gewünschten
Fließgeschwindigkeit
wird ein einstellbares Ventil verwendet. Das einstellbare Ventil
wird durch den Regler gesteuert.
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Wie
bei den Leitungen, die zur Verfahrenskammer führen, gibt es keine Kreuzkopplung
zwischen den Vakuumreglern in den Leitungen, die von der Verfahrenskammer
ausgehen. Jede Leitung, die von der Verfahrenskammer ausgeht und
eine Regel- und eine Ventilstufe aufweist, arbeitet insofern unabhängig von
anderen Leitungen, als die Fließgeschwindigkeit
durch eine Parallelleitung bei unterbrochenem oder sonst wie geändertem
Fluss durch eine Leitung ziemlich konstant bleibt (so lange das
Ausgangsvakuum stark genug bleibt). Jede von der Verfahrenskammer
ausgehende Leitung mit nur einer Regelstufe (zur Aufrechterhaltung
eines konstanten Teilvolumens in der Abzugshaube) arbeitet ebenfalls insofern
unabhängig
von anderen Leitungen als das Vakuum in einer an eine Parallelleitung
angeschlossenen Leitung bei unterbrochenem oder sonst wie geändertem
Fluss durch eine Leitung ziemlich konstant bleibt (so lange das
Ausgangsvakuum stark genug bleibt).
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In
jeder Leitung, die zu oder von der Verfahrenskammer führt, kann
ein Venturimesser untergebracht sein, damit der Regler mit Information über die Fließgeschwindigkeit
versorgt wird, der wiederum die Ventile in den Leitungen einstellt.
Der Regler kann ebenfalls Information von Druckwandlern erhalten, die
den Druck in und außerhalb
der Verfahrenskammer überwachen.
Beim Einstellen des Flusses in die und aus der Verfahrenskammer
und bei der Überwachung
der Information von den Druckwandlern innerhalb und außerhalb
der Verfahrenskammer kann der Regler sicherstellen, dass der Druck
in der Verfahrenskammer über
oder unterhalb des Außendrucks bleibt.
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Die 2 zeigt
eine Vorrichtung mit einem Druckregler und einem Stellventil, wobei
Luft von einer Quelle, welche Luft mit relativ hohem Druck bereitstellt,
durch einen Eingang 1 und einen Faltenfilter 2 in
eine Verfahrenskammer 3 (bspw. eine Reinraumumgebung) strömt. Das
Gehäuse 4 ist
in zwei Kammern unterteilt, nämlich
Kammer 6 und Plenum 7. Die Kammer 6 steht
unter Bezugsdruck und kann (bspw. über ein Rohr 61) in
den Reinraum 3 entlüftet
werden, so dass der Bezugsdruck in der Kammer 6 genauso
groß ist
wie der Druck im Reinraum 3. Das Plenum 7 und
die Kammer 6 sind durch einen beweglich befestigten Kolben 5 getrennt.
Eine Seite des Kolbens 5, die Vorderseite 52,
kommt mit der Luft im Plenum 7 zusammen. Die andere Seite,
die entfernte Seite 51, ist dem Bezugsdruck in Kammer 6 ausgesetzt.
Der Kolben 5 kann sich in die durch die Pfeile 50 angegebenen
Richtungen bewegen. Der Kolben 5 hat in der Mitte eine Öffnung 56.
Die vom Eingang 1 strömende
Luft gelangt durch diese Öffnung.
Der Innenrand des Kolbens 5 ist über eine Membran 53 mit dem
Ventilsitz 11 verbunden. Der Außenrand des Kolbens 5 kann über eine
Membran 54 mit dem Gehäuse 4 verbunden
sein. Ein Deflektor 13 kann über Streben 12 mit
dem Ventilsitz 11 verbunden sein. Der Deflektor 13 leitet
den Luftstrom aus einer Richtung, die parallel zur Bewegungsrichtung
des Kolbens 5 ist, in achsiale Richtungen um, die quer
zur Bewegungsrichtung des Kolbens 5 verlaufen. Mit dem
Kolben 5 ist über
Streben 55 eine ringförmige
Klappe 8 verbunden, die auf dem Deflektor 13 sitzt
und die sich mit dem Kolben 5 bewegt. Der Deflektor 13 bewegt
sich nicht in der bevorzugten Ausführungsform. Rollfedern 81 können die
Klappe 8 mit den Streben 14 verbinden, die unten
am Deflektor 13 befestigt sind. Die Rollfedern 81 sind
zwar nicht notwendig, jedoch verleihen sie dem Kolben 5 seitliche
Stabilität
und glätten
die Vertikalbewegung des Kolbens 5. Wenn sich die Klappe 8 mit
dem Kolben 5 bewegt, hemmt sie variabel den Luftstrom durch
die Vorrichtung.
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Die
durch diese Vorrichtung strömende
Luft kommt vom Eingang 1, wird dann über den Deflektor 13 hinter
die Klappe 8 durch das Plenum 7 umgeleitet, und
gelangt dann durch den Filter 2 in den Reinraum 3.
Wie stark die Klappe 8 den Luftstrom hemmt, hängt von
der Stellung des Kolbens 5 ab, die wiederum von der Druckdifferenz
zwischen Plenum 7 und Kammer 6 und der auf den
Kolben 5 wirkenden Rückstellkraft
abhängt.
In der in 2 gezeigten Vorrichtung ist
die Rückstellkraft
das kombinierte Gewicht des Kolbens 5, der Klappe 8 und
der Streben 55, welche beide verbinden. Dieses Gewicht öffnet die
Klappe 8 und senkt dadurch die Bremswirkung des Stroms,
die die Klappe verursacht. (Durch Verwendung des Gewichts der Kolben-Streben-Klappen-Struktur
als einzige Rückstellkraft
wird eine konstante Rückstellkraft
erhalten. Eine konstante Rückstellkraft
ist zum Aufrechterhalten eines konstanten Druckgefälles über den
Kolben wünschenswert). Wird
der Druck im Plenum 7 hinreichend größer als der Druck in der Kammer 6,
heben sich Kolben 5 und Klappe 8 und verursachen
einen Anstieg der Bremswirkung des Stroms durch Klappe 8.
Der Anstieg der Bremswirkung durch Klappe 8 senkt die Fließgeschwindigkeit
der Luft. Kolben 5 und Klappe 8 erreichen eine
Gleichgewichtsposition, so dass ein konstantes Druckgefälle zwischen
Plenum 7 und Kammer 6 erzeugt wird.
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Wird
das Entlüftungsrohr 61 zum
Raum 3 entlüftet,
ist der Druck im Plenum 7 in Bezug auf den Druck im Raum 3 konstant.
Durch Aufrechterhalten eines konstanten Druckgefälles über dem Filter 2 kann
die Vorrichtung eine ziemlich konstante Masse-Fließgeschwindigkeit
aufrechterhalten.
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Ohne
diese Vorrichtung würde
ein Abfall des Reinraumdrucks ein Steigen der Masse-Fließgeschwindigkeit
verursachen, da ein größeres Druckgefälle zwischen
der Quelle und dem Reinraum 3 herrscht. Mit der Vorrichtung
verursacht ein Abfall des Reinraumdrucks einen Druckabfall in Kammer 6, da
die Kammer 6 durch Rohr 61 zum Reinraum entlüftet wird.
Der Abfall des Kammerdrucks bewirkt wiederum, dass sich Kolben 5 und
Klappe 8 heben, wodurch die Bremswirkung auf den Luftstrom
durch Klappe 8 steigt. Dieser Anstieg der Bremswirkung wirkt
dem größeren Druckabfall
zwischen der Quelle und dem Reinraum entgegen, so dass die Massenfließgeschwindigkeit
ziemlich konstant bleibt. Ein Anstieg des Reinraumdrucks öffnet dagegen
Klappe 8 und senkt die Bremswirkung.
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Ohne
diese Vorrichtung verursacht ein Anstieg des Drucks an der Quelle
einen Anstieg der Massenfließgeschwindigkeit.
Mit der Vorrichtung verursacht ein Anstieg des Drucks an Eingang 1 einen vorübergehenden
Druckanstieg im Plenum 7, was wiederum Kolben 5 und
Klappe 8 anhebt. Das Aufrichten von Klappe 8 erhöht die Bremswirkung
auf den Strom, was dem größeren Druckabfall
zwischen Quelle und dem Reinraum 3 entgegenwirkt. Ein Abfall
des Eingangsdrucks öffnet
dagegen die Klappe 8 und senkt die Bremswirkung.
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Bei
kleinem oder gar keinem Fluss durch die Vorrichtung sinken Klappe 8 und
Kolben 5 auf ihre niedrigste Stellung und üben die
geringste Bremswirkung auf den Fluss aus, die die Klappe 8 bereitstellen kann.
Bei kleinem oder gar keinem Fluss ist die Vorrichtung daher vollständig offen.
Die Vorrichtung muss nach dem Aussetzen des Stroms nicht wieder zurückgestellt
werden. Wenn der Strom wieder einsetzt und auf einen bestimmten
Wert steigt, heben sich Klappe 8 und Kolben 5,
damit die Bremswirkung auf den Strom vergrößert wird.
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Die
in der 2 gezeigte Vorrichtung zeigt eine bevorzugte Ausführungsform,
wobei die Klappe 8 fest am Kolben 5 befestigt
ist, so dass sich die Klappe 8 und der Kolben 5 als
Einheit bewegen. Der Kolben 5 und die Klappe 8 können ebenfalls
durch andere Vorrichtungen befestigt sein, bspw. durch Arme oder
andere Mechanismen, so dass die Klappe 8 beim Anheben von
Kolben 5 ihre Bremswirkung auf den Strom vergrößert. Sinkt
der Kolben, verringert die Klappe ihre Bremswirkung auf den Strom.
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Der
Filter 2 bietet der Luft, die vom Plenum 7 zum
Raum 3 strömt,
einen konstanten Widerstand. Zusätzlicher
Widerstand lässt
sich mit Hilfe der Gitter 21 und 22 herbeiführen, welche
die Öffnungen 23 bilden.
Das Gitter 21 ist beweglich, so dass die Größe der Öffnungen 23 und
somit der Widerstand gegenüber
dem Strom aus dem Plenum 7 zum Raum 3 variiert
werden kann. Der Druck im Plenum 7 in Bezug auf Raum 3 kann
durch Bewegen von Gitter 21 gesteuert werden. Das bewegliche
Gitter 21 kann mit einem Schrittmotor verschoben werden,
der vom Regler gesteuert wird. Die Öffnungen 23 können je
nach ihrer Position innerhalb der Vorrichtung verschieden groß sein,
damit die Luft gleichmäßig durch
den Filter verteilt wird.
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Die 3 zeigt
eine Alternative zur Vorrichtung von 2, wobei
der Kolben 5 schwenkbar befestigt ist. Der Kolben 5 ist
mittels Streben 55 an der Klappe 8 befestigt.
Der Kolben 5 dreht sich auf und ab, so dass sich er und
die Klappe 8 in einer Richtung quer zur Fließrichtung
bewegen. Die Vorderseite 52 des Kolbens 5 ist
der durch die Leitung strömenden Luft
ausgesetzt, und die entfernte Kolbenseite 51 ist einer
Bezugsdruckkammer 6 ausgesetzt, die über eine Öffnung 61 mit einem
Raum (bspw. einer Verfahrenskammer) stromabwärts der Vorrichtung vorzugsweise
in Fluidkommunikation steht. Der Eingang 1 der Vorrichtung
ist mit einer Luftquelle verbunden. Luft fließt hinter die Streben 55 und
die Klappe 8, und dann hinter den Kolben 5. Stromabwärts des
Kolbens 5 ist ein Schiebeventil 25, das auf- und
abbewegt werden kann, damit die Fließgeschwindigkeit verändert wird.
Das Schiebeventil 25 in der Vorrichtung von 3 funktioniert
genauso wie die stellbare Gitterstruktur 21 und 22 der
Vorrichtung von 2. Der Kolben 5 und
die Klappe 8 in der Vorrichtung von 3 sind in
ihrer untersten Stellung, die einer niedrigen Fließgeschwindigkeit
entspricht. Steigt die Fließgeschwindigkeit über einen
bestimmten Wert (d. h. wenn das Druckgefälle zwischen der Vorder- und Rückseite
des Kolbens 52 und 51 das Gewicht der Kolben-Streben-Klappen-Struktur 5, 55 und 8 oder eine
andere Rückstellkraft überwindet),
schwenkt der Kolben 5 nach oben in die durch die Pfeile
angegebene Richtung, die von der Kolbenrückseite 51 ausgeht. Die
Aufwärtsbewegung
des Kolbens 5 bewirkt, dass sich die Klappe 8 nach
oben bewegt und den Fluss bremst. Die Klappe 8 vergrößert die
Bremswirkung auf den Strom, was jeglichem weiteren Anstieg des Drucks
am Eingang 1 entgegenwirkt. Die Vorrichtung kann somit
ein konstantes Druckgefälle
zwischen Plenum 7 und der Kammer 6 aufrecht halten,
wobei das Gefälle
mit der auf den Kolben wirkenden Rückstellkraft zusammenhängt, die
in diesem Fall das Gewicht der Kolben-Streben-Klappen-Struktur ist. Durch
Gleichstellen des Drucks in der Kammer 6 mit dem Druck
stromabwärts
des Schiebeventils 25 lässt sich
ein konstantes Druckgefälle über das
Schiebeventil 25 aufrechterhalten. Die Position des Schiebeventils 25 lässt sich
so einstellen, dass es die Fließgeschwindigkeit
genau regelt. Die vom Gewicht des Kolbens 5 ausgehende
Rückstellkraft
lässt sich durch
Bewegen eines verschiebbaren Gewichts 90 längs der
Stange 91 modifizieren, was durch einen vom Regler gesteuerten
Schrittmotor bewerkstelligt werden kann.
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Die 4 zeigt
einen Massefluss-Regler zum Steuern des Flusses von der Verfahrenskammer zum
Ausgang. Luft strömt
vom Eingang 81 hinter einen variablen Widerstand, der in
diesem Fall ein Schiebeventil 95 ist, in ein Plenum 79.
Luft strömt über die
Vorderseite 52 des Kolbens 5. Der Luftstrom wird
dann durch den Verengungspunkt 80 moduliert, der durch
den aufsteigenden Bereich 96 am Ende des Kolbens 5 gebildet
wird. Der Kolben 5 dreht sich um das Scharnier 84,
so dass sich Bauteil 96 in eine Richtung quer zum Luftstrom
bewegt. Der Ausgang 82 ist vorzugsweise an eine Vakuumquelle
angeschlossen, jedoch muss in jedem Fall der Druck am Ausgang 82 kleiner
als der Druck am Eingang 81 sein.
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Der
Druck im Plenum 79 hängt
von den Fluidkräften
auf den Vorder- und Rückseiten 52 und 51 des
Kolbens 5 und der Rückstellkraft
am Kolben 5 ab. In der in 4 gezeigten
Vorrichtung ist die Abwärts-Rückstellkraft
das Gewicht des Kolbens 5. Die Rückstellkraft kann ebenfalls über eine
Feder zugeführt
oder modifiziert werden, oder wie in 4 gezeigt
durch ein verschiebbares Gewicht 90, das sich entlang der
Stange 91 mit einem durch den Regler gesteuerten Schrittmotor
bewegen lässt.
Die Rückstellkraft,
die auf die in den 3 und 4 gezeigten
Kolben in den Reglern wirkt, lässt
sich durch den in 1 gezeigten Regler einstellen.
Die Rückstellkraft öffnet den
Verengungspunkt 80. Die Rückstellkraft gleicht die Kraft
aus, die von dem Druckgefälle zwischen
Plenum 79, durch das die Luft strömt, und der Bezugsdruckkammer 17 (die
einen höheren Druck
als das Plenum 79 haben sollte) erzeugt wird, so dass der
Kolben 5 schwimmt. Man kann das Druckgefälle zwischen
Plenum 79 und der Kammer 17 durch Verändern der
Rückstellkraft
auf den Kolben 5 verändern,
indem das gezeigte System mit verschiebbarem Gewicht verwendet wird.
Es ist wichtig, dass das Vakuum am Ausgang 82 stark genug
ist, damit der Kolben 5 schwimmt; ohne ein hinreichend starkes
Vakuum kann der Regler keinen konstanten Druck im Plenum 79 halten.
Mit einem hinreichend starken Vakuum bleibt der Druck im Plenum 79 konstant,
wenn die Rückstellkraft
und der Druck in der Kammer 17 konstant bleiben. Die Kammer 17 steht
in Fluid-Kommunikation mit der Bezugsöffnung 85, die an
die Verfahrenskammer angeschlossen ist, aus der Luft zum Einlass 81 strömt.
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Nimmt
der Druck am Ausgang 82 ab, strömt mehr Luft aus dem Plenum 79 hinter
den Verengungspunkt 80 zum Ausgang, was wiederum bewirkt, dass
der Druck im Plenum 79 fällt. Ein Abfall des Plenumdrucks
führt abgesehen
davon dazu, dass der Kolben 5 sich nach oben dreht und
der Luftstrom durch den Verengungspunkt 80 gedrosselt wird.
Ein Anstieg des Drucks am Ausgang 82 führt dagegen dazu, dass sich
der Verengungspunkt erweitert. Auf diese Weise bleibt der Druck
im Plenum 79 einen konstanten Wert unter dem Bezugsdruck
und unabhängig
vom Druck am Ausgang, so lange am Ausgang 82 ein hinreichend
großes
Vakuum herrscht, dass die Abwärtsrückstellkraft
auf den Kolben 5 kompensiert wird.
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Plenum 79 wirkt
so als Becken mit konstantem Vakuum, das Luft einsaugt, welche vom
Einlass 81 hinter das als Widerstand wirkende Schiebeventil 95 strömt. Bleibt
der Differentialdruck zwischen Eingang 81 und Plenum 79 konstant,
und bleibt der Widerstand gegenüber
dem Strom zwischen Einlass 81 und Plenum 79 konstant,
bleibt die Luft-Massenfließgeschwindigkeit
ebenfalls konstant. Die Massenfließgeschwindigkeit kann durch
Verändern
des Widerstandes gegenüber
dem Fluidstrom, der vom Schiebeventil 95 erzeugt wird,
verändert
werden. Ein konstantes Druckgefälle
zwischen Einlass 81 und Plenum 79 lässt sich
durch Entlüften
der Bezugskammer 17 zum Einlass 81 aufrecht erhalten,
was durch Verbinden der Bezugsöffnung 85 mit
dem Eingang 81 bewerkstelligt wird. Das Einstellen des
Schiebeventils 95 bewirkt, dass mehr oder weniger Fluid
in das Plenum 79 strömt,
und der Kolben 5 und das Bremselement 96 bewegen
sich auf oder ab, so dass der Druck im Plenum 79 moduliert
wird. Durch Verbinden der Bezugsöffnung 85 mit
dem Einlass 81 verursacht eine Änderung des Einlassdrucks eine
entsprechende Änderung
des Drucks in Kammer 17, was wiederum dazu führt, dass
sich der Kolben 5 bewegt und der Verengungspunkt 80 entweder
erweitert oder verengt wird, so dass ein konstantes Druckgefälle zwischen
Plenum 79 und Einlass 81 aufrecht gehalten wird.
Durch Kombinieren des variablen Widerstands 95 mit einem
Regler, der ein konstantes Druckgefälle über dem variablen Widerstand 95 aufrecht
erhält,
arbeitet die in 4 gezeigte Vorrichtung sehr
gut als Masseflussregler.
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Die
Stärke
des Unterdrucks im Plenum 79 kann durch Einstellen des
verschiebbaren Gewichts 90 variiert werden. Der in 4 gezeigte
Regler kann zur Aufrechterhaltung eines konstanten Unterdrucks in
der Abzugshaube verwendet werden, wenn das Schiebeventil 95 wegfällt, oder
es kann so eingestellt werden, dass auf den Strom nur eine geringe
Bremswirkung ausgeübt
wird, wenn der Einlass 81 mit der Abzugshaube verbunden
ist und wenn das Bezugsrohr 85 mit dem Raum außerhalb
der Abzugshaube verbunden ist.
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Die
in den 1 und 2 des US-Patentes 5 000 221
gezeigten Vorrichtungen können
ebenfalls als Vakuumregler für
die Abzugshaube in 1 der vorliegenden Patentanmeldung
verwendet werden.
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Die 5 zeigt
eine Vorrichtung, deren Struktur der Vorrichtung in 2 oben ähnelt. Sie
ist jedoch an die Vakuumquelle angeschlossen, und ihre Funktion ähnelt der
von Vorrichtung der vorliegenden 4 (oder
den Vorrichtungen, die in den 1 und 2 des
US-Patentes 5 000 221 gezeigt sind). In dieser Vorrichtung gelangt
Luft aus einer Umgebung 3 durch einen Filter 2,
dann durch Plenum 7 und einen Auslass 41 zu einer
Vakuumquelle.
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Der
Kolben 5 hat zwei Seiten, eine Vorderseite 52 oben
auf dem Kolben 5, und eine entfernte Seite 51 unten
am Kolben 5. Der Kolben 5 unterteilt das innere
des Gehäuses
in Plenum 7 und Bezugskammer 6, die mit Rohr 61 zum
Druck im Raum 3 entlüftet
wird. Der Außenrand
des Kolbens 5 kann über eine
Membran 54 am Gehäuse 4 befestigt
sein. Der Kolben 5 hat eine Öffnung, durch die das Fluid
vom Plenum 7 zum Auslass 41 strömt. Die
Membran 53 kann den Rand der Kolbenöffnung mit dem Ventilsitz 42 verbinden.
Eine Schranke 13 ist durch Streben 12 über dem
Auslass 41 befestigt. Der Raum zwischen Schranke 13 und
Ventilsitz 42 bildet eine Evakuierungsöffnung 46, die teilweise
abgedeckt sein kann, wenn sich der Kolben 5 auf- und abbewegt.
Damit der Kolben 5 nicht auf die Unterseite des Gehäuses 4 sinkt,
ist der Außenumfang
des Ventilsitzes 42 weiter als die Kolbenöffnung,
oder es lassen sich alternativ Arretierungen 48 verwenden.
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Der
Druck im Plenum 7 ist niedriger als der Druck in Raum 3.
Durch den Strom durch den Filter 2 wird ein Druckabfall
erzeugt. Ist der Druck im Plenum geringer als der Druck in der Bezugskammer 6,
dass das Gewicht des Kolbens 5 überwunden wird, schwimmt der
Kolben und schließt
die Evakuierungsöffnung 46.
Die Vorrichtung kann ein konstantes Druckgefälle zwischen Plenum 7 und
der Bezugskammer 6 aufrecht erhalten. Sinkt bspw. der Druck am
Ausgang 41 (d.h. die Stärke
der Vakuumquelle steigt), sinkt der Druck im Plenum 7 ebenfalls;
ein solcher Abfall des Plenumdrucks hebt den Kolben 5, und
dadurch steigt die Bremswirkung auf den Fluss durch die Evakuierungsöffnung 46.
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Diese
Vorrichtung kann eine konstante Massenfließgeschwindigkeit aufrecht erhalten.
Durch Aufrechterhalten eines konstanten Druckgefälles über dem Kolben 5 und
Verbinden der Bezugskammer 6 mit dem Raum 3 kann
man ein konstantes Druckgefälle über dem
Filter 2 und den Gittern 21 und 22 aufrechterhalten.
Wenn der durch den Filter 2 und die Gitter 21 und 22 verursachte
Strom konstant gehalten wird, wird eine konstante Massefließgeschwindigkeit
durch den Filter 2 erhalten. Die Fließgeschwindigkeit kann durch
Einstellen des Widerstandes, der von den Gittern 21 und 22 verursacht wird,
eingestellt werden, wie oben anhand der Vorrichtung in 2 erläutert wird.