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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Gerät und ein Verfahren zur Abgabe
einer Flüssigkeit
an eine oder mehrere Verwendungsstellen. Mehr im Einzelnen bezieht
sich die Erfindung auf ein solches Gerät und ein solches Verfahren,
wobei jede einer Mehrzahl von Kammern einem Zyklus unterzogen wird, bei
welchem während
einer Füllbetriebsart
die Kammern mit der Flüssigkeit
gefüllt
werden, während
einer Abgabebetriebsart die Flüssigkeit
aus den Kammern zu der einen Verwendungsstelle oder den mehreren
Verwendungsstellen ausgetrieben wird, und während einer Rückführbetriebsart
nicht verwendete Flüssigkeit
von der Verwendungsstelle oder den Verwendungsstellen zu den Kammern
zurückgeführt wird.
Noch mehr im Einzelnen betrifft die Erfindung ein solches Gerät und Verfahren,
wobei der Zyklus derart durchgeführt
wird, dass, wenn eine Kammer sich in der Abgabebetriebsart befindet,
eine weitere Kammer sich in der Rückführungsbetriebsart befindet,
so dass eine kontinuierliche Zirkulation der Flüssigkeit ermöglicht wird.
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Im
Stand der Technik gibt es eine Anzahl von Systemen zur Flüssigkeitsabgabe,
die eine besondere Anwendung bei der industriellen Abgabe von Prozesschemikalien
finden. Ein größeres Anwendungsgebiet
solcher Geräte
ist die Halbleiterfertigungsindustrie, in welcher Chemikalien wie
beispielsweise Photowiderstände,
Schlämme
usw. an eine oder mehrere Verwendungsstellen wie beispielsweise
bei der Fertigung benutzte Werkzeuge verteilt werden. Im Fall einer
Schlämme
kann die Verwendungsstelle eine Pumpe sein, die zur Versorgung eines
Polierwerkzeugs eingesetzt wird, das zu chemischen und mechanischem
Polieren oder Glätten
benutzt wird.
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Obwohl
Pumpen zur Flüssigkeitsverteilung eingesetzt
werden, kann es insbesondere im Falle der Halbleiterfertigung wichtig
sein, dass die Chemikalie zu den Verwendungsstellen ohne die Strömungspulsierung
verteilt wird, die durch hin- und hergehende Pumporgane verursacht
werden. Eine solche nichtpulsierende Strömung kann unter Verwendung
von Druckgefäßen zum
Durchführen
der Verteilung erzeugt werden. Die für einen solchen Zweck verwendeten
Druckgefäße werden
mit einem chemisch nichtreaktiven Gas (bezogen auf den durchzuführenden
Prozeß)
wie beispielsweise ultrahochreinem Stickstoff druckbeaufschlagt.
Beispielsweise beschreibt die
US
5 417 346 die Verteilung von Flüssigkeit aus drei Druckbehältern, die
zuerst evakuiert werden, um Flüssigkeit
einzusaugen. Danach werden die Druckbehälter mit Stickstoff zur Abgabe
der Flüssigkeit
druckbeaufschlagt.
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Bei
allen Abgabesystemen können
Probleme auftreten, die mit der tatsächlichen Verwendung der zu
verteilenden Flüssigkeit
zusammenhängen, namentlich
da nicht sämtliche
zu verteilende Flüssigkeit
notwendigerweise an der Verwendungsstelle verwendet wird. Um dieses
Problem zu lösen,
sind, wie in beiden oben erwähnten
Patenten angegeben ist, Rezirkulationsströmungswege vorgesehen, um Flüssigkeit
zurück
zu einer Massenquelle zu rezirkulieren. Dieses Problem kann insbesondere
im Fall von Schlämmen
schwierig sein, weil die suspendierten Teilchen um Absetzen aus
der Schämme
tendieren, wenn man diese stehen lässt. Weitere verwendungsbezogene
Probleme treten auf, wenn mehrere Werkzeuge oder Verwendungsstellen
durch ein Verteilungssystem gespeist werden. Wenn eines oder mehrere
abgeschaltet oder wieder zugeschaltet wird oder werden, verändert sich
die Strömungsrate
der Flüssigkeit
an jeder der Verwendungsstellen. Zu diesem Zwecke werden bei der
US 5 417 346 die Strömungsraten
an den Abgabestellen erfasst, um Nadelventile automatisch einzustellen,
um konstante Strömungsbedingungen
sicherzustellen. Obwohl das in diesem US-Patent nicht erwähnt ist,
ist es üblich, das
gesamte Ansprechverhalten des Abgabesystems auf Bedarfsänderungen
im Wege der Regulierung des Drucks in den Rückführleitungen, die Flüssigkeit
zurück
zu den Massenquellen rezirkulieren, durch Druckregelventile zu regulieren,
die den Flüssigkeitsdruck
steuern. Das Problem bei der Verwendung von Ventilen zur Sicherstellung
konstanter Strömungsbedingungen
liegt darin, dass zu verteilende Chemikalien sehr korrosiv und/oder
abrasiv sein können
und insoweit Ventile als Stellen möglichen Verschleißes und
Wartungsbedarfs in dem Abgabegerät wirken
können.
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Die
WO-A-96 02 319 beschreibt ein Gerät und ein Verfahren zum Mischen,
Speicher und Abgeben schlämmiger
Chemikalien zur Verwendung bei Fertigungsvorgängen. Die Erfindung betrifft
ein Gerät und
ein Verfahren zur Abgabe von Flüssigkeiten,
das einen zyklischen Betrieb umfaßt, der aus sich heraus eine
fortgesetzte Zirkulation der Flüssigkeit
ermöglicht
und auch zur Steuerung von Strömungsbedingungen
an der Verwendungsstelle oder den Verwendungsstellen besonders geeignet
ist, und zwar ohne Verwendung von Ventilen, die in Berührung mit
der zu verteilenden Flüssigkeit
stehen.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Gerät
zur Abgabe von Flüssigkeit
unter dem Antrieb von Gasdruck zu mindestens einer Verwendungsstelle
gemäß Anspruch
1 vorgesehen. Zu die sem Zweck ist eine Mehrzahl von Kammern vorgesehen,
die jeweils eine Abgabe-, Rückführungs-
und Füllbetriebsart
haben, in denen Flüssigkeit
daraus ausgetrieben bzw. nicht verwendete Flüssigkeit zurückgeführt bzw.
neue Flüssigkeit
eingeleitet wird. Ein Flüssigkeitsverteilungssystem
ist vorgesehen, das einen Strömungskreislauf
aufweist, der mit der mindestens einen Verwendungsstelle verbunden
ist, um die genannte Flüssigkeit
aus den Druckbehältern
zuzuführen
und die nicht verwendete Flüssigkeit
von der mindestens einen Verwendungsstelle zurückzuleiten. Das Flüssigkeitsverteilungssystem
hat auch ein Ventilnetzwerk, das zwischen den Kammern und dem Strömungskreislauf
die Verbindung herstellt. Das Ventilnetzwerk ist so konfiguriert,
dass zwei der Kammern miteinander in Verbindung gebracht werden
können, wodurch
eine der beiden Kammern in der Abgabebetriebsart und die andere
der beiden Kammern in der Rückführungsbetriebsart
arbeiten kann, welch letztere die nicht verwendete Flüssigkeit
von der mindesten einen Verwendungsstelle aufnimmt. Des weiteren ist
ein Mittel zu Treiben der Flüssigkeit
aus jeder der Kammern in der Flüssigkeitsverteilungssystem
während
der Abgabebetriebsart vorgesehen.
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Nach
einem weiteren Aspekt beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur
Abgabe von Flüssigkeit zu
mindestens einer Verwendungsstelle nach dem Anspruch 11. Gemäß dem Verfahren
wird jede von einer Mehrzahl von Kammern Abgabe-, Rückführungs-
und Füllbetriebsarten
in einem Zyklus unterzogen, so dass, wenn eine der Kammern sich
in der Abgabebetriebsart befindet, eine weitere der Kammern sich
in der Rückführungsbetriebsart
befindet. Flüssigkeit
wird während
der Abgabebetriebsart aus jeder der Kammern zu der mindestens einen
Verwendungsstelle ausgetrieben, und nicht verwendete Flüssigkeit
wird zu dem weiteren Druckbehälter
zurückgeführt, der
der Rückführungsbetriebsart
unterliegt. Jeder der Druckbehälter
wird während
der Füllbetriebsart
mit neuer abzugebender Flüssigkeit
gefüllt.
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Vorzugsweise
ist das Gerät
und das Verfahren nach der Erfindung mit drei Kammern ausgestattet,
so dass der Prozeß kontinuierlich
verläuft.
Jedoch könnte
die Erfindung auch mit zwei Kammern ausgeführt werden. In diesem Fall
kann eine geringe Diskontinuität
des Betriebs zwischen dem Ende der Rückführungsbetriebsart und dem Ende
der Füllbetriebsart
auftreten, oder alternativ kann eine gewisse Überlappung der Rückführungs-
und der Füllbetriebsart
auftreten, um einen kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen.
Des weiteren kann die Erfindung in Verbindung mit jedem Gerät mit einer
Kammer umgesetzt werden. Beispielsweise könnte die Erfindung, obwohl
sie mit Bezug auf Druckbehälter
beschrieben wird, die als Kammern wirken, gleiche Anwendbarkeit
auf Pumpen mit Pumpenkammern oder Zylindern haben, die als Kammern
wirken. Alle diese Möglichkeiten
sollen durch die anliegenden Patentansprüche abgedeckt sein.
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Wie
aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, bezieht sich die Erfindung
in einem grundsätzlichen
Sinn auf ein Gerät
und ein Verfahren, bei welchem abzugebende Flüssigkeit zu den Verwendungsstellen
zirkuliert und nicht verwendete Flüssigkeit zu einer Kammer zurückgeleitet
wird, die sich in der Rückführungsbetriebsart
befindet. Auf diese Weise wird Flüssigkeit während des Abgabebetriebs in Bewegung
gehalten. Wie ersichtlich ist, bezieht sich die Erfindung in anderer
Hinsicht auf die Tatsache, dass ihr grundsätzlicher Zyklusbetrieb der
Abgabe- Rückführungs-
und Füllbetriebsarten
besonders geeignet ist, konstante Strömungsbedingungen an der Verwendungsstelle
oder den Verwendungsstellen durch Sicherstellen eines konstanten
Flüssigkeitsdrucks
an den Verwendungsstellen sicherzustellen. Im Falle von Druckbehältern kann
dies durch Regulieren des Gasdrucks in dem der Abgabebetriebsart unterliegenden
Druckbehälter
und den Innendruck des der Rückführungsbetriebsart
unterliegenden Druckbehälters
bewerkstelligt werden. Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung
werden natürlich
aus den Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung ersichtlich.
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Zur
Erläuterung
der Erfindung wird nunmehr lediglich beispielshalber auf die anliegende
Zeichnung Bezug genommen, die ein Gerät zur Ausführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung
zeigt.
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Gemäß der Zeichnung
ist ein Gerät 1 dargestellt,
das zur Abgabe chemischer Flüssigkeiten
wie beispielsweise Schlämmen
zu Verwendungsstellen 2 und 3 ausgelegt ist, die
im Falle von Schlämmen
eine peristaltische Pumpe zur Zuführung der Flüssigkeit zu
einem chemisch-mechanischen Polierwerkzeug sein könnte.
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Das
Gerät 1 ist
mit Druckbehältern 10, 12 und 14 ausgebildet,
wobei jeder der Druckbehälter 10, 12 und 14 Abgabe-
Rückführungs-
und Füllbetriebsarten
unterzogen wird. In der Abgabebetriebsart wird der jeweilige der
Druckbehälter 10, 12 und 14 druckbeaufschlagt, um
Flüssigkeit
zu den Verwendungsstellen 2 und 3 zuzuführen. Die
Flüssigkeit
wird vom jeweiligen der Druckbehälter 10, 12 und 14 durch
ein Flüssigkeitsverteilungssystem 16 mit
einem Strömungskreislauf 18 verteilt,
der mit den Verwendungsstellen 2 und 3 verbunden
ist, um Flüssigkeit
aus den Druckbehältern 10, 12 und 14 zu
den Verwendungsstellen 2 und 3 zuzuführen und
nicht verwendete Flüssigkeit
von diesen zurück
zu den Druckbehältern 10, 12 und 14 zu
führen.
Die nicht verwendete Flüssigkeit
wird dann in einen Druckbehälter
(10, 12 und 14) geleitet, der der Rückführungsbetriebsart
unterliegt. Das Flüssigkeitsverteilungssystem 16 weist
außerdem
ein Ventilnetzwerk 20 zur Steuerung der Strömung der
Flüssigkeit
in und aus Bodenbereich 22, 24 und 26 der
Druckbehälter 10, 12 bzw. 14 auf.
Obwohl nicht dargestellt, sollten alle Flüssigkeitsleitungen Biegungen
mit sanftem Radius enthalten, um ein Scheren von Flüssigkeiten
wie beispielsweise Schlämmen
zu vermeiden. Ein Druckrohrsystem 28 stellt eine Verbindung
zwischen einer Druckquelle (nicht dargestellt, aber, wie sich der Fachmann
vorstellen kann, verdampfter Flüssigstickstoff)
und den Kopfbereichen 30, 32 und 34 der Druckbehälter 10, 12 bzw. 14.
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Der
Flüssigkeitsdruck
innerhalb des Strömungskreislaufs 18 wird
erfasst, und der Druck innerhalb der Druckbehälter, während diese den Abgabe- und
Rückführungsbetriebsarten
unterliegen, wird zur Steuerung des Flüssigkeitsdrucks nachgestellt,
so dass er im wesentlichen konstant bleibt. Diese Druckregelung
stellt sicher, dass die Strömungsrate
der Flüssigkeit
zu jeder der Verwendungsstellen 2 und 3 konstant
bleibt.
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Der
Strömungskreislauf 18 hat
Abgabezweige 18A und Rückführzweige 18B zum
Leiten von Flüssigkeit
zu den Verwendungsstellen 2 und 3 und zum Rückführen von
Flüssigkeit
von den Verwendungsstellen 2 und 3 zurück zum Ventilnetzwerk 20. Es
ist anzumerken, dass, obwohl nur 2 Verwendungsstellen 2 und 3 dargestellt
sind, die vorliegende Erfindung auf jede beliebige Anzahl von Verwendungsstellen
anwendbar ist und gleichermaßen
auch auf eine einzige Verwendungsstelle anwendbar ist, und besonders
vorteilhaft wäre,
wenn die einzige Verwendungsstelle intermittierend benutzt wird.
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Das
Ventilnetzwerk 20 ist so ausgelegt, dass, wenn der jeweilige
der Druckbehälter
sich im Abgabebetrieb befindet, mindestens ein weiterer der Druckbehälter sich
im Rückführungsbetrieb
befindet und die nicht verwendete Flüssigkeit von den Verwendungsstellen 2 und 3 aufnimmt.
Zu diesem Zweck enthält
das Ventilnetzwerk 20 einen Abgabeverteiler 36,
von welchem Flüssigkeit
auf den Abgabezweig 18A verteilt wird, und einen Rückführverteiler 38,
in welchen nicht verwendete Flüssigkeit
aus dem Rückführzweig 18B zurückströmt. Ein
Zuführverteiler 40 ist
vorgesehen, der einen Einlaß 42 aufweist,
der mit einer Massenquelle der zu verteilenden Flüssigkeit
verbindbar ist. Obwohl nicht dargestellt, können beliebige Mittel zur Überführung von
einer Massenquelle zum Einlaß 42 verwendet
werden. Beispielsweise könnte
eine Pumpe, Schwerkraft oder Vakuum eingesetzt werden, wobei keine
bestimmten Mittel bevorzugt werden.
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Das
Ventilnetzwerk 20 ist mit Gruppen von Absperr- und Rückschlagventilen
zur Steuerung der Strömung
der Flüssigkeit
während
der verschiedenen Betriebsarten der Druckbehälter 10, 12 und 14 ausgestattet.
Die Absperrventile haben offene und geschlossene Stellungen, um
die Flüssigkeitsströmung zuzulassen
oder abzusperren. Die Rückschlagventile
ermöglichen
eine Strömung
in nur einer Richtung. Insbesondere sind ein erstes und ein zweites
Absperrventil 44 und 46 und eine Gruppe von zwei
Rückschlagventilen 48 und 50 dem
Betrieb des Druckbehälters 10,
ein erstes und ein zweites Absperrventil 52 und 54 und
Rückschlagventile 56 und 58 dem
Betrieb des Druckbehälters 12,
und ein erstes und ein zweites Absperrventil 60 und 62 und
zwei Rückschlagventile 64 und 66 dem
Betrieb des Druckbehälters 14 zugeordnet.
Zu beachten ist, dass die beiden Rückschlagventile (48, 50, 56, 58, 61, 66)
so orientiert sind, dass eine Flüssigkeitsströmung nur vom
Rückführungsverteiler 38 bzw.
zum Abgabeverteiler 36 zugelassen wird.
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Unter
der Annahme dass der Druckbehälter 10 sich
im Abgabebetrieb befindet, ist daher das erste Absperrventil 44 in
die geschlossene Stellung und das zweite Absperrventil 46 in
die offene Stellung eingestellt. Dies ermöglicht das Austreiben von Flüssigkeit
aus dem Druckbehälter
10 zum Abgabeverteiler 36 und sodann in den Abgabezweig 18A des
Strömungskreislaufs 18.
Wenn der Druckbehälter 12 sich im
Abgabebetrieb befindet, ist das erste Absperrventil 52 in
der geschlossenen Stellung und das zweite Absperrventil 54 in
der offenen Stellung eingestellt. In ähnlicher Weise ist, wenn der
Druckbehälter 14 sich im
Abgabebetrieb befindet, das erste Absperrventil 60 in der
geschlossenen Stellung und das zweite Absperrventil in der offenen
Stellung eingestellt.
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Während der
Zeit, während
der Druckbehälter 10 im
Abgabebetrieb arbeitet, arbeitet der Druckbehälter 12 im Rückführungsbetrieb.
Zu diesem Zweck ist sein erstes Absperrventil 52 in die
geschlossene Stellung und das zweite Absperrventil 54 in
die offene Stellung gestellt. Nicht verwendete Flüssigkeit
strömt
zurück
durch den Rückführzweig 18B des
Strömungskreislaufs 18 zum
Rückführverteiler 38 und
dann durch das Rückschlagventil 56 und
das zweite Absperrventil 54 zurück in den Bodenbereich 24 des
Druckbehälters 12.
Daher ist diese Absperrventileinstellung für den Druckbehälter 12 im
Rückführungsbetrieb
die gleiche wie im Abgabebetrieb. Die gleichen Ventileinstellungen
gelten für
das erste und das zweite Absperrventil 44 und 46,
wenn der Druckbehälter 10 sich
im Rückführungsbetrieb
befindet, und für
das erste und das zweite Absperrventil, wenn der Druckbehälter 14 sich
im Rückführungsbetrieb
befindet. Die Strömungsrichtung
wird durch Entlüften
des Druckbehälters
(10, 12 oder 14), der dem Rückführungsbetrieb
unterliegt, auf einen niedrigeren Druck als dem Druckbeaufschlagungsdruck
des Druckbehälters
(10, 12 oder 14) der dem Abgabebetrieb
unterliegt, erzeugt. Die Rückschlagventilpaare 48, 50 bzw. 56, 58 bzw. 64, 66 verhindern
eine Rückströmung von
druckbeaufschlagter Flüssigkeit,
die von dem Abgabeverteiler 36 zum Rückführverteiler 38 strömt.
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Wenn
der Druckbehälter 10 sich
im Abgabebetrieb und der Druckbehälter 12 sich im Rückführungsbetrieb
befindet, befindet sich der Druckbehälter 14 im Füllbetrieb.
Zu diesem Zweck wird das erste Absperrventil 60 in die
offene Stellung und das zweite Absperrventil 62 in die
geschlossene Stellung gestellt. Flüssigkeit tritt aus der Massenquelle
in den Einlaß 42 ein,
strömt
in den Zufuhrverteiler 40 und dann in den Bodenbereich 26 des
Druckbehälters 14. Wenn
der Druckbehälter 10 sich
im Füllbetrieb
befindet, wird das erste Absperrventil 44 in die offene
Stellung und das zweite Absperrventil 46 in die geschlossene
Stellung gestellt, und wenn der Druckbehälter 12 sich im Füllbetrieb
befindet, wird das erste Absperrventil 52 in die offene
Stellung und das zweite Absperrventil 54 in die geschlossene
Stellung gestellt.
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Nachdem
ein Druckbehälter
(10, 12 oder 14) sich im Abgabebetrieb
befunden hat, arbeitet er im Rückführungsbetrieb
und dann im Füllbetrieb.
Jedoch wird bevorzugt, daß das
Umschalten zwischen den Betriebsarten nicht augenblicklich erfolgt
und insoweit zu jedem Zeitpunkt zwei der Druckbehälter 10, 12 oder 14 über ein
kurzes Intervall im Abgabebetrieb arbeiten. Diese beiden Druckbehälter sind
diejenigen, die jeweils den Füllbetrieb
beendet haben und dann im Abgabebetrieb arbeiten. Nach einem solchen
gleichzeitigen Abgabebetrieb wird derjenige Druckbehälter der
beiden Druckbehälter,
der zuletzt den Füll betrieb
durchlaufen hat, weiter im Abgabebetrieb arbeiten, und der andere
Druckbehälter
wird als nächstes
im Rückführungsbetrieb
arbeiten. Während dieser
Zeit arbeitet ein dritter der Druckbehälter 10, 12 oder 14,
der zuletzt im Rückführungsbetrieb
gearbeitet hat, gleichzeitig ebenso arbeiten und dann in den Füllbetrieb
umgeschaltet. Diese Mischung der Betriebsarten dient zur Verhinderung
von Druckschwankungen innerhalb des Strömungskreislaufs 18.
Wie noch erörtert
wird, wird das Schalten der Betriebsarten durch eine Flüssigkeitspegelerfassung gesteuert.
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Das
Ventilnetzwerk 20 ist auch mit einem Absperrventil 68 versehen,
um die Strömung
von einer Massenzufuhr abzusperren. Außerdem ist ein Absperrventil 70 vorgesehen.
Während
des normalen Betriebs ist das Absperrventil 70 in die Schließstellung
gestellt. Wenn es in die Offenstellung gestellt ist, kann Flüssigkeit
zur Massenzufuhr zurück
rezirkuliert werden. Die Absperrventils 72 und 74 ermöglichen ein
Entleeren des Abgabeverteilers 36 und des Rückführverteilers 38.
Während
eines solchen Entleerens trennen die Absperrventile 76 und 78 den
Strömungskreislauf 18 ab.
Ein Absperrventil 80 dient zum Ermöglichen der Rückführung von
Flüssigkeit
aus dem Strömungskreislauf 18 zurück zum Ablassen.
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Druck
wird von einer Quelle eines druckbeaufschlagten Gases zugeführt, das
mit der abzugebenden Chemikalie nicht reaktiv ist. In der Halbleiterverarbeitungsindustrie
wird üblicherweise
für einen solchen
Zweck ultrahochreiner Stickstoff verwendet. Das Druckbehälterrohrsystem 28 umfaßt einen Druckverteiler 82 mit
einem Einlaß 84 zum
Anschluß der
Gasdruckquelle und einen Entlüfteauslaß 86,
der normalerweise entlüftet
wird, um evtl. in dem Entlüftegas
vorhandene korrosive Chemikalien abzulassen. Die Druckbeaufschlagung
der Druckbehälter 10, 12 und 14 während des
Abgabebetriebs wird durch erste Dreiwegeventile 88, 90 und 92 gesteuert,
die zwischen den Druckverteilern 82 und die Druckbehälter 10, 12 bzw. 14 geschaltet
sind. Zweite Dreiwegeventile 94, 96 und 98 sind
mit den ersten Dreiwegeventilen 88, 90 bzw. 92 verbunden,
um die Entlüftung
während
der Rückführungs-
und Füllbetriebsarten
zu steuern. Jedes der oben erwähnten
Dreiwegeventile (88 bis 98 einschließlich) hat
zwei Stellungen, so daß eine
Strömung
zwischen zwei Ventilöffnungen hergestellt
werden kann.
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Wenn
jedes der ersten Dreiwegeventile 88, 90 bzw. 92 in
eine erste der zwei Positionen eingestellt ist, wird eine Strömungsverbindung
zwischen dem Druckverteiler 82 und dem jeweils angeschlossenen
Druckbehälter 10, 12 oder 14 hergestellt,
um den Abgabebetrieb zu ermöglichen.
Folglich strömt, wenn
das erste Dreiwegeventil 88 in die erste der beiden Positionen
eingestellt ist, Hochdruckstickstoff in den Druckbehälter 10,
der sich daher im Abgabebetrieb befindet.
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Wenn
jedes der ersten Dreiwegeventile 88, 90 oder 92 in
die zweite der beiden Positionen gestellt ist, wird eine Verbindung
zwischen den Kopfbereichen 30, 32 und 34 der
Druckbehälter 10, 12 und 14 und
den zweiten Dreiwegeventilen 94, 96 und 98 hergestellt.
Diese zweite Einstellung der ersten Dreiwegeventile 88, 90 oder 92 tritt
während
der Füll-
und Rückführungsbetriebsarten
auf.
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Wenn
die Dreiwegeventile 94, 96 und 98 in ihrer
ersten und zweiten von zwei Positionen eingestellt sind (die ersten
Dreiwegeventile 88, 90 oder 92 sind in
der zweiten ihrer zwei Positionen eingestellt), wird eine Strömungsverbindung
zwischen den Kopfbereichen 30, 32 und 34 der
Druckbehälter 10, 12 und 14 und
entweder dem Strömungsweg 100 oder dem
Strömungsweg 102 hergestellt.
Wenn die zweiten Dreiwegeventile in die Position zum Strömungsweg 100 gestellt
sind, werden die Druckbehälter 10, 12 und 14 einfach
in den Ablauf entlüftet,
der sich auf Atmosphärendruck
befindet. Dies ermöglicht
das Füllen
eines Druckbehälters
(10, 12 oder 14) während des Füllbetriebs. Wenn beispielsweise
der Druckbehälter 14 sich
im Füllbetrieb
befindet, würde
das erste Dreiwegeventil 92 in die zweite seiner Positionen
eingestellt und das zweite Dreiwegeventil 98 würde in seine
Position gestellt, die eine Strömungsverbindung
mit dem Strömungsweg 100 ermöglicht.
Es versteht sich, daß in
einem solchen Fall der Druckbehälter 12 dem
Rückführungsbetrieb
unterliegt und insoweit das zweite Dreiwegeventil 96 in
die andere der Positionen eingestellt wäre, um eine Strömungsverbindung
mit dem Strömungsweg 102 herzustellen. Der
Strömungsweg 102 enthält ein Druckregulierventil 104,
durch welches Gas während
des Rückführungsbetriebs
entlüftet
wird. Das Druckregulierventil 104 ist ein Steuerventil,
das so eingestellt ist, daß es auf
einen niedrigeren Druck als dem Gasdruck arbeitet, so daß Flüssigkeit
durch den Strömungskreislauf 18 getrieben
wird, und daß auch
der Druck innerhalb des Druckbehälters,
der dem Rückführungsbetrieb unterliegt,
reguliert wird.
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Der
Druck wird in jedem Druckbehälter 10, 12 und 14 (während des
Abgabebetriebs) mittels eines Pilotreglers 106 reguliert,
wobei es sich um ein weiteres Steuerventil handelt, das den Druck
von Nachlaufdruckregulatoren 108, 110 und 112 steuert, die
stromab des Pilotreglers 106 angeordnet sind. Dies verhindert
Druckschwankungen, die ansonsten innerhalb der Druckbehälter 10, 12 oder 14 während des
Umschaltens der Druckbehälter
zwischen Abgabe- Rückführungs-
und Füllbetrieb
auftreten würden. Obwohl
dies weniger vorteilhaft ist, könnte
ein einziger Druckregler 106 ohne die Nachlaufdruckregler 108, 110 und 112 verwendet
werden. Weiter ist anzumerken, daß ein Druckentlastungsventil 114 als
Sicherheitsgerät
vorgesehen ist, um ein Zerstören
des Druckbehälterrohrsystems 28 im
Falle einer Fehlfunktion zu verhindern.
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Die
obigen Mittel zum Zuführen
von Gasdruck zu den Druckbehältern
sind, obwohl sie bevorzugt werden, nur eine von vielen verschiedenen
Ventilanordnungen, die einsetzbar sind. Beispielsweise können Ventile
mit zwei Positionen, welche die zu und von den Druckbehältern führenden
Leitungen abtrennen, vorgesehen sein, um Gasdruck zu den Behältern zuzuführen und
die Behälter
später
zu entlüften.
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Obwohl
nicht dargestellt, aber dem Fachmann bekannt, können sämtliche erwähnten Ventile, die als Absperrventile
und Dreiwegeventile arbeiten, durch einen Regler mit programmierbarer
Logik oder vielleicht ein analoges Gerät gesteuert werden. Eine solche
Schaltung oder Einrichtung und die elektrischen Verbindungen sind
dem Fachmann bekannt und daher nicht dargestellt. Jedoch würde die
Aktivierung solcher Schaltungen oder Einrichtungen durch Flüssigkeitshochpegeldetektoren 116, 118 und 120 und
erste und zweite Flüssigkeitsniedrigpegeldetektoren 122, 124, 126 bzw. 128, 130, 132 gesteuert.
Jeder der Pegeldetektoren 116 bis 132 einschließlich könnte entweder
ein Ultraschall-, ein Spitzenpegel-Detektor, oder ein mechanisches
Gerät sein.
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Wenn
beispielsweise angenommen wird, daß der Druckbehälter 10 im
Abgabebetrieb befindet, wird der Druckbehälter 14 (der gerade
mit Flüssigkeit gefüllt worden
ist) wenn der Flüssigkeitspegel
durch den ersten Niedrigpegelfehler 122 erfaßt worden
ist, auf Druckbeaufschlagung geschaltet und das erste Dreiwegeventil 92 in
eine Position gestellt, die eine Strömungsverbindung zwischen dem
Druckverteiler 82 und dem Kopfbereich 34 des Druckbehälters 14 herstellt.
Nach einer geringen Verzögerung öffnet das Absperrventil 62, und
beide Druckbehälter 10 und 14 arbeiten
nun im Abgabebetrieb. Der Druckbehälter 12 arbeitet im
Rückführungsbetrieb.
Wenn der Flüssigkeitspegel
im Druckbehälter 10 absinkt
und durch den zweiten Niedrigpegeldetektor 128 erfaßt wird, werden
das erste und das zweite Dreiwegeventil 88 und 94 so
eingestellt, daß der
Druckbehälter 10 nun durch
den Strömungspfad 102 entlüftet wird.
Insoweit arbeitet der Druckbehälter 10 nun
im Rückführungsbetrieb
mit dem Druckbehälter 12.
Während
dieser Zeit erfolgt ein Rückfüllen der
Druckbehälter 10 und 12 durch
nicht verbrauchte Flüssigkeit.
Wenn der im Druckbehälter 10 erfaßte Flüssigkeitspegel
ansteigt und durch den ersten Niedrigpegeldetektor 122 erfaßt wird,
wird das Ventil 52 in seine Offenstellung geschaltet, und
das Absperrventil 54 wird wieder in seine Schließstellung
geschaltet, so daß der
Druckbehälter 12 der
Füllbetriebsart
unterliegt und sich mit Flüssigkeit
füllt,
bis der Flüssigkeitspegel
vom Hochpegeldetektor 118 erfaßt wird. Gleichzeitig werden das
erste und zweite Dreiwegeventil 90 und 96 so eingestellt,
daß durch
den Strömungspfad 100 eine Entlüftung auf
Atmosphärendruck
erfolgen kann. Wenn der hohe Pegel durch den Pegeldetektor 118 erfaßt wird,
wird das Ventil 52 in seine Schließstellung zurückgestellt.
Während
des nächsten
Arbeitszyklus arbeitet der Druckbehälter 12 im Abgabebetrieb,
während
der Druckbehälter 10 vom
Rückführungsbetrieb
auf den Füllbetrieb übergeht,
und der Druckbehälter 14 zwischen
Abgabe- und Rückführungsbetrieb
umschaltet. Wie oben erwähnt,
ist eine solche Überlappung
der Betriebsarten gegenüber
einer gleichzeitigen Umschaltung bevorzugt, die ein gewisses Maß an Druckschwankung
im Strömungskreislauf 18 verursachen
könnte.
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Um
den Druck und daher die Flüssigkeitsströmung an
den Verwendungsstellen zu steuern, wird der Flüssigkeitsdruck innerhalb des
Strömungskreislaufes 18 durch
einen Druckwandler 134 abgefüllt. Seine zentrale Anordnung
stellt daher einen konstanten Druck (der in einer konstanten Strömung resultieren
kann) an beiden Verwendungsstellen 2 und 3 sicher.
Der Ausgang des Druckwandlers 134 wird als Eingang zu einem
Regler 136 zugeführt,
der wiederum den Pilotregler 106 und das Druckregulierventil 104 einstellt,
die fernbetätigte
Steuerventile zur Steuerung des Gasdrucks in dem dem Abgabebetrieb
unterliegenden Druckbehälter
und den Innendruck des dem Rückführungsbetrieb
unterliegenden Druckbehälters
unterliegt, so daß der
Flüssigkeitsdruck,
wie er vom Druckwandler 134 erfaßt wird, innerhalb der Ansprechgrenzen
des Systems im wesentlichen konstant bleibt. Der Regler 136 ist
so programmiert, daß,
wenn der Flüssigkeitsdruck
abfällt, der
Pilotregler 106 öffnet,
um den Druck zu steigern, und umgekehrt. Des weiteren wird dann
das Druckregulierventil 104 eingestellt, um einen niedrigeren Druck
in dem dem Rückführungsbetrieb
unterliegenden Druckbehälter
aufrechtzuerhalten, und der vom Druckwandler 134 erfaßte Flüssigkeitsdruck
ist wiederum konstant. Dies wird durch Programmieren des Reglers 136 bewerkstelligt,
um den Flüssigkeitsdruck konstant
zu halten und den Pilotregler 106 und das Druckregulierventil 104 gemäß deren
Strömungseigenschaften
in geeigneter Weise einzustellen.
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Eine
Alternative, aber weniger bevorzugte Maßnahme zur Regulierung des
Gasdrucks und des Innendrucks und daher zur Steuerung der Flüssigkeitsströmung an
den Verwendungsstellen ist die Verwendung mechanisch eingestellter
Ventile für
den Pilotregler 106 und das Druckregulierventil 104.
Solche mechanisch eingestellten Ventile sind mit Einstellungen versehen,
um einen konstanten Gasdruck und einen konstanten Innendruck aufrechtzuerhalten.
Der Nachteil solcher Mittel ist der, daß sie den Flüssigkeitsdruck
und daher die Strömung
nicht so präzise
wie ein elektronisches System aufrechterhalten, das an den Verwendungsstellen
auf den Flüssigkeitsdruck
anspricht.
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Das
Druckregulierventil 104 könnte ein mechanisches Gerät sein,
das so ausgelegt ist, daß ein konstanter
Druck in dem dem Rückführungsbetrieb unterliegenden
Behälter
aufrechterhalten wird. In einem solchen Fall würde nur der Pilotregler 106 durch den
Regler 136 in Abhängigkeit
von der Flüssigkeitsdruckveränderung
eingestellt. In gleicher Weise könnte
der Pilotregler 106 ein mechanisches Gerät sein,
wobei nur das Druckregulierventil 104 durch den Regler 136 in
Abhängigkeit
von einer Flüssigkeitsdruckveränderung
betätigt
würde.
Bei jeder Ausführungsform
muß jedoch
das Druckregulierventil 104 so arbeiten, daß eine Druckdifferenz
zwischen dem Gasdruck und dem während
des Rückführungsbetriebs
entlüfteten
Gas aufrechterhalten wird, um die Flüssigkeit durch den Strömungskreislauf 18 zu treiben.
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In
der oben umrissenen Weise kommt eine möglicherweise korrosive und/oder
abrasive Flüssigkeit
niemals in Kontakt mit der Aufrechterhaltung eines konstanten Flüssigkeitsdrucks
dienenden Steuerventilen. Obwohl nur drei Druckbehälter in
der Zeichnung dargestellt sind, können mehr als drei Druckbehälter in
einer Ausführungsform
nach der Erfindung eingesetzt werden. Beispielsweise könnte ein
vierter Druckbehälter
für den
Fall eines Systemausfalls stets gefüllt und druckbeaufschlagt sein. Wie
oben erwähnt,
ist ein Minimum von zwei Kammern oder Druckbehältern notwendig, um die Erfindung
auszuführen.