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1. Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verteilung von flüssigen Prozesschemikalien
aus einer Bulk-Quelle oder einem Behälter zu einem oder mehreren
Endverbrauchern, insbesondere zur Verteilung von ultrareinen flüssigen Chemikalien
zur Halbleiter-Wafer und elektronische Chips herstellenden Verbrauchern.
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2. Verwandter Stand der
Technik
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Bei
vielen Herstellungsprozessen müssen verschiedene
Chemikalien aus einer Bulk-Quelle ohne Verunreinigung oder Beeinträchtigung
der chemischen Eigenschaften zur Verbrauchsstelle verteilt werden.
Zum Beispiel sind bei Halbleiter-Wafer- und Rechner-Chip-Herstellungsprozessen
ultrareine Chemikalien zur Reinigung, zum Ätzen und zur Oberflächenbehandlung
und dergleichen erforderlich. Zu diesen Chemikalien können kaustische
Laugen, Säuren
und organische Flüssigkeiten,
wie zum Beispiel Ammoniumhydroxid, Natriumhydroxid, Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Essigsäure, Wasserstoffperoxid,
Isopropylalkohol, Tetramethylammoniumhydroxid, chemische Aufschlämmung und
Mischungen der obigen oder anderer Chemikalien gehören. Die
Chemikalien müssen
unabhängig
von kontinuierlichem oder intermittierendem Gebrauch an der Verbrauchsstelle
vorliegen. Des Weiteren müssen
die Chemikalien auf einem sehr hohen Reinheitsgrad gehalten werden, ohne
dass sie bei der Zuführung
und Verteilung aus Bulk-Quellen verunreinigt werden.
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Bisher
sind einige Verfahren zur Verteilung der Chemikalien bereitgestellt
worden. Eines der Verfahren ist die von Johns (WO/05406), Magnasco
und Viale (
US 4,524,801 ),
Geatz (
US 5,148,945 ),
Bernosky et al. (WO94/21551,
US
5,370,269 ) und Ferri und Geatz (
US 5,330,072 und
US 5,417,346 ) offenbarte „Vakuum- Druck"-Verteilung. Die
Grundidee besteht darin, dass die abzugebende Chemikalie mittels
des durch eine Vakuumpumpe erzeugten Vakuums innerhalb eines Druckbehälters aus
einer Bulk-Chemikalienquelle abgezogen und dann durch Druckbeaufschlagung
der Chemikalie mit inertem Gas zum Verbraucher verteilt wird. Die
Chemikalie kann durch Betrieb mit hohem Druck mit mehr als zwei
Systemen parallel zu einem weit entfernten Verbraucher kontinuierlich
verteilt werden. Dieses „Vakuum-Druck"-Verfahren weist
jedoch mehrere Nachteile auf. Zunächst kann die Chemikalie durch
die Leckage von Umgebungsluft in das System aufgrund des Unterdrucks
innerhalb des Systems verunreinigt werden. Ein anderer Nachteil
besteht darin, dass die zur Erzeugung des Vakuums verwendete Vakuumpumpe
aufgrund der Korrosion der Pumpenkomponenten durch den Dampf und
die Tröpfchen
der Chemikalien eine hohe Ausfallzeit besitzt. Ein weiterer Nachteil
besteht darin, dass der Auslass des inerten Gases mit dem Dampf
und den Tröpfchen
der Chemikalien aus dem Vakuumverfahren zu Umweltproblemen führt. Diese
Abgase können
durch die Chemikalie gesättigt
sein, und zwar insbesondere bei der Verteilung von Chemikalien mit
hohem Dampfdruck. Da das inerte Gas die Chemikalie mit einem hohen Druck
direkt berührt,
löst sich
das Gas in der flüssigen
Phase auf und bildet Blasen in der Chemikalie. Die Blasen können die
Qualität
bei der Herstellung der Wafer und elektronischen Chips stark beeinträchtigen.
Sie können
zum Beispiel an der Wafer-Oberfläche
anhaften und zu einer nicht-benetzten Stelle auf der Oberfläche führen.
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Ein
anderes Verfahren zur Verteilung der Chemikalie an Endverbraucher
ist das von Ramsay (
US 5,570,815 )
offenbarte Verfahren unter Verwendung eines so genannten zusammendrückbaren
Behälters.
Bei diesem Verfahren müssen
die zu verteilenden Chemikalien in einen Behälter mit flexiblen Wänden gefüllt werden.
Dieser Behälter
wird dann in einem Druckgefäß angeordnet
und mit einem Hochdruckgas zusammengequetscht. Dies führt dazu, dass
die Chemikalie aus dem Behälter
herausgedrückt
und den Verbrauchern zugeführt
wird. Die Chemikalie kommt im Gegensatz zum Vakuum-Druck-Verfahren
nicht direkt mit dem Hochdruckgas in Kontakt. Jedoch ist die Überwachung
der Chemikalienmenge schwierig, wodurch eine kontinuierliche Abgabe
der Chemikalien schwierig ist. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens
besteht darin, dass das Verteilsystem bei diesem Verfahren nicht
automatisch gesteuert werden kann. Des Weiteren kann der zusammendrückbare Behälter unter
dem hohen Druck aufgrund der Trennkraft des Hochdruckgases leicht
zerbrechen, insbesondere an den Befestigungsstellen.
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Ein
anderes weithin verbreitetes Verfahren ist das Pumpabgabeverfahren.
Eine Verdrängerpumpe,
wie zum Beispiel eine durch Luft oder Gas betriebene Doppelmembranpumpe,
wird zur Zuführung
der Chemikalie aus einer Bulk-Quelle oder einem Zwischenbehälter an
die Endverbraucher verwendet. Mit der technischen Entwicklung wurde
die Hubkraft dieser Pumpenart verbessert. Zum Beispiel kann eine Yamada-Membranpumpe
mit einem Druck von bis zu 344,75 kPa (50 psi) betrieben werden.
Diese Hubkraft ist jedoch für
viele Anwendungen immer noch nicht hoch genug, und zwar insbesondere
für die
Verwendung viskoser Chemikalien und die Zuführung über lange Strecken. Ein weiterer
Nachteil besteht in der Verschmutzung durch die aufgrund der durch
die Pumpe erzeugten Strömungspulsationen
von den Komponenten des Verteilsystems abgegebenen Verunreinigungen.
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Ein
weiteres Verfahren ist die so genannte Pumpen-Druck-Verteilung. Es wird eine Pumpe
zur Zuführung
der Chemikalien aus einer Bulk-Quelle zu einem Druckbehälter eingesetzt.
Dann wird die Chemikalie im Behälter
mit Hochdruckgas druckbeaufschlagt, um den Endverbrauchern durch
ein Verteilsystem zugeführt
zu werden. Es bestehen bei den Vakuum-/Druck- und Pumpen-Abgabeverfahren immer
noch einige der oben erwähnten
Nachteile. Erstens löst
sich das die Chemikalie direkt berührende Gas in der Chemikalie
auf und bildet Blasen, die zu einem großen Problem auf den Wafer-
und Mikron-Chip-Oberflächen führen. Zweitens
werden die ultrareinen Chemikalien durch die von den Filtern und anderen
Komponenten durch die Pulsationen bei Anfahren einer Pumpe abgelösten Verunreinigungen verschmutzt.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Verteilung von
Prozesschemikalien, vorzugsweise ultrareinen flüssigen Chemikalien, gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 11. Solche Verfahren und Vorrichtungen sind zum Beispiel aus
der
US 5,570,815 bekannt.
Es werden Chemikalien aus einer Bulk-Quelle in eine Druckkammer
zwischen der Innenwand eines Druckbehälters und einem innerhalb des
Druckbehälters
installierten ballonförmigen Gasbeutel
gepumpt und dann mit dem Ballon druckbeaufschlagt, während er
mit Hochdruckgas gefüllt wird,
zwecks Verteilung zu einem oder mehreren Endverbrauchern durch eine
Reihe von Leitungen und Stromregelvorrichtungen. Durch die Verwendung
eines Ballons wird ein direkter Kontakt des Hochdruckgases mit der
flüssigen
Chemikalie und somit die mögliche
Verunreinigung und Auflösung des
Gases in der Chemikalie vermieden. Die Abgase aus dem Ballon innerhalb
des Druckbehälters
während
der Druckentlastung stellen kein Problem für die Umwelt dar. Eine zur
Zuführung
der Chemikalie aus der Bulk-Quelle
zur Druckkammer verwendete Pumpe gewährleistet, dass sich das System
immer unter Überdruck
befindet, um eine Verunreinigung durch in das System leckende Umgebungsluft
und die sich durch ein Versagen eines Unterdrucksystems ergebende
Ausfallzeit auszuschließen.
Die Verwendung einer optionalen doppelten Druckkammer bietet die Möglichkeit
einer kontinuierlichen Verteilung der Chemikalie zu Endverbrauchern
aus einer Kammer, während
sich die andere Kammer im Füllvorgangsmodus
befindet. Die Chemikalie kann durch eine Rückführleitung zur Bulk-Quelle zurück rezirkulieren, bevor
sie aus irgendwelchen Qualitätsgründen zur Druckkammer
geht. Die Chemikalie kann auch aus der Druckkammer entweder zur
Bulk-Quelle zurück oder
zu einer anderen Druckkammer rezirkulieren. Zur Rezirkulation überschüssiger Chemikalien
von der Verbraucherstation zur Bulk-Quelle kann eine der anderen
Rezirkulations-Rückführleitungen
verwendet werden. Die erfindungsgemäße Verteilungsvorrichtung ist
vorzugsweise in einen Schrank integriert und wird vorzugsweise durch
ein elektronisches Steuersystem gesteuert.
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Mit
den in der vorliegenden Anmeldung offenbarten erfindungsgemäßen Aspekten
sind viele der mit vorherigen Übertragungs-
und/oder Verteilsystemen und -Verfahren für Chemikalien verbundenen Probleme
gelöst
worden. Kurz gesagt, die Erfindung verwendet einen oder mehrere
Druckbehälter, in
deren Inneren ein Ballon mit flexibler und nicht-ausdehnbarer Wand
installiert ist, um eine Chemikalie gleichmäßig und kontinuierlich ohne
Verunreinigung und Gasauflösung
einem Endverbraucher zuzuführen.
Da der im Druckbehälter
installierte Ballon ein Hochdruckgas von den Chemikalien trennt, werden
Gasauflösung
in der Chemikalie und die sich daraus ergebenden Gasblasenprobleme
wirksam beseitigt. Des Weiteren werden sich in dem den Ballon füllenden
Hochdruckgas befindende Verunreinigungen nicht in die Chemikalie übertragen,
und die äußerst giftige
Chemikalie wird nicht in das abzulassende Gas übertragen, was zu erheblichen
Umweltproblemen führen
würde.
Im Gegensatz zum Vakuum-/Druck-System wird eine Verunreinigung durch
in das System leckende Umgebungsluft vermieden, weil das offenbarte
Zuführungssystem
immer einen Druck aufweist, der größer als der oder gleich dem Umgebungsdruck
ist.
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Die
Chemikalie wird von der Bulk-Quelle mit einer Pumpe durch eine Leitung,
vorzugsweise mit einem Pulsationsdämpfer und anderen Komponenten,
dem Druckbehälter
hinzugefügt.
Durch die Verwendung eines Strömungspulsationsdämpfers werden
die durch die Membranpumpe erzeugten Impulse wirksam unterdrückt, ein
oder mehrere der Pumpe nachgeschaltete optionale Filter fangen teilchenförmige Verunreinigungen
in der Chemikalie, die entweder von den sich bewegenden Teilen der
Pumpe stammen oder in der Bulk-Chemikalie vorhanden sind, ab. Des
Weiteren ist vorzugsweise eine Umgehungsleitung vorgesehen, mittels
der die Chemikalien, falls erforderlich, zur Bulk-Quelle zurück zirkuliert werden
können,
bevor sie zum Druckbehälter
geleitet werden. Besteht irgendein Qualitätsproblem kann die Chemikalie
somit dann durch die Umgehungsleitung zum Bulk-Versorgungsbehälter zurück rezirkuliert werden.
Im Gegensatz zu bereits bekannten Verteilsystemen, werden die Qualität, einschließlich der
Assaykonzentration sowie des Reinheitsgrads der Chemikalie, gewährleistet,
und die Möglichkeit
einer Verunreinigung des Systems durch unerwartete Chemikalien ist
vollständig
ausgeschlossen.
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Die
Qualität
der dem Endverbraucher zugeführten
Chemikalie wird weiter verbessert, indem vorzugsweise die Verunreinigungsgrade,
wie zum Beispiel Teilchen und ionische Verunreinigungen, entweder
online oder offline überwacht
werden. Die aus dem Hochdruckzuführungsbehälter stammende Chemikalie
wird vorzugsweise auf Reinheit überwacht.
Bei hohen Verunreinigungskonzentrationen wird die Chemikalie durch
eine andere Zirkulationsleitung zur Bulk-Versorgungsquelle zurück rezirkuliert.
Diese Zirkulationsleitung bildet auch den Weg für überschüssige Chemikalien bei geringem
Bedarf durch den Endverbraucher entweder zur Bulk-Quelle zurück oder
zu einem anderen parallel geschalteten Druckbehälter.
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Es
sind vorzugsweise eine oder mehrere zusätzliche Rezirkulationsleitungen
vorgesehen, um überschüssige Chemikalien
während
des Füllvorgangsmodus
von den Endverbraucherstationen entweder zur Bulk-Quelle oder zu
einem anderen Druckbehälter
zu rezirkulieren. Durch diese Rezirkulation wird die Qualität der Chemikalien
weiter verbessert und gewährleistet.
Es kommt zu keiner Ansammlung jeglicher in den Chemikalien bestehenden
Verunreinigungen an irgendeinem lokalen Abschnitt, und somit wird
das Verunreinigungsproblem beseitigt.
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Durch
Verwendung von zwei oder mehr Druckbehältern, die die gleiche Chemikalie
enthalten, kann die Chemikalie vorzugsweise den Endverbrauchern
ohne Unterbrechung kontinuierlich zugeführt werden. Die Chemikalie
wird von einem Druckbehälter
verteilt, während
sich ein anderer entweder im Füllmodus
befindet oder auf den Chemikalienverteilvorgang wartet. Durch diese
bevorzugte kontinuierliche Verteilung wird nicht nur dem Bedarf
des Verbrauchers zu jeder Zeit entsprochen, sondern auch die durch
den intermittierenden Betrieb erzeugte Verunreinigung, die bei bereits
bekannten Zuführungssystemen
auftritt, beseitigt.
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Die
Zuverlässigkeit
der erfindungsgemäßen Systeme
wird durch den Verzicht auf Vakuumpumpen verbessert. Es kommt zu
keiner Ausfallzeit aufgrund von Vakuumpumpenversagen durch Korrosionsprobleme.
Des Weiteren wird die Systemzuverlässigkeit durch einen vorzugsweise
automatischen Betrieb mit einem Rechner (SPS). Die Chemikalienfüllstände in den
Druckbehältern,
die Ventile und die Pumpe werden für eine gleichmäßige und
kontinuierliche Zuführung
vorzugsweise mit dem Rechner (SPS) automatisch gesteuert und koordiniert.
Das Verteilsystem einschließlich
der elektronischen Steuervorrichtungen ist vorzugsweise in einem
Schrank integriert. Deshalb lässt
sich der Vorgang leicht überwachen
und/oder steuern. Die Verwendung eines Schranks hilft auch dabei,
Platz zu sparen, den vorherige Verteilsysteme einnahmen.
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Demgemäß besteht
eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung
von Verfahren und Systemen zur gleichmäßigen und kontinuierlichen
Zuführung
von Chemikalien, die vorzugsweise ultrarein sind, aus einer Bulk-Quelle
zu einem beliebigen Endverbraucher ohne Verunreinigung.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
von Verfahren und Systemen zur zuverlässigen Zuführung der ultrareinen Chemikalien
ohne Versagen irgendeiner Komponente oder irgendwelcher Teile.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
von Verfahren und Systemen zur Trennung der Chemikalie von dem Hochdruckgas,
um das Auflösen
des Gases in der Chemikalie und jegliche Verunreinigungen im Gas, die
die Chemikalie verschmutzen, auszuschließen.
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Eine
zusätzliche
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
von Verfahren und Systemen zur Trennung der Chemikalie vom Gas,
um die giftigen Chemikalien in den Abgasen und somit auch die Umweltprobleme
auszuschließen und
die Gesamtkosten zu reduzieren.
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Noch
eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung von Verfahren
zur Gewährleistung
der Qualität
der Chemikalien und zur Beseitigung von Systemverunreinigung durch
Chemikalien unzureichender Qualität aus der Bulk-Quelle und somit
der Ausfallzeit durch Einsatz von Rezirkulations-Rückleitungen
an verschiedenen Stellen.
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Noch
eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
von Verfahren und Systemen mit einer wahlweisen Online- oder Offline-Überwachung und -Analyse der
Chemikalien-Assay- und -Verunreinigungskonzentrationen.
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Noch
eine zusätzliche
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
von Verfahren und Systemen, die Komponenten wie Pumpen, Ventile,
Sensoren und Sonden einsetzen, die automatisch direkt oder indirekt
mit einem Rechner oder einem elektronischen Steuersystem gesteuert
und betrieben werden können.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
von Verfahren und Systemen, die einen Rechner (SPS) für einen
Systembetrieb mit höchster
Zuverlässigkeit
und höchster Qualität der Chemikalienzuführung einsetzen.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
von Systemen, die einen Schrank umfassen, in dem das erfindungsgemäße Verteilsystem
zwecks sicheren Betriebs und Platzeinsparung enthalten ist.
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Die
Verfahren und Systeme gemäß der Erfindung
verwenden vorzugsweise zwei oder mehr Druckbehälter, in deren Inneren ballonförmige Gasbeutel
zur Zuführung
der Chemikalien installiert sind. Eine Kammer zwischen dem Ballon
und der Innenwand des Druckbehälters
wird durch eine Pumpe bei Atmosphärendruck mit der Chemikalie
gefüllt
und dann durch den Ballon mit Druck beaufschlagt, wenn der Ballon
mit Hochdruckgas gefüllt
wird, um die Chemikalie zu übertragen.
Durch Installieren eines Ballons innerhalb des Druckbehälters ist
das Hochdruckgas von der Chemikalie getrennt und eine gegenseitige
Verunreinigung wird ausgeschlossen. Durch Überwachung des Chemikalienfüllstandes
innerhalb des Druckbehälters
mit Füllstandssensoren können zwei
oder mehr Druckbehälter
abwechselnd im Füll-
oder Druckbeaufschlagungsmodus betrieben werden.
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Durch Übertragung
der Chemikalie aus einer Bulk-Quelle zum Druckbehälter mit
einer Pumpe wird die Kammer mit Chemikalien unter Überdruck
gefüllt. Indem
vorzugsweise ein Pulsationsdämpfer
und ein der Pumpe nachgeschalteter Filter verwendet werden, werden
die von der Pumpe erzeugten Impulse beseitigt und teilchenförmige Verunreinigungen
entfernt. Indem vorzugsweise eine dem Druckbehälter vorgeschaltete Rezirkulations-Rückführleitung
eingesetzt wird, kann die Chemikalie wieder zum Bulk-Quellenbehälter zurück rezirkuliert
und durch Mehrfachfiltration auf einer hohen Reinhalt gehalten werden.
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Vorzugsweise
werden drei weitere Rezirkulations-Rückführleitungen
für die
Chemikalien in den Druckbehältern
vorgesehen, die entweder zu einem anderen Behälter oder zum Bulk-Quellenbehälter übertragen
werden. Durch Verwendung der Rückführleitungen
kann der Druckbehälter
evakuiert werden, falls irgendeine Wartungsarbeit erforderlich ist, während ein
anderer Behälter
die Verteilung weiterführt;
die überschüssigen Chemikalien
von der Verbraucherstation können
entweder zur Bulk-Quelle zurück
oder zu einem anderen Behälter
in Füllbetrieb rezirkuliert
werden; ein Teil der Chemikalien aus dem Druckbehälter kann
zur Bulk-Quelle oder zu einem anderen Druckbehälter rezirkuliert werden, während der
verbleibende Teil den Verbraucherstationen zugeführt wird.
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Die
Erfindung verwendet Komponenten, die vorzugsweise mit einem Rechner über elektronische Mittel
betätigt
und gesteuert werden können.
Der Rechner empfängt
Signale von Überwachungssensoren
und Steuerungen und stellt den Prozess vorzugsweise sofort im Hinblick
auf Chemikalienqualität, Durchfluss,
Chemikalienfüllung,
Gasdruck im Ballon, Chemikalienrezirkulation und Status des Systembetriebs
ein. Mit den Vorteilen eines Chemikalienverteilschranks lassen sich
ein optimaler Betriebszustand und die beste Qualität der Chemikalienzuführung und -übertragung
erzielen.
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Für den Fachmann
werden die oben erwähnten
und andere Aufgaben der Erfindung bei Betrachtung der folgenden
Beschreibung sofort offensichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems
zur Übertragung und
Zuführung
von Chemikalien aus einer Bulk-Quelle zu einem Endverbraucher;
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2 ist eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäßen Druckbehälters mit
einem darin installierten ballonförmigen Druckbeutel;
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3 ist eine schematische
Darstellung des ballonförmigen
Druckbeutels zur Aufnahme von Hochdruckgas;
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4 ist eine schematische
Zeichnung eines erfindungsgemäßen Druckbehälters;
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5 ist eine schematische
Zeichnung einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckbehälters mit
dem darin installierten ballonförmigen
Druckbeutel;
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6 ist eine schematische
Zeichnung einer bevorzugten elektronischen Steueranordnung zur Verwendung
mit der Erfindung;
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7 ist ein Logikablaufdiagramm,
das das elektronische Steuersystem nach 6 darstellt; und
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8 ist eine Prinzipskizze,
die einen für
die vorliegende Erfindung geeigneten Chemikalienverteilschrank zeigt.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung stellt Verfahren und Systeme zur effektiven Übertragung
und Zuführung
von Prozesschemikalien zu beliebigen Endverbrauchern bereit. Die
erfindungsgemäßen Systeme umfassen
in erster Linie vier Teile: ein Chemikalienfüllmodul, ein Druckbeaufschlagungs-
und Druckentlastungsmodul, ein Chemikalienzuführmodul und ein elektronisches
Steuermodul. Bevorzugte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Systeme
und Komponenten und die Funktionsweise jeder Komponentenausführungsform
werden wie folgt beschrieben.
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Chemikalienfüllmodul
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Das
Chemikalienfüllmodul überträgt Chemikalien
aus einer Bulk-Quelle zu einer oder mehreren Druckkammern zwecks
Verteilung zum Endverbraucher und Rezirkulation der Chemikalie durch
einen Filter zum Bulk-Quellenbehälter zurück. Nunmehr
auf 1 Bezug nehmend,
wird die Chemikalie mit einer Pumpe 4 aus einer Bulk-Quelle 1,
durch eine Einlassleitung 2, einem Absperrhandventil 3 abgezogen
und dann durch einen Druckpulsationsdämpfer 5, einen Filter 7 mit
Absperrhandventilen 6 und 8 auf beiden Seiten,
ein automatisches Absperrventil 10a, eine Leitung 13 und
eine andere Leitung 12a, ein automatisches Absperrventil 14a,
ein Rückschlagventil 15a, eine
Leitung 16a, ein Absperrhandventil 17a und eine Leitung 18a zu
den Druckbehältern übertragen
und gelangt dann vom Boden der Druckbehälter 24a und 24b in
die Druckkammern 24c und 24d. Obgleich dies nicht
gezeigt ist, können
die Leitungen 18 am Oberteil oder an der Schulter mit den
Druckbehältern verbunden
sein.
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Bei
diesem Chemikalienfüllsystem
wird eine Rezirkulationsausführungsform
verwendet, um die Chemikalie aus der Bulk-Quelle und zu ihr zurück zu rezirkulieren.
Die Chemikalie wird von einer Stelle hinter dem automatischen Absperrventil 10a durch eine
Leitung 9, ein automatisches Absperrventil 10b, eine
andere Leitung 55, ein anderes automatisches Absperrventil 10c und
einen Teil der Leitung 54 zur Bulk-Quelle 1 zurück rezirkuliert.
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Eine Öffnung mit
einem Absperrhandventil 11a ist zur Entnahme von Proben
mit der Leitung 13 verbunden. Jegliche nicht gezeigten
Online-Überwachungsgeräte, wie
zum Beispiel ein Teilchenzähler, ein
Assaykonzentrations-Sensor oder ein Sensor zur Erfassung ionischer
Verunreinigung, können
mit dieser Öffnung
verbunden sein. Obgleich dies nicht gezeigt wird, können erfindungsgemäße Systeme
auch Durchflusssensoren und -messwertgeber zur Überwachung des Durchflusses
von Chemikalien durch das System enthalten.
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Der
Flüssigkeitsstand
innerhalb der Druckkammern 24c und 24d wird vorzugsweise
mit Füllstandssensoren überwacht,
die an der Außenwand der
Rohre 26a und 26b angebracht sind, welche über Leitungen 18a und 18b mit
dem Boden der Druckbehälter 24a und 24b und über Leitungen 27a und 27b mit
dem Oberteil der Behälter
verbunden sind. Diese Rohre können
aus Kunststoffmaterial, wie zum Beispiel hochdichtem Polyethylen,
TEFLON oder PFA, bestehen. Signale von Niedrigstandmesssensoren 32a und 32b und
Hochstandmesssensoren 33a und 33b warnen einen
Rechner (SPS), das Füllen
mit Chemikalien zu starten oder anzuhalten, indem Ventile 14a und 14b angesteuert werden.
Signale der Extremniedrigstand- und Extremhochstandmesssensoren 31a, 31b, 34a und 34b werden
dazu verwendet, den Bediener zu alarmieren, wenn irgendwelche Inspektions-
und Wartungsarbeiten der Füll-
und Druckbeaufschlagungssysteme erforderlich sind. Die Auswahl an
Füllstandssensoren
ist groß.
Es werden kapazitive Sensoren bevorzugt, wie zum Beispiel jene von
Allen-Bradley (Deutschland).
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Die
Leitungen können
aus einem beliebigen Kunststoffmaterial bestehen, das mit den Chemikalien
kompatibel ist, wobei bei der vorliegenden Erfindung TEFLON und
PFA bevorzugt werden. Bei der Pumpe kann es sich um eine beliebige
Verdrängerpumpe,
wie zum Beispiel Doppelmembranpumpen oder eine Balg-Pumpe, handeln.
Bei den Materialien für
die Pumpe und die Pulsationsdämpfer
kann es sich um beliebige kompatible Kunststoffmaterialien handeln.
Bevorzugt werden TEFLON-Membranpumpen,
Dämpfer
von Yamada (Yamada America, Inc., Schaumburg, IL) und jene von ASTI
(Courbevoir, Frankreich). Bei den automatischen Absperrventilen kann
es sich um TEFLON-Magnetventile, TEFLON-Druckluftventile und um jegliche andere ähnliche
Ventile handeln. Bevorzugt werden TEFLON-Druckluftventile. Bei den Absperrhandventilen und
Rückschlagventilen
kann es sich auch um beliebige solche Ventilarten handeln, die mit
kompatiblen Materialien hergestellt sind, vorzugsweise um TEFLON- und PFA-Ventile.
Alle Absperr- und Rückschlagventile
sind von Fluoroware (Chaska, Minnesota) und anderen Firmen erhältlich.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform, mit
der Chemikalien in den Ballon gefüllt werden und Hochdruckgas
in die Kammer zwischen der Behälterwand
und dem Ballon gefüllt
wird, kann für
die Übertragung
und Verteilung von Chemikalien verwendet werden. Die Chemikalie
kann vom Oberteil des Ballons herausgequetscht werden. Die in 1 dargestellte Ausführungsform
lässt sich
durch Änderung der
Chemikalienfüllleitungen
und der Druckbeaufschlagungsleitungen zur Entsprechung der Verteilungserfordernisse
leicht modifizieren.
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Druckbeaufschlagungs-
und Druckentlastungsmodul
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Die
Chemikalien innerhalb der Druckkammern 24c und 24d werden
durch einen mit Hochdruckgas gefüllten
ballonförmigen
Druckbeutel angetrieben. Bei diesem Hochdruckgas kann es sich um ein
beliebiges inertes Gas, wie zum Beispiel Stickstoff, Argon, Helium,
und gereinigte, druckbeaufschlagte Trockenluft handeln. Der Gasdruck
kann in Abhängigkeit
von den physikalischen Eigenschaften der Chemikalien, dem Abstand
von der Zuführungseinheit
zum Endverbraucher und dem an der Verbraucherstelle erforderlichen
Druck in einem Bereich von 6,9 bis 690 kPa (1 bis 100 psig) liegen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird Stickstoffgas bevorzugt, da
es rein ist und an den meisten Chemikalienverbraucherstellen leicht
erhältlich
ist.
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Wie
in 1 dargestellt, strömt das Gas
von einer nicht gezeigten Bulk-Quelle durch einen nicht gezeigten
Verteileranschluss zu Leitungen 56a und 56b. Absperrhandventile 57a und 57a werden
dazu verwendet, den Gasstrom manuell ganz abzuschalten, wenn Reparatur
und Austausch irgendwelcher Teile stromabwärts erforderlich sind. Dann
strömt
das Gas durch Leitungen 58a und 58b, Druckregler 59a und 59b,
Druckwandler 60a und 60b, Filter 61a und 61b und
dann zu automatischen Absperrventilen 62a und 62b.
Natürlich
können
diese beiden Leitungen mit den Gasleitungen, Ventilen, Reglern und
Filtern auch zu einer einzigen Leitung kombiniert werden, und dann
wird das Gas hinter dem Filter 61 getrennt, so dass es
zu den jeweiligen Absperrventilen 62a und 62b strömt. Die
beiden getrennten Leitungen sind für eine bessere Steuerung und
einen besseren Betrieb, insbesondere zur Gewährleistung der bevorzugten
kontinuierlichen Zuführung
der Chemikalien bei Austausch irgendeiner Komponente, wie zum Beispiel
des Gasfilters, bevorzugt. Dann strömt das Gas durch Leitungen 63a und 63b zu
jeweiligen Ballonbeuteln 25a und 25b in den Druckbehältern 24a und 24b.
Druckwandler 64a und 64b werden zur Überwachung
des Gasdrucks innerhalb der Ballons verwendet und Druckentlastungsventile 65a und 65b zur
Entspannung des Drucks innerhalb der Ballons 25a und 25b,
sobald der Druck größer ist
als der jemals erforderliche.
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Das
Hochdruckgas innerhalb der Ballons 25a und 25b wird
entspannt, bevor das Füllen
mit Chemikalien beginnt. Das automatische Absperrventil 62a oder 62b wird
geschlossen, und die automatischen Absperrventile 66a und 66b werden
geöffnet, um
das Gas im Ballon durch die Leitungen 63a und 63b abzulassen.
Das Abgas durchströmt
die Filter 67a und 67b. Leitungen 68a und 68b können mit
dem Hauptablasssystem der Einrichtung verbunden werden. Jegliches
in den Druckbehältern
eingeschlossene chemische Gas kann durch die Leitungen 27a und 27b,
Leitungen 28a und 28b, automatischen Absperrventile 29a und 29b,
wenn sie geöffnet
sind, und dann Leitungen 30a und 30b an die Druckentlastungsleitungen
abgegeben werden. Vorzugsweise sind die Ventile 66a und 66b während des
Chemikalienfüllvorgangs
für den
Ballon unter Atmosphärendruck
geöffnet.
Die Ventile 29a und 29b sind vorzugsweise während des
Chemikalienfüllvorgangs
geöffnet,
aber diese Ventile können
geschlossen sein, wenn das eingeschlossene chemische Gas aus dem Druckbehälter abgelassen
werden muss.
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Die
Leitungen 56a, 56b, 58a und 58b können entweder
aus rostfreiem Stahl, wie zum Beispiel elektronischer polierter
rostfreier Stahl 316L, oder Kunststoffmaterial, wie zum
Beispiel Polypropylen, und TEFLON PFA, bestehen. Die Ventile 57a und 57b können die
Ventile aus elektronisch poliertem rostfreiem Stahl von AP Tech
(Napa, CA) und das TEFLON PFA-Handventil von Fluoroware (Chaska,
Minnesota) sein. Die Regler 59a und 59b sind vorzugsweise
jene elektronischen pneumatischen Regler aus rostfreiem Stahl, wie
jene von AP Tech und SMC Pneumatic (Warrenville, IL). Die Druckwandler
können
piezoelektrischer oder kapazitiver Art sein, bevorzugt werden bei
der vorliegenden Erfindung jene ganz aus Kunststoff bestehenden
kapazitiven Druckwandler, wie zum Beispiel von Fluoroware und NT
International (Minneapolis, MN) erhältlichen. Die Filter 61a und 61b sind
vorzugsweise Wegwerf-Filter aus Metall oder Kunststoff mit einer
Porengröße von 0,1 μm. Es können Wegwerf-Filter
aus Metall von Millipore (Bedford, MA) für diesen Zweck verwendet werden.
Obgleich die Materialauswahl für
die Ventile 62, 66 und 29, die Druckwandler 64 und
die Druckentlastungsventile 65 groß ist, wird die Verwendung
von pneumatischen TEFLON PFA-Ventilen, Drucksensoren und Druckentlastungsventilen
ganz aus TEFLON, wie sie zum Beispiel von Fluoroware (Chaska, MN)
erhältlich
sind, bevorzugt. Die Filter 67 werden in erster Linie dazu
verwendet, chemische Tröpfchen zu
entfernen, die in den Abgasen mitgerissen werden könnten, wenn
das Ventil 29 geöffnet
ist. Diese Filter sind vorzugsweise Wegwerf-Kunststofffilter aus
Polypropylen oder TEFLON-Membranfilter mit einer Porengröße von 0,1 μm von Millipore.
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Wie
in 1 dargestellt, sind
die Leitungen hinter den automatischen Absperrventilen 66a und 66b vorzugsweise
U-förmig,
um jegliche Flüssigkeit von
den Filtern 67 aufzufangen. Handventile 41a und 41b befinden
sich am unteren Punkt der U-förmigen Leitungen,
um die aufgefangene Flüssigkeit
abzulassen. Diese Handventile können
durch ein automatisches Absperrventil, dem ein (nicht gezeigter)
Flüssigkeitsstandsensor
zur Überwachung
der Flüssigkeit
im U-Rohr zugeordnet ist, ersetzt werden. Obgleich dies nicht gezeigt
ist, kann hinter den Filtern 67 ein kompakter Schalldämpfer installiert
sein, um den durch das Ablassen der Hochdruck-Abgase aus den Ballonbeuteln
erzeugten Lärm
zu dämpfen.
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Chemikalienfüllmodul
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Dieses
System führt
die Chemikalien aus den Druckkammern 24c und 24d der
Druckbehälter 24a und 24b durch
eine Reihe von Leitungen und Steuerkomponenten den Endverbrauchern 70b zu.
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Die
Druckkammer ist zur Versorgung der Endverbraucher mit Chemikalien
bereit, sobald der Füllvorgang
beendet ist. Nach der Druckbeaufschlagung der Chemikalien mit dem
mit dem Hochdruckgas gefüllten
Ballon strömt
die Chemikalie durch das normalerweise geöffnete Handventil 17a oder 17b, Leitung 19a oder 19b,
ein automatisches Absperrventil 20c oder 20d,
Leitung 23, einen Filter 37 mit zwei Handventilen 35 und 39,
Leitung 40 und Leitung 42 mit einer Reihe von
Ventilen und Durchflussmessern zur Leitung 46 und dann
den Chemikalien-Verteiler 69 in der Nähe der Endverbraucherstationen 70b.
Die Leitung 42 besteht aus einem motorgetriebenen Nadelventil 43a und
einem Durchflussmesswertgeber 43b, einem normalerweise
geöffneten Handventil 45a,
eine Leitung 44 und einem automatischen Absperrventil 45b.
Der Durchflussmesser 43b wird dazu verwendet, dem Rechner
(nach der Darstellung in 8)
zur Systembetriebssteuerung den Durchfluss durch das System zu liefern.
Das Nadelventil 43a wird vorzugsweise automatisch mit einem Signal
vom Rechner auf Grundlage der Flussanzeige von 43b und
einem voreingestellten Parameter eingestellt. Der Durchflussmesswertgeber
ist vorzugsweise der Druckdifferenzart, wie zum Beispiel jene von
NT International (Minneapolis, MN) erhältlichen, der Wirbelströmungsart,
wie zum Beispiel jene von ASHAHI America (Malden, MA) erhältlichen,
oder einer Ultraschallart, wie zum Beispiel jene von Honda Elektronics
durch Nano-Master USA, Inc., (Austin, TX). Besonders bevorzugt ist
die Ultraschallart. Wie die Ventile im Chemikalienfüllsystem
werden vorzugsweise pneumatische Ventile als die automatischen Absperrventile
verwendet, und sowohl die Absperrhandventile als auch die automatischen
Ventile können
jene Ventile aus dem TEFLON PFA von Fluoroware sein.
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Der
Strömungsverteiler 69 umfasst
vorzugsweise eine Reihe von Strömungsleitungen
und Stromregelkästen 70a.
Jeder Stromregelkasten umfasst vorzugsweise ein Nadelventil zur
Einstellung des Stroms durch die Leitung und einen Durchflussmesser
zur Überwachung
des Durchflusses. Das Nadelventil kann entweder der motorgetriebenen
oder der manuell betriebenen Art sein. Die motorgetriebene Art wird
für die
Rechnersteuerung bevorzugt. Der Durchflussmesser kann der gleichen
Art wie der Durchflussmesser 43b sein, und es kann sich
auch um einen handbetätigten
Schwebekörper-Durchflussmesser
aus TEFLON, wie zum Beispiel jene von Fluoroware erhältlichen,
handeln.
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Der
Filter 37 gewährleistet,
dass sich der Teilchenverunreinigungsgrad in der Chemikalie innerhalb
der Spezifikation befindet. Ein Patronenfilter mit einem Durchmesser
von 10 Zoll und einer Porengröße von 0,05 μm wird bei
der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Diese Filterart ist von mehreren
Herstellern, wie zum Beispiel Millipore (Bedford, MA) und Pall (Fast
Hills, NY), erhältlich.
Das Material für
die Filterpatrone und das Filtergehäuse wird auf Grundlage der
chemischen Eigenschaften ausgewählt. Zum
Beispiel werden der Millipore Wafergard PF-80-Patronenfilter mit
einer Porengröße von 0,05 μm und das
Chemgard PFA-Gehäuse
für Systeme zur
Abgabe von Fluorwasserstoffsäure
bevorzugt. Die Filterlüftungsleitung
mit einem Absperrhandventil ist mit dem nicht gezeigten allgemeinen
Lüftungssystem
verbunden. Ein anderes Filtersystem mit der gleichen Art von Filter
und zwei Absperrventilen vor und hinter dem Filter wird bevorzugt.
Dieses Filtersystem ist parallel zum Filtersystem 37 installiert.
Wenn die Filterpatrone ausgetauscht werden muss, wird die Strömung mit
den Absperrventilen 35 und 39 unterbrochen, und
die Strömung
durchquert ein anderes Filtersystem, indem die Absperrventile vor
und hinter dem Filter geöffnet
werden.
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Eine Öffnung mit
einem Absperrhandventil 11b ist zur Entnahme von Proben
mit der Leitung 40 verbunden. Wie bei dem Chemikalienfüllsystem
können
mit dieser Öffnung
nicht gezeigte Online-Überwachungsgeräte, wie
zum Beispiel ein Teilchenzähler,
ein Assaykonzentrations-Sensor
oder ein Sensor zur Erfassung ionischer Verunreinigung, verbunden sein,
um die Chemikalienassaykonzentration und Verunreinigungskonzentrationen
zu überwachen.
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Der
Gesamtdurchfluss wird so gesteuert, dass der Durchfluss der Summe
jedes Verbrauchermaximalbedarfs entspricht und vorzugsweise mindestens
1 l pro Minute über
dieser Summe liegt. Dieser Überfluss
soll die Chemikalienzuführungsleitung immer
gespült
halten, und Chemikalien fließen
durch eine Rückleitung 47 mit
einem automatischen Absperrventil 48, eine Leitung 54 und
ein anderes automatisches Absperrventil 10c zur Bulk-Quelle 1 zurück. Bei
geringem oder Nullgebrauch wird die Chemikalie durch die Leitung 47 zur
Bulk-Quelle 1 zurück rezirkuliert.
In jedem Fall ist der Betrieb des Zuführungssystems nicht notwendigerweise
geändert.
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Ein
Leitung 49 ist zur Rezirkulation der Chemikalien zurück zur Bulk-Quelle 1,
falls die Qualität der
Chemikalien entweder hinsichtlich Assay oder Verunreinigungsgrad
gering ist, vorgesehen. Die Chemikalie vom Filter 37 strömt durch
die Leitung 49 mit einem Absperrhandventil 50,
eine Leitung 51, ein automatisches Absperrventil 52,
eine Leitung 53 und eine Leitung 54 und ein Ventil 10c zur
Bulk-Quelle 1 zurück.
Diese Rezirkulationsanordnung eignet sich besonders bei Verwendungsbeginn
des Systems zur Systemreinigung. Wenn diese Rezirkulation erforderlich
ist, sind das Ventil 45b, Ventil 48 und Ventil 10b vorzugsweise
geschlossen, was aber nicht notwendigerweise immer der Fall ist.
Die Chemikalie kann auch zu einem anderen Druckbehälter rezirkuliert werden,
der sich im Füllmodus
befindet, indem das Ventil 10b geöffnet und das Ventil 10a geschlossen wird.
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Die
Leitungen 21a und 21b sind zur Rezirkulation der
Chemikalie oder Leerung des Behälters,
indem der Strom der Chemikalien zu einem anderen Behälter durch
eine der beiden Leitungen durch Öffnen
des Ventils 20a oder 20b gestattet wird, vorgesehen.
Der Strom durchquert das Ventil 22a, die Leitung 12a oder 12b,
das Ventil 14a oder 14b, das Rückschlagventil 15a oder 15b,
die Leitung 16a oder 16b, das Ventil 16a oder 16b,
das Handventil 17a oder 17b und die Leitung 18a oder 18b zur
entsprechenden Druckkammer. Die Chemikalie kann auch durch die Leitung 13,
die Leitung 9, das Ventil 10b, die Leitung 55,
und das Ventil 10c zur Bulk-Quelle zurück strömen. Die Ventile entweder 20c oder 20d und 22b sind
geschlossen, wenn die Rezirkulation und das Entleeren des Behälters erforderlich
sind. Diese Ausführung
der Rezirkulationsleitungen gestattet, dass ein Behälter die
Chemikalienzuführung
weiterführt,
während
sich der andere im Rezirkulationsmodus oder Entleerungsbetrieb befindet.
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Die
Kammern 24c und 24d zwischen den Druckbehältern empfangen
zu den Endverbrauchern zu liefernde Chemikalien und führen sie
ab. Eine der bevorzugten Ausführungsformen
des Druckbehälters mit
den relativen Positionen und physischen Formen des Behälters und
des Ballons wird in den 2, 3 und 4 dargestellt. Sowohl der Behälter 24 als
auch der Ballon 25 weisen vorzugsweise den zylindrischen Körper mit
einem Hals 72 und 81 und einem Flansch 73 und 79 am
oberen Ende auf. Der Flansch 73 und ein anderer Sicherheitsflansch 75 weisen
eine Reihe von offenen Löchern
um die Flansche in der Nähe der
Außenränder auf,
durch die Befestigungsschrauben 74 passieren. Der Durchmesser
des Ballonzylinders ist gleich dem Innendurchmesser des Behälters oder
ein klein wenig größer. Die
Höhe des
Ballons ist vorzugsweise geringer als die des Behälters, jedoch ist
bei der vorliegenden Erfindung die gleiche Höhe besonders bevorzugt. Sowohl
der Behälter
als auch der Ballon weisen vorzugsweise gekrümmte Schultern und scharfe
Ecken an den Böden
auf. Natürlich können auch
die unteren Ecken wie die Schultern gekrümmt sein. Der Ballon ist im
Behälter
installiert und mit dem Flansch 75 und den Schrauben 74 befestigt. Der
Ballonhals berührt
vorzugsweise direkt die Innenwand des Behälters, wenn er mit Hochdruckgas gefüllt ist.
Vorzugsweise bilden der Boden des Ballons und die Innenseite und
Bodenwände
des Behälters
die Kammer für
die Chemikalien. Wenn die Zuführung
beginnt, wird das Hochdruckgas durch das Einlassrohr 63 in
den Ballon gefüllt,
und der Ballon dehnt sich unter dem Gasdruck entlang seiner Länge, um
die Chemikalie durch das Rohr 18, das am Boden mit dem
Behälterkörper verschweißt oder
auf andere Weise daran befestigt ist, aus der Kammer herauszudrücken. Der
Ballon kann sich in Abhängigkeit
von dem gesteuerten Strömungsniveau
und der Länge
des Ballons über
die ganze Strecke zum Behälterboden
dehnen oder an einer von der Wand beabstandeten Stelle. Der Ballon
selbst ist an der Wand einer Druckdifferenz von nahe Null ausgesetzt.
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Der
am Hals am oberen Ende des Behälters befestigte
Flansch ist nach innen gerückt,
um eine Öffnung
zu bilden, deren Durchmesser kleiner ist als der der Öffnung entlang
dem Hals. Dieser Rand verläuft
in den Bundschlitz am Hals des Ballons direkt unter seinem Flansch
am oberen Ende. Der Rand und der Schlitz sollen eine zuverlässige Passung
für den
Ballon und den Behälter
und ein sicheres Festhalten des Ballons gewährleisten. Der Durchmesser des
Ballonflansches ist kleiner als der des Behälters, wobei der maximale Durchmesser
die Befestigungsmutter erreicht.
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Ein
Rohr 27 durchquert ein Loch im Sicherheitsflansch 75,
ein Loch 80 im Ballonflansch und ein Loch im Hals des Behälters und
erreicht so ein größeres Loch 71 in
der unteren Wand des Behälterhalses.
Die Rohre 27a und 27b sind durch Verschrauben
mit dem Behälterhals 72 mit
einem Ende mit dem Loch 71 und mit einem anderen Ende mit
dem Rohr 26a oder 26b verbunden. Die Rohre 27a, 27b und 26a, 26b gestatten
eine Verbindung des Gases und der Flüssigkeit innerhalb des Rohrs 26a und 26b mit dem
Gas und der Flüssigkeit
im Behälter.
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Für die Erfindung
geeignete Ballons bestehen vorzugsweise aus flexiblen Materialien,
wie zum Beispiel Kunststoff- oder Kautschukfolie. Bei der vorliegenden
Erfindung wird Kunststofffolie als Ballonmaterial bevorzugt. Zu
diesen Kunststoffen gehören Polypropylen,
Polyethylen und TEFLON-Materialien. Ein
weiteres bevorzugtes Material für
den Ballon ist HYPALON-Kautschukfolie, das von mehreren Quellen,
wie zum Beispiel DuPont, erhältlich
ist. Die mit der Chemikalie benetzte Seite kann mit einem chemisch
beständigem
Material wie TEFLON überzogen sein.
Da der Ballon keiner großen
Druckdifferenz ausgesetzt ist, braucht die Ballonwanddicke nur 0,5 Millimeter
zu betragen, bei einer viel dickeren Wand für seinen Hals und den Flansch.
Eine in 3 dargestellte
bevorzugte Ausführungsform
des Ballons weist die Wand mit dem Hauptkörper 82 und dem Überzugsmaterial 83 auf.
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Der
Druckbehälter
muss den von dem Hochdruckgas ausgeübten Druck aufnehmen. Die Wand besteht
vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl
316L und 304L, der innen mit Kunststoffmaterial, wie zum Beispiel
Polypropylen, Polyethylen und TEFLON, beschichtet ist. Die Außenwand
ist vorzugsweise mit einer Schicht aus Polyvinylchlorid (PVC) umwickelt,
um den Behälter zur
Aufnahme von Druck zu festigen und den Behälterkörper zu schützen. Der Behälter sollte
so ausgeführt
sein, dass er einen Druck von bis zu 10 bar aufnimmt, obgleich der
Betriebsdruck bei den meisten Anwendungen in einem Bereich von 1
bis 6 bar befindet. Die durch den Druckbehälter und dem Ballon gebildete
Kammer sollte die Flüssigkeitsmenge
aufnehmen, die dem Spitzenverbrauch für mindestens 5 Minuten, bevorzugt
30 Minuten, entspricht.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform des
Druckbehälters
mit dem darin installierten Ballon wird in 5 dargestellt. Der Körper des Behälters und
der des Ballons sind vorzugsweise zylindrisch ausgebildet und weisen
keinen Hals auf. Die Materialien für den Behälter und den Ballon können genau die
gleichen sein wie die für
die Ausführungsform
der 2, 3 und 4 erwähnten. Das
Rohr 27 ist nun auf der rechten Seite unter dem Flansch 73 mit
dem Behälter 24 verbunden.
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Bei
beiden bevorzugten Ausführungsformen nach
den Darstellungen in den 2 und 5 kann der Ballon durch die
oberen Öffnung
in den Behälter
fallen gelassen werden, bevor der Behälter an den oberen Flanschen
befestigt wird.
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Elektronisches
Steuersystem
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Die
vorliegende Erfindung verwendet vorzugsweise ein Rechnersystem zum
Empfang von Signalen von einzelnen Komponenten, wie zum Beispiel
Füllstandssensoren,
Durchflussmesswertgeber, Drucksensoren, Temperatursensoren, Leckagesensoren,
Assaykonzentrationssensoren und Verunreinigungssensoren und dergleichen,
und sendet auch Signale zur Steuerung der Ventile und Pumpen und dergleichen
aus, wie in 6 dargestellt.
Bei dem Rechner kann es sich um einen Tischrechner- oder Laptop-PC
386 und darüber
handeln, mit einem RAM-Speicher von über 10 Megabit und darüber. Die Datenerfassungskarten
können
in die Rechnerschlitze oder in ein externes Datenerfassungssystem,
wie zum Beispiel das Keithley 500-Seriendatenerfassungssystem (Taunton,
MA), eingeführt
werden. Für die
Steuer-Software gibt es mehrere Möglichkeiten, wobei eine bevorzugte
die Labtech Notebook Software (Andover, MA) ist. Ein anderes Rechnersystem ist
die speicherprogrammierbare logische Steuerung (SPS), wie zum Beispiel
die von Siemens für
die Datenerfassung und Betriebssteuerung.
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Wie
in 6 dargestellt, werden
Signale vom Füllstandssensor 90a,
Durchflussmesswertgeber 90b, Drucksensor 90c,
Temperatursensor 90d, Leckagesensor 90e, Assaykonzentrationssensor 90f und
Verunreinigungssensor 90g elektronisch über die Drähte 89a, 89b, 89c, 89d, 89e, 89f und 89g zu einem
Rechner 84a übertragen.
Die Ausgangssignale vom Rechner 84a werden über die
Drähte 87a, 87b, 87c, 87d und 87x elektronisch
auf eine Reihe von Elektromagneten 85a, 85b, 85c, 85d und 85x übertragen.
Diese Elektromagneten werden zur Steuerung des Hochdruckgases (zum
Beispiel Stickstoffgas) von dem in 1 dargestellten
Gasverteiler 71 zum Betrieb der Druckluftventile, wie zum
Beispiel 86a, 86b, 86c und 86d,
und der pneumatischen Membranpumpen, wie zum Beispiel 86x,
verwendet. Der Systembetrieb kann vom Bediener mit dem Rechnermonitor
und der Tastatur 84b überwacht
und modifiziert werden.
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Die
Rechnerbetriebssoftware kann auf Grundlage einer in 7 dargestellten besonders bevorzugten
Ausführungsform
individuell ausgelegt werden. In Abhängigkeit von der Programmiersprache
und dem Rechnersystem kann sich das Rechnersteuersystem von dem
in 7 dargestellten unterscheiden.
Bei diesem bevorzugten Steuersystem wird zu Beginn die Stromversorgung 100 des
Rechners angestellt. Zu diesem Zeitpunkt überprüft der Rechner vorzugsweise
den Status des Zuführungssystems 101 auf
Systemdruck, Flüssigkeitsstand, Chemikalienleckage
und andere Parameter. Wird ein Fehler gefunden, wird ein akustischer
und/oder optischer Alarm 102 ausgelöst. Der Alarm des Systems erfolgt über eine
Zeitdauer, bis der Fehler behoben ist oder der Alarm manuell ausgestellt
wird. Die Zeitdauer des Alarms kann für eine beliebige Zeitdauer,
vorzugsweise 5 Minuten, eingestellt werden. Wenn innerhalb dieses
Zeitraums der Fehler nicht behoben oder der Alarm nicht manuell
abgestellt wird, stellt sich das System automatisch ab.
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Das
System ist betriebsbereit, wenn kein Fehler gefunden wird. Das Druckentlastungsmodul 103 wird
durch Öffnen
des Druckentlastungsventils gestartet. Das Chemikalienfüllmodul 104 beginnt
damit, die Chemikalien aus der Bulk-Quelle 1 durch das Füllsystem
zu pumpen, um die Druckkammer zu füllen. Die Chemikalienqualitätsüberwachungssensoren 106 für die Chemikalienassaykonzentrationen und/oder
-verunreinigungskonzentrationen liefern die Daten, damit der Rechner
die Daten mit den im Rechner gespeicherten Spezifikationsdaten vergleichen kann.
Wenn der Spezifikation nicht entsprochen wird, wird die Chemikalie
durch Öffnen
des Rezirkulationsventils rezirkuliert. Die Chemikalie mit ausreichender Qualität wird zur
Druckkammer gepumpt, wo Füllstandssensoren 108 den
Flüssigkeitsstand überwachen.
Ist der Füllstand
nicht hoch, geht der Füllvorgang
weiter. Gleichzeitig werden die Extremniedrig- und Extremhoch-Füllstände überwacht.
Der Füllvorgang
hält an,
sobald der hohe Füllstand
erreicht ist. Während
des Füllens
wird auch der Systemdruck 105 überwacht. Ein Signal wird zum
Alarmsystem gesandt, wenn der Druck höher ist als ein voreingestellter
Wert und/oder der Flüssigkeitsstand
zu niedrig und/oder zu hoch ist. Das Druckentlastungssystem wird
geschlossen und das Druckventil 116 eingeschaltet. Zu diesem
Zeitpunkt beginnt das Füllen 113 vorzugsweise
bei einem anderen Behälter,
indem die gleichen Prozeduren durchlaufen werden.
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Die
Verteilung 118 der Chemikalien von der Druckkammer zum
Endverbraucher beginnt durch Öffnen
des Steuerventils und Einstellen des Durchflusses durch das System.
Die Chemikalienqualität 119 wird
mit einem zusätzlichen Überwachungssystem
oder mit dem gleichen wie für
das Füllsystem überwacht.
Die Chemikalien werden durch Öffnen der
Rezirkulationsventile 120 wieder zur Bulk-Quelle 1 zurück rezirkuliert,
wenn ihre Qualität
der Spezifikation nicht entspricht. Der Flüssigkeitsstand 121 im Behälter wird
auch überwacht.
Wenn der Niedrigfüllstand
erreicht ist, startet vorzugsweise die Verteilung mit einem anderen
Behälter 122.
Die Chemikalienverteilung wird fortgeführt, wenn der Füllstand
weder niedrig noch hoch ist. Ein Signal wird zum Alarm gesendet,
wenn der Füllstand
zu niedrig oder zu hoch ist. Der Durchfluss und der Fluiddruck für jeden
Verbraucher 127 werden überwacht
und gesteuert, und der Strömungsüberschuss
wird durch Öffnen
des Rezirkulationsventils 128 zur Bulk-Quelle zurück rezirkuliert.
Wenn eine Behälterentleerung
erforderlich ist, beginnt die Entleerung 117 durch Öffnen des
Rezirkulationsventils, um entweder die Chemikalien in einen anderen
Behälter
zu füllen
oder sie wieder zur Bulk-Quelle zurück zu rezirkulieren.
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Chemikalienverteilschrank
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Obgleich
die Komponenten des Chemikalienzuführungssystems der vorliegenden
Erfindung auf einem relativ großen
Raum verteilt und verstreut sein können, wird bevorzugt, das ganze
System mit allen Komponenten, außer dem Chemikalien-Verteiler 69,
in einem Schrank zu integrieren. Dieser Schrank wird zum Einsparen
von durch das System eingenommenen Platz und des Weiteren zur leichteren
Steuerung und Wartung verwendet.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Zuführungsschranks
wird in 8 dargestellt.
Dieser Schrank ähnelt
einem Haushaltsschrank mit vielen Merkmalen für diesen bestimmten Zweck.
Der Schrank 130 umfasst vorzugsweise Vordertüren 137 und 141,
einen Rechner 149, einen Lüftungsanschluss 133 und
Gebläse 143 und 145,
Ein- und Auslassanschlüsse 134, 135 und 136 für die Chemikalien,
einen Hochdruckgasanschluss 132, einen elektrischen Einlass 131,
einen Anschluss 148 zur Probeentnahme und eine Fußbodenpalette 139 mit
einer Auffangschale darunter. Der Schrank kann in Abhängigkeit
von der Gesamthöhe
des Druckbehälters
bis zu 3 m (10 Fuß)
hoch sein. Die Breite kann den doppelten Durchmesser des Druckbehälters plus
den Platz für
den Rechner, andere Räume
für Rohrleitungen
und Ventile und genug Spielraum betragen. Die Tiefe des Schranks
kann der Durchmesser des Druckbehälters plus einigen Raum für Rohrleitungen und
Ventile sein. Der Schrank besteht vorzugsweise aus Kunststoffmaterial,
wie zum Beispiel hochdichtem Polypropylen, hochdichtem Polyethylen
und TEFLON. Der Schrank weist mindestens 4 Stützbeine 140 an jeder
Ecke, vorzugsweise 6 Beine mit den anderen 2 vorne und hinten in
der Mitte, auf. Bevorzugte Stützmaterialien
für den
Schrank sind Unistrut-Trägerschienen
und Eckschienen aus rostfreiem Stahl 316L.
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Der
Rechner und die elektronischen Bauelemente 149 sind an
einer Seite des Schranks installiert, wobei der Monitor zwecks leichten
Zugangs an der Vorderseite installiert ist. Die Größe des Rechnermonitors
kann 130 mm (5 Zoll) und darüber
betragen, wenn er an einer Seite vorne am Schrank und 0,3 m (1 Fuß) und darüber über dem
Boden angebracht ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Höhe von ca.
1,2 m (4 Fuß) über dem Boden
für eine
bequeme Bedienung bevorzugt. Die Türen 137 und 141 können zwei
Schiebetüren
oder Doppelschwingtüren aus
durchsichtigem Kunststoffmaterial, wie zum Beispiel klarem PVC,
sein. Bei den Türen
kann es sich um eine Einzelschwingtür handeln, die zu einer Seite geöffnet wird.
Bei den Anschlüssen 131, 132, 134, 135, 136 und 148 kann
es sich um die Öffnungen handeln,
durch die die Chemikalienrohre und elektrischen Drähte durch
die Schrankwände
passieren. Der Lüftungsanschluss 133 kann
ein Flansch sein, über
den der Schrank mit irgendeiner Außenlüftung verbunden ist. Die Gebläse 143 und 145 sind
vorzugsweise Überdruckgebläse mit einem
Durchmesser von ca. 76 mm (3 Zoll), die an beiden Seiten des Schranks
in der Nähe
des Bodens installiert sind. Diese Gebläse blasen zur Innenseite des
Schranks, um Luft als Zusatzluft einzubringen. Diese Gebläse können durch
kleine Fenster ersetzt werden, damit aufgrund des Unterdrucks des
allgemeinen Lüftungssystems
Luft einströmen
kann.
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Die
Palette mit der Auffangschale 139 innerhalb des Schranks
weist vorzugsweise die Größe des Schrankbodens
mit der bevorzugten Tiefe von ca. 100 mm (4 Zoll) auf. Die Auffangschale
kann aus einem beliebigen Material bestehen, wie zum Beispiel PVC,
Polypropylen, Polyethylen, TEFLON und rostfreiem Stahl. Auf dem
Boden des Schranks kann eine nicht gezeigte Sumpfpumpe installiert
sein, die jegliche Leckage innerhalb der Auffangschale entfernen soll.
Statt der Sumpfpumpe kann eine nicht gezeigte Senkdränage installiert
sein, um jegliche Leckage an einen externen Chemikalienabfallbehälter abzuführen. Die
Sumpfpumpe kann eine Membranpumpe, wie zum Beispiel jene von YAMADA,
sein.
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Die
Druckbehälter
sind vorzugsweise nebeneinander auf der Bodenpalette angeordnet.
Die Rohre und Ventile können
an der Seiten- oder Rückwand im
Schrank angebracht sein. Obgleich dies nicht dargestellt ist, bestehen
die Ein- und Auslassrohre für die
Chemikalien vorzugsweise aus chemisch kompatiblen Materialien, wie
zum Beispiel Polypropylen, Polyethylen und TEFLON, doppelwandig
mit dem Rohr aus klarem PVC außerhalb
zum Auffangen jeglicher Leckage.
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Es
können
an den offenbarten Verfahren und Systemen verschiedene Änderungen
vorgenommen werden und Äquivalente
dafür eingesetzt
werden, ohne vom Schutzbereich der folgenden Ansprüche abzuweichen.
Zum Beispiel können
mehr als ein Ballon im Inneren jedes Druckbehälters vorhanden sein, und es
können
verschiedene Ballons im gleichen Behälter mit dem gleichen oder
verschiedenen Gasen aufgeblasen werden. Solche Änderungen bedürfen keiner
weiteren Erläuterung
und sollen von den Ansprüchen
mit umfasst sein.