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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Druckregelvorrichtung zur Lieferung
eines Gases an einen Behälter,
der eine für
die Mikroelektronik bestimmte, chemische Flüssigkeit enthält, mit
einer Vorrichtung zur Druckregelung, Mitteln zum Anschluss eines
Eingangs der Vorrichtung an eine Quelle für das Druckgas und einer Leitung
zur Verbindung eines Ausgangs der Vorrichtung mit dem Behälter.
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Das
Dokument FR-A-2 560 340 beschreibt ein System gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere die Verteilung von Arbeitsflüssigkeiten
in der Elektronikindustrie.
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Die
Elektronikindustrie und insbesondere die Mikroelektronikindustrie
verwendet ultrareine Arbeitsflüssigkeiten,
wie zum Beispiel H2O2,
HCl, H2S etc..
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Derartige
Flüssigkeiten
werden im Allgemeinen in Speicherbehältern verpackt, deren Aufbau
es erlaubt, eine Kontaminierung dieser Flüssigkeiten insbesondere mittels
des Vorhandenseins von besonders teuren und zerbrechlichen inneren
Auskleidungen zu verhindern, die zum Beispiel aus Perfluoralcoxy
(PFA) hergestellt sind.
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Die
Brüchigkeit
dieser Innenbeschichtungen begrenzt beträchtlich die im Inneren dieser
Behälter zulässigen Druckschwankungen
um den Atmosphärendruck
herum, dem diese Behälter äußerlich
ausgesetzt sind.
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Der
Relativdruck im Inneren dieser Behälter muss daher zum Beispiel
zwischen –20
und +150 mBar liegen. Um diese Vorgaben einzuhalten sowie die Kontaminierung
der zu verteilenden Arbeitsflüssigkeiten
zu vermeiden, wird das in einem solchen Behälter bei der Entnahme der Arbeitsflüssigkeit
erzeugte Vakuum durch die Zufuhr von entsprechenden Mengen eines
ultrareinen Inertgases, typischerweise Stickstoffs, aufgefüllt.
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Für die Versorgung
eines Speicherbehälters für Arbeitsflüssigkeit
mit Stickstoff wird im Allgemeinen durch ein Versorgungssystem gesorgt,
das eins Druckregelvorrichtung, Mittel zum Anschluss eines Eingangs
der Vorrichtung an eine Druckquelle für Inertgas, die mit Mitteln
zu Druckminderung auf einen Solldruck Pc versehen sind, der in dem
Bereich der im Inneren des Behälters
zulässigen
Drücke
liegt, und eine Leitung zur Verbindung eines Ausgangs der Vorrichtung
mit dem Speicherbehälter
umfasst. Die Druckregelvorrichtung soll die Beschädigung des Speicherbehälters im
Falle eines Betriebszwischenfalls verhindern.
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Bisher
existieren zwei Arten von Druckregelvorrichtungen.
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Bei
der ersten Art umfasst die Vorrichtung eine permanente Verbindung
des den Eingang und den Ausgang der Regelvorrichtung verbindenden Kanals
mit der Umgebungsluft über
ein kalibriertes Entlüftungsloch.
Auch wenn diese Art von Vorrichtung die Speicherbehälter gut
gegen innere Relativdruckschwankungen schützt, führt sie dennoch zu einem permanenten
Verbrauch von ultrareinem Stickstoff, ob man nun Arbeitsflüssigkeit
verteilt oder nicht; dies führt
zu erheblichen Betriebskosten.
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Bei
der zweiten Art umfasst die Druckregelvorrichtung ein Rückschlagventil,
das mit einer Feder im Gleichgewicht ist, um den Kanal der Regelvorrichtung
mit der Umgebungsluft zu verbinden. Eine derartige Vorrichtung weist
zahlreiche Nachteile auf. Wegen der geringen Rückflüsse, die durch diese Ventile
möglich
sind, gewährleistet
sie nämlich
nicht die Sicherheit des Behälters
zum einen bei einem eventuellen Unterdruck und zum anderen für den Fall eines
erheblichen Überdrucks
stromaufwärts
von der Regelvorrichtung. Diese Art von Vorrichtung erfordert es
zudem, regelmäßig die
Einstellungen des Ventils und der Druckmindermittel zu überprüfen, die
voneinander abhängen.
Da schließlich
bei diesen Regelvorrichtungen die Verwendung von Metallteilen vorgeschrieben
ist, um die Reinheit der Inertgase zu bewahren, ist diese Art von
Vorrichtung komplex und teuer herzustellen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diese Probleme zu lösen, indem eine einfache Druckregelvorrichtung
mit reduzierten Herstellungs- und Betriebskosten bereitgestellt
wird, die es erlaubt, die Sicherheit des Speicherbehälters bei
der Verteilung von ultrareinen Arbeitsflüssigkeiten zu gewährleisten.
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Gegenstand
der Erfindung ist hierzu ein System nach Anspruch 1 sowie eine Anlage
zur Verteilung von Flüssigkeit
nach Anspruch 9.
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Gemäß besonderen
Ausführungsformen kann
die Regelvorrichtung eines oder mehrere der folgenden Merkmale isoliert
oder gemäß beliebigen technisch
möglichen
Kombinationen umfassen:
- – das erste Ventil umfasst
einen ersten Verschluss, der zwischen einer unteren Verschlussposition
und einer oberen Fließposition
verschiebbar ist unter der Wirkung eines positiven Druckunterschieds
P+ zwischen den auf Höhe eines Teils des Kanals und
der Ablassöffnung
herrschenden Drücken,
wobei der Druckunterschied gegen die Wirkung des Eigengewichts des
ersten Verschlusses wirkt, wobei der Verschluss eine kalibrierte Masse
hat, um mit der Wirkung eines vorbestimmten Druckunterschieds P+c im Gleichgewicht zu sein;
- – der
erste Verschluss sitzt auf einem Sitz, der im Wesentlichen horizontal
sein soll;
- – die
Ablassöffnung
ist eine Öffnung
zur Verbindung mit der Umgebungsluft des Drucks Pa und es gilt P+c = Ps – Pa;
- – das
zweite Ventil umfasst einen zweiten
- Verschluss, der zwischen einer unteren Verschlussposition und
einer oberen Fließposition verschiebbar
ist unter der Wirkung eines negativen Druckunterschieds P– zwischen
den auf Höhe eines
Teils des Kanals und der Ablassöffnung herrschenden
Drücken,
wobei der Druckunterschied gegen die Wirkung des Eigengewichts des zweiten
Verschlusses wirkt, wobei der Verschluss eine kalibrierte Masse
hat, um mit der Wirkung eines vorbestimmten negativen Druckunterschieds P–c
im Gleichgewicht zu sein;
- – der
zweite Verschluss sitzt auf einem Sitz auf, der im Wesentlichen
horizontal sein soll;
- – die
Einlassöffnung
ist eine Öffnung
zur Verbindung mit der Umgebungsluft des Drucks Pa und es gilt P–c
= Pi – Pa.
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Die
Erfindung wird bei Studium der folgenden Beschreibung besser verstanden
werden, die nur Beispiele betrifft und Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen
nimmt:
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1 ist
eine schematische, teilweise angeschnittene Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen Anlage
zur Verteilung von Arbeitsflüssigkeit,
und
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die 2 bis 4 sind
vergrößerte Seitenquerschnittsansichten
der Druckregelvorrichtung der Anlage der 1, die die
Betriebsweise dieser Regelvorrichtung unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen.
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1 gibt
eine Anlage 1 zur Verteilung einer ultrareinen Arbeitsflüssigkeit 2 zu
einer Verbrauchseinheit 3 zum Beispiel einer industriellen,
mikroelektronischen Produktionsstätte wieder.
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Diese
Anlage 1 umfasst im Wesentlichen einen Speicherbehälter 4 für die Flüssigkeit 2,
Mittel 5 zur Verteilung der Flüssigkeit 2, ein System 6 zur
Versorgung des Behälters 4 mit
Inertgas und eine Quelle 7 für ultrareines Stickstoffgas
mit 10 Bar Absolutdruck.
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Der
Behälter 4 ist
innerlich mit einer (nicht dargestellten) Lage PFA ausgekleidet,
so dass der im Inneren dieses Behälters 4 herrschende
Relativdruck zwischen –20
mBar und +150 mBar liegen muss.
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Die
Verteilungsmittel 5 umfassen eine Leitung 8, die
in die in dem Behälter 4 enthaltene
Flüssigkeit 2 eintaucht
und mit einer Pumpe 9 versehen ist, die zwischen zwei manuellen
Ventilen 11 angeordnet ist.
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Das
System 6 zur Versorgung mit ultrareinem Stickstoff umfasst
im Wesentlichen eine Druckregelvorrichtung 12, Mittel 13 zum
Anschluss eines Eingangs 14 der Vorrichtung 12 an
die Quelle 7 und eine Leitung 15 zur Verbindung
eines Ausgangs 16 der Vorrichtung 12 mit dem oberen
Teil des Behälters 4.
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Die
Anschlussmittel 13 umfassen in Strömungsrichtung des Stickstoffs
hintereinander ein Druckreduzierventil 170 und ein Stopp-
und Rückschlagventil 17.
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Die
Pumpe 9 ist so bemessen, dass sie die Bereitstellung eines
geeigneten Höchstdurchflusses von
Arbeitsflüssigkeit 2 gewährleisten
kann.
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Das
Druckreduzierventil 170 ist so bemessen und wird so eingestellt,
dass es für
die Entspannung des Stickstoffs aus der Quelle 7 bis auf
einen Solldruck Pc sorgt, der einem Relativdruck nahe 40 mBar entspricht,
und dass es einen ausreichenden Stickstoffdurchfluss liefert, um
den Durchfluss der Pumpe 9 unabhängig von ihrer Drehzahl zu
kompensieren.
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Die
Druckregelvorrichtung 12 umfasst (2) ein im
Wesentlichen parallelepipedisches erstes äußeres Gehäuse 18, das so angeordnet
ist, dass seine Unterseite 19 und Oberseite 20 im
Wesentlichen horizontal sind.
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Der
Eingang 14 und der Ausgang 16 der Vorrichtung 12 sind
kalibrierte Öffnungen,
mit geeignetem Querschnitt, die jeweils gegenüber voneinander in unteren
Teilen von gegenüberliegenden
Seitenflächen 22 und 23 des
Gehäuses 18 angeordnet
sind.
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Die
Vorrichtung 12 umfasst ebenso Wände, die im Inneren des Gehäuses 18 angeordnet
sind. Diese Wände
bilden einerseits ein im Wesentlichen parallelepipedisches zweites
Gehäuse 24,
dessen eine Seitenfläche
von einem Teil der Wand 23 des ersten Gehäuses 18 gebildet
wird und dessen andere Flächen
beabstandet und im Wesentlichen parallel zu den anderen Flächen des
Gehäuses 18 angeordnet
sind. Die Wände
bilden andererseits ein im Wesentlichen parallelepipedisches drittes
Gehäuse 25, mit
Abmessungen, die kleiner als das zweite Gehäuse 24 sind. Die Unterseite
dieses dritten Gehäuses wird
von einem Teil der Oberseite 26 des zweiten Gehäuses 24 gebildet
und seine anderen Seiten sind beabstandet und im Wesentlichen parallel
zu den entsprechenden Seiten des ersten Gehäuses 18 angeordnet.
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Die
Seitenfläche 23 des
ersten Gehäuses 18 ist
ebenso in einem oberen Teil von einer kalibrierten Öffnung 27 mit
geeignetem Querschnitt durchbohrt, die es erlaubt, das Innere des
zweiten Gehäuses 24 mit
der Umgebungsluft zu verbinden.
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Die
Unterseite 28 des zweiten Gehäuses 24 wird von einer
kalibrierten Öffnung 29 durchbohrt,
die das Innere des zweiten Gehäuses 24 mit
dem Rest des ersten Gehäuses 18 verbindet.
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Die
Oberseite 26 des zweiten Gehäuses 24 ist von einer
kalibrierten Öffnung 30 durchbohrt,
die das Innere des dritten Gehäuses 25 mit
dem Inneren des zweiten Gehäuses 24 verbindet.
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Die
Unterseiten 19 des Gehäuses 18 und 28 des
Gehäuses 24 begrenzen
zwischen sich einen Kanal 31, der den Eingang 14 mit
dem Ausgang 16 der Vorrichtung 12 verbindet.
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Seitenflächen des
dritten Gehäuses 25 sind von Öffnungen 32 durchbohrt,
die das Innere des dritten Gehäuses 25 und
damit das Innere des zweiten Gehäuses 24 über die Öffnung 30 mit
dem Rest des Inneren des ersten Gehäuses 18 verbinden.
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Die
drei Gehäuse 18, 24 und 25 begrenzen einerseits
einen ersten Durchgang 34, der die Öffnung 27 mit dem
Kanal 31 über
die Öffnung 29 verbindet,
und andererseits einen zweiten Durchgang 35, der teilweise
zwischen der Seitenfläche 22 des zweiten
Gehäuses 24 und
der angrenzenden Seitenfläche
des ersten Gehäuses 18 begrenzt
ist und die Öffnung 30 mit
dem Kanal 31 über
die Öffnungen 32 verbindet,
die in den Seitenflächen
des dritten Gehäuses 25 gebohrt
sind.
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Der
erste Durchgang 34 ist mit einem Rückschlagventil 36 versehen,
das heißt
mit einem im Wesentlichen senkrecht zum Sitz beweglichen Verschluss.
Der Sitz besteht aus der Unterseite 28 des zweiten Gehäuses 24 und
der Verschluss, das heißt das
Ventil, ist ein im Wesentlichen parallelepipedischer Klotz 37,
der in dem Gehäuse 24 beweglich
ist. Dieser Klotz 37 hat eine kalibrierte Masse und sitzt auf
der Fläche 28 auf.
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Die
Masse des Klotz 37 ist so kalibriert, dass ein Gleichgewicht
mit der Wirkung eines Relativdruck P+c von
etwa 40 mBar auf diesen letzteren besteht (entsprechend einem absoluten
Höchstdruck
Ps), der auf Höhe
der Öffnung 29 des
Kanals 31 herrscht.
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Der
Klotz 37 wird durch die Seitenwände des Gehäuses 24 geführt und
kann sich vertikal zwischen einer unteren Position mit einem Verschluss
der Öffnung 29 (2),
in der der Klotz 37 auf der Fläche 28 aufliegt, und
einer oberen Position mit einer Strömung durch die Öffnung 29 (3)
verschieben, in der der Klotz 37 relativ zu der Fläche 28 angehoben ist.
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Der
zweite Durchgang 35 ist mit einem Ansaugventil 39 versehen,
dessen Sitz aus einem Teil der Oberseite 26 des zweiten
Gehäuses 24 besteht und
dessen Verschluss, das heißt
das Ventil, eine im Wesentlichen rechtwinklige Platte 41 ist,
die in dem dritten Gehäuse 25 beweglich
ist. Diese Platte 41 hat eine kalibrierte Masse und sitzt
auf der Fläche 26.
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Die
Masse der Platte 41 ist so kalibriert, dass ein Gleichgewicht
mit der Wirkung eines Relativdruck P–c
von etwa –5
mBar auf letztere besteht (entsprechend einem absoluten Mindestdruck
Pi), der auf Höhe
eines Teils des Kanals 31 herrscht.
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Diese
Platte 41 wird durch die Seitenwände des Gehäuses 25 geführt und
kann sich vertikal zwischen einer unteren Position mit einem Verschluss der Öffnung 30 (2),
in der die Platte 41 auf der Fläche 26 aufliegt, und
einer oberen Position mit einer Strömung durch die Öffnung 30 verschieben,
in der die Platte 41 relativ zu der Fläche 26 des zweiten Gehäuses 24 angehoben
ist (4).
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Die
Druckregelvorrichtung 12 ist aus Kunststoff wie beispielsweise
Polypropylen und/oder Polyethylen hergestellt.
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Die
Verteilungsmittel 5 erlauben es, Flüssigkeit 2 aus dem
Behälter 4 zu
pumpen, um sie an eine Verbrauchsanlage 3 zu verteilen.
Das Versorgungssystem 6 erlaubt es, ultrareinen Stickstoff
zum Behälter 4 zu
liefern, um das in diesem letzteren bei der Abgabe der Flüssigkeit 2 erzeugte
Vakuum aufzufüllen.
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2 veranschaulicht
die Betriebsweise der Druckregelvorrichtung 12, wenn der
auf Höhe
des Eingangs 14, und des Ausgangs 16 und damit
in dem Behälter 4 herrschende
Relativdruck zwischen P–c und P+c
liegt.
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Die
Verschlüsse 37 und 41 sind
in der Verschlussposition und gewährleisten so eine quasi perfekte
Abdichtung zwischen dem Eingang 14 und dem Ausgang 16.
Nur ein durch den Pfeil 43 skizzierter Stickstoffleckstrom
strömt
durch die Öffnung 29 zwischen
den Wänden
des Gehäuses 24 und
dem Klotz 27 und erlaubt es so, eventuelle Rückströmungen von
Dämpfen
der Flüssigkeit 2 zu
den Druckmindermitteln 170 zu verhindern, wenn die Pumpe 9 nicht arbeitet.
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3 veranschaulicht
die Betriebsweise der Vorrichtung 12, wenn der auf Höhe des Eingangs 14 herrschende
Druck größer als
P+c ist, zum Beispiel im Falle eines Funktionsdefekts
der Druckmindermittel 170.
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Der
Verschluss 37 ist dann in der angehobenen Fließposition
und der Verschluss 41 ist in der Verschlussposition. Der Überdruck
relativ zu P+c am Eingang 14 der
Vorrichtung 12 wird dann über die erste Leitung 34 zur
Umgebungsluft abgeleitet, wie durch den Pfeil 44 skizziert
ist. Der auf Höhe
des Ausgangs 16 und daher im Inneren des Behälters 4 herrschende
Druck wird auf diese Weise selbst für den Fall unterhalb seines
zulässigen
Höchstwerts gehalten,
dass der auf Höhe
des Eingangs 14 herrschende Absolutdruck mittels der Stauung
durch die Öffnung 27 hindurch
10 Bar beträgt.
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4 veranschaulicht
die Betriebweise der Vorrichtung 12, wenn der in einem
Teil des Kanals 31 herrschende Relativdruck kleiner als
P–c
ist, wenn zum Beispiel der durch die Vorrichtung 12 gelieferte Stickstoffdurchsatz
nicht ausreicht, um den Flüssigkeitsentnahmestrom 4 zu
kompensieren. Der Verschluss 37 ist dann in der Verschlussposition
und der Verschluss 41 ist dann in der angehobenen Fließposition.
Luft wird dann aus Umgebungsluft zum Ausgang 16 und damit
zum Behälter 4 über den
zweiten Durchgang 35 angesaugt, wie durch den Pfeil 45 skizziert
ist. Der Druck im Inneren des Behälters 4 bleibt damit
größer als
sein zulässiger
Mindestwert, selbst bei einem Druck von Null auf Höhe des Eingangs 14.
Die Flüssigkeit 2 wird
dann verschmutzt, aber die Unversehrtheit des Behälters bewahrt.
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Die
erfindungsgemäße Druckregelvorrichtung 12 erlaubt
es daher, mit hoher Sicherheit für
die Inertgasversorgung eines Speicherbehälters 4 einer Anlage 1 zur
Versorgung mit Arbeitsflüssigkeit
zu sorgen. Der Stickstoffverbrauch oder allgemeiner der Inertgasverbrauch
ist praktisch minimal und wird automatisch an die Drehzahl der Pumpe 9.
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Der
besonders einfache Aufbau dieser Vorrichtung erlaubt es zudem, sie
ganz aus Materialien herzustellen, die geeignet sind, um die Bewahrung der
Reinheit des verwendeten Inertgases und der abgegebenen Arbeitsflüssigkeiten
zu gewährleisten.
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Diese
Vorrichtung ist schließlich
frei von Regelorganen, wodurch ihre Verwendung vereinfacht wird,
und die begrenzte Zahl von beweglichen Teilen, verleiht ihr eine
verschwindend geringe zeitliche Abnutzung.