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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zum
Zuführen
verschiedener Arten von Fluiden wie Gasen zur Verwendung bei der
Herstellung von Halbleitern, Chemikalien, Präzisionsmaschinenteilen und
dergleichen, und insbesondere eine Fluidzufuhrvorrichtung, die eine
hochpräzise
Steuerung der Fluidflussrate zum Zeitpunkt des Beginns der Fluidzufuhr
und das Umschalten zwischen Fluiden ermöglicht.
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Beschreibung des Stands
der Technik
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Fluidzufuhrvorrichtungen,
die einer hochpräzisen
Steuerung der Fluidflussrate bedürfen,
werden in Halbleiterfertigungsanlagen und Chemiefabriken eingesetzt.
Die meisten dieser Vorrichtungen sind mit einer so genannten Massenflusssteuerung
ausgestattet. Solch eine Massenflusssteuerung ist in der US-A-5
445 032 dargestellt.
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8 zeigt
eine Vorrichtung zum Zuführen
von Fluid (Gas) zur Verwendung in einem Generator für hochreine
Feuchtigkeit in Halbleiterfertigungsanlagen. Die Vorrichtung ist
so aufgebaut, dass H2 und O2 dem Reaktor 51 mit
einer vorbestimmten Flussrate von einer Gaszufuhrvorrichtung 50 aus
zugeführt
und mit einem Platinkatalysator radikalisiert werden und in einem
Nichtverbrennungszustand miteinander zu Feuchtigkeitsgas (Wasserdampf)
reagieren können.
Das so in dem Reaktor 51 erzeugte Feuchtigkeitsgas wird
dann einem Oxidationsofen 52 zugeführt.
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In 8 bezeichnet
das Bezugszeichen 54 eine Schaltung zum Messen des Feuchtigkeitserzeugungsansprechverhaltens
des Reaktors 51, 55 ein Saugratenregulierungsventil, 56 ein
Quadrupol-Massenspektrometer (Q-Massenspektrometer), 57 eine
Turbomolekularpumpe und 58 eine Vakuumpumpe.
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Das
Q-Massenspektrometer 56 dient der Messung der Ionenkonzentration
von H2O, H2, O2 und N2. Zu diesem
Zweck wird ein Quadrupole Mass Analyzer MSQ-150A (ULVAC Corporation, Japan) verwendet.
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Die
vorstehend genannte Gaszufuhrvorrichtung 50 ist aus drei
Massenflusssteuerungen MFC1, MFC2 und MFC3, Umschaltventilen
V1, V2, und V3, Gasspeicherbehältern (nicht dargestellt),
Druckreglern (nicht dargestellt) und anderen Elementen gebildet.
Die Umschaltventile V1, V2,
und V3 dieses Beispiels sind elektrische Metallmembranventile.
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Die
Primärseiten
der drei Massenflusssteuerungen MFC1, MFC2 und MFC3 werden
von dem jeweiligen Gasspeicherbehälter (nicht dargestellt) aus
mit H2 mit einem Manometerdruck von 2 kgf/cm2, O2 mit einem Manometerdruck
von 2 kgf/cm2 und N2 mit
einem Manometerdruck von 6 kgf/cm2 versorgt.
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Um
in dem Reaktor 51 Feuchtigkeit zu erzeugen, werden in der
Zwischenzeit die Flussraten und andere Bedingungen der drei Massenflusssteuerungen
MFC1, MFC2 und MFC3 in der Gaszufuhrvorrichtung 50 festgelegt
und dann das System mit N2 gereinigt, wobei
V1 und V2 geschlossen
sind und V3 geöffnet sind. Dann wird V3 geschlossen und V2 geöffnet, um
O2 zuzuführen,
und gleichzeitig mit oder 3 Sekunden nach der Zufuhr von O2 wird V1 geöffnet, um
H2 zuzuführen.
Dann beginnt in dem Reaktor 51 die Erzeugung von Feuchtigkeitsgas
(Wasserdampf).
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Ein
Teil des Feuchtigkeitsgases des Reaktors 51 oder dergleichen
wird durch Betätigung
des Saugregulierungsventils 55 für eine vorgegebene Dauer in
die Messschaltung 54 eingesaugt, wobei die Konzentration von
H2, O2, H2O und N2 in der
erzeugten Feuchtigkeit durch das Q-Massenspektrometer 56 gemessen
wird.
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Die 9 bis 11 zeigen
die durch das Q-Massenspektrometer 56 gemessene Konzentration
von H2, O2, N2 und H2O in der
Feuchtigkeit, die in einer Testanordnung zum Erzeugen von Feuchtigkeit
erzeugt worden ist. Die Testanordnung war mit einer Gaszufuhrvorrichtung 50 versehen,
die mit den in 8 dargestellten Massenflusssteuerungen
ausgestattet war. Die Messungen wurden unter den folgenden Bedingungen
(1), (2) und (3) durchgeführt.
Der Manometerdruck von H2, O2 und
N2 auf den Primärseiten der Massenflusssteuerungen
in der Gaszufuhrvorrichtung 50 betrug 2 kgf/cm2,
2 kgf/cm2 bzw. 6 kgf/cm2.
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(1) Druck auf der Sekundärseite der
Massenflusssteuerungen:
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- 1 kg/cm2 abs
- H2: 50 sccm + O2:
1000 sccm
- N2: 1000 sccm
- H2 wurde 3 Sekunden nach O2 zugeführt.
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(2) Druck auf der Sekundärseite der
Massenflusssteuerungen:
-
- 0,5 kg/cm2 abs
- H2: 50 sccm + O2:
1000 sccm
- N2: 1000 sccm
- H2 wurde 3 Sekunden nach O2 zugeführt.
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(3) Druck auf der Sekundärseite der
Massenflusssteuerungen:
-
- 0,2 g/cm2 abs
- H2: 50 sccm + O2:
1000 sccm
- N2: 1000 sccm
- H2 wurde 3 Sekunden nach O2 zugeführt.
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Es
ist festzustellen, dass „sccm" eine Einheit ist,
die die Flussrate/Minute in Volumen (cm3)
von H2, O2, N2 etc. im Standardzustand angibt. Wie aus
den 9 bis 11 ersichtlich ist, steigt die
Hz-Konzentration an und erreicht ihren Spitzenwert bei dem Höhepunkt
PH2 zu Beginn der Gaszufuhr bei abnehmendem
Druck auf der Sekundärseite
der Massenflusssteuerungen MFC's
(Druckreduzierung) in der Testanordnung zum Erzeugen von Feuchtigkeit,
welche mit der mit Massenflussteuerungen ausgestatteten Gaszufuhrvorrichtung 50 versehen
ist. Gleichzeitig erreicht die H2O-Konzentration
ihren Höhepunkt
PH2O.
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H2 und H2O erreichen
ihren Spitzenwert in der Anfangsphase der Gaszufuhr bei PH2 und PH2O. Das heißt, es ist
unmöglich
die Steuerung der H2-Konzentration (Flussratensteuerung)
präzise
zu beeinflussen; die Massenflusssteuerung kann der Anforderung an
eine hochpräzise
Steuerung der Flussrate von H2 nicht genügen.
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Ferner
ist festzustellen, dass, wenn der Höhepunkt PH2 der
H2-Konzentration um mehrere Prozent ansteigt,
Wasserstoff in dem stromabwärts
gelegenen Oxidationsofen 52 explodieren kann, was ein Sicherheitsproblem
darstellt.
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Die 12 bis 13 zeigen
andererseits ebenfalls die durch das Q-Massenspektrometer 56 gemessene
Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in der
Feuchtigkeit, die in der Testanordnung zum Erzeugen von Feuchtigkeit
erzeugt worden ist. Die Testanordnung war mit der Gaszufuhrvorrichtung 50 versehen,
die mit den in 8 dargestellten Massenflusssteuerungen
ausgestattet war. Die Messungen wurden unter den folgenden Bedingungen
(1) und (2) durchgeführt.
Der Versorgungsdruck (Manometerdruck) von H2,
O2 und N2 auf den Primärseiten
der Massenflusssteuerungen betrug 2 kgf/cm2,
2 kgf/cm2 bzw. 6 kgf/cm2.
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(1) Druck auf der Sekundärseite der
Massenflusssteuerungen:
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- 0,5 kg/cm2 abs
- H2: 100 sccm + O2:
50 sccm (H2:O2 =
2:1)
- N2: 1000 sccm
- H2 und O2 wurden
gleichzeitig zugeführt
und die Zufuhr auch zur selben Zeit unterbrochen.
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(2) Druck auf der Sekundärseite der
Massenflusssteuerungen:
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- 0,5 kg/cm2 abs
- H2: 100 sccm + O2:
50 sccm (H2:O2 =
2:1)
- N2: 1000 sccm
- H2 wurde 3 Sekunden nach O2 zugeführt und
die Zufuhr von H2 drei Minuten vor der O2-Zufuhr unterbrochen.
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Wie
aus 12 ersichtlich ist, steigt der Höhepunkt
PH2 der Konzentration von H2 in
der Anfangsphase der Gaszufuhr auf etwa 10 Prozent an, wenn H2 und O2 gleichzeitig
in der Gaszufuhrvorrichtung 50 zugeführt werden, die mit der Massenflusssteuerung
nach dem Stand der Technik ausgestattet ist, wodurch sich ein Sicherheitsproblem
ergibt.
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Desweiteren
nimmt, die Konzentration PO2 von O2 in dem Bereich plötzlich ab, in dem man einen
Höhepunkt
PH2 von H2 beobachten
kann, da O2 bei seiner Reaktion mit H2 verbraucht wird. Folglich ist es nicht möglich, eine
gewünschte
Menge an Feuchtigkeit zu erzeugen.
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Wie
zudem in 13 gezeigt ist, steigt der Höhepunkt
PH2 der Konzentration von H2 zu
Beginn der Gaszufuhr in der die Massenflusssteuerung nach dem Stand
der Technik verwendenden Gaszufuhrvorrichtung 50 auf mehr
als etwa 50 Prozent an, was die Gefahr noch weiter erhöht.
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Zudem
wird eine große
Menge O2 bei dem vorstehend genannten Höhepunkt
PH2 von H2 verbraucht, was
zu einer erheblichen Abnahme der O2-Konzentration
führt.
Dadurch wird es schwierig, eine erforderlich Menge an Feuchtigkeit
zu erzeugen.
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Wie
vorstehend erwähnt,
besteht bei der mit den Massenflusssteuerungen nach dem Stand der
Technik ausgestatteten Gaszufuhrvorrichtung 50 das Problem,
dass die Flussrate von H2 und O2 nicht
mit hoher Präzision
gesteuert werden kann, da in der Anfangsphase der Gaszufuhr oder
-unterbrechung bei einem so genannten Überschießen zuviel H2 und
O2 einströmt.
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Bei
der Erzeugung von Feuchtigkeit in der mit den Massenflusssteuerungen
ausgestatteten Gaszufuhrvorrichtung 50 ist es normal, dass
die erzeugte Feuchtigkeitsmenge auf Grund des Überschießens von H2 und
O2 von dem festgesetzten Pegel abweicht
und es daher schwierig ist, die Feuchtigkeitserzeugung mit hoher
Präzision
zu steuern.
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Bei
der Herstellung von Halbleitern oder dergleichen ist es inzwischen
immer häufiger
erforderlich, viele verschiedene Arten von Gasen mit bestimmten
Flussraten bestimmten Orten zuzuführen oder zwischen den Gasen
umzuschalten. Zudem ist es erforderlich, bestimmten Orten hochreines
Wasser zuzuführen,
das durch eine Reaktion zwischen H2O und
O2 erzeugt wird. Das Zuführen oder Umschalten von Gasen
und H2 sollte immer so schnell wie möglich mit
hoher Präzision
erfolgen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
eine hochpräzise
Steuerung des Stroms der Gase und der Feuchtigkeit unverzichtbar
ist, um die Produktionsmenge und die Qualität der Endprodukte oder Halbleiter
zu verbessern oder sicherzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung soll die vorstehend genannten Probleme lösen, die
mit der Gaszufuhreinrichtung oder dergleichen verbunden sind, die
mit der Massenflusssteuerung nach dem Stand der Technik ausgestattet
ist. Das heißt,
die mit Massenflusssteuerungen ausgestattete Fluidzufuhrvorrichtung
nach dem Stand der Technik kann den Fluidfluss auf Grund des Überschießens des
Fluids in der Anfangsphase der Fluidzufuhr nicht mit hoher Präzision steuern.
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Es
wäre wünschenswert,
eine Fluidzufuhrvorrichtung anzugeben, die während des gesamten Prozesses,
vom Beginn der Fluidzufuhr bis zur Beendigung, eine hochpräzise Steuerung
der Flussrate der Gase ermöglicht,
ohne vorrübergehende
Erscheinungen wie das Überschießen von
Gasen zu erzeugen. Eine Möglichkeit,
dies zu realisieren, besteht darin, in der Fluidzufuhrvorrichtung
eine Druckströmungssteuerung
anstatt der Massenflusssteuerung zu verwenden und optional ein solenoidbetriebenes
Hochgeschwindigkeitsbetätigungs-Fluidumschaltventil
als Fluidumschaltsteuerventil zu verwenden. Eine Druckströmungssteuerung
ist in der EP-A-0 749 058 offenbart. Wenn diese Zufuhrvorrichtung
in Halbleiterfertigungsanlagen verwendet wird, ist es möglich, eine
ideale anfängliche
Filmbildung von Halbleitern mit hoher Integrationsdichte zu realisieren, indem
man die Feuchtigkeitserzeugung mit hoher Präzision steuert.
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Um
herauszufinden, warum Fluide direkt nach Beginn der Fluidzufuhr
oder nach Beendigung überschießen, wurden
verschiedene Test mit der in 8 gezeigten
Testanordnung zum Erzeugen von Feuchtigkeit durchgeführt.
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Als
Ergebnis hat man herausgefunden, dass das ein Großteil des überschießenden Fluids
(Gases) in der mit der Massenflusssteuerung nach dem Stand der Technik
ausgestatten Fluidzufuhrvorrichtung 50 das Fluid (Gas)
ist, das sich in Rohrabschnitten L1 bis
L3 befindet, die die jeweiligen Umschaltventile
V1 bis V3 und die
Massenflusssteuerungen MFC1 bis MFC3 miteinander verbinden. Die Tests haben
ferner gezeigt, dass der Aufbau der Massenflusssteuerungen MFC1 bis MFC3 ausschlaggebend
dafür war,
dass sich das Fluid (Gas) verstärkt
ansammelte, d.h. dass es wie vorstehend beschrieben überströmte.
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14 ist
ein Blockdiagramm, das den grundlegenden Aufbau der Massenflusssteuerung
nach dem Stand der Technik zeigt. Gemäß 14 wird
das von der Primärseite
einströmende
Gas in Teile unterteilt, die durch einen Laminarströmung-Bypass 59 und
einen Sensor-Bypass 60 einströmt. In dem Sensor-Bypass 60 wird
der Massenfluss des Fluids durch einen Sensor 61 in Form
einer hierzu proportionalen Temperaturänderung bestimmt. Die so bestimmte
Temperaturänderung
wird in einer Brückenschaltung 62 in
elektrische Signale umgewandelt und durch eine Verstärkerschaltung 63 und
andere Elemente an eine Anzeige 64 und als lineare Spannungssignale
an eine Vergleichssteuerschaltung 65 ausgegeben.
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In
der Zwischenzeit werden die festgelegten Signale von außen durch
einen Einsteller 66 in die Vergleichssteuerschaltung 65 eingegeben,
in der die Differenz zwischen den vorstehend genannten erfassten
Signalen und den festgelegten Signalen berechnet wird. Die Signaldifferenz
wird dann an eine Ventilansteuerung 67 weitergeleitet,
die das Flusssteuerventil 68 betätigt, um die Signaldifferenz
auf Null zu bringen.
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Wenn
nun das auf der Sekundärseite
montierte Umschaltventil V1 plötzlich geschlossen
wird, während die
Massenflusssteuerung in Betrieb ist, kommt das durch den Sensor 61 strömende Gas
zum Stillstand. Dann ist das Steuersystem der Massenflusssteuerung
vorrübergehend
wirksam, um den Gasstrom zu verstärken, und das Flusssteuerventil 68 wird
geöffnet.
Daraufhin nimmt der Gasdruck in der Sekundärleitung L1 zu,
was zur Folge hat, dass sich das Gas darin befindet. Wenn das Umschaltventil
V1 das nächste
Mal geöffnet
wird, strömt
das Gas durch das Umschaltventil V1 in die
Gas verbrauchende Seite, was zu dem Phänomen führt, dass das Gas überströmt.
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Nachdem
die Erfinder diese Struktureigenschaften bei der Massenflusssteuerung
festgestellt haben, sind sie auf die Idee gekommen, eine Fluidzufuhrvorrichtung
derart zu konstruieren, dass sie keines der vorstehend genannten
transienten Phänomene
wie das Überschießen von
Fluid verursacht. Das heißt,
diese Vorrichtung verwendet „einen
Flussratensteuermechanismus, der die Betätigung des Flussratensteueersignals durch
Druckerfassungssignale" anstelle „durch
Flussratenerfassungssignale" beinhaltet.
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Die
vorliegende Erfindung wurde auf Grundlage der oben genannten Idee
konzipiert.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Fluidzufuhrvorrichtung
angegeben, die umfasst:
eine Druckströmungssteuerung, die mehrere
Druckströmung-Steuerungseinheiten
umfasst, um den Strom des Fluids zu regulieren;
mehrere Fluidumschaltventile;
mehrere
Fluiddurchgänge;
eine
Fluidzufuhr-Steuereinheit zum Steuern der Betätigung der Druckströmung-Steuerungseinheiten
und der Fluidumschaltventile; und
einen Fluidverbraucher;
wobei
die Primärseite
jeder Druckströmung-Steuerungseinheit
an einen unterschiedlichen Gasspeicherbehälter anschließbar ist
und die Sekundärseite
jeder Druckströmung-Steuerungseinheit
an einen jeweiligen Fluiddurchgang angeschlossen ist,
jedes
Fluidumschaltventil auf der Sekundärseite einer jeweiligen Druckströmung-Steuerungseinheit
angeordnet und betätigbar
ist, um den jeweiligen Fluiddurchgang zu öffnen und zu schließen,
der
Auslass jedes Fluidumschaltventils mit dem Fluidverbraucher in Verbindung
steht, wenn das jeweilige Umschaltventil geöffnet ist, und
jede Druckströmung-Steuerungseinheit
umfasst: eine Mündung,
ein Steuerventil, das auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung vorgesehen
ist, einen Druckdetektor, der zwischen dem Steuerventil und der Mündung vorgesehen
ist, und eine Rechensteuereinheit, die eine Differenz zwischen einem
Flussratensignal Qc und einem die Flussrate angebenden Signal Qs
als Steuersignal Qy einer Ansteuerung für das Steuerventil zuführt, wobei
das Flussratensignal Qc basierend auf dem durch den Druckdetektor
erfassten Druck P1 anhand der Flussrate
Qc = KP1 (K = Konstante) berechnet wird,
wobei die Flussrate auf der stromabwärts gelegenen Seite der Mündung durch
Regulieren des Drucks P1 auf der stromaufwärts gelegenen
Seite der Mündung
durch das Öffnen
und Schließen
des Steuerventils gesteuert wird.
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Die
vorliegende Erfindung kann ferner eine Fluidzufuhrvorrichtung angeben,
die das Öffnen
und Schließen
des Steuerventils ermöglicht,
wobei der Druck P1 auf der stromaufwärts gelegenen
Seite der oben genannten Mündung
etwa doppelt so hoch oder noch höher
ist als der Druck P2 auf der stromabwärts gelegenen
Seite.
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Die
Fluidzufuhrvorrichtung kann ein elektrisches Hochgeschwindigkeitsbetätigungs-Fluidumschaltventil
als Fluidumschaltventil verwenden. Das elektrische Hochgeschwindigkeitsbetätigungs-Fluidumschaltventil
kann ein solenoidbetriebenes Hochgeschwindigkeitsbetätigungs-Fluidumschaltventil
sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren angegeben,
wie es in Anspruch 8 beschrieben ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm einer Gaszufuhrvorrichtung A, die ein erstes Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel
einer in der vorliegenden Erfindung verwendeten Druckströmungssteuerung
C zeigt.
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3 ist
eine vertikale Schnittansicht eines Fluidumschaltventils D, das
in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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4 ist
ein Diagramm, das Änderungen
der Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in Abhängigkeit von
der Zeit zeigt, wobei der Druck auf der Sekundärseite der Druckströmungssteuerungen
gemäß dem bevorzug ten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer in 8 gezeigten
Testanordnung auf 1 kg/cm2 abs festgelegt
ist.
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5 ist
ein Diagramm, das Änderungen
der Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in Abhängigkeit von
der Zeit zeigt, wobei der Druck auf der Sekundärseite der Druckströmungssteuerungen
auf 0,5 kg/cm2 abs festgelegt ist.
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6 ist
ein Diagramm, das Änderungen
der Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in Abhängigkeit von
der Zeit zeigt, wobei der Druck auf der Sekundärseite der Druckströmungssteuerungen
auf 0,2 kg/cm2 abs festgelegt ist.
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7 ist
ein Diagramm, das Änderungen
der Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in Abhängigkeit von
der Zeit zeigt, wobei der Druck auf der Sekundärseite der Druckströmungssteuerungen
auf 1 kg/cm2 abs festgelegt ist und die
Zufuhr von H2 und O2 in
einem Verhältnis
von 2 zu 1 bei der in 8 gezeigten Testanordnung gleichzeitig
begonnen und unterbrochen wird.
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8 ist
eine Darstellung des gesamten Systems einer Testvorrichtung zum
Erzeugen von Feuchtigkeit, die mit einer Gaszufuhrvorrichtung ausgestattet
ist, in der die Massenflusssteuerungen nach dem Stand der Technik
montiert sind.
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9 ist
ein Diagramm, das Änderungen
der Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in Abhängigkeit von
der Zeit zeigt, wobei der Druck auf der Sekundärseite der Massenflusssteuerungen
auf 1 kg/cm2 abs in der in 8 gezeigten
Testanordnung festgelegt ist.
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10 ist
ein Diagramm, das Änderungen
der jeweiligen Konzentration von H2, O2, N2 und H2O in Abhängigkeit
von der Zeit zeigt, wobei der Druck auf der Sekundärseite der
Massenflusssteuerungen auf 0,5 kg/cm2 abs
festgelegt ist.
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11 ist
ein Diagramm, das Änderungen
der Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in Abhängigkeit von
der Zeit zeigt, wobei der Druck auf der Sekundärseite der Massenflusssteuerungen
auf 0,2 kg/cm2 abs festgelegt ist.
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12 ist
ein Diagramm, das Änderungen
der Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in Abhängigkeit von
der Zeit zeigt, wobei der Druck auf der Sekundärseite der Massenflusssteuerungen
auf 1 kg/cm2 abs festgelegt ist und die
Zufuhr von H2 und O2 in
einem Verhältnis
von 2 zu 1 bei der in 8 gezeigten Testanordnung gleichzeitig
begonnen und unterbrochen wird.
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13 ist
ein Diagramm, das Änderungen
der Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in Abhängigkeit von
der Zeit zeigt, wobei die Zufuhr von N2 bei
demselben Test wie in 12 drei Minuten nach der Zufuhr
von O2 begonnen und drei Sekunden vor O2 unterbrochen wird.
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14 ist
ein Blockdiagramm, das den grundlegenden Aufbau der Massenflusssteuerung
nach dem Stand der Technik zeigt.
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Die
folgenden Bezugszeichen beziehen sich auf die in den beiliegenden
Zeichnungen dargestellten Teile.
- A
- Fluidzufuhrvorrichtung
- B
- Fluidzufuhr-Steuereinheit
- C
- Druckströmungssteuerung
- D
- Fluidumschaltventil
- E
- Fluidverbraucher
-
- 1
- Steuerventil
- 2
- Ansteuerung
für das
Steuerventil
- 3
- Druckdetektor
- 4
- Temperaturdetektor
- 5
- Mündung
- 6
- Rechensteuereinheit
- 7
- Verstärker
- 8
- Analog-Digital-Wandler
- 9
- Umkehrverstärker
- 10
- Ventilblock
- 11
- elektrischer
Betätiger
(Solenoid)
- 12
- Abschirmgehäuse
- 13
- Strömungskanal
- 14
- Sitz
- 15
- Block
- 16
- Metallmembran
- 17
- Kappe
- 18
- Kappenmutter
- 19
- Schaft
- 20
- Membrandruckelement
- 21
- Feder
- 22
- Mutter
- 23
- Hauptgehäuse
- 24
- Kolben
- 25
- Erregerspule
- 26
- Leitung
- 27
- Umfangswand
- 28
- obere
Wand
- 29
- Durchgangsloch
- 30
- Ferritleiste
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen wird nun ein Ausführungsbeispiel einer Fluidzufuhrvorrichtung
A gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das
die Fluidzufuhrvorrichtung A zeigt. Die Fluidzufuhrvorrichtung A
umfasst eine Fluidzufuhr-Steuereinheit B, Druckströmungssteuerungen
C und Fluidumschaltventile D.
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Das
vorliegende Ausführungsbeispiel
umfasst drei Druckströmungssteuerungen
C und drei Fluidumschaltventile D, so dass bei der Gaszufuhr zu
dem Fluidverbraucher frei zwischen H2, O2 und N2 umgeschaltet werden
kann. Es versteht sich von selbst, dass eine, vier oder mehr Druckströmungssteuerungen
vorgesehen sein können.
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H2, O2 und N2 werden durch Druckregler (nicht dargestellt)
mit einem bestimmten Druck von Gasspeicherbehältern (nicht dargestellt) aus
zu der Primärseite
der Druckströmungssteuerungen
C geleitet. Jedes bestimmte, die Flussrate angeben de Signal Qs wird
von der Fluidzufuhr-Steuereinheit B in jede Druckströmungssteuerung
C eingegeben. Dann wird das Gas von der Sekundärseite jeder Drucksteuerung
C durch Öffnen
des Ventils D auf eine bestimmte festgelegte Flussrate Qs gesteuert
und dem Fluidverbraucher E zugeführt.
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2 zeigt
eine Druckströmungssteuerung
C, die in einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Druckströmungssteuerung
C enthält
ein Steuerventil 1, eine Ansteuerung 2 für das Steuerventil,
einen Druckdetektor 3, einen Temperaturdetektor 4,
eine Mündung 5,
eine Rechensteuereinheit 6, Verstärker 7a, 7b,
Analog-Digital-Wandler 8a, 8b und andere Elemente.
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Das
Steuerventil 1 ist ein so genanntes Direktberührungs-Metallmembranventil
und seine Ansteuerung ist eine mit einem piezoelektrischem Element
arbeitende Ansteuerung. Der Druckdetektor 3 ist ein Halbleiter-Dehnungsdrucksensor.
Der Temperaturdetektor 4 ist ein Temperatursensor mit Thermoelement.
Es erübrigt
sich zu sagen, dass die vorstehend genannten Elemente Ansteuerung,
Drucksensor, Temperatursensor etc. beliebiger Art sein können.
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Die
Mündung 5 ist
eine Mündung,
die durch elektroerosive Metallbearbeitung auf einer plattenförmigen Metalldichtung
hergestellt wird. Zudem können
ein ultradünnes
Rohr oder eine durch Ätzen
in einem Metallfilm gebildete Mündung
als Mündung 5 verwendet
werden. Die Rechensteuereinheit 6 ist aus einer so genannten Steuerplatine
gebildet und mit einer Temperaturkorrekturschaltung 6a,
einer Flussratenberechnungsschaltung 6b, einer Vergleichsschaltung 6c,
einer Verstärkerschaltung 6d etc.
ausgestattet. Es ist festzustellen, dass, wenn die Rechensteuereinheit 6 in
einer Umgebung bei konstanter Temperatur wie beispielsweise einem
sauberen Raum verwendet wird, die Temperaturkorrekturschaltung 6a weggelassen
werden kann, ohne die Leistung der Rechensteuereinheit 6 zu
beeinträchtigen.
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3 ist
eine vertikale Schnittansicht, die ein in einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendetes Fluidumschaltventil D zeigt.
Der Hauptteil des Umschaltventils D enthält einen Ventilkörper 10,
einen elektrischen Betätiger 11 und
ein Abschirmgehäuse 12.
Bei diesem Beispiel ist der elektrische Betätiger 11 ein Solenoid.
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Der
Ventilblock 10 steuert den Fluidfluss durch Öffnen und
Schließen
des Ventils. Das in diesem Beispiel verwendete Ventil ist ein normal
schließendes
Ventil. Das heißt,
der Ventilblock 10 ist aus einem Körper 15 gebildet,
der mit einem Strömungskanal 13 und
einem Sitz 14 in diesem, einer Membran 16 aus
Metall (Legierung auf Nickelbasis), die so vorgesehen ist, dass
sie auf den Sitz 14 sitzen kann, einer Kappe 17,
einer Kappenmutter 18, einem Schaft 19, der sich
durch die Kappe erstreckt und auf und ab bewegt werden kann, einem
Membrandruckelement 20 zum Drücken der Membran 16 und
einer Feder 21 versehen ist, die den Schaft 19 stets
nach unten schiebt (um das Ventil zu schließen).
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Der
elektrische Betätiger 11 ist
ein Solenoid. Der elektrische Betätiger 11 umfasst ein
Gehäuse 23,
das durch eine Mutter 22 an der Kappe 17 befestigt
ist, einen Kolben 24, der an den Schaft 19 des
Ventilblocks 10 anschließt, eine Erregerspule 25 und
eine Eisenstange 25a zum Bewegen des Kolbens 24,
sowie eine Leitung 26.
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Das
Gehäuse 23 besteht
zwar aus Aluminium, kann jedoch auch aus einem Material mit hoher
magnetischer Permeabilität
wie Permalloy hergestellt sein.
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Das
Gehäuse 12 ist
außerhalb
des Hauptgehäuses 23 vorgesehen,
wobei ein kleiner Zwischenraum zwischen diesen gelassen ist, und
verhindert das Auslaufen des Magnetfelds. In dem vorliegenden Beispiel umfasst
das Abschirmgehäuse 12,
das zylindrisch ist und am unteren Ende offen ist, eine Umfangswand 27, welche
die Außenseite
des elektrischen Betätigers 11 bedeckt,
eine obere Wand 28, die die Unterseite des elektrischen
Betätigers 11 bedeckt,
und ein Durchgangsloch 29, durch das sich die Leitung 26 erstreckt,
und ist über
das Hauptgehäuse 23 gepasst.
Das Abschirmgehäuse 23 besteht
aus einem 1 mm dicken Film aus Permalloy oder Temperguss. Das Abschirmgehäuse 12,
das das Magnetfeld enthält,
ist an einem Abschnitt versehen mit der Ferritleiste 30,
an dem die Leitung 26 durch die obere Wand 28 verläuft. Die
Ferritleiste ist ringförmig
und um die Leitung 26 innerhalb (unter) der oberen Wand 28 gepasst,
um den Zwischenraum zwischen der Leitung 26 und dem Durchgangsloch 29 zu
füllen.
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Als
nächstes
wird der Betrieb der Fluidzufuhrvorrichtung A beschrieben.
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In 1 und 2 wird
der Gasdruck P1 am Auslass des Steuerventils 1,
d.h. auf der stromaufwärts gelegenen
Seite der Mündung 5 durch
den Druckdetektor 3 erfasst und zur Digitalisierung an
den Verstärker 7a und
den Analog-Digital-Wandler 8a geleitet.
Die so digitalisierten Signale werden dann in die Flussratenrechenschaltung 6b eingegeben.
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Dementsprechend
wird die Gastemperatur T1 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung 5 durch
den Temperaturdetektor 4 erfasst und zur Digitalisierung
an den Verstärker 7b und
den Analog-Digital-Wandler 8b geleitet. Die digitalisierten
Signale werden dann in die Temperaturkorrekturschaltung 6a eingegeben.
Falls auf die Temperaturkorrekturschaltung 6a verzichtet
wird, kann die Berechung der Flussrate mit analogen Signalen erfolgen,
um so die Steuerschaltung zu vereinfachen.
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Die
Rechensteuerschaltung 6 berechnet die Flussrate Q' = KP1 auf
Basis des Fluiddrucks P1 stromaufwärts und
bewirkt die Temperaturkorrektur der Flussrate Q' gemäß Korrektursignalen
von der Temperaturkorrekturschaltung 6a. Das berechnete
Flussratensignal Qc wird dann in die Vergleichsschaltung 6c eingegeben.
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In
der Zwischenzeit wurde das die Flussrate angebende Signal Qs in
die Vergleichsschaltung 6c eingegeben, wo das berechnete
Flussratensignal Qc und das die Flussrate angebende Signal Q miteinander
verglichen werden und das Differentialsignal Qy = Q c-Qs als Steuersignal
an die Ansteuerung 2 des Steuerventils 1 ausgegeben
wird.
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Wenn
das berechnete Flussratensignal Qc größer ist als das die Flussrate
angebende Signal Qs, bewegt sich die Ansteuerung 2 so,
dass sie das Steuerventil 1 schließt. Wenn das Signal Qc kleiner
ist als das Signal Qs, bewegt sich die Ansteuerung 2 so,
dass sie das Ventil 1 öffnet.
Auf diese Weise wird das Steuerventil 1 automatisch geöffnet oder
geschlossen, um das Signal Qc dem Signal Qs anzugleichen.
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Es
erübrigt
sich zu sagen, dass es bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wünschenswert
ist, dass das Verhältnis
zwischen dem Fluiddruck P2 auf der stromabwärts gelegenen Seite
der Mündung 5 und
dem Fluiddruck P1 stromaufwärts auf
der stromaufwärts
gelegenen Seite, d.h. das Verhältnis
P2/P1 nie größer als
etwa 0,5 ist. Das bedeutet, dass der Fluiddruck P1 auf
der stromaufwärts
gelegenen Seite der Mündung 5 etwa
doppelt so hoch oder noch höher
ist als der Fluiddruck P2 auf der stromabwärts gelegenen
Seite.
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In
diesem Zusammenhang kann der Aufbau so sein, dass der Fluiddruck
P1 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung 5 und
der Fluiddruck P2 auf der stromabwärts gelegenen
Seite in den Umkehrverstärker 9 eingegeben
werden, wobei das Steuerventil 1 automatisch geschlossen
wird, wenn der Druck P1 und der Druck P2 größenmäßig umgekehrt
werden – eine
Situation, in der die Rückströmung auftreten
kann – oder P2/P1 > 0,5 ist – eine Situation,
in der die Strömung
bei fehlender Rückströmung nicht
mit hoher Präzision
gesteuert werden kann.
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Wenn
das Solenoid 11 nicht angeregt ist, werden der Kolben 24,
der Schaft 19 und der Membrandruckelement 20 durch
die elastische Kraft der Feder 21 nach unten gedrückt, so
dass die Membran 16 durch den Membrandruckelement 20 auf
den Sitz 14 gedrückt
wird, wie es in 3 dargestellt ist. Auf diese
Weise wird das Fluidumschaltventil D geschlossen.
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Wenn
das Solenoid angeregt ist, werden der Kolben 24, der Schaft 19 und
der Membrandruckelement 20 gegen die elastische Kraft der
Feder 21 nach oben gedrückt
und die Membran 16 kehrt mit eigener elastischer Kraft
in ihre ursprüngliche
Form zurück
und löst
sich von dem Sitz 14. Daraufhin wird das Fluidumschaltventil
D geöffnet.
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Das
elektrische Hochgeschwindigkeitsbetätigungs-Fluidumschaltventil
des Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung öffnet
und schließt
sich in weniger als 10 ms gegenüber
einem Durchschnitt von 100 ms bei dem pneumatischen Fluidumschaltventil
nach dem Stand der Technik. Das heißt, das elektrische Hochgeschwindigkeits-Umschaltventil
arbeitet etwa 10-mal so schnell.
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Ferner
ist festzustellen, dass, wenn das Solenoid 11 mit Energie
gespeist wird (bei anfänglicher
Speisung und anhaltender Speisung), das Magnetfeld aus der Erregerspule 25 ausläuft. Da
aber das Abschirmgehäuse 12 außerhalb
des Solenoids 11 vorgesehen ist, wird das auslaufende Magnetfeld
zurückgehalten
und durch das Abschirmgehäuse 12 geschlossen.
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Wenn
das Fluidumschaltventil D in der Druckströmungssteuerung C des vorliegenden
Ausführungsbeispiels
in die Richtung betätigt
wird, in die das Ventil D geschlossen ist, nimmt der Fluiddruck
P1 auf der Primärseite der Mündung 5 zu
und die Fluidflussrate Q' =
KP1 steigt wie in 2 gezeigt
an. Dann wird die Differenz Qy zu der festgelegten Flussrate Qs
(Qs = 0) größer. Um
diese zu senken, das heißt,
den Fluiddruck P2 auf der Sekundärseite zu
senken, wird das Steuerventil 1 geschlossen.
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Der
Betätigungsmechanismus
der Druckströmungssteuerung
C gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist im Vergleich zu derjenigen nach dem
Stand der Technik, d.h. der Massenflusssteuerung, in der folgenden
Tabelle zusammengefasst. Aufgrund ihres Mechanismus erlaubt es die
Druckströmungssteuerung
C gemäß der vorliegenden
Erfindung dem Fluid nicht, sich auf der Sekundärseite L der Steuerung C anzusammeln.
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4 zeigt Änderungen
der Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in Abhängigkeit
von der Zeit, wobei die Konzentrationen gemessen wurden, als Feuchtigkeit
unter denselben Bedingungen wie in 9 in derselben
Testanordnung zum Erzeugen von Feuchtigkeit wie in 8 erzeugt
wurde, außer,
dass die Druckströmungssteuerungen
C1 bis C3 anstelle
der Massenflusssteuerungen MFC1 bis MFC3 nach dem Stand der Technik installiert
waren.
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Ebenso
zeigt 5 Änderungen
der Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in Abhängigkeit
von der Zeit, wobei die Konzentrationen in den Feuchtigkeitserzeugungstests
unter denselben Bedingungen wie in 10 unter
Verwendung der die vorliegende Erfindung realisierenden Fluidzufuhrvorrichtung
A gemessen wurden.
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6 zeigt Änderungen
der Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in Abhängigkeit
von der Zeit, wobei die Konzentrationen in den Feuchtigkeitserzeugungstests
un ter denselben Bedingungen wie in 11 unter Verwendung
der die vorliegende Erfindung realisierenden Fluidzufuhrvorrichtung
A gemessen wurden.
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7 zeigt Änderungen
der Konzentration von H2, O2,
N2 und H2O in Abhängigkeit
von der Zeit, wobei die Konzentrationen in den Feuchtigkeitserzeugungstests
unter denselben Bedingungen wie in 12 – 100 sccm
H2 + 50 sccm O2,
das heißt,
H2:O2 = 2:1 – unter
Verwendung der die vorliegende Erfindung realisierenden Fluidzufuhrvorrichtung
A gemessen wurden.
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Wie
Vergleiche zwischen 4 und 9, 5 und 10, 6 und 11 und 7 und 13 deutlich
machen, hat man herausgefunden, dass, selbst wenn der festgelegte
Druck auf der Sekundärseite
in der die vorliegende Erfindung realisierenden Fluidzufuhrvorrichtung
A gesenkt wird, die Spitzenwerte von H2 und
H2O überhaupt
nicht vorkommen.
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In
der die vorliegende Erfindung realisierenden Fluidzufuhrvorrichtung,
die in 1 gezeigt ist, sind drei Druckströmung-Steuerungseinheiten
C installiert. Es ist selbstverständlich, dass die Anzahl an
Einheiten je nach Anzahl der zuzuführenden Fluidarten (Gasarten)
verändert
wird.
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Es
ist ferner festzustellen, dass bei der die vorliegende Erfindung
realisierenden Fluidzufuhrvorrichtung ein solenoidbetriebenes Hochgeschwindigkeitsbetätigungsventil
als elektrisches Fluidumschaltventil D verwendet wird. Die Art des
Fluidumschaltventils D ist nicht auf das Hochgeschwindigkeitsbetätigungs-Umschaltventil
beschränkt,
sondern kann auch eine Ansteuerung mit piezoelektrischem Element
wie Piezokeramik sein.
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(Wirkungsweise der Erfindung)
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In
der vorliegenden Erfindung ist der Flussratenregler, welcher der
Kern der Fluidzufuhrvorrichtung ist, eine Druckströmungssteuerung.
Diese Druckströmungssteuerung
wird betätigt,
um den Druck auf der Sekundärseite
zu senken, wenn das Fluidumschaltventil geschlossen ist. Somit werden
die strukturellen Eigenschaften der Druckströmungssteuerung effektiv in
dieser Fluidzufuhrvorrichtung eingesetzt.
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Dadurch
ist es möglich,
den Fluidfluss oder die Feuchtigkeitserzeugung mit hoher Präzision zu
steuern, ohne dass selbst zu Beginn der Fluidzufuhr oder in einem vorübergehenden
Zustand wie dem Umschalten der zuzuführenden Fluide vorübergehende
Erscheinungen wie ein Überschießen von
Fluid bewirkt werden. Wenn zudem das verwendete Fluidumschaltventil
ein solenoidbetriebenes Hochgeschwindigkeitsbetätigungsventil ist, werden Vorgänge wie
das Umschalten von einem Fluid zum anderen beschleunigt. Dies und
ein Nicht-Überschießen des
Fluids tragen dazu bei, einen idealen anfänglichen Film bei der Halbleiterherstellung zu
bilden und steuern wesentlich dazu bei, Halbleiter mit hoher Integrationsdichte
zu verbessern.
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Daher
wären die
vorstehenden Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung von hohem praktischen Nutzen.
