DE-102024126484-B4 - Vorrichtung zur Aufnahme eines Arbeitsgases und Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung, bei dem ein Arbeitsgas einer Kammer zugeführt wird

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Arbeitsgases, mit einer Anordnung (1) aufweisend eine erste Kammer (10), eine zweite Kammer (12) und zumindest eine Trennwand (14), die zwischen der ersten Kammer (10) und der zweiten Kammer (12) zu deren räumlicher Trennung voneinander angeordnet ist, wobei die Trennwand (14) zumindest eine Öffnung (16) mit einer angrenzend an die erste Kammer (10) angeordneten ersten Öffnungsfläche (162), einer angrenzend an die zweite Kammer (12) angeordneten zweiten Öffnungsfläche (164) und einem dazwischen über eine Dicke (d) der Trennwand (14) entlang einer Längsachse (L) verlaufenden Kanal (166) aufweist, wobei die Dicke (d) der Trennwand (14) maximal 1000 nm beträgt. Vorteilhafte Effekte lassen sich dadurch untersuchen und/oder ausnutzen, dass die erste Öffnungsfläche größer ist als die zweite Öffnungsfläche.

Inventors

• Wolfgang Kitsche

Assignees

• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20240913

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Aufnahme eines Arbeitsgases, mit einer Anordnung (1) aufweisend eine erste Kammer (10), eine zweite Kammer (12) und zumindest eine Trennwand (14), die zwischen der ersten Kammer (10) und der zweiten Kammer (12) zu deren räumlicher Trennung voneinander angeordnet ist, wobei die Trennwand (14) zumindest eine Öffnung (16) mit einer angrenzend an die erste Kammer (10) angeordneten ersten Öffnungsfläche (162), einer angrenzend an die zweite Kammer (12) angeordneten zweiten Öffnungsfläche (164) und einem dazwischen über eine Dicke (d) der Trennwand (14) entlang einer Längsachse (L) verlaufenden Kanal (166) aufweist, wobei die Dicke (d) der Trennwand (14) maximal 1000 nm beträgt, wobei die erste Öffnungsfläche (162) um einen Faktor zwischen 1,1 und 4, vorzugsweise um einen Faktor zwischen 1,4 und 2, größer ist als die zweite Öffnungsfläche (164) und wobei eine charakteristische Breite der ersten Öffnungsfläche (162) weniger als 1000 nm, z. B. zwischen 20 nm und 150 nm, und eine charakteristische Breite der zweiten Öffnungsfläche (164) weniger als 100 nm, z. B. zwischen 15 nm und 90 nm, beträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Dicke (d) kleiner ist als die charakteristische Breite der ersten Öffnungsfläche (162) und vorzugsweise größer ist als die charakteristische Breite der zweiten Öffnungsfläche (164), wobei die Dicke (d) z. B. zwischen 20 nm und 500 nm beträgt.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine den Kanal (166) umgrenzende und zwischen der ersten Öffnungsfläche (162) und der zweiten Öffnungsfläche (164) verlaufende Wandung (168) einen Winkel (α) zu der Längsachse (L) des Kanals (166) von maximal 45 °, vorzugsweise von maximal 30°, besonders bevorzugt maximal 15° aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Kanal (166) in einem Querschnitt orthogonal zu der Längsachse (L) eine kreisförmige, ovale oder polygonale Querschnittsform aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mit der ersten Kammer (10) eine erste Leitung (18) mit einem ersten Ventil (20) zur Zu-/Abfuhr des Arbeitsgases in Strömungsverbindung steht und/oder dass mit der zweiten Kammer (12) eine zweite Leitung (22) mit einem zweiten Ventil (24) zur Zu-/Abfuhr des Arbeitsgases in Strömungsverbindung steht.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Flächengröße der Trennwand (14) zwischen (100 nm) 2 und (10000 nm) 2 beträgt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Anzahl der Öffnungen (16), ggf. pro Anordnung (1), zwischen 1 und 10000 beträgt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Höhe der ersten Kammer (10) und/oder die Höhe der zweiten Kammer (12) senkrecht zur Trennwandebene maximal bis zu 5000 nm, vorzugsweise maximal bis zu 500 nm beträgt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mehrere Anordnungen (1) strömungstechnisch in Reihe zueinander angeordnet sind, wobei insbesondere die zweite Kammer (12) der vorgeschalteten Anordnung (1) jeweils die erste Kammer (10) der unmittelbar nachgeschalteten Anordnung (1) umfasst oder bildet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet , dass die charakteristische/n Breite/n der ersten Öffnungsfläche/n (162) und/oder die charakteristische/n Breite/n der zweiten Öffnungsfläche/n (164) der vorgeschalteten Anordnung (1), ggf. jeweils, unterschiedlich ist/sind, z. B. größer ist/sind, als die charakteristische/n Breite/n der ersten Öffnungsfläche/n (162) und/oder die charakteristische/n Breite/n der zweiten Öffnungsfläche/n (164) der nachgeschalteten Anordnung (1).
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mehrere Anordnungen (1) strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet sind, wobei insbesondere die Anordnungen (1) eine gleiche Ausbildung hinsichtlich der jeweiligen Trennwand (14) und/oder der ersten Kammer (10) und/oder der zweiten Kammer (12) aufweisen.
12. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - ein Arbeitsgas in eine erste Kammer (10) und/oder in eine zweite Kammer (12) einer Anordnung (1) zugeführt wird, wobei die Kammern (10, 12) über zumindest eine zwischengeordnete Trennwand (14) mit einer Dicke (d) von maximal 1000 nm mit zumindest einer Öffnung (16) voneinander räumlich getrennt in Fluidverbindung stehen, wobei die Öffnung (16) eine an die erste Kammer (10) angrenzende erste Öffnungsfläche (162) und eine an die zweite Kammer (12) angrenzende zweite Öffnungsfläche (164) aufweist, wobei die erste Öffnungsfläche (162) größer ist als die zweite Öffnungsfläche (164), - wobei vorzugsweise nach Zufuhr des Arbeitsgases die Anordnung (1) von der Umgebung druckentkoppelt wird, - wobei das Arbeitsgas zumindest eine Verweildauer innerhalb der Anordnung (1) verbleibt, wobei es sich zumindest teilweise über die Öffnung (16) von einer der Kammern (10, 12) in die andere Kammer (12, 10) bewegt, und - wobei das Arbeitsgas nach zumindest der Verweildauer aus zumindest einer der Kammern (10, 12) abgeführt wird, wobei die Anordnung (1) mit einer Umgebung in Strömungsverbindung gebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Arbeitsgases, mit einer Anordnung aufweisend eine erste Kammer, eine zweite Kammer und zumindest eine Trennwand, die zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer zu deren räumlicher Trennung voneinander angeordnet ist, wobei die Trennwand zumindest eine Öffnung mit einer angrenzend an die erste Kammer angeordneten ersten Öffnungsfläche, einer angrenzend an die zweite Kammer angeordneten zweiten Öffnungsfläche und einem dazwischen über eine Dicke der Trennwand entlang einer Längsachse verlaufenden Kanal aufweist, wobei die Dicke der Trennwand maximal 1000 nm beträgt. Molekulares Verhalten kann mittels geeignet ausgebildeter Mikro- und/oder Nanostrukturen technisch genutzt werden. So wird beispielsweise bei osmotischen Systemen das Bestreben eines reinen flüssigen Lösungsmittels ausgenutzt, durch eine semipermeable Membran in eine Lösung hineinzuwandern, beispielsweise bei der Aufbereitung von Wasser. Die DE 697 10 411 T2 offenbart einen Tintenstrahldruckkopf, welcher im Allgemeinen nicht zur Aufnahme eines Arbeitsgases verwendet wird. Die US 2022/0401900 A1 zeigt eine Vorrichtung mit einer einschichtigen Membran und ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion einer ersten Phase in einer zweiten Phase. Die Membran weist eine Dicke zwischen 0,05 und 20 mm auf. Die DE 10 2013 222 283 B3 zeigt eine Einrichtung und ein Verfahren zur Handhabung von Reagenzien. Dabei umfasst die Einrichtung fluidisch miteinander verbundene Kammern und eine Membran. Die Polymermembran weist eine Dicke zwischen 0,005 mm und 0,5 mm auf. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mittels welcher bzw. welchem das Verhalten eines Arbeitsgases auf molekularer Ebene untersucht, zugunsten eines Effekts optimiert und/oder technisch genutzt werden kann. Die Aufgabe wird für die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Bei der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die erste Öffnungsfläche größer ist als die zweite Öffnungsfläche. Die erste Öffnungsfläche und die zweite Öffnungsfläche bilden jeweils eine „lichte Fläche“ innerhalb der Trennwand. Mittels der Öffnung werden die erste Kammer und die zweite Kammer miteinander in Gasaustauschverbindung gebracht. Vorzugsweise sind eine Vielzahl von Öffnungen vorhanden, die vorzugsweise gleichartig ausgebildet sind (insbesondere bezüglich Form, Größe und Ausrichtung) und/oder gleichmäßig in der Trennwand verteilt sind. Die Längsachse L verläuft vorzugsweise senkrecht zu der Trennwand. Das Arbeitsgas kann durch ein Reingas, beispielsweise Stickstoff, oder durch ein Gasgemisch, beispielsweise Luft, gebildet sein. Unter Zugrundelegung theoretischer Betrachtungsweisen bewegen sich die Moleküle des Arbeitsgases in den Kammern nach den Gesetzmäßigkeiten der kinetischen Gastheorie. Nach ersten computergestützten Voruntersuchungen des Erfinders unter Anwendung der Gesetzmäßigkeiten der kinetischen Gastheorie beeinflusst das Verhältnis der Flächengrößen der ersten und der zweiten Öffnungsfläche die sich in den Kammern ergebenden Dichten des Arbeitsgases, wobei sich in der ersten und der zweiten Kammer jeweils eine unterschiedliche Gasdichte einstellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine nähere, experimentelle Untersuchung dieses Effekts und ggf. eine Optimierung und technische Ausnutzung, beispielsweise zur Gasverdichtung in Mikro- und/oder Nanostrukturen. Zur Erzeugung eines möglichst hohen Gas-Dichteverhältnisses zwischen den Kammern hat sich in Voruntersuchungen als besonders günstig erwiesen, dass die erste Öffnungsfläche um einen Faktor zwischen 1,1 und 4, vorzugsweise um einen Faktor zwischen 1,4 und 2, größer ist als die zweite Öffnungsfläche. Erfindungsgemäß beträgt dabei eine charakteristische Breite der ersten Öffnungsfläche weniger als 1000 nm, z. B. zwischen 20 nm und 150 nm, und eine charakteristische Breite der zweiten Öffnungsfläche weniger als 100 nm, z. B. zwischen 15 nm und 90 nm. Als „charakteristische Breite“ ist hierbei ein je nach Form der Öffnungsflächen bzw. des Querschnitts des Kanals (orthogonal zur Längsachse) verwendbares charakteristisches Maß definiert. Bei polygonaler, insbesondere schlitzförmiger Form stellt die Breite des Polygons bzw. des Schlitzes die charakteristische Breite dar, bei runder Form der Durchmesser, bei ovaler, vorzugsweise elliptischer Form der kleinste Durchmesser. Die Öffnungsflächen und Trennwandflächen (Ober- und Unterseite) verlaufen in jeweils einer nicht gekrümmten Ebene und/oder parallel zueinander. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Dicke kleiner ist als die charakteristische Breite der ersten Öffnungsfläche und vorzugsweise größer ist als die charakteristische Breite der zweiten Öffnungsfläche, wobei die Dicke z. B. zwischen 20 nm und 500 nm beträgt. Günstigerweise kann weiterhin