DE10038307A1 - Vorrichtung zum Trennen von Teilchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Trennen von gasförmigen, festen oder flüssigen Teilchen (20, 21), die unterschiedliche Größen aufweisen. Die Vorrichtung ist aus mehreren Schichten (2, 3, 4) aufgebaut, die übereinander angeordnet und alle mit Durchlässen (6, 8) versehen sind. Die Schichten (2, 3, 4) sind aus solchen Werkstoffen (5) gefertigt, die durch Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes ihre Größe ändern. Damit ist es auch möglich, die Größe eines jeden Durchlasses (6, 8) zu verändern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen von Teilchen, die unterschiedliche Größen aufweisen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung finden dort eine Anwendung, wo gasförmige, feste und/oder flüssige Teilchen, mit Abmessungen im Mikro- und Nonometerbereich, nach Größen voneinander getrennt werden sollen.

Das Trennen von gasförmigen, festen und/oder flüssigen Teilchen nach Größe ist eine wesentliche Aufgabe in vielen technischen Bereichen und bei vielen Verfahren in der Technik und Chemie. Dabei ist die Größe der Poren, welche die dafür verwendeten Filter aufweisen, ein Hauptcharakteristikum. Teilchen, die kleiner sind als die Poren­ größe treten durch das Filter hindurch, während solche die größer sind, zurückgehal­ ten werden. Daraus ergibt sich, dass zum Trennen von Teilchen mit unterschiedlichen Größen jeweils ein eigenes Filter mit einer passender Porengröße verwenden muß.

Ein weitere Kenngröße der bis jetzt verwendeten Filter ist die Durchflussrate. Sie wird durch die Menge der Teilchen bestimmt, die pro Zeiteinheit durch das Filter hindurch treten. Die Durchflussrate wird durch die Anzahl der Poren im Filter bestimmt und kann nicht verändert werden. Verstopfte Filter können meist nicht gereinigt werden, da sich der Schmutz, der sich in den Poren festgesetzt hat, wegen deren geringer Größe nicht entfernt läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Trennen von sehr kleinen gasförmigen, festen und/oder flüssigen Teilchen nach Größe aufzu­ zeigen, die zudem beliebig oft wieder verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine oder mehrere Schichten auf, die bei­ spielsweise aus Kristallen bestehen, und von Durchlässen mit einer veränderbaren Größe durchsetzt sind. Die Kristalle haben die Eigenschaft, dass ihre Größe durch das Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes oder durch das Einwirken einer mechanischen Kraft verändert werden kann. Durch das Verändern der Kristallgrößen werden auch die Abmessungen der Durchlässe zwischen den Kristallen verändert. Damit können die Abmessungen der Durchlässe kontinuierlich an die Größen der Teil­ chen angepasst werden, die zurückgehalten werden sollen, und an Größe derjenigen Teilchen, welche die Schichten passieren sollen. Für die Ausbildung der Schichten können neben kristallinen Werkstoffen auch alle andere Werkstoffe verwendet, deren Struktur sich durch das Ändern eines äußeren Parameters, beispielsweise durch das Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes oder einer mechanischen Kraft in entsprechender Weise ändert. Durch die Variation solcher äußerer Kontrollpara­ meter kann auch die Durchflussrate verändert werden, im dem beispielsweise zusätz­ liche Durchlässe geschaffen oder Durchlässe durch das Vergrößern der Kristalle ver­ engt werden. Da die Größe der Durchlässe veränderbar ist, lassen sich diese auch reinigen. Das geschieht durch Vergrößern der Durchlässe und Durchspülen mit einem geeigneten Medium. Damit ist die Vorrichtung wieder verwendbar.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Vorrichtung zum Trennen von Teilchen mit einer Größe im Nanometer­ bereich,

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Vertikalschnitt,

Fig. 3 eine Variante der Vorrichtung gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1, die aus Schichten 2, 3 und 4 aufgebaut ist. Die Schichten 2, 3 und 4 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus gesin­ terten Piezokristallen 5 gefertigt. Die Anzahl der Schichten 2, 3, 4 ist nicht wie hier ge­ zeigt auf drei beschränkt. Vielmehr kann die Vorrichtung auch aus mehr oder weniger solcher Schichten 2, 3, 4 aufgebaut werden. Die Piezokristalle 5 sind so zusammen­ gefügt, dass sie eine zusammenhängende Fläche bilden, die bei dem hier dargestell­ ten Ausführungsbeispiel von Durchlässen 6 und 8 durchsetzt ist. Die Schichten 2, 3 und 4 sind in einem Rahmen 10 angeordnet. Zwei parallel zueinander verlaufende Begrenzungsflächen des Rahmens 10, sind aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gefertigt sind. Sie dienen als Elektroden 10A und 10B, die an eine Spannungsquelle 10S anschließbar sind. Die beiden Seitenflächen 10A und 10B sind gegen die angren­ zenden Seitenflächen elektrisch isoliert. Mit Hilfe der Vorrichtung 1 werden die Teil­ chen 20 und 21 voneinander getrennt, die unterschiedliche Größen aufweisen, und gasförmig, fest oder flüssig sein können. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbei­ spiel haben die Teilchen 20 einen Durchmesser von 15 µm, während der Durchmes­ ser der Teilchen 21 25 µm beträgt. Die Piezokristalle 5 können durch das Anlegen ei­ nes äußeren elektrisch Feld vergrößert werden. Ein solches Feld wird mit Hilfe der Spannungsquelle 10S und den Elektroden 10A und 10B ausgebildet. Die Größe des elektrischen Feldes ist so gewählt, dass die Piezokristalle 5 hierdurch eine Vergröße­ rung 5G erfahren. Durch die Vergrößerung 5G sind die Abmessungen der Durchlässe 6 gerade so groß, dass die Teilchen 20 noch hindurch können. Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, gelangen die Teilchen 20 durch die Schichten 2, 3 und 4, während die Teil­ chen 21 auf der Oberseite 1S der Vorrichtung 1 zurück bleiben. Die Durchlässe 8 sind so weit verkleinert, dass selbst die Teilchen 20 nicht mehr hindurch kommen, wie an Hand von Fig. 2 zu sehen ist.

Ohne das Anlegen eines elektrischen Feldes zeigen die Piezokristalle 5 keine Vergrö­ ßerung 5G, und die Durchlässe 6 und 8 haben die ursprünglichen Abmessungen (hier nicht dargestellt), wie sie bei der Herstellung einer jeden Schicht 2, 3, 4 ausgebildet werden. Die Schichten 2, 3 und 4 lassen sich so herstellen, dass sie Durchlässe 6, 8 mit definierten Abmessungen aufweisen. Diese können dann durch das Anlegen eines elektrischen Felds auf die gewünschten Abmessungen verkleinern werden. Für die Fertigung der Schichten 2, 3, 4 können an Steile von Piezokristallen 5 auch Piezopo­ lymerfolien oder poröse magnetostriktive Materialen (hier nicht dargestellt) verwendet werden, bei denen die Abmessungen der Durchlässe in Abhängigkeit von der Größe eines angelegten magnetischen Feldes geändert werden kann. Mischungen aus zwei oder mehreren kristallinen Materialen, wobei ein Material aus piezoelektrischen oder magnetostriktiven Kristallen bestehen muß, sind ebenfalls für die Herstellung der Schichten 2, 3, 4 geeignet. Für die Fertigung der Schichten 2, 3, 4 können auch Nano­ röhrchen aus Kohlenstoff verwendet werden, die hierfür zu einer Art Vlies zusammen­ gefügt werden. Die zwischen den Nanoröhrchen (hier nicht dargestellt) verbleibenden Durchlässe können dann ebenfalls durch das Anlegen eines elektrischen Felds auf die gewünschten Abmessungen verkleinern werden.

Mit Hilfe eines Sensors (hier nicht dargestellt), der beispielsweise als thermischer oder elektrischer Leitfähigkeitssensor oder auch als masseempfindlicher Sensor ausgebil­ det ist, kann die Durchflussrate der Teilchen 20 durch die Vorrichtung 1 ermittelt wer­ den. Ist diese zu klein, so wird das elektrische Feld verringert, und zwar so weit, dass die Vergrößerungen 5G der Piezokristalle 5 so reduziert werden, dass die Teilchen 20 auch durch die Durchlässe 8 hindurch kommen, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Durch­ lässe 6 und 8 sind jedoch auch weiterhin so klein, dass die Teilchen 21 nicht hindurch kommen. In entsprechender Weise kann die Durchflussrate verkleinert werden, falls es die Bedingungen erfordern.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Trennen von Teilchen (20, 21) die unterschiedliche Grö­ ßen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere übereinander angeordnete Schichten (2, 3, 4) vorgesehen sind, und dass jede Schicht (2, 3, 4) von Durchlässen (6, 8) mit veränderbaren Größen durchsetzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht (2, 3, 4) aus einer zusammenhängenden Fläche aus Kristallen (5) mit veränderbarer Größe besteht, zwischen denen Durchlässe (6, 8) vorgesehen sind, und dass an jede Schicht (2, 3, 4) ein veränderbares elektrisches Feld und/oder magnetisches Feld an­ legbar ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht (2, 3, 5) aus Piezokristallen (5) gefertigt ist, zwischen denen Durch­ lässe (6, 8) vorgesehen sind, und dass an die Schicht (2, 3, 4) ein veränderbares elektrisches Feldes anlegbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht (2, 3, 4) aus einer Piezopolymerfolie gefertigt ist, die von Durchlässen (6, 8) veränder­ barer Größe durchsetzt ist, und dass an die Schicht (2, 3, 4) eins veränderbares elek­ trische Feldes anlegbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht (2, 3, 4) aus einem magnetostriktiven Material gefertigt und von Durchlässen (2, 3, 4) veränderbarer Größe durchsetzt ist, und dass an die Schicht (2, 3, 4) ein veränderba­ res magnetisches Feldes anlegbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht (2, 3, 4) aus wenigstens zwei unterschiedlichen kristallinen Mate­ rialen gefertigt und von Durchlässen (6, 8) veränderbarer Größe durchsetzt ist, dass mindestens eines dieser Materialen aus Piezokristallen (5) oder magnetostriktiven Kri­ stallen besteht, und an jede Schicht (2, 3, 4) ein veränderbares elektrisches Felde oder ein veränderbares magnetisches Feld anlegbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht (2, 3, 4) aus einem zusammenhängenden Vlies aus Nanoröhrchen aus Kohlenstoff gebildet ist, und dass die Größe der Durchlässe (6, 8), die zwischen den Nanoröhr­ chen verbleiben, mittels eines elektrischen Feldes veränderbar ist.