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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschleunigen von Partikeln.
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Ein
derartiges Verfahren ist aus der europäischen Offenlegungsschrift
EP 1 132 497 bekannt. Bei diesem
Verfahren wird ein Pudermaterial in ein Trägergas eingebracht und der
resultierende Trägergasstrom
beschleunigt. Zum Beschleunigen wird eine zweistufige Überschallbeschleunigerdüse eingesetzt.
In einer ersten Stufe werden der Trägergasstrom und damit das Pudermaterial
auf eine Geschwindigkeit knapp unterhalb der Schallgeschwindigkeit
vorbeschleunigt. In einer sich daran anschließenden zweiten Stufe erfolgt
die Beschleunigung auf eine höhere
Geschwindigkeit, die oberhalb der Schallgeschwindigkeit liegt.
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Für ein Beschichten
von Oberflächen
mit Nanopartikeln ist es erforderlich, sehr hohe Partikelgeschwindigkeiten
hervorzurufen, damit eine stabile Nanopartikelschicht ausgebildet
werden kann. Aufgrund der nur geringen Größe von Nanopartikeln ist es
jedoch sehr schwierig, diese zu beschleunigen. Eine Beschleunigerdüse wie die
aus der genannten europäischen
Offenlegungsschrift vorbekannte ist regelmäßig allein nicht geeignet,
Nanopartikel auf die für
ein Beschichten erforderliche Endgeschwindigkeit zu beschleunigen.
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Der
Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zum Beschleunigen von Nanopartikeln anzugeben, mit
dem sich Nanopartikel mit relativ geringem Aufwand auf sehr große Geschwindigkeiten,
beispielsweise auf Überschallgeschwindigkeit,
beschleunigen lassen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass Nanopartikel in ein Flüssiggas
eingebracht werden und das Flüssiggas
von dem flüssigen
Aggregatzustand in den gasförmigen
Aggregatzustand überführt wird,
wobei die dabei auftretende Druckerhöhung zum Beschleunigen der
Nanopartikel genutzt wird.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu
sehen, dass sich mit diesem sehr große kinetische Energien und
damit sehr große
Endgeschwindigkeiten erreichen lassen, obwohl die Nanopartikel – wie bereits
erwähnt – aufgrund
ihrer geringen Größe und ihres
geringen Gewichts nur schwer zu beschleunigen sind.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass die Nanopartikel vor dem Beschleunigen in einem Flüssiggas
enthalten sind, in dem sie sich sehr stabil lagern lassen, ohne
dass es zu einem störenden
Verklumpen bzw. Agglomerieren der Nanopartikel kommt. Darüber hinaus
wird bei einer Lagerung von Nanopartikeln in Flüssiggas vermieden, dass diese
in die Umgebungsluft gelangen können,
wodurch gesonderte Sicherungsmaßnahmen
wie Staubschutzfilter etc. zur Abwendung gesundheitlicher Gefahren für die mit
den Nanopartikeln hantierenden Personen nicht erforderlich sind.
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Ein
dritter wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu
sehen, dass sich die in dem Flüssiggas
gelagerten Nanopartikel sehr einfach dosieren lassen, indem nämlich einfach die
entsprechende Menge Flüssiggas
eingesetzt wird.
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Das Überführen des
Flüssiggases
von dem flüssigen
Aggregatzustand in den gasförmigen
Aggregatzustand erfolgt bevorzugt durch Verdampfen; alternativ kann
auch der Übergang
während
eines Gefriertrocknungsschritts oder einer überkritischen Trocknung genutzt
werden.
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Im
Hinblick auf besonders große
Nanopartikelgeschwindigkeiten wird es gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
des Verfahrens als vorteilhaft angesehen, wenn das Beschleunigen
der Nanopartikel zumindest zweistufig erfolgt, wobei die Nanopartikel vorbeschleunigt
werden, indem das Flüssiggas
von dem flüssigen
Aggregatzustand in den gasförmigen Aggregatzustand überführt und
ein vorbeschleunigter Nanopartikelstrom gebildet wird, und wobei
die Nanopartikel nachbeschleunigt werden, indem der vorbeschleunigte
Nanopartikelstrom in eine Nachbeschleunigungseinrichtung eingeführt und
mit dieser weiter beschleunigt wird.
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Für die Nachbeschleunigung
wird vorzugsweise zumindest auch eine Überschallbeschleunigerdüse verwendet,
wobei der Nanopartikelstrom beispielsweise mit Unterschallgeschwindigkeit
in die Überschallbeschleunigerdüse eingespeist
und mit der Überschallbeschleunigerdüse auf Überschallgeschwindigkeit
nachbeschleunigt wird. Als Überschallbeschleunigerdüse kann
beispielsweise die aus der eingangs genannten europäischen Offenlegungsschrift
EP 1 132 497 vorbekannte
zweistufig arbeitende Überschallbeschleunigerdüse eingesetzt
werden.
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Die
Lagerung der Nanopartikel bzw. des Nanopulvers vor dem Erzeugen
des Nanopartikelstroms erfolgt vorzugsweise in dem Flüssiggas,
um zu vermeiden, dass gesonderte Schutzmaßnahmen erforderlich werden,
um ein Eindringen der Nanopartikel in die Umgebungsluft zu verhindern.
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Um
sicherzustellen, dass die Nanopartikel in dem Nanopartikelstrom
unverklumpt beschleunigt werden und ein feinverteilter, monodisperser
Nanopartikelstrom gebildet wird, wird es als vorteilhaft angesehen,
wenn die Nanopartikel vor dem Vorbeschleunigen, insbesondere vor
dem Einbringen in das Flüssiggas,
oder während
des Vorbeschleunigens in einen agglomerationsärmeren Zustand als zuvor, insbesondere
in einen nicht-agglomerierten Zustand, überführt werden.
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Das Überführen in
den agglomerationsärmeren
Zustand erfolgt vorzugsweise durch eine überkritische Trocknung oder
durch eine Gefriertrocknung. Bei einem Gefriertrocknen oder überkritischen
Trocknen verändern
sich nämlich
die Oberflächeneigenschaften
der Nanopartikel, wodurch deren ZETA-Potential deutlich kleiner
wird. Aufgrund des geringeren ZETA-Potentials weisen die Nanopartikel
anschließend
eine geringere Neigung auf zu verklumpen. Die in dieser Weise getrennten
Nanopartikel werden dann anschließend in dem Flüssiggas
zwischengelagert, um sie erst zu einem späteren Zeitpunkt zu beschleunigen,
oder sie werden unmittelbar weiter beschleunigt.
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Eine überkritische
Trocknung lässt
sich beispielsweise durchführen,
indem die Nanopartikel in eine überkritische
Flüssigkeit
eingebracht werden und die überkritische
Flüssigkeit
durch überkritische Trocknung
in den gasförmigen
Zustand überführt wird – dies wird
weiter unten anhand der 6 näher erläutert.
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Eine
Gefriertrocknung lässt
sich beispielsweise durchführen,
indem die Nanopartikel in eine Flüssigkeit, zum Beispiel in ein
Flüssiggas,
eingebracht werden und die Flüssigkeit
durch Gefriertrocknung in den gasförmigen Zustand überführt wird.
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Als
Flüssiggas
kann beispielsweise Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid verwendet
werden. Das Flüssiggas
kann beispielsweise erzeugt werden, indem bei Raumdruck eine niedrige
Temperatur (z. B. –200°C für Stickstoff)
oder bei Raumtemperatur ein sehr großer Druck hervorgerufen wird.
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Der
erzeugte Nanopartikelstrom wird vorzugsweise im Rahmen eines Kaltspritzverfahrens, beispielsweise
unter Verwendung von Mikrodüsen und
einer Mikrogaserhitzung, eingesetzt, bei dem der Nanopartikelstrom
auf eine zu beschichtende Oberfläche
gerichtet wird.
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Außerdem ist
es möglich,
den Nanopartikelstrom mit einem Reagenzgas zu vermischen, um die Nanopartikel
chemisch zu verändern
oder diese mit einer funktionalen Beschichtung zu versehen (z. B. Oxidschicht,
Nitridschicht, Borid-Schicht, Oxynitridschicht, etc.). Dieses Vermischen
erfolgt vorzugsweise während
oder nach dem Vorbeschleunigen der Nanopartikel oder alternativ
während
oder nach dem Nachbeschleunigen. Im Rahmen dieser „Nachbehandlung" der Nanopartikel
kann beispielsweise thermische oder elektromagnetische Energie eingesetzt werden.
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Als
Ventil-, Dosier- und Düsensysteme
können
beispielsweise piezokeramische Komponenten eingesetzt werden.
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Als
selbständige
Erfindung wird außerdem eine
Anordnung zum Beschleunigen von Partikeln angesehen, mit der sich
Nanopartikel mit relativ geringem Aufwand auf sehr große Geschwindigkeiten beschleunigen
lassen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Anordnung mit einer Vorbeschleunigungseinrichtung mit einer
Verdampfungskammer sowie einer an die Verdampfungsklammer angeschlossenen Nachbeschleunigungseinrichtung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei
zeigen beispielhaft
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1 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Anordnung
zum Beschleunigen von Nanopartikeln und zum Bilden eines beschleunigten Nanopartikelstroms
mit einer Vorbeschleunigungseinrichtung und einer Nachbeschleunigungseinrichtung,
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2 eine
Anordnung zum Auftrennen agglomerierter Nanopartikel und zum Überführen der agglomerierten
Nanopartikel in einen nicht agglomerierten Zustand bzw. in einen
weniger agglomerierten Zustand als vorher, wobei die Anordnung eine
Gefriertrocknungseinrichtung umfasst,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Anordnung mit einer Gefriertrocknungseinrichtung, die ausgangsseitig
mit einer Beschleunigungseinrichtung in Verbindung steht,
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4 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Anordnung zum Auftrennen agglomerierter Nanopartikel mit einer Prozesskammer
zum Überführen einer überkritischen
Flüssigkeit
in ein Gas,
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5 eine
Anordnung mit der Prozesskammer gemäß 4, wobei
die Prozesskammer ausgangsseitig mit einer Nachbeschleunigungseinrichtung
in Verbindung steht, und
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6 ein
Phasendiagramm zu Verdeutlichung der bei den Anordnungen gemäß den 1 bis 5 genutzten
Phasenwechsel.
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In
den 1 bis 6 werden der Übersichtlichkeit
halber für
identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen
verwendet.
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In
der 1 erkennt man eine Anordnung 10 zum Bilden
eines Nanopartikelstroms mit hoher Nanopartikelgeschwindigkeit.
Die Anordnung 10 weist einen Flüssiggasbehälter 20 auf, in dem
ein Flüssiggas 30 zusammen
mit Nanopartikeln 40 enthalten ist.
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Außerdem erkennt
man in der 1 einen Reagenzgasbehälter 50,
in dem ein Reagenzgas 60 enthalten ist. Der Flüssiggasbehälter 20 sowie
der Reagenzgasbehälter 50 stehen
mit einer Vorbeschleunigungseinrichtung 70 in Verbindung,
in die das Flüssiggas 30 mit
den Nanopartikeln 40 sowie das Reagenzgas 60 beispielsweise
mittels in der 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit halber nicht weiter
gezeigter Ventileinrichtungen eingespeist werden.
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Die
Vorbeschleunigungseinrichtung 70 umfasst eine Verdampfungskammer 100,
die beispielsweise mit einer Temperatureinstelleinrichtung (z. B. Heiz-
und/oder Kühleinrichtung) 110 sowie
mit einem Ventil 120 ausgestattet ist. Mit ihrem Ausgang
A70 ist die Vorbeschleunigungseinrichtung 70 mit einer Nachbeschleunigungseinrichtung 200 verbunden.
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Die
Nachbeschleunigungseinrichtung 200 umfasst eine Unterschallbeschleunigerdüse 210 sowie
eine nachgeschaltete Überschallbeschleunigerdüse 220.
Die beiden Düsen 210 und 220 können beispielsweise
durch Laval-Düsen
gebildet werden. Ein Eingang E210 der Unterschallbeschleunigerdüse 210 steht
mit dem Ausgang A70 der Vorbeschleunigungseinrichtung 70 in
Verbindung.
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Die
Anordnung gemäß 1 lässt sich
beispielsweise wie folgt betreiben:
In die Vorbeschleunigungseinrichtung 70 wird
das Flüssiggas 30 mit
den Nanopartikeln 40 sowie das Reagenzgas 60 eingespeist.
Das Flüssiggas
wird mit der Temperatureinstelleinrichtung 110 erwärmt und verdampft,
so dass ein sehr großer
Druck innerhalb der Verdampfungskammer 100 entsteht. Das
Reagenzgas vermischt sich dabei mit den Nanopartikel 40 und
wirkt auf diese ein: Beispielsweise verändert das Reagenzgas 60 die
Nanopartikel 40 chemisch oder versieht diese mit einer
funktionalen Beschichtung (z. B. Oxidschicht, Nitridschicht, Borid-Schicht, Oxynitridschicht,
etc.). Die Nachbehandlung der Nanopartikel durch das Reagenzgas 60 kann
beispielsweise durch Zufuhr thermischer oder elektromagnetischer
Energie unterstützt
oder beschleunigt werden.
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Am
Ausgang des Ventils 120 bildet sich somit ein vorbeschleunigter
Nanopartikelstrom S1, der zwar noch mit Unterschallgeschwindigkeit,
aber für einen
Nanopartikelstrom schon sehr schnell, aus der Vorbeschleunigungseinrichtung 70 heraustritt.
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Der
in dieser Weise vorbeschleunigte Nanopartikelstrom S1 wird in den
Eingang E210 der Unterschallbeschleunigerdüse 210 eingespeist
und weiter beschleunigt, so dass am Ausgang A210 der Unterschallbeschleunigerdüse 210 ein
noch weiter beschleunigter Nanopartikelstrom entsteht. Dieser Nanopartikelstrom
ist in der 1 mit dem Bezugszeichen S2 gekennzeichnet.
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Der
Nanopartikelstrom S2 wird mit einem Beschleunigungsgas B vermischt,
das an einem Eingang E220 der Überschallbeschleunigerdüse
220 mit hoher
Gasstromgeschwindigkeit in die Nach beschleunigungseinrichtung
200 eingespeist
wird. Der von dem Beschleunigungsgas B erfasste Nanopartikelstrom
S2 wird in der Überschallbeschleunigungsdüse
220 auf
eine Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt. Der Nanopartikelstrom mit Überschallgeschwindigkeit ist
in der
1 mit dem Bezugszeichen S3 gekennzeichnet. Für die Nachbeschleunigung
bzw. als Nachbeschleunigungseinrichtung kann beispielsweise die
aus der europäischen
Offenlegungsschrift
EP 1 132
497 bekannte Düsenkonstruktion
verwendet werden.
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Zusammengefasst
ist festzustellen, dass bei der Anordnung gemäß 1 ein Nanopartikelstrom S3
mit Überschallgeschwindigkeit
erzeugt wird, indem eine zweistufige Beschleunigung vorgenommen wird.
Im Rahmen des ersten Beschleunigungsschritts innerhalb der Vorbeschleunigungseinrichtung 70 wird ein
Nanopartikelstrom S1 mit schon sehr hoher Geschwindigkeit, jedoch
beispielsweise noch mit Unterschallgeschwindigkeit, erzeugt. Dieser
vorbeschleunigte Nanopartikelstrom wird dann in der Nachbeschleunigungseinrichtung 200 weiter
beschleunigt, so dass er Überschallgeschwindigkeit
erreicht.
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Die
Anordnung gemäß 1 macht
sich dabei zu nutze, dass durch das Verdampfen des Flüssiggases 30 innerhalb
der Verdampfungskammer 100 und den dadurch entstehenden Überdruck
bereits eine sehr große
Grundgeschwindigkeit für
die Nanopartikel erreicht wird, so dass der vorbeschleunigte Nanopartikelstrom
S1 am Ausgang A70 der Vorbeschleunigungseinrichtung 70 schon
eine sehr große
Geschwindigkeit aufweist und nur noch wenig weiter beschleunigt
werden muss, um Überschallgeschwindigkeit
zu erreichen.
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In
der 2 ist ein Ausführungsbeispiel
für eine
Anordnung gezeigt, mit der sich agglomerierte Nanopartikel auftrennen lassen,
um sie in einen weniger agglomerierten, vorzugsweise in einen nicht-agglomerierten,
Zustand zu versetzen.
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Die
Anordnung gemäß 2 umfasst
einen Aufbewahrungsbehälter 400,
in dem die Nanopartikel 40 aufbewahrt werden. Außerdem ist
ein Gasbehälter 410 mit
einer Flüssigkeit,
beispielsweise einem Flüssiggas 420 vorhanden.
Das Flüssiggas 420 sowie
die Nanopartikel 40 werden in eine Prozesskammer 425 einer
Gefriertrocknungseinrichtung 430 eingeführt und darin einem Gefriertrocknungsprozess unterworfen.
Die Gefriertrocknungseinrichtung 430 ist hierfür mit einer
Temperatureinstelleinrichtung 440 sowie mit einem Ventil 450 ausgestattet.
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Unter
Gefriertrocknung ist in diesem Zusammenhang ein Verfahren zu verstehen,
bei dem dem in die Prozesskammer 425 eingeführten Gemisch
aus Flüssiggas
und Nanopartikeln das Flüssiggas 420 entzogen
wird. Hierzu wird das Flüssiggas
unterhalb des eutektischen Punktes abgekühlt, bis es vollständig erstarrt
ist. Anschließend
wird der Druck innerhalb der Prozesskammer 425 der Gefriertrocknungseinrichtung 430 vermindert,
wodurch das erstarrte Flüssiggas
sublimiert und der gefrorenen Mischung aus Flüssiggas und Nanopartikeln das
Flüssiggas entzogen
wird. Dabei liegt die Temperatur innerhalb der Prozesskammer 425 unterhalb
des eutektischen Punktes des Flüssiggases 420. Übrig bleiben
die Nanopartikel 40 in einem weitgehend nicht-agglomerierten
Zustand. Am Ausgang A430 der Gefriertrocknungseinrichtung bzw. am
Ausgang des Ventils 450 bildet sich somit ein Nanopartikelstrom,
bei dem die Nanopartikel 40 wenig bzw. gar nicht agglomeriert sind.
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Die
in dieser Weise erzeugten Nanopartikel 40 können nun
zwischengelagert werden, beispielsweise in einem Flüssiggas 30.
Hierzu kann beispielsweise der Flüssiggasbehälter 20 gemäß 1 verwendet
werden. Alternativ ist es auch möglich,
den am Ausgang des Ventils 450 gebildeten Nanopartikelstrom
unmittelbar zu beschleunigen, beispielsweise mit der Nachbeschleunigungseinrichtung 200 gemäß 1.
Diese Variante zeigt die 3.
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In
der 4 ist ein Ausführungsbeispiel
für eine
Anordnung gezeigt, mit der auf eine andere Weise nicht-agglomerierte
Nanopartikel gebildet werden. Diese Anordnung verfolgt anstelle
des Prinzips der Gefriertrocknung das Prinzip der überkritischen Trocknung:
Das Grundprinzip der überkritischen Trocknung
beruht darauf, dass zunächst
eine Flüssigkeit
in einen überkritischen
Zustand versetzt wird und anschließend bei konstanter Temperatur
der Druck auf den Umgebungsdruck reduziert wird. Eine Phasengrenze
wird dabei im Unterschied zur unterkritischen Trocknung und zur
oben beschriebenen Gefriertrocknung nicht passiert, da eine Unterscheidung
zwischen Gas und Flüssigkeit
bei einer überkritischen
Flüssigkeit
nicht möglich
ist. Es treten daher im Unterschied zur unterkritischen Trocknung
keine Kapillarkräfte
während
des Trocknungsvorgangs auf.
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In
der 6 ist ein Phasendiagramm gezeigt, das die Phasenübergänge beispielhaft
darstellt. Der Pfeil P1 stellt dabei den Phasenübergang im Falle der im Zusammenhang
mit den 2 und 3 erläuterten
Gefriertrocknung dar; der Pfeil P2 zeigt den Phasenübergang
im Falle einer überkritischen
Trocknung, wie sie im Zusammenhang mit den 3 und 4 diskutiert
wird. Der Pfeil P3 zeigt ergänzend
den üblichen
Phasenwechsel durch Verdampfen, wie er beispielsweise zum Beschleunigen der
Nanopartikel 40 in der Verdampfungskammer 100 gemäß der 1 genutzt
werden kann.
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Die
Anordnung gemäß der 4 weist
eine Prozesskammer 500 auf, die mit einem Aufbewahrungsbehälter 400 mit
Nanoparti keln 40 sowie mit einem Behälter 510 mit einer überkritischen
Flüssigkeit 520 verbunden
ist.
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In
die Prozesskammer 500 werden die Nanopartikel 40 sowie
die überkritische
Flüssigkeit 520 eingeführt. Die
Temperatur sowie der Druck innerhalb der Prozesskammer 500 werden
nun derart eingestellt, dass die überkritische Flüssigkeit 520 in
ein Gas überführt wird.
Hierzu dienen eine Temperatureinstelleinrichtung 530 sowie
ein Ventil 540, die mit der Prozesskammer 500 zusammenwirken.
Am Ausgang der Prozesskammer 500 bzw. am Ausgang des Ventils 540 bildet
sich dadurch ein Nanopartikelstrom, bei dem die darin enthaltenen
Nanopartikel 40 kaum, vorzugsweise überhaupt nicht mehr, agglomeriert
sind. Die nicht-agglomerierten Nanopartikel werden anschließend zwischengelagert,
beispielsweise in dem Flüssiggasbehälter 20 gemäß 1.
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Alternativ
ist es auch möglich,
die am Ausgang des Ventils 540 ausgegebenen nicht agglomerierten
Nanopartikel 40 unmittelbar zu beschleunigen, um einen
beschleunigten Nanopartikelstrom zu bilden; zum Beschleunigen der
Nanopartikel kann beispielsweise die Nachbeschleunigungseinrichtung 200 gemäß 1 verwendet
werden. Eine derartige Anordnung zeigt beispielhaft die 5.