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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur wirtschaftlichen
Trennung bzw. Anreicherung oder Abreicherung von Sauerstoff oder
Sauerstoffverbindungen aus sauerstoffhaltigen Gasgemischen.
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Zur
Erhaltung und wirtschaftlichen Führung
aller Verbrennungsprozesse wird Sauerstoff gebraucht. Verbrennungsprozesse
dienen in technischen und biologischen Systemen allgemein zur Energiegewinnung bzw.
dem Schadstoffabbau. Sie treten sowohl virulent und unter Flammenbildung
in technischen Anwendungen wie Verbrennungsmotoren, Heizungsanlagen
und Müllverbrennungsanlagen,
als auch ruhig und eher unauffällig
in biologischen Systemen wie bei der Atmung oder der Fäulnis auf.
Viele dieser Prozesse und Vorgänge
laufen unter Nutzung des Sauerstoffes aus der Umgebungsluft ab.
Damit ist die Konzentration des für den Prozess zur Verfügung stehenden
Sauerstoffes mit ca. 21 Vol.-% fest vorgegeben. Viele dieser Prozesse
können
optimiert werden, indem die Sauerstoffzufuhr erhöht wird. So werden KfZ-Motoren
zur Erhöhung
der Leistung mit Kompressoren oder Turboladern ausgerüstet; Verbrennungsanlagen
werden mit Gebläsen
gespeist und Faultürme
mit Druckluft begast bzw. durch Rühren der Masse diese mit der
Umgebungsluft in Kontakt gebracht.
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Viele
dieser Prozesse lassen sich jedoch auch durch eine Erhöhung der
Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsatmosphäre optimieren.
Dabei können
Aspekte der Wirtschaftlichkeit, des Schadstoffausstoßes oder
der Leistungssteigerung Ziel dieser Optimierung sein. Daneben kann
bei medizinischer Indikation auch die Anreicherung der Atemluft
mit Sauerstoff über
portable Einrichtungen die Lebensqualität oftmals erheblich steigern.
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Viele
verschiedene Technologien sind zur Sauerstoffanreicherung bereits
im Einsatz. Darunter Membrantechnologien, Molekularsiebe und die
Bereitstellung von reinem Sauerstoff mittels Druckgasflaschen. Letzterer
wird durch die fraktionierte Destillation aus Luft (Linde-Verfahren)
oder mittels elektrolytischer Spaltung des Wassers gewonnen.
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Im
Folgenden soll der Stand von Forschung und Technik kurz beschrieben
werden.
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Im
Folgenden wird die Sauerstoffgewinnung durch fraktionierte Destillation
beschrieben. Der in handelsüblichen
Druckgasflaschen vertriebene Sauerstoff für technische Anwendungen wird
mittels fraktionierter Destillation aus Luft nach dem Linde-Verfahren
gewonnen. 7 zeigt eine
Anlage zur Lufttrennung nach dem Linde-Verfahren, wobei der umrahmte
Bereich (gestrichelte Linie) tiefgekühlt werden muss.
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Dabei
macht man sich zunutze, dass Gase bei genügend hohem Druck verflüssigt werden
können. Aus
dem verflüssigten
Gasgemisch lassen sich dann durch präzise geführte Druck- und Temperaturprozesse die verschiedenen
Komponenten mit gewisser Selektivität einzeln entnehmen [1].
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Der
Nachteil solcher Anlagen besteht im hohen Energieaufwand für die Kompression
des Gases und der notwendigen (Tief-) Kühlung der gesamten Anlage.
Solche Systeme sind nur in großtechnischer
Anwendung sinnvoll einsetzbar. Die Reinheiten des so erzeugten Sauerstoffes
liegen im Bereich von ca. 90 Vol.-% bis 99,999 Vol.-%. Die Anlagen
sind in der Lage mehrere Tonnen Sauerstoff pro Stunde mit > 95 Reinheit herzustellen.
Für Reinheiten über 99 %
werden stets weitere physikalische oder physikalisch-/chemische
Reinigungsverfahren nachgeschaltet.
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Im
Folgenden soll die Sauerstoffgewinnung durch Elektrolyse des Wassers
erläutert
werden.
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Um
Sauerstoff hoher Reinheit oder in kleineren Mengen zu erzeugen wird
gelegentlich auch die elektrolytische Zersetzung des Wassers angewendet.
Da jedoch der hohe exotherme Energiebetrag der bei der Verbrennung
von Sauerstoff und Wasserstoff frei geworden ist zur Trennung wieder überwunden
werden muss, sind extreme Energiebeträge zur Elektrolyse erforderlich.
Solche Anlagen sind nur in kleinerem Umfang und bei günstigen
Energiekosten wirtschaftlich zu betreiben. Sie eignen sich allenfalls
dort, wo zur Energieversorgung größere Photovoltaik-Anlagen günstig eingesetzt
werden können.
Der Vorteil liegt zweifellos neben der hohen Reinheit der erzielbaren
Gase in der gleichzeitigen Gewinnung von Sauerstoff und Wasserstoff.
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Im
Folgenden wird die Sauerstoffanreicherung durch Druckwechseladsorption
beschrieben.
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Besonders
in medizinischen Anwendungen wird häufig kein reiner Sauerstoff
benötigt.
Oft genügt
es die Atemluft von beeinträchtigten
Patienten lediglich mit Sauerstoff anzureichern. Dazu werden mobile
Geräte angeboten,
die sogar mit wiederaufladbaren Batterien betrieben werden können. Die
Geräte
können
dann mit einer Autobatterie betrieben über mehrere Stunden hinweg
Sauerstoff von 90 % Reinheit mit einer Leistung von 2 bis 6 Litern/Minute
aus der Umgebungsluft erzeugen. Dabei macht man sich die unterschiedlichen
Adsorptionseigenschaften der Hauptbestandteile der Luft, Stickstoff
und Sauerstoff, an sog. Molekularsieben zunutze. Molekularsiebe
bestehen aus keramikähnlichen
Granulaten aus Zeolithen, eines in molekularem Maßstab hochporösen Mischoxides.
Dazu bringt man in einem Druckgefäß komprimierte Luft (einige
bar) mit dem Molekularsieb in Kontakt. Der Stickstoff der Luft wird
nun besser an das Molekularsieb gebunden als der Sauerstoff und
am Ausgang des Molekularsiebes steht mit Sauerstoff angereicherte
Luft zur Verfügung.
Nach einem gewissen Adsorptionsvolumen sättigt sich das Zeolith mit
Stickstoff und die Adsorption lässt
nach. Deshalb muss das Molekularsieb nun entspannt und mit gewöhnlicher
Luft freigespült
werden. In dieser Regenerationsphase übernimmt ein zweites Molekularsieb
die Versorgung mit angereicherter Luft. Die beiden Adsorber werden
so im steten Wechsel betrieben. Nachteilig an diesem Verfahren ist
der hohe Energieaufwand für die
Kompression und das Entspannen des Adsorbers, das rasch erfolgen
sollte, um eine gute Spülung
des Zeolithen zu erreichen. Die ständigen Umschaltvorgänge tragen
neben den Pumpgeräuschen
zu einem nicht unerheblichen Lärmpegel
des Gerätes
bei. Dies wirkt besonders bei der Dauerversorgung von Patienten
bei Nacht störend
[2].
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Während Druckgasflaschen
im Gebrauch leer werden und daher einen hohen Aufwand an Logistik
erfordern, liefern Molekularsiebe einen diskontinuierlichen Gasstrom,
der durch zusätzlichen
Aufwand in Form einer zweiten Kolonne behoben werden muss. Bei Membrantechnologien
sind der Verschleiß und
die Kontamination ursächlich
für das
Versagen der Trennmembran und letztlich begrenzend für die Lebensdauer
des Anreicherungssystems. Fraktionierte Destillation und Elektrolyse
kommen wegen des hohen apparativen und energetischen Aufwandes meist
ebenfalls nicht in Frage.
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Zusammenfassend
kann daher gesagt werden, dass alle bekannten Verfahren nachteilig
darin sind, dass sie mit einem hohen Energieaufwand verbunden sind
und auf komplexen Verfahren basieren, die anfällig sind und/oder typischerweise
nicht mobil sind. Allein die Sauerstoffanreicherung durch Druckwechseladsorption
ermöglicht,
wie zuvor beschrieben, „mobile" Anwendungen. Hier
ist jedoch anzumerken, dass entsprechende Anwendungen selbst für eine Leistung
von 2 bis 6 Litern/Minute einen hohen Energiebedarf haben, die typischerweise
nur durch Autobatterien gedeckt werden können und entsprechend nur eine
begrenzte Energie autonomie aufweisen. Ferner sind die Geräte an sich
auch durch Ihre Größe nur bedingt
als „mobil" einzustufen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zu schaffen, das eine wirtschaftliche und effiziente
An- oder Abreichung von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasgemischen ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Anreichern oder Abreichern
gemäß Anspruch
1 oder ein Verfahren zum Anreichern oder Abreichern gemäß Anspruch
21 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Anreichern oder
Abreichern von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen in einem sauerstoffhaltigen
Gasgemisch mit folgenden Merkmalen: einem Eingangskanal; einem Hauptkanal
und einem Nebenkanal, die durch eine Verzweigung mit dem Eingangskanal verbunden
sind, wobei die Verzweigung derart ausgebildet ist, dass ohne eine
Magnetfeldeinwirkung mehr als 50 % des durch den Eingangskanal einströmenden sauerstoffhaltigen
Gasgemisches in den Hauptkanal strömt; und einer Magnetfeld erzeugenden
Einrichtung, die ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, und die
derart an einem der Kanäle
angeordnet ist, dass ein durch den Nebenkanal strömender Anteil
des sauerstoffhaltigen Gasgemisches einen höheren Sauerstoffanteil aufweist
als ein durch den Hauptkanal strömender Anteil
des sauerstoffhaltigen Gasgemisches.
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Die
Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Anreichern oder Abreichern
von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen in einem sauerstoffhaltigen
Gasgemisch mit folgenden Schritten: Zuführen des sauerstoffhaltigen
Gasgemisches in einen Eingangskanal; Erzeugen eines Magnetfeldes;
und Trennen des sauerstoffhaltigen Gasgemischs durch eine Verzweigung,
die den Eingangskanal mit einem Hauptkanal und einem Nebenkanal
verbindet, wobei die Verzweigung derart ausgebildet ist, dass ohne
eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 50 % des durch den Eingangskanal
einströmenden
sauerstoffhaltigen Gasgemisches in den Hauptkanal strömt, und
wobei Magnetfeld derart erzeugt wird, dass ein durch den Nebenkanal
strömender
Anteil des sauerstoffhaltigen Gasgemisches einen höheren Sauerstoffanteil
aufweist als ein durch den Hauptkanal strömender Anteil des sauerstoffhaltigen
Gasgemisches.
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In
der Beschreibung wird, um unnötige
Wiederholungen zu vermeiden, von einer Anreicherung oder Abreicherung
von Sauerstoff gesprochen, wobei dies auch die An- bzw- Abreicherung
von Sauerstoffverbindungen allgemein umfasst.
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Das
neue Verfahren bzw. die neue Vorrichtung zur wirtschaftlichen Trennung
oder Anreicherung von Sauerstoff aus sauerstoffhaltigen Gasgemischen
basiert auf der Anwendung der paramagnetischen Eigenschaften des
Sauerstoffs. Das neu vorzustellende Verfahren bzw. die neu vorzustellende
Vorrichtung machen sich die ungewöhnliche Eigenschaft des Sauerstoffs,
ein ausgeprägtes
paramagnetisches Moment zu besitzen, zunutze. Damit kann aus der
Umgebungsluft oder anderen sauerstoffhaltigen Gasgemischen dieser
mit guter Selektivität
abgetrennt und Prozessen aller Art zur Verfügung gestellt werden.
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Die
Erfindung basiert, wie zuvor dargelegt, auf der Erkenntnis, dass
Sauerstoff paramagnetische Eigenschaften aufweist, d. h. dass die
Sauerstoffmoleküle
in einem Magnetfeld von diesem angezogen werden und sich in Richtung
des stärker
werdenden Magnetfeldes bewegen. Wird nun beispielsweise in einem
Strömungskanal
ein einseitig inhomogenes Magnetfeld angebracht, so wird sich die
Sauerstoffkonzentration an einer der beiden seitlichen Kanalwände erhöhen. Dabei
ist unter einem „einseitig" „inhomogenen" Magnetfeld zu verstehen,
dass die magnetische Feldstärke
nicht konstant, sondern abhängig
vom Abstand zu dem Magneten ist, wobei die magnetische Feldstärke mit
zunehmendem Abstand von dem Magneten abnimmt („inhomogenes" Magnetfeld) und
in dem Sinne „einseitig" ist, dass ein Magnetfeld
nur von einer Seite wirkt, d. h. beispielsweise ein Magnet nur an
einer Kanalwand angeordnet wird. Teilt man diesen Kanal nun Y-förmig auf,
so wird der Teilstrom, der sich auf der Seite des stärkeren Magnetfeldes
befindet, der sich also beispielsweise auf der Seite des Magneten
befindet, eine höhere
Sauerstoffkonzentration, und der zweite, der sich auf der Seite
der schwächeren
Magnetfeldstärke
befindet, der sich also beispielsweise auf der dem Magneten gegenüberliegenden
Seite befindet, eine entsprechend erniedrigte bzw. reduzierte Sauerstoffkonzentration
mit sich führen.
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Wählt man
nun keine symmetrische Aufteilung, z.B. eine symmetrische Y-Verzweigung,
sondern eine asymmetrische, z.B. eine asymmetrische Y-Verzweigung,
so kann die Sauerstoffkonzentration in dem angereicherten Teilstrom
noch weiter erhöht
werden und so die Effizienz weiter gesteigert werden. Dabei ist
der Nebenkanal mit dem erhöhten
Sauerstoffanteil auf der Kanalseite des Magneten bzw. der stärkeren Magnetfeldstärke angeordnet.
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Des
Weiteren ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung die Magnetfeld erzeugende Einrichtung zu mehr als 50 %
an dem Eingangskanal angeordnet, um in dem Eingangskanal vor der
Verzweigung eine höhere
Konzentration des Sauerstoffs an einer Kanalseite zu erreichen.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist der Nebenkanal einen geringeren Querschnitt als der Hauptkanal
auf. Damit wird der Strömungswiderstand
in dem Nebenkanal gegenüber
dem Hauptkanal erhöht
und unterstützt
damit eine höhere
Konzentration von Sauerstoff im Nebenkanal.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Magnetfeld erzeugende Einrichtung als Permanentmagnet ausgebildet,
so dass für
den Betrieb der Vorrichtung selbst keine Stromversorgung benötigt wird.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Permanentmagnet
eine hohe Koerzitivfeldstärke
und/oder ein hohes Energieprodukt auf, um bezüglich der Lebensdauer der Vorrichtung
möglichst lange
eine möglichst
hohe Konzentration bzw. Anreicherung in einer einzelnen Trennstufe
zu ermöglichen.
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In
einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Magnetfeld
erzeugende Einrichtung ausgebildet, das Magnetfeld elektrodynamisch
zu erzeugen, um so eine Steuerung des Sauerstoffanteils des durch
den Nebenkanal strömenden
Gasgemisches in Abhängigkeit
von einem für
die elektrodynamische Magnetfelderzeugung notwendigen Stromfluss,
also über
die Änderung
des Stromflusses, bei gleicher Kanal- bzw. Vorrichtungsdimensionierung
zu ermöglichen.
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Da
die Magnetfelder nur eine begrenzte Wirkungsreichweite haben, die
für eine
Trennung ausgenutzt werden kann, wird die Vorrichtung bevorzugt
auf der Basis von Mikrosystemtechnik hergestellt, und dabei bevorzugt
in einer planaren Struktur, um eine effiziente Herstellung zu ermöglichen.
Dabei ist in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem beispielsweise
die Vorrichtung als planare Struktur hergestellt wird, die Höhe des Nebenkanals
gleich der Höhe
des Hauptkanals, die Breite des Nebenkanals jedoch geringer als die
Breite des Hauptkanals, um so auf effiziente Weise einen Nebenkanal
mit einem geringeren Querschnitt als dem Hauptkanal zu realisieren.
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Im
folgenden wird ein Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung, das nur eine einzige Verzweigung für das Trennen
des sauerstoffhaltiges Gasgemischs in einen sauerstoffangereicherteren
Anteil und in einen sauerstoffabgereicherten Anteil aufweist, auch
als Trenndüse
oder Trennstufe bezeichnet In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
in dem die Vorrichtung mehr als eine Trennstufe aufweist, ist der
Ausgang des Nebenkanals vorzugsweise in einer anderen Ebene bzw.
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Schicht
als ein Ausgang des Hauptkanals angeordnet, um beispielsweise eine
hochintegrierte Serien- und/oder Parallelschaltung einzelner solcher
Trennstufen zu ermöglichen.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Verzweigung derart ausgebildet, dass ohne eine Magnetfeldeinwirkung
weniger als 40 %, und in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
weniger als 30 % des durch den Eingangskanal einströmenden sauerstoffhaltigen
Gasgemisches in den Nebenkanal strömt, um die Anreicherung pro
Trennstufe zu erhöhen,
wobei gleichzeitig der Durchfluss des angereicherten Gasgemischs
im Verhältnis
zu dem Durchfluss des ursprünglich
zugeführten
Gasgemisch abnimmt.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Vorrichtung ferner eine zweite Trennstufe, d. h. einen
zweiten Eingangskanal, einen zweiten Hauptkanal, einen zweiten Nebenkanal
und entsprechend eine zweite Magnetfeld erzeugende Einrichtung auf,
wobei die zweite Trennstufe parallel zu der „ersten" Trennstufe angeordnet wird, um den
Durchsatz zu erhöhen.
So kann der Durchsatz durch eine entsprechende Anzahl parallel angeordneter
Trenndüsen
nahezu beliebig erhöht
werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird die zweite Trenndüse
hinter die „erste" Düse geschaltet, indem
der Eingang des Eingangskanals der zweiten Trenndüse mit einem
Ausgang des Nebenkanals der „ersten" Trenndüse gekoppelt
wird. In anderen Worten, Trenndüsen
können
kaskadiert bzw. seriell geschaltet oder angeordnet werden, um noch
höhere
Anreicherungen von Sauerstoff am Ende der Prozesskette bzw. Vorrichtung
zu erhalten.
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Dabei
können
die Serien- und Parallelschaltungen einzelner Trenndüsen bzw.
Trennstufen beliebig kombiniert werden, um eine bestimmte Sauerstoffkonzentration
bei einem vorgegebenen Durchsatz zu erhalten.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
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1 zeigt
ein prinzipielles Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 zeigt
eine beispielhafte Verteilung der Sauerstoffkonzentration am Anfang
und am Ende des Eingangskanals;
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3 zeigt
ein weiteres prinzipielles Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung auf Basis von CoPt-Magneten;
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4A bis 4C zeigen
eine 3D-Darstellung (4A), eine Drauf sicht (4B)
und eine Seitenansicht (4C) eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung;
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5 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer Serien-
und Parallelschaltung einzelner Trennstufen;
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6 zeigt
einen Verlauf einer Feldstärke
eines Festmagneten in Abhängigkeit
vom Abstand zum Festmagneten;
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7 zeigt
eine Anlage zur Lufttrennung nach dem Linde-Verfahren.
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Im
folgenden werden Merkmale gleicher oder ähnlicher Funktionalität unter
Verwendung derselben Bezugszeichen beschrieben.
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Ausgehend
vom deutschen Patent
DE
41 012 16 C1 , „Sauerstoffsensor" [6], in dem bereits
das grundsätzliche
Prinzip paramagnetischer Trenndüsen
angegeben wird, ergibt sich durch die konsequente Anwendung der
Mikrotechnologie die Möglichkeit,
Sauerstoff nicht nur zu detektieren, sondern Vorrichtungen zu schaffen,
die eine wirtschaftliche Gewinnung von Sauerstoff beispielsweise
aus der Umgebungsluft ermöglichen.
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Dem
Trennungsprinzip liegt dabei die bei Gasen äußerst seltene Eigenschaft des
Sauerstoffes zu Grunde, einen ausgeprägten Paramagnetismus zu zeigen.
D.h. Sauerstoffmoleküle
werden in einem Magnetfeld von diesem angezogen. Sie bewegen sich
in Richtung des stärker
werdenden Magnetfeldes. Bringt man nun in einem Strömungskanal
ein einseitig inhomogenes Magnetfeld an, so wird sich die Sauerstoffkonzentration
an einer der beiden seitlichen Kanalwände erhöhen. Teilt man den Kanal nun
Y-förmig
auf, so wird ein Teilstrom die höhere,
der zweite Teilstrom eine entsprechend erniedrigte Sauerstoffkonzentration
mit sich führen.
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1 zeigt
das Prinzip der paramagnetischen Sauerstoffanreicherung durch magnetische
Beeinflussung der Strömung
und anschließendes
Aufspalten in Teilströme.
Des weiteren zeigt 1 vereinfacht das Funktionsprinzip
eines Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung bzw. Trenndüse
in planarer Bauweise.
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Zur
Verdeutlichung wurde der Deckel, welcher die Kanalstruktur verschließt, nicht
gezeichnet. In einen Kanal wird ein Gasgemisch eingeführt, welches
Sauerstoff enthält.
Durch die einseitig angebrachten Magnete erfahren die Sauerstoffmoleküle im Gasgemisch
eine Kraft, welche sie zu den Magnetpolen hin bewegt. Dadurch erhöht sich
die Konzentration an Sauerstoff auf der in Bezug auf 1 linken
Kanalseite zu Lasten der rechten Seite. Man kann auch sagen, dass
Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle
im Magnetfeld ihre Plätze
austauschen. An der Y-förmigen
Verzweigungsstelle wird nun der mit Sauerstoff angereicherte Teilstrom
abgezweigt, während
der abgereicherte Gasstrom dem geraden Kanal weiter folgt.
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In
anderen Worten ausgedrückt,
zeigt 1 eine Vorrichtung zum Anreichern oder Abreichern
von Sauerstoff (O2) oder Sauerstoffverbindungen
in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, z. B. Luft, das im Wesentlichen
aus Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2) besteht (110). Die Vorrichtung 100 weist
einen Eingangskanal 120, einen Nebenkanal 130 und
einen Hauptkanal 140 auf, wobei der Hauptkanal 140 und
der Nebenkanal 130 durch eine Verzweigung 150 verbunden
sind. Die Kanalgeometrie bzw. Abzweigung ist Y-förmig, jedoch nicht symmetrisch,
so dass ohne eine Magnetfeldwirkung mehr als 50 % des durch den
Eingangskanal 120 einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches 110 in
dem Hauptkanal 140 strömt.
Ferner weist die Vorrichtung 100 eine Magnetfeld erzeugende
Einrichtung 160 auf, die ausgebildet ist, ein Magnetfeld
zu erzeugen, und die derart an einem der Kanäle angeordnet ist, dass ein
durch den Nebenkanal 130 strömender Anteil des sauerstoffhaltigen
Gasgemisches 110 einen höheren Sauerstoffanteil aufweist
als ein durch den Hauptkanal 140 strömender Anteil 114 des
sauerstoffhaltigen Gasgemisches 110. Dieses Prinzip der
Anreicherung bzw. Abreicherung und im Extremfall Trennung des Sauerstoffs
von den restlichen Anteilen, z. B. Stickstoff, wird durch die Bezeichnungen
O2/N2 des Pfeils 110,
O2 des Pfeils 112 und N2 des Pfeils 114 symbolisch dargestellt.
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In
Verbindung mit 2 soll nun die Wirkungsweise
der Vorrichtung näher
erläutert
werden. 2 zeigt einen beispielhaften
Verlauf der Sauerstoffkonzentration in dem Eingangskanal 120.
Dabei stellt die x-Achse den Eingangskanal in seiner Breite dar,
d. h. links ist die dem Magneten 160 in 1 zugeordnete linke
Kanalseite 122 dargestellt und auf der rechten Seite die
dem Magneten 160 in 1 gegenüberliegende rechte
Seite 124 des Eingangskanals 110 dargestellt.
Die y-Achse stellt die Sauerstoffkonzentration in Prozent bzw. die
Verteilung der Sauerstoffkonzentration über die Eingangskanalbreite
dar.
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Die
gestrichelte Linie 210 stellt eine beispielhafte Verteilung
der Sauerstoffkonzentration an einem Eingang des Eingangskanals 110 dar,
die typischerweise ohne Magnetfeldeinfluss gleich verteilt und bei
ca. 21 % in Luft liegt. Während
das sauerstoffhaltige Gasgemisch durch den Eingangskanal in Richtung
des Pfeils 110 strömt,
wirkt das Magnetfeld auf die Sauerstoffmoleküle. Da die magnetische Feldstärke des
Magnetfeldes inhomogen ist, d, h. mit zunehmendem Abstand von dem
Magneten in 1 von links nach rechts, abnimmt, werden
die Sauerstoffmoleküle
in Richtung der höheren
magnetischen Feldstärken,
d. h. in Richtung des Gradienten des magnetischen Feldes und damit
in Richtung des Magneten, nach links in Richtung des Magneten 160 gezogen.
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Die
Kurve 220 in 2 zeigt eine beispielhafte Verteilung
der Sauerstoffkonzentration am Ende des Eingangskanals 120 bzw.
im Bereich der Verzweigung 150. Aufgrund des Einflusses
des Magnetfeldes hat die Sauerstoffkonzentration auf der dem Magneten 160 zugeordneten
bzw. zugewandten Kanalseite 122 zugenommen, während diese
auf der dem Magneten 160 entgegengesetzten Kanalseite 124 abgenommen
hat. Dabei ist die in 2 gezeigte Gerade 222 als
prinzipielle Darstellung zu verstehen, da die Verteilung der Sauerstoffkonzentration
in Abhängigkeit
der Strömung,
des Magnetfeldes auch davon abweichende Kurvenformen aufweisen kann
bzw. die Höhe
der Sauerstoffkonzentration auf der dem Magneten 160 zugeordneten
und der dem Magneten entgegengesetzten Seite von der ursprünglichen „gleich
verteilten" Sauerstoffkonzentration des
einströmenden
sauerstoffhaltigen Gasgemisches 110 am Eingang des Kanals 120,
der Strömungsgeschwindigkeit,
der Länge
des Kanals und/oder der Intensität
der Magnetfeldeinwirkung abhängt,
wobei die Intensität
bzw. die Wirkung des Magnetfeldes beispielsweise wiederum von der
Stärke
des Magnetfeldes sowie der Länge
bzw. Ausdehnung des Magneten in dem Eingangskanal 120 abhängt.
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Aus 2 wird
ersichtlich, dass eine symmetrische Verzweigung in der Mitte 126 des
Eingangskanals 110 schon zu einer erhöhten Sauerstoffkonzentration
in einem linksseitigen Kanal führen
würde,
jedoch zeigt 2 klar, dass eine unsymmetrische
Verzweigung bzw. Kanalgeometrie bewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration
in dem Nebenkanal um so höher
wird, je mehr sich die Verzweigung 150 von der Eingangskanalmitte 126 zu
der linken bzw. dem Magneten 160 zugeordneten Kanalseite 122 bewegt
bzw. verschoben wird. Vorzugsweise wird daher die Verzweigung 150 derart
ausgebildet, dass ohne eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 60 %,
bzw. in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, mehr als 70
% des durch den Eingangskanal 120 einströmenden sauerstoffhaltigen
Gasgemisches 110 in den Hauptkanal 140 strömt bzw.
weniger als 40 % und weniger als 30 % in den Nebenkanal 130 strömt. Dies
wird durch die Position des Bezugszeichens 150 der Verzweigung
gegenüber
der Position der Kanalmitte 126 in 2 dargestellt.
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Alternativ
kann die Vorrichtung auch derart ausgebildet sein, dass der Hauptkanal
die Breite des Eingangskanals aufweist, also z.B. eine gerade Fortführung des
Eingangskanals mit gleicher Breite ist, und der Nebenkanal als eine
seitliche Abzweigung von diesem kombinierten Eingangs- und Hauptkanal
ausgebildet ist.
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Dieser
Ansatz der Kombination des Ausnutzens der paramagnetischen Eigenschaften
des Sauerstoffs in Kombination mit einer asymmetrischen Verzweigung
bzw. Kanalgeometrie lässt
sich auch auf andere Kanalgeometrien, z. B. runde, ovale oder Kanäle mit schrägen Wänden, alternativ
zu der in 1 idealtypisch planaren Kanalanordnung
bzw. -geometrie, entsprechend anwenden.
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Allgemein
ausgedrückt
kann die asymmetrische Kanalgeometrie dadurch erreicht werden, dass
der Nebenkanal, der auf der das Magnetfeld erzeugenden Einrichtung 160 zugeordneten
Seite angeordnet ist, einen geringeren Querschnitt als der Hauptkanal
aufweist. In einer Vorrichtung, wie sie beispielsweise in 1 dargestellt
ist, wird dies vorzugsweise dadurch erreicht, dass eine Höhe des Nebenkanals
gleich der Höhe
des Hauptkanals ist, eine Breite des Nebenkanals jedoch geringer
als eine Breite des Hauptkanals ist.
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1 zeigt
ferner eine bevorzugte Struktur der Vorrichtung, bei der beispielsweise
eine photostrukturierbare bzw. kanalbildende Schicht 102,
die die Seitenwände
der Kanäle
bildet, auf einem Träger 104,
z. B. Silizium, aufgebracht ist und die mit einem Deckel z. B. aus
Glas abgedeckt werden kann, wobei dieser Deckel in 1 nicht
dargestellt ist.
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Obwohl
die Magnetfeld erzeugende Einrichtung 160 in 1 nur
an dem Eingangskanal angeordnet ist, kann diese ganz oder teilweise
beispielsweise auch an dem Nebenkanal 130, in Bezug auf 1 auf
der linken Kanalseite des Kanals 130, angeordnet sein,
um die Sauerstoffmoleküle
in den Nebenkanal 130 „einzusaugen". Vorzugsweise wird
die Magnetfeld erzeugende Einrichtung 160 mehrheitlich,
wenn nicht komplett, an dem Eingangskanal angeordnet, um eine größere Konzentration
von Sauerstoff über
die Kanalstrecke gesehen zu bewirken. Dabei ermöglicht eine Vorrichtung zum
Anreichern oder Abreichern von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen
in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, die eine Magnetfeld erzeugende
Einrichtung aufweist, bei der mehr als 50 % ihrer Ausmaße an dem
Eingangskanal angeordnet ist, selbst mit einer symmetrischen Kanalgeometrie
eine höhere
Konzentration von Sauerstoff als dies bei einer symmetrischen Kanalgeometrie
in Verbindung mit einem Magneten möglich ist, der beispielsweise
in dem Nebenkanal angeordnet ist.
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Wie
noch darzustellen sein wird, eignet sich zumindest bis zur Herstellung
eines Prototyps, also während
der Forschungsphase und zur Herstellung eines Demonstrators, die
Mikrosystemtechnik in besonderem Maße zur Untersuchung des neuen
Trennungsprinzips. Besonders die am HSG-IMIT (Hahn-Schickard Gesellschaft,
Institut für
Mikro- und Informationstechnik) gesammelten Erfahrungen im Bereich
Mikrofluidik, die letztlich das IMIT zum Liquid Handling Competence
Centre der EU (Europäischen
Union) gemacht haben, werden außerordentlich
hilfreich hierfür
sein. Neben der Herstellung der Mikrostrukturen im Reinraum werden
auch die vorhandenen Kompetenzen bezüglich der Auslegung mikrofluidischer
Systeme nützlich
sein. Letztere werden im Bereich numerische Simulation um die Software-Möglichkeiten
zur Untersuchung der magnetischen Beeinflussung von Strömungsbestandteilen
zu ergänzen
sein.
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Im
Folgenden soll auf die elektrolytische Abscheidung von Platin-Kobalt-Legierungsschichten
näher eingegangen
werden.
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Schmelzmetallurgisch
hergestellte CoPt-Permanentmagnete (mit 50 Gewichtsprozent Kobalt)
werden der Gruppe der Überstruktur-Magnetwerkstoffe
zugeordnet und besitzen herausragende permanentmagnetische Eigenschaften
(hohe Koerzitivfeldstärken,
hohes Energieprodukt). Dabei beschreibt die Koerzitivfeldstärke HC die verbleibende magnetische Feldstärke, wenn
die magnetische Induktion null ist, und das Energieprodukt die magnetische
Feldenergiedichte innerhalb des Feldes. Die magnetische Härtung erfolgt
durch eine Überstrukturumwandlung;
die ausgeschiedene tetragonale CoPt-Phase ist geordnet, wohingegen
die Matrix ungeordnet ist [1]. Im Hinblick auf eine mögliche Anwendung
im Bereich der magnetischen Datenspeicherung wurde bereits angestrebt,
diese Legierung in Form einer galvanischen Schicht aus wässrigen
Elektrolyten abzuscheiden [2–20].
Basierend auf der Grundlage eines alkalischen Platinelektrolyten
[3] wurden bereits 1987 CoPt-Legierungsschichten mit hohen Koerzitivfeldstärken von
5–10 kOe
erzeugt [2, 4]. Ähnliche
magnetische Eigenschaften konnten später an bis zu 10 μm dicken Überzügen bestätigt werden
[5]. Als CoPt-Multilayer erzeugte Schichtsysteme wiesen bislang
etwas geringere Koerzitivfeldstärken
von <1000 Oe auf
[6, 6, 8, 9]. Als Komplexbildner wurden in den Legierungselektrolyten
zum Beispiel Tartrat [10, 11], Citrat [12], Glycin [13] oder andere
Kombinationen verwendet [14, 15]. Zur Steigerung der Qualität der magnetischen
Eigenschaften wurden Zusätze
von Wolfram und Zink erprobt, wobei zusätzlich auch Phosphor aus einer
P-haltigen Elektrolytkomponente in die Überzüge eingebaut wird [16, 17].
Eine umfassende Charakterisierung von CoPt-Schichten, die unter
Verwendung von Triethanolamin bzw. Ethylendiamin als Komplexbildner
hergestellt wurden, wird in [18] erläutert. Platin wurde in Form
von Diaminodinitroplatinat (Pt-p-Salz) und Kobalt als Kobaltsulfat
zugegeben. Die Schichten wiesen folgende Merkmale auf: Kobaltgehalte
im Bereich zwischen 12 und 41 Gewichtsprozent (Gew.%), kubisch-flächenzentrierte
(kfz) Struktur. Hohe Koerzitivfeldstärken (HC)
im Abscheidungszustand (bis 80 kA/m) konnten für geringe Schichtdicken (< 1μm) im Bereich
höherer
Co-Gehalte bei starker (111)-Vorzugsorientierung erzielt werden.
Durch Verwendung von Kobaltsulfamat und Zugabe von Natriumhypophosphit
wurde die Elektrolytstabilität
erhöht
und die Kobaltabscheidung begünstigt.
Aus diesem Elektrolyten konnten Schichten bis ca. 0,5 μm mit HC = 13 kA/m abgeschieden werden.
-
Eine
wesentliche Verbesserung der magnetischen Eigenschaften wurde durch
den Zusatz von Natriumwolframat zum CoPt-Elektrolyten erreicht. Durch die Mitabscheidung
von Wolfram können
CoPtW-Schichten mit Schichtdicken bis zu 10 μm Dicke mit Koerzitivfeldstärken größer 24 kA/m
erzeugt werden. Eine Recherche in einer Datenbank für ternäre Zustandsdiagramme
ergab, dass für
das System CoPtW ein entsprechendes Diagramm nicht verfügbar ist.
Der Kobaltgehalt dieser Schichten liegt im Bereich von etwa 60–70 Gewichtsprozent,
wodurch sich eine hexagonale Kristallstruktur ergibt. Es wurden
Zusammenhänge
zwischen Abscheideparametern und resultierender Strukturausbildung
mittels röntgenographischer
Methoden an CoPt-Schicht mit und ohne Wolfram erarbeitet [18).
-
Die
unter Gleichstrom abgeschiedenen CoPt-Schichten weisen vorwiegend
eine (110)-Fasertextur auf. Mit zunehmender-Schichtdicke findet über eine (002)-Spiralfasertextur
der Übergang
zu einer einfachen (002)-Fasertextur statt. Eine Abweichung von
diesem Verhalten zeigen die unter Pulsbedingungen hergestellten
CoPt-Proben; diese besitzen eine (100)-Vorzugsorientierung. Bei
den aus modifizierten Elektrolyten hergestellten Proben konnte keine
erkennbare Textur festgestellt werden. Aus der Profilanalyse wurden
die größten Defektdichten,
das heißt
die geringsten Teilchengrößen (ca.
30 bis 100 Å)
und die größten Versetzungsdichten
(ca. 1011 cm–2)
für die
CoPt-Schichten aus den modifizierten Elektrolyten sowie für die unter
Pulsbedingungen hergestellten Proben ermittelt. Diese Proben weisen
auch eine geringere Texturstärke
auf und lassen sich in der Reihe der Gefügetypen am ehesten dem Dispersionstyp
zuordnen. Die Teilchengrößen der
bei Gleichstrom abgeschiedenen Proben aus dem Standardelektrolyt
weisen eine hohe Streuung auf und liegen bei Werten zwischen 100
und etwa 1.000 Å;
die zugehörigen
Versetzungsdichten bewegen sich zwischen 1010 und
1011 cm–2.
-
Die
in dieser Beschreibung verwendeten (xyz)-Fasertexturbeschreibungen bedienen sich
der aus der Kristallographie bekannten Millerschen Indizes, wobei
jede Stelle in den Klammern den Schrittwert in Anzahl der Elementarzellen
in der jeweiligen Richtung der xyz-Koordinaten darstellt.
-
Im
Fall der CoPtW-Proben tritt bei geringen und mittleren Stromdichten
eine schwache (002)-Fasertextur auf; bei Abscheidung dickerer Schichten
(> 20 μm) tritt
analog zum Verhalten der CoPt-Proben eine schärfere (002)-Fasertextur auf.
Erfolgt die Probenherstellung bei höheren Stromdichten bzw. unter
Pulsbedingungen, wird eine starke (002)-Fasertextur erhalten, die auch nach
einer 24stündigen
Wärmebehandlung
bei 400°C
(ca. 0.4 TM) stabil bleibt.
-
Die
größten Defektdichten
(Teilchengrößen zwischen
10 und 20 Å bzw.
Versetzungsdichten der Größenordnung
1012 cm–2)
werden für
die bei geringen und mittleren Stromdichten abgeschiedenen Proben
erhalten. Hier ist gleichfalls die Texturstärke geringer als bei den übrigen Proben,
womit deren Gefügetyp
auch dem Dispersionstyp ähnelt.
-
Für die bei
geringen und mittleren Stromdichten hergestellten Proben wurden
Teilchengrößen und
Versetzungsdichten bestimmt. Die bei höheren Stromdichten und unter
Pulsbedingungen abgeschiedenen Schichten weisen Teilchengrößen im Bereich
zwischen 500 und 1500 Å auf,
die entsprechenden Versetzungsdichten liegen bei etwa 1010 cm–2. Weiter kann festgestellt
werden, dass bei der Auswertung von Reflexen, die durch Stapelfehler
verbreitert werden, die bei weitem geringsten Teilchengrößen gefunden
werden. Hieraus kann gefolgert werden, dass der Einfluss von Stapelfehlern
auf die Linienverbreiterung dominant ist.
-
Der
Kobaltanteil lag bei den CoPt-Schichten im Bereich zwischen 55 und
68 Gewichtsprozent, wobei eine Temperaturerhöhung eine Zunahme des Kobaltanteils
zur Folge hat. Im Fall der CoPtW-Proben bewegen sich die Kobaltgehalte
ebenfalls zwischen 55 und 68 Gew.%; eine Temperatursteigerung bewirkt
die Erhöhung des
Co-Anteils. Die Wolframkonzentration der Schichten liegt dabei zwischen
2 und 9 Gew.-%, wobei mit zunehmender Stromdichte der Wolframgehalt
in der Schicht sinkt. Weiter wurde festgestellt, dass teilweise
hohe lokale Schwankungen in der Legierungszusammensetzung auftreten
(bis ± 20
Gewichtsprozent). Dadurch könnten
die Schichten zweiphasig (hexagonal und kubischflächenzentriert)
vorliegen. In den Röntgendiffraktogrammen
wurden jedoch keine nicht der hexagonalen Modifikation zuordenbare
Reflexe gefunden. Eine mögliche Überlagerung
kubischer und hexagonaler Reflexe wurde nicht geprüft.
-
Bei
der elektrolytischen Abscheidung von CoPt- und CoPtW-Schichten treten
hohe innere Spannungen auf, wie durch in situ-Spannungsmessungen
während
der Abscheidung bestätigt
wurde [14, 6, 15]. Bei CoPt-Schichten wird ein ausgeprägtes Rissnetzwerk
erhalten. Die Rissneigung der CoPtW-Proben ist bei geringen und
mittleren Stromdichten weniger deutlich ausgeprägt als bei hohen Stromdichten
bzw. bei der Pulsabscheidung. Die Folge dieser inneren Spannungen
ist die Ausbildung von zahlreichen Makrorissen, was eine Anwendung
der Schichten beispielsweise im Bereich der magnetischen Speicherung
erschwert bzw. unmöglich
macht.
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Im
Rahmen eines Forschungsprojekts [19] unter Verwendung dieser Elektrolytbasis
war die Zielsetzung, durch Variation der Abscheidebedingungen sowie
durch eine eventuelle Nachbehandlung der Schichten (thermisch, chemisch
oder elektrochemisch) eine Optimierung der Schichteigenschaften
zu erzielen. Dabei wurden neben einer Verbesserung der magnetischen
Eigenschaften auch eine Erhöhung
der Korrosionsbeständigkeit,
der Haftfestigkeit sowie eine Verringerung der inneren Spannungen
(und damit der Rissneigung) der Schichten angestrebt. Im Hinblick
auf mögliche
zukünftige
Anwendungen im Bereich der Sensorik und Aktorik in Form von Permanentmagneten
im Mikromaßstab
(neben dem Einsatz als Magnetspeichermedium) wurde die Abscheidung
dieser Schichten in Mikrostrukturen untersucht.
-
Für die Gasführung soll
ein Kanal mit einer Kanalbreite von 100–200 μm strukturiert werden, wobei eine
Kanalwandung aus einem magnetischen Isolator (z. B. SU8) und eine
Wand aus dem hartmagnetischen Material bestehen soll. Die Kanalhöhe in Bezug
auf das magnetische Material ist limitiert durch die galvanische Abscheidbarkeit
der CoPt-Legierung (Rissbildung, Flankengeometrie).
-
Die
prinzipielle Abscheidbarkeit ist gegeben; entsprechende Elektrolytrezepturen
sind im Prinzip verfügbar
[u.a. 18, 19]. Übliche
Schichtdicken sind etwa 10 μm,
wobei die Rissbildung durch innere Spannungen ein Problem darstellen
könnte,
sowohl in bezug auf die mechanische Stabilität des Materials als auch in
Bezug auf die magnetischen Eigenschaften.
-
Das
geplante Layout mit einem Strömungskanal
ohne leitfähige
Unterschichtung und einer metallischen Startschicht für die galvanische
Abscheidung der hartmagnetischen Legierung führt zu einer von der Senkrechten
abweichenden Flankengeometrie der Legierung, da im elektrischen
Feld seitlich ein Überwachsen
der Substratkante und nach oben eine Verrundung eintritt. Falls
dies ein Problem darstellt, müsste
die Strukturierung komplexer aufgebaut sein, mit einer zusätzlichen,
temporären
Füllung
des Strömungskanals
zur Begrenzung des galvanischen Schichtaufbaus an der Seite. Die
beschriebene Verrundung verursacht eine Abweichung des Kanalquerschnitts
von der idealen Rechteckgeometrie, was auch bezüglich der Deckelung berücksichtigt
werden muss.
-
Zum
Erreichen eines hohen Trennfaktors zwischen Sauerstoff und Stickstoff
ist eine hohe magnetische Anisotropie wünschenswert; dies ist beim
Layout, insbesondere in der Frage der CoPt-Schichtdicke zu berücksichtigen,
weil eine hohe Schichtdicke eher zu magnetisch isotropem Material
führt,
da das Material neben der Formanisotropie auch eine Kristallanisotropie
zeigt. Ideal wäre
die Abscheidung als Nanofaser mit eindeutiger magnetischer Ausrichtung
(senkrecht). In dünnen
Schichten ist aufgrund des Formfaktors die horizontale Ausrichtung
bevorzugt. Die Kristallanisotropie von CoPt kann aber bei dickeren
Schichten die senkrechte Ausrichtung erzwingen. Es wurde diskutiert,
ob eine Abscheidung des CoPt in Kanälen senkrecht zum Strömungskanal
sinnvoll ist, wobei hier neben der Kristallanisotropie auch die
Geometrie (Formanisotropie) der Kanäle (Breite 5 μm, Höhe 10 μm) die magnetische
Ausrichtung in die senkrechte zwingen soll (siehe 3).
-
3 zeigt
eine Vorrichtung ähnlich
wie in 1 dargestellt, mit einem Eingangskanal 120,
einem Nebenkanal 130 und einem Hauptkanal 140,
wobei die Verzweigung 150 und damit die Kanalgeometrie
asymmetrisch ist und zeigt insbesondere eine Anordnung des magnetischen
Materials in einer Kanalstruktur. Die Magnetfeld erzeugende Einrichtung 160 besteht
gemäß 3 aus
einer abwechselnden Folge von Kobalt-Platin- (CoPt-) Schichten 162 und
Isolatorschichten 164. Die Pfeile 166, die gemäß der Orientierung
der 3 nach oben zeigen, stellen die magnetische Ausrichtung
der CoPt-Magneten 164 dar.
-
Die 4A–4C zeigen
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zum Anreichern oder Abreichern, wobei 4A eine
dreidimensionale Ansicht dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels zeigt, 4B eine
Draufsicht und 4C eine Seitenansicht bzw. einen
Querschnitt dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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Die 4A–4B zeigen
eine Vorrichtung 500 mit einem Eingangskanal 120,
einem Nebenkanal 130, einem Hauptkanal 140, einer
Verzweigung 150 und einer Magnetfeld erzeugenden Einrichtung 160 und zusätzlich mit
einem zweiten Eingangskanal 520, einem zweiten Nebenkanal 530,
einem zweiten Hauptkanal 540, einer zweiten Verzweigung 550.
Dabei ist der zweite Hauptkanal mit dem zweiten Nebenkanal durch
eine zweite Verzweigung mit dem zweiten Eingangskanal verbunden
und die zweite Verzweigung 550 derart ausgebildet, dass
ohne eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 50 % des durch den zweiten
Eingangskanal 520 einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches
in den zweiten Hauptkanal 540 strömt.
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Die
Vorrichtung gemäß der 4A und 4B zeigt
ferner die Besonderheit, dass die Magnetfeld erzeugende Einrichtung 160 sowohl
an dem Eingangskanal 120 als auch an dem zweiten Eingangskanal 520 angeordnet
ist, so dass ein durch den Nebenkanal 130 strömender Anteil
des sauerstoffhaltigen Gasgemisches einen höheren Sauerstoffanteil aufweist
als ein durch den Hauptkanal 140 strömender Anteil des sauerstoffhaltigen
Gasgemisches und so dass gleichzeitig ein durch den zweiten Nebenkanal 530 strömender Anteil
des sauerstoffhaltigen Gasgemisches einen höheren Sauerstoffanteil aufweist
als ein durch den zweiten Hauptkanal 540 strömender Anteil
des sauerstoffhaltigen Gasgemisches. In anderen Worten ausgedrückt, zeigen
die 4A und 4B eine
Vorrichtung zum Anreichern oder Abreichern, die einer Parallelschaltung
einer Vorrichtung gemäß 1 entspricht,
wobei die Magnetfeld erzeugende Einrichtung 160 sowohl
die Magnetfeld erzeugende Einrichtung für den Eingangskanal 120 wie
auch eine „zweite
Magnetfeld erzeugende Einrichtung" für
den zweiten Eingangskanal 520 bildet, also ausgebildet
ist, das Magnetfeld und das zweite Magnetfeld zu erzeugen. Dies
erlaubt eine effizientere Packung von parallelen Trennstufen und
eine Reduzierung der Herstellungskosten. Dass die Magnetfeld erzeugende
Einrichtung 160 gleichzeitig auch eine zweite Magnetfeld
erzeugende Einrichtung für
den zweiten Eingangskanal 520 bildet, wird in den 4A und 4B durch
das Bezugszeichen (560) dargestellt.
-
Die 4A–4B zeigen
ferner einen gemeinsamen Eingangskanal 570, wobei ein durch
den gemeinsamen Eingangskanal 570 strömendes sauerstoffhaltiges Gasgemisch
an einer gemeinsamen Verzweigung 572 in dem Eingangskanal 120 und
den zweiten Eingangskanal 520 verzweigt wird. Ferner zeigen
die 4A und 4B einen
gemeinsamen Nebenkanal 574, in den der Nebenkanal 130 und
der zweite Nebenkanal 530 münden. Ferner zeigen die 4A–4C einen
gemeinsamen Eingangskanaldurchlass 576, durch den das sauerstoffhaltige
Gasgemisch in Bezug auf die Ausrichtungen der Vorrichtungen 500 gemäß 4A von „oben" in den gemeinsamen
Eingangskanal 570 einströmt. Ferner zeigen die 4A–4C einen
gemeinsamen Nebenkanaldurchlass 578, durch den das angereicherte
sauerstoffhaltige Gasgemisch des gemeinsamen Nebenkanals 574 nach „oben" abgeführt wird.
Ferner zeigen die 4A–4C einen
gemeinsamen Hauptkanaldurchlass 580, durch den das sauerstoffabgereicherte
Gasgemisch der Hauptkanäle 140 und 540 nach „oben" abgeführt wird.
-
Ähnlich wie
in 1 zeigen die 4A–4C eine
Vorrichtung, bei der die Kanäle
und die Magnetfeld erzeugende Einrichtung in der kanalbildenden
Schicht 102 gebildet sind, die wiederum auf einem Substrat 104 angeordnet
sind. In anderen Worten, die 4A–4C zeigen
eine Vorrichtung, bei der die Kanalböden durch den Träger 104 und
die Kanaldecken durch die Abdeckung 106 gebildet werden.
Die Gasgemische werden über Öffnungen
bzw. Durchlässe
der Vorrichtung zu- und abgeführt.
-
Alternativ
kann die Zuführung
jedoch auch durch entsprechende Durchlässe in dem Substrat 104 oder durch
Durchlässe
in der kanalbildenden Schicht 102 realisiert werden. Insbesondere
können
bei einer Stapelung von Vorrichtungen gemäß 4A–4C die
Abdeckung 106 weggelassen werden, und die Durchlässe 576, 578 und 580 beispielsweise
direkt in dem Substrat 104 einer darüber liegenden Vorrichtung bzw.
Trennstufe gemäß der 4A und 4C realisiert
werden.
-
Alternativ
zu den in den 4A und 4B gezeigten
Verzweigungen 150 und 550 können auch andere Verzweigungen
und Kanalgeometrien verwendet werden, z.B. auch eine Verzweigung 150 gemäß 1 eingesetzt
werden, d. h. die Hauptkanäle 140 und 540 geradeaus
weitergeführt
werden.
-
Die 4A–4C zeigen
eine realisierbare Trenndüse
bzw. An-/Abreicherungsvorrichtung. Auf einem Träger, typischerweise Silizium
in der Planartechnologie, wird eine photostrukturierbare Schicht
aufgebracht, in die hinein die Kanäle und die Magnete eingebracht
werden können.
Das ganze wird dann mit einem Deckel, z. B. aus Glas, abgedeckt,
welcher pro Trenndüse
drei Bohrungen bzw. Durchlässe
enthält.
-
Das
sauerstoffhaltige Gasgemisch wird durch die Bohrung 576 in
das System gedrückt.
An einer ersten Y-förmigen
Verzweigung wird das Gemisch geteilt. Dies geschieht lediglich,
um beide Polflächen
der Magnete ausnutzen zu können. Über eine gewisse
Wechselwirkungslänge
tauschen nun die paramagnetischen Sauerstoffmoleküle mit den
nicht-paramagnetischen Restmolekülen
des Gemischs ihren Platz so, dass die paramagnetische Komponente
auf der den Magneten zugewandten Kanalseite angereichert wird. Eine
zweite asymmetrische Y-förmige Verzweigung
an den Enden der Wechselwirkungsstrecken trennt nun die beiden Gasströme in jeweils
eine angereicherte und eine abgereicherte Komponente auf. Über die
Verbindungskanäle werden
die Komponenten beider Seiten zusammengefasst und durch die zweite
Bohrung (innenliegend) als angereicherter bzw. in der dritten Bohrung
(außenliegend)
als abgereicherter Teilstrom wieder aus der Trenndüse abgegeben.
-
Die
typische Kantenlänge
der Struktur gemäß der 4A–4C wird
ca. 1 × 1,5
mm sein. Die typischen Kanalbreiten werden im Bereich der Wechselwirkungsstrecke
zwischen 5–100 μm sein. Die
typische Dicke der kanalbildenden Schicht kann zwischen 20 und 1.000 μm liegen
(dies ist in den 4A–4C zu
flach gezeichnet). Die geringe Abmaße zeigen, dass man auf einem
Wafer von 100 mm Durchmesser mehrere 1.000 solcher Trenndüsen in einem
Arbeitsgang erzeugen kann. Auch ist die Kaskadierung mit einer weiteren Verbinderebene,
die ebenfalls Kanäle
enthält, über den
ganzen Wafer hinaus erreichbar.
-
Für den Fachmann
ist offensichtlich, dass für
die Ausführungsbeispiele
eine Vielfalt von Kanalarchitekturen möglich sind, die die zuvor beschriebenen
Bedingungen der asymmetrischen Kanalgeometrie zwischen Nebenkanal
und Hauptkanal erfüllen.
Die Eingangskanäle,
Hauptkanäle
und/oder Nebenkanäle
weisen eine Kanalbreite in einem Bereich von 5 μm–200 μm und vorzugsweise in einem
Bereich von 5 μm–100 μm auf. Ferner
weisen die Eingangskanäle,
Hauptkanäle
und/oder Nebenkanäle
eine Kanalhöhe
in einem Bereich von 10 μm–200 μm und vorzugsweise
in einem Bereich von 20 μm–100 μm auf. Eine
Vorrichtung gemäß den 4A–4C weist
bezüglich
ihrer Außenabmessungen
eine Länge
in einem Bereich von 0,5mm–2mm, eine
Breite in dem Bereich von 0, 25mm–1,5mm und eine Höhe im Bereich
von 0, 25mm–3mm
auf, wobei vorzugsweise die Länge
in einem Bereich von 1,25mm–1,75mm,
die Breite in einem Bereich von 0,75mm–1,25mm und die Höhe in einem
Bereich von 0,5mm–1,5mm
liegt.
-
5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel 600 einer
Vorrichtung zum Anreichern und Abreichern, die aus einer Parallel-
und Serienschaltung einzelner Trenndüsen, z.B. gemäß 1,
gebildet ist. Die Merkmale des Ausführungsbeispiels der Trenndüse 100 gemäß 1 sind
in 5 stellvertretend für alle Vorrichtungen 611–635 anhand
der Vorrichtung 611 gezeigt: ein Eingangskanal 120,
ein Nebenkanal 130, ein Hauptkanal 140, eine asymmetrische
Verzweigung 150 sowie eine das Magnetfeld erzeugende Einrichtung 160.
Dabei ist die Trenndüse 611 derart
mit der Trenndüse 621 gekoppelt,
dass ein Ausgang des Nebenkanals der Trenndüse 611 mit einem Eingang
des Eingangskanals der Trenndüse 621 verbunden
ist. Gleiches gilt für
die Verbindung zwischen Trenndüse 621 und 631,
für die
Verbindung zwischen Trenndüse 612 und 622 bzw.
zwischen 622 und 632, für die Trenndüse 613 und 623 bzw.
für die
Verbindung der Trenndüsen 623 und 633,
für die Verbindung
der Trenndüsen 614 und 624 bzw. 624 und 634,
sowie für
die Verbindung der Trenndüsen 615 und 625 bzw. 625 und 635.
-
In
anderen Worten, das sauerstoffhaltige Gasgemisch, das in einen gemeinsamen
Eingang 670 einströmt
und über
eine gemeinsame Verzweigung 672 auf die Trenndüsen 611–615 verteilt
wird, wird stufenweise immer höher
angereichert bzw. die Sauerstoffkonzentration der Gasgemische in
den Nebenkanälen
stufenweise erhöht,
indem beispielsweise das sauerstoffangereicherte Gasgemisch aus
dem Nebenkanal 130 der Trenndüse 611 (erste Stufe)
der Trenndüse 621 (zweite
Stufe) zugeführt
und weiter angereichert wird, wobei das weiter an Sauerstoff angereicherte
Gasgemisch aus dem Nebenkanal der Trenndüse 621 wiederum an den
Eingangskanal der Trenndüse 631 (dritte
Stufe) zugeführt
wird. So kann durch eine Serienschaltung bzw. Kaskadierung ein immer
höherer
Sauerstoffanteil in dem verbleibenden Gasgemisch realisiert werden.
Dabei wird das in den Hauptkanal 140 strömende abgereicherte
Gasgemisch gemäß 5 abgeführt, was
durch die kurze Strichlinie dargestellt ist. Die Trenndüsen 611/621/631, 612/622/632, 613/623/633, 614/624/634 und 615/625/635 bilden
jeweils eine Serienschaltung, um eine höhere Sauerstoffkonzentration
zu realisieren, wobei die Parallelschaltung dieser fünf Serienschaltungen
eine effiziente Art und Weise darstellt, um den Durchfluss einer
Vorrichtung zum Anreichern oder Abreichern zu erhöhen. Die über drei
Stufen angereicherten Gasgemische werden über die Nebenkanäle 130 der
Trenndüsen 631–635 der
dritten und letzten Stufe über
eine gemeinsame Zusammenführung 676 in
den gemeinsamen Nebenkanal 674 zusammen- und ggf. abgeführt.
-
Das
ursprüngliche
sauerstoffhaltige Gas wird beispielsweise durch eine Pumpe oder
einen Kompressor in den gemeinsamen Eingangskanal 670 gepumpt
und das sauerstoffangereicherte Gasgemisch aus dem gemeinsamen Nebenkanal
ausgegeben.
-
5 soll
nur das Prinzip einer Serien- bzw. Parallel- oder einer kombinierten Serien- und
Parallelschaltung darstellen. So können beispielsweise die Trenndüsen 611 und 612 als
Vorrichtung gemäß der 4A–4C realisiert
sein oder andere Ausprägungen
haben. Ferner können
die einzelnen Trenndüsen verschiedene
Geometrien haben, insbesondere die Trenndüsen verschiedener Anreicherungsstufen.
Alternativ können
auch die Nebenkanäle
verschiedener Trenndüsen
einer Stufe erst zusammengeführt
werden, um dann einer Trenndüse
einer nächsten
Stufe das gemeinsame angereicherte Gasvolumen zuzuführen. Ein
Beispiel zur Erläuterung:
beträgt
das Gasvolumen der Nebenkanäle
der Trenndüsen 611–614 jeweils
nur 25 % des Gasvolumens des jeweiligen Eingangskanals 120,
so können
die vier Nebenkanäle 130 der
Trenndüsen 611–614 zusammengeführt werden,
um eine Trenndüse
der zweiten Stufe, z. B. 621 (Zusammenführung nicht gezeigt in 5), mit
dem gleichen Gasvolumen bzw. Durchfluss zu versorgen, so dass die
Trenndüse 621 der
zweiten Stufe die gleichen Dimensionierung wie die Trenndüsen 611–614 der
ersten Stufe aufweisen kann.
-
Offen
sind die Fragen nach der notwendigen Anzahl der Kanäle, um eine
ausreichend große
Menge an magnetischem Material bereit zu stellen, und welcher Abstand
zwischen den Kanälen
mindestens eingehalten werden muss, um eine antiparallele magnetische
Ausrichtung zu verhindern. Frage ist auch, wie die dazu notwendige
Strukturierung möglich
wäre.
-
Abweichend
von den meisten in der Literatur genannten Konzepten soll keine
Legierung mit hohem Platingehalt abgeschieden werden, weil sonst
möglicherweise
eine thermische Nachbehandlung zur Erzeugung einer Überstruktur
aus Pt75Co25 und
Pt50Co50 notwendig
ist. Wie sich im Rahmen eines EU-Projekts [19] gezeigt hat, ist
mit geringeren Platingehalten (ca. 30 Gew.%) eine thermische Nachbehandlung
nicht zwingend, wobei gleichzeitig Platin eingespart werden kann.
Auch mit hohen Co-Gehalten von 80 at% ist an dünnen Schichten (<1 μm) eine hohe
Koerzitivfeldstärke
von bis zu 6,1 kOe möglich
[20].
-
Es
wird auf folgende Literatur verwiesen:
-
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-
Ziel
der geplanten Arbeiten soll es sein, die technische Machbarkeit
und wirtschaftliche Verwertbarkeit einer neuen Methode der Sauerstoffanreicherung
aus der Umgebungsluft aufzuzeigen. Dabei sollen die paramagnetischen
Eigenschaften des Sauerstoffes genutzt werden. Die Methode soll
es ermöglichen,
einen kontinuierlichen, mit Sauerstoff angereicherten, Gasstrom
aus einem Gasgemisch zu erzeugen. Je nach erzieltem Anreicherungsgrad
und technischem Aufwand für
einen vorgegeben Gasstrom kann das Gerät dann für die vielfältigsten technischen Anwendungen
zum Einsatz kommen.
-
Ein
wesentliches Forschungsziel stellt dabei die numerische Simulation
des gekoppelten magnetisch/fluidischen Strömungsfeldes in der noch vorzustellenden
Trenneinrichtung dar. Die Simulation solcher gekoppelten Vorgänge ist
bisher nur in Ausnahmefällen
durchgeführt
worden [3] und führt
auf die Lösung
der Differentialgleichungen für
die magnetische Beeinflussung unter gleichzeitiger Wirkung der Strömungs- und Diffusionskräfte im Gasstrom.
-
Letztlich
beruht der Erfolg der Forschungsarbeit auf dem Zusammenspiel der
theoretischen Optimierung der Trenndüsengeometrie mit Hilfe der
numerischen Simulation und einem fertigungsgerechten Verfahren zur
Herstellung der magnetisch/fluidischen Bauelemente.
-
Wesentlicher
Inhalt wissenschaftlicher Erkenntnisse aus diesem Vorhaben sollen
vor allem die Anwendbarkeit von numerischen Simulationen zur Optimierung
von gekoppelten magnetisch/fluidischen Systemen sein. Darüber hinaus
sind die zur Herstellung eines Prototyps erforderlichen Methoden
zur Erzeugung planarer hartmagnetischer Bauelemente in Verbindung
mit gleichzeitig und in der Technologie integrierten Herstellung
von fluidischen Systemen zu erarbeiten.
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Technische
Ergebnisse werden vor allem von der Beherrschung massiver Serien-
und Parallelschaltungstechniken der mikrofluidischen Trenndüsen erwartet.
Diese sind zur Erfüllung
der Anforderungen bei hohem bis sehr hohem Sauerstoff bedarf erforderlich
und setzen serientaugliche Fertigungsverfahren voraus (vgl. Tabelle
1). Es ergibt sich eine Optimierungsaufgabe aus den Anforderungen
Menge/Zeit und Reinheit einerseits und Trennungswirkungsgrad und
möglicher
Kanalgeometrien andererseits. Dabei ist es leicht vorstellbar, dass
unter „massiver
Serien- und Parallelschaltung" die
Verknüpfung
hunderter oder tausender einzelner Trenndüsen zu verstehen ist. Die fluidische
Entflechtung solcher Schaltungen lässt sich im allgemeinen nicht in
einer Ebene realisieren. Daher muss von vorneherein beachtet werden,
dass u.U. viele ähnlich
gestaltete Trenndüsenplatten
(oder -Arrays) in Form von Stapeln mit Durchgangsöffnungen
aufeinandergepackt werden müssen
um kompakte, hocheffiziente Anreicherungssysteme zu erreichen.
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Zur
Bereitstellung der erforderlichen Magnetfelder bieten sich natürlich eine
Reihe von Verfahren an. Grundsätzlich
kann man zwischen zwei Methoden unterscheiden: elektrodynamische
Erzeugung durch Stromfluss und Permanentmagnete mit hartmagnetischen
Materialien.
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Bei
der elektrodynamischen Erzeugung der Magnetfelder kann man zusätzlich die
klassische Erzeugung durch Stromfluss in Spulen aus Kupferdraht
und durch supraleitende Materialien unterscheiden. Letztere Methode
scheint aufgrund der hohen erzielbaren Magnetfeldstärken (vgl.
Kernspin-Tomographen) besonders interessant zu sein. Sie wird jedoch
mit hohem Aufwand für
die erforderliche Kühlung
der supraleitenden Spulen erkauft. Es bleibt einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
vorbehalten ob diese Methode evtl. für großtechnische Anlagen Anwendung
finden kann. Die klassische Erzeugung durch Stromfluss in Kupferspulen
scheidet aufgrund des hohen Aufwandes an elektrischer Energie zur
Erzeugung wirklich starker Magnetfelder und der damit verbundenen
Verlustwärme
wohl aus.
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Die
Materialwissenschaften haben in jüngerer Zeit auch auf dem Gebiet
der hartmagnetischen Schichten erhebliche Fort schritte erzielt.
So sind mit NdFeB und CoPt hartmagnetische Materialien mit hoher
Koerzitivkraft hergestellt worden. Die Verwendung von Permanentmagneten
hat den Vorteil, dass trotz hoher Magnetfeldstärken nicht laufend Energie
zur Erhaltung des Feldes zugeführt
werden muss. Für
die Einbringung des Magnetfeldes in geeigneter Form in die Trenndüse bieten
sich wiederum zwei verschiedene Möglichkeiten an: Off-Plane-Technologie
mit Magneten aus Sinterwerkstoffen (z. B. NdFeB) und In-Plane-Technologie
mit galvanisch erzeugten Magneten (z. B. CoPt).
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Die
Off-Plane-Technologie setzt voraus, dass das Magnetfeld extern erzeugt
wird, und z. B. Mit Hilfe geeigneter Polschuhe an die Trenndüsen herangeführt wird.
Die Polschuhe selbst können
dabei noch in einer planaren Technologie hergestellt werden.
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Die
In-Plane-Technologie mit galvanisch hergestellten Hartmagneten wäre hingegen
eine Technologie, die vollständig
mit den Anforderungen an eine integrierte Herstellungsmethode konform
sein könnte.
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6 zeigt
einen beispielhaften Verlauf der Feldstärke vor einem Hartmagneten.
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Wie
Bild 1 zeigt nimmt die Feldstärke
vor einem Hartmagnet sehr rasch ab. Das Bild zeigt die Feldstärke vor
einem runden NdFeB-Magneten mit einer Polstärke von ca. 0,5 T. Der Magnet
ist dabei als eine runde Scheibe mit 4 mm Durchmesser und 2 mm Dicke
und axialer Magnetisierung angenommen.
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Bereits
in einfacher Entfernung des Durchmessers hat die Feldstärke auf
weniger als 10 % der Polstärke
abgenommen. Damit einher geht die Abnahme der möglichen Feldgradienten, die
alleine für
die Kraftwirkung auf magnetische Objekte im Feld verantwortlich
ist. Diese rasche Abnahme zwingt zu relativ kleinen Geometrien der
Trenndüsen,
die im Bereich eines Bruchteils der Magnetabmessungen liegen müssen. Dies legt
zusammen mit der Möglichkeit,
Hartmagnete galvanisch abzuscheiden, die Anwendung der miniaturisierten
Planartechnologie nahe. Mit dieser Technologie lassen sich auch
die möglicherweise
erforderlichen massiven Serien- und Parallelschaltungen von Trenndüsen technologisch
sinnvoll realisieren.
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Die
zur Realisierung angedachten Herstellverfahren der, im wesentlichen
Planaren, Mikrotechnologie soll nicht nur vorteilhaft für die Funktion
des Prototyps eingesetzt werden. Sie soll vielmehr auch eine wirtschaftliche
Möglichkeit
zur Herstellung von Geräten
nach diesem Funktionsprinzip schaffen.
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Durch
Serien- und Parallelschaltung der zu entwickelnden Trenndüsen mit
Hilfe der Planartechnologie lassen sich weite Bereiche der Konzentration
und des Durchsatzes abdecken. Die Tabelle 1 macht ungefähre Angaben über den
geschätzten
Sauerstoffbedarf in unterschiedlichen Anwendungen.
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Tabelle
1: Sauerstoffbedarf und Konzentration unterschiedlicher Anwendungen
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Besondere
wirtschaftliche Bedeutung kommt natürlich den technischen Verbrennungsprozessen
zu.
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So
könnte
z. B. bei Kraftfahrzeugen die Erhöhung der Sauerstoffkonzentration
anstelle des Turboladers die Motorleistung erheblich steigern.
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Beim
Einsatz von Sauerstoff zur Beheizung einer Schmelzwanne für Glas bei
Schott in Mainz konnte die Amortisationsdauer einer Anreicherungsanlage
konventioneller Art mit einer Leistung von 4.100 cbm/h Sauerstoff
mit Kosten von 3 Mio. Euro in 3,6 Jahren erreicht werden [8].
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Die
Verwertung von bei der Ölförderung
anfallendem Ölsand
z. B. ist nur mit Hilfe von Sauerstoff wirtschaftlich möglich und
bislang aus Kostengründen
nicht vorangetrieben worden. Stattdessen findet eine unter Umweltgesichtspunkten
kritische Endlagerung der ölhaltigen
Förderabfälle statt.
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Die
Verwendung von Sauerstoff oder mit Sauerstoff hoch angereicherter
Luft zur Führung
technischer Verbrennungsprozesse kann erhebliche Verbesserungen
oder Einsparungen bei Umweltbelastungen mit sich bringen. Durch
den weitgehenden Ausschluss von Stickstoff am Verbrennungsgasgemisch
konnte, wie Rasch und Clement in [8] zeigten, bei der Glasschmelze
von Schott in Mainz an einer Wanne die Schadstoffminderung an Stickoxiden
um 80 % gesenkt werden.
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Heizwertarme
Brennstoffe stellen sowohl in wirtschaftlicher wie in umweltrelevanter
Hinsicht große Probleme
dar. Oft ist eine sinnvolle Entsorgung bzw. Nutzung nur mit Hilfe
von Stützbrennstoff
(Gas oder Erdöl) möglich. Hier
kann durch den Einsatz von Sauerstoff wirtschaftlich und umweltschonend
eingegriffen werden, wie das FZK Karlsruhe in einer Studie [9] an
ihrem Forschungs-Drehrohrreaktor GUSTAV (Grundlegende Untersuchungen
zur Stofflichen und Thermischen Abfall-Verwertung) zeigen konnte.
Ab dem Jahr 2005 dürfen
in der BRD keine Reststoffe mit mehr als 5 % organi schem Kohlenstoffanteil
mehr deponiert werden. Andererseits sind aber gerade diese heizwertarmen
Reststoffe für
die Verbrennung in gewöhnlicher
Luft ohne Stützbrennstoff
ungeeignet. Ein technischer Ausweg zur Erfüllung der gesetzlichen Vorgaben
einerseits und der Einsparung von fossilen Brennstoffen andererseits
ist die Verwendung von Sauerstoff statt Luft für die Verbrennung.
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In
der Automobiltechnik ist eine Optimierung der Verbrennung im Motor
aus zweierlei Gründen
wünschenswert:
erstens kann dadurch die Leistung gesteigert und zweitens de Schadstoffausstoß minimiert
werden. Insbesondere Dieselmotore, aber auch Ottomotore, werden
dazu häufig
gerne mit komprimierter Luft versorgt (sog. „Turbolader"). Die Maßnahme dient
in erster Linie dazu, mehr Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung zu
stellen. Der Nachteil der Turboaufladung ist der hohe Anteil an
zusätzlichem „Ballast"-Stickstoff aus der
Luft, der in der Verbrennung nun mitgeführt werden muss. Dieser senkt
den Wirkungsgrad, indem er gleichfalls durch den Verbrennungsprozess
getrieben werden muss und nimmt an der Bildung von Stickoxiden teil.
Auch die Rußemissionen
von Dieselmotoren bestehen aus Kohlenstoff aus einer unvollständigen Verbrennung.
Durch die Verbrennung mit Sauerstoff angereicherter statt mit komprimierter
Luft könnten
die selben Vorteile und nebenbei eine Schadstoffreduktion erzielt
werden. Sauerstoff- oder Lachgaseinspritzung sind bei Sportmotoren
bereits mehrfach mit Erfolg erprobt worden. Die breite Anwendung
scheiterte bisher an der Mitnahme der komprimierten Gase im Fahrzeug.
Da mit Hilfe der paramagnetischen Sauerstoffanreicherung die Ladeluft
an Bord direkt angereichert werden könnte, eröffnen sich hier neue Möglichkeiten
der Leistungsoptimierung, Kraftstoffeinsparung und Reduktion der
Schadstoffemissionen.
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Bisherige
Verfahren zur Darstellung von Sauerstoff beruhen, wenn nicht auf
chemischen, so auf den thermodynamischen Eigenschaften des Sauerstoffes.
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Die
thermodynamischen Eigenschaften der Dampfdruckkurve des Sauerstoffes
etwa im Unterschied zu denen des Stickstoffes werden bei der fraktionierten
Destillation ausgenutzt. Zeolithe wenden hingegen das Adsorptionsverhalten,
bedingt durch die jeweilige Polarisierbarkeit der Elektronenhülle der
Moleküle,
an. Diese Methoden sind von ihrer Natur aus nicht selektiv. Sauerstoff
weist als einziges elementares Gas einen ausgeprägten Paramagnetismus auf. Dieser
wird durch zwei ungepaarte Außenelektronen
im Atom erzeugt, deren Spinmoment sich nicht gegenseitig ausgleicht.
Neben Sauerstoff weisen nur noch sauerstoffhaltige Gase in geringem
Maße einen
Paramagnetismus auf. Ein Trennverfahren, das auf diesem Effekt beruht
arbeitet also von Natur aus weitgehend selektiv. Paramagnetische
Substanzen werden, ähnlich
wie ferromagnetische, nur schwächer,
in einem Magnetfeld in Richtung des stärkeren Feldes angezogen. Obwohl
dieser Effekt schon lange bekannt ist [4], wurde er bislang nicht
zur Abtrennung von Sauerstoff angewendet. Ursachen hierfür sind sicher
zum einen die bislang fehlende Mikrotechnologie zur günstigen
Ausnutzung dieses Effektes und die fehlende Technologie zur Erzeugung
der erforderlichen Magnetstrukturen.
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Das
paramagnetische Prinzip der Beeinflussung einer Strömung wird
bereits vielfältig
zur Sauerstoffmessung eingesetzt [5], [6], [7]. Allen Verfahren
gemeinsam ist, dass die Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf den
Sauerstoff in einem Gasgemisch ausgenutzt wird. Bei sog. „thermomagnetischen" Verfahren (Hartmann & Braun), Uni Hamburg)
wird dabei eine Gasströmung
so gestört,
dass ein ursprünglich
unter Strömungsgesichtspunkten
neutrales System durch die magnetische Beeinflussung des Sauerstoffes
gestört
wird. Dadurch entsteht ein sogenannter „magnetischer Wind" in einem Kanal,
der z. B. mit thermischen Strömungssensoren in
konventioneller (H & B)
oder mikrotechnischer Ausführung
(Uni HH) gemessen wird und als Maß für den Sauerstoffgehalt dient.
Das von den Drägerwerken
hergestellte Gerät
ermit telt mit Hilfe einer elektrooptischen Mikrowaage indirekt die
Kraftwirkung auf den Sauerstoff, indem es die Verdrängung des
Stickstoffes aus dem Feld eines Magneten hinaus misst, welches mit
einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch gefüllt wird.
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Gerade
letzteres Verfahren zeigt deutlich auf, dass messbare Kräfte am Sauerstoff
im inhomogenen Magnetfeld auftreten. Dem Gedanken zur Abtrennung
von Sauerstoff auf mikrotechnischem Wege ging die Betrachtung der
Uran-Trenndüse
des KfZ Karlsruhe zur Anreicherung von spaltbarem 0235 voraus [10].
Bei diesem Verfahren wird die Anreicherung des leichteren U235-Isotops
aus gasförmigem
Uranhexafluorid durch die Anwendung der Zentripetalkraft in einer
gekrümmten
Düse erreicht.
Dabei beträgt
der Unterschied im Molekulargewicht der beiden Isotope (im UF6)
nur rund 0,86%.
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Die
Filterung von Luft mit Hilfe elektrischer Aufladung und anschließender Trennung
durch elektrostatische Mikrofilter wurde auf der MEMS-Tagung in
Miami 2005 von Chua et al. Vorgestellt [10]. Das dort vorgestellte
Prinzip ist der paramagnetischen Trennung sehr ähnlich. Es wird lediglich eine
Vorbehandlung der zu trennenden Partikel in dem Sinne durchgeführt, dass
diese durch eine Korona-Aufladung zunächst elektrostatisch aufgeladen
werden. Anschließend
erfolgt die Abtrennung in einem elektrischen Feld.
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Mit
Hilfe von Magneten können
erhebliche Kräfte
auf Sauerstoff-Moleküle
ausgeübt
werden. Ein typischer technischer Magnet mit einer Polstärke von
ca. 1T und einem Gradienten der Feldstärke von rund 1T/cm wirkt dabei
auf ein Volumen von ca. lmm3 mit einer Kraft
von etwa 10–5N.
Diese Kräfte
stehen zur Trennung der Moleküle
in einem Magnetfeld bereit. Leitet man nun ein Gasgemisch durch
einen Kanal in einem inhomogenen Magnetfeld, so wird sich darin
eine Separation des Sauerstoffs vom nichtparamagnetischen Gasrest
in Richtung zum höheren
Feldgradienten hin ergeben. Diese Entmischung erfolgt gegen die
thermisch bedingte Diffusion und ist daher nie vollständig. Teilt
man nun den Kanal orthogonal zu den magnetischen Kraftlinien, so
wird man Teilströme
mit unterschiedlichem Sauerstoff-Partialdruck
erhalten. Der angereicherte Teilstrom kann nun erneut in einer weiteren
Trenndüse
der selben Bauart aber angepasster Geometrie behandelt werden u.s.w..
Dieses Kaskadieren lässt
sich im Prinzip beliebig fortsetzen und somit die Reinheit des abgetrennten
Sauerstoffes immer weiter erhöhen.
Die abgereicherten Teilströme
können
ebenfalls zusammengefasst und erneut durch weitere Trenndüsen geschickt
werden. Durch solche Serien- und Parallelschaltungen sind die Eigenschaften
eines Trenndüsen-Arrays
praktisch beliebig an die Aufgabe anpassbar. Die Herstellung der Strömungskanäle kann
in bekannter Weise mittels photostrukturierbarem Resist (z.B. photostrukturierbaren Epoxydharz
SU-8) erfolgen. Natürlich
können
in späteren
Serienprodukten auch Spritzgießteile
diese Aufgabe übernehmen.
Die Magnete können
mit Hilfe galvanischer Verfahren hergestellt werden. Das Forschungsinstitut für Edelmetalle
und Metallchemie in Schwäbisch
Gmünd verfügt bereits über Grundlagen
solcher Abscheidung, auch in mikrotechnisch strukturierten Resistformen.
Um die Kaskadierung zu ermöglichen
ist ein mehrlagiger Aufbau erforderlich. Weitere fluidische Kanalplatten
können
diese Aufgabe übernehmen.
Die Verbindung der einzelnen Platten kann dabei über ein Heißsiegeln auf den SU-8-Strukturen
erfolgen. Auch hierzu liegen bereits erste Erfahrungen am HSG-IMIT
vor.
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Neben
der Simulation des magneto-fluidischen Systems und der Evaluierung
der weiteren Einzelschritte wie SU-8-Strukturierung, Magnetabscheidung und
Deckelung bzw. Kaskadierung der Trennstrukturen müssten begleitend
Untersuchungen zur räumlich
aufgelösten
Vermessung der erzeugten Magnetfelder und des tatsächlich erzielten
Trennungsgrades mittels analytischer Sauerstoffbestimmung erfolgen.
Diese Messungen dienen nicht nur der Bestimmung der Effizienz des
Trennsystems, sondern ermöglichen
gleichzeitig die Überprüfung der
Simulationsdaten der magnet-fluidischen Kopplung.
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Letztlich
wird dadurch eine Optimierung des Gesamtsystems in einer geschlossenen
Schleife erreicht.
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Solche
begleitenden Untersuchungen könnten
von Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses durchgeführt werden,
die ebenso bereits in diesem Stadium mit Hinweisen auf eine spätere kostengünstige Fertigung
der Trennsysteme z.B. in Form von spritzgegossenen Kunststoffdüsenplatten
oder Sinterwerkstoffen für
die Magnete Hilfe leisten könnten.
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In
diesem Abschnitt werden die einzelnen durchzuführenden Arbeitsschritte kurz
inhaltlich erläutert.
-
In
Bezug auf die Simulation sei erwähnt,
da es außerordentlich
schwierig ist, die Optimierung der Trenndüsengeometrie an die Verhältnisse
der machbaren Magnete und die Anforderungen bezüglich Reinheit und Menge der
jeweiligen Anwendung durchzuführen,
vorgeschlagen wird, parallel zu den beginnenden Arbeiten an den
Schichtsystemen für
die Kanäle
und die Magnete mit der numerischen Simulation zu beginnen. Wie oben
erwähnt
muss dazu die Kopplung der Strömung,
Diffusion und magnetischen Wirkung auf ein Modell erprobt werden.
Die Erfahrungen aus diesen Arbeiten sollen dann anhand der Daten
eines makroskopisch hergestellten Modells überprüft und die Numerik verbessert
werden.
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In
einem zweiten Durchlauf soll dann eine optimierte Trenndüsengeometrie
numerisch gefunden werden, die dann bereits in einem Demonstrator
mit Kaskadierung erprobt werden soll In Bezug auf einen Prototypentwurf
magnetisch/fluidischer Einzelkomponenten soll anhand von Abschätzungen
zunächst
eine erste Trenndüsengeometrie
mit und ohne Kaskadierung entworfen werden, um einen Maskensatz
für die
physische Realisierung eines ersten Messobjektes zu generieren.
Dieser Maskensatz ermöglicht
dann das Austesten der Magnetgalvanik, der Deckelung und der Konfiguration
der Gasein- und Auslässe.
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Parallel
dazu wird mit einem am IMIT vorhanden Massenspektrometer ein Messplatz
zur Bestimmung des Trennungswirkungsgrades erstellt und getestet
(AP 3).
-
In
Bezug auf eine Charakterisierung soll der Prototyp der Einzelkomponenten
nun die Möglichkeiten bieten,
sowohl einzelne Aspekte des Systems untersuchen zu können, als
auch bereits eine erste fertiggestellte Trenndüse zu charakterisieren. Dazu
sind miniaturisierte Magnetfeldmessungen in den Kanälen z. B.
mit Hilfe von SQUIDS am FEM durchzuführen. Erste Trennungsergebnisse
können
dann am IMIT mit Hilfe des hergestellten Messplatzes auf Ihren trennungswirkungsgrad
charakterisiert werden.
-
In
Bezug auf einen Vergleich mit Simulation und optimierter Numerik
sei erwähnt,
dass die experimentellen Ergebnisse aus den vorangegangenen Arbeitsschritten
sodann mit jenen der Simulation verglichen und die Methoden damit
verbessert und angepasst werden. Die verbesserte Numerik soll nun
zu der Auslegung eines endgültigen
Demonstrators herangezogen werden.
-
In
Bezug auf die Kaskadierung und Herstellung des Demonstrators sei
hinzugefügt,
dass aus den Ergebnissen der verbesserten Numerik nun der Maskensatz
zur Herstellung des im letzten Schritt herzustellenden Demonstrators
generiert werden. Dieser soll dann bereits modellhaft eine Kaskadierung
mehrer Trenndüsen
enthalten, um das Potential bezüglich
der Serien- und Parallelschaltung vieler Trenndüsen zu evaluieren.
-
In
Bezug auf eine Charakterisierung des Demonstrators soll im letzten
Arbeitspaket der Nachweis der Leistungsfähigkeit eines nach AP 6 ausgewählten Demonstrators
durch Messungen der Anreicherung und der erzielten Menge erbracht
werden.
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Im
Projekt soll das neuartige Verfahren der Sauerstoffanreicherung
aus Gasgemischen unter Ausnutzung dessen paramagnetischer Eigenschaften
mit Hilfe von mikrotechnisch erzeugten magnetischen Trenndüsen aufgezeigt
und seine Leistungsfähigkeit
untersucht werden. Im ersten Durchlauf bis zum Meilenstein steht
dabei vor allem die Gewinnung der charakteristischen Kenngröße des Anreicherungsgrades
pro Trenndüsenstufe
im Vordergrund.
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Das
Verfahren soll KMU's
(Kleine und Mittelständische
Unternehmen) in die Lage versetzen mit einfachen Mitteln leicht
an die verschiedensten Anforderungen anpassbare Sauerstoff-Konzentratoren
herzustellen.
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Wie
erläutert
wurde, können
durch Anwendung mikrotechnologischer Verfahren besonders günstig Trenndüsensysteme
hergestellt werden. Die Breite der Anwendungen erfordert dabei ein
hohes Maß an
Flexibilität
bezüglich
der Auslegung solcher Systeme. Diese wird durch die Möglichkeit
gegeben den Anforderungen an die Trennung bezüglich Reinheit und Menge durch
die Art der Verknüpfung
der Trenndüsen
in Serien- oder Parallelanordnung Rechnung zu tragen. Diese wiederum
ist zunächst
nur eine Frage der für
die Realisation einer bestimmten Anordnung verwendeten Geometrie.
Diese ist durch den Maskensatz in weiten Grenzen, unter Berücksichtigung
der magnetisch/fluidischen Gegebenheiten, frei wählbar. Ein KMU ist damit in
der Lage mit den selben Fertigungseinrichtungen lediglich durch Änderung
der Fotowerkzeuge (Maskensatz) weite Anwendungsfelder zu bedienen.
Daneben sind aus der Vielfalt der mikrotechnologischen Fertigungseinrichtungen
nur einige wenige erforderlich. So werden zur Herstellung der Kanalstrukturen
und der Startschichten für die
Magnetgalvanik etwa eine Photolithographie mit mittlerer bis grober
Auflösung
benötigt
(∼ 5μm Auflösung). Zur
Herstellung der Magnete ist eine entsprechende Galvanik erforderlich.
Die Deckelung bzw. Stapelung mehrere Trenndüsenarrays kann z. B. durch
Heißsiegeln
der Kanalwände
in einer Heißsiegelpresse
erfolgen.
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Alternativ
kann die Herstellung der Kanalplatten natürlich auch in Fein- oder Mikrospritzguß erfolgen, was
zwar eine Einbuße
an Flexibilität
gegenüber
reinen lithographischen Prozessen bedeutet, jedoch geringere Stückkosten
bei großen
Serien erwarten lässt.
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Bei
Verwendung der Off-Plane-Technologie können die Magnete konventionell
hergestellt werden und die Deckelung bzw. Stapelung z. B. mit der
Polschuhplatte durch Kleben oder Heißsiegeln erfolgen.
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Es
sind somit keine besonders aufwendigen Fertigungseinrichtungen für die kostengünstige und
flexible Herstellung von paramagnetischen Trenndüsensystemen erforderlich.
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Die
Anwender wiederum können
dann solche Subsysteme in ihre Anlagen und Geräte integrieren, damit völlig neue
Anwendungen erschließen
und sich so einen Wettbewerbs-Vorsprung sichern. kmU's sind in aller Regel
Nischenanbieter mit sehr hohem Anwender-know-how; es ist zu erwarten,
dass sie für
die angestrebten flexiblen und kostengünstigen Systeme weitere Anwendungsmöglichkeiten
entwickeln werden. Gleichzeitig ist zu erwarten, dass sich aus diesen
Anwendungsmöglichkeiten
wiederum Ansätze
für die
wissenschaftlichtechnische Weiterentwicklung der Systeme ergeben.
Damit wird ein hohes Maß an
Synergie zwischen Forschung und Anwendung nutzbar.
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In
der Umwelttechnik wird die Anwendung von Sauerstoff zur Altlastenbehandlung
bzw. Energieerzeugung durch regulative Maßnahmen von Seiten des Gesetzgebers
geradezu gefordert. So dürfen
beispielsweise in der Bundesrepublik Deutschland ab 2005 keine Abfälle mit
mehr als 5% organischem Kohlenstoffanteil mehr deponiert werden.
Andererseits gerade diese ohne Stützbrennstoff kaum thermisch
zu entsorgen, solange nicht mit Sauerstoff angereicherte Verbrennungsluft
eingesetzt wird.
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Die
Leistungs- und Wettbewerbfähigkeit
von kleinen und mittelständischen
Unternehmen hängt
wesentlich von Ihrem Innovationspotential ab.
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Das
Projekt eröffnet
die Möglichkeit,
beginnend mit den flexiblen Methoden der Mikrosystemtechnik, Demonstratoren
herzustellen und diese je nach Bedarf auf großserientaugliche Herstellverfahren
auszudehnen. Dabei kann je nach Anwendung der Bedarf an Trenndüsen von
der Kleinserienfertigung in Mikrotechnologie bis zur Auslastung
der Kapazität
eines KMU in angepassten Fertigungstechnologien erreicht werden.
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Eine
derartige System-Lösung
stellt, auf Grund des innovativen Charakters, einen erheblichen
technischen Vorsprung gegenüber
bislang auf dem Markt befindlichen Systemen dar und hilft somit,
die Wettbewerbsfähigkeit
dieser Unternehmen zu sichern und weiter auszubauen. Die Kosten
der Entwicklung mikrosystemtechnischer Lösungen für die Startphase sind als relativ
hoch einzustufen und können
von einzelnen kmU's in
aller Regel nicht übernommen
werden. Hingegen ist die anwendungsbezogene Modifikation eines Trenndüsensystems
bezüglich
des Mengen- und Reinheitsverhältnisses
lediglich durch eine numerische Neuauslegung des magnetisch/fluidischen
Systems und den daraus folgenden neuen Maskensatz zu erreichen.
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Anstelle
der zuvor beschriebenen galvanisch abgeschiedenen Permanentmagnete
können
auch photostrukturierbare Permanentmagnete verwendet werden, z.B.
auch in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Diese photostrukturierbaren
Permanentmagnete können
beispielsweise durch Auftragen von Suspensionen bestehend aus photostrukturierbaren
Resist-Materialen, z.B. SU-8, und hartmagnetischen Ferriten erzeugt
werden. Dabei kann der Anteil hartmagnetischer Ferrite in diesen
Suspensionen 10% bis 50% betragen, vorzugsweise jedoch 20% bis 40%
und typischerweise 30%.
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Zusammenfassend
kann daher gesagt werden, dass die erläuterten Ausführungsbeispiele
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Sauerstoffgewinnung oder
Anreicherung aus Gasgemischen beschreiben. Prinzipiell ist die Realisierung
solcher magnetischer Trennsysteme mit asymmetrischer Kanalgeometrie
in vielerlei Techniken denkbar. Vorteilhaft ist jedoch aus Gründen der
begrenzten Reichweite der Magnetfelder die Anwendung der Mikrosystemtechnik.
Andere Techniken sind jedoch möglich.
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Ein
weiterer, wesentlicher Aspekt der beschriebenen Ausführungsbeispiele
ist die einfache Serien- und Parallelschaltung mehrerer Vorrichtungen
bzw. Trenndüsen.
Dadurch kann der Durchsatz bzw. die Trennungsgüte eines Trenndüsenarrays
einfach an gewünschte
Erfordernisse angepasst werden.
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Neben
den fluidischen Reibungsverlusten in den Düsenarrays sind keine weiteren
Energiebeiträge
zur Trennung mehr aufzuwenden. Insbesondere die energieintensive
Tiefkühlung
wie beim Linde-Verfahren entfällt.
Gegenüber
der Sauerstoffanreicherung durch Druckwechseladsorption werden beispielsweise
Durchflüsse
von 5–10
Litern/Minute effizienter realisiert werden können, da entsprechende Lösungen auf
der Basis der beispielsweise Mikrotrenndüsen kleiner als die bekannten
Geräte
sind und insbesondere werden gegenüber den Druckwechseladsorptionsgeräten ein
wesentlich geringerer Lärmpegel,
es verbleibt nur noch das Kompressorgeräusch, erreicht.