DE102006037805B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Anreichern oder Abreichern von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Anreichern oder Abreichern von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Anreichern oder Abreichern von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch mit folgenden Merkmalen: einem ersten Eingangskanal (120); einem ersten Hauptkanal (140) und einem ersten Nebenkanal (130), die durch eine erste Verzweigung (150) mit dem ersten Eingangskanal (120) verbunden sind, wobei die erste Verzweigung (150) derart ausgebildet ist, dass ohne eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 50% des durch den ersten Eingangskanal (120) einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches (110) in den ersten Hauptkanal (140) strömt; und einer Magnetfeld erzeugenden Einrichtung (160), die ausgebildet ist, ein erstes Magnetfeld zu erzeugen, und die derart an einem der ersten Kanäle (120, 130) angeordnet ist, dass ein durch den ersten Nebenkanal (130) strömender Anteil (122) des sauerstoffhaltigen Gasgemisches (110) einen höheren Sauerstoffanteil aufweist als ein durch den ersten Hauptkanal (140) strömender Anteil (124) des sauerstoffhaltigen Gasgemisches (110). einem zweiten Eingangskanal (520); einem zweiten Hauptkanal (540) und einem zweiten Nebenkanal (530), die...

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur wirtschaftlichen Trennung bzw. Anreicherung oder Abreicherung von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen aus sauerstoffhaltigen Gasgemischen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im Folgenden soll der Stand von Forschung und Technik kurz beschrieben werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im Folgenden soll die Sauerstoffgewinnung durch Elektrolyse des Wassers erläutert werden.
  • 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.
  • Im Folgenden wird die Sauerstoffanreicherung durch Druckwechseladsorption beschrieben.
  • 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 der 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.
  • 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.
  • 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, der typischerweise nur durch Autobatterien gedeckt werden kann und entsprechend nur eine begrenzte Energie- autonomie aufweisen. Ferner sind die Geräte an sich auch durch Ihre Größe nur bedingt als „mobil” einzustufen.
  • Die Patentschrift DE 42 01 216 C1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts eines Gasgemisches, die aus einem System von Strömungskanälen besteht, die in ein Substrat eingeätzt sind. Mit zwei Thermoanemometern wird die Strömungsgeschwindigkeitsdifferenz in zwei symmetrischen Strömungskanälen nach einer Verzweigung gemessen. Dieser Unterschied ist durch ein Magnetfeld, das einen der beiden symmetrischen Strömungskanäle durchsetzt, bedingt. Aufgrund der Miniaturisierung durch die mikromechanische Herstellungsweise ist es möglich, bei Kaskadierung mehrerer solcher Verzweigungen eine Sauerstoffanreicherung in einem Teilkanal zu erreichen und dadurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung erheblich zu steigern.
  • Die Patentschrift DD 161 227 A1 beschreibt ein Verfahren zur Konzentration und/oder Selektion von Gasgemischen mit Komponenten unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften, vorzugsweise der Selektion von Sauerstoff aus Luft und anderen Gasgemischen unter Ausnutzung des Para- und Diamagnetismus gegebenenfalls unterstützt durch Temperatursenkung und/oder Temperaturdifferenzen im Gasstrom.
  • Die Patentschrift DD 117 826 A5 offenbart eine Vorrichtung zum Schweißen, Hartlöten, Brennschneiden und dergleichen, unter Verwendung eines Wasserstoff-Sauerstoffgemisches. Dabei enthält ein Beispiel der Vorrichtung eine Anordnung für die magnetische Abscheidung des Sauerstoffs von einem Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff, bei welcher der abgeschiedene Sauerstoff zum Brennschneiden verwendet werden kann.
  • Die Patentveröffentlichung DE 1 910 574 A offenbart ein Verfahren zur Anreicherung oder Trennung eines Gasgemisches, wobei ein Strom eines aus zwei oder mehreren Komponenten zusammengesetzten Gasgemisches durch ein oder mehrere inhomogene und/oder homogene Magnetfelder geleitet und unter Ausnutzung unterschiedlicher dia- oder paramagnetischer Eigenschaften in Teilströme zerlegt wird.
  • Die Patentveröffentlichung DE 100 52 722 A1 offenbart einen Gasgenerator für reiches Sauerstoffgas mit einem elektrolytischen Trog zur elektrolytischen Zersetzung von Wasser in Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, einen Mischbehälter, der ein Lösungsmittel einer Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindung und Sauerstoffgas von dem elektrolytischen Trog enthält, einer Pumpe zum Pumpen von Luft in den Mischbehälter, um die Verdampfung des Lösungsmittels der Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindung zu beschleunigen, und einem Brenner zur Aufnahme des Gasgemisches aus Wasserstoff und Sauerstoff von dem elektrolytischen Trog und des Lösungsmittelgases von dem Mischbehälter zur Erzeugung einer Flamme. Die Flammentemperatur und die Wärme können durch Steuern der Strömungsrate und des Volumens der gepumpten Luft geändert und eingestellt werden.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Anreichern oder Abreichern gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren zum Anreichern oder Abreichern gemäß Anspruch 19 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Anreichern oder Abreichern von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch mit folgenden Merkmalen: einem ersten und einem zweiten Eingangskanal; einem ersten und einem zweiten Hauptkanal und einem ersten und einem zweiten Nebenkanal, wobei der jeweilige Haupt- und Nebenkanal durch jeweils eine Verzweigung mit dem jeweiligen Eingangskanal verbunden sind, wobei die Verzweigungen derart ausgebildet sind, dass ohne eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 50% des durch den jeweiligen Eingangskanal einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches in den jeweiligen Hauptkanal strömt; und einer Magnetfeld erzeugenden Einrichtung, die ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, und die derart an den jeweiligen Eingangs- und/oder Nebenkanälen 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.
  • Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Anreichern oder Anreichern von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch mit folgenden Schritten: Zuführen des sauerstoffhaltigen Gasgemisches in einen ersten Eingangskanal; Erzeugen eines Magnetfeldes; und. Trennen des sauerstoffhaltigen Gasgemischs durch eine erste Verzweigung, die den ersten Eingangskanal mit einem ersten Hauptkanal und einem ersten Nebenkanal verbindet, wobei die erste Verzweigung derart ausgebildet ist, dass ohne eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 50% des durch den Eingangskanal einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches in den ersten Hauptkanal strömt, und wobei Magnetfeld derart erzeugt wird, dass ein durch den ersten Nebenkanal strömender Anteil des sauerstoffhaltigen Gasgemisches einen höheren Sauerstoffanteil aufweist als ein durch den ersten Hauptkanal strömender Anteil des sauerstoffhaltigen Gasgemisches; und Trennen des sauerstoffhaltigen Gasgemischs durch eine zweite Verzweigung, die den zweiten Eingangskanal mit einem zweiten Hauptkanal und einem zweiten Nebenkanal verbindet, wobei die zweite Verzweigung derart ausgebildet ist, dass ohne eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 50% des durch den zweiten Eingangskanal einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches in den zweiten Hauptkanal strömt, und wobei das Magnetfeld derart erzeugt wird, dass ein durch den zweiten Nebenkanal strömender Anteil des sauerstoffhaltigen Gasgemisches einen höheren Sauerstoffanteil aufweist als ein durch den zweiten Hauptkanal strömender Anteil des sauerstoffhaltigen Gasgemisches, wobei das Magnetfeld für beide Trennschritte durch eine einzige Magnetfeld erzeugende Einrichtung erzeugt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im Folgenden soll im Zusammenhang mit der Magnetfeld erzeugenden Einrichtung auf die elektrolytische Abscheidung von Platin-Kobalt-Legierungsschichten näher eingegangen werden.
  • 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, 7, 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 (< 1 μm) 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 kubisch-flächenzentriert) 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden wird eine Anordnung, die 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, das mehr als eine Trennstufe aufweist, ist der Ausgang des Nebenkanals vorzugsweise in einer anderen Ebene bzw. Schicht als der Ausgang des Hauptkanals angeordnet, um beispielsweise eine hochintegrierte Serien- und/oder Parallelschaltung einzelner solcher Trennstufen zu ermöglichen.
  • 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.
  • Dabei können die Serien- und Parallelschaltungen einzelner Trenndüsen bzw. Trennstufen beliebig kombiniert werden, um eine bestimmte Sauerstoffkonzentration bei einem vorgegebenen Durchsatz zu erhalten.
  • Serien- und Parallelschaltungstechniken der mikrofluidischen Trenndüsen sind zur Erfüllung der Anforderungen bei hohem bis sehr hohem Sauerstoffbedarf 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 aufeinander gepackt werden müssen um kompakte, hocheffiziente Anreicherungssysteme zu erreichen.
  • 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.
  • 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.
  • Die Materialwissenschaften haben in jüngerer Zeit auch auf dem Gebiet der hartmagnetischen Schichten erhebliche Fortschritte 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).
  • Die Off-Plane-Technologie setzt voraus, dass das Magnetfeld extern erzeugt wird, und z. B. mit Hilfe geeigneter Pol- schuhe an die Trenndüsen herangeführt wird. Die Polschuhe selbst können dabei noch in einer planaren Technologie hergestellt werden.
  • Die In-Plane-Technologie mit galvanisch hergestellten Hartmagneten wäre hingegen eine Technologie, die vollständig mit den Anforderungen an eine integrierte Herstellungsmethode konform sein könnte.
  • 6 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Feldstärke vor einem Hartmagneten.
  • Wie gezeigt, 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.
  • 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.
  • 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.
    Anwendung ~ Bedarf in l/min ~ notwendige Konzentration in Vol.-%
    Begasung biologischer Experimente 0,01...1 10...99
    Atmungsunterstützung 1...10 21...95
    Verbrennungsmotor PKW 103...105 21...50
    Verbrennungsmotor LKW 104...106 21...50
    Biologische Kläranlagen 103...105 40...95
    Restmüllverbrennung 104...106 90...95
    Ölsandverbrennung 106...108 90...95
    Tabelle 1: Sauerstoffbedarf und Konzentration unterschiedlicher Anwendungen
  • Besondere wirtschaftliche Bedeutung kommt natürlich den technischen Verbrennungsprozessen zu.
  • So könnte z. B. bei Kraftfahrzeugen die Erhöhung der Sauerstoffkonzentration anstelle des Turboladers die Motorleistung erheblich steigern.
  • 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.
  • Die Verwertung von bei der Ölförderung anfallendem Ölsand z. B. ist nur mit Hilfe von Sauerstoffwirtschaftlich möglich und bislang aus Kostengründen nicht vorangetrieben worden. Stattdessen findet eine unter Umweltgesichtspunkten kritische Endlagerung der ölhaltigen Förderabfälle statt.
  • 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 zeigten, bei der Glasschmelze von Schott in Mainz an einer Wanne die Schadstoffminderung an Stickoxiden um 80% erzielt werden.
  • 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 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 organischem 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.
  • In der Automobiltechnik ist eine Optimierung der Verbrennung im Motor aus zweierlei Gründen wünschenswert: erstens kann dadurch die Leistung gesteigert und zweitens der Schad- stoffausstoß 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 dieselben 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.
  • Bisherige Verfahren zur Darstellung von Sauerstoff beruhen, wenn nicht auf chemischen, so auf den thermodynamischen Eigenschaften des Sauerstoffes.
  • 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, 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.
  • Das paramagnetische Prinzip der Beeinflussung einer Strömung wird bereits vielfältig zur Sauerstoffmessung eingesetzt. 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 Gasströ- mung 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 ermittelt 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.
  • Mit Hilfe von Magneten können erhebliche Kräfte auf Sauerstoff-Moleküle ausgeübt werden. Ein typischer technischer Magnet mit einer Polstärke von ca. 1 T und einem Gradienten der Feldstärke von rund 1 T/cm wirkt dabei auf ein Volumen von ca. 1 mm3 mit einer Kraft von etwa 10–5 N. 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 derselben Bauart aber angepasster Geometrie behandelt werden usw. 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. photostrukturierbarem 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.
  • 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 denselben 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 (~ 5 μm 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es sind somit keine besonders aufwendigen Fertigungseinrichtungen für die kostengünstige und flexible Herstellung von paramagnetischen Trenndüsensystemen erforderlich.
  • 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.
  • 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.
  • 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%.
  • 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.
  • 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.
  • 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 beispielsweise von Mikrotrenndüsen kleiner als die bekannten Geräte sind und insbesondere wird gegenüber den Druckwechseladsorptionsgeräten ein wesentlich geringerer Lärmpegel, es verbleibt nur noch das Kompressorgeräusch, erreicht.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
  • 1A–C zeigen eine 3D-Darstellung (1A), eine Draufsicht (1B) und eine Seitenansicht (1C) der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2 zeigt einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 3 zeigt eine beispielhafte Verteilung der Sauerstoffkonzentration am Anfang und am Ende eines Eingangskanals;
  • 4 zeigt einen weiteren Ausschnitt aus der Vorrichtung auf Basis von CoPt-Magneten;
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer Serien- und Parallelschaltung einzelner Trennstufen;
  • 6 zeigt einen Verlauf einer Feldstärke eines Festmagneten in Abhängigkeit vom Abstand zum Festmagneten;
  • 7 zeigt eine Anlage zur Lufttrennung nach dem Linde-Verfahren.
  • Im folgenden werden Merkmale gleicher oder ähnlicher Funktionalität unter Verwendung derselben Bezugszeichen beschrieben.
  • Ausgehend vom deutschen Patent DE 4201216 C1 , „Sauerstoffsensor”, 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.
  • 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.
  • Die 1A–1C zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Anreichern oder Abreichern, wobei 1A eine dreidimensionale Ansicht dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels zeigt, 1B eine Draufsicht und 1C eine Seitenansicht bzw. einen Querschnitt dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels.
  • Die 1A–1B zeigen eine Vorrichtung 100 mit einem ersten Eingangskanal 120, einem ersten Nebenkanal 130, einem ersten Hauptkanal 140, einer ersten Verzweigung 150 und einer Magnetfeld erzeugenden Einrichtung 160 und mit einem zweiten Eingangskanal 520, einem zweiten Nebenkanal 530, einem zweiten Hauptkanal 540 und einer zweiten Verzweigung 550. Dabei ist der erste Hauptkanal 140 mit dem ersten Nebenkanal 130 durch eine erste Verzweigung 150 mit dem ersten Eingangskanal 120 verbunden und der zweite Hauptkanal 540 mit dem zweiten Nebenkanal 530 durch eine zweite Verzweigung 550 mit dem zweiten Eingangskanal 520 verbunden. Die erste und zweite Verzweigung 150, 550 sind derart ausgebildet, dass ohne eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 50% des durch den ersten bzw. den zweiten Eingangskanal 120, 520 einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches in den ersten bzw. zweiten Hauptkanal 140, 540 strömt.
  • Die Magnetfeld erzeugende Einrichtung 160 ist gemäß der 1A und 1B sowohl an dem ersten Eingangskanal 120 als auch an dem zweiten Eingangskanal 520 angeordnet, so dass ein durch den ersten Nebenkanal 130 strömender Anteil des sauer- stoffhaltigen Gasgemisches einen höheren Sauerstoffanteil aufweist als ein durch den ersten 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 1A und 1B eine Vorrichtung zum Anreichern oder Abrei- chern, bei der die Magnetfeld erzeugende Einrichtung 160 sowohl die Magnetfeld erzeugende Einrichtung für den ersten 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.
  • 2 zeigt das Prinzip der paramagnetischen Sauerstoffanreicherung durch magnetische Beeinflussung der Strömung und anschließendes Aufspalten in Teilströme. Des weiteren zeigt 2 vereinfacht das Funktionsprinzip eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung bzw. Trenndüse in planarer Bauweise anhand eines Ausschnitts aus 1A mit einer Anordnung von ersten Kanälen.
  • 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 2 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.
  • In anderen Worten ausgedrückt, zeigt 2 eine Anordnung zum Anreichern oder Abreichern von Sauerstoff (O2) oder Sauerstoffverbindungen in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch (110), z. B. Luft, das im Wesentlichen aus Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2) besteht. Die Anordnung weist einen ersten Eingangskanal 120, einen ersten Nebenkanal 130 und einen ersten Hauptkanal 140 auf, wobei der erste Hauptkanal 140 und der erste Nebenkanal 130 durch eine erste 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 ersten Eingangskanal 120 einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches 110 in dem ersten 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 ersten Kanäle (120, 130) angeordnet ist, dass ein durch den ersten Nebenkanal 130 strömender Anteil 112 des sauerstoffhaltigen Gasgemisches 110 einen höheren Sauerstoffanteil aufweist als ein durch den ersten 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.
  • In Verbindung mit 3 soll nun die Wirkungsweise der Vorrichtung näher erläutert werden. 3 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 2 zugeordnete linke Kanalseite 122 dargestellt und auf der rechten Seite die dem Magneten 160 in 2 gegenüberliegende rechte Seite 124 des Eingangskanals 120 dargestellt. Die y-Achse stellt die Sauerstoffkonzentration in Prozent bzw. die Verteilung der Sauerstoffkonzentration über die Eingangskanalbreite dar.
  • Die gestrichelte Linie 210 stellt eine beispielhafte Verteilung der Sauerstoffkonzentration an einem Eingang des Eingangskanals 120 dar, die typischerweise ohne Magnetfeldeinfluss gleich verteilt und bei ca. 21% in Luft liegt. Während das sauerstoffhaltige Gasgemisch durch den Eingangskanal 120 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.
  • Die Kurve 220 in 3 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 3 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.
  • Aus 3 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 3 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 3 dargestellt.
  • Alternativ kann die Vorrichtung 100 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 (wie in 2 dargestellt).
  • 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 2 idealtypisch planaren Kanalanordnung bzw. -geometrie, entsprechend anwenden.
  • 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 Anordnung, wie sie beispielsweise in 2 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.
  • 2 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 2 nicht dargestellt ist.
  • Obwohl die Magnetfeld erzeugende Einrichtung 160 in 2 nur an dem Eingangskanal angeordnet ist, kann diese ganz oder teilweise beispielsweise auch an dem Nebenkanal 130, in Bezug auf 2 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.
  • 4 zeigt eine Anordnung ähnlich wie in 2 dargestellt, mit einem ersten Eingangskanal 120, einem ersten Nebenkanal 130 und einem ersten Hauptkanal 140, wobei die erste 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 4 aus einer abwechselnden Folge von Kobalt-Platin-(CoPt-)Schichten 162 und Isolatorschichten 164. Die Pfeile 166, die gemäß der Orientierung der 4 nach oben zeigen, stellen die magnetische Ausrichtung der CoPt-Magneten 164 dar.
  • Das Funktionsprinzip und der prinzipielle Aufbau der Vorrichtung wurden anhand der 2 und 4 und den darin dargestellten ersten Kanälen (120, 130, 140) und der ersten Verzweigung (150) erläutert. Das hierzu gesagte trifft selbstverständlich in gleicher Weise auch auf die zweiten Kanäle (520, 530, 540) und die zweite Verzweigung (550) zu.
  • Die 1A–1B zeigen ferner einen gemeinsamen Eingangskanal 570, wobei ein durch den gemeinsamen Eingangskanal 570 strömendes sauerstoffhaltiges Gasgemisch an einer gemeinsamen Verzweigung 572 in den ersten Eingangskanal 120 und den zweiten Eingangskanal 520 verzweigt wird. Ferner zeigen die 1A und 1B einen gemeinsamen Nebenkanal 574, in den der erste Nebenkanal 130 und der zweite Nebenkanal 530 münden. Ferner zeigen die 1A–1C einen gemeinsamen Eingangskanaldurchlass 576, durch den das sauerstoffhaltige Gasgemisch in Bezug auf die Ausrichtungen der Vorrichtungen 100 gemäß 1A von „oben” in den gemeinsamen Eingangskanal 570 einströmt. Ferner zeigen die 1A–1C einen gemeinsamen Nebenkanaldurchlass 578, durch den das angereicherte sauerstoffhaltige Gasgemisch des gemeinsamen Nebenkanals 574 nach „oben” abgeführt wird. Ferner zeigen die 1A–1C einen gemeinsamen Hauptkanaldurchlass 580, durch den das sauerstoffabgereicherte Gasgemisch der Hauptkanäle 140 und 540 nach „oben” abgeführt wird.
  • Die 1A–1C zeigen 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 1A–1C 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 1A–1C 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 1A und 1C realisiert werden.
  • Alternativ zu den in den 1A und 1B gezeigten Verzweigungen 150 und 550 können auch andere Verzweigungen und Kanalgeometrien verwendet werden, z. B. auch eine Verzweigung 150 gemäß 2 eingesetzt werden, d. h. die Hauptkanäle 140 und 540 geradeaus weitergeführt werden.
  • Die 1A–1C 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 1A–1C 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 1A–1C 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 1A–1C weist bezüglich ihrer Außenabmessungen eine Länge in einem Bereich von 0,5 mm–2 mm, eine Breite in dem Bereich von 0,25 mm–1,5 mm und eine Höhe im Bereich von 0,25 mm–3 mm auf, wobei vorzugsweise die Länge in einem Bereich von 1,25 mm–1,75 mm, die Breite in einem Bereich von 0,75 mm–1,25 mm und die Höhe in einem Bereich von 0,5 mm–1,5 mm liegt.
  • 5 stellt das Prinzip einer Serien- bzw. Parallel- oder einer kombinierten Serien- und Parallelschaltung dar. So sind die Trenndüsen 611 und 612 als Vorrichtung gemäß der 1A–1C realisiert. 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, 612/621, 622/631, 632 usw. bilden jeweils eine Serienschaltung, um eine höhere Sauerstoffkonzentration zu realisieren, wobei die Parallelschaltung dieser 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 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.
  • 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, 612 und 613, 614 jeweils nur 25% des Gasvolumens des jeweiligen Eingangskanals, so können die vier Nebenkanäle 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].
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Claims (19)

  1. Vorrichtung zum Anreichern oder Abreichern von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch mit folgenden Merkmalen: einem ersten Eingangskanal (120); einem ersten Hauptkanal (140) und einem ersten Nebenkanal (130), die durch eine erste Verzweigung (150) mit dem ersten Eingangskanal (120) verbunden sind, wobei die erste Verzweigung (150) derart ausgebildet ist, dass ohne eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 50% des durch den ersten Eingangskanal (120) einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches (110) in den ersten Hauptkanal (140) strömt; und einer Magnetfeld erzeugenden Einrichtung (160), die ausgebildet ist, ein erstes Magnetfeld zu erzeugen, und die derart an einem der ersten Kanäle (120, 130) angeordnet ist, dass ein durch den ersten Nebenkanal (130) strömender Anteil (122) des sauerstoffhaltigen Gasgemisches (110) einen höheren Sauerstoffanteil aufweist als ein durch den ersten Hauptkanal (140) strömender Anteil (124) des sauerstoffhaltigen Gasgemisches (110). einem zweiten Eingangskanal (520); einem zweiten Hauptkanal (540) und einem zweiten Nebenkanal (530), die durch eine zweite Verzweigung (550) mit dem zweiten Eingangskanal (520) verbunden sind, wobei die zweite Verzweigung (550) derart ausgebildet ist, dass ohne eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 50% des durch den zweiten Eingangskanal (520) einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches in den zweiten Hauptkanal (540) strömt; und einer zweiten Magnetfeld erzeugenden Einrichtung (560), die ausgebildet ist, ein zweites Magnetfeld zu erzeugen, und die derart an einem der zweiten Kanäle (520, 530) angeordnet ist, dass 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; wobei die Magnetfeld erzeugende Einrichtung (160) und die zweite Magnetfeld erzeugende Einrichtung (560) durch eine einzige Magnetfeld erzeugende Einrichtung (160) gebildet werden, die ausgebildet ist, das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld zu erzeugen.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Magnetfeld erzeugende Einrichtung (160) zu mehr als 50% an den Eingangskanälen (120, 520) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung zum Anreichern gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Nebenkanäle (130, 530) einen geringeren Querschnitt als die Hauptkanäle (140, 540) aufweisen.
  4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine Höhe der Nebenkanäle (130, 530) gleich der Höhe der Hauptkanäle (140, 540) ist, eine Breite der Nebenkanäle (130, 530) jedoch geringer als eine Breite der Hauptkanäle (140, 540) ist.
  5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Magnetfeld erzeugende Einrichtung (160) ein Permanentmagnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Permanentmagnet eine hohe Koerzitivfeldstärke und/oder ein hohes Energieprodukt aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der der Permanentmagnet die Materialien Kobalt und Platin aufweist.
  8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Magnetfeld erzeugende Einrichtung (160) ausgebildet ist, das erste und zweite Magnetfeld elektrodynamisch zu erzeugen, und eine Steuerung des Sauerstoffanteils des durch die Nebenkanäle (130, 530) strömenden Gasgemisches in Abhängigkeit von einem für die elektrodynamische Erzeugung notwendigen Stromfluss ermöglicht.
  9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Eingangskanäle (120, 520), die Hauptkanäle (140, 540) und/oder die Nebenkanäle (130, 530) eine Kanalbreite in einem Bereich von 5 μm bis 200 μm und vorzugsweise in einem Bereich von 5 μm bis 100 μm aufweisen.
  10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Eingangskanäle (120, 520), die Hauptkanäle (140, 540) und/oder die Nebenkanäle (130, 530) eine Kanalhöhe in einem Bereich von 10 μm bis 1.000 μm und vorzugsweise in einem Bereich von 20 μm bis 500 μm aufweisen.
  11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, die eine planare Struktur aufweist, die wiederum eine Trägerschicht (104) und eine kanalbildende Schicht (102) aufweist.
  12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Ausgänge der Nebenkanäle (130, 530) in einer anderen Ebene als Ausgänge der Hauptkanäle (140, 540) angeordnet sind.
  13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, die bezüglich ihrer Außenabmessungen eine Länge in einem Bereich von 0,5 mm bis 2 mm, eine Breite in einem Bereich von 0,25 mm bis 1,5 mm und eine Höhe in einem Bereich von 0,5 mm bis 3 mm aufweist.
  14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Magnetfeld erzeugende Einrichtung (160) ausgebildet ist, in dem jeweiligen Kanal (120, 130, 520, 530) ein einseitig inhomogenes Magnetfeld zu erzeugen.
  15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Verzweigungen (150, 550) derart ausgewählt sind, dass ohne eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 60% des durch die Eingangskanäle (120, 520) einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches in die Hauptkanäle (140, 540) strömt.
  16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der der erste Eingangskanal (120) und der zweite Eingangskanal (520) durch eine gemeinsame Verzweigung (572) verbunden sind.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der der erste Nebenkanal (130) und der zweite Nebenkanal (530) miteinander verbunden sind.
  18. System zum Anreichern oder Anreichern von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, bei dem mindestens zwei Vorrichtungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 in Reihe angeordnet sind und die Nebenkanäle der ersten Vorrichtung mit den Eingangskanälen der zweiten Vorrichtung verbunden sind.
  19. Verfahren zum Anreichern oder Abreichern von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch mit folgenden Schritten: Zuführen des sauerstoffhaltigen Gasgemisches in einen ersten Eingangskanal (120) und einen zweiten Eingangskanal (520); Erzeugen eines Magnetfeldes; Trennen des sauerstoffhaltigen Gasgemischs durch eine erste Verzweigung (150), die den ersten Eingangskanal (120) mit einem ersten Hauptkanal (140) und einem ersten Nebenkanal (130) verbindet, wobei die erste Verzweigung (150) derart ausgebildet ist, dass ohne eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 50% des durch den ersten Eingangskanal (120) einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches in den ersten Hauptkanal (140) strömt, und wobei das Magnetfeld derart erzeugt wird, dass ein durch den ersten Nebenkanal (130) strömender Anteil des sauerstoffhaltigen Gasgemisches einen höheren Sauerstoffanteil aufweist als ein durch den ersten Hauptkanal (140) strömender Anteil des sauerstoffhaltigen Gasgemisches; und Trennen des sauerstoffhaltigen Gasgemischs durch eine zweite Verzweigung (550), die den zweiten Eingangskanal (520) mit einem zweiten Hauptkanal (540) und einem zweiten Nebenkanal (530) verbindet, wobei die zweite Verzweigung (550) derart ausgebildet ist, dass ohne eine Magnetfeldeinwirkung mehr als 50% des durch den zweiten Eingangskanal (520) einströmenden sauerstoffhaltigen Gasgemisches in den zweiten Hauptkanal (540) strömt, und wobei das Magnetfeld derart erzeugt wird, dass 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, wobei das Magnetfeld für beide Trennschritte durch eine einzige Magnetfeld erzeugende Einrichtung (160) erzeugt wird.
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