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Die Erfindung betrifft eine Gastrennvorrichtung mit einer Gastrennschicht, einem ersten Gasvolumen und einem zweiten Gasvolumen, wobei die Gastrennschicht zwischen dem ersten Gasvolumen und dem zweiten Gasvolumen angeordnet ist, wobei die Gastrennschicht wenigstens einen Durchbruch aufweist, der das erste Gasvolumen mit dem zweiten Gasvolumen verbindet, wobei der Durchbruch von dem ersten Gasvolumen zum zweiten Gasvolumen hin verjüngend ausgebildet und dimensioniert ist, eine Komponente des zweiten Gasvolumens in dem ersten Gasvolumen anzureichern.
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Aus der
DE 10 2005 055 675 B3 ist eine Detektorvorrichtung zum Erfassen des Vorliegens eines Gases bekannt. Die Detektorvorrichtung umfasst eine Kapillareinrichtung mit einer oder mehreren Kapillaren, die eine erste Seite der Kapillareinrichtung mit einer zweiten Seite der Kapillareinrichtung verbinden. Die Kapillaren sind von der ersten Seite zur zweiten Seite hin abschnittsweise verjüngt ausgebildet, wobei der minimale Querschnitt der Kapillaren kleiner ist als die mittlere freie Weglänge des vorbestimmten Gases bei den vorgesehenen Bedingungen. Durch diese Ausgestaltung kann eine Gaskomponente eines an der zweiten Seite anliegenden Gasgemisches auf der ersten Seite hin angereichert werden. Jedoch ist neben einer aufwendigen Fertigung der Kapillaren durch den engen röhrenförmigen Aufbau der Kapillaren der Durchsatz der Gaskomponente durch die Kapillaren begrenzt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Gastrennvorrichtung bereitzustellen, die insbesondere einen erhöhen Durchsatz aufweist und einfacher herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gastrennvorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gastrennvorrichtung gemäß Anspruch 15 und Anspruch 17 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine Gastrennvorrichtung mit einer Gastrennschicht, einem ersten Gasvolumen und einem zweiten Gasvolumen vorgeschlagen, wobei die Gastrennschicht zwischen dem ersten Gasvolumen und dem zweiten Gasvolumen angeordnet ist. Dabei sind die Gasvolumina über die Gastrennschicht miteinander verbunden. Die Gastrennschicht weist wenigstens einen Durchbruch auf. Der Durchbruch verbindet das erste Gasvolumen mit dem zweiten Gasvolumen und ist verjüngend von dem ersten Gasvolumen zum zweiten Gasvolumen ausgebildet und dimensioniert, eine Komponente des zweiten Gasvolumens in dem ersten Gasvolumen anzureichern. Ferner ist der Durchbruch als länglich ausgebildete Öffnung in der Gastrennschicht ausgeführt und/oder weist eine Gasreflexionsschicht an einer Oberfläche des Durchbruchs auf. Ferner weist der Durchbruch eine Minimalöffnungsbreite von im Wesentlichen dem einfachen bis zwanzigfachen der mittleren freien Weglänge der anzureichenden Komponente des zweiten Gasvolumens auf.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht eine erhöhte Anreicherungsgeschwindigkeit (bzw. ein erhöhter Durchsatz) der Komponente des zweiten Gasvolumens im ersten Gasvolumen. Ferner ist der Durchbruch gegenüber einer Kapillare, die üblicherweise als langer, dünner Kanal röhrenförmig ausgeführt ist, erheblich leichter herzustellen. Des Weiteren kann durch die zusätzliche oder alternative Gasreflexionsschicht der Verschleiß der Gastrennschicht gegenüber unterschiedlichen Gasgemischen reduziert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Durchbruch einen V-förmigen Querschnitt auf, dessen Öffnungswinkel im Wesentlichen 0,01° bis 10°, insbesondere im Wesentlichen 0,7°, beträgt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine zuverlässige Rückreflexion von Gasatomen bzw. Gasmolekülen des ersten Gasvolumens, die die Gastrennschicht nicht passieren sollen, so dass ein Übertritt von Atomen bzw. Molekülen des ersten Gasvolumens zum zweiten Gasvolumen zuverlässig vermieden wird.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Gastrennschicht ein erstes plattenartig ausgebildetes Trennelement und ein zweites plattenartig ausgebildetes Trennelement auf, wobei das erste Trennelement gegenüberliegend zu dem zweiten Trennelement in einem spitzen Winkel angeordnet ist und wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Trennelement der Durchbruch angeordnet ist. Dies gewährleistet eine kostengünstige Ausgestaltung der Gastrennschicht.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Gastrennschicht wenigstens zwei dreieckförmig ausgebildete Trennelemente und wenigstens einen Verbinder auf, wobei die Trennelemente der Gastrennschicht an dem Verbinder befestigt sind. Zwischen den beiden Trennelementen ist der Durchbruch angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine zuverlässige Festlegung des Öffnungswinkels des Durchbruchs durch die Ausgestaltung der dreieckförmigen Trennelemente. Ferner gewährleistet der Verbinder zuverlässig den vorbestimmten und auf die anzureichernde Komponente des zweiten Gasvolumens abgestimmten Abstand zwischen den beiden Trennelementen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Verbinder der Trennelemente einstellbar ausgebildet, um einen Abstand der Trennelemente zueinander zu variieren. Diese Ausgestaltungsmöglichkeit ermöglicht die Anpassung der Gastrennschicht an unterschiedliche anzureichernde Komponenten bzw. unterschiedliche Gasgemische der Gasvolumina, wobei die Minimalöffnungsbreite des Durchbruchs an die mittlere freie Weglänge der anzureichernden Komponente anpassbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Trennelemente trommelartig angeordnet. Dabei ist ein Innenraum der trommelartigen Anordnung der Trennelemente mit dem zweiten Gasvolumen und wenigstens ein Teil eines Außenraums um die trommelartige Anordnung der Trennelemente mit dem ersten Gasvolumen verbunden. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine bauraumoptimierte Variante der Gastrennvorrichtung.
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In einer weiteren Ausführungsform weisen das erste und das zweite Trennelement der Gastrennschicht eine strukturierte Oberfläche und wenigstens einen gemeinsamen Strukturpunkt auf. Die strukturierten Oberflächen der beiden Trennelemente sind dabei derart ausgebildet, dass der Strukturpunkt die Minimalöffnungsbreite des Durchbruchs zwischen den Trennelementen festlegt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfache Abstandsfestlegung der Trennelemente der Gastrennschicht zueinander.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Länge des Durchbruchs wenigstens das Zehnfache der Minimalöffnungsbreite des Durchbruchs der Gastrennschicht. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen besonders hohen Durchsatz der Komponente des zweiten Gasvolumens hin zum ersten Gasvolumen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Gasreflexionsschicht der Gastrennschicht eine Rauigkeit Rz von 0,3 bis 10-fache mittlere freie Weglänge auf. Diese Rauigkeit verstärkt zusätzlich eine zuverlässige Anreicherung der Komponente des zweiten Gasvolumens im ersten Gasvolumen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Welligkeit der Gasreflexionsschicht der Gastrennschicht kleiner als die Minimalöffnungsbreite des Durchbruchs der Gastrennschicht. Auf diese Weise wird eine Überschreitung der Minimalöffnungsbreite der Gastrennschicht vermieden, so dass die beiden Gasvolumina zuverlässig voneinander getrennt sind und die Anreicherung der Komponente des zweiten Gasvolumens im ersten Gasvolumen gewährleistet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Gastrennschicht eine Heiz- oder Kühleinrichtung auf, die ausgebildet ist, die Gastrennschicht zu erwärmen oder abzukühlen und eine Temperaturdifferenz zu den ersten und/oder den zweiten Gasvolumen bereitzustellen. Diese Ausgestaltung fördert die Anreicherung der Komponente des zweiten Gasvolumens im ersten Gasvolumen.
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Besonders vorteilhaft hierzu ist, wenn die Heiz- oder Kühleinrichtung die Gasreflexionsschicht umfasst. Die Heiz- oder Kühleinrichtung der Gasreflexionsschicht ist hierbei bevorzugterweise als Peltierelement ausgeführt. Als Werkstoff weist die Gasreflexionsschicht einen metallischen, elektrischen stromleitenden und/oder halbleitenden Werkstoff auf. Dabei ist die Gasreflexionsschicht mit einer Stromquelle und/oder einem Steuergerät der Heiz- oder Kühleinrichtung verbunden, um so zuverlässig die Erwärmung oder Kühlung der Gasreflexionsschicht zu steuern.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Gastrennschicht wenigstens einen der folgenden Werkstoffe auf: Gläser, insbesondere Kalk-Natron-Glas, Quarzglas, Bleiglas, Borosilikatglas, Borophosphatglas, Alumosilikatglas, Fluoridglas, Chalkogenidglas, Metalle, insbesondere Eisen, Aluminium, Kupfer, Zinn, Zink, Magnesium, Nickel, Chrom, Silizium, Kohlenstoff, gummiartige Werkstoffe, insbesondere Silikon, Kautschuk, Latex, Polymere wie Polykarbonate, Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste, Keramiken wie Silikatkeramik, Oxidkeramik, Glaskeramik und Mischkeramik. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine Anpassung der Gasreflexionsschicht an die beiden Gasvolumen bzw. an die Komponente des zweiten Gasvolumens, die im ersten Gasvolumen angereichert werden soll. Insbesondere kann durch die Wahl aus den genannten Werkstoffen eine Reaktion der Gasvolumina mit der Gastrennschicht vermieden werden.
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In einer weiteren Ausführungsform liegt an dem ersten Gasvolumen der Gastrennvorrichtung ein erster Druck und am zweiten Gasvolumen der Gastrennvorrichtung ein zweiter Druck an, wobei der zweite Druck des zweiten Gasvolumens gegenüber dem ersten Druck des ersten Gasvolumens erhöht ist. Auf diese Weise kann die Anreicherung der Komponente des zweiten Gasvolumens im ersten Gasvolumen forciert werden.
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Besonders vorteilhaft kann die Gastrennschicht der oben genannten Gastrennvorrichtung dadurch hergestellt werden, dass mit einem Werkzeug wenigstens ein Durchbruch in einem flexiblen Material eines Grundkörpers eingebracht wird, wobei der Grundkörper anschließend gespannt wird und danach die Reflexionsschicht wenigstens im Bereich des Durchbruchs insbesondere mittels eines Sprühauftrags aufgebracht wird.
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Ferner können Eigenschaften der Gasreflexionsschicht mittels eines Verfahrens verbessert werden, das der Gasreflexionsschicht hydrophobe Eigenschaften, insbesondere einen Lotuseffekt, zuweist.
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Um die trommelförmig ausgebildete Gastrennvorrichtung besonders einfach herzustellen, wird vorgeschlagen, in einen plattenartig ausgebildeten Grundkörper der Gastrennschicht mit einem Werkzeug einen Durchbruch mit der Minimalöffnungsbreite einzubringen. Im Anschluss daran wird der plattenartige Grundkörper der Gastrennschicht gerollt, wobei ein Radius des Rollens den Öffnungswinkel des Durchbruchs der Gastrennschicht bestimmt. Dieses Verfahren ermöglicht beispielsweise den Durchbruch mittels Stanzen oder Laserschneiden kostengünstig in den Grundkörper der Gastrennschicht einzubringen und dem Durchbruch einen gewünschten Öffnungswinkel zuzuweisen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht durch eine Gastrennvorrichtung;
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2 eine perspektivische Darstellung eines Durchbruchs der Gastrennvorrichtung;
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3 eine schematische Ansicht des Durchbruchs im Minimalöffnungsbereich;
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4 und 5 eine trommelartig ausgebildete Gastrennschicht der Gastrennvorrichtung;
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6 eine Abwandlung der in 5 und 6 gezeigten trommelartig ausgebildeten Gastrennschicht der Gastrennvorrichtung;
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7 eine weitere Abwandlung einer trommelartig ausgebildeten Gastrennschicht;
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8 und 9 perspektivische Ansichten der Gastrennschicht mit mehreren Trennelementen und Verbindern;
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10 eine perspektivische Ansicht einer Abwandlung der in 8 und 9 gezeigten Verbinder;
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11 eine Abwandlung der in 10 gezeigten Verbinder.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Gastrennvorrichtung 1. Die Gastrennvorrichtung 1 umfasst einen ersten Behälter 10 mit einem ersten Gasvolumen 14 und einen zweiten Behälter 11 mit einem zweiten Gasvolumen 15. Dabei weist das erste Gasvolumen 14 ein erstes Gasgemisch und das zweite Gasvolumen 15 ein zweites zum ersten Gasgemisch unterschiedliches Gasgemisch auf. Die Behälter 10, 11 weisen jeweils eine Anschlussleitung 12, 13 auf, um die Behälter 10, 11 z. B. mit Messvorrichtungen, weiteren Tanks, Anlagen oder der Umwelt zu verbinden.
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Zwischen dem ersten Behälter 10 und dem zweiten Behälter 15 ist eine erste Gastrennschicht 20 angeordnet, wobei die beiden Gasvolumina 14, 15 in den beiden Behältern 10, 11 miteinander über die erste Gastrennschicht 20 verbunden sind. Dazu weist die erste Gastrennschicht 20 mehrere Durchbrüche 22 auf. Der Durchbruch 22 ist mit einem V-förmigen Querschnitt ausgebildet, wobei in der 1 ein Öffnungswinkel α nicht maßstabsgetreu dargestellt ist.
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Der Durchbruch 22 ist in der Zeichenebene als länglich ausgebildete Öffnung in der ersten Gastrennschicht 20 ausgeführt. Der Durchbruch 22 ist vom ersten Gasvolumen 14 zum zweiten Gasvolumen 15 im zweiten Behälter 11 verjüngend ausgebildet. Der Durchbruch 22 weist an seiner schmalsten Stelle, die auf der zum zweiten Behälter 11 zugewandten Seite der Gastrennschicht 20 angeordnet ist, einen Minimalöffnungsbreite d auf.
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Die erste Gastrennschicht 20 weist einen Grundkörper 19 und eine Gasreflexionsschicht 21 auf, die den Grundkörper 19 der ersten Gastrennschicht 20 an einer Oberfläche 33 des Grundkörpers 19 im Bereich des Durchbruchs 22 bedeckt.
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In 1 ist ein Atom bzw. Molekül einer Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 bzw. des zweiten Gasgemischs symbolisch dargestellt. Ferner ist ein erster Bahnverlauf 300 des Atoms bzw. Moleküls der Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 schematisch aufgezeigt. Ebenso ist ein zweiter Bahnverlauf 310 einer Komponente 31 des ersten Gasvolumens 14 aufgezeigt. Der Bahnverlauf 300, 310 der Komponenten 30, 31 der Gasvolumina 14, 15 ist zufälliger Art und von der Braun'schen Molekularbewegung geprägt. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass resultierend daraus die in den 1 und 2 gezeigten Bahnverläufe 300, 310 beispielhaft sind.
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Trifft die Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 in ihrem ersten Bahnverlauf 300 durch den Durchbruch 22, 50 wird die Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 bei Kontakt mit der Gasreflexionsschicht 21 an dieser reflektiert. Dabei bewirkt die V-förmige und sich verjüngende Ausbildung des Durchbruchs 22, dass die sich von dem zweiten Gasvolumen 15 in Richtung des ersten Gasvolumens 14 bewegende Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 an der Gasreflexionsschicht 21 derart reflektiert wird, dass die Komponente 30 in Richtung des ersten Gasvolumens 14 bzw. in Richtung des ersten Behälters 10 an der Gasreflexionsschicht reflektiert wird. Um den ersten Behälter 10 zu erreichen, können durchaus mehrere Reflexionen der Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 an der Reflexionsschicht 21 des Durchbruchs 22 notwendig sein.
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Die Minimalöffnungsbreite d des Durchbruchs 22 ist auf die Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 abgestimmt, wobei die Minimalöffnungsbreite d im Bereich vom Einfachen bis Zwanzigfachen der mittleren freien Weglänge der Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 liegt. Insbesondere hat sich eine Minimalöffnungsbreite d im Bereich um das Zehnfache der freien Weglänge der Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 als besonders vorteilhaft herausgestellt. Dies hat zur Folge, dass von dem zweiten Behälter 11 nur die Moleküle oder Atome des zweiten Gasvolumens 15 zum ersten Gasvolumen 14 wandern, die eine mittlere freie Weglänge im Bereich von dem Einfachen bis zum 20-fachen der mittleren freien Weglänge aufweisen.
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Die in dem ersten Gasvolumen 14 enthaltene Komponente 31 weist den beispielhaften zweiten Bahnverlauf 310 auf. Dabei tritt das Atom bzw. Molekül der Komponente 31 des ersten Gasvolumens 14 von der Seite des ersten Behälters 10 in den Durchbruch 22 ein. In seinem zweiten Bahnverlauf 310 wird die Komponente 31 des ersten Gasvolumens 14 mehrfach an der Gasreflexionsschicht 21 reflektiert, wobei durch den sich verjüngenden V-förmigen Querschnitt des Durchbruchs 22 über Mehrfachreflexionen an der Gasreflexionsschicht 21 die Komponente 31 des ersten Gasvolumens 14 zurück in den ersten Behälter 10 reflektiert wird. Ein Durchtritt durch den Durchbruch 22 vom ersten Behälter 10 zum zweiten Behälter 11 ist nur dann möglich, wenn die Komponente 31 des ersten Gasvolumens einen Bewegungsverlauf 310 aufweist, der ein berührungsloses Durchtreten durch den Durchbruch 22 ermöglicht. Da dieser zweite Bahnverlauf 310 zufälliger Art und temperaturbedingt ist, ist die Wahrscheinlichkeit eines Durchtritts der Komponente 31 vom ersten Gasvolumen 14 zum zweiten Gasvolumen 15 gering.
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Die Wahrscheinlichkeit, dass die Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 in ihrem ersten Bahnverlauf 300 auf den Durchbruch 22 trifft, ist weitaus größer als die vorher beschriebene Wahrscheinlichkeit zum direkten Durchtritt der Komponente 31 des ersten Gasvolumens 14. Dies hat zur Folge, dass sich die Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 im ersten Gasvolumen 14 anreichert. Die Anreicherungsrichtung ist in der 1 mittels eines Pfeils zusätzlich aufgezeigt.
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Ist die anzureichende Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 im ersten Behälter so unterliegt sie den gleichen Bedingungen wie die Komponente 31 des ersten Gasvolumens 14, sodass der Weg zurück in den zweiten Behälter 11 für die anzureichende Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 im ersten Behälter 1 nahezu, wie auch oben beschrieben für die erste Komponente 30, versperrt ist. Diese Gastrennvorrichtung 1 eignet sich insbesondere zur Extraktion von Edelgasen aus einem Gasgemisch. Als Beispiel ist der Einsatz der Gastrennvorrichtung 1 bei der Extraktion von Helium aus Luft oder Erdgas vorteilhaft. Bei dieser Anwendung ist die vorgeschlagene Ausführungsform technisch einfacher und kostengünstiger als die bisherigen zur Extraktion von Helium aus Luft oder Erdgas bekannten Verfahren und Vorrichtungen.
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Alternativ eignet sich die Gastrennvorrichtung auch in einer Detektoreinrichtung zur Erleichterung der Detektion von vorbestimmten Gasen.
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Auch ist denkbar, die Gastrennvorrichtung 1 zur Reinigung von Abgasen von Kraftwerken oder Kraftfahrzeugen einzusetzen. Dabei kann die Gastrennvorrichtung 1 zur Abscheidung von Kohlendioxid eingesetzt werden. Das abgeschiedene Kohlendioxid kann im Anschluss an die Trennung gespeichert werden. Dabei ist die Gastrennvorrichtung 1 gegenüber den anderen bekannten Techniken, wie etwa verschieden ausgebildeten Wäschern (z. B. Amin- oder Carbonat-Wäschern) energieeffizienter, bauraumgünstiger und einfacher ausgebildet. Auch kann die Gastrennvorrichtung 1 zur Entschwefelung von Rauchgasen verwendet werden, so dass mehrere gegebenenfalls kaskadiert angeordnete Gastrennvorrichtungen 1 zur Abgasaufbereitung von Kraftwerken und/oder Kraftfahrzeugen genutzt werden können.
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Um einen hohen Durchsatz in der Anreicherung der Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 im ersten Gasvolumen 14 zu gewährleisten, weist die V-förmige Öffnung des Durchbruchs 22 einen Öffnungswinkel α von 0,01° bis 10°, insbesondere von 0,7° auf. Durch den geringen Öffnungswinkel α können in der ersten Gastrennschicht 20 zahlreiche Durchbrüche 22 eng aneinanderliegend und parallel verlaufend angeordnet werden. Dies erhöht zusätzlich zur Ausgestaltung des Durchbruchs 22 den Durchsatz.
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Die Gasreflexionsschicht 21 kann in der Ausführungsform als Beschichtung eines Grundkörpers 19 der ersten Gastrennschicht 20 ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Gasreflexionsschicht 21 auch durch ein Oberflächenbehandlungsverfahren an den Grundkörper 19 der ersten Gastrennschicht 20 erzeugt werden. In Abhängigkeit der beiden Gasvolumina 14, 15, insbesondere der Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15, kann die Gasreflexionsschicht 21 wenigstens einen der folgenden Werkstoffe umfassen: Metall, insbesondere Gold, Silber, Kupfer, Chrom, Zinn, Zink, Nickel, eine metallische Struktur umfassend, eine kristalline Struktur umfassend Diamant, Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, Metal/Silizium-Hybrid, Titanitrid, Zinnoxid, Siliziumkarbit, Fett, Wachs, Alkohol mit langen Alkylresten, Alkine, Keramiken, insbesondere Silikatkeramik, Oxidkeramik, Glaskeramik, Mischkeramik, Polymere, insbesondere Thermoplastik, Elastomere, Duroplaste. Dabei eignet sich die Gasreflexionsschicht 21 insbesondere um den Grundkörper 19 der ersten Gastrennschicht 20 vor einem chemischen Verschleiß zu schützen.
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Auch kann durch die Gasreflexionsschicht 21 ein Verengen bzw. ein Verstopfen des Durchbruchs 22 durch Partikel oder Gaskomponenten, insbesondere im Bereich der Minimalöffnungsbreite d des Durchbruchs 22, vermieden werden. Aufgrund der in dem Gasvolumen 14, 15 auch enthaltenen Feuchtigkeit bietet sich insbesondere die Ausbildung der Gasreflexionsschicht 21 mit hydrophoben Eigenschaften, insbesondere einem Lotuseffekt, in vorteilhafter Weise an. Dazu kann beispielsweise die Gasreflexionsschicht 21 als Nanooberflächenbeschichtung und/oder Nanostrukturierung zur Erzielung des Lotuseffekts und/oder Pulverbeschichtung ausgeführt sein.
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Um die Gasreflexionsschicht 21 auf dem Grundkörper 19 der ersten Gastrennschicht 20 aufzubringen, eignet sich insbesondere wenigstens eines der folgenden Herstellungsverfahren: Acetylierung, Acylierung, Carboxylierung, Decarboxylierung, Hydroxylierung, Hydrogelierung, Methylierung, Silylierung, Sulfonierung, Aufbringverfahren von Graphit, Modifizierung mit funktionellen Polymeren, Ausbildung von dendritischen Strukturen, Chromatieren, Sputtern, Eloxieren, Verzinken, Verzinnen, chemisch Nickel, Gasphasenabscheiden, Synthetisieren von Feldern aus Kohlenstoffnanoröhrchen, Dotieren, Pulverbeschichtung. Als besonders vorteilhaft hat sich auch die Silanisierung der Gasreflexionsschicht 21 herausgestellt.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Gasreflexionsschicht 21 auch auf dem Grundkörper 19 der ersten Gastrennschicht 20 durch ein Oberflächenbehandlungsverfahren im Bereich des Durchbruchs 22 hergestellt werden. Vorteilhafter Weise wird in dem Oberflächenbehandlungsverfahren eine Rauigkeit Rz im Bereich von 0,3 bis zum 10-fachen der mittleren freien Weglänge bereitgestellt, so dass die Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 im Durchgang 22 keine Rückreflexion an einer Erhebung in Richtung des zweiten Behälters 11 bzw. des zweiten Gasvolumens 15 erfährt. Insbesondere eignet sich für die Herstellung der Gasreflexionsschicht 21 aus dem Grundkörper 19 der ersten Gastrennschicht 20 wenigstens eines der folgenden Herstellungsverfahren, mit denen die Oberfläche 33 des Durchbruchs 22 nachbehandelt wird: Läppen, Polieren, saures Ätzen, alkalisches Ätzen, Laserintereferenzverfahren. Mittels dieser Herstellungsverfahren kann neben der Rauigkeit Rz der Oberfläche 33 des Grundkörpers 19 auch eine Welligkeit der Oberfläche 33 des Grundkörpers 19 zuverlässig beeinflusst werden, um so ebenso wie bei der Rauigkeit Rz der Oberfläche 19 eine Rückreflexion der Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 zu vermeiden.
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Das Material des Grundkörpers 19 der ersten Gastrennschicht 20 kann je nach Einsatzzweck unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Insbesondere eignet sich für das Material des Grundkörpers 19 der ersten Gastrennschicht 20 wenigstens einer der folgenden Werkstoffe: Gläser, insbesondere Kalk-Natron-Glas, Quarzglas, Bleiglas, Borosilikatglas, Borophosphatglas, Alumosilikatglas, Fluoridglas, Chalkogenidglas, Metalle, insbesondere Eisen, Aluminium, Kupfer, Zinn, Zink, Magnesium, Nickel, Chrom, Silizium, Kohlenstoff, gummiartige Werkstoffe, insbesondere Silikon, Kautschuk, Latex, Polymere wie Polykarbonate, Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste, Keramiken wie Silikatkeramik, Oxidkeramik, Glaskeramik und Mischkeramik. Dabei ist die Wahl des Materials des Grundkörpers 19 auf die in den 3 und 4 näher erläuterte Montage der ersten Gastrennschicht 20 und gegebenenfalls auf die Komponenten der Gasvolumina 14, 15 abzustimmen, um eine chemische Reaktion der Komponenten der Gasvolumina 14, 15 mit dem Material des Grundkörpers 19 zu vermeiden.
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Ist das Material des Grundkörpers 19 der ersten Gastrennschicht 20 aus einem flexiblem Werkstoff, so kann die Gasreflexionsschicht 21 dadurch aufgebracht werden, dass das flexible Material des Grundkörpers 19 mit einem Durchbruch 22 versehen wird und anschließend quer zum Durchbruch 22 gespannt wird. Dadurch wird der Durchbruch 22 elastisch aufgeweitet. Auf den gespannten Grundkörper 19 wird die Gasreflexionsschicht 21 wenigstens im Bereich des Durchbruchs 22 aufgebracht. Insbesondere eignet sich zum Aufbringen der Gasreflexionsschicht 21 ein Sprühauftrag. Nach dem Auftrag der Gasreflexionsschicht 21 wird die Spannung des Grundkörpers 19 wieder gelöst, so dass sich die erste Gastrennschicht 20 in ihren Endzustand entspannt. Dies gewährleistet eine ausreichende und vollständige Beschichtung des Durchbruchs 22 der ersten Gastrennschicht 20. Um ein Abplatzen der Gasreflexionsschicht 21 zu vermeiden, ist die Wahl des Werkstoffs der Gasreflexionsschicht 21 auf den elastischen Werkstoff des Grundkörpers 19 abzustimmen.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Durchbruchs 22 der ersten Gastrennschicht 20. Die erste Gastrennschicht 20 umfasst hierbei ein erstes plattenartig ausgebildetes Trennelement 23 und ein zweites plattenartig ausgebildetes Trennelement 24, wobei die zwei Trennelemente 23, 24 in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind. Der Blickwinkel von 2 ist von dem in 1 gezeigten ersten Behälter auf den Durchbruch 22 gewählt. Ferner ist auch der zweite Bahnverlauf 310 der Komponente 31 des ersten Gasvolumens 14 aufgezeigt.
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Die beiden Trennelemente 23, 24 weisen ebenso die Gasreflexionsschicht 21 auf. Um einen Transport der Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 zum ersten Gasvolumen 14 zu verstärken, weist die Gastrennvorrichtung eine Heizeinrichtung 34 auf. Hierzu ist in 2 die Gasreflexionsschicht 21 aus einem metallischen, einen elektrischen Strom leitenden Werkstoff gefertigt. Die Gasreflexionsschicht 21 ist an ihren Enden mit einem Steuergerät 32 verbunden. Ferner ist das Steuergerät 32 zusätzlich mit einem an der Gasreflexionsschicht 21 angeordneten Temperatursensor 36 verbunden, der dem Steuergerät 32 ein Temperatursignal bereitstellt. Das Steuergerät 32 bestromt die Gasreflexionsschicht 21 in Abhängigkeit des Temperatursignals des Temperatursensors 36, um die Gasreflexionsschicht 21 gegenüber den beiden Gasvolumina 14, 15 zu erwärmen. Diese Erwärmung der Gasreflexionsschicht 21 erhöht den Durchsatz der anzureichernden Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 vom zweiten Gasvolumen 15 zum ersten Gasvolumen 15.
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Alternativ ist denkbar, dass in dem Grundkörper 19 bzw. in den Trennelementen 23, 24 eine Heizspirale als Heizeinrichtunung zur Beheizung der ersten Gastrennschicht 20 integriert ist. Auch ist das Kühlen der Gasreflexionsschicht 20 mittels einer Kühleinrichtung ist denkbar. Insbesondere kann die Heiz- oder Kühleinrichtung 34 als Peltierelement ausgebildet sein. Ferner ist zusätzlich oder alternativ denkbar als Werkstoff der in 2 gezeigten Gastrennschicht einen halbleitenden Werkstoff zu verwenden. Alternativ zum Steuergerät 32 sind auch andere Stromquellen denkbar.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Durchbruchs 22 im Bereich der Minimalöffnungsbreite d des Durchbruchs 22. Dabei sind die beiden Trennelemente 23, 24 gegenüberliegend zueinander angeordnet und nicht maßstabsgetreu dargestellt. Die zueinander zugewandten gezackten Linien sollen eine Rauigkeit Rz der Oberflächen 10 der Trennelemente 23, 24 bzw. eine Rauigkeit Rz der Gasreflexionsschicht 21 darstellen. Der zwischen den Trennelementen 23, 24 angeordnete Durchbruch 22 weist hierbei eine schwankende lokale Mindestöffnungsbreite d auf, die durch die Oberflächen 19 der Trennelemente 23, 24 mit Riefen 1, Höcker oder andere Erhebungen oder Senkungen beeinflusst ist. Die Rauigkeit Rz der Oberflächen 19 der Trennelemente 23, 24 kann gezielt genutzt werden, um die Mindestöffnungsbreite d des Durchbruchs 22 der ersten Gastrennschicht 20 festzulegen. Hierzu sind die Rauigkeiten Rz der Oberflächen 19 der Trennelemente 23, 24 in dem an die der Mindestöffnungsbreite d angepasst. Zum Einstellen der Mindestöffnungsbreite d des Durchbruchs 22 werden die Trennelemente 23, 24 in der Montage schräg stehend aufeinander zu gefahren. Bei Kontakt berühren sich die Oberflächen 19 der Trennelemente 23, 24 in einzelnen Strukturpunkten 35. Zwischen den Strukturpunkten 35 ist der Durchbruch 22 geöffnet, wobei die Strukturpunkte 35 die Minimalöffnungsbreite d festlegen.
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Die Strukturpunkte 35 sind dabei zufällig durch die Beschaffenheit der Oberflächen 19 bestimmt. Die Strukturpunkte 35 werden dabei durch den unterschiedlichen geometrischen Verlauf der beiden Oberflächen 19 bestimmt.
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Je nach Wahl des Werkstoffes der Trennelemente 23, 24 liegen die Trennelemente 23, 24 punktförmig in wenigstens einem Strukturpunkt 35 oder bei weichen Werkstoffen flächig um den Strukturpunkt 35 herum aneinander an. Bei weicheren Werkstoffen, insbesondere beispielsweise bei Kunststoff, Metall, Gummi oder Latex, kann durch einen Andruck der Trennelemente 23, 24 die Mindestöffnungsbreite d des Durchgangs 22 flexibel an die gewünschte Minimalöffnungsbreite d angepasst werden. Insbesondere kann die gewünschte Mindestöffnungsbreite d bereitgestellt werden, wenn eine Rauigkeit Rz im Bereich von 0,3 bis zum 10-fachen der mittleren freien Weglänge gewählt wird. Auch gewährleistet dieser Rauigkeitsbereich eine zuverlässige Reflexion der Komponente 30, 31 des zweiten bzw. des ersten Gasvolumens 14, 15 in Richtung des ersten Behälters 10 und vermeidet so eine Rückreflexion der Komponente 30 in Richtung des zweiten Behälters 11.
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Um eine V-förmige Öffnung des Durchbruchs 22 bereitzustellen werden in der Montage wie oben erläutert die Trennelemente 23, 24 schräg aufeinander zugefahren, bis sich die Trennelemente 23, 24 berühren. Diese Berührung erfolgt im Kontaktbereich der beidem Trennelemente 23, 24, sodass neben der Rauigkeit Rz auch ein Kantenzustand die Minimalöffnungsbreite des d des Durchbruchs 22 beeinflusst. Der Kantenzustand ist in der Ausführungsform kleiner oder gleich der mittleren freien Weglänge sodass ein Ausbruch an dem ersten Trennelement 23 die Mindestöffnungsbreite d nur unwesentlich beeinflusst. Dabei ist die Minimalöffnungsbreite d des Durchbruchs 22 die mittlere freie Weglänge. Weist wenigstens eines der Trennelemente 23, 24 einen verringerten Kantenzustand auf, so erhöhen die Ausbrüche die Minimalöffnungsbreite 5 und reduzieren somit die Wirksamkeit der ersten Gastrennschicht 20.
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Ähnlich zur Rauigkeit Rz verhält sich auch die Welligkeit der Gasreflexionsschicht 21 der ersten Gastrennschicht 20. Bevorzugterweise ist hierbei die Welligkeit kleiner als die Minimalöffnungsbreite d des Durchbruchs 22 der ersten Gastrennschicht 20 an den Oberflächen 19 der Trennelemente 23, 24 zu wählen, um ein Überschreiten einer vorbestimmten Mindestöffnungsbreite d des Durchbruchs 23 zu vermeiden. Analog zur Rauigkeit Rz der Oberflächen 19 der Gastrennschicht 20 der Welligkeit können sich ebenso gemeinsame Strukturpunkte 35 im Bereich der Mindestöffnungsbreite d des Durchbruchs 22 ausbilden, die die Mindestöffnungsbreite d des Durchbruchs festlegen.
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Die Festlegung der Minimalöffnungsbreite d über die Rauigkeit Rz bzw. die Welligkeit der Oberflächen 19 der Trennelemente 23, 24 erleichtert Montage und Einstellbarkeit der Gastrennschicht 20.
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4 und 5 zeigen eine alternative Anordnung der plattenförmigen Trennelemente 23, 24 der Gastrennvorrichtung 1. Dabei sind die plattenförmigen Trennelemente 23, 24 trommelförmig zur Ausbildung einer zweiten Gastrennschicht 40 an einem ringförmigen Verbindungselement 26 angeordnet. Durch die Anordnung der plattenförmigen Trennelemente 23, 24 mit ihren Unterseiten an den ringförmigen Verbindern 26 sind diese zueinander V-förmig ausgerichtet. Dabei kann durch die Variation der Anzahl und der Dicke der plattenförmigen Trennelemente 23, 24 der Öffnungswinkel α zwischen den Trennelementen 23, 24 eingestellt werden.
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In der in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsform ist ein Innenraum 33 der trommelartig ausgebildeten zweiten Gastrennschicht 40 mit dem in 1 gezeigten zweiten Behälter 11 und ein Raum um die trommelförmig angeordneten Trennelemente 23, 24 mit dem ersten Behälter 10 verbunden. Die trommelartige Anordnung der Trennelemente 23, 24 ermöglicht eine bauraumgünstige Ausbildungsform der zweiten Gastrennschicht 40 und kann beispielsweise in einer rohrähnlichen Vorrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter 10, 11 angeordnet werden.
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In 6 ist eine alternative Ausführungsform einer dritten Gastrennschicht 41 der in den 4 und 5 gezeigten trommelartigen Gastrennschicht 40 gezeigt. Diese umfasst ringförmige Trennelemente 25, die mittels balkenartiger Verbinder 27 miteinander verbunden sind. Insbesondere kann ein Abstand bzw. die Minimalöffnungsbreite d zwischen den einzelnen ringförmigen Trennelementen 25 ebenso wie in 3 beschrieben über die Rauigkeit Rz bzw. die Welligkeit der ringförmigen Trennelemente 25 im Bereich der Mindestöffnungsbreite d festgelegt werden. In der in 6 gezeigten Ausführungsform sind die balkenartigen Verbinder 27 quer zu den ringförmigen Trennelementen 25 angeordnet, wobei jeweils ein Verbinder 27 alle Trennelemente 25 verbindet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass der Verbinder 27 nur einzelne der Trennelemente 25 miteinander verbindet. Außerdem sind auch alternative Ausführungsformen des Verbinders 27 denkbar.
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7 zeigt eine trommelförmige vierte Gastrennschicht 43. Diese umfasst einzelne Durchbrüche 22, die als abgesetzte Öffnungen in einem plattenförmigen Grundkörper 28 der vierten Gastrennschicht 43 angeordnet sind. Um eine trommelförmige vierte Gastrennschicht 43 herzustellen, wird der plattenartige Grundkörper 28 der Gastrennschicht 20 mit Durchbrüchen 22 mit der Mindestöffnungsbreite d mittels eines Werkzeugs versehen. Dies kann beispielsweise durch Stanzen, Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden erfolgen. Im Anschluss daran wird der Grundkörper 28 gerollt, wobei ein Radius des Rollens den Öffnungswinkel der Durchbrüche 22 bestimmt. Dabei kann der Innenraum 33 der Gastrennvorrichtung 1, ebenso wie in 4 bis 6 erwähnt, mit dem zweiten Gasvolumen 14 des zweiten Behälters 11 verbunden werden. Der Außenraum um die Gastrennvorrichtung 20 herum ist ebenso mit dem ersten Behälter 10 und dem ersten Gasvolumen 14 verbunden. Selbstverständlich sind nach dem Rollen alle nichtbestimmungsgemäßen Zugänge zum Innenraum 33 hin abzudichten, um eine Bypassströmung zur Umgehung der Durchbrüche 22 zu vermeiden.
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Als Werkstoffe für den plattenartigen Grundkörper 28 der trommelartigen vierten Gastrennschicht 43 eignen sich insbesondere Werkstoffe, die sowohl stanz- und/oder schneidbar als auch rollbar sind. Insbesondere eignen sich sämtliche Metalle und Legierungen daraus, sowie Kunststoffe, Gummi und Latex.
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In 8 bis 11 sind verschiedene Ausführungsformen der Gastrennschicht 20 mit dreiecksförmigen Trennelementen 29 gezeigt.
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Die 8 und 9 zeigen eine fünfte Gastrennschicht 44 mit mehreren dreiecksförmigen Trennelementen 29 auf balkenförmig ausgebildeten Verbindern 27. Dabei sind die dreiecksförmigen Trennelemente 29 mit einer Unterseite 35 an den balkenförmigen Verbindern 27 befestigt, so dass sich zwischen den dreiecksförmigen Trennelementen 29 die Durchbrüche 22 mit einem V-förmigen Querschnitt ausbilden. Dabei können die dreiecksförmigen Trennelemente 29, wie in 3 beschrieben, aneinander angelegt werden, um die Mindestöffnungsbreite d des Durchbruchs 22 festzulegen. Selbstverständlich ist auch denkbar, die Mindestöffnungsbreite d durch ein gezieltes beabstandetes Anordnen der dreiecksförmigen Trennelemente 29 an den Verbindern 27 festzulegen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann für den Verbinder 27 ein temperaturstabiler, einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisender Werkstoff verwendet werden, um die Mindestöffnungsbreite d über einen Temperaturbereich annähernd stabil zu halten. Insbesondere eignen sich hierfür Keramiken als Werkstoff für die Verbinder 27.
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Alternativ zu einem temperaturstabilen Verbinder 27 umfasst der alternative Verbinder 270 in der 9 gezeigten Alternative eine Abstandsverstelleinrichtung 271, die im Bereich der Mindestöffnungsbreite d im alternativen Verbinder 270 angeordnet ist. Ein nicht dargestelltes weiteres Steuergerät ist mit der Abstandsverstelleinrichtung 271 verbunden und ausgelegt, die Abstandsverstelleinrichtung 271 anzusteuern, um den Abstand bzw. die Minimalöffnungsbreite d der dreiecksförmigen Trennelemente 29 zu variieren. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Mindestöffnungsbreite d der Durchbrüche 22 an die mittlere freie Weglänge der Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 anzupassen. Für die Abstandsverstelleinrichtung 271 sind insbesondere Piezoelemente oder elektroaktive Polymere geeignet. Selbstverständlich sind alternativ zu den Piezoelementen auch andere Abstandsverstelleinrichtungen 271 möglich, die den Abstand der Trennelemente 29 zueinander variieren.
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Die 10 und 11 zeigen eine alternative Ausgestaltung der Verbinder 272 einer sechsten Gastrennschicht 45 mit den in 8 und 9 gezeigten dreiecksförmigen Trennelementen 29 in perspektivischer Ansicht. Dabei sind die Verbinder 272 balkenförmig zwischen den Trennelementen 29 angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders flache Bauweise der Gastrennschicht 20. Dabei können die Verbinder 272 aus dem gleichen Material gefertigt sein wie die dreiecksförmigen Trennelemente 29. Die in gezeigte Ausführungsform eignet sich insbesondere um die sechste Gastrennschicht 45 in einem Sinterverfahren herzustellen.
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11 zeigt eine perspektivische Ansicht der in 12 gezeigten Ausführungsform der sechsten Gastrennschicht 45. Dabei sind die Verbinder 272 als Stege ausgeführt, die die gleiche Höhe wie die dreiecksförmigen Trennelemente 29 aufweisen. Der Abstand der Verbinder 272 zueinander entlang eines Trennelements 29 ist wenigstens das Zehnfache der Mindestbreite D des Durchbruchs 22. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass ein ausreichender Durchsatz der Komponente 30 vom zweiten Gasvolumen 15 zum ersten Gasvolumen 14 bei gleichzeitiger Steifigkeit gewährleistet wird. Mit dieser Ausbildungsform kann somit eine zuverlässige Abstützung der dreiecksförmigen Trennelemente gegenüber Vibrationen gewährleistet werden, so dass die Gastrennvorrichtung 20 beispielsweise auch in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist.
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Die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen der Gastrennschicht 20, 40, 41, 43, 44, 45 der Gastrennvorrichtung 1 und deren Komponenten stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen bzw. Kombinationen der beschriebenen Merkmale umfassen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005055675 B3 [0002]
