DE19641737A1 - Vorrichtung zur Levitation von nicht magnetischen Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina ge­ mäß Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise An­ spruchs 8.

Verfahren und Vorrichtungen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Es werden beispielsweise Meßson­ den und aktive Elektroden, die mit einer aufwendi­ gen Regelung Festkörper in der Schwebe halten kön­ nen, eingesetzt. Die Inhomogenitäten der verwende­ ten elektrischen und magnetischen Felder können zu Störungen in dem Medium führen, das in der Schwebe gehalten werden soll. Die eingesetzten elektrischen Systeme zeigen außerdem eine unvermeidbare Drift der Nullpunktslage, so daß die Levitation bei­ spielsweise von Festkörpervolumina sehr aufwendig ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zur Levitation von derarti­ gen Volumina zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß eine magnetische Flüssigkeit in einem umschlossenen Raum einem Magnetfeld unterwor­ fen wird, das so ausgebildet ist, daß im Inneren des Raumes mindestens ein freischwebender Freiraum gebildet wird. Mit freischwebend soll hier ausge­ drückt werden, daß der Freiraum allein durch die magnetische Flüssigkeit in einer bestimmten Posi­ tion gehalten wird und daß keine weiteren Hilfsmit­ tel eingesetzt werden müssen, das in dem Freiraum eingeschlossene Festkörper-, Gas- und/oder Flüssig­ keitsvolumen zu stabilisieren. Der Freiraum wird dabei in einer vorbestimmten Position gehalten und in diese zurückgeführt, falls er aufgrund äußerer Einflüsse verlagert wird. Wesentlich ist dabei, daß das im Freiraum vorhandene Volumen nichtmagnetisch ist, daher von der magnetischen Flüssigkeit in einen Bereich verdrängt wird, in dem die Summe der magnetischen Kräfte Null wird.

Bevorzugt wird eine Vorrichtung, die sich dadurch auszeichnet, daß der umschlossene Raum durch einen Körper gebildet wird, der eine gerade Seitenzahl aufweist. Besonders bevorzugt wird ein Würfel. An den Seiten und/oder Ecken des Körpers sind Magnete angeordnet, die die magnetische Flüssigkeit anzie­ hen und damit den Freiraum ausbilden. Besonders be­ vorzugt wird eine Ausgestaltung der Vorrichtung, bei der der umschlossene Raum einen Würfel dar­ stellt, an dessen acht Ecken Magnete vorgesehen sind. Diese bilden ein symmetrisches Magnetfeld aus.

Bevorzugt wird weiterhin eine Vorrichtung, bei der die Magnete als Permanentmagnete ausgebildet und daher besonders preiswert realisierbar sind.

Bevorzugt wird weiterhin eine Ausführungsform der Vorrichtung, die sich dadurch auszeichnet, daß der Freiraum innerhalb der magnetischen Flüssigkeit die Wandung des umschlossenen Raumes nicht berührt. Da­ mit wird sichergestellt, daß der Freiraum von der Wandung in keiner Weise beeinflußt wird, so daß die Vorrichtung beispielsweise für die Kristallzüchtung einsetzbar ist, wobei hier ein von äußeren mechani­ schen Einflüssen unbeeinträchtigtes Kristallwachs­ tum angeregt werden kann.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den übri­ gen Unteransprüchen.

Zur Lösung der genannten Aufgabe wird außerdem ein Verfahren mit den in Anspruch 8 aufgeführten Merk­ malen vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, daß ein Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvo­ lumen auf besonders einfache Weise in der Schwebe gehalten werden kann. Dazu wird eine magnetische Flüssigkeit in einem umschlossenen Raum einem Ma­ gnetfeld ausgesetzt, so daß sich im Inneren des Raumes mindestens ein freischwebender Freiraum bil­ det, der dadurch entsteht, daß die magnetische Flüssigkeit angezogen wird, wodurch das nichtmagne­ tische Volumen von der magnetischen Flüssigkeit verdrängt wird. Durch das Magnetfeld wird der Freiraum in einer bestimmten Position gehalten und bei einer Verlagerung des Freiraumes in diese zu­ rückgeführt.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Vorrichtung der hier angesprochenen Art als Be­ schleunigungssensor. Dazu wird eine Einrichtung zur Erfassung der Position des Freiraumes vorgesehen, der, wie gesagt, durch Magnete in einer bestimmten Stellung gehalten wird. Verlagert sich der Freiraum aufgrund einer Beschleunigung der Vorrichtung, so wird dies von der Einrichtung zur Erfassung der Po­ sition des Freiraumes erfaßt. Die Größe der Auslen­ kung des Freiraumes wird zur Bestimmung der Be­ schleunigung herangezogen. Es ist möglich, die Be­ schleunigung in verschiedenen Richtungen vorzugs­ weise gleichzeitig zu erfassen.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zur wandlosen Kristall­ züchtung. Es ist also möglich, Kristalle mit Hilfe dieser Vorrichtung zu züchten, ohne daß die Berüh­ rung der wachsenden Kristalle mit einer Wand das Kristallwachstum beeinflussen könnte.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zur wandlosen Kristall­ züchtung. Dazu wird in dem Freiraum eine Flüssig­ keit, vorzugsweise eine gesättigte Lösung des zu kristallisierenden Stoffes, eingebracht. Durch zu­ sätzlich in dem Freiraum angebrachte Additive oder durch eine gezielte Beeinflussung der Temperatur der in dem Freiraum eingeschlossenen Flüssigkeit kann der Ausfall von Kristallen beziehungsweise de­ ren Wachstum angeregt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Levitation nichtmagnetischer Volumina;

Fig. 2 eine Prinzipskizze für zwei Möglichkeiten der Anordnung von Magneten an einem wür­ felförmigen Raum;

Fig. 3 eine Prinzipskizze einer weiteren Mög­ lichkeit der Anordnung von Magneten an einem würfelförmigen Raum und

Fig. 4 eine räumliche Darstellung eines schwe­ benden Freiraumes.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 umfaßt einen umschlossenen Raum 3, der hier als Würfel mit gleichen Seitenkanten ausgebildet ist. Fig. 1 zeigt hier die Draufsicht auf eine der quadrati­ schen Seitenkanten.

An den Ecken des Würfels beziehungsweise Raumes 3 sind Magnete 5, 7, 9 und 11 angeordnet, die hier als Permanentmagnete ausgebildet sind. Es wird je­ doch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an allen acht Ecken des Raumes 3 derartige Magnete vorgese­ hen sind.

In dem Raum 3 ist eine magnetische Flüssigkeit 13 eingeschlossen, die hier punktiert dargestellt ist. Durch die Einwirkung der Magnete wird die magneti­ sche Flüssigkeit so angezogen, daß sich im Inneren des Raumes 3 ein freischwebender Freiraum 15 bil­ det, in dem sich keine magnetische Flüssigkeit 13 befindet. In diesem Freiraum kann sich ein Festkör­ per-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumen befinden.

Durch die Magnete wird der Freiraum an einer vorbe­ stimmten Position gehalten. Bei einer Verlagerung des Freiraumes durch äußere Einflüsse, beispiels­ weise durch eine Beschleunigung des Raumes 3, wird der Freiraum in seine vorbestimmte Ausgangslage zu­ rückgeführt.

Sofern eine Betrachtung des Inneren des Raumes 3 vorgesehen ist, wird dessen Wandung 17 aus einem lichtdurchlässigen Material hergestellt. Der Raum 3 wird hier von einem Gehäuse 19 umgeben, das aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise aus Alu­ minium besteht und an dem die Magnete 5, 7, 9 und 11 sowie die übrigen hier nicht sichtbaren Magnete auf geeignete Weise befestigt sind.

Anstelle der hier angedeuteten Permanentmagnete können auch stromdurchflossene Spulen eingesetzt werden, die ein Magnetfeld ausbilden, welches, wie die hier dargestellten Magnete, die magnetische Flüssigkeit, die auch als Ferrofluid bezeichnet wird, anziehen, und somit einen Freiraum 15 entste­ hen lassen.

Besonders bevorzugt wird jedoch der Einsatz von Permanentmagneten, da auf diese Weise eine soge­ nannte Nullpunktdrift vermieden wird, die bei­ spielsweise darauf beruhen kann, daß sich die Tem­ peratur des stromdurchflossenen Drahts und damit dessen Widerstand ändert, was zu einer Veränderung des Magnetfeldes führt. Eine derartige Änderung würde die Verlagerung des Freiraumes bewirken, die in manchen Anwendungsfällen unerwünscht ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiel sind an zwei gegenüberliegenden Außenwänden des Raumes 3, hier an der Oberseite 21 und an der Unterseite 23, Einrichtungen vorgesehen, mit der die Temperatur innerhalb des Raumes beziehungsweise die der magnetischen Flüssigkeit 13 beeinflußbar ist. Beispielhaft sind hier Peltier-Elemente 25 und 27 vorgesehen, mit deren Hilfe eine Kühlung oder Heizung des Raumes beziehungsweise der Flüssigkeit möglich ist.

Fig. 2 zeigt in einer ersten Prinzipskizze zwei Möglichkeiten der Anordnung von Magneten an einem würfelförmigen Raum. Links in Fig. 2 sind überein­ ander zwei Würfel perspektivisch dargestellt. Durch Pfeile ist angedeutet, daß bei dem oberen Würfel an den sechs Seitenflächen Magnete mit paarweise ent­ gegengesetzter Polung angeordnet sind. In der unte­ ren Darstellung sind an einem Würfel acht Magnete mit paarweise entgegengesetzter Polung durch Pfeile angedeutet. Bei einer derartigen Anordnung von sechs beziehungsweise acht Magneten an einem wür­ felförmigen Raum 3 stellt sich innerhalb des Wür­ fels ein Magnetfeld ein, das sich aus der rechten Darstellung in Fig. 2 ergibt. Dort sind die Feld­ beziehungsweise Isolinien des Levitationspotentials H² in der z-/x-Ebene eingezeichnet. Die Orientie­ rung der x-, y- und z-Achsen ist in den Würfeldar­ stellungen links in Fig. 2 wiedergegeben. Die Ach­ sen schneiden die Seitenflächen des Würfels senk­ recht in ihren Mittelpunkten.

Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze einer weiteren Möglichkeit der Anordnung von acht Magneten an ei­ nem links in Fig. 3 dargestellten Würfel, die eine paarweise parallele Polung aufweisen. Im Inneren des würfelförmigen Raumes 3 stellt sich wiederum ein magnetisches Potential ein, dessen Feld- bezie­ hungsweise Isolinien in der z-/x-Ebene rechts in Fig. 3 dargestellt sind. Auch hier schneiden die x-, y- und z-Achsen die Seitenflächen des würfel­ förmigen Raumes 3 jeweils senkrecht in ihren Mit­ telpunkten.

Fig. 4 zeigt schließlich einen innerhalb einer ma­ gnetischen Flüssigkeit schwebenden Freiraum, der sich bei einer Anordnung von acht Magneten gemäß Fig. 3 ergibt, also bei acht paarweise parallel gepolten Magneten, die jeweils an den Ecken eines würfelförmigen Raumes 3 angeordnet sind. In Fig. 4 ist erkennbar, daß innerhalb des würfelförmigen Raumes 3 ein freischwebender Freiraum 15 gebildet ist, der vollständig von der magnetischen Flüssig­ keit 13 umgeben ist. Durch eine entsprechende Wahl des magnetischen Potentials kann der Freiraum 15 so ausgebildet werden, daß sich senkrecht zu den Mit­ telpunkten der Seitenflächen verlaufende, frei­ schwebende Kanäle 29 ergeben, über die der Freiraum 15 von außen zugänglich ist, sofern in den Seiten­ wänden des würfelförmigen Raumes 3 entsprechende Öffnungen vorgesehen sind. Der innere Bereich des Freiraumes schwebt frei innerhalb des Raumes 3, ohne die Seitenwände des Würfels zu berühren.

Durch die entsprechende Festlegung des magnetischen Feldes, beispielsweise durch eine Veränderung der Position der Magnete 5, 7, 9 und 11 im Bereich der Ecken des Raumes 3 können die Kanäle 29 quasi ver­ schoben werden und dadurch auch die Position des Freiraumes 15. Dadurch kann erreicht werden, daß möglicherweise auch nur zwei oder einer der Kanäle die Wandung des Würfels berührt. Denkbar ist es nach dem oben Gesagten auch, die magnetischen Kräfte so zu wählen, daß der Freiraum die Wandung des Raumes 3 nicht berührt. Die Größe des Freirau­ mes kann durch einen unterschiedlichen Füllungsgrad des Raumes 3 mit magnetischer Flüssigkeit 13 be­ stimmt werden.

Zur Funktion der anhand der Figuren erläuterten Vorrichtung und zur Durchführung des Verfahrens zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörper-, Gas­ und/oder Flüssigkeitsvolumina ist Folgendes festzu­ halten:

Der Raum 3 wird so weit mit einer magnetischen Flüssigkeit 13 gefüllt, daß dieser nicht vollstän­ dig ausgefüllt ist. Durch die Anbringung von Magne­ ten 5, 7, 9 und 11 an den Ecken des würfelförmigen Raumes 3 werden in das Innere des Raumes magneti­ sche Kräfte eingeleitet. Die Magnete können, wie anhand von Fig. 2 erläutert, paarweise entgegenge­ setzt gepolt oder, wie anhand von Fig. 3 erläu­ tert, paarweise parallel gepolt sein. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vor­ richtung ist die paarweise parallele Polung der Ma­ gnete gewählt.

Durch die magnetischen Kräfte wird die magnetische Flüssigkeit 13 angezogen, so daß sich im Inneren des Raumes 3 quasi eine Blase beziehungsweise ein Freiraum bildet, in dem Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina vorhanden sein können. Die Vo­ lumina werden von der magnetischen Flüssigkeit 13 im Inneren des Raumes 3 gehalten, so daß diese praktisch frei schwebend sind. Bei einer Verlage­ rung des Freiraumes 15 durch eine Beschleunigung des Raumes 13 erfolgt durch die magnetischen Kräfte eine Rückverlagerung der Blase beziehungsweise des Freiraumes. Wird der Freiraum klein genug gewählt, kann dieser die Wände des würfelförmigen Raumes 3 nicht berühren, so daß das von der magnetischen Flüssigkeit 13 eingeschlossene Volumen frei von me­ chanischen Kräften der Seitenwände gehalten wird.

Aufgrund der hier gegebenen Kräfte kann die Vor­ richtung 1 als Beschleunigungssensor verwendet wer­ den. Dazu ist es erforderlich, im Zusammenhang mit dem Raum 3 eine Vorrichtung zur Erfassung der Posi­ tion des Freiraumes 15 zu verwenden, beispielsweise entsprechende Sensoren einzusetzen. Diese können vorzugsweise gleichzeitig die Position des Freirau­ mes bezüglich der drei Raumachsen ermitteln. Wird durch Beschleunigung der Vorrichtung 1 der Freiraum 15 verlagert, kann die Verlagerung mit Hilfe der Einrichtung beziehungsweise der Sensoren erfaßt werden. Aus der Größe der Verlagerung kann in Kenntnis der magnetischen Rückstellkräfte die Be­ schleunigung der Vorrichtung 1 bestimmt werden.

Es ist darüber hinaus möglich, die Vorrichtung und das Verfahren zur wandlosen Kristallzüchtung einzu­ setzen, da, wie gesagt, der Freiraum 15 ohne unmit­ telbare mechanische Einwirkung der Seitenwände freischwebend gehalten wird. Zur Kristallzüchtung wird beispielsweise eine gesättigte Flüssigkeit in den Freiraum 15 eingebracht. Dies kann über die Kanäle 29 erfolgen. Durch eine Steuerung der Tempe­ ratur der im Freiraum vorhandenen Flüssigkeit mit Hilfe der Peltier-Elemente 25 und 27 kann ein Aus­ fallen und ein Wachstum von Kristallen angeregt werden. Es ist auch möglich, über die Kanäle 29 entsprechende Zusatzstoffe in den Freiraum 15 ein­ zubringen.

Die Kontrolle des Kristallwachstums kann durch ge­ eignete Mittel, beispielsweise durch Ultraschall oder Röntgenstrahlung erfolgen.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina, gekennzeichnet durch einen magnetische Flüssigkeit (13) enthaltenden, umschlossenen Raum (3), dem Ma­ gnete (5, 7, 9, 11) so zugeordnet sind, daß im Inneren des Raumes mindestens ein freischwebender Freiraum (15) gebildet wird, der das Festkörper-, Gas- und/ oder Flüssigkeitsvolumen enthält und nicht von der magnetischen Flüssigkeit (13) gefüllt ist und der in einer vorbestimmten Position gehalten und bei einer Verlagerung des Freiraumes (15) in diese zu­ rückgeführt wird.

2. Vorrichtung zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der umschlossene Raum (3) durch einen Körper mit einer geraden Seitenanzahl, vorzugsweise durch einen Wür­ fel gebildet wird, an dessen Ecken und/oder Seiten, Magnete (5, 7, 9, 11) angeordnet sind, wobei vorzugs­ weise an allen acht Ecken Magnete vorgesehen sind.

3. Vorrichtung zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnete (5, 7, 9, 11) Permanentmagnete und/oder strom­ durchflossene Spulen verwendet werden.

4. Vorrichtung zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Freiraum (15) die Wandung des um­ schlossenen Raumes (3) nicht berührt.

5. Vorrichtung zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Freiraum (15) die Wandung (17) des um­ schlossenen Raumes (3) an mindestens einer defi­ nierten Stelle berührt.

6. Vorrichtung zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (17) des Raumes (3) an mindestens einer Be­ rührungsstelle des Freiraumes (15) mit einer vor­ zugsweise verschließbaren Öffnung versehen ist, über den der Freiraum zugänglich ist.

7. Vorrichtung zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem umschlossenen Raum (3) eine vorzugsweise Peltier- Elemente (25, 27) umfassende Heiz- und/oder Kühlein­ richtung zugeordnet ist.

8. Verfahren zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch folgende Schritte:

• - ein mit einer magnetischen Flüssigkeit (13) ge­ füllter Raum wird einem Magnetfeld ausgesetzt, so daß sich im Inneren des Raumes (3) mindestens ein freischwebender Freiraum (15) bildet, der nicht von der magnetischen Flüssigkeit (13) ausgefüllt ist,
• - das Magnetfeld wird so gewählt, daß der Freiraum (15) in einer vorbestimmten Position gehalten und bei einer Verlagerung des Freiraumes (15) in diese zurückgeführt wird.

9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 7 als Beschleunigungssensor, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung zur Erfassung der Position des Freiraumes (15).

10. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung Senso­ ren umfaßt, die die Position des Freiraumes (15) in drei Raumachsen - vorzugsweise gleichzeitig - bestim­ men.

11. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 7 zur wandlosen Kristallzüchtung, da­ durch gekennzeichnet, daß in den Freiraum (15) eine Flüssigkeit eingeschlossen ist, aus der Kristalle ausfallen.

12. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 8 zur wandlosen Kristallzüchtung, dadurch gekennzeichnet, daß in den Freiraum (15) eine Flüssigkeit einge­ bracht ist, in die Zusatzstoffe eingeleitet werden, so daß durch die Konzentration der Zusatzstoffe das Kristallwachstum angeregt wird.

13. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kristallwachstum durch die Einstellung einer bestimmten Temperatur im Freiraum (15) beeinflußt und gesteuert wird.