DE3610295C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Umsetzung von Rohmaterialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umsetzung von Rohmaterialien, die in gasförmigem Zustand vor­ liegen oder die in einen im wesentlichen gasförmigen Masse­ strom umgesetzt werden können. Dabei kann es sich z. B. um eine feine Flüssigkeit oder um feine Feststoffteilchen handeln, die in einem Gas schweben und von diesem Gas transportiert werden. Insbesondere handelt es sich um eine Reaktionsappa­ ratur, die mit einer Laval-Düse also einer konvergieren­ den/divergierenden Düse ausgestattet ist.

Die Laval-Düse (konvergierende/divergierende Düse) soll im folgenden abgekürzt als KD-Düse bezeichnet werden.

Der Begriff "konvervierende/divergierende Düse" bedeutet eine Düse, bei der die Öffnung bzw. der Öffnungsquerschnitt sich von dem Einlaß der Düse nach und nach bis zu einem Zwischen­ teil unter Bildung eines Halses verengt, um sich dann im An­ schluß an den Hals bis zu einem Auslaß nach und nach wieder aufzuweisen. Der Begriff "Reaktion" bzw. "Umsetzung" bedeutet vorliegend nicht nur eine chemische Reaktion, sondern umfaßt auch physikalische Änderungen ohne chemische Reaktion, z. B. Phasenübergänge von Rohstoffen zwischen gasförmiger, flüssi­ ger und fester Phase, die Bildung von Klumpen des Rohstoffs oder die Aktivierung von Rohstoffen.

In der US-PS 4 200 264 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von metallischem Mg oder Ca durch ein Kohlenstoffreduktionsver­ fahren beschrieben.

Die Vorrichtung erzeugt feinpulverisiertes Mg oder Ca durch Erhitzen eines Mg- oder Ca-Oxids und Kohlenstoff, um eine Re­ duktionsreaktion zwischen den Stoffen anzustoßen. Das erhal­ tene Produkt wird in eine divergierende Düse eingeführt, um durch adiabatische Expansion sofort abzukühlen.

Die divergierende Düse in dieser Vorrichtung erreicht eine augenblickliche Abkühlung des Gemisches aus Mg (oder Ca) und CO, damit eine umgekehrte Reaktion zwischen den Stoffen ver­ hindert wird. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Düse das durchströmende Gas durch adiabatische Expansion rasch abkühlt. Die divergierende Düse arbeitet bei Unterex­ pansion und wird lediglich zum Separieren von Mg (oder Ca) und CO eingesetzt.

Mit anderen Worten, wird die divergierende Düse der vorste­ hend erläuterten, bekannten Vorrichtung als Mittel zum Ver­ hindern einer umgekehrten Reaktion der Produkte Mg (oder Ca) und CO und zum Separieren der Produkte vor deren Einführung in Kondensatoren eingesetzt. Diese Vorrichtung wird jedoch nicht als Reaktions-Steuervorrichtung verwendet, um die Pro­ dukte in Form eines einfach zu verarbeitenden strömenden Strahls zu halten.

Die Verwendung einer divergierenden Düse zum raschen Abkühlen auf eine Temperatur, die sich zur Verhinderung einer Reaktion eignet, oder zum Beschleunigen der Produkte auf eine ge­ wünschte Geschwindigkeit, hat jedoch nichts mit dem Zustand der Gasströmung, die die Düse durchläuft, zu tun.

Liegt der Druck im Hals der divergierenden Düse unterhalb des kritischen Drucks, so wird der Gasstrom aus der divergieren­ den Düse verzögert, nach dem Ausstoßen zerstreut und erreicht nicht die Schallgeschwindigkeit. Wenn andererseits der Druck in dem Hals gleich oder größer ist als der kritische Druck, läßt sich als Ausstoßgeschwindigkeit des aus der Düse austre­ tenden Materials die Überschallgeschwindigkeit erreichen, der Strömungszustand nach dem Ausstoßen bestimmt sich jedoch in Abhängigkeit davon, ob der Druck Pj der Gasströmung beim Aus­ stoß in etwa mit dem Druck P auf der stromabwärts gelegenen Seite der divergierenden Düse übereinstimmt. Ein Zustand Pj = P wird als "optimale Expansion" bezeichnet, ein Zustand Pj < P wird als "Unterexpansion" bezeichnet und ein Zustand Pj < P wird als "Überexpansion" bezeichnet. Im Fall der optimalen Expansion strömt das durch die divergierende Düse gelangende Gas entlang der Innenwand am Auslaß der Düse und wird als ein Strom ausgestoßen, der eine gleichmäßige Geschwindigkeitsver­ teilung über dem Querschnitt aufweist. Auf der anderen Seite wird im Fall der Über- und der Unterexpansion der Strom ver­ zögert und zerstreut.

Wie vorstehend erwähnt, wird die divergierende Düse in der bekannten Vorrichtung in einer Weise eingesetzt, die nichts mit der Bildung eines Stroms oder einer Strömung bei optimaler Expansion zu tun hat, so daß der aus der divergierenden Düse ausgestoßene Materialstrom unvermeidlich zerstreut wird. Ist einmal eine solche zerstreute Strömung erzeugt, zerstreuen sich die in feinpulverisiertem Zustand vorliegenden Produkte in der gesamten Auffangkammer, und ein Teil der Produkte kommt mit den Wänden der Apparatur in Berührung und lagert sich dort unter Verlust ihrer Aktivität ab. Dieses Phänomen führt zu verschiedenen Nachteilen, z. B. zu einer verringerten Produktionsausbeute und zu einer Verunreinigung der Reaktionsprodukte mit nichtreagierten Substanzen. Außerdem lassen sich die in einem zerstreuten Strom transportierten Reaktionsprodukte nur schwierig auffangen, so daß auch hierdurch eine geringe Ausbeute bedingt ist. Daneben benötigen gewisse Rohstoffe oder Reaktionsprodukte die Aktivierung durch ein Plasma oder durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl nach dem Durchlauf durch die Düse, und eine solche Aktivierung läßt sich bei einem zerstreuten Strom nur schwierig erreichen, so daß man nur schwierig eine Vorrichtung zur Umsetzung von Rohmaterialien realisieren kann, die für allgemeine Zwecke nutzbar ist.

Aus der US-PS 32 88 696 ist ein Verfahren zur Herstellung von Ruß durch Reaktion bestimmter Stoffe in einer Vorrichtung bekannt. Einem Strom aus feinen Partikeln wird hierzu in der Vorrichtung Energie zugeführt, wobei der Strömungsweg durch eine Art Düsenanordnung läuft, die als "Venturi Sektion" bezeichnet ist. Dieser Druckschrift ist nicht zu entnehmen, ob mit der beschriebenen Vorrichtung ein stabiler Strahl aus Feinpartikel erzeugt werden kann.

Auch die US-PS 41 06 912 betrifft eine Vorrichtung zur Rußherstellung unter Verwendung einer Laval-Düse, wobei sich in der Nähe des Halsabschnitts der Düse, also zwischen dem konvergierenden und dem divergierenden Düsenabschnitt eine Ölzufuhreinrichtung befindet, so daß das Öl radial in den Halsabschnitt eingespritzt wird. Verbrennungsprodukte gelangen über den divergierenden Abschnitt der Laval-Düse in eine Löschzone. Auch diese Vorrichtung ist nicht geeignet, einen stabilen Strahl feiner Partikel zu erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umsetzung von Rohmaterialien zu schaffen, mit denen ein stabiler Strom der umzusetzenden Rohmaterialien sowie eine wirksame Zufuhr von Energie zu diesen gewährleistet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 bis 4 schematische Ansichten von Ausführungsformen einer konvergierenden/divergierenden Düse (KD-Düse),

Fig. 5 eine auseinandergezogene Darstellung einer KD-Düse mit einer Elektrodenanordnung, und

Fig. 6 und 7 schematische Ansichten weiterer Ausführungs­ formen der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 werden erfindungsgemäß Rohstoffe oder Reaktionsprodukte von einem Einlaß 1a einer KD-Düse 1 einem Hals 1b der Düse zugeführt und als ein Strom mit optimaler Expansion von einem Auslaß 1c der Düse ausgestoßen. Der Begriff "Strömung mit optimaler Expansion" bedeutet hier, daß von der KD-Düse 1 ein Strom ausgestoßen wird, der beim Ausstoß einen Druck Pj aufweist, der im wesentlichen genauso groß ist wie der Druck P auf der stromabwärts gelegenen Seite der Düse 1.

Bei der folgenden Beschreibung werden für die Begriffe "stromaufwärts gelegene Seite" (oder Kammer) und "strom­ abwärts gelegene Seite" (oder Kammer) auch die Begriffe "obere Seite" (obere Kammer) bzw. "untere Seite" (untere Kammer) verwendet.

Wird die Strömung in der KD-Düse 1 adiabatisch expandiert, so bestimmt sich die durch die Strömung erreichte Machsche Zahl M als Funktion des Drucks Po in der oberen Kammer 2 und des Drucks P in der unteren Kammer 3 durch folgende Gleichung:

wobei u die Geschwindigkeit des Fluids, a die Schallge­ schwindigkeit am Auslaß und γ das Verhältnis der spezifi­ schen Wärme der Bestandteile des Materials des Stroms ist.

Die Schallgeschwindigkeit läßt sich aus folgender Glei­ chung ableiten:

wobei T die örtliche Temperatur und R die Gaskonstante ist. Außerdem gilt folgende Beziehung für die Öffnungsfläche A am Auslaß 1c und die Öffnungsfläche (Öffnungsquerschnitt) A* am Hals 1b und der Machschen Zahl M:

Der Strom erreicht einen Zustand optimaler Expansion dann, wenn die durch die Gleichung (1) als Funktion des Druckver­ hältnisses P/Po der oberen Kammer 2 und der unteren Kammer 3 bestimmte Machsche Zahl M übereinstimmt mit der Machschen Zahl, die durch die Gleichung (2) als Funktion der Öff­ nungsfläche A des Auslasses 1c und der Öffnungsfläche A* des Halsabschnitts 1b bestimmt wird. In diesem Zustand ist das Verhältnis P/Po unterhalb des kritischen Druckverhält­ nisses und die Machsche Zahl M übersteigt den Wert 1. Die Strömungsgeschwindigkeit u läßt sich aus folgender Glei­ chung (3) bestimmen:

wobei To die Temperatur in der oberen Kammer 3 ist.

Eine Strömung mit optimaler Expansion, ausgestoßen am Aus­ laß 1c der Düse 1, strömt entlang der Innenwand des Aus­ lasses 1c mit etwa gleichförmiger Geschwindigkeitsvertei­ lung im Querschnitt, und hat die Form eines Strahls, d. h., es handelt sich um eine lineare Strömung mit im we­ sentlichen fester Bahn. Die Strahlausbildung minimiert die Diffusion und gestattet die Aufrechterhaltung der von der Düse 1 ausgestoßenen Rohstoffe oder Reaktionsprodukte in einem räumlich unabhängigen Zustand von den Wänden der unteren Kammer 3, so daß durch Wandberührungen verursachte unerwünschte Effekte vermieden werden. Der Verlust der Aus­ beute, verursacht durch Diffusion, läßt sich ebenfalls ver­ meiden, wenn der Strom im strahlförmigen Zustand von einem Substrat 4 aufgefangen wird. Außerdem läßt sich die Aktivie­ rung der Rohstoffe oder der Reaktionsprodukte mit Plasma- oder Laserstrahl-Bestrahlung wirksamer erreichen, wenn man die Energiezufuhr zu dem einen strahlförmigen Zustand ein­ nehmenden Strom erfolgen läßt.

Andererseits gilt zwischen der thermischen Energie und der kinetischen Energie eines Stroms folgende Beziehung:

Folglich läßt sich die Stromtemperatur nach Maßgabe der Strömungsgeschwindigkeit regulieren. Erfindungsgemäß lassen sich die Rohmaterialien oder die Reaktionsprodukte in einen gefrorenen oder tiefgekühlten Zustand bringen, da die Strömung Überschallgeschwindigkeit erreichen kann.

Die obigen Gleichungen (1) und (2) gelten nur für den Fall adiabatischer Expansion des Stroms, sie sind jedoch nicht mehr gültig, wenn der Strom in der KD-Düse 1 Wärme auf­ nimmt oder abgibt. In diesem Fall jedoch läßt sich ein Strom mit optimaler Expansion durch geeignetes Einstellen von P/Po und A/A* entsprechend der Menge der so abgegebenen oder aufgenommenen Wärme erreichen.

Der Massestromfluß des die Düse 1 durchlaufenden Stroms läßt sich auf der nachstehend angegebenen Gleichung (5) bestimmen. Er ist eine Funktion des Öffnungsquerschnitts A* des Halses 1b für gegebene Werte des Drucks Po und der Temperatur To der oberen Kammer 2, oder eine Funktion des Drucks Po und der Temperatur To für einen gegebenen Wert der Öffnungsfläche A* des Halses 1b:

Folglich lassen sich Reaktionsprodukte einer konstanten Menge in einfacher Weise kontinuierlich erhalten, und die Zufuhr von Rohstoffen läßt sich in einfacher Weise ent­ sprechend der Menge der Reaktionsprodukte durchführen.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine KD-Düse 1, eine obere Kammer 2 und eine untere Kammer 3 vorgesehen sind.

Die obere Kammer 2 und die untere Kammer 3 sind miteinan­ der über die KD-Düse 1 verbunden, wobei die obere Kammer 2 mit einem Ventil 5a zum Einführen eines Rohstoffs A und mit einem Drucksensor S1 zur Feststellung des Drucks in der oberen Kammer 2 ausgestattet ist.

Die untere Kammer 3 besitzt ein Ventil 5b zum Zuführen eines Rohstoffs B, der mit dem Rohstoff A reagieren soll, und sie enthält in einer dem Auslaß 1c der Düse 1 gegenüber­ liegenden Stelle ein Substrat 4 zum Auffangen des durch die Reaktion der Stoffe A und B erhaltenen Reaktionspro­ dukts C. Das Substrat 4 wird so gehalten, daß es mit einer Antriebseinheit 10 bewegt werden kann. Die untere Kammer 3 ist über ein Ventil 5c an eine Pumpe 5 angeschlossen und besitzt einen Drucksensor S2 zum Feststellen des Drucks in der unteren Kammer 3.

Der Einlaß 1a der KD-Düse 1 öffnet sich zur oberen Kammer 2 hin, während der Auslaß 1c sich zur unteren Kammer 3 hin öffnet. In der Nähe des Auslasses 1c befindet sich ein Drucksensor S3 zum Feststellen des Drucks der Strömung beim Ausstoß.

Wenn die Rohstoffe A und B eingespeist werden, während die untere Kammer 3 von der Pumpe 6 evakuiert wird, wird der Rohstoff A von der oberen Kammer 2 durch die KD-Düse 1 in die untere Kammer 3 ausgestoßen und reagiert in der Berührung mit dem Rohstoff B in der unteren Kammer 3, so daß dadurch ein Reaktionsprodukt C entsteht, das durch das Substrat 4 aufgefangen wird. Der Strom bildet einen Strom mit optimaler Expansion in Form eines Strahls, und zwar durch eine Einstellung der Drücke Po und P, die von den Sensoren S1 und S2 festgestellt werden. Hierbei werden die Drücke so eingestellt, daß der Druck Pj, der von dem Sensor S3 festgestellt wird, im wesentlichen genauso groß ist wie der Druck P, der von dem Sensor S2 gemessen wird. Außerdem kann eine Düse 1 mit einem Verhältnis A/A* des Öffnungs­ querschnitts A im Auslaß 1c und einem Öffnungsquerschnitt A* im Halsabschnitt 1b verwendet werden, wobei das Verhältnis entsprechend den nötigen Drücken Po und P eingestellt ist.

Der Rohstoff A wird in Form eines Strahls in die untere Kammer 3 ausgestoßen und gelangt mit dem Rohstoff B während des Durchströmens der unteren Kammer 3 unter Bildung des Reaktionsprodukts C in Berührung, wobei das Reaktionsprodukt direkt von dem Substrat 4 aufgefangen wird. Die Rohstoffe A und B werden ebenso wie das Reaktionsprodukt C inner­ halb der unteren Kammer 3 kaum verstreut, so daß sich eine gute Ausbeute des Produkts C ergibt. Ein Teil des Roh­ stoffs B wird von der Pumpe ausgetragen, kann dem System aber wieder erneut zugeführt werden.

Der Rohstoff A, der in Form eines strahlförmigen Stroms zur Verfügung steht, hat in ausreichenden Kontakt mit dem Rohstoff B in der unteren Kammer 3 gebracht zu werden. Ist der Rohstoff B gasförmig und besteht er aus Molekülen mit einer mittleren freien Weglänge l, so lassen sich die Mole­ küle als in einem Intervall 1 innerhalb der unteren Kammer 3 vorhanden betrachten. Wenn also die mittlere freie Weglänge konstant ist, läßt sich die Häufigkeit der Berührung des Rohstoffs A während der Bewegung innerhalb der unteren Kammer 3 mit den Molekülen des Rohstoffs B steuern durch Einstellen der Strömungsweglänge innerhalb der unteren Kammer 3. Diese Einstellung kann beispielsweise dadurch vorgenommen werden, daß das Substrat 4 mit der Antriebsein­ heit 10 in Richtung des Strömungswegs bewegt wird. Außerdem läßt sich die Einstellung dadurch vornehmen, daß man die mittlere freie Weglänge l der Gasmoleküle reguliert, wenn die Länge des Strömungswegs in der unteren Kammer 3 konstant ist.

Die mittlere freie Weglänge l der Gasmoleküle des Roh­ stoffs B in der unteren Kammer 3 ist angenähert durch folgende Gleichung (6) gegeben:

wobei δ der Durchmesser der Gasmoleküle B in der Kammer 3 und n die Anzahl von Molekülen pro Volumeneinheit ist. Da sich die Dichte der Gasmoleküle ausdrücken läßt durch p = mn, mit m als Molekülmasse, läßt sich die Gleichung (6) folgendermaßen umformen:

Da m und δ durch die Art des Gases bestimmt werden, läßt sich l durch p derart steuern, daß die Häufigkeit von Kollisionen der Moleküle in den Rohstoffen A und B steuer­ bar ist. Außerdem kann l konstant gehalten werden, indem p konstant gehalten wird.

Der Wert p läßt sich durch folgende Gleichung (7) be­ stimmen:

wobei R die Gaskonstante und t′ die Temperatur in der unte­ ren Kammer 3 ist. Demzufolge läßt sich der Wert von p durch den Druck P in der unteren Kammer 3 oder durch die dort herrschende Temperatur t′ steuern. Die Strömungsgeschwin­ digkeit einer gegeben KD-Düse 1 läßt sich bestimmen durch P/Po, wenn die Temperatur in der oberen Kammer 2 konstant ist. Man erhält also eine konstante Strömungsgeschwindig­ keit, falls die Dichte p der Gasmoleküle und das Verhältnis P/Po konstant gehalten werden. Speziell dann, wenn der Roh­ stoff A nur eine kurze Aktivitätsdauer aufweist, läßt er sich in ausreichenden Kontakt mit dem Rohstoff B während der aktiven Lebensdauer bringen, indem die Dichte p der Gasmoleküle des Materials B und das Verhältnis P/Po konstant gehalten werden, wozu man eine Strömungsgeschwindigkeit verwendet, die bestimmt wird durch A/A* und P/Po und eine Strömungsweglänge, welche die Moleküle innerhalb der aktiven Lebensdauer zurücklegen können.

Die KD-Düse 1 besitzt eine Öffnung, die sich von deren Ein­ laß 1a aus nach und nach verengt, bis zum Hals 1b, um sich dann bis zum Auslaß 1c nach und nach zu verbreitern, wobei der Differentialkoeffizient der Strömungskurve an der Innenwand der Düse sich kontinuierlich ändert und an dem Halsabschnitt den Wert Null annimmt, um die Bildung einer Grenzschicht in der Düse 1 zu minimieren. Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet die Strömungs- oder Stromkurve an der Innenwand die Kurve eines Querschnitts entlang der Strömungsrichtung. Es ist deshalb möglich, den wirksamen Querschnitt der Strömung in der KD-Düse 1 sehr stark dem Entwurfswert anzunähern und dadurch die Leistungsfähigkeit der Düse 1 voll auszunutzen. Wie außerdem in Fig. 2A ge­ zeigt ist, ist der Innenumfang des Auslasses 1c etwa parallel zu der Mittelachse. Eine parallele Strömung läßt sich auf diese Weise einfacher erreichen, da der ausge­ stoßene Strom der Richtung der Innenfläche des Auslasses 1c folgt. Allerdings kann man auf den parallelen Abschnitt verzichten, wenn der Winkel α der Innenfläche, gemessen vom Hals 1b zu dem Auslaß 1c, in bezug auf die Mittelachse den Wert von 7°, vorzugsweise von 5° nicht übersteigt, wie in Fig. 2B gezeigt ist, da das sogenannte Ablöse-Phänomen in einem solchen Zustand nicht so leicht eintritt und der aus­ gestoßene Strom fast linear beibehalten wird. Das Fehlen des parallelen Abschnitts erleichtert die Herstellung der KD-Düse 1. Außerdem läßt sich durch die Verwendung einer rechteckigen Düse gemäß Fig. 2C eine schlitzförmige Strö­ mung erhalten.

Das genannte Ablöse-Phänomen ist ein Phänomen der Ver­ größerung der Grenzschicht zwischen der Innenwand der Düse 1 und dem durchströmenden Fluid, z. B. bei Vorhanden­ sein von Vorsprüngen in der Innenwand. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Strömung, und die Erscheinung tritt besonders dann zutage, wenn die Geschwindigkeit des ausgestoßenen Stroms höher wird. Der oben erwähnte Winkel α sollte vor­ zugsweise kleiner sein, wenn die Innenwand der Düse 1 we­ niger genau endbearbeitet ist, um das genannte Ablöse- Phänomen zu vermeiden. Die Innenwand der Düse 1 wird vor­ zugsweise mit einer Oberflächenfeinheit ausgestattet, die drei oder vorzugsweise vier auf dem Kopf stehenden Drei­ ecken entsprechend der Japanischen Industrienorm B 0601 entspricht. Da das Ablöse-Phänomen in dem divergierenden Teil der Düse 1 den Zustand des nachfolgenden Stroms spür­ bar beeinflußt, sollte die Oberflächen-Endbearbeitung grundsätzlich nach Maßgabe des divergierenden Düsenteils bestimmt werden, so daß sich insgesamt die Herstellung der Düse 1 vereinfachen läßt. Um außerdem das Ablöse-Phänomen zu vermeiden, sollte der Hals eine glatte Kurve darstellen, so daß der Differentialkoeffizient der Querschnittsände­ rung nicht unendlich groß wird.

Die KD-Düse 1 kann sich aus verschiedenen Materialien zu­ sammensetzen, z. B. aus einem Metall wie Eisen oder rost­ freiem Stahl, Kunststoffmaterial wie Acrylharz, Polyvinyl­ chlorid, Polyelhylen, Polystyrol und Polypropylen, Keramik­ materialien, Quarz oder Glas. Das Material kann ausgewählt werden im Hinblick auf das Fehlen von Reaktivität mit dem Rohstoff A oder B oder dem Reaktionsprodukt C, unter Berücksichtigung des Arbeitsablaufs, der Gasemission im Vakuum und dergleichen. Außerdem kann die Innenwand der Düse 1 mit einem Material geringer Reaktivität überzogen oder beschichtet sein, z B. kann die Innenwand eine Be­ schichtung aus Polyfluoräthylen aufweisen. Andererseits kann die Innenwand der Düse 1 mit einem eine chemische Reaktion stimulierenden Material beschichtet sein oder aus einem solchen Material bestehen. Speziell kann die Innen­ wand mit einem einen Katalysator tragenden Material gebildet oder mit einem porösen Material mit katalytischer Funktion gebildet sein. Die Innenwand kann auch mit einem reaktiven Material beschichtet sein.

Die Länge der KD-Düse 1 kann willkürlich festgelegt werden, z. B. unter Berücksichtigung der Länge der Apparatur. Beim Durchlauf durch die KD-Düse 1 erfolgt in dem Strom eine Um­ wandlung der thermischen Energie in kinetische Energie, und es läßt sich ein tiefgekühlter Zustand erreichen, wenn die thermische Energie des Stroms niedrig angesetzt und die Geschwindigkeit des Stroms hoch angesetzt wird. Auf diese Weise kann ein in dem Rohstoff A enthaltener konden­ sierbarer Bestandteil durch Temperaturverringerung konden­ siert und zu feinen Partikeln gebildet werden. In diesem Fall sollte die KD-Düse 1 vorzugsweise länger sein, um eine ausreichende Kondensierung zu erreichen. Anderer­ seits erhöht eine solche Kondensierung die thermische Energie und verringert die kinetische Energie. Folglich sollte zur Aufrechterhaltung eines Ausstoßes mit hoher Geschwindigkeit die Düse 1 kürzer sein.

Fig. 3A zeigt den Aufbau einer Düse, bei der der parallele Abschnitt in der Nähe des unteren Auslasses verlängert ist. Die Düse mit einem derart verlängerten parallelen Abschnitt liefert eine geringere Strömungsgeschwindigkeit am Auslaß, verglichen mit der in Fig. 2A gezeigten Düse, man erhält jedoch spezielle Druck- und Temperaturverteilungen inner­ halb der Düse. Insbesondere zeigen Druck und Temperatur eine isentropische Abnahme der Bewegung von dem Hals zu dem Auslaßabschnitt 1c′, aber beide Werte steigen im Ver­ lauf der Bewegung in dem parallelen Abschnitt aufgrund der Erhöhung der thermischen Temperatur wieder an. Folglich läßt sich die Druckbedingung am Auslaß 1c entsprechend dem so erhöhten Druck bestimmen, und es läßt sich ein Zustand geringen Drucks realisieren, ohne die Kapazität der Pumpe erhöhen zu müssen.

Außerdem kann die KD-Düse 1 gemäß Fig. 3B mit zwei oder noch mehr Halsabschnitten 1b, 1b′, . . . ausgestattet wer­ den. Wenn mit einer solchen, mehrstufigen KD-Düse eine Strömung mit optimaler Expansion erzeugt wird, wird die Strömung innerhalb der Düse 1 wiederholt beschleunigt und verzögert, jeweils einhergehend mit einer Temperaturab­ nahme und -zunahme. Es ist daher möglich, die Reaktion durch eine solche Temperaturänderung zu stimulieren.

Wie in Fig. 4A gezeigt ist, kann die KD-Düse 1 in der Wand des Halsabschnitts mit mehreren Rohstoff-Zuführlöchern 9 ausgestattet sein. Bei diesem Aufbau ruft das in die Düse gelangende Rohmaterial einen Venturi-Effekt hervor, mit dessen Hilfe ein weiterer Rohstoff in Nebelform zugeführt werden kann. Der Aufbau gestattet die Einspeisung eines weiteren Rohstoffs in vorgegebener Menge, selbst wenn es sich um eine Flüssigkeit handelt.

Es ist ferner möglich, wie in Fig. 4B gezeigt ist, die Zu­ führlöcher 9 an einer Stelle zwischen dem Hals 1b und dem Einlaß der Düse 1 anzuordnen, um einen weiteren Rohstoff einzuspeisen, der mit dem in der Düse 1 fließenden Rohstoff reagieren kann. In diesem Fall ist es möglich, eine Unord­ nung in dem von der Düse 1 ausgestoßenen Strom dadurch zu verhindern, daß die Zuführlöcher 9 hinreichend weit von dem Halsabschnitt 1b der Düse 1 angeordnet werden. Die mit solchen Zuführlöchern 9 ausgestattete KD-Düse 1 kann z. B. beim Reagieren von zwei oder mehr Rohstoffen in der Strömung die Ablagerung an den Wänden der oberen Kammer 2 durch eine dort stattfindende Reaktion verhindern, da nicht sämtliche Rohstoffe in der oberen Kammer 2 einge­ speist werden müssen.

Die erfindungsgemäße Reaktionsapparatur ist außerdem in der Lage, die Rohstoffe durch Einspeisung von Energie von außerhalb der Düse zu aktivieren. Im folgenden wird ein Beispiel dafür erläutert, daß die Düse selbst in Form von Elektroden ausgebildet ist.

Fig. 5A und 5B zeigen auseinandergezogene Darstellungen von KD-Düsen, die als Elektroden ausgebildet sind. Die Düse setzt sich gemäß Darstellung zusammen aus einem Ober­ teil und einem Unterteil, jeweils bestehend aus elektrisch leitendem Material. Dadurch wird ein Paar von Elektroden 8a und 8b gebildet, zwischen denen ein elektrischer Iso­ lator 7 angeordnet ist. An die Elektroden 8a und 8b wird zur Erzeugung eines Plasmas in der Düse 1 ein Gleichstrom oder ein hochfrequenter Wechselstrom angelegt. Die Elektroden 8a und 8b können aus Metall wie beispielsweise Eisen oder Kupfer bestehen. Die Isolatoren 9, welche die Elektroden 8a und 8b trennen, bestehen z. B. aus isolie­ rendem Kunstharz, Keramik, Quarz oder Glas. Diese Stoffe werden ausgewählt im Hinblick auf mangelnde Reaktions­ fähigkeit mit den Reaktionsprodukten, im Hinblick auf Arbeitsbedingungen, Gasemission im Vakuum und dergleichen. Außerdem kann die Innenwand sowohl des oberen als auch des unteren Teils der Düse mit einem elektrischen Leiter überzogen oder beschichtet sein, der eine Reaktion oder eine Ablagerung zu verhindern vermag, wobei diese Be­ schichtung oder dieser Überzug als die Elektroden 8a, 8b verwendet werden.

Das Reaktionsprodukt kann in einem praktisch beliebigen Bereich des Substrats 4 aufgefangen werden, indem die Düse 1 vertikal oder horizontal geneigt oder eine Abtastbewegung in einem regelmäßigen Intervall veranlaßt wird. Eine solche Betriebsart ist nützlich, wenn mit dem Reaktionsprodukt C auf dem Substrat 4 eine Schichtbildung erfolgen soll, wo­ bei die Verwendung der in Fig. 2C gezeigten rechteckigen Düse besonders wirksam ist.

Die Zeit zwischen der Reaktion der Rohstoffe A und B und dem Einfangen auf dem Substrat 4 läßt sich dadurch regulie­ ren, daß man das Substrat mit Hilfe der Antriebseinheit 10 zu der Düse 1 hin oder von ihr weg bewegt. Auf diese Weise läßt sich ein Rohstoff oder ein Reaktionsprodukt mit sehr kurzer aktiver Lebensdauer im aktiven Zustand einfangen, indem das Substrat 4 sehr nahe an die Stelle der Aktivie­ rung gebracht wird. Das Substrat kann zur Vereinfachung des Einfangvorgangs erhitzt oder abgekühlt werden. Ins­ besondere durch Abkühlen des Substrats 4 läßt sich das Einfangen durch Kondensieren und Verfestigen erreichen.

Es ist ferner möglich, den Strahl in einem großen Bereich aufzufangen, indem das Substrat 4 von der Antriebseinheit 10 drehbar oder vertikal und horizontal beweglich gelagert wird. Ferner besteht die Möglichkeit, als Substrat 4 ein Band oder Gewebetuch zu verwenden, um das Reaktionsprodukt C aufzufangen, indem das Substrat von einer Rolle nach und nach abgezogen und weitergerückt wird. Es kann auch ein trommelförmiges, sich drehendes Substrat 4 mit dem Reak­ tionsprodukt C behandelt werden.

Die Reaktion kann auch dadurch erfolgen, daß die Düse 1 mit Hilfe eines Ventils intermittierend geöffnet und ge­ schlossen wird. Unter einer gegebenen Vakuumbedingung er­ möglicht ein solches intermittierendes Öffnen und Schließen die erleichterte Einstellung eines starken Vakuums in der unteren Kammer 3. Wenn andererseits die obere Kammer 2 unter Druck gesetzt wird, läßt sich ein solcher erhöhter Druck einfacher erreichen. Auch dann, wenn der Düse oder deren stromabwärts gelegener Seite zum Zwecke der Akti­ vierung des Materials Energie zugeführt wird, läßt sich die Energiezufuhr mit dem intermittierenden Öffnen und Schließen synchronisieren, so daß Energie eingespart wird.

Beispiele für die erfindungsgemäß eingespeiste Energie sind Mikrowellenenergie und die Energie anderer elektro­ magnetischer Wellen, Licht verschiedener Wellenlängen wie beispielsweise Ultraviolett-Licht, Infrarot-Licht oder Laserstrahlen, sowie ein Elektronenstrahl.

Die oben erläuterte Energiezufuhr zu den feinen Partikeln läßt sich durchführen an der oberen Seite des Halses 1b der KD-Düse 1, wie in Fig. 6 bei A angedeutet ist, an der unteren Seite der KD-Düse 1 einschließlich deren Hals, wie bei B angedeutet ist, in dem Strömungsweg hinter der Düse 1, wie durch C angedeutet ist, entlang dem Strömungsweg von der Oberseite der Düse 1, wie durch D angedeutet ist, entlang dem Strömungsweg von der Rückseite eines transpa­ renten Substrats 4, wie durch E angedeutet ist, diagonal zum Kreuzungspunkt des Strömungswegs und des Substrats 4, wie durch F angedeutet ist, oder durch Kombinationen der genannten Möglichkeiten.

Die Energiezufuhr an der Stelle A oder an der Stelle B ermöglicht die Verwendung des Inneren der Düse 1 als Feld zum Erzeugen feiner Partikel und als Reaktionsfeld, so daß dadurch gegebenenfalls die obere Kammer 2 ent­ behrlich wird.

Die Energiezufuhr in Richtung D, falls sie mit Hilfe eines Laserstrahls erfolgt, gestattet die Erzeugung einer Schicht feiner Partikel auf dem Substrat 4 lediglich in der Ver­ längerung eines kleinen Bereichs, der von dem Laserstrahl angestrahlt wird. Wenn in diesem Zustand der Laserstrahl die Oberfläche des Substrats 4 erreicht, läßt sich die Ober­ fläche gleichzeitig durch den Laserstrahl wärmebehandeln.

Außerdem läßt sich auch im Fall der Energiezufuhr mit Energie eines anderen Wellenlängenbereichs die Lage der Gasanregung willkürlich wählen durch die Intensität und die Transmittanz der Energie.

Die in Richtung v aufgebrachte Energie gestattet die gleich­ zeitige Anhebung der Temperatur des Substrats 4, um dadurch die Niederschlagung von feinen Partikeln auf dem Substrat 4 zu fördern.

Die Energiezufuhr in Richtung vi gestattet die gleichzeitige Erwärmung des Substrats 4, eine Reaktion auf dessen Ober­ fläche und einen Wärmebehandlungseffekt.

Die Fig. 7A bis 7D zeigen Beispiele für eine in der er­ findungsgemäßen Apparatur durchgeführte Reaktion.

Im Fall von Fig. 7A wird der Rohstoff A in die obere Kam­ mer 2 eingespeist und z. B. durch Energiezufuhr in der Düse 1 oder zu dem anschließend vorhandenen Strahl akti­ viert, um eine physikalisch modifizierte Spezies A′ zu halten, die in der unteren Kammer 3 von dem Substrat 4 auf­ gefangen wird.

Im Fall von Fig. 7B werden die miteinander reagierenden Rohstoffe A und B in die obere Kammer 2 eingespeist und erzeugen das Reaktionsprodukt C, bevor sie über die Düse 1 das Substrat 4 erreichen. Das Reaktionsprodukt C wird von dem Substrat 4 in der unteren Kammer 3 eingefangen. In diesem Fall besteht mindestens die Innenwand der Düse 1 aus einem Katalysator, der die Reaktion der Rohstoffe A und B sti­ muliert.

Im Fall nach Fig. 7C wird der in die obere Kammer 2 einge­ speiste Rohstoff A zu einem Strahl geformt und erreicht das Substrat 4 in der unteren Kammer 3. Die Substratober­ fläche setzt sich zusammen aus dem Rohstoff B, der reak­ tionsfähig ist mit dem Rohstoff A, und der Strahl des letzt­ genannten Rohstoffs kollidiert mit der Oberfläche des Substrats 4 und reagiert mit dem Rohstoff B, um als Reaktionsprodukt C eingefangen zu werden. Im Fall der Reaktion auf der Oberfläche des Substrats 4 läßt sich für die Reaktion die kinetische Energie der Kollision des Ultraschallstrahls mit dem Substrat 4 ausnutzen. Der Roh­ stoff B auf dem Substrat 4 kann fest oder dort imprägniert sein.

Im Fall nach Fig. 7D werden die Rohstoffe A und B separaten oberen Kammern 2 bzw. 2′ zugeführt und gelangen als ge­ trennte Strahlen durch getrennte Düsen 1, 1′ in dieselbe untere Kammer 3. Die Strahlen kollidieren miteinander inner­ halb der unteren Kammer 3, wodurch die Reaktion der Roh­ stoffe A und B mit dem sich ergebenden Reaktionsprodukt C verursacht wird. Das Produkt C wird von dem Substrat 4 eingefangen. Auf diese Weise läßt sich die Startposition der Reaktion der Rohstoffe A und B willkürlich innerhalb der unteren Kammer 3 auswählen.

Die erfindungsgemäße Apparatur, die in der Lage ist, Roh­ stoffe und/oder Reaktionsprodukte in Form eines Strahls in eine bestimmte Richtung zu transportieren, ermöglicht die Minimierung einer Produktionseinbuße, die verursacht wird durch Berührungen mit den Wänden der unteren Kammer und die Diffusion oder Streuung des Stroms. Die Reaktion kann in einem räumlich unabhängigen Bereich stattfinden, so daß man ein hochreines Produkt ohne irgendeine Beein­ trächtigung in einem idealen Reaktionsfeld erhält. Die Zufuhr von Energie für die Reaktion ist erleichtert, da die Streuung des Stroms unterdrückt ist und sich der Strömungsdurchsatz leicht steuern läßt. Folglich läßt sich die Energie in einer Menge zuführen, die angepaßt ist an die Reaktion, so daß kein Energieverlust stattfindet. Be­ sonders vorteilhaft einsetzbar ist die Erfindung im Rahmen der industriellen Massenfertigung, da Rohstoffe ebenso wie reaktionsauslösende Mittel, wie z. B. eine Aktivierungs­ energie, von außerhalb kontinuierlich zugeführt werden können, wodurch ein kontinuierlicher Prozeß über eine lange Zeitspanne hinweg ermöglicht wird.

Die Verwendung einer Strömung mit optimaler Expansion schafft in einem strahlförmigen Strom eine große kinetische Energie und ermöglicht das Definieren eines zu bestrahlen­ den Flächenbereichs. Diese Eigenschaften lassen sich in vorteilhafter Weise ausnutzen für die Implantation von neu­ tralen Partikeln, zum Schneiden, zum Ätzen und dergleichen.

Auf der anderen Seite vermag die Erfindung Rohstoffe und/ oder Reaktionsprodukte mit Überschallgeschwindigkeit zu transportieren, so daß die Rohstoffe bzw. die Reaktions­ produkte mit extrem kurzer aktiver Lebensdauer von dem Substrat im aktiven Zustand der Stoffe aufgefangen werden können. Da außerdem der Strom innerhalb der Düse 1 in einen energetisch eingefrorenen Zustand gebracht werden kann, ist es möglich, einen mikroskopischen Zustand der Moleküle in dem Strom zu definieren und den Übergang von einem Zustand in den anderen Zustand zu beherrschen.

Die eröffnet die Möglichkeit, eine neue chemische Dampf­ reaktion ablaufen zu lassen, bei der die Moleküle durch ihr Energieniveau definiert werden und eine Energie empfan­ gen, die dem Energieniveau entspricht. Außerdem wird ein neues Energieübertragungsfeld geschaffen, welches die Schaffung von intermolekularen Verbindungen mit relativ schwachen intermolekularen Kräften gestattet, z. B. mit Wasserstoffbindungen oder Van der Waal-Kraft.

Außerdem läßt sich das Reaktionsfeld auf die Düse konzen­ trieren, so daß die Möglichkeit besteht, eine wirksame Energiezuführung vorzunehmen, die Apparatur kompakt auf zu­ bauen und die Reaktion in einem Strömungssystem zu realie­ sieren.

Claims (12)

1. Verfahren zur Umsetzung von Rohmaterialien, die in gasförmigem Zustand vorliegen oder die in einen im wesentlichen gasförmigen Massestrom umgesetzt werden können, wobei eine erste Substanz (A) mit einer zweiten Substanz (B) unter Entstehung eines Reaktionsproduktes (C) umgesetzt wird, indem ein Trägergas mit der darin dispergierten Substanz (A) unter Druck aus einer Kammer (2) über eine Laval-Düse (1) (konvergierend/divergierende Düse) einer evakuierbaren Kammer (3) zugeführt und dort als strahlförmiger Strom mit im wesentlichen fester Bahn mittels Einstellung der Drücke P₀ stromaufwärts von der Lavaldüse (1) und P stromabwärts von der Lavaldüse (1) in der evakuierbaren Kammer (3) auf ein Substrat (4) geleitet wird, wobei die zweite Substanz (B) entweder auch dieser evakuierbaren Kammer (3) zuge­ führt wird, dort auf dem Substrat (4) fest bzw. imprägniert vorhanden ist, in die stromaufwärts der Laval-Düse (1) befindliche Kammer (2) eingeleitet wird, oder in die Laval-Düse (1) eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der ersten und der zweiten Substanz Aktivierungs­ energie zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Aktivierungsenergie der ersten und der zweiten Substanz innerhalb der Düse (1) zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Düse (1) ein paar Elektroden (8a, 8b) aufweist, zwischen denen ein elektrisches Feld zum Erzeugen aktiver Teilchen in der Substanz gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Elektroden längliche getrennte Düsenhälften (8a, 8b) umfassen, zwischen denen sich elektrisch isolierendes Material (7) befindet.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Elektroden einen Überzug oder eine Beschichtung auf der Innenseite der aus einem elektrisch isolierenden Material bestehenden Düse aufweisen.

7. Vorrichtung zum Umsetzen von Rohmaterialien, die in gasförmigem Zustand vorliegen oder in einen im wesentlichen gasförmigen Massestrom umsetzbar sind, wobei eine erste Substanz (A) mit einer zweiten Substanz (B) unter Entstehung eines Reaktionsprodukts (C) umgesetzt wird, mit einer ersten Kammer (2), einer zweiten, evakuierbaren Kammer (3), die mit der ersten Kammer (2) über eine Laval-Düse (1) (konvergierend/ divergierende Düse) verbunden ist, mit einer Einrichtung (5a) zum Einleiten eines Trägergases und der ersten Substanz (A) in die erste Kammer (2), mit einer Einrichtung (6, 5c, S₁, S₂) zum Einstellen der Drücke P₀ stromaufwärts der Laval-Düse (1) und P stromabwärts der Laval-Düse derart, daß das Trägergas mit der ersten Substanz (A) als strahlen­ förmiger Strom mit im wesentlichen fester Bahn aus der Düse (1) austritt und in der zweiten Kammer (3) auf ein dort befindliches Substrat (4) auftrifft, wobei die zweite Substanz (B) sich entweder fest bzw. imprägniert auf dem Substrat (4) befindet oder über eine Einleiteinrichtung zugeführt wird, und zwar

• - der zweiten, evakuierbaren Kammer (3),
• - der ersten Kammer (2), oder
• - der Laval-Düse (1).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch in der Düsenwand der Laval-Düse ausgebildete Öffnungen (9), durch die die zweite Substanz (B) in den Träger­ strom eingeleitet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Öffnungen (9) stromaufwärts des Düsenhalses vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der die Düse ein paar Elektroden (8a, 8b) umfaßt, und bei der Mittel vorgesehen sind, um ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden zu erzeugen, durch welches in den Substanzen (A, B) aktive Partikel generiert werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Elektroden längliche getrennte Düsenhälften (8a, 8b) mit einem dazwischen befindlichen elektrisch isolierenden Material (7) aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Elektroden einen Überzug oder eine Beschichtung auf der Innenfläche der Düse aufweisen, welche aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.