EP2627432A2 - Gas separation device - Google Patents

Gas separation device

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Publication number
EP2627432A2
EP2627432A2 EP11767019.0A EP11767019A EP2627432A2 EP 2627432 A2 EP2627432 A2 EP 2627432A2 EP 11767019 A EP11767019 A EP 11767019A EP 2627432 A2 EP2627432 A2 EP 2627432A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
gas separation
opening
separation layer
gas volume
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11767019.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Varesi
Klaus Kubatzki
Jorg THÖMING
Michael Baune
George Okoth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MEMBRANOTEC GmbH and Co KG
Original Assignee
MEMBRANOTEC GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MEMBRANOTEC GmbH and Co KG filed Critical MEMBRANOTEC GmbH and Co KG
Publication of EP2627432A2 publication Critical patent/EP2627432A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D46/00Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/0039Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours with flow guiding by feed or discharge devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2256/00Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/18Noble gases
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49826Assembling or joining

Definitions

  • the invention relates to a gas separation device having a gas separation layer, a first gas volume and a second gas volume, wherein the gas separation layer between the first gas volume and the second gas volume is arranged, wherein the gas separation layer has at least one aperture which connects the first gas volume with the second gas volume the breakthrough from the first gas volume to the second gas volume is tapered and dimensioned to enrich a component of the second gas volume in the first gas volume.
  • the detector device comprises a capillary device with one or more capillaries connecting a first side of the capillary device to a second side of the capillary device.
  • the capillaries are tapered in sections from the first side to the second side, wherein the minimum cross-section of the capillaries is smaller than the mean free path of the predetermined gas under the intended conditions.
  • a gas separation device with a gas separation layer, a first gas volume and a second gas volume
  • the gas separation layer is arranged between the first gas volume and the second gas volume.
  • the gas volumes are connected to each other via the gas separation layer.
  • the gas separation layer has at least one breakthrough.
  • the breakthrough connects the first gas volume to the second gas volume and is tapered from the first gas volume to the second gas volume and dimensioned to enrich a component of the second gas volume in the first gas volume.
  • the aperture is designed as an elongate opening in the gas separation layer and / or has a gas reflection layer on a surface of the aperture.
  • the aperture has a minimum aperture width of substantially one to twenty times the mean free path of the component of the second gas volume to be added.
  • the opening has a V-shaped cross-section whose opening angle is substantially 0.01 ° to 10 °, in particular substantially 0.7 °. ⁇
  • This refinement enables a reliable reflection of gas atoms or gas molecules of the first gas volume, which should not pass through the gas separation layer, so that a transfer of atoms or molecules of the first gas volume to the second gas volume is reliably avoided.
  • the gas separation layer has a first plate-like separator and a second plate-like separator, wherein the first separator is disposed opposite to the second separator at an acute angle and wherein between the first and the second separator the breakthrough is arranged. This ensures a cost-effective design of the gas separation layer.
  • the gas separation layer comprises at least two triangularly shaped separating elements and at least one connector, wherein the separating elements of the gas separation layer are fastened to the connector. Between the two separating elements of the breakthrough is arranged.
  • This embodiment allows a reliable determination of the opening angle of the opening by the configuration of the triangular separating elements.
  • the connector reliably ensures the predetermined distance between the two separating elements matched to the component of the second gas volume to be enriched.
  • the connector is the
  • This embodiment makes it possible to adapt the gas separation layer to different components to be enriched or different gas mixtures of the gas volumes, wherein the minimum opening width of the opening can be adapted to the average free path length of the component to be enriched.
  • a plurality of separating elements are arranged like a drum. In this case, an interior of the drum-like arrangement of the separating elements with the second gas volume and at least part of an outer space around the drum-like arrangement of the separating elements is connected to the first gas volume. This embodiment allows a space-optimized variant of the gas separation device.
  • first and the second separating element of the gas separation layer have a structured surface and at least one common structure point.
  • the structured surfaces of the two separating elements are designed such that the structure point defines the minimum opening width of the opening between the separating elements.
  • the length of the breakthrough is at least ten times the minimum opening width of the opening of the gas separation layer.
  • This embodiment enables a particularly high throughput of the component of the second gas volume to the first gas volume.
  • the gas reflection layer of the gas separation layer has a roughness Rz of 0.3 to 10 times the mean free path. This roughness additionally enhances a reliable enrichment of the component of the second gas volume in the first gas volume.
  • a ripple of the gas reflection layer of the gas separation layer is smaller than the minimum opening width of the opening of the gas separation layer. In this way, exceeding the minimum opening width of the gas separation layer is avoided so that the two gas volumes are reliably separated from one another and the enrichment tion of the component of the second gas volume is ensured in the first gas volume.
  • the gas separation layer has a heating or cooling device which is designed to heat or cool the gas separation layer and to provide a temperature difference to the first and / or the second gas volume. This embodiment promotes the enrichment of the component of the second gas volume in the first gas volume.
  • the heating or cooling device comprises the gas reflection layer.
  • the heating or cooling device of the gas reflection layer is in this case preferably designed as a Peltier element.
  • the gas reflection layer on a metallic, electrical current-conducting and / or semiconducting material.
  • the gas reflection layer is connected to a power source and / or a control device of the heating or cooling device so as to reliably control the heating or cooling of the gas reflection layer.
  • the gas separation layer has at least one of the following materials: glasses, in particular soda-lime glass, quartz glass, lead glass, borosilicate glass, borophosphate glass, aluminosilicate glass, fluoride glass,
  • Chalcogenide glass metals, in particular iron, aluminum, copper, tin, zinc, magnesium, nickel, chromium, silicon, carbon, rubber-like materials, in particular silicone, rubber, latex, polymers such as polycarbonates, thermoplastics, elastomers and thermosets, ceramics such as silicate ceramics,
  • Oxide ceramics, glass ceramics and mixed ceramics This embodiment makes it possible to adapt the gas reflection layer to the two gas volumes or to the component of the second gas volume which is to be enriched in the first gas volume. In particular, can be avoided by the choice of said materials, a reaction of the gas volumes with the gas separation layer.
  • a first pressure is applied to the first gas volume of the gas separation device and a second pressure to the second gas volume of the gas separation device, wherein the second pressure of the second gas volume is increased compared to the first pressure of the first gas volume. In this way, the enrichment of the component of the second gas volume in the first gas volume can be forced.
  • the gas separation layer of the above-mentioned gas separation device can be produced by introducing at least one breakthrough in a flexible material of a base body with a tool, the base body then being tensioned and then the reflection layer at least in the area of the opening, in particular by means of a spray application is applied.
  • properties of the gas reflection layer can be improved by means of a method which assigns the gas reflection layer hydrophobic properties, in particular a lotus effect.
  • Base body of the gas separation layer rolled, wherein a radius of the roll determines the opening angle of the breakthrough of the gas separation layer.
  • Figure 1 is a schematic sectional view through a gas separation device
  • Figure 2 is a perspective view of a breakthrough of the gas separation device
  • Figure 3 is a schematic view of the opening in the minimum opening area
  • FIGS. 4 and 5 show a drum-like gas separation layer of the gas separation device
  • Figure 6 shows a modification of the drum-like gas separation layer of the gas separation device shown in Figures 5 and 6;
  • FIG. 7 shows a further modification of a drum-like gas separation layer
  • FIGS 8 and 9 are perspective views of the gas separation layer with multiple separators and connectors
  • Fig. 10 is a perspective view of a modification of the connectors shown in Figs. 8 and 9;
  • FIG. 11 shows a modification of the connectors shown in FIG.
  • the gas separation device 1 comprises a first container 10 having a first gas volume 14 and a second container 11 having a second gas volume 15.
  • the first gas volume 14 has a first gas mixture and the second gas volume 15 a second gas mixture different from the first gas mixture.
  • the containers 10, 11 each have a connection line 12, 13 to the container 10, 11 z. B. to connect with measuring devices, other tanks, equipment or the environment.
  • a first gas separation layer 20 is arranged, wherein the two gas volumes 14, 15 in the two containers 10, 11 are interconnected via the first gas separation layer 20.
  • the first gas separation layer 20 has a plurality of openings 22.
  • the opening 22 is formed with a V-shaped cross-section, wherein in the figure 1, an opening angle is not shown to scale.
  • the opening 22 is designed in the drawing plane as an elongate opening in the first gas separation layer 20.
  • the opening 22 is tapered from the first gas volume 14 to the second gas volume 15 in the second container 11.
  • the opening 22 has a minimum opening width d at its narrowest point, which is arranged on the side of the gas separation layer 20 facing the second container 11.
  • the first gas separation layer 20 has a main body 19 and a gas reflection layer 21, which covers the main body 19 of the first gas separation layer 20 on a surface 330 of the main body 19 in the region of the opening 22.
  • FIG. 1 shows symbolically an atom or molecule of a component 30 of the second gas volume 15 or of the second gas mixture. Furthermore, a first trajectory 300 of the atom or molecule of the component 30 of the second gas volume 15 is shown schematically. Likewise, a second trajectory 310 of a component 31 of the first gas volume 14 is shown.
  • the trajectory 300, 310 of the components 30, 31 of the gas volumes 14, 15 is of a random nature and characterized by Braun's molecular motion. In particular, it is pointed out that, as a result of this, the courses 300, 310 shown in FIGS. 1 and 2 are exemplary.
  • the V-shaped and tapering formation of the opening 22 causes the component 30 of the second gas volume 15, moving from the second gas volume 15 in the direction of the first gas volume 14, to be reflected on the gas reflection layer 21 in such a way that the component 30 moves in the direction of the first gas volume 14 or in the direction of the first container 10 is reflected at the gas reflection layer.
  • several reflections of the component 30 of the second gas volume 15 at the reflection layer 21 of the opening 22 may well be necessary.
  • the minimum opening width d of the opening 22 is matched to the component 30 of the second gas volume 15, the minimum opening width d being in the range from 1 to 20 times the mean free path of the component 30 of the second gas volume 15.
  • a minimum opening width d in the region of ten times the free path length of the component 30 of the second gas volume 15 has proven to be particularly advantageous.
  • only the molecules or atoms of the second gas volume 15 migrate from the second container 11 to the first gas volume 14, which have an average free path ranging from the simple to 20 times the mean free path.
  • the component 31 contained in the first gas volume 14 has the exemplary second path 310.
  • the atom or molecule of the component 31 of the first gas volume 14 enters from the side of the first container 10
  • Breakthrough 22 a In its second trajectory 310, the component 31 of the first gas volume 14 is repeatedly reflected at the gas reflection layer 21, wherein the component 31 of the first gas volume 14 back into the first container by the tapered V-shaped cross section of the opening 22 via multiple reflections on the gas reflection layer 21 10 is reflected.
  • a passage through the passage Break 22 from the first container 10 to the second container 11 is only possible if the component 31 of the first gas volume has a course of movement 310, which allows a non-contact passage through the opening 22. Since this second trajectory 310 is of a random nature and temperature-dependent, the probability of passage of the component 31 from the first gas volume 14 to the second gas volume 15 is low. The probability that the component 30 of the second
  • Gas volume 15 in its first trajectory 300 meets the breakthrough 22 is much greater than the previously described probability of direct passage of the component 31 of the first gas volume 14. This has the consequence that the component 30 of the second gas volume 15 in the first gas volume fourteenth accumulates.
  • the enrichment direction is additionally shown in FIG. 1 by means of an arrow.
  • This gas separation device 1 is particularly suitable for the extraction of noble gases from a gas mixture.
  • the use of the gas separation device 1 in the extraction of helium from air or natural gas is advantageous.
  • the proposed embodiment is technically simpler and less expensive than the prior art methods and apparatus for extracting helium from air or natural gas.
  • the gas separation device is also suitable in a detector device for facilitating the detection of predetermined gases. It is also conceivable to use the gas separation device 1 for cleaning exhaust gases from power plants or motor vehicles.
  • the gas separation device 1 can be used for the separation of carbon dioxide. The separated carbon dioxide can be stored following the separation.
  • the gas separation device 1 compared to other known techniques, such as differently designed scrubbers (eg amine or carbonate scrubbers) energy-efficient, space-saving and simpler design.
  • the gas separation device 1 can be used for the desulfurization of flue gases, so that a plurality of optionally cascaded gas separation devices 1 for the exhaust gas treatment of power plants and / or motor vehicles can be used.
  • the V-shaped opening of the opening 22 has an opening angle of 0.01 ° to 10 °, in particular of 0.7 °. Due to the small opening angle, numerous openings 22 can be arranged closely adjacent to one another and parallel in the first gas separation layer 20. This increases in addition to the design of the opening 22 the throughput z.
  • the gas reflection layer 21 may be used in the embodiment as
  • the gas reflection layer 21 can also be produced by a surface treatment method on the main body 19 of the first gas separation layer 20.
  • the gas reflection layer 21 may comprise at least one of the following materials: metal, in particular gold, silver, copper, chromium, tin, zinc, nickel, comprising a metallic structure , a crystalline structure comprising diamond, silicon nitride, silicon dioxide, metal / silicon hybrid, titanium nitride, tin oxide, silicon carbide, fat, wax, alcohol with long alkyl radicals, alkynes, ceramics, in particular silicate ceramics, oxide ceramics, glass ceramics, mixed ceramics, polymers, in particular thermoplastics, elastomers, thermosets.
  • the gas reflection layer 21 is particularly suitable for protecting the main body 19 of the first gas separation layer 20 from chemical wear.
  • the gas reflection layer 21 can also prevent narrowing or clogging of the opening 22 by particles or gas components, in particular in the region of the minimum opening width d of the opening 22. Because of the moisture contained in the gas volume 14, 15, the formation of the gas reflection layer 21 with hydrophobic properties, in particular a lotus effect, is particularly advantageous.
  • the gas-reflecting layer 21 can be designed as a nano-surface coating and / or nanostructuring to achieve the lotus effect and / or powder coating.
  • At least one of the following preparation processes is suitable: acetylation, acylation, carboxylation, decarboxylation, hydroxylation, hydrogelation, methylation, silylation, sulfonation, application method of graphite, modification with functional polymers, Formation of dendritic structures, chromating, sputtering, anodising, galvanizing, tinning, chemical nickel, gas phase deposition, synthesizing fields from carbon nanotubes, doping, powder coating.
  • the silanization of the gas reflection layer 21 has proven to be particularly advantageous.
  • the gas reflection layer 21 may also be formed on the base body 19 of the first gas separation layer 20 by a surface treatment method in the region of
  • Breakthrough 22 are produced.
  • At least one of the following production methods with which the surface 330 of the opening 22 is aftertreated is suitable: lapping, polishing, acid etching, alkaline etching, laser interference reference method.
  • waviness of the surface 330 of the base body 19 can also be reliably influenced so as to avoid back-reflection of the component 30 of the second gas volume 15 just like the roughness Rz of the surface 19.
  • the material of the main body 19 of the first gas separation layer 20 may have different properties depending on the purpose. In particular, it is suitable for the material of
  • polymers such as polycarbonates, thermoplastics, elastomers and thermosets
  • ceramics such as silicate ceramics, oxide ceramics, glass ceramics and mixed ceramics.
  • the gas reflection layer 21 can be applied by providing the flexible material of the main body 19 with an opening 22 and then tensioning it transversely to the opening 22. As a result, the opening 22 is elastically expanded. On the tensioned base body 19, the gas reflection layer 21 is applied at least in the region of the opening 22. In particular, a spray application is suitable for applying the gas reflection layer 21.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the opening 22 of the first gas separation layer 20.
  • the first gas separation layer 20 comprises a first plate-like separating element 23 and a second plate-like separating element 24, wherein the two separating elements 23, 24 are arranged at an acute angle to one another.
  • the viewing angle of Figure 2 is selected from the first container shown in Figure 1 on the opening 22.
  • the second trajectory 310 of the component 31 of the first gas volume 14 is also shown.
  • the two separating elements 23, 24 likewise have the gas reflection layer 21.
  • the gas separation device has a heating device 34.
  • the gas reflection layer 21 is made of a metallic, an electrical current-conducting material in Figure 2.
  • the gas reflection layer 21 is at its end connected to a controller 32.
  • the control unit 32 is additionally connected to a temperature sensor 36 arranged on the gas reflection layer 21, which provides the control unit 32 with a temperature signal.
  • the control unit 32 energizes the gas reflection layer 21 as a function of the temperature signal of the temperature sensor 36 in order to heat the gas reflection layer 21 with respect to the two gas volumes 14, 15. This heating of the gas reflection layer 21 increases the throughput of the component 30 to be enriched of the second gas volume 15 from the second gas volume 15 to the first gas volume 15.
  • a heating coil as heating device for heating the first gas separation layer 20 is integrated.
  • the cooling of the gas reflection layer 20 by means of a cooling device is conceivable.
  • the heating or cooling device 34 may be formed as a Peltier element.
  • other current sources are also conceivable.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the opening 22 in the region of the minimum opening width d of the opening 22.
  • the two separating elements 23, 24 are arranged opposite one another and are not shown to scale.
  • the serrated lines facing one another should represent a roughness Rz of the surfaces 10 of the separating elements 23, 24 or a roughness Rz of the gas reflection layer 21.
  • the breakthrough 22 arranged between the separating elements 23, 24 in this case has a fluctuating local minimum opening width d, which is influenced by the surfaces 19 of the separating elements 23, 24 with grooves 1, bumps or other elevations or depressions.
  • Separating elements 23, 24 can be used selectively to the minimum opening width d of the opening 22 of the first gas separation layer 20.
  • the roughnesses Rz of the surfaces 19 of the separating elements 23, 24 are adapted in which to the minimum opening width d.
  • the separating elements 23, 24 are moved toward one another in an inclined manner during assembly. Upon contact, the surfaces 19 of the separating elements 23, 24 touch in individual structural points 35. Between the structural points 35, the opening 22 is opened, the structural points 35 defining the minimum opening width d.
  • the structure points 35 are randomly determined by the nature of the surfaces 19.
  • the structural points 35 are determined by the different geometric course of the two surfaces 19.
  • the separating elements 23, 24 are punctiform in at least one structural point 35 or soft materials around the structure point 35 around each other.
  • the minimum opening width d of the passage 22 can be flexibly adapted to the desired minimum opening width d by a pressure of the separating elements 23, 24.
  • the desired minimum opening width d can be provided when a roughness Rz in the range of 0.3 to 10 times the mean free path is selected. This roughness range also ensures reliable reflection of the component 30, 31 of the second or the first gas volume 14, 15 in the direction of the first container 10 and thus avoids a return reflection of the component 30 in the direction of the second container 11.
  • the minimum opening width of the d of the opening 22 influenced.
  • the edge state is less than or equal to the mean free path length, so that an outbreak on the first separating element 23 only insignificantly influences the minimum opening width d.
  • the minimum opening width d of the opening 22 is the mean free path length. If at least one of the dividing elements 23, 24 has a reduced edge state, then the cutouts increase the minimum opening width 5 and thus reduce the effectiveness of the first gas separation layer 20.
  • the waviness of the gas reflection layer 21 of the first gas separation layer 20 behaves similarly to the roughness Rz.
  • the waviness is smaller than the minimum opening width d of the opening 22 of the first gas separation layer 20 on the surfaces 19 of the separation elements 23, 24 Exceeding a predetermined minimum opening width d of the opening 23 is to be avoided.
  • Waviness may also form common structural points 35 in the region of the minimum opening width d of the opening 22, which define the minimum opening width d of the opening.
  • the determination of the minimum opening width d on the roughness Rz or the waviness of the surfaces 19 of the separating elements 23, 24 facilitates installation and adjustability of the gas separation layer 20.
  • FIGS. 4 and 5 show an alternative arrangement of the plate-shaped separating elements 23, 24 of the gas separation device 1.
  • the plate-shaped separating elements 23, 24 are arranged in the form of a drum to form a second gas separation layer 40 on an annular connecting element 26.
  • an interior 33 of the drum-like second gas separation layer 40 is connected to the second container 11 shown in FIG. 1 and a space around the drum-shaped separating elements 23, 24 is connected to the first container 10.
  • the drum-like arrangement of the separating elements 23, 24 allows a space-saving embodiment of the second gas separation layer 40 and can be arranged, for example, in a pipe-like device between the first and the second container 10, 11.
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment of a third gas separation layer 41 of the drum-type gas separation layer 40 shown in FIGS. 4 and 5.
  • This comprises ring-shaped separating elements 25, which are connected to one another by means of bar-type connectors 27.
  • a distance or the minimum opening width d between the individual annular separating elements 25, as described in FIG. 3, can be defined via the roughness Rz or the waviness of the annular separating elements 25 in the region of the minimum opening width d.
  • the beam-like connectors 27 are arranged transversely to the annular separating elements 25, with one connector 27 connecting all the separating elements 25.
  • the connector 27 only one of the separating elements
  • FIG. 7 shows a drum-shaped fourth gas separation layer 43. This comprises individual openings 22, which are in the form of separate openings
  • Openings are arranged in a plate-shaped main body 28 of the fourth gas separation layer 43.
  • the plate-like body 28 of the gas separation layer 20 is provided with openings 22 with the minimum opening width d by means of a tool. This can be done for example by punching, laser cutting or water jet cutting.
  • the base body 28 is rolled, wherein a radius of the roll determines the opening angle of the openings 22.
  • the interior 33 of the gas separation device 1, as mentioned in Figures 4 to 6, are connected to the second gas volume 14 of the second container 11.
  • the outside space around the gas separation device 20 is also connected to the first tank 10 and the first gas volume 14.
  • all non-intended access to the interior 33 must be sealed off after rolling in order to avoid a bypass flow to avoid the openings 22.
  • Suitable materials for the plate-like base body 28 of the drum-like fourth gas separation layer 43 are in particular materials that are both stampable and / or cuttable as well as rollable. In particular, all metals and alloys thereof, as well as plastics, rubber and latex are suitable.
  • FIGS. 8 to 11 show various embodiments of the gas separation layer 20 with triangular separating elements 29.
  • FIGS. 8 and 9 show a fifth gas separation layer 44 with a plurality of triangular separating elements 29 on bar-shaped connectors 27.
  • the triangular separating elements 29 are fastened to the bar-shaped connectors 27 with a lower side 35, so that between the triangular separating elements 29 the breakthroughs 22 form with a V-shaped cross-section.
  • the triangular separating elements 29, as described in FIG. 3, can be applied to one another in order to define the minimum opening width d of the
  • Breakthrough 22 set.
  • a temperature-stable material having a low coefficient of thermal expansion can be used for the connector 27 in order to keep the minimum opening width d approximately stable over a temperature range.
  • ceramics are suitable as a material for the connectors 27.
  • the alternative connector 270 shown in FIG. 9 includes a distance adjusting device 271, which is arranged in the area of the minimum opening width d in the alternative connector 270.
  • An unillustrated further control device is connected to the distance adjusting device 271 and designed to control the distance adjusting device 271 in order to vary the distance or the minimum opening width d of the triangular separating elements 29.
  • This refinement makes it possible to adapt the minimum opening width d of the openings 22 to the mean free path length of the component 30 of the second gas volume 15.
  • Piezo elements or electroactive polymers are particularly suitable for the distance adjusting device 271.
  • other distance adjusting devices 271 are also possible, which vary the distance between the separating elements 29 relative to each other.
  • FIGS. 10 and 11 show an alternative embodiment of the connectors 272 of a sixth gas separation layer 45 with the triangular separating elements 29 shown in FIGS. 8 and 9 in a perspective view.
  • the connectors 272 are arranged in the manner of a beam between the separating elements 29.
  • This embodiment allows a particularly flat construction of the gas separation layer 20.
  • the connectors 272 may be made of the same material as the triangular separating elements 29.
  • the embodiment shown in FIG in particular, to produce the sixth gas separation layer 45 in a sintering process.
  • FIG. 11 shows a perspective view of the embodiment of the sixth gas separation layer 45 shown in FIG. 12.
  • the connectors 272 are designed as webs which have the same height as the triangular separating elements 29.
  • the distance between the connectors 272 relative to one another along a separating element 29 is at least ten times the minimum width D of the opening 22. In this way it is ensured that a sufficient throughput of the component 30 from the second gas volume 15 to the first gas volume 14 is ensured with simultaneous rigidity.
  • a reliable support of the triangular separating elements can thus be ensured against vibrations, so that the gas separation device 20 can be used for example in a motor vehicle.

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Abstract

The invention relates to a gas separation device (1), comprising a gas separation layer (20), a first gas volume (14), and a second gas volume (15), wherein the gas separation layer (20) is arranged between the first gas volume (14) and the second gas volume (15), wherein the gas separation layer (20) comprises at least one aperture (22) which connects the first gas volume (14) to the second gas volume (15), wherein the aperture (22) is designed to taper from the first gas volume (14) to the second gas volume (15) and is dimensioned to enrich a component (30) of the second gas volume (15) in the first gas volume (14), wherein the aperture (22) is designed as an elongated opening in the gas separation layer (20) and/or comprises a gas reflection layer (22) on a surface (33), wherein the aperture (22) has a minimum opening width (d) of essentially one time to twenty times the mean free path length of the component (30) of the second gas volume (15) to be enriched.

Description

Beschreibung description
Gastrennvorrichtung Gas separator
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 Gasvo- lumen anzureichern. The invention relates to a gas separation device having a gas separation layer, a first gas volume and a second gas volume, wherein the gas separation layer between the first gas volume and the second gas volume is arranged, wherein the gas separation layer has at least one aperture which connects the first gas volume with the second gas volume the breakthrough from the first gas volume to the second gas volume is tapered and dimensioned to enrich a component of the second gas volume in the first gas volume.
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 mitt- lere 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. From DE 10 2005 055 675 B3 a detector device for detecting the presence of a gas is known. The detector device comprises a capillary device with one or more capillaries connecting a first side of the capillary device to a second side of the capillary device. The capillaries are tapered in sections from the first side to the second side, wherein the minimum cross-section of the capillaries is smaller than the mean free path of the predetermined gas under the intended conditions. With this configuration, a gas component of a gas mixture applied to the second side can be enriched on the first side. However, in addition to a complicated production of the capillaries due to the narrow tubular structure of the capillaries, the throughput of the gas component is limited by the capillaries.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Gastrennvorrichtung bereitzustellen, die insbesondere einen erhöhen Durchsatz aufweist und einfacher herstellbar ist. Diese Aufgabe wird durch eine Gastrennvorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gastrennvorrichtung gemäß Anspruch 13 und Anspruch 15 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. It is an object of the invention to provide an improved gas separation device, which in particular has an increased throughput and is easier to produce. This object is achieved by a gas separation device according to claim 1 and by a method for producing such a gas separation device according to claim 13 and claim 15. Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
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 Mini- malöffnungsbreite von im Wesentlichen dem einfachen bis zwanzigfachen der mittleren freien Weglänge der anzureichenden Komponente des zweiten Gasvolumens auf. 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. 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°, be- ^ According to the invention, a gas separation device with a gas separation layer, a first gas volume and a second gas volume is proposed, wherein the gas separation layer is arranged between the first gas volume and the second gas volume. The gas volumes are connected to each other via the gas separation layer. The gas separation layer has at least one breakthrough. The breakthrough connects the first gas volume to the second gas volume and is tapered from the first gas volume to the second gas volume and dimensioned to enrich a component of the second gas volume in the first gas volume. Further, the aperture is designed as an elongate opening in the gas separation layer and / or has a gas reflection layer on a surface of the aperture. Further, the aperture has a minimum aperture width of substantially one to twenty times the mean free path of the component of the second gas volume to be added. This embodiment enables an increased rate of enrichment (or an increased throughput) of the component of the second gas volume in the first gas volume. Further, the breakthrough to a capillary, which is usually designed as a long, thin channel tubular, much easier to manufacture. Furthermore, the wear of the gas separation layer with respect to different gas mixtures can be reduced by the additional or alternative gas reflection layer. In a further embodiment, the opening has a V-shaped cross-section whose opening angle is substantially 0.01 ° to 10 °, in particular substantially 0.7 °. ^
trägt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine zuverlässige Rück- reflexion von Gasatomen bzw. Gasmolekülen des ersten Gasvolumens, die die Gastrennschicht nicht passieren sollen, so dass ein Übertritt von Atomen bzw. Molekülen des ersten Gasvolu- mens zum zweiten Gasvolumen zuverlässig vermieden wird. wearing. This refinement enables a reliable reflection of gas atoms or gas molecules of the first gas volume, which should not pass through the gas separation layer, so that a transfer of atoms or molecules of the first gas volume to the second gas volume is reliably avoided.
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. In a further embodiment, the gas separation layer has a first plate-like separator and a second plate-like separator, wherein the first separator is disposed opposite to the second separator at an acute angle and wherein between the first and the second separator the breakthrough is arranged. This ensures a cost-effective design of the gas separation layer.
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 anzurei- chernde Komponente des zweiten Gasvolumens abgestimmten Abstand zwischen den beiden Trennelementen. In a further embodiment, the gas separation layer comprises at least two triangularly shaped separating elements and at least one connector, wherein the separating elements of the gas separation layer are fastened to the connector. Between the two separating elements of the breakthrough is arranged. This embodiment allows a reliable determination of the opening angle of the opening by the configuration of the triangular separating elements. Furthermore, the connector reliably ensures the predetermined distance between the two separating elements matched to the component of the second gas volume to be enriched.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Verbinder der In another embodiment, the connector is the
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 Minimalöffnungs- breite des Durchbruchs an die mittlere freie Weglänge der an- zureichernden Komponente anpassbar ist. 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 trommel- artige Anordnung der Trennelemente mit dem ersten Gasvolumen verbunden. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine bauraumopti- mierte Variante der Gastrennvorrichtung. Dividing elements formed adjustable to vary a distance of the separating elements to each other. This embodiment makes it possible to adapt the gas separation layer to different components to be enriched or different gas mixtures of the gas volumes, wherein the minimum opening width of the opening can be adapted to the average free path length of the component to be enriched. In a further embodiment, a plurality of separating elements are arranged like a drum. In this case, an interior of the drum-like arrangement of the separating elements with the second gas volume and at least part of an outer space around the drum-like arrangement of the separating elements is connected to the first gas volume. This embodiment allows a space-optimized variant of the gas separation device.
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 Mi- nimalöffnungsbreite des Durchbruchs zwischen den Trennelemen- ten festlegt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfacheIn a further embodiment, the first and the second separating element of the gas separation layer have a structured surface and at least one common structure point. The structured surfaces of the two separating elements are designed such that the structure point defines the minimum opening width of the opening between the separating elements. This embodiment allows a simple
Abstandsfestlegung der Trennelemente der Gastrennschicht zueinander . Distance defining the separation elements of the gas separation layer to each other.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Länge des Durch- bruchs 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. 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. In a further embodiment, the length of the breakthrough is at least ten times the minimum opening width of the opening of the gas separation layer. This embodiment enables a particularly high throughput of the component of the second gas volume to the first gas volume. In a further embodiment, the gas reflection layer of the gas separation layer has a roughness Rz of 0.3 to 10 times the mean free path. This roughness additionally enhances a reliable enrichment of the component of the second gas volume in the first gas volume.
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 Minimalöffnungsbrei- te der Gastrennschicht vermieden, so dass die beiden Gasvolumina zuverlässig voneinander getrennt sind und die Anreiche- rung der Komponente des zweiten Gasvolumens im ersten Gasvolumen gewährleistet ist. In another embodiment, a ripple of the gas reflection layer of the gas separation layer is smaller than the minimum opening width of the opening of the gas separation layer. In this way, exceeding the minimum opening width of the gas separation layer is avoided so that the two gas volumes are reliably separated from one another and the enrichment tion of the component of the second gas volume is ensured in the first gas volume.
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. In a further embodiment, the gas separation layer has a heating or cooling device which is designed to heat or cool the gas separation layer and to provide a temperature difference to the first and / or the second gas volume. This embodiment promotes the enrichment of the component of the second gas volume in the first gas volume.
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. This is particularly advantageous if the heating or cooling device comprises the gas reflection layer. The heating or cooling device of the gas reflection layer is in this case preferably designed as a Peltier element. As a material, the gas reflection layer on a metallic, electrical current-conducting and / or semiconducting material. In this case, the gas reflection layer is connected to a power source and / or a control device of the heating or cooling device so as to reliably control the heating or cooling of the gas reflection layer.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Gastrennschicht wenigstens einen der folgenden Werkstoffe auf: Gläser, insbesondere Kalk-Natron-Glas, Quarzglas, Bleiglas, Borosili- katglas, Borophosphatglas , Alumosilikatglas , Fluoridglas,In a further embodiment, the gas separation layer has at least one of the following materials: glasses, in particular soda-lime glass, quartz glass, lead glass, borosilicate glass, borophosphate glass, aluminosilicate glass, fluoride glass,
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,Chalcogenide glass, metals, in particular iron, aluminum, copper, tin, zinc, magnesium, nickel, chromium, silicon, carbon, rubber-like materials, in particular silicone, rubber, latex, polymers such as polycarbonates, thermoplastics, elastomers and thermosets, ceramics such as silicate ceramics,
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. In einer weiteren Ausführungsform liegt an dem ersten Gasvolumen der Gastrennvorrichtung ein erster Druck und am zweiten Gasvolumen der Gastrennvorrichtung ein zweiter Druck an, wo- bei 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. 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 Refle- xionsschicht wenigstens im Bereich des Durchbruchs insbesondere mittels eines Sprühauftrags aufgebracht wird. Oxide ceramics, glass ceramics and mixed ceramics. This embodiment makes it possible to adapt the gas reflection layer to the two gas volumes or to the component of the second gas volume which is to be enriched in the first gas volume. In particular, can be avoided by the choice of said materials, a reaction of the gas volumes with the gas separation layer. In a further embodiment, a first pressure is applied to the first gas volume of the gas separation device and a second pressure to the second gas volume of the gas separation device, wherein the second pressure of the second gas volume is increased compared to the first pressure of the first gas volume. In this way, the enrichment of the component of the second gas volume in the first gas volume can be forced. Particularly advantageously, the gas separation layer of the above-mentioned gas separation device can be produced by introducing at least one breakthrough in a flexible material of a base body with a tool, the base body then being tensioned and then the reflection layer at least in the area of the opening, in particular by means of a spray application is applied.
Ferner können Eigenschaften der Gasreflexionsschicht mittels eines Verfahrens verbessert werden, das der Gasreflexions- schicht hydrophobe Eigenschaften, insbesondere einen Lotuseffekt , zuweist . Furthermore, properties of the gas reflection layer can be improved by means of a method which assigns the gas reflection layer hydrophobic properties, in particular a lotus effect.
Um die trommeiförmig ausgebildete Gastrennvorrichtung besonders einfach herzustellen, wird vorgeschlagen, in einen plat- tenartig ausgebildeten Grundkörper der Gastrennschicht mit einem Werkzeug einen Durchbruch mit der Minimalöffnungsbreite einzubringen. Im Anschluss daran wird der plattenartige In order to produce the drum-shaped gas separation device in a particularly simple manner, it is proposed to introduce a breakthrough with the minimum opening width into a plate-like basic body of the gas separation layer using a tool. Following this, the plate-like
Grundkörper der Gastrennschicht gerollt, wobei ein Radius des Rollens den Öffnungswinkel des Durchbruchs der Gastrenn- schicht 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 . Base body of the gas separation layer rolled, wherein a radius of the roll determines the opening angle of the breakthrough of the gas separation layer. This method allows, for example, the breakthrough by means of punching or laser cutting cost to introduce into the body of the gas separation layer and assign the breakthrough a desired opening angle.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Gastrennvorrichtung; The invention will be explained in more detail with reference to figures. Showing: Figure 1 is a schematic sectional view through a gas separation device;
Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines Durchbruchs der Gastrennvorrichtung; Figure 2 is a perspective view of a breakthrough of the gas separation device;
Figur 3 eine schematische Ansicht des Durchbruchs im Minimal- öffnungsbereich ;  Figure 3 is a schematic view of the opening in the minimum opening area;
Figuren 4 und 5 eine trommelartig ausgebildete Gastrennschicht der Gastrennvorrichtung; FIGS. 4 and 5 show a drum-like gas separation layer of the gas separation device;
Figur 6 eine Abwandlung der in Figuren 5 und 6 gezeigten trommelartig ausgebildeten Gastrennschicht der Gastrennvorrichtung; Figure 6 shows a modification of the drum-like gas separation layer of the gas separation device shown in Figures 5 and 6;
Figur 7 eine weitere Abwandlung einer trommelartig ausgebildeten Gastrennschicht; FIG. 7 shows a further modification of a drum-like gas separation layer;
Figuren 8 und 9 perspektivische Ansichten der Gastrennschicht mit mehreren Trennelementen und Verbindern; Figures 8 and 9 are perspective views of the gas separation layer with multiple separators and connectors;
Figur 10 eine perspektivische Ansicht einer Abwandlung der in Figuren 8 und 9 gezeigten Verbinder; Fig. 10 is a perspective view of a modification of the connectors shown in Figs. 8 and 9;
Figur 11 eine Abwandlung der in Figur 10 gezeigten Verbinder. FIG. 11 shows a modification of the connectors shown in FIG.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Gastrennvorrichtung 1. Die Gastrennvorrichtung 1 umfasst ei- nen 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. 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 mitein- ander 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 Figur 1 ein Öffnungswinkel nicht maßstabsgetreu dargestellt ist. 1 shows a schematic sectional view of a gas separation device 1. The gas separation device 1 comprises a first container 10 having a first gas volume 14 and a second container 11 having a second gas volume 15. The first gas volume 14 has a first gas mixture and the second gas volume 15 a second gas mixture different from the first gas mixture. The containers 10, 11 each have a connection line 12, 13 to the container 10, 11 z. B. to connect with measuring devices, other tanks, equipment or the environment. Between the first container 10 and the second container 15, a first gas separation layer 20 is arranged, wherein the two gas volumes 14, 15 in the two containers 10, 11 are interconnected via the first gas separation layer 20. For this purpose, the first gas separation layer 20 has a plurality of openings 22. The opening 22 is formed with a V-shaped cross-section, wherein in the figure 1, an opening angle is not shown to scale.
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 schmälsten Stelle, die auf der zum zweiten Behälter 11 zugewandten Seite der Gastrennschicht 20 angeordnet ist, einen Minimalöffnungsbreite d auf. The opening 22 is designed in the drawing plane as an elongate opening in the first gas separation layer 20. The opening 22 is tapered from the first gas volume 14 to the second gas volume 15 in the second container 11. The opening 22 has a minimum opening width d at its narrowest point, which is arranged on the side of the gas separation layer 20 facing the second container 11.
Die erste Gastrennschicht 20 weist einen Grundkörper 19 und eine Gasreflexionsschicht 21 auf, die den Grundkörper 19 der ersten Gastrennschicht 20 an einer Oberfläche 330 des Grundkörpers 19 im Bereich des Durchbruchs 22 bedeckt. The first gas separation layer 20 has a main body 19 and a gas reflection layer 21, which covers the main body 19 of the first gas separation layer 20 on a surface 330 of the main body 19 in the region of the opening 22.
In Figur 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 'sehen Molekularbewegung geprägt. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass resultierend daraus die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Bahnverläufe 300, 310 beispielhaft sind. FIG. 1 shows symbolically an atom or molecule of a component 30 of the second gas volume 15 or of the second gas mixture. Furthermore, a first trajectory 300 of the atom or molecule of the component 30 of the second gas volume 15 is shown schematically. Likewise, a second trajectory 310 of a component 31 of the first gas volume 14 is shown. The trajectory 300, 310 of the components 30, 31 of the gas volumes 14, 15 is of a random nature and characterized by Braun's molecular motion. In particular, it is pointed out that, as a result of this, the courses 300, 310 shown in FIGS. 1 and 2 are exemplary.
Trifft die Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 in ihrem ersten Bahnverlauf 300 durch den Durchbruch 22, so 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 Be- hälter 10 zu erreichen, können durchaus mehrere Reflexionen der Komponente 30 des zweiten Gasvolumens 15 an der Reflexionsschicht 21 des Durchbruchs 22 notwendig sein. Meets the component 30 of the second gas volume 15 in its first trajectory 300 through the opening 22, the Component 30 of the second gas volume 15 upon contact with the gas reflection layer 21 at this reflected. In this case, the V-shaped and tapering formation of the opening 22 causes the component 30 of the second gas volume 15, moving from the second gas volume 15 in the direction of the first gas volume 14, to be reflected on the gas reflection layer 21 in such a way that the component 30 moves in the direction of the first gas volume 14 or in the direction of the first container 10 is reflected at the gas reflection layer. To achieve the first container 10, several reflections of the component 30 of the second gas volume 15 at the reflection layer 21 of the opening 22 may well be necessary.
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 frei- en 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. The minimum opening width d of the opening 22 is matched to the component 30 of the second gas volume 15, the minimum opening width d being in the range from 1 to 20 times the mean free path of the component 30 of the second gas volume 15. In particular, a minimum opening width d in the region of ten times the free path length of the component 30 of the second gas volume 15 has proven to be particularly advantageous. As a result, only the molecules or atoms of the second gas volume 15 migrate from the second container 11 to the first gas volume 14, which have an average free path ranging from the simple to 20 times the mean free path.
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 Gas- volumens 14 von der Seite des ersten Behälters 10 in denThe component 31 contained in the first gas volume 14 has the exemplary second path 310. In this case, the atom or molecule of the component 31 of the first gas volume 14 enters from the side of the first container 10
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 Durch- bruch 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 die- ser 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. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Komponente 30 des zweitenBreakthrough 22 a. In its second trajectory 310, the component 31 of the first gas volume 14 is repeatedly reflected at the gas reflection layer 21, wherein the component 31 of the first gas volume 14 back into the first container by the tapered V-shaped cross section of the opening 22 via multiple reflections on the gas reflection layer 21 10 is reflected. A passage through the passage Break 22 from the first container 10 to the second container 11 is only possible if the component 31 of the first gas volume has a course of movement 310, which allows a non-contact passage through the opening 22. Since this second trajectory 310 is of a random nature and temperature-dependent, the probability of passage of the component 31 from the first gas volume 14 to the second gas volume 15 is low. The probability that the component 30 of the second
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 Figur 1 mittels eines Pfeils zusätzlich aufgezeigt. Gas volume 15 in its first trajectory 300 meets the breakthrough 22 is much greater than the previously described probability of direct passage of the component 31 of the first gas volume 14. This has the consequence that the component 30 of the second gas volume 15 in the first gas volume fourteenth accumulates. The enrichment direction is additionally shown in FIG. 1 by means of an arrow.
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 Aus- führungsform technisch einfacher und kostengünstiger als die bisherigen zur Extraktion von Helium aus Luft oder Erdgas bekannten Verfahren und Vorrichtungen. If the component 30 to be enriched of the second gas volume 15 in the first container is subject to the same conditions as the component 31 of the first gas volume 14, then the path back to the second container 11 for the component 30 to be enriched of the second gas volume 15 in the first container 1 is almost , as also described above for the first component 30, is locked. This gas separation device 1 is particularly suitable for the extraction of noble gases from a gas mixture. As an example, the use of the gas separation device 1 in the extraction of helium from air or natural gas is advantageous. In this application, the proposed embodiment is technically simpler and less expensive than the prior art methods and apparatus for extracting helium from air or natural gas.
Alternativ eignet sich die Gastrennvorrichtung auch in einer Detektoreinrichtung zur Erleichterung der Detektion von vorbestimmten Gasen. 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, bauraum- günstiger und einfacher ausgebildet. Auch kann die Gastrenn- Vorrichtung 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. 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 von 0,01° bis 10°, insbesondere von 0,7° auf. Durch den geringen Öffnungswinkel 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 Durchsat z . Die Gasreflexionsschicht 21 kann in der Ausführungsform alsAlternatively, the gas separation device is also suitable in a detector device for facilitating the detection of predetermined gases. It is also conceivable to use the gas separation device 1 for cleaning exhaust gases from power plants or motor vehicles. In this case, the gas separation device 1 can be used for the separation of carbon dioxide. The separated carbon dioxide can be stored following the separation. In this case, the gas separation device 1 compared to other known techniques, such as differently designed scrubbers (eg amine or carbonate scrubbers) energy-efficient, space-saving and simpler design. Also, the gas separation device 1 can be used for the desulfurization of flue gases, so that a plurality of optionally cascaded gas separation devices 1 for the exhaust gas treatment of power plants and / or motor vehicles can be used. In order to ensure a high throughput in the enrichment of the component 30 of the second gas volume 15 in the first gas volume 14, the V-shaped opening of the opening 22 has an opening angle of 0.01 ° to 10 °, in particular of 0.7 °. Due to the small opening angle, numerous openings 22 can be arranged closely adjacent to one another and parallel in the first gas separation layer 20. This increases in addition to the design of the opening 22 the throughput z. The gas reflection layer 21 may be used in the embodiment as
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. Coating a base body 19 of the first gas separation layer 20 may be formed. Additionally or alternatively, the gas reflection layer 21 can also be produced by a surface treatment method on the main body 19 of the first gas separation layer 20. Depending on the two gas volumes 14, 15, in particular the component 30 of the second gas volume 15, the gas reflection layer 21 may comprise at least one of the following materials: metal, in particular gold, silver, copper, chromium, tin, zinc, nickel, comprising a metallic structure , a crystalline structure comprising diamond, silicon nitride, silicon dioxide, metal / silicon hybrid, titanium nitride, tin oxide, silicon carbide, fat, wax, alcohol with long alkyl radicals, alkynes, ceramics, in particular silicate ceramics, oxide ceramics, glass ceramics, mixed ceramics, polymers, in particular thermoplastics, elastomers, thermosets. In this case, the gas reflection layer 21 is particularly suitable for protecting the main body 19 of the first gas separation layer 20 from chemical wear.
Auch kann durch die Gasreflexionsschicht 21 ein Verengen bzw. ein Verstopfen des Durchbruchs 22 durch Partikel oder Gaskom- ponenten, 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. 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, Pul- verbeschichtung . Als besonders vorteilhaft hat sich auch die Silanisierung der Gasreflexionsschicht 21 herausgestellt. The gas reflection layer 21 can also prevent narrowing or clogging of the opening 22 by particles or gas components, in particular in the region of the minimum opening width d of the opening 22. Because of the moisture contained in the gas volume 14, 15, the formation of the gas reflection layer 21 with hydrophobic properties, in particular a lotus effect, is particularly advantageous. For this purpose, for example, the gas-reflecting layer 21 can be designed as a nano-surface coating and / or nanostructuring to achieve the lotus effect and / or powder coating. To apply the gas reflection layer 21 to the base body 19 of the first gas separation layer 20, at least one of the following preparation processes is suitable: acetylation, acylation, carboxylation, decarboxylation, hydroxylation, hydrogelation, methylation, silylation, sulfonation, application method of graphite, modification with functional polymers, Formation of dendritic structures, chromating, sputtering, anodising, galvanizing, tinning, chemical nickel, gas phase deposition, synthesizing fields from carbon nanotubes, doping, powder coating. The silanization of the gas reflection layer 21 has proven to be particularly advantageous.
Alternativ oder zusätzlich kann die Gasreflexionsschicht 21 auch auf dem Grundkörper 19 der ersten Gastrennschicht 20 durch ein Oberflächenbehandlungsverfahren im Bereich desAlternatively or additionally, the gas reflection layer 21 may also be formed on the base body 19 of the first gas separation layer 20 by a surface treatment method in the region of
Durchbruchs 22 hergestellt werden. Vorteilhafter Weise wird in dem Oberflächenbehandlungsverfahren eine Rauigkeit Rz im „ Breakthrough 22 are produced. Advantageously, in the surface treatment method, a roughness Rz in "
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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 330 des Durchbruchs 22 nachbehandelt wird: Läppen, Polieren, saures Ätzen, alkalisches Ätzen, Laserintereferenzverfahren . Mittels dieser Herstellungsverfahren kann neben der Rauigkeit Rz der Oberfläche 330 des Grundkörpers 19 auch eine Welligkeit der Oberfläche 330 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. Provided in the range of 0.3 to 10 times the mean free path, so that the component 30 of the second gas volume 15 in the passage 22 undergoes no back-reflection on a survey in the direction of the second container 11 and the second gas volume 15. In particular, for the production of the gas reflection layer 21 from the base body 19 of the first gas separation layer 20, at least one of the following production methods with which the surface 330 of the opening 22 is aftertreated is suitable: lapping, polishing, acid etching, alkaline etching, laser interference reference method. By means of these production methods, in addition to the roughness Rz of the surface 330 of the base body 19, waviness of the surface 330 of the base body 19 can also be reliably influenced so as to avoid back-reflection of the component 30 of the second gas volume 15 just like the roughness Rz of the surface 19.
Das Material des Grundkörpers 19 der ersten Gastrennschicht 20 kann je nach Einsatzzweck unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Insbesondere eignet sich für das Material desThe material of the main body 19 of the first gas separation layer 20 may have different properties depending on the purpose. In particular, it is suitable for the material of
Grundkörpers 19 der ersten Gastrennschicht 20 wenigstens einer der folgenden Werkstoffe: Gläser, insbesondere Kalk- Natron-Glas, Quarzglas, Bleiglas, Borosilikatglas , Bo- rophosphatglas , Alumosilikatglas , Fluoridglas, Chalkoge- nidglas, Metalle, insbesondere Eisen, Aluminium, Kupfer,Basic body 19 of the first gas separation layer 20 of at least one of the following materials: glasses, in particular soda-lime glass, quartz glass, lead glass, borosilicate glass, borophosphate glass, aluminosilicate glass, fluoride glass, chalcogenide glass, metals, in particular iron, aluminum, copper,
Zinn, Zink, Magnesium, Nickel, Chrom, Silizium, Kohlenstoff, gummiartige Werkstoffe, insbesondere Silikon, Kautschuk, Latex, Polymere wie Polykarbonate, Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste, Keramiken wie Silikatkeramik, Oxidkeramik, Glas- keramik und Mischkeramik. Dabei ist die Wahl des Materials des Grundkörpers 19 auf die in den Figuren 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. 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 Gasre- flexionsschicht 21 ein Sprühauftrag. Nach dem Auftrag derTin, zinc, magnesium, nickel, chromium, silicon, carbon, rubber-like materials, in particular silicone, rubber, latex, polymers such as polycarbonates, thermoplastics, elastomers and thermosets, ceramics such as silicate ceramics, oxide ceramics, glass ceramics and mixed ceramics. In this case, the choice of the material of the base body 19 to the closer explained in Figures 3 and 4 assembly of the first gas separation layer 20 and optionally to the components of the gas volumes 14, 15 to a chemical reaction of the components of the gas volumes 14, 15 with the material of the body 19 to avoid. If the material of the main body 19 of the first gas separation layer 20 is made of a flexible material, the gas reflection layer 21 can be applied by providing the flexible material of the main body 19 with an opening 22 and then tensioning it transversely to the opening 22. As a result, the opening 22 is elastically expanded. On the tensioned base body 19, the gas reflection layer 21 is applied at least in the region of the opening 22. In particular, a spray application is suitable for applying the gas reflection layer 21. After the order of
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. Figur 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 Figur 2 ist von dem in Figur 1 gezeigten ersten Behälter auf den Durchbruch 22 gewählt. Ferner ist auch der zweite Bahnverlauf 310 der Komponente 31 des ersten Gasvolumens 14 aufgezeigt . Gas reflection layer 21, the voltage of the main body 19 is released again, so that the first gas separation layer 20 relaxes in its final state. This ensures a sufficient and complete coating of the opening 22 of the first gas separation layer 20. In order to prevent the gas reflection layer 21 from flaking off, the choice of the material of the gas reflection layer 21 must be matched to the elastic material of the base body 19. FIG. 2 shows a perspective view of the opening 22 of the first gas separation layer 20. The first gas separation layer 20 comprises a first plate-like separating element 23 and a second plate-like separating element 24, wherein the two separating elements 23, 24 are arranged at an acute angle to one another. The viewing angle of Figure 2 is selected from the first container shown in Figure 1 on the opening 22. Furthermore, the second trajectory 310 of the component 31 of the first gas volume 14 is also shown.
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 Figur 2 die Gasreflexionsschicht 21 aus einem metallischen, einen elektrischen Strom leitenden Werkstoff gefertigt. Die Gasreflexionsschicht 21 ist an ihren En- den 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. The two separating elements 23, 24 likewise have the gas reflection layer 21. In order to increase a transport of the component 30 of the second gas volume 15 to the first gas volume 14, the gas separation device has a heating device 34. For this purpose, the gas reflection layer 21 is made of a metallic, an electrical current-conducting material in Figure 2. The gas reflection layer 21 is at its end connected to a controller 32. Furthermore, the control unit 32 is additionally connected to a temperature sensor 36 arranged on the gas reflection layer 21, which provides the control unit 32 with a temperature signal. The control unit 32 energizes the gas reflection layer 21 as a function of the temperature signal of the temperature sensor 36 in order to heat the gas reflection layer 21 with respect to the two gas volumes 14, 15. This heating of the gas reflection layer 21 increases the throughput of the component 30 to be enriched of the second gas volume 15 from the second gas volume 15 to the first gas volume 15.
Alternativ ist denkbar, dass in dem Grundkörper 19 bzw. in den Trennelementen 23, 24 eine Heizspirale als Heizeinrichtu- nung 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 Werk- stoff der in Figur 2 gezeigten Gastrennschicht einen halbleitenden Werkstoff zu verwenden. Alternativ zum Steuergerät 32 sind auch andere Stromquellen denkbar. Alternatively, it is conceivable that in the base body 19 or in the separating elements 23, 24, a heating coil as heating device for heating the first gas separation layer 20 is integrated. Also, the cooling of the gas reflection layer 20 by means of a cooling device is conceivable. In particular, the heating or cooling device 34 may be formed as a Peltier element. Furthermore, it is additionally or alternatively conceivable to use a semiconductive material as the material of the gas separation layer shown in FIG. As an alternative to the control unit 32, other current sources are also conceivable.
Figur 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 Rau- igkeit 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 derFIG. 3 shows a schematic representation of the opening 22 in the region of the minimum opening width d of the opening 22. In this case, the two separating elements 23, 24 are arranged opposite one another and are not shown to scale. The serrated lines facing one another should represent a roughness Rz of the surfaces 10 of the separating elements 23, 24 or a roughness Rz of the gas reflection layer 21. The breakthrough 22 arranged between the separating elements 23, 24 in this case has a fluctuating local minimum opening width d, which is influenced by the surfaces 19 of the separating elements 23, 24 with grooves 1, bumps or other elevations or depressions. The roughness Rz of the surfaces 19 of the
Trennelemente 23, 24 kann gezielt genutzt werden, um die Mindestöffnungsbreite d des Durchbruchs 22 der ersten Gastrenn- schicht 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 Min- destöffnungsbreite d des Durchbruchs 22 werden die Trennele- mente 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 fest- legen. Separating elements 23, 24 can be used selectively to the minimum opening width d of the opening 22 of the first gas separation layer 20. For this purpose, the roughnesses Rz of the surfaces 19 of the separating elements 23, 24 are adapted in which to the minimum opening width d. To set the minimum opening width d of the opening 22, the separating elements 23, 24 are moved toward one another in an inclined manner during assembly. Upon contact, the surfaces 19 of the separating elements 23, 24 touch in individual structural points 35. Between the structural points 35, the opening 22 is opened, the structural points 35 defining the minimum opening width d.
Die Strukturpunkte 35 sind dabei zufällig durch die Beschaffenheit der Oberflächen 19 bestimmt. Die Strukturpunkte 35 werden dabei durch den unterschiedlichen geometrischen Ver- lauf der beiden Oberflächen 19 bestimmt. The structure points 35 are randomly determined by the nature of the surfaces 19. The structural points 35 are determined by the different geometric course of the two surfaces 19.
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. Ins- besondere 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. Depending on the choice of the material of the separating elements 23, 24, the separating elements 23, 24 are punctiform in at least one structural point 35 or soft materials around the structure point 35 around each other. For softer materials, in particular for example in the case of plastic, metal, rubber or latex, the minimum opening width d of the passage 22 can be flexibly adapted to the desired minimum opening width d by a pressure of the separating elements 23, 24. Specifically, the desired minimum opening width d can be provided when a roughness Rz in the range of 0.3 to 10 times the mean free path is selected. This roughness range also ensures reliable reflection of the component 30, 31 of the second or the first gas volume 14, 15 in the direction of the first container 10 and thus avoids a return reflection of the component 30 in the direction of the second container 11.
Um eine V-förmige Öffnung des Durchbruchs 22 bereitzustellen werden in der Montage wie oben erläutert die TrennelementeIn order to provide a V-shaped opening of the opening 22 in the assembly as explained above, the separating elements
23, 24 schräg aufeinander zugefahren, bis sich die Trennelemente 23, 24 berühren. Diese Berührung erfolgt im Kontaktbe- reich der beidem Trennelemente 23, 24, sodass neben der Rauigkeit Rz auch ein Kantenzustand die Minimaloffnungsbreite 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 Minimaloffnungsbreite d des Durchbruchs 22 die mittlere freie Weglänge. Weist wenigstens eines der Trennelemente 23, 24 einen verringerten Kantenzustand auf, so erhöhen die Ausbrüche die Minimaloffnungsbreite 5 und reduzieren somit die Wirksamkeit der ersten Gastrennschicht 20. 23, 24 obliquely closed to each other until the separating elements 23, 24 touch. This contact takes place in the contact rich of the two separating elements 23, 24, so that in addition to the roughness Rz and an edge state, the minimum opening width of the d of the opening 22 influenced. In the embodiment, the edge state is less than or equal to the mean free path length, so that an outbreak on the first separating element 23 only insignificantly influences the minimum opening width d. In this case, the minimum opening width d of the opening 22 is the mean free path length. If at least one of the dividing elements 23, 24 has a reduced edge state, then the cutouts increase the minimum opening width 5 and thus reduce the effectiveness of the first gas separation layer 20.
Ähnlich zur Rauigkeit Rz verhält sich auch die Welligkeit der Gasreflexionsschicht 21 der ersten Gastrennschicht 20. Bevor- zugterweise ist hierbei die Welligkeit kleiner als die Minimaloffnungsbreite d des Durchbruchs 22 der ersten Gastrennschicht 20 an den Oberflächen 19 der Trennelemente 23, 24 zu wählen, um ein Überschreiten einer vorbestimmten Mindestöff- nungsbreite d des Durchbruchs 23 zu vermeiden. Analog zur Rauigkeit Rz der Oberflächen 19 der Gastrennschicht 20 derThe waviness of the gas reflection layer 21 of the first gas separation layer 20 behaves similarly to the roughness Rz. Preferably, the waviness is smaller than the minimum opening width d of the opening 22 of the first gas separation layer 20 on the surfaces 19 of the separation elements 23, 24 Exceeding a predetermined minimum opening width d of the opening 23 is to be avoided. Analogous to the roughness Rz of the surfaces 19 of the gas separation layer 20 of FIG
Welligkeit können sich ebenso gemeinsame Strukturpunkte 35 im Bereich der Mindestöffnungsbreite d des Durchbruchs 22 ausbilden, die die Mindestöffnungsbreite d des Durchbruchs festlegen . Waviness may also form common structural points 35 in the region of the minimum opening width d of the opening 22, which define the minimum opening width d of the opening.
Die Festlegung der Minimaloffnungsbreite d über die Rauigkeit Rz bzw. die Welligkeit der Oberflächen 19 der Trennelemente 23, 24 erleichtert Montage und Einstellbarkeit der Gastrennschicht 20. The determination of the minimum opening width d on the roughness Rz or the waviness of the surfaces 19 of the separating elements 23, 24 facilitates installation and adjustability of the gas separation layer 20.
Figuren 4 und 5 zeigen eine alternative Anordnung der plat- tenförmigen Trennelemente 23, 24 der Gastrennvorrichtung 1. Dabei sind die plattenförmigen Trennelemente 23, 24 trommeiförmig zur Ausbildung einer zweiten Gastrennschicht 40 an ei- nem ringförmigen Verbindungselement 26 angeordnet. Durch die Anordnung der plattenförmigen Trennelemente 23, 24 mit ihren Unterseiten an den ringförmigen Verbindern 26 sind diese zu- einander V-förmig ausgerichtet. Dabei kann durch die Variation der Anzahl und der Dicke der plattenförmigen Trennelemente 23, 24 der Öffnungswinkel zwischen den Trennelementen 23,FIGS. 4 and 5 show an alternative arrangement of the plate-shaped separating elements 23, 24 of the gas separation device 1. The plate-shaped separating elements 23, 24 are arranged in the form of a drum to form a second gas separation layer 40 on an annular connecting element 26. As a result of the arrangement of the plate-shaped separating elements 23, 24 with their undersides on the annular connectors 26, these are aligned V-shaped. In this case, by varying the number and the thickness of the plate-shaped separating elements 23, 24, the opening angle between the separating elements 23,
24 eingestellt werden. 24 are set.
In der in den Figuren 4 und 5 gezeigten Ausführungsform ist ein Innenraum 33 der trommelartig ausgebildeten zweiten Gastrennschicht 40 mit dem in Figur 1 gezeigten zweiten Behälter 11 und ein Raum um die trommeiförmig angeordneten Trennele- mente 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 angeord- net werden. In the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, an interior 33 of the drum-like second gas separation layer 40 is connected to the second container 11 shown in FIG. 1 and a space around the drum-shaped separating elements 23, 24 is connected to the first container 10. The drum-like arrangement of the separating elements 23, 24 allows a space-saving embodiment of the second gas separation layer 40 and can be arranged, for example, in a pipe-like device between the first and the second container 10, 11.
In Figur 6 ist eine alternative Ausführungsform einer dritten Gastrennschicht 41 der in den Figuren 4 und 5 gezeigten trommelartigen Gastrennschicht 40 gezeigt. Diese umfasst ringför- mige 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 Figur 3 beschrieben über die Rauigkeit Rz bzw. die Welligkeit der ringförmigen Trennelemente 25 im Bereich der Mindestöffnungsbreite d festgelegt werden. In der in Figur 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 TrennelementeFIG. 6 shows an alternative embodiment of a third gas separation layer 41 of the drum-type gas separation layer 40 shown in FIGS. 4 and 5. This comprises ring-shaped separating elements 25, which are connected to one another by means of bar-type connectors 27. In particular, a distance or the minimum opening width d between the individual annular separating elements 25, as described in FIG. 3, can be defined via the roughness Rz or the waviness of the annular separating elements 25 in the region of the minimum opening width d. In the embodiment shown in FIG. 6, the beam-like connectors 27 are arranged transversely to the annular separating elements 25, with one connector 27 connecting all the separating elements 25. Of course, it is also conceivable that the connector 27 only one of the separating elements
25 miteinander verbindet. Außerdem sind auch alternative Ausführungsformen des Verbinders 27 denkbar. 25 connects with each other. In addition, alternative embodiments of the connector 27 are conceivable.
Figur 7 zeigt eine trommeiförmige vierte Gastrennschicht 43. Diese umfasst einzelne Durchbrüche 22, die als abgesetzteFIG. 7 shows a drum-shaped fourth gas separation layer 43. This comprises individual openings 22, which are in the form of separate openings
Öffnungen in einem plattenförmigen Grundkörper 28 der vierten Gastrennschicht 43 angeordnet sind. Um eine trommeiförmige 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 Figuren 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 Um- gehung der Durchbrüche 22 zu vermeiden. Openings are arranged in a plate-shaped main body 28 of the fourth gas separation layer 43. To a drum-shaped Produce fourth gas separation layer 43, the plate-like body 28 of the gas separation layer 20 is provided with openings 22 with the minimum opening width d by means of a tool. This can be done for example by punching, laser cutting or water jet cutting. Subsequently, the base body 28 is rolled, wherein a radius of the roll determines the opening angle of the openings 22. In this case, the interior 33 of the gas separation device 1, as mentioned in Figures 4 to 6, are connected to the second gas volume 14 of the second container 11. The outside space around the gas separation device 20 is also connected to the first tank 10 and the first gas volume 14. Of course, all non-intended access to the interior 33 must be sealed off after rolling in order to avoid a bypass flow to avoid the openings 22.
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. Suitable materials for the plate-like base body 28 of the drum-like fourth gas separation layer 43 are in particular materials that are both stampable and / or cuttable as well as rollable. In particular, all metals and alloys thereof, as well as plastics, rubber and latex are suitable.
In Figuren 8 bis 11 sind verschiedene Ausführungsformen der Gastrennschicht 20 mit dreiecksförmigen Trennelementen 29 ge- zeigt . FIGS. 8 to 11 show various embodiments of the gas separation layer 20 with triangular separating elements 29.
Die Figuren 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 balkenförmi- gen Verbindern 27 befestigt, so dass sich zwischen den drei- ecksförmigen Trennelementen 29 die Durchbrüche 22 mit einem V-förmigen Querschnitt ausbilden. Dabei können die dreiecks- förmigen Trennelemente 29, wie in Figur 3 beschrieben, anein- ander angelegt werden, um die Mindestöffnungsbreite d desFIGS. 8 and 9 show a fifth gas separation layer 44 with a plurality of triangular separating elements 29 on bar-shaped connectors 27. The triangular separating elements 29 are fastened to the bar-shaped connectors 27 with a lower side 35, so that between the triangular separating elements 29 the breakthroughs 22 form with a V-shaped cross-section. The triangular separating elements 29, as described in FIG. 3, can be applied to one another in order to define the minimum opening width d of the
Durchbruchs 22 festzulegen. Selbstverständlich ist auch denkbar, die Mindestöffnungsbreite d durch ein gezieltes beabstandetes Anordnen der dreiecksförmigen Trennelemente 29 an den Verbindern 27 festzulegen. Breakthrough 22 set. Of course, it is also conceivable, the minimum opening width d by a targeted spaced arrangement of the triangular separating elements 29 set on the connectors 27.
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. In an advantageous embodiment, a temperature-stable material having a low coefficient of thermal expansion can be used for the connector 27 in order to keep the minimum opening width d approximately stable over a temperature range. In particular, ceramics are suitable as a material for the connectors 27.
Alternativ zu einem temperaturstabilen Verbinder 27 umfasst der alternative Verbinder 270 in der Figur 9 gezeigten Alternative eine Abstandsverstelleinrichtung 271, die im Bereich der Mindestöffnungsbreite d im alternativen Verbinder 270 an- geordnet 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 dreiecks- förmigen 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 . As an alternative to a temperature-stable connector 27, the alternative connector 270 shown in FIG. 9 includes a distance adjusting device 271, which is arranged in the area of the minimum opening width d in the alternative connector 270. An unillustrated further control device is connected to the distance adjusting device 271 and designed to control the distance adjusting device 271 in order to vary the distance or the minimum opening width d of the triangular separating elements 29. This refinement makes it possible to adapt the minimum opening width d of the openings 22 to the mean free path length of the component 30 of the second gas volume 15. Piezo elements or electroactive polymers are particularly suitable for the distance adjusting device 271. Of course, as an alternative to the piezo elements, other distance adjusting devices 271 are also possible, which vary the distance between the separating elements 29 relative to each other.
Die Figuren 10 und 11 zeigen eine alternative Ausgestaltung der Verbinder 272 einer sechsten Gastrennschicht 45 mit den in Figuren 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. FIGS. 10 and 11 show an alternative embodiment of the connectors 272 of a sixth gas separation layer 45 with the triangular separating elements 29 shown in FIGS. 8 and 9 in a perspective view. In this case, the connectors 272 are arranged in the manner of a beam between the separating elements 29. This embodiment allows a particularly flat construction of the gas separation layer 20. In this case, the connectors 272 may be made of the same material as the triangular separating elements 29. The embodiment shown in FIG in particular, to produce the sixth gas separation layer 45 in a sintering process.
Figur 11 zeigt eine perspektivische Ansicht der in Figur 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 Min- destbreite 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. FIG. 11 shows a perspective view of the embodiment of the sixth gas separation layer 45 shown in FIG. 12. In this case, the connectors 272 are designed as webs which have the same height as the triangular separating elements 29. The distance between the connectors 272 relative to one another along a separating element 29 is at least ten times the minimum width D of the opening 22. In this way it is ensured that a sufficient throughput of the component 30 from the second gas volume 15 to the first gas volume 14 is ensured with simultaneous rigidity. With this embodiment, a reliable support of the triangular separating elements can thus be ensured against vibrations, so that the gas separation device 20 can be used for example in a motor vehicle.
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 . The embodiments of the gas separation layer 20, 40, 41, 43, 44, 45 of the gas separation device 1 and their components which are explained with reference to the figures represent preferred or exemplary embodiments of the invention. In addition to the described and illustrated embodiments, further embodiments are conceivable which show further modifications or modifications Combinations of the described features may include.

Claims

Gastrennvorrichtung (1) mit einer Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45), einem ersten Gasvolumen (14) und einem zweiten Gasvolumen (15), wobei die Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) zwischen dem ersten Gasvolumen (14) und dem zweiten Gasvolumen (15) angeordnet ist, wobei die Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) wenigstens einen Durchbruch (22) aufweist, der das erste Gasvolumen (14) mit dem zweiten Gasvolumen (15) verbindet, wobei der Durchbruch (22) von dem ersten Gasvolumen (14) zum zweiten Gasvolumen (15) hin verjüngend ausgebildet und dimensioniert ist, eine Komponente (30) des zweiten Gasvolumens (15) in dem ersten Gasvolumen (14) anzureichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (22) als länglich ausgebildete Öffnung in der Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) ausgeführt ist und/oder eine Gasreflexionsschicht (22) auf einer Oberfläche (330) aufweist, wobei der Durchbruch (22) eine Minimalöffnungsbreite (d) von im Wesentlichen dem Einfachen bis Zwanzigfachen der mittleren freien Weglänge der anzureichenden Komponente (30) des zweiten Gasvolumens (15) aufweist. A gas separation device (1) having a gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45), a first gas volume (14) and a second gas volume (15), said gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45 ) between the first gas volume (14) and the second gas volume (15), wherein the gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45) has at least one opening (22) which communicates the first gas volume (14) the second gas volume (15) connects, wherein the opening (22) of the first gas volume (14) to the second gas volume (15) is tapered and dimensioned, a component (30) of the second gas volume (15) in the first gas volume ( 14), characterized in that the opening (22) is designed as an elongated opening in the gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45) and / or has a gas reflection layer (22) on a surface (330) wherein the aperture (22) has a minimum aperture width (d) of substantially the single to twenty times Gfachen the mean free path of the component to be enriched (30) of the second gas volume (15).
Gastrennvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Durchbruch (22) einen V-förmigen Querschnitt aufweist, wobei ein Öffnungswinkel (OC) des Durchbruchs (22) 0,01° bis 10°, insbesondere 0,7°, beträgt . Gas separation device (1) according to claim 1, characterized in that the opening (22) has a V-shaped cross section, wherein an opening angle (OC) of the opening (22) 0.01 ° to 10 °, in particular 0.7 ° ,
Gastrennvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) ein erstes plattenartig ausgebildetes Trennelement (23) und ein zweites plattenartig ausgebildetes Trennelement (24) aufweist, wobei das erste Trennelement (23) gegenüberliegend zu dem zweiten Trennelement (24) in einem spitzen Winkel angeord- net ist, und wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Trennelement (23, 24) der Durchbruch (22) angeordnet ist . Gas separation device (1) according to Claim 1 or 2, characterized in that the gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45) has a first plate-like separating element (23) and a second plate-like separating element (24) first separating element (23) opposite to the second separating element (24) arranged at an acute angle is net, and wherein between the first and the second separating element (23, 24) of the opening (22) is arranged.
4. Gastrennvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Trennelemente (23, 24) mit ihren Unterseiten an einem ringförmigen Verbinder (26) angeordnet sind, wobei die plattenförmigen Trennelemente (23, 24) zueinander V-förmig ausgerichtet sind. 4. Gas separation device (1) according to claim 3, characterized in that the plate-shaped separating elements (23, 24) are arranged with their lower sides on an annular connector (26), wherein the plate-shaped separating elements (23, 24) are aligned with each other V-shaped ,
5. Gastrennvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) wenigstens zwei dreieckförmig ausgebildete Trennelemente (29) und wenigstens einen Verbinder (26; 27; 270; 272) aufweist, wobei die Gas separation device (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45) comprises at least two triangularly shaped separating elements (29) and at least one connector (26; 27; 270; 272), wherein the
Trennelemente (29) der Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) an dem Verbinder (26; 27; 270; 272) befestigt sind, und wobei zwischen den beiden Trennelementen (23, 24) der Durchbruch (22) angeordnet ist.  Separating elements (29) of the gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45) are fastened to the connector (26; 27; 270; 272), and wherein between the two separating elements (23, 24) the aperture (22) is arranged.
6. Gastrennvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis6. Gas separation device (1) according to one of claims 3 to
5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinder (270) einstellbar ausgebildet ist, um einen Abstand der Trennelemente (23, 24; 29) zueinander zu variieren. 5, characterized in that the connector (270) is adjustable to vary a distance of the separating elements (23, 24, 29) to each other.
7. Gastrennvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis7. Gas separation device (1) according to one of claims 3 to
6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trennelemente (23; 25) trommelartig angeordnet sind, wobei ein Innenraum (33) der trommelartigen Anordnung der Trennelemente (23; 25) mit dem zweiten Gasvolumen (15) und wenigstens ein Teil eines Außenraums um die trommelartige Anordnung der Trennelemente (23; 25) mit dem ersten Gasvolumen (14) verbunden ist. 6, characterized in that a plurality of separating elements (23; 25) are arranged like a drum, wherein an interior (33) of the drum-like arrangement of the separating elements (23; 25) with the second gas volume (15) and at least a part of an outer space around the drum-like arrangement the separating elements (23, 25) is connected to the first gas volume (14).
8. Gastrennvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis8. Gas separation device (1) according to one of claims 3 to
7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Trennelement (23, 24) eine strukturierte Oberfläche (33) und wenigstens einen gemeinsamen Strukturpunkt (35) aufweisen, wobei die strukturieren Oberflächen (33) der beiden Trennelemente (23, 24) derart ausgebildet sind, dass der Strukturpunkt (35) die Minimaloffnungsbreite (d) des Durchbruchs (22) zwischen den Trennelemente (23, 24) festlegt. 7, characterized in that the first and the second separating element (23, 24) have a structured surface (33) and at least one common structure point (35), wherein the structured surfaces (33) of the two separating elements (23, 24) are formed such that the structure point (35) has the minimum opening width (D) of the opening (22) between the separating elements (23, 24) determines.
Gastrennvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Durchbruchs (22) wenigstens das Zehnfache der Minimalöff- nungsbreite (d) des Durchbruchs (22) der Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) ist. 10. Gastrennvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bisGas separation device (1) according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the length of the opening (22) is at least ten times the minimum opening width (d) of the opening (22) of the gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44 ; 45). 10. Gas separation device (1) according to one of claims 1 to
9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasreflexionsschicht (21) der Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) eine Rauigkeit Rz von 0,3 bis zum 10-fachen der mittleren freien Weglänge aufweist. 9, characterized in that the gas reflection layer (21) of the gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45) has a roughness Rz of 0.3 to 10 times the mean free path length.
11. Gastrennvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis11. Gas separation device (1) according to one of claims 1 to
10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welligkeit der Gasreflexionsschicht (21) der Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) kleiner als die Minimalöffnungsbreite (d) des Durchbruchs (22) der Gastrennschicht (20; 40;10, characterized in that a ripple of the gas reflection layer (21) of the gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45) is smaller than the minimum opening width (d) of the opening (22) of the gas separation layer (20;
41; 43; 44; 45) ist. 41; 43; 44; 45).
Gastrennvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) eine Heiz- oder Kühleinrichtung (34) aufweist, die ausgebildet ist, die Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) zu erwärmen oder abzukühlen und eine Temperaturdifferenz zu dem ersten und/oder dem zweiten Gasvolumen (14, 15) bereitzustellen, wobei die Heiz- oder Kühleinrichtung (34) die Gasreflexionsschicht (21) umfasst, wobei die Heizoder Kühleinrichtung (34) insbesondere als Peltierele- ment ausgeführt sein kann, wobei die Gasreflexionsschicht (21) einen metallischen, elektrischen Strom leitenden und/oder halbleitenden Werkstoff aufweist, und wobei die Gasreflexionsschicht (21) mit einer Stromquelle und/oder einem -Steuergerät (32) verbunden ist . Gas separation device (1) according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45) comprises heating or cooling means (34) adapted to separate the gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45) to heat or cool and provide a temperature difference to the first and / or second gas volumes (14, 15), wherein the heating or cooling means (34) comprises the gas reflection layer (21) the heating or cooling device (34) in particular as Peltierele ment, wherein the gas reflection layer (21) comprises a metallic, electrically conductive and / or semiconductive material, and wherein the gas reflection layer (21) is connected to a power source and / or a control device (32).
43Verfahren zur Herstellung einer Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) einer Gastrennvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Werkzeug wenigstens ein Durchbruch (22) in ein flexibles Material eines Grundkörpers (19, 28) eingebracht wird, wobei der Grundkörper (19, 28) anschließend gespannt wird, und wobei die Gasreflexionsschicht darauffolgend wenigstens im Bereich des Durchbruchs (22), insbesondere mittels eines Sprühauftrags, aufgebracht wird. 43. A method for producing a gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45) of a gas separation device (1) according to any one of claims 1 to 12, characterized in that with a tool at least one opening (22) in a flexible material of a base body (19, 28) is introduced, wherein the base body (19, 28) is then tensioned, and wherein the gas reflection layer is subsequently applied at least in the region of the opening (22), in particular by means of a spray application.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasreflexionsschicht (21) mittels eines Verfahrens nachbehandelt wird, das der Gasreflexionsschicht (21) hydrophobe Eigenschaften, insbesondere einen Lotuseffekt, zuweist. A method according to claim 15, characterized in that the gas reflection layer (21) is aftertreated by means of a method which assigns the gas reflection layer (21) hydrophobic properties, in particular a lotus effect.
Verfahren zur Herstellung der trommeiförmig ausgebildeten Gastrennvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einen plattenartig ausgebildeter Grundkörper (28) der A process for producing the drum-shaped gas separation device (1) according to one of claims 1 to 14, characterized in that in a plate-like design basic body (28) of
Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) mit einem Werkzeug der Durchbruch (22) mit der Minimalöffnungs- breite (d) eingebracht wird, wobei der plattenartige Grundkörper (28) der Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) gerollt wird, und wobei ein Radius des Rollens den Öffnungswinkel (OC) des Durchbruchs (22) der Gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45) is introduced with a tool, the opening (22) with the minimum opening width (d), wherein the plate-like base body (28) of the gas separation layer (20; 40; 41; ; 44; 45), and wherein a radius of rolling the opening angle (OC) of the opening (22) of the
Gastrennschicht (20; 40; 41; 43; 44; 45) bestimmt. Gas separation layer (20; 40; 41; 43; 44; 45) determined.
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