EP4551921A1 - Verfahren, verwendung, vorrichtung und kartusche zur vergrösserung von aerosolpartikeln - Google Patents

Verfahren, verwendung, vorrichtung und kartusche zur vergrösserung von aerosolpartikeln

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Publication number
EP4551921A1
EP4551921A1 EP23805513.1A EP23805513A EP4551921A1 EP 4551921 A1 EP4551921 A1 EP 4551921A1 EP 23805513 A EP23805513 A EP 23805513A EP 4551921 A1 EP4551921 A1 EP 4551921A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
particles
aerosol
cartridge
sulfone
supersaturated
Prior art date
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Pending
Application number
EP23805513.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
DR. Ulrich BUNDKE
Patrick Weber
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.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP4551921A1 publication Critical patent/EP4551921A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/065—Investigating concentration of particle suspensions using condensation nuclei counters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0023—Investigating dispersion of liquids
    • G01N2015/0026—Investigating dispersion of liquids in gas, e.g. fog
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0038—Investigating nanoparticles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke
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    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N2015/0681—Purposely modifying particles, e.g. humidifying for growing

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for enlarging aerosol particles, a use of an operating medium for producing a supersaturated vapor and a cartridge.
  • Aerosol particles in the (lower) nanometer range cannot be easily detected optically.
  • the particles must first be enlarged.
  • the particles grow by about two orders of magnitude, for example, so that optical detection is then possible. This can be the case in the range of 300 nm, for example.
  • the enlargement can occur through condensation growth. This process is also known as activation.
  • the particles act as condensation nuclei in an atmosphere of supersaturated vapor from an operating medium.
  • the vapor molecules diffusely attach to the particle.
  • the particles enlarged or grown in this way can then be detected using optical methods.
  • An aerosol is a mixture of solid and/or liquid particles in a gas. This gas is referred to as the carrier gas.
  • the term gas in the sense of this application includes gas mixtures.
  • the particles of an aerosol are also referred to as aerosol particles.
  • the particles are enlarged in a condensation particle counter (CPC), for example.
  • CPC condensation particle counter
  • the operating medium is brought to a constant temperature in liquid form. This takes place in a saturator or saturator through which a carrier gas flow flows. Depending on the temperature, a partial pressure of the operating medium, the saturation vapor pressure, is established in the carrier gas flow.
  • the saturated carrier gas flow is fed into the condenser, which is cooler than the saturator. Due to the lower temperature, the partial pressure of the operating medium is now supersaturated. As soon as particles come into contact with this gas flow, they act as condensation nuclei and grow while adhering to the operating medium.
  • An optical detector is used to detect the particles.
  • the gas flow can be irradiated with a focused light source, e.g. a laser.
  • the particles can be scattered radiation can be detected. This allows individual particles and/or numbers or concentrations of particles to be detected.
  • Alcohol such as butanol, ethanol or isopropanol is typically used as a fuel to produce the supersaturated vapor.
  • alcohols are oxidizing and highly flammable, have a strong smell and are harmful or toxic. Comprehensive safety measures are therefore necessary when handling and using them.
  • the maximum temperature of the saturator and thus the maximum achievable supersaturation is limited due to the low flash point and/or boiling point of these substances. This leads to a limitation of the lower detection limit, since the level of supersaturation determines the critical diameter of the particles that can still be activated.
  • Diethylene glycol can also be used as an operating agent in special cases. It is able to activate very small aerosol particles ⁇ 2 nm at a saturator temperature of 50-60°C. However, particles activated with diethylene glycol only grow to around 100 nm, so additional activation in a downstream CPC is necessary. Diethylene glycol is also harmful to health.
  • fluorinated hydrocarbons such as perfluorotributylamine, PFTBA, which is available under the brand name Fluorinert, for example. These are used in the low pressure range below 300 hPa.
  • PFTBA requires a high saturator temperature of 190°C, which limits its use to a few special applications, and is also harmful to health and highly damaging to the climate.
  • the object of the invention is to improve the magnification of particles of an aerosol, in particular for the optical determination of properties of the aerosol.
  • the disadvantages of the prior art mentioned above should be at least partially eliminated.
  • the object is achieved by the method according to claim 1 and the use, the device and the cartridge according to the independent claims.
  • Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
  • a process is used to enlarge particles of an aerosol in which the particles come into contact with a supersaturated vapor.
  • a sulfoxide or a sulfone is used to produce the supersaturated vapor.
  • a large number of sulfoxides and sulfones are not labeled with H-statements (hazard statements) or P-statements (precautionary statements) of the Globally Harmonized System of Classification and Labeling of Chemicals (GHS).
  • H-statements hazard statements
  • P-statements precautionary statements
  • GLS Globally Harmonized System of Classification and Labeling of Chemicals
  • the substances are non-flammable, not harmful to health, not dangerous to the environment and are therefore easy to handle. There are no unpleasant odors or damage to the climate. Overall, the technical effort is significantly reduced and the enlargement of the particles is simplified. There are no restrictions on use in sensitive areas. The process can therefore also be used in passenger transport, transport, aerospace, the automotive sector, medicine, clean rooms and laboratories, research, chemistry, biology and the environmental sector.
  • Sulfoxides and sulfones have similar physicochemical properties to butanol, which has been frequently used to enlarge particles, particularly in terms of vapor pressure, diffusion properties and operating temperature range. These groups of substances are therefore well suited to use supersaturated vapor to enlarge particles. They represent an alternative to the standard operating medium 1-butanol and have considerably better properties.
  • a further advantage is that conventional devices such as condensation particle counters or components thereof can be used to carry out the method according to the invention with little or no modification.
  • a sulfoxide or a sulfone is used to produce the supersaturated steam.
  • This is also referred to below as the operating agent(s) according to the invention.
  • Another substance and/or a mixture of substances can also be used to produce the supersaturated steam.
  • the supersaturated steam is produced from a sulfoxide or a sulfone
  • the supersaturated vapor contains or consists of gaseous sulfoxide or sulfone.
  • Supersaturated steam contains more gas particles than would be the case in thermodynamic equilibrium. Supersaturated steam therefore has a higher density than steam that is in thermodynamic equilibrium between steam and condensate. The steam pressure is above the saturation steam pressure. If condensation nuclei are added, condensation can occur in the supersaturated steam, which can ultimately lead to thermodynamic equilibrium.
  • the particles come into contact with supersaturated vapor.
  • a non-supersaturated vapor is produced and converted into a supersaturated vapor by cooling.
  • a non-supersaturated vapor can be a saturated or non-saturated vapor.
  • the particles or aerosol can already be present in the non-supersaturated vapor and can be cooled with it if necessary. By cooling, the non-supersaturated vapor containing particles can then be converted into supersaturated vapor containing particles. It is therefore not necessary for the particles to be introduced into the already supersaturated vapor.
  • the melting and/or boiling point of the respective substance can be influenced by the choice of organic residues, also known as ligands. This influences the vapor pressure.
  • a suitable substance for the specific requirements can therefore be easily identified and used. It is possible to use a mixture of several sulfoxides, several sulfones or at least one sulfoxide with at least one sulfone.
  • the method is carried out in a particle counter, preferably in a CPC, in particular in an ultrafine aerosol condensation nucleus/particle counter.
  • the supersaturated vapor is produced from dimethyl sulfoxide.
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • the two organic residues are both methyl groups.
  • Laboratory tests and field studies have shown that enlarging the particles with this substance produces particularly good results.
  • the counting efficiency of optical particle counters is equivalent to that of conventional butanol-operated particle counters.
  • DMSO is inexpensive, readily available and, due to the low vapor pressure of DMSO, only a fraction of the operating fluid is used compared to, for example, butanol (approx. 10% of the consumption of butanol).
  • the supersaturated vapor is produced from dimethyl sulfone.
  • dimethyl sulfone the two organic residues are both methyl groups.
  • the enlargement of the particles with this substance produces particularly good results.
  • the counting efficiency of optical particle counters is comparable to conventional butanol-operated particle counters.
  • Both sulfones and sulfoxides can use organic residues such as ethyl or cyclo compounds. Symmetrical or asymmetrical sulfones or sulfoxides can be used.
  • the particles have a diameter of less than 50 nm, in one embodiment less than 23 nm, in particular less than 10 nm and preferably less than 5 nm or less than 3 nm.
  • the particles have the stated diameter before they come into contact with the supersaturated vapor. In particular, this refers to average diameters of a large number of particles. For example, it is dso. Growth or enlargement then takes place starting from this diameter.
  • the supersaturated steam is produced by cooling non-supersaturated steam.
  • the non-supersaturated Steam at a temperature above 30°C, preferably above 40°C, in particular above 60°C.
  • the operating agents according to the invention have high flash points and high boiling points compared to previously used substances such as 1-butanol. Therefore, a higher temperature can be used according to the invention.
  • Butanol for example, has a flash point of 35°C, so that higher temperatures are not possible with this operating agent from a practical point of view.
  • the higher temperatures enable a higher supersaturation and thus greater and faster growth.
  • a particularly low detection limit (of the activatable particle size) can be achieved in this way.
  • the temperatures mentioned above are particularly prevalent in a saturator.
  • a maximum temperature for DMSO can be 150°C, as thermal decomposition occurs above this temperature.
  • the maximum temperature can be higher; for example, for dimethyl sulfone, it can be above 230°C.
  • the maximum temperature can be set within a wide range.
  • the non-supersaturated vapor is produced at a temperature above 80°C, in particular above 110°C.
  • a particularly low detection limit can be achieved down to nanoparticles below 5 nm or below 2 nm, in particular without an additional activation stage. This can be done in particular at a condenser temperature of 5°C to 10°C.
  • the supersaturated steam is produced by cooling non-supersaturated steam to a temperature below 20°C, in particular below 10°C.
  • the temperature is in particular more than 0°C or more than 5°C.
  • This target temperature can be set using particularly simple technical means.
  • the supersaturated steam is produced by cooling non-supersaturated steam to room temperature and/or a temperature above 15°C, in particular 20°C and/or below 30°C, in particular 25°C.
  • this target temperature can be set entirely without technical means or at least without cooling. Cooling, for example using Peltier elements, can thus be dispensed with.
  • a heating device can be provided to increase a temperature if required. Heating is technically much less complex than cooling. Due to the operating means according to the invention, a saturator temperature as low as in conventional devices is no longer necessary. Sufficient supersaturation can also be achieved with higher condenser temperatures due to the higher saturator temperatures.
  • a mixture of sulfoxide or sulfone with water is used to produce the supersaturated steam.
  • the sulfoxide or sulfone used to produce the supersaturated steam is diluted with water.
  • the use of water alone as an operating medium is not possible due to the diffusion properties.
  • it has been shown that a mixture of the operating medium according to the invention with water leads to an effective enlargement of the particles.
  • different mixing ratios allow the melting point of the respective sulfoxide or sulfone to be adapted to the respective operating conditions or requirements.
  • the melting point of DMSO can be reduced from 18°C to, for example, 5°C to 15°C by adding small amounts of water.
  • temperatures between 5°C and 15°C can prevail under the cockpit of an aircraft, where a particle counter can be operated to examine atmospheric aerosols.
  • the particle counter can also be operated under these conditions without any additional technical effort, for example when diluted with 10 vol.% water down to -10°C. There is then no need to worry about the operating medium solidifying or freezing in storage containers or pipes.
  • the supersaturated vapor is produced from the sulfoxide or sulfone diluted with water.
  • water is used as a diluent.
  • the volumetric proportion of water in the mixture is less than 10%. It has been shown that up to a water content of 10% in the total volume of the mixture, there is no significant impairment of the counting efficiency of a particle counter. In other words, reliable results are achieved up to this water content. In one embodiment, the water content is less than 5%. This way, particularly precise results are achieved. The water does not affect the enlargement of the particles.
  • the particles are enlarged under negative pressure.
  • the negative pressure is between 150 hPa and 750 hPa.
  • the production of the non-supersaturated vapor and/or an optical determination also takes place under negative pressure.
  • the pressure mentioned is an absolute pressure.
  • the enlarged particles are optically detected.
  • a number of particles is determined.
  • at least one property of the aerosol is optically determined.
  • the optical determination can, for example, be a detection of a number of particles, for example in a certain volume and/or a certain time interval.
  • the optical determination can also be an optical detection of a property of one or more particles.
  • a size of a particle and/or an average size of several particles can be determined.
  • a size typically means a diameter.
  • a number concentration of the particles can preferably be determined.
  • the gas volume or gas stream is irradiated with light, in particular by means of a focused light source such as a laser.
  • an optical detector is present to detect the enlarged particles.
  • the detector is set up to detect scattered radiation.
  • evaluation electronics are present to determine a number, concentration or number concentration of the particles from signals received from the detector. For example, the evaluation electronics are set up to count a number of particles, for example in a certain time interval. In one embodiment, the evaluation electronics have access to information about a volume flow or volume of the gas.
  • the aerosol is selected from ambient air, combustion exhaust gas, production exhaust gas, supply air of a clean room, exhaust air of a clean room, supply air of an essentially closed room and exhaust air of an essentially closed room.
  • a clean room can be, for example, a clean room in the chemical industry, the pharmaceutical industry, chip production, a hospital or a laboratory, for example an SO, S1, S2, S3 or S4 laboratory.
  • the supply air of a clean room can be analyzed for monitoring.
  • the exhaust air of a clean room can be an air flow that is discharged separately for detection (room air monitoring) or an independently present exhaust air flow for ventilating the clean room. Exhaust air from the clean room can be analyzed for the purpose of monitoring the condition or contamination of the clean room.
  • a production exhaust gas can come, for example, from industry, medicine, medical technology, pharmacy, chemistry or a military application.
  • the method or use can be used to determine dust and/or aerosol contamination, optimise a process, analyse combustion residues, monitor quality, investigate climate relevance, investigate particle contamination, avoid a hazard, assess a risk and/or control production.
  • Ambient air means in particular air from a specific region of the earth's atmosphere.
  • combustion exhaust gas this can be exhaust gas from an internal combustion engine such as a diesel or petrol engine. This can be done during engine development, combustion optimisation and/or technical monitoring of engines or vehicles. It can be an internal combustion engine of a motor vehicle, aircraft, ship or rail vehicle.
  • the particle number or a value derived therefrom such as the particle number concentration, which corresponds to the particle number per volume, the particle number per time or the particle number per time and power can be used.
  • An essentially closed space can be a passenger compartment, e.g. an aircraft cabin.
  • the quality of supply and/or exhaust air can be measured in order to determine and/or adjust the quality of the cabin air.
  • the aerosol contains lipophilic and/or insoluble particles.
  • Insoluble particles can include, for example, silicates and/or mineral dusts. Lipophilic particles can be enlarged just as well as hydrophilic particles using the operating agent according to the invention.
  • the lipophilic particles can be hydrophobic.
  • the aerosol contains hydrophilic particles.
  • the hydrophilic particles can be lipophobic.
  • the aerosol contains lipophilic and hydrophilic particles.
  • the aerosol contains organic particles. Any combination is possible. In one embodiment, essentially all of the particles of the aerosol are lipophilic and/or hydrophilic.
  • the particles are magnified at a height of more than 500 m above the earth's surface and/or from an aircraft.
  • the height is preferably more than 1,000 m, in one embodiment more than 5,000 m above the earth's surface, and/or less than 20,000 m, in one embodiment less than 15,000 m above the earth's surface.
  • the magnification takes place in or on an aircraft.
  • the particles are also counted at the height mentioned. In this way, aerosols present at different heights in the atmosphere can be examined. Due to current safety regulations, the use of butanol in passenger aircraft is practically no longer permitted. The operating means according to the invention, however, still enable this.
  • a further aspect of the invention is the use of a sulfoxide or a sulfone for producing a supersaturated vapor.
  • the supersaturated vapor comes into contact with the particles of an aerosol in order to enlarge the particles.
  • a number of the enlarged particles is recorded using a particle counter.
  • a further aspect of the invention is a device, in particular a part of a condensation particle counter or a condensation particle counter.
  • This comprises a condenser for enlarging particles of an aerosol by means of a supersaturated vapor.
  • a reservoir for a sulfoxide or sulfone is present in order to produce the supersaturated vapor.
  • the reservoir contains the sulfoxide or sulfone.
  • the condensation particle counter further comprises a saturator for producing a non- supersaturated steam. All features, advantages and effects of the process described above apply accordingly to the device and vice versa.
  • the device or the condensation particle counter does not contain a cooling device for cooling the condenser.
  • cooling for example electrical cooling
  • the higher saturator temperatures in the operating means according to the invention mean that sufficient supersaturation can be achieved even with slightly higher condenser temperatures, cooling, for example electrical cooling, can be dispensed with in order to simplify the device.
  • This is reinforced by the effect that at low temperatures the effects of temperature differences on the partial pressure of the operating means are small compared to high temperatures. This means that no cooling elements, no fan, no associated control system and no heat sinks for the warm side are required. Overall, the installation space of the device can be significantly reduced.
  • the device is part of a condensation particle counter for analyzing a combustion exhaust gas, in particular for the technical monitoring of vehicles such as motor vehicles, aircraft, ships and/or rail vehicles.
  • the device has a dso of 23 nm.
  • the device can be a condensation particle counter according to the European Committee for Standardization CEN.
  • Figure 1 an experimental setup
  • Figure 5 a schematic structure of a condensation particle counter.
  • Figure 6 a schematic structure of another
  • Condensation particle counter as well as Figure 7: a cartridge according to the invention.
  • Figure 1 shows a test setup for testing a condensation particle counter 21 with an aerosol 2 produced for test purposes for the purpose of evaluating different operating materials.
  • the aerosol 2, which contains the particles 1 is produced in an aerosol source 10, e.g. a nebulizer, and then passed through a dryer 12 and a regulation of excess air 13, first into a size selection 14.
  • a differential mobility analyzer DMA is used, which only allows particles of a certain size to pass through and in this way produces a monodisperse aerosol.
  • DMA differential mobility analyzer
  • soot particles produced by means of a soot generator 11 can also be fed to the size selection 14.
  • the aerosol is fed into the mixing chamber 22, which is part of a low-pressure area 23, via an opening 18 and a line.
  • the line is connected to a flow control 15 via a particle filter 16 and a mass flow controller 17.
  • a humidifier 24 to influence the air humidity in the mixing chamber 22.
  • a reference measuring instrument 19 for determining the number concentration for example a Faraday Cup Electrometer
  • a condensation particle counter 20 with a conventional operating medium such as 1-butanol
  • the condensation particle counter 21 with the operating medium according to the invention are connected to the mixing chamber 22 via an outlet line: a reference measuring instrument 19 for determining the number concentration, for example a Faraday Cup Electrometer, a condensation particle counter 20 with a conventional operating medium such as 1-butanol, and the condensation particle counter 21 with the operating medium according to the invention.
  • Soot particles are hydrophobic and lipophilic and insoluble in water.
  • the particles produced with the nebulizer are particularly hydrophilic and lipophobic.
  • Figure 2 shows a diagram with curves for the counting efficiency of different operating devices.
  • the counting efficiency ECPC of the particle counter is plotted against the diameter d of the particles in nanometers.
  • the diameter d is the mobility diameter measured using the DMA.
  • the individual curves refer to a condensation particle counter B-CPC operated in the conventional manner with butanol and an identical D-CPC operated with the operating device DMSO according to the invention.
  • the counting efficiency was standardized to the measured values of the reference measuring instrument 19 (see Figure 1). Measurements were carried out with each of the CPCs under different negative pressures, namely 200 hPa, 500 hPa and 700 hPa.
  • Figure 3 shows a Kelvin-Köhler diagram for the operating fluids DMSO 32, butanol 33 and water 34.
  • the supersaturation ratio OR is plotted against the droplet diameter x of the respective operating fluid in pm.
  • a NaCI particle with a diameter of 13 nm at 20°C was considered.
  • the supersaturation ratio OR corresponds to the saturation quotient and is calculated as the quotient of the saturation vapor pressure over the curved surface of a particle and the saturation vapor pressure over a flat surface.
  • the maximum of the curve defines the critical radius and the critical supersaturation. As soon as this point is exceeded, i.e. to the right of the respective maximum in the diagram, particles are activated and continue to grow in a non-equilibrium state. Growth can thus occur over several orders of magnitude.
  • the saturation quotient is greater than 1, supersaturation is present. In order for particles to grow, the saturation quotient must be above the respective curve; if it is below, the deposited operating medium evaporates. It can be seen that when using DMSO 32, a supersaturation of 1.2% is required and when using butanol 33 only a supersaturation of 0.7%. It is also possible to produce a supersaturation of 1.2% with commercially available CPC without any problems.
  • Figure 4 shows vapor pressure curves for the operating fluids DMSO 32, butanol 33 and water 34.
  • the vapor pressure p in bar is plotted on a logarithmic axis against the temperature in °C. Since the vapor pressure of DMSO 32 is an order of magnitude lower than that of butanol 33, the loss of operating fluids and thus the consumption is significantly reduced in the case of DMSO 32. This reduction was confirmed experimentally. The same applies to other operating fluids according to the invention. Since the curves of butanol 33 and DMSO 32 also run parallel, the supersaturation is similar at the same temperature difference between the saturator and the condenser. For this reason, DMSO 32 behaves as an operating fluid in a similar way to butanol 33.
  • FIG. 5 shows a device according to the invention and/or a condensation particle counter 31 for carrying out the method according to the invention.
  • a saturator 27 for producing a non-supersaturated vapor 4.
  • a humidifier 36 which is designed, for example, as a sponge or similar component with a large surface area.
  • the humidifier can be arranged on one or more walls inside the saturator 27.
  • a storage container 30 with an operating medium 35, namely a sulfoxide or sulfone, is connected to the humidifier 36 in order to produce the non-supersaturated vapor 4.
  • the operating medium 35 evaporates on the humidifier 36 at a first temperature which is typically below the boiling point of the operating medium 35 used.
  • the gas stream is then cooled to produce the supersaturated vapor 3. This takes place in a condenser 28 to enlarge particles 1 of the aerosol 2.
  • the supersaturated vapor 3 comes into contact with the particles 1 of the aerosol 2, which subsequently grow.
  • An optic 29 is arranged between the condenser 28 and the outlet and serves to detect the particles.
  • the particles can be counted via an evaluation electronics connected to the optic 28.
  • the device comprises the evaluation electronics.
  • the particle growth is shown schematically. While in the saturator 27 the size of the particles 1 only grows slowly up to the equilibrium radius, the particles grow rapidly over several orders of magnitude as the residence time in the condenser 28 increases in non-equilibrium (activated), so that enlarged particles 5 with an increased diameter are formed.
  • FIG 6 shows a device according to the invention and/or a condensation particle counter 31 for carrying out the method according to the invention.
  • the device comprises a replaceable cartridge 40 with a solid sulfone 43.
  • the cartridge 40 can be mechanically connected to the rest of the device. The connection points for this purpose are shown schematically as gaps.
  • the device can have a heating device 42 for directly or indirectly heating the cartridge 40 or the solid sulfone 43 located therein.
  • the cartridge 40 serves in particular as a saturator 27.
  • the device contains one or more flow paths 41 for the aerosol 2.
  • a flow path 41 of the device can have an outflow interface 45 for transferring the aerosol 2 into the cartridge 40 and/or an inflow interface 46 for transferring the aerosol 2 from the cartridge 40.
  • the cartridge 40 contains an inlet opening 48 for introducing the aerosol 2 obtained from the outflow interface 45 into the cartridge 40.
  • the cartridge 40 contains an outlet opening 49 for discharging the aerosol 2 from the cartridge 40 into the inflow interface 46 of the device.
  • the condenser 28 and/or the optics 29 can be designed similarly to that in Fig. 5. Here, too, the particle growth is shown schematically.
  • FIG. 7 shows a cross section through a cartridge 40 according to the invention.
  • the cartridge 40 comprises a tube 50 with an outer wall 51.
  • the wall 51 can be made of a metal.
  • Solid sulfone 43 is arranged on the inside of the outer wall. This is designed, for example, as a continuous and/or circumferential layer with a substantially constant thickness.
  • the layer thickness can, as shown, be less than the thickness of the wall or the same thickness or thicker.
  • the layer thickness can be in different sections of the tube 50, in particular in With respect to the longitudinal extent of the tube 50, a different layer thickness may be present in an inlet area of the tube than in an outlet area of the tube.
  • the solid sulfone 43 has comparatively poor heat conduction, so that more energy is required for heating with a large layer thickness.
  • the layer thickness can therefore be selected such that, depending on requirements, an optimum is achieved between energy efficiency and the service life of the cartridge 40.
  • the layer thickness is also a measure of the fill level of the cartridge 40 with the solid sulfone or of the remaining capacity of the cartridge 40.
  • the layer thickness and thus the capacity of the cartridge 40 can be determined indirectly via the heating or the energy required for this.
  • the circular cross-section shown in Figure 7 is advantageous because such a cartridge can be installed in and used with an existing particle counter without modifications.
  • a solid sulfone is used. This makes handling particularly easy.
  • the device comprises a mixing device for producing a mixture of a sulfoxide and water.
  • the mixing device can be such that predetermined amounts of sulfoxide and water are mixed in a flow to be fed directly to an evaporation device in order to produce the supersaturated vapor.
  • the mixing can take place continuously, at least in time periods.
  • the mixing device can be such that a mixing container is present into which predetermined amounts of sulfoxide and water are added. In this way, the mixture can be produced in batches or in batches.
  • the mixing device can be automatic and/or controlled by a controller. In this way, a suitable mixture can be produced automatically.
  • the storage container is designed to hold a mixture of a sulfoxide and water.
  • the water can serve as an antifreeze.
  • the volumetric proportion of water in the mixture is less than 60%, for example about 46%. In one embodiment, the proportion of the water in the mixture is less than 40 mol%, for example about 30 mol%.
  • Pure dimethyl sulfoxide (DMSO) has a melting point of 18 °C.
  • a mixture of, for example, dimethyl sulfoxide with water with 30 mol% DMSO, corresponding to approximately 43 vol%, can lower the melting point to approximately -140°C. In this way, the invention can also be used at very low temperatures. This is advantageous, for example, for measurements in or on an aircraft or in the Antarctic. This opens up further areas of application.
  • the storage container is designed as a cartridge that contains, for example, a solid sulfone.
  • the sulfone can be, for example, dimethyl sulfone.
  • the cartridge is particularly replaceable. This means that a used or empty cartridge can be removed from the device in order to replace it with a new or filled cartridge.
  • the cartridge can be permanently installed or be a separate, mechanically detachable module. In the latter case, the cartridge can be arranged in front of the device and/or in front of the particle counter.
  • the cartridge can therefore be exchangeable like a printer cartridge.
  • the cartridge and/or the device is designed so that the aerosol with the particles to be enlarged can be guided through the cartridge.
  • the cartridge and/or the sulfone arranged in the cartridge contains a through-opening through which a flow of the aerosol can be guided. The through-opening then acts as a flow path for the aerosol. The aerosol can come into contact with the sublimated sulfone.
  • the cartridge is heatable.
  • the cartridge comprises an outer wall, preferably made of a material with good heat conduction, such as a metal such as copper.
  • the sulfone can be arranged inside the outer wall.
  • the outer wall is in particular designed such that a heat source positioned outside the outer wall can heat the sulfone through the wall.
  • the device comprises a heat source that is designed to heat the cartridge located in the device.
  • the heat source is in particular designed such that it is arranged outside the outer wall of the cartridge and can heat the outer wall so that the sulfone can be heated through the outer wall.
  • the cartridge can have a heat source that can be designed as described.
  • the cartridge can be heated differently in different sections, in particular in relation to the longitudinal extent of the cartridge or the tube. For example, different temperatures can be achieved in different sections. Different sections of the cartridge or the tube can be composed of separate components and/or thermally insulated from one another. The heating device can be designed to achieve different temperatures in different sections of the cartridge.
  • heating to a temperature of at least 35° C, in particular at least 40° C, preferably at least 50° C, particularly preferably at least 60° C and/or at most 150° C, in particular at most 130° C, preferably at most 90° C, particularly preferably at most 70° C is provided.
  • the cartridge and/or the device is designed so that such heating is possible.
  • a solid sulfone partially sublimes at a temperature of, for example, at least 35 °C or 40 °C and is suitable for enlarging aerosol particles through condensation. It has been shown that such a solid sulfone is easy to handle and very efficient. No storage bottle, no tubes and no porous material are required for evaporation. Such a solid sulfone can be used in existing condensation particle counters. In addition, the solid sulfone can also be used in the temperature range of the existing condensation particle counters. It is particularly advantageous and simple to use the solid sulfone in direct contact with the aerosol. A cartridge with the solid sulfone can be easily exchanged and achieve reproducible results.
  • the cartridge can be of any shape.
  • the cartridge comprises a tubular section or is designed as such.
  • the tubular section can be straight.
  • a tubular outer wall of the cartridge can then contain the sulfone.
  • the sulfone is located in particular as a layer inside the cartridge and/or inside the outer wall.
  • the layer preferably has a thickness of less than 3 cm, in particular less than 1 cm and in one embodiment less than 0.5 cm or less than 0.2 cm.
  • the layer thickness is in particular greater than 1 pm.
  • a central through-opening can be designed as a flow path for the aerosol. This embodiment is particularly simple and inexpensive to manufacture.
  • the cartridge is bent or spiral-shaped.
  • a tubular section of the cartridge is bent or spiral-shaped. In this way, a longer path can be provided with a small volume of the cartridge.
  • a further aspect of the invention is a cartridge with a solid sulfone for enlarging particles of an aerosol and/or for use in a device for enlarging particles of an aerosol.
  • the device can be a device according to the invention.
  • the sulfone can be, for example, dimethyl sulfone.
  • the cartridge is designed such that the aerosol with the particles to be enlarged can be passed through the cartridge. All features, properties and advantages of the above-mentioned method and the above-mentioned device also apply to the cartridge and vice versa.
  • a cartridge can be filled with molten or liquid sulfone and/or with powdered sulfone.
  • a further aspect of the invention is a use of a cartridge with a solid sulfone for enlarging particles of an aerosol and/or in a device for enlarging particles of an aerosol.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergrößerung von Partikeln eines Aerosols sowie eine Verwendung eines Betriebsmittels zur Herstellung eines übersättigten Dampfes. Bei einem Verfahren zur Vergrößerung von Partikeln (1) eines Aerosols (2) kommen die Partikel (1) mit einem übersättigten Dampf (3) in Kontakt. Zur Herstellung des übersättigten Dampfs (3) wird ein Sulfoxid oder ein Sulfon wie beispielsweise Dimethylsulfoxid oder Dimethylsulfon verwendet. Diese Stoffe sind nicht entzündlich, nicht gesundheitsschädlich, nicht umweltgefährlich und demnach einfach zu handhaben. Es treten keine Geruchsbelästigungen oder Klimaschädigungen auf. Es werden dieselben Zähleffizienzen für Partikel erreicht wie mit dem gebräuchlichen Butanol als Betriebsmittel.

Description

VERFAHREN, VERWENDUNG, VORRICHTUNG UND KARTUSCHE ZUR VERGRÖSSERUNG VON AEROSOLPARTIKELN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergrößerung von Aerosolpartikeln, eine Verwendung eines Betriebsmittels zur Herstellung eines übersättigten Dampfes sowie eine Kartusche.
Aerosolpartikel im (unteren) Nanometerbereich können nicht ohne Weiteres optisch detektiert werden. Zur optischen Detektion derartiger Partikel müssen Partikel zunächst vergrößert werden. Dabei wachsen die Partikel beispielsweise um etwa zwei Größenordnungen an, so dass anschließend eine optische Detektion möglich ist. Dies kann z. B. im Bereich von 300 nm der Fall sein. Die Vergrößerung kann durch Kondensationswachstum erfolgen. Dieser Prozess wird auch als Aktivierung bezeichnet. Dabei wirken die Partikel in einer Atmosphäre aus übersättigtem Dampf eines Betriebsmittels als Kondensationskeime. Es erfolgt eine diffusive Anlagerung der Dampfmoleküle, an das Partikel. Die derart vergrößerten oder gewachsenen Partikel können dann mit optischen Verfahren detektiert werden.
Ein Aerosol ist ein Gemisch aus festen und/oder flüssigen Partikeln (Teilchen) in einem Gas. Dieses Gas wird als Trägergas bezeichnet. Der Begriff Gas im Sinne dieser Anmeldung umfasst Gasgemische. Die Partikel eines Aerosols werden auch als Aerosolpartikel bezeichnet.
Technisch erfolgt die Vergrößerung der Partikel beispielsweise in einem Kondensationspartikelzähler (engl.: condensation particle counter, CPC). Das Betriebsmittel wird in flüssiger Form auf eine konstante Temperatur gebracht. Dies erfolgt in einem Saturator oder Sättiger, der von einem Trägergasstrom durchströmt wird. In Abhängigkeit von der Temperatur stellt sich im Trägergasstrom ein Partialdruck des Betriebsmittels ein, der Sättigungsdampfdruck. Der gesättigte Trägergasstrom wird in den Kondensor geleitet, der kühler ist als der Saturator. Aufgrund der geringeren Temperatur ist der Partialdruck des Betriebsmittels nun übersättigt. Sobald Partikel mit diesem Gasstrom in Kontakt kommen, wirken sie als Kondensationskeime und wachsen unter Anlagerung des Betriebsmittels. Ein optischer Detektor dient zur Detektion der Partikel. Beispielsweise kann der Gasstrom mit einer fokussierten Lichtquelle, z. B. einem Laser, bestrahlt werden. Beispielsweise kann an den Partikeln gestreute Strahlung detektiert werden. So können einzelne Partikel und/oder Anzahlen bzw. Konzentrationen von Partikeln detektiert werden.
Als Betriebsmittel zur Herstellung des übersättigten Dampfes wird typischerweise Alkohol wie z. B. Butanol, Ethanol oder Isopropanol verwendet. Allerdings sind Alkohole brandfördernd bzw. leicht entzündlich, stark riechend und gesundheitsschädlich oder toxisch. Bei der Handhabung und Verwendung sind demnach umfassende Sicherheitsmaßnahmen notwendig. Zudem ist die maximale Temperatur des Saturators und damit die maximal erreichbare Übersättigung aufgrund des geringen Flammpunkts und/oder Siedepunkts dieser Stoffe begrenzt. Dies führt zu einer Begrenzung der unteren Detektionsgrenze, da die Höhe der Übersättigung den kritischen Durchmesser der gerade noch aktivierbaren Partikel bestimmt.
Auch Diethylenglycol (DEG) kann in speziellen Fällen als Betriebsmittel verwendet werden. Es ist in der Lage, sehr kleine Aerosolpartikel < 2 nm bei einer Temperatur des Saturators von 50-60°C zu aktivieren. Allerdings wachsen mit Diethylenglycol aktivierte Partikel nur bis auf ca. 100 nm an, so dass eine zusätzliche Aktivierung in einem nachgeschalteten CPC notwendig ist. Zudem ist auch Diethylenglycol gesundheitsschädlich.
Es ist ebenso möglich, fluorierte Kohlenwasserstoffe wie Perfluortributylamin, PFTBA, zu verwenden, das z. B. unter der Marke Fluorinert erhältlich ist. Diese werden im Niederdruckbereich unterhalb von 300 hPa verwendet. PFTBA benötigt jedoch eine hohe Saturatortemperatur von 190°C, was den Einsatz auf wenige Spezialanwendungen limitiert, und ist zudem gesundheitsschädlich und stark klimaschädlich.
Die oben genannten Merkmale, Wirkungen und Definitionen können einzeln oder in einer Mehrzahl mit den beanspruchten und beschriebenen Gegenständen kombiniert werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Vergrößerung von Partikeln eines Aerosols zu verbessern, insbesondere zur optischen Bestimmung von Eigenschaften des Aerosols. Bevorzugt sollen dabei die genannten Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise behoben werden. Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie die Verwendung, die Vorrichtung und die Kartusche nach den nebengeordneten Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren zur Vergrößerung von Partikeln eines Aerosols, bei dem die Partikel mit einem übersättigten Dampf in Kontakt kommen. Zur Herstellung des übersättigten Dampfs wird ein Sulfoxid oder ein Sulfon verwendet.
Eine Vielzahl von Sulfoxiden und Sulfonen sind nicht durch H-Sätze (Hazard Statements) oder P-Sätze (Precautionary Statements) des global harmonisierten Systems zur Einstufung und Kennzeichnung von Chemikalien (GHS) gekennzeichnet. Die Stoffe sind nicht entzündlich, nicht gesundheitsschädlich, nicht umweltgefährlich und demnach einfach zu handhaben. Es treten keine Geruchsbelästigungen oder Klimaschädigungen auf. Insgesamt wird so der technische Aufwand deutlich reduziert und die Vergrößerung der Partikel vereinfacht. Es sind keine Beschränkungen hinsichtlich des Einsatzes in sensiblen Bereichen vorhanden. Demnach kann das Verfahren auch in der Personenbeförderung, im Transport, in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilsektor, in der Medizin, in Reinräumen und Labors, in der Forschung, in der Chemie, Biologie und im Umweltsektor genutzt werden.
Sulfoxide und Sulfone haben ähnliche physikochemische Eigenschaften wie das bisher häufig zur Vergrößerung von Partikeln verwendete Butanol, insbesondere hinsichtlich Dampfdruck, Diffusionseigenschaften und dem Betriebstemperaturbereich. Daher sind diese Stoffgruppen gut geeignet, um übersättigten Dampf zur Vergrößerung von Partikeln zu dienen. Sie stellen eine Alternative zum Standardbetriebsmittel 1 -Butanol dar und weisen dabei erheblich bessere Eigenschaften auf. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass herkömmliche Geräte wie Kondensationspartikelzähler oder Bestandteile davon ohne oder mit lediglich geringen Modifikationen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden können.
Zur Herstellung des übersättigten Dampfs wird erfindungsgemäß ein Sulfoxid oder ein Sulfon verwendet. Dies wird im Folgenden auch als das oder die erfindungsgemäße(n) Betriebsmittel bezeichnet. Zur Herstellung des übersättigten Dampfes kann zusätzlich ein anderer Stoff und/oder eine Mischung aus Stoffen verwendet werden. In einer Ausführungsform wird der übersättigte Dampf aus einem Sulfoxid oder einem Sulfon hergestellt. Der übersättigte Dampf enthält gasförmiges Sulfoxid oder Sulfon oder besteht daraus.
Übersättigter Dampf enthält mehr Gasteilchen als es im thermodynamischen Gleichgewicht der Fall wäre. Übersättigter Dampf hat daher eine höhere Dichte als Dampf, der im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen Dampf und Kondensat ist. Der Dampfdruck liegt oberhalb des Sättigungsdampfdrucks. Wenn Kondensationskeime hinzukommen, kann es im übersättigten Dampf zur Kondensation kommen, wodurch sich schließlich das thermodynamische Gleichgewicht einstellen kann.
Die Partikel kommen in Kontakt mit übersättigtem Dampf. Insbesondere wird ein nicht übersättigter Dampf hergestellt und durch Abkühlung in einen übersättigten Dampf überführt. Ein nicht übersättigter Dampf kann ein gesättigter oder nicht gesättigter Dampf sein. Die Partikel oder das Aerosol können bereits in dem nicht übersättigten Dampf vorhanden sein und ggf. mit diesem abgekühlt werden. Durch die Abkühlung kann dann der Partikel enthaltende nicht übersättigte Dampf in Partikel enthaltenden übersättigten Dampf überführt werden. Es ist also nicht notwendig, dass die Partikel in den bereits übersättigten Dampf eingebracht werden.
Sulfoxide sind eine Klasse chemischer Verbindungen mit organisch gebundenem Schwefel und der allgemeinen Struktur R1-S(=O)-R2, dabei sind R1 und R2 organische Reste. Sulfone sind eine Klasse von Verbindungen mit organisch gebundenem Schwefel und Sauerstoff mit der allgemeinen Strukturformel R1-S(=O)2-R2, dabei sind R1 und R2 organische Reste.
Durch Wahl der organischen Reste, auch als Liganden bezeichnet, kann in beiden Fällen die Schmelz- und/oder Siedetemperatur des jeweiligen Stoffes beeinflusst werden. Dies beeinflusst den Dampfdruck. Es kann also auf einfache Weise ein geeigneter Stoff für die speziellen Anforderungen ermittelt und genutzt werden. Es ist möglich, eine Mischung mehrerer Sulfoxide, mehrerer Sulfone oder zumindest eines Sulfoxids mit zumindest einem Sulfon zu verwenden.
In einer Ausführungsform wird das Verfahren in einem Partikelzähler, bevorzugt in einem CPC, durchgeführt, insbesondere in einem Kondensationspartikelzähler für ultrafeine Aerosole (engl.: ultrafine aerosol condensation nucleus/particle counter). In einer Ausgestaltung wird der übersättigte Dampf aus Dimethylsulfoxid hergestellt. Bei Dimethylsulfoxid (DMSO) sind die beiden organischen Reste jeweils Methylgruppen. In Laborversuchen und Feldstudien hat sich gezeigt, dass die Vergrößerung der Partikel mit diesem Stoff besonders gute Ergebnisse liefert. Die Zähleffizienz von optischen Partikelzählern ist mit herkömmlichem Butanol betriebenen Partikelzählern gleichwertig. Dasselbe gilt für die Aktivierungsgröße, insbesondere die minimale (kritische) Aktivierungsgröße. DMSO ist kostengünstig, gut verfügbar und es wird aufgrund des geringen Dampfdrucks von DMSO nur ein Bruchteil des Betriebsmittels verbraucht als beispielsweise bei Butanol (ca. 10% des Verbrauchs bei Butanol).
In einer Ausgestaltung wird der übersättigte Dampf aus Dimethylsulfon hergestellt. Bei Dimethylsulfon sind die beiden organischen Reste jeweils Methylgruppen Die Vergrößerung der Partikel liefert mit diesem Stoff besonders gute Ergebnisse. Die Zähleffizienz von optischen Partikelzählern ist vergleichbar mit herkömmlichem Butanol betriebenen Partikelzählern.
Sowohl bei Sulfonen als auch bei Sulfoxiden ist die Verwendung von organischen Resten wie Ethyl- oder Cyclo-Verbindungen möglich. Es können symmetrische oder asymmetrische Sulfone oder Sulfoxide verwendet werden.
In einer Ausgestaltung haben die Partikel einen Durchmesser von weniger als 50 nm, in einer Ausführungsform weniger als 23 nm, insbesondere weniger als 10 nm und bevorzugt weniger als 5 nm oder weniger als 3 nm. Die Partikel weisen den genannten Durchmesser auf, bevor sie mit dem übersättigten Dampf in Kontakt kommen. Insbesondere sind mittlere Durchmesser einer Vielzahl an Partikeln gemeint. Beispielsweise handelt es sich um dso. Ausgehend von diesem Durchmesser findet dann das Wachstum bzw. die Vergrößerung statt.
Es hat sich gezeigt, dass auch sehr kleine Partikel unter Verwendung des erfindungsgemäßen Betriebsmittels vergrößert werden können. Insbesondere können diese Partikel nach der Vergrößerung optisch detektiert werden.
In einer Ausgestaltung wird der übersättigte Dampf durch Abkühlen von nicht übersättigtem Dampf hergestellt. In einer Ausgestaltung wird der nicht übersättigte Dampf bei einer Temperatur oberhalb von 30°C, bevorzugt oberhalb von 40°C, insbesondere oberhalb von 60°C, hergestellt.
Die erfindungsgemäßen Betriebsmittel weisen im Vergleich zu bisher benutzten Stoffen wie 1 -Butanol hohe Flammpunkte und hohe Siedepunkte auf. Deshalb kann erfindungsgemäß eine höhere Temperatur genutzt werden. Butanol zum Vergleich hat beispielsweise einen Flammpunkt von 35°C, sodass mit diesem Betriebsmittel höhere Temperaturen unter praktischen Gesichtspunkten nicht möglich sind.
Die höheren Temperaturen ermöglichen eine höhere Übersättigung und damit größeres und schnelleres Wachstum. Letztendlich kann so hinsichtlich der Partikelgröße eine besonders niedrige Nachweisgrenze (der aktivierbaren Partikelgröße) erreicht werden. Insbesondere herrschen die genannten Temperaturen in einem Saturator.
Eine maximale Temperatur kann für DMSO bei 150°C liegen, da oberhalb dessen thermische Zersetzung auftritt. Bei Verwendung anderer Stoffe kann die maximale Temperatur höher liegen; bei Dimethylsulfon beispielsweise oberhalb von 230°C. Durch Wahl geeigneter organischer Reste kann die Maximaltemperatur in weiten Bereichen eingestellt werden.
In einer Ausgestaltung wird der nicht übersättigte Dampf bei einer Temperatur oberhalb von 80°C, insbesondere oberhalb von 110°C, hergestellt. Auf diese Weise kann eine besonders niedrige Nachweisgrenze erreicht werden bis hin zu Nanopartikeln unterhalb von 5 nm oder unterhalb von 2 nm, insbesondere ohne zusätzliche Aktivierungsstufe. Dies kann insbesondere bei einer Kondensortemperatur von 5°C bis 10°C erfolgen.
In einer Ausgestaltung wird der übersättigte Dampf durch Abkühlen von nicht übersättigtem Dampf auf eine Temperatur unterhalb von 20°C, insbesondere unterhalb von 10°C hergestellt. Die Temperatur beträgt insbesondere mehr als 0°C oder mehr als 5°C. Diese Zieltemperatur lässt sich mit besonders einfachen technischen Mitteln einstellen.
In einer Ausgestaltung wird der übersättigte Dampf durch Abkühlen von nicht übersättigtem Dampf auf Raumtemperatur und/oder eine Temperatur oberhalb von 15°C, insbesondere 20°C und/oder unterhalb von 30°C, insbesondere 25°C hergestellt. Diese Zieltemperatur lässt sich in vielen Anwendungen gänzlich ohne technische Mittel oder zumindest ohne Kühlung einstellen. Auf eine Kühlung, beispielsweise mittels Peltier-Elementen kann so verzichtet werden. Ggf. kann eine Heizeinrichtung vorgesehen sein, um eine Temperatur bei Bedarf zu erhöhen. Heizen ist technisch wesentlich weniger aufwändig als Kühlen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Betriebsmittel ist eine so geringe Saturatortemperatur wie in herkömmlichen Vorrichtungen nicht mehr nötig. Eine ausreichende Übersättigung kann durch die höheren Saturatortemperaturen auch mit höheren Kondensortemperaturen erreicht werden.
In einer Ausgestaltung wird zur Herstellung des übersättigten Dampfs eine Mischung aus Sulfoxid oder Sulfon mit Wasser verwendet. Insbesondere wird das zur Herstellung des übersättigten Dampfs verwendete Sulfoxid oder Sulfon mit Wasser verdünnt. Die Verwendung von Wasser allein als Betriebsmittel ist aufgrund der Diffusionseigenschaften nicht möglich. Es hat sich hingegen gezeigt, dass eine Mischung aus dem erfindungsgemäßen Betriebsmittel mit Wasser zu einer effektiven Vergrößerung der Partikel führt. Gleichzeitig erlauben unterschiedliche Mischungsverhältnisse, den Schmelzpunkt des jeweiligen Sulfoxids oder Sulfons an die jeweiligen Betriebsbedingungen oder Bedürfnisse anzupassen.
Der Schmelzpunkt von DMSO kann durch Beimischung geringer Mengen Wasser von 18°C auf beispielsweise 5°C bis 15°C gesenkt werden. Beispielsweise können unter dem Cockpit eines Flugzeugs, wo ein Partikelzähler zur Untersuchung atmosphärischer Aerosole betrieben werden kann, Temperaturen zwischen 5°C und 15°C herrschen. Bei Verdünnung mit Wasser kann der Partikelzähler auch unter diesen Bedingungen ohne zusätzlichen technischen Aufwand betrieben werden, beispielsweise bei einer Verdünnung mit 10 Vol.-% Wasser bis -10°C. Ein Erstarren oder Einfrieren des Betriebsmittels in Vorratsbehältern oder Leitungen ist dann nicht zu befürchten.
Insbesondere wird der übersättigte Dampf aus dem mit Wasser verdünnten Sulfoxid oder Sulfon hergestellt. Typischerweise wird das Wasser als Verdünnungsmittel genutzt. In einer Ausgestaltung beträgt der volumetrische Anteil des Wassers in der Mischung weniger als 10%. Es hat sich gezeigt, dass bis zu einem Wasseranteil von 10% im Gesamtvolumen der Mischung keine wesentliche Beeinträchtigung der Zähleffizienz eines Partikelzählers auftritt. Mit anderen Worten werden bis zu diesem Wassergehalt verlässliche Ergebnisse erzielt. In einer Ausführungsform beträgt der Wasseranteil weniger als 5%. So werden besonders exakte Ergebnisse erzielt. Das Wasser beeinträchtigt die Vergrößerung der Partikel nicht.
In einer Ausgestaltung erfolgt die Vergrößerung der Partikel im Unterdrück. Insbesondere beträgt der Unterdrück zwischen 150 hPa und 750 hPa. Typischerweise erfolgt auch die Herstellung des nicht übersättigten Dampfes und/oder eine optische Bestimmung unter dem Unterdrück. Der genannte Druck ist ein absoluter Druck.
In einer Ausgestaltung werden die vergrößerten Partikel optisch erfasst. In einer Ausgestaltung wird eine Anzahl an Partikeln bestimmt. In einer Ausführungsform wird nach der Vergrößerung der Partikel des Aerosols zumindest eine Eigenschaft des Aerosols optisch bestimmt. Die optische Bestimmung kann beispielsweise eine Detektion einer Anzahl an Partikeln sein, beispielsweise in einem bestimmten Volumen und/oder einem bestimmten Zeitintervall. Die optische Bestimmung kann auch eine optische Detektion einer Eigenschaft eines oder mehrerer Partikel sein. So kann eine Größe eines Partikels und/oder eine mittlere Größe mehrerer Partikel bestimmt werden. Eine Größe meint typischerweise einen Durchmesser. Es kann bevorzugt eine Anzahlkonzentration der Partikel bestimmt werden.
Nach der Vergrößerung der Partikel liegt typischerweise ein Gasvolumen oder Gasstrom mit vergrößerten Partikeln vor. In einer Ausführungsform wird das Gasvolumen oder der Gasstrom mit Licht bestrahlt, insbesondere mittels einer fokussierten Lichtquelle wie z. B. einem Laser. In einer Ausführungsform ist ein optischer Detektor zur Detektion der vergrößerten Partikel vorhanden. In einer Ausführungsform ist der Detektor zur Detektion von gestreuter Strahlung eingerichtet. Insbesondere ist eine Auswertelektronik vorhanden, um aus vom Detektor erhaltenen Signalen eine Anzahl, Konzentration oder Anzahlkonzentration der Partikel zu bestimmen. Beispielsweise ist die Auswertelektronik dazu eingerichtet, eine Anzahl an Partikeln zu zählen, beispielsweise in einem bestimmten Zeitintervall. Die Auswertelektronik hat in einer Ausführungsform Zugriff auf eine Information zu einem Volumenstrom oder Volumen des Gases. In einer Ausgestaltung ist das Aerosol ausgewählt aus Umgebungsluft, Verbrennungsabgas, Produktionsabgas, Zuluft eines Reinraums, Abluft eines Reinraums, Zuluft eines im Wesentlichen geschlossenen Raums und Abluft eines im Wesentlichen geschlossenen Raums. Ein Reinraum kann beispielsweise ein Reinraum der chemischen Industrie, der Pharmaindustrie, der Chipproduktion, eines Krankenhauses oder eines Labors, beispielsweise eines SO-, S1-, S2-, S3- oder S4- Labors sein. Die Zuluft eines Reinraums kann zur Überwachung analysiert werden. Die Abluft eines Reinraums kann ein separat für die Detektion abgeführter Luftstrom (Raumluftüberwachung) oder ein unabhängig davon vorhandener Abluftstrom zur Entlüftung des Reinraums sein. Abluft des Reinraums kann zwecks Überwachung des Zustands bzw. der Kontamination des Reinraums analysiert werden. Ein Produktionsabgas kann beispielsweise aus der Industrie, Medizin, Medizintechnik, Pharmazie, Chemie oder einer militärischen Anwendung stammen. Insbesondere kann das Verfahren oder die Verwendung genutzt werden, um eine Belastung mit Staub und/oder Aerosol zu bestimmen, einen Prozess zu optimieren, Verbrennungsrückstände zu analysieren, Qualität zu überwachen, eine Klimarelevanz zu untersuchen, eine Partikelbelastung zu untersuchen, eine Gefahr zu vermeiden, ein Risiko abzuschätzen und/oder eine Produktion zu steuern. Umgebungsluft meint insbesondere Luft aus einem bestimmten Bereich der Erdatmosphäre. Im Falle eines Verbrennungsabgases kann es sich um ein Abgas eines Verbrennungsmotors wie beispielsweise eines Diesel- oder Benzinmotors handeln. Dies kann bei der Motorentwicklung, bei der Verbrennungsoptimierung und/oder bei der technischen Überwachung von Motoren oder Fahrzeugen erfolgen. Es kann sich um einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, Flugzeugs, Schiffs oder Schienenfahrzeugs handeln. Insbesondere kann die Partikelanzahl oder ein daraus abgeleiteter Wert wie die Partikelanzahlkonzentration, die der Partikelanzahl pro Volumen entspricht, die Partikelanzahl pro Zeit oder die Partikelanzahl pro Zeit und Leistung verwendet werden.
Ein im Wesentlichen geschlossener Raum kann ein Passagierraum sein, z. B. eine Flugzeugkabine. Hier kann die Güte einer Zu- und/oder Abluft gemessen werden, um die Güte der Kabinenluft zu ermitteln und/oder einzustellen.
In einer Ausgestaltung enthält das Aerosol lipophile und/oder unlösliche Partikel. Unlösliche Partikel können beispielsweise Silikate und/oder Mineralstäube umfassen. Lipophile Partikel lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Betriebsmittel ebenso gut vergrößern wie hydrophile Partikel. Die lipophilen Partikel können hydrophob sein. In einer Ausführungsform enthält das Aerosol hydrophile Partikel. Die hydrophilen Partikel können lipophob sein. In einer Ausführungsform enthält das Aerosol lipophile und hydrophile Partikel. In einer Ausführungsform enthält das Aerosol organische Partikel. Beliebige Kombinationen sind möglich. In einer Ausführungsform sind im Wesentlichen sämtliche Partikel des Aerosols lipophil und/oder hydrophil.
In einer Ausgestaltung erfolgt die Vergrößerung der Partikel in einer Höhe von mehr als 500 m über der Erdoberfläche und/oder von einem Flugzeug aus.
Bevorzugt beträgt die Höhe mehr als 1.000 m, in einer Ausführungsform mehr als 5.000 m über der Erdoberfläche, und/oder weniger als 20.000 m, in einer Ausführungsform weniger als 15.000 m über der Erdoberfläche. Ergänzend oder alternativ erfolgt die Vergrößerung in oder an einem Flugzeug. Insbesondere erfolgt auch das Zählen der Partikel in der genannten Höhe. Auf diese Weise können in unterschiedlichen Höhen der Atmosphäre vorhandene Aerosole untersucht werden. Aufgrund aktueller Sicherheitsvorgaben ist die Nutzung von Butanol in Passagierflugzeugen praktisch nicht mehr zulässig. Die erfindungsgemäßen Betriebsmittel ermöglichen dies hingegen auch weiterhin.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung eines Sulfoxids oder eines Sulfons zur Herstellung eines übersättigten Dampfes. Der übersättigte Dampf kommt zwecks Vergrößerung von Partikeln eines Aerosols mit den Partikeln in Kontakt. Insbesondere wird eine Anzahl der vergrößerten Partikel mit einem Partikelzähler erfasst. Alle Merkmale, Vorteile und Wirkungen des eingangs beschriebenen Verfahrens gelten entsprechend für die Verwendung und umgekehrt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung, insbesondere ein Teil eines Kondensationspartikelzählers oder ein Kondensationspartikelzähler. Diese umfasst einen Kondensor zum Vergrößern von Partikeln eines Aerosols mittels eines übersättigten Dampfs. Es ist ein Vorratsbehälter für ein Sulfoxid oder Sulfon vorhanden, um den übersättigten Dampf herzustellen. Insbesondere enthält der Vorratsbehälter das Sulfoxid oder Sulfon. Insbesondere umfasst der Kondensationspartikelzähler ferner einen Saturator zur Herstellung eines nicht übersättigten Dampfes. Alle Merkmale, Vorteile und Wirkungen des eingangs beschriebenen Verfahrens gelten entsprechend für die Vorrichtung und umgekehrt.
Insbesondere enthält die Vorrichtung oder der Kondensationspartikelzähler keine Kühleinrichtung zur Kühlung des Kondensors. Da durch die höheren Saturatortemperaturen bei den erfindungsgemäßen Betriebsmitteln eine ausreichende Übersättigung auch mit geringfügig höheren Kondensortemperaturen erreicht werden können, kann zur Vereinfachung der Vorrichtung auf eine Kühlung, beispielsweise eine elektrische Kühlung, verzichtet werden. Dies wird verstärkt durch den Effekt, dass bei geringen Temperaturen im Vergleich zu hohen Temperaturen die Auswirkungen von Temperaturunterschieden auf den Partialdruck des Betriebsmittels gering sind. Somit werden keine Kühlelemente, kein Ventilator, keine zughörige Steuerung und keine Wärmesenken für die warme Seite benötigt. Insgesamt kann der Bauraum der Vorrichtung so wesentlich reduziert werden.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung Teil eines Kondensationspartikelzählers zur Analyse eines Verbrennungsabgases, insbesondere zur technischen Überwachung von Fahrzeugen wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen und/oder Schienenfahrzeugen. In einer Ausführungsform hat die Vorrichtung einen dso von 23 nm. Die Vorrichtung kann ein Kondensationspartikelzähler gemäß des Europäischen Komitees für Normung CEN sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung auch anhand von Figuren näher erläutert. Merkmale der Ausführungsbeispiele können einzeln oder in einer Mehrzahl mit den beanspruchten Gegenständen kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist. Die beanspruchten Schutzbereiche sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Es zeigen:
Figur 1 : einen Versuchsaufbau,
Figur 2: Zähleffizienzkurven,
Figur 3: ein Kelvin-Köhler-Diagramm,
Figur 4: Dampfdruckkurven,
Figur 5: einen schematischen Aufbau eines Kondensationspartikelzählers.
Figur 6: einen schematischen Aufbau eines weiteren
Kondensationspartikelzählers, sowie Figur 7: eine erfindungsgemäße Kartusche.
Figur 1 zeigt einen Versuchsaufbau zur Untersuchung eines Kondensationspartikelzählers 21 mit einem zu Versuchszwecken hergestellten Aerosols 2 zwecks Bewertung unterschiedlicher Betriebsmittel. Das Aerosol 2, das die Partikel 1 enthält, wird in einer Aerosolquelle 10, z. B. Nebulizer, hergestellt und anschließend über eine Trocknung 12 und eine Regulierung von Überschussluft 13 zunächst in eine Größenselektion 14 geleitet. Bevorzugt wird ein Differential Mobility Analyzer (DMA) verwendet, der nur Partikel einer bestimmten Größe passieren lässt und auf diese Weise ein monodisperses Aerosol erzeugt.
Zudem können auch mittels eines Rußgenerators 11 hergestellte Rußpartikel zur Größenselektion 14 geleitet werden. Über eine Öffnung 18 und eine Leitung wird das Aerosol in die Mischkammer 22 geleitet, die Teil eines Niederdruckbereichs 23 ist. Die Leitung ist über einen Partikelfilter 16 und einen Massendurchflussregler 17 mit einer Durchflusssteuerung 15 verbunden. Es ist ferner ein Befeuchter 24 vorhanden, um die Luftfeuchtigkeit in der Mischkammer 22 zu beeinflussen. Oberhalb des Befeuchters 24 befindet sich eine Einrichtung zur Verdünnung und/oder Drucksteuerung der Atmosphäre in der Mischkammer 22. Beide Einrichtung sind jeweils mit einem Massendurchflussregler 17 und einem Partikelfilter 16 an die Mischkammer 22 angeschlossen. Zudem ist eine Temperaturregelung für die Mischkammer 22 vorhanden.
An die Mischkammer 22 sind über eine Auslassleitung mehrere Messgeräte angeschlossen: ein Referenzmessinstrument 19 zur Bestimmung der Anzahlkonzentration, beispielsweise ein Faraday Cup Electrometer, ein Kondensationspartikelzähler 20 mit einem herkömmlichen Betriebsmittel wie z. B. 1- Butanol, sowie der Kondensationspartikelzähler 21 mit dem erfindungsgemäßen Betriebsmittel.
Rußpartikel sind hydrophob und lipophil und unlöslich in Wasser. Die mit dem Nebulizer erzeugten Partikel sind insbesondere hydrophil und lipophob. Durch Verwendung beider Geräte können unterschiedliche Aerosole und ggf. Mischungen untersucht werden. Figur 2 zeigt ein Diagramm mit Kurven zur Zähleffizienz unterschiedlicher Betriebsmittel. Insbesondere sind die dargestellten Daten mit der Einrichtung aus Fig. 1 aufgenommen worden. Aufgetragen ist die Zähleffizienz ECPC des Partikelzählers über den Durchmesser d der Partikel in Nanometern. Der Durchmesser d ist der Mobilitätsdurchmesser, der unter Verwendung des DMA gemessen wurde. Die einzelnen Kurven beziehen sich auf einen auf herkömmliche Weise mit Butanol betriebenen Kondensationspartikelzähler B-CPC und einen baugleichen, mit dem erfindungsgemäßen Betriebsmittel DMSO betriebenen D-CPC. Die Zähleffizienz wurde jeweils auf die Messwerte des Referenzmessinstruments 19 (vergleiche Figur 1) normiert. Mit jedem der CPC wurden Messungen unter unterschiedlichen Unterdrücken, nämlich 200 hPa, 500 hPa und 700 hPa, durchgeführt.
Es zeigt sich, dass in jeder Druckstufe zwischen den verschiedenen Betriebsmitteln keine Unterschiede der Zähleffizienz ECPC vorhanden sind. Ebenso ist dargestellt, dass der Cut-Off-Punkt, auch als dso-Punkt bezeichnet, bei beiden CPC und unabhängig vom genutzten Druck bei 5,5 nm liegt. Der Wechsel auf das erfindungsgemäße Betriebsmittel, hier beispielhaft dargestellt anhand DMSO, hat also keinen Einfluss auf die Zähleffizienz.
Figur 3 zeigt ein Kelvin-Köhler-Diagramm für die Betriebsmittel DMSO 32, Butanol 33 und Wasser 34. Aufgetragen sind jeweils das Übersättigungsverhältnis OR über den Tröpfchendurchmesser x des jeweiligen Betriebsmittels in pm. Betrachtet wurde ein NaCI-Partikel mit 13 nm Durchmesser bei 20°C. Das Übersättigungsverhältnis OR entspricht dem Sättigungsquotient und berechnet sich als Quotient des Sättigungsdampfdrucks über der gekrümmten Oberfläche eines Partikels und des Sättigungsdampfdrucks über einen ebenen Oberfläche. Das Maximum der Kurve definiert dabei den kritischen Radius und die kritische Übersättigung. Sobald dieser Punkt überschritten ist, also im Diagramm rechts vom jeweiligen Maximum, werden Partikel aktiviert und wachsen im Nichtgleichgewichtszustand beständig weiter. So kann das Wachstum über mehrere Größenordnungen erfolgen.
Ist der Sättigungsquotient größer als 1, liegt Übersättigung vor. Damit Partikel wachsen, muss der Sättigungsquotient über der jeweiligen Kurve liegen; liegt er darunter, verdampft das angelagerte Betriebsmittel. Es zeigt sich, dass bei Verwendung von DMSO 32 eine Übersättigung von 1 ,2% benötigt wird und bei Butanol 33 lediglich eine Übersättigung von 0,7%. Es ist problemlos möglich, auch die Übersättigung von 1 ,2% mit handelsüblichen CPC herzustellen.
Figur 4 zeigt Dampfdruckkurven für die Betriebsmittel DMSO 32, Butanol 33 und Wasser 34. Aufgetragen sind jeweils der Dampfdruck p in bar auf einer logarithmischen Achse über der Temperatur in °C. da der Dampfdruck des DMSO 32 um eine Größenordnung geringer ist als derjenige von Butanol 33, ist der Verlust an Betriebsmitteln und damit der Verbrauch im Falle von DMSO 32 deutlich reduziert. Diese Reduktion konnte experimentell bestätigt werden. Ähnliches gilt für weitere erfindungsgemäße Betriebsmittel. Da zudem die Kurven von Butanol 33 und DMSO 32 parallel verlaufen, ist die Übersättigung bei gleicher Temperaturdifferenz zwischen Saturator und Kondensator ähnlich. Aus diesem Grund verhält sich DMSO 32 als Betriebsmittel ähnlich wie Butanol 33.
Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder einen Kondensationspartikelzähler 31 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Anschluss an einen Einlass 25 zur Zuführung des Aerosols 2 mit den Partikeln 1 befindet sich ein Saturator 27 zum Herstellen eines nicht übersättigten Dampfes 4. Im Saturator befindet sich ein Befeuchter 36, der beispielsweise als Schwamm oder ähnliches Bauteil mit großer Oberfläche ausgestaltet ist. Der Befeuchter kann an einer oder mehreren Wänden im Inneren des Saturators 27 angeordnet sein. Ein Vorratsbehälter 30 mit einem Betriebsmittel 35, nämlich einem Sulfoxid oder Sulfon, ist mit dem Befeuchter 36 verbunden, um den nicht übersättigten Dampf 4 herzustellen. Dazu verdunstet das Betriebsmittel 35 am Befeuchter 36 bei einer ersten Temperatur, die typischerweise unter der Siedetemperatur des verwendeten Betriebsmittels 35 liegt.
Anschließend wird der Gasstrom abgekühlt, um den übersättigten Dampf 3 herzustellen. Dies erfolgt in einem Kondensor 28 zum Vergrößern von Partikeln 1 des Aerosols 2. Der übersättigte Dampf 3 gelangt in Kontakt mit den Partikeln 1 des Aerosols 2, die in der Folge wachsen.
Eine Optik 29 ist zwischen dem Kondensor 28 und dem Auslass angeordnet und dient der Detektion der Partikel. Über eine mit der Optik 28 verbundene Auswertelektronik können die Partikel gezählt werden. Insbesondere umfasst die Vorrichtung die Auswertelektronik. Das Partikelwachstum ist schematisch dargestellt. Während im Saturator 27 die Größe der Partikel 1 nur bis zum Gleichgewichtsradius langsam anwachsen, wachsen die Partikel mit fortschreitender Aufenthaltszeit im Kondensor 28 im Ungleichgewicht (aktiviert) schnell über mehrere Größenordnungen an, sodass sich vergrößerte Partikel 5 mit einem vergrößerten Durchmesser bilden.
Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder einen Kondensationspartikelzähler 31 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Um Dopplungen zu vermeiden, werden lediglich Unterschiede zu der Vorrichtung aus Figur 5 beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine wechselbare Kartusche 40 mit einem festen Sulfon 43. Die Kartusche 40 kann mechanisch mit dem Rest der Vorrichtung verbunden sein. Die Verbindungsstellen für diesen Zweck sind schematisch als Lücken dargestellt. Die Vorrichtung kann eine Heizeinrichtung 42 zum direkten oder indirekten Erhitzen der Kartusche 40 bzw. des darin befindlichen festen Sulfons 43 aufweisen. Die Kartusche 40 dient insbesondere als Saturator 27.
In einer Ausführungsform enthält die Vorrichtung einen oder mehrere Strömungspfade 41 für das Aerosol 2. Ein Strömungspfad 41 der Vorrichtung kann eine Ausströmschnittstelle 45 zur Überleitung des Aerosols 2 in die Kartusche 40 und/oder eine Einströmschnittstelle 46 zur Überleitung des Aerosols 2 aus der Kartusche 40 aufweisen. In einer Ausführungsform enthält die Kartusche 40 eine Eingangsöffnung 48 zur Einleitung des aus der Ausströmschnittstelle 45 erhaltenen Aerosols 2 in die Kartusche 40. In einer Ausführungsform enthält die Kartusche 40 eine Ausgangsöffnung 49 zur Abgabe des Aerosols 2 aus der Kartusche 40 in die Einströmschnittstelle 46 der Vorrichtung.
Der Kondensor 28 und/oder die Optik 29 kann ähnlich wie in Fig. 5 ausgestaltet sein. Auch hier ist das Partikelwachstum schematisch dargestellt.
Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kartusche 40. Die Kartusche 40 umfasst ein Rohr 50 mit einer äußeren Wandung 51. Die Wandung 51 kann aus einem Metall bestehen. Innen an der äußeren Wandung ist festes Sulfon 43 angeordnet. Dieses ist beispielsweise als durchgehende und/oder umlaufende Schicht mit im Wesentlichen konstanter Dicke ausgestaltet. Die Schichtdicke kann, wie dargestellt, geringer als die Dicke der Wandung sein oder auch gleich dick oder dicker. Die Schichtdicke kann in unterschiedlichen Abschnitten des Rohrs 50, insbesondere in Bezug auf die Längserstreckung des Rohrs 50, unterschiedlich sein. So kann in einem Eingangsbereich des Rohrs eine andere Schichtdicke vorliegen als in einem Ausgangsbereich des Rohrs. Das feste Sulfon 43 weist eine vergleichsweise schlechte Wärmeleitung auf, so dass bei großer Schichtdicke mehr Energie für das Erhitzen benötigt wird. Daher kann die Schichtdicke so gewählt werden, dass je nach Anforderungen ein Optimum zwischen energetischer Effizienz und Lebensdauer der Kartusche 40 erreicht wird. Die Schichtdicke ist auch ein Maß für einen Füllstand der Kartusche 40 mit dem festen Sulfon bzw. für die verbleibende Kapazität der Kartusche 40. Es kann über die Erwärmung bzw. die dafür benötigte Energie indirekt die Schichtdicke und somit die Kapazität der Kartusche 40 bestimmt werden. Der in Figur 7 dargestellte kreisförmige Querschnitt ist vorteilhaft, weil eine derartige Kartusche ohne Umbauten in einen bestehenden Partikelzähler eingebaut und mit diesem verwendet werden kann.
In einer Ausgestaltung wird ein festes Sulfon verwendet. Auf diese Weise ist die Handhabung besonders einfach.
In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Mischeinrichtung zum Herstellen einer Mischung eines Sulfoxids und Wasser. Die Mischeinrichtung kann derart sein, dass vorgegebene Mengen von Sulfoxid und Wasser in einer Strömung gemischt werden, um direkt zu einer Verdampfungseinrichtung geleitet zu werden, um den übersättigten Dampf herzustellen. Die Mischung kann zumindest zeitabschnittsweise kontinuierlich erfolgen. Die Mischeinrichtung kann derart sein, dass ein Mischbehälter vorhanden ist, in den vorgegebene Mengen von Sulfoxid und Wasser gegeben werden. Auf diese Weise kann eine chargenweise oder batchweise Herstellung der Mischung erfolgen. Die Mischeinrichtung kann automatisch und/oder durch eine Steuerung gesteuert sein. So kann automatisiert eine geeignete Mischung hergestellt werden.
In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung ist der Vorratsbehälter zur Aufnahme einer Mischung eines Sulfoxids und Wasser eingerichtet.
Wenn der übersättigte Dampf aus dem mit Wasser verdünnten Sulfoxid oder Sulfon hergestellt wird, kann das Wasser als Gefrierschutzmittel dienen.
In einer Ausgestaltung beträgt der volumetrische Anteil des Wassers in der Mischung weniger als 60%, beispielsweise etwa 46%. In einer Ausgestaltung beträgt der Anteil des Wassers in der Mischung weniger als 40 mol-%, beispielsweise etwa 30 mol-%. Reines Dimethylsulfoxid (DMSO) hat einen Schmelzpunkt von 18 °C. Eine Mischung beispielsweise von Dimethylsulfoxid mit Wasser mit 30 mol-% DMSO, ungefähr entsprechend 43 Vol-%, kann den Schmelzpunkt auf ungefähr -140°C absenken. Auf diese Weise kann die Erfindung auch bei sehr niedrigen Temperaturen verwendet werden. Dies ist beispielsweise bei Messungen in bzw. an einem Flugzeug oder in der Antarktis von Vorteil. Es werden so weitere Einsatzgebiete eröffnet.
In einer Ausgestaltung ist der Vorratsbehälter als Kartusche ausgestaltet, die beispielsweise ein festes Sulfon enthält. Das Sulfon kann z. B. Dimethylsulfon sein. Die Kartusche ist insbesondere austauschbar. Das heißt, dass eine gebrauchte bzw. entleerte Kartusche aus der Vorrichtung entnommen werden kann, um sie durch eine neue bzw. gefüllte Kartusche zu ersetzen. Die Kartusche kann fest verbaut sein oder als separates, mechanisch lösbares Modul vorliegen. Im letzteren Fall kann die Kartusche vor der Vorrichtung und/oder vor dem Partikelzähler angeordnet werden.
Die Kartusche kann also nach Art einer Druckerpatrone austauschbar sein. Insbesondere ist die Kartusche und/oder die Vorrichtung so ausgestaltet, dass das Aerosol mit den zu vergrößernden Partikeln durch die Kartusche geführt werden kann. In einer Ausführungsform enthält die Kartusche und/oder das in der Kartusche angeordnete Sulfon eine Durchgangsöffnung, durch die eine Strömung des Aerosols geleitet werden kann. Die Durchgangsöffnung wirkt dann als Strömungspfad für das Aerosol. Hierbei kann das Aerosol in Kontakt mit dem sublimierten Sulfon kommen.
In einer Ausführungsform ist die Kartusche beheizbar. Insbesondere umfasst die Kartusche eine Außenwandung, vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material, etwa einem Metall, wie beispielsweise Kupfer. Das Sulfon kann im Inneren der Außenwandung angeordnet sein. Die Außenwandung ist insbesondere so ausgestaltet, dass eine außerhalb der Außenwandung positionierte Wärmequelle durch die Wandung hindurch das Sulfon erhitzen kann. Insbesondere umfasst die Vorrichtung eine Wärmequelle, die dazu eingerichtet ist, die in der Vorrichtung befindliche Kartusche zu erwärmen. Die Wärmequelle ist insbesondere so eingerichtet, dass sie außerhalb der Außenwandung der Kartusche angeordnet ist und die Außenwandung erhitzen kann, sodass durch die Außenwandung hindurch das Sulfon erhitzt werden kann. Alternativ oder ergänzend kann die Kartusche eine Wärmequelle aufweisen, die wie beschrieben ausgeführt sein kann. In einer Ausführungsform ist die Kartusche in unterschiedlichen Abschnitten, insbesondere bezogen auf die Längserstreckung der Kartusche oder des Rohrs, unterschiedlich beheizbar. Beispielsweise können so in unterschiedlichen Abschnitten unterschiedliche Temperaturen realisiert werden. Unterschiedliche Abschnitte der Kartusche oder des Rohrs können aus separaten Bauteilen zusammengesetzt sein und/oder thermisch voneinander isoliert sein. Die Heizeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, unterschiedliche Temperaturen in unterschiedlichen Abschnitten der Kartusche zu realisieren.
Beispielsweise ist ein Erhitzen auf eine Temperatur von wenigstens 35° C, insbesondere wenigstens 40° C, bevorzugt wenigstens 50°C, besonders bevorzugt wenigstens 60° C und/oder von höchstens 150° C, insbesondere höchstens 130° C, bevorzugt höchstens 90° C, besonders bevorzugt höchstens 70° C vorgesehen. Mit anderen Worten ist die Kartusche und/oder die Vorrichtung so eingerichtet, dass ein derartiges Erhitzen möglich ist.
Es hat sich gezeigt, dass ein festes Sulfon bei einer Temperatur von beispielsweise mindestens 35 °C oder 40° C, teilweise sublimiert und geeignet ist, Partikel des Aerosols durch Kondensation zu vergrößern. Es hat sich gezeigt, dass ein derartiges festes Sulfon dabei einfach handhabbar und sehr ergiebig ist. Es sind keine Vorratsflasche, keine Schläuche und kein poröses Material zum Verdampfen nötig. Ein derartiges festes Sulfon kann in vorhandenen Kondensationspartikelzählern verwendet werden. Zudem ist das feste Sulfon auch im Temperaturbereich der vorhandenen Kondensationspartikelzähler verwendbar. Besonders vorteilhaft und einfach ist die Verwendung des festen Sulfons in direktem Kontakt mit dem Aerosol. Eine Kartusche mit dem festen Sulfon kann einfach wechselbar sein und reproduzierbare Ergebnisse erzielen.
Grundsätzlich kann die Kartusche beliebig geformt sein. In einer Ausführungsform umfasst die Kartusche einen rohrförmigen Abschnitt oder ist als ein solcher ausgeführt. Der rohrförmige Abschnitt kann gerade geformt sein. Eine rohrförmige Außenwandung der Kartusche kann dann das Sulfon enthalten. Das Sulfon befindet sich insbesondere als Schicht im Inneren der Kartusche und/oder innen an der Außenwandung. Die Schicht hat bevorzugt eine Dicke von weniger als 3 cm, insbesondere weniger als 1 cm und in einer Ausführungsform weniger als 0,5 cm oder weniger als 0,2 cm. Die Schichtdicke ist insbesondere größer als 1 pm. Entlang der Längsachse des Rohrs kann eine zentrale Durchgangsöffnung als Strömungspfad für das Aerosol ausgebildet sein. Diese Ausführungsform ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
In einer Ausführungsform ist die Kartusche gebogen oder spiralförmig ausgeführt. Beispielsweise ist ein rohrförmiger Abschnitt der Kartusche gebogen oder spiralförmig. Auf diesen Weise kann bei geringem Volumen der Kartusche ein längerer Weg bereitgestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Kartusche mit einem festen Sulfon zur Vergrößerung von Partikeln eines Aerosols und/oder zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Vergrößerung von Partikeln eines Aerosols. Die Vorrichtung kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung sein. Das Sulfon kann z. B. Dimethylsulfon sein. Insbesondere ist die Kartusche so ausgestaltet, dass das Aerosol mit den zu vergrößernden Partikeln durch die Kartusche geführt werden kann. Alle Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des oben genannten Verfahrens sowie der oben genannten Vorrichtung gelten ebenso für die Kartusche und umgekehrt. Ein Befüllen einer Kartusche kann mit geschmolzenen bzw. flüssigem Sulfon und/oder mit pulverförmigem Sulfon erfolgen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung einer Kartusche mit einem festen Sulfon zur Vergrößerung von Partikeln eines Aerosols und/oder in einer Vorrichtung zur Vergrößerung von Partikeln eines Aerosols. Die oben genannten Ausgestaltungen, Merkmale, Vorteile und Wirkungen des Verfahrens, der Verwendung und der Vorrichtung gelten ebenso für die Kartusche und umgekehrt.
Bezugszeichenliste:
Partikel 1
Aerosol 2
Übersättigter Dampf 3
Nicht übersättigter Dampf 4
Vergrößerter Partikel 5
Aerosolquelle 10
Rußgenerator 11
Trocknung 12
Überschussluft 13
Größenselektion 14
Durchflusssteuerung 15
Partikelfilter 16 Massendurchflussregler 17
Öffnung 18
Referenzmessinstrument 19
Kondensationspartikelzähler 20
Kondensationspartikelzähler 21
Mischkammer 22
Niederdruckbereich 23
Befeuchter 24
Einlass 25
Auslass 26
Saturator 27
Kondensor 28
Optik 29
Vorratsbehälter 30
Kondensationspartikelzähler 31
DMSO 32
Butanol 33
Wasser 34
Betriebsmittel 35
Befeuchter 36
Übersättigungsverhältnis OR
Mobilitätsdurchmesser d
Zähleffizienz (d Partikelzählers) ECPC
Dampfdruck p
Durchmesser x
Kartusche 40
Strömungspfad 41
Heizeinrichtung 42
Festes Sulfon 43
Ausströmschnittstelle 45
Einströmschnittstelle 46
Eingangsöffnung 48
Ausgangsöffnung 49
Rohr 50
Wandung 51

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Vergrößerung von Partikeln (1) eines Aerosols (2), bei dem die Partikel (1) mit einem übersättigten Dampf (3) in Kontakt kommen, wobei zur Herstellung des übersättigten Dampfs (3) ein Sulfoxid oder ein Sulfon verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der übersättigte Dampf (3) aus Dimethylsulfoxid oder aus Dimethylsulfon hergestellt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (1) einen Durchmesser von weniger als 50 nm haben, bevorzugt weniger als 10 nm.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der übersättigte Dampf (3) durch Abkühlen von nicht übersättigtem Dampf (4) hergestellt wird, wobei der nicht übersättigte Dampf (4) bei einer Temperatur oberhalb von 30°C, bevorzugt oberhalb von 60°C, hergestellt wird, insbesondere wobei der nicht übersättigte Dampf (3) bei einer Temperatur oberhalb von 80°C, insbesondere oberhalb von 110°C, hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der übersättigte Dampf (3) durch Abkühlen von nicht übersättigtem Dampf (3) auf eine Temperatur oberhalb von 10°C und/oder unterhalb von 30°C hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des übersättigten Dampfs (3) eine Mischung aus dem Sulfoxid oder Sulfon mit Wasser verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerung der Partikel (1) im Unterdrück erfolgt, wobei der Unterdrück insbesondere zwischen 150 hPa und 750 hPa beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vergrößerten Partikel (1) optisch erfasst werden und eine Anzahl an Partikeln (1) bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerosol (2) lipophile und/oder unlösliche Partikel (1) enthält.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerung der Partikel (1) in einer Höhe von mehr als 500 m über der Erdoberfläche erfolgt.
11. Verwendung eines Sulfoxids oder eines Sulfons zur Herstellung eines übersättigten Dampfes (3), wobei der übersättigte Dampf (3) zwecks Vergrößerung von Partikeln (1) eines Aerosols (2) mit den Partikeln (1) in Kontakt kommt.
12. Vorrichtung zur Vergrößerung von Partikeln (1) eines Aerosols (2), umfassend einen Kondensor (28) zum Vergrößern von Partikeln (1) eines Aerosols (2) mittels eines übersättigten Dampfs (3), wobei ein Vorratsbehälter (30) für ein Sulfoxid oder Sulfon vorhanden ist, um den übersättigten Dampf (3) herzustellen.
13. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Mischeinrichtung zum Herstellen einer Mischung eines Sulfoxids und Wasser aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (30) als insbesondere austauschbare Kartusche (40) ausgestaltet ist, die ein festes Sulfon enthält, wobei die Kartusche (40) insbesondere so ausgestaltet ist, dass das Aerosol (2) mit den zu vergrößernden Partikeln (1) durch die Kartusche (40) geführt werden kann.
15. Kartusche (40) mit einem festen Sulfon zur Vergrößerung von Partikeln (1) eines Aerosols (2), wobei die Kartusche (40) insbesondere so ausgestaltet ist, dass das Aerosol (2) mit den zu vergrößernden Partikeln (1) durch die Kartusche (40) geführt werden kann.
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