DE102009032752B4

DE102009032752B4 - Drehscheibenverdichter zum agglomerationsfreien Überführen von partikelgeladenen Gasvolumina, Verfahren zum Betreiben desselben und Verwendung

Info

Publication number: DE102009032752B4
Application number: DE200910032752
Authority: DE
Inventors: Jan Meinen; Harald Saathoff
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2009-07-11
Filing date: 2009-07-11
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-07-12
Also published as: DE102009032752A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehscheibenverdichter zum agglomerationsfreien Überführen von partikelgeladenen Gasvolumina, ein Verfahren zum Betreiben desselben und eine Verwendung. Der Drehscheibenverdichter erlaubt das Überführen von partikeltragenden Gasvolumina von einem ersten Druckniveau in ein zweites Druckniveau und umfasst einen Stator mit Kanälen und einen Rotor mit Sacklochbohrungen. Die Flächen des Stators mit Kanälen und des Rotors mit Bohrungen sind so angeordnet, dass sie sich einander zugewandt gegenüberliegen und eine Gleitdichtung bilden. Die gesamte Konstruktion den Rotor und Stator umfassend ist in einem evakuierbaren Gehäuse angeordnet, in dem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Stützvakuum erzeugt wird. Die Kanäle des Stators und die Bohrungen des Rotors bilden durch Drehung des Rotors kleine Volumina, die befüllt, durchspült und wieder entleert werden können. Der Drehscheibenverdichter und das erfindungsgemäße Verfahren können vorteilhaft zur Messung der Partikelanzahl eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehscheibenverdichter zum agglomerationsfreien Überführen von partikelgeladenen Gasvolumina, ein Verfahren zum Betreiben desselben und eine Verwendung.
Partikelgeladene Gasvolumina haben beispielsweise in der Atmosphärenforschung, der Krebs- und Gesundheitsforschung, sowie der chemischen Katalytik und der Datenspeicherung eine hohe Relevanz. Zunehmend gewinnen dabei auch Erkenntnisse über Partikel in der Größenklasse 1–100 nm, den Nanopartikeln, an Bedeutung. Die Gewinnung von Informationen über Zusammensetzung, Morphologie und Größe der Partikel spielt dabei eine bedeutende Rolle.
Einige besonders geeignete Verfahren zur Herstellung und Charakterisierung derartiger Partikel sind jedoch unter atmosphärischen Bedingungen nicht durchführbar. Aus diesem Grunde werden Vorrichtungen verwendet, die im Grobvakuum und mit einem speziell zusammengesetzten Restgashintergrund betrieben werden. Dieser Restgashintergrund weist zumeist Mischungen aus Edelgasen, Precursorresten und Reaktionsprodukten auf.
Viele Anwendungen, wie z. B. die Deposition von Nanopartikeln aus der Gasphase auf Zellen, benötigen jedoch einen partikelgeladenen Gasstrom bei Atmosphärendruck und möglichst einstellbarer Zusammensetzung des Trägergases. Ein Problem dabei ist, dass bekannte Vorrichtungen, die mit variablem Druck betrieben werden, einen Transfer der untersuchten partikelgeldadenen Gasströme vom Grobvakuum auf Atmosphärendruck, oder einem Druckniveau, das über dem Grobvakuum liegt, benötigen, da die Messsysteme empfindlich auf Druckdifferenzen reagieren und Fehlmessungen zur Folge hätten.
Die US 6 155 123 offenbart ein Probeninjektionsverfahren, das es ermöglicht eine Flüssigkeit aus einem Reservoir in einen Chromatografen einzufüllen und die Einfülleinheit nach jedem Entnahme-/Einfüllzyklus zu reinigen. Diese Vorrichtung nutzt eine Ausgestaltung von Rotor und Stator, die durch kanalartige Löcher im Stator und Schlitze im Rotor verschiedene Kanäle des Stators miteinander verbindet, so dass verschiedene Flüssigkeiten den Kanälen im Stator hinzugefügt, bzw. entnommen werden können. Insbesondere kann mit dieser Anordnung die flüssige Probe, die durch eine Pumpe auf ein hohes Druckniveau gebracht worden ist, entlang negativen Druckgradienten transpor- tiert werden, jedoch nicht zu einem zweiten, höheren Druckniveau überführt werden.
Die US 3 964 513 offenbart ein drehbares Probenventil, das es ermöglicht in mengenmäßig dosierter Art und Weise eine Vielzahl von flüssigen Proben diskontinuierlich von einem Reservoir zu einem Detektionssystem abzugeben. Eine ähnliche Anordnung offenbart die US 4 726 932 mit einer Dosierungs- und Mischungsvorrichtung für flüssige Medien bestehend aus einem Rotor mit Durchfluss- und Transferöffnungen, zum Transport und zur Mischung flüssiger Medien. Dabei erlaubt die Anordnung der Bohrungen in Rotor und Stator beider Druckschriften ausschließlich einen Probentransport entlang eines negativen Druckgradienten und keinen Transport zu einem zweiten, höheren Druckniveau.
Die DE 198 41782 A1 offenbart eine automatische Einrichtung für die Entnahme von Flüssigproben aus geschlossenen Leitungen oder Behältern, indem eine Rotorscheibe mit exzentrischen Durchgangsbohrungen zwischen einer ersten Statorscheibe mit Zulaufbohrung und einer zweiten Statorscheibe mit Ablaufbohrung auf einer zentrischen Achse rotiert. Durch eine dritte Bohrung im Zulaufstator kann grundsätzlich eine Flüssigkeit von einem niedrigen zu einem hohen Druckniveau gebracht werden. Aufgrund der Wahl des Materials Keramik für Rotor und Statoren ist diese Einrichtung jedoch auf viskose Flüssigkeiten und die in der Druckschrift genannten, pastösen Materialien beschränkt, da aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, dass bei wenig viskosen Flüssigkeiten und allen Gasen eine Keramik-Keramik-Gleichdichtung zu einer starken Diffusion von Ablaufbohrung zur Zulaufbohrung und von außen zwischen die Rotor/Stator-Dichtflächen führt.
Die US 20090049934 offenbart einen Drehscheibenverdünner, der es ermöglicht, dem Primärgasström bei Atmosphärendruck eine Teilmenge zu entnehmen und wieder an einen Sekundärgasstrom zu übergeben, wobei die Teilmenge des Primärgasstroms stark verdünnt wird. Diese Vorrichtung wird bei Atmosphärendruck und ohne Druckdifferenz zwischen dem Primär- und Sekundärgasstrom betrieben, wodurch Phasenübergänge oder die Partikelagglomeration vermieden werden. Eine Überführung eines Gasvolumens von einem Druckniveau in ein zweites, höheres Druckniveau ist mit dieser Anordnung jedoch nicht möglich.
Ausgehend davon ist die Aufgabe der Erfindung die genannten Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die es ermöglichen einen partikelbeladenen Gasstrom von einem Druckniveau in ein zweites Druckniveau zu überführen. Insbesondere sollen chemische oder physikalische Veränderungen an den gasgetragenen Partikeln vermieden werden.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und im Hinblick auf das Verfahren durch die Schritte des Anspruchs 6 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Drehscheibenverdichter zum agglomerationsfreien Überführen von partikeltragenden Gasvolumina von einem ersten Druckniveau in ein zweites Druckniveau umfasst einen Stator und einen Rotor, die konzentrisch auf einer Welle angeordnet sind, wobei die Welle mit der Antriebseinheit verbunden ist. In den Stator sind mindestens drei Kanäle eingebracht. Die Kanäle sind so auf dem Stator angeordnet, dass sie jeweils einen Kreisbogen bilden. Auf dem Rotor werden Bohrungen angebracht, die sich auf der gleichen Kreisbahn befinden, wie die Kanäle auf dem Stator. Die Flächen des Stators mit Kanälen und des Rotors mit Bohrungen sind so angeordnet, dass sie sich einander zugewandt gegenüberliegen. Die sich gegenüberliegenden Oberflächen sind plan poliert, so dass bei einer Drehbewegung des Rotors um die Wellen eine Gleitdichtung zwischen den sich zugewandten Oberflächen des Rotors und des Stators besteht. Entscheidend ist die Wahl einer geeigneten Werkstoffkombination für Gleitdichtungen, die sowohl die Gleitreibung minimiert als auch die Gleitdichtigkeit sicherstellt. Der Drehscheibenverdichter umfasst ferner eine Anpressfeder mit einstellbarem Vordruck, der den Rotor auf den Stator presst.
Die Konstruktion aus Stator, Rotor, Anpressfeder, Welle und Antriebsmotor zur Erzeugung der Drehbewegung befinden sich in einem evakuierbaren Gehäuse.
In einer bevorzugten Ausführform sind drei Kanäle auf dem Stator angeordnet, die jeweils einen Kreisbogen von 45° bilden. An den Enden der Kanäle sind Durchgangsbohrungen angeordnet, wobei der Durchmesser der Durchgangsbohrungen gleich dem Durchmesser der Bohrungen auf dem Rotor ist.
Die auf dem Stator angeordneten Durchgangsbohrungen sind auf der vom Rotor abgewandten Seite mit Anschlüssen für Verbindungsleitungen versehen. In der eingangs beschriebenen bevorzugten Ausführform mit drei Kanälen ist je ein Anschluss für die Verbindung zu einer Vakuumpumpe, zu der Partikelquelle auf niedrigem Druckniveau und zu der Umgebung auf atmosphärischem Druckniveau vorgesehen.
Die Anzahl der Bohrungen auf dem Rotor ist abhängig von dem Radius der Kreisbahn (r1), auf der die Bohrungen angeordnet sind, und dem Radius der Bohrungen (r2) selbst. Der Abstand zweier Bohrungen beträgt bevorzugt einen Wert, der über dem Radius 2r2 liegt. In einer besonders bevorzugten Ausführform beträgt der Abstand zweier Bohrungsmittelpunkte das Dreifache des Radius r2.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem evakuierbarem Gehäuse ein Vakuum erzeugt. Dieses Vakuum hat die Funktion eines Stützvakuums und stellt sicher, dass kein Gas aus der atmosphärischen Umgebung zwischen den Rotor und Stator gelangt. Die Kanäle des Stators und die Bohrungen des Rotors bilden durch die Drehung des Rotors kleine Volumina, die befüllt, durchspült und wieder entleert werden können.
Die Überführung des Gasvolumens von der Partikelquelle von einem ersten Druckniveau in ein zweites, höheres Druckniveau oder den atmosphärischen Druckbereich umfasst die Verfahrensschritte:

– Befüllen eines evakuierten Volumens durch Spülen mit dem partikeltragendem Gas (der Probe) im Niederdruckbreich
– Verschließen des Volumens
– Öffnen des Volumens zum Hochdruckbereich und herausspülen des partikelgeladenen Gases
– Verschließen des Volumens und erneutes Evakuieren

Die Verfahrensschritte können beliebig oft wiederholt werden und auf diese Weise kann das Gesamtvolumen oder ein beliebiges Teilvolumen des partikelgeladenen Gases von der Partikelquelle im Vakuum in einen höheren Druckbereich, in dem es verwendet wird, überführt werden. Die Wiederholfrequenz der Verfahrenschritte ist dabei über die Drehgeschwindigkeit des Rotors und die Anzahl der Bohrungen auf dem Rotor einstellbar. Auf diese Weise können durch Einstellen der Wiederholfrequenz und der Spülgasrate einzelne Probenpulse oder ein quasikontinuierlicher Gasfluss eingestellt werden.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Vermeidung von Partikelagglomeration während des Übergangs vom Niederdruckbereich in den atmosphärischen Druckbereich.
Durch Variation des Spülgasstromes erfährt die Probe eine einstellbare Verdünnung. Auf diese Weise wird der Agglomeration der im Gasstrom enthaltenen Partikel entgegengewirkt.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Ausführungsbeispielen und anhand der Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Drehscheibenverdichters zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt ein Beispiel der Anordnung der Bohrungen auf dem Rotor und der Kanäle auf dem Stator.
In 1 ist eine schematische Darstellung des Drehscheibenverdichters enthalten. In einem evakuierbaren Gehäuse 1 sind der Stator 2 mit den in der Figur nicht gezeigten Kanälen und den Durchgangsbohrungen 22 sowie der Rotor 3 mit den Sacklochbohrungen 31 angeordnet. Eine Anpresseinheit 4 presst über die Anpressfeder 5 mit einem einstellbaren Vordruck den Rotor 3 auf den Stator 2. Der Stator 2 und der Rotor 3 sind konzentrisch auf einer Welle 6 angeordnet, die mit der Antriebseinheit 7 verbunden ist. In einer besonders bevorzugten Ausfuhr form besteht der Stator 2 aus einem Edelstahl und der Rotor 3 aus TECA-PEEK. Die eine Gleitdichtung bildenden Oberflächen des Stators 2 und Rotors 3 sind in der besonders bevorzugten Ausführform jeweils poliert.
2 zeigt den schematischen Aufbau des Rotors 3 mit Sacklochbohrungen 31 und des Stators 2 mit eingefrästen Kanälen 21, an deren Enden sich Durchgangsbohrungen 22 befinden. Beide Elemente sind, wie in 2 angedeutet, in einem Gehäuse 1 angeordnet, das evakuierbar ist. In der gezeigten Ausführform sind auf dem Rotor 3 zwölf Sacklochbohrungen 31 auf einer Kreisbahn um die Welle 6 angeordnet. Die Kanäle 21 auf dem Stator 2 sind auf der gleichen Kreisbahn um dieselbe Welle 6 angeordnet. Die sich an den Enden der Kanäle 21 befindenden Durchgangsbohrungen 22 sind mit nicht in der 2 gezeigten Anschlüssen versehen, wobei ein erster Kanal mit einer Partikelquelle im Niederdruckbereich verbunden ist, ein zweiter Kanal mit einem Trägergas im Atmosphärendruckbereich verbunden ist und ein dritter Kanal mit einer Vakuumpumpe verbunden ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Aufeinanderbringen der Rotorfläche mit den Sacklochbohrungen und der Statorfläche mit den Kanälen eine Gleitdichtung erzeugt. In dem in den Figuren 1. und 2. gezeigten evakuierbaren Gehäuse 1 wird ein Vakuum erzeugt. Dieses Vakuum stellt sicher, dass kein Gas aus der atmosphärischen Umgebung zwischen den Rotor 3 und Stator 2 gelangt. Der Rotor 3 wird durch den Antriebsmotor über die Welle 6 schrittweise oder kontinuierlich gedreht, so dass sich sukzessive die Rotorvolumina einem der Statorkanäle öffnen und wieder verschließen um sich danach durch weitere Drehung dem nächsten Kanal zu öffnen.
Ein erster Kanal des Stators bildet durch Drehung des Rotors mit dem Rotorvolumen ein erstes Teilvolumen, das mit partikelgeladenem Gas aus der Partikelquelle befüllt wird. Das Teilvolumen wird durch weitere Drehung des Rotors verschlossen. Das Teilvolumen wird durch weitere Drehung des Rotors zu einem zweiten Statorkanal transportiert und geöffnet, so dass es in diesem Kanal durch einen Gasstrom mit Atmosphärendruck herausgespült werden kann. Durch Drehung des Rotors wird das zweite Volumen verschlossen und zum dritten Kanal weitertransportiert. Dort wird das Teilvolumen geöffnet, evakuiert und verschlossen.
Der Drehscheibenverdichter und das erfindungsgemäße Verfahren können vorteilhaft zur Messung der Partikelanzahl eingesetzt werden. Dabei werden bei dem eingangs beschriebenen quasikontinuierlichem Betrieb des Drehscheibenverdichters sequentiell Partikel in den Gasstrom eingemischt. Die so entstehenden Probenpulse enthalten Partikel mit hoher Mobilität im Gasstrom.
Durch Diffusion findet eine Mischung der Partikel im Gasstrom statt, so dass nach einer von der Partikelgröße abhängigen Zeit ein gleichmäßig mit Partikeln durchmischter Probengasstrom vorliegt. Durch entsprechende Wahl der Wiederholfrequenz und der Länge des Rohres zum Folgegerät ist die Zeit, die die Probe zum Mischen benötigt, einstellbar.
Bezugszeichenliste

1: evakuierbares Gehäuse
2: Stator
21: Kanäle
22: Durchgangsbohrung
3: Rotor, Rotorscheibe
31: Bohrung, Sacklochbohrung
4: Anpresseinheit
5: Anpressfeder
6: Welle
7: Antriebseinheit

Claims

Vorrichtung zum agglomerationsfreien Überführen von partikelgeladenen Gasvolumina von einem ersten Druckniveau in ein zweites Druckniveau in einem quasikontinuierlichen Fluss umfassend – eine Antriebseinheit (4) – einen Stator (2), – einen Rotor (3), der über eine Welle (6) konzentrisch mit dem Stator (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) Bohrungen (31) umfasst, die konzentrisch auf der Rotorscheibe (3) um die Welle (6) angeordnet sind und wobei der Stator (2) Kanäle (21) aufweist, die jeweils einen Kreisbogen bilden und konzentrisch um die Welle (6) angeordnet sind, wobei die Kreisbögen der Kanäle (21) auf dem Stator (2) und die Bohrungen (31) in dem Rotor (3) auf der gleichen Kreisbahn um die Welle (6) angeordnet sind und dass der Stator (2) mindestens drei Kanäle (21) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (31) auf dem Rotor (3) Sacklochbohrungen (31) sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalenden der Kanäle (21) auf dem Stator (2) Bohrungen (22) umfassen, wobei die Bohrungen (22) durch das gesamte Volumen des Stators (2) reichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen des Rotors (3) und des Stators (2) eine gasdichte Gleitdichtung bilden, wobei sich die Bohrungen (31) des Rotors (3) und die Kanäle (21) des Stators (2) gegenüberliegen und Volumen bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (7), der Stator (2), der Rotor (3) und die Welle (6) in einem evakuierbaren Gehäuse angeordnet sind.
Verfahren zum agglomerationsfreien Überführen von partikelgeladenen Gasvolumina von einem ersten Druckniveau in ein zweites Druckniveau in einem quasikontinuierlichen Fluss mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Verfahrensschritte: – Drehen des Rotors (3) zum Öffnen und Schließen der Volumen die aus den Bohrungen (31) auf dem Rotor (3) und den Kanälen (21) auf dem Stator (2) gebildet werden, – Öffnen und Befüllen eines Volumens mit partikelgeladenem Gas mit dem ersten Druckniveau, – Verschließen des Volumens, – Öffnen des Volumens in den Bereich des zweiten Druckni veaus, – Herausspülen des partikelgeladenen Gases mit einem Spülgas, – Verschließen und Evakuieren des Volumens.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte mit einer Wiederholfrequenz durchgeführt werden, die durch die Drehfrequenz der Welle (6) und die Anzahl der Bohrungen (31) auf dem Rotor (3) ein- stellbar ist.