EP1952119A2 - Detektorvorrichtung zum erfassen des vorliegens eines gases - Google Patents

Detektorvorrichtung zum erfassen des vorliegens eines gases

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Publication number
EP1952119A2
EP1952119A2 EP06829099A EP06829099A EP1952119A2 EP 1952119 A2 EP1952119 A2 EP 1952119A2 EP 06829099 A EP06829099 A EP 06829099A EP 06829099 A EP06829099 A EP 06829099A EP 1952119 A2 EP1952119 A2 EP 1952119A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capillary
gas
capillary device
capillaries
detector
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06829099A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Varesi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MEMBRANOTEC GmbH and Co KG
Original Assignee
MEMBRANOTEC GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by MEMBRANOTEC GmbH and Co KG filed Critical MEMBRANOTEC GmbH and Co KG
Publication of EP1952119A2 publication Critical patent/EP1952119A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N7/00—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour
    • G01N7/10—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour by allowing diffusion of components through a porous wall and measuring a pressure or volume difference
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/40—Concentrating samples
    • G01N1/4005—Concentrating samples by transferring a selected component through a membrane
    • G01N2001/4016—Concentrating samples by transferring a selected component through a membrane being a selective membrane, e.g. dialysis or osmosis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/206—Flow affected by fluid contact, energy field or coanda effect [e.g., pure fluid device or system]
    • Y10T137/2224—Structure of body of device

Definitions

  • Detector device for detecting the presence of a gas
  • the present invention relates to new applications of capillary devices with at least partially tapered capillaries.
  • the invention relates to a detector device for qualitatively or quantitatively detecting the presence of a predetermined gas in a gas mixture.
  • the qualitative detection comprises only the determination that the predetermined gas having a concentration above a predetermined detection limit is present in the gas mixture, while the quantitative detection includes the determination of a partial volume or volume fraction.
  • the present invention relates to a gas enrichment apparatus for recovering a predetermined gas from a mixed gas or for enriching the predetermined gas, the gas enrichment apparatus comprising the capillary.
  • the present invention relates to a device for at least temporary generation of mechanical power and a device for at least temporarily generating a rotational movement, each comprising one or more of the capillary devices.
  • detectors are used which respectively detect the presence or the partial pressure of a single predetermined gas or of a gas from a predetermined group of gases in the gas mixture.
  • gases which, because of their chemical and / or physical properties, can be detected with relatively simple and inexpensive detectors.
  • gases which, because of their chemical and / or physical properties, can be detected with relatively simple and inexpensive detectors.
  • gases for example, oxygen.
  • gases can only be detected with relatively expensive and expensive detectors.
  • the latter include, for example, the noble gases due to their chemically inert behavior.
  • detectors or detection devices for helium contain mass spectrometers and cost at least approximately 1,000.00 EUR.
  • the object of the present invention is to provide a simple detector device for qualitatively or quantitatively detecting the presence of a predetermined gas in a gas mixture.
  • a further object of the present invention is to provide a gas extraction apparatus for recovering or enriching a predetermined gas from a gas mixture.
  • Another object of the present invention is to provide a device for at least temporary delivery of mechanical power and to provide a device for producing a rotational movement.
  • the present invention is based on the idea of a capillary device with one or, preferably, a plurality of capillaries, which are at least partially separated from one side of the capillary device to the other side of the capillary device. boys, to use.
  • a capillary tapered in one direction is flowed through by different gases in different ways.
  • atomic gases or gases consisting of individual atoms in particular noble gases
  • molecular gases which consist of molecules each consisting of two or more atoms (for example nitrogen, oxygen, water vapor, etc.).
  • Single-atomic gases pass through the capillaries faster than molecular gases, but here, too, the atomic mass of the monatomic gas and the molecular mass of the molecular gas have an influence.
  • the tapered capillaries are traversed in particular by monatomic gases and, alternatively, by molecular gases in one direction faster or at a higher rate than in the opposite direction.
  • One side of the capillary device is exposed to the gas mixture to be examined, for example by a gas line connecting this side of the capillary device with a container in which the gas mixture is present.
  • the other side of the capillary is connected to a pressure detector, which in the simplest case is formed by a glycerine drop or other drop of liquid in a riser. Since different gases behave differently at the capillary device and, in particular, the capillaries pass through at different rates, the pressure detected at the pressure detector allows conclusions to be drawn about the gas composition.
  • the capillary device is used for recovering or enriching a predetermined gas from a gas mixture, for generating mechanical power and for generating a rotational movement.
  • the rotational movement can be used, for example, for the detection and / or display of the gas composition or of the partial pressure of the predetermined gas can be used in the gas mixture.
  • Figure 1 is a schematic representation of a detector device
  • Figure 2 is a schematic representation of another detector device
  • FIG. 3 is a schematic representation of a cross section of a capillary device
  • Figure 4 is a schematic representation of a cross section of a capillary device with particle paths
  • Figure 5 is a schematic representation of a cross section of another capillary device with particle paths
  • Figure 6 is a schematic representation of a gas enrichment device
  • Figure 7 is a schematic representation of a device
  • Figure 8 is a schematic representation of another device.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of a detector device with a capillary device 10 and a pressure detector 20.
  • the capillary device 10 has one or a plurality of capillaries 12, each connecting a first side 14 of the capillary device to a second side 16 of the capillary device 10.
  • the first side 14 of the capillary device 10 is connected to a gas container 18 or a their volume, in which the gas mixture to be examined is connected.
  • the pressure detector 20 is connected via a line 22 to the second side 16 of the capillary device 10.
  • the capillaries 12 taper from the second 16 to the first side 14 of the capillary device 10, d. H. the cross sectional area of each capillary 12 increases from the first side 14 to the second side 16 of the capillary device 10.
  • FIG. 1 like FIGS. 2 to 4 described below, shows schematic and non-full scale representations. In particular, the capillaries 12 and their lateral dimensions are shown not to scale.
  • the minimum cross-sectional area lying in the example of FIG. 1 at or near the first side 14 of the capillary device 10 has a dimension in at least one direction which is preferably smaller than the mean free path of the predetermined gas whose presence is detected by the detector device at the intended measuring conditions (especially total pressure and temperature).
  • the minimum cross-sectional area in at least one direction has a dimension which is of the same order of magnitude as the mean free path, in particular at most twice as large as the mean free path.
  • the capillaries 12 alternatively taper from the first side 14 to the second 16 of the capillary device 10. Further alternative embodiments of the capillaries 12 will be explained in more detail below with reference to FIG.
  • the pressure detector 20 is operatively connected to an evaluation device 28, which receives a measurement signal of the pressure detector 20.
  • the evaluation device 28 is designed to generate an output signal on the basis of the measurement signal received by the pressure detector 20, which indicates whether the predetermined gas is present in the gas mixture with a minimum concentration.
  • the output signal shows from the partial pressure or the volume or mole fraction of the predetermined gas in the gas mixture or a corresponding quantity which quantifies the proportion of the predetermined gas in the gas mixture to.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a detector device in which the pressure detector 20, unlike the example shown in FIG. 1, is a differential pressure detector for detecting a pressure difference.
  • the pressure detector 20 is connected here via a first line 24 to the first side 14 of the capillary device 10 and via a second line 22 to the second side 16 of the capillary 10 to a pressure difference between the first side 14 and the second side 16 of the capillary device 10th capture.
  • the first side 14 of the capillary device 10 is further connected via a further line 26 with a gas volume or gas container, not shown here, in which the gas mixture to be examined is present.
  • the pressure detector 20 is also connected in the case of the detector device illustrated in FIG. 2 to an evaluation device which has the function described above.
  • the further line 26 can be dispensed with, in that the first side 14 of the capillary device 10 is directly connected to the volume or directly adjoins the volume in which the gas to be investigated is present chemically ,
  • the pressure detector 20 is deviated from the illustration in Figure 2 via the first line 24 or directly connected to the volume in which the gas mixture to be examined is present.
  • the capillaries 12 alternatively taper from the first side 14 to the second side 16 of the capillary device 10, or the capillaries 12 have other shapes, as will be shown below with reference to FIG 3, for example.
  • FIG 3 is a schematic representation of a section through a capillary device usable in the detector devices shown in Figures 1 and 2.
  • the illustrated section plane is substantially perpendicular to the first side 14 and the second side 16 of the capillary device 10 and parallel to the capillaries 120, 122, 124, 126, 128 and to their longitudinal axes.
  • the capillaries 120 to 128 need not be arranged and aligned exactly perpendicular to the surfaces 14, 16 of the capillary device 10.
  • a capillary device 10 preferably has a multiplicity of substantially identical capillaries, five different capillaries 120, 122, 124, 126, 128 are shown by way of example in FIG. Notwithstanding FIG. 3, the two sides 14, 16 may also be interchanged (as already mentioned above in connection with FIGS. 1 and 2) or the capillaries 120 to 128 may be interchanged at least in sections from the first side 14 to the second side 16 rejuvenate.
  • the sections through the capillaries 120 to 128 shown in FIG. 3 inevitably represent only the development of the dimensions of the cross-sectional area along the capillary measured parallel to the illustrated sectional plane.
  • the capillaries 120 to 128 of the capillary device 10 preferably extend along their entire length or at least in sections, a circular or elliptical cross section.
  • the dimension of the cross-sectional area measured perpendicular to the sectional plane illustrated in FIG. 3 preferably varies substantially in the same way as the dimension of the cross-sectional area measured in the sectional plane illustrated in FIG.
  • only the cross-sectional area varies according to the examples described below without the parallel to the dargestell-
  • the dimension measured in the sectional plane or the dimension perpendicular to the cutting plane corresponds exactly to the examples.
  • the first capillary 120 shown in FIG. 3 has its minimum cross-sectional area directly on the first side 14 of the capillary device 10.
  • the cross-section or cross-sectional area increases continuously from the first side 14 to the second side 16 of the capillary device 10.
  • the capillary 120 is thus funnel-shaped or cone-shaped.
  • the minimum cross-section or minimum cross-sectional area of the second capillary 122 shown in FIG. 3 is spaced from the first side 14 of the capillary 10, but closer to the first side 14 than to the second side 16.
  • the cross-section or the cross-sectional area of the capillary 122 initially decreases in a first section 42 and then increases again in a second section 44 toward the second side 16.
  • the capillary 122 thus has the shape of a double funnel with two funnel-shaped or conical sections 42, 44, which open to the two sides 14, 16 of the capillary 10.
  • the third capillary 124 shown in FIG. 3 has on the first side 14 of the capillary device 10 a first section 46 with a substantially constant cross-section or a substantially constant cross-sectional area.
  • a second section 48 connects, in which the cross-section or the cross-sectional area of the capillary 124 continuously and in the case of circular or elliptical cross-section preferably grows substantially funnel-shaped or conical.
  • the fourth capillary 126 in the first section 50 does not have the minimum cross-section or the minimum cross-sectional area. Instead, the cross section or the cross-sectional area is larger or substantially larger and reduces stepwise at the transition to the second section 52.
  • the fifth capillary 128 shown in FIG. 3 has a plurality of sections 54, 56, 58, between which the cross-section or the cross-sectional area of the capillary 128 changes stepwise in each case.
  • a section 54, 56, 58 the cross-section or cross-sectional area of the capillary 128 increases in each case in the direction from the first side 14 to the second side 16 of the capillary device 10, and then again in a stepped manner at the transition to the next section 56, 58.
  • the capillary 128 thus has the form of several funnels which are lined up in the same direction.
  • the time evolution of the pressure measured by the pressure detector 20 depends on the composition of the gas mixture. From the time evolution of the pressure (for example, starting from an initially greatly reduced pressure or vacuum in the line 22) can thus be concluded that the composition of the gas mixture in the volume 18. Correspondingly, in the case of the detector device shown above with reference to FIG. 2, it is possible to deduce the composition of the gas mixture from the time development of the pressure difference between the two sides 14, 16 of the capillary device 10 as measured by the pressure detector 20. Such evaluation of the measurement signal of the pressure detector 20 is preferably carried out by the evaluation device 28.
  • the different rates of passage of various gases at the capillary device 10 can be used for filtering or enriching predetermined gas components.
  • helium or other noble gases can be obtained from any gas mixtures.
  • the passage rates through the capillary device 10 from the first side 14 to the second side 16 and from the second side 16 to the first side 14 are different.
  • a pressure difference arises, for example, from the Pressure detector 20, which can be detected above based on the Figure 2 detector device. Since the net gas flow differs from gas to gas, the pressure difference can be used to determine the composition of the gas mixture. Thus, according to this embodiment, not only does the time course of the pressure difference detected by the pressure detector 20 contain information about the composition of the gas mixture but also the steady-state value of the pressure difference occurring after some time.
  • FIG. 3 shows a section of a capillary device 10 with two capillaries 120 with a simple funnel-shaped configuration.
  • the tracks 62, 64 are shown by gas particles. It is assumed that the mean free path of the gas particles is greater or substantially greater than the dimensions of the capillaries 120 perpendicular to their axes, in particular greater than the minimum diameter of the capillaries 120. Under this condition, the webs are substantially ballistic or through Newton's mechanics can be described.
  • a gas particle enters from the second side 16 of the capillary device 10. It can be seen that due to the angle between the opposing walls of the capillary 120, the angle between the track 62 and the axis of the capillary 120 increases with each reflection until it reaches approximately 90 ° and decreases again. This leaves the gas particle the capillary 120 again on the second side 16 of the capillary device 10th
  • the web 64 of a gas particle is shown, which enters from the first side 14 of the capillary 10 in the capillary 120. It can be seen that the angle between the track 64 and the axis of the capillary 120 decreases at each reflection, and the gas particle readily exits the capillary 120 at the second side 16 of the capillary device 10.
  • FIG. 5 also shows a capillary device 10 with a symmetrical capillary 130.
  • the capillary 130 has on both sides 14, 16 of the capillary 10 the same diameter or the same cross-sectional area and tapers from both sides in the same way to a minimum diameter or a minimum cross-sectional area.
  • the location of the minimum diameter or minimum cross-sectional area capillary 130 is equidistant from both sides 14, 16 of the capillary.
  • FIG. 5 also shows the webs 66, 68 of two particles. It can be seen from the exemplified webs 66, 68 that obviously in the case illustrated in FIG. 5 the probability that a particle entering the capillary device 10 at the first side 14 leaves the capillary device 10 at the first side 14 again, and the probability that a particle entering at the second side 16 in the capillary 10, the capillary device 10 leaves on the second side 16 again, are equal.
  • the capillary device shown in Figure 5 thus develops a barrier effect, however, which may be dependent on the type of gas.
  • the microscopic design of the capillaries of the capillary device makes it possible to obtain a net result.
  • FIG. 6 shows a gas enrichment device with a capillary device 10, as described above with reference to FIGS. 3 to 5.
  • the gas enrichment device comprises a first gas container 72, which is connected to the first side 14 of the capillary device 10, and a second gas container 74, which is connected to the second side 16 of the capillary device 10.
  • Both the first and the second gas containers 72, 74 can each be connected directly to the capillary device 10, as shown in FIG. 6, or via lines to the corresponding side 14, 16 of the capillary device 10.
  • the first gas container 72 is filled with the gas mixture containing the predetermined gas in a first concentration. Due to the above-described characteristics of the capillary device 10, the predetermined gas has a higher rate of passage with respect to the capillary device than other components of the gas mixture. In the second gas tank 74 therefore accumulates a gas mixture with a second concentration of the predetermined gas, the second concentration is higher or substantially higher than the first concentration.
  • Equivalent to the device illustrated with reference to FIG. 6 is a continuously operating device in which the gas mixture is fed continuously or discontinuously through a gas supply to the first gas container or directly to the first side 14 of the capillary device 10, while from the second container or to the second container second side 16 of the capillary 10, the predetermined gas or a gas mixture with the enriched predetermined gas is removed continuously or discontinuously by a gas discharge.
  • the capillary device 10 may be installed vice versa.
  • the first side 14 of the capillary device 10 is connected to the second gas container 74 and the second side 16 of the capillary device 10 is connected to the first gas container 72.
  • capillary device for enrichment or depletion of noble gases such as helium or argon.
  • noble gases such as helium or argon.
  • unatomic gases which, as described above, behave differently in capillaries 12 than molecular gases such as nitrogen or oxygen.
  • FIG. 7 shows a device with a capillary device 10, as described above, and a rotor 82, the shaft of which is connected to a transducer 84.
  • the second side 16 of the capillary device 10 is connected to the front side of the rotor 82
  • the first side 14 of the capillary device 10 is connected to the rear side of the rotor 82.
  • the occurring at the capillary 10 net gas flow is thus used to perform mechanical work, in turn, by the converter 84 z. B. is converted into the rash of a pointer instrument.
  • the mechanical power of the rotor 82 is used to drive other devices.
  • any other machine can be used which emits mechanical power upon relaxation of a gas, for example a piston engine.
  • FIG 8 shows another application of capillary devices 10 as described above.
  • One or more large-area capillary devices 10 are mounted on a shaft 92.
  • This shaft 92 is connected to a pointer (not shown).
  • a pressure difference dependent on the gas composition, arises between the first and second gas flows.
  • This pressure difference generates a torque that also depends on the gas composition.
  • a spring also not shown, generates a counter-torque, which depends on the angle of rotation.
  • mechanical power is removed via the shaft 92, which may be used, for example, to drive a generator or other device.
  • the lengths of the capillaries 12, 120, 122, 124, 126, 128, 130 and the lengths of their sections 44, 48, 52, 54, 56, 58, the taper angle and the ratio between the minimum through - A knife of a capillary and the mean free path of a gas particle preferably to the temperature, the pressure and the predetermined gas whose presence is to be detected by the detector device or to be enriched adapted.
  • an enhanced effect for example, an increased pressure or partial pressure or an increased pressure or partial pressure difference
  • pressure oscillation may be, for example, sound acting on the device.
  • the invention can thus be used in particular for the conversion of sound energy into mechanical energy.

Abstract

Eine Detektorvorrichtung zum qualitativen oder quantitativen Erfassen des Vorliegens eines vorbestimmten Gases in einem Gasgemisch umfasst eine Kapillareinrichtung (10) mit einer oder mehreren Kapillaren (12), die eine erste Seite (14) der Kapillareinrichtung (10) mit einer zweiten Seite (16) der Ka-pillareinrichtung (10) verbindet, und einen mit der zweiten Seite verbundenen Druckdetektor (20), wobei die Kapillare (12) sich von einer Seite zur anderen Seite der Kapillarein-richtung (10) zumindest abschnittsweise verjüngt.

Description

Beschreibung
Detektorvorrichtung zum Erfassen des Vorliegens eines Gases
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf neue Anwendungen von Kapillareinrichtungen mit sich zumindest abschnittsweise verjüngenden Kapillaren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Detektorvorrichtung zum qualitativen oder quantitativen Erfassen des Vorliegens eines vorbestimmten Gases in einem Gasgemisch. Die qualitative Erfassung umfasst lediglich die Feststellung, dass das vorbestimmte Gas mit einer Konzentration über einer vorbestimmten Nachweisgrenze in dem Gasgemisch vorliegt, während die quantitative Erfassung die Bestimmung eines Partialdrucks bzw. Volumenanteils bzw. eines Stoffmengenanteils einschließt.
Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Gasanreicherungsvorrichtung zum Gewinnen eines vorbestimmten Gases aus einem Gasgemisch oder zum Anreichern des vorbestimmten Gases, wobei die Gasanreicherungsvorrichtung die Kapillareinrichtung umfasst.
Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur zumindest temporären Erzeugung mechanischer Leistung und eine Vorrichtung zur zumindest temporären Erzeugung einer Drehbewegung, die jeweils eine oder mehrere der Kapillareinrichtungen umfassen.
Die qualitative und quantitative Analyse der Zusammensetzung von Gasgemischen spielt in vielen Bereichen der Technik eine wichtige Rolle. Dazu kommen im einfachsten Fall Detektoren zum Einsatz, die jeweils das Vorliegen oder den Partialdruck eines einzelnen vorbestimmten Gases oder eines Gases aus einer vorbestimmten Gruppe von Gasen in dem Gasgemisch erfas- sen. Es gibt Gase, die aufgrund ihrer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften mit relativ einfachen und kostengünstigen Detektoren nachgewiesen werden können, bei- spielsweise Sauerstoff. Andere Gase können hingegen nur mit verhältnismäßig aufwändigen und teuren Detektoren nachgewiesen werden. Zu letzteren zählen beispielsweise aufgrund ihres chemisch inerten Verhaltens die Edelgase. Beispielsweise ent- halten Detektoren bzw. Nachweisgeräte für Helium Massenspek- trometer und kosten mindestens ca. 1.000,00 EUR.
Mit der Gewinnung bzw. Anreicherung von Gasen, beispielsweise von Edelgasen wie Argon oder Helium, werden weltweit große Umsätze gemacht. Die Anreicherung bzw. Trennung der erwünschten Gase aus Gasgemischen basiert auf unterschiedlichen chemischen oder physikalischen Eigenschaften und ist in der Regel mit hohem technischem Aufwand und Einsatz von großen E- nergiemengen verbunden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfache Detektorvorrichtung zum qualitativen oder quantitativen Erfassen des Vorliegens eines vorbestimmten Gases in einem Gasgemisch zu schaffen. Eine weiter Aufgabe der vorlie- genden Erfindung besteht darin, eine Gasgewinnungsvorrichtung zur Gewinnung bzw. Anreicherung eines vorbestimmten Gases aus einem Gasgemisch zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur zumindest temporären Abgabe mechanischer Leistung zu schaffen und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Drehbewegung zu schaffen.
Diese Aufgaben werden durch eine Detektorvorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Gasanreicherungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Leistung gemäß Anspruch 6 und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Drehbewegung gemäß Anspruch 7 gelöst.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, eine Kapillar- einrichtung mit einer oder vorzugsweise mehreren Kapillaren, die sich von einer Seite der Kapillareinrichtung zur anderen Seite der Kapillareinrichtung zumindest abschnittsweise ver- jungen, zu verwenden. Eine sich in einer Richtung verjüngende Kapillare wird von verschiedenen Gasen in unterschiedlicher Weise durchströmt. Insbesondere verhalten sich einatomare Gase bzw. Gase, die aus einzelnen Atomen bestehen (insbesondere Edelgase) , anders als molekulare Gase, die aus Molekülen aus jeweils zwei oder mehr Atomen bestehen (beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf etc.). Einatomare Gase durchlaufen die Kapillare schneller als molekulare Gase, wobei hier allerdings auch die Atommasse des einatomaren Gases und die Molekülmasse des molekularen Gases einen Einfluss haben.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels werden die sich verjüngenden Kapillaren insbesondere von einatomaren Gasen und alternativ auch von molekularen Gasen in einer Richtung schneller bzw. mit einer höheren Rate durchquert als in der Gegenrichtung.
Eine Seite der Kapillareinrichtung wird dem zu untersuchenden Gasgemisch ausgesetzt, indem beispielsweise eine Gasleitung diese Seite der Kapillareinrichtung mit einem Behälter verbindet, in dem das Gasgemisch vorliegt. Die andere Seite der Kapillareinrichtung wird mit einem Druckdetektor verbunden, der im einfachsten Fall durch einen Glycerintropfen oder einen anderen Flüssigkeitstropfen in einem Steigrohr gebildet wird. Da sich verschiedene Gase an der Kapillareinrichtung unterschiedlich verhalten und insbesondere die Kapillare mit unterschiedlichen Raten durchlaufen, lässt der am Druckdetektor erfasste Druck Rückschlüsse auf die Gaszusammensetzung zu.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Kapillareinrichtung zur Gewinnung oder Anreicherung eines vorbestimmten Gases aus einem Gasgemisch, zur Erzeugung mechanischer Leistung und zur Erzeugung einer Drehbewegung verwendet. Die Drehbewegung kann beispielsweise zur Detektion und/oder Anzeige der Gaszusammensetzung oder des Partial- drucks des vorbestimmten Gases in dem Gasgemisch verwendet werden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vor- liegenden Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Detektorvorrichtung;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Detektorvorrichtung;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts ei- ner Kapillareinrichtung;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Kapillareinrichtung mit Teilchenbahnen;
Figur 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer weiteren Kapillareinrichtung mit Teilchenbahnen;
Figur 6 eine schematische Darstellung einer Gasanreicherungsvorrichtung;
Figur 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung; und
Figur 8 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung.
Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Detektorvorrichtung mit einer Kapillareinrichtung 10 und einem Druckdetektor 20. Die Kapillareinrichtung 10 weist eine oder eine Mehrzahl von Kapillaren 12 auf, die jeweils eine erste Seite 14 der Kapillareinrichtung mit einer zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 verbinden. Die erste Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 ist mit einem Gasbehälter 18 oder einem an- deren Volumen, in dem das zu untersuchende Gasgemisch vorliegt, verbunden. Der Druckdetektor 20 ist über eine Leitung 22 mit der zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 verbunden.
Die Kapillaren 12 verjüngen sich von der zweiten 16 zur ersten Seite 14 der Kapillareinrichtung 10, d. h. die Querschnittsfläche jeder Kapillare 12 nimmt von der ersten Seite 14 zur zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 zu. Die Figur 1 zeigt ebenso wie die nachfolgend beschriebenen Figuren 2 bis 4 schematische und nicht-maßstäbliche Darstellungen. Insbesondere sind die Kapillaren 12 und deren laterale Abmessungen unmaßstäblich dargestellt. Die bei dem Beispiel aus Figur 1 an oder nahe der ersten Seite 14 der Kapillarein- richtung 10 liegende minimale Querschnittsfläche weist mindestens in einer Richtung eine Abmessung auf, die vorzugsweise kleiner ist als die mittlere freie Weglänge des vorbestimmten Gases, dessen Vorliegen durch die Detektorvorrichtung erfasst werden soll, bei den vorgesehenen Messbedingun- gen (insbesondere Gesamtdruck und Temperatur) . Alternativ weist die minimale Querschnittsfläche in mindestens einer Richtung eine Abmessung auf, die in der gleichen Größenordnung liegt, wie die mittlere freie Weglänge, insbesondere höchstens doppelt so groß wie die mittlere freie Weglänge ist. Abweichend von der Darstellung in Figur 1 verjüngen sich die Kapillaren 12 alternativ von der ersten Seite 14 zur zweiten 16 der Kapillareinrichtung 10. Weitere alternative Ausgestaltungen der Kapillaren 12 werden unten mit Bezug auf die Figur 3 näher erläutert.
Der Druckdetektor 20 ist wirksam mit einer Auswerteeinrichtung 28 verbunden, die ein Messsignal des Druckdetektors 20 empfängt. Die Auswerteeinrichtung 28 ist ausgebildet, um auf der Grundlage des vom Druckdetektor 20 empfangenen Messsig- nals ein Ausgangssignal zu erzeugen, das anzeigt, ob das vorbestimmte Gas in dem Gasgemisch mit einer Mindestkonzentration vorliegt. Alternativ zeigt das Ausgangssignal darüber hin- aus den Partialdruck oder den Volumen- oder Stoffmengenanteil des vorbestimmten Gases in dem Gasgemisch oder eine entsprechende Größe, welche den Anteil des vorbestimmten Gases an dem Gasgemisch quantifiziert, an.
Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer Detektorvorrichtung, bei der der Druckdetektor 20 abweichend von dem in Figur 1 dargestellten Beispiel ein Differenzdruckdetektor zum Erfassen einer Druckdifferenz ist. Der Druckdetektor 20 ist hier über eine erste Leitung 24 mit der ersten Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 und über eine zweite Leitung 22 mit der zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 verbunden, um eine Druckdifferenz zwischen der ersten Seite 14 und der zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 zu erfassen. Die erste Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 ist ferner über eine weitere Leitung 26 mit einem hier nicht dargestellten Gasvolumen oder Gasbehälter verbunden, in dem das zu untersuchende Gasgemisch vorliegt. Ähnlich wie bei der anhand der Figur 1 dargestellten Detektorvorrichtung ist der Druckdetek- tor 20 auch bei der in Figur 2 dargestellten Detektorvorrichtung mit einer Auswerteeinrichtung verbunden, die die oben beschriebene Funktion hat.
Abweichend von der Darstellung in Figur 2 kann ähnlich wie in Figur 1 auf die weitere Leitung 26 verzichtet werden, indem die erste Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 direkt mit dem Volumen verbunden ist oder direkt an das Volumen angrenzt, in dem das zu untersuchende Gas chemisch vorliegt. In diesem Fall ist der Druckdetektor 20 abweichend von der Darstellung in Figur 2 über die erste Leitung 24 oder direkt mit dem Volumen verbunden, in dem das zu untersuchende Gasgemisch vorliegt.
Abweichend von der Darstellung in Figur 2, verjüngen sich die Kapillaren 12 alternativ von der ersten Seite 14 zur zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10, oder die Kapillaren 12 weisen andere Formen auf, wie sei beispielsweise nachfolgend anhand der Figur 3 dargestellt werden.
Figur 3 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine Kapillareinrichtung, wie sie in den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Detektorvorrichtungen verwendbar ist. Die dargestellte Schnittebene ist im wesentlichen senkrecht zu der ersten Seite 14 und der zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 und parallel zu den Kapillaren 120, 122, 124, 126, 128 bzw. zu deren Längsachsen. Es ist jedoch offensichtlich, dass die Kapillaren 120 bis 128 nicht exakt senkrecht zu den Oberflächen 14, 16 der Kapillareinrichtung 10 angeordnet und ausgerichtete sein müssen.
Während eine Kapillareinrichtung 10 vorzugsweise eine Vielzahl im Wesentlichen gleicher Kapillaren aufweist, sind in Figur 3 beispielhaft fünf verschiedene Kapillaren 120, 122, 124, 126, 128 dargestellt. Abweichend von Figur 3 können dabei die beiden Seiten 14, 16 auch (wie bereits oben in Zusam- menhang mit den Figuren 1 und 2 erwähnt) vertauscht sein bzw. die Kapillaren 120 bis 128 sich von der ersten Seite 14 zur zweiten Seite 16 zumindest abschnittsweise verjüngen.
Die in Figur 3 dargestellten Schnitte durch die Kapillaren 120 bis 128 stellen zwangsläufig lediglich die Entwicklung der parallel zur dargestellten Schnittebene gemessenen Abmessungen der Querschnittsfläche entlang der Kapillare dar. Vorzugsweise weisen die Kapillaren 120 bis 128 der Kapillareinrichtung 10 jedoch entlang ihrer gesamten Länge oder zumin- dest abschnittsweise einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt auf. Dabei variiert vorzugsweise die senkrecht zur in Figur 3 dargestellten Schnittebene gemessene Abmessung der Querschnittsfläche im Wesentlichen in der gleichen Weise wie die in Figur 3 dargestellte in der Schnittebene gemessene Abmessung der Querschnittsfläche. Alternativ variiert lediglich die Querschnittsfläche entsprechend den nachfolgend beschriebenen Beispielen ohne dass die parallel zur dargestell- ten Schnittebene gemessene Abmessung oder die zur Schnittebene senkrechte Abmessung genau den Beispielen entspricht.
Während der Querschnitt bei den ersten drei dargestellten Ka- pillaren 120, 122, 124 stetig variiert, weisen die letzten Beispiele 126, 128 Stufen auf, an denen der Querschnitt sich sprunghaft verändert.
Die erste in Figur 3 dargestellte Kapillare 120 weist ihre minimale Querschnittsfläche unmittelbar an der ersten Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 auf. Der Querschnitt oder die Querschnittsfläche nimmt von der ersten Seite 14 zur zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 kontinuierlich zu. Bei einem kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt ist die Ka- pillare 120 somit trichter- oder kegelförmig.
Der minimale Querschnitt oder die minimale Querschnittsfläche der zweiten in Figur 3 dargestellten Kapillare 122 ist von der ersten Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 beabstandet, liegt jedoch näher bei der ersten Seite 14 als bei der zweiten Seite 16. Ausgehend von der ersten Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 nimmt der Querschnitt oder die Querschnittsfläche der Kapillare 122 zunächst in einem ersten Abschnitt 42 ab, um dann in einem zweiten Abschnitt 44 zur zweiten Sei- te 16 hin wieder zuzunehmen. Im Falle eines kreisförmigen oder elliptischen Querschnitts hat die Kapillare 122 somit die Form eines Doppeltrichters mit zwei trichter- oder kegelförmigen Abschnitten 42, 44, die sich zu den beiden Seiten 14, 16 der Kapillareinrichtung 10 hin öffnen.
Die dritte in Figur 3 dargestellte Kapillare 124 weist an der ersten Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 einen ersten Abschnitt 46 mit einem im Wesentlichen konstanten Querschnitt oder einer im Wesentlichen konstanten Querschnittsfläche auf. An diesen ersten Abschnitt 46 schließt sich ein zweiter Abschnitt 48 an, in dem der Querschnitt oder die Querschnittsfläche der Kapillare 124 kontinuierlich und im Falle eines kreisförmigen oder elliptischen Querschnitts vorzugsweise im Wesentlichen trichter- oder kegelförmig wächst.
Die vierte in Figur 3 dargestellt Kapillare 126 weist ähnlich wie die dritte Kapillare 124 einen an die erste Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 angrenzenden ersten Abschnitt 50 mit einem im Wesentlichen konstanten Querschnitt oder einer im Wesentlichen konstanten Querschnittsfläche auf. An diesen ersten Abschnitt 50 schließt sich wieder ein zweiter Ab- schnitt 52 an, in dem der Querschnitt oder die Querschnittsfläche kontinuierlich zunimmt. Im Unterschied zur dritten Kapillare 124 weist die vierte Kapillare 126 im ersten Abschnitt 50 jedoch nicht den minimalen Querschnitt oder die minimale Querschnittsfläche auf. Stattdessen ist der Quer- schnitt oder die Querschnittsfläche größer oder wesentlich größer und reduziert sich am Übergang zum zweiten Abschnitt 52 stufenförmig.
Die fünfte in Figur 3 dargestellte Kapillare 128 weist mehre- re Abschnitte 54, 56, 58 auf, zwischen denen sich der Querschnitt oder die Querschnittsfläche der Kapillare 128 jeweils stufenförmig ändert. Innerhalb eines Abschnitts 54, 56, 58 nimmt der Querschnitt oder die Querschnittsfläche der Kapillare 128 jeweils in Richtung von der ersten Seite 14 zur zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 zu, um sich anschließend am Übergang zum nächsten Abschnitt 56, 58 wieder stufenförmig zu verringern. Im Falle eines kreisförmigen oder elliptischen Querschnitts hat die Kapillare 128 somit die Form mehrerer Trichter, die in der gleichen Richtung aneinan- der gereiht sind.
Wie bereits erwähnt verhalten sich verschiedene Gase und insbesondere einatomare Gase und molekulare Gase in der Kapillareinrichtung 10 unterschiedlich. Insbesondere treten sie mit einer unterschiedlichen Rate bzw. Geschwindigkeit durch die Kapillareinrichtung 10 bzw. deren Kapillaren hindurch. Im Fall der oben anhand der Figur 1 dargestellten Detektorvor- richtung ist deshalb die zeitliche Entwicklung des durch den Druckdetektor 20 gemessenen Drucks von der Zusammensetzung des Gasgemisch abhängig. Aus der zeitlichen Entwicklung des Drucks (beispielsweise ausgehend von einem ursprünglich stark reduzierten Druck oder Vakuum in der Leitung 22) kann somit auf die Zusammensetzung des Gasgemisches im Volumen 18 geschlossen werden. Entsprechend kann bei der oben anhand der Figur 2 dargestellten Detektorvorrichtung aus der durch den Druckdetektor 20 gemessenen zeitlichen Entwicklung der Druck- differenz zwischen den beiden Seiten 14, 16 der Kapillareinrichtung 10 auf die Zusammensetzung des Gasgemisches geschlossen werden. Eine derartige Auswertung des Messsignals des Druckdetektors 20 erfolgt vorzugsweise durch die Auswerteeinrichtung 28.
Die unterschiedlichen Durchtrittsraten verschiedener Gase an der Kapillareinrichtung 10 können zum Filtern bzw. Anreichern vorbestimmter Gasbestandteile genutzt werden. Insbesondere können Helium oder andere Edelgase aus beliebigen Gasgemi- sehen gewonnen werden.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind für einatomare Gase, beispielsweise Helium oder Argon, die Durchgangsraten durch die Kapillareinrichtung 10 von der ers- ten Seite 14 zur zweiten Seite 16 und von der zweiten Seite 16 zur ersten Seite 14 unterschiedlich. Dies bedeutet, dass die Atome des einatomaren Gases mit einer anderen Wahrscheinlichkeit von der ersten Seite 14 zur zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 gelangen als umgekehrt. Dadurch entsteht ein Netto-Gasstrom, dessen Richtung von der Form der Kapillaren und dessen Größe von den Eigenschaften des Gases abhängt, wobei bei einatomaren Gasen ein zumindest deutlich größerer Netto-Gasstrom auftritt als bei molekularen Gasen.
Der Netto-Gasstrom hat zur Folge, dass zwischen der ersten
Seite 14 und der zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 eine Druckdifferenz entsteht, die beispielsweise von dem Druckdetektor 20, der oben anhand der Figur 2 dargestellten Detektorvorrichtung erfasst werden kann. Da der Netto-Gas- strom sich von Gas zu Gas unterscheidet, kann aus der Druckdifferenz auf die Zusammensetzung des Gasgemisches geschlos- sen werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel enthält also nicht nur der zeitliche Verlauf der durch den Druckdetektor 20 erfassten Druckdifferenz Informationen über die Zusammensetzung des Gasgemisches sondern auch der sich nach einiger Zeit einstellende stationäre Wert der Druckdifferenz.
Die Entstehung des Netto-Gasstroms wird nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf die erste in Figur 3 dargestellte Kapillare 120 beschrieben, welche unter den dargestellten Kapillaren 120 bis 128 die einfachste Struktur aufweist. Diese Kapillare ist nochmals in Figur 4 dargestellt, die einen Ausschnitt einer Kapillareinrichtung 10 mit zwei Kapillaren 120 mit einfacher trichterförmiger Gestalt zeigt. In den in Figur 4 dargestellten Kapillaren sind die Bahnen 62, 64 von Gasteilchen dargestellt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die mittlere freie Weglänge der Gasteilchen größer oder wesentlich größer ist als die Abmessungen der Kapillaren 120 senkrecht zu deren Achsen, insbesondere größer als der minimale Durchmesser der Kapillaren 120. Unter dieser Bedingung sind die Bahnen im Wesentlichen ballistisch bzw. durch Newton' sehe Mechanik be- schreibbar. Die Kinematik der Reflexion an den Wänden der Kapillaren 120 wird im Wesentlichen durch die Gleichung „Einfallswinkel = Ausfallswinkel" beschrieben. Dies gilt in der Näherung glatter Wände.
In die in Figur 4 oben dargestellte Kapillare 120 tritt ein Gasteilchen von der zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 aus ein. Es ist erkennbar, dass aufgrund des Winkels zwischen den gegenüberliegenden Wänden der Kapillare 120 der Winkel zwischen der Bahn 62 und der Achse der Kapillare 120 bei jeder Reflexion zunimmt, bis er näherungsweise 90° erreicht und wieder abnimmt. Dadurch verlässt das Gasteilchen die Kapillare 120 wieder auf der zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10.
In der in Figur 4 unten dargestellten Kapillare 120 ist die Bahn 64 eines Gasteilchens dargestellt, das von der ersten Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 aus in die Kapillare 120 eintritt. Es ist erkennbar, dass der Winkel zwischen der Bahn 64 und der Achse der Kapillare 120 bei jeder Reflexion geringer wird und das Gasteilchen ohne weiteres an der zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 aus der Kapillare 120 austritt.
In der Zusamπienschau der Bahnen 62, 64 der von der zweiten Seite 16 bzw. der ersten Seite 14 aus in die Kapillare 120 eintretenden Gasteilchen wird deutlich, dass zumindest unter der oben genannten Bedingung, dass der Querschnitt der Kapillare 120 kleiner als die mittlere freie Weglänge der Gasteilchen oder mit dieser vergleichbar ist, ein von der zweiten Seite 16 aus in die Kapillare 120 eintretendes Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit die Kapillareinrichtung 10 auch wieder auf der gleichen zweiten Seite 16 verlässt, wohingegen ein von der ersten Seite 14 aus in die Kapillare 120 eintretendes Teilchen diese mit hoher Wahrscheinlichkeit an der zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 verlässt. Diese Beobachtung liefert ein anschauliches Bild für die Entstehung eines Netto-Gasstromes von der ersten Seite 14 zur zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10. Es ist offensichtlich, dass dieses Bild auch auf die anderen in Figur 3 dargestellten Kapillaren 122, 124, 126, 128 übertragbar ist.
Ferner ist es offensichtlich, dass eine umgekehrte Anordnung, d. h. eine sich von der ersten Seite 14 zur zweiten Seite 16 verjüngende Kapillare, die umgekehrt Wirkung hat. Ein Teilchen, das von der ersten Seite 14 her in die Kapillare ein- tritt verlässt dann mit hoher Wahrscheinlichkeit die Kapillareinrichtung 10 auch wieder auf der ersten Seite. Ein Teilchen, das von der zweiten Seite 16 aus in die Kapillare ein- tritt verlässt diese ebenfalls mit hoher Wahrscheinlichkeit auf der ersten Seite 14.
In Figur 5 ist ferner eine Kapillareinrichtung 10 mit einer symmetrischen Kapillare 130 gezeigt. Die Kapillare 130 weist an beiden Seiten 14, 16 der Kapillareinrichtung 10 den gleichen Durchmesser oder die gleiche Querschnittsfläche auf und verjüngt sich von beiden Seiten in der gleichen Weise bis zu einem minimalen Durchmesser oder einer minimalen Quer- schnittsfläche. Der Ort der Kapillare 130 mit dem minimalen Durchmesser oder der minimalen Querschnittsfläche ist von beiden Seiten 14, 16 der Kapillareinrichtung gleich weit beabstandet .
In Figur 5 sind ferner die Bahnen 66, 68 zweier Teilchen dargestellt. An den beispielhaft dargestellten Bahnen 66, 68 ist erkennbar, dass offensichtlich in dem in Figur 5 dargestellten Fall die Wahrscheinlichkeit dass ein Teilchen, das an der ersten Seite 14 in die Kapillareinrichtung 10 eintritt, die Kapillareinrichtung 10 an der ersten Seite 14 wieder verlässt, und die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen, das an der zweiten Seite 16 in die Kapillareinrichtung 10 eintritt, die Kapillareinrichtung 10 an der zweiten Seite 16 wieder verlässt, gleich groß sind.
Die in Figur 5 dargestellte Kapillareinrichtung entfaltet somit eine Sperrwirkung, die allerdings von der Gassorte abhängig sein kann. Somit ist es mit Blick auf die Darstellungen der Figuren 4 und 5 möglich, durch die mikroskopische Gestal- tung der Kapillaren der Kapillareinrichtung einen Netto-
Gasstrom in der einen oder der anderen Richtung oder auch eine - unter Umständen von der Gassorte abhängige - Sperrwirkung zu erzielen.
In den Figuren 3 bis 5 dargestellte Kapillareinrichtungen 10 sind ferner vorteilhaft zur Gewinnung eines vorbestimmten Gases, insbesondere eines Edelgases, aus einem Gasgemisch oder zumindest zur Anreicherung des vorbestimmten Gases geeignet. Figur 6 zeigt eine Gasanreicherungsvorrichtung mit einer Kapillareinrichtung 10, wie sie oben anhand der Figuren 3 bis 5 beschrieben wurde. Die Gasanreicherungseinrichtung umfasst einen ersten Gasbehälter 72, der mit der ersten Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 verbunden ist, und einen zweiten Gasbehälter 74, der mit der zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 verbunden ist. Sowohl der erste als auch der zweite Gasbehälter 72, 74 können jeweils wie in Figur 6 ge- zeigt direkt oder aber über Leitungen mit der entsprechenden Seite 14, 16 der Kapillareinrichtung 10 verbunden sein.
Der erste Gasbehälter 72 wird mit dem Gasgemisch gefüllt, das das vorbestimmte Gas in einer ersten Konzentration enthält. Aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaften der Kapillareinrichtung 10 weist das vorbestimmte Gas eine höhere Durchgangsrate bezüglich der Kapillareinrichtung auf als andere Bestandteile des Gasgemisches. Im zweiten Gasbehälter 74 sammelt sich deshalb ein Gasgemisch mit einer zweiten Konzentra- tion des vorbestimmten Gases an, wobei die zweite Konzentration höher oder wesentlich höher ist als die erste Konzentration.
Zu der anhand der Figur 6 dargestellten Vorrichtung äquiva- lent ist eine kontinuierlich arbeitende Vorrichtung, bei der dem ersten Gasbehälter oder direkt der ersten Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 das Gasgemisch kontinuierlich oder diskontinuierlich durch eine Gaszuführung zugeführt wird, während aus dem zweiten Behälter oder an der zweiten Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 das vorbestimmte Gas oder ein Gasgemisch mit dem angereicherte vorbestimmten Gas kontinuierlich oder diskontinuierlich durch eine Gasabführung entnommen wird.
Je nach Art und Geometrie der Kapillaren 12 und in Abhängigkeit von dem vorbestimmten Gas und dem Gasgemisch, aus dem das vorbestimmte Gas gewonnen werden soll, kann die Kapillar- einrichtung 10 auch umgekehrt eingebaut sein. In diesem Fall sind abweichend von Figur 6 die erste Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 mit dem zweiten Gasbehälter 74 und die zweite Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 mit dem ersten Gasbehäl- ter 72 verbunden.
Besonders geeignet ist die Kapillareinrichtung zur Anreicherung oder Abreicherung von Edelgasen wie Helium oder Argon. Diese sind einatomare Gase, die sich wie oben beschrieben in den Kapillaren 12 anders verhalten als molekulare Gase wie beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff.
Ein an der Kapillareinrichtung 10 auftretender Nett-Gasstrom ist ferner nutzbar, um - zumindest zeitweise - mechanische Arbeit zu verrichten. Figur 7 zeigt eine Vorrichtung mit einer Kapillareinrichtung 10, wie sie oben beschrieben ist, und einem Rotor 82, dessen Welle mit einem Wandler 84 verbunden ist. Die zweite Seite 16 der Kapillareinrichtung 10 ist mit der Vorderseite des Rotors 82 verbunden, die erste Seite 14 der Kapillareinrichtung 10 ist mit der Rückseite des Rotors 82 verbunden. Der an der Kapillareinrichtung 10 auftretende Netto-Gasstrom wird so zur Verrichtung mechanischer Arbeit genutzt, die wiederum durch den Wandler 84 z. B. in den Ausschlag eines Zeigermessinstruments umgewandelt wird. Alterna- tiv wird die mechanische Leistung des Rotors 82 zum Antrieb anderer Einrichtungen genutzt. Anstelle eines Rotors ist auch jede andere Maschine verwendbar, die bei Entspannung eines Gases mechanische Leistung abgibt, beispielsweise eine Kolbenmaschine.
Figur 8 zeigt eine weitere Anwendung von Kapillareinrichtungen 10, wie sie oben beschrieben wurden. Eine oder mehrere möglichst großflächige Kapillareinrichtungen 10 sind an einer Welle 92 angebracht. Diese Welle 92 ist mit einem nicht dar- gestellten Zeiger verbunden. Durch den an jeder Kapillareinrichtung 10 auftretenden Netto-Gasstrom entsteht eine von der Gaszusammensetzung abhängige Druckdifferenz zwischen der ers- ten Seite 14 und der zweiten Seite 16. Diese Druckdifferenz erzeugt ein Drehmoment, das ebenfalls von der Gaszusammensetzung abhängt. Eine ebenfalls nicht dargestellte Feder erzeugt ein Gegendrehmoment, das vom Drehwinkel abhängt. Der Drehwin- kel, bei dem das durch die Kapillareinrichtungen erzeugte Drehmoment und das durch die Feder erzeugte Gegendrehmoment gleich groß sind, und somit die Stellung des Zeigers sind deshalb - in erster Näherung lineare - Funktionen der Gaszusammensetzung bzw. eines Partialdrucks eines vorbestimmten Gases in einem Gasgemisch.
Alternativ wird über die Welle 92 mechanische Leistung abgenommen, die beispielsweise zum Antrieb eines Generators oder einer anderen Vorrichtung verwendet werden kann.
Bei allen Ausführungsbeispielen werden die Längen der Kapillaren 12, 120, 122, 124, 126, 128, 130 bzw. die Längen von deren Abschnitten 44, 48, 52, 54, 56, 58, ferner der Verjüngungswinkel und das Verhältnis zwischen dem minimalen Durch- messer einer Kapillare und der mittleren freien Weglänge eines Gasteilchens vorzugsweise an die Temperatur, den Druck und das vorbestimmte Gas, dessen Vorliegen durch die Detektorvorrichtung erfasst werden soll bzw. das angereichert werden soll, angepasst.
Bei allen Ausführungsbeispielen kann eine verbesserte bzw. verstärkte Wirkung, beispielsweise ein erhöhter Druck oder Partialdruck oder eine erhöhte Druck- oder Partialdruckdiffe- renz, erzielt werden, indem die Vorrichtung einer Druckoszil- lation ausgesetzt wird. Eine solche Druckoszillation kann beispielsweise auf die Vorrichtung einwirkender Schall sein. Die Erfindung kann damit insbesondere auch zur Wandlung von Schallenergie in mechanische Energie verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Detektorvorrichtung zum qualitativen oder quantitativen Erfassen des Vorliegens eines vorbestimmten Gases in einem Gasgemisch, mit:
einer Kapillareinrichtung (10) mit einer oder mehreren Kapillaren (12; 120, 122, 124, 126, 128), die eine erste Seite (14) der Kapillareinrichtung (10) mit einer zweiten Seite (16) der Kapillareinrichtung (10) verbindet, wobei die Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) sich von einer Seite zur anderen Seite der Kapillareinrichtung (10) zumindest abschnittsweise verjüngt; und
einem mit der zweiten Seite verbundenen Druckdetektor (20) .
2. Detektorvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer Gasleitung, die mit der ersten Seite (14) der Kapillareinrichtung (10) verbunden ist, zum Zuführen des Gasgemisches zu der ersten Seite (14) der Kapillareinrichtung (10) .
3. Detektorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit:
einer Auswerteeinrichtung (28), die mit dem Druckdetektor (20) verbunden ist, um ein Messsignal des Druckdetektors (20) zu empfangen, wobei die Auswerteeinrichtung (28) ausgebildet ist, um auf der Grundlage des Messsignals ein Ausgangssignal zu erzeugen, das anzeigt, ob das vorbestimmte Gas in dem Gasgemisch mit einer Mindestkonzentration vorliegt, oder das den Partialdruck oder den Volumen- oder Stoffmengenanteil des vorbestimmten Gases an dem Gasgemisch anzeigt.
4. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der
der Druckdetektor (20) ein Differenzdruckdetektor zum Erfassen einer Druckdifferenz ist, und der Druckdetektor (20) ferner mit der ersten Seite der Kapillareinrichtung (10) verbunden ist, um eine Druckdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Seite (16) der Kapillar- einrichtung (10) zu erfassen.
5. Gasanreicherungsvorrichtung zum Gewinnen eines vorbestimmten Gases aus einem Gasgemisch oder zum Anreichern des vorbestimmten Gases, mit:
einer Kapillareinrichtung (10) mit einer oder mehreren Kapillaren (12; 120, 122, 124, 126, 128), die eine erste Seite (14) der Kapillareinrichtung (10) mit einer zweiten Seite (16) der Kapillareinrichtung (10) verbindet, wobei die Kapil- lare (12; 120, 122, 124, 126, 128) sich von einer Seite zur anderen Seite der Kapillareinrichtung (10) zumindest abschnittsweise verjüngt;
einer Gaszuführung zum Zuführen des Gasgemischs, wobei die Gaszuführung mit einer der Seiten (14, 16) der Kapillareinrichtung (10) verbunden ist; und
einer Gasabführung zum Abführen des vorbestimmten Gases oder eines Gasgemischs, in dem das vorbestimmte Gas angereichert ist, wobei die Gasabführung mit der anderen Seite (14, 16) der Kapillareinrichtung (10) verbunden ist.
6. Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Leistung, mit:
einer Kapillareinrichtung (10) mit einer oder mehreren Kapillaren (12; 120, 122, 124, 126, 128), die eine erste Seite (14) der Kapillareinrichtung (10) mit einer zweiten Seite (16) der Kapillareinrichtung (10) verbindet, wobei die Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) sich von einer Seite zur anderen Seite der Kapillareinrichtung (10) zumindest abschnittsweise verjüngt; einer Vorrichtung (82) zur Entspannung von Gas und zur Erzeugung mechanischer Leistung, wobei die Eingangsseite der Vorrichtung (82) mit einer der Seiten (14, 16) der Kapillareinrichtung (10) verbunden ist, und die Ausgangsseite der Vor- richtung (82) mit der anderen Seite (14, 16) der Kapillareinrichtung (10) verbunden ist.
7. Vorrichtung zur Erzeugung einer Drehbewegung, mit:
einer Welle (92); und
einer Kapillareinrichtung (10) mit einer oder mehreren Kapillaren (12; 120, 122, 124, 126, 128), die eine erste Seite (14) der Kapillareinrichtung (10) mit einer zweiten Seite (16) der Kapillareinrichtung (10) verbindet,
wobei die Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) sich von einer Seite zur anderen Seite der Kapillareinrichtung (10) zumindest abschnittsweise verjüngt, und
wobei die Kapillareinrichtung (10) mit der Welle (92) so verbunden ist, dass die die Achse der Welle (92) näherungsweise parallel zu der ersten Seite (14) und/oder der zweiten Seite (16) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner mit:
einem Zeiger, der mit der Welle (92) verbunden ist und deren Drehwinkel anzeigt; und
einer Feder, die mit der Welle verbunden ist und auf diese ein vom Drehwinkel abhängiges Drehmoment erzeugt,
wobei die Vorrichtung zur Anzeige einer Gaszusammensetzung oder eines Partialdrucks eines vorbestimmten Gases in einem Gasgemisch durch die Stellung des Zeigers vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Querschnitt der Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) von einer Seite zur anderen Seite der Kapillareinrichtung
(10) stetig variiert.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Querschnittsfläche der Kapillare (12; 120, 124) von einer Seite zur anderen Seite der Kapillareinrichtung (10) zunimmt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Querschnittsfläche der Kapillare (120, 122, 124, 126) ü- ber eine Länge, die größer als die Hälfte der Länge der Kapillare (120, 122, 124, 126) ist, stetig zunimmt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) einen im Wesentlichen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) einen im Wesentlichen trichterförmigen oder kegelförmigen Abschnitt aufweist .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der der minimale Querschnitt der Kapillare (12; 120, 122, 124,
126, 128) mindestens in einer Richtung kleiner ist als die mittlere freie Weglänge des vorbestimmten Gases bei den vorgesehenen Bedingungen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der der minimale Querschnitt der Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) mindestens in einer Richtung höchstens doppelt so groß wie die mittlere freie Weglänge des vorbestimmten Gases bei den vorgesehenen Bedingungen ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der die Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) so ausgebildet ist, dass atomare Gase mit einer anderen Rate durch die Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) hindurchtreten als molekulare Gase.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der die Kapillare (12, 120, 122, 124, 126, 128) so ausgebildet ist, dass das vorbestimmte Gas mit einer anderen Rate durch die Kapillare (12, 120, 122, 124, 126, 128) hindurchtritt als andere Komponenten des Gasgemischs.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der die Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) so ausgebildet ist, dass atomare Gase mit einer anderen Rate von der ersten Seite (14) zur zweiten Seite (16) der Kapillareinrichtung (10) durch die Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) hindurchtreten als in der anderen Richtung.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der die Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) so ausgebildet ist, dass das vorbestimmte Gas mit einer anderen Rate von der ersten Seite (14) zur zweiten Seite (16) der Kapillareinrichtung (10) durch die Kapillare (12; 120, 122, 124, 126, 128) hindurchtritt als in der anderen Richtung.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Kapillareinrichtung (10) eine Mehrzahl von Kapillaren (12; 120, 122, 124, 126, 128) aufweist, die gleiche Eigenschaften aufweisen und die erste Seite (14) der Kapillareinrichtung (10) mit der zweiten Seite (16) der Kapillareinrichtung (10) verbinden.
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