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VacuShut, der druckabhängig selbstöffnende/ -schließende Vakuumbehälter als Shuttle für atmosphärenempfindliche Proben

Kurzfassung

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde eine wiederverwendbare Vorrichtung ("Vakuumdose") entwickelt, um atmosphärenempfindliche Materialproben ohne Luftkontakt in die Messkammer eines Analysegerätes einschleusen und untersuchen zu können. Eine aufwendige und teure Schleusen- oder Manipulationseinrichtung ist daher nicht erforderlich. Die "Vakuumdose" ist kostengünstig, das Öffnen und Schließen ist beliebig wiederholbar.

Hintergrund

Atmosphärenempfindliche Materialien werden in zahlreichen Bereichen verwendet wie z. B. in der Batterie- und Brennstoffzellentechnik, der Photovoltaik, bei Biohazardstoffen, Sensormaterialien, optischen Bauteilen, in der Genetik und Medizin, der Kerntechnik usw. Zur Analyse bspw. der Materialqualität müssen die im Vakuum oder unter Schutzgas hergestellten Proben in die Messkammer des Analysegeräts eingebracht werden.

Problemstellung

Zum Einbringen der Probe in das Analysegerät ist entweder eine aufwendige Schleusen- oder Manipulationseinrichtung, die in der Regel mehrere zehntausend Euro kostet, nötig. Oder ohne solche technische Zusatzausstattung muss die Probe zumindest kurzzeitig der Atmosphäre ausgesetzt werden, bevor im Analysegerät erneut ein Vakuum erzeugt werden kann. Häufig kann dann aber kein sicheres Messergebnis erhalten werden, da sich die Probe zumindest an ihrer Oberfläche schon zersetzt hat.

Lösung

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde eine Vorrichtung ("Vakuumdose") für atmospärenempfindliche Materialproben entwickelt, um die im Vakuum oder unter Schutzgas hergestellten Proben sicher aufnehmen und in die Messkammer eines Analysegeräts einbringen zu können. Die Vorrichtung öffnet und schließt sich dort automatisch in Abhängigkeit vom äußeren Atmosphärendruck (Vakuum) bzw. der Temperatur. So kann die Probe ohne Luftkontakt in die Messkammer eingeschleust und untersucht werden. Eine aufwendige und teure Schleusen-  oder Manipulationseinrichtung ist daher nicht erforderlich.
Vereinfacht dargestellt besteht der Vakuumbehälter aus Deckel, Blähkörper, Feder und Bodenplatte mit Dichtungsring (s. Abbildung).
Unter normalen Bedingungen (1 bar Umgebungsdruck, Raumtemperatur) ist der Deckel (1) des Vakuumbehälters, der die Materialprobe enthält, geschlossen (rechte Bildhälfte). Der Blähkörper (2) ist entspannt und der Deckel wird von der Schraubenfeder (3) gegen den Dichtungsring (5) der Bodenplatte (4) gedrückt. Über die Achse (6) des Scharniers schließt der Deckel planparallel mit der Bodenplatte und dem Dichtring hermetisch ab. Der Behälter mit der Materialprobe kann transportiert und in die Messkammer des Analysegeräts eingebracht werden.
Der Blähkörper besteht aus einer gasdichten, geschlossenen Membran, die eine kleine Menge einer Flüssigkeit z. B. Wasser/Alkohol einschließt. Beim Anlegen des Vakuums in der Messkammer fängt das in dem Blähkörper eingeschlossene Medium an zu sieden, wobei sich dessen Volumen auf mehr als das Tausendfache erhöhen kann. Der Blähkörper expandiert und verkürzt sich dabei sukzessive in Längsrichtung, so dass der Deckel aufgezogen wird. Die Messung der Materialprobe kann nun erfolgen.
Beim Aufheben des Vakuums, z. B. durch Einleiten eines Schutzgases in die Messkammer, entspannt sich der Blähkörper wieder, vermindert seine Zugkraft und der Deckel des Vakuumbehälters wird von der Spannfeder geschlossen. Der verbleibende Unterdruck im Innern des Vakuumbehälters, der ungefähr dem Dampfdruck des Mediums im Schwellkörper entspricht, führt zu einem höheren Anpressdruck. Der Vakuumbehälter schließt wieder sicher. Ein manuell zu betätigendes Ventil zum Druckausgleich zwischen dem Behälterinnenraum und der Umgebung (nicht gezeigt) kann an einer beliebigen Stelle angebracht werden. Alternativ kann zusätzlich eine Verriegelung eingebaut sein.
Das Öffnen und Schließen ist beliebig wiederholbar. Je nach verwendetem Medium und über Modulation der Zustandsgrößen Druck und/oder Temperatur kann der Vorgang variabel eingestellt werden. Die Bodenplatte kann beheizt werden.

Vereinfachte, beispielhafte Darstellung des VacuShut: Unter normalen Bedingungen (1 bar Umgebungsdruck, Raumtemperatur) ist der Deckel (1) des Vakuumbehälters, der die Materialprobe (nicht gezeigt) enthält, geschlossen (rechte Bildhälfte). Der Blähkörper (2) ist entspannt und der Deckel wird von der Schraubenfeder (3) gegen den Dichtungsring (5) der Bodenplatte (4) gedrückt. Über die Achse (6) des Scharniers schließt der Deckel planparallel mit der Bodenplatte und dem Dichtring hermetisch ab. Der Behälter mit der Materialprobe kann transportiert und in die Messkammer des Analysegeräts eingebracht werden. Der Blähkörper besteht aus einer gasdichten, geschlossenen Membran, die eine kleine Menge einer Flüssigkeit z.B. Wasser/Alkohol einschließt. Beim Anlegen des Vakuums in der Messkammer fängt das in dem Blähkörper eingeschlossene Medium an zu sieden, wobei sich dessen Volumen auf mehr als das Tausendfache erhöhen kann. Der Blähkörper expandiert und verkürzt sich dabei sukzessive in Längsrichtung, so dass der Deckel aufgezogen wird. Die Messung der Materialprobe kann nun erfolgen.
Vereinfachte, beispielhafte Darstellung des VacuShut: Unter normalen Bedingungen (1 bar Umgebungsdruck, Raumtemperatur) ist der Deckel (1) des Vakuumbehälters, der die Materialprobe (nicht gezeigt) enthält, geschlossen (rechte Bildhälfte). Der Blähkörper (2) ist entspannt und der Deckel wird von der Schraubenfeder (3) gegen den Dichtungsring (5) der Bodenplatte (4) gedrückt. Über die Achse (6) des Scharniers schließt der Deckel planparallel mit der Bodenplatte und dem Dichtring hermetisch ab. Der Behälter mit der Materialprobe kann transportiert und in die Messkammer des Analysegeräts eingebracht werden. Der Blähkörper besteht aus einer gasdichten, geschlossenen Membran, die eine kleine Menge einer Flüssigkeit z.B. Wasser/Alkohol einschließt. Beim Anlegen des Vakuums in der Messkammer fängt das in dem Blähkörper eingeschlossene Medium an zu sieden, wobei sich dessen Volumen auf mehr als das Tausendfache erhöhen kann. Der Blähkörper expandiert und verkürzt sich dabei sukzessive in Längsrichtung, so dass der Deckel aufgezogen wird. Die Messung der Materialprobe kann nun erfolgen.

Vorteile

  • Einfache, kostengünstige Konstruktion
  • Wiederverwendbar
  • Funktioniert in jeder Vakuum-Messkammer
  • Hermetisch dicht und vakuumstabil
  • Selbsttätiges, reversibles Öffnen und Schließen des Behälters
  • Variabel einstellbar je nach Anforderung
  • Beheizbar 

Anwendungsbereiche

Zerstörungsfreie Messung von atmospärenempfindlichen Materialproben.

Exposé
Kontakt
Dr. Frank Schlotter
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
schlotter(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Marktreife / TRL9
Patentsituation
DE 102012104636 B3 erteilt
Referenznummer
11/110TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.