DE69714583T2

DE69714583T2 - Verfahren zur zerstäubung von flüssigkeiten

Info

Publication number: DE69714583T2
Application number: DE69714583T
Authority: DE
Inventors: Antonio Barrero Ripoll; Alfonso Ganan Calvo
Original assignee: Universidad de Sevilla
Current assignee: Universidad de Sevilla
Priority date: 1996-05-13
Filing date: 1997-02-18
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2017-02-19
Also published as: US6241159B1; EP0899017A1; JP2004000904A; ES2140998B1; ES2140998A1; CA2254969A1; US6174469B1; CA2254969C; ES2180931T3; JP2004268037A; JP2000503591A; EP0899017B1; US6119953A; JP3664404B2; DE69714583D1; WO1997043048A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Flüssigkeitszerstäubung und genauer ein Verfahren, das geeignete geometrische Parameter und physikalische Eigenschaften verwendet, um zu gewährleisten, dass die Flüssigkeit, die zu zerstäuben ist, als ein kontinuierlicher, stetiger Kapillar- Mikrostrahl durch eine geeignete Öffnung abgegeben wird.

HINTERGRUND DER TECHNIK

Eine kombinierte Entnahme bzw. ein kombinierter Abzug einer Grenzfläche zwischen zwei unvermischbaren Fluiden (zwei Flüssigkeiten oder eine Flüssigkeit und ein Gas) wurde kürzlich von Autoren studiert, wie zum Beispiel E. O. Tuck und J. M. von den Broek ("A cusp-Like free surface flow due to a submerged source or sink", J. Austral. Math. Soc. Ser. B., 25, 433-450, 1984); L. K. Forbes und G. C. Hocking ("Flow caused by a point sink in a fluid having a free surface"), J. Austral. Math. Soc. Ser. B., 32, 231-249, 1990); und T. J. Singler und J. F. Geer Singler ("A hybrid perturbation-Galerkin solution to a problem in selective withdrawal", Phys. Fuids A, 5, 1156-1166, 1993). Es ist anerkannt, ein besonderer Fall eines allgemeineren Grenzflächen-Instabilitätsphänomens zu sein, das als selektive Entnahme/kombinierte Entnahme bzw. "selective withdrawal/combined withdrawal" bekannt ist. Studien in diesem Gebiet haben sich im Wesentlichen auf die Bestimmung von Parametern (zum Beispiel der Abstand von der Senke zu der freien Oberfläche, das Fluid-Dichte-Verhältnis, die Oberflächenspannung zwischen den Fluiden) am Beginn der kombinierten Entnahme (d. h. Abtasten des Fluids hinter der freien Fläche bzw. Oberfläche, wenn das Fluid, das davor ist, bei einem gegebenen Abstand von der Oberfläche abgezogen bzw. entnommen wird). Jedoch scheint die Fluiddynamik des Mikrostrahls, der durch die kombinierte Entnahme erzeugt wird, besonderer Eigenschaften und seiner potentiellen Verwendungen führen zu dem gegenwärtigen Zerstäubungsverfahren.
Bestehende Atomisierungsverfahren konvertieren den Typ der Energie, der dem System zugeführt wird (zum Beispiel kinetische Energie des Gases in einem pneumatischen Zerstäuber, elektrische Energie in Schall- und Ultraschall- Piezoelektrischen-Zerstäubern, mechanische Energie in Rotations-Zerstäubern, elektrostatische Energie in elektrohydrodynamischen Zerstäubern, usw.) in oberflächenspannungsfreie Energie, da die Flüssigkeit-Gas-Oberfläche durch den Effekt dieser Prozesse dramatisch expandiert wird. Infolge des sich daraus ergebenden Grads der Unordnung, wird ein Teil der Energie ebenso durch die statistische Streuung der sich ergebenden Tröpfchengrößen abgebaut. In Abhängigkeit davon, wie regellos und schnell (oder allmählich und effizient) die Prozesse, durch die die oben erwähnten Energien in freie Oberflächenenergie konvertiert werden, stattfinden, sind die sich ergebenden Sprühnebel für unterschiedliche spezifische Verwendungen geeignet.
Als eine Regel gilt, dass der Sprühnebel aus kleinen Tröpfchen gleichförmiger Größe bestehen sollte. Eine kleine Tröpfchengröße ist immer in Konflikt mit einer hohen Flussrate in dem Fluid, das zu zerstäuben ist, dies führt zu einem hohen Energieverbrauch pro Zeiteinheit. Ebenso verlässt sich die Homogenität der Tröpfchengröße auf graduelle, nicht turbulente, kaum zufällige Prozesse, die mit der schnellen Konversion volumetrische Energie in Oberflächenenergie, die von den typischen hohen Flüssigkeits-Flussraten benötigt werden, die in vielen Fällen gegeben sind, und mit technologischer Einfachheit des Zerstäubers inkompatibel sind. Mechanische Einfachheit und Schnelligkeit in dem Zerstäuber und Irreversibilität und Zufälligkeit in dem Zerstäubungsprozess sind hoch korreliert.
Bestehende pneumatische Atomisierer beinhalten das kaskadierende Brechen der Grenzfläche von einer hohen Weber-Nummer zu einer 1-Weber-Nummer, wobei das letztere bewerkstelligt wird, wenn Tropfendurchmesser derartig sind, dass Oberflächenspannungskräfte, die Trägheit des Gases relativ zu der Flüssigkeit kompensieren. Derartige Zerstäuber beinhalten das direkte koaxiale Model von S. Nukiyama und Y. Tanasawa ("Experiments on the atomization of liquids in the airstream", Trans. Soc. Mech. Eng. Jpn., 5, 68-75, 1939) oder die Luftstoßmodelle, die von LD. Wigg entwickelt wurden ("Drop-size predictions for twin fluid atomizers", J. List. Fuel, 27, 500-505, 1964), G. E. Lorenzetto und A. H: Lefebvre ("Measurements of drop size on a plain jet airblast atomizer", AIAA J., 15, 1006- 1010, 1977), A. K. Jasuja ("Plain jet airblast atomization of alternative liquid petroleum fuels under high ambient air proessure conditions", ASME Paper 82-GT- 32, 1982) und N. K. Risk und A. H. Lefebvre ("Spray characteristics of plain-jetairblast atomizers", Trans. ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 106, 639-644, 1983), neben vielen anderen oder jenes, über das A. Ünal berichtet ("Flow separation and liquid rundown in gas-atomization process", Metall. Trans. B., 20B, 613-622, 1989), der auf die koaxiale Zerstäubung eines Flüssigmetalls basiert, das einen Ultraschallgasfluss verwendet.
Kaskadierende Prozesse in bestehenden pneumatischen Zerstäubern beinhalteten hochturbulente Flüsse und Zufälligkeit, das zu einer hoch dispersen Tröpfchengröße und Zerstäubungen fährt.
Ein anderer wesentlicher Nachteil dieses Typs von Zerstäuber liegt in der begrenzten Größe, die er bereitstellt (ungefähr 20 um im Durchschnitt im besten Falle).
Pfeifende Zerstäuber bzw. Whistling-Zerstäuber haben ebenfalls ihre Fallstricke, wobei zu den Herausragenden Lärm, eine relative Komplexität - sie verwenden Wellengeneratoren und piezoelektrische Vorrichtungen, um den erzeugten Kapillarstrahl anzuregen - und eine begrenzte Tröpfchengröße (üblicherweise größer als 50 um) dazuzählt.
Ein neues Zerstäubungssystem, das ebenfalls extrem kleine, monodisperse Tröpfchengrößen bereitstellt, ist eine elektrostatische Zerstäubung oder eine Elektrosprayzerstäubung. Dieses System wurde offenbart (zum Beispiel von M. L. Colelough und T. J. Noakes, "Apparatus and process for producing powders and other granular materials", europäische Patentanmeldung 87305187.4, 1987). Die Hauptnachteile dieses Verfahrens liegen in vielen Fällen darin, dass es eine Verwendung einer Hochspannungs-Gleichstromquelle erfordert - die ernsthafte Probleme macht - und folglich eines Abgabesystems (zum Beispiel elektrische Kronen), wobei beide zu der inhärenten Komplexität, dem großen Gewicht und der niedrigen Manipulierbarkeit dieses Systems beitragen.
US-A-4 717 049 offenbart einen Tröpfchenerzeugungsapparat in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit bereitgestellt, die folgendes umfasst:
eine Zuführquelle, die eine Öffnung bei einem ersten Ende zum Zufügen von Flüssigkeit zu einem internen Kanal der Zuführquelle umfasst, wobei dieser Kanal zu einer Austrittsöffnung führt, um daraus eine Flüssigkeit auszustoßen;
eine Druckkammer mit einer ersten Öffnung für den Eintritt von Gas in die Druckkammer, wobei die zweite Öffnung stromabwärts der Austrittsöffnung positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der Zuführquelle in der Druckkammer positioniert ist und dass die Austrittsöffnung der Zuführquelle und der zweiten Öffnung der Druckkammer so aufgebaut sind und angeordnet sind, dass im Gebrauch eine Flüssigkeit, die aus der Austrittsöffnung der Zuführquelle fließt, durch die zweite Öffnung in einem kontinuierlichen stetigen Kapillar- Mikrostrahl hindurchgelangt und daraus herausgelangt, um stromabwärts durch die Wirkung einer Kapillar-Instabilität auseinander zu brechen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Flüssigkeitszerstäubungsverfahren bereitgestellt, das folgendes umfasst:
eine Flüssigkeit wird durch einen Kanal einer Zuführquelle in einer Art und Weise gezwungen, die die Flüssigkeit zwingt, aus einer Austrittsöffnung ausgestoßen zu werden;
ein Gas wird durch eine Druckkammer gezwungen, wobei in dieser Kammer die Austrittsöffnung der Zuführquelle sich befindet, wobei das Gas in einer Art und Weise gezwungen wird, die das Gas veranlasst, aus der Druckkammer von einer Öffnung auszutreten, die in einer Linie mit dem Fließpfad der Flüssigkeit positioniert ist, die von der Austrittsöffnung der Zuführquelle ausgestoßen wird;
wobei eine stabile Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche aufrechterhalten wird und die Flüssigkeit einen kontinuierlichen, stabilen Kapillar-Strahl zwischen der Zuführquellen-Austrittsöffnung und der Öffnung der Druckkammer zu der Außenseite bildet und wobei der Mikrostrahl stromabwärts aufgrund eines Effekts einer Kapillar-Instabilität auseinander bricht.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Flüssigkeitszerstäubungsverfahren bereitgestellt, das folgendes umfasst:
eine Flüssigkeit wird durch eine Zuführquelle zu einem Auslass zugeführt;
ein Gas wird durch eine Öffnung zugeführt, die stromabwärts des Zuführquellenauslasses in einer Richtung parallel zu einer Richtung eines Flusses aus dem Zuführquellenauslass positioniert ist;
wobei das Gas in eine Druckkammer zugeführt wird, in der der Auslass positioniert ist, und das Zuführen einer Flüssigkeit und das Zuführen von Gas jeweils mit einer Rate relativ zueinander so sind, um einen kontinuierlichen, stabilen Kapillar-Mikrostrahl von Flüssigkeit aufrecht zu erhalten, der aus der Öffnung austritt und durch Wirkung einer Kapillar-Stabilität auseinander bricht, um aerosolisierte Teilchen auszubilden.
Die im Folgenden beschriebene gezeigte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert auf dem Abzug bzw. der Entnahme der Flüssigkeit, die zu zerstäuben ist, und zwar durch einen Gasfluss. Die Flüssigkeit fließt durch einen Zuführpunkt, der in einer Druckkammer untergebracht ist. Der Zuführpunkt liegt einer Öffnung gegenüber, die die Druckkammer mit der Außenseite in Verbindung setzt. Das Entnahme-Gas fließt über die Kammer und umgibt die zu zerstäubende Flüssigkeit, die durch den Zuführpunkt geliefert bzw. zugeführt wird, um das Atomisat bzw. das Zerstäubungsgut auszubilden. Dies stellt Tröpfchen mit einer extrem kleinen (1 um oder weniger) und hoch monodispersen Größe (in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen beträgt die relative Standardabweichung 10 bis 30%) bereit. Das vorgeschlagene System besitzt ebenfalls die Einfachheit und Ökonomie eines pneumatischen Systems. Zusätzlich kann die Tröpfchengröße je nach Wunsch über die Flussrate der infizierten bzw. eingespritzten Flüssigkeit und dem Druckabfall über die Druckkammer eingestellt werden, von der der Flüssigkeitsstrahl konzentrisch und axial entnommen bzw. abgezogen wird. Der Kapillar-Mikrostrahl, der durch die Flüssigkeit ausgebildet wird, die von dem Zuführpunkt zu dem Ausgang des Druckänderers fließt, wird beschleunigt und durch die tangentiale viskose Spannung stabilisiert, die von dem Gas auf der Flüssigkeitsoberfläche ausgeübt wird. Der Mikrostrahl verlässt die Druckkammer durch die Ausgangsöffnung und zersplittert dann in Mikrotropfen mit den folgenden Eigenschaften:
(1) eine extrem kleine Größe (1 um oder weniger), was zu einem Zerbrechen des Kapillar-Mikrostrahls führt, und
(2) eine sehr kleine Größenstreuung, vorausgesetzt der Strahldurchmesser ist stabil, was der Fall ist, solange die Flüssigkeitsflussrate des Strahls stabil ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUR

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Zerstäubers gemäß der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Ausbildung des Mikrostrahls und ihre Beschleunigung basieren auf einem abrupten Druckabfall, der mit einer starken Beschleunigung verbunden ist, die das Gas erfährt, wenn es durch die Öffnung hindurchgelangt. Dies führt zu einem großen Druckunterschied zwischen der Flüssigkeit und dem Gas, was wiederum eine hoch gekrümmte Zone auf der Flüssigkeitsoberfläche in der Nähe der Öffnung erzeugt, und zu der Bildung eines Rückkehrpunktes, von dem ein stetiger Mikrostrahl fließt, vorausgesetzt die Flüssigkeitsmenge, die durch die Öffnung entnommen wird, wird nachgefüllt.
Das Parameterfenster, das verwendet wird (d. h. der Satz von Spezialwerten für die Flüssigkeitseigenschaften, verwendete Flussrate, Zuführnadeldurchmesser, Öffnungsdurchmesser, Druckverhältnis usw.) sollte groß genug sein, um mit virtuell jeder Flüssigkeit kompatibel zu sein (dynamische Viskositäten in dem Bereich von 10&supmin;&sup4; bis 1 kg m&supmin;¹s&supmin;¹); in dieser Art und Weise ist der kapillare Mikrostrahl, der aus dem Ende der Zuführnadel austritt, absolut stabil und Störungen, die durch den Bruch des Strahls erzeugt werden, können nicht stromaufwärts wandern. Stromabwärts spaltet der Mikrostrahl gleichförmig geformte Tropfen ab, und zwar einfach aufgrund der Wirkung der Kapillarinstabilität (siehe zum Beispiel Raileigh "On the instability of jets", Proc. London Math. Soc., 4-13, 1878), und zwar ähnlich einem laminaren Kapillarstrahl, der von einem halboffenen Hahn fällt.
Wenn das stationäre, stetige Regime erreicht ist, wird der Kapillarstrahl, der von dem Ende des Tropfens am Auslass des Zuführpunktes austritt, konzentrisch in die Düse zurückgezogen. Nachdem der Strahl von dem Tropfen ausgetreten ist, wird die Flüssigkeit durch tangentiale Schleppkräfte beschleunigt, die von dem Gasstrom ausgeübt werden, der auf ihrer Oberfläche fließt, wobei dies graduell den Strahlquerschnitt verringert.
Die Kräfte, die von dem Gasfluss auf die Flüssigkeitsoberfläche ausgeübt werden, sollten stetig genug sein, um Oberflächenoszillationen zu verhindern. Deshalb sollte eine jegliche Turbulenz in der Gasbewegung vermieden werden: Selbst wenn die Gasgeschwindigkeit hoch ist, sollte die charakteristische Größe der Öffnung gewährleisten, dass die Gasbewegung laminar ist (und zwar ähnlich zu den Grenzschichten, die auf dem Strahl und auf der inneren Oberfläche der Düse oder des Lochs ausgebildet sind).
Zusammengefasst sollte der Gasfluss, der die Flüssigkeitsentnahme bewirkt und seine darauf folgende Beschleunigung, nachdem der Strahl ausgebildet ist, sehr schnell sein, aber nicht gleichförmig, um eine Störung der fragilen Kapillargrenzfläche (der Oberfläche des Tropfens, der aus dem Strahl austritt) und folglich ihr Brechen zu vermeiden. Deshalb sollten die dynamischen Kräfte, die von dem Gas ausgeübt werden, niemals die Oberflächenspannung (Tropfen und Mikrostrahl) zu keiner Zeit während des Prozesses überschreiten. Drückt man dies durch dimensionslose Fluiddynamikzahlen aus, so sollte die Weber-Zahl (d. h. das Verhältnis der dynamischen zur Oberflächenspannungskraft) nicht eins während des Prozesses überschreiten. Die Weber-Zahl für den Mikrostrahl wird unvermeidlich eins sein, weil der Druckabfall in dem Gas eine ähnliche Größenordnung hat, wie der Effekt der Oberflächenspannung:
wobei γ und ρ die Oberflächenspannung und Flüssigkeitsdichte jeweilig sind; und dj und νg der charakteristische Durchmesser des Strahls und charakteristische Geschwindigkeit des Gases sind. Ebenso muss die Geschwindigkeit des Gases um den Tropfen herum, der den Strahl erzeugt, mit jenem über die Öffnung über die Flächen in Beziehung stehen, d. h. VgD&sub0;²~Vgd&sub0;², wobei Vg die Geschwindigkeit des Gases um den Tropfen herum ist und D&sub0; und d&sub0; die Durchmesser des Zuführpunktes und der Öffnung jeweilig sind. Da die maximal mögliche Gasgeschwindigkeit bei der Öffnung ähnlich jener der Schallgeschwindigkeit ist, hat man
νg - (d&sub0;/D&sub0;)² · 320 m/s
und für den Strahldurchmesser
Dies lässt darauf schließen, dass mikrometrische Tröpfchengrößen erhalten werden können.
Bei den kleinsten Durchmessern, die mit diesem System möglich sind (ähnlich der Dicke der Grenzschicht), können die kinetischen Energien pro Einheitsvolumen der Flüssigkeit und des Gases von derselben Größenordnung sein. Die sich ergebende Flüssigkeitsgeschwindigkeit wird wie folgt lauten:
νl - (pg/p&sub1;)1/&sub2; νg - 10 m/s
wobei ρ&sub1; die Flüssigkeitsdichte ist. Von der vorherigen Gleichung ergibt sich, dass die Flüssigkeitsflussrate
bei den kleinsten Tröpfchengrößen ist.
Der Gasfluss sollte laminar sein, um ein turbulentes Regime zu vermeiden - turbulente Fluktuationen in dem Gasfluss, der eine hohe Frequenz aufweist, würden die Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche stören. Die Reynolds-Zahl, die bei der Öffnung erreicht wird, lautet:
wobei νg die kinematische Viskosität des Gases ist. Obwohl diese Zahl ziemlich hoch ist, gibt es große Druckgradienten stromabwärts (eine hoch konvergente Geometrie), so dass es unwahrscheinlich ist, dass sich ein turbulentes Regime entwickelt.
Der wesentliche Unterschied von bestehenden pneumatischen Zerstäubern (die große Weber-Zahlen besitzen) liegt darin, dass das Ziel nicht ist, die Flüssigkeit-Gas- Grenzfläche zu zerreißen, sondern umgekehrt, d. h. die Stabilität der Grenzfläche zu erhöhen, bis ein Kapillarstrahl erhalten wird. Der Strahl, der sehr dünn sein wird, vorausgesetzt, der Druckabfall, der sich von der Entnahme bzw. den Abzug ergibt, ist groß genug, zersplittert in Tröpfchen, deren Größe viel gleichmäßiger ist als jene, die sich aus dem ungeordneten Brechen der Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche bei bestehenden pneumatischen Zerstäubern ergibt.
Das vorgeschlagene Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigkeiten kann für eine elektronische Kraftstoffeinspritzung sowie bei Inhalatoren zur Abgabe von Medikamenten oder Anästhetika und bei Zerstäubern bzw. Nebelgeräten für chemische Analyse neben anderen verwendet werden. Ebenso leistet es eine Massenherstellung von keramischen Pulvern und das Sintern von Halbleitern, die zur Herstellung keramischer Materialien verwendet werden, Halbleitern, Kunststoffen usw.
Um die obige Beschreibung zu vervollständigen und ein Verständnis der Erfindung zu vereinfachen, beinhaltet dieser Bericht einen eher beispielhaften als beschränkenden Plan für ein Prototypmodel.
Fig. 1: Schematische Darstellung eines Zerstäuberprototyps.
1. Zuführnadel.
2. Ende der Zuführnadel, die zum Einführen der Flüssigkeit, die zu zerstäuben ist, verwendet wird.
3. Druckkammer.
4. Öffnung, die als Gaseinlass verwendet wird.
5. Ende der Zuführnadel, die verwendet wird, um die Flüssigkeit, die zu zerstäuben ist, zu evakuieren.
6. Öffnung, durch die die Entnahme stattfindet.
7. Zerstäubungsprodukt (Spray).
D&sub0; = Durchmesser der Zuführnadel; d&sub0; = Durchmesser der Öffnung, durch die der Mikrostrahl durchgeführt wird; e = axiale Länge der Öffnung, durch die die Entnahme stattfindet; H = Abstand von der Zuführnadel bis zu dem Mikrostrahlauslass; P&sub0; = Druck innerhalb der Kammer; Pa = atmosphärischer Druck.

BEISPIELHAFTE VERWENDUNGEN DER ERFINDUNG

Das vorgeschlagene Zerstäubungssystem benötigt offensichtlich die Abgabe der Flüssigkeit, die zu zerstäuben ist, und des Gases, das bei dem sich ergebenden Spray bzw. Sprühnebel zu verwenden ist. Beides sollte mit einer Rate zugeführt werden, die gewährleistet, dass das System innerhalb des stabilen Parameterfensters liegt. Ein Multiplexen ist wirksam, wenn die Flussraten, die benötigt werden, jene einer individuellen Zelle überschreiten. Die Flussraten, die verwendet werden, sollten ebenso gewährleisten, dass das Massenverhältnis zwischen den Flüssen mit den Spezifikationen einer jeden Anwendung kompatibel ist.
Offensichtlich kann das Gas von außen mit einer höheren Flussrate bei spezifischen Anwendungen (zum Beispiel Brennen bzw. Überhitzen, Medikamenteninhalation) zugeführt werden, da dies nicht den Betrieb des Zerstäubers stören muss.
Das Gas und die Flüssigkeit können von jeglichem Typ eines kontinuierlichen Abgabesystems (zum Beispiel einem Kompressor oder ein unter Druck stehender Behälter bezüglich des ersteren und eine volumetrische Pumpe oder eine unter Druck stehende Flasche bezüglich des letzteren) abgegeben werden. Falls ein Multiplexen bzw. Bündeln erforderlich ist, sollte die Flüssigkeitsflussrate so gleichförmig wie möglich unter den Zellen sein; dies kann einen Antrieb bzw. eine Propulsion durch mehrere Kapillarnadeln, poröse Medien oder ein jegliches anderes Medium, das dazu in der Lage ist, einen gleichförmigen Fluss unter unterschiedlichen Zuführpunkten zu verteilen, mit sich führen.
Jedes individuelles Zerstäubungsgerät sollte aus einem Zuführpunkt (einer Kapillarnadel, einem Punkt mit einem offenen Mikrokanal, einer Mikroprotuberanz bzw. einer Mikroausstülpung auf einer fortlaufenden Kante usw.) mit einem Durchmesser von 0,05-2 mm (aber bevorzugt 0,1-0,4 mm), wobei der Tropfen, der aus dem Mikrostrahl austritt, verankert sein kann, und einer kleinen Öffnung mit einem Durchmesser von 0,05-2 mm (vorzugsweise 0,1-0,25 mm) im Durchmesser bestehen, die dem Tropfen gegenüberliegt und 0,1-2 mm (vorzugsweise 0,2-0,5 mm) von dem Zuführpunkt beabstandet ist. Die Öffnung verbindet das entnommene Gas um den Tropfen herum bei einem erhöhten Druck mit dem Bereich, wo das Zerstäubungsprodukt erzeugt wird, und zwar bei einem verringerten Druck.
Der Zerstäuber kann aus einer Vielfalt von Materialien (Metall, Kunststoff, Keramiken, Glas) hergestellt werden; die Wahl wird von der vorgesehenen Anwendung bestimmt.
Fig. 1 zeigt einen getesteten Prototyp, wo die Flüssigkeit, die zu atomisieren ist, durch ein Ende des Systems (2) eingeführt wird und das antreibende Gas über den Spezialeinlass (4) in die Druckkammer (3) eingeführt wird. Der Prototyp wurde mit Gaszuführraten von 100 bis 2000 mBar über den atmosphärischen Druck Pa getestet, bei dem die zerstäubte Flüssigkeit abgegeben wurde. Der gesamte Einschluss um die Zuführnadel (1) herum war bei einem Druck P&sub0; > Pa. Der Flüssigkeitszuführdruck, P&sub1; sollte immer etwas höher sein, als der Gasantriebsdruck P&sub0;. In Abhängigkeit von dem Druckabfall bei der Nadel und dem Flüssigkeitszuführsystem besteht eine lineare Beziehung zwischen dem Druckunterschied (P&sub1; - P&sub0; > 0) und der Flussrate der zu zerstäubenden Flüssigkeit Q, vorausgesetzt der Fluss ist laminar - was tatsächlich bei diesem Prototyp der Fall ist. Die kritischen Abmessungen sind der Abstand von der Nadel zu der Platte (H), der Nadeldurchmesser (D&sub0;), der Durchmesser der Öffnung (6), durch die der Mikrostrahl abgegeben wird (d&sub0;) und der axialen Länge e der Öffnung (d. h. der Dicke der Platte, wo die Öffnung gemacht ist). Bei diesem Prototyp wurde H von 0,3 bis 0,7 mm auf Konstanz der Abstände (D&sub0; = 0,45 mm, d&sub0; - 0,2 mm) und e - 0,5 mm variiert. Die Qualität des sich ergebenden Sprühnebels bzw. Sprays (7) variierte nicht merklich mit Änderungen von H, vorausgesetzt das Betriebsregime (d. h. der stationäre Tropfen und Mikrostrahl) wurde aufrechterhalten. Jedoch leidete die Systemstabilität bei längeren H-Abständen (um 0,7 mm) herum. Die anderen Zerstäuberabmessungen hatten keine Wirkung auf den Sprühnebel oder den funktionierenden Prototyp, vorausgesetzt der Bereich um die Nadel herum (ihr Durchmesser) war groß genug im Vergleich zu der Zuführnadel.

Claims

1. Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit, umfassend:

eine Zuführ- bzw. Speisungsquelle (1), die eine Öffnung bei einem ersten Ende umfasst, um Flüssigkeit zu einem inneren Kanal der Zuführquelle zuzuführen, welcher Kanal zu einer Austrittsöffnung für den Ausstoß einer Flüssigkeit daraus führt;

eine Druckkammer (3), die eine erste Öffnung (4) für den Eintritt eines Gases in die Druckkammer und eine zweite Öffnung (6) für den Austritt eines Gases aus der Druckkammer aufweist, wobei die zweite Öffnung (6) stromabwärts der Austrittsöffnung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der Zuführ- bzw. Speisungsquelle (1) in der Druckkammer (3) positioniert ist und dass die Austrittsöffnung der Zuführ- bzw. Speisungsquelle (1) und die zweite Öffnung (6) der Druckkammer (3) so ausgelegt und angeordnet sind, dass im Einsatz eine Flüssigkeit, die aus der Austrittsöffnung der Zuführ- bzw. Speisungsquelle fließt, durch die zweite Öffnung in einem kontinuierlichen, ununterbrochen kapillaren Mikrostrahl (6) hindurchtritt und aus dieser austritt, um stromabwärts auf Grund einer kapillaren Instabilität aufzubrechen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Durchmesser (D&sub0;) der Öffnung der Zuführquelle (1) und ihre Position in der Druckkammer (3) relativ zu der Öffnung (4) so beschaffen ist, dass im Einsatz eine Flüssigkeit, die aus der Öffnung der Zuführquelle (1) ausströmt, von einem Gas der Druckkammer (3) umgeben ist, um einen Flüssigkeitsstrahl zu bilden, der einen Durchmesser dj aufweist, welcher Durchmesser gegeben ist durch die Formel:

dj = 4γ/ρgνg²

wobei γ die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, ρ die Dichte der Flüssigkeit und νg die Geschwindigkeit des Gases ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Zuführ- bzw. Speisungsquelle (1) eine Zuführ- bzw. Speisungsnadel ist, die eine Austrittsöffnung mit einem Durchmesser (D&sub0;) in dem Bereich von etwa 0,05 mm bis etwa 2 mm aufweist, und die zweite Öffnung der Druckkammer (3) einen Durchmesser (d&sub0;) in dem Bereich von etwa 0,05 mm bis etwa 2 mm aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Zuführ- bzw. Speisungsquelle (1) eine Zuführ- bzw. Speisungsnadel ist, die eine Austrittsöffnung mit einem Durchmesser (D&sub0;) in dem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,4 mm aufweist, und die zweite Öffnung der Druckkammer (3) einen Durchmesser (d&sub0;) in dem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,25 mm aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Austrittsöffnung der Zuführquelle (1) an einer Stelle in dem Bereich (H) von etwa 0,2 mm bis 0,5 mm von der zweiten Öffnung der Druckkammer (3) entfernt angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in die eine Flüssigkeitszubereitung eingeführt ist, die eine dynamische Viskosität in dem Bereich von etwa 10&supmin;&sup4; bis etwa 1 kg/m/sec aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Flüssigkeitszubereitung einen Wirkstoff umfasst.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei der die Flüssigkeitszubereitung bei der Herstellung eines Trockenpulvers verwendet wird.

9. Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit, umfassend:

eine Flüssigkeit wird durch einen Kanal einer Zuführ- bzw. Speisungsquelle (1) in einer Weise gedrückt, die bewirkt, dass die Flüssigkeit aus einer Austrittsöffnung ausgestoßen wird; und

ein Gas wird durch eine Druckkammer (3) gedrückt, in welcher Kammer die Austrittsöffnung der Zuführquelle (1) angeordnet ist, wobei das Gas in einer Weise gedrückt wird, die bewirkt, dass das Gas die Druckkammer aus einer Öffnung (6) verlässt, die fluchtend mit der Strömungsbahn von Flüssigkeit, die aus der Austrittsöffnung der Zuführquelle ausgestoßen wird, angeordnet ist;

wobei eine stabile Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche aufrecht erhalten wird und die Flüssigkeit einen kontinuierlichen, stabilen, kapillaren Strahl (6) zwischen der Austrittsöffnung der Zuführ- bzw. Speisungsquelle und der Öffnung der Druckkammer (3) zu der Außenseite bildet und wobei der Mikrostrahl stromabwärts auf Grund einer kapillaren Instabilität aufbricht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Flüssigkeit eine Viskosität in einem Bereich von etwa 0,3 · 10&supmin;³ bis etwa 5 · 10&supmin;² kg/m/sec aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei dem die Flüssigkeit durch den Kanal mit einer Rate in einem Bereich von etwa 10 ul/sec bis etwa 100 ul/sec gedrückt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Flüssigkeit durch den Kanal mit einer Rate in einem Bereich von etwa 0,01 ul/sec bis etwa 10 ul/sec gedrückt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem das Gas durch die Öffnung der Druckkammer (3) mit einer Geschwindigkeit in dem Bereich von etwa 50 m/sec bis etwa 2000 m/sec gedrückt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem das Gas durch die Öffnung der Druckkammer (3) mit einer Geschwindigkeit in dem Bereich von etwa 100 bis 500 m/sec gedrückt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem die Flüssigkeit aus einer kreisförmigen Austrittsöffnung ausgestoßen wird, die einen Durchmesser (D&sub0;) in dem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,4 mm aufweist, und bei der die Öffnung in der Druckkammer kreisförmig ist und unmittelbar vor der Austrittsöffnung der Zuführquelle angeordnet ist und einen Durchmesser (d&sub0;) in dem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,25 mm aufweist.

16. Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit, umfassend:

eine Flüssigkeit wird durch eine Zuführ- bzw. Speisungsquelle (1) zu einem Auslass zugeführt;

ein Gas wird durch eine Öffnung (6) zugeführt, die stromabwärts des Auslasses der Zuführquelle in einer Richtung parallel zu einer Richtung des Strömungsaustritts des Auslasses der Zuführquelle angeordnet ist;

wobei das Gas in eine Druckkammer (3) zugeführt wird, in der der Auslass positioniert ist, und das Zuführen von Flüssigkeit und das Zuführen von Gas jeweils mit einer Rate relativ zueinander bzw. in einem Verhältnis zueinander erfolgt, um so einen kontinuierlichen, stabilen, kapillaren Mikrostrahl von Flüssigkeit aufrecht zu erhalten, der aus der Öffnung austritt und auf Grund einer kapillaren Instabilität stromabwärts aufbricht, um aerosolisierte Teilchen zu bilden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem Gas in einen Bereich um den Auslass der Zuführquelle herum bei einem Druck in dem Bereich von etwa 100 bis 2000 mBar oberhalb von Atmosphärendruck gedrückt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem Gas aus der Druckkammer (3) eine Flüssigkeit umgibt, die aus einem Auslass der Zuführquelle austritt, die konzentrisch in die Öffnung gezogen wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16, 17 und 18, bei dem die aerosolisierten Teilchen, die gebildet werden, in der Größe in einem Ausmaß gleichförmig sind, dass diese eine relative Größen-Standardabweichung von 10 bis 30% aufweisen.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 11 bis 19, bei dem die Flüssigkeit eine Viskosität in dem Bereich von etwa 10&supmin;&sup4; bis 1 kg/m/sec aufweist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 20, bei dem der stabile kapillare Strahl (6) einen Durchmesser dj aufweist, welcher Durchmesser durch die Formel gegeben ist:

dj = 4γ/ρgνg²

wobei γ die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ist, ρ die Dichte der Flüssigkeit und νg die Geschwindigkeit des Gases ist.