DE10106572A1 - Stoffgemisch zur Erzeugung von Kaltgas mit Zusatzstoffen - Google Patents

Abstract

Das Stoffgemisch mit den Gasen Kohlendioxid (CO¶2¶) und Distickstoffmonoxid (N¶2¶O) in kondensierter Phase dient zur Herstellung eines Kaltgases, das mindestens einen Zusatzstoff enthält. Das Kaltgas oder Kältespray wird vorzugsweise für kosmetische Anwendungen eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stoffgemisch, ein Kältemittel und ein Kältespray, enthaltend CO₂ oder N₂O und mindestens einen Zusatzstoff, deren Verwendung für die kosmetische Kältebehandlung der Haut und ein Verfahren zur Herstellung eines Kaltgasstromes mit einem Zusatzstoff.

Bekannt sind Kältesprays, die im Bereich der Elektronikfertigung oder bei mobilen sportmedizinischen Anwendungen eingesetzt werden. Diese Kältesprays enthalten entweder halogenierte Kohlenwasserstoffe, deren Verwendung aus Umweltaspekten immer stärkeren Restriktionen unterworfen wird, oder sie enthalten kurzkettige Aliphaten, die wegen ihrer Entzündlichkeit nicht offen und in konzentrierter Form im häuslichen Bereich durch Privatpersonen eingesetzt werden sollten. Außerdem sind diese Kältesprays im allgemeinen gesundheitlich nicht unbedenklich und sollten nicht in die Atemwege gelangen.

Komprimierte Gase wie CO₂, N₂O, SF₆ liefern bei der Entspannung aus der im Druckgasbehälter unter Druck verflüssigten Flüssigphase auf Atmosphärendruck einen großen Fest- bzw. Flüssiganteil. Dieser Fest- bzw. Flüssiganteil führt beim Auftreffen auf die Hautoberfläche zu einer zu starken Abkühlung der Haut. Kälteverbrennungen können bei dieser Anwendung nicht sicher ausgeschlossen werden. Dieser Fest- bzw. Flüssiganteil kann nur mit hohem technischen Aufwand, wie zum Beispiel die Anwärmung des Druckgasbehälter-Inhaltes, reduziert werden. Reine komprimierte Gase wie CO₂, N₂O, SF₆ sind daher für Anwendungen nicht geeignet, wo eine zu starke Unterkühlung der Kontaktfläche vermieden werden muß wie bei kosmetischen Anwendungen am Menschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mittel zur Erzeugung eines Kaltgases bereitzustellen, das zu einem reduzierten Fest- bzw. Flüssiganteil in der aus einem Druckgasbehälter entspannten Gasphase führt und die genannten Nachteile vermeidet. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Kaltgases mit einem Zusatzstoff.

Gelöst wurde die Aufgabe durch ein Stoffgemisch mit den in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen.

Das Stoffgemisch gemäß der Erfindung enthält Kohlendioxid (CO₂) und Distickstoffmonoxid (N₂O), das auch als Lachgas bezeichnet wird. Für die bevorzugte Anwendung liegt das Stoffgemisch in kondensierter Phase vor. Die kondensierte Phase wird im allgemeinen durch Druckverflüssigung der Gaskomponenten oder des Gasgemisches hergestellt. Das Stoffgemisch enthält somit die Komponenten in der Regel als druckverflüssigte Gase. In der Regel besteht das Stoffgemisch aus Kohlendioxid (CO₂) und Distickstoffmonoxid, vorzugsweise aus einem CO₂-Anteil von 20 bis 80 Vol.-%, Rest N₂O (zusammen 100 Vol.-%), besonders bevorzugt aus einem CO₂-Anteil zwischen 40 und 60 Vol.-%. Die Konzentrationsangaben (Vol.-%) beziehen sich auf die Konzentrationen der Komponenten des Stoffgemisches bei Normalbedingungen (1 bar absolut, 20°C), unter diesen Bedingungen liegt das Stoffgemisch gasförmig vor.

Das Stoffgemisch, enthaltend druckverflüssigtes Kohlendioxid (CO₂) und druckverflüssigtes Distickstoffmonoxid (N₂O) und gegebenenfalls einen oder mehrere Zusatzstoffe, ist vorteilhaft einsetzbar als Treibmittel, insbesondere im Lebensmittelbereich.

Das Stoffgemisch gelangt in der Regel als druckverflüssigte Phase in einem Druckgasbehälter zum Einsatz. Druckgasbehälter sind beispielsweise Druckgasflaschen, Druckgaspatronen (Kleinpatronen oder "Minipatronen") oder Druckdosen. Solche Druckgasbehälter als Versorgungselement sind im Lebensmittelbereich eingeführt: Minipatronen mit Lachgas zum Aufschäumen von Sahne und Kleinpatronen mit CO₂ zur Herstellung von Sodawasser.

Das bevorzugte Stoffgemisch liegt als unter Druck verflüssigtes Gasgemisch vor. Der Verflüssigungsdruck bei Umgebungstemperatur und damit der Fülldruck der Druckgasbehälters liegt für 20°C bei 54 bar (für ein Mischungsverhältnis von 50 : 50, in Vol.-%, s. o.). Aus dem unter Druck verflüssigten Gasgemisch wird durch Entspannung ein Kaltgas erzeugt. Das unter Druck verflüssigte Gasgemisch dient daher vorteilhaft als Kältemittel, insbesondere zur Erzeugung eines Kältesprays. Das erzeugte Kaltgas enthält im allgemeinen einen Feststoffanteil (z. B. festes Kohlendioxid) von deutlich weniger als 29 Gew.-% (z. B. weniger als 20 Gew.-%, vorzugsweise kleiner gleich 10 Gew.-%) und einen Flüssigkeitsanteil (z. B. kälteverflüssigtes Lachgas) von deutlich weniger als 45 Gew.-% (z. B. weniger als 30 Gew.-%, vorzugsweise kleiner gleich 20 Gew.-%).

Das Kaltgas oder der Kaltgasstrom weisen vorteilhaft eine Temperatur im Bereich von 0 bis -180°C, vorzugsweise im Bereich zwischen -10 und -80°C auf. Eine vorteilhafte Strömungsgeschwindigkeit des erzeugten Kaltgases liegt zwischen 0,1 und 10 m/sec, vorzugsweise zwischen 0,2 und 1 m/sec.

Der Restgehalt von Fest- und Flüssigphase im Kaltgas bzw. Kaltgasstrom, der beim Entspannen der kondensierten Phase des Stoffgemisches, insbesondere des druckverflüssigten Gasgemisches aus CO₂ und N₂O, aus einem Druckgasbehälter austritt, ist in der Regel gering und kann durch Zumischen eines Gases (z. B. Luft, ein Inertgas oder Gas der Gasphase im Druckbehälter) insbesondere eines warmen Gases (z. B. mit Umgebungstemperatur; 15 bis 25°C) weiter bis zur völligen Beseitigung reduziert werden. Die Zumischung des zusätzlichen Gases erfolgt beispielsweise am oder im Entnahmeventil des Druckbehälters. Die Zumischung läßt sich mit geringem konstruktiven Aufwand realisieren.

Bei Verwendung der Stoffgemische gemäß der Erfindung für die Kaltgaserzeugung wird überraschend festgestellt, daß der Feststoff- und Flüssiganteil des ausströmenden Kaltgases deutlich geringer ausfällt bzw. durch geeignete Ventil- und Düsenkonfigurationen mit Wärmetauscher- und Verdampferwirkung wirkungsvoller entfernt werden kann als bei Verwendung der Einzelkomponenten CO₂ oder N₂O.

Die Komponenten des Stoffgemisches sind ungiftig, unbrennbar und physiologisch unbedenklich. Sie sind bereits im Medizin- und/oder Lebensmittelbereich etabliert.

Kältesprays mit dem beschriebenen Stoffgemisch können außerhalb der kosmetischen Anwendung auch als Alternative zu konventionellen Kältesprays (z. B. bei technischen Anwendungen) vorteilhaft eingesetzt werden, und zwar immer dort, wo die Stoffeigenschaften der konventionellen Sprays aus Sicherheits- oder Umweltaspekten unerwünscht sind.

Das Stoffgemisch mit kondensierter Phase bzw. druckverflüssigtem Gas oder Gasgemisch enthält bei besonderen Verwendungen wie besonderen kosmetischen Anwendungen vorteilhaft ein oder mehrere Zusatzstoffe. Solche Zusatzstoffe sind beispielsweise Desodorierungsmittel (z. B. Menthol oder einen Alkohol), ein Parfümierungsmittel (z. B. ein Duftstoff oder Duftstoffkonzentrat) ein fettendes Mittel (z. B. Fettstoffe oder fettartige Stoffe wie Lanolin), ein Pflegemittel (z. B. Hautpflegemittel) oder einen Wirkstoff als Zusatzstoff enthält. Die Zusatzstoffe sind in der Regel in sehr geringer Konzentration enthalten. Zusatzstoffe sind Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase. Als Zusatzstoffe werden auch Zubereitungen, Lösungen oder Dispersionen von Zusatzstoffen verstanden.

Über die eigentliche Kältewirkung hinaus können mit der Gasapplikation noch weitere Effekte erzielt werden, wenn dem Stoffgemische weitere Komponeneten zugemischt werden. Diese Effekte betreffen insbesondere die Geruchswirkung und die Hautpflegewirkung.

Dem Stoffgemisch kann ein Duftstoff, Parfümierungsmittel, Wirkstoff oder Pflegemittel zugemischt werden, das beim Entspannen aus dem Druckgasbehälter neben der Kältewirkung eine entsprechende Wirkung entfaltet, z. B. eine angenehme Duftbildung. Dies unterstützt z. B. eine kosmetischen Anwendung der Kälteapplikation. Die Zumischung der genannten Stoffe zu einem als Kältemittel wirkenden Gas ist noch nicht bekannt.

Zur Parfümierung oder Aromatisierung wird dem Gasgemisch aus CO₂ und N₂O ein Duftstoff zugesetzt. Duftstoffe oder Aromen sind in der Regel gasförmige oder flüchtige flüssige oder flüchtige feste Verbindungen. In der Regel werden Duftstoffe als Mischungen verschiedenster Duftstoffe eingesetzt (z. B. als Duftstoff-Konzentrat). Duftstoffe sind beispielsweise etherische Öle, die im allgemeinen Terpene enthalten. Die Duftstoffe dienen z. B. zur Erzeugung eines wohlriechenden Sauerstoffgases. Die Duftstoffe können außer einem angenehmen Geruch in der Anwendungskonzentration auch eine physiologische oder andere vorteilhafte Wirkung aufweisen. Beispielsweise wirkt Menthol desodorierend.

Duftstoffe sind im allgemeinen natürliche, halbsynthetische oder vollsynthetische Stoffe. Natürliche Duftstoffe sind z. B. Pfefferminzöl, Lavendelöl, Rosenöl, Patchouliöl, Nelkenöl. Natürliche Duftstoffe werden bevorzugt durch Extraktion in überkritischen Gasen, insbesondere Kohlendioxid, hergestellt und in diesen Gasen eingesetzt.

Das Gasgemisch kann physiologisch wirksame Substanzen, wie Terpene oder andere wirksame Bestandteile wie etherische Öle, deren therapeutische oder anregende, positive Wirkung auf den menschlichen Organismus aus der Medizin bekannt ist, enthalten.

Der Duftstoff ist vorzugsweise ein Gemisch und enthält Ester, Aldehyde, Ketone, Alkohole, Lactone, Terpen-Kohlenwasserstoffe und/oder etherische Öle. Besonders bevorzugte Duftstoffe enthalten Ester, in der Regel 30 bis 70 Vol.-% (bezogen auf die Gesamtmenge des Duftstoffes), insbesondere 30 bis 60 Vol.-%. Diese Duftstoffe und Duftstoffgemische sind in der Regel bei Raumtemperatur flüssig.

Ebenso können dem Gasgemisch Komponenten zugemischt werden, die z. B. einen eigenen kosmetischen Effekt hervorrufen. Dabei dient die Kaltgasmischung als Trägergas. Dieser kosmetische Effekt kann z. B. verschiedene Aspekte der Hautpflegewirkung betreffen. Beispielhaft seien hier fettartige Substanzen (wie z. B. Lanolin) genannt, die aus der Dermatologie bekannt sind, oder aber andere Wirkstoffe wie Vitamine oder biologische Zusatzstoffe. Grundsätzlich können alle diejenigen Komponenten der Kältemischung zugemischt werden, die als Wirkstoffe z. B. in Hautpflegeprodukten enthalten sind und vorzugsweise eine ausreichende Mischbarkeit mit dem Gasgemisch aufweisen. Die Substanzen können in geringen Mengen, dem Stoffgemisch zugemischt werden und verbleiben bei der Kälteapplikation auf der Haut zumindest teilweise auf dem angeströmten Hautbereich.

Alternativ zur direkten Zumischung des Zusatzstoffes in das druckverflüssigte Gas oder Gasgemisch erfolgt der Zusatz und die Dosierung der Zusatzstoffe in den erzeugten Kaltgasstrom. Beispielsweise erfolgt der Zusatz von Duftstoffen in das Kaltgas mittels Diffusion der Duftstoffe oder flüchtigen Stoffe aus einem Vorratsgefäß durch eine Kapillare in das vorbeiströmende Gasgemisch.

Durch Diffusion der Duftstoffformulierung durch eine ausreichend kleine Kapillaröffnung läßt sich bei Raumtemperatur ein hinreichender Stoffstrom einstellen, der über eine einfache Anbindung an die das Gasgemisch führende Leitung zu einer Parfümierung des Kaltgases führt. Die Diffusion erfolgt aus einem Vorratsgefäß (z. B. 5 bis 25 ml Volumen) bei 20 bis 30°C durch eine z. B. 2 bis 10 cm lange Kapillare mit in der Regel 0,1 bis 1 mm lichter Weite. Es stellen sich unter diesen Bedingungen in der Regel Konzentrationen von 0,1 bis 50 mg/m³ Duftstoff im Gasgemisch ein. Durch die enge Kapillaröffnung wird der Stoffstrom auf ein gewünschtes Minimum beschränkt.

Die Kapillare besteht in der Regel aus Glas oder Metall, vorzugsweise Edelstahl.

Die Dosierung von flüchtigen Stoffen wie Duftstoff in das Kaltgas wird vorteilhaft durch gesteuerte Temperatureinwirkung geregelt. Beispielsweise kann die Temperatur der Kapillare und/oder des Vorratsgefäßes durch eine Heizwendel (Widerstandsheizung) eingestellt werden.

Nach derzeitigem Kenntnisstand eignet sich die Dosierung von Zusatzstoffen mittels Diffusion für zu dosierende Stoffströme ab etwa 0,25 µg/min. bei einer Molmasse des Zusatzstoffes von 225. Für die Dosierung kleinerer Mengen von Zusatzstoff eignen sich Verfahren, die auf einer Stoffpermeation, insbesondere einer Permeation durch eine Membran, beruhen.

Die Dosierung von Flüssigkeiten, die Zusatzstoff sind oder einen oder mehrere Zusatzstoffe enthalten, in einen Kaltgasstrom kann auch vorteilhaft mit Hilfe sogenannter Flüssigkeitsdispenser erfolgen, die im allgemeinen nach dem Ink-Jet- Verfahren arbeiten. Bei dem Ink-Jet-Verfahren wird durch einen angelegten Spannungsimpuls eine bestimmte Menge einer Flüssigkeit in der Regel unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes, eines magnetischen Effektes oder durch resistives Erhitzen durch eine Düse gespritzt. Das Verfahren ist von den Tintenstrahldruckern her bekannt. Die Dosierung von Flüssigkeit erfolgt beispielsweise durch eine Düse eines Piezo-elektrischen Dispensers oder durch eine Düse eines Dispensers mit Mikroventil (z. B. Mikromagnetventil). Flüssigkeitsdispenser, die gemäß der Erfindung eingesetzt werden können, werden z. B. in "Nachrichten aus der Chemie, Dezember 2000, Wiley-VCH, S. 1566-1567, beschrieben, worauf hiermit bezug genommen wird. Es können mehrere Flüssigkeitsdispenser kombiniert werden, deren Düsen beispielsweise in einem Array angeordnet werden. Insbesondere durch den Einsatz mehrerer Flüssigkeitsdispenser, die vorteilhaft mit einer Steuereinheit verbunden sind, können Kaltgasströme mit sehr komplexer Zusammensetzung hergestellt werden.

Die gesteuerte Dosierung von Zusatzstoffen oder Zubereitungen von Zusatzstoffen in das Kaltgas hat den bedeutenden Vorteil, daß die Menge der Zusatzstoffe im Kaltgasstrom auf einfache Weise geregelt und bei Bedarf ausgesetzt (unterbrochen) werden kann.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung eines Kältesprays oder eines Kaltgasstromes mit einem Zusatzstoff, dadurch gekennzeichnet, daß ein beim Entspannen eines druckverflüssigten Gases oder Gasgemisches entstehender Kaltgastrom an einer Düse oder Kapillare vorbeigeführt wird, durch die ein Zusatzstoff oder eine Zubereitung eines Zusatzstoffes in den Kaltgasstrom zugeführt wird.

Claims (14)

1. Stoffgemisch, enthaltend druckverflüssigtes Kohlendioxid (CO₂) und/oder druckverflüssigtes Distickstoffmonoxid (N₂O) und einen Zusatzstoff.

2. Stoffgemisch nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen CO₂-Anteil des Gasgemisches von 20 bis 80 Vol.-%.

3. Stoffgemisch nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen CO₂-Anteil des Gasgemisches von 40 bis 60 Vol.-%.

4. Stoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stoffgemisch als druckverflüssigtes Gasgemisch vorliegt.

5. Stoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stoffgemisch ein oder mehrere Zusatzstoffe enthält, ausgewählt aus der Gruppe Desodorierungsmittel, Parfümierungsmittel, fettendes oder fettartiges Mittel, Pflegemittel oder Wirkstoff.

6. Treibgasgemisch, enthaltend oder bestehend aus druckverflüssigtem Kohlendioxid (CO₂) und druckverflüssigtem Distickstoffmonoxid (N₂O).

7. Kältespray, Kaltgasstrom oder Kältemittel, erzeugt aus einem druckverflüssigten Gas oder Gasgemisch, enthaltend mindestens einen Zusatzstoff.

8. Kältespray oder Kältemittel, erhältlich durch Entspannen eines Stoffgemisches nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

9. Druckgasbehälter mit einem Stoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

10. Druckgasbehälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckgasflasche, Druckgaspatrone oder eine Druckdose als Druckgasbehälter eingesetzt werden.

11. Verfahren zur Herstellung eines Kältesprays oder eines Kaltgasstromes mit einem Zusatzstoff, dadurch gekennzeichnet, daß ein beim Entspannen eines druckverflüssigten Gases oder Gasgemisches entstehender Kaltgasstrom an einer Düse oder Kapillare vorbeigeführt wird, durch die ein Zusatzstoff oder eine Zubereitung eines Zusatzstoffes in den Kaltgasstrom zugeführt wird.

12. Verwendung eines Stoffgemisches nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Erzeugung eines Kaltgases, eines Kaltgasstromes oder eines Kältesprays.

13. Verwendung eines Stoffgemisches nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu kosmetischen Anwendungen oder Herstellung eines Medikamentes.

14. Verwendung eines Stoffgemisches nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für die kosmetische Kältebehandlung der Haut.