DE19916307C2 - Gerät zur Auftrennung des Teilchengrößenspektrums eines polydispersen Aerosols und dessen Verwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Auftrennung des Teilchengrößenspektrums eines polydispersen Aerosols, bestehend aus einem Gehäuse mit einem Aerosolkanal, einem Reingaszuführungskanal, einem Trennteil und mindestens zwei Abzugskanälen, wobei sich zwischen der Auslaßöffnung des Aerosolkanals und den Einlaßöffnungen der Abzugskanäle eine lineare Strömungsstrecke befindet. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, das Gerät so auszugestalten, daß es leicht zusammengebaut werden kann. DOLLAR A Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das Gehäuse aus im wesentlichen rotationssymmetrischen Bauteilen besteht, die derart ausgestaltet sind, daß sie axial sich selbst zentrierend miteinander verbunden werden können und im verbundenen Zustand die Gaskanäle und den Trennteil bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Auftrennung des Teilchen­ größenspektrums eines polydispersen Aerosols nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1, wie es aus der DE 195 05 341 A1 be­ kannt ist und dessen Verwendung.

Aerosole werden in der Medizin auf dem Gebiet der Inhalati­ onstherapie eingesetzt. In der Umweltanalytik verbessern die e. g. Geräte die Analyse atmosphärischer Aerosole. Industrielle Ae­ rosolprozesse können effektiver geführt werden.

Aus Prodi V., C. Melandri, T. DeZaiacomo, G. Tarroni, D. Hochrainer (1979) "An Inertial Spectrometer for Aerosol Par­ ticles", J. Aerosol Science, 10 (1979), S. 411-419 ist ein gat­ tungsgemäßes Gerät bekannt (Inertial Particle Aerosol Classifier (IPAC)). Mit dem IPAC besteht die Möglichkeit, aus einem trocke­ nen polydispersen Aerosolstrom einen quasi-monodispersen Anteil im Bereich von 0,8-8 µm, mit einer geometrischen Standardab­ weichung von 1,2-1,3 herauszufiltern.

Der IPAC besitzt zylindersymmetrische Geometrie und besteht aus zwei Teilen. In den oberen Teil (Trennteil) des Gerätes strömt mit Überdruck das polydisperse Aerosol zwischen zwei Schichten partikelfreier Mantelluft. Das Aerosol wird zusammen mit der Mantelluft durch eine Schlitzdüse auf eine 90°-Biegung hin be­ schleunigt. Beim Passieren der Biegung zwingt die zentrifugal­ kraft die schwereren Teilchen sich auf einer Flugbahn mit größe­ rem Radius zu bewegen als die der kleineren Teilchen. Der Ge­ samtfluß wird dann im unteren Teil (Klassifizierungsteil) durch drei konzentrisch angeordnete Eingangsschlitze in einen äußeren, mittleren und inneren Luftstrom aufgeteilt. Bei entsprechender Einstellung der verschiedenen Luftströme enthält der mittlere Strom eine Teilchenfraktion mit einer relativ engen Größenver­ teilung.

Des weiteren ist aus Conner, W. D. (1966) "An inertial-type par­ ticle seperator for collecting large samples", J. Air Pollut. Control Assoc. 16 (1966), S. 35 ein virtueller Impaktor bekannt. Dieser setzt sich aus einer Beschleunigungsdüse und einer Sam­ melöffnung zusammen. Der Aerosolstrom wird durch die Düse zur Sammelöffnung hin beschleunigt, in der die Klassifizierung stattfindet. Ein kleiner Teil des Aerosolvolumenstroms wird durch die Sammelöffnung, der Hauptstrom in einem Winkel von 90° zur Düse abgesaugt. Entsprechend der unterschiedlichen Trägheit der verschieden großen Partikel gelangen diejenigen größer als die Trenngröße des Impaktors in die Sammelöffnung mit dem klei­ neren Volumenstrom. Der größere Volumenstrom enthält dann alle Partikel, die kleiner als die Trenngröße des Impaktors sind. Die Partikel in beiden Luftströmen bleiben in luftgetragenem Zu­ stand. Es existieren mehrere Abwandlungen dieses Prinzips um die Trennleistung des virtuellen Impaktors zu verbessern. Eine Me­ thode ist das Opposing Jet Verfahren (Willeke K. and E. Pavlik "Size classification of fine particles by opposing jets"). Envi­ ronmental Science and Technology 12 (1978), S. 563-566), bei dem der virtuelle Impaktor nach dem Gegenstromprinzip arbeitet. Wei­ tere Möglichkeiten bestehen darin, partikelfreies Reingas entwe­ der dem kleineren Volumenstrom (Masuda H., D. Hochrainer and W. Stöber "An improved virtual impactor for particle classification and generation of test aerosols with narrow size distributions", J. Aerosol Sci. 10 (1978), S. 275-287) oder dem polydispersen Aerosolstrom (Chen B. T. and H. C. Yeh, "An improved virtual im­ pactor: design and performance", J. Aerosol Sci. 18 (1987), S. 203-214) hinzuzufügen.

Ein Nachteil des IPAC liegt darin, daß er nur zur Klassifizie­ rung eines trockenen Aerosols geeignet ist. Somit kann mit dem IPAC aus einem wässerigen polydispersen Aerosol, wie es z. B. ein Düsenvernebler liefert, keine quasi-monodisperse Fraktion herausgefiltert werden.

Die Ausbeute an quasi-monodispersen Aerosol im Vergleich zum po­ lydispersen Ausgangsaerosol beträgt lediglich 10%.

Der wesentliche Nachteil des virtuellen Impaktors liegt in sei­ ner relativen unscharfen Trennleistung, da immer ein bestimmter Anteil der Partikel, die kleiner als die Trenngröße des Impaktors sind, im Luftstrom der größeren Partikel enthalten ist. Mit dem virtuellen Impaktor findet somit nur eine starke Anreicherung und keine Auftrennung nach Größe der Partikel des polydispersen Aerosols statt. Auch kann der Größenbereich des klassifizierten Aerosols während des Betriebs des Impaktors nicht stufenlos verändert werden.

Das Gerät der e. g. Art hat den Nachteil, daß es wegen seines linearen Aufbaus aufwendig justiert werden muß, und daß an den verwendeten scharfkantigen Trennflächen starke Verwirbelungen auftreten, welche die Trenneffektivität verringert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät der e. g. Art so auszu­ gestalten, daß es leicht zusammengebaut werden kann, und daß aus einem polydispersen Aerosolstrom eine quasi-monodisperse Frak­ tion mit einem hohen Wirkungsgrad herausgefiltert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Der Anspruch 8 nennt eine vorteil­ hafte Verwendung des Geräts.

Ein besonderer Vorteil des Gerätes, im folgenden IAPS (Inertial Aerosol Particle Seperator) genannt, besteht darin, daß aus ei­ nem wässerigen bzw. trockenem polydispersen Aerosolstrom eine quasi-monodisperse Fraktion mit einem leicht stufenlos ein­ stellbaren Größenbereich herausselektiert werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels mit Hilfe der Figuren näher erläutert.

Dabei zeigt die Fig. 1 einen Längsschnitt durch den ASC, wobei die Schnittebene die Rotationssymmetrieachse enthält und die Fig. 2 und 3 jeweils einen vergrößerten Ausschnitt des Trennbe­ reichs, zur Vereinfachung mit verschiedenen Bezugszeichen für die Bemaßung.

Der IAPS ist zylinderförmig, im wesentlichen Rotationssymme­ trisch aufgebaut und besteht, wie aus Fig. 1 ersichtlich, aus einem Einlaßbauteil 1 und einem Führungsbauteil 5, die zusammen über einen zentrierenden Konus 8 die Geometrie des Reinluftka­ nals 11 bestimmen. Das Einlaßbauteil 1 enthält einen zentralen Aerosolzuführungskanal 7, der sich nach rechts in einen Kegel­ stumpf verjüngt. Die Stirnplatte des Kegelstumpfes trägt einen Kreis von dicht beieinander liegenden Bohrungen zur Weiterlei­ tung des Aerosolstroms in den rotationssymmetrischen Kanal 10. Der Düseneinsatz 2 und das Einlaßbauteil 1 bilden zusammen die Geometrie des Aerosolzuführungskanals 10 und des Beschleuni­ gungskanals 12. Der Düseneinsatz 2 ist über einen Konus 20 am Einlaßbauteil 1 zentriert. Ein Abstandseinsatz 6 legt den Ab­ stand der Abzugskanäle vom Düseneinsatz 2 fest. Der Trenneinsatz 3 legt die Geometrie des Abzugskanals 15 für die kleine Partikelgrößenfraktion fest und bestimmt gleichzeitig zusammen mit dem Auslaßbauteil 4 und dem Führungsbauteil 5 die Geometrie des quasi-monodispersen Abzugkanals 14. Der Trenneinsatz 3 wird durch die Passung 19 am Auslaßbauteil 4 und über die Passung 22 am Düseneinsatz 2 ausgerichtet. Das Auslaßbauteil 4 und das Führungsbauteil 5 bestimmen zusammen die Geometrie des Auslaßka­ nals 13 für die große Partikelgrößenfraktion. Die große, die quasi-monodisperse und die kleine Partikelgrößenfraktion werden durch die radialen Kanäle 16, 21 und den axialen Kanal 17 nach außen geleitet. Zusammengehalten wird der IAPS durch Ver­ schraubungen zwischen dem Einlaßbauteil 1 und dem Führungsbau­ teil 5 und zwischen dem Auslaßbauteil 4 und dem Führungsbauteil 5. Dabei besteht jede Verschraubung aus mindestens 3 Schrauben die in gleichen Abständen auf einem Kreis um die Symmetrieachse angeordnet sind. Die Bauteile 1 bis 5 sind gegeneinander mit Dichtringen abgedichtet. Die Nuten zur Aufnahme der Dichtringe sind eingezeichnet. Die Dichtringe sind nicht dargestellt. Bei entsprechend geringer Fertigungstoleranz kann auf diese Dich­ tungen verzichtet werden.

In Fig. 2 und Fig. 3 ist der Mittelteil des ASC vergrößert mit Teilen des Führungsbauteils 5 und Teilen der Einsätze 2, 3 und der Ein- und Außlaßbauteile 1, 4 dargestellt. Der Aerosolstrom wird über einen Aerosolzuführungskanal unter einem Winkel von 20°-35° (a, c) auf den Reinluftstrom geleitet, der über den 0,15 mm (n) breiten Reinluftkanal auf eine Geschwindigkeit von 26 m/s beschleunigt wird. Der Ringspalt des Reinluftkanals hat dabei einen Außendurchmesser von 16 mm. Der Aerosolstrom wird mit der auf die 5-10fache Geschwindigkeit beschleunigten Rein­ luft 0,87 mm (p) vor dem 1,43 mm (k) langen und 0,6 mm (u) brei­ ten Beschleunigungskanal 12 zusammengeführt. Dies verhindert eine Vermischung und Verwirbelung beider Volumenströme vor dem Beschleunigungskanal.

Nach dem Beschleunigungskanal wird der Hauptvolumenstrom um 90° über den 0,5 mm (q) breiten 3. Abzugkanal 15 abgelenkt. Kleine Partikel mit einer Partikelgröße bis zu 0,7 µm und geringer Trägheit können den Reinluftstrom nicht durchdringen und folgen dem Hauptvolumenstrom. Der 1. Abzugskanal 15 vergrößert sich nach einem Radius von 0,2 mm (h) um 0,5 mm (j) mit einem Winkel von 50° (g), auf der Zuführungsseite vergrößert sich der Kanal nach 0,2 mm mit einem Winkel von 35° (d) um 1,5 mm (i).

Partikel mit einer Größe von 0,7 bis 4 µm werden in den 2. Ab­ zugskanal 14 selektiert, der durch den Trenneinsatzes 3 mit dem Radius 0,2 mm (h) und der Trennkante des Auslaßbauteils 4 gebil­ det wird. Der Abzugskanal 14 wird durch den Winkel des Trennein­ satzes zum Führungsbauteil 5 mit 50° (f) und dem Winkel des Aus­ laßbauteils zum Führungsbauteil mit 20° (e) bestimmt. Der Ab­ stand zum Führungsbauteil beträgt dabei 0,6 mm (u).

Partikel ab einer Größe von 3 µm werden in den 1. Abzugskanal 13 abgelenkt, der durch einen 0,1 mm (t) breiten und 1,9 mm langen Kanal zusammen mit dem Führungsbauteil 5 entsteht. Dabei ist die Trennkante des Auslaßbauteils 4 im Vergleich zur Trennkante des Trenneinsatzes 3 um 0,6 mm (r) zurückgesetzt.

Durch Austausch der Einsätze 2, 3, 6 kann die Geometrie der An­ ordnung folgendermaßen verändert werden. Über den Düseneinsatz 2 kann die Breite des Beschleunigungskanals 12 0,3 mm (u) verrin­ gert werden. Die Breite q des 3. Abzugskanals kann durch Ab­ standseinsätze von 0,1 bis 1,2 mm in 0,2 mm Abständen gewählt werden. Durch die Trenneinsätze 3 kann der Abstand (u) zum Füh­ rungsbauteil verändert werden.

Die Trenncharakteristik der Anordnung kann bereits durch geringe Änderungen an der Geometrie bei festen Volumenströmen verändert und optimiert werden. Im 2. Abzugskanal kann so eine quasi-mo­ nodisperse Größenfraktion mit einer geometrischen Standardabwei­ chung von 1,15-1,3 und einer Partikelgröße mit einem medianen Massendurchmesser von 0,7 bis 4 µm aus dem polydispersen Aerosol selektiert werden.

Durch eine entsprechende Auswahl der Einsätze kann die Größe der quasi-monodispersen Fraktion eingestellt werden. Werden die Ab­ stände (u) von 0,3 auf 0,6 mm des Düseneinsatzes und des Trenneinsatzes vergrößert, steigt gleichzeitig auch die im 2. Abzugskanal selektierte Partikelgröße. Kleinere Abstände (q) beim 3. Abzugskanal sorgen für eine Selektion von kleineren Par­ tikelgrößen im 2. Abzugskanal.

Wird der Abstand am Trenneinsatz (u) um den Faktor 2 größer als der Abstand des Düseneinsatzes (u), so erhöht sich die Ausbeute wesentlich.

Über die zugeführten Volumenströme (Reinluft und polydisperses Aerosol) und die Volumenströme in den drei Abzugskanälen, kann die Ausbeute für die gewünschte selektierte Partikelgröße opti­ miert oder die Partikelgröße genau auf den gewünschten Bereich eingestellt werden.

Das polydisperse trockene oder wässerige Aerosol wird an einem kreisförmigen Spalt mit einem fokusiertem Reinluftstrom zusam­ mengeführt; aber nicht vermischt. Durch austauschbare Einsätze kann der Düsenspalt, der Trennspalt und der Abstand des Düsen­ spaltes vom Trennspalt verändert werden. Durch den Austausch der Einsätze läßt sich so schnell die Trenneigenschaft und somit die selektierte Partikelgröße einstellen. Die Flüsse müssen dabei nicht neu eingestellt werden. Dadurch können Druck und Flußreg­ ler bei der späteren Anwendung durch kostengünstige kritische Düsen ersetzt werden.

Durch die zylindrische Anordnung ist keine Justage bei der Her­ stellung notwendig, da sich die Bauteile über konische oder zy­ lindrische Passungen oder über die Dichtringe selbst zentrieren. Da die Bauteile maschinell hergestellt werden, kann der IAPS aus verschiedenen Werkstoffen (z. B. Teflon, Edelstahl, Aluminium) hergestellt werden. Zudem können zylindrische Bauteile leichter als Spritzgußteile realisiert werden.

Die kreisförmige Anordnung der Fokusier- und Beschleunigungs­ spalte vermeidet Randeffekte an den Düsengrenzen. Durch Anbrin­ gen eines Radius h an die Trennkante des Bauteils 3 werden auftretende Verwirbelungen und somit Verluste minimiert. Die er­ reichten Massenkonzentrationen der Trockensubstanz sind dadurch auf 85,1 µg/l, also um den Faktor 35 im Vergleich zum linearen ASC (4% NaCl), bei gleichbleibender Trennschärfe gestiegen. Bei höheren Lösungskonzentrationen (12% NaCl) erreicht man eine Mas­ senkonzentration von 313,5 µg/l, die einer Steigerung um den Faktor 116 entspricht.

Vorteilhaft für eine gute Trenneffizienz ist zudem ein Verhält­ nis der Volumenströme: (Aerosolstrom + Mantelluftstrom)/­ (monodisperser Luftstrom + Luftstrom der großen Größenfraktion) < 7/1

Die Winkel, die den Aerosolzuführungskanal einschließen ermögli­ chen unter folgenden Werten eine vorteilhafte Trennung des Aero­ sols. Winkel a: 10-30°, Winkel c: 15-35°. Die Winkel, die den monodispersen Kanal einschließen sind mit folgenden Winkeln vorteilhaft festgelegt. Winkel e: 15-50°, Winkel f ist um 20° bis 40° größer als Winkel e.

Claims (8)

1. Gerät zur Auftrennung des Teilchengrößenspektrums eines poly­ dispersen Aerosols bestehend aus einem Gehäuse mit einem Ae­ rosolkanal, einem Reingaszuführungskanal, einem Trennteil und mindestens zwei Abzugskanälen, wobei sich zwischen der Aus­ laßöffnung des Aerosolkanals und den Einlaßöffnungen der Ab­ zugskanäle eine lineare Strömungsstrecke befindet und wobei der Reingasstrom in den Aerosolstrom mündet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse aus 5 im wesentlichen rotationsym­ metrischen Bauteilen (1, 2, 3, 4, 5) besteht, die derart aus­ gestaltet sind, daß sie axial sich selbst zentrierend mit einander verbunden werden können und im verbundenen Zustand die Gaskanäle und den Trennteil bilden.

2. Gerät zur Auftrennung des Teilchengrößenspektrums nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßbauteil (1) und das Führungsbauteil (5), zusammen über einen zentrieren­ den Konus (8) die Geometrie des Reinluftkanals (11) bestim­ men.

3. Gerät zur Auftrennung des Teilchengrößenspektrums nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Düseneinsatz (2) und das Einlaßbauteil (1) zusammen den Aerosolzuführungs­ kanal (10) und den Beschleunigungskanal (12) bilden, wobei der Düseneinsatz (2) über einen Konus (20) am Einlaßbauteil (1) zentriert ist.

4. Gerät zur Auftrennung des Teilchengrößenspektrums nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Abstand­ seinsatz (6), der den Abstand der Abzugskanäle (13, 14, 15) vom Düseneinsatz (2) festlegt.

5. Gerät zur Auftrennung des Teilchengrößenspektrums nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trenneinsatz (3) die Geometrie des Abzugskanals (15) für die kleine Partikelgrößenfraktion festlegt und gleichzeitig zu­ sammen mit dem Auslaßbauteil (4) und dem Führungsbauteil (5) die Geometrie des quasi-monodispersen Abzugkanals (14) be­ stimmt, wobei der Trenneinsatz (3) durch eine Passung (19) am Auslaßbauteil (4) und über eine Passung (22) am Düseneinsatz (2) ausgerichtet wird.

6. Gerät zur Auftrennung des Teilchengrößenspektrums nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus­ laßbauteil (4) und das Führungsbauteil (5) zusammen die Geo­ metrie des Auslaßkanals (13) für die große Partikelgrößen­ fraktion bestimmen.

7. Gerät zur Auftrennung des Teilchengrößenspektrums nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Kanäle (16, 21, 17), durch die die große, die quasi-monodisperse und die kleine Partikelgrößenfraktionen nach außen geleitet werden.

8. Verwendung des Gerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Erzeugung von Aerosolen für die Therapie.