DE3544420A1 - Vorrichtung zur erzeugung von aerosolen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Aero­ solen.

Unter Aerosolen versteht man Kolloide-Systeme aus Gasen z.B. Luft mit darin fein verteilten festen Stoffen und/oder Flüssig­ keiten von einer Grösse von ca. 0,1 bis 100 µ Durchmesser. Man erhält solche Teilchen durch mechanische Zerstreuung feiner Pul­ ver, durch Kondensation von Dämpfen, durch Abkühlung unter den Tau oder Gefrierpunkt. Auch bei Verbrennungsprozessen entstehen solche kolloide Systheme. Ebenfalls bilden sich derartige Teilchen bei der Versprühung von Lösungen oder Suspensionen von Feststoff­ teilchen in Lösungsmitteln und nachfolgender Vergasung des Lösungsmittels z.B. aus entsprechenden Behältnissen.

Aerosole sind unstabile Kolloid-Systeme, das heisst, dass es hier keine Schutzkolloide gibt, da das Dispersionsmittel und der kolloide Anteil erhebliche Dichteunterschiede aufweisen. Die Brown′ sche Molekulärbewegung ist in solchen Systemen ziemlich stark. Die Kolloide setzen sich um so rascher durch Teilchenvergrös­ serung oder Koagulation am Boden ab, je grösser die Teilchen sind und je mehr auf die Raumeinheiten entfallen.

In der Praxis finden Aerosole dort Verwendung, wo Stoffe auf einfachste Art mit maximaler Wirkung aufgetragen werden sollen.

So sind aus dem täglichen Leben von den versprühungsfähigen Anwendungsgegenständen für den persönlichen Gebrauch, wie z.B. pharmazeutische Produkte, Kosmetika, Pflegemittel allgemein bekannt. Die Handhabung von versprühbaren Farben und Anstrichmitteln ist ebenfalls eine geläufige Anwendungsform von Aerosolen.

Auch muss auf die enorme Bedeutung der Aerosol-Therapie in der Veterinärs- und Human-Medizin mit dem sehr breiten Anwendungs­ spektrum hingewiesen werden.

Für die Technik ist auch der Absorptionseffekt ein sehr wich­ tiges Kriterium für den Einsatz von guten Düsen in Absorptions­ türmen. Es ist z.B. bekannt, dass eine 100%ige Sättigung von 1 Liter Wasser mit 10 g Kohlendioxyd in einem Rührsystem bei einem Druck von etwa 4,7 atü nach sehr langer Zeit möglich ist. In einer Füllkörperkolonne hingegen erhält man einen Wirkungs­ grad von 95%, mit einem Kaskadensystem einen von etwa 70%, mit dem Eindüsen in den Gasraum einen solchen von ebenfalls 70%, wohingegen man bei dem Eindüsen eines Gases zusammen mit Wasser in den Absorptionsraum einen Wirkungsgrad von 98% er­ reicht. Ähnliche Verhältnisse liegen auch bei der Herstellung von Emulgaten vor.

Der Stoffübergang von einer Phase in eine andere ist proporti­ onal der Oberfläche und umgekehrt proportional der Grenzschicht. Dies besagt, dass je grösser die Oberfläche zwischen zwei Pha­ sen ist, desto grösser ist auch der Stoffübergang und je klei­ ner die Grenzschicht zweier Phasen ist, um so grösser ist der Stoffübergang.

Bei der Verwendung von Rührsystemen, Raschigringen und Strahl­ düsen werden Turbulenzen erzeugt. Auch hier gilt, dass je grösser der Turbulenzgrad ist, um so kleiner ist die Grenzschicht und desto grösser ist auch der Stoffaustausch.

Auch bei der Herstellung von Oel/Wasser-Emulsionen kommt es we­ sentlich darauf an, dass die flüssigen Komponenten wie Oel, Wasser und Emulgatoren in kleinste Tröpfchen zerteilt werden und somit möglichst ideale Voraussetzungen für die Kolloidbil­ dung geschaffen werden, damit eine stabile und homogene Emulsion entsteht.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist darin zu erblicken, dass mittels einer sehr einfachen Vorrichtung in Bezug auf eine grosse Oberfläche zwischen den Phasen und der Kleinheit der Grenzschicht Bedingungen geschaffen werden, die damit dem kolloiden Zustand der Aeorosole nahekommen und die obenerwähnten bekannten Ergebnisse anderer bisher bekannter Aerosolerzeuger übertreffen.

Zum Stand der Technik können aus der Vielzahl von Aerosol-Er­ zeugern, Düsen und als solche bezeichnete Vorrichtungen auf ver­ schiedene Schutzrechtspublikationen hingewiesen werden, die z.T. in Konstruktion und sonstiger Ausbildung wesentlich komplizier­ ter sind als die erfindungsgemäss vorgestellte Vorrichtung.

Im Einzelnen wurden hinsichtlich ihrer Konstruktion und Wirkungs­ weise im Zusammenhang mit der erfindungsgemässen Konstruktion folgende Schriften untersucht:

DE-OS 24 04 856, 24 07 856, 24 37 025, 24 29 291, 24 61 157, 25 28 758, 25 42 240, 28 16 441, 28 26 784, 28 53 280, 29 08 989, 29 27 737, 30 04 864, 30 24 472, 33 07 835, 32 30 977, 32 33 901, 32 39 009,

DE-Gbm 71 18 535, 74 27 701, 77 24 732, 82 23 492, 82 29 742, 82 29 747, 84 12 354.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Aero­ solen oder ähnlicher kolloidaler Teilchen, deren kennzeichnen­ de Merkmale darin zu sehen sind, dass diese Vorrichtung aus einer konusartigen und/oder zylindrischen Düse besteht, in deren zentraler Bohrung zwei Funktionsteile, nämlich einem "Vaterteil" (im Nachstehenden als V-Stück bezeichnet) und einem "Mutterteil" (im Nachstehenden als M-Stück bezeichnet) angeordnet sind, die in geeigneter Form miteinander verbunden sind und ein oder mehr als eine Möglichkeit besitzen, verschiedenartige Medien zuzu­ führen. Die zentral zueinander angeordnete Bohrung des V- und M- Stückes sind durch eine hyperbolische Formgebung ausgezeichnet. Das V- und M-Stück ist derart ausgestaltet, dass das M-Stück mit einer konisch nach unten verlaufenden, sich düsenartig ver­ engenden, hyperbolisch geformten Bohrung versehen ist, die mit den Einführungsgängen vom V-Stück eine Einheit bildet, wobei die Flächen der Einführungsgänge im V-Stück ein gleiches Verhältnis zu den Flächen der Austrittsöffnung am M-Stück aufweisen. Mit einer derartigen Formgebung des M-und V-Stückes ist die Voraussetzung geschaffen, dass im eigentlichen Turbi­ nenraum eine Drallwirkung mit sehr hoher Geschwindigkeit erreicht werden kann.

Eine weitere Beschleunigung der Umfangsgeschwindigkeit des Me­ diums im Turbinenraum wird dadurch erreicht, dass man in dem kugellagerförmig ausgebildeten Turbinenraum eine oder mehrere Kugeln, zum Beispiel aus Metall, Glas oder Kunststoff einbringt. Durch diese erfinderische Massnahme wird die Medienzerstäubung noch um ein Vielfaches verbessert und die Sogwirkung an der Austrittöffnung am M-Stück optimiert.

Durch diese Sogwirkung können flüssige und/oder gasförmige Medien in Form von Additiven z.B. beim Imprägnieren, Emulgieren und der Aerosoltherapie, um Beispiele zu nennen, besonders wirk­ sam und mit gleichbleibenden Bedingungen eingesetzt werden.

Zum besseren Verständnis der Erfindung soll diese nun anhand von den anliegenden 6 Zeichnungen erläutert werden:

Zeichnung 1 Düsenaufbau (Einstoffdüse)

Zeichnung 2 Düsenaufbau (Mehrstoffdüse)

Zeichnung 3 Schnitt durch V-Stück

Zeichnung 4 Schnitt durch M-Stück

Zeichnung 5 Schnitt-Einstoffdüse

Zeichnung 6 Schnitt Mehrstoff-Düse.

Die in Zeichnung 1 dargestellte Vorrichtung beinhaltet einen optischen Eindruck des Gesamtaufbaus der Vorrichtung, insbeson­ dere auch der erfindungsgemässen Vorrichtung bei der Anwen­ dung für ein einziges Medium. In den Düsenmund wird das V- und M-Stück (nicht gezeichnet) eingebracht, das von der Düsenmut­ ter gehalten wird.

Die in Zeichnung 2 dargestellte Vorrichtung dient vor allem der Zerstäubung von mehr als einem Medium (hier für zwei Stof­ fe gezeichnet) und zeigt die Halterung des V- und M-Stückes in der Düse. Die miteinander verbundenen Funktionsteile V-c und V-m werden durch die Düsenmutter D-m in den Düsenkopf K eingepresst und gegen den Mediendruck festgehalten. Selbstver­ ständlich wird vorausgesetzt, dass das Medium M-2, wenn es zum Einsatz kommt, genauso rein ist wie das gefilterte Medium M-1. Ansonsten ist auch hier ein Filter zweckmässig.

Die Zeichnungen 3 und 4 stellen Schnitte durch das V- und M- Stück dar, und geben vor allen Dingen eine Vorstellung über die Anordnung der Kugeln bzw. über den durch den Zusammenbau gebildeten Turbinenraum und die hyperbolische Formgebung der Mündungsteile des V- und M-Stückes.

Diese Einzelheiten sind dann nun in den Zeichnungen 5 und 6 ausführlich erläutert:

Der Düsenkörper 1 mit dem V-Stück 2 und dem M-Stück 3 sind in dem Düsenkörper 1 fest montiert und werden durch die oben erläuterte Düsenmutter (hier nicht gezeichnet) in dem Düsenkör­ per eingepresst. Über die Eingangskanäle 4 und 5 werden die aerosolbildenden Medien zugeführt. Das V-Stück 2 besitzt an seinem einen Ende einen Kopf 2′, mit mehreren senkrechten Ein­ trittsbohrungen 6 und mehreren konischen, tangential angeor­ dneten Eintrittsöffnungskanälen 7, die zum Turbinenraum 8 führen. In der Mitte des M-Stücks 3 ist eine hyperbolische Bohrung 9 angebracht, in die das eine Ende des Kopfes 2′ bzw. die Bohrung 4′, die nach unten ebenfalls hyperbolisch verläuft und düsenartig endet, einmündet.

Der Zwischenraum 10 gegenüber der Ausflussöffnung 9 hin verengt sich und dient der hyperbolischen Anpassung des austretenden Mediumsstrahles.

Um eine optimale Düsenwirkung zu erzielen, müssen die Flächen der Eintrittsöffnung 7 in nahezu gleichem Verhältnis zu den Flächen dimensioniert sein, die durch die Austrittsöffnung 9 gebildet werden.

Zum Schutz der Düsenkanäle ist es notwendig, eine geeignete Fil­ tervorrichtung dem Medieneintritt vorzuschalten.

Als Materialien für die Herstellung der vorbeschriebenen Vor­ richtung eignen sich alle Werkstoffe, die sich mechanisch bearbei­ ten lassen, wobei eine Kombination verschiedener Werkstoffe in Abstimmung zu den entsprechenden Einsatzgebieten der Zerstäubungs­ vorrichtung ohne weiteres möglich ist.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Aerosolen oder ähnlicher kollo­ idaler Teilchen, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung aus einer konusartigen und/oder zylindrischen Düse besteht in deren zentraler Bohrung zwei Funktionsteile, das V-Stück und das M-Stück, die miteinander verbunden sind, angeordnet sind und Zuführungen für ein oder mehrere Medien besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das V-Stück (2) mit einer hyperbolisch ausgebildeten verbindenden Bohrung (4) versehen ist und dass das M-Stück (3) mit einer ebenfalls hypobolische Formgebung der Bohrung (9) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die Öffnung 4) der Bohrung des V-Stückes zentral über der Öffnung (9) des M-Stückes miteinander verbunden angeord­ net ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, dass der Abstand zwischen V- und M-Stück einen Raum bildet, bei dem die durch die Ausgänge (7) dimensionierte Fläche im gleichen Verhältnis zu derjenigen Fläche steht, die durch den Querschnitt der Austrittsöffnung (9) dimensioniert wird.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung in einen Turbinenraum mündet, in dem ein oder mehrere Kugeln eingebracht sind.

6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungskanäle (7) mehr als eine Öffnung besitzen.