DE4426264A1

DE4426264A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Dosierung eines Pulveraerosols

Info

Publication number: DE4426264A1
Application number: DE4426264A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Phys Dr Lins; Michelt Dipl Phys Berthold; Robert Dipl Phys Dr Seeboeck; Jobst Verleger; Helmut Dipl Ing Moll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-07-25
Filing date: 1994-07-25
Publication date: 1996-02-01
Also published as: EP0772495B1; DE59504997D1; WO1996003216A1; EP0772495A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung und Dosierung eines Pulveraerosols, bei dem ein Pulver mit tels eines Ultraschallschwingsystems mit Ultraschall beauf schlagt wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auf die zu gehörige Vorrichtung zur Durchführung des angegebenen Verfah rens, mit einem Gefäß für Pulver und einem Ultraschallwand ler, von dem eine Ultraschallbeaufschlagung zum Aufwirbeln des Pulvers erfolgt.

Ausgangsmaterialien für eine Plasma-Kurzzeitverdampfung sind Pulver. Um Pulver in ein Plasma zu transportieren, bringt man es in ein Trägergas ein, so daß ein Aerosol entsteht, das in den Plasmabrenner geleitet werden kann. Zur vollständigen Verdampfung aller in das Plasma eingebrachten Pulverkörner dürfen bestimmte, maximale Korngrößen der Pulver nicht über schnitten werden. Weiterhin sollen Zusammenballungen, d. h. Agglomerate, von Pulverkörnern verhindert werden, da solche Agglomerate infolge ihrer Masse nicht vollständig verdampfbar sind.

Induktiv gekoppelte Plasmabrenner können bei einem Gasdruck arbeiten, der erheblich unter dem Atmosphärendruck liegt, beispielsweise bei 250 mbar. Da das Pulverfördersystem zwangsläufig mit dem Plasmabrenner verbunden ist, muß dafür gesorgt werden, daß der Arbeitsdruck im Plasmabrenner durch den Einfluß des Pulverförderers nicht unzulässig ansteigt.

Bisher wurden für die Erzeugung des für die Plasma-Kurzzeit verdampfung benötigten Aerosols beispielsweise Bürstendosie rer verwendet. Dabei wird das zu einem zylindrischen Körper gestopfte Pulver durch ein Rohr zu einer rotierenden Metall bürste vorgeschoben, die eine der Vorschubgeschwindigkeit proportionale Menge des Pulvers vom Stopfkörper abträgt. Ein den Bürstenraum durchsetzender Gasstrom nimmt dann das Pulver auf und transportiert es an den Ort, an dem es benötigt wird.

Weiterhin ist es auch bekannt, Pulverpartikel durch einen Gasstrom in einem Wirbelbett aufzuwirbeln. Hierbei sind zu sätzliche Maßnahmen erforderlich, die entweder zur Abschei dung oder zur Zertrümmerung von Agglomeraten führen.

Die Verwirbelung von Pulvern kann mittels Ultraschall erfol gen. Aus der DE-PS 28 42 232 ist ein Verfahren und eine Vor richtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten, Suspensionen und Emulsionen, agglomerierten Stäuben bzw. Pulvern sowie Mi schungen derselben bekannt, bei dem die zu zerstäubenden Stoffe bzw. Stoffgemische in die Druckknoten einer stehenden Schallwelle in einem gasförmigen Medium gefördert und dort ohne Kontakt mit den schallerregenden Teilen des Ultraschall wandlers dispergiert werden. Daneben ist aus der DE-OS 30 49 244 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeits nebel mittels Ultraschall bekannt, bei welcher eine pie zoelektrisch erzeugte Schallschwingung in einem Flüssigkeits gefäß eine Bodenplatte in Schwingungen hoher Frequenz ver setzt, wodurch die im Gefäß enthaltene Flüssigkeit mit Ultra schall beaufschlagt wird. Diese Einrichtung dient speziell zur Vernebelung von medizinischen Flüssigkeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, Pulver speziell für die Plasma-Kurzzeitverdampfung derart aus einem Vorrats behälter zu entnehmen, daß etwa vorhandene Agglomerate bei der Entnahme zerstört werden und es derart in den Plasma brenner zu befördern, daß bei der Dosierung sowie auf dem Weg vom Vorratsbehälter zum Plasmabrenner keine erneute Agglome ration von Pulverkörnern zu unzulässig großen, nicht voll ständig verdampfbaren Körpern eintritt.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zu verwirbelnde Pulver in unmittelbarem Kontakt mit der Wandung eines mit einer Ultraschallquelle gekoppelten Gefäßes oder in unmittelbarem Kontakt mit dem Ultraschall-Schwingsystem steht und daß das Pulver im Gefäß durch die Einwirkung des Ultra schalls aufgewirbelt sowie von einem Trägergas aufgenommen wird. Vorzugsweise erfolgt die Ultraschallbeaufschlagung des Gefäßes über ein schalleitendes Medium, das eine Flüssigkeit oder ein Festkörper sein kann. In jedem Fall erfolgt die An wendung der Trägergase mit Drücken unterhalb Atmosphären druckes.

Bei der zugehörigen Vorrichtung enthält das Gefäß ein Zulei tungsrohr sowie ein Ausleitungsrohr für das Trägergas zwecks Aufnahme des aufgewirbelten Pulvers.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs beispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen jeweils in schema tischer Darstellung

Fig. 1 einen Pulverförderer mit Ultraschallankopplung durch eine Flüssigkeit im Schnitt,

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen solchen Pulverförderer,

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform zur Fig. 1,

Fig. 4 die zugehörige Aufsicht,

Fig. 5 eine weitere Alternative zu Fig. 1,

Fig. 6 einen Pulverförderer mit Ultraschallankopplung durch einen Festkörper und

Fig. 7 die Komplettierung eines Pulverförderers mit Mitteln zur Überwachung der Pulverkonzentration.

Gleiche bzw. gleichwirkende Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Pulverförderer mit 1 bezeichnet. In diesem Beispiel ist in eine Flüssigkeit 2 eines bekannten Ultra schallbades 4 ein Behälter 6 eingetaucht, auf dessen Boden ein zu förderndes Pulver 8 verteilt ist. Der Behälter 6 ent hält ein Zuleitungsrohr 10 sowie ein Ausleitungsrohr 12 für das Trägergas 14. Auf dem Weg durch den Behälter 6 wird das durch Ultraschalleinwirkung aufgewirbelte Pulver durch das Ausleitungsrohr 12 aufgenommen. Eine weitere Öffnung, die in Fig. 1 nicht konkret dargestellt ist, ermöglicht es, den Be hälter 6 mit Pulver zu füllen.

In der Flüssigkeit 2 können Zusätze, beispielsweise Salze, gelöst sein, die die Schallgeschwindigkeit und damit die Ultraschalleinkopplung in den Behälter 6 beeinflussen. Die Ultraschallschwingungen können auch auf andere als die ange gebene Weise in den Behälter 6 eingekoppelt werden. Bei spielsweise kann ein Ultraschallgeber unmittelbar mechanisch mit dem Vorratsbehälter verbunden sein.

Aus Fig. 2 ergibt sich, daß der Behälter einen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Das Zuleitungsrohr 10 und das Auslei tungsrohr 12 sind dabei derart angeordnet, daß ihre Achsen b bzw. c Tangenten an bezüglich des Behälterquerschnittes kon zentrische Kreise mit den Radien R_b bzw. R_c darstellen, wobei R_b < R_c ist. Im Extremfall kann das Zuleitungsrohr 10 unmit telbar tangential am Mantel des Behälters 6 angebracht sein.

Die tangentiale Anordnung des Zuleitungsrohres 10 bewirkt, daß das Trägergas zusammen mit dem aufgewirbelten Pulver 8 in eine Drehbewegung innerhalb des Behälters 6 versetzt wird. Durch die dabei auftretende, der Masse der Pulverteilchen proportionale Zentrifugalkraft werden etwa vorhandene unzu lässig schwere Pulverbestandteile weiter in Richtung auf die Behälterwand abgelenkt als leichtere Pulverbestandteile. Die Anordnung des Ausleitungsrohres 12 an einer weiter innen lie genden Position ermöglicht die selektive Entnahme von Pulver bestandteilen, deren Masse in einem bestimmten zulässigen Be reich liegt.

Speziell aus Fig. 3 ergibt sich, daß die Enden des Zulei tungsrohres 10 und des Ausleitungsrohres 12 in unterschied lichen Höhen h₁₀ bzw. h₁₂ bezüglich des Bodens des Behälters 6 angeordnet sein können. Insbesondere, wenn h₁₀ < h₁₂ ist, wird die Schwerkraft ausgenutzt, um eine Trennung der schwe ren und leichten Teilchen vorzunehmen.

In Fig. 4 ist das Ende des Zuleitungsrohres 10 tangential bezüglich eines dem kreisförmigen Querschnitt des Behälters 6 konzentrischen Kreises mit dem Radius R_b angeordnet, so daß das Trägergas 14 mit dem von ihm aufgenommenen Pulver 8 in eine Drehbewegung versetzt wird. Das Zuleitungsrohr 10 ist dabei so positioniert, daß sein Ende unterhalb der Öffnung des Ausleitungsrohres 12 liegt, so daß leichte Pulverbestand teile bevorzugt von dem Ausleitungsrohr 12 aufgenommen wer den. Das Ende des Ausleitungsrohres 12 hat dabei vom Mittel punkt des kreisförmigen Querschnittes des Behälters 6 den Ab stand R₁₂ mit R₁₂ < R₁₀. Bei den Beispielen gemäß Fig. 1 bis 3 wurde davon ausgegangen, daß das Zuleitungsrohr 10 bzw. das Ausleitungsrohr 12 als zylindrische Rohre mit überall glei chem Durchmesser ausgeführt sind. Diese sind derart angeord net, daß ihre Endstücke auf einer gemeinsamen Achse a liegen, die horizontal über dem Boden des Behälters 6 verläuft. Die Enden des Zuleitungsrohres 10 und des Ausleitungsrohres 12 können jedoch auch als Düsen ausgebildet sein.

Speziell in Fig. 5 ist die komplette Einrichtung zur Zu- und Ableitung des Trägergases als Gasstrahlpumpe ausgelegt. Dabei wird ein Teil des Trägergases, welcher zur Aerosolbildung dient, durch ein weiteres Zuleitungsrohr 16 sowie durch Öff nungen 18 dem mit Ultraschall beaufschlagten Mischraum 20 innerhalb des Behälters 6 zugeführt. Gegebenenfalls können statt der Öffnungen 18 auch die Poren in einer Membran oder Fritte für den gleichen Zweck verwendet werden. Hierzu sind in Fig. 5 das Zuleitungsrohr 10 und das Ableitungsrohr 12 an ihren Endbereichen mit Lavaldüsen 22 und 24 komplettiert. Da durch wird beim Einströmen des Trägergas es in den Mischraum Überschallgeschwindigkeit erreicht. Im Mischraum 20 expan diert das Trägergas weiter, bis Druckgleichheit mit dem umge benen Gas-Pulver-Aerosol herrscht, wobei die Trägergasge schwindigkeit weiter ansteigt. Letzteres führt zur intensiven Durchmischung des Aerosols mit dem Trägergas. Diese Mischung tritt dann in die Staudüse 24 ein, wobei der weitere Strö mungsverlauf von dem im Ausgang herrschenden Gegendruck ab hängt.

Bei einer durch die in Fig. 5 angegebene Kombination der Prinzipien der Ultraschall-Aerosolbildung und der Gasstrahl pumpe ergibt sich eine optimale Eindüsung des zu fördernden Pulvers in den Trägergasstrom.

Bei spezifischen Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann das Ausleitungsrohr 12 die Gestalt einer Spirale mit einer geeigneten Anzahl von Windungen er halten.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 wird das Pulver 8 durch einen Festkörper an den Ultraschallgeber 40 gekoppelt. Hierzu ist eine Sonotrode 38 vorhanden. Zur Aufnahme des Pulvers 8 ist die Sonotrode an ihrem dafür vorgesehenen Ende vorzugs weise kalottenförmig ausgehöhlt. Der Behälter 6 wird im we sentlichen durch einen Hohlkörper gebildet, dessen Boden eine Öffnung aufweist, durch die die Sonotrode 38 im Innenraum des Behälters 6 hineinragt. Der Boden des Hohlkörpers ist vor teilhafterweise in der Ebene eines Schwingungsknotens der So notrode 38 angeordnet und am Umfang der Öffnung vakuumdicht mit der Sonotrode verbunden. In einem oberen, der Sonotrode abgewandten Teil ist der Behälter 6 an seiner Innenseite der art ausgebildet, daß seine Innenwandung beispielsweise den Mantel eines Kegelstumpfes bildet. Dabei ist der kleinere Durchmesser des Kegelstumpfes so gewählt, daß das mit der Wand in Berührung kommende Pulver 8 durch Einwirkung der Schwerkraft auf das kalottenförmig ausgebildete Ende der Sonotrode 38 zurückgeführt wird.

Wie bereits beschrieben, enthält der Behälter 6 in Fig. 6 ein Zuleitungsrohr 10 sowie ein Ausleitungsrohr 12 für das Trägergas 14, das auf seinem Weg durch den Behälter das durch die Ultraschalleinwirkung aufgewirbelte Pulver 8 aufnimmt. Es ist eine dritte, vakuumdicht verschließbare Öffnung vorhan den, die in Fig. 6 nicht im einzelnen dargestellt ist und es ermöglicht, den Behälter 6 mit Pulver zu füllen.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Ultraschallgeber für den bestimmungsgemäßen Gebrauch mit einem Ultraschallgenerator 36 verbunden, der bei einer Fre quenz im Bereich von beispielsweise 20 bis 40 kHz mit Ultra schallamplituden arbeitet, die als Funktion der Korngröße des Pulvers 8 sowie der gewünschten Förderrate einstellbar sind. Die Sonotrode 38 oder das Ultraschallbad 4 überträgt die Ultraschallschwingungen mit einer Amplitude im Bereich von einigen um. Das Pulver 8 wird dadurch aufgewirbelt und vom Strom des Trägergases 14 aufgenommen und mitgeführt.

Gemäß Fig. 7 ist dem Behälter 6 eine optische Einrichtung zugeordnet. Dazu kann der Behälter 6 selbst vorzugsweise aus lichtdurchlässigem Material bestehen oder zumindest zwei lichtdurchlässige Fenster 26 und 28 aufweisen, welche derart angeordnet sind, daß eine Überwachung der Pulverkonzentration innerhalb des Behälters 6 durch Messung der Absorption oder der Streuung eingestrahlten Lichtes möglich ist. Eine hierfür vorhandene Lichtquelle ist vorzugsweise ein Laser. Das in einem Detektor 32 mit Hilfe einer in Figur nur angedeuteten Optik 34 erzeugte Meßsignal wird dazu verwendet, Leistung und/oder Frequenz des Ultraschallgenerators 36 zu regeln. Die Regelung kann auch durch ein Meßsignal erfolgen, das auf an dere Weise gewonnen wurde. Beispielsweise kann die Intensität der vom Plasmabrenner emittierten Linienstrahlung der im ein gebrachten Pulver enthaltenen Elemente zur Regelung herange zogen werden.

In weiterer Abwandlung der beschriebenen Ausführungsformen kann der Behälter 6 bzw. der Mischraum 20 Elektroden enthal ten, die den Betrieb einer elektrischen Entladung im Aerosol ermöglichen. Eine solche elektrische Entladung kann auch ge gebenenfalls elektrodenlos, beispielsweise durch Einkopplung von Mikrowellen, in einem den Behälter 6 umschließenden Hohl raumresonator erzeugt werden.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung und Dosierung eines Pulveraero sols, bei dem ein Pulver mittels eines Ultraschallschwing systems mit Ultraschall beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verwirbelnde Pul ver in unmittelbarem Kontakt mit der Wandung eines mit einer Ultraschallquelle gekoppelten Gefäßes oder in unmittelbarem Kontakt mit dem Ultraschallschwingsystem steht und daß das Pulver im Gefäß durch die Einwirkung des Ultraschalls aufge wirbelt und von einem Trägergas aufgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ultraschallbeaufschlagung des Ge fäßes über ein schalleitendes Medium erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ultraschallbeaufschlagung des Pulvers unmittelbar von der Wandung des Gefäßes erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gasdruck im Gefäß unterhalb dem Atmosphärendruck liegt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5 mit einem Gefäß für ein Pulver und wenigstens einem Ultraschallwandler, von dem eine Ultraschallbeaufschlagung zum Aufwirbeln des Pulvers erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (6) wenigstens ein Zuleitungsrohr (10) sowie ein Ausleitungs rohr (12) für das Trägergas zwecks Aufnahme des aufgewirbel ten Pulvers enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Gefäß (6) in einem Ultra schallbad zwecks Ultraschalleinkopplung angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Gefäß (6) über eine Sonotrode (38) mit einem Ultraschallgeber (40) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Arbeitsfläche der Sonotrode (38) konkav ausgebildet ist und gleichermaßen eine Aufnahme für das Pulver bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Ultraschallgeber unmit telbar mechanisch mit dem Gefäß (6) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, ge k e n n zeichnet in der Anwendung von Ultraschall frequenzen von 20 bis 40 kHz und Ultraschallamplituden von einigen Mikrometern, insbesondere bis zu 10 um.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Zuleitungsrohr (10) und das Ausleitungsrohr (12) tangential an bezüglich des Quer schnittes des Behälters (6) konzentrischen Kreisen verläuft.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Zuleitungsrohr (10) und das Ausleitungsrohr (12) mit ihren Enden in unterschiedlichen Höhen (h₁₀ bzw. h₁₂) bezüglich des Bodens des Behälters (6) angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Zuleitungsrohr (10) und das Ausleitungsrohr (12) zylindrische Rohre mit gleichem, konstanten Durchmesser sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Enden des Zuleitungs rohres (10) und des Ausleitungsrohres (12) als Düsen (22, 29) ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Zuleitungs- und das Aus leitungsrohr (10, 12) für das Trägergas als Gasstrahlpumpe ausgelegt sind und ein Teil des Trägergas es über ein zweites Zuleitungsrohr (16) und gegebenenfalls durch zusätzliche Öff nungen (18) dem mit Ultraschall beaufschlagten Mischraum (20) im Behälter (6) zugeführt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuleitungsrohr (10) und das Ableitungsrohr (12) als Lavaldüse (22, 29) ausgebil det sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ausleitungsrohr (12) eine Spirale mit einer geeigneten Anzahl von Windungen bildet.

18. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Aufnahmebehälter (6) für das Pulver aus einem lichtdurchlässigen Material besteht oder zumindest an zwei radial gegenüberliegenden Stellen licht durchlässige Fenster (26, 28) zwecks Einstrahlung und Empfang von Licht zur Überwachung der Pulverkonzentration aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lichtquelle (30) ein Laser ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Gefäß (6) bzw. dem Misch raum (20) Mittel für den Betrieb einer elektrischen Entladung im Aerosol zugeordnet sind.