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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Verbesserung
der Abgabe von Aerosolspray in einer elektrohydrodynamischen (EHD) Sprühvorrichtung.
Eine EDH-Sprühvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 ist aus GB-A-2 327
895 bekannt.
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Hintergrund
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Die
Verwendung von elektrohydrodynamischen (EHD) Geräten zum Erzeugen von Aerosolen ist
einschlägig
bekannt. In typischen EHD-Vorrichtungen gibt ein Fluidzuführmittel
ein in Aerosolform zu vernebelndes Fluid an eine Düse ab, die
auf einem hohen elektrischen Potenzial gehalten wird. Eine Düsenart,
die in EHD-Vorrichtungen verwendet wird, ist ein elektrisch leitfähiges Kapillarrohr.
Es wird ein elektrisches Potenzial an das Kapillarrohr angelegt, das
den Fluidinhalt derart auflädt,
dass beim Austreten des Fluids aus der Spitze oder dem Ende des
Kapillarrohres ein sogenannter Taylor-Konus gebildet wird. Diese
Konusform resultiert aus einem Gleichgewicht der Kräfte der
elektrischen Ladung im Fluid und der eigenen Oberflächenspannung
des Fluids. Es ist wünschenswert,
dass die Ladung in dem Fluid die Oberflächenspannung überwindet
und dass sich an der Spitze des Taylor-Konus' ein dünner Fluidstrahl ausbildet,
der sich anschließend
kurz nach der Spitze schnell in ein Aerosol auftrennt. Studien haben
gezeigt, dass dieses Aerosol (oft als eine weiche Wolke beschrieben)
beim Verlassen der Spitze eine ziemlich gleichmäßige Tröpfchengröße und eine hohe Geschwindigkeit
aufweist, doch dass es sich kurz nach der Spitze schnell auf eine
sehr geringe Geschwindigkeit verlangsamt.
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EHD-Sprühvorrichtungen
erzeugen geladene Tröpfchen
an der Spitze der Düse.
Je nach Verwendung können
diese geladenen Tröpfchen
gegebenenfalls (mit einer Bezugs- oder Entladungselektrode in der
Sprühvorrichtung)
neutralisiert werden. Die typischen Anwendungen für eine EHD-Sprühvorrichtung
ohne Bezugs- oder Entladungselektroden wären eine Farbsprühvorrichtung
oder eine Insektizidsprühvorrichtung.
Bei diesen Arten von Sprühvorrichtungen
können
geladene Tröpfchen
bevorzugt sein, da das Aerosol von der Fläche, auf die es aufgetragen
wird, angezogen und fest an sie gebunden wird. Doch bei EHD-Geräten, die
zur Abgabe therapeutischer Aerosole verwendet werden, wird das Aerosol
vorzugsweise vor dem Inhalieren durch den Anwender vollständig elektrisch
neutralisiert, damit das Aerosol die Lungenbereiche erreichen kann,
in denen die jeweilige therapeutische Rezeptur am wirksamsten ist.
Andere Medikamentabgabeanwendungen können eine kleine Restladung
in dem Aerosol erfordern, um eine bestimmte Therapie zu erzielen.
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Während des
Betriebes der EHD-Vorrichtung kann das geladene Aerosol die Düsenspitze
mit sehr geringer Geschwindigkeit verlassen und kann sich bei Fehlen
einer anderen Kraft in dem Bereich um die Sprühspitze herum aufbauen. Das
kann unerwünscht
sein, da die Raumladung in dem Aerosol das elektrische Feld stören und
weiteres Vernebeln behindern kann.
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Ein
weiteres Problem resultiert daher, dass Fluid an der Außenseite
der Düse
von der Spitze her entlangkriecht und sich entweder ansammelt und/oder
zurück
zur Spitze fließt,
wo es den Taylor-Konus unterbrechen kann. Diese Unterbrechungen
und alle sonstigen Unterbrechungen des Taylor-Konus' können
zu einer großen
Schwankung in der Größe und Größenverteilung
der Aerosoltröpfchen
führen,
was insbesondere bei der Verabreichung von Lungenmedikamenten uner wünscht ist. Eine
vertikale Ausrichtung der Düse
mindert zwar Probleme in Verbindung mit dem Ansammeln oder Entlangkriechen
von Fluid an der Außenseite
des Kapillarrohres und zugehörigen
Fluidzuführmitteln, doch
das löst
das Problem nicht.
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Bei
der Verabreichung von Medikamenten an einen Patienten führen diese
Beschränkungen
der Ausrichtung des EHD-Gerätes
dazu, dass die Patienten entweder ihren Kopf nach hinten neigen
müssen oder
auf dem Rücken
liegen müssen,
wenn das Aerosol auf einer Achse mit der Düse abgegeben wird. Alternativ
kann das EHD-Gerät
das Aerosol vertikal auf einer Achse mit der Düse abgeben, und ein Winkelmittel
kann verwendet werden, um die Richtung des Aerosolflusses zu ändern, damit
das Aerosol horizontaler abgegeben wird. Mit dieser Änderung
der Richtung des Aerosols geht oft ein merklicher Verlust der Aerosolmenge
einher. Der Mengenverlust resultiert daraus, dass das Fluid auf
die Wände
der Abgabevorrichtung auftrifft und sich dort absetzt, insbesondere
in der Nähe
des Winkelstücks,
anstatt den Patienten zu erreichen.
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Daher
wird eine EHD-Aerosolsprühvorrichtung
benötigt,
bei der der Taylor-Konus stabilisiert werden kann, um eine Unterbrechung
zu verhindern, und bei der das Aerosol von dem Bereich nahe der Sprühspitze
abgelenkt und dem Austritt der Vorrichtung effektiver zugeleitet
werden kann. Besonderer Bedarf besteht an einer EHD-Aerosolsprühvorrichtung,
die die Effizienz des Massentransfers der Vorrichtung und die Verteilung
der Aerosoltröpfchen
verbessern kann.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß den Erfordernissen
und Aufgaben ist die Erfindung eine EHD-Aerosolsprühvorrichtung
mit hohem Massentransfer nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Erzeugen
und Abgeben eines Aerosols an einen gewünschten Ort nach Anspruch 29.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Ausschnittansicht einer EHD-Sprühvorrichtung gemäß der Erfindung.
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2 ist
eine Ansicht der Sprühdüse und des
Taylor-Konus' der in 1 gezeigten EHD-Sprühvorrichtung.
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3a zeigt
eine Schnittsansicht einer bevorzugten EHD-Sprühspitze
gemäß der Erfindung. 3b zeigt eine Endansicht derselben Sprühspitze.
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4 ist
eine schematische Darstellung wichtiger Elemente einer EHD-Sprühvorrichtung
einschließlich
einer Entladungselektrode zum Erzeugen eines Koronawindes.
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5 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung für
die Abgabe von Medikamenten an die Lunge in einer klinischen Umgebung,
wobei sich die Quelle des in Aerosolform zu vernebelnden Fluids
von der EHD-Vorrichtung entfernt befindet.
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6 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, die mehrere Strömungsdeflektoren
zum Formen des Luftstroms jenseits des Taylor-Konus' einsetzt.
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7 ist
eine durchbrochene Schnittansicht eines Abschnitts einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung
einschließlich
eines alternativen Deflektors/Diffusors für ein weiteres Steuern des
Luftstroms jenseits des Taylor-Konus'.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Beim
EHD-Sprühen
wird ein in Aerosolform vernebelbares Fluid zu einer Düse geleitet,
die auf einem hohen elektrischen Potenzial gehalten wird. Eine Düsenart,
die in EHD-Vorrichtungen
verwendet wird, ist ein elektrisch leitfähiges Kapillarrohr. Es wird ein
elektrisches Potenzial an das Kapillarrohr angelegt, das den Fluidinhalt
derart auflädt,
dass beim Austreten des Fluids aus der Spitze oder dem Ende des
Kapillarrohres ein sogenannter Taylor-Konus gebildet wird. Diese
Konusform resultiert aus einem Gleichgewicht der Kräfte der
elektrischen Ladung in dem Fluid und der eigenen Oberflächenspannung des
Fluids. Es ist wünschenswert,
dass die Ladung in dem Fluid die Oberflächenspannung überwindet
und dass sich an der Spitze des Taylor-Konus' ein dünner Fluidstrahl ausbildet,
der sich daraufhin kurz nach der Spitze schnell in ein Aerosol auftrennt.
Dieses Aerosol hat beim Verlassen der Spitze eine ziemlich gleichmäßige Tröpfchengröße und eine
hohe Geschwindigkeit, die sich aber kurz nach der Spitze schnell
auf eine sehr geringe Geschwindigkeit verlangsamt. Bei Fehlen einer
anderen Kraft (außer
der elektrischen Abstoßung)
kann sich das Aerosol in dem Bereich unmittelbar stromabwärts von
der Sprühspitze
aufbauen. Dieser Aufbau kann zu einer elektrischen Kraft führen, die
auf den Taylor-Konus zurück
wirkt, und/oder zu einer Verringerung des den Taylor-Konus umgebenden
elektrischen Feldes. Diese Auswirkungen können den Taylor-Konus destabilisieren
und eine weitere effiziente Vernebelung verhindern. Insbesondere
kann diese Destabilisierung die Tröpfchen in dem Aerosol vergrößern und
die Größenverteilung
der Tröpfchen
in dem Aerosol verbreitern. Für
einige Anwendungen wie die Abgabe von Lungenmedikamenten kann eine
breitere Größenverteilung
die Wirksamkeit der Therapie stark beeinträchtigen.
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Ein
weiteres möglicherweise
destabilisierendes Ereignis während
des EHD-Sprühens
ist ein Phänomen,
das als Kriechen entlang der Sprühdüse bekannt
ist. Wenn Fluid aus der Düse
in den Taylor-Konus an der Sprühspitze
abgegeben wird, so kann es sich an der Außenseite der Düse und der
zugehörigen
Fluidzuführmittel
ansammeln oder dort entlangkriechen. Wenn das Fluid an der Außenseite der
Düse von
der Spitze her entlangströmt,
so steht es nicht mehr zum Versprühen zur Verfügung, was
einen Effizienzverlust der Vorrichtung darstellt. Darüber hinaus
kann sich Fluid an den Außenflächen des Kapillarrohres
ansammeln und plötzlich
zu der Spitze zurückfließen, wo
es den Taylor-Konus unterbrechen kann, was auch wieder zu einer
großen
Schwankung in der Größe und Größenverteilung
der Aerosoltröpfchen
führt.
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Eine
weitere Ursache für
Ineffizienz von EHD-Vorrichtungen ist das Niederschlagen der Aerosoltröpfchen an
den inneren Komponenten der Vorrichtung auf dem Pfad des Aerosols
von der Sprühspitze
zu dem Austritt der Vorrichtung. Der Niederschlag von Tröpfchen wird
verringert, wenn elektrische Ladungen in den Tröpfchen entladen werden. Trotzdem
können
immer noch sämtliche
Komponenten der Vorrichtung auf dem Pfad der Tröpfchen Orte für Niederschlag
sein. Niedergeschlagene Tröpfchen sind
im Allgemeinen verloren. In einigen Anwendungen können sich
die Tröpfchen
nach dem Auftreffen auf innere Komponenten ansammeln und größere Tröpfchen bilden,
die sich entweder niederschlagen können oder wieder mitgerissen
und zum Austritt geführt
werden können.
So oder so können
die größeren Tröpfchen in
einigen Anwendungen ziemlich unnütz
sein. In handgehaltenen Vorrichtungen für die Abgabe an die Lunge ist
eine besonders komplizierte Komponente (in Bezug auf den Niederschlag
von Tröpfchen)
ein Winkelstück
am Austritt der Vorrichtung, das einen vertikal ausgerichteten Aerosolfluss von
der Sprühdüse der Vorrichtung
in eine horizontal in den Mund des Benutzers abgegebene Dosis umlenken
soll.
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Diese
Probleme der EHD-Vorrichtungen können
gemäß der Erfindung
verringert werden, indem ein Gasstrom nahe der Sprühdüse und der Sprühspitze
bereitgestellt wird. Durch Steuern dieses Gasstroms wurde festgestellt,
1) dass der Taylor-Konus stabilisiert wird, 2) dass Fluid, das an
der Außenseite
der Sprühdüse entlangkriechen
will, durch diesen Gasstrom in den Taylor-Konus zurückgedrückt wird,
3) dass das elektrische Feld oder die Raumladung um den Taylor-Konus herum verringert
oder aufgehoben wird, indem die in Aerosolform vernebelten Partikel
stromabwärts
von der Sprühspitze
abgelenkt werden, und 4) dass in einer bevorzugten Ausführungsform
der Gasstrom vollständig
um die Sprühspitze
herum eine Schutzhülle
um das Aerosol herum entlang seines Strömungspfades durch die Vorrichtung
hindurch zum Austritt ausbilden kann, während der Niederschlag von
Tröpfchen
an den Vorrichtungswänden
und den inneren Vorrichtungskomponenten (wie beispielsweise einem
Winkelstück)
auf dem Pfad wesentlich verringert wird, um den Massentransfer durch
die Vorrichtung hindurch wesentlich zu erhöhen.
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Eine
Ausführungsform
ist in den 1 und 2 gezeigt.
Diese Ausführungsform
könnte
zum Beispiel in einer handgehaltenen EHD-Vorrichtung für die Abgabe
von Lungenmedikamenten verwendet werden. Ein Gehäuse 10 enthält eine
Austrittsöffnung 15.
Für die
Abgabe von Lungenmedikamenten könnte
der Austritt 15 zum Beispiel den Mund eines Benutzers direkt
berühren
oder mit einer Gesichtmaske oder einer sonstigen Schnittstelle verbunden
werden, die zu dem Mund des Benutzers führt. Wie gezeigt, wird eine
schräge
Wand oder ein Winkelstück 13 verwendet,
um die Richtung eines Aerosols von einer im Wesentlichen vertikalen
Richtung in eine stärker
horizontale Richtung zu ändern,
um die Abgabe an einen aufrecht sitzenden Nutzer zu erleichtern.
Das Gehäuse
kann zum Beispiel optionale Luftlöcher 12 und/oder 19 für den Eintritt
von Luft enthalten, die während
eines Inhalationszyklus' benötigt wird.
Je höher
das Verhältnis
der Luft, die durch die optionalen Löcher 12 strömt, zu der
Luft, die durch die optionalen Löcher 19 strömt, ist,
desto größer ist
natürlich der
Fluss an den Sprühdüsen vorbei.
Alternativ könnte
eine Quelle von Luft oder eines sonstigen Gases in der Vorrichtung
im Bereich nahe den Luftlöchern stromaufwärts der
Stelle, wo das Aerosol erzeugt wird, bereitgestellt werden. Die
Gasquelle könnte zum
Beispiel von einem Druckbehälter,
einer mechanischen Vorrichtung wie zum Beispiel einem Balg oder
einer sonstigen gängigen
Quelle stammen. Die Wand 13 kann optionale Luftlöcher aufweisen,
um einen zusätzlichen
Luftstrom zu erzeugen und um Tröpfchen
von der Wand fernzuhalten.
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Die
EHD-Vorrichtung enthält
Fluidzuführmittel,
die einen Verbinder 18 zu einer Quelle von in Aerosolform
zu vernebelndem Fluid und einen optionalen Verteiler 16 enthalten.
Das Fluid wird den Sprühdüsen 14 zugeführt. Bei
den Sprühdüsen 14 kann
es sich um ein beliebiges Mittel zur Abgabe des Fluids zum Erzeugen
eines Taylor-Konus' 9 an
einem Sprüh-Ende
oder einer Sprühspitze 17 der
Düse handeln,
wie sie im Bereich des Elektrosprühens allgemein bekannt sind.
Eine Spannungsquelle wird an die Sprühdüsen angelegt, um ein hohes
elektrisches Feld um die Sprühspitze
herum zu erzeugen. In 1 wird die Ladung an der Sprühdüse als negativ gezeigt,
aber eine positive Ladung wäre
ebenfalls brauchbar. Wenn die Ladung an der Sprühdüse hoch genug ist, so wird
die Oberflächenspannung
des Fluids überschritten,
und ein Aerosol 7 wird erzeugt. Die Sprühdüsen sind bevorzugt länglich und
röhrenförmig und
besonders bevorzugt zylindrisch, wie zum Beispiel ein Kapillarrohr.
Es kommt aber auch ein quadratischer, ein runder oder ein sonstiger
Querschnitt in Frage.
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Stromabwärts von
den Sprühdüsen befindet sich
ein Ring 22, der eine oder mehrere Entladungselektroden 24 aufweist.
In einigen Anwendungen, wo neutrale Tröpfchen bevorzugt sind, wird
die Ladung der Tröpfchen
mittels der Entladungselektrode, deren elektrische Ladung der Polarität der Tröpfchen entgegengesetzt
ist, auf einen gewählten
Grad entladen. In einem bevorzugten Modus weisen die Tröpfchen eine
negative Ladung auf, und die Entladungselektrode erzeugt aus den Gasmolekülen nahe
einer Ionisierungsstelle positive Ionen. Ionen werden vorzugsweise
in der Nähe
von Spitzen und Kanten der Entladungselektroden erzeugt. Die Entladungselektroden sind
optional und brauchen nicht verwendet zu werden, wenn keine Entladung
des Aerosols gewünscht ist.
Einige Anwendungen können
eine teilweise Entladung erfordern, wobei in einem solchen Fall
die Position und die Ladung an der Entladungselektrode angepasst
werden können,
um eine teilweise Entladung zu erzeugen.
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Stromabwärts von
den Entladungselektroden befinden sich ein optionaler Ring 26 und
eine oder mehrere optionale Bezugselektroden 28. Wenn in
einer bevorzugten Ausführungsform
die Entladungselektroden ein positives Potenzial haben, so haben
die Bezugselektroden ein Potenzial, das in Bezug auf das Potenzial
der Entladungselektroden 24 negativ ist (wobei dieses Potenzial
vorzugsweise ein Erdungspotenzial sein kann). Vorzugsweise wird
vermieden, dass positive Ionen zu der negativen Sprühspitze
wandern, wo sie das elektrische Feld um den Taylor-Konus herum stören können. Aufgabe
der Bezugselektroden ist es, eine Vorspannung zu erzeugen (aufgrund
ihres Potenzials und ihrer Nähe),
damit die positiven Ionen ein wenig stromabwärts zu den Bezugselektroden
hingezogen werden, insbesondere beim Einschalten der Vorrichtung.
Nach dem Einschalten wandern die negativen Aerosolpartikel stromabwärts hin
zu den Entladungselektroden und ziehen vorzugsweise die positiven
Ionen von den Sprühspitzen 17 weg.
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Der
Gasdeflektor 20 ist als ein ringförmiges kegelstumpfförmiges Element
gezeigt, das vollständig
um die Sprühdüsen 14 herum
verläuft.
Normalerweise ist das Gas in diesen Vorrichtungen Luft, weshalb
es im vorliegenden Text durchgehend als Luft bezeichnet wird. Es
sind jedoch auch sonstige Gase gemeint, die aus irgend einem Grund
in die Vorrichtung eingeleitet werden. Zum Beispiel kann für ein reaktives
Fluid eine Inertgasatmosphäre
erwünscht sein.
Es können mehrere
Strömungspfade
ausgebildet sein (optional unter Verwendung mehrerer Strömungsdeflektoren),
um die Strömung
um den Taylor-Konus herum zu formen.
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Der
Gas- oder Luftdeflektor 20 kann jede Form aufweisen, die
das Strömen
eines Gases entlang eines gewünschten
Pfades unterstützt.
Seine Aufgabe besteht darin, einen ersten Anteil des Luftstroms 21 über die
Düsen 14,
die Sprühspitzen 17 und
die Taylor-Konen 9 hinaus zu leiten und einen zweiten Anteil
des Luftstroms 8 von den Sprühdüsen weg zu leiten, der sich
später
mit dem ersten Abschnitt stromabwärts von den Sprühspitzen
vereint. Der Gas- oder Luftdeflektor 20 kann geformte Wände aufweisen,
um dies zu erreichen. Er kann hierfür vollständig um die Düsen oder
um jede einzelne Düse herum
verlaufen, oder er braucht nur teilweise um die Düsen herum
zu verlaufen. Es genügt,
dass die Luft an der Sprühspitze
und am Taylor-Konus gleichmäßig vorbeiströmt, so dass
keine Störungen
des Taylor-Konus' erzeugt
werden und ein Kontakt mit dem Aerosol stromabwärts von den Sprühspitzen
hergestellt wird, damit einige der Aerosoltröpfchen von dem Bereich um die
Sprühspitzen
herum wegbewegt werden. Eine Wolke geladenen Aerosols hat eine negative
Auswirkung auf die Stabilität
des Taylor-Konus',
und der Luftstrom verringert die Anzahl der Tröpfchen in dem Bereich. In einigen
Fällen
kann es möglich
sein, den Luftdeflektor 20 wegzulassen und die Wände der
Vorrichtung oder andere Komponenten in der Vorrichtung als Luftdeflektor
der Erfindung zum Leiten des Gasstroms nahe den Sprühspitzen zu
verwenden. In einigen Fällen
kann es wünschenswert
sein, den Strom der gesamten Luft an den Sprühspitzen vorbeizuleiten, so
dass der zweite Anteil des Luftstroms minimal oder null ist.
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Wie
in 1 gezeigt, dient der Deflektor zum Leiten eines
Anteils des Luftstroms 21, der durch die Löcher 12 (oder
von einer anderen Quelle) eintritt, nach unten über die Sprühspitzen und zum Leiten eines
anderen Anteils des Luftstroms 8 nach unten entlang der
Außenseite
des Gehäuses 10 oder
wenigstens nach unten zum Austritt hin, doch nicht entlang der Düsen oder
Sprühspitzen.
Die Menge des Luftstroms 21, die an den Sprühspitzen
vorbeigeleitet wird (und das Verhältnis des Luftstroms 21 zu
dem Luftstrom 8) können
zu einem gewissen Grad durch Ändern
des Strömungswiderstandes
des Luftstroms 21 gesteuert werden. Das wird zum Beispiel
durch Ändern
der Länge
des Deflektors, der Position der Luftlöcher in den Wänden und/oder
des Querschnitts des Strömungsbereichs
zwischen dem Deflektor und den Düsen
oder dem Düsenverteiler
oder -gehäuse gesteuert.
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Die
an der Sprühspitze
vorbeiströmende
Luft braucht nur nahe einer einzigen Seite der Spitze zu strömen, oder
sie kann teilweise oder vollständig
um die Sprühspitze
herum strömen.
Wenn eine Anordnung aus Sprühdüsen verwendet
wird, so kann der Luftstrom normalerweise um einen Teil oder den
gesamten Umfang aller Spraydüsen
herum verlaufen, oder er kann um einzelne Sprühdüsen herum verlaufen. Es wird
jedoch ein Luftstrom bevorzugt, der sowohl zeitlich als auch räumlich gleichmäßig ist.
Die Strömung
sollte ausreichend stark sein, um das Hochkriechen von Fluid zu
verhindern und/oder einen Teil des Aerosols von dem Bereich unmittelbar stromabwärts von
der Sprühdüse wegzutransportieren,
doch nicht so stark, dass der Taylor-Konus unterbrochen wird. Es
wird eine sanfte Laminarströmung verwendet,
die ein geringes Maß an
Wirbelströmen oder
Turbulenzen um die Sprühspitze
herum erzeugt. Vorzugsweise sollte die Geschwindigkeit des Luftstroms
an der Sprühspitze
vorbei größer sein
als die durchschnittliche Geschwindigkeit des Aerosols stromabwärts von
der Sprühspitze,
zum Beispiel einen Zentimeter stromabwärts von der Sprühspitze.
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Neben
dem Verhindern des Hochkriechen von Fluid und dem Unterstützen des
Aerosoltransports hat ein Luftstrom, der das Aerosol im Wesentlichen
vollständig
umgibt, auch die Tendenz, das Aerosol von anderen inneren Komponenten
der Vorrichtung, wie dem Entladungsring 22 und den Elektroden 24,
dem Bezugsring 26 und den Elektroden 28 und der
abgewinkelten Wand oder dem Winkelstück 13, fernzuhalten
oder zu puffern. Selbst wenn das Aerosol an diesen Komponenten vorbei
fließen
mag, verringert der Gasstrom 21 allgemein das Niederschlagen
durch offensichtliches Puffern des Aerosols von den Flächen. Darüber hinaus
kann der Luftstrom 8 auch die Lufthülle um das Aerosol herum stärken, wenn
er sich stromabwärts
von den Sprühspitzen
mit dem Luftstrom 21 vereint. Das Steuern des Verhältnisses
des Luftstroms 21 zu dem Luftstrom 8 kann die
Umhüllung
des Aerosols und den nachfolgenden Niederschlag des Aerosols an
den inneren Komponenten und der Vorrichtungswand weiter beeinflussen.
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Ein
bevorzugter Sprühdüsenaufbau
ist in den 3A und 3B gezeigt.
Jede Sprühdüse 30 enthält ein rundes
Rohr, das an einem Ende eine Sprühspitze 32 aufweist
und am anderen Ende eine Verbindung zu der Quelle des in Aerosolform
zu vernebelnden Fluids aufweist. Die Sprühspitze kann einfach das Ende
der Sprühdüse sein
oder kann optional andere Formen oder Elemente zum Erzeugen besserer Taylor-Konen
enthalten. In den 3A und 3B ist
ein Teilungsdorn 34 in der Sprühdüse an der Sprühspitze befestigt.
Der Teilungsdorn 34 ist ein zylindrisches Element, das
in einem Konus 36 endet, der zu einem Teil der Sprühspitze
zum Erzeugen des Taylor-Konus' wird.
Der Teilungsdorn wird maschinell so gefertigt, dass er vier Rippen 38 und
somit einen Querschnitt in Form eines Kreuzes aufweist, so dass
vier Pfade für
das Fluid in der Sprühdüse entstehen.
Es wurde festgestellt, dass sich dadurch die Ausbildung des Taylor-Konus' verbessert und der
Durchsatz des Fluids erhöht
wird. Andere Formen können
zu einem oder mehreren Taylor-Konen an jeder Sprühspitze führen. In der Vorrichtung können mehrere
Düsen in jeder
beliebigen brauchbaren Anordnung verwendet werden.
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Wenn
die Vorrichtung in 1 dafür verwendet wird, einem Benutzer,
der sich in Kontakt mit dem Austritt 15 befindet, therapeutisches
Aerosol zuzuführen,
dann kann ein möglicher
Betriebsmodus folgender sein. Es wird eine negative Ladung an die Sprühdüsen 14 angelegt,
bis ein Taylor-Konus 9 an der Sprühspitze 17 ausgebildet
ist und das Fluid in eine Tröpfchenwolke
oder ein Aerosol 7 vernebelt ist, das sich stromabwärts der
Sprühspitzen
ausbreiten kann. Bei der Inhalation durch den Benutzer kann Luft
durch die Öffnungen 12 an
einer beliebigen Stelle entlang der äußeren Wand der Vorrichtung
eintreten, durch den Luftdeflektor 20 hindurch an einem Abschnitt
der Sprühdüsen 14 vorbei
und an den Sprühspitzen 17 und
dem Taylor-Konus 9 vorbei und in Kontakt mit der Aerosolwolke
strömen 21,
um die Bewegung der Wolke stromabwärts durch den Entladungsring 22 (wo
das Aerosol entladen werden kann) und den Bezugsring 26 hindurch
zu unterstützen. Das
Aerosol kann dann auch auf eine Hülle aus Luft 8 treffen
und von ihr gepuffert werden, die durch die Luftlöcher eintritt
und abwärts
entlang der Wände
der Vorrichtung an dem Winkelstück 13 vorbei
zu dem Austritt 15 und dem Benutzer strömt. Die Luft- oder Gasströme 21 und 8 könnten auch
hier wieder aus einer beliebigen Gasquelle, wie zum Beispiel einer Druckgasquelle,
kommen.
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Ohne
die Inhalation durch den Benutzer würde die Vorrichtung von 1 eine
andere Kraftquelle zum Bewegen der Luft 21 von stromaufwärts der Sprühdüsen an dem
Taylor-Konus vorbei
erfordern. Eine solche Kraft könnte
zum Beispiel von einem Druckgas oder einem Balg oder einer anderen
direkten Quelle kommen. Eine weitere bevorzugte Möglichkeit,
den Gasstrom 21 mit oder ohne Inhalation durch den Benutzer
zu erhalten, ist mittels Induktion oder Mitführung unter Verwendung des
Injektorprinzips (auch bekannt als Ejektor). Es wird ein Gasstrom stromabwärts der
Sprühdüsen und
von den Sprühdüsen weg
bereitgestellt, der einen induzierten Luftstrom 21 an der
Sprühspitze
und dem Taylor-Konus vorbei
bewirkt. Eine besonders nützliche
Vorrichtung zum Erzeugen eines Gasstroms stromabwärts der Sprühdüsen nutzt
das Prinzip des Koronawindes. Ein Koronawind kann zum Abgeben des
Aerosols, zum Bewegen des Aerosols zu dem gewünschten Ziel und zum Induzieren
des Luftstroms 21 an den Sprühdüsen vorbei verwendet werden.
Beispielhafte Mittel zum Erzeugen eines Koronawindes sind in 4 und außerdem in
der US-Patentanmeldung 60/130,893 mit dem Titel "Directionally Controlled EHD Aerosol Sprayer", eingereicht am
23. April 1999, die durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen
wird, gezeigt.
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4 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der EHD-Aerosolsprühvorrichtung
mit induzierter Strömung.
In dieser Ausführungsform
weist die grundlegende Sprühvorrichtung eine
Sprühdüse 40,
die eine Sprühspitze 46 und
eine Mittelachse 41 aufweist, eine erste Bezugselektrode 42 und
eine Entladungselektrode 44 auf, die eine Mittelachse 45 aufweist.
Eine Gleichspannungsquelle 50 ist elektrisch an die Sprühdüse 40 angeschlossen und
hält sie
relativ zu der Bezugselektrode 42 auf einer negativen Spannung.
Eine zweite Gleichspannungsquelle 52 ist elektrisch an
die Sprühdüse 44 angeschlossen
und hält
sie relativ zu der Bezugselektrode 42 auf einer positiven
Spannung. Die Erdung 54 hält die Bezugselektrode 42 auf
einer Erdungsbezugsspannung, etwa null Volt Gleichstrom. Es versteht
sich, dass die Bezugselektrode 42 lediglich aus einem dielektrischen
Material hergestellt und in diesem Fall überhaupt nicht geladen zu sein
braucht. Aber wenn sie ein Leiter ist und geladen ist, dann ist sie
zweckmäßigerweise
auf Erdungspotenzial, doch sie könnte
auch auf jedem anderen Potenzial sein, das relativ zu der Entladungselektrode
negativ ist und relativ zu der Sprühdüse positiv ist. Darüber hinaus ist
die Polarität
der Ladung an der Sprühdüse und der Entladungselektrode
zweckmäßigerweise
negativ bzw. positiv, aber es ist lediglich erforderlich, dass die Ladungen
relativ zu einander (und relativ zu der Bezugselektrode) negativ
und positiv sind.
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Diese
Ausführungsform
beinhaltet auch eine optionale zweite Bezugselektrode 60 nahe
der Entladungselektrode auf der Seite gegenüber der ersten Bezugselektrode 42 und
eine optionale dritte Bezugselektrode nahe der Sprühdüse auf der
Seite gegenüber
der ersten Bezugselektrode. Die Bezugselektrode 58 braucht
auch hier wieder lediglich dielektrisch zu sein, doch sie ist vorzugsweise
ein Leiter und ist auf einem Potenzial, das relativ zu der Sprühdüse 40 positiv
ist, und die Bezugselektrode 60 ist auf einem Potenzial,
das relativ zu der Entladungselektrode 44 negativ ist.
Zweckmäßigerweise
sind beide auf Erdungspotenzial. Die Bezugselektroden 58, 60 und
die Sprühdüse 40 erzeugen
bei 70 bzw. 71 Luftströmungspfade. Die Luft wird wenigstens
teilweise durch die Koronaentladung veranlasst, sich entlang des
Strömungspfades 70 und 71 an
der Sprühspitze 46 und
dem Taylor-Konus vorbei zu bewegen, um Stabilität zu erzeugen.
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Die
Sprühdüse 40 ist
normalerweise ein Kapillarrohr oder ein anderes Rohr, eine Platte
oder eine sonstige Form, die zur Abgabe von Fluid in EHD-Anwendungen
verwendet wird. In einigen Ausführungsformen
kann das Rohr, das für
die Sprühdüse 40 verwendet
wird, eine einfache Sprühspitze 46 wie
zum Beispiel das Ende des Rohres aufweisen, oder eine, die speziell
für EHD-Sprühanwendungen
konstruiert wurde (wie zum Beispiel die in 3 gezeigte).
Diese Spitzen unterstützen
die Ausbildung und Stabilität des
Taylor-Konus'. Die
Erfindung enthält
eine Vorrichtung, die eine einzelne Sprühdüse enthält, die mehrere Taylor-Konen
erzeugen kann, und eine Vorrichtung mit mehreren Sprühdüsen. Die
in 4 gezeigte Vorrichtung kann zum Beispiel eine
einzelne Sprühdüse darstellen
oder könnte
einen Querschnitt einer länglichen
Vorrichtung mit mehreren Sprühelektroden
oder einer flachen Sprühelektrode
in einer Ebene senkrecht zu dem Papier darstellen. Mehrere Entladungselektroden
und Bezugselektroden lägen ebenfalls
innerhalb des Geltungsbe reichs der Erfindung, obwohl jede der in 4 gezeigten
Entladungselektroden und Bezugselektroden mehrere Elektroden innerhalb
derselben senkrechten Ebene sein könnten oder auch längliche
flache Elektroden sein könnten.
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Die
Entladungselektrode 44 weist normalerweise eine scharfe
Entladungsspitze 48 oder eine Klinge oder sonstige Spitzen
oder sonstige Vorsprünge
auf. Wie dem Fachmann bekannt ist, unterstützen diese scharfen Formen
allgemein die Entstehung ionisierter Luftmoleküle. Alternativ kann auch jede sonstige
Spitzenform verwendet werden, die in der Lage ist, Luftmoleküle zu ionisieren.
Die Entladungselektrode ist im Allgemeinen länglich und weist eine ziemlich
leicht definierbare Mittelachse 45 auf. Jedoch hat die
Spitze 48 unabhängig
davon, ob sie länglich
ist oder nicht, eine Geometrie, die eine signifikante Ionisierung
in der Umgebung einer oder mehrerer Stellen an der Entladungselektrode
und eine Bewegung der Ionen von diesen Stellen weg in einer vorhersehbaren
und reproduzierbaren Richtung erlaubt. Wenn die Mittelachse leicht
definierbar ist, dann ist die Richtung der Bewegung der Ionen und letztendlich
des Aerosols im Allgemeinen parallel zu dieser Achse. Wenn die Achse
nicht leicht definierbar ist, dann ist die Richtung der Bewegung
der Ionen und des Aerosols von den Stellen weg in einer Richtung
vorhersehbar und reproduzierbar, die als axial zu den Entladungsstellen
definiert wird. Entladungselektroden mit mehreren Ionisierungsstellen
und mehrere Entladungselektroden (gegebenenfalls mit mehreren Sprühdüsen) liegen
innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung. In dem Fall, in dem
eine Bezugselektrode nahe der Entladungselektrode ist, kann der
anfängliche
Ionenstrom von der Entladungselektrode durch das elektrische Feld
zwischen der Entladungs- und Bezugselektrode verändert werden. Die Bewegung
der Ionen ist dann noch immer vorhersehbar, sie wird jedoch nicht
nur von der Geometrie der Entladungselektrode beeinflusst, sondern offensichtlich
auch von allen in der Nähe
befindlichen elektrischen Feldern.
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Die
Entladungselektrode befindet sich ausreichend nahe bei der Sprühdüse 40 und
der Sprühspitze 46 und
ist relativ zu ihnen so ausgerichtet, dass die Ionen von der Entladungselektrode
das Aerosol stromabwärts
der Sprühspitze 46 schneiden können. Wenn
der Schnittpunkt von der Sprühspitze entfernt
an einem Punkt liegt, an dem das Aerosol ausreichend Zeit hatte,
sich relativ stark zu verteilen, so wird die Fähigkeit der Ionenwolke, das
Aerosol in die gewünschte
Richtung zu bewegen und eine Luftströmung entlang der Sprühdüse bei 70 und 71 zu
induzieren, beeinträchtigt.
Darum befindet sich die Entladungselektrode vorzugsweise ausreichend
nahe bei der Sprühdüse 40 und
der Sprühspitze 46 und
ist relativ zu ihnen so ausgerichtet, dass die Ionen von der Entladungselektrode
das Aerosol nahe der Sprühspitze 46 schneiden
können,
bevor sich das Aerosol in größerem Maße verteilen
konnte.
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Die
erste Bezugselektrode 42 befindet sich zwischen der Sprühdüse 40 und
der Entladungselektrode 44. Diese Bezugselektrode kann
ein Draht, ein Sieb, eine Platte, ein Rohr oder eine sonstige Form sein,
die das Feld zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode
verändert.
Wenn die Bezugselektrode zur Beeinflussung des Luftstroms nahe der Sprühdüse und des
Taylor-Konus' verwendet
wird, so weist die vorzugsweise eine Form und eine Größe auf,
die für
diesen Zweck ausreichend sind. In einigen Ausführungsformen kann sich das
Sprüh-Ende 43 der
Bezugselektrode 42 nahe der Linie LOS, die die Sprühspitze 46 mit
der Entladungsspitze 48 verbindet, befinden, ohne diese
zu überschneiden.
In anderen Ausführungsformen
kann das Sprüh-Ende 43 der
Bezugselektrode 42 so angeordnet sein, dass es die Linie
LOS gerade so überschneidet.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Bezugselektrode 42 jedoch so positioniert, dass
sie die Linie LOS kreuzt und das Sprüh-Ende 43 hinter der
Linie LOS liegt, jedoch während
des Betriebes nicht wesentlich innerhalb der Region des Aerosolsprays
stromab wärts
der Sprühdüse liegt.
Wenn sich die Bezugselektrode in dieser bevorzugten Position befindet,
ist das elektrische Feld, das zwischen der Sprühdüse 40 und der Bezugselektrode 42 erzeugt
wird, im Wesentlichen von dem elektrischen Feld entkoppelt, das zwischen
der Entladungselektrode 44 und der Bezugselektrode 42 erzeugt
wird. Somit haben Änderungen
der relativen Position der Sprühdüse 40 relativ
zu der Bezugselektrode 42 oder Änderungen der elektrischen
Feldstärke,
die zwischen der Sprühdüse 40 und
der Bezugselektrode 42 erzeugt wird, allenfalls geringe
Auswirkungen auf das elektrische Feld, das zwischen der Entladungselektrode 44 und
der Bezugselektrode 42 erzeugt wird. Gleichermaßen haben Änderungen
der relativen Position der Entladungselektrode 44 relativ
zu der Bezugselektrode 42 oder Änderungen der elektrischen
Feldstärke,
die zwischen der Entladungselektrode 44 und der Bezugselektrode 42 erzeugt
wird, allenfalls geringe Auswirkungen auf das elektrische Feld,
das zwischen der Sprühdüse 40 und
der Bezugselektrode 42 erzeugt wird.
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Doch
das Vorhandensein und die Position der Bezugselektrode tragen mit
der Entladungselektrode zum Steuern der Richtung der Aerosolabgabe bei.
Ohne die Bezugselektrode würde
das geladene Aerosol dazu tendieren, zu der Spitze der Entladungselektrode
gezogen zu werden. Die positiven Ionen von der Spitze der Entladungselektrode
würden ebenfalls
zu dem Aerosol und der Spitze der Sprühdüse gezogen werden. Das Aerosol
und die positiven Ionen würden
dann dazu tendieren, sich im Wesentlichen zwischen der Sprühdüse und der
Entladungselektrode zu treffen. Die Bezugselektrode ist so positioniert,
dass sie diese Tendenz derart reduziert, dass sich das Aerosol und
die positiven Ionen näher
am Schnittpunkt ihrer jeweiligen Mittelachsen stromabwärts der
Elektroden kreuzen. In vielen Anwendungen ist die Entladungselektrode
so positioniert, dass das Aerosol im Allgemeinen in die Richtung
des positiven Ionenstroms und zu dem gewünschten Ziel hin bewegt wird.
In einer Anwendung für
eine Lungenmedikamentenabgabe wäre
das gewünschte
Ziel im Allgemeinen der Austritt der Vorrichtung, die eine Schnittstelle
zum Mund des Benutzers bilden würde.
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Die
Entladungselektrode 44 und die Bezugselektroden 42, 58, 60 sind
in der EHD-Vorrichtung in einer solchen Weise und relativ zu der
Sprühdüse 40 so
befestigt, dass eine Gasquelle entlang eines Gasströmungspfades,
wie zum Beispiel bei 70 und/oder 71, entlang der
Sprühdüse strömen kann.
Es wurde festgestellt dass diese Luftbewegung entlang des Gasströmungspfades 70 und/oder 71 zu
einem sehr stabilen Taylor-Konus an der Spitze 46 beiträgt. Der Luftstrom
unterstützt
auch die Bewegung des Aerosols zu dem Ort, an dem die positiven
Ionen von der Entladungselektrode auf das Aerosol treffen. Der Luftstrom
entlang des Pfades 70 und/oder 71 scheint wenigstens
teilweise durch den Koronawind von der Entladungselektrode 44 induziert
zu sein. Außerdem kann
durch Steuern der Menge des Luftstroms bei 70 und 71 (beispielsweise
durch stromaufwärtigen
Widerstand) und der Menge des Koronawindes (beispielsweise durch
Steuern der Spannung oder des stromaufwärtigen Widerstandes in dem
Strömungspfad)
die Strömungsrichtung
des Aerosols etwas geändert
werden.
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Vorzugsweise
sind die Bezugselektrode 42 und die Sprühdüse 40 so positioniert,
dass die elektrische Feldstärke
zwischen der Sprühspitze 46 und dem
Sprüh-Ende 43 am
größten ist,
wie zum Beispiel, wenn die zu einander winklig sind und die Sprühspitze 46 und
das Sprüh-Ende 43 relativ
näher zusammen
sind als andere Teile der Elektroden. Diese relative Position der
Sprühdüse 40 und
der Bezugselektrode 42 minimiert jede Tendenz des abgegebenen
Fluids, die Außenseite
der Sprühdüse 40 zu umhüllen oder
sich daran zu sammeln. Aufgrund des Koronawindes hat sie auch eine
gewisse positive Auswirkung auf den induzierten Luftstrom bei 70 und/oder 71 vorbei.
Das Ansammeln von Fluid an der Außenseite der Sprühdüse 40 (wobei
die Sprühdüse ziemlich
verti kal und die Düsenspitze
im Wesentlichen am niedrigsten Punkt ist) ist am wahrscheinlichsten,
wenn die Sprühdüse 40 das
Aerosol in der Aufwärtsrichtung
abgibt, und ist am unwahrscheinlichsten, wenn die Sprühdüse 40 das
Aerosol in der Abwärtsrichtung
abgibt. Das Ansammeln von Fluid verringert die Menge des Fluids,
die in ein Aerosol umgewandelt wird. Außerdem hat diese Fluidansammlung
das Potenzial, den Taylor-Konus zu unterbrechen oder zu stören. Jede
Unterbrechung oder Störung
dieses Konus' wirkt
sich negativ auf die Aerosoltröpfchengröße und die
Tröpfchengrößenverteilung
aus. Diese relative Position der Sprühdüse 40 und der Bezugselektrode 42 minimiert
auch die Tendenz des Aerosols, die Bezugselektrode 42 zu
umhüllen
oder sich daran zu sammeln. Jede Ansammlung des Aerosols an der
Bezugselektrode 42 verringert die Menge des Aerosols, das
von der EHD-Aerosolsprühvorrichtung
an den Benutzer abgegeben wird. Die Feldstärke zwischen der Bezugselektrode 58 und
der Sprühdüse 40 ist
ebenfalls gleichermaßen nahe
der Sprühspitze 46 größer.
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Zum
Induzieren des Luftstroms an der Sprühspitze vorbei ist die Bewegung
des Koronawindes von der Sprühspitze 46 weg
am vorteilhaftesten, wie zum Beispiel, wenn die Mittelachse 45 der
Entladungselektrode parallel zu der Mittelachse 41 der Düse oder
in einem spitzen Winkel verläuft.
Natürlich muss
der Koronawind das Aerosol auf irgend eine Art schneiden, um die
Richtung des Aerosols zu beeinflussen. Bei der Verwendung zur Abgabe
therapeutischer Mittel durch Inhalation ist es auch wünschenswert,
die EHD-Vorrichtung parallel zu dem oder über den Mund des Benutzers
zu halten. Dieser Wunsch legt nahe, dass es vorteilhafter wäre, die
Richtung des Aerosols um bis zu 90 Grad so zu verschieben, dass
es im Wesentlichen horizontal an den Benutzer abgegeben wird. Diese
beiden Wünsche
können durch
Beibehalten eines Winkels 56 zwischen der Mittelachse 41 der
Düse und
der Mittelachse 45 der Entladungselektrode zwischen etwa
0 und 90 Grad, besonders bevorzugt zwischen 0 und 60 Grad, erfüllt werden.
Die Erfindung arbeitet auch bei Winkeln über 90 Grad weiter, doch es
versteht sich, dass das Aerosol bei diesen größeren Winkeln durch den Koronawind
mehr in die allgemeine Richtung der Düse umgeleitet wird. Letztendlich
würde sich
der Koronawind bei 180 Grad im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse
der Düse
bewegen und würde
das Aerosol möglicherweise
zurück
zu der Düse
führen.
Das würde
den Zweck der Erfindung im Wesentlichen zunichte machen. Das Aerosol
wird ganz besonders bevorzugt durch die Entladungselektrode zu dem
Vorrichtungsaustritt hin und/oder letztendlich zu dem Benutzer gerichtet,
der ein Mundstück
nahe dem Austritt berührt.
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Die
Entladungselektrodenspitze 48 kann sich entweder stromaufwärts oder
stromabwärts
der Sprühspitze 46 befinden.
Wie zuvor erwähnt,
können in
dieser Position stromaufwärts
und ausreichend nahe der Sprühspitze 46 die
Ionen von der Entladungselektrode das Aerosol in der Nähe der Sprühspitze
schneiden, bevor sich das Aerosol in einem größeren Maße verteilt hat. Mit dem Begriff "stromaufwärts" der Sprühspitze 46 ist
gemeint, dass sich bei einer vertikalen Ausrichtung der Sprühdüse die Entladungselektrodenspitze über einer
Linie befindet, die durch die Sprühspitze 46 hindurch
senkrecht zu der Mittelachse 41 der Düse gezogen ist. Mit dem Begriff "stromabwärts" ist gemeint, dass
sich die Entladungselektrodenspitze unter den oben beschriebenen
Bedingungen unterhalb der senkrechten Linie befinden würde.
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Vorzugsweise
sind die Bezugselektrode 42 und die Entladungselektrode 44 so
positioniert, dass die elektrische Feldstärke zwischen dem Sprüh-Ende 43 und
der Entladungsspitze 48 am größten ist. Diese relative Position
der Entladungselektrode 44 und der Bezugselektrode 42 minimiert
die Menge der ionisierten Luftmoleküle, die zu der Bezugselektrode 42 fließen. Somit
maximiert diese Konfiguration die Anzahl der ionisierten Luftmoleküle (Koronawind), die
zum Entladen des Aerosols verfügbar
sind. Außerdem
maxi miert diese Konfiguration auch allgemein die Aerosolmenge, die
sich mit dem Koronawind und dem induzierten Luftstrom an dem Taylor-Konus
vorbei bewegt.
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Die
Gleichspannungsquelle 50 verbindet die Sprühdüse 40 elektrisch
mit der Bezugselektrode 42 und hält die Sprühdüse 40 auf einem negativen
Potenzial. Die Gleichspannungsquelle 52 verbindet die Entladungselektrode 44 elektrisch
mit der Bezugselektrode 42 und hält die Entladungselektrode 44 auf einem
positiven Potenzial. An der Entladungselektrode ist ein positives
Potenzial bevorzugt, um den oben besprochenen Koronawind auszubilden.
Eine negative Spannung an der Entladungselektrode 44 würde einen
Ionenstrom leichter ausbilden, doch diese negativen Ionen (Elektronen)
weisen eine sehr kleine Masse auf. Somit hat die Verwendung von
Elektronen zum Entladen des Aerosols relativ wenig Auswirkung auf
die Bewegung des Aerosols. Die Spannungsquellen 50 und 52 stellen
normalerweise zwischen ein und zwanzig Kilovolt bereit, wobei die
bevorzugte Spannung zwischen drei und sechs Kilovolt beträgt. Die
beste Spannung zum Vernebeln eines speziellen Fluids in Aerosolform
ist von den Eigenschaften des Fluids abhängig, insbesondere der Leitfähigkeit
oder dem Widerstand, der Viskosität, der Oberflächenspannung
und der Strömungsrate.
Außerdem
haben die relativen Positionen der Sprühdüse 40, der Bezugselektrode 42 und
der Entladungselektrode 44 normalerweise einen gewissen
Einfluss auf die am besten an die Sprühdüse 40 und die Entladungselektrode 44 anzulegende(n)
Spannung(en). Ferner beeinflussen die Art der Düsenspitze 46 und die
Größe der Aerosoltröpfchen auch
die in einer bestimmten Anwendung Idealerweise verwendete Spannung.
Der mit der Konstruktion und Verwendung von EHD-Sprühvorrichtungen
befasste Durchschnittsfachmann ist mit den typischen Spannungen, die
für spezielle
Fluide und Vorrichtungsgeometrien verwendet werden, vertraut. In
einigen Ausführungsformen
kann das Hinzufügen
eines Widerstands in Reihe mit den Spannungsquellen 50 und/oder 52 erforderlich
sein, um eine Lichtbogenbildung zwischen der Sprühdüse 40 und der Bezugselektrode 42 oder zwischen
der Bezugselektrode 42 und der Entladungselektrode 44 zu
verhindern.
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5 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung für
die Abgabe von Medikamenten an die Lunge in einer klinischen Umgebung,
wo die Quelle des in Aerosolform zu vernebelnden Fluids (und optional
das Steuersystem) von der EHD-Vorrichtung räumlich entfernt liegt. Eine
EHD-Sprühvorrichtung
ist in einer Vorrichtung 80 untergebracht, die von der
Quelle des Fluids räumlich
entfernt liegt. Fluid wird an dem Abgaberohr 81 in die
Sprühdüse 88 eingeleitet.
Hilfsluft 98 kann zum Beispiel durch den Luftweg 82 nacheinander
einem Inhalationszyklus hinzugefügt
werden. Die Vorrichtung 80 hat über die Austrittsleitung 84,
die zu einem Mundstück
oder einer Gesichtsmaske für
den Patienten führen
kann, eine Schnittstelle zu dem Patienten. Die Vorrichtung 80 enthält auch
eine Entladungselektrode 90 und Bezugselektroden 91 und 92. Ein
Hochpotenzialfeld wird zwischen der Entladungselektrode und der
Sprühdüse in der
oben beschriebenen Art und Weise aufrecht erhalten. An der Bezugselektrode 91 liegt
ebenfalls ein Potenzial an, das zwischen dem Potenzial der Sprühdüse und dem
Potenzial der Entladungselektrode liegt. Aus den oben genannten
Gründen
hat die Entladungselektrode vorzugsweise ein positives Potenzial
und die Sprühdüse ein negatives
Potenzial. Bevorzugt haben beide Bezugselektroden 91 und 92 zweckmäßigerweise
ein Erdungspotenzial. Auch hier liegen wieder mehrere Sprühdüsen, Entladungs-
und Bezugselektroden innerhalb des Geltungsbereichs dieser Ausführungsform.
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Eine
Strömungsbegradigungsplatte 86 ist
in der EHD-Vorrichtung
stromaufwärts
der Elektroden befestigt. In der Strömungsbegradigungsplatte sind Durchgangslöcher 94 und 96 ausgebildet,
um Gas an der Entladungselektrode vorbei und an der Sprühdüse 88,
der Sprühspitze
und dem Taylor-Konus vorbei entlang Pfaden am Austrittsende der
Sprühdüse zu leiten.
Dieser Strom stabilisiert den Taylor-Konus an der Sprühspitze
und unterstützt
den Transport des Aerosols von der einen oder den mehreren Sprühspitzen
weg. Die Löcher 96 nahe
der Sprühdüse sind vorzugsweise
größer als
die Löcher 94,
die von der Sprühdüse weiter
weg angeordnet sind, um einen größeren Luftstrom
an der Sprühspitze
vorbei zu unterstützen.
Die Größe der Löcher kann
geändert
werden, um den Strom an der Sprühspitze
vorbei in Bezug auf den Ort und die Geschwindigkeit anzupassen.
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Der
Koronawind 100 von der Entladungselektrode 90 unterstützt auch
das Induzieren der Strömung
an der Sprühspitze
vorbei, insbesondere wenn der Patient nicht inhaliert. Mit der Kraft
einer starken Inhalation durch den Patienten wird die Hilfsluft 98 durch
den Strömungsbegradiger
hindurch und an der Sprühspitze
vorbei induziert. Wenn der Patient eine eingeschränkte Atmungsfähigkeit
hat oder wenn das Dosieren unabhängig
von der Inhalation des Patienten gewünscht ist, so erzeugt der Koronawind
die Kraft zum Induzieren des Luftstroms an der Sprühspitze
vorbei.
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6 zeigt
die Verwendung mehrerer Strömungsdeflektoren
zum Anpassen der Strömung
an dem Taylor-Konus vorbei. Eine Sprühdüse 120 steht mit einer
Quelle eines in Aerosolform zu vernebelnden Fluids in strömungsmäßiger Verbindung.
Wie oben beschrieben, wird am Ende der Sprühdüse an der Sprühspitze 121 ein
Taylor-Konus 125 gebildet. Der erste Deflektor 122 (der
die Sprühdüse 120 vollständig umgeben
könnte)
wird mit einer Gasquelle verwendet, um den Strom 126 und 128 an
der Sprühdüse 120 und
der Sprühspitze 121 vorbei
zu lenken. Der zweite Strömungsdeflektor 124 (der
die Sprühdüse 120 und
den ersten Strömungsdeflektor 122 vollständig umgeben
kann) wird verwendet, um eine Gasquelle entlang der Pfade 132 und 134 in
einem Winkel relativ zu dem Strom 126 und 128 zu
lenken. Aufgrund der Winkelbeziehung neigt der Strom 132, 234 dazu,
die Ströme 126, 128 stärker in
Richtung der Sprühspitze
und des Taylor-Konus' 125 zu
komprimieren, um den Taylor-Konus vorteilhafter zu schützen und
das Aerosol zu umhüllen.
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7 zeigt
einen alternativen Aufbau des Strömungsdeflektors, der besonders
nützlich
ist, wenn es wünschenswert
ist, den Luftstrom an den Sprühdüsen vorbei
auf eine sehr niedrige Geschwindigkeit und Strömungsrate zu verringern. Die EHD-Vernebelung
findet wie in der Vorrichtung von 1 statt.
Einem Düsenblock 72 und
einzelnen Düsen 73 wird
durch ein Zuführrohr 74 Fluid
zugeführt. An
die Düsen
wird ein elektrisches Potenzial angelegt, das das Fluid so auflädt, dass
beim Austreten des Fluids aus der Spitze oder dem Ende der Düsen 73 ein
sogenannter Taylor-Konus gebildet wird. Diese Konusform resultiert
aus einem Gleichgewicht der Kräfte
der elektrischen Ladung in dem Fluid und der eigenen Oberflächenspannung
des Fluids. Es ist wünschenswert,
dass die Ladung in dem Fluid die Oberflächenspannung überwindet
und sich an der Spitze des Taylor-Konus' ein dünner Fluidstrahl ausbildet,
der sich anschließend
kurz nach der Spitze schnell in ein Aerosol auftrennt.
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Stromabwärts von
den Sprühdüsen 73 befindet
sich ein Halter 77, der eine oder mehrere Entladungselektroden 75 und
eine oder mehrere Bezugselektroden 76 aufweist. In einigen
Anwendungen, in denen neutrale Tröpfchen bevorzugt sind, wird
die Ladung der Tröpfchen
mittels der Entladungselektrode, deren elektrische Ladung der Polarität der Tröpfchen entgegengesetzt
ist, auf einen gewählten
Grad entladen. In einem bevorzugten Modus weisen die Tröpfchen eine
negative Ladung auf, und die Entladungselektrode erzeugt aus den
Gasmolekülen
nahe einer Ionisierungsstelle positive Ionen. Einige Anwendungen
können
eine teilweise Entladung erfordern, wobei in einem solchen Fall
die Position und die Ladung an der Entladungselektrode angepasst
werden können,
um eine teilweise Entladung zu erzeugen. Wenn in einer bevorzugten
Ausführungsform
die Entladungselektroden 75 ein positives Potenzial haben,
so haben die Bezugselektroden 76 ein Potenzial, das in
Bezug auf das Potenzial der Entladungselektroden negativ ist (wobei
dieses Potenzial vorzugsweise ein Erdungspotenzial sein kann). Vorzugsweise
wird vermieden, dass positive Ionen zu der negativen Sprühspitze
wandern, wo sie das elektrische Feld um den Taylor-Konus herum stören können. Aufgabe
dieser Bezugselektroden ist es, eine Vorspannung bereitzustellen
(aufgrund ihres Potenzials und ihrer Nähe), damit die positiven Ionen
ein wenig stromabwärts
zu den Bezugselektroden hin gezogen werden, insbesondere beim Einschalten
der Vorrichtung. Nach dem Einschalten wandern die negativen Aerosolpartikel
stromabwärts
zu den Entladungselektroden hin und ziehen vorzugsweise die positiven
Ionen von den Düsen 73 weg.
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Es
hat sich gezeigt, dass das Aerosol in einigen Anordnungen eine solche
elektrische Anziehung zu den Entladungselektroden hin aufweisen
kann, bevor es von der Düsensprühspitze
abreißt,
dergestalt, dass der Taylor-Konus selbst von seinem normalen abwärts gerichteten
Erscheinungsbild (wie in 2 gezeigt) zu einer Ausrichtung
fortgezogen werden kann, in der seine Spitze eigentlich mehr in
Richtung seiner nächstgelegenen
Entladungselektrode weist, wie bei 118 gezeigt. Wenn sich
ein Luftstrom mit hoher Geschwindigkeit an der Düse vorbei bewegt, so können die
oben erwähnten
Vorteile durch eine Scherwirkung an dem nach außen weisenden Taylor-Konus 118 teilweise
verloren gehen. Es wurde festgestellt, dass die Luftströmung an
der Düse
vorbei nötig
ist. Ihre Geschwindigkeit sollte in diesen Fällen verringert werden, bis
die Scherwirkung verringert ist.
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Das
kann gemäß der Erfindung
erreicht werden, indem man den Strömungsdeflektor als einen Diffusor 78 gestaltet.
Der Diffusor ist ein Deflektor, der an dem Lufteintrittspunkt einen
kleineren Querschnitt aufweist und stromabwärts nahe der Sprühspitze
der Düse
einen größeren Querschnitt
aufweist. Aufgrund der Erweiterung des Querschnitts nimmt die Geschwindigkeit
der Luftströmung
entlang ihres Pfades ab. Während
des Betriebes tritt Luft durch Löcher 12 in
den Wänden
der Vorrichtung 10 ein. Je nach dem Strömungswiderstand des Diffusors
strömt ein
Teil 112 der Luft in den Diffusor und an den Düsen und
dem Taylor-Konus vorbei. Ein weiterer Teil der Luft wird durch den
Diffusor stromabwärts
von den Düsen
außerhalb
des Diffusors weg abgeleitet. Zum Beispiel kann ein Teil 114 der
Luft zwischen dem Diffusor und dem Halter 77 strömen, und
ein dritter Teil 116 der Luft kann an der Wand der Vorrichtung
herunter strömen.
Natürlich
hängt die
Richtung der zusätzlichen
Luftanteile von der stromabwärtigen
Konstruktion der Vorrichtung ab. In einer bevorzugten Ausführungsform,
wie in 7 gezeigt, können
die Teile 114 und/oder 116 eine Hülle aus
Luft um das Aerosol herum bilden, während es sich durch die Vorrichtung
hindurch bewegt, um zu verhindern, dass sich das Aerosol an den
inneren Komponenten (einschließlich
der Entladungselektroden 75 und/oder der Bezugselektroden 76)
oder an den Vorrichtungswänden
ablagert.
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Auch
hier kann der Strom 112 an den Düsen vorbei durch den relativen
Strömungswiderstand
für die
Luftströmung
bei 112 relativ zu den anderen Strömungspfaden gesteuert werden.
Zum Beispiel kann der Strömungswiderstand
für den
Strom 112 durch die Position und die Länge des Diffusors, den Querschnitt
des Strömungsbereichs
zwischen dem Diffusor und dem Düsenblock 72 und
die Position der Löcher 12 beeinflusst
werden. Wie oben erwähnt,
wird die Geschwindigkeit der Luft an der Sprühspitze vorbei auch durch die
Vergrößerung des
Querschnitts des Diffusors beeinflusst.
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BEISPIEL
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Es
wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um den Anteil der versprühten Flüssigkeitsmasse
zu bestimmen, die durch eine EHD-Sprühvorrichtung ohne Ablagerung
an den Vorrichtungswänden
transportiert wurde. Die Vorrichtung bestand aus einer EHD-Sprühvorrichtung,
die an einer Kammer befestigt war, die eine 45-Grad-Biegung, eine
Einlassluft um die Sprühdüsen herum
und einen Auslass enthielt. In den Vorrichtungswänden wurden Löcher so
angeordnet, dass die verdeckt oder freigegeben werden konnten, um
Luft durch die Wände
hindurchzulassen oder zu sperren. Messungen zeigten, dass, wenn
die Luftgeschwindigkeit um die Sprühdüsen herum wesentlich niedriger
war als die geschätzte
durchschnittliche Luftgeschwindigkeit etwa 1 cm stromabwärts der
Sprühspitzen,
die Massentransfereffizienz sehr gering war, da sich die meisten
Tropfen an den Vorrichtungswänden
ablagerten. Wenn die Luftgeschwindigkeit auf einen Wert erhöht wurde,
der so groß war
wie – oder
größer war als – die durchschnittliche
Luftgeschwindigkeit etwa 1 cm stromabwärts der Sprühspitzen, so war die Masseneffizienz
hoch – in
der Regel über
80 Prozent (des durch die Vorrichtung geleiteten Fluids). Die Effizienz konnte
durch Verändern
der Menge der Luft verändert
werden, die durch die Löcher
in den Wänden
hindurchgelassen wurde.