EP1718412A1 - Gerät und anordnung zur erzeugung von einzeltropfen aus flüssigkeiten unterschiedlicher viskosität in gasförmigen und/oder flüssigen medien - Google Patents

Gerät und anordnung zur erzeugung von einzeltropfen aus flüssigkeiten unterschiedlicher viskosität in gasförmigen und/oder flüssigen medien

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EP1718412A1
EP1718412A1 EP05715480A EP05715480A EP1718412A1 EP 1718412 A1 EP1718412 A1 EP 1718412A1 EP 05715480 A EP05715480 A EP 05715480A EP 05715480 A EP05715480 A EP 05715480A EP 1718412 A1 EP1718412 A1 EP 1718412A1
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EP
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nozzle
liquid
drops
compressed air
liquids
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Withdrawn
Application number
EP05715480A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Pommersheim
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CAVIS MICROCAPS GmbH
Original Assignee
CAVIS MICROCAPS GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by CAVIS MICROCAPS GmbH filed Critical CAVIS MICROCAPS GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/02—Spray pistols; Apparatus for discharge
    • B05B7/06—Spray pistols; Apparatus for discharge with at least one outlet orifice surrounding another approximately in the same plane
    • B05B7/062—Spray pistols; Apparatus for discharge with at least one outlet orifice surrounding another approximately in the same plane with only one liquid outlet and at least one gas outlet
    • B05B7/066—Spray pistols; Apparatus for discharge with at least one outlet orifice surrounding another approximately in the same plane with only one liquid outlet and at least one gas outlet with an inner liquid outlet surrounded by at least one annular gas outlet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/02—Spray pistols; Apparatus for discharge
    • B05B7/04—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge
    • B05B7/0416—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge with arrangements for mixing one gas and one liquid
    • B05B7/0483—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge with arrangements for mixing one gas and one liquid with gas and liquid jets intersecting in the mixing chamber

Definitions

  • the invention relates to a device by means of which drops can be produced from liquids of different viscosities in both gaseous and liquid media.
  • the core of this arrangement is a nozzle with no moving parts, which has a modular structure.
  • the liquid is guided inside the nozzle via a capillary " .
  • the tear off of the drops is achieved by an air flow which is guided concentrically to the central capillary in the interior of the nozzle Capillaries themselves have ejected.
  • liquid jets are generated by pressing the liquid starting materials through capillary openings. The only differences are in the methods by which these rays are broken down into individual drops.
  • the jet is resolved by centrifugal forces or by resonance vibrations, in the second by the axial action of additional, usually gaseous media.
  • additional, usually gaseous media in the first category, the jet is resolved by centrifugal forces or by resonance vibrations, in the second by the axial action of additional, usually gaseous media.
  • the present invention joins the second group.
  • Y-nozzles Another category are the so-called Y-nozzles. They work on the principle that a liquid column created in a capillary is interrupted by a pulsed air flow inside the capillary. This will expel the drop.
  • the device uses a Y-shaped tube structure.
  • the liquid is pressed through the one Y-branch.
  • the liquid column in the interior of the tube is interrupted by an air flow which is passed over the 2-Y branch.
  • the structure is designed according to the invention for functioning in gaseous media.
  • the invention has for its object to describe a device that works with a nozzle, both of the above.
  • Functional principle united in one Namely, a drop tear-off which is caused both by a concentric air flow inside the nozzle and by an interruption of the liquid flow in the liquid-carrying capillaries themselves.
  • the nozzle is designed so that it can be used in both gaseous and liquid media can.
  • the device or the arrangement is divided into two sections, the nozzle, and the periphery with additional control components which serve to supply the media and control the nozzle.
  • the nozzle is constructed as shown in FIG. 1. This nozzle can also be used directly in the liquid, ie without any drop distance for the drops. This offers advantages especially where there are special requirements regarding sterility.
  • Part A is designed so that it forms a capillary through the bore in its interior and the taper in the front part. The liquid is pressed into this capillary via the hose connection 1. Perpendicular to this hole there is a second channel, which is provided with a hose connection 2 and is used to supply compressed air. If one now presses a liquid through part A via hose connection 1, then interruptions in the liquid flow which emit the liquid drops can be generated by compressed air pulses which enter the channel via hose connection 2.
  • part B air can be blown into the interior of part B via part C, concentrically with the liquid-carrying capillaries (part A).
  • part A liquid-carrying capillaries
  • the nozzle works in such a way that the droplet is torn off by a concentric air stream that is blown into the interior of part B via part C.
  • Hose connection 2 is previously closed either by an appropriate valve position or mechanically by a sealing element.
  • part B can be unscrewed together with part C and the outlet opening of part A can be completely immersed in a liquid, for example in a precipitation reagent for the droplets formed. Due to the interruptions in the liquid jet, which are caused by the air pulses applied via connection 2, the drops are shot into the precipitation reagent.
  • FIG. 2a shows the arrangement according to the invention with the nozzle from FIG. 1 for use in gaseous media.
  • Appropriate control of valve PV closes port 2 on the nozzle.
  • the hose connection 2 can also be closed with a suitable sealing element.
  • the nozzle works as follows: Via a regulating and control device, which contains a pressure regulating valve DR, a manometer and a shut-off valve BV, we pressurize a storage container. This container contains the liquid material to be dripped. Due to the pressure, the liquid is pressed through the capillary of the nozzle. The air flow that controls the tear-off at the capillary is set with the control valve RV and measured with a measuring tube. A cross-sectional constriction creates a pressure difference inside the measuring tube, which is dependent on the air flow that flows through the tube. This pressure difference is recorded by a differential pressure measuring device, which is connected to the two measuring sockets of the pipe. The higher the air flow, the smaller the drops obtained. With this setting, the frequency generator and the valve PV (sealing the second nozzle opening with a sealing element) can also be dispensed with.
  • a regulating and control device which contains a pressure regulating valve DR, a manometer and a shut-off valve BV.
  • Fig. 2b the nozzle outlet opening is completely immersed in the fill reagent in the container 1 for the filler to be dripped.
  • the about the Re ⁇ el- and control unit 2 regulated air pulsed via the valve PV and the frequency generator interrupts the liquid flow inside the nozzle and shoots the drops into the precipitation reagent.
  • the feed of the liquid to be dripped through the nozzle is set via the regulating and control device 1 as described in FIG. 2a.

Landscapes

  • Nozzles (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät mit dessen Hilfe Tropfen aus Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität sowohl in gasförmigen als auch flüssigen Medien erzeugt werden können. Kernstück dieser Anordnung ist eine Düse ohne bewegte,Teile, die modular aufgebaut ist und die sowohl in gasförmigen Medien als auch in Flüssigkeiten eingesetzt werden kann.

Description

Beschreibung Gerät und Anordnung zur Erzeugung von Einzeltropfen aus Flösslgkelten unterschiedlicher Viskosität in gasförmigen und/oder flussigen Medien
Die Erfindung .bezieht sich auf ein Gerät mit dessen Hilfe Tropfen aus Flüssigkeiten unterschiedlicher- Viskosität sowohl in gasförmigen als auch flüssigen Medien erzeugt werdery können. Kernstück dieser Anordnung ist eine Düse ohne bewegte Teile, die modular aufgebaut ist. Die Flüssigkeit wird im Inneren der Düse über eine Kapillare" geführt. In gasförmiger Umgebung wird der Tropfenabriss durch einen konzentrisch zu der zentralen Kapillare im Inneren der Düse geführten Luftstrom erreicht. In gasförmigen Medien werden die Tropfen durch Druckluftstöße, die eine Unterbrechung des Flüssigkeitsstromes in der Kapillaren selbst zur Folge haben ausgestoßen.
In der technologischen Praxis ist es häufig erforderlich, Einzeltropfen aus verschiedenen Flüssigkeiten zu erzeugen. Die einfachste und verbreitetste Methode dies zu erreichen ist das Versprühen mittels geeigneter Düsen. Solche Düsen werden in einer sehr großen konstruktiven Vielfalt kommerziell angeboten. Die Palette reicht vom einfachen Brausenkopf oder Rasensprenger bis hin zu den Hightech Entwicklungen aus den Bereichen Maschinenbau oder Farben und Lacke. Alle diese System sind so konstruiert, das sie einen Sprühnebel oder zumindest einen Sprühstrahl erzeugen, der aus unzähligen Tropfen besteht, die jedoch einzeln weder beeinflussbar noch näher definierbar sind.
Will man jedoch genau definierte Tropfen erzeugen, um auf diese Weise durch chemisches oder physikalisches Aushärten sphärische Partikel zu erhalten, sind die o.g. Systeme aufgrund ihrer Ungenauigkeit im Hinblich auf die generierten Einzeltropfen unbrauchbar. Für solche Zwecke werden Anordnungen eingesetzt, die in der Lage sind, • präzise Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen, die nachträglich in Einzeltropfen definierter Größen aufgelöst werden.
Bei all diesen Systemen werden die -Flüssigkeitsstrahlen durch Pressen der flüssigen Ausgangsstoffe durch Kapillaröffnungen erzeugt. Unterschiede tauchen lediglich bei den Verfahren auf, durch die diese Strahlen In Einzeltropfen zerlegt werden.
Die Methoden hierfür können in zwei große Gruppen unterteilt werden:
1. Verfahren bei denen der Flüssigkeitsstrahl außer seiner axialen auch noch andere Bewegungen wie Rotation oder Schwingung erfährt und 2. Verfahren bei denen der Flüssigkeitsstrahl außer seiner axialen Fließbewegung keine zusätzliche Bewegung erfährt.
Bei der ersten Kategorie wird der Strahl durch Zentrifugalkräfte bzw. durch Resonanzschwingungen aufgelöst, bei der zweiten durch die axiale Einwirkung zusätzlicher in der Regel gasförmiger Medien. Die vorliegende Erfindung reiht sich die zweite Gruppe ein.
In der Fachliteratur findet man an vielen Stellen Systeme, die der Erzeugung von Einzeltropfen aus Flüssigkeiten dienen. Nachfolgend seien nur einige stellvertretend erwähnt.
So beschreiben beispielsweise F. Lim und A. Sun in der Zeitschrift „Science Band 210, Seiten 908-910, 'Jahrgang 1980 eine Methode, die Kapillaren verwendet, bei denen der Tropfen über einen Luftstrom abgerissen wird. Man erhält so Kapselkgrößen zwischen ca. 200 μm und ca. 2 mm mit einer sehr engen Größenverteilung. In dieser Veröffentlichung geht es jedoch in erster Linie um eine Methode zur Verkapselung von Zellen, eine komplette Laborapparatur zur Tropfenerzeugung ist darin nicht enthalten
Ein anderes Verfahren zur Tropfenerzeugung ist jenes, das in der Patentanmeldung DE 3836894 beschrieben wird. Hier werden mehrere Kapillaren in Schwingung versetzt, was zu einem Zerteilen der Flüssigkeitsstrahlen in Einzeltropfen führt. Die erhaltene Kapseln haben auch hier Durchmesser zwischen ca. 200 μm und ca. 2 mm, wobei die Produktivität deutlich höher als bei den o.g. Düsen ist, jedoch bei einer viel breiteren Größenverteilung. Auch erfordert das System bei jeder neuen Anwendung eine Neujustierυng.
Alle diese Systeme bedienen sich immer einer Vorrichtung zur Tropfenerzeugung, die oft auch bewegte Teile enthält. Dadurch wird die Flexibilität stark eingeschränkt oder der Aufwand für Wartung und Handhabung steigt. Auch funktionieren sie nur in gasförmigen Medien, da immer eine Fallstrecke für die Tropfen erforderlich ist. Sie können demnach nicht direkt in Flüssigkeiten eingesetzt werden.
Eine andere Kategorie sind die sogenannten Y-Düsen. Sie Funktionieren nach dem Prinzip, dass eine in einer Kapillaren erzeugte Flüssigkeitssäule durch einen gepulsten Luftstrom im Inneren der Kapillare unterbrochen wir. Dadurch wird der Tropfen ausgestoßen.
Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der Anmeldung PCT/EP99/01673 (WO 99/47906) beschrieben. Die Vorrichtung bedient sich eines Y-förmigen Röhrenaufbaus. Durch den einen Y-Ast wird die Flüssigkeit gepresst. Dis Flüssigkeitssäule im Inneren der Röhre wird von einem Luftstrom unterbrochen, der über den 2- Y-Ast geführt wird. Der Aufbau ist gemäß der Erfindung für ein Funktionieren in gasförmigen Medien konzipiert.
Ein ähnliches Funktionsprinzip liegt auch der japanischen Anmeldung Nr. 08252913 zu Grunde. Allerdings wird hier der eine Y-Ast durcfn eine vibrierende Platte verschlossen und über den zweiten die Flüssigkeit zugeführt. Auf diese Weise kommt die Anordnung ohne zusätzliche Luft aus. Der Tropfen wird über den D ruck ausgestoßen, der über die vibrierende Platte erzeugt im wird. Auch diese Vorrichtung ist für den Einsatz in gasförmigen Medien konzipiert.
Ausgehend von dieser Sachlage liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zu beschreiben, das mit einer Düse funktioniert, die beide o.g. Funktionsprinzipein miteinander vereint. Und zwar, ein Tropfenabriss der sowohl durch einen konzentrischen Luftstrom im Inneren der Düse herbeigeführt wird als such durch eine Unterbrechung des Flüssigkeitsstromes in der flüssigkeitsführenden Kapillaren selbst. Darüber hinaus ist die Düse so konzipiert, dass sie sowohl in gasförmigen als auch in Flüssigen Medien eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß gliedert sich das Gerät oder die Anordnung in zwei Abschnitte, der Düse, und der Peripherie mit zusätzlichen Steuerungskomponenten, die der Medienversorgung und Ansteuerung der Düse dient.
Die Düse ist wie in Fig. 1 dargestellt aufgebaut Diese Düse kann auch direkt in der Flüssigkeit eingesetzt werden, also ohne jede Fallstrecke für die Tropfen. Dies bietet vor allem dort Vorteile, wo besondere Anforderungen in Bezug auf Sterilität bestehen. Teil A ist so ausgestaltet, dass es durch die Bohrung in seinen Inneren und der Verjüngung im vorderen Teil eine Kapillare bildet. In diese Kapillare wird die Flüssigkeit über den Schlauchanschluss 1 gepresst. Senkrecht zu dieser Bohrung, befindet sich ein zweiter Kanal, der mit einem Schlauchanschluss 2 versehen ist und der Druckluftzufuhr dient. Presst man nun über Schlauchanschluss 1 eine Flüssigkeit durch Teil A, so können durch Druckluftpulse, die über den Schlauchanschluss 2 in den Kanal gelangen, im Flüssigkeitsstrom Unterbrechungen erzeugt werden, die die Flüssigkeitstropfen ausstoßen. Zusätzlich dazu kann über Teil C konzentrisch zur -flüssigkeitsführenden Kapillaren (Teil A) Luft in das Innere von Teil B eingeblasen werden. Dadurch kommt es auch ohne die Ober Schlauchanschluss 2 zugeführtem Luftpulse zum Tropfenabriss. Der Durchmesser der erhaltene Tropfen steht im umgekehrten Verhältnis zu dem über Teil C zugeführten Luftstrom.
Dadurch ergeben sich für die Düse je nach Verwendung zwei unterschiedliche Funktionsweisen:
1. in gasförmigem Medium arbeitet die Düse so, dass der Tropfenabriss durch eine konzentrischen Luftstrom erzielt wird, der über Teil C in das Innere von Teil B geblasen wird. Schlauchanschluss 2 wird vorher entweder durch eine entsprechende Ventilstellung oder mechanisch durch ein Dichtungselement verschlossen. 2. in flüssigem Medium kann Teil B zusammen mit Teil C abgeschraubt werden und die Austrittsöffnung von Teil A vollständig in eine Flüssigkeit getaucht werden, beispielsweise in ein Fällreagenz für die entstehenden Tropfen. Durch die Unterbrechungen im Flüssigkeitsstrahl, die durch die über Anschluss 2 applizierten Luftpulse hervorgerufen werden, werden die Tropfen in das Fällreagenz geschossen.
Fig. 2a zeigt die erfindungsgemäße Anordnung mit der Düse aus Fig. 1 für den Einsatz in gasförmigen Medien. Durch eine geeignete Ansteuerung des Ventils PV wird der Anschluss 2 an der Düse verschlossen. Alternativ kann der Schlauchanschluss 2 auch mit einem geeigneten Dichtungslement verschlossen werden.
In dieser Konfiguration funktioniert die Düse wie folgt: Über ein Regel- und Steuergerät, das ein Druckregelventil DR, ein Manometer und eine Absperrventil BV enthält wir ein Vorratsbehälter mit Druck beaufschlagt. Dieser Behälter enthält das zu vertropfende flüssige Material. Durch die Druckeinwirkung wird die Flüssigkeit durch die Kapillare der Düse gepresst. Der Luftstrom, der den Tropfenabriss an der Kapillare steuert wird mit dem Regelventil RV eingestellt und mit einem Messrohr gemessen. Im Inneren des Messrohres wird durch eine Querschnittsverengung ein Druckunterschied erzeugt, der Abhängig vom Luftfluss ist, der das Rohr durchströmt. Dieses Druckunterschied wird von einem Differenzdruckmessgerät erfasst, das an die beiden Messstutzen des Rohres angeschlossen ist. Je höher der Luftstrom desto kleiner sind die erhaltenen Tropfen. Bei dieser Einstellung kann auch auf den Frequenzgenerator und das Ventil PV (Verschluss der 2. Düsenöffnung mit einem Dichtelement) verzichtet werden.
Diese Teile sind jedoch unentbehrlich, bei dem Einsatz der Düse in flüssigen Medien, wie in Fig. 2b dargestellt. Hier wird die Düsenaustrittsöffnung vollständig in das im Behälter 1 befindliche Ffllreagenz für die zu vertropfende FJüssiqkejt eingetaucht. Die über das Reαel- und Steuergerät 2 geregelte und über das Ventil PV und den Frequenzgenerator gepulste Luft unterbricht dabei im Inneren der Düse den Flüssigkeitsstrom und schießt die Tropfen in das Fällreagenz. Der Vorschub der zu vertropfenden Flüssigkeit durch die Düse wird wie bei Fig. 2a beschrieben über das Regel- und Steuergerät 1 eingestellt.

Claims

Patentansprüche
Gerät zur Erzeugung von Einzeltropfen aus Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität mit einer Düse dadurch gekennzeichnet, dass das zu vertropfende Material aus mindestens einem Behälter mittels Druckluft durch mindestens eine Kapillare im inneren einer Düse gepresst wird und der Tropfenabriss bzw. Ausstoß sowohl über eine Luftstπom erfolgt kann, der in der Düse konzentrisch zur Kapillaren geleitet wird als auch durch Druckluftstöße, die eine Unterbrechung des Flüssigkeitsstromes in der fiüssigkettsführenden Kapillaren selbst zur Foge haben
Gerät nach Anspruch 1, die nach einem Verfahren nach Anspruch 1 arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine oder mehrere der folgenden Hauptkomponenten aufweist:
- Düse
- Vorratsbehälter für das zu vertropfende Material
- Regel und Steuergerät für das zu Beaufschlagen des Vorratsbehälters mit Druckluft
- Regel und Steuerelemente zur Regulierung des konzentrischen Luftstroms der in der Düse den Tropfenabriss bewirkt.
- Steuergerät und Steuerventil für die Druckluftstöße, die im Inneren der Kapillaren die Unterbrechungen im der Flüssigkeitssäule erzeugen.
Gerät nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass dieses gemäß Fig. 2a arbeitet und/oder seine Komponenten gemäß Fig. 2a angeordnet und/oder miteinander verbunden sind. Gerät nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass dieses gemäß Fig. 2b arbeitet und/oder seine Komponenten gemäß Fig. 2b angeordnet und/oder miteinander verbunden sind. Gerät nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass damit Flüssigkeitstropfen in gasförmigem Medium mittels einer Düse erzeugt werden können
Gerät nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass damit Flüssigkeitstropfen in flüssigen Medien mittels einer Düse erzeugt werden können
Gerät nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Düse enthält, die gemäß Fig. 1 arbeitet und/oder deren Komponenten gemäß Fig. 1 aufgebaut, angeordnet und/oder miteinander verbunden sind.
Gerät nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die gebildeten Tropfen chemisch, z.B. durch den Einfluss von Salzen gefällt werden können.
Gerät nach. Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die gebildeten Tropfen physikalisch, z.B. durch Temperaturänderung gefällt werden können.
Gerät nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die gefällten Tropfen das zu immobilisierende Material enthalten.
EP05715480A 2004-02-24 2005-02-23 Gerät und anordnung zur erzeugung von einzeltropfen aus flüssigkeiten unterschiedlicher viskosität in gasförmigen und/oder flüssigen medien Withdrawn EP1718412A1 (de)

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