СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК B01F3/04 

Область техники
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способу получения пены и устройству для его осуществления.

Предшествующий уровень техники
Наиболее распространенным способом получения лечебной пены является способ пропускания газа через пористые пластины в пенообразующий лекарственный раствор. Однако в большинстве случаев не удается получить мелкую однородную пену, поскольку в пористом материале всегда имеются поры различных размеров, их внутренняя ориентация и расположение на поверхности не упорядочены. Это приводит к разности скоростей газа в порах, часть газовых потоков входят в пенообразователь под углом, газовые потоки из близко расположенных пор объединяются и образуют общий пузырек. В итоге пенная масса имеет неоднородную структуру - разброс диаметров пузырьков может колебаться от десятков микрон до нескольких миллиметров. Такие пены не обладают достаточной устойчивостью и быстро разрушаются.

Известно большое количество изобретений, относящихся к способам и устройствам изготовления пены, например (SU, А 865295; RU, А, 2051666), содержащие сосуд для пенообразующей жидкости, распылитель с перфорированной диафрагмой, соединенный с источником подачи сжатого воздуха.

Известно также изобретение, защищающее устройство для изготовления пены (SU, А, 364304), в котором содержится сосуд для пенообразующей жидкости, перегородка в виде пористой пластины, источник газа. В данном устройстве реализуется способ, включающий разделение газового потока с помощью перегородки на элементарные составляющие и приведение их во взаимодействие с пенообразующим составом с одновременным формированием газовых пузырьковых образований.

Все известные изобретения и другие источники сведений об аналогичных устройствах и способах изготовления пены содержат подобные узлы, детали и технологические операции, которые отличаются друг от друга формами, компоновкой устройства, составом пенообразователя и значениями технических характеристик. Однако ни одно из них не обеспечивает получение однородной мелкодисперсной пены.

Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача создания способа и устройства для получения однородной пены, состоящей из одинаковых по размеру газовых пузырьков за счет дробления газового потока на отдельные порции, которые в свою очередь разделяют на одинаковые по объему элементарные составляющие, которые и образуют газовые пузырьки, и интенсификации процесса отделения их от перегородки для образования пены.

Поставленная задача в заявляемом способе решается с помощью разделения направляемого в зону пенообразования газового потока посредством проницаемой перегородки на элементарные составляющие, которые приводят во взаимодействие с пенообразующим составом для образования газовых пузырьков с последующим их отделением от поверхности перегородки и формирования пены, для чего согласно изобретению перед разделением газовый поток дробят на отдельные порции за счет импульсной подачи газа, при которой регулируют его расход и давление, а порции газа разделяют на однородные, одинаковые по размерам поперечного сечения элементарные составляющие, равномерно распределенные по поверхности проницаемой перегородки, и отделяют образованные газовые пузырьки от поверхности перегородки в периоды между импульсами подачи газа, при этом создают дополнительную силу отрыва, направленную вдоль поверхности проницаемой перегородки.

Целесообразно, чтобы частота импульсов подачи газа составляла от 20 до 100 импульсов в секунду с продолжительностью импульса от 0,001 до 0,01 сек.

Согласно изобретению расход газа регулируют в пределах от 0,1 до 5,0 л/мин, а давление - от 0,09 до 15,5 атм.

Предпочтительно, чтобы дополнительную силу для отрыва пузырьков создавали путем возвратно-поступательных движений проницаемой перегородки.

Поставленная задача решается также и тем, что устройство для получения пены, содержащее емкость, полость которой разделена установленной в ней перфорированной перегородкой на две камеры, одна из которых сообщена с источником пенообразующего состава, а другая сообщена посредством трубопровода с источником газа, согласно изобретению снабжено блоком управления и связанными с ним механизмом дозирования газового потока, установленным в трубопроводе, соединяющим источник газа с емкостью, и механизмом возвратно-поступательных циклических движений перегородки, отверстия которой выполнены в виде капилляров одинакового размера в их поперечном сечении, равномерно распределенных по поверхности перегородки.

Предпочтительно, чтобы перегородка была выполнена в виде проницаемой мембраны, а механизм дозирования газового потока выполнен в виде клапана.

Предпочтительно, чтобы количество отверстий на поверхности перегородки составляло от 8 до 250 на 1 мм², а их диаметр в пределах 0,02-0,16 мм.

Следует учесть, что при выборе конкретного значения количества отверстий и их размеров в перегородке в устройстве предусмотрена взаимозаменяемость перегородок с различными их значениями.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемым чертежом, на котором изображен общий вид устройства для получения пены.

Лучший вариант осуществления изобретения
Устройство для получения пены содержит емкость 1 (см. чертеж) в виде стакана, подвижное днище 2 которого герметично соединено со стенками емкости 1 посредством эластичной муфты 3. На днище 2 закреплена перфорированная перегородка 4, представляющая собой, например, проницаемую перегородку с отверстиями 5 в виде капилляров, имеющих одинаковый размер в поперечном сечении и равномерно распределенных по поверхности перегородки 4. Перегородка 4 разделяет полость емкости 1 на две камеры 6 и 7, одна из которых сообщена с помощью трубопровода 8 с источником 9 пенообразующего состава 10. Камера 7 посредством трубопровода 11 сообщена с источником 12 газа. В трубопроводе 11 установлен механизм 13 дозирования газового потока, например, в виде клапана, соединенного с блоком 14 управления. Днище 2 связано с механизмом 15 возвратно-поступательных дискретных перемещений в направляющих 16. Механизм 15 также связан с блоком 14 управления.

Предлагаемый способ получения пены осуществляют следующим образом. Постоянный газовый поток, поступающий от источника 12 в трубопровод 11, дробиться с помощью механизма 13 на отдельные порции. Частота подачи отдельных порций газа составляет от 20 до 100 импульсов в секунду, а продолжительность импульса - от 0,001 до 0,01 сек. Порции газа направляют на перегородку 4, которая разделяет их на однородные элементарные составляющие одинакового в поперечном сечении размера благодаря наличию в перегородке 4 капиллярных отверстий 5 одного и того же диаметра, величина которого составляет от 0,02 до 0/16 мм. Отверстия 5 равномерно распределены по поверхности перегородки 4 с плотностью от 8 до 250 отверстий на 1 мм². Расход газа регулируют в пределах от 0,1 до 5,0 л/мин, а давление газа - от 0,09 до 15,5 атм. Сформированные однородные, одинаковые по размерам элементарные составляющие газового потока в соответствующие отрезки времени, задаваемые блоком 14 управления, проходят через перегородку 4 и поступают в зону пенообразования. Газ контактирует с пенообразующим составом 10 в течение импульса подачи газа, в результате чего над поверхностью перегородки 4, расположенной в камере 6, то есть в зоне пенообразования, образуются соответственно количеству капиллярных отверстий 5 газовые вздутия, представляющие собой еще открытые со стороны капиллярных отверстий 5 незавершенные пузырьки. Размер пузырьков и соответственно дисперсность пены регулируется изменением расхода газа и временем формирования пузырька. Для полного отделения газовых пузырьков с целью формирования пены подачу газа прекращают, а перегородку 4 с помощью механизма 15 приводят в возвратно-поступательное движение в направлении, перпендикулярном направлению движения газового потока. Это движение перегородки 4 способствует отделению пузырьков от ее поверхности за счет дополнительной силы отрыва, возникающей вследствие того, что пузырьки находятся в плотной среде и остаются на месте, в то время как поверхность перегородки 4 смещается относительно пузырьков и разрывает слабую связь нижней части пузырьков с отверстиями капилляров 5. В результате движения перегородки 4 и воздействия верхней ее кромки на нижние незакрытые части пузырьковых образований происходит их закрытие и отделение пузырьков с последующим формированием пены, после чего движение перегородки 4 прекращают. Таким образом заканчивается цикл массового образования пены, который вновь повторяется с частотой от 20 до 100 циклов в секунду. Подача газа и перемещения перегородки 4 взаимосвязаны во времени с помощью блока управления 14, по сигналам которого работают механизм 13 дозирования газового потока и механизм 15 перемещения перегородки 4. Причем при подаче порции газа механизмом дозирования 13 механизм перемещения 15 находится в покое. После завершения подачи порции газа механизм дозирования 13 останавливается, а механизм 15 начинает работу, перемещая перегородку 4. Аналогичным образом циклы работы устройства получения пены повторяются.

При определенных параметрах газового потока - расходе и давлении, значения которых находятся в пределах заявленных величин, устройство работает в следующей последовательности. Из источника 9 подают в неподвижный стакан 1 пенообразующий состав 10, после чего включают блок 14 управления, задающий режим работы механизму 13 дозирования газового потока, механизму 15 перемещения перегородки 4 в таком порядке, чтобы во время прохождения порции газа через днище 2 и через капиллярные отверстия 5 перегородки 4 в пенообразующий состав 10, при котором на поверхности перегородки 4 формируются пузырьковые образования, перегородка 4 остается неподвижной. А в промежутке между вышеописанной операцией и подачей следующей порции газового потока, когда движение его остановлено, блок 14 управления включает механизм 15, который перемещает перегородку 4, создавая тем самым дополнительные силы отрыва пузырьков от поверхности.

В качестве блока 14 управления в 1 примере выполнения эксперимента использовалось электронное устройство, а исполнительные механизмы выполнены в виде электромагнитов.

В качестве блока 14 управления может быть использован также распределительный вал с плоскими профильными кулачками, а исполнительные механизмы 13 и 15 связаны с толкателями кулачков.

Так в качестве блока 14 управления во 2 примере выполнения эксперимента использовалось механическое устройство в виде распределительного вала с двумя кулачками, сообщающими движение перегородке 4 и толкателю пневматического клапана, установленного в подающей магистрали трубопровода 11 для создания дозированного порционного газового потока. Профили кулачков обеспечивали движение перегородки 4 и режимы прерывания газового потока.

Как показали проведенные исследования, указанный технический результат подтверждается, в частности, примерами практической реализации изобретения, при описании которых нецелесообразно повторять в каждом примере общую для них информацию, отраженную в формуле и описании изобретения. Целесообразно привести при описании примеров практического выполнения только количественную информацию, отличающую один пример от другого.

Для сопоставления возможностей достижения указанного технического результата в каждом из примеров оказалось целесообразным использовать обобщенный параметр ξ, характеризующий получение равномерной, более устойчивой к распаду монодисперсной пены, и отклонения этих параметров в процессе экспериментального осуществления при сравнении заявляемого технического решения с прототипом. При этом совокупность только минимальных и только максимальных значений пределов заявляемых технических и технологических параметров, содержащихся в формуле изобретения, не могут быть достигнуты в одном устройстве, так как каждый из параметров является многоаспектным и зависимым от значений других параметров. Так, например, в одном объекте не могут быть использованы значения таких максимальных пределов, как диаметр капилляра 0,16 мм и их плотность 250 шт на 1 мм².

Примеры проведенных исследований, результаты которых получены на основании статистической обработки экспериментальных данных, приведены в таблице 1.

В оптимальном примере 1 практической реализации заявляемого объекта было достигнуто наиболее высокое значение параметра ξ₁ = 20. В приведенных вариантах осуществления заявляемого объекта положительный результат достигался по сравнению с известными устройствами за счет выбора совокупности технологических параметров способа, отраженных в таблице 1, и совершенствования конструктивных решений устройства (пример 1), обеспечившие кроме получения монодисперсной пены с минимальным размером пузырьков также и значительных показателей по производительности ее изготовления.

В примере 3 практической реализации объекта, взятого за прототип, из-за отсутствия порционной подачи газа, дробления его на одинаковые элементарные составляющие, формирующие одноразмерные пузырьки, и отсутствия ускорения их отрыва от поверхности перегородки 4 разброс диаметров пузырьков составляет 2-3 раза от среднего значения, показатель дисперсности имеет низкое значение - 0,4 и соответственно параметр прототипа ξ₃ = 1.

В произвольном примере 2 при использовании значений существенных признаков изобретения из средних значений внутри заявляемых пределов было получено промежуточное значение технического результата ξ₂ = 17.

Промышленная применимость
Настоящее изобретение может быть использовано в медицине и пищевой промышленности.

Пульсирующий газовый поток разделяют на однородные, одинаковые по размерам элементарные составляющие с помощью перегородки, отделяющей газовый поток и пенообразующий состав. Для отделения образованных газовых пузырьков от поверхности перегородки создают дополнительную силу отрыва, направленную перпендикулярно направлению движения газового потока. Создание силы отрыва обеспечивается перемещением перегородки, которое осуществляют в периоды между импульсами подачи газа. Работу механизма дозирования газового потока и механизма возвратно-поступательных циклических перемещений синхронизируют посредством блока управления. Технический результат состоит в получении однородной мелкодисперсной пены. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ получения пены, заключающийся в том, что газовый поток, направляемый в зону пенообразования, разделяют посредством перегородки (4) на элементарные составляющие, которые приводят во взаимодействие с пенообразующим составом (10) для образования газовых пузырьков с последующим их отделением от поверхности проницаемой перегородки (4) и формированием пены, отличающийся тем, что перед разделением газовый поток дробят на отдельные порции путем импульсной подачи газа, при этом регулируют его расход и давление, а порции газа разделяют на однородные, одинаковые по размерам поперечного сечения элементарные составляющие, равномерно распределенные по поверхности проницаемой перегородки (4), и отделяют образованные газовые пузырьки от поверхности проницаемой перегородки (4) в периоды между импульсами подачи газа, при этом создают дополнительную силу отрыва, направленную вдоль поверхности проницаемой перегородки (4). 2. Способ получения пены по п. 1, отличающийся тем, что частота импульсов подачи газа составляет 20-100 импульсов в секунду с продолжительностью импульса 0,001-0,01 с. 3. Способ получения пены по одному из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что регулируют расход газа в пределах 0,1-5,0 л/мин, а давление в пределах 0,09-15,5 атм. 4. Способ получения пены по п. 1, отличающийся тем, что дополнительную силу для отрыва пузырьков создают путем возвратно-поступательных движений проницаемой перегородки (4). 5. Устройство для получения пены, содержащее емкость (1), полость которой разделена установленной в ней перфорированной перегородкой (4) на две камеры (6,7), одна из которых сообщена с источником (9) пенообразующего состава, а другая камера (7) сообщена посредством трубопровода (11) с источником (12) газа с емкостью (1), и механизмом (15) возвратно-поступательных циклических перемещений перегородки (4), отверстия (5) которой выполнены в виде капилляров одинакового размера в их поперечном сечении, равномерно распределенных по поверхности перегородки (4). 6. Устройство для получения пены по п. 5, отличающееся тем, что перегородка (4) представляет собой проницаемую мембрану. 7. Устройство для получения пены по п. 5, отличающееся тем, что механизм (13) дозирования газового потока выполнен в виде клапана. 8. Устройство для получения пены по п. 5, отличающееся тем, что количество отверстий (5) на поверхности перегородки (4) составляет 8-250 на 1 мм². 9. Устройство для получения пены по п. 5, отличающееся тем, что диаметр отверстий (5) в поперечном сечении перегородки (4) выбран в пределах 0,02 - 0,16 мм. 10. Устройство для получения пены по п. 5, отличающееся тем, что при выборе конкретного значения количества отверстий (5) и их размеров в перегородке (4) в устройстве предусмотрена взаимозаменяемость перегородок (4) с различными их значениями.