СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНОГО АЭРОЗОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК A61M15/00 

Изобретение относится к области диспергирования жидких веществ и может быть использовано в медицине для введения лекарственных препаратов при вдохе пациента и в быту для увлажнения окружающего воздуха и насыщения его аэроионами.

Известен способ формирования дисперсного аэрозоля, включающий размещение в потоке жидкости, поступающей в диспергатор, вибрирующего элемента и последующее диспергирование жидкости через перфорированное днище, с образованием струй и их распадом на отдельные капли, причем частоту колебаний элемента вводят в резонанс с частотой образования капель при распаде струй, образующихся на выходе из перфорированного днища, а дальнейшее ведение процесса осуществляют в режиме саморегулирования частоты колебаний вибрирующего элемента в зависимости от изменения давления жидкости перед ним. См. патент 2361655 RU. Изобретение позволяет получать однородные капли в процессе диспергирования при непрерывном изменении расхода жидкости в широком диапазоне путем обеспечения самонастраивания вибрирующего элемента на резонансную частоту образования капель при распаде струй. Вместе с тем данное решение не позволяет получать частицы нанометрового диапазона.

На получение высокодисперсных аэрозолей направлено техническое решение, изложенное в патент 2368432 RU. Данное решение обеспечивает распыление жидкости в форсунке и формирование аэрозолей, но не предусматривает получение аэрозолей нанометрового диапазона. О возможности получения аэрозолей нанометрового диапазона не упоминается и в устройствах для диспергирования жидкостей, предусматривающих использование пьезоэлектрических преобразователей, см., например, патент 2388500 RU.

В патенте 2232032 RU и 2447906 RU на основе глубокого анализа различных способов диспергирования жидкости предложен метод диспергирования жидкости путем ее нагрева, испарения с последующим охлаждением и образованием аэрозоля. Данные способы позволяют получить аэрозоли практически любого, наперед заданного размера, однако их реализация достаточно сложна и требует применения сложной системы управления в их реализации.

Наиболее близким способом и устройством к предлагаемому является способ и устройство, описание которого представлено в патенте 2179460 RU. Известный способ предусматривает формирование дисперсных аэрозолей путем создания электрического поля для зарядки вещества в виде порошка, капель или аэрозолей, переноса вещества с помощью передающего элемента в область действия дополнительного электрического поля, под действием которого вещество выдается с передающего элемента. Известный способ позволяет формирование дисперсных аэрозолей и обеспечить доставку их в заданных количествах в требуемый объем. Вместе с тем известный способ также отличается сложностью реализации. Требуется формирование основного и дополнительного поля, необходимы механические устройства переноса вещества из области действия одного электрического поля в область действия другого электрического поля. Кроме того, известное устройство позволяет обеспечить формирование дисперсных аэрозолей из веществ, находящихся уже в аэрозольном состоянии.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение технологии формирования дисперсных аэрозолей, включая нанометровый диапазон.

Для достижения заявленной цели в известном способе формирования дисперсных аэрозолей, заключающемся в формировании в прилегающей к подлежащей диспергированию жидкости области неоднородного электрического поля, формирование неоднородного электрического поля осуществляют путем подачи от одного из электродов источника питания электрического потенциала на поверхность электрода, выполненного в виде оболочки с гладкой поверхностью с радиусом кривизны не меньше нуля, по внутренней поверхности которой эквидистантно с зазором через диэлектрическую прокладку установлен дополнительный электрод, электрически соединенный с корпусом и другим электродом источника питания;

обеспечение гарантированного зазора и изоляцию диспергируемой жидкости от поверхности электрически заряженного электрода осуществляют устанавливаемой в зазоре между электродом и поверхностью диспергируемой жидкости пористой с открытыми порами перегородкой, а получение заданного размера формируемых аэрозолей добиваются варьированием размеров капилляр открытых пор пористой перегородки, параметрами электрического поля и скоростью проходящего воздушного потока.

Для реализации предлагаемого способа в устройстве для формирования дисперсных аэрозолей, содержащем емкость для размещения диспергируемой жидкости, расположенную внутри полого корпуса с входным и выходным отверстиями, установленный внутри полости корпуса электрически изолированно и с зазором относительно его стенок и поверхности диспергируемой жидкости электрод, соединенный с одним из электродов источником электрического питания, электрод выполнен в виде оболочки с гладкой поверхностью с радиусом кривизны не менее нуля с установленной внутри нее с зазором относительно ее стенок через диэлектрическую прокладку дополнительной оболочкой, электрически соединенной с корпусом и другим электродом источника питания;

устройство снабжено пористой перегородкой с открытыми порами, установленной в зазоре между диспергируемым веществом и электродом с зазором относительно электрода.

Реализация предлагаемого способа обеспечивается за счет новых признаков формирования мощного неоднородного электрического поля - путем подачи от одного из электродов источника питания электрического потенциала на поверхность электрода, выполненного в виде оболочки с гладкой поверхностью с радиусом кривизны не меньше нуля. Электрическое соединение другого электрода источника питания с корпусом осуществляется через дополнительную оболочку, выполненную в виде электропроводного футляра источника питания. Предлагаемый способ подачи электрического потенциала позволяет сформировать на поверхности электрода значительный электрический заряд, неоднородное электрическое поле которого способно срывать с поверхности жидкости капельки различного размера, включая нанометровые, и выносить их в окружающее электрод пространство. В экспериментах, проведенных автором, при подачи описанным способом напряжения на электрод в окружающем электрод пространстве зарегистрированы мелкодисперсные аэрозоли, размером менее 3 нм с концентрацией 3-4 тыс 1/см³. Электрод, выполненный по предлагаемой схеме, по своей сути представляет собой цилиндрический конденсатор и обладает высокой емкостью, что позволяет накопить на его поверхности значительный электрический заряд и сформировать в окружающем его пространстве мощное неоднородное электрическое поле. Предлагаемое техническое решение позволяет использовать специфические свойства капель жидкости (поляризация в электрическом поле). В мощном электрическом поле на поверхности жидкости индуцируются электрические заряды, взаимодействие которых с окружающим электрическим полем приводит к срыву частичек жидкости с ее поверхности, образуя аэрозоли. Неоднородное поле перемещает образовавшиеся аэрозольные частицы в направлении увеличения градиента напряженности электрического поля в области зазора между электродом и поверхностью диспергируемого вещества, откуда увлекаются воздушным потоком, образованным внутри полого корпуса, между входным и выходным отверстиями. При необходимости воздушный поток между входным и выходным отверстием может быть сформирован принудительно. Например, с помощью вдоха пациента через мундштук, установленный в выходном отверстии, при использовании предлагаемого устройства в качестве ингалятора, либо с помощью вентилятора, при использовании предлагаемого устройства в качестве увлажнителя воздуха- ионизатора помещения. Образованные аэрозоли в значительной степени будут нести электрический заряд, так как образуются в результате срыва поляризованных на поверхности жидкости частиц. Предложенный способ позволяет получение аэрозолей размером менее 3 нм, которые представляют собой не что иное, как аэроионы. Регулируя знаком напряжения потенциала, подаваемого на поверхность электрода, способ позволяет получать аэроионы как положительного потенциала, так и отрицательного. Установленная в зазоре между электродом и поверхностью диспергируемого вещества пористая перегородка с открытыми порами выполняет две функции. Во-первых, пористая перегородка обеспечивает удержание жидкости в капиллярах пор и обеспечивает гарантированный зазор и изоляцию жидкости от поверхности электрически заряженного электрода. Во-вторых, варьируя размером капилляр пор, параметрами электрического поля и скоростью прохождения воздушного потока в зазоре между электродом и поверхностью диспергируемой жидкости, пористая перегородка позволяет добиться наперед заданного размера формируемых аэрозолей. Скорость движения воздушного потока регулируется размерами проходного сечения входного отверстия при использовании устройства в качестве ингалятора либо мощностью используемого вентилятора. При использовании предлагаемого устройства в качестве увлажнителя-ионизатора скорость движения воздуха регулируют с помощью вентилятора.

На рис. 1 представлена схема устройства для формирования дисперсных аэрозолей. Устройство включает в себя полый корпус 1 с входным 2 и выходным 3 сквозными отверстиями. При необходимости в проходном сечении отверстий могут быть установлены клапана, регулирующие площадь их проходных сечений (на рис. не показаны). При использовании предлагаемого устройства в качестве ингалятора, выходное отверстие 3 может быть соединено с мундштуком 4. Внутри полости корпуса 1 в пространстве между входным 2 и выходным 3 отверстиями электрически изолировано и с зазором относительно поверхности корпуса установлен электрод 5, соединенный с источником питания 6. Электрод 5 выполнен в виде электропроводящей оболочки с радиусом кривизны не менее нуля. На представленном рисунке часть поверхности электрода 5 выполнена в виде цилиндрической поверхности, полная кривизна которой равна нулю, и часть поверхности выполнена в виде шара с кривизной поверхности 1/R², где R - радиус поверхности сферической оболочки. В качестве источника питания 6 может быть использован любой источник электрического питания. На рис.1 показана схема использования источника питания 6 в виде пальчиковой батареи (или аккумулятора), установленной в дополнительной оболочке, выполненной в виде электропроводного футляра 7, электрически соединенного с корпусом 1. Один из электродов источника питания 6, обозначенный на рисунке позицией 8, соединен с поверхностью электрода 5, другой электрод источника питания 6 электрически соединен с электропроводным футляром 7. Внешняя поверхность электропроводного футляра 7 выполнена в виде поверхности эквидистантной внутренней поверхности оболочки электрода 5. Пространство зазора между внешней поверхностью электропроводного футляра 7 и внутренней поверхностью оболочки электрода 5 заполнено диэлектриком 9. В качестве диэлектрического материала может быть использован любой диэлектрик с высокими значениями диэлектрической проницаемости и электрической прочностью. Технологически конструкция может быть выполнена следующим образом. На электропроводный футляр 7, выполненный по внешнему контуру в виде поверхности с радиусом кривизны не меньшим нуля, электрически соединенный с одним из электродов источника питания 6 наносится тонкий слой диэлектрика 9, поверх которого наносится слой электропроводящего материала 5, который в свою очередь электрически соединяется с другим электродом источника питания 8. С зазором относительно внешней поверхности электрода 5 А внутри корпуса 1, от входного 2 до выходного 3 отверстий установлена пористая перегородка 10 с открытыми порами. Пористая оболочка 10 отделяет часть пространства полого корпуса 1 от входного 2 и выходного 3 отверстий, образуя полость 11 для размещения диспергируемой жидкости. Для заполнения диспергируемой жидкости в полость 11 в корпусе 1 предусмотрено заливное отверстие с крышкой 12. Для замены использованного источника питания 6 и доступа к внутреннему объему электропроводного футляра 7 в корпусе 1 предусмотрено монтажное окно, закрываемое крышкой 13.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Через заливное отверстие 12 полость 11 заполняется диспергируемой жидкостью. Жидкость из полости 11 захватывается капиллярными силами и заполняет поры перегородки 10. От источника питания 6 на поверхность электрода 5 подается электрический потенциал. На поверхности электрода накопится электрический заряд. Значение накопленного электрического заряда определяется напряжением источника питания и емкостью электрода.

Q=С×U,

где С - емкость электрода; U - подаваемое на электрод напряжение.

См., например, В.И. Меркулов. Основы конденсаторостроения. Учебное пособие. Томск, 2001. http://www.enin.tpu.ru/lib/EICT_OCB.pdf., стр. 11, Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники, том 3, стр. 87. В предлагаемом техническом решении емкость электрода определяется суммарной емкостью двух цилиндрических конденсаторов. Первый конденсатор включает в себя внешнюю поверхность электропроводящей оболочки электрода 5, установленную электрически изолировано относительно корпуса 1. Второй конденсатор включает в себя внутреннюю поверхность электропроводящей оболочки электрода 5, установленную через слой диэлектрика 9 относительно электропроводного футляра 7, электрически соединенного с поверхностью корпуса 1. Электрические заряды, накапливаемые на внутренней поверхности электропроводящей оболочки 5 (во втором конденсаторе), компенсируются электрическими зарядами на поверхности электропроводного футляра 7, электрически соединенного с поверхностью корпуса 1. Таким образом, электрическое поле в области пространства зазора Δ между электропроводящей оболочкой 5 и заполненной диспергируемой жидкостью пористой перегородкой 10 образуется электрическими зарядами, накопленными на внешней поверхности оболочки 5 (от первого конденсатора), и определяется в значительной степени напряжением источника питания 6.

Параметры электрода и значение подаваемого напряжения подбираются из условия достижения напряженности электрического поля такого значения, при котором осуществляется срыв капель диспергируемой жидкости с поверхности жидкости, находящейся на заданном удалении от поверхности электрода (Δ+δ), где δ - расстояние от поверхности диспергируемой жидкости до края пористой поверхности (вследствие действия капиллярных сил, на рисунке не показано). Срываемые с поверхности капли диспергируемой жидкости вследствие неоднородности электрического поля, вызванной кривизной поверхности электрода 5, вовлекаются в сторону увеличения его градиента. Т.к. радиус кривизны поверхности электрода 5 не менее нуля, то силовые линии электрического поля будут сходиться внутри электрода, градиент электрического поля будет увеличиваться в сторону электрода и движение сорванных капель будет осуществляться в направлении к поверхности электрода. При достижении электрически заряженной поверхности электрода капли диспергируемой жидкости получают электрический заряд. Электрически заряженные капли диспергируемой жидкости под действием электрического поля полетят в обратном направлении. Таким образом, мелкодисперсные аэрозоли, срываемые с поверхности жидкости, будут находиться в области пространства между входным и выходным отверстиями в корпусе и при организации воздушного потока они будут выноситься наружу. Предлагаемое техническое решение благодаря новым, ранее неизвестным признакам простым способом обеспечивает формирования дисперсных аэрозолей, включая нанометровый диапазон, и позволяет достичь цели предлагаемого изобретения.

Группа изобретений относится к медицинской технике. Техническим результатом, который обеспечивается изобретением, является упрощение технологии формирования дисперсных аэрозолей, включая нанометровый диапазон. Технический результат достигается за счет подачи от одного из электродов источника питания электрического потенциала на поверхность электрода, выполненного в виде оболочки с гладкой поверхностью с радиусом кривизны не меньше нуля. Электрическое соединение другого электрода источника питания с корпусом осуществляется через дополнительную оболочку, выполненную в виде электропроводного футляра источника питания. Обеспечение гарантированного зазора и изоляцию диспергируемой жидкости от поверхности электрически заряженного электрода осуществляют устанавливаемой в зазоре между электродом и поверхностью диспергируемой жидкости пористой с открытыми порами перегородкой, а получение заданного размера формируемых аэрозолей добиваются варьированием размеров капилляр открытых пор пористой перегородки, параметрами электрического поля и скоростью проходящего воздушного потока. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования дисперсных аэрозолей, заключающийся в формировании в прилегающей к подлежащей диспергированию жидкости области неоднородного электрического поля, отличающийся тем, что формирование неоднородного электрического поля осуществляют путем подачи от одного из электродов источника питания электрического потенциала на поверхность электрода, выполненного в виде оболочки с гладкой поверхностью с радиусом кривизны не меньше нуля, по внутренней поверхности которой эквидистантно с зазором через диэлектрическую прокладку установлен дополнительный электрод, электрически соединенный с корпусом и другим электродом источника питания.

2. Способ формирования дисперсных аэрозолей по п. 1, отличающийся тем, что обеспечение гарантированного зазора и изоляцию диспергируемой жидкости от поверхности электрически заряженного электрода осуществляют устанавливаемой в зазоре между электродом и поверхностью диспергируемой жидкости пористой с открытыми порами перегородкой, а получение заданного размера формируемых аэрозолей добиваются варьированием размеров капилляр открытых пор пористой перегородки, параметрами электрического поля и скоростью проходящего воздушного потока.

3. Устройство для формирования дисперсных аэрозолей, содержащее емкость для размещения диспергируемой жидкости, расположенную внутри полого корпуса с входным и выходным отверстиями, установленный внутри полости корпуса электрически изолированно и с зазором относительно его стенок и поверхности диспергируемой жидкости электрод, соединенный с одним из электродов источником электрического питания, отличающееся тем, что электрод выполнен в виде оболочки с гладкой поверхностью с радиусом кривизны не менее нуля с установленной внутри нее с зазором относительно ее стенок через диэлектрическую прокладку дополнительной оболочкой, электрически соединенной с корпусом и другим электродом источника питания.

4. Устройство для формирования дисперсных аэрозолей по п. 3, отличающееся тем, что снабжено пористой перегородкой с открытыми порами, установленной в зазоре между диспергируемой жидкостью и электродом с зазором относительно электрода.