Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНОГО АЭРОЗОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

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.