Устройство генерирования наночастиц
Использование: для создания твердых или жидких наночастиц. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для создания твердых или жидких наночастиц, имеющее сопло для создания частиц первого размера из потока объемной жидкости, которое находится в сообщении по текучей среде с усилителем газового потока, содержащим входной конус, соединенный и находящийся в сообщении по текучей среде со входом цилиндрического кожуха; диффузор, соединенный и находящийся в сообщении по текучей среде с выходом указанного кожуха; и указанный кожух, содержащий по меньшей мере два кольца проходов, расположенных по окружности цилиндрического кожуха; и средства инжектирования сжатого газа в кожух через указанные проходы. Технический результат обеспечение возможности: эффективного формирования наночастиц. 2 н.и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится, в целом, к области генерирования наночастиц, а более конкретно, к многоступенчатым соплам и трубкам Вентури с модифицированной конструкцией для генерирования и распределения наночастиц аэрозоля.
[0002] Уровень техники
[0003] Наночастицы являются приемлемыми для использования в множестве применений, таких как покрытия, улучшение состояния окружающей среды, и тому подобное, благодаря их малому размеру. Однако создавать наночастицы из объемной жидкости сложно. На самом деле, наночастицы нельзя получать из стандартных сопел атомизации или из множества одинарных или многоступенчатых сопел атомизации. При современных способах генерирования для генерирования наночастиц из объемных жидкостей необходимо специальное оборудование и большие затраты энергии, что приводит в результате к дорогостоящим, сложным способам. Кроме того, даже после создания, наночастицы, в частности, жидкие частицы, часто быстро соударяются и коалесцируют, что приводит к увеличению размеров частиц и потере желаемого размера наночастиц. Стандартные одноступенчатые и многоступенчатые сопла атомизации, такие как описаны в патенте США № 7036753, не могут обеспечить дешевый способ создания наночастиц из объемной жидкости при сохранении размера наночастиц.
[0004] В определенных применениях, таких как улучшение состояния окружающей среды, аэрозоли наночастиц должны не только создаваться и сохраняться, но также эффективно распределяться посредством вентиляционного потока. Трубка Вентури или усилитель газового потока, известный также просто как ʺустройство Вентуриʺ представляет собой устройство, которое можно использовать для генерирования вентиляционного потока посредством увеличения скорости вещества, проходящего через него. В самых простых терминах, Вентури представляет собой трубку или проход с сужающейся секцией или горловиной, которая понижает статическое давление и увеличивает скорость вещества, проходящего через устройство Вентури. Когда вещество покидает сужающуюся секцию, статическое давление увеличивается и скорость, соответственно, уменьшается. Одновременное уменьшение давления и увеличение скорости в сужающейся секции трубки Вентури известно, как эффект Вентури и имеет большое количество применений в различных областях.
[0005] Патенты США №№ 3406953; 4411846; 4792284; 5279646; 6418957; 6491479; 7367361; 7673659 и 8905079 описывают различные применения, преимущества и особенности трубок Вентури. Однако эти патенты не могут предложить дешевый способ создания адекватного вентиляционного потока при высоких обратных давлениях для распределения наночастиц, создаваемых из объемной жидкости, сохраняя при этом размер наночастиц.
[0006] Следовательно, в данной области существует необходимость в альтернативах дорогостоящим устройствам и способам генерирования аэрозолей наночастиц, и в частности, в дешевом устройстве генерирования, сохранения и распределения аэрозоля наночастиц в удаленном положении, которое является легким, изготавливается из недорогих материалов и легко используется.
[0007] Сущность изобретения
[0008] Варианты осуществления настоящего изобретения, описанного в настоящем документе, предлагают устройство, которое может генерировать наночастицы аэрозоля и распределять его через недорогое устройство, а более конкретно, устройство Вентури, которое может генерировать высокие вентиляционные потоки при высоких обратных давлениях.
[0009] В первом варианте осуществления, устройство содержит модифицированную трубку Вентури, имеющую конический вход и выходы, в которых множество проходов присоединены к более узкой части горловины. Соединение образовано для подачи сжатого газа в указанные проходы, которые инжектируют сжатый газ в горловину, чтобы вызвать его протекание через трубку посредством эффекта Вентури. В предпочтительном варианте осуществления, проходы, присоединенные к горловине, расположены в кольце по окружности горловины. В более предпочтительном варианте осуществления, проходы образуют два, три, четыре или более колец из проходов инжектирования газа вдоль продольной оси горловины. В предпочтительных вариантах осуществления, устройство по настоящему изобретению имеет конические входную и выходную части, имеющие форму трубки Вентури.
[0010] В других предпочтительных способах, устройство определяется для генерирования и распределения жидких или твердых наночастиц аэрозоля. Устройство, в частности, определяется как многоступенчатое сопло с тремя или более ступенями. Первая ступень относится в основном к атомизации посредством приведения в контакт сжатого воздуха с высокой скоростью с жидкостью в традиционной системе двухжидкостных сопел, что дает в результате капли микронных размеров. Вторая ступень использует капли микронных размеров из первой ступени и дополнительно использует сжатый воздух, поступающий из кольца для создания струй для получения струй высокой скорости, которые окружают капли, созданные в первой ступени. Наконец, третья ступень существует в протяженной горловине и добавляет второе кольцо струй сжатого воздуха.
[0011] Другой вариант осуществления направлен на устройство генерирования наночастиц, содержащее: сопло для создания частиц первого размера из потока объемной жидкости, которое находится в сообщение по текучей среде с усилителем газового потока, где предусмотрены средства для сообщения по текучей среде с газом окружающей среды между соплом и усилителем газового потока; усилитель газового потока, содержащий: входной конус, соединенный и в сообщение по текучей среде со входом цилиндрического кожуха; диффузор, соединенный и в сообщение по текучей среде с выходом указанного кожуха; и указанный кожух, содержащий, по меньшей мере, два кольца проходов, расположенных по окружности цилиндрического кожуха; и средства инжектирования сжатого газа в кожух через указанные проходы.
[0012] Другой вариант осуществления направлен на усилитель газового потока, содержащий: входной конус, соединенный и в сообщение по текучей среде со входом цилиндрического кожуха; диффузор, соединенный и в сообщение по текучей среде с выходом указанного кожуха; при этом указанный кожух содержит по меньшей мере два кольца проходов для инжектирования сжатого газа в кожух таким путем, чтобы вызвать его протекание во вход кожуха; и средства для соединения узла подачи сжатого газа с кожухом.
[0013] Другой вариант осуществления направлен на систему генерирования наночастиц, содержащую: первое сопло приемлемое для генерирования атомизированных частиц из объемной жидкости; усилитель газового потока, содержащий цилиндрический кожух, имеющий конический вход, расположенный на одном краю, и конический диффузор на другом краю; и внутри указанного цилиндрического кожуха расположены по меньшей мере два кольца проходов, расположенных круговым образом по окружности цилиндрического кожуха, и при этом по меньшей мере два кольца проходов разделены расстоянием по меньшей мере 0,5D, и при этом по меньшей мере два кольца проходов соединены с напорной камерой высокого давления, которое достаточно для выбрасывания газа высокого давления в цилиндрический кожух; и при этом первое сопло находится в сообщение по текучей среде со входом цилиндрического кожуха, и при этом жидкость выбрасывается соответствующим образом из первого сопла в цилиндрический кожух таким путем для атомизирования, смешивания, разбавления и испарения жидкости так, чтобы создавать и сохранять твердые или жидкие наночастицы аэрозоля.
[0014] Другой вариант осуществления содержит способ генерирования наночастиц, включающий в себя введение объемной жидкости в устройство согласно любому из вариантов осуществления, описанных выше; в котором объемная жидкость смешивается с газом под давлением из сопла, смешивается с воздухом окружающей среды, а затем смешивается с газом под давлением из двух колец проходов в протяженной горловине для генерирования наночастиц, которые выбрасываются из диффузора на краю цилиндрического кожуха.
[0015] Другой вариант осуществления содержит способ создания атомизированных наночастиц, включающий в себя: введение объемной жидкости в первое сопло приемлемое для генерирования атомизированных частиц из указанной объемной жидкости; распыление объемной жидкости через указанное сопло и в усилитель газового потока, содержащий цилиндрический кожух, имеющий конический вход, расположенный на одном краю, и конический диффузор на другом краю; и внутри указанного цилиндрического кожуха расположены по меньшей мере два кольца проходов, расположенных круговым образом по окружности вдоль внутренней боковой поверхности цилиндрического кожуха, и при этом по меньшей мере два кольца проходов разделены расстоянием по меньшей мере 0,5D, и при этом по меньшей мере два кольца проходов соединены с напорной камерой высокого давления, достаточного для выбрасывания газа высокого давления в цилиндрический кожух; введение сжатого газа по меньшей мере в два кольца проходов, при этом объемная жидкость вводится в цилиндрический кожух таким путем для атомизирования, смешивания, разбавления и испарения жидкости для того, чтобы создавать и сохранять твердые или жидкие наночастицы аэрозоля.
[0016] Краткое описание чертежей/фигур
[0017] Фиг.1 представляет собой схематический чертеж вида сбоку сечения, показывающий части устройства первого варианта осуществления многоступенчатого сопла для создания наночастиц.
[0018] Фиг.2 представляет собой схематический чертеж вида сбоку сечения, показывающий части устройства второго варианта осуществления устройства Вентури, имеющего два кольца для введения газов в горловину устройства.
[0019] Фиг.3 представляет собой схематический чертеж вида сбоку сечения, показывающий возможность использования сопла для атомизации вместе со вторым независимым устройством Вентури, последовательно.
[0020] Фиг.4 изображает вариант осуществления системы для атомизации и изображает поток через сопло генерирования наночастиц.
[0021] Фиг.5 отображает результаты сравнения между одноступенчатым устройством Вентури и устройством из вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, имеющим два кольца для создания струй сжатого воздуха.
[0022] Фиг.6 показывает улучшение характеристик потока воздуха и образования наночастиц при более высоких давлениях, когда расстояние от кольца до диффузора увеличивается от 0,5D до 2D.
[0023] Фиг.7 показывает, как увеличение расстояния между ступенями два и три до 4D дает в результате модификацию рабочих характеристик устройства.
[0024] Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
[0025] Варианты осуществления настоящего изобретения и различные его признаки и преимущества объясняются полнее со ссылками на неограничивающие варианты осуществления и примеры, которые описываются и приводятся в следующих далее описаниях этих примеров. Описания хорошо известных компонентов и технологий могут опускаться во избежание затруднения понимания изобретения и различных вариантов осуществления настоящего изобретения. Примеры, используемые в настоящем документе, предназначаются только для облегчения понимания путей, которыми может осуществляться настоящее изобретение, и чтобы дать дополнительную возможность специалистам в данной области для осуществления настоящего изобретения. Соответственно, примеры и варианты осуществления, приведенные в настоящем документе, не должны рассматриваться как ограничивающие рамки настоящего изобретения, которые определяются различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, и прилагаемой формулой изобретения.
[0026] Как используется в настоящем документе, термины, обозначающие единственное число, включают ссылки на единственное и множественное число, если только контекст четко не требует иного.
[0027] До настоящего времени, генерирование жидких и твердых наночастиц требует дорогостоящего оборудования, объемных устройств, высокого потребления энергии, и тому подобное. Однако генерирование наночастиц, как понимается, служит важным механизмом для получения покрытий, для улучшения состояния окружающей среды и для различных других применений.
[0028] Устройство, изображенное на фиг.1, предлагает новый подход к генерированию наночастиц из объемных жидкостей и может преимущественно изготавливаться из недорогих, ʺстандартныхʺ материалов, которые обеспечивают удобные средства для создания жидких или твердых наночастиц аэрозолей.
[0029] В широком смысле, устройство определяется как многоступенчатое сопло с тремя или более ступенями. Первая ступень относится прежде всего к атомизации посредством приведения в контакт сжатого воздуха с высокой скоростью с жидкостью в традиционной системе двухжидкостных сопел с получением в результате капель микронных размеров. В других вариантах осуществления, первая ступень определяется как любое сопло, способное производить капли микронных размеров, такое как традиционные электростатические или ультразвуковые сопла. Жидкость, поступающая в первую ступень, может представлять собой любую жидкость, приемлемою для атомизации в виде капель микронных размеров, такую как жидкости с поверхностным натяжением от 15 дин/см до 80 дин/см. Жидкость может также представлять собой раствор, содержащий растворитель и растворенное вещество, в котором растворитель можно выпаривать, а растворенное вещество имеет свойства, желаемые в наночастицах. Вторая ступень использует капли микронных размеров от первой ступени и дополнительно использует сжатый воздух, выбрасываемый из кольца для создания струй, с получением кольца струй с высокой скоростью, которое окружает капли, создаваемые в первой ступени. Наконец, третья ступень продлевает длину горловины второй ступени и добавляет второе кольцо струй сжатого воздуха. Кроме того, эти струи расположены для создания эффекта Вентури и тем самым втягивания газа из окружающей среды в пространство между первой и второй ступенями.
[0030] Вторая ступень оказывает три воздействия на капли, созданные на первой ступени, для запуска формирования наночастиц. Во-первых, струи воздуха с высокой скоростью на второй ступени обеспечивают дополнительную атомизацию жидкости, поступающей с первой ступени. Во-вторых, создание эффекта Вентури струями воздуха во второй ступени создает область низкого давления, которое усиливает испарение капель жидкости, созданных посредством первой и второй ступеней. В-третьих, эффект Вентури во второй ступени создает очень турбулентный поток в горловине второй ступени посредством втягивания воздуха из окружающей среды. Этот поток дополнительно усиливает испарение созданных капель и быстро понижает численную концентрацию капель для сохранения их малого размера.
[0031] Третья ступень продлевает длину горловины второй ступени и добавляет второе кольцо струй сжатого воздуха. Кольца для создания струй второй и третей ступеней разделены расстоянием равным или большим чем 0,1D, более предпочтительно, от 0,2D до 10D, еще более предпочтительно, от 0,5D до 4D, где D представляет собой диаметр горловины. Кольцо струй третьей ступени расширяет область низкого давления ступени два и дополнительно увеличивает скорость потока и турбулентность в горловине Вентури, приводя в результате к дальнейшему испарению и понижению численной концентрации капель, приводя в результате к образованию твердых или жидких наночастиц в зависимости от растворенного вещества и/или растворителя, используемого для исходных материалов объемной жидкости.
[0032] Третья ступень также включает дополнительный отрезок горловины перед диффузором, равный или больший, чем 0,1D, более предпочтительно, от 0,2D до 10D, еще более предпочтительно, от 0,5D до 4D, где D представляет собой диаметр горловины. Диффузор соединен с краем протяженной горловины, образованной ступенями два и три. Устройство приводится в действие сжатым газом, предпочтительно, воздухом окружающей среды, однако в определенных вариантах осуществления, приемлемыми для использования являются и другие сжатые газы. Между первой, второй или третьей ступенями могут дополнительно добавляться дополнительные ступени с добавлением другого кольца струй или узла приема воздуха.
[0033] Более подробно, фиг.1 конкретно изображает вид сечения многоступенчатого устройства генерирования наночастиц, содержащего сочетание сопла и усилителя газового потока. Вид сечения изображает внутренние особенности сопла. Однако понятно, что сопло имеет горловину 20, в целом, цилиндрической формы и что диффузор 22 имеет несколько коническую форму, где диаметр самой узкой части конуса равен диаметру горловины 25. Размер и форма конусов и цилиндрической горловины может сохранять их общую форму, но горловина может также иметь эллиптическую форму по поперечной оси. Кроме того, поперечная ось и форма отверстия горловины могут иметь квадратные или расположенные под углом края, не закругленные, без отклонения от принципов Вентури. На самом деле, диффузор и входной конус могут сохранять свою коническую в целом форму, но в определенных вариантах осуществления иметь углы, отличающиеся от прямых углов.
[0034] Начиная с левой стороны фиг.1, изображен вход 6 для жидкости. Вход 6 для жидкости обеспечивает отверстие для поступления жидкости в сопло. Любые известные приемлемые для использования средства соединения могут соединять исходные материалы жидкости со входом 6 для жидкости. Жидкость протекает в канал 27 для жидкости и в конечном счете жидкость высвобождается из выхода 26 для жидкости, где жидкость смешивается со сжатым газом из напорной камеры 4 для сжатого газа, и в этой точке осуществляется первичная атомизация 7.
[0035] Целью выхода 26 для жидкости является введение атомизированного вещества во вход цилиндрического кожуха или горловины 20, где оно ускоряется посредством сжатого воздуха, который поступает в устройство через часть горловины. Расстояние от выхода 26 для жидкости до начала горловины 23 может представлять собой любое приемлемое для использования расстояние, такое, что жидкость, выбрасываемая из выхода 26 для жидкости, втягивается в горловину 20. Это расстояние может составлять, например, до 0,5D/TAN(THETA/2), где D представляет собой диаметр 25 горловины, а THETA представляет собой угол расхождения струи атомизированной жидкости, генерируемой из выхода 26 для жидкости. Выход 26 для жидкости предпочтительно представляет собой сопло, например, двухжидкостное сопло, или другую конструкцию, приемлемую для обеспечения первичной атомизации текучей среды в горловине устройства, такую как электростатическое сопло, сопло пневматического разбрызгивателя или ультразвуковое сопло. Сопло может представлять собой, например, введение посредством сифона, посредством силы тяжести или давления жидкости приемлемой для распыления посредством сконструированного устройства. Когда жидкость высвобождается из выхода, жидкость вступает в контакт со сжатым газом из напорной камеры 4 для сжатого газа и выбрасывается через входной конус 24 сопла в горловину 20. Когда эта смесь вводится в горловину, одновременно с этим, воздух окружающей среды втягивается в сопло через вход 5 для воздуха окружающей среды, благодаря градиенту давления, создаваемому эффектом Вентури в горловине 20.
[0036] Смежно входом для воздуха окружающей среды находится вход 3 для сжатого газа, который соединен с напорной камерой 4 для сжатого газа. Как определено, напорная камера 4 для сжатого газа продолжается налево до 1-ой ступени сопла, а также окружает горловину 20. Напорная камера запитывается посредством входа 3 для сжатого газа и имеет три первичных выхода. Первый выход находится смежно входом 6 для жидкости. Второй и третий выходы находятся на первом кольце проходов 1 для сжатого газа и на втором кольце проходов 2 для сжатого газа.
[0037] Когда частично атомизированная жидкость смешивается с воздухом окружающей среды, горловина 20, имеющая уменьшенный по сравнению с диаметром входного конуса 24 диаметр, вызывает эффект Вентури и увеличивает скорость воздуха и жидкости в ней, уменьшая при этом давление в горловине 20. Именно это уменьшение давления втягивает воздух окружающей среды через вход 5 для воздуха окружающей среды.
[0038] После первичной атомизации 7, первое кольцо 1 для создания струй сжатого газа содержит множество проходов, которые расположены по окружности горловины. Первое кольцо 1 для создания струй сжатого газа расположено в горловине на расстоянии примерно от 0,1D примерно до 10D от отверстия 23 горловины, где D представляет собой диаметр 25 горловины 20. Проходы кольца для создания струй разделены равными расстояниями вдоль по окружности и обеспечивают проходы для доступа и входные проходы между напорной камерой 4 и горловиной. Сжатый газ, когда он вдувается в горловину 20, смешивается при этом с первично атомизированной жидкостью, воздухом окружающей среды и сжатым газом в точке 8 вторичной атомизации, смешивания и разбавления.
[0039] Второе кольцо 2 для создания струй сжатого газа расположено на расстоянии от 0,1D до 10D от первого кольца 1 для создания струй сжатого газа. Указанное второе кольцо 2 для создания струй сжатого газа усиливает турбулентность в горловине и продолжает смешивать его со смесью капель из точки 8 с формированием третичной точки 9 смешивания и разбавления. Горловина сохраняет одинаковый диаметр на расстоянии от отверстия 23 горловины до выхода 21 горловины. Следовательно, после этого второе кольцо 2 для создания струй сжатого газа формирует точку 9 третичного смешивания и разбавления на выходе 21 горловины. Выход горловины находится на расстоянии от 0,1D до 10D от второго кольца 2 для создания струй сжатого газа. Проходя через выход 21 горловины, смесь поступает в диффузор и в зону 10 расширения, которая имеет диаметр больший, чем у горловины, и таким образом смесь немного замедляется, давление увеличивается и смесь покидает сопло на краю выходного конуса 22.
[0040] Результат атомизации и смешивания посредством ступеней сжатого газа и воздуха окружающей среды заключается в том, что жидкие частицы быстро уменьшаются в размерах посредством выпаривания из-за воздуха и низкого давления, и в результате получаются твердые или жидкие наночастицы, которые диспергируются посредством потоков газов через сопло.
[0041] Горловина многоступенчатого сопла на фиг.1 является протяженной, чтобы повысить скорости потока для данного обратного давления и потребление сжатого воздуха, что обеспечивает в результате более эффективное формирование наночастиц. Протяженная горловина 20 обеспечивает введение сжатого воздуха в нескольких разных точках вдоль горловины 20. В предпочтительном варианте осуществления, в горловине 20 расположены два или более кольца для создания струй, они вводят сжатый воздух в сопло. Протяженная горловина 20 содержит три или более отрезков, где количество отрезков всегда на один больше чем количество колец для создания струй в горловине. Первый отрезок 30 представляет собой расстояние между отверстием 23 горловины и первым кольцом 1 для создания струй. Второй отрезок представляет собой расстояние 31 между первым кольцом 1 для создания струй и вторым кольцом 2 для создания струй. Третий отрезок представляет собой расстояние 32 в диффузоре между вторым кольцом 2 для создания струй и выходом 21 горловины. Общая длина горловины представляет собой приблизительно длину XD, где X находится в пределах между 0,1 и 50 и D представляет собой диаметр горловины на входной стороне горловины. Оптимальная длина горловины может зависеть от дополнительных факторов, таких как предполагаемое использование сопла.
[0042] Расстояние 31 между струями представляет собой расстояние между первым и вторым наборами колец для создания струй. Расстояние между кольцами для создания струй предпочтительно находится примерно в пределах между 0,1D и 10D, но это расстояние может изменяться, основываясь на предполагаемом использовании сопла. На самом деле, посредством увеличения или уменьшения расстояния между кольцами для создания струй, конечный пользователь может модифицировать и подбирать получаемый в результате размер наночастиц и общий поток через сопло.
[0043] Цилиндрический кожух или часть сопла в виде горловины может также содержать текстуру или шероховатость поверхности внутри горловины между двумя кольцами для создания струй, например, вдоль секции 31 горловины. Эта шероховатость может быть достигнута посредством любых приемлемых для использования средств, но предпочтительно посредством прерывания поверхности, с использованием разделенных некоторым аксиальным расстоянием зубчиков. Эта текстура или шероховатость поверхности может помочь при модификации рабочих характеристик при конкретных обратных давлениях для определенных вариантов осуществления. Однако поверхность может также быть, в целом, гладкой на ощупь, такой как поверхность, когда она генерируется посредством формования пластика, или посредством изготовления сопла способом литья под давлением или другого способа металлообработки.
[0044] Наночастицы аэрозоля, получаемые и распределяемые посредством устройства на фиг.1, можно использовать для разнообразных целей, включая разнообразные покрытия и улучшение состояния окружающей среды. Например, жидкие наночастицы аэрозоля могут распыляться в загрязненном воздухе или на загрязненной почве для удаления загрязняющих веществ.
[0045] Устройство также может служить в качестве устройства генерирования газового потока, как изображено на фиг.2, с множеством других потенциальных применений, таких как вентилируемые контейнеры. Разнообразные использования устройства по настоящему изобретению могут объединяться с целью преимущественного осуществления промышленных, коммерческих и рекреационных функций. Такие функции включают улучшение состояния окружающей среды и вентиляцию танков хранилищ.
[0046] Устройство на фиг.1 может преимущественно изготавливаться или фрезероваться в качестве цельного компонента, в котором часть сопла соединяется с частью усилителя газового потока посредством напорной камеры 4. Кроме того, входы 5 для воздуха окружающей среды, когда они соединяются со входным конусом 24, могут соединяться в одной или нескольких точках. Альтернативно, устройство может изготавливаться как первая часть сопла и вторая часть усилителя газового потока, которые могут объединяться для сообщения по текучей среде между соплом и входным конусом 24 средствами, известными специалистам в данной области.
[0047] Фиг.2 изображает модифицированный усилитель газового потока, предназначенный для генерирования газового потока. Левая сторона фиг.2 изображает входной конус 24. Подобно обычной системе Вентури, входной конус 24 собирает поток и является коническим по форме, чтобы сжимать поток в горловине 20 уменьшенного диаметра. Вход 23 горловины имеет диаметр 25 D, который уже, чем диаметр на входе входного конуса 24. Напорная камера 4 для сжатого газа окружает устройство Вентури таким образом, что сжатый газ нагнетается в горловину 20 на первом кольце 1 для создания струй сжатого газа и на втором кольце 2 для создания струй сжатого газа. Использование двух или более колец для создания струй сжатого газа делает возможным более эффективное использование сжатого газа при данном обратном давлении и общем потоке через устройство. На краю 21 горловины, диаметр опять увеличивается до выхода 22 выходного конуса.
[0048] Напорная камера 4 запитывается посредством входа 3 для сжатого газа. Это делает возможным использование одной точки на устройстве Вентури для запитывания всех проходов на каждом из первого и второго наборов струй. На самом деле, в каждом кольце струй имеется множество проходов. В предпочтительных вариантах осуществления, проходы находятся на одинаковых расстояниях друг от друга по окружности горловины 20.
[0049] Подобно устройству на фиг.1, компоненты в устройстве Вентури или усилителя газового потока разделены расстояниями между струями и отверстиями на каждом краю горловины. Расстояния между первым кольцом 1 для создания струй и вторым кольцом 2 для создания струй, а также расстояния между кольцами для создания струй и входом 23 горловины и выходом 21 горловины составляют длину горловины. Первое расстояние между входом 23 горловины и первым кольцом 1 для создания струй представляет собой первичное расстояние 30. Расстояние 31 представляет собой расстояние между первым и вторым кольцами для создания струй. Это расстояние 31 между струями разделяет два кольца для создания струй в горловине 20. Расстояние 32 диффузора представляет собой расстояние между вторым кольцом 2 для создания струй и выходом 21 горловины. Каждое из расстояний 30, 31 и 32 имеет длину примерно от 0,1D примерно до 10D, где D представляет собой диаметр 25 горловины или цилиндрического кожуха. В предпочтительных вариантах осуществления, расстояния находятся в пределах между примерно 0,1 и 4,0D или примерно между 0,5D и примерно 4,0D, или примерно 0,5D и примерно 2,0D. Эти расстояния не должны обязательно быть одинаковыми. Таким образом, первое расстояние 30 не должно быть равно второму расстоянию 31, которое не должно быть равно третьему расстоянию 32. На самом деле, модификация этих расстояний изменяет относительное давление и поток устройства Вентури, как изображено на следующих далее фигурах.
[0050] В предпочтительных вариантах осуществления, конструкция устройства Вентури или усилителя газового потока и введение двух или более колец для создания струй с высокой скоростью (или сходных устройств) делает возможным более высокий общий поток через устройство при достижении выходной стороны, по сравнению со стандартным устройством Вентури, при данном обратном давлении и скорости потока сжатого воздуха.
[0051] Фиг.3 предлагает применение многоступенчатого сопла на фиг.1 последовательно с модифицированным устройством Вентури на фиг.2. Соответственно, жидкость поступает через вход 6 для жидкости, проходит через горловину 20 и выходит из выходного конуса 22. Затем поток проходит во входной конус 124 и во второе устройство 123 Вентури, где поток сужается посредством устройства Вентури. Струи 101 и 102 продолжают перемешивание потока перед тем, как поток покидает второе устройство Вентури. Как изображено, диаметр 25 меньше чем диаметр 125. Однако в других вариантах осуществления диаметры могут быть равны, или первый диаметр может быть больше чем второй диаметр. Кроме того, отрезок прохода или контейнера может размещаться между выходным конусом 22 и входным конусом 124.
[0052] Следовательно, соответствующая система использует сочетание устройств. Первое устройство содержит сопло для создания частиц из объемной жидкости и первый усилитель газового потока. Однако, кроме того, система необязательно содержит второй усилитель газового потока, так что частицы, генерируемые соплом и первым усилителем газового потока, могут дополнительно подвергаться воздействию второго усилителя газового потока.
[0053] Фиг.4 предлагает пример динамики потока через многоступенчатое сопло вариантов осуществления, описанных в настоящем документе. Сжатый воздух поступает в сопло 3 и протекает через напорную камеру 4 через проход 26, кольцо 1 для создания струй и кольцо 2 для создания струй. Жидкость, поступающая в сопло через вход 6, приводится в контакт со сжатым воздухом в проходе 26, что обеспечивает первичную атомизацию 7. Воздух окружающей среды поступает через вход 5 и смешивается со сжатым воздухом, проходящим через кольцо 1 для создания струй, и с атомизированной жидкой смесью 7 в области 8 горловины. Сжатый воздух, поступающий через кольцо 2 для создания струй, дополнительно смешивается с протекающей смесью из области 8 горловины в области 9 горловины перед выходом из горловины и поступлением в выходной конус 22 и выходом из устройства.
[0054] Сжатые газы пригодные для введения в устройство включают, но не ограничиваясь этим, воздух окружающей среды, азот, гелий, аргон, CO2 и их сочетания. Газ или сочетание газов вводится в часть 20 горловины устройства с использованием двух или более положений вдоль продольной оси горловины 20. Проходы пригодные для инжектирования газа в каждом положении могут использовать одно сопло, кольцо сопел для формирования струй сжатого газа или неопределяемые отверстия в каждом положении. Кольцо для создания струй является предпочтительным для того, чтобы обеспечить поступление сжатого газа по окружности вдоль внутренней боковой поверхности горловины устройства Вентури, где кольцо содержит расположенные на равных расстояниях отверстия для выбрасывания сжатого воздуха. Предпочтительно, эти отверстия представляют собой проходы или сопла для направления потока воздуха, и при этом каждое кольцо содержит в пределах примерно между 3 и 100 проходами, но более предпочтительно, примерно между 5 и 50 проходами, и примерно между 7 и 15 проходами, и включая все количества проходов в пределах между 1 и 100. Следовательно, отдельный проход может представлять собой полное отверстие, окружающее горловину. Альтернативно, отдельный проход может представлять собой отдельное отверстие, обеспечивающее воздухом горловину только вдоль части окружности ее боковой поверхности.
[0055] В некоторых вариантах осуществления, два или более проходов для инжектирования газа могут включать первый проход для инжектирования, использующий сжатый газ, и дополнительный проход для инжектирования, использующий газ, поступающий естественным образом, который втягивается в отверстие в устройстве Вентури. В других предпочтительных вариантах осуществления, для инжектирования газа для сжатого газа могут предназначаться два или более проходов, или один - для сжатого газа, а остальные - для воздуха окружающей среды.
[0056] Следовательно, применение сопла и усилителя газового потока может использоваться в определенных способах для генерирования наночастиц посредством введения объемной жидкости в сопло и введения сжатого газа через проходы в горловину устройства атомизации.
[0057] Осуществляются определенные исследования для сравнения эффективности устройств с двумя кольцами для создания струй на фигурах 1 и 2 по сравнению со стандартным устройством Вентури/устройством Вентури с одним кольцом для создания струй. На фиг.5, исследуют два различных сопла и вычисляют результаты. Обозначение XX D/XX D в описании фигуры относится к длине горловины между двумя кольцами и к длине горловины между вторым кольцом и диффузором, соответственно. 0D/2D означает только одно кольцо и 2D между этим кольцом и началом диффузора. 2D/0,5D означает два диаметра горловины между двумя кольцами и 0,5 диаметра горловины между вторым кольцом и началом диффузора.
[0058] Таким образом фиг.5 сравнивает стандартное устройство Вентури с одним кольцом с устройством со множеством колец, как описано в настоящем документе, имеющим два кольца для создания струй в протяженной горловине. Следовательно, фиг.5 подтверждает, что при разделении сжатого воздуха на двух или более ступенях при постоянном диаметре горловины, давление и скорость потока сжатого воздуха, который протекает, повышаются, в частности, при более высоких обратных давлениях. Это дает в результате более высокую турбулентность, более высокое разбавление и как следствие, более эффективное формирование наночастиц. Следовательно, версия настоящего изобретения с двумя кольцами для создания струй, описанная в настоящем документе, превосходит устройство Вентури с одним кольцом по общему потоку воздуха для всех статических давлений.
[0059] Исследуют рабочие характеристики для последующей идентификации того, как доводить до максимума рабочие характеристики новых сопел. Фиг.6 изображает, что рабочие характеристики при более высоких обратных давлениях могут быть улучшены посредством увеличения длины горловины до диффузора до 2D, как показано на фиг.6, но рабочие характеристики понижаются при более низких обратных давлениях. Рабочие характеристики при более низких обратных давлениях могут быть улучшены посредством добавления шероховатости поверхности, как в патенте США 4765373, для усиления локальной турбулентности и перемешивания между двумя кольцами для создания струй и между вторым кольцом для создания струй и диффузором. Соответственно, может добавляться текстура или шероховатость поверхности для модификации рабочих характеристик при определенных обратных давлениях.
[0060] Фиг.7 дополнительно изображает, что, если длина горловины между кольцами дополнительно увеличивается до 4D, поток в целом несколько понижается для данного давления из-за увеличения перепада давлений в атомайзере, приводящего в результате к уменьшению эффективности формирования наночастиц.
[0061] Хотя настоящее изобретение конкретно показано и описано со ссылками на некоторые его варианты осуществления, специалисты в данной области поймут, что они были представлены только в качестве примера, но не ограничения, и различные изменения формы и деталей могут осуществляться в нем без отклонения от духа и рамок настоящего изобретения. Таким образом, охват и рамки настоящего изобретения не должны ограничиваться какими-либо описанными выше иллюстративными вариантами осуществления, но должны определяться только в соответствии со следующей далее формулой изобретения и ее эквивалентами.
[0062] Все документы, цитируемые в настоящем документе, включая журнальные статьи или рефераты, опубликованные или соответствующие заявкам на патент США или на иностранный патент, выданным или иностранным патентам, или любые другие документы, каждый, полностью включаются в настоящий документ в качестве ссылок, включая все данные, таблицы, фигуры и текст, представленные в цитируемых документах.
[0063] Методы и материалы
[0064] В предложенных примерах, диаметр горловины используемый для сбора данных, для устройств Вентури как с одним, так и с двумя кольцами составляет 3,625 дюйма (9,2 см). Давление сжатого газа, прикладываемое ко всем устройствам Вентури, составляет 90 фунтов на квадратный дюйм (6 кг/кв. см). Скорость потока сжатого воздуха, прикладываемая ко всем устройствам Вентури составляет 144 стандартных кубических фута в минуту (7,2 куб. м/мин).
[0065] Устройство Вентури с одним кольцом, используемое для получения иллюстративных данных, представляет собой существующую стандартную конструкцию Вентури, такую как в патенте США № 4765373.
[0066] Устройство Вентури с двумя кольцами, используемое для получения иллюстративных данных, описывается на фиг.2 при различных значениях расстояния между двумя кольцами и между вторым кольцом и диффузором.
[0067] Результаты
[0068] На основе этих результатов, предпочтительная конфигурация представляет собой расстояние равное или большее чем 0,5D горловины между кольцами и между кольцом и диффузором. Более предпочтительно, оно составляет от 0,5D до 4D. Еще более предпочтительно, оно составляет от 0,5D до 2D.
[0069] Шероховатость поверхности в секциях горловины, как описано в патенте США 4765373, между кольцами и между вторым кольцом и диффузором также является предпочтительной для улучшения турбулентности и скорости потока разбавления для формирования наночастиц при более низких обратных давлениях. Трехступенчатая конфигурация дает в результате наиболее эффективное использование сжатого воздуха при данном давлении для формирования наночастиц при данной скорости потока жидкости.
1. Устройство генерирования твердых или жидких наночастиц, содержащее:
сопло для создания частиц первого размера из потока объемной жидкости, которое находится в сообщении по текучей среде с усилителем газового потока, где предусмотрены средства для сообщения по текучей среде с газом окружающей среды между соплом и усилителем газового потока;
усилитель газового потока, содержащий:
входной конус, соединенный и находящийся в сообщении по текучей среде со входом цилиндрического кожуха; диффузор, соединенный и находящийся в сообщении по текучей среде с выходом кожуха; причем кожух содержит по меньшей мере два кольца проходов, расположенных по окружности цилиндрического кожуха; и средство инжектирования сжатого газа в кожух через проходы.
2. Устройство по п.1, в котором сопло представляет собой двухжидкостное, электростатическое сопло, сопло для распыления под давлением или ультразвуковое сопло.
3. Устройство по п.1, в котором сопло представляет собой двухжидкостное сифонное сопло или двухжидкостное сопло, запитываемое под действием силы тяжести.
4. Устройство по п.1, в котором расстояние между выходом кожуха и ближайшим кольцом проходов и между по меньшей мере двумя кольцами проходов составляет по меньшей мере 0,5D, где D представляет собой диаметр горловины цилиндрического кожуха.
5. Устройство по п.4, в котором расстояние составляет от 0,5D до 2D.
6. Устройство по п.4, в котором расстояние составляет от 0,5D до 4D.
7. Устройство по п.1, в котором внутренние стенки цилиндрического кожуха, между выходом кожуха и ближайшим кольцом проходов и между по меньшей мере двумя кольцами проходов, содержат шероховатый сегмент стенки.
8. Устройство по п.1, в котором расстояние между выходом сопла и входом цилиндрического кожуха равно или меньше чем 0,5D/TAN(Theta/2), где D представляет собой диаметр горловины цилиндрического кожуха и Theta представляет собой угол расхождения струи, испускаемой из сопла.
9. Устройство по п.1, дополнительно содержащее второй усилитель газового потока, содержащий:
входной конус, соединенный и находящийся в сообщении по текучей среде со входом цилиндрического кожуха; диффузор, соединенный и находящийся в сообщении по текучей среде с выходом указанного кожуха; при этом указанный кожух содержит по меньшей мере два кольца проходов для инжектирования сжатого газа в кожух таким путем, чтобы вызвать его протекание во вход кожуха; и средства для соединения узла подачи сжатого газа с кожухом; при этом входной конус второго усилителя газового потока находится в сообщении по текучей среде с диффузором первого усилителя газового потока.
10. Система генерирования наночастиц, содержащая:
a. первое сопло, приемлемое для генерирования атомизированных частиц объемной жидкости;
b. усилитель газового потока, содержащий цилиндрический кожух, имеющий расположенный на одном краю конический вход, а на другом краю конический диффузор; причем внутри цилиндрического кожуха расположены по меньшей мере два кольца проходов, расположенных круговым образом по окружности цилиндрического кожуха, и при этом по меньшей мере два кольца проходов разделены расстоянием по меньшей мере 0,5D, и при этом по меньшей мере два кольца проходов соединены с напорной камерой высокого давления, достаточного для выбрасывания газа высокого давления в цилиндрический кожух; и
c. при этом первое сопло находится в сообщении по текучей среде с входом цилиндрического кожуха, и при этом жидкость выбрасывается соответствующим образом из первого сопла в цилиндрический кожух таким путем, чтобы атомизировать, смешивать, разбавлять и испарять жидкость так, чтобы создавать и сохранять твердые или жидкие наночастицы аэрозоля.
11. Система генерирования наночастиц по п.10, в которой объемная жидкость имеет поверхностное натяжение в пределах между 15 дин/см и 80 дин/см.
12. Система генерирования наночастиц по п.10, в которой объемная жидкость содержит растворенное вещество, растворенное в объемной жидкости.
13. Система генерирования наночастиц по п.10, в которой расстояние между выходом кожуха и ближайшим кольцом проходов и между по меньшей мере двумя кольцами проходов находится в пределах между 0,5D и 4,0D, где D представляет собой диаметр горловины цилиндрического кожуха.
14. Система генерирования наночастиц по п.10, в которой сегменты стенки между выходом кожуха и ближайшим кольцом проходов и между по меньшей мере двумя кольцами проходов содержат шероховатые сегменты стенок.
15. Система генерирования наночастиц по п.10, дополнительно содержащая второй усилитель газового потока, при этом край первого конического диффузора находится в сообщении по текучей среде с коническим входом второго усилителя газового потока.
