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CN110393838B - 用于收集喷雾中应变硬化粘弹性流体的液滴的方法和系统 - Google Patents

用于收集喷雾中应变硬化粘弹性流体的液滴的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明是用于收集喷雾中应变硬化粘弹性流体的液滴的方法和系统。一种气溶胶产生系统可以包含：一对反向旋转辊，所述对反向旋转辊配置为彼此相邻定位并且在彼此之间限定出辊隙；流体源，所述流体源配置为将流体提供到所述辊隙；驱动元件，所述驱动元件配置为驱动所述对反向旋转辊相对于彼此反向旋转并且使得所述流体通过所述辊隙被抽取；以及收集壳体，所述收集壳体配置为大体上绕着所述对反向旋转辊定位，所述收集壳体具有喷嘴，所述喷嘴配置为允许所述流体从所述辊隙穿过。

Description

用于收集喷雾中应变硬化粘弹性流体的液滴的方法和系统
所公开的方法和系统大体上涉及喷雾沉积系统和方法，并且更具体地涉及此类系统中的此类喷雾的受控收集和引导。
多制造和工业应用都受益于流体雾化以产生细小蒸汽雾或气溶胶，诸如，燃烧应用中使用的燃料/空气混合物、用于喷涂的雾化空气-油漆混合物、涂层在药物中的应用、粘合剂应用等。一旦组分溶液被制成气溶胶，其就可以容易地被处理以涂覆几乎任何形状的表面。可替代地，在制药工业中，气溶胶常常用在被称为“喷雾干燥”的过程中以产生细粉末，这些细粉末用作上游组分溶液以产生活性药物成分。
关于粘弹性流体的喷雾处理的现有技术，此类流体常常表现出应变硬化行为，这会抑制常规雾化方法中的液滴形成。一些系统利用这种应变硬化行为并且利用其通过弹性毛细管不稳定性来生成液滴。图14图示了此类系统1400的实例，系统1400包含具有两个反向旋转辊1402和1404的喷雾机构，两个反向旋转辊1402和1404彼此硬接触。此类系统通常允许既在室温下(例如，聚合物溶液和复合配方)也在升高温度下(例如，聚合物熔体)喷涂粘弹性流体。
现有技术可以与大辊或小辊一起工作。例如，大辊可以用于高生产量应用(例如，作为在用于生产液滴或粉末的生产线的末端处操作的单元)，而小辊则可以用于较小输出但却以相等的小装置足迹进行使用(例如，作为用于精确分配的手持装置)。
对所生产的喷雾的收集通常是喷雾技术的集成部分。喷雾液滴倾向于基于其初始速度(例如，在细丝分解时)和液滴尺寸自然地遵循其自身的轨迹。这些轨迹线常常遵循喷雾锥体1410。取决于诸如辊直径、辊速度、接触力、以及流体流变学等不同参数，所述喷雾锥体1410通常足够宽以在有限困难下进行受控沉积。
图15图示了用于在有限区域上获得受控沉积的系统1500，所述系统1500包含使用遮罩1504(或者，可替代地，具有孔口的片材)来堵塞来自喷雾源1502的喷雾锥体1510的不良喷雾部分，诸如，一对反向旋转辊。尽管所述系统1500可以将输送区域限制于表面1520上的有限空间1512，但所述系统还是明显低效的，因为大多数不良喷雾收集在遮罩1504(或者片材)上。
随着时间的推移，所述收集的体积将会累积并且可能最终会溢出，这对于特定应用(例如，药物制剂和消费品的应用)而言是不卫生的。所述系统1500还是浪费的，尤其是对于仅能以有限体积得到的高价值流体(例如，以μg规模制造的专用药物和生物活性物质)。
因此，减少浪费喷雾量的方法和系统在本领域中将是有益的。
图1图示了根据所公开的技术的某些实施例的气溶胶生产系统的实例的功能图。
图2图示了根据所公开的技术的某些实施例的气溶胶生产系统的第一实例。
图3图示了根据所公开的技术的某些实施例的具有椭圆形开口的收集壳体喷嘴的实例，所述椭圆形开口垂直于张开角度。
图4图示了根据所公开的技术的某些实施例的具有椭圆形开口的收集壳体喷嘴的实例，所述椭圆形开口平行于张开角度。
图5图示了根据所公开的技术的某些实施例的具有圆形开口的收集壳体喷嘴的实例。
图6图示了根据所公开的技术的某些实施例的气溶胶生产系统的第二实例。
图7图示了根据所公开的技术的某些实施例的气溶胶生产系统的第三实例。
图8图示了根据所公开的技术的某些实施例的与收集壳体集成的两个气刀的透视截面图。
图9图示了根据所公开的技术的某些实施例的与收集壳体集成的两个气刀的侧视截面图。
图10图示了根据所公开的技术的某些实施例的两个气刀的第一实例的截面图，所述两个气刀的定位和地理是由一对反向旋转辊、喷雾锥体、以及目标限定。
图11图示了根据所公开的技术的某些实施例的收集壳体的第一实例的截面图，所述收集壳体的曲率是由一对反向旋转辊、喷雾锥体、以及目标限定。
图12图示了根据所公开的技术的某些实施例的两个气刀的第二实例的截面图，所述两个气刀的定位和地理是由一对反向旋转辊、喷雾锥体、以及目标限定。
图13图示了根据所公开的技术的某些实施例的收集壳体的第二实例的截面图，所述收集壳体的曲率是由一对反向旋转辊、喷雾锥体、以及目标限定。
图14图示了用于粘弹性流体的喷雾处理的现有雾化器的实例。
图15图示了用于在有限区域上获得受控沉积的现有系统的实例，其包含遮罩的使用。
所公开的技术的实施例大体上涉及用于有效地收集在喷雾处理中生产的喷雾的系统和方法。此类实施例可以包含规模缩减系统，例如，具有5-50mm的辊的系统，并且可以包含通向喷嘴的收集壳体，喷嘴具有合适的几何结构和受控气流，受控气流使用气刀，气刀被定位和定向为增加对从其通过的喷雾的收集。
所公开的技术的实施例可以有利地使得能够收集被输入到系统中的液体的大部分，例如，多达或超过85％。现有系统在较大辊系统(例如，大于50mm的辊直径)中具有小于1％的效率，并且在较小辊系统(例如，小于50mm的辊直径)中具有10％的效率。根据所公开的技术的某些实施例可以进一步将喷雾集中到限定的且有限的区域中，例如，大于1-2cm2的区域，其与人眼的暴露表面积相当。
图1是图示了根据所公开的技术的某些实施例的气溶胶生产系统100的实例的功能图。在所述实例中，系统100具有彼此接触的一对反向旋转辊102和104、以及在辊102和104周围的收集壳体，所述收集壳体配置为沿着其自然方向有效地收集喷雾。收集壳体具有会聚轮廓，所述会聚轮廓被设计为将在辊隙(例如，辊接触点)处生产的喷雾引导到与收集壳体集成的喷嘴112(例如，出口)中且通过喷嘴112。
在所述实例中，系统100还包含一对气刀114和116，所述对气刀114和116配置为协助将喷雾重新定向到喷嘴112中。气刀114和116通常被设计和放置为在战略上用于在喷嘴112处收集喷雾。由气刀114和116引起的气流通常与收集壳体的表面相切，但可以与其成任何合适的角度。
图2图示了根据所公开的技术的某些实施例的气溶胶生产系统200的第一实例。在所述实例中，系统200具有一对反向旋转辊202和204以及在辊202和204周围的收集壳体210，收集壳体210配置为沿着其自然方向有效地收集喷雾。收集壳体210具有会聚轮廓，所述会聚轮廓被设计为将在辊隙(例如，辊接触点)处生产的喷雾引导到与收集壳体210集成的喷嘴212(例如，出口)中且通过喷嘴212。
在所述实例中，系统200还包含一对气刀214和216，所述对气刀214和216配置为协助将喷雾重新定向到喷嘴212中。如本文所使用的，术语“气刀”通常指具有狭窄开口的装置或部件，例如，空气可以由某种类型的风扇或鼓风机或其它合适装置迫使通过所述狭窄开口。
气刀214和216通常沿着喷雾锥体进行设计和放置。气刀214和216中的进口压力可以被优化以在喷嘴212处最大限度地收集喷雾(例如，在暴露时间内被测量为收集质量)。由气刀214和216引起的气流通常与收集壳体210的表面相切。
确定和维持系统中的气流量是引导喷雾和使喷嘴附近的壳体表面中的喷雾沉积最小化的集成部分。来自气刀214和216的气流在靠近收集壳体210的表面处产生快速移动流线，这会防止粒子撞击和收集在表面上。通常存在通过气刀214和216的临界水平的气流以用于将喷雾重新定向到喷嘴212中。如果气流低于或高于所述值，则喷雾收集效率通常是次优的。
在所述实例中，喷嘴212可以是模块化的并且能够容易与系统200的其余部分互换。例如，喷嘴212可以被定位在收集壳体210上并且由任何合适的固定机构固定。喷嘴212的几何结构可以取决于预期沉积区域(例如，相对于初期喷雾轮廓)进行修改。
对于某些应用(例如，眼部沉积)，喷嘴几何结构可以被选择为与眼睛的暴露表面积更加紧密地相匹配。例如，考虑到喷雾锥体的自然张开，此类选择还可能对收集效率具有轻微影响。例如，收集壳体210的设计和气流经由气刀214和216的集中可以是基于自然喷雾锥体轮廓。
图3至图5图示了可以进行实施例的三种不同类型的喷嘴几何结构。图3图示了具有垂直于张开角度的椭圆形开口314的喷嘴312，图4图示了具有平行于张开角度的椭圆形开口424的喷嘴422，并且图5图示了具有圆形开口534的喷嘴532。应所述注意的是，考虑到已经较大的喷雾收集率，所以出口几何结构之间的因素差异通常较小。
图6图示了根据所公开的技术的某些实施例的气溶胶生产系统600的第二实例。类似于图2所图示的系统200，系统600包含一对反向旋转辊602和604、具有喷嘴612的收集壳体610、以及一对气刀614和616，所述对气刀614和616配置为引导喷雾朝向且通过喷嘴612。应所述注意的是，图6的收集壳体610具有不同于图2所图示的收集壳体210的形状(例如，曲率)。
在某些实施例中，用于图2的收集壳体210的最佳气流可以是大约每小时20-30标准立方英尺，而用于图6的收集壳体610的最佳气流则是大约每小时40-50标准立方英尺。在这些气流下，喷雾收集效率可以增加至高达85％或者甚至更大。
图7图示了根据所公开的技术的某些实施例的气溶胶生产系统700的第三实例。在所述实例中，例如，经由三维(3D)打印来产生具有喷嘴712的收集壳体710，其具有的设计和几何结构是基于由辊702和704引起的自然喷雾锥体。
在所述实例中，收集壳体710配置为将辊安装和封闭在台式试验台中并且将喷雾引导至有限区域。收集壳体710可以连接至外部清洁空气源和具有针阀的流量计，所述针阀用于调节气刀中的进口压力(例如，有效体积流率)。
在某些实施例中，收集壳体可以集成在手持系统中。收集壳体和喷嘴的曲率和设计以及优化气流可以确保所生产的喷雾被引导到期望区域中，诸如，例如，患者的人眼的暴露表面。其它实施方案可以包含但不限于：涂覆患者的口腔或鼻子的表面(例如，用于口腔/鼻腔流体输入)、皮肤中的某些点(例如，用于施用化妆品)、或者更大的区域(例如，用于施涂涂层)。
某些实施方案可以包含：设计用于从具有不同喷雾锥体轮廓(例如，在两个平面中的较宽张开、或者真正锥形喷雾轮廓)的其它喷雾源收集和运送液滴的收集壳体。同样，喷嘴形状可以设计用于可能需要不同程度的重新定向的其它应用，例如，在特定类型的涂层的应用中。
图8图示了根据所公开的技术的某些实施例的与收集壳体810集成的两个气刀814和816的透视截面图。在所述实例中，两个空气移动装置815和817分别与气刀814和816集成，以便通过气刀814和816将空气提供到收集壳体810的内部，如箭头指示的。
图9图示了根据所公开的技术的某些实施例的与收集壳体910集成的两个气刀914和916的侧视截面图。在所述实例中，通过气刀914和916将空气移动到收集壳体910的内部，如由箭头指示的。
在某些实施方案中，各个气刀的位置/地点和定向可以是基于多个特定因素中的任一个来确定。例如，各个气刀的位置/地点可以基于喷雾锥体，以便使得无论气刀被定位为远离辊表面多远，气刀都将沿着喷雾锥体。例如，每个气刀的定向(其通常控制由气刀引起的气流的方向)然后被选择为使得气流与与辊同心的圆相切并且同时对抗喷雾锥体的方向。所述位置和定向的效果是喷雾锥体的张开的减小。
图10图示了根据所公开的技术的某些实施例的两个气刀1014和1016的第一实例1000的截面图，两个气刀1014和1016的定位和地理是由一对反向旋转辊1002和1004、喷雾锥体、以及目标1012(例如，喷嘴)限定。在所述实例中，气刀1014和1016的地点和定位至少部分地由与反向旋转辊1002和1004相隔的距离限定，如分别由对应的同心圆1003和1005图示的以及同样由气刀1014和1016沿着喷雾锥体的排列图示的。在所述实例中，气刀1014和1016被定位在喷雾锥体与来自辊的同心圆的交叉点处并且被定向为使得通过其的气流分别与同心圆1003和1005相切。
在实例1000中，各个气刀1014和1016的位置/地点是基于从反向旋转辊1002和1004发出的喷雾锥体，以便使得气刀1014和1016针对喷雾锥体引导空气，效果在于减小其张开。进一步地，各个气刀1014和1016的定向分别是基于其与最近的反向旋转辊1002和1004相隔的距离，如分别由同心圆1003和1005表示的。
图11图示了根据所公开的技术的某些实施例的收集壳体1110的第一实例1100的截面图，收集壳体1110的曲率是由一对反向旋转辊1102和1104、喷雾锥体、以及目标1112限定。在所述实例中，收集壳体1110的形状(例如，曲率)以及气刀1114和1116的地点/定位至少部分地是由与反向旋转辊1102和1104相隔的距离限定，如分别由对应的同心圆1103和1105图示的。在所述实例中，气刀1114和1116被定位在喷雾锥体与来自辊的同心圆的交叉点处并且被定向为使得通过其进入收集壳体1110的内部的气流分别与同心圆1103和1105相切。
在实例1100中，各个气刀1114和1116的位置/地点是基于从反向旋转辊1102和1104发出的喷雾锥体，以便使得气刀1114和1116针对喷雾锥体引导空气，效果在于减小其张开。进一步地，各个气刀1114和1116的定向分别是基于其与最近的反向旋转辊1102和1104相隔的距离，如分别由同心圆1103和1105表示的。
图12图示了根据所公开的技术的某些实施例的两个气刀1214和1216的第二实例的截面图，两个气刀1214和1216的定位和地理是由一对反向旋转辊1202和1204、喷雾锥体、以及目标1212(例如，喷嘴)限定。在所述实例中，气刀1214和1216的地点和定位至少部分地由与反向旋转辊1202和1204相隔的距离限定，如分别由对应的同心圆1203和1205图示的以及同样由气刀1214和1216沿着喷雾锥体的排列图示的。在所述实例中，气刀1214和1216被定位在喷雾锥体与来自辊的同心圆的交叉点处并且被定向为使得通过其的气流分别与同心圆1203和1205相切。
在实例1200中，各个气刀1214和1216的位置/地点是基于从反向旋转辊1202和1204发出的喷雾锥体，以便使得气刀1214和1216针对喷雾锥体引导空气，效果在于减小其张开。进一步地，各个气刀1214和1216的定向分别是基于其与最近的反向旋转辊1202和1204相隔的距离，如分别由同心圆1203和1205表示的。
图13图示了根据所公开的技术的某些实施例的收集壳体的第二实例的截面图，所述收集壳体的曲率是由一对反向旋转辊、喷雾锥体、以及目标限定。在所述实例中，收集壳体1310的形状(例如，曲率)以及气刀1314和1316的地点/定位至少部分地是由与反向旋转辊1302和1304相隔的距离限定，如分别由对应的同心圆1303和1305图示的。在所述实例中，气刀1314和1316被定位在喷雾锥体与来自辊的同心圆的交叉点处并且被定向为使得通过其进入收集壳体1310的内部的气流分别与同心圆1303和1305相切。
在实例1300中，各个气刀1314和1316的位置/地点是基于从反向旋转辊1302和1304发出的喷雾锥体，以便使得气刀1314和1316针对喷雾锥体引导空气，效果在于减小其张开。进一步地，各个气刀1314和1316的定向分别是基于其与最近的反向旋转辊1302和1304相隔的距离，如分别由同心圆1303和1305表示的。

Claims (14)

1.一种气溶胶产生系统，其包括：
一对反向旋转辊，其包括第一辊和第二辊，且配置为彼此相邻定位并且在彼此之间限定出辊隙，所述辊隙具有上游侧和下游侧；
流体源，其配置为将流体提供到所述辊隙的所述上游侧；
其中，该对反向旋转辊还配置成相对于彼此反向旋转并且使得所述流体通过所述辊隙的所述上游侧被抽取至所述辊隙的所述下游侧且作为将分解为液滴的细丝离开所述辊隙的所述下游侧；
收集壳体，其配置为绕着该对反向旋转辊定位，所述收集壳体具有喷嘴，所述喷嘴配置为允许喷雾从所述辊隙的所述下游侧穿过；以及
相对于喷嘴彼此相对定位的一对气刀，该对气刀包括均与所述收集壳体集成的第一气刀和第二气刀，且配置为在被限定在所述收集壳体的内表面与该对反向旋转辊之间的腔室中产生气流，其中，所述气流通过所述喷嘴将所述液滴携带出去，其中，所述气流在所述辊隙的所述下游侧处提供，其中，第一气刀位于第一辊的下游且产生第一气流，第一气流与所述收集壳体的内表面的第一部分以及与第一辊同心的第一圆两者相切，且进一步其中，第二气刀位于第二辊的下游且产生第二气流，第二气流与所述收集壳体的内表面的第二部分以及与第二辊同心的第二圆两者相切，第一气流和第二气流中的每个朝向喷嘴成角度。
2.根据权利要求1所述的气溶胶产生系统，其中，所述收集壳体是基于喷雾锥体来进行设计，所述喷雾锥体由所述反向旋转辊的尺寸、其旋转速度、以及被分配到所述辊隙中的所述流体的喷雾行为限定。
3.根据权利要求1所述的气溶胶产生系统，其中，所述收集壳体是模块化的并且配置成与所述气溶胶产生系统集成。
4.根据权利要求3所述的气溶胶产生系统，其中，所述收集壳体进一步能够容易从所述系统上移除。
5.根据权利要求1所述的气溶胶产生系统，其中，所述气流在每小时3-30标准立方英尺的范围内。
6.根据权利要求1所述的气溶胶产生系统，其中，所述第一气刀和第二气刀中的每一个的定位和定向是基于喷雾锥体，所述喷雾锥体与该对反向旋转辊相对应并且由所述反向旋转辊的尺寸、所述反向旋转辊的旋转、以及被分配到所述辊隙中的所述流体的喷雾行为限定。
7.根据权利要求1所述的气溶胶产生系统，其中，所述收集壳体是经由由以下组成的群组中的一个来产生：三维（3D）打印、机械加工、以及注射模塑。
8.根据权利要求1所述的气溶胶产生系统，其中，所述喷嘴能够基于与该对反向旋转辊相对应的喷雾锥体来选择。
9.根据权利要求1所述的气溶胶产生系统，其中，所述喷嘴配置为通过所述喷嘴的开口将喷雾从所述辊隙的所述下游侧引导至有限区域。
10.根据权利要求9所述的气溶胶产生系统，其中，所述有限区域是患者眼睛的表面。
11.根据权利要求1所述的气溶胶产生系统，其中，所述气刀中的至少一个通过由以下组成的群组中的一个驱动空气从其通过：风扇、压缩空气罐、以及加压空气管路。
12.根据权利要求1所述的气溶胶产生系统，其中，所述系统是手持装置。
13.根据权利要求1所述的气溶胶产生系统，其中，所述喷嘴是模块化的并且配置成与所述收集壳体集成。
14.根据权利要求1所述的气溶胶产生系统，还包括另一收集壳体，所述另一收集壳体配置为取代所述收集壳体。
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