用于生成氣溶膠的方法和系統的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]多種制造和工業應用都得益于流體霧化以生成細蒸氣霧或氣溶膠，例如用于燃燒應用的燃料/空氣混合物、用于噴涂的霧化空氣-涂料混合物、醫藥涂層應用、粘合劑應用等。一旦組分溶液被制成氣溶膠，就能夠易于被處理成涂布實際上任何形狀的表面。備選地，在醫藥工業中，氣溶膠通常用于被稱為“噴霧干燥”的過程中，以產生用作上游組分溶液從而生成活性制藥原料的細粉末。
[0002]在所有已知的應用中，通過組分溶液生成氣溶膠都是具有挑戰的。當組分溶液性狀像牛頓流體一樣時，通過多種常規方法來生成蒸氣或氣溶膠。一種傳統的方法使用高速氣流來拖動空氣和液體。典型的霧化器或氣溶膠包括巨大的雷諾數和韋伯數的空氣和組分溶液的共軸流，即，慣性力影響流體中的粘性和表面拉力。這種流通常不穩定并且由于開爾文-亥姆霍茲和高地射線不穩定性而導致流體斷裂。在許多情況下，該流是在高應變和應變率下清除和拉伸流體包的湍流和混沌，從而導致使流體夾帶大量空氣并且造成懸浮于空氣中的細霧滴。
[0003]當組分溶液具有牛頓特性并且性狀像牛頓流體一樣時，高速共軸流是有效的。然而，多種組分溶液含有多種導致非牛頓特性(其中包括剪切稀化和粘彈性)的多種高分子和相互作用的固體組分。對于具有非牛頓特性的組分溶液而言，像高速共軸流和電噴涂的傳統霧化方法可能是無效的。例如，如果組分溶液是粘彈性的并且強烈延伸地增厚，那么當流體拉伸時，其延伸粘度可能沿應變方向增大若干數量級，即對于一些高分子質量聚合物組分溶液而言大于105。
[0004]在噴射期間，具有非牛頓特性的組分溶液的延伸厚度造成粘性阻力大于慣性和表面拉力，從而使系統在斷裂和防止小滴形成之前承受巨大的應變。噴射導致形成從不斷裂并且變得懸浮在空氣中的長的粘性絲、膜和卷須。基本上，液體拉伸，但是絕不會斷裂成液滴從而形成霧或蒸氣。
[0005]用于生成氣溶膠的共軸流系統的主要問題是應變方向與平移方向重合。絲最終斷裂成液滴以形成霧，但是為了實現巨大應變，由噴射產生的絲必須基本沿長距離行進。當絲行進時，絲失去動量并且可能彈回從而重新形成(reform)巨大液滴。備選地，試圖在其軌跡中連續推動絲需要不切實際的長噴射來斷裂絲并且形成液滴。
[0006]因此，通過由展示出牛頓特性和非牛頓特性中的一種或兩種的流體生成氣溶膠的方法和系統將是本領域內有益的。
【附圖說明】
[0007]圖1是根據本公開的方面的被拉動穿過限定于兩個輥之間的輥隙的流體以及流體絲拉伸的漸變過程圖。
[0008]圖2是一對活塞的例子，流體在該對活塞之間拉伸并且斷裂。
[0009]圖3示出了根據本公開的方面的一對反向旋轉輥和形成于輥隙的下游側上的絲。
[0010]圖4是具有流體容器的示例性的一對反向旋轉輥的橫截面圖。
[0011]圖5是具有一對反向旋轉輥的氣溶膠生成機的例子，該對反向旋轉輥生成氣溶膠。
[0012]圖6A和圖6B是用于一對反向旋轉輥的流體涂布技術的兩個例子。
[0013]圖7A至圖7E是用于一對反向旋轉輥的流體涂布技術的額外例子。
[0014]圖8是用于生成氣溶膠的系統的例子，該系統包括風扇以在一對反向旋轉輥的上游生成氣流。
[0015]圖9是增加了擋板的圖8中所示的用于生成氣溶膠的系統，所述擋板定位在該對反向旋轉輥的下游。
[0016]圖10是增加了噴涂收集器和真空的圖9中所示的用于生成氣溶膠的系統，該噴涂收集器和真空定位在該對反向旋轉輥和擋板的下游。
[0017]圖11是用于生成氣溶膠的示例性系統，該系統包括定位在一對反向旋轉輥和擋板上游的氣流、噴涂收集器和定位在該對反向旋轉輥下游的真空。
[0018]圖12是用于生成氣溶膠的另一個示例性系統，該系統包括定位在一對反向旋轉輥下方的風扇、定位在反向旋轉輥上方的擋板和定位在反向旋轉輥下游的噴涂收集器和真空。
[0019]圖13是用于生成氣溶膠的又一個示例性系統，該系統包括空氣流，該空氣流沿限定于輥之間的輥隙與反向旋轉輥平行地行進。
[0020]圖14是反向旋轉輥的示例性輥，其中示出了位于輥表面上的各種開口。
[0021]圖15A至圖15C是用于反向旋轉輥中的一個或兩個反向輥的示例性紋理。
[0022]圖16是具有兩個不同紋理表面的區域的反向旋轉輥中的一個。
[0023]圖17是用于反向旋轉輥的又一個示例性紋理表面，其中以不同距離間隔開的肋圍繞輥的外周延伸。
[0024]圖18是紋理輥表面的又一種類型，其中多根剛毛遠離輥的表面延伸。
[0025]圖19是具有被應用于其不同區域中的兩個表面處理的示例性輥。
[0026]圖20A和圖20B是具有多個輥的用于生成氣溶膠的示例性系統及其三維透視圖。
[0027]圖21A和圖21B是具有多個輥的用于生成氣溶膠的另一個示例性系統及其三維透視圖。
[0028]圖22A和圖22B是具有多個輥的用于生成氣溶膠的又一個示例性系統及其三維透視圖。
[0029]圖23A和圖23B是具有多個輥的用于生成氣溶膠的又一個示例性系統及其三維透視圖。
[0030]圖23C是圖23A和圖23B中所示的間隔件中的一個的放大視圖。
[0031]圖24A和圖24B是具有多個輥的用于生成氣溶膠的示例性系統及其三維透視圖。
[0032]圖25A和圖25B是具有多個輥的用于生成氣溶膠的又一個示例性系統及其三維透視圖。
[0033]圖26A和圖26B是具有多個輥的用于生成氣溶膠的又一個示例性系統及其三維透視圖。
【具體實施方式】
[0034]公開了用于生成氣溶膠的系統和方法，其中流體絲拉伸并且斷裂成液滴，所述液滴生成氣溶膠、霧或其它蒸氣。氣溶膠、霧和蒸氣是用于描述變得懸浮于空氣中的流體絲的一個或多個液滴的可互換術語。流體通常是具有牛頓或非牛頓特性的液體。總體而言，具有非牛頓特性的流體可能具有強健的延伸增厚，從而造成其在應變時延伸粘度沿應變方向顯著增大(有時增大若干數量級)。非牛頓流體的延伸增厚造成粘性阻力大于流體的慣性和表面拉力并且使系統在斷裂以及防止形成小滴或液滴之前承受巨大的應變。
[0035]如果沿適當長的應變路徑應變或拉伸，所有的流體(包括具有牛頓和非牛頓特性的流體)最終都斷裂成小液滴并且形成霧或氣溶膠。所有的流體都能夠連續拉伸以形成流體絲(拉伸流體)，直到流體絲斷裂成若干液滴，因此形成霧或氣溶膠為止。
[0036]應變和拉伸流體絲的過程能夠通過已形成第一輪液滴之后仍然剩余的過量流體或者通過新的流體重復。此外，多根流體絲能夠與第一流體絲拉伸和應變過程并行地拉伸，因此增大所形成的液滴的體積。拉伸第一流體絲與任何額外的過量流體絲之間的時間量能夠根據期望由可被調節或控制的時間周期限定。流體絲的多次拉伸和斷裂之間的時間周期能夠是變化的或者能夠是恒定的。
[0037]圖1示出了通過一對反向旋轉輥100、102拉伸的流體的漸變過程。輥隙104被限定成兩個輥100、102之間的空間，當輥100、102反向旋轉時，流體被拉動到該空間中。流體淤積在輥隙104的上游側106處并且被拉動穿過輥隙104。在輥隙104的下游側108上，流體在兩個輥100、102的表面之間拉伸成流體絲110。當輥100、102反向旋轉時，流體絲110粘附到其上的輥100、102的表面保持不變，但是這種表面之間的空間變大。當輥100、102的表面旋轉離開彼此時，流體絲112變得更長并且更薄。當流體絲112到達液橋變得不穩定的點時(該點也是流體絲112的毛細管斷裂點)，流體絲112斷裂成若干液滴114并且將過量的流體116留在輥表面中的每一個上。過量流體116縮回到其相應輥的表面并且能夠成為下一次輥旋轉時淤積并且被拉動穿過輥隙的流體的一部分。能夠重復該過程以提供連續的霧。
[0038]圖2示出了在一對活塞200、202之間拉伸以形成流體絲206的流體204的漸變過程，該流體絲最終斷裂成多個液滴206。流體204被放置在活塞200、202之間。活塞200、202被拉開并且施加連續的應變以使流體204在活塞200、202之間拉伸并且形成流體絲206。當流體絲206變得更長并且更細時，流體絲206最終到達其毛細管斷裂點，在該點處，該流體絲斷裂