DE4312983C2 - Aerosolgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Aerosolgenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für die Erzeugung monodisperser Aerosole, wie Kalibrieraerosole zum Test von Meßgeräten oder Filtern, Dosieraerosole zur Sichtbarmachung von Störungen oder Inhalationsaerosole für medizinische Zwecke.

Die Erzeugung hochkonzentrierter monodisperser Aerosole basiert auf dem Prinzip der gesteuerten heterogenen Kondensation: Verdampfte Aerosolsubstanz kondensiert gleichmäßig auf wesentlich kleineren Kondensationskernen. Diese erzwungene Kondensation ermöglicht einen hohen Grad an Monodispersität auch bei sehr hohen Konzentrationen.

Bei dem Verfahren nach Sinclair-La Mer werden die Kerne in einer externen Kernquelle durch Verdampfung von Salzkristallen auf Heizdrähten generiert. Die Sättigung des Gasstromes mit verdampfter Aerosolsubstanz erfolgt durch Überströmen der Substanz bei einer definierten Temperatur unterhalb des Siedepunktes der Aerosolsubstanz. Die Partikelgröße wird mittels der Temperatur eingestellt.

Bei dem Verfahren nach Weinstock wird gezielt verunreinigte Aerosolsubstanz in einer Düse fein zerstäubt und anschließend über den Siedepunkt der Aerosolsubstanz erhitzt. Die Substanz verdampft vollständig. Die nicht verdampfenden Verunreinigungen werden als Kondensationskerne für die heterogene Kondensation verwendet.

Die Partikelgröße kann über die Temperatur bzw. über die Wahl euer anderen Aerosolsubstanz, d. h. relativ träge bzw. nur in Stufen verändert werden.

Der Aerosolgenerator nach Prodi arbeitet nach dem Prinzip von Sinclair-La Mer, wobei die Kondensationskerne nicht über die erhitzte Aerosolsubstanz, sondern in einem Saturator durch die noch flüssige Aerosolsubstanz strömen (V. Prodi u. K. R. Spurny: RADIOACTIVELY LABELED MONODISPERSE AEROSOLS. In J. Aerosol Sci., 1976, Vol. 7; S. 43 ff).

Mit einem Bypass um diesen Saturator kann der Dampfanteil im Dampf-Kern-Gemisch und damit die Partikelgröße zusätzlich eingestellt werden. Die Einstellung ist nur in einem kleinen Bereich möglich. Für höhere Anforderungen besteht keine ausreichende Reproduzierbarkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aerosolgenerator nach Sinclair-La Mer mit einer Kernquelle, einem Saturator, einem Reheater und einem Kondensationskamin zusätzlich so auszurüsten, daß die Partikelgröße der Aerosole und ihre Konzentration in einem großen Bereich reproduzierbar und weitgehend unabhängig voneinander einstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen Kernquelle und Saturator ein Kernabscheideelement und ein das Kernabscheideelement umgehender Bypass mit einem Ventil geschaltet ist.

Mit dieser Kernabscheideelement-Bypass-Schaltung kann die Konzentration der Kerne und damit die der Aerosolpartikel stufenlos variiert werden. Außerdem lassen sich größere Partikel als bisher erzeugen. Begrenzt wird die größte generierbare Partikelgröße durch den Übergang zur homogenen Kondensation. Die dazugehörige Konzentration, die gerade noch heterogene Kondensation gewährleistet, läßt sich schnell und sehr genau einstellen. Bei bisherigen technischen Lösungen konnte die dazu erforderliche Genauigkeit der Einstellung der Kernkonzentration nicht realisiert werden.

Durch Kombination mit einem den Saturator umgehenden Bypass und Einstellung des Gesamtvolumenstroms und der Teilströme können, wie im Ausführungsbeispiel näher erläutert wird, bei relativ variabler Aerosolkonzentration Partikel gewünschter, einheitlicher Größe in einem großen Bereich mit hoher Genauigkeit generiert werden. Erste Messungen belegen, daß die Standardabweichung im gesamten generierbaren Partikelgrößenbereich von bisher 0,1 bis 8 µm deutlich unter 1,15 liegt.

Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel zeigt die Zeichnung eine erfindungsgemäße Ausführung des Aerosolgenerators.

Als Trägergas für das zu generierende Aerosol wird ein Inertgas (z. B. Stickstoff) verwendet, um chemische Reaktionen mit der Aerosolsubstanz auszuschließen. Nach der externen Gasversorgung 1 läßt sich mit einem Druckminderer 2 der Gesamtvolumenstrom des Generators einstellen. Der nachgeschaltete Filter 3 reinigt das Gas, um unabhängig von dessen Reinheitsgüte konstante Ergebnisse zu erzielen. In einem Atomizer 4, der Kernquelle, wird eine Salzlösung versprüht. Der im Atomizer 4 integrierte Abscheider läßt nur Tropfen kleiner als etwa 1. .3 µm passieren. Diesen wird im Diffusions-Trockner 5 das Wasser entzogen. Die entstehenden Salzkristalle weisen je nach Konzentration der Lösung eine Größe von 10. .100 nm auf. Die Anzahlkonzentration der Salzkristalle c_N,0 ist ebenfalls abhängig von der Konzentration der Salzlösung. Hohe Konzentrationen führen auch zu hohen Anzahlkonzentrationen des Kernaerosols.

In einer ersten Parallelschaltung mit einem Diffusions-Screen 7 und einem das Diffusions-Screen 7 umgehenden Bypass mit Ventil 6 wird die Konzentration der Diffusionskerne von 0 bis c_N,0 eingestellt. In dem über das Diffusions-Screen 7 fließenden Teil werden annähernd alle Kerne herausgefiltert.

In einer zweiten Parallelschaltung, bestehend aus einem Saturater 9 und einem ihn umgehenden Bypass mit einem Ventil 8, wird die Dampfkonzentration c_Dampf eingestellt. Ein Teilstrom durchfließt den Saturator 9 und wird entsprechend der Saturatortemperatur T_s und dem Sättigungsdampfdruck annähernd bis zur Sättigungskonzentration c_∞ mit verdampfter Aerosolsubstanz angereichert. Je größer der über das Bypassventil 8 fließende Teilstrom ist, umso geringer ist die Dampfkonzentration c_Dampf gegenüber der Sättigungskonzentration c_∞.

Die Größe der zu generierenden Partikel wird durch das Verhältnis der vorhandenen Dampfmenge je Kern bestimmt. Das Volumen der Partikel ist proportional zum Verhältnis von Dampf zu Kernkonzentration.

Die Abhängigkeit der Partikelgröße läßt sich aus einer Bilanzbetrachtung und den beschriebenen Bypasssteuerungen wie folgt zusammenfassen:

Dabei bedeuten: d_m-mittlere Partikelgröße, p_s-Sättigungsdampfdruck der Aerosolsubstanz, T_s- Saturatortemperatur, c_N,0-Anzahl-konzentration des Kernaerosols vor dem Screenbypass, V_saturator-Saturatorvolumenstrom, V_screen-Screenvolumenstrom

Im Reheater 10 wird das Kern-Dampf-Gemisch über den Siedepunkt der Aerosolsubstanz erhitzt. Damit wird gesichert, daß vorzeitig gebildete Kondensate wieder verdampft werden und sich auf das Aerosol nicht störend auswirken.

In einer laminaren Strömung wird das Kern-Dampf-Gemisch im Kondensationskamin 11 abgekühlt. Die daraus resultierende Übersättigung führt zur Kondensation der Aerosolsubstanz auf den Kernen.

In einer weiteren (nicht dargestellten) Ausführung wird in den Bypass um den Saturator 9 mit einem Ventil 8 bzw. parallel zu diesem in einem weiteren Bypass mit einem Ventil ein weiterer Diffusions-Screen geschaltet. Die Zahl der Kondensationskerne wird weiter verringert. Es werden große Aerosolpartikel erzeugt.

Claims (5)

1. Aerosolgenerator mit einer Kernquelle (4), einem Saturator (9), einem Reheater (10) und einem Kondensationskamin (11), gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der Kernquelle (4) und dem Saturator (9) ein Kernabscheideelement (7) und ein das Kernabscheideelement (7) umgehender Bypass mit einem Ventil (6) geschaltet ist.

2. Aerosolgenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem das Kernabscheideelement (7) umgehenden Bypass mit dem Ventil (6) ein den Saturator (9) umgehender Bypass mit einem Ventil (8) nachgeschaltet ist.

3. Aerosolgenerator nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß in einen den Saturator (9) umgehenden Bypass mit Ventil ein weiteres Kernabscheideelement geschaltet ist.

4. Aerosolgenerator nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß Flowmeter (12, 13 und 14) zur Messung des Gesamtvolumenstroms sowie der Volumenströme durch das Kernabscheideelement (7) und durch den Saturator (9) vorgesehen sind.

5. Aerosolgenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Kernabscheide­ element (7) ein Diffusions-Screen ist.