气溶胶生成装置中的气流管理改进的制作方法

气溶胶生成装置中的气流管理改进
1.本发明涉及一种气溶胶生成装置，特别地涉及气溶胶生成装置中的气流管理。
2.使用气溶胶生成装置生成气溶胶在本领域中是广泛已知的。已知例如用毛细管气溶胶生成装置生成气溶胶。毛细管气溶胶生成装置通常包括壳体。所述壳体可以包括被加热元件包围的毛细管以及气溶胶形成室。所述毛细管可以连接至保持可蒸发液体的储集器。
3.液体流动通过所述毛细管，所述液体被加热直至生成过饱和蒸气。所述过饱和蒸气在毛细管的出口处离开毛细管。过饱和蒸气在其离开毛细管之后与空气混合。由此，过饱和蒸气冷却并且冷凝以产生气溶胶。毛细管气溶胶生成装置的气溶胶室的出口可以连接至气溶胶输送管。
4.由于过饱和蒸气与空气的相互作用未得到充分控制，所以气溶胶的生成可能在其使用期间构成挑战，尤其是对于科学研究而言。特别地，在毛细管气溶胶生成装置中，这可能导致在毛细管内部的内表面上形成气溶胶液滴或导致不期望的粒度分布。这样的气溶胶液滴可能粘附至毛细管的内表面以充当成核中心，以使得液滴最终以足以干扰气流路径的尺寸生长。
5.这样的不希望的影响不仅减少净气溶胶产生，而且还可能由于产生不希望的和非预期的化学分解产物而影响科学研究的结果。
6.因此，将期望提供一种气溶胶生成装置，所述气溶胶生成装置容许增加对气溶胶生成过程的控制。
7.将特别期望提供一种气溶胶生成装置，所述气溶胶生成装置可以被可靠地用于关于气溶胶生成的科学研究中。为此，将进一步期望具有一种气溶胶生成装置，所述气溶胶生成装置提供增加的机会来控制液体液滴气溶胶形成过程的基本参数。
8.将特别期望提供一种满足上述目标的毛细管气溶胶生成装置。
9.还将期望提供一种毛细管气溶胶生成装置，所述毛细管气溶胶生成装置具有壳体，所述壳体在使用期间不会变得太热，以使得装置的操作被改进。
10.在本发明的一个实施例中，提供一种气溶胶生成装置，所述气溶胶生成装置包括具有出口并且被构造成使液体蒸发的蒸发元件。所述气溶胶生成装置进一步包括气流通路，所述气流通路从所述蒸发元件的所述出口延伸并且被构造成将蒸气输送至所述气溶胶生成装置的出口。所述气溶胶生成装置进一步包括热空气通道，所述热空气通道被构造成将经加热的空气朝向所述蒸发元件的出口引导。所述气溶胶生成装置还包括稀释空气通道，所述稀释空气通道被构造成将环境空气引导至所述气溶胶生成装置中并且将所述环境空气与所述气流通路中输送的蒸气混合以形成气溶胶。
11.在本发明的一个实施例中，所述热空气通道的出口可以围绕所述蒸发元件的出口同心地布置。
12.所述蒸发元件可以包括加热器元件。所述加热器元件可以为电加热器元件。所述加热器元件可以为电阻加热器或感应加热器。所述加热器元件可以为网状加热器或线圈加热器。
13.所述蒸发元件可以包括芯和线圈装置。所述蒸发元件可以包括网状加热器装置。
14.气流通路可以输送蒸气和气溶胶。表述“蒸气”通常被用来指蒸发的液体。表述“气溶胶”通常被用来指其中所述蒸发的液体的一部分已经冷凝并且形成悬浮于气流中的液体液滴的气态混合物。
15.来自热空气通道的热空气可以在气流通路中输送的蒸气和气溶胶与气溶胶生成装置的周围元件之间形成“屏障”。以此方式，防止蒸气接触气溶胶生成装置的较冷的部件。由此可以更好地控制气溶胶形成，因为导致气溶胶形成的大部分冷凝被热空气屏障阻止。另外，可以在很大程度上防止蒸气的过早冷凝。
16.在本发明的一个实施例中，所述气溶胶生成装置包括具有毛细管的蒸发元件。这样的气溶胶生成装置在本文中也被称为“毛细管气溶胶生成装置”。
17.在本发明的一个实施例中，提供一种包括毛细管的毛细管气溶胶生成装置，所述毛细管具有入口和出口并且被构造成输送可蒸发液体。提供一种与所述毛细管热接触的加热器元件。所述毛细管气溶胶生成装置进一步包括热空气通道，所述热空气通道被构造成将经加热的空气朝向所述毛细管的出口引导并且形成气溶胶。所述毛细管气溶胶生成装置还包括稀释空气通道，所述稀释空气通道被构造成将环境空气引导至所述装置中并且将所述环境空气与所述气溶胶混合。
18.通过朝向毛细管的出口引导热空气，防止从毛细管的出口涌出的蒸发的液体太快冷却。以此方式，有效地减少毛细管的出口附近或甚至毛细管内的过早的气溶胶液滴形成。通过将气溶胶进一步向下游与环境空气混合来支持气溶胶形成。通过调整不同空气流的量和温度，可以影响气溶胶形成以获得例如期望的粒度分布。
19.此外，防止液滴与加热元件接触。因此，降低可能产生羰基或其它不希望的成分的风险。
20.由于良好控制的气溶胶形成，气溶胶生成装置可以被有利地用于科学研究中。科学研究可能需要测试设备，所述测试设备可以可靠且可重复地长时间运行。这样的科学研究可以旨在模仿使用者的气溶胶消耗，或者可以旨在研究气溶胶消耗的长期效应。
21.所述热空气通道的出口可以被布置成使得热空气流被围绕毛细管气溶胶生成装置的毛细管的出口传送。热空气通道的出口可以围绕毛细管的出口布置。优选地，热空气通道的出口可以围绕毛细管的出口同心地布置。通过围绕毛细管的出口传送热空气流，热空气流可以形成缓冲，所述缓冲保护蒸发的液体以免接触装置的任何较冷的部件并且由此防止蒸发的液体在这样的较冷的表面处冷凝。
22.所述气溶胶生成装置可以包括加热器模块和气溶胶形成模块。
23.加热器模块可以包括壳体、加热器元件以及与所述加热器元件热接触的毛细管。毛细管可以居中地布置于毛细管气溶胶生成装置中。毛细管可以被构造成在其入口处接收来自液体储集器的可蒸发液体。毛细管可以被进一步构造成使得毛细管的出口与气溶胶形成模块流体连接。
24.加热器模块可以具有在30毫米与40毫米之间的长度。气溶胶形成模块可以具有20毫米至25毫米的直径。优选地，加热器模块可以具有约30毫米的长度和25毫米的直径。
25.气溶胶形成模块可以具有任何合适的构造。气溶胶形成模块可以具有大体管状形式。气溶胶形成模块可以包括其中限定有气溶胶形成室和稀释室的壳体。气溶胶形成室可
以邻近气溶胶形成模块的上游端布置，并且稀释室可以布置于气溶胶形成室的下游。气溶胶形成模块可以具有出口端，气溶胶可以在所述出口端处离开所述气溶胶生成装置。
26.气溶胶形成模块可以具有在40毫米至50毫米之间的长度。在毛细管气溶胶生成装置中，气溶胶形成模块可以具有较大长度。在毛细管气溶胶生成装置中，气溶胶形成模块可以具有在1000毫米与1500毫米之间的长度。气溶胶形成模块可以具有20毫米至25毫米的直径。优选地，气溶胶形成模块可以具有约1000毫米的长度和约25毫米的直径。
27.加热器模块和气溶胶形成模块可以一体地形成。
28.加热器模块和气溶胶形成模块可以由任何合适的材料形成。加热器模块和气溶胶形成模块可以由玻璃或聚合物材料(比如派热克斯玻璃或树脂玻璃)形成。
29.加热器模块和气溶胶形成模块可以可释放地连接至彼此。可以通过任何合适的连接装置来促进可释放连接。可以由呈前盖的形式的连接元件来促进可释放连接。前盖可以被构造成大体管状形状。前盖的一个端可以被构造成连接至加热器模块。前盖的另一个端可以被构造成连接至气溶胶形成模块。前盖可以包括开口，以促进在加热器模块与气溶胶形成模块之间的流体连接。
30.模块化构造可以具有多个有益效应。模块可以根据使用者偏好而改变。在发生故障的情况下，更换有缺陷的模块就足够了，而可操作的模块可以被继续使用。
31.连接元件可以由聚合物材料形成。连接元件可以由聚芳基醚酮(paek)、聚醚醚酮(peek)、聚醚醚酮酮(peekk)或聚四氟乙烯(ptfe)形成。
32.连接元件可以具有在20毫米与25毫米之间的长度。连接元件可以具有25毫米至50毫米的直径。优选地，连接元件可以具有约20毫米的长度和约40毫米的直径。
33.气溶胶生成装置可以进一步被构造成使得来自热空气通道的经加热的空气被引入气溶胶形成室中并且来自稀释空气通道的环境空气被引入稀释室中。
34.毛细管可以居中地设置于加热器模块中。加热器元件可以被布置成围绕毛细管热接触。以此方式，确保在加热器元件与毛细管之间的良好的热接触。壳体可以围绕加热器元件布置。
35.毛细管可以由任何合适的惰性材料制成。用于毛细管的合适的材料包括玻璃和钛。
36.毛细管可以具有35毫米至45毫米的长度和多达2毫米的直径。优选地，毛细管可以具有约35毫米的长度和1毫米的直径。
37.加热器元件可以为电加热器元件。加热器元件可以为电阻加热器元件或感应加热器元件。加热器元件可以包括两个半圆柱形加热器区段。半圆柱形区段中的每一个可以包括两个加热器区段，以使得加热器元件总共可以由四个加热器区段组成。
38.加热器元件可以由任何合适的控制器控制。可以提供热电元件以用于监测和控制加热器元件的温度。
39.可以使用泵来将可蒸发液体递送至毛细管。泵可以为蠕动泵。
40.热空气通道可以布置于加热器模块中。热空气通道可以被布置成与加热器元件热接触。加热器元件可以被用来提供所需的热量以生成热空气。以此方式，加热器元件被同时用于两个目的。加热器元件被用于提供必要的热量以使毛细管内的液体蒸发。同时，加热器元件可以被用来提供所需的热量以生成热空气流。这样的实施例代表装置的构件的特别有
效的使用。加热器被用于加热液体以及待与挥发的液体混合的空气的目的。不需要额外的加热器。
41.热空气通道可以从加热器元件径向向外布置。热空气通道可以从加热器元件径向向外布置，并且布置在加热器元件与加热器模块的壳体之间。热空气通道可以被设置为围绕加热器元件同心地布置的环形通道。热空气通道可以被布置成以便完全包围加热器元件的径向外表面。通过以此方式布置热空气通道，获得与加热器元件的大的接触表面。这样的布置容许良好的热接触和至热空气流的快速热传递。
42.同时，热空气通道可以充当用于壳体的热屏蔽件。在使用中，由加热器元件生成的热量不可避免地朝向壳体行进。因此，壳体在使用期间倾向于变热，这对于装置的操作可能是不舒适的。通过在加热器元件与壳体之间引导热空气流，热量被热空气流吸收，从而防止壳体在使用期间变得太热。
43.在其中热空气通道布置于加热器模块中的实施例中，加热器模块可以包括空气入口。另外，可能需要另一个开口来将热空气流从加热器模块引导至气溶胶形成模块的气溶胶形成室中。为此，连接元件可以被构造成建立热空气通道至气溶胶形成室的流体连接。
44.连接元件可以包括小孔入口，热空气通道经由所述小孔入口流体地连接至气溶胶形成室。连接元件的小孔入口可以围绕毛细管的出口同心地布置。连接元件的小孔入口可以具有多达3毫米的直径，并且优选地具有约2毫米的直径。
45.通过围绕毛细管的出口同心地提供小孔入口，热空气流与来自毛细管的蒸气同时涌出至气溶胶形成模块的气溶胶形成室中。热空气流围绕蒸气形成包层，并且由此防止蒸气太快冷却并且在毛细管的开口周围冷凝或堵塞。
46.热空气通道也可以仅布置于气溶胶形成模块中。在这样的实施例中，经加热的空气由另一个加热器元件生成，例如由外部加热器生成。所述气溶胶形成模块包括用于引入经外部加热的空气的第一空气入口。热空气流接着在气溶胶形成模块内被朝向毛细管的出口引导。为此，气溶胶形成模块可以包括第一管状元件。第一管状元件的内部体积可以限定气溶胶形成室。第一管状元件可以居中地布置于气溶胶形成室内。在第一管状元件与气溶胶形成模块的壳体之间的环形空间可以限定热空气通道，所述热空气通道将热空气从第一空气入口朝向毛细管的出口引导。热空气通道的出口可以被形成为使得热空气流再次形成用于离开毛细管的蒸气的包层。
47.热空气可以被加热直至50摄氏度至250摄氏度之间。热空气可以被加热直至50摄氏度至180摄氏度之间。
48.稀释空气通道可以布置于气溶胶生成装置的气溶胶形成模块中。稀释空气通道被构造成将冷的环境空气引导至装置中并且将环境空气与气溶胶混合。冷空气流可以被引导至稀释室中。冷空气流可以在稀释室中与上游气溶胶形成室中生成的气溶胶混合。通过将气溶胶与环境空气混合，气溶胶增加其体积。所得的稀释的气溶胶向前流动至气溶胶生成装置的空气出口，在气溶胶形成模块的内表面上不具有或具有基本上减少的气溶胶冷凝。
49.环境空气可以为冷空气。环境空气可以在与气溶胶混合之前被调节。调节环境空气可以包括调整相对湿度、温度和过滤。环境空气可以被调节至在-25摄氏度与80摄氏度之间的任何温度。环境空气可以为具有约22摄氏度的温度的工艺空气。环境空气可以为具有约22摄氏度的温度和约60％的相对湿度的高效颗粒空气(hepa)过滤的工艺空气。
50.所述气溶胶形成模块可以包括冷空气入口。稀释空气通道可以从冷空气入口延伸至稀释室。稀释空气通道可以形成于在第二管状元件与气溶胶形成模块的壳体之间的环形空间中。所述第二管状元件可以与所述第一管状元件一体地且在所述第一管状元件的延伸部中形成。
51.第一管状元件和第二管状元件可以具有500毫米至800毫米的组合总长度，并且优选地可以具有约700毫米的长度。
52.用于气溶胶生成装置的空气入口的空气供应可以被作为体积受控的空气流供应提供。空气供应可以包括加压(合成)空气。空气供应可以被构造成提供湿度调整的、温度调节的和(高效颗粒空气)过滤的工艺空气。通过使用体积和压力受控的工艺空气，避免潜在的空气回流。
53.下文提供了非限制性实例的非详尽列表。这些实例的任何一个或多个特征可以与本文所述的另一实例、实施例或方面的任何一个或多个特征组合。
54.实例a：一种气溶胶生成装置，包括：蒸发元件，所述蒸发元件具有出口并且被构造成使液体蒸发；气流通路，所述气流通路从所述蒸发元件的所述出口延伸并且被构造成将蒸气输送至所述气溶胶生成装置的出口；热空气通道，所述热空气通道被构造成将经加热的空气朝向所述蒸发元件的所述出口引导；以及稀释空气通道，所述稀释空气通道被构造成将环境空气引导至所述装置中并且将所述环境空气与所述气流通路中输送的蒸气混合以形成气溶胶。
55.实例b：根据实例a所述的气溶胶生成装置，其中，所述热空气通道的所述出口围绕所述蒸发元件的所述出口同心地布置。
56.实例c：根据实例a或b所述的气溶胶生成装置，其中，所述蒸发元件包括毛细管和加热器元件，其中所述毛细管具有入口和出口并且被构造成输送可蒸发液体，并且其中所述加热器元件与所述毛细管热接触。
57.实例d：根据前述实例中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，所述气溶胶生成装置包括连接至彼此的加热器模块和气溶胶形成模块。
58.实例e：根据前述实例中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，所述加热器模块和所述气溶胶形成模块通过连接元件连接。
59.实例f：根据前述实例中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，所述气溶胶形成模块包括气溶胶形成室和稀释室。
60.实例g：根据前述实例中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，所述气溶胶形成室邻近所述气溶胶形成模块的上游端布置并且所述稀释室布置于所述气溶胶形成室的下游。
61.实例h：根据前述实例中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，来自所述热空气通道的经加热的空气被引入所述气溶胶形成室中并且来自所述稀释空气通道的环境空气被引入所述稀释室中。
62.实例i：根据实例c至h中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，所述热空气通道被布置成与所述加热器元件热接触。
63.实例j：根据实例i所述的气溶胶生成装置，其中，所述加热器元件围绕居中地布置的毛细管布置，并且所述热空气通道从所述加热器元件径向向外布置。
64.实例k：根据实例i和j中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，所述连接元件包括
小孔入口，所述热空气通道经由所述小孔入口流体地连接至所述气溶胶形成室。
65.实例l：根据实例i至k中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，所述连接元件的所述小孔入口围绕所述毛细管的所述出口同心地布置。
66.实例m：根据前述实例中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，所述热空气通道布置于所述气溶胶形成模块中并且所述经加热的空气由外部加热器生成。
67.实例n：根据前述实例中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，所述气溶胶形成模块包括居中地布置的管，其中所述管的内部体积限定所述气溶胶形成室。
68.实例o：根据前述实例中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，所述气溶胶形成模块中的空气通道被限定在所述管的外表面与所述壳体的内表面之间。
69.实例p：根据实例c至o中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，所述毛细管居中地布置于毛细管气溶胶生成装置中并且被布置成从储集器接收可蒸发液体。
70.实例q：根据实例c至p中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，使用泵来将所述可蒸发液体递送至所述毛细管。
71.实例r：根据实例c至q中任一项所述的气溶胶生成装置，其中，所述加热器元件包括两个半圆柱形加热器区段，所述半圆柱形加热器区段各自包括两个另外的加热器区段。
72.实例s：根据实例c至r中任一项所述的气溶胶生成装置，进一步包括用于监测所述加热器元件的温度的热电元件。
73.关于一个实施例描述的特征可以同样应用于本发明的其它实施例。
74.将参考附图仅通过举例方式进一步描述本发明，在附图中：
75.图1示出根据本发明的毛细管气溶胶生成装置；
76.图2示出经修改的毛细管气溶胶生成装置；
77.图3示意性地示出图2的装置中的气流管理；
78.图4示出图2的毛细管气溶胶生成装置的修改。
79.图1描绘根据本发明的毛细管气溶胶生成装置10的第一实施例。毛细管气溶胶生成装置10包括加热器模块12和气溶胶形成模块14，所述加热器模块和所述气溶胶形成模块使用呈前盖16的形式的连接元件连接至彼此。
80.加热器模块12包括大体圆柱形壳体20、加热器元件22和毛细管24。毛细管24居中地设置于加热器模块12中，并且被加热器元件22包围并且与所述加热器元件热接触。加热器元件22包括两个半圆柱形加热器区段22a、22b，所述两个半圆柱形加热器区段各自包括两个另外的加热器区段。
81.毛细管24与液体储集器(未示出)流体连通。在图1中，毛细管24经由管道26从液体储集器接收可气溶胶化液体。可以使用蠕动泵(未示出)来将液体泵送至毛细管24中。可气溶胶化液体被泵送通过毛细管24，并且由从加热器元件22提供的热能加热。在加热时，可气溶胶化液体被形成为过饱和蒸气或热气溶胶。
82.加热器模块12还可以包括一个或多个热电偶(未示出)，以便监测由加热器元件22生成的温度。所测量的温度可以被用作反馈以控制提供至加热器元件22的能量。
83.加热器模块12通过前盖16连接至气溶胶形成模块14。前盖16为在任一端上具有螺纹30、32的大体管状元件。上游端处的螺纹30被用来将前盖16连接至加热器模块12。下游端处的螺纹32被用来将前盖16连接至气溶胶形成模块14。前盖16具有中心开口18，毛细管24
延伸穿过所述中心开口。当毛细管气溶胶生成装置10被完全组装时，毛细管24的出口28被定位成使得蒸发的液体被排出至气溶胶形成模块14的气溶胶形成室42中。
84.毛细管气溶胶生成装置10的气溶胶形成模块14包括具有空气入口44、46的壳体40、第一管状元件48a和第二管状元件48b。在图1的实施例中，第一管状元件48a和第二管状元件48b一体地形成。
85.气溶胶形成模块14包括用于引入热空气的第一空气入口44。通过使用外部加热器(未示出)来产生热空气。热空气流被经由环形热空气通道50从气溶胶形成模块14的热空气入口44朝向毛细管24的出口28引导。热空气通道50形成于在第一管状元件48a与气溶胶形成模块14的壳体40之间的环形空间中。热空气通道50的出口围绕毛细管24的出口28同心地布置。以此方式，从热空气通道50排出的热空气流形成用于离开毛细管24的过饱和蒸气的包层。
86.第一管状元件48a的内部体积限定气溶胶形成室42，过饱和蒸气和热空气流被排出至所述气溶胶形成室中。
87.气溶胶形成模块14包括用于引入冷环境空气的第二空气入口46。冷空气流被经由稀释空气通道52从气溶胶形成模块的冷空气入口46朝向稀释室43引导。稀释空气通道52形成于在第二管状元件48b与气溶胶形成模块14的壳体40之间的环形空间中。在稀释室43中，冷空气流与形成于气溶胶形成室42中的气溶胶混合。所得的稀释的气溶胶向前流动至毛细管气溶胶生成装置10的气溶胶出口54。
88.图2示出根据本发明的毛细管气溶胶生成装置10的另一个实施例。毛细管气溶胶生成装置10包括加热器模块12和气溶胶形成模块14，所述加热器模块和所述气溶胶形成模块使用前盖16连接至彼此。
89.在该实施例中，气溶胶形成模块14仅包括对应于第一实施例的冷空气入口46的一个空气入口46。冷环境空气被经由稀释空气通道52引导至稀释室43中以在其中与气溶胶混合。
90.在该实施例中，环形热空气通道50包括于加热器模块12中，并且形成于在加热器元件22与加热器模块12的壳体20之间的环形空间中。加热器模块12包括空气入口56。经由该空气入口56引入的空气被沿着热空气通道50引导。热空气通道50与加热器元件22热接触，以使得在热空气通道50中引导的空气由来自加热器元件22的热能加热。
91.同样在该实施例中，加热器模块12和气溶胶形成模块14经由带螺纹的前盖16连接。前盖16具有与针对图1所描述的前盖16基本上相同的形式。然而，图2的前盖16被另外构造成流体地连接热空气通道50和气溶胶形成模块14的气溶胶形成室42。为此，前盖16中的中心开口18具有大于毛细管24的外径的内径。来自热空气通道50的热空气流与毛细管24同心地穿过前盖16的开口18。
92.在图3中示意性地描绘该实施例中的空气管理。毛细管24从加热器模块12穿过开口18延伸至气溶胶形成模块14的气溶胶形成室42中。过饱和蒸气被从毛细管24的出口端28排出至气溶胶形成室42中。同时，来自热空气通道50的热空气流被引导通过在毛细管24与前盖16的壁18a之间的环形狭缝，并且也被排出至气溶胶形成模块14的气溶胶室42中。热空气流形成用于过饱和液体的包层，以使得防止过早冷凝。毛细管24的外径达到约1毫米。前盖16中的开口18的内径达到约2毫米。
93.图4示出图2中所描绘的实施例的修改。
94.再次，热空气通道56包括于加热器模块12中，并且如针对图3所示例说明的管理热空气流。在该实施例中，稀释空气通道52具有两个出口58、60。第一出口58对应于如针对图2所描述的出口，并且将冷空气流排出至气溶胶形成模块14的稀释室43中。在毛细管24的出口端28附近形成额外的冷空气出口60。该出口60与毛细管24的出口28同心地形成，并且也与开口18同心地形成。通过在气溶胶形成室42中混合冷空气，可以获得所得的气溶胶的期望的成形。