DE69115717T2

DE69115717T2 - Sprühverfahren und zerstäubungsdüsen

Info

Publication number: DE69115717T2
Application number: DE69115717T
Authority: DE
Inventors: Stephen Terence Ipswich Suffolk Ip9 1Ex Dunne; Anthony Wayne Ipswich Ip10 0Pn King
Original assignee: DMW Technology Ltd
Current assignee: Boehringer Ingelheim International GmbH
Priority date: 1990-12-04
Filing date: 1991-12-04
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2011-12-05
Also published as: US5402943A; IL100224A0; DE69115717D1; CA2097701C; IE914202A1; GR3019042T3; ES2081088T3; EP0560835B1; CA2097701A1; JPH06504942A; IL100224A; EP0560835A1; JP3319752B2; PT99680A; MX9102374A; AU660002B2; WO1992010301A1; ATE131749T1; PT99680B; IE70745B1

Description

Die vorliegende Erfindung liefert Zerstäubungsdüsen, insbesondere solche, die so gestaltet sind, daß sie signifikanten Sekundärfluß in der Düsenbohrung und an der Düsenöffnung bilden. Auf diese Weise besteht die Aufgabe, die Bildung von Tröpfchen einer mittleren Größe geringer als etwa 10 bis 12 um ohne Verwendung von Druckgas oder verflüssigten Treibmitteln zur Abgabe eines Fluids durch die Düse zu verbessern.

Hintergrund der Erfindung

Zerstäubungsdüsen werden in einem weiten Bereich von Sprühvorrichtungen verwendet, um ein Fluid in feine Tröpfchen aufzubrechen und so einen Sprühstrahl oder Nebel des Fluids zu bilden, wenn es aus der Vorrichtung abgegeben wird. Wenn ein Medikament tief in die Lunge eines Benutzers verabreicht werden soll, sollte die Tröpfchengröße in einem solchen Sprühstrahl geringer als 10 um sein.
Derzeit verwendet die angenommene Methode zur Abgabe eines Arzneimittelfluids ein unter Druck stehendes oder verflüssigtes Treibgas als das Mittel zum Zerstäuben der Arzneimittelfluidzusammensetzung. Die schnelle Ausdehnung des Treibmittels an der Düsenöffnung bewirkt die Zerstäubung des Fluids in Tröpfchen einer genügend kleinen Größe zur Verabreichung von Arzneimitteln über die Lungen. Derzeit liefert die Verwendung solcher Treibmittelsysteme das einzig praktische Mittel zur Verabreichung von Arzneimitteln auf diesem Weg unter Verwendung bequemer handbetätigbarer Vorrichtungen. Die Verwendung solcher Gase hat jedoch eine Reihe von Nachteilen beispielsweise aus der Sicht des Umweltschutzes oder wegen des Kühlempfindens, das der Verwender infolge der raschen Verdampfung des Treibmittels aus der Zusammensetzung hat, sowie die Tatsache, daß viele Arzneimittelformulierungen unverträglich mit herkömmlich verwendeten Treibmitteln oder Verwendung von Co-Lösungsmitteln und anderen Zusatzstoffen sind, die selbst unerwünscht sein können.
Viele Versuche wurden gemacht, um die Verwendung solcher Druckgase aus Treibmittel in Arzneimittelformulierungen zu vermeiden, wie beispielsweise die Verwendung mechanischer Mittel, um das Fluid zu zerstäuben. Die meisten derartigen Versuche schlugen fehl, da sie nicht die erforderliche kleine Tröpfchengröße in einer handbetätigten Einrichtung erreichen können.
Um dazu beizutragen, einen Strom oder Düsenstrahl von Fluid, der aus einer Düsenöffnung austritt, aufzubrechen, wurde vorgeschlagen, daß der Strom oder Düsenstrahl von Fluid auf eine Aufschlagoberfläche auftreffen sollte, die in einigem Abstand von dem Auslaß der Düseneinrichtung plaziert ist. Solche Vorrichtungen können Sprühstrahlen erzeugen, in welchen einige der Tröpfchen einen kleinen Durchmesser haben, viele der Tröpfchen aber übermäßig große Abmessung für Inhalationstiefe in die Lunge eines Benutzers haben werden und so die Aufnahme des Arzneimittels durch den Benutzer beeinträchtigen. Außerdem haftet etwas von dem Fluid, das auf die Auftreffoberfläche aufschlägt, an der Oberfläche. Als ein Ergebnis hiervon geht eine fluktuierende Menge einer zugemessenen Dosis des Fluids verloren. Außerdem kann das Restfluid, das an der Auftragoberfläche anhaftet, verunreinigt werden und muß entfernt werden, bevor die nächste Fluiddosis auf die Oberfläche auftrifft. Solche Auftreffmechanismen können daher nicht verwendet werden, wo eine gleichbleibende und vorbestimmte Menge an Fluid an einen Benutzer abgegeben werden soll, insbesondere dort, wo das Fluid ein Arzneimittel enthält, welches tief in die Lungen eines Benutzers inhaliert werden soll.
Es wurde auch vorgeschlagen, das Fluid durch eine Wirbelkammer zu führen, die aufstromwärts von dem Einlaß zu der Düsenanordnung angeordnet ist. Eine solche Wirbelkammer teilt die Fluidstromrotation und bewirkt daß das Fluid aus der Düsenöffnung als ein Wirbelfluidkegel auftaucht, welcher leicht in einen Sprühstrahl feiner Tröpfchen aufgebrochen wird. Infolge Schwierigkeiten bei der Herstellung erwies es sich jedoch nicht als gewerblich durchführbar, solch eine Wirbelkammer für Einrichtungen in kleinem Maßstab herzustellen, wie beispielsweise jene, mit denen ein Fluid unter Druck ohne Zuhilfenahme eines Druckgasstromes durch eine sehr feine Düsenöffnung ausgespritzt wird. Die Verwendung einer Wirbelkammer erwies sich bisher nicht als eine praktische Lösung mit Einrichtungen kleinen Maßstabs.
Die EP-A-255208 beschreibt eine Sprühvorrichtung, in welcher eine Prallplatte abstromwärts von der Düsenöffnung angeordnet ist, die eine Öffnung entsprechend der Größe des Sprühstrahlkegels an diesem Punkt hat. Luft zwischen der Düsenöffnung und der Prallplattenöffnung wird so mit durch den durch die Prallplattenöffnung gehenden Sprühstrahl mitgerissen und verursacht Turbulenz,
Die US-A-2024339 beschreibt eine Wassersprühvorrichtung für eine Schlauchleitung, in welcher die Abgabeöffnung eine angewinkelte Lippe hat, um das Wasser seitwärts zu richten. Reaktionskräfte bewirken, daß die Schlauchleitung sich aufstellt. Es wird festgestellt, daß das austretende Wasser nicht gedrosselt wird und im wesentlichen keine Wirbelungen gebildet werden.
Die US-A-2045190 beschreibt ein Rohr, das zusammenfallen kann und aus dem Flüssigkeit ausgespritzt werden kann. Die Düse kann durch Durchstechen einer Endwand des Rohres mit einer feinen Nadel hergestellt werden, so daß ein Fortsatz als ein feiner Grat gebildet wird. Die Abgabeöffnung ist von Kapillarfeinheit, wenige Hundertstel eines Milimeters sind in dem Oberbegriff erwähnt.
Die US-A-3921916 beschreibt aus Halbleitermaterial geätzte Düsen. Es gibt einen abgestuften Durchgang, der zu einer Düsenöffnung von beispielsweise 25 um oder weniger führt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung verwendet eine Gestaltung der Düsenanordnung, insbesondere der Düsenöffnung selbst, welche die Erzeugung eines fein zerstäubten Sprühstrahles durch die Bildung von Sekundärströmen, d. h. von Fluidströmen quer zur Hauptlinie des Fluidflusses, bei oder nahe der Öffnung zur Düsenmündung durch lnduzieren von Veränderungen der Fließrichtung des Fluids, während es durch die Düsenbohrung oder -öffnung geht, unterstützt. Solche Düsenkonstruktionen verbessern die Erzeugung sehr feiner Tröpfchen in dem Sprühstrahl, insbesondere jener mit einer mittleren Massenteilchengröße geringer als 10 um, und verbessern das Arbeiten mechanisch betriebener Einrichtungen für die Gewinnung zerstäubter Sprühstrahlen zum tiefen lnhalieren in die Lunge eines Benutzers.
Spezieller liefert die Erfindung ein Verfahren zur Abgabe eines Fluids als ein Sprühstrahl von Tröpfchen, indem man ein Fluid durch eine Düsenanordnung fließen läßt, die einen Düsendurchgang in Fluid-Fließverbindung mit einer Düsenöffnung umfaßt, worin:
(a) ein Sekundärfluß in wenigstens einem Teil des Fluidflusses durch die Düsenöffnung durch eine richtungsverändernde Einrichtung erzeugt wird, die in wenigstens einer Stellung ausgewählt unter den Stellungen in der Bohrung des Düsendurchgangs bei einem oder unmittelbar benachbart zu einem Ende des Düsendurchganges und bei der oder unmittelbar benachbart zu der Düsenöffnung angeordnet ist,
(b) die Querschnittsfläche der Düsenöffnung im Bereich von 5 bis 2.500 um² liegt und
(c) das Fluid der Düsenanordnung mit einem Druck von 100 bis 500 bar zugeführt wird.
Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind nachfolgend in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Der durch die Richtungsveränderung an der Düsenöffnung erzielte Grad des Sekundärflusses hängt sowohl von dem Prozentsatz des Flusses, dessen Richtung verändert wird, als auch von dem Winkel einer solchen Richtungsveränderung in Bezug auf den Rest des Fluids ab. So wird ein Sekundärfluß bei 10º zu dem Rest einen Effekt erzielen, wenn ein genügender Prozentsatz des Flusses umgelenkt wird, während eine kleinere Menge des Flusses bei größerem Winkel umgelenkt werden kann, um den gleichen Effekt zu erzielen. Außerdem wird bemerkt werden, daß der Grad des Sekundärflusses quer zum Fluidstrom, der aus der Düsenöffnung kommt, variieren kann. Bequemlichkeitshalber wird der Sekundärfluß hier als seine aufgelösten Komponenten parallel zu und bei 90º zu der Strömungslinie des Restes des Fließmittels an der Düsenöffnung betrachtet, und die Mengen des Sekundärflusses, die hier angeführt sind, werden als jene mittlere Komponente des umgelenkten Flusses bei einem Austrittswinkel von 90º zu der Gesamtflußlinie des Restes des Fluids an der Düsenöffnung ausgedrückt. Vorzugsweise erreicht das richtungsändernde Mittel einen Sekundärfluß an der Düsenöffnung, der äquivalent zu einem Mittel von wenigstens 10 % des Fluides ist, welches mit einem Austrittswinkel von 90º zu der Gesamtflußlinie des Restes des Fluids an der Düsenöffnung fließt.
Vorzugsweise erzeugt das richtungsändernde Mittel einen Sekundärfluß an der Düsenöffnung, welcher äquivalent zu einer Komponente von 20 bis 80 %, wie beispielsweise 25 bis 50 % des Fluids ist, welches in einem Austrittswinkel von 90º zu der Gesamtströmungslinie des restlichen Fluids fließt.
Der Ausdruck unmittelbar benachbart wird hier in Bezug auf die Lage der Düsenöffnung und richtungsverändernden Einrichtung verwendet, um anzugeben, daß jene Teile genügend nahe an dem Düsendurchgang für das Fluid liegen, um eine genügende Wanderungslänge zu haben, um die in ihm induzierten Sekundärflüsse zu stabilisieren und zu dämpfen, wobei vorzugsweise wenigstens 10 % Sekundärfluß besteht, wenn das Fluid aus der Düsenöffnung der Anordnung austritt.
Das Verfahren der Erfindung findet Verwendung in einem weiten Bereich von sprühstrahlerzeugenden Einrichtungstypen, wie beispielsweise mit herkömmlichen Einrichtungen, die ein verflüssigtes Gastreibmittel oder ein Blasen mit Hochdruckluft als Treibmittel verwenden, um das Fluid zu zerstäuben, während es durch die Düsenöffnung geht. Das Verfahren der Erfindung ist jedoch von besonderem Interesse für die Anwendung als der Düsenauslaß zu mechanisch betriebenen sprühstrahlerzeugenden Einrichtungen, die bisher als nicht in der Lage angesehen wurden, Sprühstrahlen mit sehr feiner Tröpfchengröße abzugeben, insbesondere jene mit einem mittleren Massentröpfchendurchmesser von weniger als 10 um. Die Erfindung ist von besonderer Brauchbarkeit mit der Vorrichtungstype, bei der ein Fluid durch eine Düsenanordnung unter dem Druck ausgestoßen wird, der durch einen federbelasteten Pumpmechanismus erzeugt wird, insbesondere durch jenen, der in unserer schwebenden internationalen Anmeldung PCT/GB91/00433 (WO-A-91/14468/EP-A-511061) beschrieben ist.
Die Düsenanordnung kann irgendeine geeignete Form bezüglich der sprühstrahlbildenden Einrichtung, mit welcher sie verwendet wird, bekommen. So kann die Düsenanordnung die Form eines Einzelteils haben, welches in der sprühstrahlbildenden Einrichtung befestigt wird. Wenn beispielsweise das Fluid aus einem Behälter unter Druck unter Verwendung eines unter Druck stehenden Treibgases ausgetrieben wird, kann die Düsenanordnung die Form eines Metalldüseneinsatzes haben, welcher in dem Auslaß in den Auslaßventilmechanismus des Behälters eingeschraubt oder anderweitig eingepaßt ist. Statt dessen kann die Düsenanordnung Teil eines Deckels oder eines Auslösemechanismus bilden, welcher eine mechanische Einrichtung betätigt die den Druck erzeugt, um das Fluid durch die Düse abzugeben. In einem solchen Falle kann der Düsendurchgang der Düseneinrichtung wenigstens teilweise als eine in dem Körper eines anderen Teils der sprühstrahlbildenden Einrichtung als eine Bohrung ausgebildet sein, wie beispielsweise im Auslaß zu der Druckkammer, in welcher das Fluid zur Abgabe an die Düsenöffnung in dem Deckel unter Druck gesetzt wird.
Der Bequemlichkeit halber wird die Erfindung nachfolgend so beschrieben, daß die Düseneinrichtung ein separates Düsenteil ist, welches am Ende in einer Bohrung in einem Teil der sprühstrahlbildenden Einrichtung befestigt ist.
Der Düsendurchgang kann irgendeine geeignete Form und irgendeinen geeigneten Querschnitt haben. Typischerweise wird der Durchgang wenigstens teilweise von der Bohrung in dem Teil vorgesehen, auf welchem die Düseneinrichtung befestigt ist. Diese Bohrung kann allgemein eine Bohrung mit rundem Querschnitt in dem Teil sein. Die Bohrung kann jedoch auch andere Formen oder Gestaltungen haben, wie beispielsweise rechteckigen, dreieckigen oder anderen polygonalen Querschnitt, und eine solche polygonale oder asymmetrische Querschnittsform kann genügend Sekundärströme in dem Fluid an der Düsenöffnung erzeugen, um den erwünschten Zerstäubungsgrad des Fluids ohne Notwendigkeit zusätzlicher Einrichtungen für die Richtungsveränderung irgendwo in der Düseneinrichtung zu ergeben. Es ist besonders bevorzugt, rechteckige, kreuzförmige oder sternförmige Querschnittsformen für die Bohrung zu verwenden, wenn das Verhältnis der maximalen radialen Abmessung zur minimalen radialen Abmessung größer als 2:1, wie beispielsweise 3:1 bis 10:1 ist.
Die Querschnittsform und -fläche der Bohrung kann entlang ihrer Länge sich verändern, um einen hohen Turbulenzgrad in dem Fluß in der Bohrung zu erzeugen, um so wenigstens einen Teil des bei der vorliegenden Erfindung erforderlichen Sekundärflusses in dieser Bohrung zu erzielen. In diesem Fall kann die Bohrung sich gleichförmig oder stufenweise verjüngen oder anderweitig zu dem Bohrungsauslaß verengen, um den Strom des Fluids, während er die Bohrung passiert, zu beschleunigen und eine Stabilisierung laminaren Flusses in der Bohrung oder die übermäßige Dämpfung der Turbulenz in der Bohrung, um den Sekundärfluß auf eine unwirksame Menge, wie beispielsweise unter 10 %, zu reduzieren, zu verhindern. Wenn die Bohrung sich gleichförmig verjüngt, wird es gewöhnlich bezüglich der Verjüngung erforderlich sein, daß sie einen Neigungswinkel von wenigstens 20º, vorzugsweise über 60º, insbesondere 90º oder mehr für die Verjüngung hat, um ausreichend Sekundärfluß in dem durch den Düsendurchgang gehenden Fluid zu erzeugen. Alternativ kann die Verjüngung scharfe Stufen oder Veränderungen im Winkel haben, um den erforderlichen Sekundärfluß zu erzeugen.
Der Einlaß und/oder Auslaß zu der Bohrung, die die Düseneinrichtung beschickt kann gleiche oder andere Querschnittsform und -größe wie der Düsendurchgang in der Düseneinrichtung und/oder der Hauptteil der Bohrung haben, wie beispielsweise wenn eine Düseneinrichtung mit einer unregelmäßigen polygonalen Düsenöffnung zur Erzeugung des erforderlichen Sekundärflusses in eine Bohrung in der sprühstrahlbildenden Einrichtung mit rundem Querschnitt eingeschraubt ist.
Wie oben angegeben, kann der Düsendurchgang von einer Bohrung in einem Teil der sprühstrahlbildenden Einrichtung gebildet werden, in welcher die Düsenöffnung befestigt ist. Ein Teil oder die Gesamtheit des Düsendurchgangs kann jedoch auch in der Düseneinrichtung ausgebildet sein, wie wenn die Düsenöffnung als eine Öffnung in dem Ende einer Sack- lochbohrung in einem Metall- oder Steindüsenblock ausgebildet ist und der Düsendurchgang vollständig in jenem Düsenblock sich befindet. In einem solchen Fall kann die Bohrung in der sprühstrahlbildenden Einrichtung, die als Düsenöffnung dient, eine herkömmliche glattwandige Bohrung mit rundem Querschnitt sein und kann der Düsendurchgang irgendeine der oben für die Bohrung in der Sprüheinrichtung beschriebenen Gestaltungen haben.
Wenn die Form und Gestaltung des Düsendurchgangs verwendet wird, um den erforderlichen Sekundärfluß oder die erforderlichen Sekundärströme in dem Fluidfluß durch die Düsenöffnung zu bekommen, sollte die Länge des Durchgangs des glattwandigen geraden Abschnittes mit rundem Querschnitt nicht genügend groß sein, daß sich der Fluidfluß in dem Durchgang stabilisiert. Es ist daher bevorzugt, daß das Verhältnis der Bohrungslänge (I) zum maximalen Durchmesser (d) für einen solchen Abschnitt kleiner als 2:1, insbesondere kleiner als 1:1, wie beispielsweise 0,25:1 bis 1:1, ist. Wenn jedoch die Form oder Gestaltung eines Teils des Düsendurchgangs passenden Sekundärstrom oder passende Sekundärströme erzeugt kann das Verhältnis I:d eines solchen Abschnittes vergleichsweise groß sein, wie z. B. 5:1 oder mehr, wie beispielsweise 10:1 bis 100:1.
Aus Gründen der Bequemlichkeit wird die Erfindung nachfolgend anhand einer Bohrung mit allgemein rundem gleichmäßigem Querschnitt in der sprühstrahlerzeugenden Einrichtung mit einer Düseneinrichtung nach der Erfindung, die darin am Ende befestigt ist, beschrieben.
Die bei der vorliegenden Erfindung verwendete Düsenanordnung ist mit Mitteln zur Veränderung der Fließrichtung wenigstens eines Teils des Fluids in dem durch sie hindurchfließenden Fluidstromes versehen, um so eine oder mehrere Sekundärflußkomponenten in dem Fluidhauptstrom zu erzeugen, während er durch den Düsendurchgang und/oder die Düsenöffnung geht. Die Erfindung unterscheidet sich somit von der Verwendung einer Wirbelkammer an dem Düsendurchgangeinlaß oder aufstromwärts desselben, welche eine rotierende Komponente in der Gesamtheit des Fluidflusses erteilt, welche verstärkt wird, während der Fluß in dem Düsendurchgang beschleunigt wird.
Das richtungsverändernde Mittel kann in unterschiedlicher Weise vorgesehen werden. Beispielsweise kann die Geometrie des axialen oder transversalen Querschnittes des oben beschriebenen Düsendurchganges ausreichend sein, um die Bildung von genügend Sekundärströmen in dem durch den Durchgang fließenden Fluid bewirken, so daß weitere richtungsverändernde Mittel nicht erforderlich sind. Wo dies nicht der Fall ist, kann der Durchgang mit einer oder mehreren scharf gewinkelten Biegungen in seiner Länge ausgebildet sein, die Veränderungen in der Fließrichtung in der Düsenanordnung bewirken. Plötzliche Veränderungen in der Querschnittsfläche des Düsendurchganges können den gleichen Effekt ergeben, wie wenn eine Plenumkammer zwischen zwei Querplatten vorgesehen ist, von denen jede eine scharflippige Öffnung darin hat, wie beispielsweise mit einer Pfeife vom de Bono-Typ, oder wenn die Verjüngung des Düsendurchganges mit einer Reihe von Umfangsrippen oder -stufen ausgebildet ist. Statt dessen können die Wände des Düsendurchganges rauh sein, um eine Widerstands kraft und Turbulenz in der Fluidschicht nahe der Düsendurchgangswand zu erzeugen und so starke Unterschiede in der Fließgeschwindigkeit und Fließrichtung innerhalb des Fluids zu bekommen. Eine solche Rauhheit kann erreicht werden, indem man den Düsendurchgang mit herkömmlichen Maschinenbearbeitungstechniken ausbildet, wie beispielsweise durch Bohren oder Stanzen des Düsendurchganges in einem Metall und Weglassen der Nachbearbeitungs- und Polierstufen, die bisher bei der Bildung von Durchgängen in herkömmlichen Düsenanordnungen als erforderlich angesehen wurden. Der auf diese Weise erhaltene Rauhheitsgrad ist typischerweise in der Größenordnung von 1 bis 5 um Unterschied um die Mittelebene der Oberfläche, und die radiale Höhe der Rauhheit wird typischerweise bei 10 bis 50 % des Düsendurchgangsdurchmessers betragen. Bei einer weiteren Alternative können Turbulatoren in der Bohrung des Düsendurchgangs ausgebildet sein, wie beispielsweise als mit Flossen versehene oder aufgerauhte Axialeinsätze innerhalb der Bohrung.
Die Form und Gestaltung des Düsendurchganges können genügend Sekundärfluß in dem durch die Düsenöffnung fließenden Fluid erzeugen, damit es möglich ist, eine herkömmliche glatte, mit Lippen versehene runde Düsenöffnung zu verwenden, die selbst geringen oder gar keinen zusätzlichen Sekundärfluß erzeugt. Es ist jedoch besonders bevorzugt daß die richtungsverändernde Einrichtung an oder unmittelbar in Nachbarschaft zu der Düsenöffnung liegt oder in die Düsenöffnung selbst durch geeignete Gestalt der Form der Öffnung eingearbeitet wird. So kann beispielsweise die Düsenöffnung mit einer zusätzlichen Komponente versehen werden, wie beispielsweise einer Klappen- oder Strömungsführung, die in oder unmittelbar benachbart zu der Öffnung liegt. Eine solche Klappen- oder Strömungsführung kann auf einen Teil oder die Gesamtheit des Fluidstromes einwirken. Es ist jedoch bevorzugt daß die Klappen- oder Strömungsführung nur auf einen Teil einwirkt wie beispielsweise auf 10 bis 80 % des wirksamen Querschnittes des Fluidstromes, um so zu bewirken, daß beeinflußter Strom auf den unbeeinflußten Rest des Stromes auftrifft.
Alternativ kann der Sekundärfluß durch die Verwendung einer Öffnung mit einer unregelmäßigen oder polygonalen ebenen Form erreicht werden, wie beispielsweise mit einer dreieckigen oder rechteckigen Öffnung, vor allem mit scharfen Winkeln, welche nicht radialsymmetrisch sein müssen, wie beispielsweise mit einer sternförmigen Öffnung.
Vorzugsweise wird die Düsenöffnung eine Messerkantenlippe haben, um die Stärke der Richtungsveränderung des Fluids, das die Lippe passiert, zu maximieren, und Winkel in der umgebenden Peripherie der Lippe werden so scharf wie praktikabel gehalten. Es ist auch bevorzugt daß das Verhältnis der maximalen radialen Abmessung zu der minimalen radialen Abmessung der Öffnung wenigstens 2:1, besonders 3:1 bis 10:1 ist. Außerdem ist es nicht erforderlich, daß die Mündung der Öffnung radialsymmetrisch ist.
Die Düsenöffnung hat vorzugsweise einen mittleren Durchmesser geringer als 100 um, vorzugsweise geringer als 20 um, wo Tröpfchen mit einem in der Mitte der Masse gelegenen Durchmesser von weniger etwa 6 um erzeugt werden sollen.
Solche Düsenöffnungen können mit herkömmlichen Techniken ausgebildet werden, wie beispielsweise durch Photoresist- oder elektrochemisches Ätzen eines Metalles oder einer anderen Platte oder durch die Verwendung eines Laserstrahles unter Bildung einer rauhen, aber allgemein runden Öffnung in der Platte oder in einem Gesteinsdüsenblock oder durch mechanisches Stanzen, Pressen, Bohren oder auf andere Weise So kann beispielsweise die Düse als eine quadratische oder rechtwinklige Öffnung in einem Siliciumlaminat durch chemisches Ätzen einer Stirnfläche eines geeigneten Plättchens und eines kegelförmigen Durchganges, der den Einlaß zu der Öffnungsmündung bildet und durch Ätzen des Laminats von der anderen Stirnfläche her ausgebildet wurde, erhalten werden.
Die richtungsverändernden Mittel wurden oben als Einrichtungen beschrieben, die auf den Fluidfluß in dem Düsendurchgang oder der Düsenöffnung radial nach innen einwirken. Es liegt jedoch innerhalb des Gedankens der vorliegenden Erfindung, daß die richtungsverändernden Mittel radial nach außen wirken, wie wenn ein Stift oder ein anderes axial sich erstreckendes Teil mit einer aufgerauhten oder anderweitig Turbulenz erzeugenden Oberfläche sich in eine allgemein runde Düsenöffnung erstreckt, um teilweise die Öffnung zu versperren und so eine ringförmige Düsenöffnung zu bilden, die entlang ihren beiden Peripherien aufgerauhte Oberflächen haben kann.
Aus Gründen der Bequemlichkeit wird die Erfindung nachfolgend für ein richtungsveränderndes Mittel beschrieben, das radial nach innen wirkt.
Das richtungsverändernde Mittel kann durch eine Kombination der oben beschriebenen Merkmale vorgesehen sein, wie beispielsweise eine aufgerauhte Oberfläche auf der Düsendurchgangswand mit einer Klappe an dem Auslaß und/oder einer scharfen Biegung in der Bohrung und/oder mit einer dreieckigen oder anderen scharfkantigen Düsenöffnung. Eine besonders bevorzugte Form der Düsenanordnung bei Verwendung nach der Erfindung umfaßt einen kegelförmigen Düsendurchgang mit einem eingeschlossenen Winkel von 90º bis 120º und einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von weniger als 1:1, der in einer Stein- oder Metallkörperplatte ausgebildet ist, wobei eine Düsenöffnungsplatte eine scharflippige quadratische oder rechteckig geformte Öffnung hat und auf der Körperplatte so befestigt ist, daß die Achsen des Düsendurchganges und der Düsenöffnung im wesentlichen zusammenfallen.
Das richtungsverändernde Mittel verursacht eine Veränderung von wenigstens 10º, vorzugsweise von 30 bis 90º, wie beispielsweise von 45 bis 60º, in der Strömungsrichtung des Fluids, auf welches es einwirkt doch können auch größere Richtungsveränderungen durch eine Kombination von richtungsverändernden Mitteln erreicht werden, wie beispielsweise wenn zwei Klappen in unmittelbarer Aufeinanderfolge zueinander verwendet werden, um die Richtung zunächst in einer Richtung und dann in der entgegengesetzten Richtung zu verändern. Es ist auch bevorzugt, daß die Richtungsveränderung eine scharfe Veränderung ist, d. h. daß die Richtungsveränderung in einem axialen Abstand von weniger als 5, vorzugsweise weniger als 1 Durchmesser der Strömungsbreite erfolgt. Die optimale Form und Position des die Fließrichtung verändernden Mittels und das Ausmaß der Richtungsveränderung werden jeweils u. a. von dem Druck, mit welchem das Fluid abgegeben wird, dem Durchmesser und der Form der Bohrung und/oder der Düsenöffnung und der erforderlichen Tröpfchengröße abhängen und können leicht durch einfache Versuche und Fehlertests bestimmt werden. Das Fluid wird mit einem Druck von 100 bis 500 bar, wie beispielsweise mit 200 bis 400 bar abgegeben, um Tröpfchen mit Durchmessern in der Massenmitte von weniger als 6 um zu bilden, und zwar durch Düsenöffnungen mit einer Querschnittsfläche von 5 bis 2500 um², insbesondere weniger als 500 um² und bevorzugt mit mittleren Durchmessern von 5 bis 50 um, besonders weniger als 20 um.
Wie oben angegeben, ist es bevorzugt, daß der Düsendurchgang und die Düsenöffnung in einem Düsenteil ausgebildet sind, welches dann in die Abgabebohrung einer mechanisch betätigten sprühstrahlbildenden Einrichtung, insbesondere die federbelastete Pumpeinrichtung unserer schwebenden internationalen Anmeldung Nr. PCT/GB91/00433 (WO-A-9114468), eingeschraubt, in Eingriff eingestoßen, mit Bajonettverschluß oder anderem Paßsitz eingeführt ist.
Die Düsenanordnung der Erfindung wurde oben als ein Düsendurchgang beschrieben, der Fluid durch eine Düsenöffnung am Auslaß zu dem Durchgang speist. Es liegt jedoch innerhalb des Gedankens der vorliegenden Erfindung, daß der Düsendurchgang abstromwärts von der Düsenöffnung liegt, wie wenn die Düsenöffnung auf einer Seite einer Platte ausgebildet ist und ein kegelförmiger Düsendurchgang insgesamt oder teilweise in Paßgenauigkeit mit der Düsenöffnung von der anderen Seite der Platte ausgebildet ist. Eine solche Platte kann mit dem Düsendurchgang oder der Düsenöffnung aufstromwärts im Fluidstrom verwendet werden. Alternativ kann die Düsenanordnung aus zwei Düsenöffnungsplatten mit einem Spalt dazwischen ausgebildet werden, wobei der Düsendurchgang von dem Spalt oder einer Plenumkammer zwischen den Platten erzeugt wird. In diesem Fall können die Düsenöffnungen axial in Paßgenauigkeit miteinander vorliegen oder in Querrichtung gegeneinander versetzt sein. Es liegt auch innerhalb des Gedankens der vorliegenden Erfindung, die Düsenmündungs öffnung in dem Düsendurchgang, aber in Nachbarschaft zu dessen Auslaßende anzuordnen, so daß der Auslaß zu dem Düsendurchgang den an der Düsenmündung gebildeten Sprühstrahl nicht nachteilig beeinflußt.
Die Düsenanordnung der Erfindung kann als ein einheitliches Teil ausgebildet werden, wie wenn die Düsenmündungsöffnung und der Düsendurchgang in einem Metall- oder anderen Block ausgebildet werden, oder sie kann aus getrennten Teilen gebildet werden, wie beispielsweise aus einer Platte mit einer Düsenmündungsöffnung, die in ihr gebildet wird, und aus einem Block oder einer Platte mit darin ausgebildetem Düsendurchgang, wobei die beiden mit irgendeiner geeigneten Einrichtung zusammengehalten werden, wie beispielsweise durch Befestigung der Düsenmündungsplatte auf dem Düsendurchgangsblock mit Hilfe eines Klebstoffes.
Die bei der Erfindung verwendete Düsenanordnung kann auch noch andere Merkmale einschließen, um ihr Arbeiten zu verbessern, beispielsweise eine Befestigungsbuchse oder einen Trägerblock, um zu unterstützen, daß die Anordnung den Drücken und Spannungen widersteht, die durch die plötzlichen Drücke der Fluidabgabe aus der sprühstrahlbildenden Einrichtung auf sie ausgeübt werden, oder um eine Befestigung der Anordnung in der sprühstrahlbildenden Einrichtung zu unterstützen.

Beschreibung der Zeichnungen

Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird sie nun nur erläuterungshalber unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, die in der beiliegenden Zeichnung gezeigt sind, in welcher die Figuren 1a und 1b eine Draufsicht bzw. eine Axialschnittdarstellung durch eine Form der bei der Erfindung verwendeten Düsenanordnung sind, die Figuren 2a, 2b und 3a, 3b eine Draufsicht bzw. eine Axialschnittdarstellung durch alternative Formen der Düsenanordnung sind und Figur 4 eine weitere alternative Form der Düsenanordnung von Figur 1 zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

In Figur 1 hat eine dünne Platte 101 einen Durchgang 102 mit einem konvergierenden Querschnitt, der in ihr durch selektives chemisches Ätzen oder durch irgendeine andere geeignete Technik ausgebildet wurde. Der eingeschlossene Winkel des konvergierenden Durchganges liegt bei 90º bis 120º, und das Verhältnis von maximalem Durchmesser zur Länge des Durchganges ist wenigstens 1:1. An dem dünnen Ende des Durchganges ist eine Ausgangsöffnung 104 mit einer Klappe 106 ausgebildet, die so positioniert ist, daß der Flüssigkeitsfluß dazu gezwungen wird, seine Richtung zu verändern, wenn er entlang der Krümmung 108 wandert, die durch die Klappe 106 erzeugt wird, wenn sie durch die Mündungsöffnung 104 geht. Diese Richtungsveränderung jenes Teils des durch die Klappe umgelenkten Stromes erzeugt einen signifikanten Sekundärfluß am Ausgang aus der Mündung, und dies unterstützt das Aufbrechen des Fluidstromes in feine Tröpfchen.
Die Klappe kann durch Teilausstanzen einer runden Mündungsöffnung durch die Platte 101 ausgebildet werden. Statt dessen kann der Durchgang 102 in einer Platte ausgebildet werden, und eine runde Öffnung mit einem Laserstrahl in einer anderen ausgebildet werden. Die beiden Platten können dann aufeinander befestigt werden, wobei die Öffnung nur teilweise mit dem Durchgang fluchtet, um eine ähnliche Klappe wie jene, die in Figur 1b gezeigt ist, zu bekommen. Die rechte Lippe der Mündungsöffnung wäre dann aber eher gekrümmt als gerade, wie in Figur 1a gezeigt ist.
Um Tröpfchen mit einem Durchmesser der Massenmitte unter 7 um zu erzeugen, wird die Flüssigkeit an den Durchgang 102 mit einem Druck von etwa 350 bis 400 Atmosphären (bar) abgegeben. Die Dicke der Platte 101 liegt bei etwa 100 um, und der mittlere Durchmesser der Endmündungsöffnung 104 beträgt etwa 5 um.
In Figur 2 ist eine ähnliche Zerstäubungsdüse wie in Figur 1 gezeigt doch mit einer rauhen Nachbearbeitung auf den Durchgangswänden 202 und den Lippen der Mündungsöffnung 104. Die rauhe Nachbearbeitung unterstützt die Turbulenzerzeugung und daher Sekundärströme in dem Fluid und unterstützt die Zerstäubung. Bei einer solchen Form der Düsenanordnung liegt die Rauhheit typischerweise bei etwa 3 um Höhe, und diese kann durch mechanisches Stanzen des Durchganges und der Öffnung erreicht werden. Wenn die Rauhheit in dem Durchgang 202 genügend Sekundärstrom oder -ströme in dem durch die Öffnung 104 gehenden Fluid erzeugt, kann die Düsenöffnung mit einer herkömmlichen Düsenöffnung mit einer glatten runden Bohrungsöffnung versehen werden.
In Figur 3 ist die Düsenanordnung ähnlich jener, die in Figur 1 gezeigt ist, jedoch mit der Ausnahme, daß der Düsendurchgang 302 durch Spritzguß oder ähnliches Formen eines Kunststoffmaterials ausgebildet ist, um eine glatte Bearbeitung auf den Wänden des Durchganges zu ergeben. Die Düsenmündungsöffnung hat einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt, wie in Figur 3a gezeigt ist. Die Düsenmündung kann durch selektives Ätzen eines lichtempfindlichen Kunststoffes oder eines Siliciumplättchens unter Verwendung bekannter Techniken ausgebildet werden. Es wird gewöhnlich bevorzugt sein, eine Trägerkappe oder dergleichen 310 vorzusehen, um die Gefahr einer Verletzung des Düsendurchgangsblockes 311 und der Düsenmündungsplatte 312 zu minimieren, und diese Kappe kann ein Außenschraubgewinde tragen, so daß die Düsenanordnung in der Auslaßbohrung einer sprühstrahlbildenden Einrichtung befestigt werden kann. Die Düsenanordnung von Figur 3 kann mit der Düsenöffnung aufstromwärts oder abstromwärts des Düsendurchganges ausgerichtet werden, da es weitgehend die scharfen Winkel der Lippe der Mündungsöffnung sind, die die Sekundärströme erzeugen, welche erforderlich sind, den Fluidstrom in feine Tröpfchen aufzubrechen.
Bei der in Figur 4 gezeigten Form einer Düsenanordnung sind die Düsenmündungsöffnungen 403, 404 in zwei getrennten Platten 401, 402 ausgebildet. Die aufstromwärts gelegene Düsenmündungsöffnung 403 kann vergleichsweise grob sein, so daß sie nicht bewirkt daß das durch sie fließende Fluid zu Tröpfchen aufgebrochen wird. Infolge der scharfen Lippe dieser Mündungsöffnung wird sie jedoch Sekundärströme in dem Fluid erzeugen. Die abstromwärts gelegene Düsenmündungsöffnung 404 ist fein genug, wie beispielsweise kleiner als 20 um, um zu bewirken, daß das durch sie hindurchfließende Fluid in feine Tröpfchen aufgebrochen wird. Die beiden Platten sind etwa einen Mündungsdurchmesser der feinen Düse voneinander entfernt befestigt. Der Spalt zwischen den Platten bildet mit den Ringwänden der Befestigung 405, in welchen die Platten befestigt sind, einen Durchgang 406 mit größerem Durchmesser als jener der aufstromwärts gelegenen Mündungsöffnung 403, und diese Veränderung im Querschnitt unterstützt die Bildung von Sekundärströmen in dem Strom, der aus der aufstromwärts gelegenen Mündungsöffnung 403 kommt.
Die Erfindung wurde oben für die Verwendung einer einzelnen richtungsverändernden Einrichtung beschrieben. Es können jedoch zwei oder mehrere solcher Mittel in Kombination miteinander benutzt werden, beispielsweise kann die in Figur 1 gezeigte Klappe in Kombination mit einer oder mehreren weiteren Klappen verwendet werden, die um die Peripherie der Lippe der Düsenmündungsöffnung angeordnet sind und in entgegengesetztem Sinne zu jenem wirken, der so gezeigt ist, daß er Sekundärströme erzeugt welche zueinander entgegengesetzt sind, und die Bildung von Fluidströmen simuliert, die an der oder unmittelbar abstromwärts von der Düsenmündungsöffnung auftreffen.

Claims

1. Verfahren zur Abgabe eines Fluids als ein Sprühstrahl von Tröpfchen, indem man ein Fluid durch eine Düsenanordnung fließen läßt, die einen Düsendurchgang (102; 202; 302; 406) in Fluid-Fließverbindung mit einer Düsenöffnung (104; 404) umfaßt worin

ein Sekundärfluß in wenigstens einem Teil des Fluidflusses durch die Düsenöffnung (104; 404) durch eine richtungsverändernde Einrichtung (106; 312; 401) erzeugt wird, die in wenigstens einer Stellung ausgewählt unter den Stellungen in der Bohrung des Düsendurchgangs (102; 202; 302; 406), bei einem oder unmittelbar benachbart zu einem Ende des Düsendurchgangs (102; 202; 302; 406) und bei der oder unmittelbar benachbart zu der Düsenöffnung (104; 404) angeordnet ist,

b) die Querschnittsfläche der Düsenöffnung (104; 404) im Bereich von 5 bis 2500 um² liegt und

c) das Fluid der Düsenanordnung mit einem Druck von 100 bis 500 bar zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die richtungsverändernde Einrichtung (106; 312; 401) einen Sekundärfluß an der Düsenöffnung (104; 404) von wenigstens 10 % des Fluids erzeugt welches mit einem Austrittswinkel von 900 zu der Gesamtströmungslinie des Restes des Fluids an der Düsenöffnung (104; 404) fließt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die richtungsverändernde Einrichtung (106; 312; 401) einen Sekundärfluß an der Düsenöffnung (104; 404) von 20 bis 80 % des Fluids erzeugt welches mit einem Austrittswinkel von 90º zu der Gesamtströmungslinie des Restes des Fluids an der Düsenöffnung (104; 404) fließt.

4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die oder jede richtungsverändernde Einrichtung (106; 312; 404) in dem Fluß den sie beeinflußt eine Veränderung des Strömungswinkels von 30 bis 90º zu der Gesamtströmungslinie des restlichen Fluids erzeugt.

5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Düsenöffnung (104; 404) einen mittleren Durchmesser von weniger als 20 um hat.

6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem der Düsendurchgang (202) und/oder der Rand der Düsenöffnung (104) wenigstens eine rauhe Oberfläche hat, die dem Fluidfluß ausgesetzt ist, und die Rauhheit wenigstens ausreichend ist, um Sekundärfluß in den Fluidfluß zu erzeugen.

7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem der Düsendurchgang (102; 202; 302) in der Form eines Durchganges vorliegt, der mit einem eingeschlossenen Winkel von wenigstens 60º zu der Düsenöffnung (104) hin konvergiert, und die Düsenöffnung (104) eine unrunde Form hat.

8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Düsenöffnung (104) unrund ist und das Verhältnis der größten radialen Abmessung zu der kleinsten radialen Abmessung der Öffnung 2 : 1 bis 10 : 1 beträgt.

9. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Öffnung (104; 404) einen scharfen Rand hat.

10. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die richtungsverändernde Einrichtung wenigstens teilweise in dem Düsendurchgang (102; 202; 302; 406) angeordnet ist.

11. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die richtungsverändernde Einrichtung wenigstens teilweise durch eine oder mehrere scharfe Veränderungen des Querschnitts in dem Düsendurchgang (202; 302; 406) vorgesehen ist.

12. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die richtungsverändernde Einrichtung wenigstens teilweise durch einen oder mehrere Lappen (106) vorgesehen wird, welche an dem Rand der Düsenöffnung (104) angeordnet sind.

13. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Fluid ein Arzneimittel ist.

14. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Fluid durch die Düsenanordnung mit Hilfe eines federbelasteten Pumpmechanismus ausgestoßen wird.