РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ ФОРСУНКА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ, ПОДХОДЯЩАЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ БЫСТРОГО ЗАМЕРЗАНИЯ
SPRAY NOZZLE WITH AUXILIARY HEATING DEVICE SUITABLE FOR USE IN RAPID FREEZING CONDITIONS

Область техники
Настоящее изобретение относится к распылительной форсунке со вспомогательным нагревательным устройством, подходящей для использования в условиях быстрого замораживания, которая является подходящей для подготовки лиофилизации ультратонких аэрозольных частиц, таких как биологический образец и образец сухого порошка в сверхнизкотемпературной среде.
Уровень техники
Технология приготовления сухого порошка аэрозольных биологических частиц посредством каскадного сопряженного распыления, сверхнизкотемпературной быстрой заморозки и вакуумной сублимационной сушки включает в себя два ключевых этапа: распыление жидкого биологического образца на мелкие капли посредством распыляющей форсунки и быстрое замораживание капель в мелкие замороженные частицы в сверхнизкотемпературной среде, образованной жидким азотом; и вакуумную лиофилизацию замороженных частиц по принципу сублимации для окончательного получения сухих мелкодисперсных продуктов.
Распыление жидкости относится к процессу, при котором жидкость превращается в жидкий туман или мелкие капли в газовой среде под действием внешней энергии. Для того чтобы подготовить биологические образцы таких патогенов, которые соответствуют требованиям, необходимо контролировать аэродинамический диаметр распыляемых капель жидкости в диапазоне от 3 мкм до 5 мкм. Существующая форсунка с трудом обеспечивает качественное распыление при малом расходе жидкости и малой подаче давления, а также имеет недостатки, заключающиеся в недостаточной тонкости и плохой однородности, что не может удовлетворить требованиям подготовки биологического образца.
Кроме того, для того, чтобы обеспечить активность биологических образцов, скорость потока и давление распыления являются относительно низкими. После распыления биологических образцов в низкотемпературной камере необходимо быстро заморозить биологические образцы, причем низкие температуры колеблются от -100°C до -194°C. Эта сверхнизкая температура окружающей среды приводит к замерзанию и конденсации форсунки с низкой скоростью потока при низком давлении вскоре после работы, причем внутренний канал для потока блокируется, поэтому подготовка биологических образцов не может быть продолжена.
Сущность изобретения
Задачами настоящего изобретения являются: обеспечение распылительной форсунки дополнительным нагревательным устройством, подходящим для использования в условиях быстрого замерзания, преодолевающей недостатки традиционной технологии, и решение проблемы, которая связана с плохим качеством распыления форсунки, работающей при низкой скорости потока и низком давлении в среде со сверхнизкими температурами, и проблемы, которая состоит в блокировке внутреннего канала для потока из-за замерзания и конденсации форсунки вскоре после работы.
Техническое решение согласно настоящему изобретению состоит в том, что: распылительная форсунка со вспомогательным нагревательным устройством, подходящая для использования в условиях быстрого замерзания, содержит: соединитель газового тракта, корпус форсунки, соединитель жидкостного тракта, нагревательное кольцо, модуль терморегулирования, теплоизоляционный корпус, фланец криогенного резервуара и головку форсунки; при этом корпус форсунки имеет вращающуюся конструкцию корпуса, причем внутри корпуса форсунки образованы первое эксцентричное прямоточное отверстие, второе эксцентричное прямоточное отверстие и центральное прямоточное отверстие при этом первое эксцентричное прямоточное отверстие и второе эксцентричное прямоточное отверстие расположены параллельно, причем второе эксцентричное прямоточное отверстие находится в сообщении с центральным прямоточным отверстием, и центральное прямоточное отверстие расположено ниже второго эксцентричного прямоточного отверстия; при этом на верхнем участке боковой стенки корпуса форсунки образован первый соединительный канал с цилиндрическим приливом, причем первый соединительный канал с цилиндрическим приливом соединен с соединителем газового тракта, а проход, образованный внутри соединителя газового тракта, сообщается с первым эксцентричным прямоточным отверстием; при этом на верхнем конце корпуса форсунки образован второй соединительный канал с цилиндрическим приливом, причем второй соединительный канал с цилиндрическим приливом соединен с соединителем жидкостного тракта, а другой проход, образованный внутри соединителя жидкостного тракта, сообщается со вторым эксцентричным прямоточным отверстием; при этом в середине корпуса форсунки предусмотрена ступенька с наружной резьбой, причем наружная резьба ступеньки посредством резьбового соединения соединена с внутренней резьбой нагревательного кольца; при этом ниже ступеньки предусмотрен цилиндрический участок корпуса форсунки, причем внешняя стенка цилиндрического участка снабжена двумя или тремя выступающими направляющими участками, и цилиндрический участок  вставлен во внутреннее отверстие головки форсунки; при этом модуль терморегулирования расположен на внешней поверхности нагревательного кольца, теплоизоляционный корпус расположен на внешней поверхности модуля терморегулирования, а на боковой стенке теплоизоляционного корпуса образовано окно для ввода проводов, через которое выведены провода модуля терморегулирования; причем наружная резьба нагревательного кольца посредством резьбового соединения соединена с внутренней резьбой фланца криогенного резервуара.
В варианте выполнения, нижняя концевая поверхность корпуса форсунки снабжена завихрителем с конструкцией в виде усеченного конуса и множеством спиральных канавок.
В варианте выполнения, внешняя стенка одного конца соединителя газового тракта снабжена наружной резьбой, другой конец соединителя газового тракта представляет собой первый полый цилиндрический корпус со ступенькой, а также предусмотрена первая шестигранная выступающая ступенька в середине соединителя газового тракта, причем первый соединительный канал с цилиндрическим приливом соединен с первым полым цилиндрическим корпусом со ступенькой.
В варианте выполнения, один конец соединителя жидкостного тракта представляет собой внутренний конический соединитель, другой конец соединителя жидкостного тракта представляет собой второй полый цилиндрический корпус со ступенькой, а вторая шестигранная выступающая ступенька предусмотрена в середине соединителя жидкостного тракта, причем второй соединительный канал с цилиндрическим приливом соединен со вторым полым цилиндрическим корпусом со ступенькой.
В одном варианте выполнения, головка форсунки представляет собой полый вращающийся корпус со ступенькой и расположена снаружи цилиндрического участка на нижнем конце корпуса форсунки, нижний конец головки форсунки имеет структуру усеченного конуса и образует проход потока газовой струи вместе с корпусом форсунки, кольцевое уплотнительное кольцо расположено на внешней поверхности ступеньки на верхнем конце головки форсунки, и уплотнительное кольцо обжато резьбовым соединением между корпусом форсунки и нагревательным кольцом, тем самым реализуя герметизацию.
В варианте выполнения, нагревательное кольцо представляет собой полый цилиндрический корпус со ступенькой.
В варианте выполнения, спиральные канавки завихрителя обрабатываются вдоль направления образующей усеченного конуса завихрителя, а сечение каждой спиральной канавки является треугольным, прямоугольным или полукруглым.
В варианте выполнения, модуль терморегулирования включает в себя теплопроводный корпус, нагревательный провод и термопару, причем нагревательный провод и термопара поочередно намотаны на внешнюю поверхность теплопроводного корпуса.
В одном варианте выполнения, нагревательный провод и термопара подключены к терморегулятору, при этом терморегулятор выполняет определение температуры и управление с обратной связью с использованием ПИД алгоритма с тем, чтобы регулировать входное напряжение и потребляемую мощность нагревательного провода, и позволяет форсунке работать в нормальном температурном диапазоне.
В варианте выполнения, наружная резьба одного конца соединителя газового тракта представляет собой суживающуюся резьбу 1/8 дюйма, которая соединяется с входным трубопроводом газового тракта, а рабочее давление соединителя газового тракта не превышает 0,5 МПа; внутренний конический соединитель соединителя жидкостного тракта соединен с входным трубопроводом жидкостного тракта, а рабочее давление внутреннего конического соединителя не превышает 0,3 МПа.
g
L
g
L
В варианте выполнения, число спиральных канавок является следующим: n=2Q/Q; где Q указывает объемный расход газа для облегчения распыления, а Q указывает объемный расход жидкой среды.
По сравнению с традиционной технологией, настоящее изобретение имеет следующие полезные эффекты:
1) распылительная форсунка со вспомогательным нагревательным устройством, подходящая для использования в условиях быстрого замораживания, предусмотренная согласно настоящему изобретению, пользуется большим спросом в современной фармацевтической, медицинской и биологической областях, может использоваться для периодического приготовления стабильных и контролируемых образцов патогенов, таких как бактерии, вирусы, споры, токсины и т.д., и помогают мультимодальному спектральному анализу различных биологических образцов, и может быть использована для различных фармацевтических препаратов;
2) распылительная форсунка со вспомогательным нагревательным устройством, предусмотренная согласно настоящему изобретению, может использовать высокоскоростной, стабильный и равномерный вращающийся газовый поток в условиях низкой скорости потока и низкого давления без вреда для биологической деятельности при выполнении внешнего перемешивающего воздействия на струю жидкой рабочей среды с целью получения мелкодисперсных и однородных распыленных капель, которые могут отвечать требованиям подготовки к распылению образцов биологических аэрозолей с аэродинамическим диаметром от 3 мкм до 5 мкм;
3) в распылительной форсунке с дополнительным нагревательным устройством, предусмотренным согласно настоящему изобретению, завихритель с множеством спиральных канавок расположен на головке форсунки и плотно прилегает к внутренней стенке головки форсунки, так что поток сжатого газа вытесняется через спиральные канавки для получения нескольких однородных вращающихся газовых потоков, воздействующих на струю жидкости, что является полезным для улучшения однородности и центрирования распыления;
4) в распылительной форсунке со вспомогательным нагревательным устройством, предусмотренным согласно настоящему изобретению, распределение распыления и тонкость распыления могут быть соответственно изменены путем регулирования давления газового тракта с тем, чтобы адаптироваться к требованиям препарата различных биологических реагентов;
5) в распылительной форсунке со вспомогательным нагревательным устройством, предусмотренным согласно настоящему изобретению, диаметр центрального прямоточного отверстия корпуса форсунки может быть изменен для адаптации к требованиям распыления и разбрызгивания биологических реагентов с различной вязкостью;
6) в распылительной форсунке со вспомогательным нагревательным устройством, предусмотренным согласно настоящему изобретению, модуль терморегулирования, интегрированный с функциями нагрева и измерения температуры, может использоваться для помощи в регулировании температуры форсунки, а управление с обратной связью осуществляется ПИД-контроллером, так что форсунка может работать в идеальном диапазоне рабочих температур в течение длительного времени;
7) в распылительной форсунке со вспомогательным нагревательным устройством, предусмотренным согласно настоящему изобретению, тепловая энергия нагревательного провода эффективно и интенсивно передается в окрестности завихрителя и головки форсунки через нагревательное кольцо с высокой теплопроводностью и внешний теплоизоляционный корпус, так что качество распыления форсунки может быть гарантировано; и
8) в распылительной форсунке со вспомогательным нагревательным устройством, предусмотренным согласно настоящему изобретению, равномерное и высокоэффективное распыление реализуется за счет использования завихрения газа для воздействия на струю жидкости, а нагревающий газ может быть использован для способствования распылению в определенных случаях, что может дополнительно улучшить эффект распыления в условиях низкой температуры.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематичный структурный вид распылительной форсунки со вспомогательным нагревательным устройством;
Фиг.2 - схематичный структурный вид прохода потока газа;
Фиг.3 - схематичный структурный вид прохода потока жидкости;
Фиг.4 - схематичный вид ударного распыления с внешним смешиванием; и
Фиг.5 - схематичный структурный вид нагревательного модуля.
Подробное описание вариантов выполнения изобретения
Конкретные варианты выполнения настоящего изобретения подробно описаны далее со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Как показано на фиг.1, согласно настоящему изобретению предусмотрена распылительная форсунка со вспомогательным нагревательным устройством, подходящая для использования в условиях быстрого замерзания, которая включает в себя соединитель 1 газового тракта, корпус 2 форсунки, соединитель 3 жидкостного тракта, нагревательное кольцо 4, модуль 5 терморегулирования, теплоизоляционный корпус 6, фланец 7 криогенного резервуара, головку 8 форсунки, и уплотнительное кольцо 9.
Корпус 2 форсунки имеет вращающуюся конструкцию корпуса, причем первое эксцентричное прямоточное отверстие 21, второе эксцентричное прямоточное отверстие 22 и центральное прямоточное отверстие 23 образованы внутри корпуса 2 форсунки, причем первое эксцентричное прямоточное отверстие 21 и второе эксцентричное прямоточное отверстие 22 расположены параллельно, при этом второе эксцентричное прямоточное отверстие 22 находится в сообщении с центральным прямоточным отверстием 23, а центральное прямоточное отверстие 23 расположено ниже второго эксцентричного прямоточного отверстия 22; причем первый соединительный канал 24 с цилиндрическим приливом образован в верхнем участке боковой стенки корпуса 2 форсунки, причем первый соединительный канал 24 с цилиндрическим приливом соединен с соединителем 1 газового тракта, а проход, образованный внутри соединителя 1 газового тракта, находится в сообщении с первым эксцентричным прямоточным отверстием 21; причем второй соединительный канал 25 с цилиндрическим приливом образован на верхнем конце корпуса 2 форсунки, при этом второй соединительный канал 25 с цилиндрическим приливом соединен с соединителем 3 жидкостного тракта, а другой проход, образованный внутри соединителя 3 жидкостного тракта, находится в сообщении со вторым эксцентричным прямоточным отверстием 22; причем в середине корпуса 2 форсунки предусмотрена ступенька 26 с наружной резьбой, а наружная резьба ступеньки 26 посредством резьбы соединена с внутренней резьбой нагревательного кольца 4; причем цилиндрический участок 27 корпуса 2 форсунки предусмотрен ниже ступеньки 26, внешняя стенка цилиндрического участка 27 снабжена двумя или тремя выступающими направляющими участками, а цилиндрический участок вставлен во внутреннее отверстие головки 8 форсунки; причем модуль 5 терморегулирования расположен на внешней поверхности нагревательного кольца 4, теплоизоляционный корпус 6 расположен на внешней поверхности модуля 5 терморегулирования, а на боковой стенке теплоизоляционного корпуса 6 образовано окно для ввода проводов, так что оттуда выведены провода модуля 5 терморегулирования; а наружная резьба нагревательного кольца 4 посредством резьбы соединена с внутренней резьбой фланца 7 криогенного резервуара.
В частности, корпус 2 форсунки имеет вращающуюся конструкцию корпуса, внутри которого образовано первое эксцентричное прямоточное отверстие, смещенное наружу, в его верхней части образовано второе эксцентричное прямоточное отверстие, смещенное внутрь, и на нижней его части образовано центральное прямоточное отверстие, при этом второе эксцентричное прямоточное отверстие смещено внутрь в сообщение с центральным прямоточным отверстием. Первый соединительный канал с цилиндрическим приливом, образованный на стороне верхнего конца корпуса 2 форсунки, соединен с соединителем 1 газового тракта, а круглое отверстие первого цилиндрического прилива, которое соединено с соединителем 1 газового тракта, находится в сообщении с первым эксцентричным прямоточным отверстием, смещенным наружу. Второй соединительный канал с цилиндрическим приливом, образованный на верхнем конце корпуса 2 форсунки, соединен с соединителем 3 жидкостного тракта. Ступенька с наружной резьбой предусмотрена в середине корпуса 2 форсунки, а наружная резьба ступеньки соединена резьбой с внутренней резьбой нагревательного кольца 4. Цилиндрический участок ниже резьбовой ступенькой снабжен двумя или тремя выступающими направляющими участками на его наружной стенке, а цилиндрический участок вставлен во внутреннее отверстие головки 8 форсунки. Направляющие участки, с одной стороны, используются для позиционирования, с тем, чтобы обеспечить центрирование сборки, а с другой стороны, обеспечивают проход потока для прохождения газа. Нижний конец корпуса 2 форсунки представляет собой завихритель в виде усеченного конуса с множеством спиральных канавок на поверхности.
Внешняя стенка одного конца соединителя 1 газового тракта снабжена наружной резьбой, другой конец соединителя 1 газового тракта представляет собой первый полый цилиндрический корпус со ступенькой, а также предусмотрена первая шестигранная выступающая ступенька в середине соединителя 1 газового тракта, причем первый соединительный канал с цилиндрическим приливом соединен с первым полым цилиндрическим корпусом со ступенькой.
В частности, соединитель 1 газового тракта представляет собой полый цилиндрический корпус с резьбой на одном конце и ступенькой на другом конце, а в его середине находится шестигранная выступающая ступенька для зацепления с ключом для навинчивания резьбы; соединитель 1 газового тракта вставлен во внутреннее отверстие цилиндрического прилива с одной стороны верхнего конца корпуса 2 форсунки и закреплен к нему сваркой.
Один конец соединителя 3 жидкостного тракта представляет собой внутренний конический соединитель, другой конец соединителя 3 жидкостного тракта представляет собой второй полый цилиндрический корпус со ступенькой, а вторая шестигранная выступающая ступенька предусмотрена в середине соединителя 3 жидкостного тракта, причем второй соединительный канал с цилиндрическим приливом 25 соединен со вторым полым цилиндрическим корпусом со ступенькой.
В частности, соединитель 3 газового тракта представляет собой полый цилиндрический корпус с внутренним коническим быстроразъемным соединением на одном конце и ступенькой на другом конце, а в его середине находится шестигранная выступающая ступенька для зацепления ключом; при этом соединитель 3 жидкостного тракта вставлен во внутреннее отверстие цилиндрического прилива на верхнем конце корпуса 2 форсунки и закреплен к нему сваркой.
Головка 8 форсунки представляет собой полый вращающийся корпус со ступенькой и расположена снаружи цилиндрического участка на нижнем конце корпуса 2 форсунки, и плотно подогнан с двумя или тремя направляющими участками для позиционирования; нижний конец головки 8 форсунки имеет структуру усеченного конуса и образует вместе с корпусом 2 сопла проход для газовой струи, кольцевое уплотнительное кольцо 9 расположено снаружи ступеньки на верхнем конце головки 8 форсунки, и уплотнительное кольцо 9 сжимается резьбовым соединением между корпусом 2 форсунки и нагревательным кольцом 4, что обеспечивает герметичность.
Нагревательное кольцо 4 представляет собой полый цилиндрический корпус со ступенькой, который расположен снаружи головки 8 форсунки, причем наружная резьба нагревательного кольца 4 посредством резьбы соединяется с внутренней резьбой фланца 7 криогенного резервуара с тем, чтобы осуществить соединение между форсункой и криогенным резервуаром; модуль 5 терморегулирования расположен снаружи и находится в тесном контакте с нагревательным кольцом 4 для эффективной теплопередачи; из верхнего конца выведены подводящие провода нагревателя и устройства измерения температуры; теплоизоляционный корпус 6 расположен снаружи модуля 5 терморегулирования для теплоизоляции, а на одной стороне расположено окно для ввода проводов, так что из него могут быть выведены провода модуля 5 терморегулирования.
Как показано на фиг.2, газ для облегчения распыления поступает в корпус 2 форсунки из внутреннего отверстия соединителя 1 газового тракта, затем поступает во внутреннюю камеру, образованную корпусом 2 форсунки и головкой 8 форсунки, после прохождения через прямоугольный проход потока корпуса 2 сопла и, наконец, распыляется через проход потока завихрителя корпуса 2 форсунки и создает вращающийся газовый поток с окружной скоростью.
Как показано на фиг.3, жидкая рабочая среда для приготовления образца аэрозоля поступает в корпус 2 форсунки через внутреннее отверстие соединителя 3 жидкостного тракта, затем поступает в распылительное отверстие в центре форсунки и распыляется в форме цилиндрической струи после истечения через эксцентричное прямоточное отверстие.
Как показано на фиг.4, жидкая рабочая среда распыляется из центрального отверстия в нижней части корпуса 2 форсунки с образованием струи из одного отверстия; поток газа, способствующий распылению, распыляется из спиральных канавок завихрителя корпуса 2 форсунки и разбивает струю в точке удара после вращения для распыления струи с образованием однородных и мелких капель с аэродинамическим диаметром в диапазоне от 3 мкм до 5 мкм, которые распыляются в низкотемпературную морозильную камеру и непосредственно распыляются на поверхность жидкого азота на расстоянии около 10 см и быстро замораживаются в кристаллы. Окончательная подготовка образца сухого порошка завершается сублимацией.
Как показано на фиг.5, модуль 5 терморегулирования включает в себя теплопроводный корпус, нагревательный провод и термопару, причем нагревательный провод и термопара поочередно намотаны на внешнюю поверхность теплопроводного корпуса. В частности, медный теплопроводный корпус модуля 5 терморегулирования обладает отличной способностью теплопередачи, несколько витков мощного нагревательного провода и термопары могут быть равномерно намотаны в окне для намотки проволоки внутри корпуса, так что модуль 5 терморегулирования имеет функции нагрева и измерения температуры. Выводы проводов нагревательного провода и термопары выведены из камеры сверху и соединены к регулятору температуры для ПИД-регулирования с обратной связью и регулирования температуры.
нагрева
m
нагрева
m
Мощность нагрева нагревательного провода равна P=A⋅C⋅d⋅Δt; где P указывает на мощность нагрева, A указывает на эффективную площадь теплообмена, C указывает на эффективность нагрева, d указывает на удельную теплоемкость материала, а Δt указывает на логарифмическую среднюю разность температуры. Мощность нагрева нагревательной провода получается в соответствии с приведенной выше формулой, так что тепловая энергия нагревательного провода эффективно и интенсивно передается вблизи завихрителя и головки форсунки, что хорошо гарантирует качество распыления форсунки.
Соединитель 1 газового тракта, корпус 2 форсунки, соединитель 3 жидкостного тракта и головка 8 форсунки изготовлены из титанового сплава, который обладает хорошей биосовместимостью.
Уплотнительное кольцо 9 изготовлено из политетрафторэтиленового пластика, обладающего хорошей биосовместимостью и хорошей герметизирующей способностью.
Нагревательное кольцо 4 и теплопроводный корпус модуля 5 терморегулирования изготовлены из металлических материалов с хорошей теплопроводностью, таких как латунь и красная медь, для повышения эффективности теплопередачи.
Теплоизоляционный корпус 6 изготовлен из материала с хорошей теплоизоляцией, такого как тефлон.
Спиральные канавки завихрителя на нижнем конце корпуса 2 форсунки обрабатываются вдоль направления образующей усеченного конуса завихрителя, а сечение каждой спиральной канавки может быть треугольным, прямоугольным или полукруглым.
g
L
g
L
Число спиральных канавок является следующим: n=2Q/Q; где Q указывает объемный расход газа для облегчения распыления, а Q указывает объемный расход жидкой среды. Количество спиральных канавок получается согласно приведенной выше формуле, так что можно лучше получить несколько однородных вращающихся газовых потоков для воздействия на струю жидкости, а также можно лучше улучшить равномерность и центрирование распыления.
Коническое внутреннее отверстие на нижнем конце головки 8 форсунки плотно прилегает к внешней поверхности стенки завихрителя корпуса 2 форсунки для обеспечения распыления большей части газовых потоков вдоль проходов потока спиральных канавок.
Соединитель 1 газового тракта обычно соединяется с входным трубопроводом газового тракта посредством использования суживающейся резьбы 1/8 дюйма, его рабочее давление обычно не превышает 0,5 МПа, а соединитель 1 газового тракта соединяется с корпусом 2 форсунки лазерной сваркой или электронно-лучевой сваркой.
Соединитель 3 жидкостного тракта обычно соединяется с трубопроводом жидкостного тракта с входным трубопроводом жидкостного тракта посредством использования внутреннего конического быстроразъемного соединителя, его рабочее давление обычно не превышает 0,3 МПа, и соединитель 3 жидкостного тракта соединяется с корпусом 2 форсунки лазерной сваркой или электронно-лучевой сваркой.
Содержание, не описанное подробно в описании настоящего изобретения, считается хорошо известным специалистам в данной области техники.