DE60024992T2

DE60024992T2 - Richtungsverstellbarer ehd- aerosol-zerstäuber

Info

Publication number: DE60024992T2
Application number: DE60024992T
Authority: DE
Inventors: E. James DVORSKY; Songsdhit Chongsiriwatana
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Ventaira Pharmaceuticals Inc
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2020-04-21
Also published as: DE60024992D1; EP1194244B1; AU4364900A; ATE313384T1; ZA200108589B; JP2004500230A; IL146033A; AU777167B2; EP1194244A1; US6302331B1; WO2000064590A1; BR0009993A; KR20020003239A; JP4677102B2

Description

VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung 60/130,893 in Anspruch, die am 23. April 1999 eingereicht wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Steuerung der Abgabe und der Abgaberichtung eines Aerosols und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen induzierten Aerosolfluss in einem elektrohydrodynamischen (EHD-) Zerstäuber.
Hintergrund
Die Verwendung von elektrohydrodynamischen (EHD-) Vorrichtungen zur Erzeugung von Aerosolen ist wohlbekannt. Vor kurzem haben wir erkannt, dass EHD-Vorrichtungen äußerst nützlich zur Erzeugung und Abgabe von Aerosolen von therapeutischen Produkten sind.
In typischen EHD-Vorrichtungen geben Fluidabgabeeinrichtungen ein in Aerosolform zu bringendes Fluid an eine Düse ab, die auf einem hohen elektrischen Potential gehalten wird. Ein Typ von Düse, der in EHD-Vorrichtungen verwendet wird, ist ein Kapillarrohr, das Elektrizität leiten kann. Ein elektrisches Potential wird an das Kapillarrohr angelegt, das die Fluidinhalte derart auflädt, dass dann, wenn das Fluid aus der Spitze oder dem Ende des Kapillarrohres austritt, ein sogenannter Taylor-Konus gebildet wird. Diese Konusform ergibt sich aus einer Balance der Kräfte der elektrischen Ladung in dem Fluid und der dem Fluid eigenen Oberflächenspannung. Wünschenswerterweise überwindet die Ladung in dem Fluid die Oberflächenspannung, und an der Spitze des Taylor-Konus bildet sich ein dünner Strahl an Fluid, der sich daraufhin und eine kurze Distanz jenseits der Spitze schnell in ein Aerosol aufspaltet. Studien haben gezeigt, dass dieses Aerosol (das oft als eine weiche Wolke beschrieben wird) zwar eine ziemlich einheitliche Tröpfchengröße und eine hohe Geschwindigkeit beim Verlassen der Spitze aufweist, dass es aber in kurzer Distanz jenseits der Spitze die Geschwindigkeit schnell auf eine sehr niedrige Geschwindigkeit verringert.
EHD-Zerstäuber erzeugen an der Spitze der Düse geladene Tröpfchen. In Abhängigkeit von der Anwendung können diese geladenen Tröpfchen teilweise oder vollständig neutralisiert werden (mit einer Referenz- oder Entladungselektrode in der Zerstäubervorrichtung) oder nicht. Die typischen Anwendungen für einen EHD-Zerstäuber ohne Einrichtungen zur Entladung oder Einrichtungen zur teilweisen Entladung eines Aerosols würden eine Farbspritzpistole oder eine Insektizidspritze umfassen. Diese Arten von Sprühgeräten können bevorzugt sein, weil das Aerosol eine elektrische Restladung aufweisen würde, wenn es das Sprühgerät verlässt, so dass die Tröpfchen zu der Oberfläche, die mit einem Überzug versehen wird, gezogen würden und fest an dieser anhaften würden. Aber bei EHD-Vorrichtungen, die zur Abgabe von therapeutischen Aerosolen verwendet werden, wie dies zum Beispiel in der GB-A-2327 895 offenbart ist, wird es bevorzugt, dass das Aerosol vor der Inhalation durch den Benutzer vollständig elektrisch neutrali siert wird, um zu erlauben, dass das Aerosol die Lungenbereiche erreicht, in denen die spezielle therapeutische Formulierung am wirksamsten ist.
Die bevorzugte Ausrichtung von EHD-Zerstäubern ist diejenige, bei der die Düse vertikal und oberhalb des Objekts angeordnet ist, das das Aerosol empfangen soll. Diese Düsenausrichtung beseitigt für praktische Zwecke die Probleme, die mit dem aus der Düsenspitze abgegebenen Fluid assoziiert sind, das sich auf der Außenseite des Kapillarrohrs und der assoziierten Fluidabgabeeinrichtungen ansammelt oder an diesen dochtartig hoch wandert. Wenn das Fluid die Außenseite der Düse von der Spitze aus hoch fließt, steht es nicht mehr länger zum Sprühen zur Verfügung und stellt einen Verlust der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung dar. Darüber hinaus kann sich das Fluid an den Außenflächen des Kapillarrohrs anhäufen und plötzlich zu der Spitze zurückfließen, an der es den Taylor-Konus unterbrechen kann. Diese Unterbrechungen und alle anderen Unterbrechungen des Taylor-Konus können zu einer großen Schwankung in der Größe und der Größenverteilung der Aerosoltröpfchen führen, was insbesondere bei der Abgabe eines Lungenarzneimittels nicht erwünscht ist.
Wenn man einem Patienten Arzneimittel verabreicht, führen diese Beschränkungen bei der Ausrichtung der EHD-Vorrichtung entweder dazu, dass die Patienten ihren Kopf nach hinten neigen müssen oder auf ihrem Rücken liegen müssen, wenn das Aerosol auf einer Achse mit der Düse abgegeben wird. Alternativ dazu kann die EHD-Vorrichtung das Aerosol vertikal auf einer Achse mit der Düse abgeben, und eine Winkelstückeinrichtung kann die Richtung des Aerosolflusses ändern, um das Aerosol fast horizontal abzugeben. Durch diese Änderung der Richtung des Aerosols kommt es oft zu einem merklichen Verlust bei der Quantität des Aerosols. Der Verlust an Quantität ist eine Folge davon, dass das Fluid auf den Wänden der Abgabevorrichtung auftrifft und sich dort vor allem in der Nähe des Winkelstücks absetzt, anstatt dass es den Patienten erreicht. Eine Vorrichtung zur Reduzierung von Unterbrechungen des Taylor-Konus und zur Reduzierung des Ver lustes an Quantität des Fluids, das auf den Wänden auftrifft, ist in einer US-Patentanmeldung, die am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde und deren Miteigentümer wir sind, und die den Titel "High Mass Transfer EHD Aerosol Sprayer" trägt, beschrieben, wobei diese Anmeldung durch Bezugnahme zum Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Deshalb wird ein EHD-Aerosol-Zerstäuber benötigt, bei dem die Aerosolabgaberichtung gesteuert werden kann, und wobei der Taylor-Konus stabilisiert werden kann, um eine Unterbrechung zu verhindern. Von spezieller Notwendigkeit ist ein EHD-Aerosol-Zerstäuber, der im wesentlichen horizontal sprühen kann und das Aerosol ohne merkliches Benetzen der Abgabevorrichtung abgeben kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die hier beschriebene Erfindung sieht ein Aerosolabgabeverfahren und -system zur Lösung der oben diskutierten Probleme vor, indem sie ein geladenes EHD-Aerosol erzeugt, das Aerosol entlädt und einen Fluß in dem entladenen Aerosol in einer gewünschten Richtung induziert, ohne die Vorrichtung im wesentlichen zu benetzen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Abgabesystem eine Sprühdüse zur Abgabe des in Aerosolform zu bringenden Fluids und zum negativen Laden der Aerosoltröpfchen, eine Entladungselektrode im allgemeinen in der Nähe der Sprühdüse zur Erzeugung eines positiven Ionenstroms, der die negativen Aerosoltröpfchen abfängt und elektrisch neutralisiert, während er dem Aerosol auch eine gewünschte Bewegung in einer Richtung im allgemeinen weg von der Entladungselektrode verleiht, und wenigstens eine erste Referenzelektrode zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode zur Modifizierung des elektrischen Feldes zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode. Vorzugsweise ist die Entladungselektrode nahe der Sprühdüse derart angeordnet, dass die Ionenwolke das Aerosol auf einer kurzen Distanz, zum Beispiel weniger als 4 Zentimeter und noch bevorzugter weniger als 2 Zentimeter von der Sprühdüsenspitze entfernt abfängt, bevor die Aerosolwolke eine Chance gehabt hat, in einem großen Grad zu dispergieren.
Wahlweise kann wenigstens eine zweite Referenzelektrode nahe der Entladungselektrode auf der Seite angeordnet sein, die der ersten Elektrode gegenüberliegt. Wahlweise kann auch wenigstens eine dritte Elektrode nahe der Sprühdüse auf der Seite platziert werden, die der ersten Referenzelektrode gegenüberliegt.
Die Sprühdüse ist für gewöhnlich auf ein Potential von zwischen ein und 20 Kilovolt gesetzt, wobei drei bis sechs Kilovolt der bevorzugte Spannungsbereich ist. Das Anlegen eines negativen Potentials an die Sprühdüse führt dazu, dass das Aerosol negativ geladen wird. Um das Aerosol elektrisch zu entladen, wird ein positives Potential von zwischen einem und 20 Kilovolt und mit einer bevorzugten Spannung von drei bis sechs Kilovolt an eine Entladungselektrode angelegt. Die Ladungen könnten an der Sprühdüse und der Entladungselektrode umgekehrt sein, aber die positiven Ionen von der Entladungselektrode scheinen in Bezug darauf, dem Aerosol eine Bewegung zu verleihen (induzierter Fluß), sehr viel effektiver zu sein, als dies negative Ionen wären.
Vorzugsweise umfasst die Entladungselektrode eine scharfe Spitze oder Kante, von der eine positiv geladene Ionenwolke ausgeht, um das Aerosol zu entladen und dieses in der gewünschten Richtung zu bewegen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel befinden sich die Achse der Sprühdüse und die Achse der Entladungselektrode in einem Winkel von weniger als etwa 120 Grad (zwischen 0 Grad und 180 Grad) und noch bevorzugter in dem Bereich von 30–90 Grad zueinander. Größere Winkel können ebenfalls nützlich sein, aber bei Winkeln, die sich den 180 Grad annähern (wodurch die Elektroden im wesentlichen einander gegenüberliegen), würde die Bewe gung des Aerosols im wesentlichen in Richtung auf die Sprühdüse zu verlaufen. In den meisten Fällen wäre es nicht wünschenswert, das geladene Aerosol im wesentlichen in Richtung auf die Entladungselektrode zu leiten, da die Tröpfchen ohne weiteres zu der Elektrodenoberfläche hingezogen werden, was die Aerosolabgabeeffizienz des Zerstäubers reduziert. Wenn die Entladungselektrode unter diesen Bedingungen mit Aerosol benetzt wird, kann dies zu einem ungewollten sekundären Spray an der Entladungselektrode führen. Es ist auch nicht wünschenswert, die Entladungsionenwolke im wesentlichen in Richtung auf die Sprühdüse zu leiten, da diese Ionen den EHD-Aerosol-Erzeugungsprozess unterbrechen können.
Zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode befindet sich eine erste Referenzelektrode. Die erste Referenzelektrode kann ein Draht, ein Drahtgitter (screen), eine Platte oder ein Rohr sein, aber vorzugsweise hat sie eine Form, die einen Luftstrom beeinflussen kann, um sich an der Sprühdüse vorbei zu bewegen. Die erste Elektrode kann sich nur auf einer Seite der Sprühdüse nahe der Entladungselektrode befinden oder kann die Sprühdüse im wesentlichen umgeben. Vorzugsweise schneidet oder unterbricht die erste Referenzelektrode die Sichtlinie zwischen der Spitze der Düse und der Spitze der Entladungselektrode, um das elektrische Feld der Düse ein wenig von dem elektrischen Feld der Entladungselektrode zu entkoppeln. Durch das ein wenig Entkoppeln dieser beiden elektrischen Felder wird die Anziehung des negativ geladenen Aerosols zu der positiv geladenen Entladungselektrode minimiert. Folglich bleibt die Entladungselektrode überwiegend trocken. Somit stellt die Anhäufung des Aerosols an der Entladungselektrode vom Gesichtspunkt der Reduzierung der Qualität und der Quantität des Aerosols aus, das dem Benutzer zugeführt wird, kein Problem dar.
Die EHD-Vorrichtung ist so aufgebaut, dass Gas (im allgemeinen Luft) die Vorrichtung betreten kann und dann nahe der Sprühdüse zu der Spitze und vorbei an dem Taylor-Konus strömen kann. Man hat herausgefunden, dass dieser Gasstrom den Taylor-Konus stabilisiert und das Aerosol weg von der Spitze der Sprühdüse bewegt. Das Bewegen des geladenen Aerosols weg von der Spitze scheint das Vernebelungsphänomen an dem Taylor-Konus zu unterstützen. Vorzugsweise wird der Koronawind von der Entladungselektrode dazu verwendet, bei der Induzierung des Gasstroms über den Taylor-Konus zu helfen. Die positiv geladene Ionenwolke stromabwärts der Sprühspitze zieht ohne weiteres die negativ geladenen Aerosoltröpfchen weg von der Düse an. Die Bewegung der Aerosoltröpfchen induziert auch den Gasstrom über die Sprühspitze und über den Taylor-Konus.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Abgabeverfahrens umfasst das Dispensieren eines Fluids durch eine negativ geladene Sprühdüse, um negativ geladene Aerosoltröpfchen durch den EHD-Prozess herzustellen, das Erzeugen eines positiven Ionenstroms von einer positiv geladenen Entladungselektrode im allgemeinen in der Nähe der Sprühdüse, so dass der Ionenstrom die negativen Aerosoltröpfchen stromabwärts der Sprühdüse abfängt und elektrisch neutralisiert, während er dem Aerosol in einer Richtung im allgemeinen von der Entladungselektrode weg auch eine gewünschte Bewegung verleiht, und das Einfügen einer Referenzelektrode zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode zur Modifizierung des elektrischen Feldes zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode. Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiterhin das Ausrichten der Achse der Sprühdüse und der Achse der Entladungselektrode in einem Winkel von weniger als etwa 120 Grad und bevorzugter in dem Bereich von 30–90 Grad. Vorzugsweise fängt die Ionenwolke das Aerosol in einer kurzen Distanz, zum Beispiel weniger als etwa 4 Zentimeter und bevorzugter weniger als 2 Zentimeter, von der Sprühdüsenspitze entfernt ab, bevor die Aerosolwolke eine Chance gehabt hat, in einem großen Grad zu dispergieren.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Abgabeverfahrens umfasst das Abgeben eines Fluids durch eine negativ geladene Sprühdüse, um negativ geladene Aerosoltröpfchen von einem Taylor-Konus in einem EHD-Prozess herzustellen, das Erzeugen eines positiven Ionenstroms um eine positiv geladene Entladungselektrode herum im allgemeinen in der Nähe der Sprühdüse, so dass der Ionenstrom die negativen Aerosoltröpfchen stromabwärts der Sprühdüse abfängt und elektrisch neutralisiert, während er dem Aerosol in einer Richtung im allgemeinen von der Entladungselektrode weg auch eine gewünschte Bewegung verleiht, das Einfügen einer ersten Referenzelektrode zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode zur Modifizierung des elektrischen Feldes zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode, das Bereitstellen einer Gasströmungsbahn in der Nähe des Taylor-Konus zwischen der Sprühdüse und der ersten Referenzelektrode, und das Induzieren eines Gasstromes vorbei an der Sprühdüse entlang der Gasströmungsbahn.
Die EHD-Vorrichtung und das EHD-Verfahren sind eine bevorzugte Anwendung der Erfindung, wobei das Aerosol geladen ist. Wie vorher beschrieben worden ist, ist die Erfindung aber auch nützlich für die Abgabe von vielen anderen Aerosolprodukten (z.B. Düfte, Schmierstoffe, etc.). Bei diesen anderen Anwendungen kann es nützlich sein, ein nicht geladenes Aerosol zu bewegen. In diesem Fall kann die hier beschriebene Entladungselektrode genauer als eine "Ionisationselektrode" bezeichnet werden, da die Ionen die Ladung in dem Aerosol nicht entladen, sondern lediglich die Bewegungsenergie oder den Koronawind bereitstellen, um den Strom in die gewünschte Richtung zu leiten. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung würde eine Aerosolquelle, eine Ionisationselektrode zur Entwicklung des Koronawinds entlang einer gewünschten Bahn, eine Referenzelektrode und eine Spannungsquelle umfassen.
In einer der Anwendungen der Erfindung könnte der Koronawind entweder ein positiver oder ein negativer Ionenstrom sein, obwohl der positive Strom bei den Anwendungen der Medikamentenzufuhr einige Vorteile zu haben scheint.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügte Zeichnung, die hier integriert ist und einen Teil der Patentschrift bildet, veranschaulicht mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und zusammen mit der Beschreibung dient sie zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. In den Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines EHD-Zerstäubers gemäß dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 eine schematische Darstellung eines EHD-Zerstäubers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 eine schematische Darstellung eines EHD-Zerstäubers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 eine orthographische Schnittansicht eines EHD-Zerstäubers mit mehreren Düsen gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 eine Seitenansicht des in 4 gezeigten Zerstäubers mit mehreren Düsen entlang der Linie 5-5.
6 eine Vorderansicht des in 4 gezeigten Zerstäubers mit mehreren Düsen.
Die 7A und 7B Querschnittsansichten von bevorzugten Sprühspitzen, die bei der Abgabe von Fluid an einen EHD-Zerstäuber verwendet werden.
Nun wird im Einzelnen Bezug auf das vorliegende bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung genommen, wobei Beispiele davon in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind.
GENAUE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Die Erfindung umfasst Verfahren und Vorrichtungen zum richtungsmäßigen Steuern der Abgabe eines Aerosols entlang einer gewünschten Bahn. Das Aerosol kann durch jede Anzahl von bekannten Mitteln geschaffen werden (zum Beispiel durch Verdampfen, Vernebeln, Elektrozerstäuben (electrospraying), Ausdehnung durch eine Öffnung, und dergleichen) und kann eine elektrische Ladung haben oder nicht. Ein bevorzugtes Verfahren zur Bildung des Aerosols ist durch Elektrozerstäuben und insbesondere durch elektrohydrodynamisches Zerstäuben. Der Zweck des elektrohydrodynamischen (EHD) Aerosolzerstäubers mit induziertem Strom liegt darin, eine Vorrichtung vorzusehen, die es einer Bedienperson erlauben wird, ein Aerosol beständig horizontal oder in einer anderen beliebigen Richtung ohne einen anderen externen Luftstrom zu versprühen. Der Zerstäuber benutzt elektrische Einrichtungen zur Stabilisierung des Taylor-Konus mit einem Gasstrom in der Nähe des Taylor-Konus und zum richtungsmäßigen Steuern der Bewegung des geladenen Aerosols im allgemeinen in einer Richtung, die von der Position und der Ausrichtung der Entladungselektrode und der Referenzelektrode gesteuert wird.
Das Aerosolabgabesystem und -verfahren sind besonders nützlich zur Abgabe von therapeutischen Mitteln durch Inhalation. Sie sind sogar noch nützlicher bei der Abgabe von therapeutischen Mitteln in die Lungen. Therapeutische Mittel umfassen alle Materialien, die für den Benutzer vorteilhaft sind. Besonders nützliche therapeutische Mittel umfassen nicht nur Arzneimittel, sondern zum Beispiel auch chemotherapeutische und chemopräventive Mittel, Impfstoffe, Nukleinsäuren, Proteine und Gentherapiemittel.
Obwohl die Erfindung in ausreichenden Einzelheiten beschrieben wird, um andere in die Lage zu versetzen, diese zu praktizieren, und obwohl die Erfindung nicht auf eine Beschreibung der Art und Weise beschränkt ist, in der die Erfindung arbeitet, glauben die Erfinder nichtsdestotrotz, dass die Bewegung des Aerosols von der Entladungselektrode weg durch den Effekt bedingt ist, der als Koronawind oder induzierter Luftstrom bezeichnet wird. Man glaubt, dass der Koronawind auf die folgende Weise arbeitet. Die positive Ladung an der Entladungselektrode führt zu einer Korona oder zur Ionisierung der in der Nähe befindlichen Luftmoleküle, die eine positive Ionenwolke um die Elektrode herum erzeugt. Die Ionen mit gleicher Ladung stoßen sich ab und bewirken eine Migration dieser ionisierten Luftmoleküle weg von der Entladungselektrode. Wie dies auf dem Fachgebiet allgemein verstanden wird, steigert eine scharte Spitze oder Kante an der Entladungselektrode (die eine unserer bevorzugten Ausführungsbeispiele der Entladungselektrode wäre) beträchtlich die Korona und die Bewegung der Ionen weg von der Spitze oder Kante. Da diese Luftmoleküle eine Masse haben, bewirkt ihre Bewegung einen Koronawindeffekt oder induzierten Luftstrom direkt weg von der Entladungselektrode (eher axial zu einer scharfen Spitze oder Kante der Entladungselektrode), der dann die Aerosoltröpfchen stromabwärts der Spitze der Düse abfängt und diese im allgemeinen entlang der Bahn des Koronawinds umleitet (ihnen eine Bewegungsenergie verleiht). Wie vorher angemerkt wurde, dienen die positiv geladenen Luftmoleküle auch dazu, die negative Ladung in dem Aerosol zu neutralisieren/entladen. Da sich der Koronawind von der Entladungselektrode entlang der Achse der und weg von der Entladungselektrode bewegt, bestimmt die Ausrichtung der Entladungselektrode im wesentlichen die Richtung, die von dem Aerosol genommen wird.
Durch das Bereitstellen einer Luftströmungsbahn längsseits der Sprühdüse hat man auch herausgefunden, dass dann, wenn der Koronawind das Aerosol weg von der Sprühdüse bewegt, ein induzierter Luftstrom entlang der Sprühdüse und vorbei an dem Taylor-Konus bewirkt wird. Dieser induzierte Luftstrom scheint den Taylor-Konus zu stabilisieren, vor allem wenn die EHD-Vorrichtung in verschiedenen Ausrichtungen betätigt wird. Der induzierte Luftstrom scheint den Vernebelungsprozess zu verbessern, indem er ein dochtartiges Hochwandern des Fluids an der Außenseite der Sprühdüse verhindert und indem die geladenen Aerosoltröpfchen von dem Bereich stromabwärts der Sprühdüse weg transportiert werden. Dies kann auch einen Luftvorhang bereitstellen, der den Taylor-Konus zentriert, obwohl dies noch nicht bewiesen ist. Der induzierte Luftstrom ist nützlich, ob der Koronawind auf nur einer Seite der Sprühdüse oder ob er an mehreren Stellen oder im wesentlichen überall um die Sprühdüse herum mit einzelnen oder mehreren Entladungselektroden und Referenzelektroden erzeugt wird.
1 stellt eine schematische Darstellung des bevorzugten Ausführungsbeispiels des EHD-Aerosol-Zerstäubers 10 mit induziertem Strom bereit. In diesem Ausführungsbeispiel hat der Grundzerstäuber 10 eine Gehäusewand 12, die in einem Ausgangs-Mundstück 8 endet, eine Sprühdüse 20 mit einer zentralen Achse 24, eine erste Referenzelektrode 40 und eine Entladungselektrode 70 mit einer zentralen Achse 74. Das Ausgangs-Mundstück 8 hat im allgemeinen eine Kontur, die es dem Benutzer erlaubt, den Aerosolzerstäuber in Kontakt mit den Lippen oder dem Mundbereich zu bringen und das Aerosol durch den Mund zur Behandlung der Lungen zu empfangen. Die Gleichstrom-Spannungsquelle 30 verbindet die Sprühdüse 20 elektrisch mit der Referenzelektrode 40 und hält sie in Bezug auf die Referenzelektrode 40 auf einer negativen Spannung. Eine zweite Gleichstrom-Spannungsquelle 60 verbindet die Entladungselektrode 70 elektrisch mit der Referenzelektrode 40 und hält diese auf einer positiven Spannung in Bezug auf die Referenzelektrode 40. Die Erdung 50 hält die Referenzelektrode 40 auf einer Massereferenzspannung, etwa null Volt Gleichstrom. Es wird selbstverständlich sein, dass die Referenzelektrode 40 praktischerweise ein Erdungspotential aufweist, aber dass es sich um jedes Potential handeln könnte, das negativ in Bezug auf die Entladungselektrode und positiv in Bezug auf die Sprühdüse ist. Darüber hinaus ist die Polarität der Ladung an der Sprühdüse und der Entladungselektrode praktischerweise jeweils negativ bzw. positiv, aber es ist nur notwendig, dass die Ladungen in Bezug aufeinander (und die Referenzelektrode) negativ bzw. positiv sind.
Die Sprühdüse 20 ist typischerweise eine Kapillarrohr oder ein anderes Rohr, eine Platte oder irgendeine andere Form, die verwendet wird, um das Fluid bei EHD-Anwendungen abzugeben. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Rohr, das für die Sprühdüse 20 verwendet wird, eine Sprühspitze 22 aufweisen, die speziell für die EHD-Sprühanwendungen ausgelegt sein kann. Diese Spitzen unterstützen die Bildung und die Stabilität des Taylor-Konus. Ein stabiler Taylor-Konus neigt dazu, die Abweichung in der Tröpfchengröße in dem sich ergebenden Aerosol zu reduzieren. Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung, die eine einzige Sprühdüse umfasst, die mehrere Taylor-Konusse erzeugen kann, und eine Vorrichtung mit mehreren Sprühdüsen.
Eine bevorzugte Sprühdüsenausführung ist in den 7A und 7B gezeigt. Jede Sprühdüse 730 umfasst eine rundes Rohr mit einer Sprühspitze 732 an einem Ende und einer Verbindung zu der Quelle des in Aerosolform zu bringenden Fluids an dem anderen Ende. Die Sprühspitze kann lediglich das offene Ende der Sprühdüse sein oder kann optional andere Gestaltungen oder Elemente umfassen, um die Bildung der Taylor-Konusse besser zu unterstützen. In den 7A und 7B ist ein Unterteilungsstopfen 734 in der Sprühdüse an der Sprühspitze befestigt. Der Unterteilungsstopfen 734 ist ein zylinderförmiges Element, das in einem Konus 736 endet, der Teil der Sprühspitze zur Bildung des Taylor-Konus wird. Der Unterteilungsstopfen ist maschinell so bearbeitet, dass er vier Rippen 738 hat und deshalb einen Querschnitt in der Form eines Kreuzes aufweist, um vier Bahnen für das Fluid in der Sprühdüse bereitzustellen. Man hat herausgefunden, dass dies die Bildung des Taylor-Konus verbessert und den Durchsatz an Fluid steigert. Andere Ausführungen können zu einem oder mehreren Taylor-Konussen an jeder Sprühspitze führen. In der Vorrichtung können mehrere Düsen in jeder nützlichen Anordnung verwendet werden.
Die Entladungselektrode 70 hat typischerweise eine scharfe Entladungsspitze 72 oder eine Messerschneide oder andere scharfe Spitzen oder andere Vorsprünge. Wie im Fachgebiet bekannt ist, neigen diese scharfen Formen dazu, die Bildung von Ionen zu unterstützen. Alternativ dazu kann jede Spitzenform verwendet werden, die in der Lage ist, Luftmoleküle zu ionisieren. Die Entladungselektrode ist im allgemeinen länglich und hat eine ziemlich einfach definierbare zentrale Achse 74. Aber egal, ob sie länglich ist oder nicht, wird die Spitze 72 eine Geometrie aufweisen, die eine beträchtliche Ionisation in der Nähe einer oder mehrerer Stellen an der Entladungselektrode und eine Bewegung der Ionen weg von diesen Stellen in einer Richtung erlaubt, die vorhersagbar und reproduzierbar ist. Wenn die zentrale Achse leicht definierbar ist, ist die Bewegungsrichtung der Ionen und schließlich des Aerosols im allgemeinen parallel zu dieser Achse. Wenn die Achse nicht leicht definierbar ist, ist die Bewegungsrichtung der Ionen und des Aerosols weg von den Stellen in einer Richtung vorhersagbar und reproduzierbar, die wir als axial zu den Entladungsstellen definieren. Entladungselektroden mit mehreren Ionisationsstellen und mehrere Entladungselektroden (mit oder ohne mehrere Sprühdüsen) liegen im Schutzbereich der Erfindung.
Die Entladungselektrode ist ausreichend nahe bei der Sprühdüse 20 und der Sprühspitze 22 positioniert und ist im Hinblick darauf so ausgerichtet, dass die Ionen von der Entladungselektrode das Aerosol stromabwärts von der Sprühspitze 22 abfangen können. Wenn der Abfangpunkt fern von der Sprühspitze an einem Punkt liegt, an dem das Aerosol genügend Zeit gehabt hat, um zu einem großen Grad dispergiert zu werden, wird der Effekt der Ionenwolke, das Aerosol in der gewünschten Richtung zu bewegen, verringert. Deshalb ist die Entladungselektrode vorzugsweise ausreichend nahe bei der Sprühdüse 20 und der Sprühspitze 22 angeordnet und ist in Bezug darauf so ausgerichtet, dass die Ionen von der Entladungselektrode das Aerosol in der Nähe der Sprühspitze 22 abfangen können, bevor das Aerosol zu einem großen Grad dispergiert ist.
Eine Referenzelektrode 40 ist zwischen der Sprühdüse 20 und der Entladungselektrode 70 angeordnet. Diese Referenzelektrode kann ein Draht, ein Drahtgitter, eine Platte, ein Rohr oder eine andere Form sein, die das Feld zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode modifiziert. Wenn sie zur Beeinflussung des Luftstromes nahe der Sprühdüse und des Taylor-Konus verwendet wird, hat die Referenzelektrode vorzugsweise eine Form und Größe, die für diesen Zweck ausreichend sind. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Sprühende 42 der Referenzelektrode 40 zwar in der Nähe der Linie LOS, die die Sprühspitze 22 mit der Entladungsspitze 72 verbindet, angeordnet sein, aber es schneidet die Linie LOS nicht. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Sprühende 42 der Referenzelektrode 40 so angeordnet sein, dass es die Linie LOS nur wenig schneidet. Aber in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektrode 40 so positioniert, dass sie die Linie LOS kreuzt und sich das Sprühende 42 jenseits der Linie LOS, aber während der Benutzung nicht wesentlich innerhalb des Bereichs des Aerosolsprays stromabwärts der Sprühdüse befindet. Wenn sich die Referenzelektrode in dieser bevorzugten Position befindet, wird das elektrische Feld, das zwischen der Sprühdüse 20 und der Referenzelektrode 40 erzeugt wird, im wesentlichen von dem elektrischen Feld entkoppelt, das zwischen der Entladungselektrode 70 und der Referenzelektrode 40 erzeugt wird. Somit haben Änderungen in der relativen Position der Sprühdüse 20 in Bezug auf die Referenzelektrode 40 oder Änderungen in der elektrischen Feldstärke, die zwischen der Sprühdüse 20 und der Referenzelektrode 40 erzeugt wird, wenig oder überhaupt keine Auswirkungen auf das elektrische Feld, das zwischen der Entladungselektrode 70 und der Referenzelektrode 40 erzeugt wird. In ähnlicher Weise haben Änderungen in der relativen Position der Entladungselektrode 70 in Bezug auf die Referenzelektrode 40 oder Änderungen in der elektrischen Feldstärke, die zwischen der Entladungselektrode 70 und der Referenzelektrode 40 erzeugt wird, wenig oder über haupt keine Auswirkungen auf das elektrische Feld, das zwischen der Sprühdüse 20 und der Referenzelektrode 40 erzeugt wird.
Aber die Existenz und die Position der Referenzelektrode tragen mit der Entladungselektrode zur Steuerung der Richtung der Aerosolabgabe bei. Ohne die Referenzelektrode würde das geladene Aerosol dazu tendieren, in Richtung auf die Spitze der Entladungselektrode hin angezogen zu werden. Die positiven Ionen von der Spitze der Entladungselektrode würden ebenfalls zu dem Aerosol und zu der Sprühdüse und der Sprühdüsenspitze hingezogen werden. Das Aerosol und die positiven Ionen würden dann dazu neigen, sich im wesentlichen zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode zu treffen. Die Referenzelektrode ist so positioniert, dass sie diese Tendenz reduziert, so dass sich das Aerosol und die positiven Ionen mehr in der Nähe des Schnittpunkts ihrer jeweiligen zentralen Achsen stromabwärts der Elektroden schneiden. In 1 ist die Entladungselektrode so positioniert, dass das Aerosol im allgemeinen in der Richtung des positiven Ionenstroms und in Richtung auf das Ausgangs-Mundstück 8 und den Benutzer hin bewegt wird.
Die Entladungselektrode 20 und die Referenzelektrode 40 sind in der EHD-Vorrichtung auf eine solche Weise und in Bezug auf die Sprühdüse 20 so befestigt, dass eine Gasströmungsbahn (wie z.B. bei 18 und/oder 28) längsseits der Sprühdüse bereitgestellt wird. In 1 sind die Elektroden zum Beispiel derart befestigt, dass Luft in die EHD-Vorrichtung durch das Mundstück 8 in dem Gehäuse 12 eintreten kann und sich entlang der Innenseite der Gehäusewand bei 16 und dann entlang der Gasströmungsbahn bei 18 und/oder 28 bewegen kann. Bei der Benutzung zur Abgabe von therapeutischen Mitteln durch Inhalation würde der Mund des Benutzers typischerweise das Mundstück abdecken, so dass zusätzliche Öffnungen 13 in dem Gehäuse 12 notwendig sein können, um den Eintritt von Gas oder Luft zu gestatten. Die Position der Öffnungen 13 kann verstellt werden, um zu erlauben, dass sich mehr oder weniger Gas entlang den Gasströmungsbahnen 18 und 28 bewegen kann. Man hat herausgefunden, dass diese Luftbewegung entlang der Gasströmungsbahn 18 und/oder 28 zu einem sehr stabilen Taylor-Konus an der Spitze 22 beiträgt. Der Luftstrom hilft auch dabei, das Aerosol zu der Stelle zu bewegen, an der die positiven Ionen von der Entladungselektrode auf das Aerosol auftreffen. Der Luftstrom entlang der Bahn 18 und/oder 28 scheint wenigstens teilweise von dem Koronawind von der Entladungselektrode 70 induziert zu werden.
Vorzugsweise sind die Referenzelektrode 40 und die Sprühdüse 20 so positioniert, dass die elektrische Feldstärke zwischen der Sprühspitze 22 und dem Sprühende 42 am größten ist, wie zum Beispiel dann, wenn diese in Richtung zueinander abgewinkelt sind und die Sprühspitze 22 und das Sprühende 42 relativ gesehen näher beieinander sind als andere Teile der Elektroden. Diese relative Position der Sprühdüse 20 und der Referenzelektrode 40 minimiert jegliche Tendenz bei dem dispensierten Fluid, die Außenseite der Sprühdüse 20 zu überziehen oder sich dort anzusammeln. Dies hat aufgrund des Koronawindes auch einen gewissen positiven Effekt auf den induzierten Luftstrom vorbei an 18 und/oder 28. Die Ansammlung von Fluid auf der Außenseite der Sprühdüse 20 (wobei sich die Sprühdüse ziemlich vertikal und die Düsenspitze am im wesentlichen niedrigsten Punkt befinden) ist am wahrscheinlichsten, wenn die Sprühdüse 20 das Aerosol in der nach oben gerichteten Richtung dispensiert, und ist am wenigsten wahrscheinlich, wenn die Sprühdüse 20 das Aerosol in der nach unten gerichteten Richtung dispensiert. Die Ansammlung von Fluid reduziert die Quantität des Fluids, das in ein Aerosol umgewandelt wird. Außerdem hat diese Fluidansammlung das Potential, den Taylor-Konus zu unterbrechen oder zu stören. Jegliche Unterbrechung oder Störung bei diesem Konus wirkt sich auf die Aerosoltröpfchengröße und die Tröpfchengrößenverteilung aus. Diese relative Position der Sprühdüse 20 und der Referenzelektrode 40 minimiert auch die Tendenz des Aerosols, die Referenzelektrode 40 zu überziehen oder sich dort anzusammeln. Jegliche Ansammlung des Aerosols an der Referenzelektrode 40 reduziert die Quantität des Aerosols, das dem Benutzer von dem EHD-Aerosol-Zerstäuber 10 zugeführt wird.
Aus den oben genannten Gründen ist es wünschenswert, die Sprühdüse mehr in einer vertikalen Ausrichtung auszurichten (im allgemeinen oberhalb der Horizontalen), so dass das Fluid von der Schwerkraft daran gehindert wird, an der Düse dochtartig hoch zu wandern, und dass sich das Aerosol im allgemein nach unten von der Spitze weg bewegt. Dies legt auch nahe, dass die Bewegung des Koronawinds weg von der Düsenspitze 22 am nützlichsten ist, wie z.B. dann, wenn die zentrale Achse 74 der Entladungselektrode parallel zu der zentralen Achse 24 der Düse oder in einem spitzen Winkel ausgerichtet ist. Natürlich muß der Koronawind das Aerosol auf irgendeine Weise schneiden, um die Richtung des Aerosols zu beeinflussen.
Bei der Benutzung zur Zuführung von therapeutischen Mitteln durch Inhalation ist es auch wünschenswert, ein Aerosol horizontal zu dem Mund des Benutzers abzugeben. Dieser Wunsch legt nahe, dass es nützlicher wäre, die Richtung des Aerosols um bis zu 90 Grad zu verlagern, so dass es im wesentlichen horizontal zu dem Benutzer zugeführt wird. Diese beiden Wünsche können erfüllt werden, indem ein Winkel 30 zwischen der Düsen-Zentralachse 24 und der Entladungselektroden-Zentralachse 74 von zwischen etwa 0 und 120 Grad aufrechterhalten wird. Die Erfindung wird auch bei Winkeln über 120 Grad weiter arbeiten, aber es wird verständlich sein, dass das Aerosol bei diesen größeren Winkeln von dem Koronawind mehr in der allgemeinen Richtung der Düse umgeleitet wird. Schließlich würde sich der Koronawind bei 180 Grad im wesentlichen parallel zu der Düsen-Zentralachse bewegen und kann den Zweck der Erfindung, wie er oben beschrieben worden ist, weitgehend zunichte machen. Das Aerosol wird von der Entladungselektrode am bevorzugtesten in Richtung auf das Mundstück 8 und schließlich zu dem Benutzer geleitet, der das Mundstück berührt. Es kann nützlich sein, wenn der Winkel 30 eine große Zahl ist, um mehr als eine Referenzelektrode 40 zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode zu verwenden.
Die besten Ergebnisse bei der Induzierung des Luftstroms vorbei an dem Taylor-Konus sind auch beobachtet worden, wenn die Entladungselektrode so ausgerichtet ist, dass sich der Koronawind in einer Richtung im wesentlichen von der Sprühdüse weg bewegt. Dies kann erzielt werden, indem ein Winkel 30 zwischen der Düsen-Zentralachse 24 und der Entladungselektroden-Zentralachse 74 von zwischen etwa 0 und 90 Grad, vorzugsweise zwischen 0 und 60 Grad aufrechterhalten wird.
Die Entladungselektrodenspitze 72 kann entweder stromaufwärts oder stromabwärts von der Sprühspitze 22 positioniert sein. Wie vorher erwähnt worden ist, können in dieser stromaufwärtigen oder stromabwärtigen Position in der Nähe der Sprühspitze 22 die Ionen von der Entladungselektrode das Aerosol eine kurze Distanz stromabwärts der Sprühspitze 22 abfangen, bevor das Aerosol zu einem großen Grad dispergiert ist. Vorzugsweise ist die Entladungselektrode in der Nähe der Sprühdüse so angeordnet, dass die Ionenwolke das Aerosol in einer Distanz von weniger als etwa 4 Zentimeter und noch bevorzugter von weniger als 2 Zentimeter von der Sprühdüsenspitze entfernt abfängt, bevor die Aerosolwolke eine Chance gehabt hat, zu einem großen Grad zu dispergieren. Mit dem Begriff "stromaufwärts" von der Sprühspitze 22 meinen wir, dass dann, wenn sich die Sprühdüse in einer vertikalen Ausrichtung befindet, die Entladungselektrodenspitze oberhalb einer Ebene durch die Sprühspitze 22 senkrecht zu der Düsen-Zentralachse 24 liegt. Mit dem Begriff "stromabwärts" meinen wir, dass sich die Entladungselektrodenspitze unter den oben genannten Bedingungen unterhalb der senkrechten Linie befinden würde. Ob die Entladungselektrode nun stromaufwärts oder stromabwärts der Sprühdüse angeordnet ist, sollte die Entladungselektrode außerhalb der Sprühbahn des Aerosols positioniert sein. Wie erwähnt worden ist, neigt diese Sprühbahn dazu, sich in hohem Grade zu vergrößern, wenn das Aerosol stromabwärts der Sprühdüse dispergiert.
Vorzugsweise sind die Referenzelektrode 40 und die Entladungselektrode 70 so positioniert, dass die elektrische Feldstärke zwischen dem Sprühende 42 und der Entladungsspitze 72 am größten ist. Diese relative Position der Entladungselektrode 70 und der Referenzelektrode 40 minimiert die Quantität der ionisierten Luftmoleküle, die zu der Masseelektrode 40 fließen. Somit maximiert diese Konfiguration die Anzahl an ionisierten Luftmolekülen (Koronawind), die zur Abgabe des Aerosols zur Verfügung stehen. Außerdem neigt diese Konfiguration auch dazu, die Aerosolquantität zu maximieren, die sich mit dem Koronawind und dem induzierten Luftstrom vorbei an dem Taylor-Konus bewegt.
Die Gleichstrom-Spannungsquelle 30 verbindet die Sprühdüse 20 elektrisch mit der Referenzelektrode 40 und hält die Sprühdüse 20 auf einem negativen Potential. Die Gleichstrom-Spannungsquelle 60 verbindet die Entladungselektrode 70 elektrisch mit der Referenzelektrode 40 und hält die Entladungselektrode 70 auf einem positiven Potential. Ein positives Potential ist an der Entladungselektrode 70 bevorzugt, um den oben diskutierten Koronawind zu bilden. Eine negative Spannung an der Entladungselektrode 70 würde auf leichtere Weise einen Ionenstrom bilden. Aber diese negativen Ionen (Elektronen) haben eine höhere Mobilität (Geschwindigkeit) als Luftmoleküle, sie haben aber auch eine sehr kleine Masse. Somit haben Elektronen viel weniger Bewegungsenergie als Luftmoleküle, so dass die Verwendung von Elektronen zur Entladung des Aerosols relativ wenig Auswirkungen auf die Bewegung des Aerosols haben würde, aber bei manchen Anwendungen nützlich sein kann.
Die positive Spannung an der Entladungselektrode 70 trennt ein Elektron von einem Luftmolekül ab, wodurch das Luftmolekül mit einer positven Ladung zurückgelassen wird. Folglich wird sich das ionisierte Luftmolekül durch Abstoßung von der Entladungselektrode 70 weg bewegen. Außerdem werden die ionisierten Luftmoleküle zu der negativen Ladung bei dem Aerosol gezogen. In den Ausführungsbeispielen, in denen die Referenzelektrode 40 die Linie LOS nicht kreuzt, werden die ionisierten Luftmoleküle auch zu der negativen Spannung an der Sprühdüse 20 gezogen. Aufgrund der größeren Nähe des Aerosols interagiert der größte Teil der ionisierten Luft, wenn nicht die ganze ionisierte Luft mit dem Aerosol. Somit wird die vorherrschende Bewegungsrichtung der ionisierten Luftmoleküle von der Ausrichtung der Ionisationsstellen an der Entladungselektrode bestimmt, die typischerweise direkt von der Entladungselektrode 70 weg und im allgemeinen parallel zu der zentralen Achse 74 verläuft. Folglich bewegt sich das Aerosol auch in der gleichen Richtung, wie dies von den Charakteristiken und/oder der Position/Ausrichtung der Entladungselektrode 70 bestimmt wird.
Spannungsquellen 30 und 60 stellen typischerweise zwischen einem und zwanzig Kilovolt bereit, wobei die bevorzugte Spannung zwischen drei und sechs Kilovolt liegt. Die beste Spannung zur Vernebelung eines bestimmten Fluids hängt von den Eigenschaften des Fluids ab, vor allem von der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit/dem spezifischen elektrischen Widerstand, der Viskosität, der Oberflächenspannung und der Fließgeschwindigkeit. Außerdem werden die relativen Positionen der Sprühdüse 20, der Referenzelektrode 40 und der Entladungselektrode 70 typischerweise einen gewissen Einfluß auf die beste(n) Spannung(en) haben, die an die Sprühdüse 20 und die Entladungselektrode 70 angelegt werden soll(en). Des weiteren wird auch der Typ der Düsenspitze 20 und die Aerosoltröpfchengröße die ideale Spannung beeinflussen, die in einer bestimmten Anwendung verwendet wird. Bis zu einem gewissen Grad kann die Größenordnung der Spannung dazu verwendet werden, die Geschwindigkeit der Ionen von der Entladungselektrode zu steuern. Der Durchschnittsfachmann auf diesem Fachgebiet des Konstruierens und Verwendens von EHD-Zerstäubern ist mit typischen Spannungen vertraut, die für bestimmte Fluide und eine bestimmte Gerätegeometrie verwendet werden.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Hinzufügen eines Widerstands in Reihe geschaltet mit den Spannungsquellen 30 und/oder 60 not wendig sein, um den Überschlag zwischen der Sprühdüse 20 und der Referenzelektrode 40 oder zwischen der Referenzelektrode 40 und der Entladungselektrode 70 zu verhindern. Der Widerstand soll den Strom begrenzen, so dass der Überschlag entweder minimiert wird oder nicht aufrechterhalten werden kann. Um effektiv zu sein, ohne den Strom zu den Elektroden übermäßig zu begrenzen, sollte der Widerstand einen Wert von Hunderten von Kiloohm bis zu Hunderten von Megaohm aufweisen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wenn er bei bevorzugten Spannungen arbeitet, hat der Widerstand einen Wert von zwischen etwa zehn und zwanzig Megaohm.
Die Erdung 50 hält die Referenzelektrode 40 bei einer Referenzspannung. Vorzugsweise beträgt diese Referenzspannung etwa null Volt. Vorzugsweise ist die Referenzelektrode elektrisch mit der Düse und der Entladungselektrode gepaart. Aber in einigen Anwendungsfällen ist die "Referenzelektrode" überhaupt keine Elektrode und kann statt dessen aus einem dielektrischen Material hergestellt sein. Dies kann das Benetzen der dielektrischen "Referenzelektrode" durch das geladene Aerosol fördern; aber wenn die Anwendung eine ist, die nur einen kurzen Ausstoß an Aerosol benötigt (vielleicht mehrere Sekunden), dann kann diese dielektrische "Referenzelektrode" immer noch funktionieren.
2 veranschaulicht einen zweiten EHD-Zerstäuber 200, der so konfiguriert ist, dass er die Aerosolabgaberichtung steuert. Der Zerstäuber 200 verwendet eine Sprühdüse 220, die elektrisch mit einer Referenzelektrode 240 mit einer Spannungsquelle 230 verbunden ist. Die Entladungselektrode 224 ist mit der Referenzelektrode 240 mit einer Spannungsquelle 260 verbunden. Die Sprühdüse 220 und die Entladungselektrode 224 sind der Sprühdüse 20 und der Entladungselektrode 70 ähnlich, die oben diskutiert worden sind. Die Spannungsquellen 230 und 260 sind ebenfalls den Spannungsquellen 30 und 60 ähnlich, die oben beschrieben worden sind. Die Erdung 250 stellt die gleiche Funktion und Referenzspannung bereit, wie diejenigen, die oben für die Erdung 50 offenbart worden sind. Die Referenzelekt rode 240 ist so modifiziert worden, dass das elektrische Feld, das zwischen der Sprühdüse 220 und der Referenzelektrode 240 gebildet wird, um die Außenfläche der Sprühdüse 220 herum symmetrisch ist. Eine Luftströmungsbahn bei 218 wird von der Referenzelektrode 240 (die offen ist, um den Luftstrom an dem stromaufwärtigen Ende am nächsten bei der Spannungsquelle und gegenüber der Sprühspitze 222 einzulassen) und der Sprühdüse 220 geschaffen. Die Luft kann sich die Gehäusewände 212 bei 216 hoch und dann die Strömungsbahn 218 herunter vorbei an dem Taylor-Konus bewegen. Bei der Benutzung zur Abgabe von therapeutischen Mitteln durch Inhalation würde der Mund des Benutzers typischerweise das Mundstück abdecken, so dass zusätzliche Öffnungen (ähnlich den Öffnungen 13 in 1) in dem Gehäuse 212 notwendig sein können, um den Eintritt von Gas oder Luft zu erlauben.
Vorzugsweise sind die Referenzelektrode 240, die Sprühdüse 220 und die Entladungsspitze 226 so positioniert, dass die elektrische Feldstärke zwischen der Sprühspitze 222 und dem Sprühende 242 und zwischen dem Sprühende 242 und der Entladungsspitze 226 am größten ist. Diese relative Position der Sprühdüse 220 und der Masseelektrode 240 minimiert jegliche Tendenz des dispensierten Fluids, die Außenseite der Sprühdüse 220 zu überziehen oder sich dort anzusammeln. Die Fluidansammlung an der Außenseite der Sprühdüse 220 ist am wahrscheinlichsten, wenn die Sprühdüse 220 das Aerosol in der nach oben gerichteten Richtung abgibt, und ist am wenigsten wahrscheinlich, wenn die Sprühdüse 220 das Aerosol in der nach unten gerichteten Richtung abgibt. Die Ansammlung von Fluid reduziert die Quantität des Fluids, das in ein Aerosol umgewandelt wird. Außerdem hat diese Fluidansammlung das Potential, den Taylor-Konus zu unterbrechen oder diesen zu stören. Jegliche Unterbrechung oder Störung bei diesem Konus wirkt sich auf die Aerosoltröpfchengröße und die Tröpfchengrößenverteilung aus
Die Positionierung der Sprühspitze 222 in Bezug auf das Sprühende 242 der Referenzelektrode 240 spielt bei der Minimierung der Tendenz des Aerosols, die Masseelektrode 240 zu überziehen oder sich dort anzusammeln, eine ziemlich wichtige Rolle. Eine bevorzugte Position der Referenzelektrode wäre derart, dass sich das Sprühende etwa auf der Sichtlinie zwischen der Sprühdüsenspitze 222 und der Entladungsspitze 226 befindet. Die Positionierung der Referenzelektrode eine kurze Distanz von dieser Sichtlinie entfernt ist immer noch brauchbar und Teil der Erfindung; aber wenn die Position der Referenzelektrode geändert wird (zurück zur Spannungsquelle in 2), um mehr von der Sprühdüse freizulegen, neigt das Aerosol dazu, sich in Richtung auf die Entladungselektrode zu zu bewegen und neutralisiert zu werden und die Entladungselektrode mehr zu überziehen. Wenn die Position der Referenzelektrode geändert wird, um die Sichtlinie mehr zu kreuzen (das heißt, um die Sprühdüsenspitze mehr zu umgeben und diese von der Entladungselektrode abzuschirmen), geht die Tendenz dahin, dass das Aerosol die Innenseite der Referenzelektrode überzieht.
Die bevorzugte Form für die Sprühdüse 220 ist ein zylinderförmiges Rohr. Folglich ist die bevorzugte Form für die Referenzelektrode 240 ein Kegelstumpf, wobei die Öffnung mit dem kleineren Durchmesser das Sprühende 242 bildet. Diese Konfiguration des Zerstäubers 200 stellt ein etwa konisches elektrisches Feld zwischen der Sprühspitze 222 und dem Sprühende 242 bereit. Eine andere Zerstäuber-200-Geometrie könnte auch symmetrisch divergierende elektrische Felder erzeugen. Diese elektrischen Felder bewirken, dass sich das Aerosol von dem Zerstäuber 200 weg bewegt, wobei die Bewegungsrichtung im allgemeinen mit der Längsachse der Sprühdüse 220 fluchtet.
3 veranschaulicht einen dritten EHD-Zerstäuber 300, der so konfiguriert ist, dass er die Aerosolabgaberichtung steuert und den Taylor-Konus stabilisiert. Der Zerstäuber 300 verwendet eine Sprühdüse 320, die elektrisch mit einer ersten Referenzelektrode 340 mit einer Spannungsquelle (nicht ge zeigt) verbunden ist, um eine negative Ladung an der Sprühdüse in Bezug auf die erste Referenzelektrode 340 bereitzustellen. Die Entladungselektrode 370 ist mit einer Spannungsquelle (nicht gezeigt) verbunden, die an die Entladungselektrode eine positive Ladung in Bezug auf die erste Referenzelektrode 340 anlegt. Die Sprühdüse 320 und die Entladungselektrode 370 sind der Sprühdüse 20 und der Entladungselektrode 70 ähnlich, die oben diskutiert worden sind. Die Spannungsquellen sind ebenfalls den oben beschriebenen Spannungsquellen 30 bzw. 60 ähnlich. An der Spitze 372 der Entladungselektrode werden positive Ionen erzeugt, und ein Koronawind wird in einer Richtung im wesentlichen entlang der Achse 374 in Richtung auf das Mundstück 308 der Vorrichtung erzeugt.
Das Ausführungsbeispiel von 3 umfasst auch eine zweite Referenzelektrode 342 nahe der Entladungselektrode auf der Seite, die der ersten Referenzelektrode 340 gegenüberliegt, und eine dritte Referenzelektrode 344 nahe der Sprühdüse auf der Seite, die der ersten Referenzelektrode gegenüberliegt. Die Referenzelektroden 340, 344 und die Sprühdüse 320 schaffen eine Luftströmungsbahn jeweils bei 318 und 328. Die Luft wird wenigstens teilweise durch die Koronaentladung induziert, um sich die Strömungsbahn 318 und 328 hinunter vorbei an dem Taylor-Konus zu bewegen, um Stabilität bereitzustellen. Außerdem stellen die Referenzelektroden 340, 344 und die Sprühdüse 320 eine größere Symmetrie in dem elektrischen Feld oder der Sprühspitze 342 bereit als diejenige, die in einer Sprühdüse 20 erzielt werden kann. In ähnlicher Weise stellen die Referenzelektroden 340, 342 und die Entladungselektrode 370 eine Symmetrie in dem elektrischen Feld an der Entladungsspitze 372 bereit, so dass sich die positiven Ionen mit größerer Wahrscheinlichkeit eher entlang der Achse 374 als in dem Zerstäuber bewegen, der in 1 gezeigt ist.
Die EHD-Zerstäuber, die in den 1–3 gezeigt sind, können zu einem EHD-Zerstäuber zusammengestellt werden, der mehrere Sprühdüsen verwendet. Die Verwendung von mehreren Sprühdüsen erlaubt es einem EHD-Zerstäuber, größere Volumen an Fluid in Aerosolform zu bringen, die in vielen Aerosolzerstäuberanwendungen benötigt werden. Diese Sprühdüsen können in jeder beliebigen gewünschten Form oder Reihe angeordnet werden, solange die elektrischen Feldinteraktionen berücksichtigt werden. Die Düsen können zum Beispiel in Kreisen, Linien, mehreren übereinander angeordneten Linien angeordnet werden oder es können beliebige Stapel verwendet werden.
Eine beispielhafte Mehrfachdüsenkonfiguration ist in den 4–6 veranschaulicht. Diese Figuren veranschaulichen eine lineare Sprühdüsenreihe in einer Vorrichtung zur Zufuhr von Medikamenten, die die Lunge betreffen, in einer Klinikumgebung, in der die Quelle des in Aerosolform zu bringenden Fluids von dem EHD-Zerstäuber entfernt liegt. Ein EHD-Zerstäuber ist in einer Vorrichtung 100 fern von der Fluidquelle untergebracht. Der EHD-Zerstäuber 100, der in den 4–6 gezeigt ist, umfasst ein Gehäuse 110, einen Lufteinlass 112, Sprühdüsen 120, Referenzelektroden 140, Entladungselektroden 170, Sprühelektroden 180 und einen Verteiler 190. Eine Gleichstrom-Spannungsquelle (siehe 1) verbindet die Sprühdüsen 120 elektrisch mit den Referenzelektroden 140 und hält sie auf einer negativen Spannung in Bezug auf die Referenzelektroden 140. Eine zweite Gleichstrom-Spannungsquelle (siehe 1) verbindet die Entladungselektrode 170 elektrisch mit den Referenzelektroden 140 und hält sie auf einer positiven Spannung in Bezug auf die Referenzelektroden 140. Die Erdung (siehe 1) hält die Referenzelektroden 140 auf einer Massereferenzspannung (etwa Null Volt Gleichstrom). Das Gehäuse 110 enthält und trägt die Sprühdüsen 120, die Masseelektroden 140, die Entladungselektroden 170, die Sprühelektroden 180 und den Verteiler 190. Alle diese Elemente werden von dem Gehäuse 110 gestützt, so dass Luft das Gehäuse wie etwa bei 114 und durch Löcher in der perforierten Platte 118 betreten kann, so dass diese oberhalb der Referenzelektroden 140 zu Verfügung steht, um von dem Koronawind entlang der Gasströmungsbahn 116 vorbei an den Sprühdüsen 120 und vorbei an den Taylor-Konussen induziert zu werden, die an der Spitze 122 der Sprühdüsen erzeugt werden. Außerdem kann das Gehäuse 110 die Spannungsquelle(n) enthalten oder Verbindungen für externe Spannungsquelle(n) bereitstellen.
Jede Sprühdüse 120 ist typischerweise ein Kapillarrohr oder ein anderes Rohr, eine Elektrode oder eine andere Form, die zur Abgabe von Fluid in EHD-Anwendungen verwendet wird. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Rohr, das für eine Sprühdüse 120 verwendet wird, eine Sprühspitze 122 aufweisen, die speziell für EHD-Sprühanwendungen ausgelegt ist. Diese Spitze unterstützt die Bildung des Taylor-Konus. Außerdem kann diese Spitze den Taylor-Konus stabilisieren, der folglich dazu neigt, die Schwankung in der Tröpfchengröße in dem sich ergebenden Aerosol zu reduzieren. Der induzierte Luftstrom entlang der Gasströmungsbahn 116 stabilisiert den Taylor-Konus zusätzlich.
Jede Entladungselektrode 170 hat typischerweise eine messerschneidenähnliche oder eine nadelähnliche Entladungsspitze 172. Diese Spitzenformen neigen dazu, die Bildung von ionisierten Luftmolekülen zu unterstützen. Alternativ dazu kann jede Spitzenform, die in der Lage ist, Luftmoleküle zu ionisieren, verwendet werden.
Bei vielen Verwendungen ist es wünschenswert, einen Winkel zwischen der Sprühdüse und den Entladungselektroden von zwischen etwa 0 und 120 Grad aufrechtzuerhalten. Die Erfindung wird auch bei Winkeln über 120 Grad weiter arbeiten, aber es wird verständlich sein, dass das Aerosol bei diesen höheren Winkeln durch den Koronawind mehr in der allgemeinen Richtung der Düse umgeleitet werden wird. Schließlich würde sich der Koronawind bei 180 Grad im wesentlichen parallel zu der Düsen-Zentralachse bewegen und würde das Aerosol potentiell zurück zu der Düse bewegen. Dies würde den Zweck der Erfindung im wesentlichen zunichte machen. Wenn mehrere Sprühdüsen und Entladungselektroden verwendet werden, ist es nützlich, im wesentlichen den gleichen Winkel zwischen allen Sprühdüsen und allen Entladungselektroden aufrechtzuerhalten; aber es ist ausreichend, diesen Winkel zwischen irgendwelchen von diesen so aufrechtzuerhalten, dass der Gesamteffekt des Koronawindes darin liegt, das Aerosol weg von den Sprühdüsen in Richtung auf das gewünschte Ziel/den gewünschten Benutzer zu bewegen und/oder den Luftstrom entlang der Gasströmungsbahn 116 vorbei an dem Taylor-Konus zu induzieren. Die Sprühdüsen und Entladungselektroden müssen nicht in einer Eins-zu-Eins-Beziehung gepaart werden.
Auch sind die besten Ergebnisse bei der Induzierung des Luftstroms vorbei an dem Taylor-Konus beobachtet worden, wenn die Entladungselektroden so ausgerichtet sind, dass sich der Koronawind in einer Richtung im wesentlichen von der Sprühdüse weg bewegt. Dies kann erzielt werden, indem ein Winkel zwischen einer Ebene, die sich durch die Düsen erstreckt, und einer Ebene, die sich durch die Entladungselektroden erstreckt, bei zwischen etwa 0 und 90 Grad, vorzugsweise zwischen 0 und 60 Grad gehalten wird. Und die Entladungselektrodenspitzen 172 können entweder stromaufwärts oder stromabwärts von den Sprühspitzen 122 angeordnet sein. Wie vorher erwähnt worden ist, können die Ionen von der Entladungselektrode in dieser Position stromaufwärts oder stromabwärts in der Nähe der Sprühspitzen 122 das Aerosol in einer kurzen Distanz von den Sprühspitzen 122 abfangen, bevor das Aerosol in einem großen Grad dispergiert ist. Mit dem Begriff "stromaufwärts" der Sprühspitzen 122 meinen wir, dass sich dann, wenn die Sprühdüsen vertikal ausgerichtet sind, die Entladungselektrodenspitzen oberhalb einer Linie befinden, die durch die Sprühspitzen 122 senkrecht zu einer zentralen Achse der Sprühdüsen gezogen wird. Mit dem Begriff "stromabwärts" meinen wir, dass sich die Entladungselektrodenspitzen unter den obigen Bedingungen unterhalb der senkrechten Linie befinden würden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel gibt es drei Referenzelektroden 140a, 140b und 140c. Andere Ausführungsbeispiele können je nach Bedarf unterschiedliche Konfigurationen von Referenzelektroden 140 verwenden, um die elektrischen Felder zu entwickeln und zu formen, die für eine bestimmte Anwendung gewünscht werden. Die Referenzelektrode 140a ist oberhalb der Sprühdüsen 120 positioniert.
Vorzugsweise sind die Referenzelektroden 140a und 140b und die Sprühdüsen 120 so positioniert, dass die elektrische Feldstärke zwischen den Sprühspitzen 122 und den Sprühenden 142a und 142b am größten ist. Diese relative Position der Sprühdüsen 120 und der Referenzelektroden 140a und 140b minimiert jegliche Tendenz bei dem Fluid, die Außenseite der Sprühdüsen 120 zu überziehen oder sich dort anzusammeln. Die Ansammlung von Fluid an der Außenseite der Sprühdüsen 120 ist am wahrscheinlichsten, wenn die Sprühdüsen 120 Aerosol in der nach oben gerichteten Richtung dispensieren, und ist am wenigsten wahrscheinlich, wenn die Sprühdüsen 120 Aerosol in der nach unten gerichteten Richtung dispensieren. Die Ansammlung an Fluid reduziert die Quantität des Fluids, das in ein Aerosol umgewandelt wird. Außerdem hat diese Fluidansammlung das Potential, den Taylor-Konus zu unterbrechen oder diesen zu stören. Jede Unterbrechung oder Störung bei diesem Konus wirkt sich auf die Aerosoltröpfchengröße und die Tröpfchengrößenverteilung aus. Diese relative Position der Sprühdüsen 120 und Referenzelektroden 140a und 140b minimiert auch die Tendenz, dass das entladene Aerosol die Referenzelektroden 140a und 140b überzieht oder sich an diesen ansammelt. Jegliche Ansammlung des Aerosols an den Referenzelektroden 140a und 140b reduziert die Quantität des Aerosols, das aus dem EHD-Aerosol-Zerstäuber 100 entladen wird.
Die Referenzelektrode 140b ist ebenfalls zwischen den Sprühdüsen 120 und den Entladungselektroden 170 angeordnet. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Sprühende 142b der Referenzelektrode 140b so angeordnet sein, dass es die Linie LOS (siehe 1) schneidet, die eine Sprühspitze 122 mit einer Entladungsspitze 172 verbindet. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektrode 140b aber so positioniert, dass die Referenzelektrode 140b die Linie LOS (siehe 1) kreuzt. Wenn sich die Referenzelektrode in der bevorzugten Position befindet, wird das elektrische Feld, das zwischen den Sprühdüsen 120 und der Referenzelektrode 140b erzeugt wird, im wesentlichen von dem elektrischen Feld entkoppelt, das zwischen den Entladungselektroden 170 und der Referenzelektrode 140b erzeugt wird. Somit haben Änderungen in der relativen Position der Sprühdüsen 120 in Bezug auf die Referenzelektrode 140b oder Änderungen in der elektrischen Feldstärke, die zwischen den Sprühdüsen 120 und der Referenzelektrode 140b erzeugt wird, minimale Auswirkungen auf das elektrische Feld, das zwischen den Entladungselektroden 170 und der Referenzelektrode 140b erzeugt wird. In ähnlicher Weise haben Änderungen in der relativen Position der Entladungselektroden 170 in Bezug auf die Referenzelektrode 140b oder Änderungen in der elektrischen Feldstärke, die zwischen den Entladungselektroden 170 und der Referenzelektrode 140b erzeugt wird, minimale Auswirkungen auf das elektrische Feld, das zwischen den Sprühdüsen 120 und der Referenzelektrode 140b erzeugt wird.
Vorzugsweise sind die Referenzelektroden 140b und 140c und die Entladungselektroden 170 so positioniert, dass die elektrische Feldstärke zwischen den Sprühenden 142b und 142c und den Entladungsspitzen 172 am größten ist. Diese relative Position der Entladungselektroden 170 und der Referenzelektroden 140b und 140c minimiert die Quantität der ionisierten Luftmoleküle, die zu den Referenzelektroden 140b und 140c strömen. Somit maximiert diese Konfiguration die Anzahl an ionisierten Luftmolekülen (Koronawind), die zur Entladung des Aerosols zur Verfügung stehen. Außerdem neigt diese Konfiguration auch dazu, die Aerosolquantität zu maximieren, die sich mit dem Koronawind bewegt. Vorzugsweise sind die Referenzelektroden 140b und 140c auch symmetrisch zu den Entladungselektroden 170 angeordnet. Diese geometrische Symmetrie unterstützt die Symmetrie in dem elektrischen Feld an den Entladungsspitzen 172, das dazu neigt, den ionisierten Luftstrom quer durch die Ebene, die die Entladungselektroden schneidet, zu fördern.
Eine Gleichstrom-Spannungsquelle (siehe 1) verbindet die Sprühdüsen 120 elektrisch mit den Referenzelektroden 140a und 140b und hält die Sprühdüsen 120 auf einem negativen Potential. Eine zweite Gleichstrom-Spannungsquelle (siehe 1) verbindet die Entladungselektroden 170 elektrisch mit den Referenzelektroden 140b und 140c und hält die Entladungselektroden 170 auf einem positiven Potential.
Ein positives Potential ist an den Entladungselektroden 170 bevorzugt, um den oben diskutierten Koronawind zu erzeugen. Eine negative Spannung an den Entladungselektroden 170 würde zwar auf leichtere Weise einen Ionenstrom bilden; aber, wie oben beschrieben worden ist, haben diese negativen Ionen (Elektronen) eine sehr geringe Bewegungsenergie. Somit hat die Verwendung von Elektronen zur Entladung des Aerosols im Vergleich zu der Wirkung von positiven Ionen relativ wenig Auswirkungen auf die Bewegung des Aerosols. Aber, wie oben angegeben ist, kann es bei einigen Anwendungen tatsächlich nützlich sein, eine negative Ladung an der Entladungselektrode zu haben, obwohl dies bei der Medikamentenabgabeanwendung nicht bevorzugt wird.
Die positive Spannung an den Entladungselektroden 170 trennt ein Elektron von einem Luftmolekül ab, wobei das Luftmolekül mit einer positiven Ladung zurückgelassen wird. Danach wird sich das ionisierte Luftmolekül von den Entladungselektroden 170 weg bewegen. Außerdem werden die ionisierten Luftmoleküle zu der negativen Ladung bei dem Aerosol gezogen. In den Ausführungsbeispielen, in denen die Referenzelektrode 140b die Linie LOS nicht kreuzt (siehe 1), wird das ionisierte Luftmolekül auch zu der negativen Spannung an den Sprühdüsen 120 gezogen. Aufgrund der größeren Nähe des Aerosols interagiert der größte Teil der ionisierten Luft, wenn nicht die gesamte ionisierte Luft mit dem Aerosol. Das Hinzufügen einer niedrigeren Referenzelektrode 140c und die sich ergebenden Auswirkungen auf das elektrische Feld oder die Entladungsspitzen 172 stellen eine Symmetrie für das Ionisierungsfeld bereit. Somit ist die vorherrschende Bewegungsrichtung der ionisierten Luftmoleküle direkt von den Entladungselektroden 170 weg und entlang der Richtung, in der die Entladungselektroden 170 zeigen. Folglich bewegt sich auch das Aerosol in der Richtung, in der die Entladungselektrode zeigt. Vorzugsweise verläuft diese Richtung im allgemeinen in Richtung auf den Vorrichtungsausgang, der bei der Medikamentenzufuhranwendung in Richtung auf den Mund des Benutzers gerichtet ist. Auf jeden Fall wird die Bewegungsrichtung des Aerosols hauptsächlich von der Position/Ausrichtung der Entladungselektroden 170 gesteuert.
In einigen Anwendungen kann es sinnvoll sein, die Koronaentladung und den Koronawind genau vor der Produktion des Aerosols zu beginnen. Dies kann dabei helfen, die Aerosoltröpfchen vollständiger von der Sprühdüse weg zu bewegen. Typischerweise beginnt die positive Korona vor der Vernebelung des Fluids, wenn die Spannungen an die Entladungselektrode und die Sprühdüse zur gleichen Zeit angelegt werden, weil der Elektronenabtrennprozess schneller als der EHD-Tröpfchenbildungsprozess ist. Aber manchmal ist es nützlich, die Spannung an die Entladungselektrode genau vor dem Anlegen der Spannung an die Sprühdüse anzulegen.
Wenn die Sprühdüsen in einer Reihe angeordnet sind, kann es notwendig sein, Sprühelektroden zu der Reihe hinzuzufügen, um die elektrischen Felder auszugleichen und/oder zu formen, die von den anderen Sprühdüsen erfahren werden. Eine Sprühelektrode kann eine Sprühdüse sein, die verstopft, blockiert oder nicht mit Fluid versehen ist. Alternativ dazu kann die Sprühelektrode in ähnlicher Weise wie eine Entladungselektrode geformt sein. Außerdem kann der Sprühdüsenzwischenraum einer ähnlichen Funktion dienen.
Wenn eine lineare Reihe für den Zerstäuber 100 verwendet wird, wie sie in den 4–6 gezeigt ist, sind die Sprühelektroden 180 an jedem Ende der linearen Reihe angeordnet. Diese Sprühelektroden 180 neigen da zu, das elektrische Feld zu balancieren und/oder auszugleichen, ohne dass die Spannungen an den einzelnen Sprühdüsen 120 eingestellt werden müssen, so dass die benachbarte Sprühdüse 124 einem ähnlichen elektrischen Feld ausgesetzt ist wie die anderen Sprühdüsen 120. Wenn jede Sprühdüse 120 ähnlichen elektrischen Feldern ausgesetzt ist, wird sich jeder Taylor-Konus dann in einer vorhersagbaren Weise verhalten. Folglich kann die Aerosoltröpfchengröße und die Größenverteilung vorhergesagt und gesteuert werden.
Die Sprühdüsen 120 können zu einem Verteiler 190 zusammengeschlossen werden, der von dem Gehäuse 110 getragen wird. Der Verteiler 190 stellt dann, wenn er verwendet wird, eine Fluidverbindung zwischen einer Fluidquelle (nicht gezeigt) und jeder Sprühdüse 120 bereit. Außerdem verbindet der Verteiler 190 alle Sprühdüsen 120 miteinander. Somit sollte jede Sprühdüse in etwa den gleichen Fluiddruck erfahren, und jede Sprühdüse sollte ähnliche Fluidfließgeschwindigkeiten erfahren. Ähnliche Fluidfließgeschwindigkeiten unterstützen auch ein ähnliches Taylor-Konus-Verhalten. Folglich kann die Aerosoltröpfchengröße und die Größenverteilung vorhergesagt und gesteuert werden.
Der Verteiler 190 kann dann, wenn er aus einem leitenden Material hergestellt ist, auch die Spannungsquelle elektrisch mit jeder Sprühdüse 120 und mit jeder installierten Sprühelektrode 180 verbinden. Aufgrund der relativ großen Größe des Verteilers 190 im Vergleich zu einer Sprühdüse 120 oder einer Sprühelektrode 180 sollte die Spannung, die jeder Sprühdüse 120 oder jeder Sprühelektrode 180 bereitgestellt wird, ähnlich sein. Folglich kann das Taylor-Konus-Verhalten mit größerer Bestimmtheit vorhergesagt werden.
Wir haben die bevorzugte EHD-Vorrichtung und das bevorzugte EHD-Verfahren im Einzelnen offenbart. Wie vorher beschrieben worden ist, ist die Erfindung auch zur Abgabe von vielen anderen Aerosolprodukten nützlich (z.B. Düfte, Schmierstoffe, etc.). Bei diesen anderen Anwendungen kann es nützlich sein, ein nicht geladenes Aerosol zu bewegen. In diesem Fall kann die hier beschriebene Entladungselektrode genauer als eine "Ionisationselektrode" bezeichnet werden, weil die Ionen die Ladung bei dem Aerosol nicht entladen, sondern lediglich dem Koronawind eine Bewegungsenergie verleihen, um den Strom in der gewünschten Richtung zu leiten. Dieser Koronawind könnte entweder ein positiver oder ein negativer Ionenstrom sein. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung würde eine Aerosolquelle, eine Ionisationselektrode zur Entwicklung des Koronawinds entlang einer gewünschten Bahn, eine Referenzelektrode und eine Spannungsquelle umfassen.
Zusammengefasst sind zahlreiche Vorteile beschrieben worden, die sich aus der Verwendung der Konzepte der Erfindung ergeben. Die obige Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist zu Zwecken der Veranschaulichung und der Beschreibung präsentiert worden. Sie soll die Erfindung nicht erschöpfen oder auf die genaue offenbarte Form beschränken. Offensichtliche Modifikationen oder Variationen sind angesichts der oben genannten Lehren möglich. Diese Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten zu veranschaulichen, um dadurch die Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen und mit verschiedenen Modifikationen, die für die bestimmte, in Erwägung gezogene Verwendung geeignet sind, auf beste Weise zu nutzen. Der Schutzumfang der Erfindung soll von den hier angehängten Ansprüchen definiert werden.

Claims

Aerosol-Abgabevorrichtung, mit: wenigstens einer Aerosolquelle (20, 220, 320, 120); und wenigstens einer Ionisationselektrode (70, 224, 370, 170) zur Erzeugung eines Ionenstromes daraus in einer Richtung entlang einer Bahn zum Abfangen und Bewegen des Aerosols von der Aerosolquelle in der Richtung entlang der Bahn, wobei sich diese Richtung weg von der Aerosolquelle erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Aerosolquelle (20, 220, 320, 120) in der Lage ist, ein Aerosol mit einer positiven Ladung, einer negativen Ladung oder mit im wesentlichen keiner Ladung in Bezug auf die Erdung abzugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 2, des Weiteren mit: wenigstens einer dielektrischen Vorrichtung (40, 240, 340, 140) zwischen der Aerosolquelle (20, 220, 320, 120) und der Ionisationselektrode (70, 224, 370, 170).
Vorrichtung nach Anspruch 2, des Weiteren mit: einer Referenzelektrode (40, 240, 340, 140), die zwischen der Aerosolquelle (20, 220, 320, 120) und der Ionisationselektrode (70, 224, 370, 170) angeordnet ist; einer ersten Spannungsquelle (30, 230), die die Aerosolquelle (20, 220, 320, 120) auf einem negativen Potential relativ zu dem Potential der Referenzelektrode (40, 240, 340, 140) hält; und einer zweiten Spannungsquelle (60, 260), die die Ionisationselektrode (70, 224, 370, 170) auf einem positiven Potential relativ zu dem Potential der Referenzelektrode (40, 240, 340, 140) hält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit: der Aerosolquelle als eine Sprühdüse (20, 220, 320, 120), die sich in Fluidkommunikation mit einer Quelle eines in Aerosolform zu bringenden Fluids befindet, wobei die Sprühdüse (20, 220, 320, 120) wenigstens eine Sprühspitze (22, 222, 322, 122) aufweist, in deren Nähe das Fluid die Sprühdüse (20, 220, 320, 120) verlässt und in Aerosolform gebracht wird; der Ionisationselektrode als eine Entladungselektrode (70, 224, 370, 170); einer Referenzelektrode (40), die zwischen der Sprühdüse (20, 220, 320, 120) und der Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) angeordnet ist; einer ersten Spannungsquelle (30, 230), die die Sprühdüse (20, 220, 320, 120) auf einem negativen oder positiven Potential relativ zu dem Potential der Referenzelektrode (40, 240, 340, 140) hält; und einer zweiten Spannungsquelle (60, 260), die die Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) auf dem entgegengesetzten Potential als in der Sprühdüse (20, 220, 320, 120) relativ zu dem Potential der Referenzelektrode (40, 240, 340, 140) hält.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Referenzelektrode (40, 240, 340, 140) so positioniert ist, dass sie eine Linie (LOS) kreuzt, die die Sprühspitze (22, 222, 322, 122) und die Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Referenzelektrode (40, 240, 340, 140) relativ zu der Sprühdüse (20, 220, 320, 120) so positioniert ist, dass das elektrische Feld, das zwischen der Sprühdüse (20, 220, 320, 120) und der Referenzelektrode (40, 240, 340, 140) erzeugt wird, das stärkste zwischen einer Sprühspitze (22, 122, 322, 122) der Sprühdüse (20, 220, 320, 120) und einem Sprühende (42, 242, 142) der Referenzelektrode ist, wodurch das elektrische Feld die Benetzung der Außenfläche der Düse (20, 220, 320, 120) minimiert.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Referenzelektrode (40, 240, 340, 140) relativ zu der Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) so positioniert ist, dass das elektrische Feld, das zwischen der Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) und der Referenzelektrode (40, 240, 340, 140) erzeugt wird, das stärkste zwischen einer Entladungsspitze (72, 226, 372, 172) der Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) und einem Sprühende (42, 242, 142) der Referenzelektrode (40, 240, 340, 140) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Sprühdüse (20, 220, 320, 120) ein Aerosol im allgemeinen entlang einer ausgewählten Aerosolsprühbahn erzeugt und die Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) Ionen nahe einer Ionisationsstelle an der Entladungselektrode (40, 240, 340, 140) und einen Koronawind ausgehend von der Entladungselektrode entlang einer gewünschten Bahn erzeugt, wobei die Entladungselektrode derart ausgerichtet ist, dass die gewünschte Bahn einen Winkel von weniger als 90° zu der ausgewählten Aerosolsprühbahn bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit: einem Zerstäubergehäuse (12), das einen Ausgang (8) zur Kommunikation des Aerosols zu einem Benutzer aufweist; wenigstens einer Sprühdüse (20, 220, 320, 120) als der Aerosolquelle in dem Gehäuse und in Fluidkommunikation mit einer Quelle eines in Aerosolform zu bringenden Fluids; der Ionisationselektrode als eine Entladungselektrode (70, 224, 370, 170), die in der Lage ist, einen positiven Ionenstrom aus Luftmolekülen in der Nähe der Entladungselektrode zu erzeugen, und so ausgerichtet ist, dass der positive Ionenstrom das Aerosol aus der Sprühdüse abfangen kann und das Aerosol im allgemein in der Richtung entlang der Bahn zum Ausgang hin bewegen kann; einer ersten Referenzelektrode (40, 240, 340, 140), die zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode angeordnet ist; einer ersten Spannungsquelle (30, 230), die die Sprühdüse auf einem negativen Potential relativ zu dem Potential der Referenzelektrode hält; und einer zweiten Spannungsquelle (60, 260), die die Entladungselektrode auf einem positiven Potential relativ zu dem Potential der Referenzelektrode hält.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Sprühdüse (20, 220, 320, 120) wenigstens eine Sprühspitze (22, 222, 322, 122) hat, in deren Nähe das Fluid die Sprühdüse verlässt und in Aerosolform gebracht wird, und die erste Referenzelektrode zwischen der Sprühdüse und der Entladungselektrode angeordnet ist und eine Linie (LOS) kreuzt, die die Sprühspitze und die Entladungselektrode verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) eine Konfiguration und eine Ausrichtung hat, um einen positiven Ionenstrom zu erzeugen, der das Aerosol entlang einer Aerosolbahn stromabwärts der Sprühdüse abfängt, um das Aerosol zu entladen und um das Aerosol im allgemeinen in einer Richtung im wesentlichen parallel zu dem positiven Ionenstrom zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Sprühdüse (20, 220, 320, 120) so positioniert ist, dass sie das Aerosol im allgemeinen entlang einer Bahn parallel zu einer ausgewählten Aerosolsprührichtung dispensiert, und die Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) so positioniert ist, dass der positive Ionenstrom die Aerosolsprührichtung in einem Winkel (30) von zwischen etwa 0 und 120 Grad schneiden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Sprühdüse (20, 220, 320, 120) und die Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) so positioniert sind, dass der positive Ionenstrom die Aerosolsprührichtung in einem Winkel von zwischen etwa 30 und 90 Grad schneiden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 10, des Weiteren mit: einer zweiten Referenzelektrode (342, 140c), die so angeordnet ist, dass die Entladungselektrode zwischen der ersten Referenzelektrode und der zweiten Referenzelektrode angeordnet ist, und wobei die zweite Referenzelektrode ein Potential aufweist, welches positiv ist in Bezug auf die Sprühdüse (20, 220, 320, 120) und negativ ist in Bezug auf die Entladungselektrode (70, 224, 324, 124).
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die zweite Referenzelektrode (342, 140c) so positioniert ist, dass eine Linie (LOS), gezogen von der Sprühdüse zu der Entladungselektrode, durch die zweite Referenzelektrode hindurchgeht.
Vorrichtung nach Anspruch 15, des Weiteren mit: einer dritten Referenzelektrode (344, 140a), die so angeordnet ist, dass die Sprühdüse (20, 220, 320, 120) zwischen der ersten Referenzelektrode und der dritten Referenzelektrode angeordnet ist, und wobei die dritte Referenzelektrode (344, 140a) ein Potential aufweist, welches positiv ist in Bezug auf die Sprühdüse und negativ ist in Bezug auf die Entladungselektrode (70, 224, 324, 124).
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die dritte Referenzelektrode (344, 140a) so positioniert ist, dass eine Linie (LOS), gezogen von einem Ende der zweiten Referenzelektrode, das der Sprühdüse am nächsten liegt, zu einem Ende der dritten Referenzelektrode, das der Sprühdüse am nächsten liegt, nicht durch die Sprühdüse hindurchgeht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, mit: einem Zerstäubergehäuse, das einen Ausgang zur Kommunikation des Aerosols zu einem Benutzer aufweist; einer Vielzahl von Sprühdüsen (120) in dem Gehäuse und in Fluidkommunikation mit einer Quelle eines in Aerosolform zu bringenden Fluids; einer Vielzahl von Entladungselektroden (170), die in der Lage sind, positive Ionenströme aus Luftmolekülen in der Nähe der Entladungselektroden zu erzeugen, und so ausgerichtet sind, dass die positiven Ionenströme das Aerosol aus den Sprühdüsen (120) abfangen können und das Aerosol im allgemeinen in einer Richtung zum Ausgang hin bewegen können; wenigstens einer Referenzelektrode (140b), die zwischen den Sprühdüsen (120) und den Entladungselektroden (170) angeordnet ist; einer ersten Spannungsquelle, die die Sprühdüsen auf einem negativen Potential relativ zu dem Potential der wenigstens einen Referenzelektrode hält; und einer zweiten Spannungsquelle, die die Entladungselektroden auf einem positiven Potential relativ zu dem Potential der wenigstens einen Referenzelektrode hält.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die wenigstens eine Referenzelektrode (140b) eine Linie kreuzt, die die Sprühdüsen (120) und die Entladungselektroden (170) verbindet, wodurch das elektrische Feld, das zwischen der Referenzelektrode (140b) und den Sprühdüsen (120) geschaffen wird, im wesentlichen von dem elektrischen Feld entkoppelt wird, das zwischen den Entladungselektroden (170) und der wenigstens einen Referenzelektrode (140b) geschaffen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Entladungselektroden (170) eine Konfiguration und eine Ausrichtung haben, um einen positiven Ionenstrom zu erzeugen, der das Aerosol entlang einer Aerosolbahn stromabwärts der Sprühdüsen (120) abfängt, um das Aerosol zu entladen und um das Aerosol im allgemeinen in einer Richtung im wesentlichen parallel zu dem positiven Ionenstrom zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Sprühdüsen (120) so positioniert sind, dass sie das Aerosol im allgemeinen entlang einer Bahn parallel zu einer ausgewählten Aerosolsprührichtung dispensieren, und die Entladungselektroden (170) so positioniert sind, dass der positive Ionenstrom die Aerosolsprührichtung in einem Winkel (30) von zwischen etwa 0 und 120 Grad schneiden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Sprühdüsen (120) und die Entladungselektroden (170) so positioniert sind, dass der positive Ionenstrom die Aerosolsprührichtung in einem Winkel (30) von zwischen etwa 30 und 90 Grad schneiden kann.
Verfahren zur Abgabe von Aerosoltröpfchen im Wesentlichen entlang einer gewünschten Bahn, mit den folgenden Schritten: Vorsehen einer Aerosolquelle (20, 220, 320, 120) und einer Ionisationselektrode (70, 224, 370, 170) als eine Entladungselektrode; Erzeugen von Aerosoltröpfchen nahe der Aerosolquelle (20, 220, 330, 120); Erzeugen eines Stromes von Ionen nahe einer Ionisationsstelle an der Ionisationselektrode (70, 224, 370, 170) und eines Koronawindes daraus in einer Richtung entlang einer Bahn; und Abfangen der Aerosoltröpfchen mit dem Strom von Ionen und dem Koronawind derart, dass die Aerosoltröpfchen durch den Strom von Ionen in der Richtung entlang der Bahn bewegt werden, wobei sich die Richtung von der Aerosolquelle weg erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 24, weiterhin umfassend: Vorsehen eines Referenzpotentials an einer Referenzelektrode (40, 240, 340, 140), die zwischen der Aerosolquelle und der Entladungselektrode angeordnet ist; Vorsehen einer elektrischen Ladung bei den Aerosoltröpfchen; und Vorsehen einer elektrischen Ladung an der Ionisationselektrode (70, 224, 370, 170), die der Ladung an den Aerosoltröpfchen entgegengesetzt ist.
Verfahren zur Abgabe von Aerosoltröpfchen im Wesentlichen entlang einer gewünschten Bahn gemäß Anspruch 24, umfassend: Vorsehen einer Aerosolquelle (20, 220, 320, 120) und einer Entladungselektrode (70, 224, 370, 170); Vorsehen eines Referenzpotentials an einer Referenzelektrode (40, 240, 340, 140), die zwischen der Aerosolquelle und der Entladungselektrode angeordnet ist; Erzeugen von Aerosoltröpfchen nahe der Aerosolquelle, wobei die Aerosoltröpfchen in Bezug auf das Referenzpotential mit einer Ladung versehen sind; Erzeugen von Ionen nahe einer Ionisationsstelle an einer Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) und eines Koronawindes von der Ionisationsstelle in einer Richtung entlang der gewünschten Bahn, wobei die Ionen eine Ladung aufweisen, die der Ladung der Aerosoltröpfchen entgegengesetzt ist; und Abfangen der Aerosoltröpfchen mit dem Koronawind derart, dass die Aerosoltröpfchen elektrisch entladen werden und zusammen mit dem Koronawind in der gewünschten Bahn bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 26 zur Abgabe von Aerosoltröpfchen im Wesentlichen entlang einem gewünschten Pfad, das weiterhin das Erzeugen der Aerosoltröpfchen durch elektrohydrodynamisches Zerstäuben umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26 zur Abgabe von Aerosoltröpfchen im wesentlichen entlang einer gewünschten Bahn, das weiterhin das Positionieren und das Ausrichten der Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) derart umfasst, dass sich der Koronawind in einer Richtung weg von der Entladungselektrode und weg von der Aerosolquelle (20, 220, 320, 120) bewegt.
Verfahren nach Anspruch 26 zur Abgabe von Aerosoltröpfchen im Wesentlichen entlang einer gewünschten Bahn, weiterhin umfassend: Erzeugen eines Aerosolstroms aus den Aerosoltröpfchen von der Spitze (22, 222, 322, 122) einer Sprühdüse (20, 220, 320, 120), wobei sich der Aerosolstrom weg von der Aerosolquelle in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der zentralen Achse der Sprühdüse bewegt; und Ausrichten der Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) derart, dass der Koronawind die zentrale Achse der Aerosolquelle in einem Winkel (30) von zwischen etwa 0 und 120 Grad schneidet.
Verfahren nach Anspruch 26 zur Abgabe von Aerosoltröpfchen im Wesentlichen entlang einer gewünschten Bahn, das des Weiteren folgende Schritte umfasst: Erzeugen der Aerosoltröpfchen durch elektrohydrodynamisches Zerstäuben; Erzeugen eines Aerosolstroms aus den Aerosoltröpfchen nahe der Spitze (22, 222, 322, 122) einer Sprühdüse (20, 220, 320, 120), wobei sich der Aerosolstrom weg von der Spitze der Sprühdüse in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der zentralen Achse der Sprühdüse bewegt; Ausrichten der Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) derart, dass der Koronawind die zentrale Achse der Aerosolquelle in einem Winkel (30) von zwischen etwa 0 und 120 Grad schneidet; und Positionieren der Referenzelektrode (40, 240, 340, 140) derart, dass das Ende der Referenzelektrode im Wesentlichen an die Sichtlinie zwischen der Spitze der Sprühdüse und der Ionisationsstelle der Entladungselektrode angrenzt.
Verfahren zur Abgabe von therapeutischen Aerosoltröpfchen im Wesentlichen entlang einer gewünschten Bahn durch elektrohydrodynamisches Zerstäuben gemäß Anspruch 24, umfassend: Vorsehen einer elektrohydrodynamischen Sprühdüse (20, 220, 320, 120), die eine zentrale Achse aufweist; Vorsehen einer Entladungselektrode (70, 224, 370, 170), die eine scharfe Spitze oder Kante (72, 226, 372, 172) aufweist; Vorsehen eines Referenzpotentials an einer Referenzelektrode (40, 240, 340, 140), die zwischen der elektrohydrodynamischen Sprühdüse und der Entladungselektrode angeordnet ist; Erzeugen von Aerosoltröpfchen nahe der Spitze der elektrohydrodynamischen Sprühdüse, wobei die Aerosoltröpfchen negativ geladen sind in Bezug auf das Referenzpotential; Erzeugen von Ionen nahe der scharfen Spitze oder Kante (12, 226, 372, 172) der Entladungselektrode und einer Bewegung von Ionen weg von der Entladungselektrode in einer Richtung entlang der gewünsch ten Bahn, wobei die Ionen positiv geladen sind in Bezug auf das Referenzpotential; und Abfangen der Aerosoltröpfchen mit den Ionen stromabwärts der Spitze (22, 222, 322, 122) der Sprühdüse (20, 220, 320, 120) und stromabwärts der scharfen Spitze oder Kante derart, dass die Aerosoltröpfchen elektrisch entladen werden und zusammen mit den Ionen entlang dem gewünschten Pfad bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 31 zur Abgabe von therapeutischen Aerosoltröpfchen im wesentlichen entlang einer gewünschten Bahn durch das EHD-Zerstäuben, das weiterhin das Ausrichten der Entladungselektrode (70, 224, 310, 170) derart umfasst, dass der Winkel (30) zwischen der zentralen Achse der Sprühdüse und der Bewegungsrichtung der Ionen weg von der Entladungselektrode zwischen etwa 0 und 120 Grad beträgt.
Verfahren nach Anspruch 32 zur Abgabe von therapeutischen Aerosoltröpfchen im wesentlichen entlang einer gewünschten Bahn durch das EHD-Zerstäuben, das des weiteren das Ausrichten der Entladungselektrode (70, 224, 370, 170) derart umfasst, dass der Winkel (30) zwischen der zentralen Achse der Sprühdüse und der Bewegungsrichtung der Ionen weg von der Entladungselektrode zwischen etwa 30 und 90 Grad beträgt.