Способ получения пены и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к получению пены и может использоваться, например, в медицине. В зону пенообразования подают через проницаемую перегородку газовый поток и пенообразующий состав. Газовые пузырьки отделяют от перегородки с использованием дополнительной центробежной силы отрыва. Устанавливают постоянными силу давления и расход газа, а также высоту слоя пенообразующего состава. Устройство содержит емкость с подвижным днищем и проницаемой перегородкой, разделяющей емкость на две камеры. Устройство имеет механизм движения перегородки, связанный с подвижным днищем. Каждое отверстие перегородки движется по одинаковой круговой траектории с одинаковой постоянной скоростью. Технический результат состоит в возможности регулирования диаметра пузырьков, увеличении производительности и повышения качества пены. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к медицинской технике, а именно к способу получения пены и устройству для его осуществления.

Известен способ получения пены (заявка PCT/RU 98/00095, МКИ⁶: В 01 F 3/04, опубл. 07.10.99). Его сущность заключается в импульсной подаче дозированных порций газа через проницаемую мембрану в раствор пенообразователя для формирования пузырьков на ее поверхности и возвратно-поступательном движении мембраны между импульсами подачи газа для их отделения и образования пены. Таким образом, создаются силы, выдувающие пузырек газа и отрывающие его от мембраны. Нарастание и убывание этих сил разделено во времени и носит импульсный характер.

Недостатком известного способа является то, что дополнительная сила отрыва действует непостоянно и имеет периоды нарастания и убывания, что сокращает время ее эффективного действия. Особенно это проявляется при высоких скоростях работы, когда время, отведенное на отрыв, уменьшается. В таком режиме возрастает сложность управления процессом, появляются элементы нестабильности, на отрыв пузырька затрачивается несколько рабочих циклов и т.д.

Известно устройство для получения пены (см. там же), которое состоит из стационарной емкости для жидкого компонента, подвижного днища и соединяющей их эластичной муфты. На подвижном днище имеется проницаемая перфорированная перегородка, разделяющая полость емкости на две камеры соответственно для жидкого и газообразного компонентов. Перегородка выполнена с отверстиями в виде капилляров, имеющих одинаковый размер и равномерно распределенных по площади перегородки. Устройство содержит также механизм дозирования газового потока в виде, например, клапана, соединенного с блоком управления, а днище связано с механизмом возвратно-поступательных дискретных перемещений, также связанным с блоком управления, который обеспечивает необходимый порядок взаимодействия всех компонентов системы для производства пены.

Недостатком известного устройства для его осуществления являются повышенные динамические нагрузки при высоких скоростях работы, а также связанный с этим шум и износ основных узлов - клапана-пульсатора, кулачков и др. Это объясняется работой узлов в импульсном режиме, характеризующемся резким изменением величин действующих сил. Этот режим неизбежно имеет периоды разгона и торможения рабочих органов, открывания и закрывания клапанов, что и служит причиной ударных нагрузок и шумов различного характера, а также является ограничивающим фактором в увеличении скорости рабочих органов и производительности устройства в целом.

В основу настоящего изобретения положена задача разработать способ получения пены и устройство для его осуществления, обеспечивающие при поддержке высоких скоростей течения газа возможность регулирования диаметра выдуваемых пузырьков и управления процессом их отделения от проницаемой мембраны в безударном режиме, что позволит увеличить производительность устройства и повысить качество вырабатываемого продукта.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения пены, заключающемся в том, что в зону пенообразования подают газовый поток, который предварительно пропускают через проницаемую перегородку, и пенообразующий состав, которые приводят во взаимодействие для образования газовых пузырьков с последующим их отделением от поверхности указанной перегородки при использовании дополнительной силы отрыва и формированием пены, согласно изобретению при подаче газового потока в зону пенообразования устанавливают постоянными силу давления и расход газа, а в зоне пенообразования поддерживают постоянной высоту слоя пенообразующего состава, при этом в качестве дополнительной силы отрыва газовых пузырьков от проницаемой перегородки используют центробежную силу. Постоянную центробежную силу создают, например, путем организации движения проницаемой перегородки, при котором каждое ее отверстие движется по одинаковой круговой траектории с одинаковой постоянной круговой скоростью. Величину диаметра отрывающегося от проницаемой перегородки газового пузырька можно регулировать путем изменения круговой скорости движения этой перегородки. Давление газа целесообразно устанавливать в пределах от 0,01 до 1,5 атм, расход газа - от 0,1 до 5,0 л/мин, а высоту слоя пенообразующего состава - в пределах от 5 до 150 мм.

Поставленная задача решается тем, что устройство для получения пены, содержащее емкость с подвижным днищем, на котором закреплена проницаемая перегородка, разделяющая полость емкости на две камеры, одна из которых сообщена посредством трубопровода с источником пенообразующего состава, а другая камера, заключенная между перегородкой и подвижным днищем, сообщена посредством трубопровода с источником газа, согласно изобретению дополнительно снабжено установленным в емкости датчиком уровня пенообразующего состава, регуляторами давления и расхода газа, подключенными к источнику газа, и механизмом движения проницаемой перегородки, связанным с подвижным днищем и обеспечивающим такое движение перегородки, при котором каждое ее отверстие движется по одинаковой круговой траектории с одинаковой постоянной круговой скоростью. Датчик уровня пенообразующего состава может быть связан с электромагнитным клапаном, установленным в трубопроводе, сообщенным с источником пенообразующего состава. Механизм движения проницаемой перегородки может содержать эксцентриситентно установленные друг относительно друга палец, связанный с подвижным днищем, и диск, установленный с возможностью вращения, при этом подвижное днище размещено внутри рамки с возможностью свободного перемещения в горизонтальной плоскости посредством кинематических пар.

Таким образом, для решения поставленной задачи предварительно создают постоянные силы, участвующие в процессе формообразования пузырька: гидростатическую силу путем поддержания постоянным уровня высоты жидкости пенообразующего состава, силу давления и расхода газового потока соответствующими регуляторами, а дополнительную силу отрыва формируют за счет создания такого движения, при котором каждый капилляр перегородки движется по одинаковой круговой траектории с одинаковой постоянной скоростью, образуя в результате постоянную центробежную силу отрыва. Эта сила дополняет своим значением Архимедову силу подъема газового пузырька и при достижении их суммарного значения, превышающего силу, удерживающую пузырек на кромке капилляра, он отрывается. При повышении круговой скорости увеличивается дополнительная сила отрыва и соответственно уменьшается диаметр отрывающегося пузырька. Наибольший эффект достигается оптимизацией всех параметров в зависимости от конкретной задачи.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает общий вид устройства для получения пены, продольный разрез;

фиг.2 - вид устройства сверху, в сечении А-А.

Устройство для получения пены согласно изобретению содержит стационарную емкость 1 (фиг.1), подвижное днище 2 которой герметично соединено с ее боковыми стенками посредством эластичной муфты 3. На днище 2 закреплена проницаемая перегородка 4 с отверстиями 5 в виде капилляров, имеющих одинаковый размер в поперечном сечении и равномерно распределенных по поверхности перегородки 4. Перегородка 4 разделяет полость емкости 1 на две камеры 6 и 7, одна из которых сообщена с помощью трубопровода 8 с источником 9 пенообразующего состава 10. Таким образом, перегородка 4 является разделителем двух сред - жидкостной (жидкого компонента пенообразующего состава) и газовой. В камере 6 установлен датчик 11 уровня, соединенный через схему автоматического управления (не показана) с электромагнитным клапаном 12, установленным в трубопроводе 8. Камера 7, заключенная между подвижным днищем 2 и перегородкой 4, через канал 13 и штуцер 14 сообщена с гибким трубопроводом 15, подающим газ от источника 16, снабженного регуляторами 17 и 18 соответственно давления и расхода газа.

Устройство снабжено также механизмом движения перегородки 4, который содержит, например, подшипниковый узел 19, который размещен в нижней выступающей части подвижного днища 2, и в котором установлен палец 20, имеющий возможность осевого вращения. Свободный конец пальца 20 вставлен в эксцентриситетное отверстие диска 21, жестко закрепленного на выходном валу 22 электродвигателя (не показан). Для уравновешивания вращающихся масс на диске 21 закреплен балансировочный груз. Подвижное днище 2 через кинематические пары 23 и 24 (фиг.2) имеет возможность перемещения по оси Y внутри рамки 25. Рамка 25 связана с кинематическими парами 26 и 27, обеспечивающими возможность перемещения подвижного днища 2 вместе с рамкой 25 по оси X. Стойки 28 и 29 кинематических пар 26 и 27 жестко закреплены на стационарной емкости 1, обеспечивая зазор между ней и подвижным днищем 2.

Предлагаемый способ получения пены осуществляют следующим образом.

В источнике 16 газа с помощью регулирующей арматуры на холостом ходу устанавливают постоянный газовый поток, предпочтительно в пределах: расход - от 0,1 до 5,0 л/мин, давление - от 0,01 до 1,5 атм. В качестве источника газа может применяться кислородный концентратор, баллон, стационарная магистраль, накопительная емкость и др. По гибкому трубопроводу 15, соединенному со штуцером 14, через канал 13 газ попадает в камеру 7. В полость 6 от источника 9 через трубопровод 8 заливают пенообразующий состав 10, предварительно установив высоту слоя Н_о (фиг.1) постоянной с помощью датчика 11 уровня, предпочтительно в пределах от 5 до 150 мм. Пуск устройства означает одновременное включение электородвигателя и вращение диска 21, открытие трубопроводов 8 и 15 пенообразующего состава и газа. Диск 21 передает вращающий момент электродвигателя пальцу 20. Ось диска 21 и ось пальца 20 несоосны, а имеют эксцентриситет e. Палец 20 движется вокруг оси диска 21 по окружности, радиус которой равен эксцентриситету e, и передает это движение подвижному днищу 2, воспроизводящему все параметры движения в плоскости X-Y за счет имеющихся кинематических пар 23, 24, 26, 27 (фиг.2). В результате движение каждого отверстия 5 (капилляра) проницаемой перегородки 4 определяется движением одной точки, а именно проекцией оси пальца 20 на плоскость X-Y, и все отверстия 5 имеют в каждый момент времени одинаковые по модулю и направлению круговые скорости и ускорения. Предпочтительно устанавливать значение эксцентриситета в пределах от 0,25 до 5,0 мм, вращение вала электродвигателя в пределах 800-12000 об/мин. Газ, проходя через отверстие 5, входит в контакт с пенообразующим составом 10 по всей площади отверстия 5 и, преодолевая своим давлением гидростатическую силу, образует газовое вздутие, удерживаемое на перегородке 4 силами поверхностного натяжения жидкого компонента. Эти силы сосредоточены по периметру кромки отверстия 5, образуя удерживающую шейку. В начальной стадии, когда масса пузырька невелика, сил, работающих на его отрыв, - подъемной Архимеда и дополнительной центробежной еще недостаточно. С нарастанием диаметра газового пузырька его масса увеличивается, одновременно растут подъемная сила и дополнительная сила отрыва от движения отверстия 5 по круговой траектории, при этом шейка газового пузырька утончается, уменьшая действие сил поверхностного натяжения. Когда силы отрыва станут больше удерживающей силы, шейка пузырька ломается, он охлопывается и поднимается вверх, образуя вместе с другими освободившимися пузырьками пенную массу. Пенообразование протекает непрерывно при постоянных значениях участвующих в процессе сил, что исключает появление ударных нагрузок, шума, износа и т.д. Это позволяет увеличить скорость рабочих органов и производительность устройства, а также предоставляет возможность изменять технологические параметры системы в широком диапазоне и тем самым влиять на размеры выдуваемых газовых пузырьков и управлять процессом их отрыва для формирования пены.

Формула изобретения

1. Способ получения пены, заключающийся в том, что в зону пенообразования подают газовый поток, который предварительно пропускают через проницаемую перегородку, и пенообразующий состав, которые приводят во взаимодействие для образования газовых пузырьков с последующим их отделением от поверхности указанной перегородки при использовании дополнительной силы отрыва и формированием пены, отличающийся тем, что при подаче газового потока в зону пенообразования устанавливают постоянными силу давления и расход газа, а в зоне пенообразования поддерживают постоянной высоту слоя пенообразующего состава, при этом в качестве дополнительной силы отрыва газовых пузырьков от проницаемой перегородки используют центробежную силу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что постоянную центробежную силу создают путем организации движения проницаемой перегородки, при котором каждое ее отверстие движется по одинаковой круговой траектории с одинаковой постоянной круговой скоростью.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что величину диаметра отрывающегося от проницаемой перегородки газового пузырька регулируют путем изменения круговой скорости движения этой перегородки.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что давление газа устанавливают в пределах от 0,01 до 1,5 атм., расход газа - от 0,1 до 5,0 л/мин, а высоту слоя пенообразующего состава - в пределах от 5 до 150 мм.

5. Устройство для получения пены, содержащее стационарную емкость с подвижным днищем, на котором закреплена проницаемая перегородка, разделяющая полость емкости на две камеры, одна из которых сообщена посредством трубопровода с источником пенообразующего состава, а другая, заключенная между перегородкой и подвижным днищем, - с источником газа, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено установленным в стационарной емкости датчиком уровня пенообразующего состава, регуляторами давления и расхода газа, подключенными к источнику газа, и механизмом движения проницаемой перегородки, связанным с подвижным днищем и обеспечивающим такое движение перегородки, при котором каждое ее отверстие движется по одинаковой круговой траектории с одинаковой постоянной круговой скоростью.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что датчик уровня пенообразующего состава связан с электромагнитным клапаном, установленным в трубопроводе, сообщенном с источником пенообразующего состава.

7. Устройство по любому из пп.5 и 6, отличающееся тем, что механизм движения проницаемой перегородки содержит эксцентриситетно установленные относительно друг друга палец, связанный с подвижным днищем, и диск, установленный с возможностью вращения, при этом подвижное днище размещено внутри рамки с возможностью свободного перемещения в горизонтальной плоскости посредством кинематических пар.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2