La presente invención se refiere a un dispositivo analizador de movilidad diferencial (DMA) de amplio rango y muy alta resolucióndonde la resolución es incrementada respecto a los dispositivos conocidos en el estado de la técnica y donde además se amplia el rango de valores válidos de la movilidad de las partículas cargadas que es capaz de detectar.

La invención hace uso de una configuración plana y con un modelo de funcionamiento puramente bidimensional en la que se hace uso de galgas para un mejor ajuste y precisión de las caras paralelas que constituyen la región de análisis. El analizador hace uso de un túnel cerrado y presurizado para establecer un flujo cruzado con un número de Reynolds muy elevado

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo analizador de movilidad diferencial (DMA) de amplio rango y muy alta resolución donde la resolución es incrementada respecto a los conocidos en el estado de la técnica y donde además se 5 amplia el rango de valores válidos de la movilidad de las partículas cargadas que es capaz de detectar simultáneamente.

Caracteriza esta invención una configuración plana y con un modelo de funcionamiento puramente bidimensional en la que se hace uso de galgas para un mejor ajuste y precisión de las caras paralelas que constituyen la región de análisis y que afecta directamente a la mejora de resolución que se presenta. Igualmente, en la cara de entrada se hace uso de 10 una ranura para la inyección pudiendo llevar a cabo la extracción de partículas cargadas por una segunda ranura.

Caracteriza este analizador de movilidad diferencial el uso de uno o más sensores de carga eléctrica multipista. Cuando se hace uso de una ranura o rendija de salida los sensores de carga multipista quedan dispuestos encima, debajo o simultáneamente encima y debajo de la ranura de salida que permiten un ajuste más rápido así como la lectura simultánea de diversas movilidades dependiendo del punto de impacto. Se contempla igualmente el uso de más de una 15 ranura de salida junto con sus sensores de carga multipista.

Adicionalmente, el analizador de movilidad diferencial puede contar en su salida de un módulo no lineal que distingue partículas de movilidad muy parecida en el rango lineal pero cuyo comportamiento en el rango no lineal es distinto.

Caracteriza el uso de flujos con números de Reynolds elevados situados entre 105 y 106 y con un nivel de turbulencia inferior al 0'1%, posibles gracias a un cuidadoso diseño de todos los elementos que intervienen en el flujo entre los que 20 destaca la presencia de un túnel aerodinámico cerrado y presurizado.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los analizadores de movilidad diferencial (“Differential Mobility Analyzers”, DMAS) son dispositivos conocidos por su uso en laboratorio y también comercial. Estos dispositivos buscan la detección y análisis de sustancias discriminando en base a la diferente movilidad iónica de las partículas cargadas. 25

Una partícula cargada sometida a un campo eléctrico es acelerada en la dirección de éste. Si la partícula ionizada se encuentra inmersa en un fluido, existe una resistencia al avance que da lugar a que la partícula no se acelere indefinidamente sino que alcanza rápidamente una velocidad límite consecuencia del equilibrio entre la fuerza eléctrica que la acelera y la fuerza de resistencia al avance en el seno del fluido. Esta situación de equilibro establece un valor de la velocidad límite en unidades de campo eléctrico [m2/Vs], llamada límite de movilidad iónica, que depende 30 principalmente del tamaño y configuración particular de la partícula cargada, de la viscosidad dinámica del fluido así como la intensidad del campo eléctrico.

Basándose en este fenómeno, los analizadores de movilidad diferencial establecen un campo eléctrico mediante dos electrodos en una región habitualmente denominada de análisis atravesada por un flujo transversal en condiciones estacionarias. 35

Una partícula cargada que se inyecta en un electrodo tiende a viajar hacia el otro electrodo por la acción del campo eléctrico; sin embargo, la presencia de un flujo transversal arrastra la partícula de modo que no impactará siguiendo la línea de campo eléctrico sino que lo hará en algún punto aguas abajo.

El punto de impacto es distinto dependiendo del tipo de partícula puesto que la movilidad es la característica que permite discriminar la sustancia de interés. 40

La resolución de este tipo de dispositivos depende, tal y como se razona en la patente con número de publicación US6787763, del grado con que se logre minimizar la turbulencia presente en el flujo transversal así como de la difusión browniana.

La presencia de turbulencia da lugar a fluctuaciones respecto del campo de velocidades medio que dispersan la trayectoria de la partícula cargada; y, cuando el recorrido libre medio de la partícula es elevado por la presencia de 45 presiones reducidas o por tiempos de residencia característicos elevados, los efectos del movimiento browniano son mayores.

Se considera que para cualquier experto en la materia son conocidos los números adimensionales de Reynolds y de Peclet definidos como:

 Re=L·v/ν; 50

 Pe=L·v/D;

donde v es una velocidad característica, L una longitud característica, ν es la viscosidad cinemática y D el coeficiente de difusión molecular o browniana.

Uno y otro efecto, difusión turbulenta y dispersión browniana, están ampliamente descritos y se ha comprobado que dependen del número de Reynolds y de Peclet; y que éstos han de ser lo más elevados posibles para conseguir 5 incrementar la resolución. Aunque es sabido que, en general, para el flujo en conductos el número de Reynolds en torno a 2000 es un valor crítico superado el cual el flujo es turbulento, bajo ciertas condiciones es posible mantener el flujo laminar por encima de este valor de Reynolds o con un nivel de turbulencia pequeño.

Principalmente se busca la presencia de gradientes favorables de presión en todas las regiones del conducto manteniendo la capa límite adherida a las paredes sin que ésta se separe, evitando que crezca innecesariamente y 10 eliminando la presencia de perturbaciones (vibraciones, rugosidades) que puedan desencadenar inestabilidades y aumentar el nivel de turbulencia de fondo.

Se incluyen por referencia los casos citados en el apartado de antecedentes de la patente con número de publicación US6787763 haciendo notar que esta misma patente dice alcanzar números de Reynolds en el rango situado en torno a 105. La geometría que se utiliza en este analizador es cilíndrica donde existen factores de imprecisión que no pueden 15 ser evitados:

 la geometría cilíndrica presenta un vástago central con simetría cilíndrica sobre el que ha de asegurarse la coaxialidad y dado que este vástago está configurado por más de una pieza, su esbeltez y los errores de mecanizado de cada una de las piezas y de los asientos se acumulan perjudicando la coaxialidad. Este tipo de configuración requiere al menos cinco ajustes para conseguir la coaxialidad. La falta de coaxialidad, por pequeña 20 que sea, afecta de un modo importante a la simetría del campo eléctrico puesto que éste es muy sensible a este factor.

 El uso de geometrías cilíndricas no ofrecen ningún grado de amortiguamiento ante la aparición de vórtices coaxiales en el conducto que pueden inducir oscilaciones en el flujo.

 En este tipo de dispositivos conocidos los grados de expansión y contracción suelen ser elevados siendo fuentes 25 importantes de turbulencia.

 En los dispositivos actuales la alimentación perimetral se realiza de manera no uniforme lo que hace que las condiciones de lectura tampoco correspondan a una correcta condición de simetría cilíndrica. Las alimentaciones del flujo cruzado en este tipo de dispositivos sufren expansiones súbitas que no siempre son estabilizadas aguas abajo. 30

Se comentan como grandes inconvenientes en el apartado dedicado al estado de la técnica en esta patente la larga longitud de la boca de admisión del analizador o el uso de aceleraciones muy pequeñas.

En esta misma patente con número de publicación US6787763 se hace uso de la configuración cilíndrica donde se dice superar los inconvenientes del analizador plano descrito en la patente con número de publicación US5869831.

Cabe decir que, aunque en la patente US5869831 se dice hacer uso de un analizador plano, tanto la inyección o 35 introducción de partículas cargadas como la extracción se lleva a cabo a través de orificios. Basta considerar que la presencia de inestabilidades del flujo o del campo eléctrico pueden dar lugar a un problema de ajuste muy importante ya que la trayectoria no evita efectos tridimensionales en la dirección perpendicular al plano definido por el campo eléctrico y la dirección principal del flujo cruzado. Estas desviaciones deberían también ser controladas de modo que... [Seguir leyendo]

1ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) para discriminar partículas que tiene una región de análisis en la que el campo eléctrico (E) está definido por la polarización de electrodos opuestos (1, 2) que cubren caras opuestas y que tienen ranuras (1.1, 1.2), definiendo de esta forma un flujo perpendicular a dicho campo eléctrico y a la dirección principal de dichas ranuras y donde la región de análisis mencionada está insertada en un túnel aerodinámico cerrado y 5 presurizado con una presión media superior a la atmosférica, sin expansiones súbitas y en condiciones laminares o con un nivel de turbulencia menor del 1% donde dicha región de análisis (V) está a presión atmosférica caracterizado porque dicha región de análisis está delimitada por un prisma que tiene dos caras planas paralelas opuestas cubiertas por los electrodos mencionados (1,2) y dos caras planas aislantes opuestas formando una sección rectangular, y donde la inyección de las partículas cargadas se efectúa mediante inyección electrostática a través de una ranura (1.1) sin 10 intercambio de caudal en la ranura excepto las partículas cargadas, y las partículas cargadas son extraídas a través de otra ranura (2.1) donde la anchura de las ranuras (1.1, 2.1) es menor que la distancia entre las caras aislantes mencionadas y que tiene una zona de impacto que dispone al menos de un sensor de carga multipista.

2ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque el analizador dispone de una o más rendijas (2.1) de salida, todas dispuestas paralelas entre sí y perpendiculares al flujo. 15

3ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque la región de análisis (V) dispone de electrodos enfrentados, uno en la cara de inyección de la partícula (P) cargada y otro en la cara de salida, que generan un campo eléctrico E uniforme.

4ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 3 caracterizado porque el electrodo (1) situado en la cara de inyección de la partícula cargada(P) se prolonga paralelo a la rendija de inyección (1.1) quedando aislado (6) 20 y enfrentado a un tercer electrodo (9) de modo que el campo eléctrico E se curva (7) en la inyección y se mantiene esencialmente paralelo en el resto de la región de análisis; y donde este tercer (9) electrodo se equipara al potencial del electrodo (2) de salida para permitir la concatenación de analizadores.

5ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 3 caracterizado porque la región de análisis dispone de electrodos adicionales (5), cada uno de éstos con sus rendijas (5.1, 5.2) con sus propios potenciales 25 estableciendo medios de reducción de la dispersión intermedios.

6ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 3 caracterizado porque el campo eléctrico presenta zonas divergentes para incrementar la diferenciación de trayectorias en partículas de movilidad eléctrica parecida.

7ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 6 caracterizado porque la rendija de salida (2.1) 30 se encuentra en la misma cara que la inyección.

8ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque el sensor de carga de múltiples pistas de lectura se sitúa aguas debajo de cada rendija de salida 2.1).

9ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque alguna o todas las rendijas de salida (2.1) disponen de un segundo sensor de carga de múltiples pistas de lectura que se sitúa por encima 35 de la rendija (2.1).

10ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque hace uso de conductos de sección rectangular salvo en el compresor de impulsión (10) con el que existen tramos de transición de la sección.

11ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque el compresor (10) se dispone en un codo del circuito. 40

12ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque los codos (15, 18, 22) disponen de una pluralidad de vanos (15.1, 18.1, 22.1) curvos y alineados para el guiado del flujo interior.

13ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque el circuito dispone de purgadores (12, 14).

14ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) de amplio rango y muy alta resolución según la reivindicación 1 45 caracterizado porque el circuito dispone de válvulas (13) para la limpieza y cierre parcial del circuito.

15ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque el circuito dispone de precipitadores electrostáticos (16) para la limpieza de partículas cargables.

16ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque entre los dos codos (15, 18) situados antes de la entrada a la región de análisis (V) se hace uso de una empaquetadura de tubos, o de un panel 50 de celdillas prismáticas o tubulares (17) para la reducción del nivel de turbulencia del flujo.

17ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque entre el codo (18) situado

antes de la entrada a la región de análisis (V) y ésta (V) se hace uso de una etapa (19) de acondicionamiento y reducción del nivel de turbulencia del flujo.

18ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 16 caracterizado porque la etapa (19) de reducción del nivel de turbulencia del flujo incluye una empaquetadura de tubos, un panel de celdillas prismáticas o tubulares (19.1) o una rejilla poligonal. 5

19ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 17 caracterizado porque la etapa (19) de laminarización del flujo incluye una empaquetadura de tubos, o un panel de celdillas prismáticas o tubulares (19.1).

20ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque dispone de un difusor en dos tramos, uno (21) tras la región de análisis y otro (23) antes de la entrada al compresor (10) separados por un codo con vanos (22.1) redireccionadores. 10

21ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 20 caracterizado porque entre el difusor en dos tramos dispone de rejillas (21.2, 23.1) para la estabilización del flujo.

22ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque los conductos se encuentran achaflanados para evitar la aparición de zonas de recirculación cercanas a las esquinas.

23ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque tras la rendija (2.1) de 15 salida se dispone de un módulo de separación lineal o no lineal consistente en dos electrodos alimentados con una polarización según una onda asimétrica de polaridad alterna para establecer trayectorias quebradas divergentes para la distinción de partículas de movilidad eléctrica muy parecida.

24ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) d según la reivindicación 1 caracterizado porque antes de la entrada del compresor (10) se ha dispuesto un intercambiador de calor (24) para la reducción de la temperatura. 20

25ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque el sensor es un chip en el que se encuentran integrados los preamplificadores de corriente, conversores analógico-digital y de multiplexado digital de la señal de salida.

26ª. Analizador de movilidad diferencial (DMA) según la reivindicación 1 caracterizado porque el cuerpo (26) principal que configura la región (V) de análisis presenta sendos vaciados (26.1) en caras mayores enfrentadas cubiertas por 25 tapas (25) separadas entre sí por galgas (26.2.1) que quedan aprisionadas para el perfecto paralelismos entre una y otra tapa (25).