Sistema para disminuir a caída de presión en un analizador por movilidad eléctrica (DMA),

de los llamados del tipo Viena, que está construido de manera que favorece la asimetría del flujo, no presenta restricciones de éste para evitar fuertes caídas de presión y potentes bombeos, está provisto de un aislante eléctrico, a través del cual circula el gas de arrastre, y está dotado de un cono para estabilizar el flujo, todo ello en un único dispositivo con el que es posible cubrir un rango de medición de 1 a 600 nm. El aislante eléctrico empleado permite alcanzar diferencias de potencial de hasta 14 kV. Los correspondiente electrodos, interior y exterior, van montados conforme a lo señalado en la figura l. Aplicable a la medición de iones y partículas, del rango indicado, con resoluciones de hasta 12

Sistema para disminuir la caída de presión en un analizador por movilidad eléctrica (DMA).

La presente invención, que se pretende registrar bajo la modalidad de patente de invención, se refiere a un dispositivo único para medir iones y partículas desde 1 nm hasta 600nm, con resoluciones de hasta 12. Se alcanza este rango amplio de medida al disminuir la caída de presión en un analizador de movilidad diferencial (DMA), de tipo Viena (Winklmayr, W., Reischl, G. P., Lindner, A. O. y Berner, A., A New Electromobility Spectrometer for the Measurement of Aerosol Size Distributions in the Size Range From 1 to 1000 nm, J. Aerosol Sci. 22, 289-296, 1991). Además, tal rango se consigue con una capacidad de bombeo moderada, como por ejemplo por medio de una bomba de aspirador eléctrico. El dispositivo de la invención permite alcanzar diferencias de potencial de hasta 14 kV, siendo posible medir partículas de varios cientos de nm.

Antecedentes de la invención

Los DMA's clasifican partículas cargadas basándose en la capacidad de éstas para migrar cuando se someten a un campo eléctrico. Un DMA opera básicamente a base de introducir una muestra de partículas cargadas, en un cierto punto, en una corriente de gas limpio, que las arrastra a través de una zona sometida a un campo eléctrico. La combinación de éste con el campo fluido separa las partículas en función de sus respectivas movilidades eléctricas.

Dado que la movilidad eléctrica depende de la carga y del tamaño de las partículas, si se conoce la distribución de cargas de las partículas que entran en un DMA se puede determinar también su distribución por tamaños a la salida de éste.

Los DMA's tradicionalmente se han venido utilizando por la comunidad científica para estudios propios de campos relacionados con la protección del medio ambiente, como, por ejemplo, en los relativos a la obtención de la distribución de tamaños de las partículas de aerosoles atmosféricos o de emisiones producidas por procesos de combustión.

El rango de medida ha estado durante muchos años situado entre los 15 y los 1000 nm. Sin embargo, con el desarrollo de la nanotecnología y de otras técnicas analíticas de alta resolución se ha llegado a exigir la extensión de este rango a partir de 1 nm, para poder así separar con gran eficiencia partículas de tamaños muy próximos entre sí.

A título de ejemplo, las propiedades de los llamados materiales funcionales, o nanomateriales, dependen significativamente del tamaño de las Partículas utilizadas en la síntesis del correspondiente material. Es decir, que las partículas han de ser altamente monodispersas (muy del mismo tamaño). De ahí, la relevancia de disponer de instrumentación que cumpla unos muy estrictos requerimientos de resolución.

En el supuesto de que las partículas que se estén midiendo sean no difusivas, la resolución ideal del instrumento viene dada como la relación entre el caudal de gas de arrastre y el caudal de aerosol (Knutson, E. O. y Whitby, K. T. Aerosol classification by electric mobility: apparatus, theory and applications. J. Aerosol Sci. 6, 443-451, 1975). Sin embargo, el límite para alcanzar una alta resolución en el rango nanométrico es el de la difusión browniana.

Una estrategia para minimizar el efecto difusivo es la de aumentar el número de Peclet, o lo que es lo mismo, aumentar el número de Reynolds (de Juan, L. y Fernández de la Mora, J. Size Analysis of Nanoparticles and lons: Running a Vienna DMA of Near Optimal Length at Reynolds Numbers up to 5000. J. Aerosol Science 29, 617-626, 1998). Sin embargo, además de operar a altos caudales, el flujo debe permanecer en régimen laminar. En el caso de producirse una transición a la turbulencia, la resolución del instrumento se degrada drásticamente. Otra condición que debe cumplir el flujo es la que ha de ser axisimétrico.

En el diseño original de Winklmayr, el gas se extrae radialmente. Por ello, y para mantener la axisimetría del flujo, se impone una constricción aguas debajo de la ranura de salida del aerosol. El precio a pagar es el de una alta caída de presión, la cual impide alcanzar elevados caudales y, por tanto, altas resoluciones.

Un intento para solucionar este problema fue el de Rosser y Fernández de la Mora (Rosser, S. y Fernández de la Mora. J. Vienna-Type DMA of High Resolution and High Flow Rate. Aerosol Science and Technology, 39, 1191-1200, 2005) y el propio del prototipo previo de Martínez Lozano (Martínez-Lozano, P et al. Generation of Highly Monodisperse Particles via Electrical Mobility Analysis. Trends in Nanotechnology Conference (TNT2004), Segovia, 13-17 de Septiembre de 2004), en cuyos planteamientos se prevén dos cámaras de salida para evitar la asimetría causada por la salida convencional de los DMA's. Al duplicar las cámaras, es necesaria una constricción similar a las tradicionales, que aumenta la caída de presión en la salida del gas de arrastre.

Estos problemas han provocado la necesidad de utilizar dos DMA's diferentes para cubrir el rango de 1 a 600 nm, ya que un único instrumento no era capaz de cubrirlo con la resolución mínima adecuada.

Con el sistema que se propone aquí, en la presente invención, la salida del gas de arrastre se produce sin ninguna constricción en una única cámara, con extracción del gas de arrastre completamente axial, lo que permite que la caída de presión sea relativamente baja, alcanzándose así altos números de Reynolds. Esta caída de presión se minimiza sin utilizar difusores, siendo las paredes siempre paralelas, sin ángulo de divergencia. Como consecuencia de todo esto, se ha conseguido un único dispositivo capaz de medir en el rango de 1 a 600 nm, con resoluciones mayores de 10 y manteniendo la distancia entrada/salida de aerosol del DMA de Winklmyr. Cabe destacar también que su fabricación y montaje son sencillos.

Breve descripción de la invención

El DMA consta de un filtro de alta eficiencia, que permite que el gas de arrastre entre libre de partículas y distribuido uniformemente. Tras pasar el gas por una rejilla de laminación y una sección convergente, que laminan el flujo, el gas de arrastre pasa a través de la sección de clasificación de partículas. Aguas abajo de la sección de clasificación, el gas es extraído en la dirección axial, tras pasar por una pieza de Teflon® ranurada, que permite una única cámara de salida, y que actúa a la vez como soporte del electrodo interior y como aislante eléctrico. Aguas abajo, el gas es finalmente extraído a través de otra pieza de Teflon® convergente y una pieza metálica en forma de cono, cuyo objeto es el de evitar, en la medida de lo posible, inestabilidades del flujo, que podrían propagarse aguas arriba, hacia la sección de clasificación, y deteriorar la resolución.

El sistema de salida del gas de arrastre, compuesto por esta tres piezas, permite alcanzar resoluciones de hasta 12, con iones de aproximadamente 1 nm. La máxima diferencia de potencial que se alcanza, antes de llegar a la rotura dieléctrica, es de 14 kV, lo cual, junto con la distancia entre las ranuras de entrada y salida del aerosol, permite medir partículas de hasta 600 nm, con una relación de caudales de gas de arrastre y de aerosol de 3/0,3 y una resolución teórica de 10.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción, y al objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se incluyen varias figuras representativas de aspectos gráficos de la misma, y en ellas se muestra lo que sigue:

En la figura 1, una vista lateral del conjunto del DMA de la invención.

En la figura 2, una vista lateral detallada del conjunto de extracción de gas de arrastre, observándose una única cámara y la ausencia de constrictores.

En las figuras 3 a 6, las distintas piezas que componen el sistema de la fig. 2.

En la figura 3, el cono (pieza 2), situado aguas abajo, diseñado para estabilizar el flujo tras pasar el aire por la pieza 3.

En las figuras 4a y 4b, una vista lateral y en planta, respectivamente, seccionada de la pieza 4 situada aguas arriba de la pieza 3.

En la figura 5, la pieza 1, que conecta a la bomba extractora de gas de arrastre y permite su extracción axial.

En la figura 6, una vista en planta de la pieza 3 que aísla eléctricamente el electrodo interior y exterior, y que además sostiene a aquél.

En la figura 7, se representa...

1. Sistema para disminuir la caída de presión en un analizador por movilidad eléctrica (DMA), de los llamados del tipo Viena, que se caracteriza por comprender:

- una pieza circular (3) aislante a través de la cual circula el gas de arrastre en dirección axial con tres orificios ranurados concéntricos y un cuarto orificio horadado radialmente por el que se introduce el tubo de salida del aerosol monodisperso (13)

- una pieza cónica (2) para estabilizar el flujo situada aguas abajo de la pieza circular (3)

- Pieza de extracción (1) del gas de arrastre

- un tubo por el que se extrae el aerosol monodisperso (13) que va roscado a la pieza cónica metálica (2).

2. Sistema para disminuir la caída de presión en un analizador por movilidad eléctrica (DMA), según reivindicación 1 caracterizado porque la pieza circular (3) y la pieza de extracción (1) son de Teflon®.

3. Sistema para disminuir la caída de presión en un analizador por movilidad eléctrica (DMA), según reivindicación 1 caracterizado porque la pieza cónica (2) es metálica.

4. Analizador por movilidad eléctrica (DMA) caracterizado por comprender el sistema de la reivindicación 1.