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Verrichtung zum Vernebeln von Flüssigkeiten mit Ultraschall Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung, um Flüssigkeiten möglichst wirkungsvoll und wirtschaftlich,
insbesondere bei hohen frequenzen mit Ultraschall zu versprtthen bzwO zu vernebeln.
Sß ißt bekannt, daß Flüssigkeiten durch die Einwirkung von Ultraschallschwingungen
vernebelt werden können, insbesondere bei hohen Frequenzen. Dieser Vorgang beruht
darauf, daß sich uf der ultraschallerregten Flüssigkeitsoberfläche Kapillar wellen
ausbilden, die bei Überschreitung einer gewissen Grenzamplitude Flüssigkeitströpfchen
ablösen und diese als nebel aus der Flüssigkeitsoberfläche aussoßen. Bei fast allen
Vorrichtungen zur Aerosol-Erzeugung mit Hilfe von Ultraschallschwingungen läßt man
entweder die zu vernebelnde flüssigkeit auf die Oberfläche des intensiv erregten
Ultraschallschwingers auf tropfen oder erregt ein Flüssigkeitsbad von unten her
mit intensiven Ultraschallschwingungen. Bei hohen frequenzen bildet sich hierbei
der allgemein bekannte "Ultraschallsprudel" infolge des Strahlungsdruckes der Ultraschallschwingungen
auf der Flüssigkeitsoberfläche aus, An seiner Oberfläche tritt bereits die gewünschte
Vernebelung der Flüssigkeit ein. Bei modernen Aerosol-Erzeugern, die insbesondere
zu medizinischen Zwecken ftlr die Inhalation benutzt werden, steigert man die Wirkung
nooh dadurch, daß man die Flüssigkeitsoberfläche von unten her durch einen fokussierenden
Ultraschallstrahler besonders intensiv erregt und hierdurch einen besonders kräftigen
Flüssigkeitssprudel mit der entsprechenden Vernebelung erzielt. Um eine vorgegebene
Flüssigkeitsmenge pro Minute zu zerstäuben, ist eine verhältnismäßig hohe Leistung
erforderlich0
Wie eingehende Untersuchungen gezeigt ha.beng ist
die Energieausbeute derartiger Anordnungen außerordentlich gering. Es müssen einige
100 Watt Ultraschall-Leistung aufgebracht werden während theoretisch die Zerstäubung
der entsprechenden Füssigkeitemenge theoretisch nur, wenige Watt erfordern dürfte.
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Eingehende Untersuchungen zeigten, daß. der wesentliche Teil der Verluste
in der unnötigen Dynamik zur Bildung dos Flüssigkeitssprudels auftreten sowie in
der Kavitation, die bei der fokussierten Strahlung im Sprudel auftritt und die Schall
schwingung beträchtlich dämpft, bevor sie überhaupt die Flüssig keitsoberfläche
des Sprudels erreichen kann, um das gewünschte Aerosol zu bilden. Weitere Verluste
liegen in der Anpassung des Ultraschallerzeugers an die angrenzende Flüssigkeit,
indem der Ultraschallerzeuger durch die angrenzende große Fl2ssigkeitsmenge stark
gedämpft wird und ihm viel Energie zugeführt werden muß, um an der Flüssigkeitsoberfläche
die erforderliche große Schwingungsamplitude zu erreichen.
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Die neue Vorrichtung zum Vernebeln von Flüssigkeiten mit Ultraschall
vermeidet alle diese Nachteile durch Benutzung ein Festkörpers aus gut schalleitendem
Material, dessen eine Stirneeite mit einem fokussierenden Ultraschallerzeuger ge
koppelt und dessen gegenüberliegende Stirnseits zum Abnebeln der Flüssigkeit ausgebildet
ist. bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung treten die genannten Verluste nicht
mehr ein, Der fokussierende Ultraschallerzeuger ist nahezu ideal an, den angrenzenden
Festkörper angekoppelt, der. seinerseits als gut schalleitender Körper die fokussierte
Strahlung auf einen geringen Querschnitt seiner dem Ultraschallerzeuger gegenüber
Liegenden Stirnseite konzentriert. Auf diese Zone der mit konzentrierten Ultraschallschwingungen
erregten Fastkörperoberfläche wird mit geeigneten Mitteln eine dünne Schicht der
au vernebelnden Flüssigkeit aufgebracht. Die Dämpfung der Ultraschallschwingungen
infolge dieser dünnen Flüssigkeitsschicht ist somit minimal und praktisch zu vernachlässigen,
so daß die gesamte Schwingungsenergie nur Verfügung @@teht, um auf der dünnen Flüssigkeitsschicht
Kapillarwellen und somit
ein Aerosol zu erzeugen.
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Die Figuren t bis 3 veranschaulichen den Gegenstand der Erfindung.
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Figur 1 seigt die einfachste Form eines Peetkörperavernebelers mit
fokussierendem Ultraschallerzeuger.
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Figur 2 seigt einen kegelförmig ausgebildeten Ultraschallvernebeler
mit axialer Flüssigkeitsversorgung.
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Figur 5 seigt einen als Doppellcegel ausgebildeten Ultraschallvernebeler
mit axialer Flüssigkeitsversorgung und Heiz- und Kühlvorrichtungen.
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Im einzelnen zeigt Figur 1 bei 1 den Festkörper aus gutschallleitendes
Naterial, an dessen einer Stirnseite ein fokussierender, schalenförmiger Ultraschallerze@ger
2 angekoppelt ist.
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»ie gegenüberliegende Stirnseite 3 ist mit einen. ebenfalls schalenförmigen
kleinen Einsenkung 4 versehen9 in welche durch eine DUsÖ 5 die Vernebelnde Flüssigkeit
aufgetropft wird.
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Man erkennt leicht, daß das Material außerhalb des fokuszierenden
Strahlenganges 6 ganz überflüssig ist und deshalb fortgelassen, werden kaflno Dies
Überlegung führt zu dem als Kegel ausgebildeten in Figur 2 wiedergeben Festkörper
1' mit der schalenförmigen Einsenkung 49 bei dem glichen vom Ultraschallerzeuger
2 ausgehenden Strahlengang 6. Die Länge des Kegels ist etwas geringer als die Brennweite
des Ultraschallerzeugers 2.
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Ferner erkennt man in Figur 2 einen axialen Kanal 7, der von einem
radialen Kanal 8 mit Fl2ssigkeit gespeist wird, die aus einer "Mariott'schen Flasche
9" nachgeliefert wird0 Eine derartige "Mariott'sche Flasche" gestattet bekanntlich,
Flüssigkeit auch beim Absinken des Flüssigkeitsspiegels, stets unter konstantem
Druok austreten zu lassen, so daß sich ganz unabhängig vom F2llstand in der Flasche
stets der Flüssigkeitsspiegel 10 in der Höhe einstellt, die demunteren Ende des
Rohree 11 entspricht. Im Ruhezustand tritt somit keinerlei Flüssigkeit aus dem Kegelstumpf
aus. Wird schallerzeuger 2 eingeschaltet, so entsteht im Kegel- Inneren in Strahlungsrichtung
ein @@@@@@@@gsdruck, der den Flüssigkeitsspiegel
10 in die Höhe
treibt, so daß er die schalenförmige Eindrehung ; 4' erreicht' wodurch die Vernebelung
beginnt.
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Beim Ausschalten des Ultraschallerzeugers 2 sinkt der Flüssigkeitsspiegel
auf die gezeichnete Hdhe 10 zurück. Diese An-Ordnung arbeitet vollautomatisch ohne
jegliches Ventil. Außerdem ist der Schallstrahlungsdruck der Intensität proportional,
so daß also bei wachsender ultraschall-Leistung auch mehr Flüssigkeit nach. oben
gefördert wird0 Die beschriebene Anordnung gemäß Figur 2 hat noch den Nachteil,
d'aß die in derscha-@enförmigen Einsenkung 4' gesammelt Flüssigkeit in der Mitte
eine wesentlich dickere Flüssigkeitsschicht bildet als am Rand. Dieses aber bedeutet
eine unnötige zusätzliche Dämpfung und keine optimale Ausnutzung energie, da es
darauf ankommt, einen möglichst dünnen Flüssigkeitsfilm zu vernebeln. Günstiger
ist daher eine Anordung gemäß Figur 3v bei der der Ultraschallerzeuger 2 an einen
Doppelkegel 1" angekoppelt ist. Dieser Doppelkegel besitzt seine engste Stelle (seinen
"Hals") in der Höhe des Brennpunktes des fokussierten Schallstrahlenbändels 6. Jenseits
dieses Brennpunktes divergiert das Bündel wiederum und erreicht die konvexe Vernebelungsfläche
4". Diese Anordnung besitzt zahlreiche Vorteile: Da sich das untere Ende des axialen
Kanales 7 in Nähe des Schallbrennpunktes, also in einer Zone höchster Energiekonzentration
befindet, ist der Schallstrahlungsdruck im Kanal 7 bei dieser Anordnung besonders
groß d.h. der.
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Flüssigkeitsspiegel 10' darf sich merklich tiefer unter der Fläche
4" befinden als in der Anordnung gemäß Figur 2, wedurch die Betriebssicherheitwächstund
auch dann, wenn die Anordnung in gewissen Grenzen geneigt wird, keine Flüssigkeit
austritt.
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Außerdem zerfließt die Flüssigkeit infolge der konvexen Krümmung
der Vernebelungsfläche 4" sofrt zu einem sehr d'L1',nnen Flüssigkeitsfilm, wodurch
die Bedämpfung durch die Flüssigkeit auf ein Minimum herabgesetzt wird und die Güte'
des gesamten Schwingungssystems infolge dieser minimalen Wirklast sehr hoch wird,
so daß sich mit sehr kleinen Ultraschall-Leistungen bereits vernebeln läßt. Ferner
ist, wie man leicht erkennt, die Vernebelungsfläche merklich größer als bei den
Anordnungen gemäß Figur 1 und Figur 2, Die Anordnung gestattet in vorzüglicher Weise
die Ultraschall-Leistung an die geforderte Vernebelungsmenge
anzupassen
d.h. auf ein Minimum zu beschränken: Man wählt zunächst den Doppelkegel zu langD
steigert die Ultraschall-Leistung über den zur Vernebelung erforderlichen Schwellenwert
und erhält infolge der zu großen Vernebelungsfläche 4" eine zu hohe, nicht geforderte
VErnebelungsleistung.
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Nunmehr reduziert man die Länge des Doppelkegels mehr und mehr9 wobei
man infolge der wachsenden Strahlungsdichte die Ultraschall-Leistung entsprechend
reduzieren kann, bis die Vernebelungefläche 4" die Abmessung erreicht, die der geforderten
Nebelerzeugung entspricht. Gleichzeitig ist hierbei die erforderliche Ultraschall-Leistung
auf das denkbar Minimum reduziert.
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Die größere Länge des Doppelkegelkörpers 1" bietet außerdem den Vorteil,
daß die Eigenfrequenzen des Gesamtsystems näher beieinander'liegen als bei einem
kurzen Festkörper. Hierdurch wird die Abstimmung entsprechend erleichtert und die
Betriebssicherheit wächst. Aus dem gleichen Grunde kann es auch zweckmäßig sein,
die Fläche 4" mit Rillen oder anderen Unebenheiten zu versehen. Hierdurch wird die
Resonanzschärfs der.
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Eigenschwingungen ebenfalls vermindert und die Abstimmung erleichtert.
Außerdem können derartige Unebenheiten oder Rillen den Vorteil bringen, daß die
Benetzung verbessert und bei zu vernebelnden Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung,
die sich nicht ohne weiteres auf der konvexen Fläche zum dunnen Film ausbreiten
würden, die Oberfläche aufgerissen und an jeder Unebenheit ein dünner Film gebildet
wird.
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Die Anordnung gemäß Figur 3 bietet noch einen weiteren Vorteilt Die
Ultraschallvernebelung von Flüssigkeiten sinkt außerordentlich stark mit wachsender
Viskosität der zu vernebelnden Flüssigkeit abO Sollen trotzdem hochviskose Flüssigkeiten
oder zOBo auch Metalle bei ihrem Sohmelzpunkt vernebelt werden, so ist es außerordentlich
wünschenswert, bei hohen Temperaturen vernebeln zu können. Die Anordnung gemäß Figur
3 ist besondera geeignet für derartige Zwecke@ Mit 12 is.t eine elektrische Heizwicklung
bezeichnet, mit 13 Kühlschlangen. Der verhältnismäßig enge Hals des Doppelkegels
gestattet
nun in geradezu idealer Weise eine Drosselung des Wärmeüberganges vom oberen geheizten
Kegel teil zuni unteren gekühlten. außerdem wird man den Festkörper in diesem Falle
aua einem glkt schalleitenden, aber schlecht wärmeleitenden Material herstellen,
beispielsweise aus Keramik9 Porzellan usw.
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Heizwicklung und Kühlschlange sind nur als symbolisches Beispiel für
ein derartiges Vorgehen angedeutet. In leicher Weise wäre es beispielsweise möglich,
den unteren Teil des Doppelkegels in ein Kühlbad enzubringen, den oberen Teil -
evtl. mit Verso@gungsgefäß 9 - gn einen Schmelzofen hineinragen zu lassen9 um Metalle
aus ihrer Schmelze zu vernebeln.
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Prinzipiell sind die in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Anordnungen
natürlich nicht auf schalenförmige Ultraschallsohwinger und kegelförmige Festkörper
beschränkt, sondern es kennen auch rinnenförmige Ultraschallschwinger und prismatisch
Festkörper Verwendung finden, wenn es darauf ankommt, Anlagen großer Leistung und
hohen Durchsatzes zu erstellen Derartige An ordnungen würden lediglich eine geometrische
Variante des erfindungsgemäßen Gedankens bedeuten0