DE2136456A1

DE2136456A1 - Ultraschallzerstäuber zum Zerstauben von Flüssigkeiten und zur Bildung von Aerosolen

Info

Publication number: DE2136456A1
Application number: DE19712136456
Authority: DE
Inventors: Jan Erik M Sc Ekero Tysk (Schweden)
Original assignee: Lkb Medical Ab, Bromma (Schweden)
Priority date: 1970-07-23
Filing date: 1971-07-21
Publication date: 1972-01-27
Also published as: GB1356810A; FR2103181A5; US3729138A; SE343217B

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

PATENTANWÄLTE θ MÜNCHEN 8O. MAUERKIRCHEFiSTR, 45

Dr. Berg Dipl.-Ing. Stapf, 8 München 80, Mauerkircherstraße 45 ·

Ihr Zeichen

Ihr Schreiben

21 32^ 21. Jul! 1971

Anwaltsakte j 21 328

LKB-Medieal AB Bromma / Schweden

Ultraschallzerstäuber zum Zerstäuben von Flüssigkeiten und zur Bildung von Aerosolen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallzerstäuber zum Zerstäuben von Flüssigkeiten und zur Bildung von zu verschiedenen Zwecken verwendbaren Aerosolen aus

-2-

109885/0243

der zerstäubten Flüssigkeit und einem Trägergas,

Beim Zerstäuben von Flüssigkeiten mittels ■Ultraschallzerstäubern treten verschiedenartige Probleme auf. Diese äußern sich beispielsweise in der Schwierigkeit, die während einer Zeiteinheit zerstäubte Flüssigkeitsmenge zu steuern bzw. diese Flüssigkeitsinenge unter Beibehaltung der gewünschten Tröpfchen- oder Teilchengröße des Zerstäubungsprodukts einfach und sicher zu regeln, Y/eitere Schwierigkeiten bietet die ausreichende Kühlung des Schwingungserzeugers oder Schwingelements, ohne welche eine Steigerung der zugeführten Energie nicht in ausreichendem Maße möglich ist. Darüberhinaus treten bei bekannten Ultraschallquellen mit einem schwingungserzeugenden Kristall und einer mittels eines Bindemittels stoffschlüssig daran befestigten Hartmetallplatte insbesondere beim Zerstäuben von Salzlösungen Korrosionserscheinungen auf. Die vorstehend angeführten Mangel wurden bei be-) kannten Ultraschallzerstäubern noch nicht in befriedigender Weise überwunden, so daß solche Zerstäuber bisher nicht die wünschenswerte Verbreitung fanden.

Die Erfindung löst die aufgezeigten Probleme und schafft einen Ultraschallzerstäuber, welcher aufgrund seiner Betriebssicherheit und Anpassungsfähigkeit vielseitig verwendbar ist.

-3-

109885/0243

•AD ORfGfNAt

⁵" 2136A56

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung daß eine besonders wirksame Ultraschallζerstäubung erzielbar ist, wenn zwischen der Schwingungsquelle bzw. dem eigentlichen Schwingungserzeuger und einem Schwingungs element , welchem die zu zerstäubende Flüssigkeit zugeführt wird, ein aus einer Flüssigkeit, beispielsweise V/asser, gebildetes Übertrarungsmedium angeordnet ist. Demgemäß schafft die Erfindung einen Ultraschallzerstäuber mit einer Zerstäuberkammer mit einem Einlaß für die Zufuhr der zu zerstäubenden Flüssigkeit zum Schwingungselement, einem Einlaß für den Zutritt eines Trägergases in die Kammer, und einen Auslaß für das in der Kammer gebildete Aerosol, und mit einer in \7irkverbindung mit- der Kölner angeordneten Schwingungsquelle zum Lrzeu^en ae.r Schwingungen für die zur Bildung des Aerosols notwendige Zerstäubung der Flüssigkeit. Zur iirzielun.T der angestrebten Y/ir-arn/j weist der Ultraschallzerstäuber gemäß der Erfindung eine in Verbindung mit der Sohv;in~ungFquelle ar.reor.lnete Kammer für ein iJbertra~un-7S!r_;ediuin zum Übertrajen der Ultraschallener/ne von der jltrsschaliquelle p.uf ein dieser gegenüber ar· ο er Kammer, zunächst der L'ündung des Einlasses fv.r die zn zerstäubende Flüssigkeit- angeordnetes gungselement auf.

0 9 8 8 5 / 0 2 4 3 ^fiAD

In Fällen, in denen eine vorbestimmte Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit zerstäubt werden soll, erfolgt die Zufuhr der Flüssigkeit zum Schwingungselement vorzugsweise über eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine Verdrängungspumpe, mittels welcher ein gesteuerter Zustrom der Flüssigkeit in der gewünschten Menge pro Zeiteinheit erzielbar ist.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfin-" dung ergeben sich aus der foogenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßennUltraschallzerstäubers in schematisierter Teil-Schnittansicht dargestellt ist.

Der in der Zeichnung dargestellte Ultraschallzerstäuber weist einen Behälter 1 auf, welcher ein mit einem oberen, kreisförmigen Grundriß aufweisenden Teil 5 trennbar verbundenes, ebenfalls kreisförmigen Grundriß aufweisendes unteres Teil 3 enthält. Die Verbindung der Behälterteile 3 und 5 kann auf verschiedene Weise bewirkt sein, beispielsweise durch einfachen Preßsitz, so daß sich das Oberteil 5 leicht abnehmen läßt, um das Innere des Zerstäubers zugänglich zu machen. Im Oberteil 5 des Behälters 1 ist in der Seitenwandung ein Gaseinlaß 13

—5— 109885/0243

angeordnet. Ein Gasauslaßschacht 25 ragt konzentrisch in das Oberteil 5> so daß er mit seiner Mündung 16 innerhalb des Behälters 1 liegt. Am oberen Ende ist der Gasauslaßschacht 25 etwa im rechten Winkel abgeknickt und setzt sich in einem engeren Rohr 15 fort. Zu nachstehend erläuterten Zwecken ist am Behälter 1 noch ein Ablaßstutzen 17 vorgesehen.

In Verbindung mit dem Boden des unteren Teils 3 des Behälters 1 ist eine Ultraschall- oder Schwingungsquelle angeordnet. Die Schwingungsquelle 7 besteht beim dargestellten Ausführungsbeispiel in an sich bekannter Weise aus einem mit elektrischer Energie gespeisten piezoelektrischen Kristall. Wirkungsmäßig bildet die Schwingungsquelle einen Teil des Bodens des unteren Teils 3 ο Das Unterteil 3 des Behälters 1 bildet einen flüssigkeitsdichten Behälter für die Aufnahme eines flüssigen Übertragungsmediums, beispielsweise Wasser, und vorzugsweise destilliertes oder entionisiertes Wasser.

Ähnlich dem Unterteil 3 hat das Oberteil 5 einen Boden, in den eine wirkungsmäßig einen Teil des Bodens bildende Schwingungsplatte 19 eingesetzt ist. Die Schwingungsplatte ist aus einem harten Werkstoff, beispielsweise UIaS gefertigt. Die Dicke der Schwingungsplatte 19 ist vor-

-6-109885/0243

zugsweise auf die Hesonanz der Schwingungsquelle abgestimmt und beträgt zweckmäßig ein ganzzahliges Vielfaches vonTV/2, worin 7\die Wellenlänge der von der Schwingungsquelle 7 ausgehenden Ultraschallenergie bedeutet. Die Schwingungsplatte 19 ist im wesentlichen parallel zur Schwingungsquelle 7 angeordnet. In Verbindung mit der im dargestellten Beispiel kreisförmigen Schwingungsplatte 19 ist ein kreisförmig konisches Leitblech 21 vorgesehen. Das mit der Schwingungsplatt,e 19 konzentrische Leitblech 21 erstreckt sich aufwärts und auswärts seitlich über die Mündung 16 des Gasauslaßschachts 25 hinaus.

Hinsichtlich der Parallelität der Schwingungsquelle 7 zur Schwingungsplatte 19 erwies sich, daß die Anordnung der beiden !Teile unter einem in der Zeichnung mit <*- bezeichneten kleinen Winkel gewisse Vorteile, insbesondere bei Inbetriebnahme der Vorrichtung bietet. Mit den in ) der Zeichnung gegebenen Bezeichnungen, wobei L die Breite bzw. der Durchmesser der Schwingungsquelle und a das Maß der Neigung am Rand der Schwingungsquelle angibt, läßt sich der Winkel °t-durch folgende Gleichung bestimmen:

a k . _

tg öl- = £ = . 2

worin k = 0,2 bis 1 und

7\ = die Wellenlänge der Ultraschallenergie ist.

109885/0243

Die Strecke a liegt vorzugsweise im Bereich von einigen

„,,-. -^ , -T₄. 7\ nicht übersteigen. Zehnteln von/\ und sollte — ^LX^— ^ö

Bei einer Frequenz der erzeugten Schwingungen von 3 mhz "beträgt der Winkel <x vorzugsweise 0,2 bis 0,5 ·

Die geringe Abweichung von der Parallelität zwischen der Schwingungsquelle 7 und der Platte 19 hat zur Folge, daß die Abstimmung der Dicke der Platte 19 zur Erzielung eines Resonanzsystems sehr viel weniger kritisch, ist als bei vorhandener Parallelität.

Die zu zerstäubende Flüssigkeit fließt über eine Zuleitung 23 und wird mittels einer Pumpe P über eine Zufuhrleitung 11 zur Platte 19 gefördert, wie in der Zeichnung durch die Pfeile C und D angedeutet. Die Mündung der Zufuhrleitung 11 ist zur engen Anpassung an die Oberfläche der Platte 19 abgeschrägt.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung hat die folgende Wirkungsweise:

Nach Abnahme des Oberteils 5 mit den daran angeordneten Gas-Ein- und Auslässen 13 bzw. 25 wird das Unterteil 3 mit einem Übertragungsmedium, im dargestellten Beispiel mit Wasser, gefüllt. Im Ruhezustand braucht der Wasserstand nicht bis an die Platte 19 heranzureichen, wenn

-8-109885/0243

das Oberteil 5 auf das Unterteil 3 aufgesetzt ist. Im Betrieb der Schwingungsquelle 7 wird der mittlere Teil der Flüssigkeitsoberfläche aufgrund des durch die Ultraschallenergie erzeugten Strahlungsdrucks nämlich so weit angehoben, bis die Flüssigkeit mit der Unterseite der Schwingungsplatte 19 in Berührung kommt, wie in der Zeichnung gestrichelt angedeutet.

Über den Einlaß 13 wird dem Behälter 1 in Richtung des Pfeiles A eine gesteuerte Strömung eines Trägergases zugeführt. Die Gasauslaßanordnung 25, 15 ist an einem mit dem Aerosol zu versorgenden Abnehmer angeschlossen. Beispielsweise einem Beatmungsgerät, einem Ölbrenner od. dergl. . Bei Erreichen einer gewünschten Strömungsrate des Trägergases wird die Ultraschallquelle 7 und die Pumpe P in Betrieb feesetzt. Die Pumpenleistung wird so eingestellt, daß der Platte 19 eine vorbestimmte Flüssigkeit smenge pro Zeiteinheit zufließt. Die Flüssigkeit wird auf der Platte 19 zerstäubt und in Richtung des Pfeiles B im Trägergasstrom durch das Rohr 15 ausgetragen.

An den Innenwandungen des Auslaßschachts 25 möglicherweise abgesetzte Flüssigkeit kehrt über das konische Leitblech 21 auf die Schwingungsplatte 19 zurück und wird erneut zerstäubt. Auf diese Weise ist die Zerstäubung

-9-

109685/0243 „_ίΛ1κ>

•AD ORiQtN

der gesamten zugeführten Flüssigkeit gewährleistet und eine zuverlässige Dosierung ermöglicht. Zu Beginn des Zerstäubens kann es vorkommen, daß etwasvon der zugefuhrten Flüssigkeit verspritzt wird und über das konische Leitblech 21 unter der Mündung 16 des Auslaßschachts 25 hinweg gelangt. Diese Flüssigkeit tritt in Richtung des Pfeiles E durch den Ablaßstutzen 17 aus.

Die vorstehend beschriebene Anordnung bietet verschiedene Vorteile. Das Vorhandensein des Übertragungsmediums 9 bewirkt eine ausreichende Kühlung der Schwingungsquelle 7ο Dadurch kann die Energiezufuhr in einem Maße gesteigert werden, wie es bei bekannten Vorrichtungen ohne Überhitzung nicht möglich war₀ Da die Schwingungsplatte 19 von der eigentlichen Schwingungsquelle 7 getrennt angeordnet ist, treten bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Probleme bekannter Vorrichtungen wie Korrosion, die Ausbildung einer haltbaren Verbindung zwischen der Schwingungsquelle und der Schwingungsplatte usw. nicht auf. Da ferner die Schwingungsplatte bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht an dem teuren piezoelektrischen Kristall der Schwingungsquelle 7 befestigt ist, ist sie leicht auswechselbar und kann aus einem billigeren Werkstoff von geringer Betriebalebensdauer wie etwa Glas gefertigt sein.

Aufgrund der .geringen Abweichung von der Parallelität"

-10 109885/Q243

zwischen der Schwingungsquelle 7 und der Platte 19 läßt sich der Zerstäuber seür zuverlässig in Betrieb setzen, und die Abstimmung der Schwingungsplatte 19 auf die Resonanz der Schwingungsquelle 7 ist nicht kritisch.

Angesichts dieser Eigenschaften ist der erfindungsgemäße ultraschallzerstäuber mit seiner Fähigkeit, ein Aerosol von genau bestimmbarer Zusammensetzung zu erzeugen, vielseitig verwendbare So eignet er sich zur Verwendung mit Beatmungsgeräten für die Zufuhr von Feuchtigkeit, Narkosemitteln od. dergl., für Flammenspektrofotometrie, zur Brennstoffzufuhr in Dieselmotoren, ülbrennern oder auch Strahltriebwerken und dergl. mehr.

Die Erfindung ist nicht auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So können die Schwingungsquelle 7 und die Platte 19 auch anders als waagerecht, beispielsweise senkrecht, angeordnet sein. ) Ferner kann anstelle der Pumpe P eine andere Einrichtung für die Zufuhr der Flüssigkeit, beispielsweise eine Tropfflasche, vorhanden sein. Eine Verdrängungspumpe oder volumetrische Pumpe eignet sich jedoch besonders hierfür, da mit ihr eine genaue Dosierung der der Platte 19 pro Zeiteinheit zugeführten Flüssigkeitsmenge möglich ist. Vfeiterhin kann die Zufuhr der Flüssigkeit in

-11-109885/0243

gleichmäßiger Verteilung entlang dem Rand der Platte erfolgen, wozu entweder ein sich über deren Umfang erstreckender Schlitz oder entlang dem Umfang der Platte gleichmäßig verteilte Durchlässe gebildet sein können.

Somit schafft die Erfindung einen Ultraschallzerstäuber zum Zerstäuben von Flüssigkeiten und zur Bildung von Aerosolen, mit einem eine Zerstäuberkammer umgebenden Behälter mit einem Einlaß für die zu zerstäubende Flüssigkeit, einem Einlaß für ein Trägergas und einem Auslaß für das gebildete Aerosol und mit einer in Wirkverb indun/? mit der Kammer angeordneten Ultraschall-Schwingungsquelle für die Zerstäubung der Flüssigkeit, wobei in Wirkverbindung mit der Schwingungsquelle eine Kammer für ein Übertra_: ungsmedium zum Übertragen von Ultraschallenergie von der Ultraschall-Schwingungsquelle auf ein an der gegenüberliegenden Seite der Kammer angeordnetes Schwingungselement vorgesehen ist.

Patentansprüche: -12-

109885/0243

Claims

Patentansprüche :

1. Ultraschallzerstäuber zum Zerstäuben von Flüssigkeiten und zur Bildung von Aerosolen, mit einem eine Zerstäuberkammer bildenden Behälter mit einem Einlaß für die Zufuhr einer zu zerstäubenden Flüssigkeit zu einem Schwingungselement, einem Einlaß für die Zufuhr eines Trägergases in die Kammer und einem Auslaß für den Austritt des gebildeten Aerosols aus der Kammer, und mit einer Verbindung mit der Kammer angeordneten Ultraschall-Schwingungsquelle zur Erzielung der für die Bildung des Aerosols erforderlichen Zerstäubung der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit der Schwingungsquelle (7) eine Kammer (3) für ein Übertragungsmedium (9) zum Übertragen der Ultraschallenergie von der Ultraschall-Schwingungsquelle auf das in bezug auf die Kammer dieser gegenüber nahe der Mündung des Einlasses (11) für die zu zerstäubende Flüssigkeit angeordnete Schwingungselement (19) vorgesehen ist.

2ο Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberkammer aus einem zweiteiligen Behälter (1) besteht, dessen beide Teile jeweils einen Boden aufweisen, wobei der Boden des unteren, für die Aufnahme des Übertragungsmediums (9) bestimmten Teils (3)

-13-

10988S/02A3

teilweise oder ganz durch die Ultraschall-Schwingungsquelle (7) gebildet ist und der Boden des oberen Teils (5) ganz oder teilweise durch das Schwingungselement (19) gebildet ist und einen Deckel für das untere Teil bildet.

3. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit dem Schwingungselement (19) ein konisches Leitblech (21) vorgesehen ist, welches sich vom Schwingungselement aufwärts und auswärts erstreckt und für die Rückführung von kondensierter oder nicht zerstäubter Flüssigkeit zum Schwingungselement eingerichtet ist.

4. Ultraschallzerstäuber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungselement (19) in Form einer Platte mit paralleleln Oberflächen aus einem harten Werkstoff, beispielsweise Glas gebildet ist.

ο Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Platte (19) derart auf die Resonanz der Schwingungsquelle (7) abgestimmt ist, daß sie ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge 7^ darstellt.

-14-109885/0243

6. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die dem Übertragungsmedium (9) zugekehrte aktive Oberfläche der Schwingungsquelle (7) zur Erleichterung der Inbetriebnahme des Zerstäubers in einem kleinen Winkel oC zur Schwingungsplatte (19) angeordnet ist.

7. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Winkels <=£■ zwischen 0,2 und 0,5° beträgt.

109805/0243