DE2831553A1

DE2831553A1 - Verfahren zur ultraschall-fluessigkeitszerstaeubung

Info

Publication number: DE2831553A1
Application number: DE19782831553
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dietrich Dipl Phys Drews
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-07-18
Filing date: 1978-07-18
Publication date: 1980-01-31

Description

Verfahren zur Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubung.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubung, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
Es ist bekannt, zur Erzeugung feinster Aerosole im hochfrequenten Ultraschall-Bereich piezokeramische Dickenschwinger zu verwenden, die ihrem Arbeitsprinzip, verbunden mit starker Eigenerwärmung, entsprechend mit großen Flüssigkeitsmengen in Kontakt zu bringen sind. Die Zerstäubung erfolgt durch Erzeugung eines sogenannten Ultraschall-Sprudels. Für eine auf diesem Prinzip beruhende Flüssigkeitszerstäubung sind unter anderem mit Rücksicht auf die auf der Zerstäuberoberfläche befindliche dicke Flüssigkeitsschicht große Anregungsleistungen erforderlich. Diese Flüssigkeitsschichten können mehrere cm dick sein.
Aus der DT-PS 2 032 433 ist ein Flüssigkeitszerstäuber bekannt, bei dem mit Biegeschwingungen gearbeitet wird und bei dem in dünner Schicht auf die Zerstäuberplatte aufgebraohte Flüssigkeit zu feinstem Aerosol zerstäubt wird. Ein solches Zerstäubersystem arbeitet mit Anregungsfrequenzen im Bereich von etwa 100 kHz und führt zu einem häufigsten Flüssigkeitströpfchen-Durchmesser in der Größenanordnung von 15/um Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, eine in nur geringer Menge zur Verfügung stehende Flüssigkeit zu einem äußerst feinen Aerosol mit Tröpfchengrößen im Bereich von 1 bis 6/um zu zerstäuben, wobei insbesondere darauf Wert gelegt ist, daß der Zerstäuber möglichst wenig Wärme erzeugt, die auf die Flüssigkeit übertragen wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Patentanspruch 1 angegeben ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel ist z.B. der Einsatz eines der Erfindung entsprechenden Flüssigkeitszerstäubers in einem Analysegerät, wie z.B. in einem Blutanalysegerät. Dort sind feinste Aerosole einer nur geringen, zur Verfügung stehenden Blutprobe herzustellen.
rinne andere wichtige Anwendung ist ein Kurzzeit-Inhalationsgerät, bei dem eine sehr geringe und dazu definierte Flüssigkeitsmenge von z.B. 0,02 bis 0,05 ml in ein exakt dosiert wirksames medizinisches Aerosol feinster Tröpfchen zu zerstäuben ist.
Ein nach der Erfindung arbeitender Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber wird mit Frequenzen im Bereich von MHz betrieben, d.h. mit vergleichsweise zum Zerstäuber des obengenannten Patents erheblich höherer Frequenz. Das mit entsprechend hochfrequenter Wechselspannung anzuregende piezokeramische Anregungsteil überträgt die Ultraschall-Leistung auf das mit diesem Anregungsteil mechanisch fest verbundene metallische Resonanzteil. Metall ist für das Resonanzteil deshalb gewählt, um eine extrem gute Wärmeableitung zu erreichen. Im Nahfeld des schwingenden Zerstäubers erfolgt bei Belegung desselben mit einer dünnen, z.B. kleiner als 2 mm dicken, Flüssigkeitsschicht eine äußerst effektive und intensive Zerstäubung.
Auf der schwingenden Zerstäuberoberfläche bilden sich im Gegensatz zur bekannten Zerstäubung durch Ultraschall-Sprudel durch Interferenz entstehende Wellenbilder mit Wellenlängen zwischen z.B. t bis 2 mm aus. Auf den Wellenbergen findet infolge einer Energiekonzentration eine Ausbildung der für die Zerstäubung nach diesem Prinzip notwendigen Kapillarwellen statt.
Die Flüssigkeitszufuhr der zu zerstäubenden Flüssigkeit kann über eine von außen an die Zerstäuberoberfläche herangeführte Zufuhrleitung erfolgen. Andererseits kann die Flüssigkeit auch durch eine oder mehrere innere Bohrungen erfolgen, die im Resonanzteil angebracht sind.
Die zur Dickenabmessung d1 bzw. d2 senkrechte Abmessung A, z.B. der Durchmesser oder die Breite des Flüssigkeitszerstäubers, beträgt wenigstens das 5-fache der bei der Betriebsfrequenz auftretenden Schallwellenlänge Ä F in der zu zerstäubenden Flüssigkeit. Je größer die Zerstäuberfläche ist, umso größere Flüssigkeitsmengen können bei Einhaltung der dünnen Flüssigkeitsschicht zerstäubt werden.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor.
Fig.1 zeigt einen nach dem Prinzip der Erfindung arbeitenden Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber in perspektivischer Ansicht.
Fig.2 gibt eine schematische Ansicht für die Flüssigkeitszufuhr an.
Fig.3 gibt ein Diagramm für die Schwingungsbewegung an.
Fig.4 zeigt die Ausbildung der oben erwähnten Wellenberge in der auf die Zerstäuberoberfläche aufgebrachten Flüssigkeit.
In Fig.1 besteht der mit 1 bezeichnete Flüssigkeitsserstäuber aus dem Anregungsteil 11 und dem Resonanzteil 12.
Das Anregungsteil 11 besteht z.B. aus Bleizirkonat-Titanat-Keramik oder aus Bariumtitanat, die nach entsprechender elektrischer Polarisierung piezoelektrische Eigenschaften haben. Die Dicken dieser beiden Teile 11, 12 sind mit d1 und d2 kenntlich gemacht.
Der Zerstäuber 1 hat eine z.B. längliche Form eines Parallelepipels, wobei dessen Breite als kleinste zur Dicke senkrechte Abmessung A ein Vielfaches, jedoch wenigstens ein 5-faches, der Schallwellenlänge AF in der Flüssigkeit ist. Die Abmessung A liegt für n1 und n2 = 1 bis 5 in der Größenordnung der Gesamtdicke d1+d2. Die Zerstäuberoberfläche des Resonanzteils 12 ist mit 13 gekennzeichnet. Mit 14 und 15 sind Halteflansche bezeichnet, die aus dem Anregungsteil 12 z.B. herausgearbeitet sind oder die z.B. in eine Nut eingesetzt sind. An diesen Flanschen 14 und 15 kann der Zerstäuber 1 dämpfungsfrei gehalten werden, wozu diese Flansche im Bereich eines Schwingungsknotens der Dickenachwingungen des Resonanzteils 12 angeordnet sind. Mit 16 und 17 sind elektrische Zulei- tungen für die Zuführung der Anregungs-Wechselspannung gekennzeichnet. Beide Zuleitungen 16 und 17 enden am Anregungsteil 11 an Elektroden, die das Anregungsteil 11 ganzflächig bedecken. Die zur Zuleitung 17 gehörige Elektrode liegt dabei in der Verbindungsfläche zwischen den Teilen 11 und 12. Mit 18 ist die Anregungs-Spannungsquelle bezeichnet. Für -das Anregungsteil 12 ist ein Metall zu bevorzugen, da damit eine gute Wärmeableitung, z.3. auch über die Flansche 14 und 14, zu erreichen ist.
Außerdem ist auch darauf zu achten, daß die Zerstäuberfläche 13 mechanisch so stabil ist, daß sie keiner etwa durch Kavitation bedingten übermäßigen Abnutzung unterliegt.
Die Längsabmessung des Zerstäubers 1 beträgt z.B. ein Mehrfaches der bereits oben erwähnten und definierten Breitenabmessung A. Die Zerstäuberoberfläche 13 kann aber auch quadratische Form haben. Anstelle eines Parallelepipeds kann die Form des Flüssigkeitszerstäubers 1 auch die eines Kreiszylinders sein, wobei dann die Abmessung A der Durchmesser ist. Die Form eines Parallelepipeds eignet sich insbesondere für eine Serienfertigung nach dem Strangpreßverfahren.
Die Querschnittsansicht nach Fig.2 zeigt wiederum bereits in Fig.1 beschriebene Einzelheiten, die entsprechend identische Bezugszeichen haben. Mit 21 und 22 ist eine Flüssigkeits-Zufuhrbohrung bezeichnet, die sowohl durch das Anregungsteil 11 als auch durch das Resonanzteil 12 hindurchgeht. Mit dem Pfeil B ist die Flüssigkeits-Zufuhrrichtung angedeutet, und die aus der Bohrung 21 austretende, zu zerstäubende Flüssigkeit verteilt sich über die Zerstäuberoberfläche 13. Eine alternative Lösung ist mit der Rohrleitung 24 angedeutet, die bis dicht an die Zerstäuberoberfläche 13 herangeführt und durch die hindurch entsprechend dem Pfeil C Flüssigkeit zugeführt werden kann.
Fig.3 zeigt in einer Diagrammdarstellung das Bild einer Dickenauslenkung eines Zerstäubers 1 mit der Dicke dl = 1 . A 1 und d2 2> d.h. mit der Grundschwind2 gung für n1, n2 = 1. Unterschiedliche Wellenlängen in den verschiedenen Materialien der Teile 11 und 12 beruhen auf deren für Ultraschall verschiedenen Schallgeschwindigkeiten.
Fig.4 zeigt eine Schnittansicht der Darstellung der Fig.1 mit den dort bereits erörterten Einzelheiten. Auf der Oberfläche 13 des Zerstäubers 1 bzw. des Resonanzteils 12 ist eine Flüssigkeitsschicht dargestellt, und zwar in ihrer Ausbildung im Schwingungsbetrieb. In dieser Flüssigkeitsschicht 41 bilden sich die dargestellten Wellenberge aus, die zu den für die Zerstäubung notwendigen Kapillarwellen führen. Die Zerstäubung findet auf der Oberfläche der jeweiligen Wellenberge statt, wie dies mit 42 lediglich schematisch angedeutet ist.
Für die Abmessung A kann auch eine formelmäßige Beziehung angegeben werden, in der die Schallgeschwindigkeiten VM und vF im Metall des Resonanzteils und in der Flüssigkeit, die zu zerstäuben ist, berücksichtigt sind. Die Größe m ist dabei etwa zwischen 5 und 10 zu wählen, wobei der Wert 5 sich auf die bereits oben erwähnte untere Grenze für die Abmessung A, abhängig von der Schallwellenlänge AF in der zu zerstäubenden Flüssigkeit bezieht.
6 Patentansprüche 4 Figuren

Claims

Patentansprüche: 1.1 Verfahren zur Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubung mit einem Zerstäuber, der ein mit Wechselspannung anzuregendes, piezokeramisches Anregungsteil und ein mit dem Anregungsteil flächenmäßig fest verbundenes metallisches Resonanzteil hat, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die Dickenabmessungen(d1, d2) von Anregungsteil(II)und Resonanzteil (12), gesehen in Richtung senkrecht zur Verbindungsfläche, Werte (d1 = n1A = n2A sind, worin A1 und 2 die bei der Betriebsfrequenz der Wechselspannung vorliegenden Schallwellenlängen im Material des Anregungsteils (11) bzw. im Material des Resonanzteils (12) und n1 und n2 jeweils eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 sind, daß die kleinste zur Dickenabmessung (d1, d2) senkrechte Abmessung A von Anregungsteil (11) und Resonanzteil (12) wenigstens das 5-fache der Schaliwellenlänge (F) in der zu zerstäubenden Flüssigkeit bei der Betriebsfrequenz ist, und dadurch, daß mit Flüssigkeitszufuhr für eine dünne, auf die Zerstäuberoberfläche des Resonanzteils (12) kontinuierlich aufzubringende Flüssigkeitsschicht so zu bemessen ist, daß deren Schichtdicke stets das 1- bis 2-fache der Schallwellenlänge (F) in der Flüssigkeit beträgt.
2. Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber für ein Verfahren nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß für die Abmessung A die Beziehung besteht worin vF und 7M die Schallgeschwindigkeiten in der vorgesehenen Flüssigkeit bzw. im Metall des Resonanzteils(12) sind und m ein Wert zwischen 5 und 10 ist.
3. Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber für ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß Anregungsteil (11) und Resonanzteil (12) die Form eines Parallelepipeds haben.
4. Flüssigkeitszerstäuber für ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß Anregungsteil (11) und Resonanzteil (12) die Form eines Kreiszylinders haben.

4. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 3 oder 4, g e -k e n n z e i c h n e t durch das Vorhandensein einer FlüssigReitszutuhr dienenden, durch Anregungsteil (11) und Resonanzteil (12) zur Zerstäuberoberfläche (13) hin führenden Bohrung.
5. Flüssiglreitszerstäuber nach Anspruch 2 oder 3, g e -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß eine Flüssigkeits-Zufuhrleitung (24) zur Flüssigkeitszufuhr vorgesehen ist, die dicht oberhalb der Zerstäuberoberfläche (13) endet.
6. Flüssigkeitszerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die Zahlenwerte n1 und n2 = 1 sind.