DE3124943A1

DE3124943A1 - Vorrichtung zur zerstaeubung einer fluessigkeit

Info

Publication number: DE3124943A1
Application number: DE19813124943
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nen Verzicht
Original assignee: ULTRASONIC IND
Current assignee: ULTRASONIC IND
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1981-06-25
Publication date: 1982-05-06
Also published as: FR2485402A1; FR2485402B1

Description

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Patentanwälte * '..**..' *..* .:„ 3116 ΚΑ/Si

Wenzel & Kalkoff h

Ruhrstraße 26 — T -

Postfach 2448
5810 Witten/Ruhr

Anmelderin: ULTRASONIC INDUSTRIES

Bezeichnung: Vorrichtung zur Zerstäubung

einer Flüssigkeit

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit mit einem piezo-elektrischen Vibrator, der mit einem akustischen, an einem elektronischen Erregerkreis angeschlossenen Umsetzer versehen ist, und mit einer Einrichtung zur Verteilung der Flüssigkeit, die mit einem Behälter für die Flüssigkeit verbunden ist und dem schwerkraftbedingten Ausfließen der Flüssigkeit auf einer von dem Umsetzer aktivierte Fläche dient, die als Zerstäubungsplatte ausgebildet ist.

Derartige Vorrichtungen werden insbesondere als überschall-Inhalatoren zur Behandlung von Atemwegen verwendet. Dabei überträgt ein piezo-elektrischer Vibrator mit einem akustischen Umsetzer Ultraschallwellen auf eine Zerstäubungsplatte unter der Wirkung einer elektronischen Niederspannungs-Erregervorrichtung, und ein Flüssigkeitsbehälter ist gegenüber dem Umsetzer in der Weise angeordnet, daß die Flüssigkeit sich auf die Zerstäubungsplatte ergießen kann, sei es über ein Kapillarröhrchen, oder sei es über einen Docht.

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Eine derartige Vorrichtung ist z.B. in der französischen Patentschrift 7 625 612 beschrieben; auch in der französischen Patentschrift 1 508 413 wird ein Zerstäuber vorgeschlagen, bei dem die Zufuhr der Flüssigkeit zu dem Überschallkopfmit Hilfe einer Pumpe erfolgt. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der japanischen Anmeldung 51/8472 bekannt. Den jeweils vorgeschlagenen Geräten haften bestimmte Nachteile an. Z.B. gestatten sie nicht die Anpassung der Dimension der Partikel an ein bestimmtes Produkt, die den abgestoßenen Nebel bilden. Außerdem ist keine Beeinflussungsmöglichkeit der Zerstäubung bezüglich der Dichte und der Viskosität des zu zerstäubenden Produktes vorhanden.

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, die genannten Nachteile zu beseitigen und eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit zu schaffen, die auf die zu zerstäubende Flüssigkeit eingestellt werden kann,beispielsweise im Hinblick auf die Größe der zu zerstäubenden Nebeltröpfen.

Zur Lösung dieser· Aufgabe wird vorgeschlagen, daß Mittel zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstromes in Form einer Tropfenfolge mit Tropfen sehr kleiner Abmessungen vorgesehen sind, und daß die Tropfenfolge mit den Schwingungen des Umsetzers synchronisiert ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung bestehen die Mittel zur Erzeugung des Flüssigkeitsstromes in Form der Tropfenfolge u.a. aus einem Kanal für den Zulauf der Flüssigkeit aus einem Behälter und aus einer Nadel im unteren Bereich des Kanales, die mit dem in diesem Bereich verengten Kanal eine im.Querschnitt kreisringförmige Kapillare für die Flüssigkeit bildet, um das Ausströmen im Ruhezustand zu verhindern, außerdem befindet sich das eine Ende der Nadel zur Aufnahme der

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Schwingungsbewegungen und damit zur Erzeugung der Tropfenfolge mit dem.Umsetzer in Kontakt.

Zusätzliche Weiterbildungen der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der Zeichnung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergibt und in der bedeuten:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Anwendung eines Inhalators,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht im vergrößerten

Maßstab der an der Zerstäubung beteiligten Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Situation

gemäß der Fig. 2 zur Verdeutlichung der Abmessungen eines Umsetzers und einer Nadel im Vergleich zur Wellenlänge der Erregungsfrequenz des Umsetzers und

Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild für den elektronischen Erregerkreis für die Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Der in der Figur 1 dargestellte Inhalator besteht aus einem Rahmen, der vorzugsweise aus einem unteren Rahmensockel 1, der als eine Art Pult dient und aus einem oberen Rahmenteil 2 besteht, der von dem unteren Rahmensockel 1 abhebbar ist.

Der Rahmensockel 1, mit dessen Hilfe der Inhalator in einer fixierten Stellung benutzbar ist, enthält den elektronischen Erregerteil des Gerätes, dessen Schaltbild im Detail in der

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Figur 4 wiedergegeben ist. Der Erregerteil besteht u.a. aus einem vollständig transistorisierten Erzeuger 3 in Form einer gedruckten Schaltung die im Zusammenhang mit der Figur 4 noch beschrieben wird.

Der Rahmensockel 1 enthält außerdem einen stabilisierten Versorger 4 bzw. ein stabilisiertes Netzteil, das mit dem Stromnetz mit Hilfe eines Kabels 5 verbunden ist. Mit Hilfe eines Lämpchens 6, das in einer öffnung an der oberen, geneigten Sockelwand untergebracht ist, wird die Einschaltung des Gerätes signalisiert, die mit Hilfe eines Ausschalters 7 bewirkt wird.

Der obere Teil 2 des Aparategehäuses ist mit Hilfe eines Stiftes auf den Rahmensockel 1 aufgesetzt, wobei der Stift 8 in der Sockelwand angeordnet ist und durch eine Öffnung 9 hindurchreicht, die sich in einem horizontalen Wandbereich an der Oberseite des Rahmensockels 1 befindet.

Der in dem Rahmensockel 1 befindliche Erzeuger 3 ist über ein elektrisches Kabel 11 mit einem Umsetzer 10 verbunden, der im oberen Rahmenteil 2 untergebracht ist und im eigentlichen Sinne für die Vernebelung zur Inhalierung sorgt.

Der umsetzer 10 ist als piezo-elektrischer Emitter mit einer exponenziellen oder bi-zylindrischen Charakteristik (Typ Triplet) ausgebildet, der einen guten Wirkungsgrad aufweist und die von dem Erzeuger 3 empfangene elektrische Energie in akustische Energie umsetzt. Er besteht aus einer Aufschichtung von zwei metallischen Massen 12 und 13, die zwischen sich mehrere Scheiben 14 und 15 aus Keramik einschließen, und zwar aus Blei-.Zirko.nat, dessen Curiepunkt bei-ca. 320° C liegt= Die Resonanzfrequenz des Umsetzers 10 liegt daher bei 100 KHz»

Der Umsetzer 10 ist innerhalb einer Höhlung 16 untergebracht,

die u.a. aus einer vorderen Wand 17 gebildet ist, die eine Kammer 18 im oberen Rahmenteil 2 von einer Maske 19 trennt. Die Befestigung des Umsetzers 10 innerhalb der Höhlung 16 erfolgt mit Hilfe eines Ringes 20 nach Art eines Torus, der · eine schwimmende Lagerung des Umsetzers 10 gestattet und mechanische Schaden, die beispielsweise bei einer Befestigung mit Hilfe von Schellen oder Schrauben,auftreten können, zu vermeiden hilft.

Die Wand 17 ist einstückig mit der Höhlung 16 ausgebildet und in ihrer Mitte mit einem Durchlaß 21 versehen. Durch den Durchlaß 21 erstreckt sich ein Stempel 22/ der mit der einen metallischen Masse 13 des Umsetzers 10 fest verbunden ist. Die Maske 19 ist glockenartig gestaltet, so daß sie zum Auflegen auf das Gesicht eines Patienten geeignet ist.

Oberhalb des freien Endes des Stempels 22 weist die seitliche Wandung der Maske 19 eine Verdickung 23 auf, in der sich eine Gewindebohrung 24 befindet, deren. Längsachse vertikal zur Längsachse des Stempels 22 ausgerichtet ist. In die Gewindebohrung 24 ist eine Vorrichtung 25 eingeschraubt, die zur Zuführung von in einem Behälter 26 enthaltener Flüssigkeit dient. Das dem Behälter 26 abgewandte Ende der Vorrichtung 25 befindet sich sehr nahe am äußersten Ende des Stempels 22.

Die Vorrichtung für das Zuführen ist in Figur 2 genauer dargestellt. Sie besteht aus einer Muffe 27, die auf ihrer Außenseite mit einem Gewinde versehen ist. An der dem Stempel 22 abgewandten Seite ist die Muffe 27 zu einem Ansatz 28 ausgebildet, dessen Durchmesser gerade in den Kragen 29,des Behälters 26 hineinpaßt. Innerhalb der Muffe 27 ist eine Hülse 30 gehalten, die in ihrem unteren Bereich einen wendelförmigen Kanal 130 aufweist, der die Umgebung und damit auch den Umge-

bungsdruck in Austausch mit einem axial ausgerichteten Kanal 32 innerhalb der Muffe und mit Leitungen 33 im oberen Bereich der Außenfläche der Hülse 30 setzt; die letztgenannten Leitungen 30 können auch auf der Innenseite der Muffe 27 in deren oberem Bereich angeordnet sein. Der wendeiförmige Kanal 31 ist von einem Ring 34 umgeben, der ein Außengewinde trägt und in das untere Ende der Muffe 27 eingeschraubt ist. Er dient zur Bestimmung des freien Querschnitts, der für den Austausch der Atmosphäre mit dem Behälter 26 zur Verfügung steht und so den Zugang von Luft in den Behälter hinein regelt.

Innerhalb der Hülse 30 ist ein axialer Kanal 35 von sehr geringem Durchmesser vorgesehen, der auf der unteren Seite in Richtung auf den Stempel 22 des Umsetzers 10 und an der oberen Seite in eine Kammer 36 mündet, die zur Aufnahme der Flüssigkeit aus dem Behälter 26 dient. Die Kammer 36 ist über einen Halter 37 in zwei Teile unterteilt, der als Gleitführung für einen Kolben 38 dient. Der Kolben 38 ist in der Gleitführung verschieblich angeordnet und trägt an seiner einen Seite eine Nadel 39, die wiederum durch den Kanal 35 hindurchreicht und deren unteres Ende einen Vorsprung gegenüber dem Stempel 22 des Umsetzers 10 außerhalb der Hülse 30 bildet. Mit Hilfe einer axial ausgerichteten Rinne 40 wird innerhalb der Kammer 36 eine freie Zirkulation der Flüssigkeit von dem einen Teil der Kammer 36 in den anderen gewährleistet.

Das Spiel zwischen dem Durchmesser des axialen Kanales 35 und dem Außendurchmesser der Nadel 39 ist so gestaltet, daß bei stillstehender Nadel die Flüssigkeit innerhalb des Kanales aufgrund der Kapillarwirkung festgehalten wird, während bei Schwingungen der Nadel in axialer Richtung, die mit Hilfe des Umsetzers 10 bewirkt werden, ein Ausfließen der Flüssig-

keit an der Nadel 39 vorbei auf den Stempel 22 erfolgt, wo sie zu einem feinen Nebel zerstäubt wird. Das untere Ende der Hülse 30 ist in einem vorgegebenen Abstand zum äußeren rechten Ende des Stempels 22 angeordnet. Dieser Abstand richtet sich nach dem Amplitudenausschlag des äußersten Endes des Stempels 22 während der Oszillationsbewegung des Umsetzers 10. Der Abstand liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 - 0,1 mm.

Das Schaltbild des elektronischen Erregerkreises des Inhalationsgerätes ist in Figur 4 dargestellt. Zu dem Erregerkreis gehört eine stabilisierte Versorgung 4 und die gedruckte Schaltung 3 in Form des Erzeugers, die schon im Zusammenhang mit der Figur 1 genannt wurden. Die stabilisierte Versorgung bedient sich üblicher Mittel, sie besteht also im wesentlichen aus einem Transformator, aus Filterkondensatoren sowie aus Gleichrichtern. Es bedarf daher keiner weiteren Erläuterung.

Der eigentliche Erregerkreis ist am Ausgang der Versorgung 4 angeschlossen und enthält u.a." einen angesteuerten Phasenverschieber 50, der im wesentlichen aus einem NPN-Transistor 51 besteht. Dessen Kollektor-Emitter ist zwischen dem Ausgang der Versorgung 4 und der Masse mit einer Diode 52, einem Kollektorwiderstand 53 und einem Emitterwiderstand 54 in Serie geschaltet, während ein Kondensator 55 parallel zu dem Emitterwiderstand 54 zwischen dem Emitter des Transistors 51 und der Masse angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 51 ist mit zwei Verstärkern 56 und 57 verbunden, die ein Paar von Gegentakttransistoren bilden.

Die Basis des Transistors 56 ist direkt mit dem Kollektor des Transistors 53 verbunden, während die Basis des Transistors über einen Widerstand 58 mit der Basis des Transistors 56 verbunden ist. Die Emitter der Transistoren 56 und 57 sind mit dem Eingang eines Impedanz-Transformators 59 elektrisch verbunden, während der Kollektor des Transistors 57 an die Masse

angeschlossen ist. Die Ausgänge der Verstärker 56 und 57 sind über einen Kondensator 60 mit dem Transformator 59 verbunden. Der Impedanz-Transformator 59 hat zwei Ausgänge, von denen jeweils einer mit Hilfe eines Wahlschalters 61 mit dem Umsetzer 10 verbunden werden kann.

Der Umsetzer 10 ist im übrigen mit einem Frequenzkontrollkreis verbunden, der einen Widerstand 62 sowie einen Kondensator 63 enthält, wobei letzterer zwischen dem Umsetzer 10 und der Masse eingefügt ist. Die Verbindung des Kondensators 63 und des Umsetzers 10 ist über einen Kompensationskreis mit der Basis des Transistors 51 des angesteuerten Phasenverschiebers 50 verbunden. Der Kompensationskreis umfaßt einen Widerstand 64, eine Selbstinduktion65 bzw. Spule und einen Kondensator 66, die jeweils in Serie geschaltet sind.

Die Funktion des elektrischen Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im folgenden näher erläutert:

Im Augenblick des Einschaltens des Stromes, der von der stabilisierten Versorgung 4 geliefert und auf die Verstärker 56 und 57 geleitet wird, entsteht ein kurzer Impuls aufgrund der Aufladung der Kondensatoren. Dieser von dem Impedanz-Transformator 59 verstärkte Impuls gelangt zu dem Umsetzer 10, der unter der Wirkung dieses Impulses sofort "gesättigt" ist und in seiner Eigenfrequenz zu schwingen beginnt. Die Schwingungen klingen dann langsam ab, bis der Umsetzer 10 wieder in seine Ruheposition zurückkehrt.

Um die fortlaufende Funktion der gesamten Anordnung zu gewährleisten, ist es notwendig, die Schwingungen des Umsetzers 10 dadurch aufrechtzuerhalten, daß die Auslöseimpulse in einer Frequenz fortlaufend erzeugt werden, die der Eigenfrequenz des

Umsetzers 10 entspricht. Dazu wird die Bauart des Umsetzers 10, insbesondere die Verwendung piezo-elektrischer Keramiken ausgenutzt. Der Umsetzer 10 liefert in Abhängigkeit seiner Schwingbewegung einen piezo-elektrischen Strom, dessen Amplitude und Frequenz derjenigen Schwingung entspricht, der er unterworfen ist.

Der von dem Umsetzer 10 gelieferte Strom wird bei der erfin-■ dungsgemäßen Vorrichtung der Kompensationsstufe 64 - 66 zugeführt, die als Filter für alle Oberschwingungen der Umsetzer-Schwingungsfrequenz dient und nur eine Sinusschwingung an den ansteuerbaren Phasenschieber 50 passieren läßt. Der Phasenverschieber 50 verstärkt das so empfangene Signal und gibt es an die beiden Verstärker 56 und 57 weiter, die unter Berücksichtigung ihres jeweiligen Verstärkungsfaktors die Zufuhrspannung umschalten und so als schneller Unterbrecher in der Resonanzfrequenz des Umsetzers 10 wirken. In dieser Weise wird der Umsetzer 10 durch ein Signal erregt, dessen Frequenz seiner Eigenfrequenz entspricht.

Aus der Figur 3 ist zu erkennen, daß die Länge des schwingen-· den Teiles des Umsetzers 10 gleich der aus der Nadel 39 und dem Kolben 38 gebildeten Einheit sind und der halben Wellenlänge des an den Umsetzer 10 gegebenen Signals entsprechen. Die aus der Nadel 39 und dem Kolben 38 gebildeten Einheit wird damit zu Schwingungen mit einer Frequenz angeregt, die der Frequenz des Umsetzers 10 gleich ist. Die Schwingungen der Nadel 39 mit dem Kolben 38 gestatten das Ausfließen der Flüssigkeit aus dem Behälter 26 durch den Kanal 35 in Form einer Tropfenfolge mit Tropfen geringer Abmessung auf das freie Ende des Stempels 22 an dem Umsetzer 10, was das Abschleudern dieser Tröpfen von dem Stempel 22 zur Folge hat.

Zu Beginn dieses Vorgangs herrscht innerhalb des Behälters 26

ein leichter Unterdruck, der nach dem Einschalten des Gerätes sich an den umgebenden Atmosphärendruck angleicht, da nun Luft in das Innere des Behälters 26 eintritt. Dadurch gelangt die Flüssigkeit aufgrund der ihr eigenen Schwerkraft aus dem Behälter 26 heraus in den Kanal 35 hinein, den sie nur deshalb trotz seiner Kapillarwirkung durchströmen kann, weil letztere durch die Schwingungen der Nadel aufgehoben ist.

Der Impedanz-Transformator 59 weist eine Sättigungsschaltstellung auf. Solange ein Wahlschalter 61 in diese Position geschaltet ist, wird an den Umsetzer 10 eine Überspannung gegeben, die zu einer mechanischen Schwingung mit maximaler Amplitude in Abhängigkeit von dem verwandten Material führt, und zwar in der Weise, daß die Sättigung des betreffenden Materials eine molekulare Erwärmung in Folge eines thermischen Austausches erzeugt, . die sich in einer Temperaturerhöhung des zu inhalierenden Nebels äußert.

Die vorangehend beschriebene Vorrichtung ist insbesondere zur Verwendung als Inhalationsgerät geeignet. Die Erfindung umfaßt aber auch noch andere Ausführungsformen; z.B. kann mittels einer entsprechenden Anpassung der Einrichtung 25 zur Zuführung der Flüssigkeit bzw. eines entsprechenden Produktes eine wesentlich höhere Durchflußmenge erhalten werden. Außerdem ist es möglich, die Anwendung als industrielles Zerstäubungsgerät vorzusehen sowie als Bauteil beispielsweise eines Heizölbrenners oder eines ähnlichen Gerätes zu verwenden.

Claims

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Ruhrstraße 26
Postfach 2448
Witten/Ruhr

Patentansprüche

Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit mit einem piezo-elektrischen Vibrator, der mit einem akustischen, an einen elektronischen Erregerkreis angeschlossenen Umsetzer versehen ist, und mit einer Einrichtung zur Verteilung der Flüssigkeit, die mit einem Behälter für die Flüssigkeit verbunden ist und dem schwerkraftbedingten Ausfließen der Flüssigkeit auf eine von dem Umsetzer aktivierten Fläche dient, die als Zerstäubungsplatte ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (35,36,37,38,39) zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstromes in Form einer Tropfenfolge mit Tropfen sehr kleiner Abmessung vorgesehen sind, und daß die Tropfenfolge mit den Schwingungen des Umsetzers (10) synchronisiert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel einen Kanal (35) für den Zulauf der Flüssigkeit aus einem Behälter (26) und eine Nadel (39) im unteren Bereich des Kanales (35) umfassen, die mit dem in diesem Bereich verengten Kanal (35)eine im Querschnitt kreisringförmige Kapillare für die Flüssigkeit bildet, um das- Ausströmen im Ruhezustand zu verhindern, und daß sich das eine Ende der Nadel (39) zur Aufnahme der Schwingungsbewegungen und damit zur Erzeugung der Tropfenfolge mit dem Umsetzer (10) in Kontakt befindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (35) innerhalb einer Hülse (30) angeordnet ist, die sich wiederum in einer mit einem Außengewinde versehenen, in das Gehäuse der Vorrichtung geschraubten, dem Umsetzer (10) gegenüber angeordneten Muffe (27) befindet, und daß der Kanal

(35) über eine Kammer (36) an den Behälter (26) angrenzt, in der ein mit dar Nadel (39) verbundener Kolben (38) in einer Gleitführung gelagert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem einen Ende der Hülse (30), das dem Umsetzer (10,22) gegenüberliegt, und dem Umsetzer (10,22) im Bereich von 0,05 bis 0,1 mm liegt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Druck in dem Behälter (26) für die Flüssigkeit anfangs geringer ist als der Umgebungsdruck, und daß die Außenfläche der Hülse (30) und die Innenfläche der Muffe (27) diejenigen Mittel (31,32,33,34) sind, die den Behälter (26) mit dem Umgebungsdruck in Austausch bringen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Mittel für den Austausch einen wendeiförmigen Kanal (31) im unteren Bereich der Außenfläche der Hülse (30), der mit axial ausgerichteten Ausnehmungen (32) in der Muffe (27) verbunden ist, und Leitungen (3-3) im oberen Bereich der Außenfläche der Hülse (30) bzw. der Innenfläche der Muffe (27) umfassen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der wendeiförmige Kanal (31) von

einem mit einem Gewinde versehenen Ring (34) zur Bestimmung des ÄustauschquerSchnitts zum Austausch des Behälters (26) mit der Umgebung umgeben ist, und daß der Ring (34) in das untere Ende der Muffe (27) eingeschraubt ist.

8„ Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Schwingers an dem Umsetzer (10) und die der gesamten Nadel (38,39) gleich groß ist und jeweils der halben Wellenlänge der Umsetzerschwingung entspricht.

9> Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel (59,61) zur Aufheizung der zu zerstäubenden Flüssigkeit infolge eines thermischen Austausches mit dem Umsetzer (10) vorhanden sind ο

10p Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Aufheizung durch den elektronischen Erregerkreis des Umsetzers (10) gebildet sind, der unter anderem aus einem Impedanz-Transformator (59) mit einer einschaltbaren Sättigungsschaltstellung und aus einem Schalter (61) zwischen dem Transformator (59) und dem Umsetzer (10) besteht, und daß in der Sättigungsschaltstellung der Umsetzer (10) Signale empfängt,, deren Amplitude zu einer molekularen Erwärmung des Umsetzers (iO) führt.