DE3724629A1

DE3724629A1 - Piezoelektrisch anregbares resonanzsystem

Info

Publication number: DE3724629A1
Application number: DE19873724629
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr Daeges; Klaus Van Der Linden
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-07-22
Filing date: 1987-07-22
Publication date: 1989-02-02
Also published as: JP2543493B2; ATE129651T1; EP0300319A2; EP0300319B1; CA1307555C; US4888516A; DE3854634D1; JPS6451162A; EP0300319A3

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Geräte zum Erzeugen von Resonanzschwingungen im Ultraschallfrequenzbereich und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung eines piezoelektrisch anregbaren, resonanzfähigen Systems anzuwenden, mit dem Flüssigkeiten zerstäubt werden sollen.

Ein bekanntes Gerät zur Flüssigkeitszerstäubung besteht aus einem rotationssymmetrischen Metallkörper mit einem an die Grundfläche des Metallkörpers angekoppelten piezokeramischen Schwinger. Der Metallkörper dieses eine Biegeschwingung ausführenden Resonanzsystems weist dabei drei Bereiche auf, nämlich eine scheibenförmige Grundplatte, eine als Arbeitsplatte bezeichnete Schwingplatte und einen die Grundplatte und die Arbeitsplatte verbindenden, die Symmetrieachse des Metall körpers umschließenden Steg. Die Arbeitsplatte dient beispiels weise der Aufnahme einer Flüssigkeit (DE-A1-20 32 433). Mit einem derartigen Resonanzsystem erzielbare Aerosole weisen Tröpfchendurchmesser auf, die zu einem großen Teil nicht lungengängig sind. Ein solches Resonanzsystem ist daher für Inhalationszwecke wenig geeignet.

Zur Verbesserung des bekannten Flüssigkeitszerstäubers ist bereits vorgeschlagen worden, bei kegelig ausgebildeter Grundplatte die Arbeitsplatte als Hohlspiegel auszubilden und über einen speziell dimensionierten Hals mit der kegeligen Grundplatte zu verbinden. Dadurch lassen sich bei Anregung in Dickenresonanz kleinste Flüssigkeitsvolumina (kleiner gleich 15 Mikroliter) ohne ein mechanisches Tröpfchenfilter bei geringer elektrischer Anregungsleistung sowie ohne Ankopplung über ein Flüssigkeitsmedium in Tröpfchen mit einem Durchmesser kleiner gleich 40 Mikrometer zerstäuben. Die Schwingfrequenz dieses Resonanzsystems liegt dabei im Megahertzbereich (DE-A-36 16 713).

Ausgehend von einem Resonanzsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Resonanzsystem derart zu verbessern, daß bei möglichst kleiner elektrischer Anregungsleistung ein Tröpfchendurchmesser des zu erzeugenden Aerosols kleiner als 15 Mikrometer erzielt wird, um die Lungengängigkeit des zu erzeugenden Aerosols weiter zu steigern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der piezokeramische Schwinger ein in Dickenresonanz arbeitender Schwinger ist, daß die Grundplatte des Metall körpers eine der Grundfläche gegenüberliegende parabolische Deckfläche aufweist, daß die Arbeitsplatte tellerförmig oder schalenförmig ausgebildet ist und daß der Mittelpunkt der Arbeitsplatte im Brennpunkt oder in der Nähe des Brennpunktes bzw. des an der Grundfläche der Grundplatte durch den Hals hindurch gespiegelten Brennpunktes der parabolischen Deckfläche liegt. - Unter "parabolischer Deckfläche" wird im Rahmen der Erfindung eine Fläche verstanden, die die auftreffenden Ultraschallwellen in einen Brennpunkt reflektiert. Näherungs weise kann es sich hierbei auch um eine Kugelfläche oder um eine einem Paraboloid eingepaßte Fläche aus ringförmigen Teilflächen (Kegelstumpfoberflächen mit verschiedenen Kegelöffnungswinkeln) handeln.

Bei einem derart ausgestalteten Resonanzsystem werden die von dem piezokeramischen Dickenschwinger in den Metallkörper eingespeisten Ultraschallwellen an der parabolischen Deckfläche der Grundplatte reflektiert und durch den Hals hindurch in den Bereich der Arbeitsplatte fokussiert. Da die Ultraschallwellen unter einem Neigungswinkel auf die Arbeitsplatte treffen, wird ein Teil dieser Schallwellen in Richtung des Randes der Arbeitsplatte reflektiert oder läuft als Oberflächenwelle in Richtung des Randes. Dadurch wird eine gleichmäßigere Verteilung der zu zerstäubenden Flüssigkeit auf der Arbeitsplatte und damit eine gleichmäßige Zerstäubung über den gesamten Zerstäubungszeitraum erreicht. Außerdem befindet sich die Flüssigkeitsoberfläche während des gesamten Zer stäubungsvorganges in der Nähe des optimalen Zerstäubungs punktes. Demzufolge werden bei einer Anregungsleistung kleiner/gleich 20 W Aerosole erzeugt, bei denen mehr als 50% des zerstäubbaren Volumens in Tröpfchen mit einem Durchmesser kleiner/gleich 15 µm vorliegt und der häufigste Tröpfchen durchmesser kleiner/gleich 5 µm ist. Im übrigen ist bei einem derartigen Resonanzssystem im Rahmen gut beherrschbarer Her stellungstoleranzen die Einhaltung einer bestimmten Resonanz frequenz gewährleistet.

In Weiterbildung der Erfindung kann der Metallkörper des Resonanzsystems so ausgebildet sein, daß die Grundfläche der Grundplatte ein Kreisring ist und daß die Grundplatte in einen kegelförmigen Hals übergeht, der die Öffnung des Kreisringes über die Grundplatte hinaus durchdringt. Dadurch erhält man eine relativ kompakte Ausgestaltung des Schwingsystems. Der piezokeramische Dickenschwinger hat in diesem Fall ebenfalls die Form eines Kreisringes. Bei dieser Ausgestaltung kann die Arbeitsplatte direkt in den Hals integriert sein, indem der Hals als Kegelstumpf mit einer tellerförmigen oder schalen förmigen Vertiefung am spitz zulaufenden Ende ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform kann der Fokussierungspunkt der Ultraschallwellen in die Aushöhlung der Kegelspitze und damit direkt in die zu zerstäubende Flüssigkeit gelegt werden. - Man kann den Dickenschwinger aber auch so ausbilden, daß der kegelförmige Hals am spitz zulaufenden Ende in Form einer Erweiterung in eine tellerförmige Arbeitsplatte übergeht. Dadurch ist die Zerstäubung einer größeren Flüssigkeitsmenge ermöglicht.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Metallkörpers besteht darin, daß die scheibenförmige Grundplatte auf der Seite der parabolischen Deckfläche in der Nähe der Symme trieachse in den die tellerförmige Arbeitsplatte tragenden Hals übergeht. - Bei dieser Ausführungsform werden die Ultraschallwellen zweimal reflektiert, bevor sie auf die Arbeitsplatte treffen. Mit dieser zweifachen Reflexion verbundene Interferenzeffekte, Bündelversetzungen (DE-Z "Materialprüfung", 1965, Seite 281 ff.) und Wiedereintritt der Ultraschallwellen in die Piezokeramik führen dabei zu parallelen Strahlverschiebungen, wodurch die Einspeisung des Ultraschalls in die zu zerstäubende Flüssigkeit verbessert wird. Dem kann durch eine spezielle Ausgestaltung der Arbeitsplatte weiter Rechnung getragen werden. Diese Ausgestaltung besteht darin, daß das Seitenteil der teller förmigen Arbeitsplatte einen Kegelmantel bildet und daß der Übergangsbereich zwischen dem Hals und der tellerförmigen Arbeitsplatte und die Neigung des Seitenteils gegenüber dem Mittelteil der tellerförmigen Arbeitsplatte so gewählt ist, daß an der tellerförmigen Arbeitsplatte reflektierte Schallwellen in das Seitenteil gelenkt und dort in Richtung Tellerrand mehrfach reflektiert werden.

Die Dimensionierung des Resonanzsystems ist abhängig von der Schallgeschwindigkeit in dem Metallkörper, der vorzugsweise aus Chrom-Nickel-Stahl besteht, und von der gewünschten Frequenz, die im günstigen Übertragungsbereich des piezokeramischen Dickenschwingers liegen sollte. Da die kontinuierliche Zerstäubung einer Flüssigkeit bevorzugt mit stehenden Ultraschallwellen erfolgt, sollte die Ultraschallaufstrecke in dem Metallkörper ein Vielfaches der halben Wellenlänge betragen, insbesondere das 6-28fache. Im Hinblick auf die Ausführung mit zweifacher Reflexion der Ultraschallwellen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Dicke der scheibenförmigen Grundplatte etwa doppelt so groß wie die Ultraschallwellenlänge zu wählen und den Durchmesser der tellerförmigen Arbeitsplatte mit etwa dem Dreifachen dieser Wellenlänge zu bemessen. Der Durchmesser der Grundfläche der scheibenförmigen Grundplatte sollte etwa das Zehnfache dieser Wellenlänge betragen. Dabei entspricht die Halshöhe, d. h. der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der parabolischen Deckfläche und dem Mittelpunkt der tellerförmigen Arbeitsplatte, zweckmäßig der einfachen Wellenlänge.

Drei Ausführungsbeispiele des neuen Schwingsystems sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Schwingsystem, bei dem bei einfacher Reflexion der Ultraschallwellen die Arbeitsplatte in den Hals integriert ist,

Fig. 2 ein Schwingsystem, bei dem bei einfacher Reflexion die Arbeitsplatte als tellerförmiges Teil an den Hals angeformt ist, und

Fig. 3 eine Ausführungsform, bei dem die Ultraschallwellen zwei fach reflektiert werden, bevor sie auf die an den Hals anschließende tellerförmige Arbeitsplatte treffen.

Fig. 1 zeigt ein Resonanzsystem, das aus dem rotations symmetrischen Metallkörper 1 aus Chrom-Nickel-Stahl und dem piezokeramischen Dickenschwinger 7 besteht. Bei dem Metall körper 1 handelt es sich geometrisch um ein Ringteil, das von einem Kegel mit einer parabolisch geformten Unterseite durchdrungen ist, wobei das Ringteil und der Kegel die gleiche Symmetrieachse und den gleichen Außendurchmesser aufweisen. Dieser Metallkörper bildet eine Grundplatte 2 mit einer ebenen, senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Grundfläche 3 und einer parabolischen Deckfläche 4 sowie einen kegelförmig zulaufenden Hals 5, der die ringförmige Grundfläche 3 durchdringt und am spitz zulaufenden Ende mit einer teller förmigen oder schalenförmigen Vertiefung 6 ausgebildet ist, die zugleich die Arbeitsplatte des Resonanzsystems bildet. - Eine vom piezokeramischen Dickenschwinger 7 angeregte Ultraschall welle US wird an der parabolischen Deckfläche reflektiert und damit in Richtung auf die schalenförmige Vertiefung 6 fokussiert.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist das Resonanzsystem in Anlehnung an das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aufgebaut, d. h. der Metallkörper 11 besteht aus einer scheibenförmigen Grundplatte 12 mit der ebenen, ringförmigen Grundfläche 13 und der parabolischen Deckfläche 14 und einem kegelförmig sich verjüngenden Hals 15. Als Arbeitsplatte ist hier ein teller förmiges Teil 16 vorgesehen, das an das spitz zulaufende Ende des Halses 15 angeformt ist. Das tellerförmige Teil hat ein ebenes Mittelteil und ein kegelig verlaufendes Seitenteil bzw. Wand. - Die Anregung des Schwingsystems erfolgt über einen piezokeramischen Ringkörper 17, der mit dem Metallkörper 11 aus Chrom-Nickel-Stahl verklebt ist. Eine von dem piezokeramischen Dickenschwinger 17 angeregte Ultraschallwelle US wird an der parabolischen Deckfläche 14 reflektiert und in die Nähe des Mittelpunktes der tellerförmigen Arbeitsplatte 16 fokussiert.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die Grundfläche 23 der scheibenförmigen Grundplatte 22 des Metallkörpers 21 als Kreisfläche ausgebildet, und die Grundplatte geht auf der Seite der parabolischen Deckfläche in der Nähe der Symmetrieachse in die tellerförmige Arbeitsplatte 26 über. Diese weist ein ebenes Mittelteil 28 und ein kegelig verlaufendes Seitenteil 29 (Tellerwand) auf. Der piezokeramische Dickenschwinger 27 ist kreisförmig gestaltet und mit der Grundfläche 23 verklebt. Eine von dem Dickenschwinger 27 angeregte Ultraschallwelle US 1 wird sowohl an der parabolischen Deckfläche 24 als auch an der Grenzfläche zwischen Dickenschwinger und Grundplatte 22 reflektiert und zum Mittelpunkt der tellerförmigen Arbeits platte 26 hin fokussiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt der Fokussierungspunkt der Ultraschallwellen also spiegel bildlich zum Brennpunkt der parabolischen Fläche 24, wobei die Grundfläche 23 die Spiegelfläche bildet.

Bei der Reflexion der Ultraschallwellen an der Grenzfläche Dickenschwinger 27 / Grundplatte 22 treten Interferenz erscheinungen und Bündelversetzungen auf, die zu Parallel verschiebungen von Ultraschallwellen führen, beispielsweis zu der Ultraschallwelle US 2. Infolge des Neigungswinkels zwischen den auftreffenden Ultraschallwellen und der tellerförmigen Arbeitsplatte 26 dringt ein Teil der jeweiligen Ultra schallwelle in die auf die Arbeitsfläche 26 aufgebrachte Flüssigkeit ein, ein anderer Teil läuft als Oberflächenwelle in Richtung auf den Tellerrand, ein dritter Teil wird an der Grenzfläche reflektiert. Von dem reflektierten Anteil gelangt ein Teil in die Tellerwand und durch weitere Reflexionen in der Tellerwand zum Tellerrand. Eine umlaufende, ringförmige Einkerbung - vorzugsweise auf der Unterseite der Tellerwand - in der Nähe des Tellerrandes schirmt den Tellerrand vor den Ultraschallwellen ab und bewirkt dadurch eine Beruhigung der auf der Arbeitsplatte befindlichen Flüssigkeit im Randbereich.

In Abhängigkeit von der zur Zerstäubung positionierten Flüssigkeitsmenge von ca. 15 Mikrolitern hat sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ein Durchmesser der tellerförmigen Arbeitsplatte von ca. dem Dreifachen der Schallwellenlänge in dem Metallkörper 21, ein Hals- und Tellermittelteildurchmesser von ca. einer Wellenlänge, eine Halshöhe von ebenfalls ca. einer Wellenlänge, einer Dicke der Grundplatte 22 von dem Doppelten der Wellenlänge und ein Durchmesser der Grundfläche 23 von etwa dem Zehnfachen der Wellenlänge als zweckmäßig erwiesen. Die Dicke des piezo keramischen Dickenschwingers entspricht etwa der halben Wellenlänge der angeregten Ultraschallwelle in dem Dickenschwinger.

Claims

1. Piezoelektrisch anregbares Resonanzsystem zur Zerstäubung einer Flüssigkeit, bestehend aus einem schwingungsfähigen, rotationssymmetrischen Metallkörper mit einer scheibenförmigen Grundplatte, einer Arbeitsplatte und einem die Arbeitsplatte mit der Grundplatte verbindenden Hals und aus einem piezokeramischen Schwinger, der an eine ebene, senkrecht zur Symmetrieachse verlaufende Grundfläche der Grundplatte angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der piezokeramische Schwinger ein in Dickenresonanz arbeitender Schwinger ist,
daß die Grundplatte (22) des Metallkörpers (21) eine der Grundfläche (23) gegenüberliegende parabolische Deckfläche (24) aufweist,
daß die Arbeitsplatte (26) tellerförmig oder schalenförmig ausgebildet
und daß der Mittelpunkt der tellerförmigen Arbeitsplatte (26) im oder in der Nähe des Brennpunktes bzw. des an der Grund fläche (23) der Grundplatte (22) durch den Hals (25) hindurch gespiegelten Brennpunktes der parabolischen Deckfläche (24) liegt.

2. Resonanzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche (3) der Grundplatte (2) ein Kreisring ist und daß die Grundplatte (2) in einen kegelförmigen Hals (5) übergeht, der die Öffnung des Kreisringes über die Grundfläche (3) hinaus durchdringt.

3. Resonanzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hals (5) als Kegelstumpf mit einer tellerförmigen Vertiefung (6) am spitz zulaufenden Ende ausgebildet ist.

4. Resonanzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Hals (15) am spitz zulaufenden Ende in Form einer Erweiterung in die tellerförmige Arbeitsplatte (16) übergeht.

5. Resonanzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmige Grundplatte (22) auf der Seite der parabolischen Oberfläche (24) in der Nähe der Symmetrieachse in den die tellerförmige Arbeitsplatte (26) tragenden Hals (25) übergeht.

6. Resonanzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenteil (29) der tellerförmigen Arbeitsplatte (26) kegelig ausgebildet ist und daß der Übergangsbereich zwischen Hals (25) und tellerförmiger Arbeitsplatte (26) sowie die Neigung des Seitenteiles (29) gegen das Mittelteil (28) der tellerförmigen Arbeitsplatte so gewählt sind, daß an der tellerförmigen Arbeitsplatte (26) reflektierte Schallwellen in das Seitenteil gelenkt und dort in Richtung des Tellerrandes mehrfach reflektiert werden.

7. Resonanzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenteil in der Nähe des Tellerrandes mit einer umlaufenden Einkerbung versehen ist.

8. Resonanzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der scheiben förmigen Grundplatte (22) etwa doppelt so groß ist wie die Wellenlänge des Ultraschalls in der Grundplatte.

9. Resonanzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der tellerförmigen Arbeitsplatte (26) etwa das Dreifache der Ultraschallwellenlänge beträgt.

10. Resonanzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Grundfläche (23) der Grundplatte (22) etwa das Zehnfache der Ultraschallwellenlänge beträgt.

11. Resonanzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Halses (25) in etwa gleich der einfachen Ultraschallwellenlänge ist.

12. Resonanzsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Halses (25) etwa der einfachen Wellenlänge des Ultraschalls (21) entspricht.