DE3734905A1 - Geraet zum zerstaeuben eines mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Zerstäuben eines Mediums, z. B. einer zu analysierenden Flüssigkeit, mit einem piezoelektrischen Kalottenschwinger, der Ultraschallwellen aussendet, und mit einer Einrichtung zum Heranführen des Mediums in den Bereich des Kalottenbrennpunktes.

Derartige Zerstäubungseinrichtungen sind bekannt, beispielsweise aus der Druckschrift 190 211 der Siemens AG. Dabei ist ein piezokeramischer Kalottenschwinger vorgesehen, auf den ein Behälter aufgesetzt ist, und zwar derart, daß die Kalotte des Kalottenschwingers zur Bildung des Behälterbodens herangezogen wird. Der Behälter ist stehend angeordnet und weist an seiner einen Seite einen Zulauf und an seiner anderen Seite auf gleichem Niveau einen Ablauf auf.

Das Gerät arbeitet wie folgt: Der Behälter wird mit der zu zersprühenden Flüssigkeit gefüllt. Sodann wird der Flüssigkeitszulauf an eben diese Flüssigkeit angeschlossen. Bei Einschalten eines Potentiometers sowie einer Versorgungsspannung bilden sich durch eine Oszillatorschaltung Ultraschallwellen aus, die im Kalottenbrennpunkt, d. h. auf Niveauhöhe, fokussiert werden, womit ein sogenannter Ultraschallrüssel entsteht. Aus diesem Ultraschallrüssel lösen sich kleine Tröpfchen, das sogenannte Aerosol. Durch einen Luftstrom kann das Aerosol an die gewünschte Stelle transportiert werden.

Derartige Geräte haben sich bewährt, wenngleich sie noch gewisse Wünsche offen­ lassen. So besteht unter anderem die Gefahr des Überlaufens und der Tropfenbildung. Außerdem ist nicht immer das zu zerstäubende und gegebenenfalls zu prüfende Medium in genügender Menge vorhanden, so daß es schwerfallen kann, den Behälter zu füllen. Auch ist es nicht möglich, das Gerät in jeder Lage zu betreiben, vielmehr muß der Behälter stehend angeordnet werden, damit der Flüssigkeitsspiegel mit der Höhe des Zulaufes und des Ablaufes zusammenstellen kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Gerät gemäß dem Gattungsbegriff zu schaffen, das die Gefahr des Überlaufens oder der Tropfenbildung ausschließt, das in jeder beliebigen Stellung eingesetzt werden kann, und das schließlich auch nach Möglichkeit eine noch bessere Zerstäubung erzielt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst.

Im einzelnen wird folgendes erreicht:
Über eine festgekapselte piezoelektrische Kalotte in einem Gehäuse wird der Ultraschallkegel durch Flüssigkeiten und Gase übertragen. Der Schallkegel baut sich axial und radial auf und schlägt gegen einen Zwischenboden (im folgenden als Resonanzboden bezeichnet) der aus Sonderglas (Quarzglas) oder Sonderkeramik besteht. Durch diese Schallanregung wird der Resonanzboden in Eigenschwingung versetzt. Diese Eigenschwingung des Resonanzbodens dient schließlich als Anregerquelle für den eigentlichen Zerstäubervorgang.

Der Gehäuseaufbau besteht aus Sonderkunststoffen (Polytetrafluoräthylen - PTFE) und Sonderkeramiken. Die zu zerstäubende Probe wird über feine Kanäle in den Probenraum, der direkt über dem Resonanzboden liegt, zugeführt. Der aktivierte Resonanzboden zerstäubt die Probe sofort. Das bedeutet, die Gefahr des Überlaufens oder der Tropfenbildung ist auszuschließen. Während des Zerstäubervorganges entsteht im Probenraum ein Vakuum, das eine kontinuierliche Selbstansaugung durch die Kapillarkanäle gewährleistet. Das entstehende Aerosol der Probe wird über neutrale Edelgase, zum Beispiel Argon, Sauerstoff zu einem externen Analysiersystem weitertransportiert. Das Wirkungsprinzip der Zerstäubung beruht auf dem der Flächenzerstäubung, wobei während des Vorgangs der Zerstäubung keine Rückstände entstehen. Die Zerstäubungsrate beträgt 100%. Der Zerstäuber ist horizontal sowie vertikal einsetzbar.

Durch Ausnützung des piezoelektrischen Effekts einer ferroelektrischen Keramik (Bleizirkonattitanat) wird diese durch elektrische Energie in den Zustand mechanischer Resonanz gebracht. Zugleich stellt die maximale Intensität dieser Resonanz die Stabilitätsgrenze der Keramik dar. Durch geeignete Formgebung der "Piezokeramik" kann die sich einstellende Ultraschallschwingung straff gerichtet und fokussiert werden. Die dadurch entstehenden enorm hohen Beschleunigungskräfte im Schalltrichter bewirken ihrerseits starke mechanische Kräfte im gesamten Schallfeld. Demzufolge ist auch die Schalldruckamplitude sehr hoch, da sie proportional zur Beschleunigung ist. Das "piezokeramische" Wandlerelement in das die ferroelektrische Keramik fixiert ist, hat die Form einer Platte. Deshalb kann das Element in jeder Lage angeordnet werden und somit frei arbeiten.

Es kommen die unterschiedlichsten praktischen Anwendungsmöglichkeiten in Betracht, die im folgenden aufgeführt sind:

• - Verbrennungsmotoren:
  Durch optimale Zerstäubung des Kraftstoffs wird eine höhere Verdichtung, das heißt Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Kraftstoffersparnis, erzielt.
• - Allgemeinmedizin: Inhalationsapparate
• - Analytische Chemie: Probenvor- und aufbereitung
• - Industrie: Bedampfungen, Benetzungen, Beschichtungen in der Metallurgie etc.

Zusammenfassend läßt sich die Erfindung wie folgt beschreiben:
Die Erfindung beruht auf dem Wirkungsprinzip eines piezokeramischen Schwingsystems zur Übertragung von Ultraschallwellen durch Flüssigkeiten. Das Schwingsystem und dessen Frequenzen können über einen höhenverstellbaren Resonanzboden variiert werden. Da das System in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht ist und in Mehrschichtbauweise aufgebaut ist, kann es für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle verwendet werden, wobei immer eine mechanische Stabilität garantiert werden kann. Der Wirkungsgrad des Systems bleibt auch bei verschiedenen Lagen des Einbaus konstant, da die Ausbreitung der Ultraschallwellen in der Flüssigkeit axial und radial gleich bleibt. Veränderungen durch Einflüsse von Außen können deshalb unberücksichtigt bleiben.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist ein Gerät im einzelnen dargestellt.

Die in der Zeichnung angegebenen Bezugszeichen beziehen sich auf Bauteile, die in der beiligenden Stückliste aufgeführt sind.

Das Funktionsschema in stark vereinfachter Form ergibt sich aus der Darstellung "Funktionsschema Zerstäuber".

Stückliste: Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber

Claims (5)

1. Gerät zum Zerstäuben eines Mediums, z. B. einer zu analysierenden Flüssigkeit, mit einem piezoelektrischen Kalottenschwinger, der Ultraschallwellen aussendet, und mit einer Einrichtung zum Heranführen des Mediums in den Bereich des Kalottenbrennpunktes, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Kalottenbrennpunktes eine quer zur Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwellen angeordnete, als Resonanzboden dienende Platte vorgesehen ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise ein Behälter vorgesehen ist, dessen eine Wandung unter Verwendung der Kalotte, und dessen andere, dieser Wandung gegenüberliegende Wandung unter Verwendung der Platte gebildet ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter geschlossen ist.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter mit einem fließfähigen Medium gefüllt ist.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das fließfähige Medium identisch mit dem zu zerstäubenden Medium ist.