DE4142320A1 - Ultraschall-zerstaeuber - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Zer­ stäuber oder Ultraschall-Nebelgenerator mit einem Was­ serbehälter und einem piezoelektrischen Vibratorelement am Boden des Wasserbehälters, so daß das Vibratorele­ ment das Wasser berührt und durch das Vibratorelement erzeugte Ultraschallenergie das Wasser in Nebel umwan­ delt.

Bei einem Ultraschall-Zerstäuber wird eine Wasserober­ fläche zwangsläufig durch Ultraschallwellen, die von einem piezoelektrischen Vibrator erzeugt werden, in Schwingungen versetzt, wobei der Vibrator am Boden des Wassers angebracht ist und das Wasser an der Wasser­ oberfläche in Nebel umgewandelt wird. Um einen hohen Umwandlungs-Wirkungsgrad zu erzielen, muß die Energie des Vibrators auf einen kleinen aktiven Bereich an der Wasseroberfläche konzentriert werden. Schwingungen des Wassers im Randbereich der Wasseroberfläche würden die Schwingung im aktiven Bereich stören und den Umwand­ lungs-Wirkungsgrad verringern.

Aus der JP-Patentschrift 36 386/1980 ist es bekannt, den Zerstäubungswirkungsgrad zu verbessern. Diese Veröf­ fentlichung beschreibt eine Platte oder ein Tor, die bzw. das zwischen einem piezoelektrischen Vibrator und einer Wasseroberfläche angeordnet ist, wobei die er­ wähnte Platte eine erste große Öffnung für den Durch­ gang des Hauptzipfels (der Hauptkeule) der Schwingung (bzw. Strahlung) und mehrere zweite kleine Öffnungen am Rande für den Durchgang der Nebenzipfel der Schwingung aufweist. Die zweiten Öffnungen bewirken, daß die Ne­ benzipfel der Schwingung gebeugt werden und einander auslöschen, so daß sie den Hauptzipfel der Schwingung nicht stören. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Umwand­ lung von Wasser in Nebel verbessert.

Der Zerstäubungwirkungsgrad der Platte beträgt jedoch nur 5% bis 7%.

Aus der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungs­ schrift 23 738/1985 ist es ferner bekannt, einen porösen Körper in einem Wasserbehälter, jedoch nicht im mittleren Teil unmittelbar über einem Vibrator anzuord­ nen. Der poröse Körper absorbiert die unerwünschten Seiten- oder Nebenzipfel der Schwingung am Rande der Wasseroberfläche. Dies hat jedoch den Nachteil, daß der Wirkungsgrad immer noch zu gering ist und der poröse Körper das Reinigen des Wasserbehälters behindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zer­ stäuber anzugeben, der einen höheren Zerstäubungswir­ kungsgrad hat und unter Vermeidung der erwähnten Nach­ teile mehr Nebel erzeugt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Platte mit einer mittleren Öffnung über dem Vibra­ torelement in einem vorbestimmten tand von diesem an­ geordnet ist, der Durchmesser der Öffnung kleiner als der Durchmesser des Vibratorelements ist und die Platte keine weitere Öffnung als die mittlere Öffnung auf­ weist.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste­ hend anhand der Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbei­ spiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A einen Querschnitt durch einen erfindungsgemä­ ßen Zerstäuber,

Fig. 1B den Hauptteil des erfindungsgemäßen Zerstäu­ bers, die

Fig. 2-5 Kurvendiagramme der Ergebnisse von Messungen an dem erfindungsgemäßen Zerstäuber,

Fig. 6 den Aufbau eines weiteren erfindungsgemäßen Zerstäubers und

Fig. 7 den Aufbau eines dritten erfindungsgemäßen Zerstäubers.

Fig. 1A zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen mit Ultraschall arbeitenden Zerstäubers 100 zum Umwandeln von Wasser in Nebel. Der Zerstäuber 100 hat ein Gehäuse 102, auf dem ein Wasserbehälter 112 angeordnet ist. Der Wasserbehälter 112 enthält Wasser 114 und hat einen am Boden angebrachten Stutzen 116, der geschlossen ist, wenn der Wasserbehälter entfernt wird, und geöffnet ist, wenn der Wasserbehälter auf dem Gehäuse 102 ange­ ordnet ist, das einen (nicht dargestellten) Vorsprung aufweist, der durch den Stutzen 116 hindurchgeht. Ein weiterer Wasserbehälter 10, der Wasser 110 enthält, ist am Gehäuse 102 befestigt und wird in der Weise aus dem Wasserbehälter 112 über den Stutzen 116 mit Wasser ver­ sorgt, daß der Wasserpegel im Wasserbehälter 10 weitge­ hend konstant ist.

Am Boden des Wasserbehälters 10 ist eine Vibratorein­ heit 50 angeordnet, die dazu dient, das Wasser in Schwingungen zu versetzen. Die Vibratoreinheit 50 wird durch eine elektronische Schaltung 108 erregt, die am Gehäuse 102 befestigt ist. Wenn die Vibratoreinheit 50 das Wasser in Schwingungen versetzt, wird an der Ober­ fläche des Wassers 110 eine Wassersäule 17a erzeugt, in der das Wasser in feinen Nebel umgewandelt wird, der durch einen hohlen zylindrischen Körper 17 in die Luft ausgestoßen wird.

Im Gehäuse 102 ist ein Gebläse 106 so angeordnet, daß Luft von einem Lufteinlaß 104 durch die elektronische Schaltung 108 und in Richtung des Pfeils Y in den zy­ lindrischen Körper 17 strömt. Der Luftstrom bewirkt das Ausstoßen des erzeugten Nebels in einen Raum und die Kühlung der elektronischen Schaltung 108 sowie der Vi­ bratoreinheit 50.

Die Erfindung befaßt sich mit einer Verbesserung der Vibratoreinheit 50, die nachstehend ausführlicher be­ schrieben wird.

Fig. 1B zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Vibrato­ reinheit 50. Mit 1 ist ein piezoelektrisches Vibrator­ element bezeichnet, das ein piezoelektrisches Substrat 2 aus Keramik, eine erste Elektrode 3 und eine zweite Elektrode 4 aufweist. Die erste Elektrode 3 bedeckt die Oberseite des keramischen Substrats 2 und steht mit dem Wasser in Berührung. Die Elektrode 3 umgreift den Rand des Substrats 2 und bildet einen ringförmigen Teil am Rande der Unterseite des Substrats 2. Die zweite Elek­ trode 4 ist in der Mitte der Unterseite des Substrats 2 angebracht. Diese Elektroden 3 und 4 sind an den Ober­ flächen des Substrats 2 angebracht, und durch Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden wird das kera­ mische Substrat 2 zur Erzeugung von Ultraschallschwin­ gungen zur Zerstäubung des Wassers angeregt. Das Vibra­ torelement 1 wird durch einen elastischen Halter 5 festgehalten, der eine ringförmige Nut zur Aufnahme des Vibratorelements 1 aufweist. Der Halter 5 ist seiner­ seits an einem Gehäuse 6 befestigt. Eine ringförmige Elektrode 7 ist so angebracht, daß sie den auf der Un­ terseite des Substrats 2 liegenden Rand der ersten Elektrode 3 berührt. Mit der zweiten Elektrode 4 steht eine Federelektrode 8 in Berührung. Vorzugsweise ist die zweite Elektrode 4 an der Unterseite des Vibrator­ elements kreisförmig und ihr Durchmesser d kleiner als der Durchmesser A des Vibratorelements 1. Vorzugsweise ist der Durchmesser d der zweiten Elektrode 4 auch kleiner als der Durchmesser B des Teils oder Bereichs des Vibratorelements 1, der mit dem Wasser in Berührung steht. Die Elektroden 7 und 8 sind mit einem Hochfre­ quenz-Leistungsgenerator beziehungsweise -Stromversor­ gungsgerät (108 in Fig. 1A) verbunden, der das Vibra­ torelement 1 mit Strom versorgt und zu Schwingungen anregt. Das Gehäuse 6 ist durch Schrauben am Wasserbe­ hälter 10 befestigt, der Wasser W enthält und im Boden ein Loch aufweist, in dem das Vibratorelement 1 ange­ ordnet ist. Zwischen dem Halter 5 und dem Wasserbehäl­ ter 10 ist eine kreisförmige flache oder ebene Platte 16 befestigt, die in der Mitte eine kreisförmige Öff­ nung 15 aufweist. Die Platte 16 ist aus Siliconkau­ tschuk hergestellt und dient gleichzeitig als Wasser- Dichtung.

Die Platte 16 ist ringförmig und hat außer der mittle­ ren Öffnung 15 keine weitere Öffnung. Mit 17 ist ein am Behälter befestigter Nebel-Zylinder bezeichnet, der zur Ausgabe des zerstäubten Nebels mittels eines Luftstroms dient.

Das Vibratorelement 1 wird durch das Hochfrequenz- Stromversorgungsgerät zu Schwingungen mit einer Fre­ quenz angeregt, die in der Nähe der Resonanzfrequenz des Vibratorelements 1 liegt, so daß das Vibratorele­ ment 1 Ultraschallwellenenergie in das Wasser ab­ strahlt. Die Ultraschall-Strahlung hat einen Hauptzip­ fel und Nebenzipfel (auch "Seitenzipfel" genannt), von denen der Hauptzipfel durch die Öffnung 15 der Platte 16 hindurchgeht und eine Wassersäule 17a auf der Was­ seroberfläche erzeugt, wobei diese Wassersäule 17a den zerstäubten Nebel bewirkt. Die durch den Vibrator er­ zeugen Nebenzipfel werden durch die Platte 16 gesperrt, so daß sie die Wasseroberfläche nicht erreichen. Da­ durch wird der Hauptzipfel der Schwingung beziehungs­ weise Strahlung an der Wasseroberfläche nicht gestört.

Fig. 2 zeigt die Menge des erzeugten Nebels in Abhän­ gigkeit von der Eingangsleistung des Vibratorelements 1 mit dem Durchmesser D der Öffnung als Parameter. Auf der Abszisse ist die Eingangsleistung in Watt und auf der Ordinate der erzeugte Nebel in cm³/h aufgetragen. Die Kurve (a) gilt für den Durchmesser D = 10 mm, die Kurve (b) für D = 12 mm und die Kurve (c) für den Fall, daß keine Platte 16 (Stand der Technik) vorgesehen ist. Die Versuchsbedingungen waren bei diesen Kurven wie folgt gewählt: Der Durchmesser A des Vibratorelements 1 betrug 20 mm, der Durchmesser B des mit dem Wasser in Berührung stehenden Teils des Vibratorelements betrug 18 mm, die Frequenz der Eingangsleistung des Vibrator­ elements 1 betrug 2,4 MHz, die Flüssigkeit war Wasser, der tand Z zwischen der Platte 16 und der Oberseite des Vibratorelements 1 betrug 9 mm, das Material der Platte 16 war Siliconkautschuk und der Durchmesser d der zwei­ ten Elektrode 4 betrug 10 mm.

Fig. 3 zeigt verschiedenen Kurven der Abhängigkeit der Menge des erzeugten Nebels von der Eingangsleistung mit dem Material der Platte 16 als Parameter. Auf der Abs­ zisse ist die Eingangsleistung in Watt und auf der Or­ dinate die Menge des erzeugten Nebels in cm³/h aufge­ tragen. Die Kurve (a) gilt für den Fall, daß die Platte 16 aus Siliconkautschuk hergestellt ist, der Durchmes­ ser der Öffnung 15 10 mm beträgt und die Versorgungs­ spannung für die Hochfrequenz-Stromversorgung eine Gleichspannung von 25 V ist. Die Kurve (b) gilt für den Fall, daß die Platte 16 aus Siliconkautschuk herge­ stellt ist, der Durchmesser der Öffnung 15 10 mm be­ trägt und die Versorgungsspannung eine Wechselspannung von 24 V ist. Die Kurve (c) gilt für den Fall, daß die Platte 16 aus rostfreiem Stahlblech hergestellt ist, der Durchmesser der Öffnung 15 10 mm beträgt und die Versorgungsspannung eine Gleichspannung von 24 V ist. Die Kurve (d) gilt für den Fall, daß die Platte 16 aus rostfreiem Stahlblech hergestellt ist, der Durchmesser der Öffnung 15 10 mm beträgt und die Versorgungsspan­ nung eine Wechselspannung von 24 V ist. Die Kurve (e) gilt für den Fall, daß keine Platte 16 verwendet wird und die Versorgungsspannung eine Gleichspannung von 24 V ist, und die Kurve (f) gilt für den Fall, daß kei­ ne Platte 16 verwendet wird und die Versorgungsspannung eine Wechselspannung von 24 V ist. Bei diesen Kurven ist die Flüssigkeit Wasser, und der tand Z beträgt 9 mm.

Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, ist die Menge des erzeug­ ten Nebels zwei- oder dreimal höher als ohne Platte 16, wenn die Eingangsleistung klein ist, und die Menge des Nebels ist 1,5mal höher als in dem Fall, in dem keine Öffnung 15 vorgesehen ist, selbst wenn die Eingangslei­ stung verhältnismäßig hoch ist.

Durch die Verwendung einer Platte 16 mit einer mittle­ ren Öffnung 15 wird mithin der Wirkungsgrad eines Zer­ stäubers zur Erzeugung von mehr Nebel verbessert.

Bei dem Diagramm nach Fig. 4 ist auf der Abszisse der Eingangsstrom in Ampere und auf der Ordinate der er­ zeugte Nebel in cm³/h aufgetragen. Die Anregungsfre­ quenz beträgt 2,4 MHz und der Durchmesser D der Öffnung 15 10 mm. Der Parameter in Fig. 4 ist der tand Z zwi­ schen dem Vibrator und der Öffnung. Die Kurve (a) gilt für den Fall, daß der tand 7,5 mm beträgt; die Kurve (b) gilt für den Fall, daß der tand Z 5,0 mm beträgt; die Kurve (c) gilt für den Fall, daß Z = 2,5 mm ist; die Kurve (d) gilt für den Fall Z = 0; die Kurve (e) gilt für den Fall, daß Z = 10 mm ist, und die Kurve (f) gilt für den Fall, daß keine Platte und keine Öff­ nung vorgesehen sind.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Diagramm, bei dem auf der Abszisse der Durchmesser D (mm) der Öffnung 15 und auf der Ordinate der erzeugte Nebel in cm³/h aufgetragen ist.

Die Kurve (a) gilt für den Fall, daß die Anregungsfre­ quenz 2,4 MHz, der tand Z zwischen Vibrator und Öffnung 1,0 mm und der Durchmesser d der unteren Elektrode 4 am Vibrator 10 mm beträgt. Die Kurve (b) gilt für den Fall, daß die Anregungsfrequenz 1,6 MHz, der tand Z 1,0 mm und der Durchmesser d 13,2 mm beträgt.

Die Kurven (a) und (b) zeigen, daß wenn der Durchmesser D der Öffnung groß ist, die Erzeugung von Nebel sich dem Wert von 300 cm³/h annähert, und wenn der Durchmes­ ser D etwa 10 mm [Kurve (a)] oder etwa 13 mm [Kurve (b)] beträgt, die Menge des erzeugten Nebels höher als das 1,3fache der ohne Öffnung erzeugten Nebelmenge ist.

Aus diesen Meßdiagrammen folgt, daß, wenn der Durchmes­ ser D etwa gleich dem Durchmesser d der unteren Elek­ trode ist, der Wirkungsgrad der Erzeugung von Nebel am größten ist. Der bevorzugte Bereich des Durchmessers D der Öffnung liegt bei etwa 0,85d bis 1,15d.

Der bevorzugte Wert von Z ist kleiner als 10,0 mm, wie sich aus den Fig. 4 und 5 ergibt.

Fig. 6 zeigt den Aufbau eines weiteren Ausführungsbei­ spiels der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein ringförmiger Vorsprung 21 um das Loch 20 des Wasserbehälters herum vorgesehen, wobei der Vorsprung 21 einstückig mit dem Wasserbehälter 10 ausgebildet ist. Die Platte 16A mit der Öffnung 15 bedeckt den Vor­ sprung 21, wobei sie an der Außenseite des Vorsprungs 21 anliegt. Der auf dem Vorsprung 21 aufliegende, die Öffnung 15 begrenzende Teil der Platte 16A ist flach oder eben und hat einen vertikalen Seitenring 22 (bzw. Flansch), durch den eine Schnappverbindung mit dem Vor­ sprung 21 bewirkt wird. Der Vorteil des Ausführungsbei­ spiels nach Fig. 6 besteht darin, daß die Platte 16A abnehmbar ist.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des er­ findungsgemäßen Zerstäubers. Das Gehäuse 6, das das Vibratorelement 1, den elastischen Halter 5 und die Elektroden 7 und 8 enthält, ist an dem Kammerboden 30 mittels Schrauben 9 befestigt. Der Kammerboden 30 hat einen ringförmigen Vorsprung 31, der mit dem Bodenloch 32 des Wasserbehälters, der Wasser enthält, in Eingriff steht. Der Kammerboden 30 selbst ist am Wasserbehälter wasserdicht befestigt. Der ringförmige Vorsprung 31 am Kammerboden 30 ist durch die ringförmige Platte 16B ab­ gedeckt, die einen vertikalen Seitenring 33 aufweist. Die Platte 16B ist abnehmbar, und der vertikale Seiten­ ring 33 liegt an der Innenseite des ringförmigen Vor­ sprungs 31 an. Auch hier begrenzt ein flacher oder ebe­ ner Teil der Platte 16B die Öffnung 15.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 6 und 7 sind die Platten 16A und 16B abnehmbar, so daß sich das Vibratorelement nach dem Abnehmen der Platte leicht reinigen läßt.

Die Öffnung 15 muß nicht kreisförmig sein, sondern kann auch dreieckig, rechteckig oder mehreckig sein. Ferner kann die Platte 16, 16A oder 16B, wenn sie entsprechend dick ausgebildet ist, gleichzeitig den Nebel-Zylinder 17 bilden.

Wie bereits erwähnt, ist erfindungsgemäß eine Platte mit einer Öffnung, die kleiner als das Vibratorelement ist, über dem Vibratorelement in einem vorbestimmten Abstand vom Vibratorelement angeordnet. Durch diese Platte wird der Wirkungsgrad der Umwandlung der Flüs­ sigkeit in Nebel verbessert und die Menge des erzeugten Nebels gesteigert. Wenn die Platte ferner aus desinfi­ zierendem Material hergestellt ist, bleibt das Wasser frisch, ohne verdorben zu werden.

Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen liegen eben­ falls im Rahmen der Erfindung.

Claims (9)

1. Ultraschall-Zerstäuber mit einem Wasserbehälter (10) und einem piezoelektrischen Vibratorelement (1) am Boden des Wasserbehälters, so daß das Vibra­ torelement mit dem Wasser in Berührung steht und durch das Vibratorelement erzeugte Ultraschallen­ ergie das Wasser in Nebel umwandelt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Platte (16; 16A; 16B) mit einer mittleren Öffnung (15) über dem Vibratorele­ ment (1) in einem vorbestimmten Abstand (Z) von diesem angeordnet ist, der Durchmesser (D) der Öff­ nung (16) kleiner als der Durchmesser (A) des Vi­ bratorelements (1) ist und die Platte (16; 16A; 16B) keine weitere Öffnung als die mittlere Öff­ nung aufweist.

2. Ultraschall-Zerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibratorelement (1) mit dem Wasserbehälter (10) durch einen elastischen Halter (5) verbunden und die Platte (16) zwischen dem ela­ stischen Halter (5) und dem Wasserbehälter (10) angeordnet ist und daß die Platte (16) gleichzeitig als Wasserdichtung dient.

3. Ultraschall-Zerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserbehälter einen ring­ förmigen Vorsprung (21; 31) aufweist und die Platte (16A; 16B) abnehmbar mit dem Vorsprung (21; 31) in Eingriff steht.

4. Ultraschall-Zerstäuber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (16A) einen vertika­ len Seitenring (22) aufweist, der an der Außenseite des Vorsprungs (21) anliegt.

5. Ultraschall-Zerstäuber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (16B) einen vertika­ len Seitenring (33) aufweist, der an der Innenseite des Vorsprungs (31) anliegt.

6. Ultraschall-Zerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibratorelement (1) zwei Elektroden (3, 4) zur Erregung bzw. der Stromver­ sorgung des Vibratorelements aufweist, wobei die erste Elektrode (3) an der Oberseite des Vibrator­ elements (1) angebracht, die zweite Elektrode (4) an der Unterseite des Vibratorelements (1) ange­ bracht und der Durchmesser (d) der zweiten Elektro­ de (4) kleiner als der Durchmesser (A) des Vibra­ torelements (1) ist und der Durchmesser (D) der Öffnung (15) annähernd gleich dem Durchmesser (d) der zweiten Elektrode (4) ist.

7. Ultraschall-Zerstäuber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (D) der Öffnung (15) im Bereich von etwa 0,85d bis 1,15d liegt, wobei d der Durchmesser der zweiten Elektrode ist.

8. Ultraschall-Zerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (Z) der Öffnung (15) vom Vibratorelement (1) kleiner als 10,0 mm ist.

9. Ultraschall-Zerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (16; 16A; 16B) einen die Öffung (15) begrenzenden fla­ chen Teil aufweist.