DE69413708T2

DE69413708T2 - Vorrichtung und verfahren zum sprühen von flüssigkeiten

Info

Publication number: DE69413708T2
Application number: DE69413708T
Authority: DE
Inventors: Victor Carey Humberstone; Andrew Jonathan Sant
Original assignee: TTP Group Ltd
Current assignee: TTP Group Ltd
Priority date: 1993-12-09
Filing date: 1994-12-08
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2014-12-09
Also published as: KR960706374A; AU1195995A; CZ168196A3; CA2176573A1; ES2123227T3; ATE171654T1; DE69413708D1; DK0732975T3; EP0732975B1; BR9408281A; KR100326679B1; WO1995015822A1; EP0732975A1; AU687136B2; JPH10502570A; JP3659593B2

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Erzeugung von Sprühnebeln aus Flüssigkeit oder flüssigen Emulsionen oder Suspensionen (nachfolgend "Flüssigkeiten" genannt) mittels einer Betätigungseinrichtung.
Es ist bekannt, Sprühnebel mit feinen Tröpfchen durch die Einwirkung mechanischer Hochfrequenzschwingungen auf eine Flüssigkeit an ihrer Oberfläche zur Umgebungsluft hin zu erzeugen. Ein möglicherweise relevanter Stand der Technik umfaßt: EP-A-0 432 992, GB-A-2 263 076, EP-A-0 516 565, US-A-3 738 574, EP-A-0 480 615, US-A-4 533 082 und US-A- 4 605 167.
In manchen Fällen (Beispielsweise US-A-3 738 574) wird die Flüssigkeit als ein dünner Film eingeleitet, der auf einer Platte gebildet wird, die zu Biegeschwingungen durch die Übertragung von Ultraschallschwingungen von einem abgelegenen piezoelektrischen Umformer durch einen Aufbau mit einem massiven Koppelungsmedium erregt wird.
In manchen Fällen (beispielsweise US-A-4 533 082) breiten sich die mechanischen Schwingungen als Schall- oder Ultraschall-ellen durch die Flüssigkeit hindurch zu einer perforierten Membran oder Platte (nachfolgend als Membran bezeichnet) aus, die ansonsten die Flüssigkeit zurückhält. Die Einwirkung der Schwingungswellen in der Flüssigkeit veranlaßt die Flüssigkeit, tröpfchenweise durch die Perforierun gen der Membran ausgestoßen zu werden. In diesen Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Poren so auszubilden, daß sie in ihrer Größe zur "Front"-Fläche hin abnehmen (hier als die Stirnfläche definiert, aus der die Flüssigkeitströpfchen austreten), und zwar von der "Rück"-Fläche her (hier als die Stirnfläche definiert, die der "Front"-Fläche gegenüberliegt).
In anderen Fällen (beispielsweise EP-A-0 516 565), die als eine Verschmelzung der beiden obengenannten Fälle angesehen werden können, durchlaufen die mechanischen Schwingungen eine dünne Schicht aus der Flüssigkeit zu einer perforierten Membran hin, die ansonsten die Flüssigkeit zurückhält. In der EP-A-0 516 565 gibt es keine Lehre von irgendwelchen Vorteilen oder Nachteilen für spezielle geometrische Formen der Perforierung.
In noch anderen Fällen (beispielsweise GB-A-2 263 076, US-A- 4 605 167 und EP-A-0 432 992) ist die Quelle mechanischer Schwingungen mechanisch an eine perforierte Membran angekoppelt, die ansonsten die Flüssigkeit zurückhält. Die Einwirkung der Schwingungen veranlaßt die Flüssigkeit, tröpfchenweise durch die Perforierungen der Membran ausgestoßen zu werden. In diesen Fällen hat es sich wiederum als vorteilhaft herausgestellt, die Perforierungen in der Größe von der "Rück"-Fläche zur tropfenemiierenden "Front"-Fläche der Membran abnehmen zu lassen.
Die obigen Vorrichtungen können in zwei Typen eingestuft werden:
Sprühvorrichtungen der ersten allgemeinen Art, wie sie beispielsweise in der US-A-3 738 574 und der EP-A- 0 516 565 offenbart sind, übertragen die Schwingung durch die Flüssigkeit zur Flüssigkeitsoberfläche hin, von der aus der Nebel erzeugt wird, aber sie beschreiben keine geometrischen Merkmale an dieser Oberfläche, die die Tröpfchengröße beeinflussen. Sie haben entweder keine perforierte Membran, um die Flüssigkeit in Abwesenheit der Schwingung zurückzuhalten (wie in der US- A-3 378 574), oder sie besitzen eine perforierte Membran, aber die Perforierungen beeinflussen nicht die Tröpfchengröße (wie in der EP-A-0 516 565, beispielsweise Spalte 6, Zeile 21).
Sprühvorrichtungen der zweiten allgemeinen Art, wie sie beispielsweise in den US-A-4 605 167, US-A-4 533 082, EP-A-0 432 992 und GB-A-2 263 076 offenbart sind, haben eine perforierte Membran, die die Flüssigkeitsoberfläche begrenzt oder definiert, an der Tröpfchen produziert werden, und die Perforierungen der Membran haben einen Einfluß auf die Tröpfchengröße. In diesen Fällen haben die vorliegenden Erfinder beobachtet, daß ein im wesentlichen zylindrischer Strömungsmittelstrahl aus einer "kleinen, blendenartigen" Öffnung in der Frontfläche der Membran austritt, und daß dieser Strahl einmal pro Schwingungszyklus zur Membran hin und von dieser weg oszilliert. Wenn die Erregung ausreichend kräftig ist, dann bricht der Endabschnitt des Strahls ab, um ein freies Tröpfchen zu bilden. Dieses Verhalten ist in Fig. 1 dargestellt. In beiden Fällen liegt der Tröpfchendurchmesser typischerweise im Bereich des 1,5- 2-fachen des Durchmessers der kleinen, blendenartigen Öffnung in der "Front"-Fläche der Membran. Diese Zuordnung ist beim Tintenstrahldrucken ebenfalls bekannt und wurde in vielen Studien über die Instabilität von Flüssigkeitsstrahlen herausgefunden. Der Vorteil der Sprühnebelerzeugung mit Blendenöffnungen, die sich in der Größe zur "Front"-Fläche verringern, ist all diesen Vorrichtungen gemeinsam und ist auch aus der Tinten strahltechnologie bekannt. Siehe beispielsweise US-A-3 683 212.
Die erste Art von Vorrichtung ist verhältnismäßig unwirksam im Gebrauch elektrischer Eingangsenergie für ihre (piezoelektrische) Schwingungs-Betätigungseinrichtung. Beispielsweise kann eine praktische Vorrichtung der Art, die in der US-A- 3 378 574 beschrieben ist, 2,5 Mikroliter Wasser pro 1 Joule Eingangsenergie zerstäuben. Die Verbesserung der EP-A- 0 516 565 beansprucht, es zu ermöglichen, daß etwa 10 Mikroliter mit 1 Joule zerstäubt werden, aber beschränkt die Flüssigkeitszufuhr auf die kapillare Wirkung, die eine Membran erfordert, die sorgfältig von der Betätigungseinrichtung getrennt ist, und einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau. Keine sieht eine Vorrichtung vor, bei der die Membranenperforierungen einen wesentlichen Einfluß auf die Tröpfchengröße haben. Ferner kann bei der Abgabe von in Suspension befindlichen Medikamenten und in anderen Anwendungsformen die Beschränkung der EP-A-0 516 565 auf kapillare Zuführung und die Abwesenheit der Funktion der Perforierungen zum Definieren oder Beeinflussen der Tröpfchengröße nachteilig sein. Es ist im allgemeinen erwünscht, die Freiheit zu haben, eine Auswahl aus einer breiten Vielfalt von Flüssigkeitszuführverfahren zu haben, um das geeignetste Verfahren zur Anwendung zu finden. Beispielsweise ist es für Sprühnebel aus pharmazeutischen Mitteln erwünscht, für eine zubemessene Flüssigkeitsdosis zum Zerstäuber zu sorgen, und einen Rückstand zu vermeiden, das heißt, ein flüssiges Restmedikament, das am Zerstäuber belassen wurde, und das die Kontaminierung der Abgabe nachfolgender Dosen unterstützen könnte. Für andere, größere, in Suspension befindliche Teilchen, beispielsweise in Suspensionen gegen das Schwitzen, könnte der begrenzte Bereich kapillarer Spalten zur Blockierung der kapillaren Zuführung führen. Es ist auch hilfreich, daß die Tröpfchengröße durch körperliche Merkmale der Vor richtung bestimmt oder zumindest beeinflußt wird, so daß durch Aufrechterhaltung der Herstellungsqualität der Vorrichtung die Wiederholbarkeit der Tröpfchengröße unterstützt werden kann.
Vorrichtungen der zweiten Art mit Perforierungen, die sich in der Richtung verengen, in der die Tröpfchen ausgestoßen werden, haben im allgemeinen einen größeren Anteil einer Tröpfchengröße, die größer ist als der Austrittsdurchmesser einer Öffnung. Dies erschwert es für solche Vorrichtungen, Suspensionen zu Tröpfchen zu zerstäuben, soweit nicht die Partikelgröße merklich kleiner ist als der erwünschte Tröpfchendurchmesser.
Zweitens sind Vorrichtungen der zweiten Art auch schlecht dazu eingerichtet, Sprühnebel mit einer sehr kleinen Tröpfchengröße zu erzeugen. Es ist beispielsweise erwünscht, Sprühnebel aus Suspensionen oder Lösungen pharmazeutischer Medikamente in einer Form zu erzeugen, die zur die Inhalierung durch Patienten geeignet ist. In typischer Weise können zur Abgabe von Asthmamedikamenten an die Lunge Sprühnebel mit einer mittleren Tröpfchengröße im Bereich von 6 um erwünscht sein, um mit der Tröpfchenabgabe auf den optimalen Bereich innerhalb des Lungentraktes zu "zielen". Mit Vorrichtungen der zweiten Art mag dies Perforierungen mit einem Austrittsdurchmesser im Bereich von 3 um bis 4 um erfordern. Membranen mit einer so kleinen Perforierungsgröße sind schwierig und teuer herzustellen und können keine gute Wiederholbarkeit an Perforierungsgröße, Tröpfchendurchmesser und deshalb an einem solchen "Zielen" haben. Zusätzlich sind solche Mischungsansätze aus suspendierten Medikamenten oft mit Feststoffen mit einer mittleren Größe von etwa 2 um erzeugt. Bei solchen kleinen Öffnungen und mit solchen Größen von Feststoffpartikeln kann eine Blockierung oder eine schlechte Abgabe erfolgen.
Drittens kann selbst bei großen Tröpfchengrößen der Strom an Feststoffen, die in flüssiger Suspension in die sich verengende Perforierung eingetragen werden, die Blockierung einleiten, insbesondere dann, wenn die Feststoffgröße vergleichbar ist mit der Größe des Kanals. Als ein Beispiel läßt der verhälnismäßig große Durchmesser der Perforierung an der rückwärtigen Fläche der Membran Partikel ein, die zu groß sind, um imstande zu sein, durch den verhältnismäßig kleinen Perforierungsdurchmesser an der Frontfläche hindurchzuströmen. Als ein zweites Beispiel kann und wird auch im allgemeinen die Verengung der Perforierung zwei oder mehr Feststoffpartikel in Berührung sowohl miteinander als auch mit den Seitenwänden der Perforierung bringen. Diese können dann außerstande sein, mit der Vorwärtsbewegung fortzufahren, und so eine Blockierung induzieren.
Ziele der vorliegenden Erfindung umfassen die Bereitstellung einer Form einer Sprühvorrichtung, die wenig Kosten aufweist und einen einfachen Aufbau, oder die imstande ist, mit einem breiten Bereich an Flüssigkeit, flüssigen Suspensionen und Flüssigkeitszuführmitteln zu arbeiten.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Sprühvorrichtung für Flüssigkeitströpfchen vorgesehen, mit
einer perforierten Membran;
einer Betätigungseinrichtung, um die Membran schwingen zu lassen; und
Mitteln zum Zuführen von Flüssigkeit zu einer Oberfläche der Membran,
dadurch gekennzeichnet, daß die Perforierungen in der Membran eine umgekehrte Verjüngung aufweisen, nämlich eine größere Querschnittsfläche an der Stirnfläche der Membran, an der Flüssigkeitströpfchen austreten, als an der gegenüberliegenden Stirnfläche der Membran. In dieser Beschrei bung umfaßt durchgehend der Begriff "Membran" den Begriff "Platte".
Die Betätigungseinrichtung kann eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung sein, die dazu eingerichtet ist, im Biegebetrieb zu arbeiten. Bevorzugt ist die Dicke dieser Betätigungseinrichtung wesentlich kleiner als mindestens eine andere Dimension.
Bevorzugt sind Mittel vorgesehen, um eine Druckdifferenz zu erzeugen, so daß der Druck, der vom Umgebungsgas entweder unmittelbar oder mittelbar auf die tröpfchenabgebende Oberfläche der Membran einwirkt, dem Druck der Flüssigkeit gleichkommt oder diesen überschreitet, die mit der gegenüberliegenden Membranoberfläche in Berührung tritt, aber diese Druckdifferenz ist nicht wesentlich größer als der Druck, bei welchem Gas durch die Perforierungen der Membran in die genannte Flüssigkeit hinein durchtritt. Der Druck, der durch das genannte Umgebungsgas ausgeübt wird, kann mittelbar ausgeübt werden, wenn er beispielsweise auf einen Flüssigkeitsfilm einwirkt, der seinerseits auf dieser Fläche der Membran gebildet ist. Die Flüssigkeitszuführungsmittel oder die Wirkung des Betriebes der Vorrichtung selbst zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen aus einem geschlossenen Vorratsbehälter oder manche anderen Mitteln können verwendet werden, um diese Druckdifferenz zu erzeugen.
Bevorzugt umfaßt die Vorrichtung Druckbeaufschlagungsmittel, die für einen niedrigereren Druck in der Flüssigkeit sorgen, der dem Durchtritt der Flüssigkeit durch die Perforierungen entgegengerichtet ist.
Vorteilhafterweise berühren die Perforierungen an der Fläche der Membran, an der die Flüssigkeitströpfchen austreten, einander nicht.
Die Mittel zum Zuführen von Flüssigkeit zu einer Oberfläche der Membran umfassen bevorzugt einen kapillaren Zuführmechanismus oder einen Zuführmechanismus mit Blasenerzeuger.
Die Vorrichtung kann sowohl normal verjüngte als umgekehrt verjüngte Perforierungen aufweisen. Die normal verjüngten Perforierungen sind bevorzugt rund um die Außenseite der umgekehrt verjüngten Perforierungen angeordnet. Die Mittel zum Zuführen von Flüssigkeit zu einer Oberfläche der Membran können dazu eingerichtet sein, die genannte Flüssigkeit zu der Fläche der genannten Membran zu führen, aus der die Flüssigkeitströpfchen austreten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit vorgesehen, worin eine Flüssigkeit veranlaßt wird, durch verjüngte Perforierungen in einer schwingenden Membran in der Richtung von der Seite der Membran aus hindurchzutreten, an der die Perforierungen eine kleinere Querschnittsfläche haben, und zu der Seite der Membran hin, bei der die Perforierungen eine größere Querschnittsfläche haben.
Es wird von den Erfindern davon ausgegangen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung mittels erregender kapillarer Wellen in der zu zerstäubenden Flüssigkeit wirksam ist. Ihr Verständnis einer solchen Kapillarwellenzerstäubung wird unten vorgelegt.
Nachfolgend in Text und Ansprüchen werden Perforierungen, die eine größere Fläche an der rückwärtigen Stirnfläche als an der vorderen, tröpfchenausstoßenden Stirnfläche aufweisen, als "normal verjüngt" bezeichnet, und Perforierungen, die eine kleinere Fläche an der rückwärtigen Stirnfläche als an der vorderen Stirnfläche aufweisen, werden als "umgekehrt verjüngt" bezeichnet. Wir definieren dementsprechend "umgekehrt verjüngte" und "normal verjüngte" Membranen.
Die Betätigungseinrichtung, ihre Anbringung und die elektronische Antriebsschaltung zum Betreiben der Betätigungseinrichtung können beispielsweise irgendeine der Formen aus dem Stand der Technik annehmen, die in der WO-A-93 10910, der EP-A-0 432 992, der US-A-4 533 082, der US-A-4 605 167 offenbart sind, oder andere, geeignete Formen, die zweckmäßig sind. Es hat sich für die Betätigungseinrichtung und die Antriebselektronik im allgemeinen als wünschenswert herausgestellt, so zusammenwirkend tätig zu sein, daß eine resonante Schwingungserregung erzeugt wird.
Ein Vorzug dieser Anordnung ist es, daß eine einfache und billige Vorrichtung für die Erzeugung eines Tröpfchensprühnebels aus flüssigen Suspensionen benutzt werden kann, worin das Verhältnis der mittleren Tröpfchengröße zur mittleren Größe des suspendierten Partikels gegenüber Vorrichtungen aus dem Stand der Technik verringert werden kann.
Ein zweiter Vorzug dieser Anordnung ist es, daß Sprühnebel aus Flüssigkeit und Flüssigkeitssuspension mit kleinem Tröpfchendurchmesser, die geeignet sind zur Lungeninhalation, unter Verwendung von Membranen erzeugt werden können, die leichter herzustellen sind und bei denen im Gebrauch eine geringere Wahrscheinlichkeit der Blockierung von Perforierungen vorliegt.
Ein dritter Vorzug dieser Anordnungen ist es, daß Flüssigkeitssprühnebel mit verhältnismäßig geringerer Geschwindigkeit, die für die gleichförmige Beschichtung von Oberflächen geeignet sind, erzeugt werden können.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielsweise sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 schematische Querschnitte von Vorrichtungen aus dem Stand der Technik sind, die in Folge aufeinanderfolgende Stadien des Ausstoßens eines Flüssigkeitstropfens aus Perforierungen zeigen, die an der Front der Membrane eine kleinere Fläche haben (aus der die Tröpfchen austreten) als an der Rückseite der Membran;
Fig. 2 im Querschnitt eine bevorzugte Tröpfchenabgabevorrichtung zeigt;
Fig. 3 im Schnitt bevorzugte Formen einer perforierten Membran für die Vorrichtung der Fig. 2 zeigen;
Fig. 4 eine Draufsicht und ein Schnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines Zerstäuberkopfes sind;
Fig. 5 schematische Schnitte alternativer Strömungsmittel-Drucksteuervorrichtungen zeigen, die mit einem Zerstäuberkopf verwendet werden können, um Tröpfchen- Abgabevorrichtungen gemäß der Erfindung zu bilden;
Fig. 6 Verfahren der Tröpfchenerzeugung zeigen, wie dies von den Erfindern so verstanden wird;
Fig. 7 ein schematischer Schnitt einer zweiten Tröpfchenabgabevorrichtung ist; und
Fig. 8 im Schnitt einen alternativen Membranaufbau (für die Vorrichtung der Fig. 7) zeigt; und
Fig. 9 schematisch im Schnitt das Ausstoßen von Tröpfchen sowohl aus "normal" verjüngten als auch aus "umgekehrt" verjüngten Perforierungen darstellt.
Fig. 1 zeigt eine Membran 61, die "normal" verjüngte Perforierungen aufweist, und in Schwingungsbewegung, die durch einen Pfeil 58 gezeigt ist (in einer Richtung im wesentlich senkrecht zur Ebene der Membran), gegen einen Flüssigkeitskörper 2, der ihre rückseitige Fläche berührt. Die Fig. 1a bis 1c zeigen, in Folge während eines Zyklus der Schwingungsbewegung, die so verstandene Entwicklung des Flüssigkeitsmeniskus 62, um einen im wesentlichen zylindrischen Strömungsmittelstrahl 63 aus den verjüngten Perforierungen zu erzeugen, sowie die nachfolgende Bildung eines freien Tröpfchens 64.
Fig. 2 zeigt eine Tröpfchenabgabevorrichtung 1 mit einer Umhüllung 3, die unmittelbar eine Flüssigkeit 2 zur rückwärtigen Stirnfläche 52 einer perforierten Membran 5 abgibt, und mit Schwingungsmitteln oder einer Betätigungseinrichtung 7, die beispielsweise als ringförmige, elektroakustische Scheibe und als Substrat gezeigt ist und von einer elektronischen Schaltung 8 betreibbar ist. Die Schaltung 8 entnimmt elektrischen Strom aus einer Stromversorgung 9, um die perforierte Membran 5 im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Membran in Schwingung zu versetzen, um so Flüssigkeitströpfchen zu erzeugen, die von der Frontstirnfläche 51 der perforierten Membran austreten. Die perforierte Membran 5 und die Betätigungseinrichtung 7 werden in Kombination nachfolgend als Aerosolkopf 40 bezeichnet.
Der Aerosolkopf 40 wird in einer Weise eingespannt gehalten, die nicht unzulässig seine Schwingungsbewegung begrenzt, beispielsweise durch eine Ringmontage, die mit Nut aus einem weichen Silikongummi gebildet ist (nicht gezeigt). Die Verwahrung und Abgabe von Flüssigkeit an die rückwärtige Stirnfläche 52 werden beispielsweise durch eine Umhüllung 3 bewirkt, wie in Fig. 2 gezeigt.
Fig. 3a zeigt ein Detail eines ersten Beispiels einer perforierten Membran 5 im Querschnitt, die so betreibbar ist, daß sie im wesentlichen in Richtung des Pfeiles 58 schwingt, und die zur Verwendung mit einer Tröpfchenabgabevorrichtung 1 geeignet ist, um feine Aerosolsprühnebel zu erzeugen. In einer Ausführungsform weist die Membran 5 eine kreisförmige Polymerschicht auf, die eine Vielzahl von verjüngten, konischen Peforierungen 50 enthält. Jede Perforierung 50 hat Öffnungen 53 in der vorderen Austrittsfläche und Öffnungen 54 in der hinteren Eintrittsfläche, und diese Perforierungen sind in einem quadratischen Gitter angeordnet. Solche Perforierungen können in die Polymermembranen beispielsweise durch Laserbohren mit einem Excimerlaser bzw. Laserblitz eingebracht werden.
Fig. 3b zeigt eine Einzelheit einer zweiten perforierten Membran 205 gemäß der Erfindung im Detail, und diese Membran ist mit einer erheblichen Schwingung betreibbar und geeignet zur Verwendung in der Tröpfchenabgabevorrichtung 1, in Richtung des Pfeiles 58. Die Membran ist als eine kreisförmige Scheibe mit einem Durchmesser von 8mm aus galvanisch geformtem Nickel gebildet und ist beispielsweise von Stork Veco aus Eerbeek, Niederlande, hergestellt. Ihre Dicke beträgt 70 Mikron und sie ist mit einer Vielzahl von Perforierungen ausgebildet, die bei 2050 gezeigt sind, die an der "Front"- Fläche 2051 einen Durchmesser aufweisen, der an der Stelle "a" gezeigt ist und 120 Mikron aufweist, und an der "rückwärtigen" Stirnfläche 2052 haben sie einen Durchmesser, der an der Stelle "b" gezeigt ist und 30 Mikron beträgt. Die Perforierungen sind ein einem gleichseitigen dreieckigen Gitter mit einer Teilung von 170 um angelegt. Das Profil der Perforierungen ändert sich sanft zwischen den Durchmessern der vorderen und rückwärtigen Stirnfläche durch die Dicke der Membran hindurch, mit im wesentlichen flachen "Steg"- Bereichen (die an der Stelle "c" gezeigt sind) mit einer kleinsten Abmessung von 50 um in der vorderen Stirnfläche 2051.
Membranen mit geometrischen Formen, die diesen ähneln, die unter Bezugnahme auf die Fig. 3a, 3b hergestellt sind und aus alternativen Materialen, wie etwa Glas oder Silizium hergestellt sind, können ebenfalls verwendet werden.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht und einen Querschnitt durch eine geeignete Form des Aerosolkopfes 40. Dieser Aerosolkopf besteht aus einer elektroakustischen Scheibe 70, die einen Kreisring 71 aus einer Nickel-Eisen-Legierung aufweist, die als "Invar" bekannt ist, an den ein piezoelektrischer keramischer Kreisring 72 und die kreisförmige perforierte Membran 5 anhaften. Die perforierte Membran wird unter Bezugnahme auf Fig. 3b beschrieben. Der Nickel-Eisen-Kreisring hat einen Außendurchmesser von 20 mm, eine Dicke von 0,2 mm und enthält eine mittige, konzentrische Bohrung 73 mit einem Durchmesser von 4,5 mm. Der piezoelektrische Keramikring gehört zum Typ P51 der Hoechst CeramTec in Lauf, Deutschland und hat einen Außendurchmesser von 16 mm, einen Innendurchmesser von 10 mm und eine Dicke von 0,25 mm. Die obere Oberfläche 74 des Keramikteils hat zwei Elektroden: eine Antriebselektrode 75 und eine optische Meßelektrode 76. Die Meßelektrode 76 besteht aus einer 1,5 mm breiten Metallisierung, die sich in diesem Beispiel radial im wesentlichen vom Innendurchmesser zum Außendurchmesser erstreckt. Die Antriebselektrode 75 erstreckt sich über den Rest der Oberfläche und ist elektrisch zur Meßelektrode durch einen 0,5 mm-Luftspalt isoliert. Elektrische Kontakte werden durch angelötete Anschlüsse an dünne Drähte hergestellt (nicht gezeigt).
Im Betrieb wird die Antriebselektrode 75 unter Verwendung der elektronischen Schaltung 8 durch ein sinusartiges Signal oder Rechteckwellensignal mit einer Frequenz betrieben, die typischerweise im Bereich von 100 bis 300 kHz liegt, mit einer Amplitude von etwa 30 V, um einen Tröpfchensprühnebel zu bilden, der aus der Frontfläche 51 der perforierten Membran austritt, worin die mittlere Tröpfchengröße in typi scher Weise im Bereich von 10 Mikron liegt. Der Betätigungskopf wird im allgemeinen Schwingungsresonanzen haben, bei dessen Frequenzen Tröpfchen wirksam erzeugt werden. Bei solchen Resonanzen hat das Signal aus der Meßelektrode 76 ein örtliches Maximum bei dieser Frequenz. Die Antriebsschaltung kann eine offene Schleife bilden, die das Rückkopplungssignal aus der Elektrode 76 nicht benutzt, oder kann eine geschlossene Schleife bilden, die diese Rückkopplung benutzt. In jedem Fall kann die elektronische Antriebsschaltung auf das sich ändernde elektrische Verhalten des Betätigungskopfes bei Resonanz ansprechen, so daß der Betätigungskopf und die Antriebsschaltung zusammenwirken, um die resonante Schwingung des Betätigungskopfes aufrechtzuerhalten. Formen mit geschlossener Schleife können beispielsweise sicherstellen, daß die Piezo-Betätigungseinrichtung die resonante Schwingung aufrechterhält, indem man einen Phasenwinkel zwischen der Antriebs- und Rückkopplungs- oder Meßelektrode aufrechterhält, der vorbestimmt ist, um eine maximale Abgabe zu erzielen.
Fig. 5a zeigt im Schnitt eine Strömungsmittelzuführung, die eine Leitung aufweist, die aus einem offenzelligen, kapillaren Schaum gebildet ist. Eine solche kapillare Zuführung kann verwendet werden, um für eine Steuerung des Flüssigkeitsdrucks zu sorgen. (Der Vorteil der Drucksteuerung wird unten beschrieben). Durch die Wirkung der Belüftung 83 und des kapillaren Körpers 81 befindet sich die Flüssigkeit, die innerhalb des kapillaren Körpers 81 vorliegt, unter einem Druck, der unter dem der Umgebungsluft liegt. Die Porengröße des kapillaren Schaumes kann verwendet werden, um den Wert dieses Druckes zu steuern. Den kapillaren Körper 81 umgibt ein robustes Außengehäuse 82. Diese Anordnung ist besonders zweckmäßig für die Sprühabgabe gefährlicher, beispielsweise toxischer Flüssigkeiten, während sie die Gefahr des Flüssigkeitsverlustes bei anderen Mitteln verringert. Die Kapillar wirkung des Materials 81 hat die Wirkung, die Flüssigkeit so zu enthalten, daß der Flüssigkeitsaustritt selbst dann reduziert oder minimiert wird, wenn eine Beschädigung am Außengehäuse 82 stattfindet. Anwendungsformen dieses Vorteils sind es, pharmazeutische oder medizinische oder entflammbare Flüssigkeiten zurückzuhalten.
Fig. 5b zeigt im Schnitt eine sogenannte "Blasengenerator"- Vorrichtung, die aus der Technik der Schreibinstrumente bekannt ist, und die auch verwendet werden kann, um für die Flüssigkeitsdrucksteuerung zu sorgen. Die Wirkung der Abgabe von Flüssigkeit aus den Perforierungen in der Membran veranlaßt den Druck im Vorratsbehälter 9 und deshalb in der Flüssigkeit 91, die die Membran berührt, unter den Atmosphärendruck abzusinken. Wenn der Druck niedrig genug ist, daß Luft entgegen der Wirkung des Flüssigkeits-Meniskusdrucks entweder durch die Perforierungen der Membran oder alternativ durch eine Nebenöffnung (oder Öffnungen) 92 eingesaugt wird, dann wird Luft in Blasenform aufgenommen, bis der Druck im Vorratsbehälter eine ausreichende Höhe erhält, daß der Flüssigkeitsmeniskus dem Druckunterschied standhält. Auf diese Weise wird der Flüssigkeitsdruck auf einen Wert unter dem Umgebungsdruck einreguliert. (Die Öffnung 92 wird allgemein so ausgewählt, daß sie klein genug ist, daß Flüssigkeit kaum aus der Umhüllung austritt.) Diese beiden Methoden der Drucksteuerung innerhalb des oben genannten Druckbereiches haben sich beide als imstande herausgestellt, die Sprühabgabe aus dem Zerstäuberkopf 40 zu fördern, und es wird darauf hingewiesen, daß auch andere Methoden innerhalb dieser Erfindung geeignet sein können.
Unten folgt eine Beschreibung (in Zuordnung zu den Fig. 6a bis 6g) der Betriebsverfahren der Erfindung. Es sind auch Tröpfchenerzeugungsmechanismen beschrieben, die von der Erfindung vorgesehen sind, wie sie gegenwärtig von den Er findern konzipert sind. Diese Mechanismen sind nicht voll erprobt, und sie sollen auch nicht diese Erfindung einschränken.
Wenn die Druckdifferenz, die an die Flüssigkeit angelegt wird, Null nahekommt (das heißt, der Druck der Flüssigkeit am Zerstäuberkopf ist nahezu gleich dem Druck an der Frontfläche der perforierten Membran), dann berührt die Flüssigkeit 2 die Membran mit Meniskusbildungen 65, die an der rückwärtigen Fläche 52 der Membran 5 angeheftet sind, wie in Fig. 6a gezeigt. Es wird beobachtet, daß, auf die Schwingungserregung 58 dieser Membran ansprechend, Flüssigkeit zur Frontfläche 51 der Membran 5 strömt, wie in der Zwischenlage der Fig. 6b gezeigt.
Bei einer Druckdifferenz, die klein ist, verglichen mit der, die erforderlich ist, daß Luft gegen den Meniskusdruck der Flüssigkeit durch die Perforierungen der Membran hindurchgesaugt wird, wenn die Membran nicht in Schwingungen versetzt ist, ermöglichen es die Materialen der Membran und das Querschnittprofil der Perforierungen der Flüssigkeit 2 meistens, zur Front-Stirnfläche 51 der Mebran als eine dünner Film herauszufließen, wie in Fig. 6c gezeigt. Auf der Fläche kann die Schwingung de Membran 5 kapillare Wellen in der Oberfläche des Meniskus 67 in der Flüssigkeit erzeugen, wie in Fig. 6d gezeigt. Es hat sich herausgestellt, daß dies beispielsweise dann stattfindet, wenn man ein Polymermaterial für die Membran 5 im Aerosolkopf verwendet, der gemäß Fig. 3a beschrieben ist. Die Stelle dieser Wellen wird nicht durch die Seitenwände der Perforierungen 50 eingeschränkt, die die Öffnungen 53 begrenzen. Wenn die Schwingungsamplitude des Meniskus 67 der Flüssigkeit groß genug ist, werden Tröpfchen abgegeben, typischerweise mit einem Tröpfchendurchmesser, der etwa ein Drittel der Kapillar-Wellenlänge beträgt (siehe beispielsweise Rozenberg-Prinzipien der Ultraschalltechnologie). Die perforierte Form gestattet das wirksame Nachfüllen der Flüssigkeit, die als Tröpfchen aus dem Meniskus 67 verlorengeht. Die Membranform ermöglicht eine wirksame Schwingungserregung.
Bevorzugt ist die Stirnfläche 51 nicht vollständig mit Perforierungen gefüllt, aber die Flüssigkeit kann sich frei über einen Bereich der Fläche 51 ausbreiten, der gößer ist als die Perforierungsfläche. Dieses Merkmal ermöglicht es, daß ein Ausgleich zwischen dem Strömungsdurchsatz erzielt wird, der auf die Schwingung 58 anspricht (durch die Perforierungen 50) und den Durchsatz, mit dem die Flüssigkeit als Tröpfchen aus den Kapillarwellen im Meniskus 67 abgesprüht wird. Dieser Ausgleich mag alternierend oder in Kombination mit dem obigen Verfahren durch Verwendung eines Druckdifferentials erreicht werden (das der Strömung durch die Perforierungen, auf die Schwingung ansprechend, entgegengesetzt ist), das klein genug ist, daß sich noch immer ein dünner Film auf der Stirnfläche 51 bildet. Mittels dieses Ausgleichs wird die Strömung übermäßiger Flüssigkeit auf die Frontfläche 51, die die Bildung eines Tröpfchennebels behindern kann, verhindert.
Der Differentialdruck, der den Verlust durch die Perforierungen 50 entgegengerichtet ist, kann aber auch so gewählt werden, daß keine Flüssigkeitsmasse auf die Frontstirnfläche 51 der Membran 5 strömt, sondern Meniskusausbildungen 66 aufweist, die die Membran 5 an oder zwischen der Vorderfläche 51 und rückwärtigen Fläche 52 der Membran berühren, wie in Fig. 6e gezeigt. In diesem Fall kann die Schwingung der Membran eine Schwingung in jeder der Meniskusausbildungen 66 der Flüssigkeit erregen, wie in Fig. 6e gezeigt. (Dies erfordert typischerweise eine Druckdifferenz, die nicht größer ist als die, aber mit der vergleichbar ist, die erfordert wird, wenn Luft durch die Perforierungen gegen den maximalen Meniskusdruck in den Perforierungen eingesaugt wird, wenn die Membran nicht in Schwingung versetzt ist.) Das Einkoppeln der Schwingung der Membran in die Flüssigkeit wird besonders wirksam in diesem Fall, da die Geometrie der Perforierungen komplementär zur Geometrie der Strömungsmittel- Meniskusausbildungen ist. Die induzierte Erregung der Meniskusausbildungen der Flüssigkeit nimmt die Form von Kapillarwellen an. Bevorzugt paßt eine geradzahlige Anzahl solcher Kapillarwellen in das Innere der Perforierungen. Auf diese Weise paßt die Geometrie der Perforierungen gut zu der der Meniskusausbildungen, wenn sie mit Kapillarwellen erregt sind, und diese Wellen werden effizient erzeugt. Wiederum wird das Ausstoßen von Tröpfchen mit einer geeigneten Frequenz und Amplitude der Schwingung beobachtet.
In den Fig. 6f und 6g sind Sonderfälle entsprechend Fig. 6e gezeigt, in denen der Differenzdruck so gewählt ist, daß der Meniskus der Flüssigkeit entweder an oder in der Nähe der Schnittstelle der Perforierungen 50 mit der rückwärtigen Fläche 52 (Fig. 6f) oder mit der Frontfläche 51 (Fig. 6g) der perforierten Membran gehalten wird; dagegen werden Kapillarwellen in diesem Meniskus durch die Einwirkung der Schwingung 58 gebildet. Wiederum ermöglicht dies eine effiziente Schingungserregung des Meniskus, und wenn die Amplitude und Frequenz der Schwingung 58 geeignet sind, werden Tröpfchen der Flüssigkeit ausgestoßen. Es hat sich herausgestellt, daß ein Wert des Differenzdrucks zwischen Null und dem Druck, der erforderlich ist, um Luft (oder Umgebungsgas) durch die Membranperforierungen gegen die Wirkung der Oberflächenspannung der Flüssigkeit einzusaugen, die diese Perforierungen berührt, dazu beiträgt, die Wirksamkeit der Tröpfchenerzeugung zu verbessern.
In den Fällen, die in den Fig. 6e, 6f und 6g gezeigt sind, paßt zweckmäßigerweise nur eine einzige Kapillarwelle (das heißt eine Kapillarwellenlänge) in den Durchmesser der Perforierungen zwischen den Öffnungen 53 und 54, obwohl, falls gewünscht, auch eine Erregung mit höherer Frequenz verwendet werden kann, so daß mehr als eine solche Kapillarwelle so hineinpaßt. Dies kann ausgedrückt werden, indem man fordert, daß die folgende Zuordnung etwa bei der Frequenz der Schwingungserregung gilt:
Φ &sim; nλ
wobei:
Φ = der Durchmesser der verjüngten Perforierung an irgendeinem Punkt zwischen der Frontfläche und der rückwärtigen Fläche der Membran,
n = eine ganze Zahl
λ = die Wellenlängen der Kapillarwellen in der Flüssigkeit.
Die Zuordnung zwischen der Wellenlänge λ und der Erregungsfrequenz f ist gegeben durch:
λ f = 8πσ/ρ
wobei: σ = Oberflächenspannung des Strömungsmittels (bei der Frequenz f)
ρ = Strömungsmitteldichte.
Nach unserer Ansicht gilt diese Zuordnung auch Näherungsweise im Fall von Kapillarwellen, die durch Perforierungen begrenzt sind, wie oben beschrieben. Deshalb ist es für die verjüngte Perforierung mit dem Durchmesser Φ, wie oben definiert, wünschenswert, daß die Vorrichtung so ausgelegt und betrieben wird, daß:
Entsprechend der geeigneten Natur der Zuordnung Φ &sim; nλ , die oben vermerkt wurde, hat sich herausgestellt, daß der Betrieb befriedigend ist, wenn diese Zuordnung in diesem Bereich gilt:
In Vorrichtungen, wo es vorteilhaft ist, sicherzustellen, daß nur eine spezielle Anzahl p an Kapillarwellen sich innerhalb einer verjüngten Perforierung bilden kann, sollte das Verhältnis des großen Durchmessers der Perforierung (gezeigt bei 53) zum kleinen Durchmesser der Perforierung im Bereich 1 bis (p + 1)/p liegen. Dies ist besonders effektiv für kleine ganzzahlige Werte von p.
Da Kapillarwellentröpfchen einen Durchmesser aufweisen, der etwa ein Drittel der Kapillarwellenlänge λ beträgt, ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung, Tröpfchen zu erzeugen, deren Durchmesser etwa ein Drittel oder weniger vom Durchmesser der Auslaßöffnungen 53 beträgt. (Wenn der Meniskus aus Flüssigkeit an oder nahe den Öffnungen 54 in der rückwärtigen Stirnfläche 52 der Membran gehalten wird, ermöglicht die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung die Erzeugung von Tröpfchen, deren Durchmesser etwa ein Drittel oder weniger des Durchmessers der kleineren Öffnungen 54 beträgt. Anders als die Vorrichtungen aus dem Stand der Technik haben die Abmessungen der Perforierungen dann einen Einfluss auf die Tröpfchengröße und können deshalb vorteilhafterweise so gewählt werden, daß sie zur Erzeugung von Tröpfchen im gewünschten Durchmesser beitragen.) Die Vorrichtung ist besonders nützlich zum Erzeugen kleiner Tröpfchen, wie sie beispielsweise bei Anwendungen der Abgabe von Lungenmedikament gefordert sind.
Die Tröpfchenerzeugung erfolgt entsprechend der Vorrichtung und den Verfahren, die angesichts der Fig. 6e, 6f und 6g beschrieben wurden, wenn man eine perforierte Membran benutzt, die unter Bezugnahme auf Fig. 3b beschrieben ist, einen Zerstäuberkopf, der unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben ist, und einem Blasengenerator, der unter Bezug nahme auf Fig. 5b beschrieben ist. Wenn man Wasser aus einer solchen Vorrichtung versprühte, dann begann das optimale Versprühen bei einem Differenzdruck (der dem Strömungsmittelstrom aus der Frontfläche der Membran heraus entgegengesetzt war) von -30 mbar. Wenn der Differenzdruck zunahm, verbesserten sich der Sprühströmungsdurchsatz und der Wirkungsgrad bis zu einem Differenzdruck von -76 mbar. An diesem Druck wirkte die perforierte Membran als Blasengenerator und das optimale Sprühen wurde erzeugt. Dieses Verhalten ist typisch. Der Blasengenerator, die kapillaren Einspeisungen und andere Mittel zum Erzeugen einer dem Differenzdruck entgegengesetzten Strömung ergeben deshalb einen speziellen Vorteil für die vorliegende Erfindung. Der Sprühbetrieb für diese Vorrichtung wurde mit einer sinusartigen Erregung mit einer Amplitude von 30 V bei Frequenzen von 115, 137, 204 und 262 kHz erreicht, mit entsprechenden, errechneten Kapillarwellenlängen im Bereich von 51 um bis 30 um. Die letztgenannte Wellenlänge entspricht der minimalen Öffnungsabmessung der Perforierungen und erzeugt Tröpfchen mit der ungefähren Abmessung von 10 u Mikron. Diese Vorrichtung ist die beste Ausführungsform der Erfindung, die den Erfindern bekannt ist, um Tröpfchen im Bereich von 10 Mikron zu erzeugen.
In diesen verschiedenartigen Ausführungsformen unterstützt die Verwendung von "umgekehrt verjüngten" Perforierungen in der vorliegenden Erfindung das Verhindern einer Blockierung, wenn man flüssige Suspensionen zerstäubt: als erstes lassen die Perforierungen, anders als Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, nicht Feststoffpartikel ein, die nicht vollständig durch die Membran hindurchlaufen können (aber werden durch die Membranschwingung aufgerührt werden, so daß sie nicht ständig die Perforierung zusetzen); zweitens werden nicht zwei oder mehr Feststoffpartikel veranlaßt, sowohl miteinander als auch mit den Seitenwänden der Perforierung in Berührung zu gelangen und so die Perforierung zu blockie ren; drittens können zur Erzeugung einer vorgegebenen Tröpfchengröße verhälnismäßig große Perforierungen verwendet werden, und somit treten verhältnismäßig große Feststoffpartikel in einer flüssigen Suspension ohne Blockierung hindurch. Die Vorrichtung entsprechend dieser Erfindung ermöglicht ferner eine verhältnismäßig leichte Membranherstellung, wenn kleine Tröpfchen wie jene, die für die Abgabe von Lungenmedikament gewünscht sind, gefordert sind.
Es gibt auch einen Unterschied zwischen den Frequenzen der relativen Tröpfchenemission der vorliegenden Vorrichtung und der Vorrichtung aus dem Stand der Technik mit ähnlicher Perforierungsgröße. Bei minimalen Perforierungsdurchmessern von 15 um hat sich beispielsweise bei Vorrichtungen aus dem Stand der Technik im allgemeinen herausgestellt, daß sie das Ausstoßen von Tröpfchen mit Frequenzen im Bereich von 40 kHz bewirken. Bei der vorliegenden Vorrichtung erfolgt der Tröpfchenausstoß in typischer Weise im Bereich von 400 bis 700 kHz.
Ein weiterer Unterschied gegenüber der Vorrichtung aus dem Stand der Technik ist aus den Wirkungen der negativen Flüssigkeits-Druckvorbelastung ersichtlich, auf die oben Bezug genommen wurde. Bei Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, wie sie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt sind, ist es bekannt, negative Vorbelastungsdrücke zu benutzen, um besonders das Befeuchten der Frontfläche der Membran zu verhindern. Eine solche Vorbelastung sorgt jedoch nicht dafür, daß der Meniskus in eine neue Gleichgewichtslage innerhalb der Perforierung gesaugt wird - bei Vorrichtungen aus dem Stand der Technik wird, sobald der Vorbelastungsdruck ausreichend ist, um die Ecke des Meniskus aus der Schnittstelle der Perforierungen mit der Frontfläche der Membran abzulösen, der Meniskus vollständig von der Perforierung weggezogen und der Sprühvorgang wird verhindert. Bei der vorliegenden Er findung wird die Druckdifferenz entweder so gewählt, daß noch immer eine befeuchtete Frontfläche der Membran gestattet ist, oder (im Fall, in dem diese Druckdifferenz ausreichend ist, um den Strömungsmittelmeniskus in den verjüngten Perforierungen nach hinten zu ziehen) ermöglicht es der Strömungsmeniskus, eine neue Gleichgewichtslage innerhalb der verjüngten Perforierung zu erreichen und deshalb die stabile Tröpfchenemission aufrechtzuerhalten. Bei der letztgenannten geht man davon aus, daß sie auch Kombinationen des Vorbelastungsdrucks und der Frequenz ermöglicht, die einzustellen ist, bei der eine ganzzahlige Anzahl von Kapillarwellenlängen in das Innere der Perforierungen "paßt" und die wirksam Tröpfchen ausstößt.
Fig. 7 zeigt eine zweite Tröpfchenabgabevorrichtung 101 mit einer alternativen Flüssigkeitseinspeisung. Die Flüssigkeitseinspeisung umfaßt ein Einspeiserohr 103 und eine ringförmige Platte 102, die es zusammen mit der Stirnfläche 1051 der Membran 105 es bewirkt, für einen kapillaren Flüssigkeitskanal zu den Bohrungen 1060 in der Membran 105 zu sorgen. Die Membran 105 ist an Schwingungsmittel oder eine Betätigungseinrichtung 107 angekoppelt. Die Betätigtungseinrichtung 107 ist an ein dichtendes Träger- und Montageteil 108 angekoppelt, eine elektronische Schaltung 8 und somit an eine Stromversorgung 9. Das Zuführrohr 103 kann an einem dichtenden Trägerteil 108 angebracht sein; dies ist nicht gezeigt. Die Schaltung 8 und die Stromversorgung 9 können beispielsweise gleichartig zu der sein, die in der Vorrichtung des ersten Beispiels gezeigt ist. Die Schwingung der perforierten Membran 105, im wesentlichen senkrecht zur ebenen Membran in Richtung des Teiles 58, erzeugt Flüssigkeitströpfchen 1010 aus der Frontfläche 1051 der Membran. Die perforierte Membran 105 und die Betätigungseinrichtung 107 in Kombination werden nachfolgend als Aerosolkopf 1040 bezeichnet.
Fig. 8 zeigt als Einzelheit im Querschnitt die Flüssigkeit in Berührung mit der perforierten Membran 105. Die Membran 105 weist eine Polymerschicht auf, die eine Vielzahl jeweils normal verjüngter und umgekehrt verjüngter konischer Perforierungen aufweist, die bei 1060 und 1050 gezeigt sind. Die umgekehrt verjüngten Perforierungen 1050 sind so angeordnet, daß sie an der Frontfläche der Membran frei von Flüssigkeit sind. Die normal verjüngten Perforierungen 1060 sind so angeordnet, daß sie Flüssigkeit von der Frontfläche der Membran aufnehmen, und können beispielsweise zweckmäßigerweise in Umfangsrichtung rund um die umgekehrt verjüngten Perforierungen 1050 angeordnet sein.
In dieser zweiten Tröpfchenabgabevorrichtung können die Tröpfchenerzeugungsmechanismen, die oben für die Vorrichtung des ersten Beispiels beschrieben sind, verwendet werden. Die Anwesenheit von Bohrungen der Art 1060 ermöglicht es aber, daß eine Vielfalt von Flüssigkeitszuführungen zur Vorderseite der Membran 5 verwendet werden kann. Die Flüssigkeitszuführung erfolgt zu den Bohrungen des Typs 1060 in der Frontfläche der Membran. Zweckmäßigerweise können Flüssigkeitsabgabemittel einer Art kapillare Abgabemittel sein, mit einer ringförmigen Platte 102, die zusammen mit der Stirnfläche 1051 der Membran 105 wirksam ist. Beim Gebrauch bewirkt diese Tröpfchenabgabevorrichtung des zweiten Beispiels die Übertragung von Flüssigkeit durch Bohrungen des Typs 1060 zur rückwärtigen Fläche 1052 der Membran 105 und hält so durch die Flüssigkeitsbefeuchtungswirkung die Bohrungen des Typs 1050 in der rückwärtigen Fläche 1052 der Membran in Berührung mit der Flüssigkeit und ermöglicht die Tröpfchenausgabe aus der Frontfläche der Bohrungen 1050 auf eine Weise ähnlich zu der der Tröpfchenabgabevorrichtung des ersten Beispiels. Andere Details folgen denen für die erste Tröpfchenabgabevorrichtung, die oben beschrieben ist.
Fig. 9 stellt einen zweiten Gebrauch von Membranen dar, bei der die Perforierungen sowohl "normal" als "umgekehrt" verjüngt sind. Dies ermöglicht die Kombination beider in einer einzigen Vorrichtung, nämlich des herkömmlichen Tröpfchenerzeugungsmechanismus, der in Fig. 1 gezeigt ist, und der in Fig. 6 gezeigt ist. Die "vorwärts" und "umgekehrt" verjüngten Perforierungen können ungefähr gleiche Größen oder unterschiedliche Größen haben. Dementsprechend sind solche Vorrichtungen imstande, Tröpfchen durch den einen Mechanismus bei einer Betriebsfrequenz und durch den anderen Mechanismus bei einer anderen Frequenz zu erzeugen. In ähnlicher Weise sind solche Vorrichtungen im Stande, Tröpfchen 1011 mit verhältnismäßig großem Format aus normal verjüngten Perforierungen 1060 durch den einen Mechanismus zu erzeugen, und Tröpfchen 1010 verhältnismäßig kleiner Größe aus den "umgekehrt" verjüngten Perforierungen 1050 durch den anderen Mechanismus. Ferner ist es möglich, Sprühnebel mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit durch den einen Mechanismus und verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit durch den anderen Mechanismus zu erzeugen. Andere Kombinationen aus Tröpfchengröße, Betriebsfrequenz und Tröpfchengeschwindigkeit sind offensichtlich. Schließlich kann der Tröpfchenerzeugungsmechanismus der "normal" verjüngten Perforierungen 1060 auch, beispielsweise in einer Umhüllungskonstruktion eines Blasengenerators, wie oben beschrieben, verwendet werden, um eine negative Vordruckbelastung für die verbesserte Tröpfchenerzeugung aus den "umgekehrt" verjüngten Bereichen der Membran zu erzeugen.
Die besten Bedingungen und Einzelheiten der Zerstäuberkopfes dieser Vorrichtung, die gegenwärtig den Erfindern bekannt sind, wurden unter Bezugnahme auf die Fig. 3b, 4, 5b und 6e bis 6g oben beschrieben.
Ungeachtet der Zeichnungen wird darauf hingewiesen, daß Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Bereich von Ausrichtungen betrieben werden können, wobei sie nach unten, zur Seite oder nach oben sprühen.

Claims

1. Sprühvorrichtung für Flüssigkeitströpfchen, mit:

einer perforierten Membran (5; 105; 205);

einer Betätigungseinrichtung (7; 107), um die Membran schwingen zu lassen; und

Mitteln (3, 103) zum Zuführen von Flüssigkeit zu einer Oberfläche der Membran,

dadurch gekennzeichnet daß,

Perforierungen (50; 1050; 2050) in der Membran eine umgekehrte Verjüngung aufweisen, nämlich eine größere Querschnittsfläche an der Stirnfläche der Membran, aus der die Flüssigkeitströpfchen austreten, als an der gegenüberliegenden Stirnfläche der Membran, aus der die Flüssigkeit im Gebrauch fließt, um die zu ersetzen, die im Tröpfchensprühnebel austritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer Druck- Vorbelastungseinrichtung (81; 90-92), die für einen verringerten Druck in der Flüssigkeit sorgt, die die Stirnfläche der Membran berührt, welche der Stirnfläche entgegengesetzt ist, aus der die Flüssigkeitströpfchen austreten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der verwendete Druck im Bereich von Null bis zu dem Druck liegt, bei dem Luft durch die Perforierungen der Membran gesaugt wird, die von der Flüssigkeit berührt sind.

4. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Perforierungen an der Stirnfläche der Membran, aus der die Flüssigkeitströpfchen austreten, einander nicht berühren.

5. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Betätigungseinrichtung (7; 107) eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die piezoelektrische Betätigungseinrichtung dazu eingerichtet ist, im Biegebetrieb zu arbeiten.

7. Vorrichtung irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Mittel zum Zuführen von Flüssigkeit zu einer Oberfläche der Membran einen Kapillar-Zuführmechanismus (81) umfassen.

8. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Mittel zum Zuführen von Flüssigkeit zu einer Oberfläche der Membran einen Blasengenerator-Einspeisungsmechanismus (90-93) umfassen.

9. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, worin alle Perforierungen eine umgekehrte Verjüngung aufweisen.

10. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Membran ferner normal verjüngte Perforierungen (1060) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin die normal verjüngten Perforierungen (1060) rund um die Außenseite der umgekehrt verjüngten Perforierungen (1050) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, worin die Mittel zum Zuführen von Flüssigkeit zu einer Oberfläche der Membran dazu eingerichtet sind, die genannte Flüssigkeit zu der Stirnfläche der genannten Membran zuzuführen, aus der die Flüssigkeitströpfchen austreten.

13. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, worin die Mittel zum Zuführen von Flüssigkeit zu einer Oberfläche der Membran dazu eingerichtet sind, die genannte Flüssigkeit zur Stirnfläche der Membran zuzuführen, die der Fläche entgegengesetzt ist, aus der die Flüssigkeitströpfchen austreten.

14. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, worin die Betätigungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die genannte Membran so schwingen zu lassen, daß der folgenden Zuordnung genügt ist:

worin:

Φ = der Durchmesser der verjüngten Perforierung an irgendeinem Punkt zwischen der vorderen und der rückwärtigen Stirnfläche der Membran

n = eine ganze Zahl

λ = Wellenlänge der Kapillarwellen in der Flüssigkeit

σ = Flüssigkeitsoberflächenspannung (bei der Frequenz f)

ρ = Flüssigkeitsdichte.

15. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, worin die Betätigungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die genannte Membran in einem Frequenzbereich von 20 kHz bis 7 MHz schwingen zu lassen.

16. Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit, bei dem eine Flüssigkeit veranlaßt wird, durch verjüngte Perforierungen in einer schwingenden Membran in der Richtung von der Seite der Membran, an der die Perforierungen eine kleinere Querschnittsfläche aufweisen, zu der Seite der Membran hindurchzutreten, an der die Perforierungen eine größere Querschnittsfläche haben.

17. Verfahren nach Anspruch 16, worin eine Druck-Vorbelastung der Flüssigkeit vorgesehen ist, die dem Durchtritt der Flüssigkeit durch die Perforierungen entgegenwirkt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, worin die Druck-Vorbelastung im Bereich von Null bis zu dem Druck liegt, bei dem Luft durch die Perforierungen der Membran eingesaugt wird, die von der Flüssigkeit berührt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 16, worin die Betätigungseinrichtung eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung ist und veranlaßt wird, im Biegebetrieb zu arbeiten.

20. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 19, worin die Flüssigkeit einer Oberfläche der Membran durch einen Kapillar-Zufuhrmechanismus zugeführt wird.

21. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 19, worin die Flüssigkeit einer Oberfläche der Membran durch einen Blasengenerator-Zuführmechanismus zugeführt wird.

22. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 21, worin die Flüssigkeit der Stirnfläche der Membran zugeführt wird, aus der die Flüssigkeitströpfchen austreten.

23. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 21, worin die Flüssigkeit der Stirnfläche der Membran zugeführt wird, die von der Stirnfläche entgegengesetzt ist, aus der die Flüssigkeitströpfchen austreten.

24. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 23, worin die Betätigungseinrichtung die genannte Membran veranlaßt, so zu schwingen, daß der folgenden Zuordnung genügt wird

worin:

n = eine Zahl

λ = Wellenlänge der Kapillarwellen in der Flüssigkeit

σ = Flüssigkeitsoberflächenspannung (bei der Frequenz f)

ρ = Flüssigkeitsdichte.

25. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 24, worin man die Membran bei einer Frequenz im Bereich von 20 kHz bis 7 MHz schwingen läßt.