EP0689879A1 - Ultrasonic atomizer - Google Patents

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EP0689879A1
EP0689879A1 EP95110003A EP95110003A EP0689879A1 EP 0689879 A1 EP0689879 A1 EP 0689879A1 EP 95110003 A EP95110003 A EP 95110003A EP 95110003 A EP95110003 A EP 95110003A EP 0689879 A1 EP0689879 A1 EP 0689879A1
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING LIQUIDS OR OTHER FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers

Abstract

The vaporiser has an electrically-operated piezoceramic element (4) and an associated coupling element (6), made of a metal material, e.g. Ti, having an integral raised spherical surface (12), onto which the fluid to be vaporised is dropped. Pref. the coupling element has a disc section (16) around the peripheral edge of the raised spherical surface and an outer thicker ring section (18), cooperating to provide a recess for receiving the piezoceramic element. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallzerstäuber zur Flüssigkeitszerstäubung. The invention relates to an ultrasonic atomizer for liquid atomization.
  • Bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen ist es erforderlich, aus Flüssigkeiten Aerosole zu erzeugen. For a variety of technical applications, it is necessary to generate aerosols from liquids. Insbesondere für medizinische Anwendungen ist es erforderlich, beispielsweise ein Medikament, wie z. Particularly for medical applications it is necessary, for example, a drug such. B. ein Bronchospasmolytikum, zu einem lungengängigen Aerosol zu zerstäuben. As a bronchodilator to atomize into a respirable aerosol.
  • In der EP 0 246 515 A1 ist ein Ultraschall-MHz-Schwinger, insbesondere zur Flüssigkeitszerstäubung, offenbart, bei dem ein Amplitudentransformator auf einer Piezokeramikscheibe befestigt ist, wobei der Amplitudentransformator - ausgehend von der Piezokeramikscheibe - sich zunächst verjüngt und anschließend in einem sich verbreiternden Zerstäuberteller endet. In EP 0246515 A1 is an ultrasonic MHz oscillator, in particular for liquid atomization disclosed, in which an amplitude transformer is mounted on a piezo-ceramic disc, the amplitude transformer - starting from the piezo-ceramic disk - initially tapers and subsequently in a widening atomizer ends. Dieser Zerstäuberteller weist eine konkave Oberfläche ("Hohlspiegel") zur Aufnahme der zu zerstäubenden Flüssigkeit auf. This atomizer has a concave surface ( "concave mirror") for receiving the liquid to be atomized. Beim Betrieb eines solchen Ultraschallzerstäubers hat es sich gezeigt, daß hohe Energieverluste durch die Reflexion der Ultraschallwellen an der Grenzschicht Flüssigkeit/Luft bei nicht geeigneter Flüssigkeitshöhe im Zerstäuberteller auftreten. In operation of such an ultrasonic atomizer, it has been found that high energy losses by reflection of the ultrasonic waves at the interface liquid / air occur in not appropriate height of liquid in the atomizer.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallzerstäuber anzugeben, bei dem die vorstehend angesprochenen Energieverluste durch die Reflexion der Ultraschallwellen an der Grenzschicht Flüssigkeit/Luft relativ klein gehalten werden und der relativ kleine Flüssigkeitsvolumina, z. The invention has for its object to provide an ultrasonic nebulizer, in which the above-mentioned energy losses by reflection of the ultrasonic waves at the interface liquid / air be kept relatively small and of relatively small liquid volumes, such. B. ca. 50 µl, so zerstäubt, daß ein hoher Anteil von lungengängigen Tröpfchen mit einem Durchmesser kleiner als 10 µm entsteht. B. about 50 .mu.l, it is atomized, that a high proportion of respirable droplets having a diameter less than 10 microns is formed.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Ultraschallzerstäuber, der eine elektrisch anregbare Piezokeramik und einen mit der Piezokeramik in Wirkverbindung stehenden Koppelkörper aufweist, wobei die mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit in Berührung kommende Oberfläche des Koppelkörpers als hutförmige Erhebung ausgebildet ist, und wobei die hutförmige Erhebung und der Koppelkörper aus einem metallischen Vollmaterial bestehen. This object is achieved by an ultrasonic nebulizer, which has an electrically excitable piezoceramic and which is operatively connected to the piezoelectric ceramic coupling body, the coming into contact with the liquid to be sprayed surface of the coupling body is designed as a hat-shaped raised, and the hat-shaped raised and the coupling body consists of a metallic solid material.
  • Hierbei ist mit hutförmiger Erhebung ganz allgemein eine Erhebung mit einer im wesentlichen konvexen Oberfläche gemeint. Here, a survey is generally meant having a substantially convex surface with a hat-shaped elevation. Unter "im wesentlich konvex" soll auch verstanden sein, daß die Oberseite der Erhebung zu einem Plateau abgeflacht sein kann. By "substantially convex" is to be understood that the top of the projection can be flattened to a plateau. Die Erhebung muß nicht zwingend rotationssymmetrisch ausgestaltet sein. The elevation need not necessarily be rotationally symmetrical configured.
  • Auf diese Weise ist es möglich, den Ultraschall von der Piezokeramik in den Koppelkörper einzukoppeln und im oberen Bereich der Erhebung zu fokussieren. In this way it is possible to couple the ultrasound from the piezoceramic into the coupling body and focus the top of the survey. Bei der Benetzung der Oberfläche mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit wird ein ausreichend hoher Anteil der Ultraschallenergie in die Flüssigkeit eingekoppelt, weil sich infolge der im wesentlichen konvexen Oberfläche eine während des Zerstäubungsprozesses besonders vorteilhafte Flüssigkeitshöhe (Benetzung) einstellt, so daß eine vollständige Zerstäubung eines relativ kleinen Flüssigkeitsvolumens mit einem hohen Anteil lungengängiger Tröpfchen erreicht wird. In the wetting the surface with the liquid to be atomized, a sufficiently high proportion of the ultrasonic energy is coupled into the liquid, because due to the substantially convex surface, a particularly advantageous during the sputtering process liquid height (wetting) is adjusted, so that a complete atomization of a relatively small liquid volume is achieved with a high proportion of respirable droplets. Desweiteren kann die mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit in Berührung kommende Oberfläche des Koppelkörpers problemlos gereinigt werden, weil auf der hutförmigen Erhebung, dh auf der im wesentlichen konvexen Oberfläche der Erhebung, keine Vertiefungen und keine Hinterschnitte vorgesehen sind. Furthermore, the coming with the liquid to be atomized into contact surface of the coupling body can be easily cleaned because of the hat-shaped elevation, that are provided on the essentially convex surface of the elevation, no recesses and no undercuts.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, den Koppelkörper an der Basis der hutförmigen Erhebung als über den Rand der Erhebung hinausreichende Scheibe auszubilden, wobei die Scheibe auf der von der Erhebung abgewandten Seite einen Ring zur Aufnahme der Piezokeramik aufweist. A particularly advantageous embodiment of the invention provides to form the coupling body at the base of the hat-shaped elevation than the edge of the elevation extending beyond the end disc, wherein the disc on the side remote from the collecting side has a ring for receiving the piezoceramic. Auf diese Weise kann die Piezokeramik, die üblicherweise als Scheibe ausgebildet ist, in einfacher Weise fixiert werden. In this way, the piezoceramic, which is usually designed as a disc can be fixed easily. Die über den Rand der Erhebung hinausragende Scheibe stellt einen akustischen Engpaß für die Anregungsenergie dar. The projecting beyond the edge of the collection disc represents a bottleneck for the acoustic excitation energy.
  • Hierdurch ist zum einen der Energieverlust beim Übergang des Ultraschalls in ein umgebendes Gehäuse vernachlässigbar, und zum anderen wird die Anregungsenergie hierdurch mit einem besonders großen Anteil in die hutförmige Erhebung eingekoppelt und damit zur Flüssigkeitszerstäubung genutzt. Thereby, the energy loss during the transition of the ultrasound in a surrounding housing is negligible on the one hand, and on the other hand, the excitation energy is thereby coupled with a particularly large proportion in the hat-shaped raised and used for liquid atomization. Weil der Ring zur formschlüssigen Aufnahme des Piezokörpers auf der von der Erhebung abgewandten Seite vorgesehen ist, wird eine unerwünschte Flüssigkeitsansammlung an der Basis der hutförmigen Erhebung vermieden. Because the ring for the positive reception of the piezoelectric body is provided on the side remote from the survey page, an undesired accumulation of liquid at the base of the hat-shaped elevation is avoided. Weiterhin kann dieser Ring als Einspannung beim Fertigungsprozeß des Koppelkörpers dienen, sofern dieser beispielsweise aus Metall gedreht wird. Further, this ring may serve as clamping during the manufacturing process of the coupling body unless it is rotated, for example of metal.
  • Damit wurde bereits gesagt, daß der Koppelkörper in vorteilhafter Weise aus Metall, vorzugsweise aus Titan oder einer Titanlegierung, besteht. In order has already been said, that the coupling body is advantageously made of metal, preferably of titanium or a titanium alloy.
  • Für eine gleichmäßige Verteilung der zu zerstäubenden Flüssigkeit auf der Erhebung ist es vorteilhaft, wenn die hutförmige Erhebung im wesentlichen rotationssymmetrisch ist. For a uniform distribution of the liquid to be atomized on the bump, it is advantageous if the cap-shaped elevation is substantially rotationally symmetrical. Sie kann vorzugsweise im Schnitt parabel- oder ellipsenförmig, aber auch exponentiell ausgestaltet sein. It may preferably parabolic in cross-section or elliptical, but also exponentially designed.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert. An embodiment of the invention is explained in detail with reference to a figure. Dabei zeigt diese Figur in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Ultraschallzerstäuber. Here, this figure shows a schematic representation of a longitudinal section through an ultrasonic atomizer.
  • Der Ultraschallzerstäuber 2 umfaßt eine Piezokeramikscheibe 4, einen Koppelkörper 6 und einen Membrankörper 8. Die Piezokeramikscheibe 4 ist mit im Ausführungsbeispiel nicht weiter dargestellten Elektroden versehen, die an einen nicht weiter dargestellten, die Piezokeramik anregenden elektrischen Schwingkreis angeschlossen sind. The ultrasonic atomizer 2 comprises a piezo-ceramic disk 4, a coupling body 6 and a diaphragm body 8. The piezo-ceramic disk 4 is provided with not shown in the exemplary embodiment electrodes are connected to a not further shown, the piezoceramic stimulating electrical resonant circuit. Die Piezokeramikscheibe 4 wird im Ausführungsbeispiel in Dickenresonanz betrieben, dh die Schallwellen werden im wesentlichen parallel zur Rotationssymmetrieachse 10 abgestrahlt. The piezo-ceramic disk 4 is operated in the embodiment in thickness resonance, ie, the sound waves are radiated substantially parallel to the axis of rotational symmetry 10th
  • Der Koppelkörper 6 besteht aus einem einzigen metallischen Stück und ist aus Titan oder einer Titanlegierung hergestellt. The coupling body 6 consists of a single metallic piece and is made of titanium or a titanium alloy. Der Koppelkörper 6 weist drei verschiedene Abschnitte auf: The coupling body 6 has three different sections:
    Den ersten Abschnitt stellt eine hutförmige, hier rotationssymmetrische parabelförmige Erhebung 12 dar, die im Ausführungsbeispiel eine Höhe von etwa 4 mm und einen Durchmesser von etwa 10 mm hat. The first section is a hat-shaped, rotationally symmetrical here parabolic projection 12, which in the exemplary embodiment has a height of about 4 mm and a diameter of about 10 mm.
  • Der zweite Abschnitt beginnt an der Basis 14 der parabelförmigen Erhebung 12 und dehnt sich als Scheibe 16 deutlich über den Rand der Erhebung 12 hinaus aus. The second section begins at the base 14 of the parabola-shaped projection 12 and extends as a disk 16 well above the edge of the projection 12 out of.
  • Den dritten Abschnitt repräsentiert ein Ring 18, der auf der von der Erhebung 12 abgewandten Seite der Scheibe 16 angeordnet ist. The third section represents a ring 18 which is disposed on the side facing away from the projection 12 side of the disc sixteenth In diesen Ring 18 sind ein Membrankörper 8 und die Piezokeramikscheibe 4 eingeklebt. In this ring 18, a diaphragm body 8 and the piezo-ceramic disk 4 are glued. Der Membrankörper 8 besteht bevorzugt aus Kunststoff. The membrane body 8 is preferably made of plastic. Abweichend von der Figur kann auch auf die Verwendung des Membrankörpers verzichtet werden. Notwithstanding can also be dispensed with the use of the membrane body of the figure. Der Ultraschallzerstäuber benötigt dann keinen zusätzlichen Wirkstoff, wodurch sich seine Funktion unter Umständen noch verbessern kann. The ultrasonic atomizer then requires no additional active ingredient, whereby its function under certain circumstances can still improve.
  • Beim Betrieb des Ultraschallzerstäubers 2 wird eine (bei medizinischen Anwendungen meist relativ geringe) Menge an Flüssigkeit f über eine Zuführung 20 auf die höchste Stelle der Erhebung 12 geträufelt. In the operation of the ultrasonic atomizer 2 is a is dropped (in medical applications, usually relatively small) amount of liquid f via an inlet 20 to the highest point of the elevation 12th In Abhängigkeit von der Viskosität der Flüssigkeit f und der Adhäsion der Flüssigkeit f an der metallischen Oberfläche des Koppelkörpers 6 im Bereich der Erhebung 12 verteilt sich die Flüssigkeit f mit einer relativ gleichmäßigen und etwa gleich dicken Flüssigkeitshöhe über die Oberfläche der Erhebung 12, dh es kommt zu einer Benetzung der Oberfläche mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit f. Depending on the viscosity of the fluid f and the adhesion of the fluid f to the metallic surface of the coupling body 6 in the region of the elevation 12, the liquid spreads f with a relatively uniform and about equal to thick liquid height above the surface of the bump 12, that it comes f wetting of the surface with the liquid to be atomized. Bei eingeschalteter Anregung der Piezokeramikscheibe 4 wird die gleichmäßig über die Oberfläche der Erhebung 12 verteilte Flüssigkeit f zerstäubt. With switched excitation of the piezo-ceramic disk 4, the evenly distributed over the surface of the bump 12 liquid is atomized f. Es ergibt sich dabei ein großer Anteil Tröpfchen mit einem Durchmesser kleiner 10 µm, wenn im Megahertzbereich angeregt wird. This results in this case a large proportion of droplets having a diameter less than 10 microns, when excited in the megahertz range. Aufgrund der nur geringen Flüssigkeitshöhe auf der Oberfläche der Erhebung 12 treten so gut wie keine Energieverluste durch die Reflexion der Ultraschallwellen an der Grenzfläche Flüssigkeit/Luft auf. Due to the only low liquid height on the surface of the bump 12, there is practically no energy to losses caused by the reflection of the ultrasonic waves at the interface liquid / air. Dies führt zu einer schnellen Bildung eines lungengängigen Aerosols. This leads to a rapid formation of a respirable aerosol. Dieses Aerosol kann beispielsweise von Asthmatikern in Form eines aerosolisierten Bronchospasmolytikums inhaliert werden. This aerosol can for example be inhaled by asthmatics in the form of an aerosolized bronchospasmolytic. Weil der Koppelkörper 6 bevorzugt aus Titan oder einer Titanlegierung besteht, weisen der Koppelkörper 6 und die zu zerstäubende Flüssigkeit f nur einen geringen Schallwiderstandsunterschied auf, was sich günstig auf den Reflexionsfaktor des Schalldrucks auswirkt. Because the coupling body 6 is preferably made of titanium or a titanium alloy, have the coupling body 6, and the liquid to be atomized f only a small acoustic impedance difference on, which has a favorable effect on the reflection coefficient of sound pressure.
  • Zur Form der Erhebung 12 sei angemerkt, daß sie nicht notwendigerweise rotationssymmetrisch sein muß. The shape of the projection 12 is to be noted that they need not necessarily be rotationally symmetrical. Die Erhebung 12 kann ebenso an der höchsten Stelle abgeflacht sein, ohne daß ein "Hohlspiegel" existiert, der als Sammelbecken für die zu zerstäubende Flüssigkeit wirkt. The projection 12 may be flattened as at the highest point, without a "concave mirror" exists, which acts as a reservoir for the liquid to be atomized.

Claims (10)

  1. Ultraschallzerstäuber (2), der eine elektrische anregbare Piezokeramik (4) und einen mit der Piezokeramik (4) in Wirkverbindung stehenden Koppelkörper (6) aufweist, wobei die mit einer zu zerstäubenden Flüssigkeit (f) in Berührung kommende Oberfläche des Koppelkörpers (6) als hutförmige Erhebung (12) ausgebildet ist, und wobei die hutförmige Erhebung (12) und der Koppelkörper (6) aus einem metallischen Vollmaterial bestehen. The ultrasonic atomizer (2), of an electrical excitable piezoceramic (4) and one with the piezoceramic (4) is operatively connected to the coupling body (6), wherein the a liquid to be atomized (f) comes into contact surface of the coupling body (6) as hat-like elevation (12) is formed, and wherein the hat-shaped raised portion (12) and the coupling body (6) made of a metallic solid material.
  2. Ultraschallzerstäuber (2) nach Anspruch 1, The ultrasonic atomizer (2) according to claim 1,
    dadurch gekennzeichnet , daß der Koppelkörper (6) an der Basis (14) der hutförmigen Erhebung (12) als über den Rand der Erhebung (12) hinausgehende Scheibe (16) ausgebildet ist, die auf der von der Erhebung (12) abgewandten Seite einen Ring (18) zur Aufnahme der Piezokeramik (4) aufweist. characterized in that the coupling body (6) to the base is formed (14) of the hat-shaped raised portion (12) over the edge of the projection (12) beyond disc (16), the side facing away from the elevation (12) a ring (18) for receiving the piezoceramic (4).
  3. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, An ultrasonic wave nebulizer according to claim 1 or 2,
    dadurch gekennzeichnet , daß der Koppelkörper (6) aus Titan oder einer Titanlegierung besteht. characterized in that the coupling body (6) made of titanium or a titanium alloy.
  4. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die hutförmige Erhebung (12) im wesentlichen rotationssymmetrisch ist. The ultrasonic atomizer according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the hat-shaped raised portion (12) is substantially rotationally symmetrical.
  5. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die hutförmige Erhebung (12) im Schnitt ellipsenförmig ausgebildet ist. The ultrasonic atomizer according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the hat-shaped raised portion (12) is elliptical in section.
  6. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die hutförmige Erhebung (12) im Schnitt parabelförmig ausgebildet ist. The ultrasonic atomizer according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the hat-shaped raised portion (12) is formed parabolic in section.
  7. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hutförmige Erhebung (12) im Schnitt nach einer Exponentialfunktion ausgebildet ist. The ultrasonic atomizer according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the hat-shaped raised portion (12) is formed in the section according to an exponential function.
  8. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die hutförmige Erhebung (12) eine Höhe von etwa 4 mm und einen Durchmesser von etwa 10 mm besitzt. The ultrasonic atomizer according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the hat-shaped raised portion (12) has a height of about 4 mm and a diameter of about 10 mm.
  9. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der eine Zuführung (20) für die Flüssigkeit (f) aufweist, die etwa am höchsten Punkt der hutförmigen Erhebung (6) endet. The ultrasonic atomizer according to any one of claims 1 to 8, having an inlet (20) for the liquid (f), which ends approximately at the highest point of the hat-shaped raised portion (6).
  10. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramik (4) von einem Membrankörper (8) eingefaßt ist. The ultrasonic atomizer according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the piezoceramic (4) by a membrane body (8) is enclosed.
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