EP0689879B1 - Ultraschallzerstäuber - Google Patents

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EP0689879B1
EP0689879B1 EP95110003A EP95110003A EP0689879B1 EP 0689879 B1 EP0689879 B1 EP 0689879B1 EP 95110003 A EP95110003 A EP 95110003A EP 95110003 A EP95110003 A EP 95110003A EP 0689879 B1 EP0689879 B1 EP 0689879B1
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EP
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hat
raised portion
shaped raised
coupling body
piezoceramic
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EP95110003A
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Olaf Dipl.-Phys. Haack
Randolf Dr. Mock
Klaus Dipl.-Ing. Van Der Linden
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus 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
    • B05B17/0607—Apparatus 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

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic atomizer for liquid atomization.
  • a large number of technical applications require to produce aerosols from liquids.
  • a drug such as B. a bronchospasmolytic to atomize a respiratory aerosol.
  • EP 0 246 515 A1 describes an ultrasound MHz oscillator, in particular for liquid atomization, in which an amplitude transformer attached to a piezoceramic disc is, with the amplitude transformer - starting from the piezoceramic disc - tapers first and then ends in a widening atomizing plate.
  • This atomizer plate has a concave surface ("Concave mirror") for receiving the liquid to be atomized on.
  • An ultrasonic atomizer is in the form of US 4,085,893 known as a "dumbbell vibrator".
  • This "dumbbell vibrator” has a cylindrical component and a also essentially cylindrical vibration element on. The diameter of the vibration element is smaller than the diameter of the cylindrical member.
  • the Vibration element has a rounded cap. The The length of the component is greater than its diameter.
  • JP 3 137 957 shows an ultrasonic atomizer according to the preamble of claim 1, which has a coupling body in the form of a horn.
  • the Coupling body is coupled to an ultrasound generator.
  • a construction part is a disk-shaped component intended to the Attach the coupling body and the ultrasound generator.
  • GB 2 073 616 A shows an ultrasonic atomizer, which a coupling body with a hat, mushroom or umbrella-shaped elevation.
  • the survey is included formed as a hollow body.
  • the liquid to be atomized is shaped on the outer surface of the hat, mushroom or umbrella Elevation directed, which is only in the center of its inner surface is held by a stem.
  • the invention has for its object an ultrasonic atomizer specify at which those mentioned above Energy losses due to the reflection of the ultrasonic waves the liquid / air boundary layer can be kept relatively small and the relatively small volume of liquid, e.g. B. about 50 ⁇ l, atomized so that a high proportion of respirable Droplets with a diameter of less than 10 ⁇ m are formed.
  • an ultrasonic atomizer which is an electrically excitable piezoceramic and one that is operatively connected to the piezoceramic
  • Has coupling body which with the to be atomized Liquid contacting surface of the coupling body is formed as a hat-shaped elevation, the hat-shaped Elevation and the coupling body from a metallic Solid material exist, the coupling body at the base the hat-shaped elevation as going beyond the edge of the elevation Disc is formed, the entire room between the surface of the hat-shaped elevation and the Base is filled with the metallic solid material, and the height of the hat-shaped elevation being smaller than that Diameter at their base.
  • a hat-shaped survey is a survey in general with an essentially convex surface.
  • Essentially convex should also be understood to mean that the top of the elevation be flattened to a plateau can.
  • the survey does not necessarily have to be rotationally symmetrical be designed.
  • the disk protruding over the edge of the elevation represents is an acoustic bottleneck for the excitation energy is the energy loss during the transition of ultrasound negligible in a surrounding housing, and on the other hand, this makes the excitation energy special large portion coupled into the hat-shaped elevation and thus used for liquid atomization.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides before that the disc on the side facing away from the survey Side has a ring for receiving the piezoceramic.
  • the piezoceramic which is usually called Washer is designed to be fixed in a simple manner.
  • the coupling body is advantageous Manner of metal, preferably of titanium or a titanium alloy, consists.
  • the hat-shaped Elevation is essentially rotationally symmetrical.
  • she can preferably be parabolic or elliptical in section, but also be designed exponentially.
  • An embodiment of the invention is based on a figure explained in more detail. This figure shows in a schematic Representation of a longitudinal section through an ultrasonic atomizer.
  • the ultrasonic atomizer 2 comprises a piezoceramic disk 4, a coupling body 6 and a membrane body 8.
  • the piezoceramic disk 4 is no further in the exemplary embodiment electrodes shown, the one to no further shown, the piezo-ceramic stimulating electrical Resonant circuit are connected.
  • the piezoceramic disc 4 is operated in the exemplary embodiment in thickness resonance, d. H. the sound waves are essentially parallel to Radiation symmetry axis 10 emitted.
  • the coupling body 6 consists of a single metallic Piece and is made of titanium or a titanium alloy.
  • the coupling body 6 has three different sections on:
  • the first section is a hat-shaped, here rotationally symmetrical parabolic elevation 12, which in the embodiment a height of about 4 mm and a diameter of about 10 mm.
  • the second section begins at the base 14 of the parabolic Elevation 12 and stretches significantly as disk 16 out the edge of the survey 12.
  • the third section represents a ring 18 on the Arranged from the elevation 12 side of the disc 16 is.
  • a membrane body 8 and Piezoceramic disk 4 glued in place.
  • the membrane body 8 is made preferably made of plastic. Different from the figure can also the use of the membrane body can be dispensed with.
  • the Ultrasonic atomizers then do not require an additional one Active ingredient, which may affect its function can improve.
  • the coupling body 6 is preferably made of titanium or one Titanium alloy, the coupling body 6 and the Liquid to be atomized f only a small difference in sound resistance on what's beneficial to the reflection factor of the sound pressure affects.
  • the survey 12 can also be flattened at the highest point without a "concave mirror" exists, which serves as a collecting basin for the atomizing liquid acts.

Landscapes

  • Special Spraying Apparatus (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallzerstäuber zur Flüssigkeitszerstäubung.
Bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen ist es erforderlich, aus Flüssigkeiten Aerosole zu erzeugen. Insbesondere für medizinische Anwendungen ist es erforderlich, beispielsweise ein Medikament, wie z. B. ein Bronchospasmolytikum, zu einem lungengängigen Aerosol zu zerstäuben.
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. Dieser Zerstäuberteller weist eine konkave Oberfläche ("Hohlspiegel") zur Aufnahme der zu zerstäubenden Flüssigkeit auf. 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.
Aus der US 4,085,893 ist ein Ultraschallzerstäuber in Form eines sogenannten "Hantelschwingers" bekannt. Dieser "Hantelschwinger" weist ein zylinderförmiges Bauelement und ein ebenfalls im wesentlichen zylinderförmiges Schwingungselement auf. Der Durchmesser des Schwingungselements ist dabei geringer als der Durchmesser des zylinderförmigen Bauelements. Das Schwingungselement weist eine abgerundete Kappe auf. Die Länge des Bauelements ist größer als sein Durchmesser.
In der JP 3 137 957 ist ein Ultraschallzerstäuber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gezeigt, welcher einen Koppelkörper in Form eines Hornes aufweist. Der Koppelkörper ist an einen Ultraschallerzeuger gekoppelt. Zum Befestigen des Koppelkörpers und des Ultraschallerzeugers an ein Konstruktionsteil ist ein scheibenförmiges Bauelement vorgesehen.
Die GB 2 073 616 A zeigt einen Ultraschallzerstäuber, welcher einen Koppelkörper mit einer darauf angeordneten hut-, pilz- oder schirmförmigen Erhebung aufweist. Die Erhebung ist dabei als ein Hohlkörper ausgebildet. Die zu zerstäubende Flüssigkeit wird auf die Außenfläche der hut-, pilz- oder schirmförmigen Erhebung geleitet, welche nur im Zentrum ihrer Innenfläche durch einen Stiel gehalten ist.
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. B. ca. 50 µl, so zerstäubt, daß ein hoher Anteil von lungengängigen Tröpfchen mit einem Durchmesser kleiner als 10 µm entsteht.
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, wobei die hutförmige Erhebung und der Koppelkörper aus einem metallischen Vollmaterial bestehen, wobei der Koppelkörper an der Basis der hutförmigen Erhebung als über den Rand der Erhebung hinausgehende Scheibe ausgebildet ist, wobei der gesamte Raum zwischen der Oberfläche der hutförmigen Erhebung und der Basis mit dem metallischen Vollmaterial gefüllt ist, und wobei die Höhe der hutförmigen Erhebung kleiner ist als der Durchmesser an deren Basis.
Hierbei ist mit hutförmiger Erhebung ganz allgemein eine Erhebung mit einer im wesentlichen konvexen Oberfläche gemeint. Unter "im wesentlich konvex" soll auch verstanden sein, daß die Oberseite der Erhebung zu einem Plateau abgeflacht sein kann. Die Erhebung muß nicht zwingend rotationssymmetrisch ausgestaltet sein.
Auf diese Weise ist es möglich, den Ultraschall von der Piezokeramik in den Koppelkörper einzukoppeln und im oberen Bereich der Erhebung zu fokussieren. 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. Des weiteren kann die mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit in Berührung kommende Oberfläche des Koppelkörpers problemlos gereinigt werden, weil auf der hutförmigen Erhebung, d. h. auf der im wesentlichen konvexen Oberfläche der Erhebung, keine Vertiefungen und keine Hinterschnitte vorgesehen sind.
Die über den Rand der Erhebung hinausragende Scheibe stellt einen akustischen Engpaß für die Anregungsenergie dar. 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.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Scheibe auf der von der Erhebung abgewandten Seite einen Ring zur Aufnahme der Piezokeramik aufweist. Auf diese Weise kann die Piezokeramik, die üblicherweise als Scheibe ausgebildet ist, in einfacher Weise fixiert werden.
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. Weiterhin kann dieser Ring als Einspannung beim Fertigungsprozeß des Koppelkörpers dienen, sofern dieser beispielsweise aus Metall gedreht wird.
Es wurde bereits gesagt, daß der Koppelkörper in vorteilhafter Weise aus Metall, vorzugsweise aus Titan oder einer Titanlegierung, besteht.
Für eine gleichmäßige Verteilung der zu zerstäubenden Flüssigkeit auf der Erhebung ist es vorteilhaft, wenn die hutförmige Erhebung im wesentlichen rotationssymmetrisch ist. Sie kann vorzugsweise im Schnitt parabel- oder ellipsenförmig, aber auch exponentiell ausgestaltet sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt diese Figur in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Ultraschallzerstäuber.
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. Die Piezokeramikscheibe 4 wird im Ausführungsbeispiel in Dickenresonanz betrieben, d. h. die Schallwellen werden im wesentlichen parallel zur Rotationssymmetrieachse 10 abgestrahlt.
Der Koppelkörper 6 besteht aus einem einzigen metallischen Stück und ist aus Titan oder einer Titanlegierung hergestellt. Der Koppelkörper 6 weist drei verschiedene Abschnitte auf:
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.
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.
Den dritten Abschnitt repräsentiert ein Ring 18, der auf der von der Erhebung 12 abgewandten Seite der Scheibe 16 angeordnet ist. In diesen Ring 18 sind ein Membrankörper 8 und die Piezokeramikscheibe 4 eingeklebt. Der Membrankörper 8 besteht bevorzugt aus Kunststoff. Abweichend von der Figur kann auch auf die Verwendung des Membrankörpers verzichtet werden. Der Ultraschallzerstäuber benötigt dann keinen zusätzlichen Wirkstoff, wodurch sich seine Funktion unter Umständen noch verbessern kann.
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 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, d.h. es kommt zu einer Benetzung der Oberfläche mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit f. Bei eingeschalteter Anregung der Piezokeramikscheibe 4 wird die gleichmäßig über die Oberfläche der Erhebung 12 verteilte Flüssigkeit f zerstäubt. Es ergibt sich dabei ein großer Anteil Tröpfchen mit einem Durchmesser kleiner 10 µm, wenn im Megahertzbereich angeregt wird. 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. Dies führt zu einer schnellen Bildung eines lungengängigen Aerosols. Dieses Aerosol kann beispielsweise von Asthmatikern in Form eines aerosolisierten Bronchospasmolytikums inhaliert werden. 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.
Zur Form der Erhebung 12 sei angemerkt, daß sie nicht notwendigerweise rotationssymmetrisch sein muß. 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.

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, wobei die hutförmige Erhebung (12) und der Koppelkörper (6) aus einem metallischen Vollmaterial bestehen, wobei der Koppelkörper (6) an der Basis (14) der hutförmigen Erhebung (12) als über den Rand der Erhebung (12) hinausgehende Scheibe (16) ausgebildet ist, und wobei der gesamte Raum zwischen der Oberfläche der hutförmigen Erhebung (12) und der Basis mit dem metallischen Vollmaterial gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der hutförmigen Erhebung (12) kleiner ist als der Durchmesser an deren Basis (14).
  2. Ultraschallzerstäuber (2) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe auf der von der Erhebung (12) abgewandten Seite einen Ring (18) zur Aufnahme der Piezokeramik (4) aufweist.
  3. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkörper (6) aus Titan oder einer Titanlegierung besteht.
  4. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die hutförmige Erhebung (12) im wesentlichen rotationssymmetrisch ist.
  5. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die hutförmige Erhebung (12) im Schnitt ellipsenförmig ausgebildet ist.
  6. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die hutförmige Erhebung (12) im Schnitt parabelförmig ausgebildet ist.
  7. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüch 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die hutförmige Erhebung (12) im Schnitt nach einer Exponentialfunktion ausgebildet ist.
  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.
  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.
  10. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramik (4) von einem Membrankörper (8) eingefaßt ist.
EP95110003A 1994-06-29 1995-06-27 Ultraschallzerstäuber Expired - Lifetime EP0689879B1 (de)

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