EP1341615A1

EP1341615A1 - Ultraschallzerstäuber

Info

Publication number: EP1341615A1
Application number: EP01991768A
Authority: EP
Inventors: Klaus Van Der Linden
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: WO2002047828A1; JP2004515353A; DE50102639D1; EP1341615B1; EP1214986A1; US20040256482A1; ATE269167T1

Description

Beschreibung

UltraschallZerstäuber

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallzerstäuber zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Sprühnebels.

Ultraschallzerstäuber werden dann eingesetzt, wenn an den zu erzeugenden Sprühnebel hohe Anforderungen besonders in Bezug auf eine möglichst homogene Verteilung oder eine möglichst gute Dosierbarkeit gestellt werden. Mögliche Einsatzgebiete sind hierbei z.B. der Einsatz in Lackiergeräten, Luftbefeuchtungseinrichtungen, medizinischen Geräten - bei denen ein medizinisch wirksames Aerosol in einer bestimmten Dosierung er- zeugt werden soll -, aber auch Haushaltsgeräte, wie z.B. Bügeleisen, bei denen zur Erzeugung eines besonders guten Arbeiterfolgs Ultraschallzerstäuber eingesetzt werden, um einen den Bügelprozess unterstützenden Wassernebel zu erzeugen.

In der DE 197 35 214 C2 ist ein Bügeleisen gezeigt, welches u.a. eine piezo-elektrische Zerstäubungseinrichtung aufweist. Das piezoelektrische Element der piezoelektrischen Zerstäubungseinrichtung weist dabei eine Anzahl von gezielt angebrachten Öffnungen auf. Die Herstellung eines derartigen pie- zoelektrischen Elements erfordert daher einen entsprechend aufwendigen Herstellungsprozess .

In der EP 1 005 917 AI ist ein Inhalator mit einem Ultraschallzerstäuber beschrieben. Dieser besteht aus einem ersten und einem zweiten Substrat, sowie aus einem Schwingungserzeuger.

Die beiden Substrate, sowie der Schwinger sind dabei im Wesentlichen dreidimensionale, speziell ausgestaltete Körper. Besonders das erste Substrat, welches die Auslasseinrichtung für die zerstäubte Flüssigkeit beinhaltet, ist dabei sehr aufwendig ausgestaltet, um die angeregte Haup Schwingungsmode optimal zu unterstützen.

Nachteilig dabei ist, dass die Fertigung eines derartig gestalteten Ultraschallzerstaubers aufwendig ist, weil dabei insbesondere komplizierte dreidimensionale Substratkörper hergestellt werden müssen, welche eine ganz bestimmte, genau einzuhaltende Geometrie aufweisen müssen, um den Zerstäubungs-Erfolg sicher zu stellen.

In der EP 0 689 879 AI ist ein Ultraschallzerstäuber beschrieben, welcher sich besonders für medizinische Anwendungen eignet, bei denen eine relativ geringe Flüssigkeitsmenge zerstäubt werden muss. Dazu ist insbesondere ein speziell gestalteter Koppelkörper vorgesehen, um eine gute Benetzung mit möglichst wenig zu zerstäubender Medikamentenflüssigkeit zu gewährleisten.

Nachteilig dabei ist, dass dieser Ultraschallzerstäuber nicht zur Zerstäubung von größeren Flüssigkeitsmengen geeignet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallzerstäuber anzugeben, welcher einfach zu fertigen ist, ein günstiges Abstrahlverhalten bezüglich des zu erzeugenden Sprühnebels aufweist sowie einen breiten Einsatzbereich abdeckt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Ultraschallzerstäuber mit einem piezoelektrischen Schwinger gelöst, bei welchem der piezoelektrische Schwinger als ganzflächige Tafel ausgebildet und mit einer Substrat-Tafel verbunden ist.

Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der erfindungsgemäße Ultraschallzerstäuber einfach herstellbar, da es zur Herstel- lung dessen wesentlicher Bestandteile keiner speziellen Herstellungsschritte bedarf, in welchen einem oder mehreren Be- standteilen des Zerstäubers eine komplizierte dreidimensionale geometrische Form verliehen wird.

Insbesondere ist der Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Ultraschallzerstaubers nicht eingeschränkt auf Anwendungen, bei denen eine relativ geringe Flüssigkeitsmenge zerstäubt werden soll.

Unter Tafel soll im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallzerstäuber ein plattenartiges Gebilde verstanden werden, welches zwei plane, zueinander parallele Grenzflächen aufweist. Des Weiteren soll dieses plattenartige Gebilde eine im Vergleich zu dessen Längenausdehnung geringe Dicke aufweisen.

Eine Tafel wird ganzflächig genannt, wenn auf einer der Grenzflächen zwei bezüglich des Schwerpunkts der Tafel einander der gegenüberliegenden Randpunkte stets durch eine gerade Strecke verbindbar sind, wobei die Strecken vollständig in der jeweiligen Fläche liegen. Geringe Unregelmäßigkeiten am Rand der jeweiligen Grenzfläche sollen dabei nicht beachtet werden.

Vorteilhaft weist die Substrat-Tafel wenigstens eine Ausspa- rung auf.

Die gezielte geometrische Gestaltung der Aussparung der Sub- strat-Tafel gestattet es, festgelegte Schwingungs-Modes des Gebildes bestehend aus piezoelektrischem Schwinger und damit verbundener Substrat-Tafel anzuregen.

So ist es z.B. möglich, die Arbeitsfrequenz des Ultraschallzerstäuber gezielt in ein Frequenzgebiet weit von der Hörgrenze entfernt zu legen, um so akustische Beeinträchtigungen beim Betrieb zu vermeiden. Die Variation der Größe und geometrischen Gestalt der Aussparung der Substrat-Tafel erlaubt darüber hinaus, gezielt Ein- fluss zu nehmen auf die Größe der beim Zerstäubungsprozess entstehenden Flüssigkeitströpfchen. Im Vergleich zur Variati- on der Geometrie des piezoelektrischen Schwingers stellt die Variation der Geometrie der Aussparung der Substrat-Tafel eine technisch leicht zu bewerkstelligende Aufgabe dar.

Vorteilhaft erstreckt sich die Aussparung über den geometri- sehen Schwerpunkt der Substrat-Tafel bei elliptischem, kreisförmigem oder regulär-polyno em Querschnitt der Substrat- Tafel also über den Mittelpunkt. Dadurch wird die Anpassung an den gewünschten Schwingungsmodus besonders einfach.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind der piezoelektrische Schwinger und/oder die Substrat-Tafel als wenigstens im Wesentlichen runde Tafeln ausgebildet.

Dadurch, dass die runde Form vielfältige Symmetrien aufweist, sind die Schwingungen entlang der Oberfläche des piezoelektrischen Schwingers besonders .homogen. Dasselbe gilt bei der Verwendung einer im Wesentlichen runden Substrat-Tafel. Da die Substrat-Tafel die Aufgabe hat, bestimmte Schwingungs- Modes anzuregen bzw. zu unterdrücken, ist eine in vielfälti- ger Hinsicht symmetrische Form der Substrat-Tafel vorteilhaft, um diesen Effekt möglichst homogen zu erzielen. Außerdem sind runde Tafeln leicht herstellbar.

Vorteilhaft sind dabei sowohl der piezoelektrische Schwinger als auch die Substrat-Tafel als jeweils runde Tafel ausgebildet, wobei die Substrat-Tafel ein mittiges Loch aufweist.

In dieser Ausgestaltung der Erfindung kommen die Symmetrieeigenschaften der beteiligten Bestandteile besonders gut und sich ergänzend zur Entfaltung. Darüber hinaus ist ein mittiges Loch als Aussparung der Substrat-Tafel leicht ausführbar. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht die Substrat-Tafel aus Stahl.

Stahl ist ein Werkstoff, welcher leicht beschaffbar bzw. her- stellbar ist. Des Weiteren ist eine große Anzahl an einfachen und problemlosen Verarbeitungsmöglichkeiten für Stahl bekannt .

Vorteilhaft ist der piezoelektrische Schwinger auf die Sub- strat-Tafel aufgeklebt, insbesondere sind Schwinger und Sub- strat-Tafel großflächig miteinander verklebt.

Eine Klebeverbindung ist leicht herstellbar und bietet beim erfindungsgemäßen Ultraschallzerstäuber den Vorteil, dass bei einer möglichst homogenen Verteilung der Klebeschicht im Vergleich zu einer punktuellen Verbindung die Schwingungen des mit der Substrat-Tafel verbundenen piezoelektrischen Schwingers wenig beeinträchtigt werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Substrat-Tafel wenigstens ein Loch auf und dieses ist durch mindestens ein Hilfsmittel geschlossen.

Das Hilfsmittel weist dabei eine Dicke auf, welche deutlich unterhalb der Dicke der^' Substrat-Tafel liegt.

Das Schließen des Lochs der Substrat-Tafel durch ein Hilfsmittel bietet den Vorteil, dass die besonders im Betrieb ohne Flüssigkeit entstehende Wärme des piezoelektrischen Schwin- gers leichter abgeführt werden kann, da die Wärme auf das mit dem piezoelektrischen Schwinger in Kontakt stehende Hilfsmittel übergeht und sich über dessen Oberfläche verteilt. Falls die Oberfläche des Hilfsmittels zumindest etwas größer ist als der Querschnitt des Lochs, ist die Wärmezufuhr verbes- sert, da die Oberfläche des Hilfsmittels direkt mit der Umgebung in Verbindung steht. Im Betrieb mit Flüssigkeit bietet das Hilfsmittel darüber hinaus den Vorteil eines Korrosions- Schutzes des piezoelektrischen Schwingers, wenn die Zufuhr der zu zerstäubenden Flüssigkeit von der dem Schwinger abgewandten Seite der Substrat-Tafel her erfolgt. Sie tritt dann nicht mehr in direkten Kontakt zur Oberfläche des piezoelekt- rischen Schwingers.

Vorteilhaft ist das Hilfsmittel eine Kunststofffolie und/oder ein Lack und/oder eine Metallfolie.

Die vorher genannten Hilfsmittel gestatten ein besonders leichtes Schließen des Loches ohne großen Aufwand.

Vorteilhaft wird der Ultraschallzerstäuber in einem Bügeleisen zur Erzeugung eines Sprühnebels verwendet.

Die nachfolgenden Zeichnungen veranschaulichen vier Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es zeigen:

FIG 1 eine Draufsicht eines piezoelektrischen Schwingers, der mit einer Substrat-Tafel verbunden ist,

FIG 2 eine Seitenansicht des in FIG 1 dargestellten, mit einer Substrat-Tafel verbundenen piezoelektrischen Schwingers, FIG 3 einen Längsschnitt durch einen Ultraschallzerstäuber und

FIG 4 eine Explosions-Zeichnung eines elektrischen Bügeleisens mit einem Ultraschallzerstäuber.

In FIG 1 ist ein ganzflächiger piezoelektrischer Schwinger 10 dargestellt, welcher mit einer Substrat-Tafel 12 verbunden ist. Die Substrat-Tafel 12 weist als eine Aussparung 14 ein mittiges Loch auf. Sowohl der piezoelektrische Schwinger 10 als auch die Substrat-Tafel 12 sind in dieser Ausführungsform als runde Tafeln ausgebildet. Der piezoelektrische Schwinger 10 und die Substrat-Tafel 12 bilden eine Sandwich-Anordnung und sind bevorzugt flächig miteinander verklebt. Die zu zerstäubende Flüssigkeit ist dieser Sandwich-Anordnung auf eine in FIG 1 nicht näher dargestellt Weise zuführbar. Vorteilhaft besitzt die Substrat-Tafel 12 Durchtrittsöffnungen 16, durch welche beim Betrieb des Ultraschallzerstaubers die zu zerstäubende oder bereits zerstäubte Flüssigkeit hindurchtreten kann.

Die Aussparung 14 der Substrat-Tafel 12 kann in ihren Geometriegrößen wie z.B. Länge, Breite, Fläche oder Durchmesser gezielt so gestaltet werden, dass die über eine nicht näher dargestellte Erregereinrichtung angeregte Einheit bestehend aus piezoelektrischem Schwinger 10 und Substrat-Tafel 12 mit einer gewünschten Arbeitsfrequenz schwingt.

FIG 2 zeigt eine Seitenansicht der FIG 1 längs des Schnitts II-II. Die Durchtrittsöffnungen 16 sind von einer Lochfolie 18, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als gelochte Ringscheibe ausgeführt ist, bedeckt. Die nicht näher dargestellten Löcher der Lochfolie 18 haben bevorzugt einen Durchmesser von ca. 50 μm. Der Sinn dieser Löcher besteht darin, dass durch diese keine Flüssigkeit hindurchtreten kann, wenn der Ultraschallzerstäuber nicht betätigt ist, also der piezoelektrische Schwinger nicht angeregt ist. Die Lochfolie 18 ist mit der Substrat-Tafel 12 bevorzugt flächig verklebt.

FIG 3 zeigt einen Ultraschallzerstäuber 19. Dieser ist verbunden mit einem Tankgehäuse 29, welches aus zwei durch eine Trennwand 31 getrennten Räumen (30, 32) besteht. In beiden Räumen befindet sich beim Betrieb des Ultraschallzerstaubers 16 Flüssigkeit 34. Die Flüssigkeit im Arbeitsraum 32 ist die- jenige, welche bei der nächsten Betätigung einer nicht dargestellten Betätigungseinrichtung des Ultraschallzerstaubers 16 zur Zerstäubung benutzt wird. Ein besonders gutes Zerstäubungsergebnis erhält man, wenn im Arbeitsraum 32 eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Drucks in der Flüssigkeit vorherrscht. Um eine derartige Druckverteilung zu gewährleisten, kann mit Hilfe der Fördereinrichtung 33, welche bevorzugt als Pumpe ausgebildet ist, Flüssigkeit vom Vorratsraum co OJ t M P¹ P¹

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Claims

Patentansprüche

1. Ultraschallzerstäuber (16) mit einem piezoelektrischen Schwinger (10) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der piezoelektrische Schwinger (10) als ganzflächige Tafel ausgebildet und mit einer Substrat-Tafel (12) verbunden ist.

2. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Substrat-Tafel (12) wenigstens eine Aussparung (14) aufweist .

3. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der piezoelektrische Schwinger (10) und/oder die Sub- strat-Tafel (12) als wenigstens im Wesentlichen runde Tafeln (12) ausgebildet sind.

4. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der piezoelektrische Schwinger (10) und die Substrat- Tafel (12) als jeweils runde Tafel ausgebildet sind und die Substrat-Tafel (12) ein mittiges Loch aufweist.

5. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Substrat-Tafel (12) aus Stahl besteht.

Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der piezoelektrische Schwinger (10) auf die Substrat- Tafel (12) aufgeklebt ist.

Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Substrat-Tafel (12) wenigstens ein Loch aufweist und dieses durch mindestens ein Hilfsmittel (35) geschlossen ist.

8. Ultraschallzerstäuber nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Hilfsmittel (35) eine Kunststofffolie und/oder ein

Lack und/oder eine Metallfolie ist.

9. Verwendung eines Ultraschallzerstaubers nach einem der

Ansprüche 1 bis 8 in einem Bügeleisen (40) zur Erzeugung eines Sprühnebels.

10.Bügeleisen (40) mit einem Ultraschallzerstäuber nach ei- nem der Ansprüche 1 bis 8.