RU2349392C2

RU2349392C2 - Ultrasound sprayer of fluid various-viscosity preparations

Info

Publication number: RU2349392C2
Application number: RU2007115030/12A
Authority: RU
Inventors: Владимир Константинович Яценко (RU); Владимир Константинович Яценко; Виктори Владимировна Яценко (RU); Виктория Владимировна Яценко
Original assignee: Виктория Владимировна Яценко
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2009-03-20
Also published as: RU2007115030A

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: proposed ultrasound sprayer is intended for spraying viscous preparations, for example those based on, water-, water-spirit, water-glycerin and oil solutions, producing emulsions of non-miscible fluids in a device that resists treatment by sterilising agents. The sprayer vibrator represents a plate made up of multilayer metal-piezoceramics-polymer composite material. The said plate represents a flat ring enveloping rod (1) with its plane engaged with the vibrator via adjustable gap. The plate inner edges engage with on end face of the sleeve also enveloping the aforesaid rod. There is a minimum positive circular allowance (5) arranged between the sleeve, plates inner edges and rod to make a channel designed to feed preparation into the gap between the vibrator and plate. The sleeve second end face is jointed to the unit feeding one or several preparations.

EFFECT: spraying cycle economy, ease of use and resistance against sterilising agents.

6 dwg

Description

Изобретение относится к технике распыления жидкостей, создания эмульсий препаратов, включая лекарственные и косметические. Изобретение может использоваться при создании аэрозолей лекарственных препаратов, эмульсий различного назначения в областях медицины, косметологии, лакокрасочной техники, где используются вещества, обладающие более высокой вязкостью, чем вода и водно-спиртовые растворы.The invention relates to techniques for spraying liquids, creating emulsions of drugs, including medicinal and cosmetic. The invention can be used to create aerosols of drugs, emulsions for various purposes in the fields of medicine, cosmetology, paint and varnish technology, where substances with a higher viscosity than water and water-alcohol solutions are used.

Известно устройство для распыления жидкостей фирмы Vibra Cell (USA), содержащее ультразвуковой вибратор, концентратор и диск, с поверхности которого производится распыление жидкости (Ultrasonic atomization: Effect of liquid phase properties, B. Avvaru and etc., Ultrasonic, 44 (2006), 146-158). Оно обеспечивает распыление воды, водно-глицериновых растворов различной взаимной концентрации и вязкости. Распылитель потребляет мощность от 50 до 130 Вт, эта энергия уходит, в том числе и на нагревание препарата, что не всегда допускается в медицине. Устройство имеет большие габариты, его эксплуатация ведет к неоправданным энергозатратам и экономически не выгодна.A device for spraying liquids of the company Vibra Cell (USA) is known, comprising an ultrasonic vibrator, a hub and a disk from the surface of which a liquid is sprayed (Ultrasonic atomization: Effect of liquid phase properties, B. Avvaru and etc., Ultrasonic, 44 (2006), 146-158). It provides a spray of water, water-glycerin solutions of various mutual concentrations and viscosities. The nebulizer consumes power from 50 to 130 watts, this energy is spent, including for heating the drug, which is not always allowed in medicine. The device has large dimensions, its operation leads to unjustified energy costs and is not economically viable.

Известно устройство для создания потока капель в печатающей головке струйного принтера (Патент US №5604522, МПК B41J 2/45, 347/70,29/890.1, опубл. 18.02.1997), содержащее вибратор в виде пьезокерамического стержня, к торцу которого присоединена многослойная полимерная пластина. Ее слои имеют различную жесткость. Один из слоев является стенкой тонкого резервуара с распыляемой жидкостью. Противоположная стенка резервуара выполнена из полимерного материала и имеет одно отверстие, через которое поток капель выбрасывается при работе устройства. Это устройство обеспечивает распыление жидкости (чернил), обладающей(их) вязкостью мало отличающей(их)ся от воды и водно-спиртовых растворов. Оно обладает малой производительностью из-за наличия только одного отверстия. Распыляемая смесь (чернила) изготавливают заранее и представляют собой однородный, устойчивый к расслоению раствор.A device for creating a stream of droplets in the printhead of an inkjet printer (US Patent No. 5604522, IPC B41J 2/45, 347 / 70,29 / 890.1, publ. 02/18/1997), containing a vibrator in the form of a piezoceramic rod, to the end of which is attached a multilayer polymer plate. Its layers have different stiffness. One of the layers is the wall of a thin reservoir with sprayed liquid. The opposite wall of the tank is made of polymer material and has one hole through which a stream of droplets is ejected during operation of the device. This device provides a spray of liquid (ink) having (their) viscosity slightly different (them) from water and water-alcohol solutions. It has low productivity due to the presence of only one hole. The sprayed mixture (ink) is made in advance and is a homogeneous, resistant to delamination solution.

Известно устройство для распыления жидкостей, преимущественно лекарственных препаратов (Патент US №5435282, МПК В05В 17/06, 128/200, 128/203, 239/338 опубл. 25.07.1995), в котором вибратор в форме металлического диска имеет центральное круглое отверстие, закрытое плоской металлической сеткой, поверхность которой имеет зазор относительно криволинейной поверхности узла подачи жидкого препарата. Распыляемый препарат удерживается в зазоре и на поверхности сетки капиллярными силами. К поверхности вибратора присоединен плоский пьезокерамический элемент, электрически управляемый генератором, создающий ультразвуковые колебания вибратора, сетчатой пластины и жидкости в зазоре и на поверхности пластины. Описанная конструкция не обеспечивает необходимой концентрации ультразвуковой энергии для распыления вязких препаратов. Это связано с тем, что детали узла подачи жидкости не участвуют в процессе колебаний, вошедшая в них энергия ультразвуковых колебаний затухает. Зона распыления препарата на поверхности сетчатой пластины ограничивается областью минимального зазора между сетчатой пластиной и криволинейной поверхностью узла подачи препарата.A device for spraying liquids, mainly drugs (US Patent No. 5435282, IPC B05B 17/06, 128/200, 128/203, 239/338 publ. 07.25.1995), in which the vibrator in the form of a metal disk has a central circular hole closed with a flat metal mesh, the surface of which has a gap with respect to the curved surface of the fluid supply unit. The sprayed drug is held in the gap and on the surface of the mesh by capillary forces. A flat piezoelectric ceramic element, electrically controlled by a generator, is attached to the surface of the vibrator, creating ultrasonic vibrations of the vibrator, mesh plate and liquid in the gap and on the surface of the plate. The described design does not provide the necessary concentration of ultrasonic energy for spraying viscous preparations. This is due to the fact that the details of the fluid supply unit do not participate in the oscillation process, the energy of ultrasonic vibrations that has entered them attenuates. The spray area of the drug on the surface of the mesh plate is limited by the area of the minimum gap between the mesh plate and the curved surface of the drug supply unit.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является ультразвуковой распылитель и ультразвуковой ингалятор (Патент US №6901926, МПК А61М 11/00, 128/200.14, 128/200.16, опубл. 07.06.2005). Он содержит стержень, канал для подачи препарата, ультразвуковой вибратор и плоскую пластину с отверстиями - сетку. Канал выполнен в виде сквозного осевого сверления, выходящего на верхний и нижний торцы стержня. Вибратор расположен в средней части стержня, выполнен из двух пьезокерамических колец, соединенных со стержнем через две металлические цилиндрические насадки на стержень. Сетка сопряжена своей плоскостью с верхним торцом стержня. Концентрация ультразвуковой энергии у торцов стержня достигается путем создания оптимального отношения площадей поперечного сечения стержня и вибратора.Closest to the claimed technical solution (prototype) is an ultrasonic nebulizer and an ultrasonic inhaler (US Patent No. 6901926, IPC A61M 11/00, 128 / 200.14, 128 / 200.16, publ. 07.06.2005). It contains a rod, a channel for supplying the drug, an ultrasonic vibrator and a flat plate with holes - a grid. The channel is made in the form of through axial drilling, facing the upper and lower ends of the rod. The vibrator is located in the middle part of the rod, made of two piezoceramic rings connected to the rod through two metal cylindrical nozzles on the rod. The grid is conjugated by its plane with the upper end of the rod. The concentration of ultrasonic energy at the ends of the rod is achieved by creating the optimal ratio of the cross-sectional areas of the rod and vibrator.

Пластина с отверстиями выполняется достаточно тонкой, при колебаниях стержня следует за торцом, чему способствует упругий элемент, введенный в конструкцию распылителя. Из-за этого движение жидкости на торце определяется его амплитудой колебаний. Пластина создает капиллярные силы достаточной величины, обеспечивающие устойчивость процесса распыления жидкости. Пластина не вызывает дополнительной концентрации ультразвуковой энергии в объеме препарата - жидкости (покрывает слоем пластину), достаточной для распыления вязких препаратов, отличных по вязкости от воды и водно-спиртовых растворов. Одновременная подача двух разных, не растворимых друг в друге препаратов, приведет к тому, что каждый препарат займет свои ячейки в сетке, и смешивание частиц компонент и создание эмульсии не произойдет.A plate with holes is made thin enough, when the rod oscillates, it follows the end face, which is facilitated by the elastic element introduced into the atomizer design. Because of this, the movement of the liquid at the end is determined by its amplitude of oscillations. The plate creates capillary forces of sufficient magnitude to ensure the stability of the process of atomization of the liquid. The plate does not cause an additional concentration of ultrasonic energy in the volume of the preparation - liquid (covers the plate with a layer), sufficient for spraying viscous preparations that are different in viscosity from water and water-alcohol solutions. The simultaneous supply of two different drugs, insoluble in each other, will lead to the fact that each drug will occupy its cells in the grid, and the mixing of the particles of the components and the creation of an emulsion will not occur.

Технический результат изобретения состоит в решении задачи распыления препаратов на основе водных, водно-спиртовых, водно-глицериновых, масляных растворов с физико-химическими характеристиками, близкими к терпентинному, облепиховому, оливковому маслам, создания эмульсий перечисленных не смешиваемых жидкостей в устройстве, более экономичном, чем известные, по показателям потребляемой энергии и массогабаритным характеристикам. Дополнительным техническим результатом является удобство применения распылителя и стойкость его деталей к обработке стерилизующими растворами, например, 5% раствором перекиси водорода или 4° раствора нейтрального аналита.The technical result of the invention consists in solving the problem of spraying preparations based on aqueous, aqueous-alcoholic, aqueous-glycerin, oil solutions with physicochemical characteristics similar to turpentine, sea buckthorn, olive oils, creating emulsions of the listed non-miscible liquids in a device that is more economical, than known, in terms of energy consumption and weight and size characteristics. An additional technical result is the ease of use of the nebulizer and the resistance of its parts to treatment with sterilizing solutions, for example, 5% hydrogen peroxide solution or 4 ° neutral analyte solution.

Технический результат достигается тем, что в ультразвуковом распылителе, содержащем стержень, канал для подачи препарата, ультразвуковой вибратор и пластину, вибратор выполнен в форме диска из многослойного металл-пьезокерамика-полимер композиционного материала, пластина имеет форму плоского кольца, охватывающего стержень и контактирующего своей плоскостью с вибратором через зазор, по внутреннему контуру пластина сопряжена с одним торцом втулки, также охватывающей стержень, между втулкой, внутренним контуром пластины и стержнем выполнен гарантированный кольцевой зазор, который выполняет функцию канала для подачи препаратов в зазор между вибратором и пластиной, второй торец втулки соединен с узлом подачи одного или нескольких препаратов.The technical result is achieved in that in an ultrasonic atomizer containing a rod, a channel for supplying the drug, an ultrasonic vibrator and a plate, the vibrator is made in the form of a disk of a multilayer metal-piezoceramic-polymer composite material, the plate has the shape of a flat ring, covering the rod and contacting with its plane with a vibrator through the gap, along the inner contour of the plate is mated with one end of the sleeve, also covering the rod, between the sleeve, the inner contour of the plate and the rod ying guaranteed annular gap, which performs the function of the channel for supplying drugs into the gap between the vibrator plate and the second end of the sleeve is connected to the supply node of one or more drugs.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 приводится чертеж устройства, на фиг.2 изображен вид I, фиг.1, в большем масштабе. На фиг.3 показана структура многослойного композиционного материала, составляющего вибратор. Фиг.4 и 5 поясняют работу устройства, реализацию назначения и достижение технического результата. На фиг.4 приведены эпюры осевой (в вертикальном направлении) деформации рабочих, вибрирующих элементов конструкции - вибратора 2 и кольца 3 в момент времени, когда противофазная деформация достигает максимума. На фиг.5 приведены линии равных скоростей частиц жидкости в зазоре между вибратором и пластиной в момент, соответствующий фазе колебаний, приведенной на фиг.4. На фиг.6 в виде графика приводятся экспериментальные данные по распылению препаратов при 20°С, минимальной вязкости соответствует вязкость воды (10^-3 Па·с), максимальной вязкости (1,45 Па·с) соответствует вязкость чистого глицерина при 20°С.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 is a drawing of the device, figure 2 shows a view of I, figure 1, on a larger scale. Figure 3 shows the structure of the multilayer composite material constituting the vibrator. Figures 4 and 5 explain the operation of the device, the implementation of the purpose and the achievement of the technical result. Figure 4 shows the plot of the axial (in the vertical direction) deformation of the working, vibrating structural members - vibrator 2 and ring 3 at the time when the antiphase deformation reaches its maximum. Figure 5 shows the lines of equal velocities of the liquid particles in the gap between the vibrator and the plate at the moment corresponding to the oscillation phase shown in figure 4. In Fig. 6, the experimental data on the dispersion of preparations at 20 ° C are plotted, the minimum viscosity corresponds to the viscosity of water (10 ^-3 Pa · s), the maximum viscosity (1.45 Pa · s) corresponds to the viscosity of pure glycerol at 20 ° C .

Ультразвуковой распылитель состоит из составного стержня 1, фиг.1, с которым соединен дисковый вибратор 2. Пластина 3 и втулка 4 охватывают стержень 1 с гарантированным зазором 5. Пластина 3 и втулка 4 выполнены в виде одной монолитной детали. Внутренний диаметр втулки 4 и пластины 3 выполнен большим, чем диаметр стержня 1, фиг.2. Второй (нижний по чертежу) торец втулки соединен с узлом подачи жидкостей 6, в который по трубкам 7, 8 подаются жидкие препараты. Детали 1-4 могут изготавливаться из материала, стойкого к стерилизующим растворам, например из полиамида (полиамид - ПА6, Ertalon 6PLA) Зазор между вибратором 2 и пластиной 3 регулируется путем перемещения упругой пластины 9 винтом 10. Вибратор 2 изготавливается из многослойного металл-пьезокерамика-полимер композиционного материала, структура которого показана на фиг.3. Он состоит из четырех слоев. Два слоя 11 выполнены из полимерного материала, стойкого к стерилизующим растворам, например полиамида (полиамид - ПА6, Ertalon 6PLA), слой 12 выполнен из металла, слой 13 выполнен из пьезокерамики. Такое исполнение слоистого композита не является единственным. Так, пьезоактивных слоев 13 может быть больше одного. Также слоев металл-полимер может быть несколько. Важным обстоятельством является наличие хотя бы одного керамического, металлического и полимерного слоев.The ultrasonic atomizer consists of a composite rod 1, figure 1, which is connected to a disk vibrator 2. The plate 3 and the sleeve 4 surround the rod 1 with a guaranteed clearance 5. The plate 3 and the sleeve 4 are made in the form of one monolithic part. The inner diameter of the sleeve 4 and the plate 3 is made larger than the diameter of the rod 1, Fig.2. The second (lower in the drawing) end face of the sleeve is connected to a fluid supply unit 6, into which liquid preparations are supplied through tubes 7, 8. Parts 1-4 can be made of a material resistant to sterilizing solutions, for example, polyamide (polyamide - PA6, Ertalon 6PLA). The gap between the vibrator 2 and the plate 3 is adjusted by moving the elastic plate 9 with the screw 10. The vibrator 2 is made of a multilayer metal-piezoceramic- polymer composite material, the structure of which is shown in Fig.3. It consists of four layers. Two layers 11 are made of a polymer material resistant to sterilizing solutions, for example polyamide (polyamide - PA6, Ertalon 6PLA), layer 12 is made of metal, layer 13 is made of piezoceramics. This embodiment of the layered composite is not the only one. So, the piezoelectric layers 13 may be more than one. Also, metal-polymer layers can be several. An important circumstance is the presence of at least one ceramic, metal, and polymer layer.

Переменный электрический ток рабочей частоты поступает к электродированной поверхности пьезокерамического слоя по электрическим проводникам 14 и 15. В вариантах конструкции распылителя электрические проводники могут быть проложены в стержне 1 не с двух сторон, как показано на фиг.3, а с одной стороны, для чего в керамическом слое 13 может быть выполнено отверстие. Проводники могут быть проложены и иным известным технологическим приемом.An alternating electric current of the operating frequency is supplied to the electroded surface of the piezoelectric ceramic layer through the electrical conductors 14 and 15. In the atomizer design variants, the electrical conductors can be laid in the rod 1 not on both sides, as shown in FIG. 3, but on one side, for which a ceramic layer 13 can be made a hole. Conductors can be laid and other well-known technological technique.

Работа устройства осуществляется следующим образом. По трубкам 7 и 8 через узел подачи препаратов 6 жидкости поступают в кольцевой зазор 5 и зазор между вибратором 2 и пластиной 3. Переменный электрический ток рабочей частоты от источника (на чертеже не показан) поступает через электрические проводники 14 и 15 к пьезокерамическим слоям вибратора. Упругое взаимодействие пьезокерамического и металлического слоев вызывает изгиб вибратора, а полимерные слои приводят к трансформации деформации слоев и усилению вибрационного изгиба. Колебания вибратора взаимодействуют через слой жидкости с пластиной и заставляют ее колебаться в противофазе с вибратором, как показано на фиг.4. Такая форма колебаний реализуется, по крайней мере, на двух частотах, в том случае, когда в зазорах между вибратором 2, пластиной 3, втулкой 4 и стержнем 1 присутствует жидкость.The operation of the device is as follows. Through tubes 7 and 8, through the fluid delivery unit 6, liquids enter the annular gap 5 and the gap between the vibrator 2 and the plate 3. An alternating electric current of the operating frequency from the source (not shown in the drawing) flows through the electrical conductors 14 and 15 to the piezoceramic layers of the vibrator. The elastic interaction of the piezoceramic and metal layers causes the vibrator to bend, and the polymer layers lead to transformation of the layer deformation and intensification of the vibration bending. The vibrations of the vibrator interact through a layer of liquid with the plate and cause it to oscillate in antiphase with the vibrator, as shown in figure 4. This form of vibration is realized at least at two frequencies, in the case when there is liquid in the gaps between the vibrator 2, the plate 3, the sleeve 4 and the rod 1.

Противофазные колебания вибратора 2 и пластины 3 (подобно колебаниям ножек камертона) приводят к тому, что их прилегающие через зазор поверхности сближаются, за счет чего осевая деформация слоя жидкости удваивается. В жидкости возникают радиальные потоки, скорости которых направлены, как показано стрелками 16 и 17 с точками максимума радиальной скорости 18 и 19, фиг.5.The out-of-phase vibrations of the vibrator 2 and the plate 3 (like the vibrations of the tuning fork legs) cause their surfaces adjacent through the gap to come together, due to which the axial deformation of the liquid layer doubles. Radial flows arise in the fluid, the velocities of which are directed, as shown by arrows 16 and 17 with the maximum points of radial velocity 18 and 19, Fig. 5.

На кольцевой, в плане, поверхности жидкости, прилегающей к точке 18, расположенной между вибратором 2 и кольцом 3, возникают капиллярные волны, с гребней которых происходит отрыв капель жидкости и ее распыление. В области точки 19 происходит усиленный процесс межфазного взаимодействия двух (и более) несмешивающихся жидкостей, что приводит к образованию эмульсии, устойчивой к расслоению. Поскольку амплитуда ультразвуковых колебаний жидкости почти удваивается и концентрируется в достаточно малом объеме жидкости в слое между вибратором и пластиной эффективность процесса эмульгации и распыления усиливается, чем и объясняется достижение технического результата. Путем регулирования зазора между вибратором 2 и пластиной 3 происходит настройка оптимальной его величины для распыления препаратов различной вязкости.On the annular, in plan, surface of the liquid adjacent to point 18 located between the vibrator 2 and the ring 3, capillary waves arise, from the crests of which the drops of liquid are separated and sprayed. In the region of point 19, an enhanced process of interfacial interaction of two (or more) immiscible liquids occurs, which leads to the formation of an emulsion that is resistant to delamination. Since the amplitude of ultrasonic vibrations of the liquid almost doubles and is concentrated in a sufficiently small volume of liquid in the layer between the vibrator and the plate, the efficiency of the emulsification and spraying process is enhanced, which explains the achievement of the technical result. By adjusting the gap between the vibrator 2 and the plate 3, its optimum value is set for spraying preparations of various viscosities.

Распыление воды, водно-глицериновых растворов, вязких препаратов, таких, как терпентинное, оливковое масла, проводились в устройстве, выполненном по чертежу, фиг.1. Диаметр вибратора и пластины - 20 мм, толщина вибратора 1,25 мм, толщина пластины 2,5 мм, диаметр стержня 7,5 мм, зазор между втулкой и стержнем 0,2 мм. Рабочая частота менялась при изменении зазора между диском и вибратором в диапазоне от 26 до 35 кГц. Оптимальная производительность распыления воды достигалась при зазоре величиной 150 - 200 мкм. Экспериментально полученные данные по связи производительности распыления однофазной жидкости от ее вязкости приведены на фиг.6 в виде графика. Распыление жидкой эмульсии вода - терпентинное масло проводилось с производительностью, близкой к распылению воды. Проверка устойчивости эмульсии показала, что расслоение не наблюдалось, по крайней мере, в течение трех суток.Spraying water, water-glycerin solutions, viscous preparations, such as turpentine, olive oil, was carried out in a device made according to the drawing, figure 1. The diameter of the vibrator and the plate is 20 mm, the thickness of the vibrator is 1.25 mm, the thickness of the plate is 2.5 mm, the diameter of the shaft is 7.5 mm, the gap between the sleeve and the shaft is 0.2 mm. The operating frequency changed with a change in the gap between the disk and the vibrator in the range from 26 to 35 kHz. The optimal performance of water spraying was achieved with a gap of 150 - 200 microns. Experimentally obtained data on the relationship between the performance of atomization of a single-phase liquid and its viscosity are shown in Fig.6 in the form of a graph. Spraying a liquid emulsion of water - turpentine oil was carried out with a capacity close to spraying water. Testing the stability of the emulsion showed that no delamination was observed for at least three days.

Claims

An ultrasonic nebulizer of preparations of various viscosities, containing a rod, a channel for supplying the drug, an ultrasonic vibrator and a plate, characterized in that the vibrator is made in the form of a disk of a multilayer metal-piezoceramic-polymer composite material, the plate has the shape of a flat ring covering the rod and contacting with its plane with a vibrator through an adjustable gap, along the inner contour the plate is interfaced with one end of the sleeve, also covering the rod, between the sleeve, the inner contour of the plate Steen & guaranteed rod configured annular gap that performs the function of the channel for supplying drugs into the gap between the vibrator plate and the second end of the sleeve is connected to a node supplying one or more drugs.