UA52894C2 - Ультразвуковий розпилювач рідини - Google Patents

Abstract

Ультразвуковий розпилювач рідини містить акустичний лінійно-ступінчастий концентратор з аксіальним вихідним каналом в його ступені з меншим діаметром і п'єзоперетворювач, приєднаний до торця його ступеня з більшим діаметром, в якому виконані капілярні вхідні отвори. Сам розпилювач розміщений в посудині з рідиною. Ступінь з більшим діаметром має фланець, зміщений відносно лінії нульових коливань. Капілярні вхідні отвори виконані в боковій стінці між фланцем і лінією нульових коливань. Розпилювач закріплений на дні посудини з рідиною за фланець так, що утворюється непроникна перегородка між рідиною в посудині для рідини і п'єзоперетворювачем.

Description

Винахід відноситься до ультразвукових розпилювачів рідини, зокрема до аерозольних інгаляторів, призначених для створення дрібнодисперсних аерозолів рідких лікарських препаратів, що використовуються при проведенні індивідуальних інгаляцій з метою лікування і профілактики захворювань дихальних шляхів і легень.

Для лікування хвороб дихальних шляхів в сучасній медицині широко використовують інгаляційну терапію.

Отримують лікувальні аерозолі різними методами: пневматичним розпиленням, нагрівом, природнім випаровуванням рідини і іншими. Найбільш ефективним і перспективним показав себе метод ультразвукового розпилення, який характеризується малим розміром частинок, їх однорідністю і малим моментом кількості руху частинок, що дозволяє легко включати їх у газовий потік (у повітря) і поширювати їх в якості дисперсної фази. Крім того метод характеризується малими затратами енергії. Метод реалізують широким спектром ультразвукових перетворювачів, які визначають ефективність і надійність роботи, а також основні технічні характеристики як-то: його к.к.д., дисперсність частинок, продуктивність розпилювача.

Конструкція ультразвукового перетворювача залежить від технічних вимог, що ставляться до розпилювача. Виконання цих вимог часто потребує рішення складних і супротивних конструкторсько- технологічних задач.

Відомий вібраційний розпилювач (ас. СРСР Ме1437101, МПК 8О5817/06, 1988р.), що має джерело коливань у вигляді пустотілого концентратора механічних поздовжніх коливань, яке суміщено із п'єзоелементом, і засіб для випуску рідини, при цьому концентратор виконаний з елементами для створення крутильних коливань із розточкою у вигляді спірального нагнітального каналу на його внутрішній поверхні.

Недоліком відомого способу є водопроникність його електромеханічної частини (при переповнені рідиною п'єзоелементи занурюються в неї) або аерозоль знову конденсується, стікає вниз і попадає на п'єзоелементи, що знижує безпеку при його роботі. Складна конструкція механічного підпружиненого дозатора знижує надійність роботи всього розпилювача. Виконання складних спіральних внутрішніх проточок, фрезеровок для отримання елементів, що створюють крутильні коливання, ускладнює технологію виготовлення.

Відомий пристрій для ультразвукового розпилення рідкого середовища (а.с. СРСР Ме117 6968, МПК ВО5 В 17/06, 1985р.), що складається із ультразвукового М випромінювача з концентратором і патрубком для підводу рідини, що встановлений біля зовнішньої поверхні ультразвукового концентратора.

Недоліком цього пристрою є ненадійність патрубка для підводу рідини, малий отвір якого може з часом забитися, особливо від суспензій.

Також у відомому пристрої необхідний додатковий засіб для дозованої (оптимальної) подачі рідини через патрубок в зону розпилу, що необхідно для надійної роботи розпилювача.

Найбільш близьким до запропонованого по сукупності ознак і технічному результату є вібраційний розпилювач рідини (а.с. СРСР Мео876189, МПК ВО5817/16, 1981р.), що містить лінійно-ступінчастий акустичний концентратор з аксіальним кільцевим вихідним каналом в його ступені з меншим діаметром і приєднаний до торця його ступені з більшим діаметром п'єзокерамічний елемент, при цьому акустичний концентратор забезпечений ступінчастим циліндричним елементом з капілярними отворами, розміщеними на одному діаметрі і виконаними в його ступені з більшим діаметром, а аксіальний кільцевий вихідний канал утворений внутрішньою боковою поверхнею ступені з меншим діаметром акустичного концентратора і зовнішньою боковою поверхнею ступені з меншим діаметром акустичного концентратора і зовнішньою боковою поверхнею ступені з меншим діаметром циліндричного елемента, причому діаметр аксіального кільцевого вихідного каналу відповідає діаметру розташування капілярних отворів.

Проте відомий розпилювач не забезпечує рівномірного (оптимального) підводу рідини в зону розпилення, бо в залежності від рівня наливу рідини, її фізичних характеристик, наявності механічних домішок, нахилу розпилювача змінюється кількість води, що подається по капілярним отворам (підсмоктування) за рахунок ультразвукового капілярного ефекту ЯІаномальне підняття рідини в капілярах під дією ультразвуку) в зону розпилу на кінець акустичного концентратора. Це приводить до зниження продуктивності розпилу, к.к.д. або до заливу розпилюючої поверхні і припинення розпилу. Така конструкція не є водонепроникною: електрична частина (п'єзоелементи, електроди) занурені у воду чи аерозоль, що знижує надійність роботи розпилювача і його безпечність.

Відомий розпилювач має складну конструкцію, зв'язану з необхідністю захисту п'єзоелементу, виконання капілярних отворів, забезпечення додатковим циліндричним елементом.

В основу винаходу поставлено задачу розробки ультразвукового розпилювача, рідинна частина якого (посудина з рідиною, зона розпилення) буде конструктивно відокремлена від електричної частини, а через вхідні капілярні отвори буде стабільне, незалежне від рівня рідини в посудині підсмоктування рідини, що забезпечить оптимальну подачу рідини в зону розпилу (стабільну плівку рідини) і, як наслідок, отримання аерозолю заданої дисперсності, підвищить безпеку і надійність роботи пристрою в цілому.

Нестабільність підводу рідини в зону розпилу змінює товщину шару рідини, що розтікається по розпилювальній вібруючій поверхні. Це впливає на розмір отриманих частинок і їх гранулометричний склад.

Для вирішення поставленого завдання в ультразвуковому розпилювачі рідини, що містить акустичний лінійно-ступінчастий концентратор з аксіальним вихідним каналом в його стержні з меншим діаметром і п'єзоперетворювач, приєднаний до торця його ступені з більшим діаметром, в якому виконані капілярні вхідні отвори, а сам розпилювач розміщений на дні посудини з рідиною, відповідно винаходу ступінь з більшим діаметром має фланець зміщений відносно лінії нульових коливань, а капілярні вхідні отвори виконані в боковій стіні між фланцем і лінією нульових коливань, при цьому розпилювач закріплений на дні посудини з рідиною за фланець так, що створює непроникну перегородку між рідиною в посудині для рідини і п'єзоперетворювачем.

Сутність винаходу пояснюється рисунками, де на Фіг.1 представлена схема запропонованого пристрою,

Фіг.2 - графік, що показує залежність подачі рідини в зону розпилення від рівня рідини.

Пристрій містить акустичний лінійно-ступінчастий концентратор 1 з аксіальним вхідним каналом 2 в його ступені 3 з меншим діаметром і приєднаний з допомогою накладки 4 до торця його ступені 5 з більшим діаметром п'єзоперетворювач, що складається із двох п'єзошайб 6. Акустичний концентратор 1 має фланець 7, виконаний в його ступені 5 з більшим діаметром і зміщеним на величину б відносно лінії нульових коливань, що знаходиться в місці переходу товстої ступені 5 в тонку ступінь 3. Капілярні вхідні отвори 8 для рідини виконані в боковій стінці ступені 5 більшого діаметру між лінією нульових коливань і фланцем 7. В залежності від технічних і технологічних вимог їх може бути один і більше, гідравлічно вони з'єднані з аксіальним вихідним каналом 2.

Ступінь З з меншим діаметром закінчується розпилювальною головкою 9, що має трохи більший діаметр.

Розпилювач закріплений за фланець 7 в корпусі 10 через гумове ущільнення 11 з допомогою гайки 12. В результаті утворюється посудина для рідини 13 із рланцем 7 в якості дна посудини і непроникної перегородки між рідиною і п'єзоперетворювачем (між рідинно-дисперсною фазою і корпусом 10). На верхню частин корпуса насаджений мундштук 14 з отворами 15 для притоку повітря. Електроди п'єзошайб 6 п'єзоперетворювача електрично з'єднані з виходом генератора 16 ультразвукових коливань. Після заливки рідини 13 в посудину вона затече через вхідні капілярні отвори 8 і підніметься у вихідному каналі 2 до загального рівня (по закону сполучених посудин).

Працює ультразвуковий розпилювач рідини наступним чином. При подачі ультразвукової високочастотної напруги від генератора 16 на п'єзошайби 6 п'єзоперетворювача останній починає вібрувати, збуджуючи поздовжні механічні коливання в акустичному концентраторі 1, в кінці ступені З якого має місце підвищення амплітуди коливань і концентрація звукової енергії на розпилювальній головці 9. Одночасно в зв'язку з тим, що фланець 7 знаходиться на ділянці коливань акустичного концентратора 1 (на лінії не нульових амплітуд), то він також починає вібрувати з певною амплітудою в гумовому ущільненні 11. Якщо ж його зробити тонким (мембранного типу) і жорстко закріпити в корпус 10, то акустичний концентратор 1 з капілярними вхідними отворами 8 також буде вібрувати по лінії А пружно деформуючи фланець 7 як мембрану. В результаті ці ультразвукові коливання передаються в рідину 13 і остання під дією ультразвукового капілярного ефекту по капілярним вхідним отворам 8 і вихідному каналу 2 піднімається вгору на кінець ступені З меншого діаметру, тобто проходить підсмоктування рідини. Коли рідинна попадає на поверхню розпилювальної головки 9, де амплітуда поздовжніх коливань збільшена в багато разів в порівнянні з ступінню 5, то розпадається на множину дрібнодисперсних частинок, тобто вона розпилюється. При втягуванні повітря через мундштук 14 (вдихові) воно засмоктується через отвори 15 із атмосфери по дорозі захоплюючи дрібнодисперсні частин ки рідини. Так формується аерозоль. Ті ж частинки, що не виносяться назовні через вихідний отвір мундштука 14, конденсуються на його стінках і стікають знову в посудину для рідини 13.

На фіг. 2 показано вплив на рівень подачі (підсмоктування) рідини в зону розпилу висоти Пп наливу рідини в посудину ультразвукового капілярного ефекту і закону сполучених посудин. Лінія 1 показує, що чим більший рівень наливу п тим вище піднімається рідина в каналі 2 і для її підіймання на розпилювальну головку потрібен все менший рівень електричного збудження п'єзошайб, а при деякому одному рівні електричного збудження із збільшенням наливу рідини подача в зону розпилу буде зростати. Лінія 2 показує, що чим більше ми заливаємо рідини, тим більше її стовп давить на акустичний концентратор, фланець 7, демпфуючи їх коливання (зменшуючи їх амплітуду), що викличе зменшення подачі рідини в зону розпилу за рахунок механізму ультразвукового капілярного ефекту.

Так як в нашому випадку обидва механізми піднімання рідини по аксіальному вихідному каналу працюють одночасно, то при відповідному підборі діаметру вихідного каналу 2 і кількості й перетину капілярних вхідних отворів 8, а також певному рівні збудження п'єзошайб 6 можливо отримати залежність З на Ффіг.2, тобто рівень подачі рідини в зону розпилу буде постійним, не буде залежати від рівня наливу, від фізичних властивостей рідини, від нахилу посудини з рідиною, від температури і т.п. Таким чином подача рідини і її розпилення проходить тільки при живленні п'єзоперетворювача високочастотною напругою, тобто збуджуючи п'єзоперетворювач ми автоматично отримуємо оптимальну подачу рідини в зону (коливання розпилювальної головки не демпфуються). Крім того закріплення розпилювача на дні посудини за фланець 7 через герметичне ущільнення відгороджує посудину для рідини і камеру розпилу від електромеханічної частини (п'єзоперетворювача), що підвищує безпеку експлуатації розпилювача, його надійність.

Наприклад, при використані запропонованого пристрою в ультразвуковому інгаляторі з діаметром п'єзошайб в 12мм, що працював на частоті ббкГц і споживав приблизно 7Вт електроенергії, рівень рідини мінявся практично від нуля до 15мм (до розпилювальної головки). При цьому було стабільне і надійне розпилення з витратами біля 0,5мл/хв. без зміни енергії споживання. Експериментами встановили, що розпилювач подає всю рідину, що знаходиться на дні посудини (на вібруючому фланці) біля капілярних вхідних отворів, а також розпилює всю рідину, що уже була засмоктана в його капіляри. Це запобігає втратам при розпиленні дорогих лікарських препаратів. Для регулювання продуктивності розпилу необхідно змінювати рівень електричного збудження п'єзоперетворювача. В зв'язку з тим, що подача рідини в зону розпилу відбувається за рахунок ультразвукового капілярного ефекту, при якому обов'язково присутня кавітація, то запропонований пристрій надійно розпилює суміші, суспензії і маслянисті рідини.

їй це ск КУ

У ко НИ НУ: п роса 67 ки й Шан клали ; й м ря 6. Пани дЕдСлетнх

А, и п

Кен Од г. сю ДИ лабстйя Ж о нн З х

ОЇ ві Че К оддетннняттвтя нов ОН; нео у ї пр НК ш і ванні ИН Ши «о У о ний і о ВЕ А о с нн т? т не осі |х о ВА пня

Ат і а ке А НУ се и НН й Ще ха один пес еднй Б і ; ши У и вечшежнни бе і я х

Поета а п омНИ) --К, ії й ек до

Ше т Й тити -й ра Ше ран ї нн ВИК 3 мо ИЙ хв ДЕН ек І

Claims (1)

1. Ультразвуковий розпилювач рідини, що містить акустичний лінійно-ступінчастий концентратор з аксіальним вихідним каналом в його ступені з меншим діаметром і п'єзоперетворювач, приєднаний до торця його ступеня з більшим діаметром, в якому виконані капілярні вхідні отвори, а сам розпилювач розміщений в посудині з рідиною, який відрізняється тим, що ступінь з більшим діаметром має фланець, зміщений відносно лінії нульових коливань, а капілярні вхідні отвори виконані в боковій стінці між фланцем і лінією нульових коливань, при цьому розпилювач закріплений на дні посудини з рідиною за фланець так, що утворюється непроникна перегородка між рідиною в посудині для рідини і п'єзоперетворювачем.