Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Geräte zum Erzeugen von Resonanzschwingungen im Ultraschall-Frequenzbereich. Sie ist bei der konstruktiven Ausgestaltung eines piezoelektrisch anregbaren, resonanzfähigen Systems anwendbar, mit dem Flüssigkeiten zerstäubt werden.
Ein bekanntes Gerät (DE-A1-20 32 433) zur Flüssigkeitszerstäubung besteht aus einem rotationssymmetrischen Metallkörper mit einem an die Grundfläche des Metallkörpers angekoppelten piezokeramischen Schwinger. Der Metallkörper dieses (eine Biegeschwingung ausführenden) Resonanzsystems weist dabei drei Bereiche auf, nämlich eine scheibenförmige Grundplatte, eine als "Arbeitsplatte" bezeichnete Schwingplatte und einen die Grundplatte und die Arbeitsplatte verbindenden, in der Symmetrieachse des Metallkörpers liegenden Steg. Die Arbeitsplatte dient der Aufnahme einer Flüssigkeit. Mit einem derartigen Resonanzsystem erzeugbare Aerosole weisen Tröpfchendurchmesser auf, die zu einem großen Teil nicht lungengängig sind. Ein solches Resonanzsystem ist daher für die Erzeugung von Aerosolen für Inhalationszwecke wenig geeignet.
Zur Verbesserung des bekannten Flüssigkeitszerstäubers ist bereits vorgeschlagen worden (EP-A-0 246 515, Veröffentlichungstag 25.11.1987), bei kegelig ausgebildeter Grundplatte die Arbeitsplatte als Hohlspiegel auszubilden und über einen speziell dimensionierten Hals mit der kegeligen Grundplatte zu verbinden. Dadurch lassen sich bei Anregung in Dickenresonanz sehr kleine Flüssigkeitsvolumina (kleiner oder gleich 15 Mikroliter) ohne ein mechanisches Tröpfchenfilter bei geringer elektrischer Anregungsleistung sowie ohne Ankopplung über ein Flüssigkeitsmedium in Tröpfchen mit einem Durchmesser von kleiner oder gleich 40 Mikrometer zerstäuben. Die Schwingfrequenz dieses Resonanzsystems liegt dabei im Megahertz-Bereich.
Die Erfindung geht von einem Resonanzsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, das Resonanzsystem derart zu verbessern, daß bei möglichst kleiner elektrischer Anregungsleistung ein Tröpfchendurchmesser des Aerosols von kleiner als 15 Mikrometer erzielt werden kann, um die Lungengängigkeit des Aerosols weiter zu steigern.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der piezokeramische Ultraschall-Schwinger ein in Dickenresonanz arbeitender Schwinger ist, daß die Grundplatte des Metallkörpers eine der Grundfläche gegenüberliegende parabolische Deckfläche aufweist, daß die Arbeitsplatte tellerförmig oder schalenförmig ausgebildet ist, und daß der Mittelpunkt der Arbeitsplatte im oder in der Nähe des eigentlichen Brennpunktes der parabolischen Deckfläche oder des an der Grundfläche der Grundplatte durch den Hals hindurch gespiegelten Brennpunktes der parabolischen Deckfläche liegt.
Unter dem Begriff "parabolische Deckfläche" wird im Rahmen der Erfindung eine Fläche verstanden, die die auftreffenden Ultraschallwellen in einen Brennpunkt reflektiert. Näherungsweise kann es sich hierbei auch um eine Kugelfläche oder um eine einem Paraboloid angepaßte Fläche aus ringförmigen Teilflächen (Kegelstumpfoberflächen mit verschiedenen Kegelöffnungswinkeln) handeln.
Bei einem derart ausgestalteten Resonanzsystem werden die von dem piezokeramischen Dickenschwinger in den Metallkörper eingespeisten Ultraschallwellen an der parabolischen Deckfläche der Grundplatte reflektiert und durch den Hals hindurch in den Bereich der Arbeitsplatte fokussiert. Da die Ultraschallwellen unter einem Neigungswinkel auf die Arbeitsplatte treffen, wird ein Teil dieser Schallwellen in Richtung des Randes der Arbeitsplatte reflektiert; ein weiterer Teil läuft als Oberflächenwelle in Richtung des Randes. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung der zu zerstäubenden Flüssigkeit auf der Arbeitsplatte und damit eine gleichmäßige Zerstäubung über den gesamten Zerstäubungszeitraum erreicht. Außerdem befindet sich die Flüssigkeitsoberfläche während des gesamten Zerstäubungsvorganges in der Nähe des optimalen Zerstäubungspunktes. Demzufolge werden bei einer Anregungsleistung kleiner/gleich 20 W Aerosole erzeugt, bei denen mehr als 50 % des zerstäubbaren Volumens in Tröpfchen mit einem Durchmesser kleiner/gleich 15 µm vorliegt und der häufigste Tröpfchendurchmesser kleiner/gleich 5 µm ist. Im übrigen ist bei einem derartigen Resonanzssystem im Rahmen gut beherrschbarer Herstellungstoleranzen die Einhaltung einer bestimmten Resonanzfrequenz gewährleistet.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Metallkörper des Resonanzsystems so ausgebildet sein, daß die Grundfläche der Grundplatte ein Kreisring ist, und daß die Grundplatte in einen kegelförmigen Hals übergeht, der die zentrale Öffnung des Kreisringes über die Grundplatte hinaus durchdringt. Dadurch erhält man eine relativ kompakte Ausgestaltung des Resonanzsystems. Der piezokeramische Dickenschwinger hat in diesem Fall ebenfalls die Form eines Kreisringes.
Bei dieser Ausgestaltung kann die Arbeitsplatte direkt in den Hals integriert sein, indem der Hals als Kegelstumpf mit einer teller- oder schalenförmigen Vertiefung am spitz zulaufenden Ende ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform kann der Fokussierungspunkt der Ultraschallwellen in die Aushöhlung der Kegelspitze und damit direkt in die zu zerstäubende Flüssigkeit gelegt werden.
Man kann den Metallkörper aber auch so ausbilden, daß der kegelförmige Hals am spitz zulaufenden Ende in Form einer Erweiterung in die teller- oder schalenförmig gestaltete Arbeitsplatte übergeht. Dadurch ist die Zerstäubung einer größeren Flüssigkeitsmenge ermöglicht.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Metallkörpers besteht darin, daß die scheibenförmige Grundplatte auf der Seite der parabolischen Deckfläche in der Nähe der Symmetrieachse in den die Arbeitsplatte tragenden Hals übergeht. Bei dieser Ausführungsform werden die Ultraschallwellen zweimal reflektiert, bevor sie auf die Arbeitsplatte treffen. Mit dieser zweifachen Reflexion verbundene Interferenzeffekte, Bündelversetzungen (DE-Z "Materialprüfung", 1965, Seite 281 ff.) und Wiedereintritt der Ultraschallwellen in die Piezokeramik führen dabei zu parallelen Strahlverschiebungen, wodurch die Einspeisung des Ultraschalls in die zu zerstäubende Flüssigkeit verbessert wird. Dem kann durch eine spezielle Ausgestaltung der Arbeitsplatte weiter Rechnung getragen werden. Diese Ausgestaltung besteht darin, daß das Seitenteil der Arbeitsplatte einen Kegelmantel bildet, und daß der Übergangsbereich zwischen dem Hals und der tellerförmigen Arbeitsplatte sowie die Neigung des Seitenteils gegenüber dem Mittelteil der Arbeitsplatte so gewählt ist, daß an der Arbeitsplatte reflektierte Ultraschallwellen in das Seitenteil gelenkt und dort in Richtung des Tellerrandes mehrfach reflektiert werden.
Die Dimensionierung des Resonanzsystems ist abhängig von der Schallgeschwindigkeit in dem Metallkörper, der vorzugsweise aus Chrom-Nickel-Stahl besteht, und von der gewünschten Frequenz. Die Frequenz sollte im günstigen Übertragungsbereich des piezokeramischen Dickenschwingers liegen. Da die kontinuierliche Zerstäubung einer Flüssigkeit bevorzugt mit stehenden Ultraschallwellen erfolgt, sollte die Ultraschallaufstrecke in dem Metallkörper ein Vielfaches der halben Wellenlänge betragen, insbesondere das 6 - 28fache.
Im Hinblick auf die Ausführung mit zweifacher Reflexion der Ultraschallwellen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Dicke der scheibenförmigen Grundplatte etwa doppelt so groß wie die Ultraschallwellenlänge zu wählen und den Durchmesser der tellerförmigen Arbeitsplatte mit etwa dem Dreifachen dieser Wellenlänge zu bemessen. Der Durchmesser der Grundfläche der scheibenförmigen Grundplatte sollte etwa das Zehnfache dieser Wellenlänge betragen. Dabei sollte die Halshöhe, d. h. der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der parabolischen Deckfläche und dem Mittelpunkt der tellerförmigen Arbeitsplatte, zweckmäßigerweise gleich der einfachen Wellenlänge sein.
Drei Ausführungsbeispiele des neuen Resonanzsystems sind in den Figuren 1 bis 3 dargestellt. Dabei zeigt
Fig. 1 zeigt ein Schwing- oder Resonanzsystem, das aus einem zu einer Symmetrie- oder Rotationsachse 10 symmetrischen, schwingungsfähigen Metallkörper 1 insbesondere aus Chrom-Nickel-Stahl und einem piezokeramischen Dickenschwinger 7 für Ultraschall besteht. Bei dem dargestellten einstückigen Metallkörper 1 handelt es sich - geometrisch gesehen - um ein Ringteil, das von einem Kegel mit einer parabolisch geformten Unterseite 4 durchdrungen ist, wobei das Ringteil und der Kegel dieselbe Symmetrieachse 10 und denselben Außendurchmesser aufweisen.
Der Metallkörper 1 besitzt somit eine scheibenförmige Grundplatte 2 mit einer ebenen, senkrecht zur Symmetrie- oder Rotationsachse 10 verlaufenden ringförmigen Grundfläche 3 und mit einer gegenüberliegenden symmetrischen parabolischen Deckfläche 4; er besitzt weiter einen kegelförmig zulaufenden Hals 5, der die ringförmige Grundfläche 3 durchdringt, also aus dieser herausragt, und der am spitz zulaufenden Ende mit einer tellerförmigen oder schalenförmigen Vertiefung 6 ausgebildet ist. Die Vertiefung 6 bildet im Hals 5 zugleich die Arbeitsplatte des Resonanzsystems. Sie ist zur Aufnahme einer zu zerstäubenden Flüssigkeit vorgesehen. Der Mittelpunkt der Vertiefung 6 liegt im oder in der Nähe des eigentlichen Brennpunktes F1 der Grundfläche 4. Der vorliegend ringförmig ausgebildete Ultraschall-Schwinger 7 ist an die ebene, senkrecht zur Symmetrieachse 10 verlaufende Grundfläche 3 angekoppelt. Er liegt symmetrisch zur Symmetrieachse 10. Er arbeitet beim Betrieb in sogenannnter Dickenresonanz.
Eine nach elektrischer Beaufschlagung vom piezokeramischen Dickenschwinger 7 angeregte Ultraschallwelle US wird in den Metallkölrper 1 übertragen, dort an der parabolischen Deckfläche 4 reflektiert und damit in Richtung auf die schalenförmige Vertiefung 6 fokussiert. Hier im Brennpunkt F1, also praktisch im Bereich der gesamten Vertiefung 6, führt die Ultraschallwelle US zur Zerstäubung der Flüssigkeit in feine Partikel.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist das Resonanzsystem in Anlehnung an das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aufgebaut. Hier ist ein einstückiger rotationssymmetrischer Metallkörper 11 vorgesehen, der aus einer scheibenförmigen Grundplatte 12 mit einer ebenen, ringförmigen Grundfläche 13, einer gegenüberliegenden parabolischen Deckfläche 14 und einem kegelförmig sich verjüngenden Hals 15 besteht. Der Hals 15 ragt auch hier wieder aus der Grundfläche 13 heraus. Als Arbeitsplatte ist hier ein tellerförmiges überkragendes Teil 16 vorgesehen, das an das spitz zulaufende Ende des Halses 15 angeformt ist. Die tellerförmige Arbeitsplatte 16 hat die Form einer Erweiterung und besitzt einen ebenen Mittelteil und ein kegelig verlaufendes Seitenteil (kegelige Tellerwand).
Die Anregung des Resonanzsystems erfolgt über einen elektrisch beaufschlagbaren piezokeramischen Ringkörper 17, der mit dem Metallkörper 11 (bevorzugt aus Chrom-Nickel-Stahl) an der Grundfläche 13 gekoppelt, z.B. verklebt ist. Die gemeinsame Symmetrieachse ist mit 20 bezeichnet. Eine von dem piezokeramischen Ringkörper 17, der auch hier als Dickenschwinger arbeitet, angeregte Ultraschallwelle US wird an der parabolischen Deckfläche 14 reflektiert und in die Nähe des Mittelpunktes der tellerförmigen Arbeitsplatte 16 im Brennpunkt F2 fokussiert. Die auf der Arbeitsplatte 16 befindliche Flüssigkeit wird dadurch zerstäubt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 besitzt ein schwingungsfähiger, rotationssymmetrischer Metallkörper 21 eine scheibenförmige Grundplatte 22, deren Grundfläche 23 als ebene Kreisfläche ausgebildet ist. Ihr gegenüber liegt eine parabolische Deckfläche 24. Die Grundplatte 22 geht auf der Seite ihrer parabolischen Deckfläche 24 im Bereich der Symmetrieachse 30 über einen Hals 25 in eine tellerförmige Arbeitsplatte 26 über. Diese Platte 26 weist ein ebenes Mittelteil 28 und ein kegelig verlaufendes Seitenteil 29 (kegelige Tellerwand) auf. Das gesamte Resonanzsystem ist rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse 30. Ein piezokeramischer Dickenschwinger 27 ist hier zylindrisch (mit kreisförmiger Koppelfläche) gestaltet sowie mit der ebenen Grundfläche 23 verklebt und dadurch gekoppelt. Eine von dem Dickenschwinger 27 angeregte Ultraschallwelle US1 wird sowohl an der parabolischen Deckfläche 24 als auch an der Grenzfläche 23 zwischen dem Dickenschwinger 27 und der Grundplatte 22 reflektiert und zum Mittelpunkt der tellerförmigen Arbeitsplatte 26 hin fokussiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt der Fokussierungspunkt F3 der Ultraschallwellen US1 also spiegelbildlich zum Brennpunkt der parabolischen Fläche 24, wobei die Grundfläche 23 die Spiegelfläche bildet. Mit anderen Worten: Der Fokussierungspunkt F3 der Ultraschallwelle US1 und der Zerstäubungsort liegen hier auf derselben Seite der Grundfläche 23.
Bei der Reflexion der Ultraschallwellen an der Grenzfläche Dickenschwinger 27/Grundplatte 22 treten Interferenzerscheinungen, aber auch Bündelversetzungen auf, die zu Parallelverschiebungen der Ultraschallwellen führen, beispielsweis zu der Ultraschallwelle US2. Infolge des Neigungswinkels zwischen den auftreffenden Ultraschallwellen und der tellerförmigen Arbeitsplatte 26 dringt ein erster Teil der jeweiligen Ultraschallwelle in die auf die Arbeitsfläche 26 aufgebrachte Flüssigkeit ein; ein zweiter Teil läuft als Oberflächenwelle in Richtung auf den Tellerrand 31; ein dritter Teil wird an der Grenzfläche reflektiert. Von dem reflektierten dritten Teil gelangt ein Teil in die Tellerwand 29 und durch weitere Reflexionen in der Tellerwand 29 zum Tellerrand 31, was rechts im Seitenteil 29 gestrichelt angedeutet ist. Der Übergangsbereich zwischen dem Hals 25 und der tellerförmigen Arbeitsplatte 26 sowie die Neigung des Seitenteils 29 gegen das Mittelteil 28 sind entsprechend gewählt. Eine umlaufende, ringförmige Einkerbung 33 - vorzugsweise auf der Unterseite der Tellerwand 29 wie links eingezeichnet - in der Nähe des Tellerrandes schirmt den Tellerrand vor den Ultraschallwellen ab. Sie bewirkt dadurch eine Beruhigung der auf der Arbeitsplatte 26 befindlichen Flüssigkeit im Randbereich.
Bei Wahl einer zur Zerstäubung positionierten Flüssigkeitsmenge von ca. 15 Mikrolitern hat sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ein Durchmesser der tellerförmigen Arbeitsplatte 26 von ca. dem Dreifachen der Ultraschallwellenlänge in dem Metallkörper 21, ein Durchmesser des Halses 25 und des Tellermittelteils von ca. einer Wellenlänge, eine Höhe des Halses 25 von ebenfalls ca. einer Wellenlänge, eine Dicke der Grundplatte 22 von dem Doppelten der Wellenlänge und ein Durchmesser der Grundfläche 23 von etwa dem Zehnfachen der Wellenlänge als zweckmäßig erwiesen. Die Dicke des piezokeramischen Dickenschwingers 27 entspricht bevorzugt etwa der halben Wellenlänge der angeregten Ultraschallwelle in dem Dickenschwinger 27.