Ultraschallzerstäuber

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallzerstäuber zur Flüssigkeitszerstäubung.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] Es wurde bereits gesagt, daß der Koppelkörper in vorteilhafter Weise aus Metall, vorzugsweise aus Titan oder einer Titanlegierung, besteht.

[0015] 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.

[0016] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt diese Figur in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Ultraschallzerstäuber.

[0017] 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.

[0018] 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:

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] 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.

Ansprüche

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.

Claims

1. Ultrasonic atomiser (2) which has an electrically excitable piezoceramic (4) and a coupling body (6) which is operatively connected to the piezoceramic (4), wherein the surface of the coupling body (6) that comes into contact with a liquid (f) to be atomised is in the form of a hat-shaped raised portion (12), wherein the hat-shaped raised portion (12) and the coupling body (6) consist of a metallic solid material, wherein the coupling body (6) is formed on the base (14) of the hat-shaped raised portion (12) as a disc (16) which extends over the edge of the raised portion (12), and wherein the entire space between the surface of the hat-shaped raised portion (12) and the base is filled with the metallic solid material, characterised in that the height of the hat-shaped raised portion (12) is smaller than the diameter at the base (14) thereof.

2. Ultrasonic atomiser (2) according to claim 1, characterised in that on the side which faces away from the raised portion (12), the disc has a ring (18) for receiving the piezoceramic (4).

3. Ultrasonic atomiser according to claim 1 or 2, characterised in that the coupling body (6) consists of titanium or a titanium alloy.

4. Ultrasonic atomiser according to one of claims 1 to 3, characterised in that the hat-shaped raised portion (12) is substantially rotationally symmetrical.

5. Ultrasonic atomiser according to one of claims 1 to 4, characterised in that the hat-shaped raised portion (12) is constructed so as to be elliptical in section.

6. Ultrasonic atomiser according to one of claims 1 to 4, characterised in that the hat-shaped raised portion (12) is constructed so as to be parabolic in section.

7. Ultrasonic atomiser according to one of claims 1 to 4, characterised in that the hat-shaped raised portion (12) is constructed according to an exponential function in section.

8. Ultrasonic atomiser according to one of claims 1 to 7, characterised in that the hat-shaped raised portion (12) has a height of approximately 4 mm and a diameter of approximately 10 mm.

9. Ultrasonic atomiser according to one of claims 1 to 8, which has a feeder (20) for the liquid (f), which feeder ends approximately at the highest point of the hat-shaped raised portion (6) [sic].

10. Ultrasonic atomiser according to one of claims 1 to 9, characterised in that the piezoceramic (4) is bordered by a membrane body (8).

Revendications

1. Atomiseur (2) à ultrasons, qui comporte une céramique (4) piézo-électrique pouvant être excitée par de l'électricité et un élément (6) de couplage se trouvant en liaison active avec la céramique (4) piézo-électrique, la surface du corps (6) de couplage venant en contact avec un liquide (f) à atomiser étant réalisée en bossage (12) en forme de chapeau, le bossage (12) en forme de chapeau et l'élément (6) de couplage étant en un matériau métallique plein, l'élément (6) de couplage étant, à la base (14) du bossage (12) en forme de chapeau, conformé en disque (16) s'étendant au-delà du bord du bossage (12), et tout l'intervalle entre la surface du bossage (12) en forme de chapeau et la base étant rempli du matériau métallique plein, caractérisé en ce que la hauteur du bossage (12) en forme de chapeau est inférieure au diamètre à sa base (14).

2. Atomiseur (2) à ultrasons suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le disque comporte du côté éloigné du bossage (12) une bague (18) de réception de la céramique (14) piézo-électrique.

3. Atomiseur à ultrasons suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément (6) de couplage est en titane ou en un alliage de titane.

4. Atomiseur à ultrasons suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bossage (12) en forme de chapeau est sensiblement symétrique de révolution.

5. Atomiseur à ultrasons suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bossage (12) en forme de chapeau est conformé en forme d'ellipse en section transversale.

6. Atomiseur à ultrasons suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bossage (12) en forme de chapeau est conformé en forme de parabole en section transversale.

7. Atomiseur à ultrasons suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bossage (12) en forme de chapeau est conformé suivant une fonction exponentielle en section transversale.

8. Atomiseur à ultrasons suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le bossage (12) en forme de chapeau a une hauteur d'environ 4 mm et un diamètre d'environ 10 mm.

9. Atomiseur à ultrasons suivant l'une des revendications 1 à 8, qui comporte une amenée (20) pour le liquide (f) qui se terminé à peu près au point le plus haut du bossage (6) en forme de chapeau.

10. Atomiseur à ultrasons suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la céramique (4) piézo-électrique est entourée d'un élément (8) formant membrane.

Zeichnung