Der Ultraschall ist eine Schwingungserscheinung der so genannten Längswellen oder Longitudinalwellen.

Die Amplitude des longitudinal schwingenden piezoelektrischen Keramikschwingers-Schallwandlers beträgt nur ca. 5 &mgr;m. Zwischen Werkzeug und Schallwandler befindet sich daher eine weitere Einheit, bestehend aus Amplitudentransformator und Kegelsonotrode. Die Kegelsonotrode ist als Beispiel mit D = 40 mm und d = 20 mm eingekoppelt. Durch die Querschnittsreduzierung erfolgt eine Vergrößerung der Schwingweite, die die Amplitude auf 20–40 &mgr;m verstärkt. Die miteinander verbundenen Elemente bilden zusammen ein schwingungstechnisches System, das in Resonanz betrieben wird. D.h. die elektrische Hochfrequenzenergie wird mittels eines piezokeramischen Schallwandlers in mechanische Schwingung gleicher Frequenz durch einen elektrischen Generator umgewandelt mit der gleicher Frequenz angeregt werden

Bis zu etwa 200 kHz kann sich der Ultraschall auch wie ein Ton in der Luft ausbreiten. Bei noch höheren Frequenzen nimmt die Reichweite aber stark ab. Bei 1 MHz ist eine effektive Übertragung nur durch Feste oder Flüssige Stoffe möglich. Denn die sehr schnell schwingenden Teilchen eines Medium enthalten bei höheren Frequenzen schon sehr große Mengen an mechanischer Energie. Je höher die Frequenz ist, umso höher ist also die Energiedichte in einem vergleichbaren Volumen eines Stoffes. Solche hohen Energiekonzentrationen haben verschiedenste Auswirkungen auf Stoffe.

Der Ultraschallzerstäuber (Ultraschallvernebler) ist zum Zerstäuben, Vernebeln, Emulgieren, Dispergieren und Mischen von Flüssigkeiten bestimmt, erzeugt elektrische Hochfrequenzschwingungen im KHz und MHz-Bereich und setzt diese mit Hilfe von Piezo-Keramik-Platten (piezokeramischen Schallwandlers) in mechanische Ultraschallschwingungen um.

Diese Schwingungen werden über das Wasser auf die Oberfläche der Vernebelungsflüssigkeit ausgestoßen. Es entsteht eine feine, dichte Nebel-Dispersion.

Der Zerstäuber hat zwei exakt definierte Arbeitsfrequenzen mit entsprechenden 2 Resonanzfrequenzen im Kilohertz- und Megaherzbereich (die Resonanzschwingung des Piezoelementes und der gesamten Konstruktion). Das System generiert Schwingungen gleichzeitig in 2 Resonanzfrequenzen (prinzipiell ist auch eine Resonierung auch auf Nebenfrequenzen möglich (Multifrequenzeffekt), was auch eine gleichmäßige Verteilung von Dispersionsteilchen verschiedener Grösse ermöglicht.)

Der Zerstäuber besteht aus einem (oder mehreren), piezokeramischen Schallwandler 1 (1.2), einem Konzentrator (Kegelsonotrode) 1 (1.1), (oder mehreren), die miteinander verbunden sind, geklebt oder gelötet werden und somit einen Resonator bilden.

Die Zufuhr der zu zerstäubenden Flüssigkeit erfolgt durch die Kapillare 1 (1.4), oder einem System von Kapillaren.

Das Funktionsprinzip des Zerstäubers ist im Megahertzbereich der Resonanzschwingung ähnlich der Funktion eines medizinischen Inhalators. Allerdings hat die hier beschriebene Konstruktion im Unterschied zum medizinischen Inhalator (der die Zerstäubung nur im Brennpunkt hat) gleichzeitig einen doppelten Brennpunkt der Ultraschallschwingungen: im Körper der Kegelsonotrode 1 (1.1), und in der Flüssigkeit 1 (1.5), die sich in der aktiven Zone Brennpunkt) befindet – mit einem Radius von z.B. 1,5 mm – 1.

Das ermöglicht:

• – die Intensität der Ultraschallschwingungen in der Zone der Zerstäubung zu erhöhen (mittels einer erheblich geringeren Reduzierung der Ultraschallschwingungen im Metall, als in Flüssigkeiten)
• – das Zerstäuben der Flüssigkeit in einer beliebigen Lage des Zerstäubers zu ermöglichen (die Menge der Flüssigkeit, die sich in der aktiven Zone des Zerstäubers 1 (1.4), befindet, ist erheblich geringer, als im medizinischen Inhalator, was ihren Ausfluss, z.B. bei einer Neigung des Inhalators, verhindert.

Im Kilohertzbereich funktioniert der Zerstäuber wie ein piezoelektrisches Schwingungssystem mit einer Kegelsonotrode, deren Resonanzfrequenz der Ultraschallschwingungen abhängig von der Länge des Resonators ist.

Z. B. beträgt der Durchmesser der meisten Tröpfchen der Dispersion im Kilohertzbereich 18–20 mkm., (bei 120 KHz und der Länge des Schwingungssystems 20–25 mm)

Bei dieser Frequenz erfolgt die Zerstäubung der Flüssigkeit von dem Frontbereich der der Sonotrode 1 (1.1), Der Frontbereich der Sonotrode hat einem Durchmesser ähnlich dem Durchmesser der Sonotrode an der Seite des Piezokeramischen Elementes 1 (1.3), z. B. ungefähr 15 mm.

Die Schicht der Flüssigkeit auf dem Frontbereich 1 (1.6), der Sonotrode des Zerstäubers kann sowohl aufgrund der Zufuhr von Tropfen aus der aktiven Zone des Zerstäubers 1 (1.5)„ als auch aufgrund der Zufuhr von überschüssiger Flüssigkeit in den Zerstäuber entstehen.

Im letztgenannten Fall überschwemmt die Flüssigkeit die aktive Zone des Zerstäubers und wird über vier zueinander kreuzweise angeordnete Kanäle 1 (1.7), abgeführt und sammelt sich im ringartigen Durchfluss 1 (1.8),. Die Regulierung der Zufuhr von Flüssigkeit in die aktive Zone des Zerstäubers auf diese Weise ermöglicht die Veränderung der Anzahl der Tropfen mit einem mittleren Durchmesser von 18–20 mkm im Aerosol.

Der Durchmesser der meisten Tropfchen der Dispersion im Megahertzbereich, (z.B. bei 2.5 MHz) beträgt 3–5 mkm.

Im Histogramm in 2 (Achse X – Durchmesser des Tropfens, Achse Y – prozentualer Anteil der Tropfen mit diesem Durchmesser im gesamten Aerosolgemisch) sind deutlich die beiden Maximalwerte zu sehen, die den Durchmessern der Tropfen (3–5 mkm und 18–20 mkm) entsprechen.

Diese entstehen beim Betrieb des Zerstäubers auf den Frequenzen seiner Hauptfrequenzresonanzen (2,5 MHz – die Resonanz den piezokeramischen Schallwandlers, 120 KHz – die Resonanz der Sonotrode).

Dabei ist der Bereich zwischen den genannten Tropfen (3–5 mkm und 18–20 mkm) genau so dicht mit Tropfen dazwischenliegender Größe ausgefüllt.

Wenn man die Arbeitsfrequenz und somit die Hauptresonanzen des Zerstäubers ändert, kann man den Anteil der Teilchen eben dieser Grösse in diesem Raum beeinflussen.

Das Zwei- oder Mehrfrequenzresonanz-System ermöglicht eine effektive, kontrollierte Erzeugung von Aerosol-Tröpfchen versch. Grösse.

Die energetische Effektivität der beschriebenen Konstruktion des Zerstäubers lässt sich aufgrund des Grades der Konzentration der Ultraschallenergie im Material des Resonators beurteilen.

Die Intensität der Ultraschallenergie im Brennpunkt des Resonators 3 (3.1), erhöht sich um nicht weniger als das Zehnfache im Vergleich zur Intensität der Ultraschallenergie auf der Oberfläche des piezokeramischen Schallwandlers 3 (3.2), – als Ergebnis eines Computermodells 3. Außerdem ist aus Literaturquellen bekannt, das für die Dispergierung von 1 ml Wasser nicht mehr als 2 Watt Energie verbraucht werden. Somit kann man von einer hohen energetischen Effektivität des Zerstäubers sprechen.

Wegen diesem geringen Energieverbrauch kann der Amplitudentransformator (z.B. Autogenerator) zum Betrieb des Zerstäubers ein herkömmliches Gerät sein, das von einer herkömmlichen Stromquelle, galvanischem Element gespeist werden kann.

Im Beispiel in 4 ist ein Muster gezeigt, das aus einem Generator 4 (4.1) und drei Zerstäubern 4 (4.2) besteht, die auf der Basis 4 (4.3) positioniert sind, die wiederum aus drei isolierten, mit Dispersionsflüssigkeit gefüllten Kammern 4 (4.4) besteht. Es lässt sich vorhersagen, das zum Betrieb dieser Vorrichtung (unter Berücksichtigung der Verluste) nicht mehr Energie als 3 bis 5 Watt benötigt werden.

• 1. Der zentrale Hohlraum 1.1 (1.5) in der Zone der maximalen Konzentration der Ultraschallschwingungen der Sonotrode 1 (1.1) ist so angeordnet, das die endgültige Konzentration der Ultraschallschwingungen in der Flüssigkeit erfolgt, die sich im zentralen Hohlraum 1.1 (1.5) befindet.
• 2. Die Sonotrode 1 (1.1) ist mit der Stirnfläche-Frontbereich der Sonotrode 1 (1.6) mit dem kleineren Querschnitt durch eine Kapillare 1.1 (1.1.2) verbunden, um ein unkontrolliertes Ausfließen der zu zerstäubenden Flüssigkeit zu verhindern.
• 3. Die Länge der Sonotrode 1 (1.1) entspricht der Hälfte der Wellenlänge &lgr;/2 der Ultraschallschwingungen – im Material mit der Frequenz, die das Zentrum der Dispersionszerstäubung bestimmt, und der maximale Durchmesser des Schwingungserzeugers soll nicht größer als der sechste Teil der Wellenlänge im Material der Sonotrode sein.
• 4. Die Erregung der Ultraschallschwingungen gleichzeitig in allen Sonotroden 4 oder in einer bestimmten Aufeinanderfolge erfolgt.

Der Betrieb in einer beliebigen Lage (vorher nur in der Vertikalen) erfolgen kann.

Das Gemisch kann aufgrund der gleichzeitigen Zerstäubung verschiedener Stoffe, die durch Kapillaren 1.10 zugeführt werden können, beliebig verschieden zusammengesetzt sein.

Herstellung von Dispersion beliebiger Feinheit während der gleichzeitigen Zerstäubung aufgrund der kontrollierbaren Steuerung der Leistung im Hochfrequenz- und Niedrigfrequenzbereich.

Reduzierung des Energieverbrauchs bei der Zerstäubung unter der Flüssigkeitsoberfläche. Der Energieaufwand bei der Zerstäubung mit niedriger Frequenz ist geringer.

Verringerung der Schwingungsdämpfung, da im Hochfrequenzbereich die Dämpfung im Material der Sonotrode-Titan erheblich geringer als im Wasser ist.

1 – Ultraschallzerstäuber

2 – Histogram der Verteilung der Masse der Dispersionstropfen

1.1 – Das zentrale Hohlraum des Zerstäubers

1.2 – mögliche Form der Ausweitungen des Zerstäubers

3 – Fokussierung der Ultraschallenergie im Resonator-Konzentrator

4 – Modell des Zerstäubers

1.3 – Zerstäuber mit mehreren Elementen

1.4 – Anordnung der piezoelektrischen Elemente

1.5 – Entstehung der Zone der maximalen Konzentration der Ultraschallschwingungen

1.6 – Eingetauchte piezoelektrischen Schwinger-Schallwandler

1.7 – Zusätzliche Kapillaren in der Brennpunktzone des Konzentrators

1.8 – Zusätzliche Kapillaren, die zur Stirnseite des Konzentrators führen

1.9 – Kapillare in Form eines Venturirohres

1.10 – Form der in die Flüssigkeit eingetauchten Enden der Kapillaren