DE2952444C2 - Verfahren für das Betreiben eines Ultraschallzerstäubers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für das Betreiben eines Ultraschallzerstäubers gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In jüngerer Zeit wurden Ultraschallzerstäuber für die Zerstäubung von Flüssigkeiten bei Luftbefeuchtern zur Steigerung der Feuchtigkeit in Räumen, bei Inhalations­ geräten zur Behandlung von Erkrankungen der Atemwege, bei Schönheitsgeräten usw. verwendet.

Bei solchen Ultraschallzerstäubern, insbesondere bei solchen, die in der Inhalationstherapie, Narkotherapie und Feuchtigkeitssteuerung in Spitälern verwendet werden, ist eine exakte Steuerung der Zerstäubungsmenge erforderlich.

Ein bekannter Ultraschallzerstäuber (JP-GM 60-23017), der nach dem Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 arbeitet, umfaßt im wesentlichen eine Impulsoszillatorschaltung und einen elektro­ akustischen Wandler oder Ultraschallschwinger, der durch die Ausgangsgröße der Schaltung erregt wird.

Bei dem bekannten Zerstäuber erfolgt die Steuerung der Zerstäubungsmenge durch Änderung des sogenannten Tast­ verhältnisses, mit anderen Worten durch Veränderung des Zyklus der Oszillationszeit einer Impulsoszillatorschaltung oder durch Veränderung des Verhältnisses von Oszillations­ zeit zu Nicht-Oszillationszeit der Impulsoszillatorschal­ tung, so daß der mit der Oszillation synchrone Ultraschall­ vibrator intermittierend Ultraschallwellen konstanter Ampli­ tude erzeugt.

Da die Verzögerungszeit zwischen Zerstäubung und Beginn der Ultraschallschwingung ungefähr 0,4 Sekunden beträgt, sollte die Zeitdauer der Ultraschallschwingung oder Impulsoszillation mehr als 0,4 Sekunden betragen.

Der bekannte Zerstäuber, der den Zyklus der Ultraschallschwingungszeit oder das Verhältnis von Ultraschallschwingungszeit zu Nicht-Schwingungszeit bei konstant gehaltener Schwingungsamplitude verändert, hat den Nachteil, daß erhebliche Stromstöße unvermeidbar sind, weil rasche Zu- und Abnahmen der Schwingungsampli­ tude zwischen Null-Wert und Zerstäubungswert im Spiel sind.

Ein weiterer Nachteil, der sich aus der raschen Änderung der Oszillation bzw. Vibration ergibt, besteht darin, daß größere Flüssigkeitströpfchen erzeugt werden und, insbesondere wenn geringe Flüssigkeitsvolumina zer­ stäubt werden müssen, ein Verspritzen von Flüssigkeits­ tröpfchen unvermeidbar ist, was die Zerstäubung gleich­ förmig großer Flüssigkeitsteilchen schwierig macht.

Insbesondere bei Inhalationsgeräten für die Inhala­ tionstherapie von Erkrankungen der Atemwege, bei der das zerstäubte flüssige Medikament inhaliert wird, ist es erforderlich, die Zerstäubungsmenge über einen enormen Bereich von sehr kleinen Mengen zu relativ großen Mengen, je nach Zustand des Patienten, zu steuern.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß es bei ei­ nem flüssigen Medikament hoher Zähigkeit nicht nur schwierig ist, einen feinen Nebel zu erreichen, sondern darüber hinaus unmöglich, die Zerstäubungsmenge exakt zu steuern.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für das Betreiben eines Ultraschallzerstäubers zu schaffen, das selbst bei kleinen zu zerstäubenden Mengen eine konstante und genaue Teilchengrößensteuerung in der zer­ stäubten Flüssigkeit liefert und damit einen feinen Nebel eines Medikaments oder dergleichen zu erzeugen in der Lage ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Im wesentlichen besteht die Steuerung des Zerstäubers darin, daß ein Ultraschallvibrator in einem teil­ erregten Zustand gehalten und die Ausgangsgröße der Oszil­ latorschaltung wiederholt von einem Nicht-Zerstäubungswert auf einen Zerstäubungswert angehoben und wieder von letzterem Wert auf ersteren Wert abgesenkt wird, um damit die Menge und den Grad der Zerstäubung zu steuern.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Zerstäubungssteuerung für einen Ultraschallzerstäuber zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine spezifische Schaltung mit der Ultraschall­ vibratorschaltung und Treiberschaltung, die in Fig. 1 wiedergegeben sind,

Fig. 3 eine Ausgangswellenform des Ultraschallvibrators und

Fig. 4 eine andere Ausgangswellenform des Ultraschall­ vibrators.

Eine Ultraschallvibratorschaltung 32 umfaßt eine Gleich­ richtungsschaltung 321, die eine Wechselspannung einer Spannungsquelle 34 in eine Gleichspannung umwandelt und diese einer Konstantspannungsschaltung 35 eingibt, und eine Treiberschaltung 40, die eine hochfrequent oszillier­ ende Spannung auf einen Ultraschallvibrator 11 gibt.

Die Konstantspannungsschaltung 35 gibt die konstante Gleichspannung auf eine Flüssigkeitsstandsnachweisschaltung 36 eine Generatorschaltung 33 für Veränderbare Impulse und die Treiberschaltung 40.

Die Flüssigkeitsstandsnachweisschaltung 36 gibt ein Anhalte­ signal auf die Treiberschaltung 40 oder die Generator­ schaltung 33 für die Veranderbaren Impulse, um die Ultra­ schallschwingung anzuhalten, wenn über eine Nachweisein­ richtung 37 festgestellt worden ist, daß der Flüssigkeits­ stand unter einen bestimmten Wert abgesunken ist.

Die Generatorschaltung 33 für veränderbare Impulse erzeugt kontinuierlich Impulse, deren Abstand und Amplitude in einer weiter unten beschriebenen Weise veränderbar ist und gibt diese Impulse auf die Treiberschaltung 40 und eine Betriebszustandsanzeigeschaltung 38 zur Anzeige des Zerstäubungszustands.

Die Treiberschaltung 40 bewirkt, daß die Ultraschall­ vibratorschaltung 32 während des Zeitintervalls des tie­ fen Wertes des Veränderbaren Impulses eine Hochfrequenz­ vibrationsausgangsgröße verhältnismäßig großer Amplitude und während des Intervalls des hohen Werts des veränder­ baren Impulses eine solche mit vergleichsweise kleiner Amplitude erzeugt.

Die Hochfrequenzvibrationsausgangsgröße wird auf den Ultraschallvibrator 11 gegeben, worauf dieser eine Ultra­ schallwelle erzeugt, die für die Zerstäubung der Flüssig­ keit während des Intervalls des unteren Wertes des verän­ derbaren Impulses aber nicht während des Intervalls des hohen Wertes desselben zur Verfügung steht, obwohl sie den Vibrator dauernd erregt hält.

Fig. 2 ist ein elektrisches Schaltbild, das eine spezielle Verschaltung zwischen der Ultraschallvibrator­ schaltung 32 und der Treiberschaltung 40 zeigt.

Die Ultraschallvibratorschaltung 32 umfaßt eine Voll­ weggleichrichtungsschaltung 321 zur Gleichrichtung der von der Wechselspannungsquelle 34 gelieferten Wechselspannung.

Mit den Ausgängen der Vollweggleichrichtungsschaltung 321 sind ein Hochfrequenzüberbrückungskondensator 322 und eine Reihenschaltung aus einer Spule 323, einem Leistungs­ transistor 324 und einer weiteren Spule 325 verbunden. Ein Kondensator 326 ist zwischen dem Kollektor des Leistungs­ transistors 324 und einer Masseleitung angeschlossen. Der Ultraschallvibrator II und ein in Reihe dazu liegender Kondensator 327 sind zwischen Basis und Kollektor des Transistors 324 angeschlossen, während ein Kondensator 328 zwischen Basis und Masseleitung angeschlossen ist.

Mit den Ausgängen der Gleichrichtungsschaltung 321 ist über einen Widerstand 329 eine Konstantspannungsschal­ tung 35 verbunden, die eine Zener-Diode 351 und einen dazu parallel geschalteten Glättungskondensator 352 umfaßt.

Die Treiberschaltung 40 umfaßt eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 41, einem Transistor 421 und einem Transistor 422, die zwischen der positiven Leitung der Konstantspannungsschaltung 35 und der Basis des Tran­ sistors 324 angeschlossen ist.

Dem Transistor 422 ist ein Widerstand 43 parallel geschal­ tet. Wenn der Transistor 421 von der Flüssigkeitsstands­ nachweisschaltung 36 ein Nachweissignal erhält, das ei­ nen Mangel an Flüssigkeit wiedergibt, geht dieser in den Sperrzustand und beendet damit das Schwingen der Ultra­ schallvibratorschaltung 32.

Um eine freie Wahl verschiedener Ultraschallschwin­ gungsausgangswerte innerhalb des Zerstäubungsbereichs zu ermöglichen, wird bevorzugt, ein Ende eines jeden der Widerstände 411, 412 und 413, die alle verschiedene Werte haben, mit der positiven Leitung der Konstantspannungs­ schaltung 35 und das andere Ende mit einem Auswahlschal­ ter 44 zu verbinden (siehe Fig. 2 und 4).

Fig. 3 zeigt die Wellenform von Ausgangsimpulsen, d. h. Ultraschallschwingungsintervalle, einer Treiberschal­ tung 40, in der ein Widerstand 41 zur Lieferung eines einheitlichen Ultraschallschwingungswertes innerhalb des Zerstäubungsbereichs vorgesehen ist.

Die Arbeitsweise der Zerstäubungssteuerung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 im einzelnen beschrieben.

Die Flüssigkeitsstandsnachweisschaltung 36 hält den Transistor 421 im Durchlaßzustand, solange keine Anomalie nachgewiesen wird.

Die Generatorschaltung 33 zur Erzeugung veränder­ barer Impulse, die aus einer bekannten veränderbaren Einrichtung zur Veränderung des Tastverhältnisses, also von Dauer und Frequenz, der Impulse besteht, gibt Impulse einer bestimmten Frequenz auf die Basis des Transistors 422, der durchgeschaltet wird, wenn der Wert des Eingangsim­ pulses auf tief ist, so daß ein verhältnismäßig großer Eingangsstrom auf den Leistungstransistor 324 gegeben wird.

Die Ultraschallvibratorschaltung 32 funktioniert als Colpitts-Oszillatorschaltung und gibt auf den Ultraschall­ vibrator 11 ein Oszillationsausgangssignal verhältnismäßig großer Amplitude, solange der veränderbare Impuls auf niedrigem Wert ist, so daß der Ultraschallvibrator 1 eine Ultraschallschwingungsausgangsgröße erzeugt, die ausreicht, die Flüssigkeit zu zerstäuben.

Wenn der veränderbare Impuls der Generatorschaltung 33 für veränderbare Impulse den hohen Wert annimmt, wird der Transistor 422 gesperrt.

Falls kein Widerstand 43 eingesetzt worden ist, wird dann kein Strom auf die Basis des Transistors 324 gegeben und die Ultraschallvibratorschaltung 32 nicht in Tätigkeit gesetzt.

Da der Widerstand 43 dem Transistor 422 parallel geschaltet ist, wird ein kleiner Strom über die Wider­ stände 329 und 41, den Kollektor und Emitter des Tran­ sistors 421 und den Widerstand 43 auf die Basis des Leistungstransis­ tors 324 gegeben, so daß der Ultraschallvibrator 11 eine Ultraschallwelle verhältnismäßig kleiner Amplitude erzeugt, die in dem Bereich liegt, wo es nicht zu einer Zerstäubung kommt, beispielsweise ein Drittel der vollen Zerstäubungsamplitude beträgt.

Danach wird abwechselnd, abhängig vom Ausgangswert der Generatorschaltung 33 für veränderbare Impulse, ein verhältnismäßig großes und ein verhältnismäßig kleines Ultraschallschwingungssignal erzeugt, um die Flüssigkeit zu zerstäuben oder sie unzerstäubt zu halten.

Da der Ultraschallvibrator 11 auf diese Weise dauernd im erregten Zustand gehalten und dabei bewirkt wird, daß das Vibratorausgangssignal zwischen einem Nicht-Zerstäu­ bungswert, der höher als der dem nicht-erregtem Zustand des Ultraschallvibrators entsprechende bekannte Wert liegt, und einem Zerstäubungswert oder umgekehrt synchron mit dem Ausgangsimpuls der Impulserzeugungsschaltung 33 übergeht, sind Stromstöße in erheblichem Maße vermindert, mit dem Ergebnis, daß das Verspritzen von Flüssigkeit durch große Stromstöße verhindert ist und ein feiner gleich­ förmiger Nebel von Flüssigkeitspartikeln erzeugt wird.

Bei obiger Ausführungsform läßt sich die Zerstäu­ bungsmenge veränderbar steuern, indem das Tastverhält­ nis der Ausgangsimpulse der Generatorschaltung 33 für veränderbare Impulse verändert wird.

Fig. 4 zeigt die Wellenformen des Ultraschallschwin­ gungsausgangssignals, die man erhält, wenn anstelle des Widerstands 41 Widerstände 411 bis 413 mittels des Aus­ wahlschalters 44 eingeschaltet werden.

Der Widerstand 411 hat einen verhältnismäßig großen Widerstandswert, der Widerstand 412 einen Zwischenwider­ standswert und der Widerstand 413 einen verhältnismäßig kleinen Widerstandswert.

Wenn der Widerstand 411, d. h. die in Fig. 4 gezeigte Betriebsart 1, ausgewählt wurde, wird ein verhältnis­ mäßig kleiner Strom auf die Basis des Leistungstransis­ tors 324 während des tiefen Werts des Veränderbaren Impulses gegeben, der den Transistor 422 durchschaltet, und die Ultraschallvibratorschaltung 32 bewirkt, daß der Ultraschallvibrator 11 in einem Bereich schwingt, der die Zerstäubung einer geringen Flüssigkeitsmenge bewirkt.

Umgekehrt wird während des hohen Werts des veränder­ baren Impulses, der den Transistor 422 in den Sperrzu­ stand bringt, ein geringer Strom, der durch den Wert des Widerstands 43 bestimmt wird, auf die Basis des Leistungstransistors 324 gegeben, und die Ultraschall­ vibratorschaltung 32 bewirkt, daß der Ultraschallvibra­ tor 11 in einem Bereich der Nicht-Zerstäubung schwingt.

Wurde durch eine entsprechende Einstellung des Aus­ wahlschalters 44 der Widerstand 412, d. h. die in Fig. 4 gezeigte Betriebsart 2, gewählt, wird während des tiefen Wertes des Veränderbaren Impulses ein Basisstrom eines Zwischenwerts, der für eine Zerstäubung der Flüs­ sigkeit ausreicht, auf den Leistungstransistor 324 gege­ ben, während während des hohen Wertes des Veränderbaren Impulses ein kleiner Basisstrom, der für eine Zerstäubung der Flüssigkeit nicht ausreicht, auf den Transistor 324 gegeben wird, so daß eine Ultraschallschwingung eines Zwischenwerts für die Zerstäubung einer mittleren Menge erzeugt wird.

Wurde durch geeignete Stellung des Auswahlschalters 44 der Widerstand 413, d. h. die in Fig. 4 gezeigte Be­ triebsart 3, gewählt, so wird während des tiefen Wer­ tes des Veränderbaren Impuls es ein verhältnismäßig großer Basisstrom, der für eine Zerstäubung der Flüssigkeit ausreicht, auf den Leistungstransistor 324 gegeben, während während des hohen Werts des veränderbaren Impulses ein durch den Wert des Widerstands 43 bestimmter sehr kleiner Strom auf den Transistor 324 gegeben wird, so daß eine große Flüssigkeitsmenge zerstäubt wird.

Das Vorsehen einer solchen Änderung von Amplitude und Tastverhältnis ist für eine präzise Steuerung der Zerstäubung wünschenswert.

Claims (3)

1. Verfahren für das Betreiben eines Ultraschallzerstäubers, bei welchem der Ultraschallschwinger intermittierend mit einer zur Zerstäubung ausreichenden Amplitude der Ultraschallwelle angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallschwinger im Zer­ stäubungsbetrieb zwischen einem konstanten ersten Wert der Amplitude der Ultraschallwelle, der größer als Null ist und der für eine Zerstäubung nicht ausreicht, und einem für die Zerstäubung ausrei­ chenden konstanten zweiten Wert der Amplitude der Ultraschallwelle hin- und hergeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Zeitdauern des für eine Zerstäubung nicht ausrei­ chenden ersten Werts der Amplitude und des für eine Zerstäubung ausreichenden zweiten Werts der Amplitude gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Zerstäubung ausreichende zweite Wert der Schwin­ gungsamplitude auf verschiedene Werte einstellbar ist.