PL211804B1 - Nebulizer ultradźwiękowy - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest nebulizer ultradźwiękowy stanowiący precyzyjny rozpylacz próbek analitycznych, w szczególności przeznaczony do stosowania w chemii analitycznej, gdzie precyzja i dokł adność podawania badanych próbek do analizy są parametrami kluczowymi, decydują cymi o wynikach analiz.

Znane i stosowane analityczne nebulizery ultradźwiękowe składają się z hermetycznej obudowy z bieżącą cieczą doprowadzaną króćcem wejściowym i odprowadzaną króćcem wyjściowym oraz membrany, po przeciwnej stronie, na której jest położony przetwornik ultradźwiękowy zasilany z generatora ultradźwiękowego, lub stanowiący elektryczną część jego obwodów, przy czym fala ultradźwiękowa wytwarzana przez przetwornik ultradźwiękowy propaguje w wiązce skierowanej w kierunku membrany. Częstotliwość pracy generatora zawiera się zwykle w przedziale częstotliwości od 100 kHZ do 3,5 MHz. Przetwornik ultradźwiękowy, zwykle o postaci płytki o grubości od ułamka do kilku milimetrów oraz o ś rednicy od 10 do 35 mm, zamienia drgania elektryczne na mechaniczne, które nastę pnie przekazuje porcji roztworu zawierającego próbkę przeznaczoną do analizy. Poddana drganiom porcja cieczy wskutek tzw. kawitacji zamieniana jest w aerozol, który wraz z gazem nośnym transportowany jest do analizatora składu chemicznego. Nebulizery dla celów analitycznych różnią się od innych rozpylaczy cieczy tym, ze podawana próbka cieczy jest bardzo mała, czasem poniżej 1 ml, natomiast żądana stabilność generacji aerozolu musi być wysoka, zwykle znacznie lepsza niż 10 μΐ/min. Ażeby spełnić te wymagania stosowane są różne sposoby wywoływania skupiania energii fali ultradźwiękowej na powierzchni przetwornika. Jednak zwiększenie gęstości energii przy powierzchni przetwornika musi być dokonywane ostrożnie, gdyż większa gęstość energii oznacza także wzrost energii strat prowadząc do konieczności ochrony przetwornika przed przegrzaniem. Chłodzenie przetwornika ultradźwiękowego często jest realizowane za pomocą wymuszonego przepływu powietrza lub za pomocą wody chłodzącej. Trudnym problemem technicznym jest konieczność zabezpieczenia płytki piezoelektrycznej przed korozyjnym działaniem próbki analitycznej występującej w postaci roztworów kwasów, soli lub zasad. Wynika z tego konieczność stosowania niezależnej chemicznie odpornej membrany zdolnej do przenoszenia drgań mechanicznych i odpornej na chemizm próbki analitycznej. Znanym i stosowanym sposobem jest sklejenie szklanej membrany z przetwornikiem ultradźwiękowym przymocowanym do radiatora i chłodzonym od tyłu turbulentnym przepływem powietrza. Przy stosowaniu wody jako czynnika chłodzącego przetwornik ultradźwiękowy wykorzystuje się fakt, że woda chłodząca jest zarazem dobrym przewodnikiem ultradźwięków, czyli w istocie woda może być chłodziwem i równocześnie stanowić ośrodek, w którym prawie bez strat propagowana jest fala ultradźwiękowa. Energia fali ultradźwiękowej nie powinna doprowadzać do kawitacji wody chłodzącej, lecz powinna ona być skierowana na chemicznie odporną membranę, na którą podawana jest rozpylana próbka. Cechą charakterystyczną nebulizerów z warstwą pośrednią wody jest konieczność skupiania fali na membranie umieszczanej naprzeciw przetwornika ultradźwiękowego.

Chemicznie odporna membrana musi być wykonana z materiału nie tylko posiadającego dostatecznie wysoką czystość chemiczną i odporność na kontakt z próbką, lecz także posiadającego zdolność do oscylacji ultradźwiękowych. Zwykle stosuje się płytki kwarcowe o grubości równej połowie długości fali ultradźwiękowej, co zapewnia wysoką amplitudę drgań przenoszonych na powierzchnię membrany. Natomiast w celu wywołania skupienia energii fali w wąskiej wiązce stosuje się specjalną konstrukcję przetworników, w których elektroda tylna ma średnicę znacznie mniejszą od średnicy płytki przetwornika. Niestety skutkuje to nie tylko potrzebnym zwężeniem wiązki ultradźwięków, ale także wywołuje niekorzystne przeciążenie przetwornika, który musi generować taki sam poziom mocy z pomniejszonej czynnej powierzchni płytki piezoelektrycznej, co staje się częstą przyczyną awarii płytek.

Znany jest z katalogu CETAC (www.cetac.com/nebulizers) nebulizer ultradźwiękowy U-5000AT⁺, w którym intensywne chłodzenie specjalnego przetwornika dokonuje się za pomocą radiatora doklejonego do tylnej powierzchni płytki przetwornika. Warto dodać, że w rozwiązaniu tym medium oddzielającym próbkę od płytki jest warstwa szkła kwarcowego o grubości mniejszej od ćwiartki długości fali ultradźwiękowej. Konstrukcja zakłada silne obciążenie przetwornika, co w istocie zaowocowało zaskakująco dobrymi parametrami nebulizacji. Niemniej jednak czas życia silnie obciążonych specjalizowanych i drogich przetworników ultradźwiękowych sklejanych z cienkimi membranami szklanymi jest ograniczony do pojedynczych setek godzin.

PL 211 804 B1

Istota nebulizera ultradźwiękowego, według wynalazku polega na tym, że w hermetycznej obudowie jest tuleja uformowana w kształcie tuby, której jeden otwarty koniec jest skierowany na membranę a drugi na przetwornik ultradźwiękowy.

Korzystnie, tuba jest zbieżna liniowo w kierunku membrany albo ma zbieżność paraboliczną lub ekspotencjalną lub schodkową.

Korzystnie, pomiędzy zewnętrzną powierzchnią tuby i bocznymi ściankami hermetycznej obudowy jest umiejscowiona kierownica cieczy chłodzącej intensyfikująca strumień cieczy.

Korzystnym jest również to, że w dolnej części hermetycznej obudowy jest osadzony moduł zasilany z zewnętrznego zasilacza, przy czym moduł stanowi generator mgły, zwłaszcza moduł nawilżacza, wyposażony w przetwornik ultradźwiękowy. Moduł jest osadzony w hermetycznej obudowie rozłącznie, a pomiędzy modułem i hermetyczną obudową jest uszczelnienie.

Korzystnym jest, gdy w hermetycznej obudowie jest osadzone optoelektroniczne źródło światła oświetlające drgającą membranę poprzez barierę dielektryczną.

Korzystnie, hermetyczna obudowa na kształt cylindra, przy czym średnica wewnętrzna hermetycznej obudowy jest mniejsza od trzech średnic przetwornika ultradźwiękowego, a jej wysokość jest mniejsza od czterech średnic przetwornika ultradźwiękowego. Ponadto płaszczyzna, w której jest usytuowany przetwornik ultradźwiękowy jest równoległa lub ustawiona pod kątem ostrym do płaszczyzny, w której leż y membrana.

Korzystnym jest także, gdy wysokość hermetycznej obudowy jest co najmniej dwukrotnie większa od jej szerokości.

W nebulizerze według wynalazku wykorzystuje się zjawisko samo-skupiania wiązki ultradź więkowej propagującej w cieczy wskutek podgrzewania kanału cieczy wzdłuż kierunku propagacji. U podstawy fizycznej tego zjawiska leży pozornie nieznaczna zmiana współczynnika załamania cieczy, która na kierunku propagacji podgrzewa się wskutek strat mocy wiązki ultradźwiękowej i zamiany części energii tej wiązki na ciepło. Nieoczekiwanie okazało się, że samoczynnie tworzy się układ skupiający o dział aniu niemal analogicznym do dział ania ś wiatł owodu gradientowego dla ś wiatł a. Eksperymenty z propagacją fali ultradźwiękowej wzdłuż cylindrycznego kanału wykonanego z materiału dielektrycznego, wypełnionego wodą i zakończonego membraną w postaci płytki szklanej wykonanej ze szkła kwarcowego o grubości pół długości fali, potwierdzają ten fakt. Ponadto przy średnicy wewnętrznej kanału nie przekraczającej trzech średnic płytki przetwornika skupienie fali ultradźwiękowej było dostateczne na to, aby przy odległości pomiędzy przetwornikiem a membraną większej niż średnica kanału uzyskać silną kawitację próbek analitycznych na powierzchni membrany.

W celu dalszego zintensyfikowania procesu skupiania wiązki ultradź wię ków w nebulizerze według wynalazku, stosuje się tuleję tworzącą ekran cieplno-akustyczny w postaci odwróconej tuby wykonanej z materiału z ciała stałego w formie stożka ściętego, który swoją szerszą podstawą jest zbliżony do płytki przetwornika ultradźwiękowego, zaś zwężonym wierzchołkiem jest skierowany w kierunku membrany, na którą podawana jest próbka analityczna podlegająca następnie rozpyleniu. Tuleja ekranu pełni też rolę osłony obszaru, w którym występuje skoncentrowana wiązka fali ultradźwiękowej przed zakłóceniami związanymi z konwekcyjnym ruchem cieczy chłodzącej. Ponadto tuleja może być dodatkowo chłodzona tak, aby nawet bez ultradźwięków temperatura cieczy przy powierzchni wewnętrznej tuby była niższa od temperatury cieczy na jej osi. Jednak rolę tulei może też z powodzeniem pełnić sama obudowa urządzenia. Ciecz chłodzącą stanowi woda, ale oczywiście w miejsce wody można użyć każdej cieczy, w której możliwa jest propagacja fali ultradźwiękowej.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój pionowy nebulizera ultradźwiękowego, fig. 2 - przekrój pionowy nebulizera ultradźwiękowego wyposażonego w kierownicę cieczy chłodzącej, fig. 3 - nebulizer ultradźwiękowy wyposażony w moduł generatora mgły, fig. 4 - nebulizer ultradźwiękowy o wysokości dwukrotnie większej od jego szerokości, a fig. 5 - przykładowe konstrukcje tulei.

P r z y k ł a d 1

Nebulizer ultradźwiękowy ma hermetyczną obudowę OH wypełnioną bieżącą cieczą, którą stanowi woda, doprowadzaną króćcem wejściowym KI i odprowadzaną króćcem wejściowym KO. W górnej ściance hermetycznej obudowy OH osadzona jest membrana M, naprzeciw której w dolnej ściance hermetycznej obudowy OH usytuowany jest przetwornik ultradźwiękowy PU zasilany z generatora ultradźwiękowego GEN. Płaszczyzna, w której jest usytuowany przetwornik ultradźwiękowy PU jest równoległa do płaszczyzny, w której leży membrana M. Fala ultradźwiękowa wytwarzana przez przetwornik ultradźwiękowy PU propaguje w wiązce skierowanej w kierunku membrany M poprzez

PL 211 804 B1 tuleję uformowaną w kształcie tuby TS, której jeden otwarty koniec jest skierowany na membranę M a drugi na przetwornik ultradźwiękowy PU. W rozwiązaniu tym tuba TS jest zbieżna liniowo w kierunku membrany M, która stanowi jednocześnie ekran dla fal ultradźwiękowych i osłania obszar z propagacją fali przed silnym przepływem wody chłodzącej. Ponadto nad membraną M usytuowany jest podajnik próbki przetwarzający badaną próbkę w aerozol AE.

P r z y k ł a d 2

Nebulizer ultradźwiękowy wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że w dolnej części hermetycznej obudowy OH osadzony jest rozłącznie moduł MOD zasilany z zewnętrznego zasilacza ZAS i wyposażony w układ elektroniczny generatora EL, przy czym pomiędzy modułem MOD i hermetyczną obudową OH jest uszczelnienie USC. Jako moduł MOD w tym rozwiązaniu zastosowany jest komercyjny generator mgły wyposażony w przetwornik ultradźwiękowy PU. Ponadto pomiędzy zewnętrzną powierzchnią tuby TS i bocznymi ściankami hermetycznej obudowy OH jest umiejscowiona kierownica cieczy chłodzącej COL intensyfikująca strumień cieczy.

P r z y k ł a d 3

Nebulizer ultradźwiękowy wykonany jak w przykładzie drugim z tą różnicą, że w dolnej części hermetycznej obudowy OH jest osadzony moduł MOD, którym jest komercyjny moduł nawilżacza wyposażony przetwornik ultradźwiękowy PU, tuba TS ma zbieżność paraboliczną w kierunku membrany M, a ponadto płaszczyzna, w której jest usytuowany przetwornik ultradźwiękowy PU jest ustawiona pod kątem ostrym równym 30° do płaszczyzny, w której leży membrana M.

P r z y k ł a d 4

Nebulizer ultradźwiękowy wykonany jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą, że tuba TS ma zbieżność eksponencjalną w kierunku membrany M. Ponadto w hermetycznej obudowie OH może być osadzone optoelektroniczne źródło światła, które poprzez barierę dielektryczną oświetla wnętrze nebulizera i jednocześnie drgającą membraną M, co ułatwia monitorowanie pracy nebulizera.

P r z y k ł a d 5

Nebulizer ultradźwiękowy wykonany jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą, że tuba TS ma zbieżność schodkową w kierunku membrany M, natomiast hermetyczna obudowa OH na kształt cylindra, przy czym średnica wewnętrzna hermetycznej obudowy OH jest równa trzem średnicom przetwornika ultradźwiękowego PU a wysokość hermetycznej obudowy OH jest równa czterem średnicom przetwornika ultradźwiękowego PU.

P r z y k ł a d 6

Nebulizer ultradźwiękowy ma hermetyczną obudowę OH wypełnioną bieżącą cieczą, którą stanowi woda, doprowadzaną króćcem wejściowym KI i odprowadzaną króćcem wyjściowym KO. W górnej ściance hermetycznej obudowy OH osadzona jest membrana M, naprzeciw której w dolnej ściance hermetycznej obudowy OH usytuowany jest przetwornik ultradźwiękowy PU zasilany z generatora ultradźwiękowego GEN. Fala ultradźwiękowa wytwarzana przez przetwornik ultradźwiękowy PU propaguje w wiązce skierowanej w kierunku membrany M. Wysokość L hermetycznej obudowy OH jest dwukrotnie większa od jej szerokości D. Ponadto nad membraną M usytuowany jest podajnik próbki przetwarzający badaną próbkę w aerozol AE.

Claims (15)

1. Nebulizer ultradźwiękowy, składający się z hermetycznej obudowy z bieżącą cieczą doprowadzaną króćcem wejściowym i odprowadzaną króćcem wyjściowym oraz wyposażony w membranę, po przeciwnej stronie której jest położony przetwornik ultradźwiękowy zasilany z generatora ultradźwiękowego, lub stanowiący elektryczną część jego obwodów, przy czym fala ultradźwiękowa wytwarzana przez przetwornik ultradźwiękowy propaguje w wiązce skierowanej w kierunku membrany, znamienny tym, że w hermetycznej obudowie (OH) jest tuleja uformowana w kształcie tuby (TS), której jeden otwarty koniec jest skierowany na membranę (M) a drugi na przetwornik ultradźwiękowy (PU).

2. Nebulizer, według zastrz. 1, znamienny tym, że tuba (TS) jest zbieżna liniowo w kierunku membrany (M).

3. Nebulizer, według zastrz. 1, znamienny tym, że tuba (TS) ma zbieżność paraboliczną w kierunku membrany (M).

PL 211 804 B1

4. Nebulizer, według zastrz. 1, znamienny tym, że tuba (TS) ma zbieżność eksponencjalną w kierunku membrany (M).

5. Nebulizer, według zastrz. 1, znamienny tym, że tuba (TS) ma zbieżność schodkową w kierunku membrany (M).

6. Nebulizer, według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy zewnętrzną powierzchnią tuby (TS) i bocznymi ściankami hermetycznej obudowy (OH) jest umiejscowiona kierownica cieczy chłodzącej (COL) intensyfikująca strumień cieczy.

7. Nebulizer, według zastrz. 1, znamienny tym, że w dolnej części hermetycznej obudowy (OH) jest osadzony moduł (MOD) zasilany z zewnętrznego zasilacza (ZAS), przy czym moduł (MOD) stanowi generator mgły wyposażony w przetwornik ultradźwiękowy (PU).

8. Nebulizer, według zastrz. 7, znamienny tym, że moduł (MOD) stanowi moduł nawilżacza wyposażony w przetwornik ultradźwiękowy (PU).

9. Nebulizer, według zastrz. 7, znamienny tym, że moduł (MOD) jest osadzony w hermetycznej obudowie (OH) rozłącznie.

10. Nebulizer, według zastrz. 9, znamienny tym, że pomiędzy modułem (MOD) i hermetyczną obudową (OH) jest uszczelnienie (USC).

11. Nebulizer, według zastrz. 1, znamienny tym, że w hermetycznej obudowie (OH) jest osadzone optoelektroniczne źródło światła oświetlające drgającą membranę (M) poprzez barierę dielektryczną.

12. Nebulizer, według zastrz. 1, znamienny tym, że hermetyczna obudowa (OH) na kształt cylindra, przy czym średnica wewnętrzna hermetycznej obudowy (OH) jest mniejsza od trzech średnic przetwornika ultradźwiękowego (PU) a jej wysokość jest mniejsza od czterech średnic przetwornika ultradźwiękowego (PU).

13. Nebulizer, według zastrz. 1, znamienny tym, że płaszczyzna w której jest usytuowany przetwornik ultradźwiękowy (PU) jest równoległa do płaszczyzny, w której leży membrana (M).

14. Nebulizer, według zastrz. 1, znamienny tym, że płaszczyzna, w której jest usytuowany przetwornik ultradźwiękowy (PU) jest ustawiona pod kątem ostrym do płaszczyzny, w której leży membrana (M)

15. Nebulizer, według zastrz. 1, znamienny tym, że wysokość (L) hermetycznej obudowy (OH) jest co najmniej dwukrotnie większa od jej szerokości (D).