WO2010139730A1 - MEMBRANVERNEBLER UND VERFAHREN ZUM VERSCHWEIßEN EINER MEMBRAN MIT EINEM TRÄGER BEI DER HERSTELLUNG EINES MEMBRANVERNEBLERS - Google Patents

MEMBRANVERNEBLER UND VERFAHREN ZUM VERSCHWEIßEN EINER MEMBRAN MIT EINEM TRÄGER BEI DER HERSTELLUNG EINES MEMBRANVERNEBLERS Download PDF

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René SEIFERT
Philipp Holzmann
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Definitions

  • Membrane nebulizer and method of welding a membrane to a carrier in the manufacture of a membrane
  • the present invention relates to a membrane nebulizer for producing Flusstechnikstropfchen with a vibrated membrane, in particular for the nebulisation of fluids, in particular liquids for therapeutic purposes.
  • the present invention relates to a membrane nebulizer for aerosol generation in an aerosol therapy device.
  • the present invention also relates to a method of bonding a membrane to a flat carrier in the manufacture of such a membrane nebulizer.
  • a membrane nebulizer with the features of the preamble of claim 1 is known for example from DE 101 22 065 Al or DE 10 2005 006 375 Al.
  • the membrane In the manufacture of such a membrane nebulizer, the membrane must be connected to the actuator which vibrates the membrane, in particular a piezoelectric vibrator. At present, this connection is made by bonding the membrane to the support using an adhesive.
  • the disadvantage of this is on the one hand, the long process time, which is mainly due to the curing of the adhesive.
  • the use of adhesives is fundamentally associated with difficult handling, such as special pressing tools, in a continuous manufacturing process. Furthermore, it is problematic to find a suitable adhesive, since this must be medically approved and repeatedly autoclavable (current minimum requirement 50 cycles).
  • the carrier and the membrane must be treated in advance, z. B, sandblasted and cleaned to improve adhesion through the adhesive.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a membrane nebulizer, which can be made easier, faster and thus more cost-effective with the same oscillation behavior of the membrane and thus the same aerosol production and to propose a method for connecting a membrane with a carrier in the manufacture of a membrane nebulizer, that is easier, faster and less expensive than the previous gluing process.
  • the wall thickness of the membrane is in a range between 25 microns and 200 microns and that of the wearer in a range between 50 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • the present invention is based on the idea of welding together the membrane and the flat carrier of a membrane nebuliser, wherein in particular a resistance fissure method is used.
  • a membrane nebulizer for aerosol generation in an aerosol therapy device or for generating liquid droplets comprises a membrane with a plurality of through-holes for nebulizing a fluid.
  • an actuator in particular a piezoelectric oscillator can be provided, which causes the membrane to vibrate and thus the fluid is atomized through the through holes from one side to the other.
  • the skilled person is referred for further details' to DE 101 22 065 Al.
  • a planar support which has a (preferably circular) opening, wherein the membrane is arranged in the opening or is arranged above the opening and is fastened to the carrier, so that the fluid can be present on one side of the membrane, while it is fogged on the opposite side of the membrane.
  • the membrane is arranged in the opening attached to the carrier, that takes place on a first side of the carrier nebulization and on the opposite second side of the carrier, the fluid is present on the membrane.
  • the present invention is characterized in that the Membrane is fully welded to the carrier.
  • a resistance welding method is preferably used. It can hieroei for example, medium frequency welding and
  • Capacitor discharge welding processes are used. In contrast welding, reproducible welding results are achieved while at the same time minimizing production costs and thus increasing the production costs
  • inverter power sources In the medium-frequency welding process, we use modern inverter power sources to supply the denoted energy for the welding processes with almost arbitrary pulse characteristics.
  • the connection mains voltage is first rectified in the inverter and then provided via a regulated inverter and a transformer as a clocked DC voltage.
  • Medium frequency welding is used on different materials such as aluminum, VA and coated sheets. It is also the connection of materials of different thermal conductivity, such as aluminum on steel possible.
  • Connection method created the possibility of the membrane flat on the first side of the carrier, d. H. on the side of the wearer, on which the nebulization takes place. This has in comparison to a laying on the second side the advantage that the vibration behavior of the entire component (flexural vibrator) is positively influenced in the desired application. In addition, a production of the component from one side is possible. However, a connection on both sides is generally conceivable depending on the desired optimization. The result is a liquid-impermeable (sealed) connection form which behaves mechanically and electrically stably and can be produced reproducibly with certain tolerance limits.
  • the membrane preferably comprises an effective area
  • the z. B. may be circular and in which the through holes are arranged and a the effective area fully surrounding, preferably annular, mounting area for attachment to the carrier.
  • the attachment area is designed as a collar lying flat on the carrier. As previously mentioned, it is preferred that the collar lie flat on the first side of the carrier and that the effective region is preferably centered to open the carrier.
  • the opening may also be circular and the effective area may be concentric with the opening.
  • Adhesive compound and due to the strength (strength) of the welded joint and the achievable tightness are designed with a very small area, preferably less than 96 mm 2 , preferably less than 80 Fun 2 , more preferably less than 40 mm 2, and most preferably less than 20 mm 2 .
  • the area is> 5 mm 2 and most preferably equal to 10 mm 2 .
  • the membrane and / or the carrier may be formed of stainless steel or other metallic material suitable and approved for medical use.
  • the wall thickness of the membrane is preferably below 200 .mu.m, preferably between 25 .mu.m and 200 .mu.m, and most preferably between 50 .mu.m and 120 .mu.m.
  • the wall thickness of the carrier is preferably below 500 .mu.m, preferably between 50 .mu.m and 500 .mu.m, most preferably between 100 .mu.m and 400 .mu.m.
  • an actuator may be provided to enable at least the diaphragm for atomizing the fluid to vibrate, wherein the actuator may form the carrier or connected to the carrier, for.
  • the actuator is preferably a piezoceramic actuator, in particular a piezoelectric oscillator.
  • the wall thickness of the actuator is in comparable proportions and preferably below 500 .mu.m, preferably between 25 .mu.m and 500 .mu.m, and most preferably between 100 .mu.m and 400 .mu.m.
  • the present invention proposes an aerosol therapy device with such a membrane nebulizer.
  • the present invention relates to a method for connecting a membrane, in particular a membrane, as has been explained above, with a flat carrier also described above in the manufacture of a membrane nebulizer aerosol thereacing device.
  • the method comprises the steps laying flat the region (fastening region) of the membrane (eg of the collar) which is to be welded to the carrier.
  • the effective area of the membrane is aligned with the opening in the carrier, so that the effective area lies above or in the opening.
  • the two circles are concentric with each other.
  • annular welding electrode in the area (mounting area) are to be welded in the carrier and membrane, pressed flat and for connecting the membrane and support a Widerstan ⁇ ssch spavorgang (as, medium frequency welding process or capacitor discharge welding process ⁇ .
  • the z. 3. annular welding electrode defines a defined inner and outer diameter, which defines the radial strength (thickness) of the equally annular weld.
  • the welding process takes place under a protective gas atmosphere, eg. B. under forming gases, preferably argon, adapted to the materials used in each case.
  • a protective gas atmosphere eg. B. under forming gases, preferably argon, adapted to the materials used in each case.
  • a rotation of the composite of membrane and carrier and the welding electrode relative to each other after the first resistance welding process (such as Heilfrequenz- or Kondensatorentladungsscn personallyvorgang) has been carried out, ie the composite and the welding electrode are offset relative to each other, for which the relative rotation should be less than 360 °.
  • This offset can be performed several times, preferably three times, the relative rotation amounting to 120 ° in each case.
  • the rotation preferably in uniform pitches z. B. 180 ° with a double weld or 90 ° with a fourfold weld.
  • the present invention also proposes the use of a
  • FIG. 1 shows a membrane nebulizer of the present invention in cross section.
  • FIG. 1 shows a membrane nebulizer of the present invention.
  • the oscillatory system shown in FIG. 1 is rotationally symmetrical with respect to the central axis M shown in FIG. 1. It comprises a curved membrane 1, a carrier or a substrate 2 with a centrally arranged circular opening 8 domed membrane is disposed in the opening 8.
  • the membrane 1 is also circular and arranged concentrically to the central axis Vi.
  • the membrane 1 comprises a circular, centrally arranged, effective range, which has a variety of invisible fürgangslocherr. in the large range below 10 microns and preferably between 1.5 microns and 5 microns in diameter.
  • a nikringformiger collar 7 Concentric with the effective region 6, a nikringformiger collar 7 is arranged, which projects beyond the opening 8 and the attachment of the membrane to the carrier 2 is used.
  • the carrier 2 has a first side 9 and an opposite or oppositely disposed side 10.
  • the fluid to be nebulized is on the side 10 and thus on the opening 8 at the effective region 6 of the membrane 1 at.
  • Carrier 2 is preferably likewise circular and has a diameter D3 of less than 30 mm, preferably less than 27 mm, and particularly preferably less than 24 mm
  • a piezoelectric element 3 is fastened to carrier 2 on the same side 9, in particular An alternating voltage can be applied via a first electrode 4 and via the carrier 2.
  • the carrier 2 can assume the function of a second electrode for the piezoelectric element 3.
  • it is also possible to provide a second electrode on the side 10 of the carrier
  • An alternating voltage applied to the electrodes leads to an extension or shortening of the piezoelectric element 3 in a direction perpendicular to the symmetry axis M shown in FIG. 1.
  • the carrier is bent in alternation of the extension and shortening of the piezoelectric element 3 and excited to bending oscillations which occur the membrane 1 are transmitted.
  • the resonance frequencies of the vibration system are additionally influenced by the liquid which is supplied to the concave side of the membrane 1 and is present there during the penetration.
  • therapeutic inhalation devices eg medicament nebulizers
  • the fluid is provided in sufficient quantity directly to the membrane in a reservoir provided for this purpose.
  • the attachment of the membrane 1 to the carrier 2 takes place here by a weld 5 in the region of the collar 7.
  • the collar 7 lies flat on the side 9 of the carrier 2.
  • the connection takes place in such a way that the membrane 1 with the collar 7 is placed flat on the carrier or its side 9, and subsequently an annular welding electrode (not shown) is pressed onto the surface of the collar 7 facing downwards in FIG , Subsequently, the connection is formed by a resistance welding process, preferably a capacitor discharge welding process.
  • the annular welding electrode is defined in its inner and outer blades to adjust the width of the weld in the radial direction of the system can.
  • the width of the collar 7 in Radial direction adapted accordingly.
  • the area of the collar is preferably in a range between 5 mm 2 and highest 96 mm 2 , preferably at most 80 mm 2 , more preferably at most 40 mm 2 and most preferably at most 20 mm 2 .
  • the area is dimensioned in the area that projects beyond the opening 8, ie the area that lies between the diameters D2 and Dl in FIG.
  • the duration of the joining process can be significantly reduced, is independent of third-party material, namely adhesive, and does not require pretreatment of the materials. Furthermore, this compound has a higher strength and thus a higher autoclaving resistance. Furthermore, the use of workpiece carriers for fixing the components in the bonding process can be omitted, whereby the investment costs can be reduced with increasing the number of pieces.

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Abstract

Membranvernebler zur Aerosolerzeugung in einer Aerosoltherapievorrichtung, umfassend: eine Membran (1) mit mehreren Duchgangslöchern zur Verneblung eines Fluids; und einen flächigen Träger (2) mit einer Öffnung (8), wobei die Membran (1) in der Öffnung (8) angeordnet derart an dem Träger (2) befestigt ist, dass auf einer ersten Seite (9) des Trägers die Vernebelung stattfindet und auf der entgegengesetzten zweiten Seite (10) des Trägers (2) das Fluid an der Membran (1) ansteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) durch ein Widerstandsschweißverfahren mit dem Träger verschweißt ist.

Description

Membranvernebler und Verfahren zum Verschweißen einer Membran mit einem Trager bei der Herstellung eines
Membranverneblers
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Membranvernebler zur Erzeugung von Flussigkeitstropfchen mit einer in Schwingungen versetzten Membran, insbesondere für die Verneblung von Fluiden, insbesondere F'lussigkeiten für therapeutische Zwecke. Mit anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung einen Membranvernebler zur Aerosolerzeugung in einer Aerosoltherapievorrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Verbinden einer Membran irit einem flachigen Trager bei der Herstellung eines solchen Membranverneblers .
Ein Membranvernebler mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist beispielsweise aus der DE 101 22 065 Al oder der DE 10 2005 006 375 Al bekannt.
Bei der Herstellung eines solchen Membranverneblers muss die Membran mit dem Aktuator, der die Membran in Schwingungen versetzt, insbesondere einem Piezoschwinger , verbunden werden. Zurzeit erfolgt diese Verbindung über eine Klebung der Membran auf den Träger unter Verwendung eines Klebemittels. Nachteilig daran ist zum einen die lange Prozessdauer, die vor allem auf die Aushärtezeit des Klebemittels zurückzuführen ist. Des Weiteren ist die Verwendung von Klebemitteln grundsatzlich mit einer schwierigen Handhabung, wie spezielle Presstools, in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess verbunden. Des Weiteren ist es problematisch ein geeignetes Klebemittel zu finden, da dieses medizinisch zugelassen und mehrfach autoklavierbar (derzeitige Mindestanforderung 50 Zyklen) sein muss. Darüber hinaus müssen der Trager und die Membran im Vorfeld behandelt, z. B, sandgestrahlt und gereinigt werden, um die Haftung über das Klebemittel zu verbessern. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde einen Membranvernebler zu schaffen, der bei gleichem Schwingungsverhalren der Membran und somit gleicher Aerosolerzeugung einfacher, schneller und damit kostengünstiger hergestellt werden kann sowie ein Verfahren zum Verbinden einer Membran mit einem Trager bei der Herstellung eines Membranverneblers vorzuschlagen, das einfacher, schneller und kostengünstiger als das bisherige Klebeverfahren ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Membranvernebler mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie die Verwendung gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteranspruchen.
Als problematisch stellt es sich bei der Losung dieser Aufgabe dar, dass die Verbindungsart zwischen Membran und Trager (bzw. mit dem Aktuator, insbesondere dem Piezoschwinger) einen erheblichen Einfluss auf das Schwingungsverhdlnen und somit die Aerosoierzeugung der Membran hat. Alle metallischen Bauteile inklusive dem Aktuator bilden zusammen einen Biegeschwinger mit einem charakteristischen Schwingverhalten. Dies beinhaltet typische Amplituαen, Resonanzen und Leistungsumsetzung, welche je nach Abstimmung der Baugruppen und Herstellung realisiert werden. Darüber hinaus muss im Bereich der Verbindung der Membran mit dem Trager eine dichte und vollständig geschlossene, z. B. ringförmige, Verbindung hergestellt werden, da es andernfalls zu unkontrolliertem Fluid, insbesondere Medikamentenaustritt, bei der Verneblung kommen kann. Schließlich handelt es sich insbesondere bei der Membran aber auch bei dem Trager um sehr dünne, metallische Bauteile mit einer Starke im Bereich von 25 μm bzw. 500 μm (die Wandstarke der Membran liegt in einem Bereich zwischen 25 μm und 200 μm und die des Tragers in einem Bereich zwischen 50 μm und 500 μm) . Damit scheiden im Prinzip Verbindungsverfahren mit einer hohen Wärmeentwicklung aus, weil durch die Wärmeentwicklung mit einem Verzug oder Undichtigkeit (Leckage) der beiden zu verbindenden Bauteile zu rechnen ist und damit eine erhebliche Beeinflussung des Schwingungsverhaltens und der Aerosolerzeugung.
Überraschenderweise hat sich jedoch herausgestellt, dass ein Verschweißen der Membran mit dem Träger unter Verwendung eines Widerstandsschweißverfahren mit einem so geringen Verzug der Bauteile möglich ist, dass Schwingungsverhalten und Aerosolerzeugung nicht beeinflusst zumindest aber handhabbar bleiben. Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung der Gedanke zu Grunde die Membran und den flächigen Träger eines Membranverneblers miteinander zu verschweißen, wobei insbesondere ein Widerstandsscheißverfahren zum Einsatz kommt .
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Membranvernebler zur Aerosolerzeugung in einer Aerosoltherapievorrichtung bzw. zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen eine Membran mit mehreren Durchgangslöchern zur Vernebelung eines Fluids. Hierzu kann ein Aktuator, insbesondere ein Piezoschwinger vorgesehen werden, der die Membran in Schwingungen versetzt und damit das Fluid durch die Durchgangslöcher hindurch von einer Seite zur anderen vernebelt wird. Bezüglich dieser Funktionsweise wird der Fachmann hinsichtlich weiterer Details 'auf die DE 101 22 065 Al verwiesen. Darüber hinaus ist ein flächiger Träger vorgesehen, der eine (vorzugsweise kreisrunde) Öffnung aufweist, wobei die Membran in der Öffnung angeordnet ist bzw. über der Öffnung angeordnet ist und am Träger befestigt ist, so dass auf einer Seite der Membran das Fluid anstehen kann, während es auf der entgegengesetzten Seite der Membran vernebelt wird. Hierzu ist die Membran derart in der Öffnung angeordnet an dem Träger befestigt, dass auf einer ersten Seite des Trägers die Vernebelung stattfindet und auf der entgegengesetzten zweiten Seite des Trägers das Fluid an der Membran ansteht. Die vorliegende Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass die Membran vollumfanglich mit dem Trager verschweißt ist. Hierbei kommt vorzugsweise ein Widerstandsschweißverfahren zum Einsatz. Es können hieroei zum Beispiel Mittelfrequenzschweißverfahren und
Kondensatorentladungsschweißverfahren zur Anwendung kommen. Beim Widersrandsschwej-ßen werden reproduzieroare Schweißergebnisse bei einer gleichzeitigen Minimierung der Produktionskosten und damit eine Erhöhung der
Wirtschaftlichkeit erreicht. Weitere Vorteile sind minimierte Anschlusskosten dank geringer Anschlusswerte sowie niedrige Energiekosten durch optimalen Leistungsfaktor.
Beim Mittelfrequenzschweißverfahren wirα mithilfe von modernen Inverter-Stromquellen die Denotigte Energie für die Schweißprozesse mit einem nahezu beliebigen Impulsverlauf geregelt zugeführt. Die Anschluss-Netzspannurg wird im Inverter zunächst gleichgerichtet und dann über einen geregelten Wechselrichter sowie einen Transformator als getaktete Gleichspannung bereitgestellt. Mittelfrequenzschweißverfahren wird verwendet bei unterschiedlichen Materialien wie Aluminium, VA und beschichteten Blechen. Dabei ist auch die Verbindung von Materialien unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit, wie Aluminium auf Stahl möglich.
Beim Kondensarorertladungsschweißen wird die zum Scnweißen benotigte Energie aus einer vorher geladenen Kondensatorenbank auf eine oder mehrere Schweißelektroden geschaltet . Durch die schnelle Entladung der in den Kondensatoren gespeicherten Energie steigt der Strom im Sekundarkreis sehr schnell an, wodurch auch die Temperatur der Schweißstelle ebenso schnell ansteigen kann. Dieser schnelle Temperaturanstieg erhitzt die Schweißzone bevor die Warme abfließen kann und verhindert soirit eine Erwärmung der Bereiche um die Schweißstelle bzw. den Schweißbereich. Dadurch kann eine kurze Schweißzeit bei geringem Energiebedarf erreicht werden. Durch den geringen Warmeeintrag wird ferner ein stabiler Prozess und ein genauer Schweißbereich erzielt sowie der Verzug der sehr dünnen Bauteile in einem akzeptablen Maß bzw. in einem handhabbaren Maß gehalten.
Vorteilhafterweise wird ferner durch dieses
Verbindungsverfahren die Möglichkeit geschaffen die Membran flachig auf der ersten Seite des Trägers, d. h. auf der Seite des Tragers, auf der die Verneblung stattfindet aufzubringen. Dies hat im Vergleich zu einem Auflegen auf der zweiten Seite den Vorteil, dass das Schwingungsverhalten des gesamten Bauteils (Biegeschwinger) in dem gewünschten Anwendungsfall positiv beeinflusst wird. Zusätzlich ist eine Fertigung des Bauteils von einer Seite möglich. Jedoch ist generell eine Verbindung auf beiden Seiten je nach gewünschter Optimierung denkbar. Erzielt wird somit eine flüssigkeitsundurchlässige (dichte) Verbindungsform, welche sich mechanisch und elektrisch stabil verhalt und sich m gewissen Toleranzgrenzen reproduzierbar fertigen lassn.
Als vorteilhaft hat sich beim Kondensatorschweißen gegenüber dem Mittelfrequenzschweißen die geringeren notwendigen elektrischen Versorgαngsleistungen erwiesen. Beim Mittelfrequenzschweißen wird ein Strom von ca. 300 - 500 A benötigt, beim Kondensatorentladungsschweißen reichen dagegen Strome bis zu 64 A. Generell sind beide Verfahren für diese Anwendung geeignet.
Der Vorteil dieser Widerstandsschweißverfahren ist die direkte Qualitätskontrolle anhand der gemessenen Widerstände und Strome. Dies ermöglicht eine In-Prozess Kontrolle und erspart weitere Qualitatskontrollmessungen. Zum Beispiel kann beim alternativen Laserschweißen die Dichtigkeit nicnt direkt gemessen werden und es wäre zum Beispiel eine separate Kamerakontrollmessung notig. Dabei umfasst die Membran vorzugsweise einen effektiven Bereich, der z. B. kreisförmig sein kann und in dem die Durchgangslocher angeordnet sind sowie einen den effektiven Bereich vollumfanglich umgebenden, vorzugsweise ringförmigen, Befestigungsbereich zur Befestigung an dem Trager. Der Befestigungsbereich ist als auf dem Trager flachig aufliegender Kragen ausgestaltet. Wie es zuvor erwähnt wurde, ist es αabei bevorzugt, dass der Kragen auf der ersten Seite des Tragers flachig aufliegt und der effektive Bereich vorzugsweise zur Öffnung des Tragers zentriert ausgerichtet ist. Hierbei kann die Öffnung beispielsweise gleichfalls kreisförmig sein und der effektive Bereich konzentrisch zur Öffnung angeordnet sein.
Dabei kann durch die vorliegende Erfindung der flachig aufliegende Kragen im Vergleich zu einer
Klebemittelverbindung und aufgrund der Starke (Festigkeit) der Schweißverbindung und der erzielbaren Dichtigkeit mit einer sehr geringen Flache ausgestaltet werden, die vorzugsweise weniger als 96 mm2, bevorzugt weniger als 80 Fun2, bevorzugter weniger als 40 mm2 und am meisten bevorzugt weniger als 20 mm2 betragt. Bevorzugterweise ist die Flache jedoch > 5 mm2 und am meisten bevorzugt großer gleich 10 mm2. Dadurch wird einerseits der Mateπaleinsatz reduziert, die Schweißnaht optimiert und andererseits kann auf vorteilhafte Weise das gewünschte Schwingungsverhalren der Bauteile (bzw. des Biegeschwingers) erzielt werden.
Wie es bereits eingangs erwähnt wurde, können die Membran und/oder der Trager aus Edelstahl oder einem anderen metallischen Werkstoff, der zur medizinischen Verwendung geeignet und zugelassen ist, gebildet sein. Dabei liegt die Wandstarke der Membran vorzugsweise unter 200 μm, bevorzugt zwischen 25 μm und 200 μm und am meisten bevorzugt zwischen 50 μm und 120 μm. Die Wandstarke des Tragers liegt vorzugsweise unter 500 μm, bevorzugt zwischen 50 μrr und 500 μm, am meisten bevorzugt zwischen 100 μm und 400 μm. Darüber hinaus kann, wie erwähnt, ein Aktuator vorgesehen sein, um zumindest die Membran zur Vernebelung des Fluids in Schwingungen zu versetzen, wobei der Aktuator den Trager bilden kann oder mit dem Trager verbunden, z. B. verklebt sein kann. Er kann auf der gleichen Seite wie die Membran oder aber auf der entgegengesetzten zweiten Seite des Tragers angeordnet sein. Ferner handelt es sich bei dem Aktuator vorzugsweise um einen piezokeramischen Aktuator, insbesondere einen Piezoschwinger . Dabei liegt die Wandstarke des Aktuators in vergleichbaren Großenverhältnissen und vorzugsweise unter 500 μm, bevorzugt zwischen 25 μm und 500 um und am meisten bevorzugt zwischen 100 μm unα 400 μm.
Neben dem oben erwähnten Membranvernebler schlagt die vorliegende Erfindung eine Aerosoltherapievorrichtung mit einem solchen Membranvernebler vor.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden einer Membran, insbesondere einer Membran, wie sie oben erläutert wurde, mit einem ebenfalls oben beschriebenen flächigen Trager bei der Herstellung eines Membranverneblers einer Aerosoltherapiervorrichtung. Dabei umfasst das Verfahren die Schritte flachiges Auflegen des Bereichs (Befestigungsbereichs) der Membran (z. B. des Kragens), der mit dem Trager zu verschweißen ist. Hierbei wird der effektive Bereich der Membran zu der Öffnung im Trager entsprechend ausgerichtet, so dass der effektive Bereich über bzw. in der Öffnung liegt. Bei einem kreisförmigen effektiven Bereich und kreisforniger Öffnung sind die beiden Kreise beispielsweise konzentrisch zueinander. Gleiches gilt auch für den dann z. B. ringförmigen Kragen. Im Anschluss wird eine im Querschnitt geschlossene, z. B. ringförmige Schweißelektrode in dem Bereich (Befestigungsbereich) , in dem Trager und Membran zu verschweißen sind, flachig angepresst und zum Verbinden von Membran und Trager ein Widerstanαsschweißvorgang (wie, Mittelfrequenzschweißvorgang oder Kondensatorentladungsschweißvorgang} durchgeführt. Dabei hat die z. 3. ringförmige Schweißelektrode einen definierten Innen- und Außendurchmesser, der die radiale Starke (Dicke) der gleichermaßen ringförmigen Schweißnaht definiert.
Um beim Schweißvorgang Korrosionsschaden zu vermeiden, die vor allem durch den anschließenden Kontakt mit unterschiedlichen Losungen und Reinigungsschritten auftreten können, erfolgt der Schweißvorgang unter Schutzgasatmosphare, z. B. unter Formiergasen, vorzugsweise Argon, angepasst an die jeweils verwendeten Materialien.
Darüber hinaus kann nicht garantiert werden, dass der Strornfluss über die Schweißelektrode gleichmäßig durch die Bauteile fließt, wodurch eventuell Schweißfehler und Undichtigkeiten auftreten können. Hierbei hat sich nerausgestellt, dass die in der Praxis gangigen Buckelschweißverfahren, die üblicherweise ein gleichförmiges Schweißbild erzeugen, bei den vorhandenen Materialstarken nicht optimal anwendbar sind. Die Herstellung eines sauberen Grates (Buckel) ist in dieser Anwendung nicht reproduzierbar. Um diese Problematik zu vermeiden, wird der Schweißstrom partiell eingeleitet und dieser Vorgang nach Bedarf oder Anwendung ein oder mehrmals wiederholt. Dafür erfolgt ein Verdrehen des Verbunds aus Membran und Trager und der Schweißelektrode relativ zueinander nachdem der erste Widerstandsschweißvorgang (wie Mittelfrequenz- oder Kondensatorentladungsscnweißvorgang) durchgeführt wurde, d. h. der Verbund und die Schweißelektrode werden relativ zueinander versetzt, wozu die Relativdrehung weniger als 360° betragen sollte. Im Anschluss wird ein erneuter Schweißvorgang durchgeführt. Dieses Versetzen kann mehrfach, vorzugsweise dreifach, durchgeführt werden, wobei die Relativdrehung jeweils 120° betragt. Es sind jedoch auch mehrere oder nur zwei Schweißvorgange denkbar, wobei die Drehung vorzugsweise in gleichmäßigen Teilungen z. B. 180° bei einer zweifachen Schweißung oder 90° bei einer vierfachen Schweißung erfolgt.
Wie es oben erwähnt wurde, ist es aus besagten Gründen vorteilhaft die Membran in dem Bereich, in dem Membran und Träger zu verbinden sind, flächig auf der ersten Seite des Trägers aufzulegen, d. h. auf der Seite des Trägers, auf der die Vernebelung (bzw. Aerosolgenerierung) stattfindet.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren schlägt die vorliegende Erfindung auch die Verwendung eines
Widerstandsschweißverfahrens zum Verschweißen einer Membran, wie sie oben beschrieben wurde, mit einem ebenfalls oben beschriebenen flächigen Träger bei der Herstellung eines Membranverneblers vor.
Weitere Vorteile und Merkmale, die alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der obigen Merkmale umgesetzt werden können, sind darüber hinaus aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform ersichtlich, die unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung erfolgt.
Dabei zeigt:
Figur 1 einen Membranvernebler der vorliegenden Erfindung im Querschnitt .
Figur 1 zeigt einen Membranvernebler der vorliegenden Erfindung, Das in Figur 1 dargestellte schwingungsfähige System ist rotationssymmetrisch bezüglich der in Figur 1 dargestellten Mittelachse M. Es umfasst einen gewölbte Membran 1, einen Träger bzw. ein Substrat 2 mit einer zentral angeordneten kreisrunden Öffnung 8. Die gewölbte Membran ist in der Öffnung 8 angeordnet. Die Membran 1 ist gleichfalls kreisrund und konzentrisch zur Mittelachse Vi angeordnet. Die Membran 1 umfasst einen kreisförmigen, zentral angeordneten, effektiven Bereich, der eine Vielzahl von nicht sichtbaren Durchgangslocherr. im Großenbereich unter 10 μm und vorzugsweise zwischen 1,5 μm und 5 μm Durchmesser aufweist. Konzentrisch zum effektiven Bereich 6 ist ein kreisringformiger Kragen 7 angeordnet, der über die Öffnung 8 hinausragt und der Befestigung der Membran an dem Trager 2 dient. Der Trager 2 weist eine erste Seite 9 und eine entgegengesetzte bzw. gegenüberliegend angeordnete Seite 10 auf. Im verbauten Zustand des Membranverneblers in einer Aerosoltherapievorrichtung steht das zu vernebelnde Fluid auf der Seite 10 und damit über die Öffnung 8 am effektiven Bereich 6 der Membran 1 an. Auf der gegenüberliegenden Seite 9 erfolgt die Vernebelung (bzw. Aerosolerzeugung), wenn das dargestellte System in Schwingung versetzt wird und das Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, durch die mehreren Durchgangslocher hindurch auf der Seite 9 vernebelt wird (bzw. als Aerosol austritt}. Der Träger 2 ist vorzugsweise ebenfalls kreisrund und weist einen Durchmesser D3 von weniger als 30 mm, vorzugsweise weniger als 27 mm auf und besonders bevorzug weniger als 24 mm auf. Darüber hinaus ist auf der gleichen Seite 9 ein Piezoelement 3 an dem Träger 2 befestigt, insbesondere verklebt, und über eine erste Elektrode 4 und über den Träger 2 kann eine Wechselspannung angelegt werden. Dabei kann der Trager 2 die Funktion einer zweiten Elektrode für das Piezoelement 3 übernehmen. Es kann aber auch eine zweite Elektrode auf der Seite 10 des Tragers vorgesehen werden.
Eine an die Elektroden angelegte Wechselspannung fuhrt zu einer Verlängerung bzw. Verkürzung des Piezoelements 3 in einer Richtung senkrecht zu der in Figur 1 gezeigten Symmetrieachse M. Dadurch wird der Träger im Wechsel der Verlängerung und Verkürzung des Piezoelements 3 verbogen und zu Biegeschwingungen angeregt, die auf die Membran 1 übertragen werden. Die Resonanzfrequenzen des
Schwingungssystems werden einerseits durch die Membran 1, das Suostrat 2 und das Piezoelement 3 sowie die Befestigungsart der Membran 1 am Substrat 2 bestimmt. Andererseits werden die Resonanzfrequenzen des Schwingungssystems zusatzlich beeinflusst durch die Flüssigkeit, die der konkaven Seite der Membran 1 zugeführt wird und dort während des Vernebeins ansteht. Dies gilt im besonderen Maße für therapeutische Inhalationsgeräte (z.B. Medikamentenvernebler) , bei denen die Flüssigkeit in einem hierfür vorgesehenen Reservoir in ausreichender Menge unmittelbar an der Membran zur Verfugung gestellt wird.
Die Befestigung der Membran 1 an dem Trager 2 erfolgt hier durch eine Schweißnaht 5 im Bereich des Kragens 7. Hierzu liegt der Kragen 7 flachig auf der Seite 9 des Tragers 2 auf. Die Verbindung erfolgt dabei derart, dass die Membran 1 mit dem Kragen 7 flachig auf den Trager bzw. dessen Seite 9 aufgelegt wird, und im Anschluss eine ringförmige Schweißelektrode (nicht dargestellt) auf die in Figur 1 nach unten weisende Oberfläche des Kragens 7 aufgepresst wird. Nachfolgend entsteht die Verbindung durch einen Widerstandsschweißvorgang, vorzugsweise ein Kondensatorentladungsschweißvorgang. Um eine ausreichend dichte Verbindung, d. h. eine vollständig geschlossene Schweißnaht 5 {ringförmige Schweißnaht} zwischen Membran 1 und dem Trager 2 zu erzielen, wird nachfolgend gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Verbund aus Membran 1 und Trager 2 relativ zur Schweißelektrode oder die Schweißelektrode zum Verbund um 120° gedreht und der Schweißvorgang erneut durchgeführt. Anschließend erfolgt eine weitere Drehung um 120° und ein nochmaliger Schweißvorgang. Es versteht sich jedoch, dass auch nur zwei Schweißvorgange oder mehr als drei Schweißvorgange durchgeführt werden können.
Darüber hinaus ist die ringförmige Schweißelektrode in ihrem Innen- und Außenmesser definiert, um die Breite der Schweißnaht in Radialrichtung des Systems einstellen zu können. Darüber hinaus ist auch die Breite des Kragens 7 in Radialrichtung entsprechend angepasst. Die Flache des Kragens liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 mm2 und höchsten 96 mm2, vorzugsweise höchstens 80 mm2, mehr bevorzugter höchstens 40 mm2 und am meisten bevorzugt höchstens 20 mm2. Die Flache wird dabei bemessen in dem Bereich, der über die Öffnung 8 hinausragt, d. h. der Bereich, der zwischen den Durchmessern D2 und Dl in Figur 1 liegt .
Um Korrosion zu vermeiden, wird der oben genannte Schweißvorgang unter Schutzgasatmosphäre z. B. in einer besonderen Atmosphäre mit Formiergasen bzw. vorzugsweise Argon durchgeführt, je nachdem welche Materialien verscnweißt werden.
Durch die vorliegende Erfindung kann die Dauer des Verbindungsvorgangs deutlich reduziert werden, ist unabhängig von Drittmaterial, nämlich Klebstoff, und benotigt keine Vorbehandlung der Materialien. Des Weiteren hat diese Verbindung eine höhere Festigkeit und somit eine höhere Autoklavierbeständigkeit. Ferner kann die Verwendung von Werkstucktragern zur Fixierung der Bauteile im Klebeprozess entfallen, wodurch die Investitionskosten bei Erhöhung der Stuckzahlen reduziert werden können.
Es versteht sich, dass die obige Ausfuhrungsform nur eine beispielhafte Ausfuhrungsform ist und dass dem Fachmann verschiedenartige Modifikationen ersichtlich sind ohne vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er aus den folgenden Ansprüchen ersichtlich ist. So ist es beispielsweise möglich, dass Piezoelement auf der entgegengesetzten Seite anzubringen oder die Membran direkt mit dem piezoelektrischen Element zu verbinden. Darüber hinaus sind auch andere Formen als die kreisrunden bzw. kreisringformigen konzentrisch zueinander angeordneten Elemente denkbar. Auch können andere Materialien für Membran und Trager als das erwähnte Edelstahl zum Einsatz kommen. Dementsprechend müssen jeweils geeignete Schutzgase verwendet werden. Gleichermaßen können auch andere Aktuatoren als piezoelektrische Aktuatoren zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel Formgedächtnislegierungen, Schwingkolben, Pumpmotoren, Pumpenkolben, Piezomotoren, Elektromagneten mit Schwingkern, Relais oder dergleichen.

Claims

Patentansprüche
1. Membranvernebler zur Aerosolerzeugung in einer Aerosoltherapievorrichtung, umfassend: eine Membran (1) mit mehreren Duchgangslochern zur Verneblung eines Fluids; und einen flachigen Träger (2) mit einer Öffnung (8), wobei die Membran (1) in der Öffnung (8) angeordnet derart an dem Trager (2) befestigt ist, dass auf einer ersten Seite (9} des Tragers die Vernebelung stattfindet und auf der entgegengesetzten zweiten Seite (10) des Tragers (2) das Fluid an der Membran (1) ansteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) vollumfanglich mit dem Trager (2) verschweißt ist.
2. Membranvernc-bler nach Anspruch 1, bei dem die Membran (1) durch ein Widerstandsschweißverfahren, insbesondere
Mittelfrequenz- oder Kondensatorentladungsschweißverfahren, mit dem Träger (2) verschweißt ist.
3. Membranvernebler nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Membran (7) im Bereich der Schweißverbindung flachig auf der ersten Seite (9) des Tragers (2) aufliegt.
4. Membranvernebler nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Membran (1) einen effektiven Bereich (6), in dem die Duchgangslocher angeordnet sind, und einen den effektiven Bereich vollumfanglich umgebenden Befestigungsbereich zur Befestigung an dem Trager (2) aufweist, wobei der Befestigungsbereich als auf dem Trager (2) flachig aufliegender Kragen (7} ausgestaltet ist.
5. Membranvernebler nach Anspruch 4, bei dem der auf dem Trager (2) flachig aufliegende Kragen (7) eine Flache von weniger als 96 mm2 und bevorzugt weniger als 80 mm2, mehr bevorzugt weniger als 40 mm2 und am meisten bevorzugt weniger als 20 mm2 aufweist.
6. Aerosoltherapievorrichtung mit einem Membrar.vernebler nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Verfahren zum Verbinden einer Membran (1) umfassend mehrere Duchgangslöcher zur Verneblung eines Fluids mit einem flächigen Träger (2) bei der Herstellung eines Membranverneblers einer Aerosoltherapievorrichrung, umfassend die Schritte: flächiges Auflegen des Bereichs der Membran (1) der mit dem Träger (2) zu verschweißen ist; flächiges Anpressen einer im Querschnitt geschlossenen Schweißelektrode in dem Bereich; und
Widerstandsschweißen in dem Bereich zum Verbinden von Membran (1) und Träger (2) .
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt Widerstandsschweißen, insbesondere Mittelfrequenz- oder Kondensatorentladuπgssehweißverfahren unter Schutzgasatmosphare stattfindet.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der Verbund aus Membran (1) und Träger {2) und die Schweißelektrode nach dem Schritt Widerstandsschweißen relativ zu einander um einen Winkel weniger als 360° oder deren Kreisvielfaches {+/-360°} gedreht und der Schritt Widerstandsschweißen in dem Schweißbereich nochmals durchgeführt wird, wobei dieser Vorgang bevorzugt wenigstens einmal wiederholt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Membran (1) in dem Bereich flächig auf einer Seite (9) des Trägers (2), auf der die Vernebelung stattfindet, auf den Träger (2) aufgelegt wird
11. Verwendung eines Widerstandsschweißverfahrens zum Verschweißen einer Membran (1) umfassend mehrere Durchgangslöcher zur Verneblung eines Fluids mit einem flächigen Träger (2) bei der Herstellung eines Membranverrieblers einer Aerosoltherapievorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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