CN102046297A - 超声雾化系统 - Google Patents

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    • B06B3/04—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency involving focusing or reflecting

Abstract

一种超声雾化装置，包括：超声换能器、附接于换能器的远端的喇叭、在喇叭内的接收待雾化的流体的室、辐射表面，以及从室通向辐射表面的通道。由换能器产生的振动沿喇叭传输至辐射表面。当待雾化的流体传输经过喇叭的内室并且在辐射表面离开喇叭时，振动诱导能量释放进入待雾化的流体。可控制地提高了流体的动能，发射进入流体的能量辅助和/或驱动流体雾化。通过利用振动提高流体的动能来辅助和/或驱动流体雾化，超声雾化装置可以在变化的环境条件将以其他方式破坏喷雾型式和/或减少雾化时保持期望的喷雾型式。

Description

超声雾化系统
技术领域
本发明涉及利用传输经过喇叭(horn)和/或谐振结构的超声波来雾化和/或辅助雾化通过所述喇叭和/或谐振结构的流体的装置。
背景技术
液体雾化是一种通过某些作用于液体的力，例如超声，把液体分离为小液滴的工艺。在期望产生高度雾化的液体的喷雾的情况下使用超声雾化系统。例如，通常利用超声雾化器向各种工具和产品涂覆涂层。把液体暴露于超声使得在液体内产生将其分离为小液滴的振动和/或气穴(cavitation)。Berger等人的第4,153,201号美国专利、Berger的第4,655,393号美国专利和Manna等人的第5,516,043号美国专利描述了利用超声雾化液体的雾化系统的例子。这些设备具有末端，该末端由通过末端的超声波振动。在末端内是传送待雾化的液体的中心通路。中心通路内的液体被某些作用于液体的力朝向末端的端部驱动。当到达末端的端部时，待雾化的液体被从末端排出。然后来源于末端的前部的超声波与液体碰撞，从而把液体分离为小液滴。
发明的公开内容
公开了能够产生雾化的流体喷雾的超声雾化装置。装置包括：喇叭，该喇叭具有包括后壁、前壁和至少一个侧壁的内室、在喇叭的远端处的辐射表面、通向室的至少一个通道，以及在内室的前壁中开始并且在辐射表面中终止的通道。连接于喇叭的邻近端的由发生器提供动力的换能器诱导喇叭内的超声振动。超声振动从换能器沿喇叭传输至喇叭的辐射表面，当待雾化的流体传输经过喇叭的内室并且在辐射表面离开喇叭时，超声振动诱导超声能量释放进入待雾化的流体。可控制地提高了流体动能，发射入流体中的超声能量辅助和/或驱动流体雾化。通过利用超声能量提高流体动能来辅助和/或驱动流体雾化，超声雾化装置可以在变化的环境条件将以其他方式破坏喷雾型式(spray pattern)和/或减少雾化时保持期望的喷雾型式。
如同典型的压力驱动的流体雾化器一样，超声雾化装置利用流体内的压力变化来产生驱动雾化的动能。待雾化的流体经过通向内室的通道进入装置。然后流体流动经过室，并且进入从室的前壁延伸至辐射表面的通道。如果在内室的前壁中开始的通道比室窄，那么由于流体的速度增加，所以流动经过通道的流体的压力下降。因为流体动能与其速度的平方成比例，所以当流体流动经过通道时，流体的动能提高。提高的流体动能断开流体的分子之间的吸引力，导致流体在其在辐射表面处离开喇叭时雾化。
令人遗憾的是，压力驱动的流体雾化可能被环境条件的变化不利地影响。最值得注意的是，要喷射雾化的流体的环境的压力上的变化可能降低雾化的水平和/或扭曲喷雾型式。当流体通过压力驱动的流体雾化器时，流体被环境压力向后推动。因此，作用于流体的净压力是推动流体经过雾化器的压力和环境压力的差。流体的净压力被转化为动能。因此，当环境压力升高时，净压力下降，使得导致离开喇叭的流体的动能上的减少。因此，环境压力上的升高降低了流体雾化的程度。
向其中喷射流体的环境的压力可能由于某些原因而升高。例如，自然天气模式可能导致环境压力的升高。雾化的流体作为底物的化学反应也可能导致环境压力的升高。例如，其中雾化的流体的分子被分离和/或以其他方式分裂为较小分子的化学反应可能导致环境压力的升高。同样地，向喇叭外的环境加入试剂以便提高化学反应的产率也可能升高环境压力。
通过提高流体的动能，来源于喇叭的不同点的超声能量可以辅助流体的雾化，以抵消环境压力的升高。当喇叭的邻近端被固定于超声换能器时，换能器的激活诱导喇叭内的超声振动。振动可以被概念化为从喇叭的邻近端传输至远端的超声波。当超声振动沿着喇叭的长度传输时，喇叭收缩和膨胀。然而，喇叭的整个长度不是都膨胀和收缩。而是，喇叭的在超声振动的波节(最小偏移或振幅的点)之间的区段膨胀和收缩。喇叭的精确地位于超声振动的波节上的部分不会膨胀和收缩。因此，喇叭的仅仅在波节之间的区段膨胀和收缩，而喇叭的精确地位于波节上的部分不会运动。这如同超声喇叭已经被物理地切割为分开的部分。喇叭的相应于超声振动的波节的部分保持静止，而喇叭的相应于在波节之间的区域的部分膨胀和收缩。如果喇叭的相应于波节之间的区域的部分被切割为更小的部分，那么膨胀和收缩最大的部分将是相应于超声振动的波腹(最大偏移或振幅的点)的部分。
喇叭的膨胀和收缩导致内室的后壁向前和向后运动。由于向前和向后运动，后壁将超声能量发射进入室内的流体。当后壁向前运动时，后壁撞击室内的流体。如同棒撞击锣一样冲击室内的流体，室的后壁发射或诱导流体内的振动。传输经过流体的振动具有与传输经过喇叭的超声振动相同的频率。室的后壁向前和向后运动得越远，后壁越有力地冲击室内的流体，并且发射入流体中的超声振动的振幅越大。由于诱导了流体内的振动，室的后壁的运动提高传输经过室的流体的动能。提高的流体动能增进了流体在其离开辐射表面时的雾化，从而抵消了雾化的由变化的环境条件导致的减少。
流体的动能的起抵消作用的提高也可以由来源于辐射表面的超声振动诱导。与内室的后壁相似，当超声振动沿着喇叭的长度传输时，辐射表面也向前和向后运动。因此，当辐射表面向前运动时，辐射表面冲击离开喇叭的流体和周围的空气。由于冲击了离开的流体和周围的空气，辐射表面发射或诱导离开的流体内的振动。就其本身而言，离开的流体的动能提高。提高的动能进一步雾化在辐射表面离开的流体，从而抵消了雾化的由变化的环境条件导致的减少。
由室的后壁和/或辐射表面的运动传递给流体的提高的动能可以通过调整沿着喇叭的长度传输的超声振动的振幅来控制。当流体传输经过室和/或在辐射表面离开时，超声振动的振幅的增加提高了传递给流体的动能的量。如果喇叭被由发生器供给的电信号驱动的压电换能器以谐振的方式超声振动，则增加电信号的电压将增加沿着喇叭传输的超声振动的振幅。
如同环境压力的升高，环境压力的下降也可以不利地影响雾化的喷雾。因为作用于流体的净压力被转化为动能，并且作用于流体的净压力是推动流体经过雾化器的压力和环境压力的差，所以减少环境压力使得增加了离开压力驱动的雾化器的流体的动能。因此，当环境压力下降时，流体的离开速度(exiting velocity)提高。因为以较高的速度离开雾化器，所以雾化的流体液滴更远地运动远离雾化器，从而使喷雾型式变宽。改变喷雾型式可能导致不期望的后果。例如，使喷雾型式变宽可能引导雾化的流体远离其预期目标和/或朝向非预期目标。因此，环境压力的减少可能导致雾化的喷雾的不利的非集中(un-focusing)。
调整沿着喇叭的长度传输的超声波的振幅对于集中在辐射表面产生的雾化的喷雾可能是有用的。可以通过利用来源于辐射表面的超声振动限制和引导喷雾型式来实现产生集中的喷雾。来源于辐射表面的超声振动可以引导和限制在辐射表面的外边界内产生的雾化的喷雾的绝大部分。由来源于辐射表面的超声振动获得的限制的水平取决于沿着喇叭传输的超声振动的振幅。就其本身而言，增加通过喇叭的超声振动的振幅可以使所产生的喷雾型式的宽度变窄；从而集中喷雾。例如，如果喷雾散开得太宽，那么增加超声振动的振幅可以使喷雾型式变窄。相反地，如果喷雾太窄，则减少超声振动的振幅可以使喷雾型式变宽。
改变辐射表面的几何构造也可以改变喷雾型式的形状。通过利用具有平面的辐射表面可以实现产生大致柱状的喷雾型式。通过利用锥形的辐射表面可以实现产生具有小于喇叭的宽度的宽度的喷雾型式。通过利用凹形的辐射表面可以实现喷雾的进一步集中。在这样的构型中，来源于凹形的辐射表面的超声波可以集中喷雾通过辐射表面的焦点。如果期望朝向辐射表面的内边界而不是朝向特定的点集中或聚集所产生的喷雾，则利用具有面向喇叭的中心轴线的倾斜部分的辐射表面可能是期望的。来源于辐射表面的倾斜部分的超声波可以朝向中心轴线向内引导雾化的喷雾。当然，可以有不期望集中的喷雾的情况。例如，把雾化的液体快速施用于大表面区域可能是期望的。对于这样的情况，利用凸形辐射表面可以产生具有比喇叭的宽度宽的宽度的喷雾型式。所利用的辐射表面可以具有上述提到的构型的任何组合，例如但不限于环绕内凸形部分的外凹形部分和/或包围内锥形部分的外平面部分。诱导喇叭内的谐振振动有利于产生上文描述的喷雾型式，但是可以不是必要的。
应当指出并意识到，通过根据本发明的设备可以引出除上文和/或下文列出的那些益处和/或操作机制之外的其他的益处和/或操作机制。本文呈现的操作机制是严格地理论上的，而不是意为以任何方式限制本公开内容和/或所附权利要求的范围。
附图简述
图1a和1b图示了超声雾化装置的实施方案的横截面图。
图2a至2e图示了辐射表面的可选择的实施方案。
实施本发明的方式
在所有附图中图示并在下文详细描述了超声雾化装置的优选实施方案。一经研究，本领域的技术人员将理解雾化装置所提供的优点。
图1a和1b图示了超声雾化装置的实施方案，该超声雾化装置包括喇叭101和附接于喇叭101的邻近表面117的由发生器116提供动力的超声换能器102。由于超声换能器和发生器是本领域熟知的，所以它们不需要在本文中详细描述。超声喇叭101包括邻近表面117、与邻近端117相对的辐射表面111，以及在邻近表面117和辐射表面111之间延伸的至少一个径向表面118。在喇叭101内为内室103，该内室103包括后壁104、前壁105、在后壁104和前壁105之间延伸的至少一个侧壁113，以及后壁104内的超声透镜122。为了诱导喇叭101内的振动，超声换能器102可以被机械耦合至邻近表面117。可以通过把喇叭101机械附接于(例如用螺纹连接固定)、胶粘附接于和/或焊接于换能器102来实现把喇叭101机械耦合至换能器102。本领域的一般技术人员可轻易认识的其他机械耦合喇叭101和换能器102的工具可以与上文列举的工具结合地或代替上文列举的工具使用。可选择地，喇叭101和换能器102可以是单个的件。当换能器102被机械耦合至喇叭101时，用从发生器116供给的电信号驱动换能器102使得诱导了喇叭101内的超声振动114。如果换能器102是压电换能器，则可以通过增加驱动换能器102的电信号的电压来增加沿着喇叭101的长度传输的超声振动114的振幅。
当超声振动114沿着喇叭101的长度传输时，后壁104往复振荡。后壁104的往复运动诱导来自透镜122的超声振动释放进入室103内部的流体。定位后壁104，使得透镜122上的至少一个点近似地位于通过喇叭101的超声振动114的波腹上，这可以最大化超声振动被发射入室103中的流体的量和/或振幅。优选地，透镜122的中心近似地位于超声振动114的波腹上。由箭头119表示的来源于透镜122的超声振动朝向室103的前部传输。为了最小化前壁105的振荡和/或振动，定位前壁105使得前壁105上的至少一个点位于超声振动114的波节上可能是期望的。优选地，前壁105的中心近似地位于超声振动114的波节上。
图1a中图示的特定的透镜含有凹形部分123。如果凹形部分123在至少两个维度中形成大体抛物线的构型，则由箭头119描绘的来源于透镜122的凹形部分123的超声振动以朝向抛物线的焦点124收敛的未扰动型式(undisturbed pattern)传输。当超声振动119收敛在焦点124时，由振动119携带的超声能量可以在焦点124变为集中的。因此，通过室103的流体在焦点124被暴露于最大密度的超声能量。因此，超声诱导的流体动能上的增加在焦点124最大。因此，把焦点124定位在通道110的开口处或在通道110的开口附近，以便非常接近于前壁105中的通道110的开口，在流体进入通道110时，得到动能上的最大增加。
作为可选择的或作为组合，室的后壁内的超声透镜也可以含有凸形部分。例如，室的后壁内的超声透镜可以含有环绕内凸形部分的外凹形部分。
室103的前壁105可以含有倾斜部分125，如图1a中描绘的。前壁105的倾斜部分125可以汇集流动经过室103进入通道110的流体。如果来源于透镜122的超声振动被朝向非常接近于通道110的开口的点引导，那么前壁105的倾斜部分125形成等于或大于从超声透镜122的外围边界发射的超声振动的收敛角的角度可能是期望的。
待雾化的流体经过在径向表面118中开始并通向室103的至少一个通道109进入图1a和1b中描绘的实施方案的室103。优选地，通道109包围沿着喇叭101的长度传输的和/或来源于透镜122的超声振动114的波节。作为可选择的或作为组合，通道109可以在径向表面118中开始，并且在后壁104处通向室103。一旦离开通道109，流体便流动经过室103。然后流体经过在前壁105内开始并且在辐射表面111内终止的通道110离开室103。当待雾化的流体通过通道110时，流体的压力下降而其速度提高。因此，当流体流动经过通道110时，作用于流体的压力被转化为动能。如果流体在其通过通道110时获得足够的动能，则流体的分子之间的吸引力可以被断开，导致流体在其在辐射表面111处离开通道110时雾化。如果通过喇叭101的流体要由从其经过通道110而获得的动能雾化，则室103的最大高度(h)应该大于通道110的最大宽度(w)。优选地，室103的最大高度应该比通道110的最大宽度近似地大200倍或更多。
如果辐射表面111上的至少一个点近似地位于通过喇叭101的超声振动114的波腹上，那么这是优选的。
为了简化制造，超声喇叭101可以进一步包括附接于其远端的帽112。帽112可以机械附接于(例如用螺纹接头固定)、胶粘附接于和/或焊接于喇叭101的远端。本领域的一般技术人员可轻易认识的其他把帽112附接于喇叭101的工具可以与上文列举的工具结合或代替上文列举的工具使用。包括前壁105、通道110和辐射表面111，可移除的帽112允许根据需要和/或环境来调整流体雾化的水平和/或所产生的喷雾型式。例如，可能需要调整通道110的宽度，以产生对于不同的流体的期望的雾化水平。还可能需要改变辐射表面的几何构型，以便为不同的应用产生合适的喷雾型式。在通过喇叭101的超声振动114的近似波节点处把帽112附接于本发明，可以在操作期间帮助防止帽112从喇叭101的分离。
重要的是应注意，可以把不同温度的流体运送入室103中，以改进离开通道110的流体的雾化。这也可以改变喷雾体积、喷雾的质量，和/或促进所喷射流体的干燥过程。
根据本发明的超声喇叭101的可选择的实施方案可以具有在室103的侧壁113内开口的单个通道109。如果利用多个通道109，那么它们可以沿喇叭101的中心轴线120排列，如图1a中描绘的。可选择地或作为组合，通道109可以处于不同的平面上，如图1a中描绘的，和/或同一个平面上，如图1b中描绘的。
可选择地或作为组合，待雾化的流体可以经过在邻近表面117中开始并且通向后壁104内的通道121进入室103。如果流体要通过它们经过喇叭101而被雾化，则通道121的最大宽度(w′)应该小于室103的最大高度。优选地，室103的最大高度应该比通道121的最大宽度近似地大二十倍。
单个通道可以用于把待雾化的流体运送入室103中。当喇叭101包括通向室103的多个通道时，可以通过把气体经过通道中的至少一个运送入室103中来改进流体的雾化。
喇叭101和室103可以是圆柱形的，如图1中描绘的。喇叭101和室103也可以以其他形状构造，并且室103的形状不需要相应于喇叭101的形状。
由暴露于室103中的超声振动119和/或流体经过通道110导致的流体动能上的提高可以在辐射表面111处雾化从喇叭101离开的流体。来源于辐射表面111的超声振动所携带的能量也可以雾化正在离开的流体。除了增加流体的雾化或代替增加流体的雾化，来源于辐射表面111的超声振动可以引导雾化的流体的喷雾。
来源于辐射表面的超声振动引导从通道110喷射的流体的喷雾的方式极大地取决于辐射表面111的构造。图2a-2e图示了辐射表面的可选择的实施方案。图2a和2b描绘了包括产生大致柱状的喷雾型式的平面的辐射表面111。辐射表面111可以是锥形的，使得其在正交于喇叭的中心轴线120取向的至少一个维度中比喇叭的宽度窄，如图2b描绘的。来源于图2a和2b中描绘的辐射表面111的超声振动可以引导和限制从通道110喷射至辐射表面111的外边界的喷雾201的绝大部分。因此，从图4a和4b中的通道110发射的喷雾201的大部分被初始地限制于各自辐射表面的几何边界。
从图2c中描绘的辐射表面111的凸形部分203发射的超声振动引导喷雾201径向地和纵向地远离辐射表面111。相反地，来源于图2e中描绘的辐射表面111的凹形部分204的超声振动集中喷雾201通过焦点202。通过构造辐射表面111使得焦点202是由凹形部分204在至少两个维度中形成的大体抛物线构型的焦点，可以实现最大化喷雾201朝向焦点202的集中。辐射表面111也可以具有锥形部分205，如图2d中描绘的。来源于锥形部分205的超声振动向内引导雾化的喷雾201。辐射表面可以具有上述提到的构型的任何组合，例如但不限于环绕内凸形部分的外凹形部分和/或包围内锥形部分的外平面部分。
无论辐射表面的构型如何，调整沿着喇叭的长度传输的超声振动的振幅对于集中所产生的被雾化的喷雾可能是有用的。由来源于辐射表面的超声振动和/或振动携带的超声能量获得的限制的水平取决于沿着喇叭传输的超声振动的振幅。就其本身而言，增加超声振动的振幅可以使所产生的喷雾型式的宽度变窄；从而集中所产生的喷雾。例如，如果流体喷雾超出辐射表面的几何边界，即散开得太宽，那么增加超声振动的振幅可以使喷雾变窄。相反地，如果喷雾太窄，则减少超声振动的振幅可以使喷雾变宽。如果喇叭由附接于其邻近端的压电换能器以谐振的方式振动，那么通过增加驱动换能器的电信号的电压可以实现对沿着喇叭的长度传输的超声振动的振幅的增加。
喇叭能够以约16kHz或更大的频率以谐振的方式振动。沿着喇叭传输的超声振动可以具有约1微米或更大的振幅。优选的是，喇叭能够以约20kHz至约200kHz之间的频率以谐振的方式振动。推荐的是，喇叭能够以约30kHz的频率以谐振的方式振动。
驱动超声换能器的信号可以是正弦波、方波、三角波、梯形波或其任何组合。
应意识到，用单数冠词，例如″一(a)″、″一(an)″和/或″该(the)″描述的和/或以其他方式单数描述的要素可以用于复数。还应意识到，以复数描述的要素可以单数使用。
虽然本文已经图示并描述了装置和方法的具体的实施方案，但是本领域的技术人员将意识到，可以使用适合实现相同目的的任何布置、组合和/或顺序来代替所示的具体实施方案。应当理解，以上的说明意为阐述性的而非限制性的。一经研究，以上实施方案和其他实施方案的组合，以及以上使用方法和其他使用方法的组合和顺序对于本领域的技术人员来说将是明显的。
所要求保护的装置和方法的范围应该参照所附的权利要求，以及这样的权利要求有权包含的等效物的全部范围来确定。
工业实用性
本发明涉及利用传输经过喇叭和/或谐振结构的超声波来雾化和/或辅助雾化通过所述喇叭和/或谐振结构的流体的装置。

Claims (21)

1.一种装置，其特征在于：
a.邻近表面；
b.辐射表面，其与所述邻近表面相对；
c.至少一个径向表面，其在所述邻近端和所述辐射表面之间延伸；
d.内室，其含有：
i.后壁；
ii.前壁；
iii.至少一个侧壁，其在所述后壁和所述前壁之间延伸；以及
iv.超声透镜，其位于所述后壁内；
e.至少一个通道，其在不同于所述辐射表面的表面中开始，并且通向所述内室；
f.通道，其在所述内室的所述前壁中开始，并且在所述辐射表面中终止；以及
g.能够以近似16kHz或更大的频率以谐振的方式振动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，所述室的所述后壁内的所述超声透镜上的至少一个点近似地位于所述装置的振动的波腹上。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，所述辐射表面上的至少一个点近似地位于所述装置的振动的波腹上。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，所述室的所述前壁上的至少一个点近似地位于所述装置的振动的波节上。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，通向所述室的所述通道在径向表面中开始，并且近似地在振动的波节上通向所述内室的侧壁。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，附接于所述邻近表面的换能器。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征还在于，用于驱动所述换能器的发生器。
8.一种装置，包括：
a.邻近表面；
b.辐射表面，其与所述邻近表面相对；
c.至少一个径向表面，其在所述邻近端和所述辐射表面之间延伸；
d.内室，其含有：
i.后壁；
ii.前壁；
iii.至少一个侧壁，其在所述后壁和所述前壁之间延伸；以及
iv.超声透镜，其在所述后壁内；
e.至少一个通道，其在不同于所述辐射表面的表面中开始，并且通向所述内室；以及
f.通道，其在所述内室的所述前壁中开始，并且在所述辐射表面中终止。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述内室的最大高度大于在所述内室的所述前壁中开始的所述通道的最大宽度。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述内室的最大高度比在所述内室的所述前壁中开始的所述通道的最大宽度近似地大200倍或更多。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，通向所述室的所述通道在所述邻近表面中开始且通向所述内室的所述后壁，并且所述内室的最大高度大于所述通道的最大宽度。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，通向所述室的所述通道在所述邻近表面中开始且通向所述内室的所述后壁，并且所述内室的最大高度比所述通道的最大宽度近似地大20倍或更多。
13.根据权利要求8所述的装置，还包括在所述超声透镜内的在至少两个维度中形成大体抛物线构型的一个或多个凹形部分。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，由所述超声透镜的所述凹形部分形成的抛物线的焦点位于邻近在所述内室的所述前壁内开始的所述通道的开口处。
15.根据权利要求8所述的装置，还包括所述辐射表面内的至少一个平面部分。
16.根据权利要求8所述的装置，还包括从所述邻近表面延伸至所述辐射表面的中心轴线，以及所述辐射表面的在正交于所述中心轴线取向的至少一个维度中比所述装置的宽度窄的区域。
17.根据权利要求8所述的装置，还包括所述辐射表面内的至少一个凹形部分。
18.根据权利要求8所述的装置，还包括所述辐射表面内的至少一个凸形部分。
19.根据权利要求8所述的装置，还包括所述辐射表面内的至少一个锥形部分。
20.根据权利要求8所述的装置，还包括附接于所述邻近表面的换能器，所述换能器能够诱导根据权利要求8所述的装置以近似16kHz或更大的频率以谐振的方式振动。
21.根据权利要求20所述的装置，还包括用于驱动所述换能器的发生器。
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