УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АЭРОЗОЛЬНЫЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК A61M11/00 A61M15/02 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к ультразвуковым аэрозольным аппаратам, предназначенным для лечения и профилактики заболеваний верхних дыхательных путей и легких аэрозолями и электроаэрозолями жидких лекарственных веществ (минеральных вод, водных растворов солей, отваров лекарственных трав и т.д.), а также для увлажнения воздуха и очистки его от вредных для здоровья веществ и микроорганизмов.

Изобретение предназначено для применения в физиотерапевтических отделениях лечебно-профилактических учреждений, ингаляториях больниц, клиник и профилакториев, а также для создания искусственного микроклимата в производственных и бытовых помещениях предприятий, имеющих компрессорные установки и пневмосети с рабочим давлением 300-400 кПа (3-4 кгс/см²).

Известен ингалятор, содержащий генератор ультразвуковых колебаний, фокусирующий излучатель на основе пьезокерамики из титаната бария, резервуар для распыливаемой жидкости, камеру аэрозолей, отражатель крупных капель, полый дефлекторный кожух для формирования аэрозольного облака (струи) определенной направленности, укрепленный по оси дефлекторного кожуха нагнетатель нагретого воздуха в виде трубы, в которой установлен вентилятор и нагревательная спираль (в ингаляторе могут быть предусмотрены мембрана для разделения контактной и лекарственной жидкостей, система автоматического поддержания постоянного уровня жидкости над излучателем и другие вспомогательные устройства).

Основным недостатком известного ингалятора является использование нагнетателя, содержащего вентилятор и электрический подогреватель воздуха, который предназначен для вытеснения аэрозолей из камеры. Такая конструкция недостаточно совершенна с точки зрения эксплуатационной надежности и долговечности как по электрическим параметрам, так и по механическому износу трущихся деталей и узлов. Электрический нагреватель, кроме того, не безопасен с противопожарной точки зрения.

Другим недостатком известного технического решения является отсутствие возможности регулирования воздействия на знак и степень униполярности электрического заряда распыляемых аэрозолей.

Третьим недостатком известного устройства является отсутствие системы стерилизации воздуха, поступающего в нагнетатель, а затем в камеру аэрозолей.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности и долговечности аппарата, повышение бактерицидных свойств аэрозолей, обеспечение возможности выбора и регулирования знака и степени униполярности электрического заряда аэрозолей, а также снижение уровня шума при работе предлагаемого аппарата.

Это достигается тем, что в ультразвуковом аэрозольном аппарате, содержащем генератор ультразвуковых колебаний, фокусирующий излучатель, резеpвуар для распыливаемой жидкости, аэрозольную камеру и отражатель крупных капель, расположенный в установленном по оси дефлекторного кожуха воздухопроводе, сообщенном с нагнетателем для вытеснения аэрозоля из камеры потребителю, воздухопровод выполнен в виде вихревой трубы, конец которой, снабженный дросселем, соединен с аэрозольной камерой, а конец, имеющий диафрагму, размещен в полости дополнительно установленного стакана, охватывающего вихревую трубу с воздушным зазором, образующим полость, сообщенную с аэрозольной камерой через регулируемую заслонку и с окружающей средой посредством патрубка с запорным вентилем, при этом отражатель крупных капель выполнен в виде стенок полости, образованной в дросселе вихревой трубы и обращенной открытой частью к аэрозольной камере.

Аппарат снабжен подключенным к источнику высоковольтного напряжения коронным разрядником, кольцевой электрод которого закреплен на диффузоре, выполненном на конце вихревой трубы, имеющем диафрагму, а другой электрод выполнен в виде иглы, размещенной по оси диффузора и консольно закрепленной на торце стакана, охватывающего вихревую трубу. В аппарате стенки стакана выполнены перфорированными, а полость между стаканом и стенками дефлекторного кожуха заполнена звукопоглощающим материалом.

На фиг. 1 изображен предлагаемый ультразвуковой аэрозольный аппарат; на фиг. 2 зависимость температурного эффекта энергоразделения в вихревой трубе от соотношения горячего и холодного потоков воздуха.

Ультразвуковой аэрозольный аппарат содержит генератор 1 ультразвуковых колебаний, фокусирующий излучатель 2, включающий пьезоэлемент 3 и фокусирующую линзу 4, размещенные на дне резервуара 5 с распыливаемой жидкостью 6. Верхняя часть резервуара 5, не заполненная жидкостью, образует камеру 7 аэрозолей. На крышке 8, закрывающей резервуар 5 и имеющей щелевую прорезь 9 для выведения аэрозольного облака потребителю, укреплен воздуховод в виде вихревой трубы 10. На конце 11 вихревой трубы 10, соединенной своей полостью с камерой аэрозолей, имеется дроссель 12 конической формы с крестообразным развихрителем 13, улучшающим термодинамическую эффективность энергоразделения сжатого воздуха.

Дроссель 12 со стороны, обращенной к аэрозольной камере 7, имеет полость конической или полусферической формы, стенки которой образуют отражатель крупных капель фонтана, инициируемого с поверхности жидкости сфокусированным ультразвуком. Капли с отражателя стекают в жидкость 6.

На конце 14 вихревой трубы 10 размещена сопловая камера 15 с диафрагмой. К камере 15 подключен патрубок 16 для подведения к трубе 10 сжатого воздуха от бытового компрессора или от пневмосети с рабочим давлением 300-400 кПа (3-4 кгс/см²). Сопло при вводе воздуха из патрубка 16 в камеру 15 расположено тангенциально или выполнено в виде спирали Архимеда. На выходе вихревой трубы 10 со стороны конца 14 укреплен диффузор 17. Вихревая труба 10 помещена в стакан 18 таким образом, что его торец 19 внутренней стороной обращен к диффузору 17, а открытый конец стакана укреплен на крышке 8 таким образом, что воздушный зазор 20 сообщен с камерой 7 аэрозолей.

В месте соединения стакана 18 с крышкой 8 имеется кольцевая регулируемая заслонка 21, которая при необходимости перекрывает сообщение между воздушным зазором 20 и камерой 7 аэрозолей. На торце 19 стакана 18 имеется патрубок 22 для сброса холодного воздуха в атмосферу при перекрывании заслонкой 21 воздушного зазора 20 в месте соединения стакана 18 с крышкой 8. Патрубок 22 имеет запорный вентиль 23.

Cо стороны конца 14 вихревой трубы 10 аппарат содержит коронный разрядник, образуемый кольцевым электродом 24, укрепленным на диффузоре 17, и игольчатым электродом 25, консольно закрепленным на торце 19 стакана 18 так, что игла располагается по оси диффузора 17.

Электроды 24 и 25 коронного разрядника подключаются к источнику высоковольтного напряжения (на чертеже не показан) величиной 5-10 кВ. Вихревая труба 10 с охватывающим ее стаканом 18 помещены внутри дефлекторного кожуха 26, который жестко соединен со стаканом 18 в месте крепления последнего с крышкой 8. Сужающаяся часть кожуха 26 имеет форму, обеспечивающую формирование аэрозольного облака заданной направленности, выходящего из щелевой прорези крышки 8. Одновременно кожух 26 способствует снижению уровня шума, создаваемого вихревой трубой 10.

Для усиления эффективности подавления шума стенки стакана 18 имеют множество перфорационных отверстий 27, а полость 28 между стенками стакана 18 и дефлекторного кожуха 26 заполнена звукопоглощающим материалом, например волокном или поролоном. Предлагаемый аппарат может иметь также вспомогательные системы и приспособления, в частности датчики температуры и расхода, контрольно-измерительную аппаратуру, систему автоматического поддержания уровня жидкости и т.д.

Работа аппарата осуществляется следующим образом.

Генератор 1 создает электрические колебания высокой частоты (2,5 МГц), которые преобразуются фокусирующим излучателем 2 в ультразвуковые колебания, собираемые в фокальной области на поверхности распыливаемой жидкости 6, содержащейся в резервуаре 5. Образующиеся мелкие аэрозоли в виде тумана собираются в камере 7, а крупные капли фонтана отражаются отражателем 12, выполненным в виде стенок полости, образованной в дросселе вихревой трубы 10, и стекают в жидкость 6.

Работа вихревой трубы 10, выполняющей в изобретении роль воздухопровода, сообщенного с нагнетателем для вытеснения аэрозоля из камеры 7 потребителю, заключается в том, что при подаче сжатого воздуха давлением 3 4 кгс/см² через патрубок 16 в сопловую камеру 15, имеющую тангенциальный ввод (или внутреннюю поверхность, выполненную по спирали Архимеда), происходит интенсивная закрутка воздуха (направление воздушных потоков показано па фиг.1 стрелками).

Под действием трения о стенки, турбулентного энергообмена и перестройки поля скоростей вращающегося воздушного потока в полости вихревой трубы 10 происходит разделение воздуха на два потока: холодный и горячий. Нагретые периферийные слои воздуха через зазор между дросселем 12 и кольцевым выступом на конце 11 вихревой трубы 10 вводятся в камеру 7 аэрозолей, нагревают их до нужной температуры и вытесняют через щелевую прорезь 9 потребителю. Охлажденные приосевые слои воздуха противотоком выводятся через диафрагменное отверстие в стенке сопловой камеры 15, расширяются в диффузоре 17 и далее могут сбрасываться в атмосферу. Однако более целесообразно утилизировать охлажденный воздух для придания аппарату новых качеств.

Особенностью вихревой трубы 10 как устройства, преобразующего кинетическую энергию расширяющегося воздушного потока в энергию нагрева и охлаждения воздуха, является возможность регулирования соотношения температур и расходов горячего и холодного потоков с помощью дросселя 12. Увеличение дросселирующего зазора приводит к понижению температуры на конце 14 вихревой трубы 10 при уменьшении его расхода через диафрагменное отверстие на выходе сопловой камеры 15 и, наоборот, уменьшение зазора приводит к увеличению температуры на конце 11 трубы при увеличении расхода воздуха через диафрагменное отверстие. При этом максимальная температура воздуха, выходящего со стороны дросселя, может достигать 100-120^оС, а воздуха, выходящего через диафрагму, (-20) (-25)^оС.

Смещение в осевом направлении дросселя 12 приводит к синхронному перераспределению температур воздушных потоков, как это наглядно видно из экспериментальной зависимости (фиг. 2) температурного эффекта, характеризуемого разностями температур Δ t₂ и Δ t_х, возникающими вследствие нагрева и охлаждения воздуха в процессе энергоразделения, в зависимости от относительных расходов воздушных потоков γ G₂/G и μ= 1 γ G_x/G, где G общий весовой расход сжатого воздуха.

Реализация предлагаемого аппарата позволяет осуществить задачу получения подогретых аэрозолей и их вытеснения из камеры 7 аэрозолей потребителю, при этом работоспособность аппарата обеспечивается без использования каких-либо механических приводов для нагнетания воздуха (типа вентиляционных устройств) и электрических нагревателей. Однако получаемые аэрозоли могут нести лишь слабый электрический заряд с непредсказуемым коэффициентом естественной униполярности, обусловленной трибоэлектрическими эффектами. Униполярность аэрозолей желательно выбирать, усиливать и регулировать в соответствии с конкретными медицинскими назначениями или условиями обеззараживания помещений. Для этого могут быть использованы уникальные свойства вихревой трубы как энергоразделителя, обеспечивающего одновременное получение двух пространственно разделенных по температуре и расходу воздушных потоков.

Для получения с помощью аппарата электроаэрозолей с заданными характеристиками используется коронный разрядник, размещаемый на конце 14 вихревой трубы 10 таким образом, что один из его электродов 23 является элементом диффузора 17, а другой электрод 25 омывается струей холодного воздуха, выходящего из диффузора 17. Одновременно с ионами коронный разряд генерирует некоторое количество озона. Благодаря непрерывному охлаждению электродов и разрядного промежутка обеспечиваются наиболее благоприятные условия работы разрядника с точки зрения производительности и стабильности процесса получения аэроионов и озона. При подаче на электроды 24 и 25 постоянного напряжения 5 10 кВ с полярностью, указанной на фиг.1, аэроионы будут иметь униполярный отрицательный заряд. При перемене знака полярности питающего постоянного напряжения коронный разрядник будет производить положительные аэроионы. При подаче на электроды высокочастотного (например f 22 кГц) разряда поток аэроионов в целом будет электронейтральным. В последнем случае основным действующим лечебным (или дезинфицирующим окружающую среду) фактором является озон, небольшое количество которого полезно для организма.

При более высоких концентрациях (в отсутствие людей) озон позволяет эффективно осуществлять дезинфекцию помещений и нейтрализацию токсических веществ (например, ртуть) в жилых помещениях. Озонирование жидких аэрозолей еще более усиливает эффективность очистки окружающей среды.

Полученный поток охлажденного ионизированного с определенной униполярностью заряда и/или озонированного воздуха попадает (при закрытом запорном вентиле 23) в зазор между стенками вихревой трубы 10 и стакана 18 и, двигаясь вдоль него, нагревается за счет конвективной теплоотдачи стенок трубы 10, которые изнутри нагреваются периферийными горячими слоями воздуха, выходящего в камеру аэрозолей 7 через зазор между дросселем 12 и выходным сужением конца 11 вихревой трубы 10. Заслонка 21 при этом находится в открытом положении.

При попадании ионизированного с примесью озона воздуха в камеру 7 происходит захват газовых ионов и озона жидкими аэрозолями, после чего образовавшиеся электроаэрозоли уносятся через щелевую прорезь 9 в окружающую среду (потребителю). При отсутствии необходимости электрической зарядки аэрозолей заслонка 21 устанавливается в положение "Закрыто", а вентиль 23 в положение "Открыто" и аэроионы и озон сбрасываются в атмосферу.

Необходимо указать, что получение озона в описываемом аппарате выполняет двоякую задачу.

Введенный из пневмосети сжатый воздух не является стерильным и может нести с собой микробы и токсины. Поэтому первая роль, которую выполняет озон, заключается в том, что утилизированный холодный поток воздуха, пройдя через коронный разрядник, становится стерильным благодаря наличию озона. Попав в камеру аэрозолей, озон насыщает как туман, образуемый мелкими капельками, так и распыляемую жидкость благодаря непрерывному перемешиванию ее внутренними течениями и фонтаном, образуемым сфокусированным ультразвуком. Суммарное воздействие озона и ультразвука обладает эффектом синергизма, усиливая подавление микробов и разрушение токсинов.

Простерилизованная таким образом жидкость, насыщенная озоном, повышает бактерицидные свойства получаемых из нее аэрозолей по сравнению с обычными аэрозолями, получаемыми при отсутствии коронного разрядника на конце вихревой трубы, имеющем диафрагму, и системы утилизации охлажденного воздушного потока.

Вторая роль озона проявляется уже вне аппарата, когда, попадая в окружающую среду, газообразный озон и озон, растворенный в капельках аэрозоля, эффективно уничтожает микробы и токсины в обрабатываемом помещении.

При работе вихревой трубы 10 воздушные потоки, вводимые в сопловую камеру 15, имеют скорость, близкую к скорости звука, что создает повышенный шумовой фон. Высокая эффективность подавления шума достигается тем, что стакан 18 имеет многочисленные перфорационные отверстия 27 заданных размеров, конфигурации и расположения, а полость 28 между стенками дефлекторного кожуха 26 и стакана 18 заполнена звукопоглощающим материалом.

Применение вихревой трубы сообщает предложенному ультразвуковому аэрозольному аппарату ряд неожиданных положительных качеств, таких как повышение эксплуатационной надежности и долговечности за счет отсутствия в системе нагнетания нагретого воздушного потока каких-либо движущихся деталей и узлов, электрических нагревателей. Одновременно за счет уникальных свойств вихревой трубы весьма просто решается задача обеспечения надежной и стабильной работы средств создания электроаэрозолей необходимой униполярности, а также повышения бактерицидных свойств аэрозолей за счет стерилизации подаваемого в аппарат воздуха и распыливаемой ультразвуком жидкости.

Такие качества обеспечивают преимущества предлагаемого аппарата по сравнению с известными ингаляторами, предназначенными для лечебных целей, и системами кондиционирования воздушной среды в производственных и бытовых помещениях с целью создания искусственного климата, а также очистки и обеззараживания воздуха от микробов и токсических веществ.

Использование: ультразвуковой аэрозольный аппарат относится к медицинской технике, а именно к аппаратам (ингаляторам), предназначенным для лечения и профилактики заболеваний верхних дыхательных путей и легких аэрозолями и электроаэрозолями жидких лекарственных веществ, а также для увлажнения воздуха и очистки его от вредных для здоровья веществ. Технический результат повышение эксплуатационной надежности и долговечности аппарата, повышение бактерицидных свойств аэрозолей, обеспечение возможности выбора и регулирования знака и степени униполярности электрического заряда аэрозолей, а также снижение шума при работе аппарата. Сущность изобретения: аппарат содержит генератор 1 ультразвуковых колебаний, фокусирующий излучатель 2, резервуар 5, в верхней части которого, не заполненной жидкостью, образована камера 7 аэрозолей. На крышке 8, имеющий щелевую прорезь 9 для выведения аэрозольного облака потребителю, укреплен воздуховод в виде вихревой трубы 10, на одном из концов которой установлен коронный разрядник. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АЭРОЗОЛЬНЫЙ АППАРАТ, содержащий генератор ультразвуковых колебаний, фокусирующий излучатель, резервуар для распыливаемой жидкости, аэрозольную камеру и отражатель крупных капель, расположенный в установленном по оси дефлекторного кожуха воздухопроводе, сообщенном с нагнетателем для вытеснения аэрозоля из камеры потребителю, отличающийся тем, что воздухопровод в виде вихревой трубы, конец которой, снабженный дросселем, соединен с аэрозольной камерой, а конец, имеющий диафрагму, размещен в полости дополнительно установленного стакана, охватывающего вихревую трубу с воздушным зазором, образующим полость, сообщунную с аэрозольной камерой через регулируемую заслонку и с окружающей средой посредством патрубка с запорным вентилем, при этом отражатель крупных капель выполнен в виде стенок полости, образованной в дросселе вихревой трубы и обращенной открытой частью к аэрозольной камере.