CAMPO TECNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a una placa vibrante de forma rectangular o circular que es excitada por un transductor ultrasónico, el cual transforma un chorro de líquido en una pluralidad de gotitas atomizadas, la cual puede ser utilizada en procesos de separación sólido - líquido, en procesos de generación de partículas, en la dosificación de productos como por ejemplo fármacos. La presente invención, se refiere específicamente a un atomizador que utiliza dicha placa vibrante, en donde el líquido entra por un nodo de la onda vibratoria en la placa y sale pulverizado por un vientre de la misma onda.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

En el estado del arte la atomización de líquidos por vía ultrasónica es bastante conocida. Por ejemplo, cuando se desea suministrar un fármaco dosificado a la vía aérea de un paciente, el líquido almacenado en un contenedor es hecho pasar por un medio vibrante en el cual una porción del líquido es atomizada y succionada por el paciente.

En el área industrial, los transductores ultrasónicos son utilizados en secadores. Muchas veces se desea obtener un producto pulverizado, cuyas partículas valiosas están contenidas en un líquido que viene de un proceso industrial previo. Para obtener dichas partículas valiosas, es necesario separar el líquido del sólido, obteniendo por una parte partículas secas, y por la otra, el líquido evaporado. Para ello, el líquido que contiene las partículas es hecho pasar por un medio vibrante el cual lo atomiza para luego pasar a un secador con aire caliente, en donde las pequeñas gotitas atomizadas se evaporan y dejar caer las partículas valiosas contenidas en ellas. Por otro lado, cuando el líquido está contaminado o tiene sustancias sólidas disueltas indeseadas, éste es hecho pasar por un medio vibrante, en donde el líquido es atomizado para luego ser evaporado en un secador, dejando caer las partículas indeseadas. La fase evaporada es recuperada para luego hacerla pasar por un condensar y obtener el líquido purificado.

En el estado del arte existen varios antecedentes de atomizadores ultrasónicos que pueden ser utilizados en las aplicaciones antes señaladas. Así por ejemplo, el documento EP 0689879 divulga pulverizadores para aplicaciones medicinales, que habitualmente tienen un plato pulverizador similar a un espejo hueco que se hace vibrar junto con el líquido a ser pulverizado. Esto ha mostrado que, como consecuencia de la altura del líquido relativamente grande en el plano pulverizador, aparecen perdidas de energía considerables a través de la reflexión de las ondas de ultrasonido en la capa límite liquido/aire. Esta situación es desventajosa para una pulverización rápida, en particular en la formación de un aerosol con acceso a los pulmones. Para la eliminación de esta desventaja la invención divulgada en este documento provee un pulverizador de ultrasonido, que muestra una piezo-cerámica eléctrica y un cuerpo de acoplamiento que se encuentra con la unión efectiva con I a piezo-cerámica. La superficie del cuerpo de acoplamiento que llega a estar en contacto con el líquido a ser pulverizado está configurada como elevación en forma de sombrero. De esta forma se asegura, que la altura del líquido a ser pulverizado sobre el cuerpo de acoplamiento no es tan alta como lo sería si la superficie del cuerpo de acoplamiento con el líquido a ser pulverizado fuese recta. La invención del documento EP 0689879 es utilizable principalmente en todas las disposiciones de pulverizador de ultrasonido, en particular para aplicación medicinal, como por ejemplo para inhalación. El documento WO 2008/058941 divulga un atomizador de líquido por ultrasonidos que comprende: (a) un cuerpo de transductor piezoeléctrico rígido que comprende un primer extremo que forma una abertura y un segundo extremo, comprendiendo el interior del cuerpo de transductor piezoeléctrico una cavidad destinada a contener un líquido a atomizar, presentando dicho cuerpo además un eje de simetría; (b) una membrana microperforada fijada sobre dicho primer extremo y que recubre dicha abertura; (c) un elemento piezoeléctrico adaptado y dispuesto de manera que haga vibrar el cuerpo de transductor piezoeléctrico que se caracteriza porque el elemento piezoeléctrico está dispuesto hacia dicho segundo extremo, de manera que hace vibrar el cuerpo de transductor piezoeléctrico según una dirección paralela a su eje de simetría.

El documento WO9209373 divulga un dispositivo para la pulverización ultrasónica de fluidos caracterizado porque comprende un convertidor electroacústico, eventualmente al menos un elemento de barra de acoplamiento un pulverizador dispuesto en forma de una corona radial en voladizo respecto del elemento axial que la soporta por construcción, y sintonizado a la frecuencia de dicho convertidor, y medios para hacer que dicho fluido pulverice cerca de la zona activa de dicho pulverizador.

El documento EP2390010 divulga un cuerpo de boquilla para un dispositivo de pulverización de gotitas líquidas ultrasónico, estando dispuesto dicho cuerpo de boquilla para recibir una sustancia líquida desde dicho dispositivo de pulverización de gotitas líquidas, que comprende (a) un sustrato; y (b) una pluralidad de boquillas de salida atravesantes formadas en dicho sustrato para eyectar líquido como una pulverización de gotitas monodispersiva de baja presión, estando dispuesta cada boquilla de salida atravesante para recibir dicho líquido de manera que dicho líquido puede ser expelido de dicho cuerpo de boquilla atravesando dichas boquillas de salida, presentando dichas boquillas de salida unas paredes laterales rectas y paralelas que presentan un perfil casi vertical, caracterizado porque dichas boquillas de salida están dispuestas en dicho sustrato de manera que la densidad de dichas boquillas de salida aumenta desde el centro hacia los bordes de dicho sustrato.

El documento GB 1 100535 divulga un dispositivo de atomización ultrasónico, adecuado para la producción de emulsiones a partir de dos o más sustancias, evaporando líquidos de sólidos, o la adición de líquidos evaporados a gases, en donde el dispositivo comprende una boquilla cónica hueca en la que el líquido a ser atomizado se alimenta a través de un tubo, la boquilla pulveriza el líquido y lo lanza hacia una placa vibrante como miembro objetivo en donde dicha placa vibrante atomiza el líquido pulverizado en pequeñas gotitas, estando la placa vibrante excitada por un generador ultrasónico. El generador ultrasónico está unido a la placa vibrante haciendo que ésta oscile, del tal forma que al recibir el líquido pulverizado desde la boquilla en forma de cono, las gotitas más pequeñas y atomizadas son expulsadas en forma de anillo. La placa vibrante puede ser circular o poligonal.

En general los atomizadores del arte previo no pueden operar a grandes caudales de líquidos, y además, cuando el líquido es muy denso o las partículas contenidas en el líquido son muy grandes, las boquillas se tapan con mucha facilidad. Además, las gotitas contenidas en el líquido atomizado son mayoritariamente no uniformes, con lo cual los procesos de separación sólido - líquido no siempre resultan efectivos. Por lo anterior, se hace necesario proveer un atomizador ultrasónico que solucione estos problemas del arte previo. RESEÑA DE LA INVENCION

La presente invención consiste de una placa plana de metal de forma generalmente rectangular o circular, que se pone en vibración en alguno de sus modos propios de vibración transversal. Su aplicación más preferente es en algún modo alto de vibración. El modo preferido es un modo de vibración transversal (modo flexional) o radial, que presenta líneas nodales y vientres en los que la vibración es de la mayor amplitud en un número que está determinado por las características físicas de la placa a saber:

• Su longitud.

· Su ancho.

• Su espesor.

• Sus constantes elásticas.

• Su perfil, puede ser uniforme o no.

Se denomina modo de vibración a las diversas formas en que la placa puede vibrar, generando ondas estacionarias. En cada modo de vibración, la placa adopta una forma específica dada por la frecuencia con que vibra.

La frecuencia mínima de vibración capaz de generar una onda estacionaria se llama frecuencia fundamental (n=1 ). Cuando la placa vibra con dicha frecuencia se dice que se ha establecido su modo fundamental de vibración.

La frecuencia de los demás modos de vibración son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental y de denominan armónicos (n=2, 3, 4, 5...). En sistemas complejos, los modos altos se denominan sobretonos y no son múltiplos exactos del fundamental. En los modos de vibración, las ondas producen en la placa "nodos" en los cuales la placa se mantiene estática y "vientres" en las cuales el desplazamiento de la placa es máximo producto de la vibración. El número de líneas nodales que se puede producir dependerá de las dimensiones de la placa y de la frecuencia de vibración que se emplee. El diseño debe ser hecho de tal forma que la frecuencia de vibración produzca un diagrama de vibración "perfecto", es decir, no haya modos diferentes del que se busca asociados a la forma de vibración, que no haya modos acoplados al que se está usando. La forma de vibración debe ser tal que justamente el borde libre de la placa a ambos lados de su centro tenga un máximo de amplitud de vibración.

En las figuras 1 a 3, se muestra una placa (1 ) que posee una superficie frontal (2), un borde superior (3), un borde inferior (4), un borde derecho (5) y un borde izquierdo (6). La figura 1 , muestra una placa (1 ) estática y la figura 2 muestra una placa vibrando en su cuarto modo. En este cuarto modo, la placa (1 ) presenta cuatro líneas nodales (7), que son las zonas en que intersecan la placa estática y la placa vibrando, y además, presenta vientres (8) que son las zonas de mayor amplitud de vibración de la placa vibrando, tal como se ejemplifica en la figura 3.

En el ejemplo de aplicación, mostrado en la figura 3, las líneas nodales (7) exteriores, cada una cerca del borde derecho (5) y del borde izquierdo (6), son empleadas para intervenir la placa sin que se perturbe demasiado la forma de vibración del dispositivo, de tal forma que con dicha intervención se puedan hacer las perforaciones por donde entra el líquido a pulverizar. En este caso, luego de una serie de simulaciones computacionales y por aproximaciones sucesivas se encontró un diseño para el que las perforaciones realizadas a la placa no cambian la posición de los nodos de forma apreciable. A partir de la entrada de líquido se realiza una perforación perpendicular a la entrada de éste que tiene como objetivo transportar el líquido desde la zona nodal (7) en la que éste entra hasta el vientre de vibración (8). Por razones de estabilidad en las vibraciones y facilidad mecánica, el vientre (8) elegido para la salida del líquido en atomización es el más cercano hacia el interior de la placa (1 ). Hay dos vientres más pero por estar en los extremos de la placa no son utilizables para atomizar. Justamente en el vientre (8) se practican dos orificios oblicuos que permiten la salida del líquido que se ha introducido por las posiciones nodales (7).

La atomización se produce debido al alto nivel de vibración presente en los vientres (8) de vibración de la placa (1 ), zona por donde emerge el líquido a atomizar. Debe ser notada la especial forma de la zona en que la placa se excita. La forma habitual de excitación de la placa sería la que se obtiene cortando el sistema de amplificación mecánica del vibrador con un plano perpendicular a su eje, es decir un círculo, esto es así debido a la forma cilindrica del amplificador mecánico. Durante la experimentación con los sistemas de atomización se ha detectado que la zona de excitación, es decir, el círculo en el que se intersecan el amplificador mecánico y la placa sufre problemas de desgaste y de fatiga. El área del círculo correspondiente se fractura después de un tiempo de uso, justamente en ésa zona. El diseño que supera éste problema se consigue produciendo en el extremo del amplificador mecánico una forma especial que evita que se produzcan tensiones excesivas sobre la placa en la zona de excitación.

La placa se fija a un transductor ultrasónico de naturaleza piezoeléctrica que proporciona desplazamientos sinusoidales excitando la placa por su centro.

Este diseño tiene por objetivo aplicar las vibraciones a la placa (1 ) haciendo al mismo tiempo que las tensiones sean distribuidas en un área mayor que la que presenta la sección transversal del amplificador mecánico. Los agujeros que se utilizan para fijar el vibrador a la placa, están alineados con el vientre (8) que en una modalidad de esta invención, está en el centro de la placa. BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Los dibujos que se acompañan, se incluyen para mostrar los principios de esta invención y algunas ejecuciones preferidas.

La figura 1 muestra una vista en perspectiva de una placa rectangular estática.

La figura 2 muestra una vista en perspectiva de una placa rectangular vibrando.

La figura 3 muestra una vista en perspectiva de la intersección entre una placa rectangular estática y una placa rectangular vibrando.

La figura 4 muestra una vista en perspectiva de una placa rectangular estática y una placa rectangular vibrando con las perforaciones para la entrada y salida del líquido.

La figura 5 muestra una vista frontal en corte con los canales interiores para el ingreso y salida del líquido, en una de las modalidades de la presente invención.

La figura 6 muestra una vista lateral en corte que ejemplifica el canal oblicuo generado por la perforación de salida del líquido atomizado, en una de las modalidades de la presente invención.

La figura 7 muestra una perspectiva en explosión de la placa rectangular y el vibrador.

La figura 8 muestra una vista en perspectiva trasera de la placa rectangular y el transductor ultrasónico unidos.

La figura 9 muestra una vista en planta de la placa rectangular y el transductor ultrasónico. La figura 10 muestra una vista en perspectiva del amplificador mecánico que acopla la placa con el transductor ultrasónico para el caso de la utilización en placas rectangulares.

La figura 1 1 muestra la zona de acoplamiento del amplificador mecánico con la placa rectangular.

La figura 12 muestra una vista frontal, superior e inferior de una placa rectangular con las perforaciones para la entrada y salida de líquido.

La figura 13 muestra una vista en perspectiva frontal de una placa rectangular estática y una placa rectangular vibrando con las perforaciones para la entrada y salida del líquido, en donde dichas perforaciones están ubicadas en caras contrarias.

La figura 14 muestra una vista en perspectiva trasera de una placa rectangular estática y una placa rectangular vibrando con las perforaciones para la entrada y salida del líquido, en donde dichas perforaciones están ubicadas en caras contrarias.

La figura 15 muestra una vista en perspectiva frontal de una placa rectangular estática y su amplificador mecánico, en donde dicha placa rectangular posee las perforaciones frontales para la salida de líquido pulverizado.

La figura 16 muestra una vista en perspectiva posterior de una placa rectangular estática y su amplificador mecánico, en donde dicha placa rectangular posee las perforaciones traseras para la entrada del líquido a ser pulverizado.

La figura 17 muestra una vista en perspectiva frontal de una placa circular vibrando, a manera de segunda modalidad de la presente invención.

La figura 18 muestra una vista en perspectiva trasera de una placa circular vibrando, a manera de segunda modalidad de la presente invención. La figura 19 muestra una vista en perspectiva frontal de una placa circular estática y su amplificador mecánico, en donde dicha placa circular posee las perforaciones frontales para la salida de líquido pulverizado.

La figura 20 muestra una vista en perspectiva posterior de una placa circular estática y su amplificador mecánico, en donde dicha placa circular posee las perforaciones traseras para la entrada del líquido a ser pulverizado.

La figura 21 muestra una vista en planta superior en corte que ejemplifica el canal interior para el ingreso y salida del líquido, en la modalidad de la placa circular de la presente invención.

DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un atomizador conformado por una placa vibrante que es excitada por un transductor ultrasónico, el cual transforma un chorro de líquido en una pluralidad de gotitas atomizadas, con el fin de ser utilizada en procesos industriales como, por ejemplo de separación sólido - líquido, que opera a grandes caudales de líquidos y produce gotitas atomizadas más uniformes.

En una primera modalidad, la presente invención está compuesta por una placa (1 ) rectangular la que tiene una forma de paralelepípedo rectangular recto delgado, provista con una cara frontal (2), una cara trasera (19), un borde superior (3), un borde inferior (4), un borde derecho (5) y un borde izquierdo (6).

Al vibrar dicha placa (1 ) rectangular en uno de sus modos propios, por ejemplo en su cuarto modo como se muestra en las figuras 2 a 4, en la placa (1 ) se producen cuatro líneas nodales (7) y tres vientres (8).

Tal como se muestra en las figuras 5 a 9, en las líneas nodales (7) cercanas al borde derecho (5) y al borde izquierdo (6), están ubicadas en el borde superior (3) dos perforaciones de entrada (9), una a cada lado, para la entrada del líquido a atomizar. En la cara frontal (2) y hacia el centro de la placa (1 ) rectangular y en los vientres (8) se localizan dos perforaciones de salida (10) para la expulsar el líquido atomizado. En el vientre (8) central de la placa (1 ) rectangular, y en la cara posterior (19), se localizan dos perforaciones centrales (14) que tienen como objetivo fijar un cabezal de acoplamiento (16) del amplificador mecánico (15). Para tal efecto, dicho cabezal de acoplamiento (16) tiene perforaciones (20) que son coincidentes con las perforaciones centrales (14), estando la placa (1 ) rectangular y el cabezal de acoplamiento (16) unidos por tornillos (no mostrados) que calzan en dichas perforaciones (14, 20). Si bien en las figuras de esta modalidad, se muestran dos perforaciones de entrada (9) y dos perforaciones de salida (10), la placa (1 ) rectangular puede funcionar sin problemas con una perforación de entrada (9) y una perforación de salida (10). Aunque en esta realización se requieren dos perforaciones (14, 20), una buena fijación se podría conseguir con solo una perforación central (14) y una perforación (20) coincidente con la perforación central (14).

Para que el líquido que entra por las perforaciones (9) salga atomizado por las perforaciones de salida (10), es necesario que éste transite por el interior de la placa (1 ) rectangular dentro de varios canales conectados entre sí. La perforación (9) ubicada en una de las líneas nodales (7), genera un primer canal vertical (1 1 ) paralelo a dicha línea nodal (7) y que empalma con un segundo canal horizontal (12), que comunica hacia un canal oblicuo (13) que remata en la perforación de salida (10) ubicada en uno de los vientres (8).

Para generar la pulverización, el amplificador mecánico (15) vibra linealmente de manera extensional (17). Dicho amplificador mecánico (15) es colineal con el eje de simetría del vientre central (8) de la placa (1 ) rectangular. Dicha vibración extensional (17) amplificada por el amplificador mecánico (15) provoca que la placa (1 ) rectangular vibre en sentido transversal (18), generando con ello, líneas nodales (7) y vientres (8). El líquido que entra por la perforación de entrada (9) ubicada en uno de los nodos (7) transita por los canales (1 1 , 12, 13) hasta llegar a la perforación de salida (10) que está localizada en un pick de la onda vibratoria o vientre (8), moviéndose rápidamente, con lo cual el flujo de líquido se corta sucesivamente, generando una pluralidad de gotas atomizadas.

Para aplicar la vibración extensional (17) hacia la placa (1 ) rectangular, se ha provisto de un cabezal de acoplamiento (16), cuyo diseño se muestra en las figuras 10 y 1 1 . Este diseño tiene por objetivo aplicar las vibraciones a la placa (1 ) rectangular haciendo al mismo tiempo que las tensiones sean distribuidas en un área mayor que la que presenta la sección transversal del cabezal de acoplamiento (16). Los agujeros (20) que se aprecian en la figura 10, están destinados a fijar la placa (1 ) rectangular en el extremo del cabezal de acoplamiento (16) mediante tornillos (no mostrados). El diseño del cabezal de acoplamiento (16) privilegia la manera preferente de vibración transversal en la placa (1 ) rectangular.

La propiedad relevante de este diseño del cabezal de acoplamiento (16) es que el acoplamiento entre la placa (1 ) rectangular y el amplificador mecánico (15) se realiza en una zona (21 ) de perfil de tipo rectangular cuyos lados menores son arcos de circunferencia (22). En la figura 1 1 se muestra un detalle de la zona de acoplamiento (21 ). Esta zona es en la que se produce el contacto entre la placa (1 ) rectangular vibrante y el amplificador mecánico (15) que excita dicha placa (1 ) rectangular, se trata de una zona en donde las tensiones mecánicas son máximas y se produce una conversión de modos: las vibraciones extensionales (17) del amplificador mecánico (15) se transforman en vibraciones transversales (18) en la placa (1 ) rectangular. Es relevante en el diseño del cabezal de acoplamiento (16) que se muestra en la figura 1 1 , que la zona de acoplamiento (21 ) tenga una geometría similar a la que se produce en la placa (1 ) rectangular vibrante cuando está en operación.

Para la zona de acoplamiento (21 ) que se muestra en la figura 1 1 la que se produce con la intersección de un rectángulo con una circunferencia de radio apropiado, los laterales (23) deben ser orientados de forma que queden paralelos a las líneas nodales (7) de la placa (1 ) rectangular.

Aun cuando esta invención se ha ejemplificado sobre la base de una placa (1 ) rectangular vibrando en su cuarto modo, la presente invención puede ser llevada a cabo en cualquier otro modo que permita a la placa generar líneas nodales (7) y vientres (8). Así por ejemplo, en otra realización de la presente invención mostrada en la figura 12, una placa (1 ) está vibrando en su octavo modo. Así, la placa (1 ) rectangular presenta seis perforaciones de entrada (9) se sitúan en el borde superior (3) y seis perforaciones de entrada (9) localizadas en el borde inferior (4), todas ellas ubicadas en las líneas nodales (7). Así mismo, en la cara frontal (2) de la placa (1 ) rectangular se localizan en la mitad superior seis perforaciones de salida (10) que están comunicadas con las seis perforaciones de entrada (9) del borde superior (3) y en la mitad inferior de la cara frontal (2) se ubican otras seis perforaciones de salida (10) que están comunicadas con las seis perforaciones de entrada (9) del borde inferior (4), estando todas las perforaciones de salida (10) localizadas en los vientres (8). Si bien en la figura 12 de esta modalidad, se muestran doce perforaciones de entrada (9) y doce perforaciones de salida (10), la placa (1 ) rectangular puede funcionar sin problemas con una perforación de entrada (9) y una perforación de salida (10), De esta forma, para que el invento funcione, la placa puede contar con al menos una perforación de entrada (9) y al menos una perforación de salida (10).

Con ello, la placa (1 ) rectangular puede poseer una pluralidad de perforaciones de entrada (9) localizadas en una pluralidad de líneas nodales (7) y una pluralidad de perforaciones de salida (10) localizadas en una pluralidad de vientres (8), en donde dicha pluralidad de perforaciones de entrada (9) pueden estar ubicadas ya sea en el borde superior (3), en el borde inferior (4) o en ambos bordes (3, 4).

La modalidad arriba descrita, es una de las preferidas, en vista que la entrada del líquido se realiza por los bordes de la placa (1 ) rectangular y esto puede facilitar su instalación en algunas aplicaciones. Sin embargo, las perforaciones de entradas (9) pueden estar localizadas en cualquier punto por donde pasen las líneas nodales (7), y a su vez, las perforaciones de salida (10) pueden estar ubicadas en cualquier punto por donde pasen los vientres (8).

Así, en otra realización de la presente invención, y tal como se muestra en las figuras 13 a 16, el atomizador puede estar conformado por una placa (1 ) rectangular, en donde las perforaciones de entrada (9) del líquido a ser atomizado están localizadas a media altura de la cara posterior (19) sobre líneas nodales (7) y en donde las perforaciones de salida (10) del líquido atomizado están localizadas a media altura de la cara frontal (2) sobre los vientres (8). Cada perforación de entrada (9) y cada perforación de salida (10), está conectada por un canal interior dentro de la placa, que en el caso de este ejemplo es oblicuo.

En otra realización de la presente invención, la placa (1 ) puede tener una forma circular, tal como se muestra en las figuras 16 y 17. En este caso, los modos de vibración son concéntricos a la placa (1 ) circular, por lo que el cabezal de acoplamiento (16) y amplificador mecánico (15) deben estar localizados en el centro de la misma. Al igual que para la placa (1 ) rectangular, en la placa (1 ) circular, se producen líneas nodales (7) y vientres (8). Con lo anterior, las perforaciones de entrada (9) del líquido a ser atomizado pueden estar localizadas en la cara posterior (19) sobre líneas nodales (7) y en donde las perforaciones de salida (10) del líquido atomizado pueden estar localizadas en la cara frontal (2) sobre los vientres (8). Cada perforación de entrada (9) y cada perforación de salida (10) está comunicada por un canal oblicuo (13) y localizadas de manera radial respecto del centro de la placa (1 ) circular.