Bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen ist es erfor- derlich aus Flüssigkeiten Aerosole zu erzeugen. Ultraschall- zerstäuber finden ihre Anwendung dabei auf verschiedensten Gebieten. Besonders geeignet sind sie für die Luftbefeuchtung in Kühltheken, in der Medizin für Inhalationsgeräte, oder zum Erzeugen von Klein-Klimata. Ihre Vorteile liegen nicht nur in einem geräuschlosen Betrieb oder platzsparender Bauweise, sondern sind vor allem in punkto Wirtschaftlichkeit und Um- weltschutz zu sehen.

Bei einem piezokeramischen Ultraschallzerstäuber werden Flüs- sigkeiten ohne Druck und Erhitzen nach einem ganz speziellen Verfahren zerstäubt. Ein Piezozerstäuberelement wird mit Flüssigkeit benetzt und durch Ultraschall in Schwingungen versetzt. Dabei wird ein Aerosol erzeugt, das in seiner Homo- genität einzigartig ist.

In der EP 0 246 515 AI ist ein Ultraschall-MHz-Schwinger, insbesondere zur Flüssigkeitsbestäubung, offenbart, bei dem ein Amplitudentransformator auf einer Piezokeramikscheibe be- festigt ist, wobei der Amplitudentransformator-ausgehend von der Piezokeramikscheibe-sich zunächst verjüngt und an- schließend in einem sich verbreiternden Zerstäuberteller en- det. Dieser Zerstäuberteller weist eine konkave Oberfläche ("Hohlspiegel") zur Aufnahme der zu zerstäubenden Flüssigkeit auf. Beim Betrieb eines solchen Ultraschall-Zerstäubers hat sich gezeigt, dass hohe Energieverluste durch die Reflextion der Ultraschallwellen an der Grenzschichtflüssigkeit/Luft bei nicht geeigneter Flüssigkeitshöhe im Zerstäuberteller auftre- ten.

Aus der EP 0 657 226 B1 ist ein Ultraschallzerstäubergerät zum Zerstäuben einer Flüssigkeit mit einer Piezokeramik be- kannt. Ein Gaseinschlüsse aufweisendes elastisches Material dichtet einen Zwischenraum zwischen dem Gehäuseteil und der in die Flüssigkeit abstrahlenden Seite der Piezokeramik gegen die zu zerstäubende Flüssigkeit ab. Dieses elastische, Gas- einschlüsse aufweise Material bewirkt einerseits eine Dich- tung gegen die zu zerstäubende Flüssigkeit und andererseits, das der von der Piezokeramik abgestrahlte Ultraschall an den Gaseinschlüssen in dem Material reflektiert wird. Damit kann der im Bereich des Zentrums abgestrahlte Ultraschall nicht über eine den Ultraschall leitende Dichtverbindung in den Ge- häuseteil eindringen. Dieser kann damit besonders im Bereich der Öffnung nicht durch den abgestrahlten Ultraschall zer- stört werden.

Bei der Ultraschallzerstäubung, insbesondere im Hochfrequenz- bereich, ist für die Lebensdauer des Ultraschallzerstäubers besonders die Resistenz gegenüber Kavitationseffekten wich- tig. Die Ultraschallkavitation tritt dabei auch in völlig entgasten Flüssigkeiten bei Vorhandensein eines intensiven Schallfeldes auf. Während der negativen Druckphase einer Schallwelle zereisst die Flüssigkeit, und es kommt zur Bil- dung von Hohlräumen, die in der nachfolgenden Druckphase zu- sammenstürzen. Die dabei auftretenden Drücke können nach ei- ner Gleichung von Rayleigh bestimmt werden. Die mit einem Zischgeräusch verbundene Ultraschallkavitation führt zu er- heblichen Materialzerstörungen und beeinträchtigt daher die Lebensdauer des Ultraschallzerstäubers, insbesondere der Pie- zokeramik. Ist in der zu zerstäubenden Flüssigkeit gelöstes Gas enthalten, so tritt infolge des durch Ultraschall hervor- gerufenen örtlichen Unterdrucks eine Gasabscheidung in Form kleiner Blasen auf. Dieser Vorgang wird als Pseudokavitation bezeichnet.

Durch Kavitation wird demzufolge die mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit benetzte Oberfläche des Ultraschallzerstäubers

dauerhaft und irreversibel beschädigt und damit die Lebens- dauer erheblich reduziert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Ultraschallzerstäu- ber mit einer langen Betriebslebensdauer anzugeben, der ins- besondere eine erhöhte Resistenz gegenüber Kavitationseffek- ten aufgrund des Ultraschallfeldes aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Ultra- schallzerstäuber zur Zerstäubung einer Flüssigkeit, mit einer elektrisch anregbaren Piezokeramik und einer auf der Piezoke- ramik aufgebrachten Schutzbeschichtung enthalten Aluminium- oxid und/oder Zirkonoxid.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass herkömmliche Maßnahmen zum Schutz eines Ultraschallzerstäubers gegenüber Kavitation nur unzureichende Ergebnisse liefern. Die hierzu vorgeschlagenen herkömmlichen Maßnahmen beschränken sich auch beispielsweise auf Schutzüberzüge aus Lack oder Kunststoff.

Diese bieten jedoch keine effektive Resistenz gegenüber der Ultraschallkavitation. Darüber hinaus ist auch der Wärmeaus- dehnungskoeffizient bei derartigen Schutzüberzügen sehr ver- schieden zu dem Wärmeausdehnungskoeffizient der zu schützen- den Piezokeramik. Dadurch entstehen aufgrund des Wärmeein- trags in den Ultraschallzerstäuber thermisch induzierte me- chanische Verspannungen, die sich verschlechternd auf die Schutzüberzüge auswirken und diese ablösen. Dieser Effekt wird verstärkt durch die Ultraschallkavitation selbst, so dass die Piezokeramik rasch unbrauchbar wird.

Mit der Erfindung wird nun erstmals ein gegenüber Kavitation hoch resistenter Ultraschallzerstäuber zur Zerstäubung einer Flüssigkeit angegeben. Auf die elektrisch anregbare Piezoke- ramik ist eine Schutzbeschichtung aufgebracht, welche Alumi- niumoxid und/oder Zirkonoxid enthält. Es hat sich überra- schender Weise gezeigt, dass eine Schutzbeschichtung, die A- luminiumoxid und/oder Zirkonoxid enthält in hohem Maße Kavi-

tationsresistent ist. Dies ist insbesondere auf die Härte dieser Materialien zurückzuführen.

Von besonderem Vorteil erweist sich auch die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxid und Zirkonoxid. Dadurch kann im Gegensatz zu herkömmlichen Schutzmaßnahmen ein Wärme- stau im Betrieb des Ultraschallzerstäubers sicher vermieden werden, da die Wärme sehr wirksam aus der Schutzbeschichtung abgeführt wird.

Ein weiterer Vorteil ist es, dass Aluminiumoxid und Zirkon- oxid einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Piezokeramik aufweist. Damit gibt es praktisch keine Verspan- nungen nach dem Aufbringen der Schutzbeschichtung bei Tempe- raturänderungen, z. B. wenn sich die Piezokeramik bei einem Trockenlauf stark erhitzt. Somit ist die Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid enthaltende Schutzbeschichtung ein exzel- lentes Anpassmaterial an die Piezokeramik für die Zerstäubung der Flüssigkeit. Aufgrund der Härte von Aluminiumoxid und Zirkonoxid ist neben der Kavitationsresistenz eine hohe Kratzfestigkeit gegeben, was die Wartung und Reinigung der der Flüssigkeit des Ultraschallzerstäubers ausgesetzten Ober- flächen, beispielsweise beim Entfernen von Kalkablagerungen, erleichtert. Ein mechanisches Zerstören der Schutzbeschich- tung und damit des Ultraschallzerstäubers selbst ist mit der Schutzbeschichtung der Erfindung praktisch ausgeschlossen.

Die kavitationsresistente Schutzbeschichtung kann dabei auch als Schichtsystem mit mehreren Schichten ausgestaltet sein, wobei zumindest eine der Schichten der Schutzbeschichtung A- luminiumoxid und/oder Zirkonoxid aufweist.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist die Schutzbe- schichtung eine Aluminiumoxidschicht oder eine Zirkonoxid- schicht auf, die auf der in die Flüssigkeit abstrahlende Sei- te der Piezokeramik aufgebracht ist. Damit wird insbesondere die der zu zerstäubenden Flüssigkeit direkt ausgesetzte Ober-

fläche des Ultraschallzerstäubers besonders gegen Kavitati- onseffekte geschützt.

Vorzugsweise ist die Schutzbeschichtung mittels eines Kleb- stoffs, insbesondere ein Epoxidharzkleber, auf eine der zu zerstäubenden Flüssigkeit zugewandten Oberfläche aufgeklebt.

Die Klebeverbindung ermöglicht ein besonders sicheres und langzeitstabiles Aufbringen der Schutzbeschichtung auf die Oberfläche. Dadurch ist auch eine gute Ankopplung der Schutz- beschichtung an die vor Kavitationseffekten zu schützende Piezokeramik gegeben. Die Oberfläche auf der die Schutzbe- schichtung aufgeklebt wird, kann dabei eine Oberfläche der Piezokeramik selbst sein oder aber vorzugsweise eine Oberflä- che einer auf der Piezokeramik aufgebrachten elektrisch leit- fähigen Kontaktschicht, welche aus als Elektrode zur Einkopp- lung einer Hochfrequenz dient. Alternativ kann neben einer Klebeverbindung die Ankopplung der Schutzbeschichtung auch über eine Wasserschicht oder eine Ölschicht erfolgen.

Bevorzugt weist die Schutzbeschichtung eine Dicke zwischen 0, 01 mm und 10 mm auf. Insbesondere beträgt die Dicke der Schutzbeschichtung 180 um. Eine solche Schutzbeschichtung wird im Falle einer Klebeverbindung über eine Klebeschicht von ca. 1 um bis 100 um, insbesondere 5 pm, mit der elekt- risch anregbaren Piezokeramik fest verklebt.

In bevorzugter Ausgestaltung weist der Ultraschallzerstäuber zur Schwingungsanregung der Piezokeramik eine Elektrode auf, über die eine Hochfrequenz einkoppelbar ist. Hierzu sind bei- spielsweise metallische Hochfrequenzelektroden auf die Piezo- keramik aufgebracht. Die Metallisierung kann dabei herstel- lungstechnisch auf verschiedene Weisen aufgebracht sein.

Durch Aufdampfen bzw. Sputtern von reinen Metallen oder Me- talllegierungen, durch Aufdrucken von metall-oder kohlen- stoffhaltigen leitfähigen Druckpasten, z. B. mittels eines Siebdruckverfahrens mit oder ohne anschließendem Einbrennvor-

gang. Ebenso kann eine Leitlackbeschichtung mittels eines Sprühvorgangs, eines Druckvorgangs etc. durchgeführt werden, um eine Elektrode auf die Piezokeramik aufzubringen.

Die Elektrode selbst ist dabei bevorzugt als eine Metall- elektrode aus Gold, Silber oder Kupfer oder als eine Graphit- elektrode ausgestaltet. Beispielsweise wird eine Silberelekt- rode in Form einer Metallisierung mit einer Dicke von 5 bis 10 um realisiert. Alternativ kann eine Goldelektrode mit ei- ner Dicke von kleiner als 1 um vorgesehen sein, über die eine Hochfrequenz zur Anregung der Piezokeramik ankoppelbar ist.

Vorzugsweise ist die Piezokeramik als Piezokeramikscheibe mit einem Durchmesser zwischen 2 mm und 200 mm ausgestaltet.

Die Dicke der Piezokeramikscheibe ist dabei bevorzugt größer als 1 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 50 mm.

Der Ultraschallzerstäuber gemäß der Erfindung findet bevor- zugt Anwendung in einer Zerstäubervorrichtung zur Erzeugung eines Sprühnebels mit einem Gehäuseteil zur Aufnahme einer zu zerstäubenden Flüssigkeit.

Eine derartige Zerstäubervorrichtung umfasst eine Ultra- schall-Flüssigkeitszerstäuber-Einheit mit einer Piezokeramik- scheibe, die zu Hochfrequenzschwingungen angeregt wird und unterschiedliche Flüssigkeiten zerstäuben kann. Die zerstäub- te Flüssigkeit-auch Aerosol genannt-besteht zum größten Teil aus Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 15 pm. Mit einer derartigen Zerstäubervorrichtung bestehen gegenüber herkömmlichen Systemen erhebliche Vorteile. Von besonderem Vorteil erweist sich der in der Zerstäubervorrichtung vorge- sehene Ultraschallzerstäuber gemäß der Erfindung, dessen Schutzbeschichtung auf der Piezokeramik enthaltend Aluminium- oxid und/oder Zirkonoxid aufgrund der Kavitationsresistenz und der günstigen Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten

an das Substrat eine deutlich erhöhte Zuverlässigkeit bei ge- steigerten Standzeiten aufweist.

Eine derartige Zerstäubervorrichtung ist insbesondere zur Zerstäubung von Wasser, beispielsweise für Luftbefeuchter, Kleinklimakammern, Klimaanlagen, Terrarien und Luftwäscher geeignet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figu- ren dieselbe Bedeutung haben. Dabei zeigen schematisch und nicht maßstäblich FIG 1 einen Ultraschallzerstäuber mit einer Schutzbeschich- tung gemäß der Erfindung, FIG 2 eine Zerstäubervorrichtung mit einem Ultraschallzer- stäuber.

In FIG 1 ist ein Ultraschallzerstäuber 1 in einer Seitenan- sicht dargestellt. Der Ultraschallzerstäuber 1 ist im Wesent- lichen scheibenförmig ausgestaltet mit einer Zylindersymmet- rie entlang der Symmetrieachse 27. Der Ultraschallzerstäuber 1 besteht aus einer elektrisch anregbaren Piezokeramik 3, welche als Piezokeramikscheibe 13 mit einem Durchmesser Dp ausgestaltet ist. Je nach Anwendungsfall und Einsatz des Ult- raschallzerstäubers 1 kann der Durchmesser De zwischen etwa 2 mm und 200 mm betragen. Größere Abmessungen sind aber ohne weiteres ebenso realisierbar. Die Dicke hp der Piezokeramik- scheibe 13 beträgt zwischen etwa 1, 0 mm und 50 mm. Zur Ein- kopplung einer Hochfrequenz zur elektrischen Anregung der Piezokeramik 3 sind Elektroden 21,23 auf der Piezokeramik 3 aufgebracht. Die Elektrode 21 ist als Silber-Metallisierung mit einer Dicke von 8 um auf die Unterseite der Piezokeramik- scheibe 13 aufgedampft. Auf der entlang der Symmetrieachse 27 der Elektrode 21 gegenüberliegenden Seite der Piezokeramik- scheibe 13 ist die Elektrode 23 als dünne Gold-Metallisierung

mit einer Dicke von etwa 1 um auf die Piezokeramik 3 aufge- dampft. Das Aufbringen der Edelmetallelektroden 21,23 kann hierbei in einem Sputterprozess erfolgen. Die Elektrode 23 weist eine Oberfläche 11 auf, die im Betrieb des Ultraschall- zerstäubers 1 einer in der FIG 1 nicht näher dargestellten zu zerstäubenden Flüssigkeit zugewandt ist.

Um einen wirksamen Schutz vor Ultraschallkavitation für den Ultraschallzerstäuber 1, insbesondere für die Piezokeramik 3 zu erreichen, ist auf der Piezokeramik 3 eine Schutzbeschich- tung 5 enthaltend Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid aufge- bracht. Dabei ist die Schutzbeschichtung 5 mittels eines Klebstoffs 9 auf die Oberfläche 11 aufgeklebt. Als Klebstoff 9 kommt beispielsweise ein Epoxidharzkleber zum Einsatz, der eine Klebeschicht mit einer Dicke von etwa 5 um bildet.

Als äußere Schicht weist die Schutzbeschichtung 5 eine Alumi- niumoxidschicht 7 auf, die auf der in die Flüssigkeit F (vgl.

FIG 2) abstrahlende Seite der Piezokeramik 3 aufgebracht ist.

In alternativer Ausgestaltung kann die Schicht 7 auch eine Zirkonoxidschicht sein. Neben der Aluminiumoxidschicht 7 weist die Schutzbeschichtung 5 eine Zwischenschicht 25 auf, welche an den Klebstoff 9 sowie an die Aluminiumoxidschicht 7 angrenzt. Die Zwischenschicht 25 ist optional und dient ins- besondere einer weiteren Anpassung der Wärmeausdehnungskoef- fizienten zwischen der Aluminiumoxidschicht 7 und der Piezo- keramik 3. Im einfachsten Fall kann die Zwischenschicht 25 ebenfalls aus Aluminiumoxid bestehen. Hierbei kann die Schutzbeschichtung 5 als dünne Scheibe aus Aluminiumoxid aus- gestaltet sein, die mittels des Klebers 9 auf die Oberfläche 11 aufgelebt wird. Somit erfolgt im Betrieb ein Kontakt zu der zu zerstäubenden Flüssigkeit 11 nur über die Aluminium- oxidschicht 7, so dass die Piezokeramik 3 gut geschützt ist.

Überraschenderweise konnte gefunden werden, dass insbesondere Aluminiumoxid für die Zwecke des Schutzes vor Ultraschallka- vitation hervorragend geeignet ist. Aufgrund der Härte von Aluminiumoxid ist dieses Material offenbar besonders Kavita-

tionsresistent. Überdies ist Aluminiumoxid und/oder Zirkon- oxid günstig aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit, so dass bei einer elektrischen Anregung der Piezokeramik 3 ein Wärme- stau innerhalb der Piezokeramik 3 sicher vermieden ist. Von besonderem Vorteil erweist sich, dass Aluminiumoxid einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Piezokeramik 3 aufweist, so dass es keine Verspannungen nach dem Verkleben der Aluminiumoxidschicht 7 oder bei einer Temperaturänderung, z. B. bei einem Trockenlauf des Ultraschallzerstäubers 1, zu verzeichnen gibt. Aufgrund der Härte von Aluminiumoxid und Zirkonoxid ist weiterhin eine hohe Kratzfestigkeit der von der Schutzbeschichtung 5 gebildeten äußeren Oberfläche gege- ben. Bei einer Reinigung des Ultraschallzerstäubers von Abla- gerungen wird somit die Schutzbeschichtung 5 nicht verkratzt, so dass diese sehr langlebig ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in FIG 2 dargestellt. Dabei zeigt FIG 2 schematisch einen Längsschnitt eines Oberteils einer hier nicht näher dargestellten Zerstäu- bervorrichtung 15. In dem dargestellten Längsschnitt erkennt man einen achsensymmetrischen Aufbau der Zerstäubervorrich- tung 15 zu einer eingezeichneten Symmetrieachse 27, welche eine Zylindersymmetrie offenbart. Ein Ultraschallzerstäuber 1 ist in einem Gehäuseteil 19 angeordnet, welches zur Aufnahme einer zu zerstäubenden Flüssigkeit F trichterförmig ausges- taltet ist. In einem Randbereich 29 der Piezokeramik 3 ist ein O-Ring 31 aus Kunststoffvollmaterial angeordnet, der in diesem Betreich den Ultraschallzerstäuber 1 gegen den Gehäu- seteil 19 abdichtet. In diesem Bereich wird der Ultraschall- zerstäuber 1 mittels eines Gegenlagers (Sprengring) 33 gehal- ten und zugleich positioniert. Im Bereich des Strahlungszent- rums 35 der Piezokeramik 3 weist das Gehäuseteil 19 eine im Ausführungsbeispiel kreisrunde Öffnung 37 auf, durch die zu erstäubende Flüssigkeit F mit einer Oberfläche des Ultra- schallzerstäubers 1 wechselwirkt. Diese äußere Oberfläche des Ultraschallzerstäubers 1 ist durch eine Aluminiumoxidschicht 7 gebildet, die mittels des Klebers 9 mit der elektrisch an-

regbaren Piezokeramik 3 fest verbunden ist. Die elektrische Anregung der Piezokeramik 3 erfolgt über ein Hochfrequenz- feld, welches mittels in der FIG 2 nicht näher dargestellten Elektroden eingekoppelt wird. Im Bereich der Ränder der Öff- nung 37 wird ein Zwischenraum 41 zwischen dem Ultraschallzer- stäuber 1 und dem Gehäuseteil 19 von einem Silikonschaum 39 abgedichtet.

Dieses elastische, Gaseinschlüsse aufweisende Material 39 be- wirkt einerseits eine Dichtung gegen die zu zerstäubende Flüssigkeit F und andererseits, dass der von der Piezokeramik 3 abgestrahlte Ultraschall an den Gaseinschlüssen im Silikon- schaum 39 reflektiert wird. Damit kann der im Bereich des Strahlungszentrums 35 abgestrahlte Ultraschall nicht über ei- ne den Ultraschall leitende Dichtverbindung in den Gehäuse- teil eindringen. Dieser kann damit besonders im Bereich der Öffnung 37 nicht durch den abgestrahlten Ultraschall zerstört werden.

Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Zwischenraum 41, der von dem Ultraschallzerstäuber 1, dem Silikonschaum 39, dem O-Ring 31 und dem Gehäuseteil 19 einge- schlossen wird, ganz mit Silikonschaum 39 ausgefüllt sein.

Auf diese Weise wird erreicht, dass bei nicht idealer Dicht- wirkung des Silikonschaums 39 keine Volumina zur Ansammlung von Flüssigkeit und Bakterien im Zwischenraum 41 übrig blei- ben.

Im Betrieb der Zerstäubungsvorrichtung 15 wird der Ultra- schallzerstäuber 1 durch eine Hochfrequenzeinkopplung akti- viert. Dabei steht die zu zerstäubende Flüssigkeit F in Kon- takt mit dem Ultraschallzerstäuber 1. Der Kontakt erfolgt ü- ber die Aluminiumoxidschicht 7, welche aufgrund der Material- wahl eine besonders hohe Kavitationsresistenz aufweist. Hier- durch ist der Ultraschallzerstäuber 1 gegen Zerstörung durch Kavitationseffekte sicher geschützt, wobei insbesondere die Piezokeramik 3 keine Schäden erfahren kann. Somit ist ein be-

sonders langlebiger und besonders zuverlässiger Ultraschall- zerstäuber 1 gegeben, der in der Zerstäubervorrichtung 15 problemlos zum Einsatz kommen kann. Die Schutzbeschichtung 5 kann neben einer Aluminiumoxidschicht 7 auch weitere Schich- ten mit unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen. Von be- sonderer Bedeutung ist, dass aufgrund der Materialwahl die mit der Flüssigkeit F in Kontakt stehende Oberfläche des Ult- raschallzerstäubers 1 durch ein gegenüber Ultraschallkavita- tion resistentes Material gebildet ist. Vorteilhafterweise erfolgt die Materialwahl zusätzlich im Hinblick auf eine mög- lichst gute Anpassung an den Wärmeausdehnungskoeffizienten der durch die Schutzbeschichtung 5 zu schützenden Piezokera- mik 3. Besonders günstig im Hinblick auf diese Anforderungen hat sich eine Schutzbeschichtung 5 auf der Piezokeramik 3 er- wiesen, die Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid enthält.

Mit der Zerstäubervorrichtung 15 ist mit Flüssigkeit F ein Sprühnebel 17 erzeugbar, wie er für medizinische Anwendungen, zur Luftbefeuchtung, und anderen Applikationen besonders vor- teilhaft eingesetzt werden kann.