СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОСТАВКИ МЕДИКАМЕНТА НА ОСНОВЕ СИНТЕЗИРУЮЩЕЙ СТРУИ
METHOD AND SYNTHESISING-JET DEVICE FOR DRUG DELIVERY

Настоящее изобретение относится в целом к области отмеривания, упаковки и доставки фармацевтических препаратов и лекарственных средств. Одно из применений настоящего изобретения обнаруживается при доставке отмеренных и упакованных медицинских препаратов и лекарственных средств в виде сухого порошка для ингаляционной терапии, и оно будет описываться в связи с таким применением, хотя предполагаются и другие применения, включая применения к жидким медицинским препаратам.
Определенные заболевания респираторного тракта, как известно, реагируют на лечение посредством прямого нанесения терапевтических агентов. Поскольку эти агенты доступнее всего в форме сухого порошка, их нанесение удобнее всего осуществляется посредством вдыхания порошкообразного материала через нос или рот. Это порошкообразная форма приводит к лучшему использованию медицинского препарата, при котором лекарственное средство осаждается точно в желаемой области, где может потребоваться его действие; следовательно, очень небольшие дозы лекарственного средства часто являются настолько же эффективными, как и дозы большего размера, вводимые с помощью других средств, с последующим заметным уменьшением вероятности нежелательных побочных воздействий и стоимости медицинского препарата. Альтернативно, лекарственное средство в порошкообразной форме может использоваться для лечения заболеваний, иных, чем заболевания респираторной системы. Когда лекарственное средство осаждается на очень больших площадях поверхности легких, оно может очень быстро поглощаться в поток крови; следовательно, этот способ нанесения может занять место введения посредством инъекции, таблетки или других обычных средств.
В фармацевтической промышленности имеется мнение, что биологическая доступность лекарственного средства является оптимальной, когда частицы лекарственных средств, доставляемые в респираторный тракт, имеют размеры в пределах 1-5 микрон. Когда частицы лекарственного средства должны находиться в этом диапазоне размеров, система доставки сухого порошка должна удовлетворять ряду требований:
(1) Частицы малого размера приобретают электростатический заряд, сами по себе, во время производства и хранения. Это вызывает агломерацию или агрегацию частиц, приводящую к появлению кластеров частиц, которые имеют эффективный размер, больший, чем 5 микрон. Вероятность попадания этих больших кластеров в глубину легких при этом уменьшается. Это, в свою очередь, приводит к тому, что меньший процент лекарственного средства является доступным для поглощения пациентом.
(2) Количество активного лекарственного средства, которое должно доставляться пациенту, может быть порядка нескольких десятков микрограмм. Поскольку современное оборудование для заполнения порошками не может эффективно доставлять аликвоты лекарственных средств в микрограммовых количествах с приемлемой точностью, стандартная практика представляет собой смешивание активного лекарственного средства с наполнителем или агентом, придающим объем, таким как лактоза. Эта добавка также делает лекарственное средство "текучим". В некоторых случаях этот наполнитель иногда называют носителем. Эти частицы носителя часто являются большими по размеру, чем частицы лекарственных средств. Способность ингалятора с сухим порошком к отделению лекарственного средства от носителя является важным рабочим параметром эффективности конструкции.
(3) Частицы активного лекарственного средства с размерами, большими, чем 5 микрон, будут осаждаться либо во рту, либо в глотке. Это вносит еще один уровень неопределенности, поскольку биологическая доступность и поглощение лекарственного средства в этих местах отличаются от легких. Ингаляторы с сухим порошком должны сводить к минимуму осаждение лекарственного средства в этих местах, для уменьшения неопределенности, связанной с биологической доступностью лекарственного средства.
Известные из литературы ингаляторы с сухим порошком (DPI) обычно имеют средства для введения лекарственного средства (активного лекарственного средства плюс носитель) в поток воздуха высокой скорости. Поток воздуха высокой скорости используется в качестве первичного механизма для разрушения кластера частиц микронных размеров или отделения частиц лекарственного средства от носителя. Несколько ингаляционных устройств, пригодных для распределения этой порошкообразной формы медицинского препарата, известны из литературы. Например, в патентах США №№ 3507277; 3518992; 3635219; 3795244 и 3807400 описываются ингаляционные устройства, имеющие средства для прокалывания или удаления верхней части капсулы, содержащей порошкообразный медицинский препарат, который при ингаляции высвобождается из проколотой или лишенной верхней части капсулы в рот пользователя. Несколько этих патентов описывают средства создания воздушного потока, которые при ингаляции способствуют распределению порошка из капсулы, так что не является необходимым полагаться только на вдыхаемый воздух для отсоса порошка из капсулы. Например, в патенте США № 2517482, описывается устройство, имеющее капсулу, содержащую порошок, помещаемую в нижнюю камеру перед ингаляцией, где она прокалывается посредством нажатия вручную на шип для прокалывания пользователем. После прокалывания, начинается ингаляция и капсула перемещается в верхнюю камеру устройства, где она перемещается практически во всех направлениях, вызывая распределение порошка через проколотое отверстие и во вдыхаемый поток воздуха. Патент США № 3831606 описывает ингаляционное устройство, имеющее множество шипов для прокалывания, средство создания воздушного потока, и встроенный источник питания для работы средства создания воздушного потока, посредством внешних манипуляций вручную, так что при ингаляции средства создания воздушного потока способствуют распределению порошка в поток вдыхаемого воздуха. Смотри также патент США № 5458135.
Эти устройства, известные из литературы, создают несколько проблем и имеют несколько недостатков. Например, эти известные из литературы устройства требуют, чтобы пользователь прикладывал значительные усилия при ингаляции для осуществления распределения или извлечения порошка из проколотой капсулы во вдыхаемый поток воздуха. У этих устройств, известных из литературы, отсос порошка через проколотые отверстия в капсуле, вызываемый вдыханием, как правило, не извлекает весь порошок или даже его большую часть из капсулы, таким образом, вызывая потери медицинского препарата. Также, такие устройства, известные из литературы, могут приводить к вдыханию неконтролируемых количеств или комков порошкообразного материала в рот пользователя, вместо постоянного вдыхания контролируемых количеств мелкодисперсного порошка.
Приведенное выше описание современного уровня техники взято в основном из патента США № 3948264, Wilke et al, который описывает устройство для облегчения вдыхания порошкообразного медицинского препарата, которое содержит часть корпуса, имеющую первичный и вторичный входные каналы для поступления воздуха и выходной канал. Вторичный входной канал обеспечивает оболочку для капсулы, содержащей порошкообразный медицинский препарат, и выходной канал сформирован в виде мундштука, выступающего из корпуса. Предусмотрена структура для прокалывания капсулы, которая при активировании формирует одно или несколько отверстий в капсуле, так что при вибрации капсулы под действием электромеханического вибратора, порошкообразное лекарственное средство может высвобождаться из капсулы.
Средства для прокалывания, описанные в Wilke et al, включают в себя три установленные радиально иглы для прокалывания, с пружинами в основе, установленные в трохоидальной камере. При вращении камеры вручную, одновременное радиальное движение игл вовнутрь прокалывает капсулу. Дальнейшее вращение камеры позволяет иглам оттянуться назад посредством их пружинных креплений в их исходные положения для извлечения игл из капсулы. Электромеханический вибратор содержит на его самом крайнем внутреннем конце вибрирующий плунжерный стержень, который выступает в пересечение входного канала и выходного канала. С плунжерным стержнем соединяется механический соленоидный зуммер, чтобы приводить в действие стержень для вибрации. Зуммер питается от электрического элемента с большой энергией и активируется посредством наружного кнопочного выключателя. Согласно Wilke et al, при ингаляции через выходной канал 3 и при одновременном нажатии выключателя 10d для активирования электромеханического вибрационного средства 10 воздух отсасывается через входные каналы 4 и 12, и поток воздуха через вторичный входной канал 4 поднимает капсулу напротив вибрационного плунжерного стержня 10a. Таким образом, капсула быстро вибрирует, при этом порошок псевдоожижается и распределяется из проколотых в ней отверстий. (Эта технология широко используется в производстве для распределения порошка через лоток, когда лоток вибрирует для псевдоожижения порошка и его перемещения через выход лотка. Проколотые отверстия в капсуле представляют собой выход лотка.) Поток воздуха через входной канал 4 и 12 способствует извлечению порошка из капсулы и переносит этот порошок через выходной канал 3 в рот пользователя. Wilke et al, кроме того, описывают, что средства электромеханического вибратора могут располагаться под прямым углом ко входной камере и что амплитуда и частота вибраций может изменяться для регулировки характеристик распределения ингалятора.
Известные из литературы устройства имеют ряд недостатков, которые делают их менее желательными при доставке сухого порошка в легкие. Некоторые из этих недостатков представляют собой следующее.
- Работа известных из литературы ингаляторов зависит от скорости потока, генерируемого пользователем. Понижение скорости потока не приводит к полной дезагрегации порошка и, следовательно, отрицательно влияет на дозу, доставляемую пациенту.
- Разброс по биологической доступности лекарственных средств от дозы к дозе из-за отсутствия воспроизводимости процесса дезагрегации.
- Большие потребности в энергии для приведения в действие ингаляторов на электромеханической основе, что увеличивает размер устройств, делая их непригодными для переносного использования.
- Потери медицинского препарата из открытых или лишенных верхней части капсул.
- Потеря свойств медицинского препарата в открытых или лишенных верхней части капсулах из-за доступа кислорода или влажности.
В предыдущих патентах США №№ 6026809 и 6142146 автором (вместе с Abrams) предусмотрен ингалятор, который использует вибратор для облегчения суспендирования медицинского препарата или лекарственного средства в газе, что преодолевает указанные выше и другие недостатки и неудобства описанного выше современного уровня техники. Более конкретно, ингалятор согласно указанному выше патенту автора содержит пьезоэлектрический вибратор для дезагрегации медицинского препарата или лекарственного средства и превращения дезагрегированного медицинского препарата или лекарственного средства в суспензию. В одном из вариантов осуществления патента '809, описанного на фиг.3, ингалятор 10 содержит твердый пластиковый или металлический корпус 18, имеющий в разрезе, в целом, L-образное продольное сечение. Корпус 18 содержит четыре отверстия 20, 28, 30 и 32 для потоков воздуха. Ингалятор 10 содержит главный проход 26 для потока воздуха, который простирается по длине корпуса 18 от передней части 22 (отверстие 20) до его задней части 24 (отверстие 28) и имеет поперечное сечение, в целом, квадратной формы с тем, чтобы сделать возможным поток воздуха через него (обозначенный стрелкой F на фиг.1).
Вторичный проход для воздуха 31 имеет, в целом, L-образную форму и проходит в продольном направлении от отверстия 30 в задней поверхности 24 корпуса 18 до главного прохода 26. Односторонний перепускной клапан 50 установлен на внутренней поверхности 33 главного прохода 26 посредством обычного механизма подвеса с пружинным смещением (не показан), который приспособлен для полного блокирования потока воздуха S через проход 31 в главный проход 26 посредством клапана 50, когда давление потока воздуха F в главном проходе 26 ниже заданного порога показателя при ингаляции пользователя через проход 26.
Камера 51 для распределения порошка формируется в корпусе 18 для удерживания капсулы 34, содержащей порошкообразный медицинский препарат, который должен вдыхаться. Корпус 18 содержит перемещаемую деталь 32 панели в задней части 24, чтобы сделать возможным введение капсулы 34 в камеру 51 и ее размещение на опорной поверхности 52 вибрационного элемента 36 между направляющими средствами 60A, 60B. Предпочтительно, элемент 36 содержит твердую пластиковую или металлическую защитную оболочку 37, окружающую пьезоэлектрический вибратор (не показан). Предпочтительно, пьезоэлектрический вибратор механически соединяется с картриджем 34 с лекарственным средством с тем, чтобы сделать возможным передачу максимальной энергии вибраций от вибратора к картриджу 34. Направляющие средства 60A, 60B содержат две поверхности, которые скошены вниз, по направлению к опорной поверхности 52 с тем, чтобы сделать возможным простое введение и удерживание капсулы на опорной поверхности 52 в камере 51. Съемная панель 32 содержит другой вход 34 для воздуха, чтобы сделать возможным дополнительный поток воздуха S2 из камеры 51 через проход 61 в проход 31 во время вдыхания пользователем. Предпочтительно, панель 32 и корпус 18 содержат обычные совмещающиеся средства для установки (не показаны), чтобы дать возможность удаления панели 32, с повторным закреплением на корпусе пользователем, между введением свежих (то есть полностью заполненных) капсул и удалением использованных (то есть пустых) капсул.
Пьезоэлектрический элемент изготавливают из материала, который имеет высокую, а предпочтительно, ультразвуковую резонансную частоту колебаний (например, примерно от 15 до 50 кГц), и вибрации которого, с конкретной частотой и амплитудой, зависят от частоты и/или амплитуды возбуждающего электричества, приложенного к пьезоэлектрическому элементу. Примеры материалов, которые могут использоваться в пьезоэлектрическом элементе, включают в себя кварц и поликристаллические керамические материалы (например, титанат бария и цирконат титанат свинца). Преимущественно, посредством колебаний пьезоэлектрического элемента на ультразвуковых частотах, шум, связанный с колебаниями пьезоэлектрического элемента на более низких (то есть неультразвуковых) частотах может быть устранен.
При работе упаковка 34, содержащая лекарственное средство, протыкается и вставляется на поверхность 52 вибратора 36 в камере 51 способом, описанным ранее. Переключатель питания переводится в положение "Включено" и пользователь вдыхает воздух через проход 26, поток воздуха F генерируется через проход 26. Это вызывает отклонение одностороннего клапана 50, чтобы сделать возможным поток воздуха S через отверстие 30 в проход 26, а также вызывает поток воздуха S2 через отверстие 34 и камеру 51 в проход 26. Вдыхание потока воздуха F регистрируется датчиком 40 и сигнализируется контроллеру исполнительного механизма (не показан), который вызывает подачу мощности контроллеру (не показан). Затем контроллер устанавливает амплитуду и частоту возбуждающего напряжения, прилагаемого к пьезоэлектрическому элементу, до тех пор, пока они не будут оптимизированы для наилучшей возможной дезагрегации и суспендирования порошка P из капсулы в потоке воздуха F посредством потока воздуха S.
В предпочтительном варианте осуществления указанных выше патентов автора '809 и '146 медицинский препарат или лекарственное средство подается из спиральной ленты, имеющей множество отдельных друг от друга блистеров или лунок для размещения контролируемых аликвот медицинского препарата или лекарственного средства в виде сухого порошка.
Настоящее изобретение предусматривает ингалятор с сухим порошком, который использует технологию синтезирующих струй для получения аэрозоля порошка лекарственного средства из блистерной упаковки или чего-либо подобного. Синтезирующие струи не являются новыми. Обнаружено, по меньшей мере, не позже 1950 года, что если используют камеру, ограниченную на одном краю устройством, генерирующим акустическую волну, и ограниченную на другом краю жесткой стенкой с малым отверстием, что, когда акустические волны испускаются из генератора с достаточно высокой частотой и амплитудой, может быть получена струя воздуха, которая исходит из отверстия наружу из камеры. См., например, Ingard and Labate. Acoustic Circulation Effects and Nonlinear Impedance of Orifices, The Journal of Acoustical Society of America, March 1950. Струя, или так называемая "синтезирующая струя", состоит из последовательности вихревых клубов воздуха, которые формируются в отверстии на частоте генератора. Однако использование синтезирующей струи для дезагрегации и выброса материала сухого порошка из блистерной упаковки или чего-либо подобного в ингаляторе с сухим порошком является новым и обеспечивает преимущества по сравнению с ингаляторами с сухим порошком, известными из литературы.
Более конкретно, настоящее изобретение предусматривает ингалятор с сухим порошком, имеющий первую камеру для удерживания сухого порошка и вторую камеру, соединенную с первой камерой посредством прохода, для приема аэрозольной формы сухого порошка из первой камеры и для доставки сухого порошка в виде аэрозоля пользователю. Вибратор соединен с сухим порошком в первой камере. Поскольку эффективность образования струи уменьшается как аспектное отношение (длины к поперечному сечению или диаметру) прохода для создания синтезирующей струи, проход, соединяющий первую камеру со второй камерой предпочтительно, но необязательно имеет аспектное отношение, равное, по меньшей мере, примерно единице, и вибратор возбуждается и соединяется с первой камерой таким образом, что расстояние, которое проходит газ туда и обратно в проходе, составляет, по меньшей мере, примерно удвоенное поперечное сечение или диаметр прохода.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, первая камера формируется в форме цилиндра или блистера, либо с вибрационным элементом, формирующим одну из стенок камеры, либо вибрационный элемент формируется отдельно от камеры и соединяется с блистером.
Во втором варианте осуществления первая камера формируется в форме рупора, при этом либо вибрационный элемент формирует одну из стенок камеры, либо вибрационный элемент соединяется со стенкой камеры посредством столба газа.
В третьем варианте осуществления первая камера формируется в форме рупора, и резонатор со стоячей волной соединяется со стенкой камеры.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут видны из следующего далее подробного описания в сочетании с прилагаемыми чертежами, где:
Фиг.1 представляет собой общий вид одного из вариантов осуществления ингалятора, известного из литературы;
Фиг.2 представляет собой схему, показывающую взаимосвязь между блистером, содержащим медицинский препарат, и синтезирующей струей по настоящему изобретению;
Фиг.3 представляет собой схематический вид в разрезе камеры и вибрационного элемента в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3a представляет собой вид в разрезе увеличенной части элемента на фиг.3;
Фиг.3b представляет собой вид, подобный фиг.3a, альтернативного варианта осуществления элемента камеры, изготовленного в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.4 представляет собой схематический вид в разрезе камеры и вибрационного элемента в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.5 представляет собой схематический вид в разрезе камеры и вибрационного элемента в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения; и
Фигуры 6-9 представляют собой виды, подобные фиг.5, других вариантов осуществления настоящего изобретения.
Обращаясь к фиг.2, в основном, ингалятор 205 в соответствии с настоящим изобретением содержит вибратор, например, пьезоэлектрический элемент 204, первую камеру 203 и вторую камеру 202, соединенные посредством прохода 201. Проход 201 имеет такой размер и форму, что возвратно-поступательное или колебательное перемещение вибратора, соединенного со стенкой первой камеры или формирующего ее, заставляет газ в первой камере перемещаться вперед и назад через проход 201, так что по существу одинаковая масса газа перемещается в каждом направлении, в то время как вихри газа формируются и покидают проход 201, так что имеется суммарный поток газа из выходного края прохода 201, то есть синтезирующая струя газа создается посредством вихрей. Вибратор 204, который в рабочем состоянии соединяется с первой камерой либо непосредственно, либо посредством закрытой трубы 206 с газом, создает вибрации в камере, которые генерируют синтезирующую струю на выходном краю прохода 201. Сухой порошок 210 в камере левитирует, по меньшей мере, частично, дезагрегируется в форме частиц внутри первой камеры 203 и суспендируется в газе в камере с формированием аэрозоля 212. Полученный аэрозоль переносится в проход 201, где, по меньшей мере, часть частиц суспендированного сухого порошка проходит через проход 201, не возвращаясь в первую камеру, тем самым, находясь в сообщении между первой камерой 203 и второй камерой 202. Процесс продолжается до тех пор, пока большая часть сухого порошка не покинет первую камеру 203.
Хотя синтезирующие струи могут формироваться вне пределов следующих далее параметров, и таким образом, не исключаются из рамок настоящего изобретения, предпочтительные параметры формирования синтезирующих струй по настоящему изобретению являются следующими.
1. Аспектное отношение прохода, то есть отношение длины к поперечному сечению или диаметру прохода, предпочтительно составляет, по меньшей мере, 0,5, а предпочтительно примерно равно или больше единицы. Это аспектное отношение помогает обеспечить то, что масса газа, которая перемещается вперед и назад в проходе, формируется как отдельные, четко сформированные порции воздуха.
2. Расстояние, которое газ проходит вперед и назад через проход, предпочтительно является большим, чем, примерно, удвоенное поперечное сечение или диаметр прохода. Это обеспечивает то, что сухой порошок, дезагрегированный посредством созданного вихря, имеет шанс покинуть область вихря до того, как газ переместится назад через проход.
3. Турбулентность, связанная с вихрями и возвратно-поступательным движением газа в камере и проходе, сводится к минимуму для усиления потока синтезирующей струи. Таким образом, поверхности прохода и фланцевой области вокруг выходов на обоих краях прохода 201 предпочтительно делаются свободными от шероховатостей и других препятствий.
4. Проход имеет диаметр поперечного сечения в пределах от 0,001 дюйма до 0,050 дюйма.
Чтобы обеспечить то, что расстояние, которое газ проходит вперед и назад через проход 201, является большим, примерно, чем удвоенное поперечное сечение или диаметр прохода 201, некоторая минимальная удельная мощность (или величина изменения давления) должна присутствовать в проходе 201. Можно генерировать минимальную удельную мощность, просто вызывая достаточно интенсивные колебания в первой камере 203. Оптимально, первая камера 203 может содержать резонатор, например, пружинно-массовый резонатор или резонатор со стоячей волной, и/или рупор, который используется для концентрации энергии вблизи прохода и перемещения газа между первой камерой и второй камерой.
Как будет описано ниже, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, первая камера 203 и проход 201 содержат предварительно сформированную блистерную упаковку, содержащую медицинский препарат или лекарственное средство в виде сухого порошка.
Обращаясь к фигурам 3 и 3a, блистерная упаковка 300, изготовленная в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, формируется из материала 305 трехслойного ламината, содержащего лист 306 из ориентированного полиамида снаружи, средний слой из алюминиевой фольги 307 и лист 308 из поливинилхлорида с внутренней стороны. Трехслойный ламинат 305 имеет толщину примерно 0,005 дюйма и получается посредством холодной штамповки в виде элемента 309 основания с лунками или нижнего элемента, имеющего, в целом, плоское дно 310 диаметром примерно 0,194 дюйма, общую высоту примерно 0,270 дюйма и диаметр, в самом широком месте, примерно 0,350 дюйма. Альтернативно, блистерная упаковка может формироваться с плоским дном 320, как показано на фиг.3b. Дно или основа частично заполняется сухим порошком, и верхняя часть 312, также сформированная из трехслойного ламината, термически герметизируется вместе с нижней частью. Четыре отверстия 320 диаметром примерно 0,012 дюйма формируют в верхней части блистера на расстоянии примерно 0,056 дюйма от оси первой камеры.
Дно 310 блистерной упаковки 300 размещают в контакте с пьезоэлектрическим преобразователем Murata MA40E7S 314 (Murata Electronics North America, Inc., Smyrna, GA). Примерно 0,006 дюйма лицевой поверхности 316 преобразователя удаляют для настройки пьезоэлемента на резонансную частоту примерно 34 кГц. Преобразователь приводится в действие при 34 КГц с помощью напряжения 150 Vpp (Вольт за период). Резонатор со стоячей волной создается внутри блистера. Струи, примерно 200 футов в минуту, измеряют с помощью анемометра с нагревающейся проволокой (VWR International catalog #21800-024), при этом создаются хорошее удаление и дезагрегация сухого порошка из блистера.
Фиг.4 иллюстрирует второй вариант осуществления настоящего изобретения, в котором используются акустические рупоры для перемещения газа в камере из первой камеры во вторую камеру. Во втором варианте осуществления, камера для распределения порошка содержит первую камеру 400 цилиндрической формы, изготовленную из материала, такого как поликарбонат. Вибрационный элемент 408 соединяется с проксимальным краем первой камеры 400, тем самым, вызывая изменения величины давления, сообщаемые посредством вибратора 408 дистальному краю 410 камеры 400. Полученные изменения давления формируют синтезирующую струю, которая распределяет порошок из первой камеры 400 во вторую камеру 404 через проход 412.
Несколько экспериментальных профилей конических рупоров изготавливают из поликарбоната для исследования скорости струй, создаваемых первой камерой в форме рупора. В первом примере, показанном на фиг.5, дно 502 рупора 504 имеет диаметр примерно 0,400 дюйма и соединяется с вибрирующей поверхностью 506 пьезоэлектрического преобразователя 508 Murata MA40E7S, у которого удаляют материал с вибрирующей поверхности (лицевая поверхность), так что он имеет резонансную частоту 30,4 КГц. Вибрирующая поверхность преобразователя при этом формирует нижнюю стенку первой камеры. Длина рупора, то есть от его дна 502 до вершины 510 равна 0,204 дюйма. Верхняя часть 510 рупора имеет диаметр 0,1 дюйма. Кусок поликарбонатного регулировочного материала 512 толщиной 0,0125 дюйма приклеивают к вершине рупора. Отверстия 514 диаметром 0,012 дюйма формируют в регулировочном материале, так что оно приблизительно совмещается с осью 516 рупора. Эта конфигурация дает резонанс со стоячей волной приблизительно при 30 кГц. Преобразователь приводится в действие на 29,8 кГц и 54 Vpp, и соответствующая скорость струи 1030 футов в минуту измеряется на отверстии 514. При более высоком напряжении 120 Vpp измеряется скорость струи 1640 футов в минуту. В обоих случаях скорость струи выше, чем необходимо для достижения хорошего удаления и дезагрегации порошка из первой камеры,
Обращаясь к фиг.6, другой профиль рупора конической формы изготавливают из алюминия. Дно 602 рупора имеет диаметр примерно 0,400 дюйма и соединяется с вибрирующей поверхностью 604 пьезоэлектрического преобразователя 606 Murata MA40E7S, у которого с вибрирующей поверхности удаляют материал (лицевая поверхность), так что он имеет резонансную частоту 30,4 кГц. Между вибрирующей поверхностью 604 пьезоэлектрического преобразователя и рупором располагается тонкая ламинированная пленка 608, содержащая ориентированный полиамид снаружи, алюминий и поливинилхлорид внутри, пленка содержит акустическое окно. Трехслойный ламинат имеет толщину примерно 0,001 дюйма и находится на расстоянии примерно 0,01 дюйма от вибрирующей поверхности пьезоэлектрического преобразователя. В результате, вибрации от преобразователя акустически связываются с внутренним пространством рупора.
Расстояние между верхней поверхностью пленки 606 и нижним краем рупора 602 составляет 0,204 дюйма. Верхний край рупора 602 заканчивается стенкой 614, которая имеет толщину 0,010 дюйма и в которой формируются 4 отверстия 610, каждое - диаметром 0,012 дюйма, на расстоянии от оси 612 рупора 0,056 дюйма. Получают резонансную частоту стоячей волны 31,0 КГц. Преобразователь приводится в действие при 31,0 КГц с помощью возбуждающего напряжения 54 Vpp, которое создает скорость струи 434 фута в минуту. Когда возбуждающее напряжение увеличивается до 120 Vpp, скорость струи увеличивается до 1381 футов в минуту. В обоих случаях, скорость струи является более чем адекватной для дезагрегации и удаления сухого порошка из камеры.
В третьем варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг.7, первая камера 702 конической формы имеет длину рупора (измеренную вдоль его оси 704) 0,204 дюйма. Эта конфигурация обеспечивает одновременно преимущество резонатора со стоячей волной и увеличение амплитуды давления рупора, для дополнительного уменьшения амплитуды изменений давления, необходимой для того, чтобы вибратор создавал синтезирующие струи. В этом варианте осуществления, вибратор 706 соединяется в рабочем состоянии с гибкой стенкой 710 первой камеры 702, то есть, как показано на фиг.7. Альтернативно, как показано на фиг.8, вибратор 806 может акустически соединяться с первой камерой 808 через газовую трубу 810 к акустическому окну 812, то есть к участку первой камеры 802, который является достаточно тонким и гибким, так что большая часть энергии колебаний будет переноситься от одной стороны на другую сторону участка. В этом варианте осуществления, является выгодным доведения до минимума зазора между вибратором 806 и акустическим окном 812, так что упругая постоянная, представленная средой в газовой трубе 812 имеет такой же порядок, как та, которая представлена акустическим окном 812. Таким образом, потери энергии, связанные с использованием акустического окна, сводятся к минимуму.
В одном из вариантов третьего варианта осуществления, показанном на фиг.9, стенка 902 первой камеры 904 может формироваться посредством вибратора, например, посредством изготовления стенки из поляризованной пленки PVDF (поливинилиденфторида) или чего-либо подобного и приложения переменного напряжения поперек пленки PVDF, так что пленка PVDF изгибается и генерирует волны давления.
Хотя выше описаны цилиндрические и конические формы, камеры могут изготавливаться в различных формах. Во всех случаях, одна стенка камеры должна быть плоской или приблизительно плоской или, по меньшей мере, иметь, в целом, уплощенную или слегка закругленную поверхность для согласования или соединения с вибрационным элементом.
В каждом из описанных выше вариантов осуществления, в дополнение к рассмотренным вибраторам вибрационные элементы могут представлять собой пьезоэлектрический преобразователь, электродинамический преобразователь (громкоговорители) или магнитострикционный преобразователь, подобные тем, которые используют в ультразвуковых ваннах для очистки. Можно также использовать возвратно-поступательный поршневой насос для генерации импульсов газа, которые могут вызывать синтезирующие струи. Любой вибратор и комбинация соединения, пригодные для получения вибраций, необходимых для генерации синтезирующих струй, находятся в рамках настоящего изобретения.
Другие конфигурации являются возможными и по-прежнему находятся в рамках настоящего изобретения. Например, может быть желательным помещение акустического окна в камере для связи энергии от преобразователя посредством рупора с акустическим окном камеры. Этот подход предусматривает два преобразования акустического импеданса, одно (рупор), которое увеличивает акустическое давление, тем самым согласовывая импеданс, обеспечиваемый на акустическом окне, и второе (резонатор Гельмгольца), которое согласовывает акустический импеданс воздуха в камере.
Различные дополнительные изменения могут быть проделаны в приведенном выше без отклонения от сущности и рамок настоящего изобретения и будут понятны специалистам в данной области.