Ultraschall-Luftbefeuchter

Ein Ultraschall-Luftbefeuchter bringt Wasser in die Luft, ohne es zu kochen. Eine Keramikscheibe unter einer flachen Wasserschicht schwingt weit oberhalb des Hörbereichs, wirft an der Oberfläche eine kleine Fontäne auf und reißt einen Nebel feiner Tröpfchen ab, den ein Lüfter in den Raum bläst. Robert Wood und Alfred Loomis beschrieben 1927 Nebel, den starker Ultraschall erzeugte, und 1951 meldete Friedrich Tillmann in Deutschland ein Patent auf einen Raumluftbefeuchter an, der so arbeitete. Krankenhausvernebler nutzten den Effekt in den 1960er-Jahren, und in den 1970er-Jahren folgten kompakte Geräte für Wohnungen und Büros. Da der Nebel alles mitträgt, was im Wasser ist, muss der Tank sauber bleiben.

Was es ist

Ein Ultraschall-Luftbefeuchter ist ein kleines Gerät, das trockene Raumluft mit Wasser anreichert, als kühler, sichtbarer Nebel. Er erhitzt das Wasser nicht. Eine Scheibe aus Piezokeramik im Boden eines flachen Beckens rüttelt das Wasser mit Schall in einer Tonhöhe, die viel zu hoch zum Hören ist, und die Oberfläche zerfällt in Tröpfchen, die leicht genug zum Schweben sind.

Man benutzt ihn im Winter, wenn geheizte Luft Nase, Rachen, Lippen und Haut austrocknet. Nach demselben Prinzip arbeiten Vernebler im Krankenhaus, die ein flüssiges Medikament in einen Nebel zum Einatmen verwandeln.

Wie es funktioniert

Über der schwingenden Scheibe steigt das Wasser zu einer kleinen Fontäne auf, und von ihrer Spitze löst sich ein Nebel feiner Tröpfchen.

Ein elektronischer Oszillator speist die Keramikscheibe mit Wechselspannung bei ihrer eigenen Resonanzfrequenz. Piezokeramik ändert unter Spannung ihre Dicke, also dehnt sich die Scheibe im Takt des Stroms aus und zieht sich zusammen und schickt einen Schallstrahl nach oben durch das Wasser. Wo der Strahl die Oberfläche trifft, hebt er eine kleine Fontäne an und reißt feine Tröpfchen davon ab. Robert Lang stellte 1962 fest, dass sich die Tröpfchen von den Kämmen feiner Kräuselwellen auf der Oberfläche lösen; eine höhere Frequenz, die kürzere Wellen erzeugt, ergibt daher kleinere Tröpfchen. Ein DeVilbiss-Patent für ein Inhalationsgerät fügt hinzu, dass zu viel Leistung nur einen hohen, dünnen Strahl aufwirft, der wenige Tröpfchen der richtigen Größe liefert.

Ein Lüfter bläst Luft über das Becken und trägt den Nebel durch eine Düse hinaus. Die Tröpfchen verdunsten im Raum, und der Nebel bleibt kühl, weil nichts kocht. Ein größerer Tank füllt das Becken nach, während das Wasser verbraucht wird. Ein Luftbefeuchterpatent von Mikuni Kogyo beschreibt die übliche Anordnung: den Schwinger unter dem Boden des Wasserbehälters, Hochfrequenzgenerator und Motorgebläse im selben Gehäuse.

Was das Wasser enthält, gelangt in den Nebel. Mineralien aus Leitungswasser setzen sich als weißer Staub auf Möbeln ab, und Bakterien oder Schimmelpilze, die in stehendem Wasser wachsen, können eingeatmet werden. Die US-Umweltbehörde EPA zählt Ultraschall- und Zerstäuberbefeuchter zu den Bauarten, die am meisten Mineralien und Mikroorganismen verbreiten.

So geht’s

Ein Docht aus Papiertaschentuch führt der Zerstäuberscheibe Wasser zu, die es als Nebelfahne abgibt.

Ein fertiges Zerstäubermodul zeigt die Wirkung gefahrlos bei Kleinspannung. Das Modul Grove Water Atomization von Seeed Studio zum Beispiel besteht aus einer kleinen Treiberplatine und einer dünnen Scheibe an zwei Drähten. Die Platine erzeugt nur Nebel, solange ihr Steuerpin auf High liegt; sie braucht daher eine Mikrocontroller-Platine, etwa eine Arduino-kompatible mit Grove-Base-Shield, versorgt über den USB-Anschluss eines Computers oder eine USB-Powerbank.

Einen Pappbecher auf etwa die halbe Höhe kürzen und mit destilliertem Wasser füllen. Ein gefaltetes Papiertaschentuch so ins Wasser stecken, dass es als Docht aufrecht steht. Die Scheibe mit der hohlen Seite nach unten auf das Taschentuch legen: Die Unterseite soll das nasse Papier berühren, die Oberseite muss über dem Wasser bleiben. Beide Platinen auf eine trockene Fläche weit weg vom Becher legen und die Treiberplatine mit einem Grove-Kabel an einen digitalen Anschluss des Shields stecken.

Ein kurzes Programm aufspielen, das den Pin dieses Anschlusses auf High setzt, um den Nebel zu starten, und auf Low, um ihn zu stoppen; das Beispielprogramm von Seeed löst bei jeder Berührung eines Berührungssensors einen Nebelstoß aus. Solange der Pin auf High liegt, steigt von der Scheibe eine Fahne aus feinem Nebel auf. Aufhören, sobald das Taschentuch zu trocknen beginnt, dann den Becher leeren und trocknen.

Sicherheit. Die Treiberplatine legt an die Anschlüsse der Scheibe eine Spannung, die weit über ihrer Versorgung liegt, und eine Spule auf der Platine wird heiß: beides nicht berühren, solange die Platine unter Strom steht.

Geschichte und Entwicklung

1927 beschrieben der Physiker Robert Wood und der Bankier und Amateurforscher Alfred Loomis die Wirkungen von sehr starkem hochfrequentem Schall, den sie in Loomis’ Labor in Tuxedo Park im Staat New York erzeugten. Eine Quarzplatte in einem Ölbad, von einem kräftigen Oszillator angetrieben, warf über sich einen Ölhügel auf, und zu den Wirkungen, die sie schilderten, gehörte die Bildung von Emulsionen und Nebeln. 1951 meldete Friedrich Tillmann in Deutschland einen Luftbefeuchter für Arbeitsräume, Wohnungen und Versammlungssäle zum Patent an: Wasser tropfte auf Metallplatten, die Ultraschallköpfe in Schwingung versetzten, und zerfiel zu feinem Nebel, den ein Lüfter, bei Bedarf mit Heizung, in den Raum trug.

Krankenhausvernebler der 1960er-Jahre erzeugten Nebel mit Schall, bevor kompakte Luftbefeuchter in die Wohnungen kamen.

1962 veröffentlichte Robert Lang seine Untersuchung über die Ultraschallzerstäubung von Flüssigkeiten; eine Geschichte der therapeutischen Aerosole von 2017 sieht darin die Einführung des piezoelektrischen Verneblers und vermerkt, dass die frühen Kristalle wenig zuverlässig waren.

William D. Gauthier und Robert J. Della Flora von der DeVilbiss Company in Toledo, Ohio, ließen ein Ultraschallgerät für die Inhalationstherapie patentieren. Die Keramikscheibe schickte den Schall durch eine Schicht Koppelwasser und ein dünnes Kunststofffenster in einen Becher mit Flüssigkeit, und ein Motorgebläse trug den Nebel durch einen Schlauch zum Patienten. Das Patent erwähnt auch, mit dem Aerosol die Feuchte eines Narkosegases zu erhöhen.

In den 1970er-Jahren entstanden kompakte Ultraschall-Luftbefeuchter für Wohnräume. Siemens ließ in Deutschland einen patentieren, dessen Platte ein Transistoroszillator in Schwingung versetzte, mit einem Motorgebläse; er sollte leiser sein als die Geräte mit Flügelrad, deren Lärm in Wohn- und Schlafräumen störte. Die japanische Firma Mikuni Kogyo patentierte einen, der in einem Wohnhaus oder Büro auf dem Boden stehen sollte. Luftbefeuchter sind heute in Haushalten verbreitet. Für die Ultraschallgeräte empfiehlt die EPA destilliertes oder mineralarmes Wasser, tägliches Leeren und Trocknen, Reinigung jeden dritten Tag und eine Raumluftfeuchte von höchstens 50 %.