CN100434188C

CN100434188C - 一种静电喷嘴

Info

Publication number: CN100434188C
Application number: CNB2004800040342A
Authority: CN
Inventors: 杰弗里·艾伦
Original assignee: Scion Sprays Ltd
Current assignee: Scion Sprays Ltd
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2024-02-06
Also published as: CN1747789A; GB0303158D0; US20060060683A1; DE602004006231D1; JP2006517468A; AU2004210775A1; EP1592514A1; DE602004006231T2; DE602004006231T8; MXPA05008514A; EP1592514B1; BRPI0407406A; WO2004071670A1; ATE361150T1

Abstract

一种静电喷嘴(1)，其包括一个管道(3)，在使用的时候，液体流经该管道；一个或多个出口(8)，能使得液体流出喷嘴(1)；至少两个当喷嘴工作的时候与液体接触的电极(4、6)，这样当一个合适的电压被供给到上述电极(4、6)的时候，液体粒子就被排放出去；其特征在于上述电极(4、6)中的至少一个带有一个液体接触区域，该区域包括一排紧密排列的非纤维导电元件(13)，它们基本上从电极(6)上突起，以便形成一排单独的电极点，在电极点喷嘴所产生的电场就可以集中。

Description

一种静电喷嘴

技术领域

本发明涉及在任意需更喷射液体的系统中所使用的静电喷嘴。例如，可以用于燃油供应系统、传送药品的溶液、喷射家用化妆液及其他合成溶液的系统中。本申请并不是限定于这些特殊应用，其可以用于在本申请权利要求保护范围内的任何喷嘴上。

背景技术

本发明是通过使用与申请人所知及此处所描述的现有技术完全不同的方法来改善静电喷嘴的喷雾性能。

一般现有技术中的喷嘴包括一个中心电极、一个在上述中线电极周围的外电极，它们彼此之间有足够的距离来形成一个通道，流体粒子流经该通道然后从出口出去。在这种结构中，通常中心电极是高电位而外电极接地。将这些电压反过来也就是将高电压通到外电极上是不现实的，因为在这种情况下，如果操作者意外地接触到了外电极那么就有被电死的危险，或者需要使用附加的绝缘层例如陶瓷外壳，这就增加的不必要的复杂性。因此，现有技术的系统都是将高电位供给中心电极而不是外电极。

图1表示了在现有技术的喷嘴工作时候的一些约束条件。喷雾是在最高电压、排出液体中残留的电压的百分比和电极间距(电极之间距离)之间的一种平衡。在现有技术的系统中，随着电极间距增加，最高电压也增加，但是在排除液体中残留的临界电压却减少了，这样就导致超过特定喷嘴的给定电极间距的喷雾恶化。

本发明的一个目的就是提供一种完全不同的喷嘴，其可以最大限度地消除现有技术系统中非常苛刻的设计局限。

在本发明的内容中，涉及很多现有技术中的特殊系统，下面将作详细介绍。

一种现有技术是在喷雾系统中使用单个的中心电极，在其液体界面上一个尖点处终止，这样在该点就可以产生很高的电场。美国专利US 6,206,307(Arnold J Kelly)公开了一个这样的系统，其中一个电极呈锥尖状插入到流经的流体中。该专利所公开详细描述到锥尖是用纤维材料制成的，导电纤维沿着电极和机体的轴向延伸，每个这样的纤维都带有一个微小的点，这些点一起构成了锥尖的表面。出口的表面没有任何纤维，并且最好是光滑的。这种特殊的喷嘴通常末端带有一个点，可以跟出口22精确对准。因此，在其制造过程中，就需要非常精确的同心公差。而且，由于种种原因，无法避免在喷嘴的使用过程中，锥尖与出口的对准会发生改变。

另一篇美国专利US 4,627,903(Alan T Chapman)公开了另一种纤维顶尖，其在电极的尖点使用复合片，该复合片包括在非导电(绝缘)矩阵中均匀排列的超微金属纤维。

另一种现有技术系统公开了电极端部为钟形(带有圆形边缘)。该结构通常是用于带有周向出口的喷嘴。带有这种结构的例子可以参见A.J.Kelly于1998年7月在DOE(柴油发动机排放工厂)中发表的论文的附图2。这样电极的另一个例子在US 5,725,151(Robert Hetrick)中公开。

每个这样的钟形电极同上述圆锥形电极都要求很高的同心公差。

上述现有技术中的每种结构都要求很高的公差和根据出口结构要有很精确的电极端形状。

本发明的一个目的是提供一种喷嘴，其电极形状可以广泛用于各种出口结构。因此本发明希望提供一种更加弹性的系统，对公差和顶尖的形状没有特别严格的要求。

本发明的另一个目标是提供一种喷嘴，其设计和制造都有很高的自由度，非常适合批量生产。

本发明的另一个目标是提供一种喷嘴，无论对于多出口喷嘴还是单出口喷嘴，其喷雾性能都有所提高。

发明内容

根据本发明的第一方面，本发明涉及一种静电喷嘴，其包括一个管道，在使用的时候，液体流经该管道；一个或多个出口，能使得液体流出喷嘴；至少两个当喷嘴工作的时候与液体接触的电极，这样当一个合适的电压被供给到上述电极的时候，液体粒子就被排放出去；其特征在于上述电极中的至少一个带有一个液体接触区域，该区域包括一排紧密排列的非纤维导电元件，它们基本上从电极上突起，以便形成一排单独的电极点，在电极点喷嘴所产生的电场就可以集中。

该结构的优点在于其可以省去过于复杂的、要将电极端与特定出口对齐的复杂要求。而且，这种结构的多孔喷嘴可以带有很大半径的端部，而不是象现有技术那样电极端都是尖点或当具有钟形端部的时候所具有的尖锐边缘。这种结构还可以在其出口处获得均匀的喷雾。其制造与上述现有技术的系统相比也大大简化了。

在本发明的第二个方面，本发明涉及一种静电喷嘴，其包括一个管道，在使用的时候，液体流经该管道；一个或多个出口，能使得液体流出喷嘴；至少两个当喷嘴工作的时候与液体接触的电极，这样当一个合适的电压被供给到上述电极的时候，液体粒子就被排放出去；其特征在于上述电极中的至少一个带有一个液体接触区域，该区域包括一个或多个多面的导电元件。

第二方面的优点与第一方面的优点类似。这些优点即使是当喷嘴仅包括一个单独的多面导电元件的时候也存在。多面导电元件的独特优点是特别耐磨，并且因此特别适合雾化高频喷射的液体，并且特别适用于雾化后发生雾化液体爆炸的系统中。

在本发明的第三个方面，本发明涉及一种静电喷嘴，其包括一个管道，在使用的时候，液体流经该管道；一个或多个出口，以使得液体流出喷嘴；至少两个与液体接触的电极，当喷嘴工作的时侯用于排放液体粒子。其中一个或多个出口是电极的一部分，当使用的时候，一个高压被供给到上述电极上，上述电极带有一个液体接触区域，该区域包括一排紧密排列的导电元件，它们基本上从电极上突起，以便形成一排单独的电极点，在电极点喷嘴所产生的电场就可以集中。

该结构就与现有技术完全不同，在现有技术中在出口处的电极表面最好是光滑的，本发明却恰恰相反。而且还要将高压供给出口电极。这样，就消除了很多现有技术中的约束。这种结构的好处在图2中特别表示出来，其中在图1的系统中要求满足的一定范围电极间距就不再需要。在排放流体中残存的排放电压百分比是很高的，而与电极间距几乎无关。因此就可以改善喷雾，并且与现有技术相比就可以有更多的形状。

而且，这里同样具有第一、第二部分所具有的优点。

在本发明的第四个方面，本发明涉及一种静电喷嘴，其包括一个管道，在使用的时候，液体流经该管道；一个或多个出口，能使得液体流出喷嘴；至少两个与液体接触的电极，当喷嘴工作的时候用于排放液体粒子，特征在于一个或多个出口是电极的一部分，当使用的时候，一个高压被供给到上述电极上，上述电极中带有一个液体接触区域，该区域包括一个或多个多面的导电元件。

该结构的优点与上述其他方面的优点类似。当在一个出口的液体接触区域具有一个单个的多面导电元件的时候，就会出现第三部分的优点。

在上述方面的从属方面中，该元件可以是金刚石化合物，或者是具有类似金刚石性能的碳基化合物。使用金刚石或类似化合物的特别优点在于金刚石化合物的细合特性，尤其是考虑其硬度、导电性以及电极本身要保持的特性的时候。

在另一个从属方面中，元件构成了金刚石涂层的一部分。金刚石涂层特别好的原因是其可以用于更多形状的电极，并且特别适合批量生产。

在另一个从属方面中，元件是球壳状分子。其通常具有二十面的或所谓“足球”结构，由数量相同的一组C_m元素构成，其中m＞40。这种结构突出的优点是与金刚石晶体相比不管是否光滑都可以产生喷雾。

在另一个从属方面中，元件是碳64化合物。该附加特征的优点在于它可以改善喷雾，并且使系统更弹生，并适合批量生产。

在另一个从属方面中，一个或多个元件的尺寸是小于500微米。在这个尺寸下，喷嘴的结构可以更有弹性，而不受现有技术中对公差的苛刻要求以及对电极形状的限制。

更为有利的是，一个或多个元件的尺寸可以在10到150微米之间变化。在这些变化中，就进一步提高了弹性。同时保持喷雾的其他优点。制造喷嘴的成本也很低。

在另一个从属方面中，第一电极使用一排上述出口，第二电极与上述第一电极间隔一定距离来允许液本在他门之间通过，上述第二电极的液体接触面带有一排上述元件，元件基本上与上述一排出口正对。这种特殊结构的一个优点是可以通过在喷雾的不同出口之间寻求平衡来进一步改善喷雾。

而且，正对出口之间的一个或多个部分的第二电极的表面是不带有上述元件的。这样形成的喷嘴就可以减少要获得改善的喷雾所必须的元件的数量，并且可以获得很高的生产率。

在另一个从属方面中，第一电极使用一排上述出口，第二电极与上述第一电极间隔一定距离来允许液体在他门之间通过，第一电极还额外带有一排元件。

在这种结构中，就可以获得在出口处更高的电场集中，其可以改善喷雾的品质。

而且，一个或多个出口可以改成得到径流，一排元件可以是与一个或多个出口间隔一定距离的环形，这样就可以使得液体通道穿过一个或多个出口，并且正对该一个或多个出口。

该结构的优点在于其可以环绕一个物体，同时提高液体雾化，同时可以不受现有技术中约束的限制，特别是在使用钟形电极端的时候，不受同心公差的限制。

附图说明

图1表示的是现有技术系统的特性。

图2表示的是本发明结构的特性。

图3表示的是本发明第一实施例中喷嘴的部分截面示意图。

图4表示的是本发明第二实施例中喷嘴的部分截面示意图。

图5表示的是本发明第三实旋例中喷嘴的部分截面示意图。

图6表示的是本发明第四实施例中喷嘴的部分截面示意图。

图7表示的是本发明第五实施例中喷嘴的部分截面示意图。

图8表示的是本发明第六实施例中喷嘴的部分截面示意图。

图9表示的是本发明第七实施例中喷嘴的部分截面示意图。

具体实施方式

图1和图2是对先前部分内容的详细描述。

图3表示了用附图标记1表示的一个静电喷嘴。该喷嘴跟一个液体供应系统2一起工作，供应系统是将液体首先通过一个液体通道3然后供给喷嘴，液体通道是圆形的，并且于喷嘴的纵轴基本同心。液体通道3是位于外壁4和绝缘体5之间。绝缘体包围了中心电极6的外表面，这样就可以使通道3中的液体与中心电极6绝缘。

在通过通道3之后，液体进入雾化室7中。

在外壁4的下部，有用附图标记8表示的一排出口。

高压电源9连接到中心电极6和外壁4上。电源9并没有被限定为任何的特殊结构，其可以是例如直流(DC)或交流(AC)电源。本领域的普通技术人员很自然要选择适当的供应电压，并且如果需要的话，可以在已知的选择中选取任何有用的时效(time dependency)。可以想到的是，在本发明的范围内，带有电源的电极可以是正极或负极。任何这样的改变对于本领域的普通技术人员来说都是显而易见的，因此在这里就不详细说明。

中心电极6的特性是在其端部有一个大半径的曲面，该曲面被金刚石涂层10所覆盖，该涂层覆盖了电极的整个液体接触面。

金刚石涂层10包括例如10微米的金刚石元件11构成，以便形成一个电极点12。当元件是这个尺寸的情况下，涂层的制造过程是机械粘合过程，其中图中一个层状的固定剂13首先被涂到电极表面，以便一排元件11的固定。本领域的普通技术人员还可以用其他公知的工序例如等离子沉淀或气相沉淀来涂覆电极。等离子沉淀过程可以特别用于纳米级的元件固定。

或者，元件11也可以用C₆₄化合物元件14来状替。C₆₄化合物元件14可以大致为圆形，并从电极上突起，以便形成单个的电极点，从而获得提高喷雾所需的较好的电场集中。

本发明还可以采用所谓的“类金刚石”涂层。这可以是采用与金刚石具有类似性能(例如硬度)的碳基化合物。

本发明还可以通过例如蚀刻电极表面的特殊部分来形成与电极本身材质相同的元件，这样，元件就可以从电极上突起，并且其可以是一排单个电极点的一部分，以便集中喷嘴所产生的电场。

图4表示了一个静电喷嘴，其与附图2中相同的元件采用带有单引号的相同附图标记。该实施例的一个区别特征是在外壁4’的内表面使用金刚涂层15。此外，电源9’将高压供给外壁电极4’，同时中心电极接地。虽然金刚石涂层15是喷嘴1’的一个优选结构，但是，实际上本领域的普通技术人员可以选择纤维导电材料来制造，这样就可以产生电压集中，该电压在液体粒子从喷嘴中出来的时候可以传递给他门。在本申请中，液体粒子可以泛指液体的任何部分和流体元，包括所述液体的实际分子或原子。

在这种结构中，在通过每个出口的时候都会发生均匀喷雾。这种结构的结果已经在图2中讨论过了。

图5表示的是另一个实施例的喷嘴16，其带有一个中心电极17、一个绝缘体18和一个外壁19。中心电极17的特性是具有一个锥尖20，锥尖作为设置在金刚石涂层21中的一排元件。

图6表示的是另一种喷嘴22，其带有一个电源23，电源供给中心电极24和外壁电极25的电压不同，以便能驱动流体粒子在二者之间流动。三个出口以如附图标记26来表示。一个在例如金刚石涂层中的元件区域直接对着出口26，用27来表示。第二区域28是直接对着出口29，而第三区域30就直接对着出口31。正对着出口之间的部分32是没有元件的。这种结构可以在获得增加喷雾的同时对于这种多孔的喷嘴来说减少了元件的数量。

图7表示了一种喷嘴33，其带有中心电极34和一个外壁电极35，外壁电极带有出口36，出口可以获得径向的径流。环绕中心电极34的下部，有一个元件环37，其可以使得喷嘴所产生的电场在任意的径向上均匀集中。

图8是另一种带有液体供给系统39和电源40的喷嘴38。电源40将高压供给外电极41，而同时将低压供给中心电极42。外电极41带有很多的出口43、44和45。在外电极41的内表面上，有元件部分46、47和48。这些元件部分构成了一个绕着众多出口的入口的一个环。外电极41在这些部分之间的内表面不带有任何这样的元件。

图9表示的是一个带有三个电极50、51和52的喷嘴49。绝缘件53位于电极50和51之间。这样的结构可以在很多模式下实现电连接。一种电连接的模式是电极52接地，同时一个很高的电压(例如30到40kV)供给电极50并且一个很高的电压(例如6到10kV)供给电极51。另一种电连接模式是将例如30到40kV的高压供给外电极52，同时将一个例如6到10kV的高压供给电极51，电极50接地。另一种操作模式是将高压供给电极52，同时电极50和51接地。在该实施例中，元件部分54靠近出口55。很明显，在本发明的范围内，元件部分54也可以是处在喷嘴出口通道的任意位置。

Claims

1、一种静电喷嘴，其包括一个管道，在使用的时候，液体流经该管道；一个或多个出口，允许液体流出喷嘴；至少两个当喷嘴工作的时候与液体接触的电极，这样当一个合适的电压被供给到上述电极的时候，液体粒子就被排放出去；其特征在于：上述电极中的至少一个带有一个液体接触区域，该区域包括一排紧密排列的非纤维导电元件，它们从电极上突起，以便形成一排单独的电极点，在电极点喷嘴所产生的电场就可以集中。

2、如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是金刚石化合物。

3、如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是具有类似金刚石性能的碳基化合物。

4、如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：所述元件构成了金刚石涂层的一部分。

5、如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是球壳状分子。

6、如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是碳64化合物。

7、如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：一个或多个元件的尺寸小于500微米。

8、如权利要求7所述的喷嘴，其特征在于：一个或多个元件的尺寸在10到150微米之间。

9、如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：第一电极包括一排上述出口，第二电极与上述第一电极间隔一定距离来允许液体在他们之间通过，上述第二电极的液体接触面带有一排上述元件，元件与上述一排出口正对。

10、如权利要求9所述的喷嘴，其特征在于：正对出口之间的一个或多个部分的第二电极的表面不带有上述元件。

11、如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：第一电极使用一排上述出口，第二电极与上述第一电极间隔一定距离来允许液体在他们之间通过，第一电极还额外带有一排元件。

12、如上述任一权利要求所述的喷嘴，其特征在于：一个或多个出口可以用以得到径流，一排元件是与一个或多个出口间隔一定距离的环形，这样就可以使得液体通道穿过一个或多个出口，并且该元件正对该一个或多个出口。

13、一种静电喷嘴，其包括一个管道，在使用的时候，液体流经该管道；一个或多个出口，允许液体流出喷嘴；至少两个当喷嘴工作的时候与液体接触的电极，这样当一个合适的电压被供给到上述电极的时候，液体粒子就被排放出去；其特征在于：上述电极中的至少一个带有一个液体接触区域，该区域包括一个或多个多面的导电元件。

14、如权利要求13所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是金刚石化合物。

15、如权利要求13所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是具有类似金刚石性能的碳基化合物。

16、如权利要求13所述的喷嘴，其特征在于：所述元件构成了金刚石涂层的一部分。

17、如权利要求13所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是球壳状分子。

18、如权利要求13所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是碳64化合物。

19、如权利要求13所述的喷嘴，其特征在于：一个或多个元件的尺寸小于500微米。

20、如权利要求19所述的喷嘴，其特征在于：一个或多个元件的尺寸在10到150微米之间。

21、如权利要求13所述的喷嘴，其特征在于：第一电极包括一排上述出口，第二电极与上述第一电极间隔一定距离来允许液体在他们之间通过，上述第二电极的液体接触面带有一排上述元件，元件与上述一排出口正对。

22、如权利要求21所述的喷嘴，其特征在于：正对出口之间的一个或多个部分的第二电极的表面不带有上述元件。

23、如权利要求13所述的喷嘴，其特征在于：第一电极使用一排上述出口，第二电极与上述第一电极间隔一定距离来允许液体在他们之间通过，第一电极还额外带有一排元件。

24、如权利要求13所述的喷嘴，其特征在于：一个或多个出口可以用以得到径流，一排元件是与一个或多个出口间隔一定距离的环形，这样就可以使得液体通道穿过一个或多个出口，并且该元件正对该一个或多个出口。

25、一种静电喷嘴，其包括一个管道，在使用的时候，液体流经该管道；一个或多个出口，能使得液体流出喷嘴；至少两个与液体接触的电极，当喷嘴工作的时候用于排放液体粒子，特征在于：一个或多个出口是电极的一部分，当使用的时候，一个高压被供给到上述电极上，上述电极带有一个液体接触区域，该区域包括一排紧密排列的导电元件，这些元件从电极上突起，以便形成一排单独的电极点，在电极点喷嘴所产生的电场就可以集中。

26、如权利要求25所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是金刚石化合物。

27、如权利要求25所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是具有类似金刚石性能的碳基化合物。

28、如权利要求25所述的喷嘴，其特征在于：所述元件构成了金刚石涂层的一部分。

29、如权利要求25所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是球壳状分子。

30、如权利要求25所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是碳64化合物。

31、如权利要求25所述的喷嘴，其特征在于：一个或多个元件的尺寸小于500微米。

32、如权利要求31所述的喷嘴，其特征在于：一个或多个元件的尺寸在10到150微米之间。

33、如权利要求25所述的喷嘴，其特征在于：第一电极包括一排上述出口，第二电极与上述第一电极间隔一定距离来允许液体在他们之间通过，上述第二电极的液体接触面带有一排上述元件，元件与上述一排出口正对。

34、如权利要求33所述的喷嘴，其特征在于：正对出口之间的一个或多个部分的第二电极的表面不带有上述元件。

35、如权利要求25所述的喷嘴，其特征在于：一个或多个出口可以用以得到径流，一排元件是与一个或多个出口间隔一定距离的环形，这样就可以使得液体通道穿过一个或多个出口，并且该元件正对该一个或多个出口。

36、一种静电喷嘴，其包括一个管道，在使用的时候，液体流经该管道；一个或多个出口，能使得液体流出喷嘴；至少两个与液体接触的电极，当喷嘴工作的时候用于排放液体粒子，特征在于：一个或多个出口是电极的一部分，当使用的时候，一个高压被供给到上述电极上，上述电极中带有一个液体接触区域，该区域包括一个或多个多面的导电元件。

37、如权利要求36所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是金刚石化合物。

38、如权利要求36所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是具有类似金刚石性能的碳基化合物。

39、如权利要求36所述的喷嘴，其特征在于：所述元件构成了金刚石涂层的一部分。

40、如权利要求36所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是球壳状分子。

41、如权利要求36所述的喷嘴，其特征在于：所述元件是碳64化合物。

42、如权利要求36所述的喷嘴，其特征在于：一个或多个元件的尺寸小于500微米。

43、如权利要求42所述的喷嘴，其特征在于：一个或多个元件的尺寸在10到150微米之间。

44、如权利要求36所述的喷嘴，其特征在于：第一电极包括一排上述出口，第二电极与上述第一电极间隔一定距离来允许液体在他们之间通过，上述第二电极的液体接触面带有一排上述元件，元件与上述一排出口正对。

45、如权利要求44所述的喷嘴，其特征在于：正对出口之间的一个或多个部分的第二电极的表面不带有上述元件。

46、如权利要求36所述的喷嘴，其特征在于：一个或多个出口可以用以得到径流，一排元件是与一个或多个出口间隔一定距离的环形，这样就可以使得液体通道穿过一个或多个出口，并且该元件正对该一个或多个出口。