CN1013173B - 用于飞机喷洒的静电喷洒装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于从定翼飞机上作静电喷洒的装置。这装置包括一个长条状的静电喷洒喷嘴2与电极4，电极靠近喷嘴的喷洒尖缘安装以强化喷洒尘缘处的电场强度使它足够从喷洒尘缘产生喷洒液的液线。为使由飞机运动产生的气流不破坏这些液线，喷洒头与电极布置成这样使该气流部分流经其间。喷洒头与电极成型和布置成这样使当喷洒方向基本上跟气流同向时，一个湍流大气尾流在液线区域内经过。

Description

本发明涉及静电喷洒装置，特别涉及用于飞机喷洒的静电喷洒装置。

静电喷洒的一个优点是那些带电的喷洒物趋向于将喷洒对象裹住。这个优点特别适用于农业喷洒，因为喷洒物将会复盖植物的叶子的两个面，不象常规喷洒那样只喷到外表面或上表面。另外一个特点在于喷洒物吸附到喷洒对象上可降低喷洒物的漂散损失，多一些或绝大部分喷洒物到达预期的对象上，这就降低了喷洒物的总消耗量从而降低了有效作业的费用，并且认为是对保护环境是有好处的。

静电喷洒装置是公知技术，其中的喷头具有一个喷洒尖缘（spraying    edge）、一个导电或半导电表面和运送喷洒液经过该表面到该喷洒尖缘的装置，有一个离开该尖缘设置的电极，以及用以在该表面和该电极之间发生一个高电压的高压供电装置，使得在使用中当被喷洒液体复盖时，在尖缘上的电场强度强化到足够使在尖缘上的液体不可抗拒地被静电力拉出成线（ligament），这些线分散成带电小滴。

这种类型的一个装置公开在中国专利CN    85109673号上。

在CN    85109673中描述的喷洒装置中，两个电极分别安装在两片绝缘材料板件上，形成一个包围着一个长条形的喷咀的腔室。喷咀将液体喷洒通过在两个电极之间的空隙。加压的空气被供应到该腔室内，以将液体小滴从喷咀上吹走，通过空隙吹到外面。

这个装置的一个优点是这些线分散成直径范围非常窄的小滴。这是 最好的，因为如果需要一个特定大小的小滴来运载一种杀虫剂的致死剂量，那么，比较小的小滴由于效力不够而浪费掉，而较大的小滴就需用较大量的杀虫剂来提供同样数目的点。

为了处理大的面积，可以从飞机上进行喷洒。虽然空中静电喷洒例如在欧洲专利申请A1-186353号里有过建议，但是一个未曾论述过的问题是流过飞机的气流所引起的问题。在用来喷洒的定翼飞机中，有一股由于飞机的运动而形成的流过它的气流并且这股气流可能被螺旋桨的滑流增强，速度约为每小时70英里。由这股气流引起的问题是，在静电喷洒头周围的湍流干扰液线的形成从而破坏了该小滴直径的大小范围，甚至阻碍了喷洒。

在CN    85109673中，没有公开过进入一个气流的喷洒。相反，将液体小滴通过空隙吹走的加压空气是在该喷洒装置内发生的，而不是流过该喷洒装置的气流的一部分。

根据本发明的一种用静电喷洒方式将液体喷洒进入一个气流内的装置，该装置包含有喷洒头、该喷洒头具有喷洒尖缘、导电或半导电的表面和将喷洒液供给、分配经该表面输送到喷洒尖缘的装置，还包含有一对在喷洒尖缘下游两侧对置并与喷洒尖缘分隔开设置的电极，以及用以在该表面与电极之间产生高电压的高压电源装置，所述电极包括有导电芯子和具有相应电阻率范围的半绝缘材料构成的外套，所述喷洒头的喷咀组件由其间留有供液槽及在其中之一的内表面上设有喷洒液分配槽的两个部分组成，其中，喷洒头与电极均具有对称翼型状构形，分别支承在固定在翼机机翼后缘的固定夹内，喷洒头与电极的相对位置布置成让部分气流从其间通过，并且两者的形状与相对位置布置导致在喷洒尖缘的部位产生一个足够低的湍流尾流，同时导致喷洒尖缘上的电场在喷洒尖缘被喷洒液复盖着时有足够的增强以使其静电力将处在喷洒尖缘上的喷洒液拉成线、再分散成带电小滴。

本发明的一个实施例将作为实例结合附图进行说明，其中：

图1与图2示出体现本发明的装置装在一架轻型飞机上的总布置;

图3示出体现本发明的装置的剖面;

图3a与图3b示出图3的部分细节;

图4示出另一个实施例的端面图;

图5示出图3实施例的流体运送布置;

图6示出图3实施例的电路。

参看图1与图2，一种长条形的喷洒头2a，2b装在一架轻型飞机3每边机翼的后缘的下面。喷洒头的位置是这样来选择使喷洒头处在大气湍流中并使喷洒物沿基本上平行于气流的方向导出而且不会在飞机的尾翼面上留有任何实质性的份量。喷洒头被支臂6支撑着（图1），支臂接有固定夹8（图3），布置间距约为半米。

图3所示的喷洒头的本体呈翼型状，在其后缘有一长条状喷咀。该本体包括一个头部组件12，通常用绝缘材料制成，和一个喷咀组件14，在这个实施例的情况下是用一种半绝缘材料，例如英国伯明翰塔夫诺尔有限公司出产的商标为“鸢牌”（Kite    Brand）的复合材料来制成。喷咀组件14设有翼型的后缘16。后缘16也起一个喷洒尖缘的作用。喷咀组件14包含固定在一起的两个零件14a与14b，其间夹有薄垫片，在该后缘/喷洒尖缘16后面一点的地方形成一个由该垫片厚度限定的槽18。

在使用过程中，一种液体农业化学品通过该槽18运送，经过一个导电或半导电表面20，跨过一个外表面21，到达喷洒尖缘16，在那里进行喷洒。喷洒尖缘朝向两个相对的电极4之间。

电极4包含一个导电材料的芯子22，上套有一个由半绝缘材料制成的部分26与绝缘材料制成的部分28组成的本体24。本体24的绝缘部分28是用玻璃纤维增强塑料用拉出成型法成形的。本体24的半绝缘部分是一个圆管25，其材料的电阻率在10¹⁰至10¹⁴的范围内，最好是在5×10¹¹ 到5×10¹³欧阻厘米的范围内。合适材料的例子是某些等级的钠玻璃与酚醛/纸复合材料。英国伯明翰塔夫诺尔有限公司出产的、商标为“鸢牌”的复合材料发现特别合适。芯子22是用铁屑或炭粒压成的。圆管25用环氧填料或粘合剂23粘到绝缘部分28上并修整成流线型。

导电或半导电表面20经过一对供电线（未示出）之一连接到一个高压发生器50或52（图6）的一个输出端上。电极芯子22则通过一对高压供电线的另一条连接到高压发生器的另一个输出端上，因而在使用中在该表面20与该电极芯子22之间保持一个高电位差，如10至35千伏。可以用不同的电压规格。假定喷洒对象基本上处于地电位，那么电极22或（在后面将要说明）表面20就可以设成地电位。电极22也可以保持在一个介乎表面20和喷洒对象两个电位之间的电位上。在我们的最佳装置里，表面20保持在±35千伏而电极保持在一个中间电位±17.5千伏。这样，电极的电位跟喷洒物小滴的电位同极性。小滴一通过电极就会被电极排斥。如果电极是地电位，特别是在高流率的情况下，就会有一个倾向将小滴吸引回电极。

可以用任何一种合适的电路装置来提供表面20和电极芯子所需的电压。在图6示出，每个发生器带两个高压输出。电极芯子电压也可以从一个单个输出发生器的分压器引出。

尖缘16尖到这样一个程度，加上电极芯子22相距很近，使喷洒能用比较低的高电压进行。在使用中电场形成在电极外套的半绝缘部分26与到达尖缘16的液体之间。假定表面20相对于电极芯子22具有正电位，当液体接触到导电或半导电表面时，负电荷就会从液体里导出，在液体里就剩下净正电荷。电极4的存在增强了在尖缘16处液体/空气界面的电场，这电场足够使液体拉出成线沿着尖缘16隔开排列。

液体的负电荷被导电或半导电表面20导去，液体剩下净正电荷，因此液体带正电荷。液体里的电荷产生内部推斥静电力，克服了液体的表 面张力，形成沿着尖缘16间隔开的液体锥。从每个锥的尖端流出一条线。离尖缘16一段距离，液线在穿过空气所产生的、加于液线上的机械力使液线分裂成为大小很接近的带电小滴。小滴间的相互推斥使喷洒流朝液线的横向方向膨胀。所形成的液线的数目决定于液体的流率、电场强度，还有诸如液体的电阻率和粘度等因素。其他因素固定不变，调整电压与流率就调整了液线的数目，使小滴的大小受到控制而且很接近。

如果导电表面跟喷洒尖缘16分离，我们发现需要合适地确定两者之间的距离，这跟喷洒液的电阻率有关。我们发现，如果给定一个距离而液体的电阻率过高，或者反过来给定一个特定的电阻率而距离过大的话，喷洒都不会发生。对这个观察所得的可能的解释是，除了液体在它经过导电或半导电表面时带了电以外，在尖缘16处还有电荷通过液体从液体里导走。这条通道的电阻一定不能高到致使跨在这通道上的电压降导致在尖缘16处的电压低到不能产生雾化电场强度的程度。因此尖缘16与导电或半导电表面之间的距离一定要足够小来适应所用液体的电阻率。我们发现到可以给表面找出一个合适的位置，就算所喷洒的液体的电阻率在10⁶至10¹⁰欧姆厘米的范围内也合适。

由于电是接到芯子22上的，本体24的表面并不在一个均一的电位上。表面电位在靠近芯子22的半绝缘材料26上是最低的，尖缘16与电极之间的电通量就集聚在这里。为了让最大的电应力施加在尖缘16与在芯子22附近的电极本体之间而没有导致在相距较近的点上产生电晕放电的表面追迹（surface    tracking），芯子与其外套要成形成这样的形状和要设置在这样的位置上使它们最靠近喷洒头的喷洒尖缘。在所示的实例中，芯子是用铁屑或炭粒压成的。

靠近液线在那里形成的喷洒尖缘的区域内基本上没有横截液线的气流这点是重要的。这会损害或阻碍液线的形成。为此，这三个翼型件成形成这样的形状使每个翼型件当喷洒头基本上对准气流的总方向时都留 有一个低湍流的尾流。在喷洒尖缘下游的区域内，尽可能少给小滴积存在电极上的机会。为此，电极本体的曲线各自相背弯向后缘，产生一个扩张的通道。通过此通道的气流就这样减了速，形成一个很难完全去除湍流的环境。但是可以实现足够低的湍流让静电力形成稳定的液线，并且实际上该装置可以具有一个跟气流总方向成10或15度左右的迎角，再大就会阻碍产生湍流的尾流了。这就使飞机在正常高度范围内都能进行喷洒。

高喷洒率和/或在表面20与电极芯子22之间存在高电位差，都会使喷洒物小滴污染电极。这趋势将被流过尖缘16的气流所减弱，这气流将会协助小滴以比小滴横截气流移动更快的速度离开电极。

在图3所示的装置里，发现飞机的前进运动产生足够的气流来在小滴污染电极前将小滴清除掉。太大的气流将对在表面21上的液体产生空气剪切，将会在液体到达尖缘16以前将它剥离表面21。但是，用特殊形状的电极翼型及其特殊的位置可以增强这个效应。希望增强气流的一种情况是当发现不增强气流小滴就会积存在电极上时的情况。这种情况会出现在需要增大电极以达到刚度要求的时候。图4示出增大气流的合适的翼型。这些翼型在离开尖缘16的一端的边上基本上是平的，这样就促使有利气流流过它们与喷洒头之间的空间，减小了绕在外边的气流。在这结构里，电极本体的位置促使气流沿液线的方向，基本上没有横向分量，协助喷洒头抗御脱流。如果没有在电极与喷洒尖缘之间的气流的保障，如果导电或半导电表面20安排在地电位而电极4在高（正或负）电压，绝大部分的小滴将积存在电极上。有了现在的一个气流的保障，就可以用这样一种安排来喷洒。一个足够的非湍流的气流，即使在这个极端情况下也能够保护电极。

喷洒头的头部组件12包含两部分，一个蒙皮12a和一个大致是I形的型梁12b，两者都是用玻璃纤维增强塑料用拉出成型方法制成的。蒙 皮12a与梁12b用螺钉装配在一起，形成一个空腔38，管道与高压电导线（图3未示出）分别通过空腔将喷洒液和高压供到喷咀。喷咀组件14的外形跟头部组件12一致以形成翼型的一部分。喷咀组件14沿着它的长度方向有一个突出部40，跟梁12b的两个缘边之间的部位成推入配合。在梁12b与突出部40之间装有推接式电气及流体连接器（未示出），因此喷咀组件可以插入头部组件内并且容易卸下来维修或更换。流体连接器跟一条在喷咀部件14b内表面上的分配槽44连通。分配槽44把喷洒液从突出部40里的通道输送到槽18。

从图2可见，喷洒头不是水平的而是跟飞机翼的反角一致。在喷洒中液体是在正压下从一个配量泵（未示出）供应，反角不会引起问题。但是，当飞机到达一个喷洒带的末端，喷洒装置就关掉，飞机掉头再喷洒相邻的喷洒带。如果槽18是一个贯通喷洒头整个长度的连续槽，当再次开始喷洒时，喷洒液就有一个趋向走向槽的低端而让高端空着没有喷洒液到达。在配量泵开动的时间与喷洒开始的时间之间会有一段短的滞后，这将留下一片不确定的和不可接受的没有喷洒到的面积。将槽18分成独立短段，每段分开供液并且每段足够短使毛细作用足以保持各段在正常高度和正常运作下的喷洒过程中从头到尾都充满喷洒液，这就解决了这个问题。

参看图5，喷洒头是制成标准段的。喷咀14的8段14.1到14.8用示意方式示出。每一段里有三个槽18的分立段，各分立段由设在限定槽18的垫片里的隔片分隔开。

槽18的每一段由一个相应的分立分配槽44从一个相应的分立的流体连接器供液。在流体连接器与相应的分配槽44之间有一个防止一个分配槽段窜到另一个分配槽段的逆止阀46。喷咀段14.1到14.8每一段有三个槽18与分配槽44的隔离段，这些隔离段从一条公共管道41经过一个逆止阀48和一个流率调节器42供液。

由于静电喷洒的杀虫剂所用的那些溶剂对绝大多数弹性材料具有高度破坏性，用逆止阀来隔离分配槽44与槽18的分立段就引起一个问题;不用弹性体作密封的逆止阀就会依靠强弹簧压力来关闭，这就导致这些阀在低的工作压力和在特定压力下阀间流率有变化时不打开。这对阀48关系不大，因为每个带有一个流率调节器42。但是阀46并不带这样的调节器。这个问题可以在逆止阀46内用聚四氟乙烯O环作为密封圈来解决。合适的O环可以买到，是美国科尔普斯维尔达茨怀勒路的格林特威德公司出产的，商名为“肯姆拉茨”。

由于不可能有直接连接，要维持一个对应于地的电压基准就提出了问题。EP-A2-0186353描述了一个解决方案。应用到本装置里，电路布置就像图6所示。

如图6所示，飞机上带有两个喷洒头/电极组件2a、4a与2b、4b。这些组件如图2所示在飞机每边装一套。有两个高压发生器50、52，由一组电池54供电。每个发生器有两个高压输出端对应于相应的地端58、60，两个地端都接到飞机的机身或骨架61上。发生器50的-35千伏输出接到喷洒头2a的表面20a上，而其-17.5千伏输出64就接到2a有关的电极4a上。同样，+35千伏输出66接到喷洒头2b的表面20b上而+17.5千伏输出就接到有关的电极4b。发生器50与52最好装在相应喷洒头的头部组件里，这就不需要用高压电连线通到喷洒头，只需低压外连线就可以了。

可以看出，从喷洒头2b出来的雾化液体是带正电的，从喷洒头2a出来的则带负电。在喷洒中，正电流从发生器52经过端头66、喷洒头2b上的导电或半导电表面20b和从喷洒头出来的液体流到地上。如果端头58与60之间没有连接，电流就没有回路导线从地（即喷洒对象）流回发生器52。因此负电荷就在发生器52上积聚起来。

在发生器52上积聚了这些电荷就降低了加在导电或半导电表面20b 上的对应于4b的电位，从而降低了雾化电场和加到喷洒液上的电荷，因此增大了液体小滴的大小和使喷洒质量变坏。发生器50也同样地受到影响。

在实际上如果发生器50或52供给电流比另一个大，发生器上就积聚了电荷。电荷的极化降低了由供给大一点电流的发生器供电的喷洒头上的雾化电场，这就降低了有关喷洒头的喷洒质量并且该发生器的喷洒电流也降低了。相反，由另一个供给小一点电流的发生器供电的喷洒头上的雾化电场就增强了，这个喷洒头的喷洒质量因此就改进了，并且它的喷洒电流在增加，一直到跟第一个发生器的喷洒电流相匹配为止。

另一个方案是槽18可以不在尾缘16之前而是在尾缘处。虽然这样一个装置可能看起来产生两个喷洒尖缘，因为一个槽必然有两面，但是静电效应是一个尖缘的，就是说中心只形成一组液线。如果静电效应是在两个尖缘的，液线就会产生在槽的两边，离开“两个尖缘”。这个用一个中心槽给一个尖缘供料的概念或者可以更好地理解，设想喷洒液有有效的导电率并在使用中将槽（两边）接通。

还有另外一个方案，可以用多于一个的槽18将液体供给一个单个喷洒尖缘。

Claims (7)

1、一种用静电喷洒方式将液体喷洒进入气流内的装置，该装置包含有喷洒头(2)、该喷洒头(2)具有喷洒尖缘(16)、导电或半导电的表面(20)和将喷洒液供给、分配经该表面(20)输送到喷洒尖缘(16)的装置，还包含有一对在喷洒尖缘下游两侧对置并与喷洒尖缘分隔开设置的电极(4)，以及用以在该表面(20)与电极(4)之间产生高电压的高压电源装置(50、52)，所述电极包括有导电芯子(22)和具有相应电阻率范围的半绝缘材料构成的外套(25)，所述喷洒头的喷咀组件(14)由其间留有供液槽(18)及在其中之一的内表面上设有喷洒液分配槽(44)的两个部分(14a、14b)组成，其特征在于喷洒头(2)与电极(4)均具有对称翼型状构形，分别支承在固定在飞机机翼后缘的固定夹(8)内，喷洒头(2)与两个电极(4)的相对位置布置导致在喷洒头的喷洒尖缘的下游形成一个流线型的通道。

2、按权利要求1的装置，其特征在于外套（25）具有10¹⁰-10¹⁴欧姆厘米范围的电阻率。

3、按权利要求1的装置，其特征在于所述导电芯子（22）是压实铁屑或炭粒。

4、按上述权利要求中任一项的装置，其特征在于喷洒尖缘（16）与电极（4）是长条形的。

5、按权利要求4的装置，其特征在于供给、分配喷洒液的装置包括有一系列分立的供液槽（18），这些槽沿着喷洒尖缘（16）整个长度分隔开设置，用于将液体馈送到喷洒尖缘，并且各槽配备一个相应的逆止阀（46）来通过一个相应的分配槽（44）供给液体到各槽。

6、按权利要求5的装置，其特征在于供给、分配喷洒液的装置还包括多个另外的逆止阀（48），每个逆止阀（48）配备来供给液体到一组上述的逆止阀（46）。

7、按权利要求6的装置，其特征在于供给、分配喷洒液的装置还包括一个公共供液通道（41）来通过分立的通道分配液体到每个上述的另外的逆止阀（48），并且有一个流率调节器（42）接入每个从公共供液通道分出来的分立的通道中以调节通过每个相应的另外的逆止阀（48）的流量。

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