CN102470375A - 用于产生荷电液滴的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本文所公开的是产生很小或纳米级荷电液滴的设备以及用于产生此类荷电液滴的方法。通过使用与可荷电流体流体连通的包括具有附连到其上的大约相等长度的均匀间隔的长丝的基质的流体发射极和反电极，当所述可荷电流体达到时，所述长丝的顶点被荷电，其中长丝顶点和反电极之间的距离足以产生电场强度，使得可荷电流体转换成荷电液滴流，从长丝的顶点沿着在长丝的顶点和反电极之间所形成的静电场力线在反电极的方向上离开，这种设备避免使用具有很小孔口的喷雾嘴以产生此类小液滴时存在的已知问题，那些问题包括喷嘴的堵塞在内。

Description

用于产生荷电液滴的装置和方法

发明领域

受权利要求书保护的本装置产生很小的或纳米级的荷电液滴。这些液滴可在设计用于家庭和商业用途等的设备中使用，从而控制空气供给质量。

发明背景

已经发现，很小的荷电液滴用于很多使用场合，包括施用涂层表面和捕获空气中的灰尘。对用于各种各样的实际应用，使用纳米液滴具有很多优点。例如，生成大量的纳米液滴可用很少的流体体积来实现，其中通过装置减少流体消耗。纳米液滴也具有大表面积，导致辅剂例如香料快速蒸发并有效递送到空气中。纳米液滴容易被并入到气流中并保持悬浮在气流中，而较大的液滴将沉积到空气循环管道的表面上。这些有益效果对于许多的应用具有优点，包括但不限于空气净化、香料递送、将活性物质递送到鼻腔或口腔。

各种尺寸的极小的液滴可通过很多供选择的替代方法形成。用于产生这些小液滴的一种已知的备选方案是配备有加湿器的设备，其中水通过具有很细孔口的喷嘴被泵送以产生很小的水滴。美国专利公开6,656,253公开了设计有这种喷雾系统的空气净化装置。所述装置产生具有第一极性的半导电水滴的荷电喷雾，将其并入气流。空气中的灰尘或其它颗粒被静电吸引到喷雾液滴上并被所述喷雾液滴保留。

然而，据发现，当例如流体中的微小的非溶解性沉淀剂和/或杂质堵塞喷嘴时，此类系统经历喷嘴故障。即使流体中没有固体存在，但较高的流体粘度可足够妨碍流体流过喷嘴并且未能产生期望尺寸的液滴。当存在例如以上或其它问题时，横跨多个喷嘴递送一致的流体压力是本领域的技术人员所面临的技术挑战。

当试图产生很小荷电颗粒的可靠供给时，消除所遇到的与喷嘴有关的堵塞问题的备选方法包括使用干式电离的原理。干式电离不需要流体来产生荷电颗粒。根据干式电离的原理运行的装置在现有技术中为人们所熟知并且通常包括两个电极；一个处于高压，另一个处于有些较低的电位。应用电极间的这个电极电位降来产生电场，在高压电极周围形成电晕或荧光。在电晕的形成点，两个电极之间的空间中的气体分解并释放电子或离子，所述电子或离子直接朝向较低电位电极行进。在干式电离空气净化装置的情况下，气体(在这种情况下为空气)的分解导致臭氧的产生，而由于多种原因，所述臭氧的产生是高度不可取的。

发明概述

本发明是一种使用沿着固体或半固体长丝移动的导电或半导电流体的装置，其中当将高电位施加到流体时，随着流体被电吸引朝向反电极的方向移动，所述流体相对于第二或反电极的高电位在灯丝的顶点处产生足够的电场密度以形成大量小的和荷电液滴。此时，其中流体的电荷或极化具有足够的强度，其中当流体被挤压成细小的流体喷射流时，所述流体喷射流是不稳定的并形成很细小的和荷电的液滴流。这些细小液滴在与细小的流体喷射流分离时被荷电或极化并且沿着静电场力线朝向反电极移动。反电极包括能够被极化(下文称为“可极化的”)的导电的或半导电的材料并且可作为或不作为液滴的目标表面。该设备提供用于产生液滴的高效和可靠的方法，而没有与喷嘴堵塞有关的通常已知的流体设备问题。

附图概述

图1是流体荷电系统的示意图；

图2是流体输送系统的示意图；

图3是空气净化装置的侧视图；

图4是流体输送系统的示意图；

图5是流体发射极的侧视图；

图5a是基质的透视图；

图6是基质的剖面图；

图7是基质的等轴视图；

图7a是基质的第一剖面图；

图7b是基质的第二剖面图；

图7c是基质的第三剖面图；

图7d是基质的第四剖面图；

图8是基质的透视图；

图9是眼睛治疗装置的示意图；

图10是口腔治疗装置的示意图；

图11是硬质表面处理装置的示意图。

发明详述

本发明提供一种用于产生很小尺寸的荷电液滴的设备。根据它们的最终应用，这些液滴可荷正电或负电。该设备包括流体供给源、使流体荷电的部件和流体发射极。所述发射极还包括具有传送流体并有利于产生细小液滴的长丝的基质。在与基质流体连通时，流体移动到长丝上的某一点，其中当荷电部件处于接通位置时，流体被荷电。此时，处于长丝顶点处的流体处于其最大或最高的电场强度点。因此在顶点和最低电场强度点之间的距离，流体自然地破碎成从长丝上释放的极小液滴，朝向较低电位的点移动，包括目标表面在内。本发明的设备可被用于包括表面处理和空气质量控制技术在内的很多特定目的的实施方案中。

A.可荷电的流体

本发明的可荷电流体可为能够捕获和保持静电荷并允许流体形成很小液滴流的任何流体或各种流体的混合物。所述流体具有使它在给定条件下可喷雾的物理特性。流体可单独通过电场进行喷雾的能力是流体的某些物理特性的函数，其也控制液滴尺寸和通过基质以及最终流到长丝的顶点的流体流量。流体的物理特性主要是那些保证其与长丝相容并且与基质适应的特性。此类物理特性可包括但不限于粘度、密度、电阻率、表面张力、介电常数、闪点和沸点或蒸汽压。从基质传输流体的层(下文称为“传输层”)离开的流体和长丝的顶点之间的流体的流量测量值(或根据要求的流量)必须足以提供随着流体被电吸引朝向反电极移动在长丝的顶点处形成持续不断的大量很细小的和荷电的液滴，测量值为至少约1毫微ml³的流体每小时。

流体获得和保持电荷的能力取决于流体的若干个特性。主要特性是流体导电程度。例如，如果流体是绝缘的，从而具有较低的导电性并且其电阻率大于约1000MΩ，则当供流体发射极使用时流体获得电荷所需的时间将很长并且可能不会有效发挥作用。在另一方面，在流体导电性太好时，当流体的电荷被施加到流体发射极时，所述流体的电荷将快速耗散并且不宜于分解成液滴。因此，当通过很多商业导电计测量时，本发明的可荷电的流体应当具有在约1kΩ/cm至约1000MΩ/cm或100kΩ/cm至约500MΩ/cm之间的电阻率，包括得自Cole Parmer，Inc.(Vernon Hills，Illinois)的WTWInoLab Cond 7300台式导电计。通用的标准单元具有1cm的宽度，并且因此与空气相平衡的非常纯净的水将具有约10⁶ohm/cm的电阻率，称为百万欧姆，MΩ/cm或则1S/cm的导电率。

流体的控制流体分裂成小液滴的第二物理特性是其粘度。流体必须具有粘度，允许它通过毛细管作用从流体源移动到长丝上的本文称为长丝“顶点”的某点，在此处高场强度诱导流体分裂成很细小的液滴。图1提供可荷电流体延伸到长丝101的图例，其中流体行进到长丝的顶点101a，其中在顶点和反电极108处荷电流体之间的场差的存在使流体形成所期望的小液滴102。因此，在不存在用于将流体递送到长丝的顶点的机电式部件时必须考虑流体的粘度。甚至在其中使用了用于移动流体的这样一个部件的情况下，高度粘稠的流体的内聚力往往会阻碍流体分裂成期望的小荷电液滴，导致将流体“拉直”或拉长成一串，就像在制造合成的挤出纤维(也称作电纺)过程中通常进行的一样，并且在制造毛细管道纤维的领域中是已知的，如美国专利公开6,251,322(Phillips等人)中所公开的那样。出于本发明的目的，当依照制造商的说明书用Brookfield RVDV-IP粘度计测量时，流体粘度应当小于1000厘沲，优选小于500厘沲。

在以上所述的可荷电流体的物理参数中，由于流体呈这些荷电液滴形式，用于本发明的流体必须提供最优化的有益效果。例如，当希望它增湿空气供给源或其它亲水物体例如热带植物或角质的动物或人体组织时，可将去离子的水用作可荷电流体。假如它不妨碍液滴的形成，则流体可用有利于或提高期望的有益效果的其它材料进行强化。

具有不到1000厘沲粘度的权利要求1的可荷电流体选自由下列组成的组：基于水的流体和基于油的流体，它们的选择是基于流体相对于包括流体发射极的材料的相容性，以将适当体积的相应流体传输到长丝的顶点来形成喷雾。例如，基于油的流体将具有对于疏水传输材料例如未处理的聚丙烯聚合物非织造材料或例如涂覆碳的多孔介质的分子引力。这两种材料是“相容的”。因此，可荷电流体是基于油的的并且选自不混溶在水中和不溶解在水中的流体。

基于水的流体将润湿亲水材料例如纤维素、玻璃或棉花。关于流体的表面张力和多孔介质的接触角的材料性质的这种匹配对于所需的流体传输是必不可少的。尽管基于水的流体将润湿和穿过若干个疏水结构，如油将穿过很多亲水结构一样，在喷雾器尖端或长丝顶点处所得的流体量将是不适当的，没有合适的材料-流体“相容性”。可荷电流体因此是流体基于水的并且选自可混合在水中并将溶解在水中的流体。用于本发明的流体范围为水溶液到疏水的非挥发性油的那些溶液，例如美国专利公开6,607,586、6,656,253和6,607,579中所描述的那些。用于本发明的适用流体包括牛顿流体和非牛顿流体。水(极性流体)是一种单独地或呈水溶液形式的合适候选者并散布着乳剂，所述乳剂具有选自由盐特别是等渗压盐溶液组成的组群的材料、包括抗菌剂在内的生物活性物质、漂白剂、催化剂、胺和醛反应性物质例如美国专利申请2005-0124512A1和2008-0249490A1中所公开的那些材料。同样，这些材料包括香化原材料、配制的香料、表面活性剂、蜡、油、聚合物、生物可利用物质、非处方药和指定物质、包括止咳药、减充血剂、镇痛药、维生素和其它局部用药化合物和药剂在内的成分、有色材料、有色化妆品、角质组织清洗、消毒、剥落、调理、定型、调色和保湿剂。

非水性的制剂(本文所定义的具有小于50％水的溶液)在本发明中也被用作流体并且可呈各种包括乳液和分散体的形式。此类溶液包括但不限于可喷涂的蜡、香料、定型聚合物、指甲涂层等。基于硅的水乳液也用于保护性涂层和或家庭表面、织物、汽车内饰、敞篷车顶部、皮肤和毛发的高光泽或发光涂层的应用。本文还包括的是低基重聚合物薄膜以提供防粘涂层以及毛发定型粘性聚合物。此类制剂的水与油比率可影响将流体转换成液滴所要求的电压、高压激活化学反应速率、悬浮颗粒散布型态特性和液滴尺寸。

B.流体荷电部件

所述流体可通过任何常规电源进行荷电，包括直接接线或电池在内。本领域的技术人员很清楚，从这些电源所获得的电压必须被转换到适合于静电喷雾方法的高压，如每个均转让给Procter Gamble的美国专利公开6,656,253、6,607,586、6.607,579和7,360,724中所公开的那样。荷电部件可通过通常可利用的变压器来实现，其将输入电压转换到所期望的电压以便静电喷雾。例如，EMCOHigh Voltage Corporation(Sutter Creek，California)提供了适于本发明的种类繁多的高压电源。

图2示出了一种用于本发明的荷电系统。电源203是直流电源，其连接到荷电电极，所述荷电电极呈平板204形式，以接近度足以使流体荷电浸透发射极基质205，其中所述流体来自贮存器206。在图2中，接近被定义为荷电电极204和发射极基质205的相邻表面的直接接触。设备实施例1是一种用于净化空气的装置并且如图3所示，其中荷电电极304连接到流体贮存器306并且与流体直接接触。图9和图10类似地示出了其中荷电电极与贮存器中的流体直接接触。图11中显示了另一个供选择的替代方案，其中荷电部件连接到流体贮存器1106中的电极以及连接到在基质1105正后方并且与其相邻的铜板1104二者上。图4示出了供应流体的另一个实施方案，贮存器呈自由流动水管线406的形式。荷电电极404被放置在流体流内。在这个实施方案中，给流体荷电发生从水中的绝缘限流器407向下流动，限流器用来隔离电荷并从而避免电流传导回到流体源例如水设施。

本领域的技术人员将很清楚，流体需要与高压电极接触。高压一般被认为大于500伏。高压电极一般包括与流体相容的任何适用材料，包括但不限于金属、石墨、导电塑料和碳填充的导电塑料以及它们的组合。电极的布置如图2中可非常接近于基质/长丝，或如图4中距基质/长丝更远。尽管一般不需要电极与基质/长丝紧密相连，但由于来自流体的电阻损耗，这样一种对齐可减少电功率的损失。

C.流体发射极

如图5所示的流体发射极包括基质505和附连到其上的均匀间隔的芯吸长丝501的均匀阵列。所谓“附连”是指长丝被锚固到基质并且在与连接方法相反的方向上延伸。锚固长丝可包括用于连接的任何部件，包括但不限于其中长丝实际上由基质形成，或通过方法附连，所述方法包括但不限于编织、高热缝接或熔合和胶粘。图6示出了一个实施方案，其中长丝601被编织穿过基质605。可切割线601以便在基质605的单一侧上形成相等长度并且具有自由端头的长丝。

基质传输层和长丝基于它们通过毛细管作用将流体传输到长丝顶点的能力进行选择。在图1中，顶点101a被定义为在长丝上的点，其中荷电流体为在相对于最低电位或地面的区域其最高电位处。当处在顶点时，在存在最低电位108或地面的区域的情况下，荷电流体形成一连串的极小液滴102。这种方法在本领域中称作静电喷雾或换句话讲称作“电喷雾”。众所周知，长丝顶点是圆形的或弧形的以便最有效地形成足以产生荷电液体的电场强度。

基质的构造必须要使得它不妨碍流体到长丝顶点的毛细管运动。选择包括基质的传输层的材料一般是根据材料与可荷电流体的“相容性”。所谓“相容性”是指材料将会成功地传输流体。此外，基质必须以这样一种方式被构造以保持流体的期望特性。例如，在流体是挥发性的并且经受加速蒸发的场合，基质必须被构造以便具有对于流体蒸发的阻力，同时保持能够传输流体。这通常通过采用如图6所示的多个层构造基质来进行。传输层610通过毛细管作用将流体移动到它们的最终目的地长丝顶点，同时第二层609或顶部片材隔离流体。顶部片材(尽管实际上不传输流体)必须不阻止其传输并保持它以便它不仅最小化蒸发损失而且也最小化其获得的电荷。

就图5a中图例的目的而言，基质505是矩形材料片，其被设计成在一端505a在如图5所示的流体贮存器506内处于流体连通。图5a显示位于流体贮存器506内的基质端部505a的一端。505b的另一端包括大量长丝501。参见图5，当将流体置于贮存器506中时，流体沿着基质505的流体传输层移动。顶部片材覆盖在流体传输层上以随着它行进到长丝最小化流体蒸发和流体的电荷的放电。当到达长丝501时，流体通过形成长丝的相容材料的毛细管作用被长丝接纳，其中流体最终达到长丝的顶点。图7示出了长丝701如何以这样一种方式伸出顶部片材709，其中顶部片材709不抑制流体通过毛细管作用通过传输层710或沿着长丝701传输。这个实施方案被本领域的技术人员视为多层薄膜。

用于以上基质的顶部片材实际上可为任何材料纤维网，唯一的要求是它具有足够的完整性以通过下面所述的方法被成型为层压体，而且它相对于基质的传输层具有足够小的延伸性质，使得当经历纤维张力时，在顶部片材的方向上由于基质的传输层被推出到平面外以致由于延展失效的缘故因撕裂而使顶部片材破裂，使得传输层的各部分可穿过顶部片材并在顶部片材的第一侧上形成长丝。在一个实施方案中，顶部片材是聚合物膜。顶部片材也可为织造纺织纤维网、非织造纤维网、聚合物薄膜、开孔聚合物薄膜、纸幅(例如薄页纸)、泡沫(例如聚氨酯泡沫片)等。在某种意义上，长丝“穿透”顶部片材并且可通过摩擦接合或其它接合方法例如对于这些开口使用粘合剂被“锁定”，然而可荷电流体沿着长丝的传输不能因此类摩擦接合而受阻。用于制造顶部片材的方法在本领域为人们所熟知并公开于美国专利公开7,410,683中。

作为另外一种选择，传输层可以这样一种方式进行处理以在一侧上产生具有偏压的单一层来传输流体，同时另一侧进行处理，其中它将保持流体沿着相对的未处理侧移动的特性。这将消除上述的顶部片材。此类处理包括将使基质抵抗流体蒸发损耗以及隔离或抵抗流体的电荷逸失的那些处理。表面处理施用于基质可包括诸如蜡之类的材料以消除阻挡片材。

如本发明中所用，术语“长丝”是指能够通过毛细管作用传输流体的细长的纤维/长丝或纤维/长丝组。依据它们的物理和/或化学特征，前面提到的基质以及长丝二者均可包括相同的材料或显著不同的材料。例如，图7示出了其中长丝701与基质的传输层710整体成形的实例。因此，整个成形的长丝和基质传输层具有相同的材料。

在流体为基于水的的场合，长丝和基质传输层材料选自基于水的流体吸收性的可润湿材料的组，它们是亲水的。这些材料包括选自由下列组成的组的那些：纤维素物质、包括再生纤维素、纸张、棉花、人造丝在内的纤维素衍生聚合物、以及它们的组合。在流体是基于油的的场合，材料选自下组：油可润湿的、斥水的、疏水/亲脂材料。这些材料一般包含本领域熟知的合成纤维。此类合成纤维包括2008年8月12日公布的美国专利公开7,410,983和2009年12月21日公布的美国专利申请2009/0289343中所公开的那些。

合成纤维一般由聚合物制成。这些聚合物在本领域为人们所熟知用于制造长丝并且包括由多种不同单体制成的均聚物和共聚物。长丝也可由单一聚合物种类制成或由聚合物的共混物制成。长丝还可包括任何常用的添加剂，它们是安全的并且对于它们的指定用途以及对于纤维网的指定用途有效，包括但不限于表面活性剂。包括长丝的具体聚合物包括但不限于选自由下列组成的组的那些：聚烯烃，包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和聚4-甲基戊烯(PMP)；聚酰胺，包括尼龙、纤维素衍生的聚合物(包括再生纤维素、纸张、棉花人造丝)；聚酯，包括对苯二甲酸乙二醇酯以及所有前面提到的聚合物的组合物和/或共混物。

在任何情况下，流体发射极长丝和基质传输层与待使用的流体必须是相容的。有关选择适用材料的指导方针是通过使材料的表面能与流体的表面张力匹配而选择材料。本领域的技术人员将认识到，表面接触角提供确定流体的表面张力和材料的表面能之间匹配的便利方法。当静态接触角小于30度优选地小于20度更优选地小于15度时，表明流体材料相配。静态接触角可采用得自Kruss USA(Nazareth，PA，USA)的Kruss DSA 100系统方便地进行确定。

图7示出了长丝阵列。图7a至图7d示出了以下事实，即长丝可由图7a中的单一股线或纤维701a，图7b中的一组或一束独立的纤维701b，图7c中的一组有规律的纤维701c和图7d中的环状的单个和或多个纤维701d组成。长丝通常包括1至约50个，或者约3至约30个，或者约5至约20个不同的股线或纤维。

图7b表明，长丝701b彼此被均匀间隔距离“D”以便防止如在长丝中间电弧放电和或电场中和作用之类的问题。距离D具有约1.0mm至约100.0mm，或者约1.0mm至约35.0mm，或者约3.0mm至约15.0mm以及最终或者约4.0mm至约5.0mm的值。图7a表明，长丝701a具有长度“L”，该长度从基质705的平坦表面或面至长丝顶点701a来测量。L通常为约0.50mm至约10.00mm，但实际上长度L取决于所选择的流体以及电场强度的程度。

要求长丝长度(L)为约1至约10mm，或者约1至约5mm以及或者约2至约4mm以产生足够的电场强度。重要的是当存在着大量长丝时，每个长丝的顶点大约具有相同的长度(L)。确保这一点的一种方法是，在形成和连结具有松散末端的长丝时，松散末端被裁切到均匀的长丝长度。

长丝借助于毛细管作用沿着长丝移动可荷电流体距离(L)以到达顶点，其中当荷电时，流体暴露于电场下以产生荷静电的流体微粒液滴，液滴具有约1.0nm至约5000nm，或者约5.00nm至约500.00nm以及或者约10.00nm至约100.00nm的微粒液滴尺寸。传输层必须表现出足够的毛细管作用的量以便浸透流体发射极长丝，这样足够的流体可对静电喷雾有用。同样地，要求足够的毛细管作用来将流体从流体源吸引到长丝的顶点以保持静电喷雾。一旦毛细力得到满足，由于电场的吸引力的缘故，电功率被达到以获得补充的流体传输，将流体朝向接地表面吸引。这种补充的流体与接地表面的吸引力难以将毛细管作用区别开来。

长丝数每单位面积基质，即长丝的面密度可从1长丝每单位面积或平方厘米(cm²)改变至高达10长丝每cm²。可具有至少1个或至少10个长丝每cm²，其取决于最终用途。一般来讲，面密度在基质的整个区域上无需为均匀的，但长丝可仅在基质的某些区域中存在，如在具有预定形状诸如线形、条形、带形、圆形等的区域中存在。

本领域已知的多种方法均可用于成形长丝。在这方面，长丝传输可荷电流体的要求最终支配选择长丝的材料。在长丝与基质的传输层整体成形处，生产长丝的有效方法是通过针刺所述基质。针刺涉及将针推进和穿过基质以将构成传输层的个体纤维或成群的纤维在基质的离散的局部部分在基质的Z方向或水平面推到平面外以形成长丝。推出Z平面外可由于纤维位移的缘故，即，纤维能够相对于其它纤维移动并且可以说被拉出平面之外。然而，通常对于大多数织造和非织造基质而言，推出平面外是由于长丝的纤维已经至少部分地被塑性拉伸并永久地变形或破裂来形成长丝。通过将纤维推出它们的通常平面，变形的纤维可表现为自由端头纤维、环状纤维、流体传输材料的模塑突出、刺绣毛簇和开孔聚合物薄膜的形式。取决于长丝的期望高度，非织造基质的组成纤维可表现出使纤维9破裂的延伸率以形成长丝。这些长丝可为塑性变形的并且延长的基质的纤维，并且因此与基质成为一体。本文所用“一体”区别于为了制备长丝而引入到或加入到单独基质的纤维，例如这通常在常规的毛毯制备中进行。

无论松散末端还是环状，长丝基本上对齐使得它们具有不同的线性取向和纵向轴线。长丝也具有一般正交于纵向轴线的横向轴线。断裂伸长率可通过简单拉伸试验来确定，例如通过利用Instron

拉伸试验设备，应当理解，合适的织造和非织造基质应当包括能够承受充分的塑性变形和拉伸伸长或能够具有足够的纤维移动性的纤维，使得松散末端或套环成形。然而要认识到，推出基质的第一表面的平面外的某些百分比的纤维将不会形成套环，而是代之将会断裂并且形成松散末端。松散的纤维末端是用由裁切的人造短纤维组成的或包含裁切的人造短纤维的非织造纤维网成形长丝的结果。在这种情况下，一些人造短纤维末端可能突出到长丝之中，这取决于如纤维网中人造短纤维的数量、人造短纤维切割长度、以及长丝的高度等情况。

这些纤维包括圆形和非圆形纤维。术语“非圆形纤维”描述具有非圆形横截面的纤维，并且包括“异形纤维”和“毛细管道纤维”。长丝的物理结构可呈许多形式，但必须保持能够递送基于水的或基于油的流体的结构。长丝可为实心的或中空的，并且它们可为三叶形、Δ形，并且优选地为在它们的外表面上具有毛细管道的纤维。毛细管道可具有各种横截面形状诸如U形、H形、C形和V形。

D.反电极

选择基质和/或长丝，使得它们通过毛细管作用将流体传输到顶点。一旦流体到达顶点并被荷电，沿着长丝接近于甚至处于长丝的顶点存在着一点，此时荷电流体相对于系统的最低电位到达其最高的电位。在本文所公开的系统中，最低电位的点是反电极。当处于其最高电位的点时，通过通常称为电液动态喷雾或本领域通常称为“电喷雾”的方法，反电极的存在建立足以使流体形成一连串极小液体的电场强度。图1示出了这种现象，其中在反电极108存在的情况下，处于长丝101a的顶点的荷电流体形成一连串的荷电液滴102以形成期望的液滴。

反电极也被本领域的技术人员称作“地电位”并可呈许多生物形式或非生物形式。借助于设备实施例2的图例9，人的眼球是系统中的目标或反电极。图10类似地示出了其中相当于眼球的这一点，设备实例3在喉咙内部的潮湿组织充当反电极并且是待递送的荷电液滴的目标。

电场强度以两种方式中的一种来增强：长丝的顶点和反电极之间的距离是固定的，并且电位或电压增大，或者电压是固定的并且长丝的顶点和反电极之间的距离减小。不管什么方法，长丝从基质伸出并且距反电极足够远以形成足以使流体形成“电喷雾”的合适的电场强度。本领域的技术人员将认识到，诱发电喷雾所要求的电场根据如前所述的流体的性质而改变。当长丝具有大于约0.5mm的长度L时，生成了开始极小液滴喷雾所要求的最小电场强度。

来自长丝的极小液滴取决于若干个因素，包括通过其表面张力所测量的流体的疏水性和长丝的几何形状。开始极小液滴喷雾所要求的长丝顶点处的场强度通常随着流体疏水性增加而增大。开始喷雾所要求的场强度通常随着长丝尖端的直径(包括流体在内)的减小而降低。一般来讲，本文定义为在长丝的顶点处的荷电电流的电压的阈值场强度除以从长丝的顶点到低电位表面或地面(顶点与地面成约零角度)的最短线性距离为约5×10⁴V/m。场强度的上限通过空气的击穿电压而建立。这个电压通常被本领域的技术人员理解为使空气分子电离所需的电压，其导致火花，就像在大气闪电的情况下所发生的那样。尽管这种现象在某种程度上取决于包括但不限于电极表面的形状和空气的湿度在内的因素，击穿空气一般为约3×10⁶V/m。

在可供选择的实施方案中，使流体荷电的高压电极形成一层发射极基质。在与高压电极相对侧的一侧上的第二层形成反电极或被绝缘元件分开的最低电位以防止从高和低压电极放电。此类绝缘体可为基质自身或固定到基质上的层。在另一个实施方案中，高压电极处在基质的正后方或在长丝阵列处在基质的后面。在这个实施方案中，最低电位的区域是在长丝顶点正上方的表面。基质具有足以避免荷电流体放电或接地到基质的间隙。

在另一个实施方案中，添加附加电极来充当加速电极。在这个实施方案中，流体荷电电极可如上所述被定位在流体中或者长丝的正后方。存在着呈与长丝相对的接地板形式的低电位电极或反荷离子。具有定位在长丝和低电位电极之间的第三电极，处于在高压长丝顶点和反电极电压之间的电压。这个电极可被定位在顶点和反电极之间的任何位置，但接近于高电位长丝时最为有利。长丝顶点和加速电极之间的距离或高度为约1mm至约20mm，以及或者约2mm至约10mm。应当选择加速电极的电位以便获得电喷雾，但处于空气的击穿电压(3×10⁶V/m)之下。

在另一个实施方案中，高压电极形成发射极元件的一层，并且第二发射极元件形成较低电位电极，其中被绝缘元件分开的这两个元件足以防止两个电极之间放电。

实施例

发射极基质实施例1

发射极通过成形多层片材进行制备，所述多层片材包括铝箔基层、包括100gm/m²纸张的第二层和包括一毫米聚乙烯薄膜的第三层。因此，所形成的复合结构采用来自Groz-Beckert的商业刺针进行针刺(针规格是用于形成长丝的号码15×17×25×38×63的针)。长丝在这个复合结构的聚乙烯面或顶部片材之上伸出约2mm。

发射极基质实施例2

发射极通过成形多层片材进行制备，所述多层片材包括铜箔基层、包括600线每平方英尺织棉织物的第二层和包括两毫米聚乙烯薄膜的第三层。因此，所形成的复合结构采用来自Groz-Beckert的商品级刺针进行针刺(针规格为用于形成长丝的号码15×17×25×38×9的针)。长丝在复合结构的聚乙烯面或顶部片材之上伸出约2mm。

发射极基质实施例3

发射极通过成形多层片材制备，所述多层片材包括镍箔基层、包括由1-5mm的10丹尼尔纤维组成的100g/m²聚乙烯人造短纤维非织造材料的第二层和包括2毫米聚乙烯薄膜的第三层。因此，所形成的复合结构采用来自Groz-Beckert的商品级刺针进行针刺(针规格为号码15×17×25×38×9的针)以形成在复合结构的聚乙烯面或顶部片材之上伸出约2mm的长丝元件。

发射极基质实施例4

如美国专利公开3,929,135中所述的聚乙烯薄膜通过水刺成型而制成，产生大量具有锥形毛细管的0.20mm圆锥形开口，与它们的中心分开约5.0mm，如图8所示。

在将包括约2％至约5％纤维素纤维和水的浆液泵送到筛网的凹侧之后，泵从纸浆的筛网的相对侧抽真空，其足以使纸浆脱水到不到约25％的残余水。干燥机(通常烤炉)烘干这个复合的基于纸浆的结构。

设备实施例1：空气净化装置

图3示出了一种利用本发明的设备以及使用发射极基质实施例1作为基质305的装置。因此，空气净化设备300包括引导输入空气流进其中的入口311，所述输入空气包含多个颗粒；引导输出空气从中流出的出口312；至少一个流体发射极313，当电极304与电源303接通时当贮存器306中的流体被荷电时流体通过其转换成多个荷电液滴。在发射极313和接地板314之间所产生的必要的电场强度的存在下，可荷电液滴被形成并且与所述输入空气相混合。液滴吸引供气中的多个颗粒，从而在第一区域315中形成多个荷电复体；其中所述复体从所述输入空气311中被移除，其中偏转元件316包括第三极性并设置在第二区域317中，所述第二区域317与所述第一区域311空气流动相通并且在其下游；并且收集表面318包括第四极性并设置在所述第二区域317中，其中所述偏转元件316使所述多个荷电复体的最终部分偏转到所述收集表面318上，导致所述输出空气中的颗粒减少。

设备实施例2：眼睛治疗装置

图9中所示的现有设备使用发射极基质实施例1。粘附到基质905上的是铝箔底板904，其充当荷电电极以通过使用高压电源903提供4kV的高压电源给箔底板。使用者920将它们的眼睛921放置在所述装置的附近以便建立产生所要求的电场强度所需的接地以产生来自贮存器906的等渗压流体的小荷电液滴的喷雾。这些液滴被吸引到眼睛921的表面以给眼睛提供具有预期有益效果的治疗，包括抑制通常被称为“眼疲劳”的状况。

设备实施例3：口腔治疗装置

图10中所示的当前设备使用发射极基质实施例2。粘附到基质1005上的是铜箔基层1004以最小化流体的电荷的损耗。荷电电极位于流体贮存器1006内并且采用高压电源1003提供4kV的高压电给流体。第三层1009使流体绝缘免于电荷逸失和蒸发。使用者1020将他们张开的嘴1021放在装置附近以便建立产生电场强度所需的接地以产生来自贮存器1006的等渗压流体的小荷电液滴的喷雾。那些液滴被吸引到嘴1021和喉咙1022内部的组织表面以给嘴和喉咙的内部提供治疗得到期望的有益效果，包括给予可用口吸收的药物，包括商业上见于喉咙痛产品的局部疼痛药物在内。

设备实施例4：硬质表面清洁装置

图11中所示的现有设备使用发射极基质实施例3。在基质1105后面的是铜板1104和在流体贮存器1106内部的保持与其中的流体流体连通的第二电极。这些电极一起使用高压电源1103提供约4kV的高压电给流体。多个支线1123直接连接到接触表面1120。这些支线1123具有相等长度并在它们的近端处终止于辊1124。在滚动所述装置时位于辊1124中或在其周围的接近开关打开电路以允许电力从电源1103流动到铜板1104。支线1123被设计成具有此种长度以建立足以产生包含硬质表面清洁和或抛光制剂的流体的荷电液滴的电场强度以沉积到表面1120上。

不应将本文所公开的量纲和值理解为对所引用精确值的严格限制。相反，除非另外指明，每个这样的量纲旨在表示所引用的值和围绕该值功能上等同的范围。例如，所公开的量纲“40mm”旨在表示“约40mm”。

除非明确排除或换句话讲有所限制，本文中引用的每一个文件，包括任何交叉引用或相关专利或专利申请，均据此以引用方式全文并入本文。任何文献的引用不是对其作为本文所公开或受权利要求书保护的任何发明的现有技术的认可，或对其自身，或与任何其它的参考文献的任意组合，或参考、提出、建议或公开任何此类发明的认可。此外，当本文件中术语的任何含义或定义与以引用方式并入的文件中相同术语的任何含义或定义矛盾时，应当服从在本发明中赋予该术语的含义或定义。

尽管已用具体实施方案来说明和描述了本发明，但对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和保护范围的情况下可作出各种其它的变化和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括了属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种用于制备极小荷电液滴的设备，所述设备包括：

a.可荷电流体；

b.与所述可荷电流体流体连通的电流体充电器，优选包括与所述可荷电流体相容的材料的高压电极，所述材料选自由下列组成的组：金属、碳、导电塑料、含碳导电塑料以及它们的组合；

c.与所述可荷电流体流体连通的流体发射极，所述流体发射极包括基质，所述基质具有附连到其上的具有大约相等长度的均匀间隔的长丝；和

d.反电极；

其中当所述可荷电流体到达时，所述长丝的顶点被荷电，其中所述长丝顶点和所述反电极之间的距离足以产生电场强度，使得所述荷电流体自然地转换成很细小的和荷电的液滴流，从所述长丝的顶点沿着长丝的顶点和反电极之间形成的静电场的力线在反电极的方向上移动。

2.如权利要求1所述的可荷电流体，所述可荷电流体或者为基于油的流体，其选自在水中不混溶的和在水中不溶解的流体，或者为基于水的流体，其选自在水中可混溶和在水中溶解的流体，所述可荷电流体具有小于1000厘沲的粘度；优选地具有kΩ/cm至1000MΩ/cm，或者100kΩ/cm至500MΩ/cm的电阻率；选自由下列组成的组的与包括所述流体发射极的材料相容的基于水的流体或基于油的流体，其中随着所述流体被电吸引朝向反电极，在从所述流体发射极基质的层离开的流体和长丝顶点之间产生足够水平的流体通量以在所述长丝的顶点处形成供应充足很细小的和荷电的液滴流。

3.如权利要求1和2所述的长丝，所述长丝由从所述基质在垂直于所述基质的X-Y平面的方向上移位的材料形成，优选地长丝选自由下列组成的组：自由端头纤维、环状纤维、流体传输材料的模塑突出、刺绣毛簇、开孔聚合物薄膜、缝纫毛簇以及它们的组合。

4.如权利要求1至3所述的流体发射极，其中所述长丝包括平均1至50个不同的纤维，优选地平均5至20个不同的纤维。

5.如权利要求1至4所述的流体发射极，其中所述长丝具有长度(L)以在所述反电极的存在下形成荷电液滴，所述液滴具有1.0nm至5000nm，优选地5.0nm至500nm，更优选地10.0nm至50.0nm的平均直径。

6.如权利要求1至5所述的流体发射极，其在所述基质的表面处具有在长丝之间的距离(D)，所述距离等于所述长丝平均长度(L)，优选一倍半所述平均长度(L)，以及更优选地两倍所述平均长度(L)。

7.如权利要求1至6所述的基质，还包括顶部片材，所述顶部片材具有在所述反电极的方向上穿过顶部片材突出的长丝阵列。

8.如权利要求1至7所述的设备，其中所述可荷电流体被保持在流体贮存器内，并且以足以使浸透所述发射极的基质的流体荷电的接近度与所述电流体充电器器流体连通，优选地在所述荷电电极和所述发射极基质的相邻表面之间直接接触，具有能够将所述电荷转移到所述可荷电流体的电场强度电压梯度用于产生在500伏每厘米(V/cm)至5000V/cm、优选地在1000V/cm至3000V/cm范围内的电场强度。

9.如权利要求1至8所述的电流体充电器，其包括多个电极，一个处在所述流体贮存器中的一点以保持与所述贮存器中的流体流体连通。

10.一种用于使用如权利要求1至9所述的设备产生荷电流体颗粒液滴的方法，所述方法包括以下步骤：

a.保持电荷给所述可荷电流体；和

b.放置与所述可荷电流体流体连通的流体传输长丝，其中当进行荷电时，所述流体在其相对于所述长丝顶点和所述反电极的最大电位点产生供应充足的很小的荷电液滴流，所述液滴具有1.0nm至1000nm，优选地1.0nm至5000nm，更优选地5.0nm至500nm以及最优选地10.0nm至50.0nm的液滴直径。

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