CN1139394A - 喷雾设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于按高达至少4cc/分钟的喷雾速率来喷射液体(主要是喷漆配方)的静电喷雾设备，液体具有约5×106欧姆·厘米的电阻率和约1泊的粘滞带，该设备配备由半绝缘材料(例如体电阻率约为1011至1012欧姆·厘米)构成的环形管套(112)，该管套电连接于高压发生器(126)上，以便将高压供给在喷嘴(114)出口处射出的液体。这样会在环形电极(112)上形成一定的电压，此电压有与加于液体上的电压相同的极性和大体上相同的大小，从而可改变喷嘴出口附近处的电位梯度，以便使用所需的高电压去按高达至少4cc/分钟的流速有效地喷射具有特定电阻率和粘滞度的液体。

Description

喷雾设备
本发明涉及到通过将高电压加给在喷嘴出口射出的液体上以形成电场从而对液体进行静电喷雾，所述电场能有效地使液体形成直径比喷嘴出口还小的细线并分裂从而形成喷雾。在我们先前的专利EP-A-441501和501725中公开过以这种方式进行静电喷雾的设备。
虽然这种设备适于喷射具有可变电阻率和可变粘滞度的液体，有些液体较之其它一些液体更不适于用这种静电设备加以喷射，特别当要按高达4cc/分或更高的流速来对具有很窄的微滴大小分布且具有体积平均直径(VMD)为100微米或更小的微滴进行扩散喷射时更是如此，具有大约5×106欧姆·厘米电阻率和大约1泊的粘滞度的液体就是这种液体的代表，该液体就很少适合于能满足这样微滴大小及流速要求的喷雾。而这样大小的电阻率和粘滞度是标准的喷漆配方。
控制喷射微滴体积平均直径的重要参数是作用于喷嘴出口射出的液体上的电位。所加电位越高，脱离喷嘴的细线的加速度就越大且形成的细线的直径越小。然而，对具有电阻率约为5×106欧姆·厘米的液体来说，当所加电位增加时，就会出现紊乱的喷雾现象，这很可能至少部分地归因于在喷嘴出口附近电场增强而发生的电晕放电。上述现象的特性可因喷嘴而异，但通常喷射变成很弱的扩散和杂散形式并且完全不能满足许多喷雾应用，特别是在基底上喷漆时更是如此。
通过强行将液体供给喷嘴出口可以达到大约为4cc/分钟或更高的流速(与例如EP-A-120633中所公开的诸如重力供给或毛细管作用之类的被动供给相反)。有多种方式可以获得强行供给，例如在EP-A-441501中公开的使用所谓势垒包(carrierpack)的推进剂气体方式，或是在EP-A-482814中公开的用户加压方式。
从EP-A-441501知道，为了让喷射聚焦，要在喷嘴出口附近提供电绝缘材料做的聚焦管套。从EP-A-501725也知道为了调整喷嘴出口邻近处的电位梯度，要提供由电绝缘材料做的环绕喷嘴的管套部件，以便喷射其电阻率低于1×106欧姆·厘米的液体。在上述两种情况中，喷雾过程中都在管套部件上产生电压。此电压与喷嘴出口处产生的电压有相同极性，该电压是由在喷雾操作期间聚积在管套上的电荷所形成的。
从先前美国专利NO.4854506中已知提供了一种静电喷雾设备，其中，一个电极安装在喷嘴附近，并且在该电极上加载电位以便提高从喷嘴射出的液体与电极之间的电场强度。所述电极包括一由导电的或包封在半绝缘材料中的半导体材料做成的心板，上述半绝缘材料的体电阻率为5×1011至5×1013欧姆·厘米且绝缘强度大于15千伏/毫米，为的是允许在喷嘴与电极之间保持较高的电位。加载于电极上的电位可与加载给从喷嘴射出的液体上的电位有相同极性，其大小则是后者电位与喷射目标上的电位之间的中间值。在特定的实施例中，加给液体的电位为40千伏，并且，为了加强电场，所说的电极保持在大约25千伏的电位，要喷射的液体具有106至1011欧姆·厘米范围内的体电阻率。
按照本发明，提供了一种静电喷雾设备，它能够按高达至少4cc/分的喷射速率对电阻率为5×106欧姆·厘米和粘滞度约为1泊的液体进行喷雾。所述设备包括：带有出口的喷嘴装置；将要被喷射的液体强制地供给所述喷嘴装置的装置；高压发生器；连接到高压发生器上用于将电位加载于上述喷嘴装置出口处射出的液体的装置；位于喷嘴装置附近的电极，它用以减弱喷嘴装置出口附近的场强，上述电极包括一种半绝缘材料；以及用于把上述电极电连接于高压发生器上以便在该电极上形成一个电位的装置，所述电位有着与从喷嘴出口射出的液体相同的极性和大小，从而使在喷嘴装置出口邻近处的电位梯度减小下来。
所谓“半绝缘材料”，我们指可看做是绝缘体而不是导体的材料，例如，该材料具有至少为1×107欧姆·厘米的电阻率，但足以导电，从而在一定时间间隔内在管套的前端基本上形成充足的控制电位，以便确保在喷嘴出口上聚积起足够液体之前在管套的前端建立充足的控制电位以维持线状喷雾，从而避免紊乱喷雾，所述紊乱喷雾是指例如在喷雾的起始阶段出现的液体喷溅，这在喷漆应用中是特别不希望出现的。同样，用半绝缘材料构成的电极可以减少由电极的缺陷或类似毛病而引起的电晕放电的危险。具有体电阻率约为1011至1012欧姆·厘米的材料特别适合于用作本发明在这方面所用的半绝缘材料。
与US-A-4854506相反，电极的存在是为减弱喷嘴附近的电位梯度，而US-A-4854506则说明了利用电极去加强电场。
液体的电阻率一般在5×105至5×107欧姆·厘米范围内，通常多数为2×106至1×107欧姆·厘米。
加载于在喷嘴装置出口处射出的液体上的电位通常会超过25千伏，一般可高达40千伏，而最好是28至35千伏。
加载于电极的电位最好大体上与加载于从喷嘴装置出口处射出的液体上的电位有同样大小，实践中，这可以通过使电极和液体电连接于一电压发生器的共用高压输出端上来实现。
加载于液体的电压可通过与喷嘴装置的出口相邻的连接件来提供，或者可以通过与一盛装液体的储液筒相连接的连接件来提供。在储液筒包括诸如金属筒或金属阀之类的导电部件的情况下，电压可借助于这种导电部件加载给液体。
在一适当的实施例中，储液筒包括一金属筒，借助于该金属筒从所述发生器中提供加载于液体和电极上的电压。
具体地说，在所述电极是由半绝缘材料制成的情况下，喷嘴装置最好由比构成电极的材料绝缘度更高的材料制成，并且，喷嘴装置一般具有向喷嘴出口方向会聚的圆锥形状。
喷嘴出口可以是通常为圆孔，液体从孔中以一单线状喷出，在这种情况下，电极通常具有圆环形形状，例如是由前述半绝缘材料构成的管套或套环。
最佳的是，上述设备适合于手持使用，并且，将液体供给喷嘴装置出口的装置一般包括一用户可操作的启动件，这样，供给液体的速率就可由加于启动件的作用力来调整。最佳的是，上述结构还能使得通过供给装置的启动件的操作去启动电压发生器，最好用这样的方式启动电压发生器：在有任何液体从喷嘴装置的出口装置中喷出之前就将电压加到该液体上，从而避免了液体从设备中以非受控方式喷出的危险，并且还能确保在喷雾开始前电极上可形成必要的控制电压。
对于粘滞的液体来说，尤其是对适用于喷涂汽车车体板面上的喷漆配方来说，上述喷嘴装置出口的直径较好地是至少500微米(最好至少600微米)，以便在不需用户做过多工作的情况下获得所需的喷雾/流动速率并减少被悬浮在液体配方中的颗粒阻塞的可能性。
业已发现，就确保具有很窄的微滴大小分布的微滴扩散喷射而言，电极相对于出口装置的位置特别地重要。所说的位置一般取决于电极上形成的电压的大小。
本发明的一个最佳实施例中使用了一被环形电极包围着的单线式的喷嘴装置，而所说的电极则加载有大体上与液体相同大小的电压，在该实施例中，最好使电极按下列方式定位，即：在喷嘴装置的前端与正相对的环形电极的前端之间延伸的假想线间的角度在140至195°的范围内，最好是在150至180°之间。
最佳的是，本发明的设备装有包括电子开关装置的电路，该开关装置与发生器的高压输出相联以便控制所述设备的电流和/或电压的开关操作。
上述电子开关装置通常包括：一系列对辐射敏感的半导体接点，这些接点共同具有至少为1千伏的最大直流反向电压；接头装置，该装置用于将高压加载于接点，从而使上述接点只有在被所加载的电压正向偏置时才让电流沿一个方向流动；以及，可以有选择地进行操作的辐射形成装置，该装置与前述接点相联从而有选择地照射该接点，以便在接点被所加载的电压反向偏置时使电流反向流动；所述接点和辐射形成装置按固定的预定关系支承在一大块能够透过从辐射形成装置中发射出的辐射的密封材料内。
各所述接点最好共同具有至少5千伏、而更好为至少10千伏的最大直流反向电压。
应该认识到，当所述接点群被反向偏置但末暴露于来自辐射形成装置的辐射时，就有可能像普通二极管那样存在着小电流(暗电流)，但与振幅相同而极性相反的电压使接点正向偏置时所产生的电流相比，反向电流可以忽略不计。相反，当接点被反向偏置并接受照射时，电流则明显地大于未被照射时出现的电流。
上述密封材料还可以在接点附近提供反射面，从而使不直接入射到接点上的辐射被反射掉，从而提高了照射接点的效率。上述反射面可由一特殊的涂层或多个特殊涂层构成，而所述涂层则由能对辐射形成装置所发射的某一波长或多种波长的辐射进行反射的材料构成；或者，可通过改变上述密封材料中的折射率而获得所说的反射性。
众所周知，有一种pn结的硅二极管是光敏的，并且，当反向偏置并接受近红外辐射时，这种二极管就具有导电性并能使电流大大超过暗电流。这就是光电二极管的工作原理。与具有能有效利用入射光结构或外形的普通二极管相比，依照本发明上述方面的开关装置设计成能在显著大于普通光电二极管工作电压的电压下进行工作。因此，普通光电二极管是按最大直流反向电压在600伏以下范围内来设计的〔见D.A.T.A.1992年编的“光电子学”(第25版)，美国科罗拉多·Englewood D.A.TA.商务出版社出版，613页，“光电二极管”〕，而本发明这方面的开关装置则可用于需要至少为1千伏(通常至少为5千伏)并直到高达例如50千伏的高压的应用。
在本发明一个最佳实施例中，所述半导体接点群构成了一种高压半导体二极管，最好构成一种具有多叠层的pn结的高压硅二极管。
辐射形成装置通常包括一发光二极管。这里所用的“光”一词应理解为包括有位于光谱可见部分之外及可见光谱以内的电磁波长。例如，适当形式的发光二极管可以产生近红外输出，而接点群所形成的高压二极管则对这种辐射敏感。
虽然形成开关装置的元件可以制造成大规模集成电路，但本发明也包括由分立式元件所制成的开关装置。
制造电子开关装置的方法一般包括：按预定关系装配高压半导体二极管和固态光发射源，这样，二极管的接点群就可暴露于所述发射源发射的光；以及，用上述发射源射出的光所能透过的密封材料将具有上述关系的二极管和发射源密封起来。
上述预定的关系通常包括按下列方式使发射源紧靠二极管接点定位：即，使得发射源发出的大部分光可入射到二极管接点上。
本发明的这一方面可以用市售的分立元件来实现。市售高压二极管有一定的结构或外形，也就是多层pn结(一般超过10个这样的pN结，常常为20个或更多些)，它们适合于高电位下使用，而且，是用密封材料在未考虑光致效应的情况下制造出来的，所述密封材料并不特别宜于让接点暴露于外部辐射的照射，确实，通常这是十分不希望的。
因此，按照本发明的这一方面，二极管可包括普通市售的密封在电绝缘材料中的高压二极管，在此情况下，所选的二极管可以是一种带有密封材料的二极管，所说的密封材料则业已具有相对于从发射源发出的光的波长的显著的透射率，或另一个办法是，可以依据密封材料相对于发射源发出的光的波长的透射率来选择适合于二极管密封材料的光源。
在市售的二极管是这样一种二极管的情况下，即这种二极管具有不透明的或者相对于发射源发出的光有较低透射率的密封材料，本发明的方法包括对二极管密封材料进行改进以便形成或提高光源和二极管接点群之间的有效光耦合。
上述改进可包含至少部分地除去二极管密封材料或对该材料进行某种形式的处理，以提高密封材料的透光率。例如，有一种广泛应用的高压二极管是将其密封在玻璃材料内，其透射率通过热处理可以改进。
上述电子开关装置特别适用于本发明所涉及的这种类型的静电喷雾设备，尤其是在其电流损耗很小(一般不大于10微安，某些情况下不大于2微安)，并且诸如小型化、价钱便宜等因素很受青睐的情况下。普通的光电二极管是完全不适用的，因为它们只能用于低电压并且在任何情况下一般只考虑到涉及信号控制的应用，而不是用于涉及电流控制的应用。大多数市售高压开关适用于高电流应用(例如配电装置)且其性质上是机械式的、笨重、昂贵，从而完全不适宜于上述类型的喷雾设备。舌簧继电器广泛地适用于低电流开关应用，但相当贵，且性质上是机电式的，且有较高的输入要求，寿命短而上限电压大约12千伏。任何基于机械式的开关设备由于在高压下要使元件分隔开而受到尺寸上的限制。
在上述喷雾设备的一个实施例中，开关装置是可控的，以根据高压发生器的断电而提供电流放电通路。在这种情况下，在设备进行喷雾作业过程中，开关装置可被高电压反向偏置，并且，该装置具有这样的结构：根据发生器的断电而使辐射形成装置进行操作以启动开关装置，从而使后者导电以便在发生器高压输出端上提供用于对电容储存电荷所形成的电流进行放电的通路。电容元件可由与高压发生器相连的电容器和/或与电路的输出电压加在其上的承载件相连的电容器构成，所说的承载件例如是一种能盛放所要喷射的诸如油漆之类液体的金属容器。
在按上述方式使用开关装置时，该开关装置就可排除掉需要在发生器输出端上有一个用于对电容储存的电荷进行放电的电阻元件，假如在高压发生器断电时不进行放电，上述电荷就会增加用户遭受电击的危险。使用这种电阻元件在喷雾过程中可形成漏电。因此，高压电路在设计时必须考虑到这种漏电，据此，发生器必须要产生超过喷雾所严格要求的电流输出。
为了小型化及降低价格，最好能避免这类漏电。特别是对靠低压电池电源供电的手提式或便携式独立喷雾设备如喷漆用的手持设备来说，情况更是如此。在使用低电压电池电源的情况下，为了延长电池的寿命必须尽可能显著地消除不必要的功耗。同样，为经济起见，最好使高压电路结构的输出要求达到最低限度，以便采用价格不贵的电路结构。当把开关装置包括在本发明的设备中时，该开关装置特别合适于有上述限制的情况，因为，漏电被限制到暗电流成分里(实际可忽略不计)，并且，当高压发生器不起作用时，开关装置就会沿反向偏置的方向导电，从而能对储存电荷进行放电。
本发明的这一实施例中，开关装置可以响应一个用户可启动开关的操作而自动地导电，而上述用户可启动开关则用于使高压发生器断电和停止喷雾。因此，所述设备通常包含有：用户可启动装置，它用于有选择地使高压发生器进行通电和断电；以及，控制装置，它用于根据用户可启动装置使高压发生器断电的操作而启动辐射形成装置所进行的发射，从而使开关装置导通。
已被设置成能为电容储存电荷的放电提供通路的开关装置可以按能进行整流的方式适当地连接到或连接进高压发生器。在此情况下，例如，高压发生器可包含一升压变压器，该变压器次级线圈的一端提供交流高压输出，而另一端则连接到一低电位诸如接地，并且，开关装置可以和次级线圈串联以便对交流电压进行整流，从而产生单向高压输出，此高压输出经电容性的平滑作用以除去或至少明显地衰减掉高压峰值。在这种结构中，当电路断电时，电容平滑元件所储存的电荷通过使开关装置沿反向偏置方向导电而向所述低电位(如接地)放电，并且，开关装置可根据高压发生器的断电而自动地进入这种状态。
按照本发明的另一个方面，提供了一静电喷雾设备，它包含有：护套；喷嘴装置；用于将要喷射的物质提供给喷嘴装置的装置；具有输出端的高压发生电路，通过所述输出端将高压加到所述物质以便对该物质进行静电喷雾；由半绝缘材料构成的环形元件，它包围着喷嘴装置并可与前述电路相连，因此，在喷雾过程中会形成与加到所述物质上的电压有相同极性的高电压，从而能改变紧邻喷嘴出口处的场强；以及，可在停止喷雾时进行操作以使所述设备的电容元件在喷雾过程中储存起来的电荷放电的装置。
所述放电装置最好包括上述开关装置，并且上述电压发生电路最好能产生至少25千伏的输出电压。当要喷射的液体相当粘稠和/或要求流速有一很宽范围时，这样大小的电压是必要的，该电压一般要超过在不会引起紊乱喷雾现象的情况下所能使用的数值，而所说的紊乱喷雾现象据信是至少部分地归因于电晕放电效应。而且，以这样大小的电压进行操作会导致电容储存大量的电荷，这些电荷在某些情况下能使用户受到不愉快的电击的可能性升高。构成本发明最后所述方面的一些特点的组合体允许使用高压，同时又能保证令人满意地喷射诸如油漆配方之类的较为粘稠并具有低电阻率的液体，并且能保护用户免受电容储存电荷的放电的影响。
以下仅以举例方式参照附图来说明本发明，附图中：
图1是体现本发明特征的一种喷枪的示意图；
图2是图1中说明的那种喷枪中所使用的光敏高压电子开关装置的一个实施例的示意图；
图3是一种静电喷雾设备的概略图，该喷雾设备包括图1所示的电子开关装置的高压发生电路；
图4是图3所示实施例的一种改进形式的概略图；以及
图5是用以发生双极性高压输出的电路的概略图，所说的电路可例如用于一种静电喷雾设备，该设备要求双极性输出以抑制电击和/或能喷射通常很难喷射的目标，例如，由电绝缘材料构成的目标。
所示的喷枪是手持式的，且适用于按高达至少4cc/分钟的流速来喷射诸如油漆之类相当粘稠并具有低电阻率的液体配方。要喷射的常用配方有约为1泊的粘滞度和约为5×106欧姆·厘米的电阻率。上述喷枪包括机身部件102和手柄104。机身部分102是由例如高度绝缘材料如聚丙烯等绝缘塑料材料构成的管状体。在远离手柄104的端部处，机身部件装有套环106，此套环也是由高度绝缘的材料诸如聚丙烯做成的并以螺旋或其它方式可拆卸地接合于机身部件102，从而能快速释放和接近液体容器。套环106将部件108固定在机身部件102端部的适当位置处，部件108包括一基体110以及一成整体的环形管套112，此管套向前突出于喷枪。
基体110有一中心孔，喷嘴114穿过这个中心孔伸出，喷嘴114尾端形成有凸缘115，凸缘115贴靠在基体110的后表面上。喷嘴114由高绝缘的材料诸如聚醛树脂(如“Delrin”)制成，通常具有约为1015欧姆·厘米的体电阻率。机身部件102容纳有一可更换的储液筒116，该筒用以把要喷射的液体输送给喷嘴114。在要使喷枪按高达至少4cc/分的流速来输送液体时，就需要将液体强制输送给喷嘴114，在本发明的这个实施例中，用一种叫做势垒包(barrier pack)的储液筒将液体强制地输送给喷嘴114，所述势垒包式的储液筒包括一由液化发射剂例如碳氟化合物134A所加压的金属容器118，要喷射的液体封装在软金属箔袋120中，该软金属箔袋将液体和发射剂分隔开。软金属箔袋120的内部通过一阀门124与喷嘴内的轴向通道122通连，所述阀门以与普通的按钮式容器的阀门相同的方式进行操作，即：该阀门相对容器118的向后位移可使阀门124打开，从而强制液体流入通道122(依靠发射剂产生的力量)。通道122的前端形成了一具有缩小直径的腔孔，该腔孔构成了喷嘴出口。喷嘴114的前端终止于接近包含管套112前端的平面位置处或终止于该平面内。
机身部件102在储液筒(116)的后方包含有高压发生器126，该发生器是装在一管状装载器128内，安装装载器128是为了使机身部件102能作有限的轴向滑动运动。拉簧130使装载器128向后偏置。高压发生器126是这样类型的发生器，它先产生脉冲输出，然后对该输出进行整流和平滑，以提供一高压直流输出。这种类型的适当发生器126在EP-A-163390中说明过。该发生器有一高压输出极132，它通过导线133连接于接头134，此接头则固定在所述装载器128上并设置成与金属容器118的尾部相接合。发生器的第二个输出极135设置成通过导线136、电阻138和固定在手柄104外表面上的接触片140而接地，这样，当用户握住喷枪时，就可通过用户提供一条接地的通路。一低压直流电源对发生器供电，所说的直流电源包括装于手柄104内的电池组142，并构成了低压电路的一部分，该低压电路包括：导线136，该导线通过电阻138及用户接地；以及，导线144，它把电池组142通过微动开关146接到发生器126的输入端。
在使用过程中，通过储液筒116和机身部件102之间的相对运动打开阀门124，喷嘴114则相对于机身部件保持固定。使阀门124操作的运动通过发生器/装载器组合体的运动作用而加到储液筒116上，组合体因与手柄104相联的扳机148的操作而运动，当挤压扳机时，它就使杠杆150绕着它的枢轴节点152转动，从而使另一杠杆154作枢轴运动，杠杆154绕标号156的位置作枢轴运动并通过连杆158连接到杠杆150。杠杆154贴靠在装载器128的尾端上，这样，杠杆154的枢轴运动就能使装载器移动，从而使储液筒116向前移动，由此而打开阀门124。一旦释放了扳机148，各种部件就因包括拉簧130的适当偏置装置的作用而恢复到它们如图所示的起始位置。挤压扳机148时还伴随有连杆160的运动，连杆160与微动开关146相连，这样，扳机的操作会伴随有微动开关的操作，从而将低压电供给发生器126。
对设计成能按高达至少4cc/分(例如高达6cc/分甚至更高)的流速来喷射较粘稠并具有低电阻率的液体的设备来说，所述发生器产生的通常超过25kv的高压通过接头134、金属容器118以及通道112内的液体而与喷嘴114的出口相连，从而在喷嘴尖与接地电位的周围环境之间形成一电场。所述电场的建立是为了把在喷嘴出口射出的液体变成细线，此细线再分散成适合于淀积成均匀薄膜的、由大小较均匀且荷电的微滴构成的发散喷射流。由于要喷射的配方具有相当粘稠的特性(例如约为1泊)，为了达到可高达至少4cc/分钟的流速，喷嘴出口的直径必须做得相当大(一般至少600微米)。同样，就相当粘稠的物质来说，要在这一量级的流速上获得令人满意的线状形状(特别是单一的、轴向线状形状)，就需要按比具有较低粘滞度的液体所需的电压更高的电压去进行操作，因为，由粘稠物质构成的线状形状需要有增加了的电场强度。
为此，所用的发生器126有25千伏或更高的输出电压，这是把发生器的高压输出接到内阻为30千兆欧姆的Brandenburg 139D高压计上测得的。然而，使用这样量级的电压一般很可能导致由于电晕放电效应而产生的紊乱喷雾，因为，在喷嘴出口邻近处的场强很可能会超过空气的击穿电位。上述紊乱喷雾例如可能会形成由从线状及弱发散的粗滴近轴喷流中分裂出的极细微滴所构成的呈现雾状的高度多分散的微滴。
在有25千伏或更高电压存在的情况下，令人满意的线状成形及分裂是靠部件108(特别是环形管套部分112)获得的。部件108由例如可从杜邦公司买到的“Hytrel”牌号4778的半绝缘材料(一般体电阻率可高达1011-1012欧姆·厘米)构成并且带有向后凸出的环形部分162，此部分与金属容器118相接触，这样，通过接头134加载的电压就会形成在管套112的前端且与在喷嘴114的出口处产生的电压值极性相同、大小也基本上相同，环形部分162夹在机身部件102的前端和环套106上的凸缘164之间，因此部件108相对机身部件102是固定的。扳机148的操作会导致容器118相对于部件108位移，但电路连续性则通过容器118的前端和环状部分162的内边缘之间的滑动接触而得以维持。
不用说，高压发生器与管套之间的接触除了所示的滑动接触结构以外，还可用别的方式实现，例如可由一弹簧接头来实现。所说的接触结构通常应能保证在喷雾之前或与喷雾同步地于管套上形成一定的电压，此电压基本上等于形成在喷嘴尖处的电压，因此，管套直接影响喷雾的进行。
通过使管套前端相对于喷嘴尖适当地定位，可明显减弱喷嘴尖邻近处的场强，以产生能分裂成大小较均匀的微滴的单线形状。通过反复试验，即用具有一轴向可调管套的喷枪试验模型能很容易地把管套端部的最佳位置确定下来。这样，在观察喷射特性的同时，管套可从缩进位置向前调整。开始时，在管套缩进的情况下，可观察到上述紊乱喷雾效应，随着当管套的向前移动，会到达喷射质量有明显改进并能得到大小较均匀的微滴的位置。在这一位置旁边调整就不再会影响开始时的喷雾质量但倾向有聚焦效应。实际上，形成在管套端部的电压同喷嘴尖上的电压有着基本上相同的大小。我们已发现，最佳位置是这样一种位置，在该位置处，喷嘴尖或多或少地与包含管套前端在内的平面相重叠。在一具有代表性的结构中，使用了内径为16毫米、外径为20毫米的管套，喷嘴尖大约突出上述平面1毫米。上述结构通常要这样安排：即在喷嘴前端和管套正相对的前端之间延伸的假想象线间的角度在140至195°范围内，最好是150至180°(小于180°的角度相当于喷嘴前端位于管套之前，而大于180°的角度则相当于管套位于喷嘴前端的前面)。
通过用同一种液体在相同条件下使两个喷嘴进行操作，可以证明线状分裂特性的明显差别，其中一个喷嘴是在没有管套的情况下进行操作的，而另一个则是在带着处于最佳位置的管套的情况下进行操作的。在没有管套存在的情况下，典型的分裂状态会在喷嘴出口一小段距离处形成由极细微滴构成的雾，随后将线状中心线分裂成由弱发散的粗滴所构成的流线。此例中产生的喷射完全不适合于在要喷射的表面上形成均匀的液体薄膜(如喷漆)。与此相反，在具有位于最佳位置的管套并按大体上与喷嘴尖上所具有的电压相同的电压进行操作的情况下可以观察到这样的线状喷射，它在分裂成由具有很窄尺度分布的微滴所构成的发散流之前相对喷嘴出口位移很长一段距离。当喷嘴在有处于最佳位置的管套的情况下进行操作时，可以很容易地获得带有微滴的喷射流，所说的微滴具有平均直径小于100微米的体积。
与加在喷嘴尖上相当高的电压(即通常大于25千伏)相连的金属容器118的存在会在喷雾过程中导致聚积起大量的电容存储电荷，从而使用户在中断喷雾、试图接近设备内部(例如想更换储液时)有经受不愉快的电击的可能。这种可能性可以通过装上一种随喷雾的停止而对电容储存电荷进行放电的装置来加以避免。这种装置可由诸如参考图2所述那样的高压开关来实现。
参照图2，高压开关包含一超高压二极管210，该二极管通常由元件号为No.BY 713菲利浦EHT二极管(可从RS零件有限公司买到，零件号No.RS 262-780)构成。上述二极管是硅二极管，它由封装在大量密封材料P1中(这里称为一级密封材料)的多层pn结点形成，并设计成能用于高压应用。该二极管的最大直流反向电压为24千伏。作为发光二极管(发光二极管)212的光源也被封装在大量密封材料P2中(一级密封材料，但不必要与P1是同一种材料)，此光源装在紧靠近EHT二极管210处，以便在通电时发光二极管212发射的光能入射到EHT二极管210上。一般地说，发光二极管212由诸如从RS零件有限公司可买到的零件号为RS 635-296的那种高功率红外发射发光二极管构成。如所出售的那样，EHT二极管和发光二极管二者皆为密封件。在所述开关是由如图1所示的分立部件组成的情况下，最好对具有密封材料的EHT二极管进行选择，而所说的密封材料则具有对发光二极管产生的光的波长有某种程度的透射性。因此，我们已发现，上述部件的组合是最佳的，因为，所出售的菲利蒲BY 713 EHT二极管带有玻璃密封材料，该密封材料能透过RS 635-296发光二极管产生的红外光的波长。
在装配过程中，注意到二极管210的结构旨在高压使用而不是光的汇集(像光电二极管那样)这样的事实，按光学对齐的方式组装EHT二极管210和发光二极管212以保证发光二极管212发射的红外光能全部有效地照射到二极管210的pn结上。EHT二极管和发光二极管212在适当对齐之后均密封进一种对发光二极管发出的波长有适当透光度的材料(二极密封材料S)214之中。密封物质214按能避免在相应交界面处产生起反射界面作用的气隙的方式注塑在二极管210和发光二极管212的周围。这能较容易地通过采用这样一种注塑技术来实现，所述注塑技术能确保在密封材料固化过程中使物质214外围表面产生收缩而不使该物质在二极管210和发光二极管212的交界面处有收缩。为避免有害的边界效应，要对构成物质214的密封材料进行选择以便能至少提供与二极管210和发光二极管212的密封材料相匹配的合理折射率。就特定的部件(BY 713二极管和RS 635-296发光二极管)而言，合适的密封材料是光固化树脂LUXTRAK LCR 000(LUXTRAK是帝国化学工业公司集团的RTM)以及可从RS零件公司得到的UV固化树脂RS 505-202。二级密封材料S还在低电压下的二极管212和高电压下的EHT二极管210之间提供高度的电绝缘。
如上指出，重要的是按能确保有效利用二极管212所发出的射线的方式来执行把二极管210和212密封在二级密封材料S中的注塑程序。特别是，必须注意避免在一级和二级密封材料之间形成的层间空隙。这种空隙起源于固化时因二级密封材料收缩而形成的内应力。通过下述方式可达到前述目的：将脱模剂涂到注塑模上以免二级密封材料粘固于塑模边上，因此，固化的二级密封材料在收缩过程中会粘固于一级密封材料上而不粘固于塑模表面上。另外，代之以使用脱模剂，塑模可装嵌一挠性薄膜衬，以防二级密封材料粘固于塑模表面上。
如前所述，普通的高压二极管的结构不适于有效地利用入射光。实际上，一些高压二极管密封在能有效地遮挡pn结受光照射的材料中。相反，利用已知的效应：即光已照在pn结上，在开关是市售的分立高压二极管组成并假定二极管的结构对光的汇集来说不是最佳的情况下，最好能使光照最强，而不是把二极管与光照隔开。因此，在需要增强光照的情况下，除了使发光二极管212按相对于EHT二极管210的最佳方向定位于靠近该EHT二极管210以外，还提供一反射表面或使不直接入射到EHT二极管上的光线改变方向的表面。
在已说明的实施例中，这是用一层材料216来实现的，所述材料可将EHT二极管210和发光二极管212包围起来并用于将光反射到EHT二极管上需要光照的位置。层/涂层216的至少一部分通常具有接近于球形的外形。举例来说，层/涂层216可由氧化镁(MgO)构成。
由EHT二极管210、发光二极管212和密封物214构成的组件封装在一大块封装复合物18中(三级密封材料)，所述封装复合物有很好的电绝缘特性且按这样的方式来封装所说的组件：即让EHT二极管210的引线220和发光二极管212的电极222外露以便与外电路连接，同时又能将二极管210与外界光线分隔开。如果适当地选定三级密封材料，就可省去单个的反射层216，例如，三级密封材料18可以是诸如可从RS零件公司得到的零件号为No.RS552-668的白色反射材料。
上述组件的形状和大小是这样来选定的：要在二极管212工作的低电压和EHT二极管210工作的很高的电压之间提供适当的电绝缘。在例如仅使用二级密封材料(有或没有反射层216)的情况下，选择二级密封材料的形状和大小以使高、低压引线220和222之间的距离在按横跨二级密封材料暴光面进行测量时对加给EHT二极管210的每1千伏电压来说至少是3毫米。然而，如果组件(例如和其它共同形成一包括由二极管210和212组成的组件体在内的电路的部件一道)封装进一封装复合物中，二级密封材料的外表面就不会暴露于空气，在此情况下，其形状和大小允许引线220、222之间的距离在跨过二级密封材料外表面进行测量时对加于二极管210的每1千伏电压来说至少是1毫米。
就RS635-296发光二极管而言，必须要有超过大约1.3伏的阀值电压才能产生使高压二极管反向导电所必需的光。发光二极管一般只要1毫安就能打开开关，但是，特别是在用于形成如以下参考图4所说明的双向输出时，流向发光二极管的固有峰值电流最好可高达约300毫安以提供最大电流承载能力，然后是5-30毫安(最好是5-10毫安)的电流，以便维持足够的EHT输出电流，该电流可用于诸如下文所述的静电喷雾之类的典型应用。
如以上参照图2及图1中设备所述的高电压低电流开关的一个应用在图3中有所说明，图3显示了图1中设备的电压形成电路结构的示意图。如图3所示，一包含电池组142和接地的用户可控开关146的低压电路332对高压发生器126供电。
图1设备中扳机148的操作可使开关146操作并加压给盛有液体的储液箱120，以便将液体供给喷嘴114，在使用过程中液体从喷嘴中进行静电喷射。
发生器126的高输出电压(在所述的实施例中以正号表示：“+”)加到一输出接头344，该输出接头在使用过程中按某种适当方式加以连接，以便使在喷嘴114出口处射出的液体带电。在图3中，所示接头部344和一设置在贯穿喷嘴114的液体供给通路内的电极相连接；在另一种结构中，接头344例如可在喷嘴出口上游的位置处电连接于所说的液体。例如，假如储液箱是绝缘材料制作的话，则通过穿过储液箱120壁面的一个接头来形成上述电气连接；或者假如储液箱是导体材料制作的话，则通过储液箱壁面形成上述电气连接。接头344还连接于所述设备的管套上(图中未示出)。
高压发生器126以是这样类型的高压发生器，它使用了一振荡器，该振荡器与直流低压电路332相连并用于产生大体上交流方波输出，此输出供给一升压变压器，从所述变压器的次级绕组供出高输出电压(一般具有大约20赫频率的脉冲序列)并通过整流器和电容电路供给输出接头344，以便提供一单极性的高电压，在通过将发生器的高压输出接到一具有内阻为30千兆欧姆的Brandenburg 139D高压计上而进行测量时，上述单极性高压一般约为10至30千伏。所述电容器对脉冲序列进行平滑并用于消除次级输出中极高电压的峰值，该峰值电压可高达约100千伏。
在喷射的液体和低电位(此低电位例如由一特定的目标、周围的介质或装在所述设备的喷嘴附近的低电位电极所形成)之间形成的静电场能有效地使液体形成一个或多个细线，然后，该细线分裂以产生荷电的微滴喷射流。一般在有足够的压力下提供所说的液体以便按弱喷射流的方式对该液体进行放电，并且，静电场可有效地使上述喷射流颈缩成比进行喷射的开口还要小得多的直径，从而形成细线，该细线分裂以产生出带电的微滴喷射流。
一旦因例如松开扳机并打开开关146而停止喷雾时，虽然发生器126断电，但还可能具有储存于系统中的残余电荷，例如由与承载件(例如，诸如构成储液箱的金属容器之类的金属部件或位于发生器126的高压端上的金属部件)相连的电容器所储存的电荷。除非采用了适当的措施，对使用者而言，例如假定使用者一停止喷雾就试图更换容器而接近该容器，这种存储的电荷就具有导致产生电击的潜在危险。
在工业用的由独立于喷雾设备的交流电源来加以供电的重载荷喷雾设备中，通常所用的解决方案是使发生器的高压输出通过一漏电电阻而接地，因而，在喷雾停止时，残余电荷很快就通过漏电电阻对地放电。要确保快速放电，漏电电阻的阻值要相当低。因此，所述设备的电源应设置成能提供足够的电力以补偿被低值漏电阻强行排放的持续的漏电流。对于由单独的交流电源供电工业设备来说，这不会有特别的问题。然而，对于喷射消耗品(如喷漆及其它类似物)的小型且廉价的喷雾设备而言，电源是装在设备内部的直流电池电源，使用在喷雾过程中会引起大量电流消耗的漏电电阻在商业上是不可行的。
如图3所示，要在发生器126断电时为残留的电容储存电荷提供一放电通路，参照图2所述的开关146应连接在正高电压输出接头344和接地端之间，EHT二极管210则被加载了反向偏压。在正常喷雾操作过程中，发光二极管212不起作用，而二极管210除了可略而不计的暗电流以外是不导电的。当发生器126断电时，发光二极管212就暂时启动，从而使EHT二极管反向导电以便为残存电荷提供接地的通路。
发光二极管212随用户松开扳机而自动启动。扳机的松开伴随着开关146从电极352到电极354的运动，从而把电阻分压器R1、R2接到发生器126输入端的输入上。结果，位于发生器126输入端的、用参考数356表示的内部电容器通过分压器R1、R2对地放电。这种电流会在晶体管开关358的基极上形成一控制电压，上述晶体管开关会转换成“通”态，以便通过限流电阻360将发光二极管212连接到电池电源142。这样，发光二极管就会启动，从而使EHT二极管210导电以消除残存的电荷。
来自内部电容器356的控制电流仅在一定时间间隔内有效，这个时间间隔是由元件356、R1和R2形成的电阻/电容网络的时间常数决定的。一旦控制电流消失，晶体管开关358就回到“断”的状态，因而发光二极管212被截止。实际上，将所说的电路设计成能保证充分(通常是完全)而快速地在发生器126输出端处对残留电荷进行放电，以防止电击用户的危险。
图3中仅显示出一个开关，然而，在许多场合中，尤其当发生器高压输出特别大(例如为30千伏或更大)时，可以有两个开关或甚至更多，虽然两个开关对满足多数用途来说足够用了，这些开关中设置有EHT二极管210，EHT二极管串联在输出接头344和地线之间。在此情况下，电路就要相应地修改成能对两个发光二极管212加电。
图3中，按照与加载在接头210上的高压输出呈反向偏置的关系来设置EHT二极管210。在另一种结构中，该二极管可设置成能提供双重功能，这就是：当喷雾停止时，对残余电荷进行放电以及对在发生器126的升压变压器次级上产生的输出进行整流。参看图4，由于这个实施例在总体上类似于图3的实施例，所以，以框图的形式显示了低压电路332，但是显然它具有和图3相同的形式。图4中类似的部件也均用与图3中相同的参照数码表示。图4实施例工作方式除下面要说的几方面外一般都与图3相同。在此情况下，EHT二极管210是以正向偏置方式接在升压变压器的次级绕组400和输出接头344之间。电容器462(可以是分立电路元件或可以是上述承载件所呈现出的电容器)用于消除高压峰值并如图3所述那样提供平滑功能。在发生器126运转过程中，EHT二极管210对次级输出加以整流以向接头344提供一单极性输出。当喷雾停止且发生器126断电时，发光二极管212按图3所述的方式暂时地启动以使EHT二极管210沿反向偏置方向导电，从而通过次级400提供使电容器462以及与承载件相联的电容所储存的残余电荷对地放电的通路。
图5说明了这样一个实施例，它使用了参照图2所述的开关，该开关用于在图1所示设备的输出端处产生双极性输出。产生双极性输出的设备可如EP-A-468736所公开的那样用以抑制电击或如EP-A-468735所公开的那样用于对通常难以进行静电喷射的目标(如由电绝缘材料构成的目标)进行喷射。本文中引用了EP-A-468735和468736所公开的内容。
图5中，高压发生器126的低压输入端与构成低压电路部分568的直流电池组142及用户可启动开关146相连，包含在高压发生器126中的升压变压器次级绕组500的高压端产生交流脉冲序列(一般具有大约20赫的频率)形式的高压，该交流脉冲序列连接到一对常规的、并置但相反偏置的高压二极管574、576上。次级绕组500中感应的交流电动势(EMF)因而被整流，二极管574通过电压的正周期，而二极管576则通过其负周期。电容器578、580和二极管574、576相连以消除电压的峰值并平滑脉冲。开关元件582A、582B控制着发生器的电压与输出端580的连接，输出端580又以任何适当形式连接到喷嘴上以将高压加载到在喷嘴出口处射出的液体上。各个开关582A、582B均包含有一高压二极管210及相应的发光二极管212并设置成能按前述方式那样发挥作用。
每个二极管210都和相应的常规二极管574、576背对背地串联起来，发光二极管210的启动是由控制电路588以这样的方式控制的：即二极管210可沿反向偏置方向交替并周期性地导电，控制电路588随着用户可启动开关146的闭合而启动(例如随着按压与设备手柄部分相连的扳机而启动)。控制电路588设计成能使二极管210以借助双极性输出所达到的(例如像在EP-A-468736和468735中公开的)电击抑制或喷射绝缘目标的效果的相应频率相交替地导电。因此，举例来说，控制电路588可以按下列方式控制二极管210的导通，即：在580端部产生通常大约高达10赫(一般为1至2赫)的双极性输出，该输出具有通常的方波形式。
图1所述喷枪(包括图2到图5所示改进型)特别适合于高达至少4cc/分钟(最佳可高达6cc/分钟)的喷射/流动速率来喷射粘滞度在0.5和10泊之间(特别在1至8泊之间)和电阻率在5×105和5×107欧姆·厘米之间(特别在2×106和1×107欧姆·厘米之间)的液体。喷嘴出口的直径和电压发生器126的电压输出则按要喷射的液体的粘滞度及电阻率来选定。一般来说，喷嘴出口直径至少为500微米，较通用的为至少600微米，以避免被悬浮在相当粘稠的液体(例如喷漆配方)中的颗粒堵塞住以及可按容器118所使用的发射剂的适当压力达到期望的喷雾流速。发生器126的直流输出电压在用内阻30千兆欧姆的Brandenburg 1390高压计测量时一般是在25和40千伏之间，更通用地是在28和35千伏之间。虽然把管套112接到发生器126的输出端以在管套上形成大体上与在喷嘴尖上的电压有同样大小电压是很简单的，但我们不排除管套电压与喷嘴尖上的电压有显著差异的可能性。在此情况下，电压间的差别可以通过使管套相对于喷嘴尖适当定位来加以补偿，以确保按预定的发散方式喷射具有很窄的微滴大小分布的微滴。

Claims (20)

1.一种静电喷雾设备，它能按高达至少4cc/分的喷射速率对电阻率约为5×106欧姆·厘米及粘滞度约为1泊的液体进行喷雾，所述设备包含：有一出口的喷嘴装置；将要被喷射的液体强制地供送给所述喷嘴装置的装置；高压发生器；与高压发生器相连，
用于将电位加载给喷嘴装置出口处射出的液体的装置；位于喷嘴装置邻近的电极，它用以改变喷嘴装置出口附近的场强，该电极包括一种半绝缘材料；以及用于把上述电极电连接于所述高压发生器上去以便在电极上形成一个电位的装置，此电位与从喷嘴出口射出的液体有相同的极性和大小，从而使在喷嘴装置出口的邻近处的电位梯度减小。
2.按权利要求1的设备，其特征在于，所述半绝缘材料具有至少为1×107欧姆·厘米的电阻率。
3.按权利要求1的设备，其特征在于，所述半绝缘材料具有大约为1011至1012欧姆·厘米的电阻率。
4.按权利要求1-3中任何一项的设备，其特征在于，加载于喷嘴装置出口射出的液体上的电位超过25千伏。
5.按权利要求1-3中任何一项的设备，其特征在于，加载于上述电极上的电位大体与加于所述液体上的大小相同。
6.按权利要求1-5中任何一项的设备，其特征在于，所述用于把液体供给喷嘴装置出口的装置包含一用户可操作的启动件，该启动件设置成能通过加于该启动件上的作用力调整所说的供给速率。
7.按权利要求6的设备，其特征在于，该设备的结构能使得供给装置的启动件的操作还按这样一种方式启动电压发生器：即电压在液体从喷嘴装置的出口装置喷出之前加载到液体上的。
8.按权利要求1-7中任何一项的设备，其特征在于，喷嘴装置的出口直径至少是500微米。
9.按权利要求1-3中任何一项的设备，其特征在于，所述电极一般为圆环形并加载有与液体有大体相同大小的电压，该电极如此来定位：延伸于喷嘴装置出口与环形电极的正相对的前端之间的假想线间的角度在140至195°范围内。
10.按权利要求9的设备，其特征在于，所述角度在150和180°之间。
11.按权利要求1-10中任何一项的设备，其特征在于，它还包括与发生器的高压输出相联的电子开关装置，该开关装置用以控制所述设备的电流和/或电压的开关操作。
12.按权利要求11的设备，其特征在于，所述开关装置是可进行控制操作以便随着高压发生器的断电而为电容储存的电荷提供一电流放电通路。
13.按权利要求12的设备，其特征在于，所述开关装置能根据用户可启动开关的操作而自动地操作以便使高压发生器断电并停止喷雾。
14.按权利要求12或13的设备，其特征在于，所述开关装置以能提供整流的方式与高压发生器的一部分相连或构成高压发生器的一部分。
15.按权利要求11的设备，其特征在于，所述电子开关装置包括对辐射响应的电子开关元件和辐射形成装置，该装置设置成能控制开关元件的操作以便产生预定频率的双极性输出电压。
16.一种静电喷雾设备，它包含有：护套；喷嘴装置；用于给喷嘴装置供应要喷射的物质的装置；带有一输出端的高压发生电路，高压通过上述输出端加载到前述物质上以便对该物质进行静电喷雾；一由半绝缘材料构成的环形元件，它包围着喷嘴装置并电连接于或可接到所述电路上，从而在喷雾过程中会形成与加到所述物质上电压极性相同的高压，以减弱喷嘴出口邻近处的场强；以及在停止喷雾时进行操作以便对喷雾过程中由上述设备的电容元件所储存的电荷进行放电的装置。
17.按权利要求16的设备，其特征在于，它包括用户可操作装置，用于控制电压电路的启动和截止，并且，所述放电装置能根据高压电路的截止而自动操作。
18.按权利要求16或17的设备，其特征在于，所述放电装置包括电子开关装置。
19.按权利要求18的设备，其特征在于，所述电子开关装置包括对辐射敏感的电子开关以及用于控制电子开关操作的辐射形成装置。
20.按权利要求1-19中任何一项的设备，其特征在于，所述高压经过该液体的整体部分而加载于在喷嘴处射出的液体。
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