CN1346298A - 喷洒挥发物的压电喷洒装置 - Google Patents

Abstract

在此公开的是一种压电液体喷洒装置或喷雾器,用于产生液体或液体悬浮液的液滴,这是通过一个电池驱动的喷洒器,它使用与压电元件(2)连接的节流孔板(3)。通过控制所要喷洒液体的粘度和表面张力,实现改进这种液体的喷洒。

Description

喷洒挥发物的压电喷洒装置

技术领域

本发明涉及的装置是借助于压电装置，以微粒或液滴的形式，如以细雾，喷洒液态活性物，如香水、空气清洁剂、杀虫剂、或其它物质。特别是，本发明直接涉及一种压电液体喷洒系统，借助于一个机电或电声激励器，产生液体小液滴、或液体悬浮液。更具体地，本发明涉及一种电池驱动的喷射器，使用节流孔板与一个压电元件连通。通过控制所喷洒液体的粘度及表面张力，实现改进喷洒这种液体的一种方法。

背景技术

以细雾、或雾化形式喷洒液体是众所周知的。这种喷洒的方法之一是通过超声压电振动器产生的声振动去雾化液体。Certer的第4,702,418号美国专利是这种方法的一个例子，它公开了一种气雾喷射器，包括一个喷嘴腔，用于存放所喷洒的液体，和一个至少形成该腔的一部分的膜片。其中设置了一个气雾喷洒喷嘴，它有一个节流通道用于将液体从贮液器引导到喷嘴。一个与一低电压电源连接的脉冲发生器，被用来驱动一个压电挠曲器，它迫使液体从贮液器通过喷嘴产生气雾喷雾。

另一种喷雾器喷雾装置被示于Humberstone等人的美国专利第5,518,179号，描述了一种液体小液滴产生装置，它包括一个振动膜片，由一个有复合薄壁结构的致动器振动，并且被安排以挠曲模式运行。液体被直接输送到在振动膜片的表面，并且在振动膜片的振动下，从而以细小的液滴被喷洒。

Toda的美国专利第5,297,734号和第5,657,926号描述了超声波雾化装置，它包括压电振动器，有一个振动板连接其上。在美国专利第5,297,734号公开的振动板，其上有许多微孔用作液体的通道。

而且，还有许多其它专利公开了通过超声波雾化装置、或定时间隔喷洒液体的装置，它们在有效雾化如香水这样的物质方面仅取得了适度的成功。例如，参见美国专利第3,543,122号，第3,615,041号，第4,479,609号、第4,533,082号和第4,790,479号。这些专利及在这提及的所有其它出版物的公开内容通过参考被结合如同在此全部提出。

这些雾化器不能提供一种容易携带的、电池供电的喷洒器，它使用一个节流孔板与压电元件机械连接，在喷洒速率几乎没有或没有变化的情况下能够长期使用。因此，需要改进的雾化器或喷射器，以用于喷洒活性液体，如芳香物和杀虫剂，这种喷雾器是高效且耗电少，而提供广泛的喷洒液体。

发明概述

本发明的主要目的是提供一种高效喷洒液体的方法，如香水、空气清新剂、或其它液体。这些其它液体包括家用清洁物、消毒杀菌剂、杀菌剂、防虫剂、杀虫剂、香味治疗配方、药物、治疗剂、或其它液体或液体悬浮液，有利于为使用而雾化。这些合成物可以是水溶液，或包括各种溶剂。

本发明的一个目的是提供便携、电池运行的喷洒器，它使用一个与压电元件机械连接的圆顶形的节流孔板。本发明进一步的目的是提供一个压电泵，能在低压电池下有效运行数月，而且，在整个期间内保持喷洒的稳定。这一目的包括提供一个压电喷雾器，能使用这些电源，如9伏电池、传统的干电池，如A、AA、AAA、C和D型号的电池、钮扣电池、手表电池及太阳能电池。本发明优选使用的能源是AA和AAA电池。

本发明的另一目的是想提供一种液体供给系统，它能够在线性时间范围内雾化如芳香油或杀虫剂这样的液体，而且在最后一天仍保持与第一天喷洒时的相同的特性/组成，即，成分没有随时间发生变化或分解。这种电子单元可以编程，并且可以用来设定一个精确的供给速率(以每小时多少毫克为单位，以下简称为mg/hr)。另一方面，电子电路可以允许用户根据个人的喜好、产生效果的能力或房间大小来调整强度或效率到一个所希望的水平。

本发明的另一目的是提供可以从装置中间歇地推动以形成小片“云”或“蓬松团”的纯芳香物或杀虫剂的小微粒，在所在区域存在气流时这些小颗粒在整个大区域上快速扩散和移动。业已发现，这些小尺寸的颗粒和相应的大比例的聚集表面区域，使得这些液体颗粒快速均匀地蒸发。在优选实施方案中，供给系统用一节1.5伏的AA型号电池，以一个线性供给率运行数月，在整个期间内供给的液体用量一致，液滴大小基本相同。

在本发明的优选实施方案，本发明的这些目的及其它目的能通过芳香、杀虫剂、和如上所述的其它液体喷雾器来实现，其中，雾化系统包括一个用于所喷洒液体的空腔，为了喷洒液体将液体从所述空腔传送到节流孔板的装置，一个压电元件，一个能源，以及驱动和控制该压电元件的电路。芳香物、杀虫剂、或其它想要的液体通过一个液体传输装置，如以与节流孔板接触的表面张力传送液体的毛细传送系统，被传送到节流孔板的后侧。压电元件可以由小型电池供电的电路驱动，并使元件振动，并迫使液体通过节流孔板，节流孔板上有一个或多个与其表面垂直的小锥形或圆锥形孔，所述孔的出口的直径，大约为1微米到大约25微米的数量级，优选为大约4到10微米，最优选为大约5到7微米。业已发现，通过将使用的液体限制到其粘度为低于10厘泊，且其表面张力低于每厘米35达因，并优选为大约每厘米20到30达因的范围，就能获得优良的结果。本发明这样提供的一种装置，用于在整个喷洒期间内均匀地雾化所要喷洒的液体，因而，在开始喷洒时的每个时间单元喷洒的量与喷洒接近结束或结束时喷洒的量是不变的。粘度是以厘泊为单位，使用Bohlin CVO流速计系统连同高灵敏度双间隙几何结构来测定。表面张力的结果以每厘米达因为单位，使用Wilhelmy Plate协议下操作的Kruss K-12张力计测量。可以理解每厘米1边因等于每米1千分之一牛顿mNm^-1，和1百分之一泊等于1千分之一帕斯卡秒(mPas)。本发明的这些和及其它目的以及优点可以从以下的只是优选实施方案的描述中明显得出。因此，为理解本发明全部范围，应当看权利要求。

附图的简要说明

图1是本发明优选实施方案的适用于压电喷雾器的电路板部分的等轴视图；

图2是液体容器和将液体送到节流孔板表面装置的等轴视图；

图3是示出液体容器、传送装置和压电元件关系的剖视图；

图4是图3中的圆内区域的局部放大图；

图5是压电元件和安装在优选实施方案底盘上的印刷线路板的顶视图；

图6是本发明优选实施方案使用的压电泵装置的简化剖视图。

发明的实施方式

应当理解，附图及下述讨论是针对本发明的优选实施方案，但本发明本身要比在此所给出的要宽。特别是，本发明同样可应于其它形式的压电雾化，如使用悬臂梁和/或放大板以及使用由像墙插座这种常规电源而不是电池电源驱动的喷雾器。

图1示出印刷线路板1和位于其中的压电元件2之间的总关系。为了能清楚容易地理解本发明，所示出的印刷线路板1没有带电子电路和与之相连的电池。同样可以理解，在使用时电路板可以被连接于喷洒射器的底盘(chassis)，该底盘又可以被放在装饰性的外壳一样的壳体或容器(未示出)内以便使用。在图5的顶视图中示出了底盘板11，但没有示出壳体。装饰性的容器或壳体可以是任何形式或形状，只要适于保持和保护喷射器元件而又适于为消费者提供漂亮的外观，并且，还适于使液体以喷雾形式从喷洒器通过到空气中。这样，喷洒器壳体可以通过高速模压任何适于使用和接触所要喷洒液体的材料而被制造。

压电元件2可以如图示被安装在电路板1上，用橡胶密封圈(grommet)4或类似的不约束元件振动的任何适当装置固定到位。环状形式的压电元件2以环状关系被放置于节流孔板3，并且，被安装到节流孔板的边缘，以便传递振动。压电元件通常包括压电陶瓷材料，如铅锆酸盐钛酸盐(PZT)或铅偏铌酸盐(metaniobate)(PN)，但也可以是呈现压电特性的任何材料。

节流孔板包括适合于所述目的的任何传统材料，但优选包括形成在光敏抗蚀剂基底上的电镀镍钴合成物，该基底随后可用常规方法去掉，留下镍钴的均匀的多孔结构，厚度从大约10到100微米，优选为大约20到80微米，最优选的是大约50微米。节流孔板也可以使用其它适合的材料，如镍、镁锆合金、其它各种金属、金属合金、合成物、塑料，及其混合物。通过电镀形成的镍钴层，可以产生有光敏抗蚀剂基底轮廓的多孔结构，其中渗透性是通过锥形孔的形式来实现的，这些孔在出口一侧的直径约6微米，而在进口侧的直径较大。节流孔板优选为圆顶形状，即，在中间略有抬高，但也可以是从平面到抛物面、拱形、或半球形的各种形状，或增强性能的其它任何合适的形状。节流孔板应有相对高的挠曲刚度，以保证其上的孔能承受基本相同的振动幅度，以便同时喷出直径一致的液体液滴。

虽然，示出圆形陶瓷压电元件围绕节流孔板或孔的形式，但也可以理解，本发明也是适合使用常规的压电元件，它包括振荡器和与膜片接触的悬臂梁、喷嘴、或适于喷洒的液体液滴或雾气的节流孔板。

图2示出的液体容器5，是用于存贮和供应芳香剂、空气清新剂、杀虫剂、或其它所要喷洒的液体。如图所示，容器由罩8关闭。还示出用于固定可拆卸的顶罩或盖(未示出)的卡口卡箍，顶罩或盖是为了用于搬运和存放容器，并且，在想要将容器放入喷洒器和使用其内的液体时还可以很容易地拆卸。从罩8出来的瓶开口9，伸出液体供应装置7，它是一种虹吸芯或圆顶形状的液体馈送介质。为方便起见，这里将液体供应装置称为虹吸芯，尽管它可以包括从刚性毛细系统到柔性多孔虹吸芯等许多不同的形状和材料。虹吸芯的功能是将液体从容器5传送到节流孔板的相接触的位置。因此，虹吸芯应是不受正在传送、液体的影响、多孔，并且，还应屈从节流孔板。虹吸芯的多孔结构在虹吸芯的整个挠性范围和任何其它轮廓能足以提供均匀一致的液流。为了将液体最好地传送到节流孔板表面，业已发现，虹吸芯自身必须直接接触节流孔板以将液体传送到节流孔板。优选以这样的方式将液体传送到节流孔板，即通过表面张力基本上将所有传送的液体粘着和传送到板表面。在合适的虹吸芯材料中，我们发现优选使用的材料，如纸、或尼龙纤维、棉制品、聚丙烯、玻璃纤维等。虹吸芯的形状优选与节流孔板表面形状相一致并与节流孔板并列，并且，通过位于容器5的罩8瓶开口9的虹吸芯保持器或定位器10被保持在正确位置。由于液体粘度和表面张力的结果，液体将很容易从虹吸芯流到节流孔板。应当注意，虹吸芯被算作包含在液体供应装置中的一个完整部分，该液体供应装置包括容器、液体、瓶罩，虹吸芯、和虹吸芯保持器或定位器，及为了存放及运输而密封该装置的顶罩。这样一个装置可以包括一个用于喷洒器的再灌装瓶，适于在用户方便的时候被放在喷洒器内。为此，液体容器5可以有附加装置16在瓶罩8上，用于在底盘11上插进一个适当的接受装置，以在拆卸顶罩或盖以后，将其锁定在操作位置。

图3的剖面图中示出了本发明一概特定优选实施方案中的液体容器5、虹吸芯7、压电元件2、和节流孔板3之间的关系。例如，压电元件2，通过橡胶密封圈4，或通过不限制压电元件振动的任何适当的装置，被放置在印刷线路板1上。在本发明的优选实施方案，环形压电元件围绕着节流孔板3，与其机械连接。节流孔板又与虹吸芯7接触，使得所要喷洒的液体能够从容器5到达节流孔板，在此通过表面张力接触产生传送。喷洒器的底盘板11没有被示出，它将电路板1和液体容器保持在适当位置，以便使虹吸芯7与节流孔板3并列。虹吸芯7通过虹吸芯保持器10被保持在罩8的开口内，保持器10可使柔软的虹吸芯7能够有一定的自由度，以便能在一定范围内调整，而虹吸芯尾部15保证完全使用容器5中所有的液体。这个自由度使得虹吸芯能够相对于节流孔板的表面进行自我调整，以补偿因制造偏差而引起的位置上的不同，并且，提供柔顺的传送装置用于将液体从容器传送到节流孔板表面。虹吸芯的长度，如图3和图4中所示，可以是可调整的，以改变液体间隙14，如图4所示，并且，以保证虹吸芯和节流孔板之间适当的接触程度，这对本领域普通技术人员是显而易见的。虹吸芯和节流孔板之间关系的更详细的图示，请直接参见图4，即图3的局部放大剖面图，其中示出了绕成圈的虹吸芯7，与圆顶形的节流孔板3并列，由此产生一个液体间隙14，其中被传送的液体是在表面张力下与节流孔板接触。同时，图4还示出了没有实际接触的虹吸芯和节流孔板，可以理解，这个间隙仅为图示之目的，并且，节流孔板3实际上与虹吸芯7接触，从而传送液体。如图所示，虹吸芯保持器/定位器10控制着虹吸芯7穿过罩元件8中开口9的通道。图4还示出了为压电元件2安装橡胶密封圈4、节流孔板3和节流孔板边缘12，以及将可拆卸盖(未示出)保持在瓶罩8的卡箍6。

图5是顶视图，示出电路板1、压电元件2、节流孔板2、安装橡胶密封圈4、及底盘板11之间的关系。如前面所述，压电元件2以与节流孔板3的环形关系，通过橡胶密封圈4在电路板1上被固定到位。电路板通过常规方式，如卡箍17和定位托架18，被安装在底盘板11上。

图6是本发明的放大剖面图，它示出了各种元件的综合关系。所示的节流孔板3包括节流孔板边缘12，它通过适当的连接装置13，如环氧树脂粘接剂，被连接在压电元件2。所示的虹吸芯7与节流孔板3部分接触，产生液体间隙14，通过这个间隙，要喷洒的液体被传送到节流孔板。所示的虹吸芯还包括伸进液体容器5(未示)的尾部结构15。

如上所述，可以得知对使用在所述喷洒器的元件和方法方面的改进的具体组合产生了令人惊奇的优良效果。例如，要想在延长的时间期限内非常容易地实现从液体容器到压电喷洒装置节流孔板的稳定一致的液流，就必须小心仔细地控制液体的粘度及表面张力。而上述的喷洒器装置的优选实施方案最有利于这种控制，业已发现，它也有利于各种外形和元件的喷洒器。

业已发现，喷洒液体的粘度值应被优选控制在低于大约10厘泊，优选为约0.5到5厘泊，并且，最优选从约1到4厘泊。还可以得出，粘度超过10厘泊不能通过节流孔板上6微米的孔雾化，而对于粘度在0.5到5厘泊的范围，使用一个1.5伏AA电池就能提供数月的有效的间歇雾化。

粘度在这些范围内能使液体在较低的能源消耗水平下雾化，因此延长以电池而不是电插座为能源的喷洒器内的电池寿命。这种在能源使用方面的改进对用户极具价值，它较少需要更换电池，并且，由于较平稳的能源消耗率使得喷洒速率变化较小。

此外，业已发现，喷洒的液体的表面张力，在用Wilhelmy Plate协议下操作的Kruss K-12张力计测量时，应低于每厘米约35达因，并且，优选为每厘米大约20到30达因的范围内，和，更优选为每厘米大约20到25达因的范围内，尤其是当液体粘度接近优选粘度范围的上限时。已经发现，选择这个范围内的表面张力的关键因素是由于该表面张力适合于保证液体在压电喷洒装置节流孔板的背面上均匀地扩散，并且，相对较低的表面张力有利于粘度在所述范围内相对较高的液体。

实例：测试一些芳香剂在附图中所示的喷雾器中的喷洒速率。粘度变化从低约1.9到约15。流量单位是mg/hr，和粘度单位为厘泊，测试结果如下：

香水    粘度     流量

A        1.9     40.5

B        1.9     32

C        2.0     21.9

D        2.1     19

E        2.3     27.6

F        2.3     6.8

G        2.4     25.6

H        2.6     13.6

I        3.0     10.7

J        3.7     2.3

K        4.9     2.7

L        6.2     1.1

M        6.4     没有雾化

N        6.7     没有雾化

O        9.8     没有雾化

P        10.2    没有雾化

Q        14.5    没有雾化

R        15.0    没有雾化

还有更多的样品进行了测试，测量悬臂梁喷雾器液体的表面张力的变化。这些样品包括三甘醇(triethylene glycol)(TEG)、变性酒精溶剂、及芳香剂。有些样品(2号、4号和6号)使用了有机氟表面活性剂，即一种氟表面活性剂，来降低表面张力。以下列出了样品的粘度及表面张力。粘度单位是厘泊，使用Bohlin CVO流速计系统连同高灵敏度双间隙几何结构来测定。表面张力的结果以每厘米达因为单位，使用Wilhelmy Plate协议下操作的Kruss K-12张力计来测量。

香水    粘度    表面张力

1       1.4     22.8

2       1.9     22.9

3       1.9     24.4

4       2.0     24.4

5       3.8     29.0

6       3.9     26.7

可以看出，对于表面张力低于大约每厘米25达因及粘度低于大约3.0厘泊的样品，能够获得改进的流动效果。而如果表面张力及粘度都接近优选范围的上限，仅能看到较少的优点，而且，显示出粘度是要控制更重要的参数。

尽管，本发明由目前考虑的优选实施方案所描述，但应能理解，本发明并不受所述实施方案的限制。相反，本发明可被用于覆盖所附权利要求范围内的各种改进及等同的装置。权利要求与最宽的解释相符，因而包含了所有这些改进和等同物以及功能。

工业应用性

本发明描述的雾化系统能在延长时间期限的期间内被用于对任何环境自动喷洒液体，如空气清洁剂、香水或杀虫剂，并具有能在驱动喷洒器的电池寿命期间一致均匀地将相同量的液体喷洒到空气中的优点。此外，通过再灌装和更换电池，喷射器可以被反复使用，以便使用户可以按其所想更换所要喷洒到空气中的液体，并且还具有额外的优点，即可以改变要喷洒的液体量，以便根据个人的喜好、产生效果的能力或房间大小来调整强度或效率到一个所希望的水平。通过将要喷洒的液体的粘度和表面张力控制在特定的范围内，可以延长电源的寿命。

Claims (9)

1.一种用于雾化液体的方法，所述方法包括提供所要喷洒的液体，一个所述液体的容器，一个压电元件，用于振动在所述压电元件中的节流孔板以产生小液滴，和将所述液体从所述容器传送到所述节流孔板的传送装置，其中的改进是在所述节流孔板的所述液体具有的粘度小于约10厘泊，及表面张力从大约每厘米20达因到大约每厘米35达因。

2.一种在一便携式的电池操作的雾化器中雾化液体的方法，所述液体选自芳香剂、杀虫剂、家用清洁物、消毒杀菌剂、杀菌剂、驱虫剂、香味治疗配方、药物、治疗剂、或有利于雾化使用的其它液体或液体悬浮液；所述的雾化器包括一个节流孔板，所述节流孔板有直径为从大约1微米到大约25微米的孔，并且与压电元件机械连接，一个将所述液体传送到所述节流孔板的传送装置，和可编程的电子电路，以控制所述液体的供给速率并从所述节流孔板提供间歇释放的液体小微粒，其中所述液体在所述节流孔板具有的粘度小于大约6厘泊，及表面张力在每厘米20达因和每厘米35达因之间。

3.一种在空气中形成蒙蒙雾气的喷洒液体的方法，所述方法包括如下步骤：

提供一个有多个小孔口分布其上的节流孔板，以在高速下振动，

当节流孔板振动时将液体从液体处传送到所述节流孔板的表面，

所述液体在所述表面具有的粘度小于大约6厘泊，及表面张力大体在每厘米20达因和每厘米35达因范围内。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于所述液体在所述节流孔板具有的粘度小于3.9厘泊。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述液体在所述节流孔板具有的表面张力在每厘米22.8达因和每厘米26.7达因之间。

6.一种用于振动器液体雾气喷洒射器的液体供应装置，所述装置包括：

一个液体容器(5)，具有一个从其内部伸展正好到其顶部之上位置的虹吸芯(7)，以通过毛细作用的方式从容器(5)内供应液体；和

装在所述容器(5)内所要喷洒的液体，其特征在于所述液体在所述位置(14)，具有粘度小于大约6厘泊，和表面张力从大约20mNm^-1(每厘米20达因)到约35mNm^-1(每厘米35达因)。

7.一种用于在空气中形成细雾的液体喷洒装置，所述装置包括：

一个节流孔板(3)，有多个小孔口分布其上；

一个振动器(2)，被安排用来快速振动所述节流孔板(3)；

存放在容器(5)内的液体；和

液体导管(7)，在节流孔板(3)振动时，液体通过该导管(7)从所述容器(5)被传送到所述节流孔板(3)的表面，

其特征在于所述液体在所述表面具有粘度小于约6mPas(6厘泊)，及表面张力基本上在20-350mNm^-1(每厘米20-35达因)的范围。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述液体的粘度小于3.9厘泊。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述液体在所述节流孔板具有的表面张力在每厘米22.8达因和每厘米26.7达因之间。

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