DE69233562T2

DE69233562T2 - Flüssigkeitszerstäubung

Info

Publication number: DE69233562T2
Application number: DE69233562T
Authority: DE
Inventors: Andrew Pantymwyn Jeffries; Michael Leslie Nannerch GREEN; Timothy James Pantymwyn NOAKES
Original assignee: Procter and Gamble Co
Current assignee: Procter and Gamble Co
Priority date: 1991-03-01
Filing date: 1992-02-24
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2012-02-25
Also published as: DK0501725T3; AU2053895A; JPH05104035A; EP1084758A2; AU671054B2; EP0501725A1; AU1124692A; GR3036300T3; AU658859B2; ZA922475B; ES2253174T3; DE69231870D1; EP0501725B1; ES2158844T3; HK1011310A1; DE69231870T2; EP1084758A3; HK1035876A1; PT501725E; DE69233562D1

Description

Diese Erfindung betrifft elektrostatisches Sprühen von Flüssigkeit derart, dass die Flüssigkeit zuerst aus einem Sprühkopf in Form eines Bands ausgeworfen wird, das anschließend unter dem Einfluss von Coulombschen Kräften in Tröpfchen aufbricht, um ein zerstäubtes Spray zu erzeugen. Elektrostatisches Sprühen dieses Typs ist gut bekannt und ist zum Beispiel in unserem früheren Britischen Patent Nr. 1569707 beschrieben.
Bei konventionellem Sprühen im Bandverfahren ist es umfassend bekannt, dass Flüssigkeitswiderstandsfähigkeit von entscheidender Wichtigkeit für die Sicherstellung zufriedenstellender Zerstäubung ist, und dass wässrige und andere Flüssigkeiten, die relativ niedrige Widerstandsfähigkeiten aufweisen, zunehmend ungeeigneter zum Gebrauch beim Sprühen im Bandverfahren werden, wenn die Widerstandsfähigkeit unter 1 × 10⁷ Ohm-cm sinkt.
Obwohl nicht darauf begrenzt, befasst sich die vorliegende Erfindung insbesondere mit dem Sprühen von Flüssigkeiten mit relativ niedriger Widerstandsfähigkeit wie zum Beispiel auf Wasser, Alkohol und Wasser/Alkohol basierenden Flüssigkeiten, die gewöhnlich in Körperpflegeprodukten wie zum Beispiel Deodorants, Antitranspirationsmitteln, Düften und Haarsprays verwendet werden. In der Vergangenheit sind viele solche Produkte als Aerosolprodukte vertrieben worden, in denen ein Treibmittel verwendet wird, um Zerstäubung der Flüssigkeit in feine Tröpfchen mit einem Durchmesser von typischerweise kleiner als 50 Mikron zu verursachen.
Aufgrund der momentan erkannten Umweltprobleme, die mit den konventionell in Aerosolen verwendeten Treibmitteln verknüpft sind, ist die Aufmerksamkeit auf alternative Verfahren zum Ausgeben von Körperpflegeflüssigkeiten gerichtet worden. Elektrostatisches Sprühen bietet einen alternativen Ansatz, wenn der auszugebende Inhaltsstoff jedoch mit einem wässrigen und/oder Alkohohlträger (oder einer anderen Flüssigkeit mit relativ niedriger Widerstandsfähigkeit) kombiniert wird, legt aktuelles Wisse nahe, dass bei praktischen Durchsatzmengen (typischerweise mehrere cm³/min) solche Träger kein Ausgeben des Produkts als Tröpfchen mit einem Größenbereich zulassen, der mit dem durch Aerosolsprays erreichbaren vergleichbar wäre.
EP-A-152446 offenbart eine Vorrichtung zum elektrostatischen Sprühen wässriger Flüssigkeiten und erklärt, dass, aus nicht vollständig verstandenen Gründen, zufriedenstellende Zerstäubung wässriger Zubereitungen nur bei Durchsatzmengen erreicht werden können, die für manche Zwecke unerwünscht niedrig sind, und Bandausbildung nicht mit wässrigen Flüssigkeiten erhalten wird. EP-A-152446 schlägt die Verwendung einer Koronaentladungs-Nadelelelctrodenbaugruppe in der Nähe eines Sprühkopfes vor, der ein schmales Metallrohr mit einem Durchmesser von 400 Mikron aufweist, wobei die Anordnung derart ist, dass die Elektrodenbaugruppe symmetrisch um die austretende Flüssigkeit herum angeordnet ist und Ionen erzeugt, die die Flüssigkeit bombardieren, so dass die Flüssigkeit eine stabile Bandform annimmt. Es wird festgestellt, dass die dargestellte Ausführungsform Tröpfchen mit einem mittleren Volumendurchmesser von 10 bis 50 Mikron erzeugt. Für Körperpflegeprodukte und ähnliche Produkte für den Hausgebrauch wird es sowohl unter einem ästhetischen Gesichtspunkt als auch hinsichtlich der Gefahr von potentiellem elektrostatischem Schock als unerwünscht angesehen, eine Baugruppe aus Nadelelektroden in der Nähe des Vorrichtungsauslasses vorzusehen.
DE-A-3620406 offenbart eine Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnfilmüberzügen auf Produkte mittels elektrostatischem Sprühen.
Cloupeau et al. offenbaren im Journal of Electrostatics, Elsevier Science Publishers, B.V.: Bd. 25, Nr. 2; Seiten 165–184, wie verschiedene elektrostatische Sprühfunktionsarten durch Variieren der Sprühbedingungen erhalten werden können.
DE-A-1277080 offenbart einen Prozess zum elektrostatischen Zerstäuben von Flüssigkeiten mit elektrischer Leitfähigkeit im Bereich von 10¹⁶ bis 10¹³ Ohm-cm durch die Verwendung sowohl negativer als auch positiver elektrostatischer Ladungen.
Der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Prozess zum elektrostatischen Sprühen von Flüssigkeit geschaffen, wobei der Prozess umfasst: Zuführen der Flüssigkeit von einem Flüssigkeitsvorratsmittel zu einer Düse zur Ausgabe durch eine Öffnung der Düse, wobei die Düse eine spitze Konfiguration hat, die einen Spitzenteil definiert, und der Spitzenteil die Öffnung aufweist; Anlegen eines hohen elektrischen Potentials an die Flüssigkeit, so dass die der Düse zugeführte Flüssigkeit aus der Öffnung unter dem Einfluss elektrostatischer Kräfte ausgeworfen wird; und Dämpfen des Potentialgradienten in der direkten Umgebung der Düsenspitze mit Hilfe von Dämpfungsmitteln, die die Öffnung umschließen, um so ein Potential mit der gleichen Polarität wie der an die Flüssigkeit angelegten zu bilden; dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine Widerstandsfähigkeit kleiner als 1 × 10⁷ Ohm-cm und größer als 1 × 10⁴ Ohm-cm hat; die Flüssigkeit der Düse bei einer Durchsatzmenge von 1 cm³/min bis 8 cm³/min zugeführt wird; und die aus der Öffnung austretende Flüssigkeit Einschnürung unter dem Einfluss des gedämpften Potentialgradienten zum Bilden eines Bands mit einem Querschnittsdurchmesser durchmacht, der wesentlich kleiner als die Abmessung der Öffnung ist.
Vorteilhaft liegt die Widerstandsfähigkeit der Flüssigkeit im Bereich von 1 × 10⁵ bis 5 × 10⁶ Ohm-cm.
Wenn die zu sprühende Flüssigkeit nur mäßig polar ist, d.h. eine Polarität kleiner als Wasser oder eine wässrige Mischung aufweist, und eine Widerstandsfähigkeit zwischen etwa 1 × 10⁶ und 1 × 10⁷ Ohm-cm aufweist, kann die Geometrie des Sprühkopfes darin konventionell sein, dass er eine relativ scharf gerundeten Kante und/oder eine ausgeprägte Winkelkonfiguration aufweist. Wenn die Flüssigkeit eine polare Komponente wie zum Beispiel Wasser darstellt oder enthält und eine Widerstandsfähigkeit von weniger als 1 × 10⁶ Ohm-cm aufweist, kann es dennoch möglich sein, konventionelle Sprühkopfgeometrie zu verwenden; wenn jedoch die effektive Widerstandsfähigkeit (die im Fall von Wasser nicht linear in Bezug zu der angelegten Spannung ist) sinkt, hat das Einsetzen von Koronaentladung die Tendenz, den in der unmittelbaren Nähe der Öffnung verfügbaren Potentialgradienten zu senken, bis wesentliche Einschnürung des Bands nicht mehr sichergestellt ist. Durch Modifizieren des Potentialgradienten in der unmittelbaren Nähe der Öffnung mittels nichtkonventioneller Hilfsmittel, wie sie im Folgen beschrieben sind, ist es jedoch möglich, Einschnürung des Bands mit Flüssigkeiten sicherzustellen, die Widerstandsfähigkeiten bis hinunter zu etwa 1 × 10⁴ Ohm-cm aufweisen.
Wenn eine Flüssigkeit als ein Strahl ausgeworfen wird, wird sie normalerweise hydraulischem Aufbrechen in Tröpfchen unterliegen, so dass das Band aufbricht, um Tröpfchen mit einem Durchmesser zu erzeugen, der etwa das 1,9-fache des Durchmessers des Strahls beträgt. Während der Erfindung zufolge allgemein das gleiche gelten wird, wird das Band veranlasst, Einschnürung mit dem Ergebnis durchzumachen, dass die Tröpfchen mit einem wesentlich kleineren mittleren Volumendurchmesser als dem erzeugt werden, der von einem einfachen, aus der Öffnung austretenden Hydraulikstrahl erhalten werden würde. Vorzugsweise ist das Ausmaß der Einschnürung derart, dass die erzeugten Tröpfchen einen wesentlich kleineren mittleren Volumendurchmesser als die Abmessung der Öffnung aufweisen.
Wie hier verwendet, ist der Ausdruck "mittlerer Volumendurchmesser" als der Tröpfchendurchmesser definiert, so dass 50% des Volumens der Tröpfchen nicht größer als ein solcher Durchmesser ist und die verbleibenden 50% des Volumens der Tröpfchen größer als ein solcher Durchmesser sind.
Vorzugsweise ist es derart eingerichtet, dass der mittlere Volumendurchmesser nicht größer als 150 Mikron, und stärker bevorzugt nicht größer als 100 Mikron ist.
Vorzugsweise besteht mindestens der die Öffnung begrenzende Teil des Sprühkopfes aus einem elektrisch isolierenden Material.
Wir haben unerwartet festgestellt, dass es durch Steuern der oben genannten Parameter dann unter der Vorraussetzung, dass die Flüssigkeitswiderstandsfähigkeit innerhalb des bestimmten Bereichs liegt, möglich ist, Bandausbildung ähnlich derjenigen zu erhalten, die Flüssigkeiten mit hoher Widerstandsfähigkeit zeigen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Flüssigkeit in einen "Taylorschen Kegel" gezogen wird, aus dem sie als ein stabiles Band mit einem viel kleineren Querschnittsdurchmesser als die Abmessung der Öffnung hervorgeht, aus der die Flüssigkeit austritt. Auf diese Weise ist es möglich, kleinere Tröpfchengrößen zu erhalten, als ansonsten unter Verwendung von Flüssigkeiten mit Widerstandsfähigkeiten in dem bestimmten Bereich erhältlich wären.
Vorzugsweise ist die Abmessung der Öffnung nicht größer als 400 Mikron, stärker bevorzugt nicht größer als 350 Mikron, und am stärksten bevorzugt zwischen 125 und 250 bis 300 Mikron.
Das angelegte Potential ist vorzugsweise positiver Polarität, da negative Potentiale stärker die Tendenz haben, Koronaentladung hervorzurufen, die allgemein unerwünscht ist. Gewöhnlich wird das angelegte Potential mindestens 5 kV betragen, und liegt typischerweise im Bereich von 10 bis 20 kV, es kann jedoch größer als 20 kV sein, insbesondere in dem Fall von Flüssigkeiten mit Widerstandsfähigkeiten in Richtung des unteren Endes der oben bestimmten Bereiche.
Die Durchsatzmenge der Flüssigkeit von der Öffnung beträgt bis zu 8 cm³/min, und stärker bevorzugt 1 bis 4 cm³/min.
Der an die Flüssigkeit während Zuführung zu der Öffnung angelegte Druck wird allgemein niedrig sein, um geeignete Austrittsgeschwindigkeiten an der Öffnung zu erzielen. Der angelegte Druck wird von der Viskosität der Flüssigkeit abhängen, da die Austrittsgeschwindigkeit für einen gegebenen Druck von der Viskosität abhängen wird. Für Flüssigkeiten wie zum Beispiel Wasser und Ethanol liegt der angelegte Druck typischerweise im Bereich von 0,5 bis 5 psi und vorzugsweise im Bereich von 1 bis 3 psi.
Die Erfindung kann in einer Vorrichtung realisiert werden, in der die Anlegung von Druck zum Bestimmen der Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit aus der Öffnung von der durch den Benutzer aufgewendeten Kraft abgeleitet wird, in welchem Fall ein Mittel zum Übersetzen der durch den Benutzer aufgewendeten Kraft in einen vorbestimmten Druck oder einen Druck innerhalb eines vorbestimmten Bereichs vorgesehen ist, so dass, ungeachtet der durch den Benutzer aufgewendeten Kraft, die Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit innerhalb des im Folgenden ausgeführten definierten Bereichs liegt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zum in der Hand gehaltenen Gebrauch geeignet und umfasst ein vom Benutzer zu betätigendes Element, das den Betrieb eines Druckanlegemittels zum Anlegen von Druck an in einem Behälter innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung gelagerte Flüssigkeit steuert. Der Behälter kann flexible Wände aufweisen, wodurch Druck durch die Anlegung von Kompression an dem Behälter an die Flüssigkeit angelegt wird, und das Druckanlegemittel enthält zweckdienlich ein Kissen aus elastisch verformbaren Material, durch dessen Einwirkung von Kraft, die von der Betätigung des von dem Benutzer zu betätigenden Elements abgeleitet wird, an den flexible Wände aufweisenden Behälter angelegt wird, wobei die Charakteristiken des genannten Kissens derart sind, dass die Kraft in einen Druck innerhalb des gewünschten Bereichs übersetzt wird.
Allgemein wird die Austrittgeschwindigkeit (lineare Geschwindigkeit) für die aus der Öffnung austretende Flüssigkeit nicht größer als etwa 2,7 m/s und nicht weniger als etwa 0,30 m (vorzugsweise 0,35) s^–1 sein. Vorzugsweise ist die Austrittsgeschwindigkeit nicht größer als 2,1 m/s und vorzugsweise nicht kleiner als 0,40 m/s. In der Praxis werden die tatsächlichen, zum Erreichen von zufriedenstellendem Sprühen benötigten Austrittsgeschwindigkeiten von der Beschaffenheit der zu sprühenden Flüssigkeit und insbesondere von dem Ausmaß abhängen, in dem die Flüssigkeit dazu neigt, die Oberfläche der ummittelbar die Öffnung umschließenden Düse zu befeuchten. Flüssigkeiten, die eine größere Neigung haben, die Oberfläche zu befeuchten, werden gewöhnlich eine höhere Austrittsgeschwindigkeit als Flüssigkeiten mit einer niedrigen Befeuchtungsneigung benötigen.
Genauer ausgedrückt, kann die Erfindung in einer Vorrichtung zum elektrostatischen Sprühen von Flüssigkeiten realisiert werden, die ein Gehäuse zum Aufnehmen eines Behälters des Typs, der zum Ausgeben seines Inhalts als Reaktion auf Zusammendrücken betätigt werden kann, eine Düse, aus der die Flüssigkeit in Gebrauch zu sprühen ist, Mittel zum Zusammendrücken des Behälters zum Zuführen von Flüssigkeit zu der Düse, und Hochspannungsmittel zum Anlegen eines elektrostatischen Potentials an die Flüssigkeit umfasst, so dass die Flüssigkeit aus der Vorrichtung in Form eines elektrisch geladenen Sprays austritt, wobei die genannten Kompressionsmittel ein vom Benutzer verschiebbares Element und Mittel zum nicht linearen Übersetzen der Verschiebung in Kompressionskraft aufweisen, so dass die Flüssigkeit aus der Düse bei einer Austrittsgeschwindigkeit innerhalb des Bereichs von 0,3 bis 2,7 m/s (vorzugsweise 0,4 bis 2,1 m/s) ausgegeben wird, wobei das vom Benutzer verschiebbare Element einen vorbestimmten Betriebsbereich von Sprühen bewirkender Verschiebung aufweist und es so eingerichtet ist, dass das Übersetzungsmittel wirkt, um eine Kompressionskraft zu erzeugen, die zum Erreichen einer Austrittsgeschwindigkeit mit dem genannten Austrittsgeschwindigkeitsbereich ausreicht, unabhängig von der Verschiebung des genannten Elements innerhalb seines Betriebsbereichs.
Vorzugsweise erfolgt Flüssigkeitszuführung durch die Düse über einen Durchgangsweg mit einem stromaufwärts liegenden Abschnitt mit großem Querschnitt und einem stromabwärts liegenden Abschnitt kleineren Schnitts, wobei die Öffnung durch den genannten stromabwärts liegenden Abschnitt begrenzt wird und der stromabwärts liegende Abschnitt ein Längenverhältnis (d.h. Länge zu Durchmesser) von weniger als 10:1 und stärker bevorzugt weniger als 5:1 aufweist. Auf diese Weise kann der Druckabfall durch die Düse relativ klein gehalten werden, was vorteilhaft unter Umständen ist, wenn die Flüssigkeit aus einem flexible Wände aufweisenden Behälter wie zum Beispiel einem Sachet mittels Druck auszugeben ist, der von durch den Benutzer beim Betätigen der Vorrichtung aufgewendeter Kraft abgeleitet wird.
Wenn erforderlich, kann die Steuerung des Potentialgradienten in der Nähe der Öffnung durch geeignetes Formen der die Ausgabeöffnung begrenzenden Düsenstruktur erreicht werden. Insbesondere mit Flüssigkeiten mit Widerstandsfähigkeiten etwas niedriger als etwa 1 × 10⁶ Ohm-cm ist es wichtig, den Potentialgradienten in der unmittelbaren Nähe der Öffnung zu dämpfen, um so ausreichenden Potentialgradienten zum Fördern von Einschnürung der von der Öffnung erzeugten Flüssigkeitsbänder bereitzustellen, während die sehr steilen Gradienten reduziert werden, die normalerweise mit spitzen Düsenspitzen verknüpft sind, welche bei Flüssigkeiten mit niedriger Widerstandsfähigkeit, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ansonsten Koronaentladung von dem Flüssigkeitsstrahl verursachen würden. Eine solche Dämpfung kann durch geeignete Konfiguration der Düsengeometrie und/oder mittels einer Feldanpassungselektrode oder einem äquivalenten Mittel erreicht werden, das angrenzend an die Düsenöffnung zum Entwickeln eines Potentials angeordnet ist, welches die gleiche Polarität wie die an die Flüssigkeit angelegte aufweist. Ein solches äquivalentes Mittel kann zum Beispiel in Form eines Bunds, einer Ummantelung oder einer anderen vorstehenden Ausbildung vorliegen, die aus einem im Wesentlichen elektrisch isolierenden Material besteht und so angeordnet ist, dass ein Potentialaufbau sich infolge von Ladungsakkumulation daran von gestreuten Koronaentladungen entwickelt, die unvermeidbar während Betrieb der Vorrichtung auftreten, wobei ein solcher Potentialaufbau die gleiche Polarität wie die an die Flüssigkeit angelegte hat.
Wenn ein Bund, eine Ummantelung oder eine andere vorstehende Ausbildung zum Dämpfen des Potentialgradienten in der Nähe der Öffnung verwendet wird, kann diese anpassbar sein, um Optimierung des Potentialgradienten gemäß der Widerstandsfähigkeit der zu sprühenden Flüssigkeit zuzulassen.
In konventionellen Düsenkonfigurationen für elektrostatische Sprühvorrichtungen hat die Düsengeometrie die Neigung, scharfe Kanten oder scharf gerundete Kanten in der unmittelbaren Nähe der Ausgabeöffnung zu verwenden, um so das elektrische Feld zu intensivieren. Im Gegensatz hierzu, insbesondere wenn Flüssigkeiten niedriger Widerstandsfähigkeit zu sprühen sind, d.h. mit Widerstandsfähigkeiten niedriger als 1 × 10⁶ Ohm-cm, werden zum Gebrauch in der vorliegenden Erfindung geeignete Düsenkonfigurationen dazu neigen, lokale feldintensivierende Effekte zu vermeiden, und, zum Erreichen von Dämpfung der Potentialgradienten für die Zwecke der vorliegenden Erfindung, kann die Düsengeometrie eine stumpfe Konfiguration oder eine mit abgestumpftem Ende aufweisen, so dass die Oberfläche(n) in unmittelbarer Nähe der Ausgabeöffnung flach ist oder einen relativ flachen Krümmungsradius aufweist und sich in einer Ebene erstreckt, die allgemein parallel zu oder in einer Ebene mit der Ebene der Öffnung vorliegt.
Eine geeignete Düsenkonfiguration, entweder basierend auf der Düsengeometrie oder der Verwendung eines Bunds, einer Ummantelung oder anderen vorstehenden Ausbildung, wird den Potentialgradienten lokal zu der Öffnung in einem solchen Ausmaß dämpfen, dass, wenn die Vorrichtung zum Sprühen in einer Richtung senkrecht zu dem Gravitationsfeld ausgerichtet ist, die Vorrichtung bei Betätigung mit einer angelegten Spannung von bis zu 25 kV bei einer Flüssigkeit mit einer Widerstandsfähigkeit in der Größenordnung von 8 × 10⁵ Ohm-cm und einer Austrittsgeschwindigkeit von 1 m/s, die über eine Öffnung eines Durchmessers von 125 Mikron ausgegeben wird, ein Band mit einem Durchmesser erzeugen wird, der nicht größer als 50% des Durchmessers der Öffnung ist.
Die Erfindung soll nun nur als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 eine schaubildliche Ansicht einer konventionellen elektrostatischen Sprühdüse ist;
2, 3 und 4 ähnliche Ansichten zu der von 1 sind, jedoch erfindungsgemäße Düsenkonfigurationen zeigen;
5 eine andere Düsenkonfiguration ist, die einen Bund oder eine Ummantelung zum Dämpfen des Potentialgradienten lokal von der Düsenausgabeöffnung verwendet;
6 eine schaubildliche Längsschnittansicht einer elektrostatischen Sprühvorrichtung ist, die eine erfindungsgemäße Düse enthält;
7 eine schaubildliche Ansicht ist, die das Betriebsprinzip einer Form einer erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt;
8 ein schematischer Graph von Druck zu Verformung für Material ist, das beim Bereitstellen von Ausgabe bei einer Austrittsgeschwindigkeit innerhalb gewünschter Grenzen geeignet ist;
9 schematisch eine andere Form einer erfindungsgemäßen elektrostatischen Sprühvorrichtung darstellt; und
10A und 10B perspektiv eine Komponente der in 9 gezeigten Vorrichtung darstellen.
Bezugnehmend auf 1, zeigt diese eine Konfiguration einer konventionellen Düse 10 zum Gebrauch in einer elektrostatischen Sprühvorrichtung des Typs, in dem durch ein elektrisches Feld hervorgerufenes Bandsprühen der Flüssigkeit erzeugt wird. Die Düse kann aus einem elektrisch isolierenden Material wie zum Beispiel einem Kunststoffmaterial (z.B. ABS, Polypropylen, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Acryl, Polycarbonat oder Acetal) bestehen. Wenn die zu sprühende Flüssigkeit stark isolierend ist, kann die Widerstandsfähigkeit des Materials der Düse weniger widerstandsfähig sein, so dass sie als ein Widerstand parallel mit dem Widerstand wirkt, der durch die Flüssigkeit dargeboten wird, um unpassende Dämpfung der an die Düse angelegten hohen Spannung zu vermeiden.
Eine hohe Spannung, typischerweise größer als 10 kV, wird mittels eines Hochspannungsgenerators 20 an die Spitze 12 der Düse entweder über die Flüssigkeit selbst oder über einen Leiter (nicht gezeigt) angelegt, der in der Innenwand der Düse eingebettet sein kann, so dass er durch die Flüssigkeit berührt wird, wenn die Flüssigkeit aus einem Behälter 21 der Düsenöffnung zugeführt wird. Konventionell besteht das Ziel darin, das elektrische Feld zwischen der Spitze der Düse und Erde zu intensivieren, während Koronaentladung minimiert wird. Dies wird durch Bereitstellen einer scharf gerundeten Kante an der Spitze 12, die die Ausgabeöffnung 14 der Düse begrenzt, und durch Auslegen der Düse mit einer ausgeprägten Winkelkonfiguration realisiert. In konventionellen Konfigurationen hat die Öffnung typischerweise einen Durchmesser von 600 Mikron.
Die Flüssigkeit wird der Düse durch ein jegliches geeignetes Mittel bei einem relativ niedrigen Druck zugeführt, um so eine Durchsatzmenge von z.B. 2 cm³/min zu liefern, wodurch die Flüssigkeit die Düsenspitze 12 bei einem niedrigen Druck erreicht, der nicht ausreichend ist, um eine jegliche oder bedeutende Zerstäubung zu verursachen, wobei Zerstäubung überwiegend infolge von durch ein elektrisches Feld hervorgerufenem Bandsprühen der Flüssigkeit gefolgt durch Aufbrechen des Bands in Tröpfchen verursacht wird.
In der Praxis erfordert effizienter Betrieb einer solchen Düse, die konventionelle Flüssigkeitsdurchsatzmengen verwendet (d.h. mindestens 2 cm³/min), dass die Sprühflüssigkeit eine Widerstandsfähigkeit von mindestens 1 × 10⁷ Ohm-cm aufweist, was Flüssigkeiten mit niedrigerer Widerstandsfähigkeit wie zum Beispiel bestimmte auf Wasser, Alkohol und Wasser/Alkohohl basierende Flüssigkeiten ausschließt, die gewöhnlich in Körperpflegeprodukten verwendet werden. Flüssigkeiten mit niedrigeren Widerstandsfähigkeiten als diesen können durch Bandsprühen zerstäubt werden, aber ultraniedrige Durchsatzmengen müssen verwendet werden, z.B. 0,1 cm³/min. Wenn versucht wird, eine konventionelle Düsenkonfiguration mit Flüssigkeiten niedriger Widerstandsfähigkeit zu verwenden, wird das Spray bei Senkung der Widerstandsfähigkeit unter etwa 1 × 10⁷ Ohm-cm polydispers, wobei es aus einer Mischung grober und sehr feiner Spraytröpfchen besteht und sich sogar aufspalten oder aus der Düse tropfen kann. Wenn die Widerstandsfähigkeit weiter sinkt, verschlechtert sich das Spray noch weiter, bis Koronaentladung von der Flüssigkeit selbst in solchem Ausmaße erfolgt, dass der zur Zerstäubung verfügbare Potentialgradient völlig unwirksam wird.
Wir haben festgestellt, dass effizientes Bandsprühen von Flüssigkeiten niedrigerer Widerstandsfähigkeit innerhalb bestimmter Grenzen insbesondere für Flüssigkeiten mit Widerstandsfähigkeiten sichergestellt werden kann, die kleiner als 1 × 10⁷ Ohm-cm, aber größer als 1 × 10⁴ Ohm-cm sind, wodurch wirksame Zerstäubung von destilliertem Wasser und niederen Alkoholen, Ethanol und Methanol ermöglicht wird. Im Gegensatz zu konventionellem Wissen bezüglich der Düsenkonfiguration, verwendet eine zum Gebrauch in bestimmten Aspekten der Erfindung geeignete Düse keine scharf gerundete Kante oder keine scharf abgewinkelte Konfiguration.
Bezugnehmend auf 2, hat eine Form von Düse 10a, die zum Bandsprühen von Flüssigkeiten mit niedriger Widerstandsfähigkeit verwendet werden kann, eine stumpfe Konfiguration oder eine solche mit stumpfem Ende, in der die Öffnung 14a innerhalb einer ebenen Endwand 30 der Düse ausgebildet ist. Somit ist die Öffnung 14a durch eine erweiterte Oberfläche (typischerweise mit einem Durchmesser von 8 mm) umschlossen, die allgemein parallel zu oder in einer Ebene mit der Ebene der Öffnung liegt. Die Auswirkung der erweiterten Oberfläche besteht darin, den Potentialgradienten in der unmittelbaren Nähe der Öffnung zu dämpfen.
Es ist festgestellt worden, dass, wenn eine solche Düse in einer ansonsten konventionellen Bandsprühdüse mit Flüssigkeiten niedriger Widerstandsfähigkeit verwendet wird, die bei konventionellen Durchsatzmengen, z.B. mehreren cm³/min zugeführt werden, die durch ein elektrisches Feld hervorgerufene Bandausbildung erhalten wurde und Einschnürung der Bänder in einem kurzen Abstand jenseits der Öffnung auf einen Durchmesser etwas kleiner als der Durchmesser der Öffnung beobachtet wurde. Das resultierende Band brach anschließend zum Bilden von Tröpfchen mit einem wesentlich kleineren mittleren Tröpfchendurchmesser als dem auf, der mit einem Band mit dem gleichen Durchmesser wie die Öffnung erhältlich ist.
Wenn die Durchsatzmenge der Flüssigkeit zur Öffnung auf weniger als etwa 1 cm³/min reduziert wurde, wurde festgestellt, dass zufriedenstellende Bandbildung aufhörte und die Flüssigkeit lediglich die Endfläche der Düse befeuchtete und in einer wahllosen überladenen elektrostatischen Art von dem untersten Punkt an der Düse spritzte/tropfte. Wenn die Durchsatzmenge auf über 8 cm³/min erhöht wurde, wurde festgestellt, dass die Flüssigkeit als ein Band primär aufgrund der hohen Durchsatzmenge sprühte, keine Einschnürung beobachtet wurde, und die nach Aufbrechen gebildeten Tröpfchen eine Größe in der Größenordnung 1,9 Mal größer als der Öffnungsdurchmesser aufwiesen.
3 stellt eine Modifikation dar, in der die die Öffnung 14b umschließende Oberfläche auf ein noch größeres Ausmaß als in der Ausführungsform von 2 erweitert ist, indem die Düse 10b in eine Isolierscheibe 32 zum Beispiel aus Kunststoffmaterial eingesetzt wird, die eine Fläche im Wesentlichen bündig mit der Endwand 30b aufweist. Unter Verwendung der gleichen Abmessungen wie den oben für die Düse von 2 bestimmten und unter Verwendung einer Scheibe 32 mit einem Durchmesser von 30 mm, wurde festgestellt, dass die Düse 14b ähnliche Ergebnisse wie die von 2 erbrachte.
4 stellt eine andere Form von Düsenkonfiguration dar, bei der die Düse eine stumpfe Konfiguration oder eine solche mit stumpfem Ende aufweist. In diesem Fall hat die Endfläche 30c der Düse 10c eine krummlinige Konfiguration mit einem relativ großen Krümmungsradius, um so eine die Öffnung 14c umschließende, erweiterte Oberfläche bereitzustellen, die die Auswirkung einer Dämpfung des Potentialgradienten in der unmittelbaren Nähe der Öffnung hat.
5 stellt eine alternative Ausführungsform dar, in der die Düse 10d mit einem axial vorstehenden Bund oder einer solchen Ummantelung 34 versehen ist, die die Düsenöffnung 14d umschließt. Der Bund 34 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie zum Beispiel einem geeigneten Kunststoffmaterial, und sammelt während Betrieb der Vorrichtung Ladung infolge der kleinen Koronaentladungen, die unvermeidbar von der Düse auftreten, und baut dadurch ein Potential der gleichen Polarität wie die Spannung auf, die an die Flüssigkeit an der Düsenspitze angelegt wird. Das an dem Bund 34 vorherrschende Potential ist wirksam, um den Potentialgradienten in der unmittelbaren Nähe der Öffnung 14d zu dämpfen.
In Versuchen, die die in 2 gezeigte Düsenkonfiguration verwenden, ist festgestellt worden, dass Wasser mit einer Widerstandsfähigkeit von etwa 2 × 10⁵ Ohm-cm ein zufriedenstellend zerstäubtes Spray aus einer Öffnung eines Durchmessers von 250 Mikron für Durchsatzmengen von 1,15 (0,39 m/s) und 2,3 cm³/min (0,78 m/s) erzeugt, wobei der mittlere Volumendurchmesser für diese Durchsatzmengen in der Größenordnung von 30 bis 45 Mikron jeweils bei einer angelegten Hochspannung von 24 kV beträgt, und die stumpfe Endfläche der Düse einem Durchmesser von 6 mm aufweist. In ähnlicher Weise erzeugte Verwendung der in 3 gezeigten Düsenkonfiguration zufriedenstellend zerstäubte Sprays, in denen der mittlere Volumendurchmesser der Tröpfchen in der Größenordnung von 35, 50 und 85 Mikron für Durchsatzmengen von 1,15 cm³/min (0,39 m/s), 2,3 cm³/min (0,78 m/s) und 5,72 cm³/s (1,94 m/s) lag, bei einer Öffnung eines Durchmessers von 250 Mikron, einer Düsenendfläche von 6 mm Durchmesser, einer umschließenden Scheibe (32) von 30 mm Durchmesser und Wasser mit einer Widerstandsfähigkeit von etwa 5,35 × 10⁵ Ohm-cm.
Ein beträchtlicher Unterschied zwischen den Düsen der 2 und 3 bestand in dem Stromverbrauch während Sprühen darin, dass die Düsenkonfiguration mit der stärker erweiterten Endfläche (d.h. derjenigen von 3) bei Verwendung zum Sprühen von Wasser wesentlich weniger Strom als die von 2 verbrauchte.
Bezugnehmend auf 6, zeigt diese eine Düse des in 2 gezeigten Typs eingebaut in eine Vorrichtung, die zum in der Hand gehaltenen Gebrauch und zum Gebrauch beim Ausgeben von Körperpflegeprodukten unter Verwendung einer Flüssigkeit geeignet ist, in der die Wirkstoffe in einem Träger dispergiert oder gelöst sind, der wässrig oder ein Alkohol oder eine Kombination aus beiden sein kann, wobei eine solche Flüssigkeit eine Widerstandsfähigkeit von weniger als 1 × 10⁷ Ohm-cm aufweist. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 50, das eine entfernbare Kappe 52 einschließt, welche als eine Einschnappbefestigung, Bajonettbefestigung oder eine Schraubgewindebefestigung angebracht werden kann. Das Gehäuse 50 und die Kappe 52 werden typischerweise aus einem isolierenden Kunststoffmaterial hergestellt. Das Gehäuse 50 dient zum Aufnehmen eines Behälters 54 für die auszugebende Flüssigkeit, wobei der Behälter nach Verbrauch seines Inhalts durch Entfernung der Kappe 50 auswechselbar ist. Verschiedene Formen von Behältern können verwendet werden, und in diesem Fall liegt der Behälter in Form einer sogenannten Sperrschichtpackung vor, in der Flüssigkeit innerhalb eines Metallfolienbeutels 56 enthalten ist und durch ein Treibmittelfluid innerhalb des Raums zwischen dem Beutel 56 und dem Behälter 54 unter Druck gesetzt wird. Das Treibmittelfluid wird immer innerhalb des Behälters gehalten, d.h. es wird nicht mit der auszugebenden Flüssigkeit abgelassen. Der Behälter 54 wird durch eine Ventilbaugruppe 58 verschlossen, durch die der Inhalt des Beutels ausgegeben wird, wenn das Ventil offen ist.
Das Ventil 58 ist von dem Typ, der in Aerosolkanistern verwendet wird und Öffnen und Schließen desselben wird durch Verschiebung des Ventils axial in Richtung auf den Behälter bewirkt, wobei Federmittel zum Vorspannen des Ventils auf seine geschlossene Position vorgesehen sind. Verschiebung des Ventils 58 in Richtung auf den Behälter 54 öffnet das Ventil, damit Treibmittel die Flüssigkeit in dem Beutel 56 in einen Durchgang 60 in einer Düse 10 aus elektrisch isolierendem Material abgeben kann, welches an der Ventilbaugruppe 58 angebracht ist. Der Durchgang 60 endet in einer engen Bohrung 14, die die Düsenöffnung bildet und auch die Flüssigkeitsdurchsatzmenge begrenzt, typischerweise 2 oder 3 cm³/min, so dass die Flüssigkeit die Düsenöffnung bei einem sehr niedrigen Druck erreicht, der an sich unzureichend zum Verursachen einer jeglichen oder effektiven Zerstäubung der Flüssigkeit ist. Die Flüssigkeitszufuhr zu der Ventilbaugruppe 58 erfolgt über ein Tauchrohr 59, das als ein Durchflussbegrenzer wirkt, um eine Begrenzung des Drucks der der Düsenöffnung zugeführten Flüssigkeit innerhalb gewünschter Begrenzungen in Übereinstimmung mit der erforderlichen Austrittsgeschwindigkeit zu unterstützen. Die Düsenöffnung 14 liefert auch einen Druckabfall, aber zur Herstellungseinfachheit ist die Anordnung derart, dass das Tauchrohr 59 den Hauptteil des Druckabfalls bereitstellt, so dass das Längenverhältnis (Länge zu Durchmesser) des Öffnungsdurchgangs 14 klein gehalten werden kann, z.B. kleiner als 4:1.
Eine hohe Spannung, typischerweise der Größenordnung von 10 bis 25 kV, wird an die Flüssigkeit vor Ausgabe aus der Düsenöffnung mittels eines Hochspannungsgenerators 64 angelegt, der durch eine Batterieversorgung 66 gespeist wird, wobei sowohl der Generator als auch die Batterieversorgung innerhalb des Gehäuses 50 untergebracht sind. Die Hochspannungsausgabe des Generators wird an die Flüssigkeit über den Behälter 54, der aus Metall besteht kann (oder, wenn er aus einem Isoliermaterial besteht, einen Streifen aus leitendem Material enthalten kann, der zu der Ventilbaugruppe führt) und über die Ventilbaugruppe 58 angelegt. Die Batterieversorgungsschaltung für den Generator enthält einen vom Benutzer zu betätigenden Schalter 68, der durch eine Feder 70 in eine offene Position vorgespannt wird, wobei der Schalter eine Hülse 72 einschließt, die verschiebbar in einer Öffnung in dem Gehäuse aufgenommen wird. Niederdrücken des Schalters 68 durch den Benutzer schließt die Schaltung zum Erregen des Generators und schafft darüber hinaus einen Erderückweg über den Benutzer und kippt einen Hebel 74 um einen Schwenkpunkt 76, um den Behälter 54 in Richtung auf die Kappe 52 zu verschieben. Die Düse 10 umfasst einen Hinterkopf 78, der bei einer solchen Verschiebung des Behälters an die innere Endfläche der Kappe 52 anstößt, so dass fortgesetzte Verschiebung des Behälters Niederdrücken der Ventilbaugruppe verursacht, um Zuführung von Flüssigkeit zur Düsenöffnung zu bewirken. Ein Federmittel (das durch die mit dem Wert 58 verknüpfte Feder oder durch eine getrennte, nicht gezeigte Feder gebildet werden kann) ist angeordnet, um die verschiedenen Komponenten zu den dargestellten Positionen zurückzuführen, wenn der Schalter 68 freigegeben wird.
Die Düse 10 hat eine Endfläche einer stumpfen oder abgestumpften Konfiguration wie in 2, so dass die resultierende Dämpfung des Potentialgradienten in der unmittelbaren Nähe der Düsenöffnung in Verbindung mit der Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit Einschnürung des Flüssigkeitsbands erzeugt, das aus der Düse unter dem Einfluss des durch den Generator erzeugten elektrischen Feld ausgegeben wird. Das Band bricht danach auf, um Tröpfchen mit einem mittleren Volumendurchmesser zu erzeugen, der etwas kleiner als der Durchmesser der Öffnung 14 ist.
Nun bezugnehmend auf 7, ist dort eine in der Hand gehaltene elektrostatische Sprühvorrichtung gezeigt, in der der Druck zum Bewirken der Zuführung der Flüssigkeit zur Düse von der durch die Hand eines Benutzers aufgewendeten Kraft abgeleitet wird. Wie gezeigt ist, liegt die Vorrichtung in Form eines pistolenförmigen Gehäuses 80 mit einem Handgriff 82 und einem allgemein zylindrischen Hauptkörperteil 84 vor. Der Körperteil 84 ist mit einer entfernbaren Kappe 86 ausgestattet, die ein Düsenstück 88 anbringt, aus dem Flüssigkeit in Gebrauch elektrostatisch gesprüht wird. Obwohl mit einer Winkelkonfiguration gezeigt, ist das Düsenstück 88 mit einer stumpfen oder abgestumpften Endfläche wie oben beschrieben aufgebaut. Die Kappe 86 verschließt das offene Ende eines Hohlraums 90. der den Flüssigkeitsbehälter 130 in Form eines Sachets mit flexiblen Wänden aufnimmt, das zwischen einem elastischen Schaumstoffkissen 114 angrenzend an eine feste Endwand 140 der Kappe 86 und einem Kissen 146 aus elastisch verformbarem Material angeordnet wird, welches durch eine bewegliche Antriebsplatte 142 getragen wird, die verschiebbar innerhalb des Hohlraums 90 angebracht und mit einem Kolben 91 verbunden ist, der innerhalb des Körperteils 84 verschiebbar ist. Ein Federmittel (nicht gezeigt) ist zum Vorspannen des Kolbens zu der gezeigten Position vorgesehen, in der das Kissen 146 nicht zusammengedrückt ist oder nur in begrenztem Ausmaß zusammengedrückt ist.
Der Kolben 91 wird durch einen Hochspannungsgenerator zum Erzeugen einer Hochspannung aus einer Niederspannungsquelle gebildet, welche zum Bewirken von elektrostatischem Sprühen geeignet ist. Der Generator hat einen Hochspannungs-Ausgangspol 92, der an den Auslass 166 des Sachets 130 durch eine flexible Leitung 94 angeschlossen ist. Die Niederspannungsquelle umfasst eine Batteriepackung 96, die in dem Handgriffteil 82 untergebracht ist. Eine Erde für die Schaltung wird über einen Widerstand 98 und einen Kontakt 100 bereitgestellt, der für Kontakt mit der Hand eines Benutzers frei liegt.
Betrieb der Vorrichtung wird durch einen Auslöser 102 gesteuert, der bei 103 geschwenkt wird und einen Nockenteil 104 aufweist, der angeordnet ist, um an dem angrenzenden Ende des Kolbens/Generators 91 so zu lagern, dass, wenn der Auslöser gedrückt wird, der Kolben wie in 7 zu sehen nach links verschoben wird, wodurch die Antriebsplatte 142 bewegt und das Sachet 130 zusammengedrückt wird. Während des Anfangsteils der Auslösebewegung ist der Nocken 104 angeordnet, um einen Mikroschalter 106 zu schließen, der die Schaltung vervollständigt, damit der Generator eine Hochspannungsausgabe am Anschluss 92 zur Anlegung an den Sachetauslass 166 erzeugen kann. Die Anfangsverschiebung der Antriebsplatte 142 schiebt das Sachet vor und drückt das Kissen 114 zusammen, das weniger steif als das Kissen 146 sein kann, und die Düse 108 des Sachetauslasses 166 wird gegen eine Anlagefläche innerhalb des Düsenstücks 88 gedrückt, was Niederdrücken der Düse 108 in Bezug zum Auslass 166 verursacht, wodurch das Ventil des Auslasses 166 geöffnet wird. Somit dient die Anfangsverschiebung der Antriebsplatte 142 zum Bewirken einer Öffnung des Ventils. Fortgesetzte Verschiebung der Antriebsplatte 142 drückt das Sachet zusammen, um Ausgeben der Flüssigkeit bei einer gesteuerten Menge wie oben beschrieben zu bewirken.
Die durch die Düse 108 des Ventilauslasses 166 austretende Flüssigkeit tritt in einen Durchgang ein, der Abschnitte 110 und 111 aufweist, welche sich zur Spitze des Düsenstücks 88 erstrecken. Ein elektrostatisches Potential wird an die Spitze über den Anschluss 92, die Leitung 94, den Auslass 66 und die Flüssigkeit angelegt. Die Vorrichtung soll Bandsprühen von Flüssigkeiten mit Widerstandsfähigkeiten nicht größer als 1 × 10⁷ Ohm-cm bewirken, und das Düsenstück 88 ist deshalb dementsprechend konfiguriert, wie hier vorhergehend beschrieben ist.
Die auf den Ventilauslass des Sachets während der Anfangsverschiebung der Antriebsplatte 142 ausgeübte Kraft wird über den Flansch 138 des Sachets 130 übertragen, welcher Flansch im Wesentlichen starr oder zumindest wesentlich starrer als die flexiblen Wände des Sachets sein wird. Der Flansch 138 kann größer als in 7 gezeigt sein, und unter einigen Umständen kann der Flansch sich im Wesentlichen gemeinsam mit einer Wand des Sachets erstrecken, oder das Sachet kann mit einer flexiblen Wand und einer zweiten, im Wesentlichen starren Wand oder zumindest wesentlich starreren Wand als die flexible Wand hergestellt werden, wobei die starrere Wand dann zum Übertragen von Kraft von der Antriebsplatte 142 zum Ventilauslass des Sachets verwendet wird.
Das Kissen 114 dient zum Drücken des Sachets zurück zu der in 7 gezeigten Position, es wird jedoch erkannt werden, dass seine Funktion durch irgendeine andere Form von Feder erzielt werden kann.
Es wird zu sehen sein, dass Kompressionsbelastung auf das Sachet durch Bewegen der Platte 142 in Richtung auf die Platte 140 ausgeübt wird, was die Auswirkung von Zusammendrücken des Kissens 146 hat, welches sich seinerseits in solcher Weise verformen wird, um der Form des Sachets 130 zu entsprechen und die auf die Platte 142 einwirkende Kraft in Druck zu übersetzen, der im Wesentlichen einheitlich über den Flüssigkeit enthaltenden Teil des Sachets angelegt wird.
Wenn der Ventilauslass 166 offen ist, wird, wenn die Flüssigkeit aus dem Sachet austritt, die das Sachet berührende Fläche des Kissens 146 weiterhin der Form des Flüssigkeit enthaltenden Teils des Sachets entsprechen, wenn sich die letztere ändert. Der Druck, dem das Sachet 130 [Lakune], ist derart, dass eine im Wesentlichen konstante Ausgabemenge ungeachtet dessen [Lakune], ob das Sachet voll, beinahe leer oder in einem Zwischenzustand ist, und unabhängig von der durch den Benutzer über den Auslöser 102 angelegten Kraft. In diesem Fall wird das Material, aus dem das Kissen 146 (und das Kissen 114) besteht, so gewählt, dass der an das Sachet angelegte Druck ungeachtet des Ausmaßes, in dem das Kissen 142 verformt wird, im Wesentlichen konstant bleibt.
8 stellt schematisch die Charakteristiken dar, die von einem Material zu diesem Zweck benötigt werden. In dem Graph von 8 stellt die Ordinate d das Ausmaß dar, in dem das Kissen von seiner natürlichen Dickenabmessung d_n verformt wird, und die Abszisse P stellt der Druck dar, dem das Sachet infolge einer solchen Verformung ausgesetzt wird. Ein zum Bewirken von Ausgabe bei einer im Wesentlichen konstanten Menge geeignetes Material wird eine nichtlineare Kurve mit einem Abschnitt R aufweisen, über den die Änderungsrate des Drucks P in Bezug zu d verglichen mit anderen Abschnitten der Kurve reduziert ist.
Durch Vorbelasten des Kissens derart, dass es zu Beginn bis zu dem Punkt d_f zusammengedrückt ist, wenn das Sachet voll ist, und durch Auswählen eines Materials, für das der Bereich R mindestens gleich der Verformungsreduzierung ist, die das Kissen beim Ändern der Form in Übereinstimmung mit den vollen und leeren Zuständen des Sachets durchmacht, wird somit zu sehen sein, dass (unter der Annahme, dass der relative Abstand zwischen den Platten 142 und 140 konstant bei der Vorbelastungseinstellung gehalten wird) das Sachet einem im Wesentlichen konstanten Druck über den gesamten Ausgabezyklus ausgesetzt wird, d.h. von voll bis leer.
Die in 8 gezeigte Kurve stellt einen Idealfall dar. In der Praxis muss das Plateau nicht so gut begrenzt oder so steil sein; nichtsdestoweniger wird ein Schaumstoffmaterial für viele Anwendungen geeignet sein, die Ausgeben in im Wesentlichen konstanter Menge erfordern, wenn es einen Plateaubereich aufweist, in dem die Kraft annehmbar konstant über einen Bereich von Kompression/Verschiebung des Schaumstoffs bleibt. Ferner werden viele Schaumstoffe bei Zusammendrückung in gewissem Ausmaß eine Kraft erzeugen, die im Verlauf der Zeit abfällt, und wiederum wird eine Auswahl des Schaumstoffs für eine bestimmte Anwendung, die Ausgeben in im Wesentlichen konstanter Menge erfordert, in Bezug zu den Abfallcharakteristiken des Schaumstoffs getroffen werden und, insbesondere im Fall von Anwendungen, die wahrscheinlich anhaltendes Sprühen und folglich Zusammendrücken des Schaumstoffs erfordern, müssen seine Abfallcharakteristiken angemessen berücksichtigt werden. Für viele Sprühanwendungen, z.B. Sprühen von Körperpflegeprodukten wie zum Beispiel Parfüms, Deodorants und Haarsprays, wird Sprühen nur für eine relativ kurze Zeit aufrechterhalten, und folglich werden die Abfallcharakteristiken des Schaumstoffs das Sprühen nicht unnötig beeinflussen. Ein geeigneter Schaumstoff, der geeignetes Verhalten zum Gebrauch in diesem Aspekt der Erfindung zeigt, ist ein elastischer, offenzelliger Schaumstoff wie zum Beispiel Polyetherschaum, der z.B. eine Dichte in der Größenordnung von 40 kg/m³ aufweist. Geeignete Polyetherschäume sind diejenigen, die durch Foam Engineers Limited aus High Wycombe, England als Sorten ET14W, ET22Y und ET29G geliefert werden.
Nun bezugnehmend auf die 9, 10A und 10B, weist die gezeigte Vorrichtung ein Gehäuse 150 mit einem Handgriffteil 152 auf, der mit einem vom Benutzer zu betätigenden Auslöser 154 versehen ist, welcher bei 156 geschwenkt wird und nach außen von dem Handgriffteil 152 durch nicht gezeigte Federmittel in eine Ruhestellung federbelastet ist. In dieser Ausführungsform, wie sie dargestellt ist, sind unter dem elektrischen Gesichtspunkt betrachtet nur der Hochspannungsgenerator 158 und der Mikroschalter 160 gezeigt, wobei die restlichen Schaltungselemente allgemein ähnlich den in der Ausführungsform von 7 gezeigten sind. Der Auslöser 154 ist angeordnet, um mit dem Schalter 160 zusammenzuwirken, der einen Teil des mit dem Hochspannungsgenerator 158 verknüpften Niederspannungsschaltelements bildet, wobei der Schalter eingerichtet ist, um als Reaktion auf Anfangsverschiebung des Auslösers 154 aus seiner Ruheposition betätigt zu werden, wodurch der Generator 158 gespeist wird. Der Handgriffteil oder Auslöser kann mit einem Kontakt (nicht gezeigt) versehen sein, der für Eingriff mit der Hand frei liegt, um so in Gebrauch einen Weg zu Erde bereitzustellen.
An einem Ende endet das Gehäuse in einer entfernbaren Kappe 162, die eine Einschnappbefestigung oder Schraubgewindeverbindung mit dem Gehäuse 150 aufweisen kann. Eine angesenkte Düse 164 steht durch die Kappe 162 vor und wird mit Flüssigkeit aus einem Behälter 130 innerhalb des Gehäuses 130 beliefert. Der Behälter liegt in Form eines Sachets mit der gleichen Konfiguration vor, wie unter Bezugnahme auf 7 beschrieben ist, wobei der Ventilauslass 166 des Sachets einen Düsenteil 170 aufweist, der in den Abschnitt mit grösserem Durchmesser der Düse 164 passt. Der Hochspannungsausgang des Generators 158 ist elektrisch mit einem leitenden Teil des Sachetauslasses 166 so verbunden, dass Hochspannung in Gebrauch an die der Düse 164 zugeführte Flüssigkeit angelegt wird.
Das Sachet 130 und der Generator 158 werden innerhalb eines Trägers 172 aufgenommen, der verschiebbar in dem Gehäuse 150 zur Bewegung in Richtung auf die Kappe 162 und von dieser weg angebracht ist, wobei Bewegung in Richtung auf die Kappe als Reaktion auf Drücken des Auslösers 154 erfolgt und Bewegung in die entgegengesetzte Richtung nach Freigabe des Auslösers durch ein nicht gezeigtes Federmittel bewirkt wird, das zum Beispiel zwischen der Kappe 162 und einem Verschluss 174 wirken kann, der an dem vorderen Ende des Trägers 172 angeordnet ist. Dieses Federmittel kann auch wirksam sein, um den Auslöser in seine Ruheposition zurückzuführen, in der der Schalter 160 offen ist und der Generator 158 abgeschaltet ist.
Wie deutlicher in den 10A und 10B gezeigt ist, hat der Träger 172 eine Doppelhülsenkonfiguration, die eine innere Hülse 176 und äußere Hülse 178 aufweist, welche an einem Ende des Trägers durch elastische Stege 180 verbunden sind, die axiales Bewegen der inneren Hülse in Bezug zur äußeren Hülse zulassen. In 10A ist der Träger in seinem unbelasteten Zustand gezeigt, in dem die innere Hülse etwas über die äußere Hülse hinaus vorsteht. In 10B ist der Träger in dem Zustand gezeigt, der erhalten wird, wenn die innere Hülse in Bezug zur äußeren Hülse nach innen verschoben wird, was zu Belastung der Stege 180 führt, die darauf gerichtet sind, die innere Hülse zurück zu der in 10A gezeigten Position vorzuspannen. Die innere Hülse 176 bildet ein Gehäuse für den Generator 158 und nimmt ferner den Mikroschalter 160 auf. Der Generator und der Mikroschalter sind fest innerhalb der inneren Hülse zum Beispiel mittels Vergussharz angebracht, das den Raum zwischen dem Mikroschalter 160 und dem Generator 158 füllen und ferner die elektrischen Leitungen (nicht gezeigt) einkapseln kann, die den Generator mit dem Mikroschalter und einer Batteriepackung (nicht gezeigt) verbinden. Die innere Hülse 176 hat eine kürzere Länge als die äußere Hülse 172 und ihr vorderes Ende weist eine Antriebsplatte 179 auf, die daran in beabstandetem Verhältnis zum Verschluss 174 befestigt ist, der das vordere Ende der äußeren Hülse verschließt. Die Verschlussplatte 174 ist lösbar an dem Träger befestigt und kann durch gewindeartiges Schrauben mit der äußeren Hülse 178 zum Beispiel durch Schraubengewinde befestigt werden, die an einem Ringflansch 182 an dem Verschluss 174 und an dem inneren Umfang der äußeren Hülse 178 vorgesehen sind.
Die nach innen weisende Fläche des Verschlusses 174 ist mit einem ringförmigen Halteflansch 184 ausgebildet, der einen Hohlraum zur Aufnahme des Sachets 130 begrenzt, wobei der Verschluss 174 mit einer Öffnung gebildet ist, in die der Ventilauslass 168 des Sachets eingreift, so dass der Auslass mit dem Verschluss 174 eingefangen ist. Ein Schaumstoffkissen 186 wird zwischen dem Sachet und der Antriebsplatte 179 eingefügt und kann entweder an der Antriebsplatte 179 befestigt und innerhalb des durch den Flansch 184 begrenzten Hohlraums aufgenommen werden, oder das Kissen 186 kann von der Antriebsplatte 179 getrennt und innerhalb des Hohlraums untergebracht sein. Wenn gewünscht, kann eine Schicht aus elastisch verformbarem Schaumstoffmaterial auch zwischen dem Sachet und dem Verschluss 172 vorgesehen werden (in ähnlicher Weise zu der Ausführungsform von 7). Vorwärtsbewegung des Trägers 172 wird durch Anschläge 188 an der Kappe 162 begrenzt.
Wenn sich der Auslöser 154 in seiner Ruheposition befindet, ist der Träger 172 nach rechts verschoben, ist der Verschluss 174 von den Anschlägen 188 beabstandet und steht die innere Hülse 176 nach außen über die äußere Hülse 178 hinaus vor, wie in 10A gezeigt ist. Unter diesen Bedingungen ist der Düsenteil 170 des Sachets 130 mit daraus folgendem Verschluss des Ventils ausgestreckt und das Mikroschalterbetätigungsglied 190 ist auch ausgestreckt, so dass der Mikroschalter offen und der Generator abgeschaltet ist. Beim Drücken des Auslösers 154 drückt die Anfangsverschiebung des Auslösers das Mikroschalterbetätigungsglied 190 über einen Hebelarme 192 nieder, um den Schalter zu schließen und den Generator 158 einzuschalten. Die Stege 180 sind derart konfiguriert, dass sie an diesem Punkt ausreichende Federkraft bereitstellen, um fortgesetzte Verschiebung des Auslösers zuzulassen, um den Träger als eine Einheit durch Kontakt zwischen dem Betätigungsglied 190 und dem Hebelarm 192 in Richtung auf die Kappe 162 zu bewegen, was Niederdrücken des Düsenteils 170 in der Art eines Aerosolventils verursacht, wodurch das Ventil geöffnet wird, um Zuführung von Flüssigkeit aus dem Sachet 166 zur Düse 164 zuzulassen. Axiale Bewegung des Trägers wird fortgesetzt, bis der Verschluss 174 an die Anschläge 188 anstößt, an welchem Punkt fortgesetzte Verschiebung des Auslösers den durch die Stege 180 gebotenen Federwiderstand überwindet und in Bewegung der inneren Hülse 176 nach innen in Bezug zur äußeren Hülse 178 übersetzt wird (wie in 9 gezeigt ist). Eine solche Relativbewegung dient zum Zusammendrücken des Kissens 186 mit daraus folgender Kompression des Sachets 166 und Lieferung von Flüssigkeit zur Düse 164 zum elektrostatischen Sprühen.
Wenn der Auslöser 154 freigegeben wird, stellen die verschiedenen Komponenten den oben beschriebenen Zustand vor der Betätigung des Auslösers wieder her. Die Vorrichtung kann konfiguriert sein, um eine relativ einheitliche Sprührate zu erzeugen, so dass die Austritsgeschwindigkeit der Flüssigkeit zum Beispiel irgendeinen Wert zwischen 0,4 und 2,1 m/s ungeachtet dessen beträgt, wie stark die Vorrichtung durch den Benutzer betätigt wird, wobei das Schaumstoffkissen von dem unter Bezugnahme auf 8 beschriebenen Typ ist und vorhergehend zusammengedrückt wird, um innerhalb des Plateaubereichs zu arbeiten. Es wird verstanden werden, dass andere mechanisch gleichwertige Anordnungen, die z.B. vorgeladene Federmittel verwenden, benutzt werden können, um eine im Wesentlichen konstante Austrittsgeschwindigkeit oder einen gewünschten Austrittsgeschwindigkeitsbereich sicherzustellen.
Wie soweit beschrieben wurde, sind die Düsenkonfigurationen vom stumpfen Typ oder Typ mit abgestumpften Ende; wir haben jedoch festgestellt, dass sogar mit Düsenkonfigurationen mit einer wie in 1 gezeigten Winkelkonfiguration effizientes Bandsprühen von Flüssigkeiten mit niedrigerer Widerstandsfähigkeit unter Ausbildung von geschnürten oder eingeschnürten Bändern innerhalb bestimmter Grenzen für mäßig polare Flüssigkeiten, d.h. weniger polar als Wasser oder wässrige Mischungen, und mit kleineren Widerstandsfähigkeiten als 1 × 10⁷ Ohm-cm, insbesondere im Bereich von 1 × 10⁶ Ohm-cm bis 1 × 10⁷ Ohm-cm durch Verwendung einer Düse aus Isoliermaterial mit einem Auslassöffnungsdurchmesser kleiner als 350 Mikron, und vorzugsweise der Größenordnung von 125 bis 250 Mikron und durch Steuern der Austritsgeschwindigkeit der Flüssigkeit aus der Düse derart, dass sie innerhalb des Bereichs von 0,3 bis 2,7 m/s (vorzugsweise 0,4 bis 2,1 m/s) liegt, sichergestellt werden kann. Außerdem kann Hochspannung, die an die Flüssigkeit während ihrer Ausgabe angelegt wird, innerhalb bestimmter Grenzen liegen müssen, aber bei den obigen Parametern kann eine geeignete Spannung einfach empirisch bestimmt werden.
Selbst mit den oben beschriebenen Modifikationen beschränkt die Verwendung von Düsen mit konventioneller Winkelkonfiguration die Flüssigkeiten, die gesprüht werden können, auf einen praktischen Widerstandsfähigkeitsbereich von etwa 1 × 10⁶ Ohm-cm und aufwärts.
Somit können in Übereinstimmung mit diesem Aspekt der Erfindung die Ausführungsformen der 6, 7 und 9 durch Ersetzen der gezeigten Düsen mit stumpfem Ende durch eine spitze oder abgewinkelte Konfiguration wie zum Beispiel der in 1 gezeigten modifiziert werden, vorausgesetzt, dass der Betrieb auf die oben bestimmten Parameter begrenzt ist.

Claims

Prozess zum elektrostatischen Sprühen einer Flüssigkeit, wobei der Prozess umfasst: Zuführen der Flüssigkeit von einem Flüssigkeitsvorratsmittel (58–60) zu einer Düse (10) zur Ausgabe durch eine Öffnung (14) der Düse, wobei die Düse (10) eine spitze Konfiguration hat, die einen Spitzenteil definiert (12), und der Spitzenteil die Öffnung (14) aufweist; Anlegen eines hohen elektrischen Potentials an die Flüssigkeit, so dass der Düse (10) zugeführte Flüssigkeit aus der Öffnung (14) unter dem Einfluss elektrostatischer Kräfte ausgeworfen wird; und Dämpfen des Potentialgradienten in der direkten Umgebung der Düsenspitze (12) mit Hilfe eines Dämpfungsmittels (30), das die Öffnung (14) umschließt, um so ein Potential mit der gleichen Polarität wie der an die Flüssigkeit angelegten zu bilden; dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine Widerstandsfähigkeit kleiner als 1 × 10⁷ Ohm-cm und größer als 1 × 10⁴ Ohm-cm hat; die Flüssigkeit der Düse bei einer Durchsatzmenge von 1 cm³/min bis 8 cm³/min zugeführt wird; und die aus der Öffnung (14) austretende Flüssigkeit Einschnürung unter dem Einfluss des abdämpften Potentialgradienten zum Bilden eines Bands mit einem Querschnittsdurchmesser durchmacht, der wesentlich kleiner als die Abmessung der Öffnung ist.
Prozess nach Anspruch 1, bei dem das Mittel zum Dämpfen des Potentialgradienten einen Ringbund oder eine Ringummantelung (34) aufweist, der/die die Spitze der Düse umschließt.
Prozess nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das genannte Flüssigkeitsvorratsmittel (58–60) umfasst: einen Behälter (56) zum Enthalten der zu sprühenden Flüssigkeit; ein vom Benutzer zu betätigendes Element (68); und Druckanlegemittel (54) zum Anlegen von Druck an die in dem Behälter gelagerte Flüssigkeit in Reaktion auf das genannte vom Benutzer zu betätigende Element.
Prozess nach Anspruch 3, bei dem der genannte Behälter (56) flexible Wände aufweist und die Ausübung von Druck auf den Behälter den Behälter verformt, wodurch Flüssigkeit aus dem Behälter zur Zufuhr zu der genannten Düse ausgestoßen wird.
Prozess nach Anspruch 4, bei dem der Behälter in Form eines Sachets (130) vorliegt.
Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Flüssigkeit auf Alkohol oder Alkohol/Wasser basiert.
Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Flüssigkeit ein Körperpflegemittel aufweist.
Prozess nach Anspruch 7, bei dem die Flüssigkeit eine Deodorant-, eine Antitranspirationsmittel-, eine Duft- oder eine Haarsprayzubereitung aufweist.