TW202116417A - 流體分配器 - Google Patents

Abstract

一種能夠經由垂直定向的壓電裝置來分配流體的分配器，其包括：貯器，其呈可更換之筒匣的形式而包含所要分配的流體；平面的壓電元件，其具有前和後表面、使用時定向成其平面垂直、且其可驅動而振動，藉此從前表面來分配流體；以及泵，其從貯器抽取預定量或劑量的流體，並且在預定高於大氣的壓力下將該劑量的流體驅動至壓電元件的後表面以供分配。

Description

流體分配器

本發明關於分配器，其可以用於將各式各樣的任何材料(主要是液體)分配成氣溶膠形式，例如(但不限於)需要自動劑量的空氣清新組成物或其他化學品。

分配器通常設於盥洗室和類似的設施中，以便改善其整體環境條件。在過去，利用了多樣的固態材料，其昇華而藉此分散氣味來取代公共設施中所發現的氣味。為了增進此種昇華性材料的分散，許多供應商發展了動力風扇裝置，其幫助分散昇華的材料。此種裝置為此技術所熟知，並且範例顯示於美國專利第4830791號，其揭示固體分配裝置。

更近而言，此技術已熟知一種氣味控制裝置，其中利用了加壓的氣溶膠容器。氣溶膠型分配裝置典型而言包括電池推動的馬達，其週期性地致動氣溶膠容器上的噴嘴。這些習用的分配裝置具有顯著的缺點。氣溶膠罐需要推進劑氣體，而在此同時已識別出無氟氯烴的(CFC-free)推進劑，這些傾向於需要揮發性有機化合物(volatile organic compound，VOC)、丙醇、異丁烷和類似者，其是在漸增的監督下出現。幾個司法管轄區已經引入立法，其目標在減少或免除不必要的使用此種化學品。

因此會想要直接傳遞香氣，亦即藉由香氣組成物本身蒸發或其他的分散，而避免需要載體和推進劑化學品。這已經由SC Johnson企業以Glade^® 小裝置(Wisp device)而於家用環境中達成，其使用在高頻下振動的壓電元件而同時接觸小體積的香氣配方以將配方分散至空氣中。這使配方氣溶膠化，而視需要將它分散。然而，此種裝置的問題在於必須緊密控制接觸壓電元件之配方的體積；若太大，則壓電元件不共振並且配方不分配。這須使配方經由油繩而傳遞至水平配置的壓電元件。這對家用而言是可接受的，其中裝置將安裝在房間裡的低處。因此，香水往上分配至房間中。然而，它不適合用於團體或公共的盥洗室，其中分配器必須配接得高以限制破壞或其他竄改。在此種位置使用小型裝置不會導致香水有效分配到房間中，因為多數的香水會被裝置上方的天花板所捕捉。

我們創造了一種裝置，其控制香水配方流動到垂直定向之壓電裝置上的速率，如歐洲專利第2564878號和美國專利第9636431號所述；這提供有效的香水分配器，其可以安裝在高處(典型而言離地板大於6英尺或2公尺)，並且可以在規律的時間間隔來分配香水，而不使用多餘的推進劑組成物和類似者。這分配器是電池操作而基於壓電的分配器，其適合用於團體或公共的環境(裝置較佳而言是由電池所操作，而非需要輸配電源供應的插入式裝置，因為在所需地點很少有輸配電源供應)，其避用所有的推進劑氣體並且巨幅減少VOC的使用。這分配器包括貯器，其在使用時大致位在多孔的壓電元件上方，如此則在元件上方延伸的有效流體柱施加壓力至壓電元件的後方。這稍早的發明乃針對減少此壓力，以符合應限制在壓電元件後方上之壓力的通常理解，尤其是在分配期間，因為此種壓電元件對於後方的流體壓力敏感；若壓力太高，則壓電元件將被太重阻尼而不能夠以正確方式來振動。稍早的設計提供一種減少壓電元件後方之流體壓力的手段，並且確保維持可接受的低壓而組合了有用的流率；然而，我們現希望改善分配流體的正確度。這對正確度的需求關聯於每次致動分配器所分配的流體量(或「劑量」)，並且優化了分配材料的煙流(plume)特徵(煙流角度及其長度對於確保分配的流體如所意欲地分配到分配器所在之空間中是重要的)。分配器通常配接了可再填充和∕或可更換的容器或貯器，其包含所要分配的流體；也重要的是分配流體的正確度可以隨著時間而可靠地維持，如此則貯器的再填充∕更換(其經常根據預定的時間表來進行)不在貯器空了之前太早發生(這會導致流體浪費)，並且也不在貯器已經空了一段時間之後太晚發生(這會意謂分配器已不能進行其功能而達一段時間)。我們也已發現周遭因素(例如溫度、溼度、氣壓和類似者)可以對所分配的流體量有顯著的效應，並且若這些周遭因素是可改變的，這也影響所分配的流體量。附帶而言，雖多孔壓電元件後方的流體傾向於藉由表面張力效應而維持，但隨著時間延長而可以有流體洩漏，這不僅浪費流體，而且也不利地影響貯器之再填充∕更換時間間隔的可預測性。

本發明乃基於以下的實現：若不遵循壓電分配器在分配操作期間不應在後方具有任何顯著流體壓力之一般接受的成見，則可以設計出改善的分配器。據此，本發明提供一種分配設備，其包括：貯器，其包含所要分配的流體；平面的壓電元件，其具有前和後表面、使用時定向成其平面垂直、且其可驅動而振動，藉此從前表面來分配流體；以及泵，其從貯器抽取預定量或劑量的流體，並且在預定高於大氣的壓力下將預定量的流體驅動至壓電元件的後表面以供分配。

當想要分配流體時，此種配置允許正確測量劑量的流體抽取到中間室中，然後經由壓電元件來分配流體，如此則它以精確控制的方式來霧化和分散。這能夠讓流體隨著時間做可靠正確的分配，而允許以大於習用分配器的正確度來預測貯器的壽命。壓電元件可以是多孔的，藉此允許從元件的前表面來分配接觸元件之後表面的流體。較佳而言，在當分配器不分配流體之時，分配器配置成無流體壓力作用在壓電元件的後表面上，這減少流體洩漏。預定高於大氣的壓力是根據壓電元件的形狀、尺寸、孔尺寸或孔洞度以及使之振動的速率所設定，如此則流體以大致恆定的壓力來驅動，而這只是設計上的問題，如此則它與壓電元件的振動協調地運作以產生霧化流體的優化煙流。我們意欲對在此所用的「垂直」(vertical)一詞做廣泛解讀，如此以容許有偏離垂直之5°、10°或高達15°的公差。

泵可以是往復式活塞泵，從貯器抽取流體和驅動流體以供分配界定了泵的單一循環，如此則泵循環可以由往復式活塞的二分開行程所構成；為了簡單和經濟起見，這二行程可以是往復式活塞在相反方向上的接續移動：在活塞移動之一方向上的填充行程，以及在活塞後續次一移動之相反方向上的分配行程。分配器可以包括二單向閥，如此則設備可以包括：泵送室；一單向閥，其調適成允許流體從貯器流動到泵送室中；以及另一單向閥，其調適成允許流體從泵送室流出而到在壓電元件之後表面的分配室；往復式活塞則有效地變化泵送室的容積，藉此有選擇地從貯器抽取流體到泵送室中，或將流體從泵送室驅動至分配室中。以此方式，則可以藉由正確控制活塞泵的移動而達成抽取精確的流體量到泵送室中以及在預定高於大氣的壓力下正確驅動流體劑量以供分配。

允許流體從泵送室流出到分配室中之單向閥的位置可以緊鄰於壓電元件的後表面，如此以允許分配室的容積相對於泵送室的容積而極小化。這意謂在每個分配操作結束時，僅有極小量的流體維持在壓電元件後方，並且這藉由表面張力和∕或重力而維持就位，因此當分配器不操作時減少流體的浪費性洩漏。

往復式活塞泵或可由旋轉馬達所驅動，其藉由連桿而連接到往復式活塞；馬達和連桿則調適成使活塞以設定速率來移動穿過分配行程，如此則隨著泵在高於大氣的壓力下將預定量的流體驅動至壓電元件的後表面，而使泵送室中的流體在整個分配行程期間以大致恆定的流率流動到分配室。馬達和連桿較佳而言調適成使活塞以預定速率來移動穿過填充行程，如此則從貯器抽取預定量的流體到分配室中。相對簡單且不昂貴的連桿可以呈凸輪和∕或曲柄移動導桿的形式。

使用時，壓電元件較佳而言垂直定位在貯器中的流體之頂表面的高度上方。這確保在分配器操作期間的分配行程期間，僅有作用在壓電元件之後表面上的壓力是由泵所造成之預定高於大氣的壓力，並且確保不在分配器操作期間的填充行程期間和在分配行程之後，沒有流體壓力作用在壓電元件的後表面上；這增加分配正確度並且減少洩漏。

可以有控制器，其配置成協調地致動泵和壓電元件，並且控制器可以配置成在致動泵之前先致動壓電元件，以及∕或者使壓電元件在泵正在高於大氣的壓力下將預定量的流體驅動至壓電元件之後表面的整個時間中振動，並且在泵已經停止驅動流體到壓電元件的後表面之後振動一段時間。貯器可以是可更換∕可再填充的筒匣，其可移除地安裝於設備中。

圖1顯示分配設備2，其包括貯器4，它包含所要分配的液體6。從貯器4抽取液體出來的浸管8則往下延伸到貯器4中，幾乎抵達其底部，如此以確保在貯器4必須再填充或交換以供完整更換之前，可以分配幾乎所有的流體6。

浸管8流體連通於泵送室10，其轉而流體連通於分配室12。在浸管8和泵送室10之間的是第一單向閥14，而在泵送室10和分配室12之間的是第二單向閥16；單向閥14、16是載有彈簧的球閥，而球配置成基於下述理由而相反地運作。分配室是由市售可得之平面的壓電板18所關閉，其為多孔的並且使用時振動，如此以霧化流體並且使之分散成煙流20。泵送室10是由往復式活塞22所關閉，其可以在垂直方向上往復(使用時且如圖式所示)，而由透過連桿26來作用的旋轉馬達24所驅動(下面參考圖3再詳述)。將注意壓電元件18在定位貯器4中的流體6之頂表面28的最高高度上方。

操作時，活塞22被透過連桿26所作用的馬達24往上拉；這造成泵送室10中的壓降，而使球移動到右方，並且使單向閥14開啟以及使單向閥16關閉。活塞22在相同方向上繼續移動則經由浸管8而從貯器4抽取流體6，並且填充了泵送室。當活塞22抵達其最高高度並且逆轉方向往下時，這使泵送室10裡的流體壓力增加，而使球移動到左方，並且關閉單向閥14以及開啟單向閥16。活塞22進一步往下移動則將流體從泵送室10驅動至分配室12中；在此，流體壓力結合了壓電板18的振動則使流體通過該板，並且霧化和分散成煙流20。流體繼續分配成煙流20，直到活塞22抵達其往下運動的極限，此時完成了泵送循環，並且若想要的話，分配器2無延遲地準備好開始另一分配操作。應注意如圖式所示之泵送室10和分配室12的相對尺寸純粹是示意的；實務上，分配室12的容積遠小於泵送室的容積，並且分配室12的形狀和單向閥16相對於壓電元件18的位置致使允許分配室12的容積做得盡可能的小。這確保當分配行程完成並且單向閥16關閉時，分配室12中剩餘的液體量夠小以單獨由壓電元件18的振動作用所霧化和分配；這意謂當分配器2是在分配操作之間的待命模式時，僅留下極少的流體可以從分配室12洩漏。

泵和閥配置可以是利用往復式活塞之行程的任何配置；替代選擇性配置顯示於圖2，其中一單向閥214的位置如同圖1，但第二單向閥216位在活塞222中。這配置操作成使得流體在箭號A所指的大致方向來流動進出泵送室210。活塞222的往下運動則關閉單向閥214並且開啟單向閥216；泵送室210中低於活塞222的流體流動穿過單向閥216，如此則流體在活塞222上方。當活塞改變方向時，單向閥214開啟並且單向閥216關閉；活塞222繼續往上移動則使流體抽取到泵送室210中而在活塞222底下，至於已經在泵送室210中且在活塞上方的流體則被驅動離開而做分配。當活塞抵達其往上運動的末端時，泵送循環便完成，並且準備好要重複。

圖3顯示連桿機構3，其適合在二方向行程上控制往復式活塞322的移動，以確保在分配行程上有充分恆定的流體壓力和流率，如此則計量劑量的流體通往壓電元件以有效率地霧化和分散，並且在泵送行程上將正確計量劑量的流體抽取到泵送室310中。雖所示範的機構3意欲以相同於圖1所示的方式來操作，但在此僅顯示一單向閥314和縮短的浸管，而沒有顯示分配室或壓電元件。活塞322遠離分配室310的末端則在平坦的軛330中放大；這軛設有軛槽縫332和二導引槽縫344，其接合於突耳(未顯示)以確保活塞322的二端僅可以沿著一軸線(其平行於槽縫334)來往復。旋轉馬達324繞著垂直於圖式平面的軸線來驅動心軸336，並且偏心圓形凸輪338固定於心軸336的末端，如此以接合於軛槽縫332的裡面，而形成經修改的曲柄移動導桿。心軸336中心和圓形凸輪338中心之間的偏移量、圓形凸輪338的半徑、旋轉速率對於確保活塞322之移動是如所須地控制(如上所述)都是重要的。分配室中之活塞末端的表面積和活塞行程長度則與一次泵送循環所分配之每個流體劑量的體積有關。

於我們目前較佳的具體態樣，每個計量的劑量為約0.05毫升，並且是從包含100毫升之可更換的筒匣所抽取(當它滿時的劑量正確度為6%)。例如適當程式化之微處理器的控制器包括在分配器中(連同適合的電源，例如電池)以在規律的時間間隔來致動分配器，該時間間隔可以由使用者所變化，其經常是在每14分鐘和每小時之間的任何頻率。控制器可以完全關掉分配器而達延長且使用者可選擇的時間(舉例而言過夜)，並且在特定時刻將它開啟而達一或更多個使用者可選擇的不同時間(舉例而言為用餐時間附近幾小時)。控制器也可以設定成將壓電元件控制成以致具有在約1秒和約6秒之間的任何工作循環，以及將馬達控制成以致具有在約10秒和約25秒之間的工作循環；並且在每個分配行程，控制器使壓電元件在約123千赫茲振動，其恰在分配行程開始之前啟動，並且在分配行程已經結束之後持續短時間。我們已使用的特殊組態是每20分鐘左右傳遞劑量給約3.5秒左右的壓電元件循環而達2222次循環(約30天)，此時分配器因為包含流體的筒匣要更換∕再填充而停止。

當然將了解可以對上述具體態樣做出許多變化而不偏離本發明的範圍。舉例而言，圓形凸輪或可更換為非圓形凸輪，該凸輪的形狀選擇成賦予活塞隨著時間的移動而有特定的輪廓。分配器上可以有按鈕或開關以致動單次分配循環。可以有燈光或其他某種指示器以顯示何時分配正在進行和∕或準備開始。貯器或可為堅硬的筒匣、可撓的囊袋、或者可能是在剛性外筒匣裡的可撓囊袋。控制器或可設有例如無線電接收器的手段，如此以可遠端手動操作，或者如此或可遠端變化任何設定；並且控制器或可具有發送器，如此若它不適當操作或若空了而須更換筒匣則它或可發訊。雖想著以香水分配器來描述，但本發明或可用於須頻繁分散霧化流體劑量的任何應用，例如於溫室或農業應用，其中流體或可是有選擇的毒物(譬如除草或除蟲劑)或有益生長劑(譬如施肥化合物)，或是於特殊的大氣條件(例如尤其潮溼氣氛中的除黴劑)。分配器可以程式化成在分配行程之前先潤注自己，若特殊的流體、分配器或周遭條件使這有必要的話。

上面描述了不同的變化或替代選擇性配置，則應了解本發明的具體態樣可以採取任何適合的組合而併入此種變化和∕或替代選擇。

2:分配設備、分配器 3:連桿機構 4:貯器 6:液體 8:浸管 10:泵送室 12:分配室 14:第一單向閥 16:第二單向閥 18:壓電板、壓電元件 20:煙流 22:往復式活塞 24:旋轉馬達 26:連桿 28:頂表面 210:泵送室 214:第一單向閥 216:第二單向閥 222:往復式活塞 308:浸管 310:泵送室 314:單向閥 322:往復式活塞 324:旋轉馬達 330:軛 332:軛槽縫 334:導引槽縫 336:心軸 338:圓形凸輪 A:流動方向

本發明現將藉由範例和參考伴隨圖式  來描述，其中； [圖1]是呈截面的示意側視圖，其顯示依據本發明的分配器會如何操作； [圖2]是用於圖1分配器之替代選擇性泵配置的示意圖，以及 [圖3]是用於圖1分配器之連桿配置的示意側視圖。

2:分配設備、分配器

3:連桿機構

4:貯器

6:液體

8:浸管

10:泵送室

12:分配室

14:第一單向閥

16:第二單向閥

18:壓電板、壓電元件

20:煙流

22:往復式活塞

24:旋轉馬達

26:連桿

28:頂表面

Claims (15)

1. 一種分配設備，其包括：貯器，其包含所要分配的流體；平面的壓電元件，其具有前和後表面、使用時定向成其平面垂直、且其可驅動而振動，藉此從該前表面來分配流體；以及泵，其從該貯器抽取預定量的流體，並且在預定高於大氣的壓力下將該預定量的流體驅動至該壓電元件的該後表面以供分配。
2. 根據申請專利範圍第1項的分配設備，其中該壓電元件是多孔的，藉此允許從該元件的該前表面來分配接觸該元件之該後表面的流體。
3. 根據申請專利範圍第1項的分配設備，其中該泵是往復式活塞泵。
4. 根據申請專利範圍第3項的分配設備，其中從該貯器抽取該流體和驅動該流體以供分配是該泵的單一循環，該泵循環是由該往復式活塞的二分開行程所構成。
5. 根據申請專利範圍第3項的分配設備，其進一步包括二單向閥。
6. 根據申請專利範圍第4項的分配設備，其包括：泵送室；一單向閥，其允許流體從該貯器流動到該泵送室中；以及另一單向閥，其允許流體從該泵送室流出而到在該壓電元件之該後表面的分配室；該往復式活塞則有效地變化該泵送室的容積，藉此有選擇地從該貯器抽取流體到該泵送室中，或將流體從該泵送室驅動至該分配室中。
7. 根據申請專利範圍第6項的分配設備，其中允許流體從該泵送室流出到該分配室中之該單向閥的位置緊鄰於該壓電元件的該後表面，如此以使該分配室的該容積相對於該泵送室的該容積而極小化。
8. 根據申請專利範圍第3項的分配設備，其中該往復式活塞泵是由旋轉馬達所驅動，該馬達藉由連桿而連接到該往復式活塞，該馬達和該連桿調適成使該活塞以設定速率來移動穿過分配行程，如此則隨著該泵在高於大氣的壓力下將該預定量的流體驅動至該壓電元件的該後表面，而使該泵送室中的該流體在整個該分配行程期間以大致恆定的流率流動到該分配室。
9. 根據申請專利範圍第8項的分配設備，其中該馬達和該連桿調適成使該活塞以預定速率來移動穿過填充行程，如此則從該貯器抽取該預定量的流體到該分配室中。
10. 根據申請專利範圍第8項的分配設備，其中該連桿包括凸輪和∕或曲柄移動導桿。
11. 根據申請專利範圍第1項的分配設備，其中該壓電元件使用時垂直定位在該貯器中的該流體之頂表面的高度上方。
12. 根據申請專利範圍第1項的分配設備，其進一步包括控制器，其協調地致動該泵和該壓電元件，如此以分配流體。
13. 根據申請專利範圍第11項的分配設備，其中該控制器調適成在致動該泵之前先致動該壓電元件。
14. 根據申請專利範圍第11項的分配設備，其中該控制器調適成使該壓電元件在該泵正在高於大氣的壓力下將該預定量的流體驅動至該壓電元件之該後表面的整個時間中振動，並且在該泵已經停止驅動流體到該壓電元件的該後表面之後振動一段時間。
15. 根據申請專利範圍第1至14項中任一項的分配設備，其中該貯器可移除地安裝於該設備中。

Images