РАСПЫЛИТЕЛЬ СО СРЕДСТВОМ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ НА РАСПЫЛЯЕМУЮ ЖИДКОСТЬ
SPRAYER WITH FLUID SURPLUS PRESSURE GENERATOR

Настоящее изобретение относится к устройству для распыления жидкости, содержащему распылительную головку, содержащую капиллярную трубку и сопло для выброса жидкости, резервуар подачи жидкости, предназначенный для подачи жидкости в распылительную головку, соединенный с распылительной головкой с помощью трубки, средство вибрации, предназначенное для возбуждения вибрации распылительной головки так, что она выбрасывает капельки жидкости в виде распыленной струи, и средство возбуждения, предназначенное для подачи сигнала возбуждения в средство вибрации.
Распылительное устройство указанного выше типа описано в международной заявке WO 99/46126 (US 6460980), относящейся к производству головки для струйной печати.
Однако такое устройство может найти применение в различных других областях, в частности, для распыления жидкостей в воздухе с целью увлажнения или охлаждения воздуха или для распространения продуктов очистки, удаления запахов, дезинфекции, парфюмерных средств и т.д., как описано, например, в заявке ЕР 0714709 или заявке WO 00/78467. Настоящее изобретение, в частности, относится к таким вариантам применения.
На фиг.1 схематично представлена классическая структура такого устройства. Устройство 10 содержит распылительную головку 20, промежуточный резервуар 21, содержащий распыляемую жидкость 22, основной резервуар 24, который также содержит жидкость 22, трубку 25, соединяющую резервуар 21 с распылительной головкой 20, и трубку 26, в которой установлен электрический насос 27, соединяющую резервуар 21 с резервуаром 24. Распылительная головка 20, по существу, расположена горизонтально и содержит капиллярную трубку 20-1 и эжекционное сопло 20-2 для выброса жидкости. Она, в общем, имеет форму трубчатой иглы, внутренний диаметр которой меньше одного миллиметра, длина которой составляет несколько сантиметров, корпус которой образует капиллярную трубку 20-1 и сужающийся, дальний конец которой формирует эжекционное сопло 20-2. Распылительная головка 20 механически соединена со средством вибрации, в общем, представляющим собой резонирующий пьезоэлектрический преобразователь 28, электрическое питание которого осуществляется сигналом Sv переменного тока, который подают из схемы ЕХСТ возбуждения. Схема ЕХСТ возбуждения управляется схемой CNTCT управления, которая определяет циклы распыления, длительность которых изменяется в соответствии с предполагаемым применением.
В нормальных условиях работы уровень жидкости в промежуточном резервуаре 21 находится на высоте H1 от продольной оси распылительной головки 20. Когда на резервуар 21 действует атмосферное давление Patm, на жидкость 22, находящуюся в трубе 25, во входном отверстии распылительной головки 20, действует атмосферное давление, к которому добавляется избыточное давление Ph1, равное гидростатическому давлению, создаваемое столбом жидкости высотой H1, при Ph1=ρ·g·H1, где ρ представляет собой плотность жидкости и g - ускорение силы тяжести.
Когда сигнал Sv возбуждения подают в преобразователь 28, распылительная головка входит в резонанс, и на ее конце 20-2 возникает пучность колебаний. Капельки 22-2 жидкости 22 выбрасываются в направлении, по существу, перпендикулярном плоскости сужающегося сечения распылительной головки, образуя, своего рода, туман из капелек или "распыленную струю". Во время распыления в распылительную головку 20 жидкость поступает под действием капиллярных сил и под действием силы тяжести (эффект гидростатического избыточного давления). Средство циркуляции воздуха, такое как вентилятор (не показан), может быть предусмотрено для увеличения дальности распространения распыленной струи.
В режиме ожидания, когда распылительная головка не подвергается вибрации, жидкость 22 удерживается в распылительной головке под действием капиллярных сил, и гидростатическое давление изменяется при появлении выпуклого мениска 22-1 жидкости 22 на конце распылительной головки под действием силы поверхностного натяжения, действующей на жидкость. При превышении критического порогового значения Sh1 избыточного давления мениск 22-1 разрывается, и жидкость 22 вытекает через распылительную головку.
Из указанного выше следует, что уровень жидкости в промежуточном резервуаре 21 требуется точно контролировать для поддержания гидростатического давления ниже уровня Sh1 порогового значения, который обычно является очень низким и составляет порядка от 50 до 150 Па.
Таким образом, оптимальная высота H1 зависит от уровня Sh1 порогового значения и физико-химических характеристик жидкости, в частности вязкости, плотности, силы поверхностного натяжения и внутреннего диаметра капиллярной трубки распылительной головки. Эта высота обычно является малой и составляет порядка 5-15 мм при использовании спиртовых или водных растворов и распылительной головки, капиллярная трубка которой имеет внутренний диаметр порядка 0,6 мм. Высота H1 поддерживается, по существу, постоянной с помощью схемы CNTCT, которая отслеживает уровень в резервуарах для жидкости с использованием детектора 23 уровня, установленного в резервуаре 21, и время от времени включает насос 27.
В соответствии с известным улучшением, представленным на фиг.2, при использовании которого не требуется применять насосы, устройство содержит промежуточный резервуар 21', соединенный с основным резервуаром 24' с помощью трубки 26' в соответствии с принципом сообщающихся сосудов. Резервуар 21' подвергается воздействию атмосферного давления Patm, в то время как резервуар 24' является герметически закрытым и на него действует давление Р1, которое ниже, чем атмосферное давление, что предотвращает полное опустошение резервуара 24' в резервуар 21'. Когда достигается гидростатическое равновесие, уровень жидкости 22 в резервуаре 24' получается выше уровня жидкости в резервуаре 21'. Когда уровень жидкости в резервуаре 21' становится ниже, чем уровень жидкости в трубке 26', некоторое количество воздуха попадает в резервуар 24', и некоторое количество жидкости поступает в резервуар 21'. Также может быть предусмотрена вспомогательная трубка 27', которая обеспечивает подачу воздуха в верхнюю часть резервуара 24'. Таким образом, высота жидкости в резервуаре 21' регулируется автоматически.
Несмотря на это улучшение распылительное устройство, которое было описано выше, имеет различные другие недостатки.
В частности, устройство является очень чувствительным к изменениям разности уровней, в результате чего жидкость перетекает в промежуточный резервуар, а также к другим явлениям, приводящим к аналогичным эффектам, например вибрациям, передаваемым внешней средой. Такие изменения разности уровней или вибрации могут привести к тому, что капельки будут вытекать на конце распылительной головки. Действительно, когда высота H1 понижается, движение поверхности жидкости в промежуточном резервуаре может привести к превышению критического уровня порогового значения Sh1, в результате чего происходит разрыв мениска 22-1 на конце распылительной головки.
Настоящее изобретение предназначено для применения в случаях, когда часто возникают такие изменения разности уровней и такие вибрации, например, для производства распылителей, предназначенных для установки на борту транспортных средств (поездов, автобусов, автомобилей и т.д.) или для производства портативных распылителей.
Таким образом, первая цель настоящего изобретения состоит в создании распылительного устройства, которое обладает низкой чувствительностью к изменениям разности уровней и другим явлениям, влияющим на уровень жидкости в резервуаре.
Другой недостаток классического распылительного устройства состоит в том, что скорость распыления зависит от свойств распыляемой жидкости. Таким образом, в некоторых распылительных головках можно наблюдать различие скорости потока в пределах 2-10 для разных жидкостей, представляющих собой водный раствор, и жидкостей, представляющих собой спиртовые растворы. В качестве примера, распылительная головка, внутренний диаметр которой составляет 0,6 мм и длина которой составляет 27 мм, при вибрации с частотой 200 кГц, обеспечивает скорость потока порядка 1-3 грамма в минуту, когда жидкость, по существу, состоит из воды (в которой растворены продукты обработки воздуха), но только порядка от 0,1 до 0,6 граммов в минуту при использовании водных растворов, растворов на основе этилового спирта и растворов на основе дипропиленгликоля.
Таким образом, другая цель настоящего изобретения состоит в существенном увеличении потока при распылении некоторых растворов, в частности спиртовых растворов.
В более общем случае, одна из целей настоящего изобретения состоит в управлении потоком при распылении так, чтобы обеспечивалась возможность его увеличения или уменьшения без замены распылительной головки.
По меньшей мере, одна цель настоящего изобретения достигается с использованием распылительного устройства такого типа, как описано выше, которое содержит средство приложения к жидкости во входном отверстии распылительной головки, во время циклов распыления, давления, большего, чем первое пороговое значение давления, выше которого жидкость протекает через распылительную головку, когда последнюю не подвергают вибрации, и меньшего, чем второе пороговое значение давления, выше которого жидкость протекает через распылительную головку, когда последнюю подвергают вибрации.
В соответствии с одним вариантом выполнения избыточное давление, относительно атмосферного давления, порядка от 1000 Па до 3000 Па прикладывают к жидкости во входном отверстии распылительной головки.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения средство приложения давления, большего, чем первое пороговое значение, и меньшего, чем второе пороговое значение, содержит столб жидкости, высота которой равна сумме высоты жидкости в резервуаре и высоты между дном резервуара и распылительной головкой.
В соответствии с одним вариантом выполнения, форму резервуара выбирают такой, чтобы максимальная высота жидкости в резервуаре была ниже, чем одна пятая часть высоты между дном резервуара и распылительной головкой.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения, средство для приложения давления, большего, чем первое пороговое значение, и меньшего, чем второе пороговое значение, содержит средство для создания избыточного давления на жидкость, находящуюся в резервуаре для подачи жидкости, для подачи этой жидкости в распылительную головку.
Резервуар для подачи жидкости в распылительную головку представляет собой, например, деформируемый мешок, который может сдавливаться.
В соответствии с одним вариантом выполнения, устройство содержит ограничитель потока или давления, установленный в трубке между резервуаром и распылительной головкой.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения, средство для приложения давления, большего, чем первое пороговое значение, и меньшего, чем второе пороговое значение, содержит клапан, расположенный в трубке между резервуаром и распылительной головкой, и средство управления клапаном закрывает клапан, когда распылительную головку не подвергают вибрации, и открывает клапан, когда распылительную головку подвергают вибрации.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения, ограничитель потока или давления интегрирован в клапан.
В соответствии с одним вариантом выполнения, устройство содержит средство управления, предназначенное для управления средством возбуждения для определения циклов распыления, прерываемых периодами остановки, во время которых сигнал возбуждения не подают в средство вибрации, и в котором средство управления установлено для разделения цикла распыления на множество микроциклов распыления, разделенных микропериодами остановки, во время которых сигнал возбуждения не подают в средство вибрации.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения, средство управления, предназначенное для управления средством возбуждения, установлено для определения циклов распыления длительностью порядка от ста миллисекунд до нескольких секунд, содержащих микроциклы распыления длительностью порядка от одной миллисекунды до нескольких десятков миллисекунд.
В соответствии с одним вариантом выполнения, средство управления, предназначенное для управления средством возбуждения, установлено для прерывания циклов распыления на периоды остановки с большей длительностью, чем длительность циклов распыления.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения, средство управления клапаном не закрывает клапан во время периодов микроостановок.
В соответствии с одним вариантом выполнения, средство управления клапаном установлено для закрывания клапана перед окончанием цикла распыления, в результате установлено для закрывания клапана перед окончанием цикла распыления, в результате чего из распылительной головки удаляется часть жидкости или вся жидкость, которую она содержала перед остановкой вибрации.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения, устройство содержит средство переключения, предназначенное для переключения в режим активного ожидания, содержащий микроциклы распыления, разделенные периодами остановки длительностью, по меньшей мере, в 1000 раз большей, чем длительность микроциклов, для циклического увлажнения распылительной головки.
В соответствии с одним вариантом выполнения, устройство содержит основной резервуар, установленный под резервуаром для подачи жидкости в распылительную головку, и средство для перелива жидкости из основного резервуара в резервуар для подачи в распылительную головку жидкости.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения, устройство используется для распыления жидкости в воздухе с целью увлажнения или охлаждения воздуха или для распыления очищающего, дезодорирующего или дезинфицирующего продукта, или парфюмерного продукта, или комбинации этих продуктов.
В соответствии с одним вариантом выполнения, устройство содержит средство вентиляции, предназначенное для распространения распыленной струи.
Эти и другие цели, свойства и преимущества настоящего изобретения более подробно поясняются в следующем описании различных аспектов настоящего изобретения и распылительного устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое приведено, без ограничений, в соответствии со следующими чертежами, на которых:
на фиг.1, описанной выше, схематично представлено классическое распылительное устройство, описанное выше,
на фиг.2 показан известный альтернативный вариант выполнения устройства по фиг.1,
на фиг.3 схематично представлено распылительное устройство в соответствии с настоящим изобретением,
на фиг.3А, 3В представлены электрические сигналы, используемые при управлении циклами распыления в соответствии с предыдущей практикой,
на фиг.4А, 4В, 4С представлены электрические сигналы, используемые при управлении циклами распыления в соответствии с настоящим изобретением,
на фиг.5 схематично представлена структура схем управления и возбуждения, представленных в виде блоков на фиг.3, и фиг.6А и 6В, сходные с фиг.4А и 4В, и фиг.6С, на которой показан электрический сигнал, используемый при управлении циклами распыления в соответствии с настоящим изобретением.
Первый аспект настоящего изобретения
Первый аспект настоящего изобретения основан на наблюдении, в соответствии с которым, когда работает распылительная головка такого типа, как описано выше, то есть при ее вибрации, на жидкость во входном отверстии распылительной головки может действовать избыточное давление, которое явно больше, чем пороговое значение Sh1, рассматриваемое в предыдущей практике как предельное значение, которое не следует превышать для предотвращения вытекания жидкости во время периода ожидания распылительной головки. И, наоборот, повышение избыточного давления в распылительной головке, предпочтительно, увеличивает скорость потока распыляемой жидкости благодаря тому, что облегчается движение жидкости в капиллярной трубке, которая работает как "напорный трубопровод", при условии, что не будет превышено второе пороговое значение Sh2 избыточного давления, выше которого жидкость снова начинает вытекать из распылительной головки. В данном случае второе пороговое значение Sh2 избыточного давления, выше которого жидкость вытекает при возбуждении вибрации распылительной головки, явно выше, чем первое пороговое значение Sh1 избыточного давления. Эксперименты показывают, что пороговое значение Sh2 обычно составляет порядка 1000-3000 Па (то есть приблизительно 1-3% атмосферного давления) и зависит от размеров распылительной головки и от характеристик распыляемой жидкости, в то время как первое пороговое значение обычно составляет порядка от приблизительно 50 до 150 Па, то есть приблизительно от 0,05 до 0,15% атмосферного давления. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением:
1) первое пороговое значение Sh1 избыточного давления определено так, что оно не должно быть превышено в режиме ожидания распылительной головки,
2) второе пороговое значение Sh2 избыточного давления определено так, что оно не должно быть превышено, когда возбуждена вибрация распылительной головки,
3) когда возбуждена вибрация распылительной головки, на жидкость в распылительной головке действует избыточное давление, которое больше, чем пороговое значение Sh1, но меньше, чем пороговое значение Sh2, и
4) когда распылительная головка находится в режиме ожидания, на жидкость в распылительной головке действует нулевое избыточное давление или избыточное давление, которое, по меньшей мере, меньше, чем пороговое значение Sh1.
Этот первый аспект настоящего изобретения может быть воплощен различными способами. Например, в резервуаре для жидкости, которую подают в распылительную головку, создают избыточное давление с помощью картриджа с газом или компактного компрессора, когда возбуждена вибрация распылительной головки, и затем снимают избыточное давление, когда распылительная головка находится в режиме ожидания. В резервуаре также может быть создано избыточное давление путем нагрева воздуха или газа, расположенного над жидкостью, или даже путем нагрева всего резервуара, для нагрева воздуха или газа, расположенного над жидкостью, или путем нагрева только части жидкости. В резервуаре для жидкости также может быть создано избыточное давление с использованием механической системы, приводимой в действие с помощью пружины, которая прикладывает требуемое избыточное давление к жидкости.
В соответствии с первым предпочтительным вариантом выполнения резервуар подачи жидкости представляет собой деформируемый мешок, который сдавливают с помощью пластины с заданной площадью поверхности, к которой прикладывают воспринимаемую нагрузку с помощью пружины или любого другого средства.
Кроме того, вместо снятия давления в резервуаре с жидкостью, когда распылительная головка находится в режиме ожидания, в трубке, соединяющей резервуар и распылительную головку, может быть установлен клапан. В этом случае избыточное давление в резервуаре можно поддерживать постоянно, при условии, что клапан закрыт, когда распылительная головка находится в режиме ожидания.
На фиг.3 схематично представлено распылительное устройство 30, соответствующее второму предпочтительному варианту выполнения, в котором избыточное давление Sh2 представляет собой гидростатическое давление, создаваемое столбом жидкости высотой Н2, которая больше, чем классическая высота H1, описанная выше.
Устройство 30 содержит классическую распылительную головку 40, например трубчатую иглу, корпус 40-1 которой образует капиллярную трубку и дальний конец 40-2 которой выполнен сужающимся так, что формируется эжекционное сопло. Распылительная головка 40 соединена через трубку 41 с одним резервуаром 42, который содержит жидкость 43, предназначенную для распыления. На резервуар 42 действует атмосферное давление Patm, и здесь он одновременно выполняет роль основного резервуара устройства и резервуара подачи, который предназначен для подачи жидкости в распылительную головку. Распылительная головка механически соединена со средством вибрации, таким как резонансный пьезоэлектрический преобразователь 44, возбуждаемый сигналом Sv, например сигналом с частотой колебаний 200 кГц. Сигнал Sv возбуждения подают с помощью схемы ЕХСТ возбуждения, управляемой с помощью схемы CNTCT управления.
В соответствии с настоящим изобретением, резервуар 42 установлен так, что поверхность жидкости 43 в резервуаре находится на высоте Н2 относительно продольной оси распылительной головки, и высоту Н2 выбирают таким образом, чтобы на жидкость в трубке 41, во входном отверстии распылительной головки, действовало избыточное давление Ph2 относительно атмосферного давления Patm, которое равно ρ·g·H2, так, чтобы выполнялось условие:
Sh1<Ph2<Sh2,
то есть для давления Pr2, такого что:
Patm+Sh1<Pr2<Patm+Sh2,
где Sh1 и Sh2 представляют собой первое и второе пороговые значения избыточного давления, как описано выше, Patm+Sh1 представляет собой первое пороговое значение давления, соответствующее первому пороговому значению Sh1 избыточного давления, Patm+Sh2 представляет собой второе пороговое значение давления, соответствующее второму пороговому значению Sh2 избыточного давления, Рr2 представляет собой давление жидкости во входном отверстии распылительной головки, и Ph2 представляет собой избыточное давление относительно атмосферного давления (или, вообще говоря, избыточное давление относительно давления в выходном отверстии распылительной головки, которое в данном случае представляет собой атмосферное давление).
И снова, в соответствии с настоящим изобретением, электромагнитный клапан 45 установлен в трубке 41 между первым отрезком 41-1 трубки, который соединяет вход электромагнитного клапана 45 с резервуаром 42, и вторым отрезком 41-2 трубки, соединяющим выход электромагнитного клапана 45 с входным отверстием распылительной головки 40. Электромагнитный клапан 45 представляет собой клапан "нормально закрытого" типа и управляется сигналом Sg открывания и закрывания, передаваемым схемой CNTCT управления. Электромагнитный клапан закрыт (распылительная головка изолирована от резервуара), когда распылительная головка находится в режиме ожидания, и открывается схемой CNTCT, когда возбуждают вибрацию распылительной головки, в соответствии с режимом возбуждения преобразователя 44, как будет описано ниже, содержащим очень короткие периоды остановки, во время которых электромагнитный клапан остается открытым.
В режиме ожидания избыточное давление жидкости во входном отверстии распылительной головки 40 равно нулю, и электромагнитный клапан предотвращает протекание жидкости, содержащейся в резервуаре, в случае, когда устройство выключено.
Когда возбуждают вибрацию распылительной головки 40, избыточное давление Ph2, действующее на жидкость во входном отверстии распылительной головки, обеспечивает существенное повышение скорости потока при распылении для различных жидкостей, таких как водные или спиртовые растворы, например, по сравнению с работой, основанной исключительно на эффекте капиллярности и поддержании гидростатического избыточного давления ниже порогового значения Sh1.
Другое преимущество состоит в том, что избыточное давление Ph2 позволяет увеличить выходную скорость капелек, то есть кинетическую энергию распыленной струи, в результате чего увеличивается длина и, поэтому, дальность действия распыленной струи. Таким образом может быть получена распыленная струя длиной от 5 до 30 см или даже больше. В некоторых вариантах применения это позволяет не использовать поток воздуха (подаваемый, например, с помощью вентилятора), для переноса и распространения распыленной струи.
В зависимости от величины избыточного давления Ph2, вязкости жидкости и характеристик распылительной головки, ограничители потока или ограничители 46 давления, схематично представленные пунктирными линиями на фиг.3, могут быть установлены между электромагнитным клапаном 45 и входом в распылительную головку 40.
В одном варианте выполнения ограничитель потока или давления интегрирован с электромагнитным клапаном, с формированием, в результате, блока электромагнитного клапана - ограничителя, который изготовлен с использованием микротехнологий.
Он может представлять собой ограничитель потока на основе капиллярного эффекта, который можно регулировать или параметризировать, такой как капиллярная трубка, имеющая регулируемый внутренний диаметр, или регулятор потока с динамическим управлением, в котором поток жидкости приводит к уменьшению давления, что ограничивает скорость потока. Он также может представлять собой регулятор давления, такой как, например, регулятор типа игла и пружина, который позволяет поддерживать избыточное давление на входе в распылительную головку ниже порогового значения Sh2.
Такой ограничитель потока или давления позволяет регулировать поток в трубке до величины, соответствующей производительности распылительной головки, и позволяет установить трубку между резервуаром и распылительной головкой, с внутренним диаметром, который не очень мал, и площадью отверстия электромагнитного клапана, которая также не очень мала (и которая была бы слишком большой в отсутствие какого-либо ограничителя потока или давления). Другое преимущество состоит в том, что избыточное давление быстро прикладывается к жидкости, находящейся в распылительной головке, как только открывается электромагнитный клапан, при этом скорость потока не превышает предел, предусмотренный для распылительной головки.
Повышение давления жидкости и регулировка скорости потока должны быть адаптированы к производительности распылительной головки 40. Когда эти условия удовлетворяются, получаемая скорость потока при распылении может быть в 10-20 раз выше, чем скорость потока, получаемая при классической подаче жидкости. В качестве примера, при использовании распылительной головки с внутренним диаметром 0,6 мм, возбуждением вибрации с частотой 200 кГц и избыточным давлением Ph2 1200 Па (то есть приблизительно 1,2% атмосферного давления), скорость потока при распылении может достигать 50 мг/с вместо 0,5 мг/с при использовании просто капиллярности. Распыляемые капельки имеют диаметр порядка 10-50 микрометров или даже больше в определенных условиях, при более высокой скорости потока, описанной ниже.
Другое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно позволяет изготовлять распылитель, который выдерживает движение жидкости в резервуаре (при наклоне или вибрации резервуара), как в остановленном состоянии, так и во время работы. Действительно, на фиг.3 можно видеть, что высота Н2 жидкости равна сумме высоты h1 между дном резервуара 42 и продольной осью распылительной головки 40 и высоты h2 жидкости в резервуаре 42. Теперь, для получения избыточного давления между пороговыми значениями Sh1 и Sh2, например избыточного давления порядка 1000 Па - 3000 Па, предполагается использовать высоту H2 порядка от 100 до 300 мм для водных или спиртовых растворов. В этих условиях форму резервуара можно выбирать так, чтобы она имела большую высоту, в связи с чем изменения высоты h2 в результате движения жидкости и постепенного расходования последней можно не учитывать относительно высоты h1, и, в любом случае, эти изменения не должны приводить к повышению избыточного давления Ph2 выше порогового значения Sh2. На практике высота h2, предпочтительно, будет ниже чем 1/5 высоты h1.
Следует отметить, что другое преимущество, которое получается в результате установки ограничителя потока или давления, состоит в возможности увеличения избыточного давления во входном отверстии трубки до еще более высокого уровня, например от 3000 Па до 5000 Па, однако при этом не происходит превышения порогового значения Sh2 избыточного давления во входном отверстии распылительной головки, в результате чего изменения избыточного давления, возникающие, например, из-за изменения высоты h2, когда жидкость перемещается в резервуаре, или в результате расширения жидкости в резервуаре при подъеме температуры последней, являются еще менее значительными относительно избыточного давления, приложенного к жидкости.
В одном варианте выполнения резервуар 42 установлен на системе крепления с регулируемой высотой, такой как система с механизмом реечной передачи, что, например, позволяет пользователю регулировать высоту Н2 в соответствии с используемой жидкостью (поскольку плотности могут быть разными у разных жидкостей), сверяясь с регулировочными номограммами, для регулировки высоты h1, предоставляемыми производителем. Регулировкой высоты h1 также может управлять микропроцессор при использовании электрически управляемого механизма реечной передачи, что позволяет программировать заданную скорость потока в соответствии с предполагаемым применением. В этом случае номограммы зависимости высоты/скорости потока сохраняют в запоминающем устройстве программы микропроцессора для каждого типа жидкости. В одном варианте выполнения резервуар оборудован детектором уровня, имеющим механическое или электронное регулирование порогового значения детектирования. Наконец, настоящее изобретение также позволяет использовать упрощенную конструкцию распылителя, поскольку использование промежуточного резервуара для подачи жидкости в распылительную головку становится больше не существенным. Однако для специалистов в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение не исключает использование промежуточного резервуара, в частности, для обеспечения возможности использования картриджей для пополнения жидкости, что позволяет сделать основные резервуары отдельно от резервуара подачи жидкости, для подачи в распылительную головку жидкости, для оптимизации структуры устройства или даже для размещения этих резервуаров за пределами, собственно, структуры устройства. Таким образом, в одном варианте выполнения, внешний резервуар расположен под резервуаром, который подает жидкость в распылительную головку и который заполняют жидкостью с помощью насоса или любого другого средства для перелива жидкости (например, путем приложения давления к внешнему резервуару).
Второй аспект настоящего изобретения
Варианты применения, в которых используется распыление продуктов для очистки, дезодорирования или дезинфекции или парфюмерных средств, обычно используют короткие циклы распыления, разделенные длинными остановками. Длительность циклов распыления обычно составляет приблизительно от ста миллисекунд до нескольких сотен миллисекунд и редко больше, чем несколько секунд. Длительность периодов остановки обычно намного больше, чем длительность циклов, и часто составляет от нескольких десятков секунд до нескольких десятков минут.
С этой целью, в схеме управления классического распылителя определен сигнал Se шаблона, представленный на фиг.3А, который, например, имеет значение 1, когда распылительная головка должна вибрировать в течение времени t1, которое представляет длительность цикла распыления, и который имеет значение 0, когда распылительная головка должна находиться в режиме ожидания в течение времени t2, которое представляет длительность периода остановки. И снова, как и в предыдущей практике и как показано на фигуре 3В, сигнал Sv возбуждения подают в преобразователь 44 в течение всей длительности t1 цикла распыления, который поэтому представляет собой "непрерывный цикл распыления".
Настоящее изобретение основано здесь на наблюдении, что, если будут предусмотрены очень короткие периоды распыления, разделенные также очень короткими периодами ожидания, можно существенно увеличить среднюю скорость потока распыляемой жидкости, в частности среднюю скорость потока распыления спиртовых растворов, используемых для распространения активных соединений, в частности различных ароматизаторов и парфюмерных средств. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, цикл распыления разделяют на множество очень коротких периодов распыления путем подачи в преобразователь 44 последовательности импульсов сигнала Sa возбуждения. Для упрощения терминологии очень короткие периоды распыления будут здесь называться "микроциклами" распыления (или микроциклами возбуждения преобразователя), и соответствующие очень короткие периоды ожидания будут здесь называться "микроостановками".
Для управления длительностью циклов распыления и микроциклов в схемах CNTCT и ЕХСТ устройства 30, в соответствии с настоящим изобретением (фиг.3), используется сигнал Se шаблона, представленный на фиг.4А, и сигнал Sse подшаблона, представленный на фиг.4В. Сигнал Se имеет значение 1 в течение времени t3 цикла распыления и имеет значение 0 в течение времени t4 остановки. Сигнал Sse имеет значение 0, когда сигнал Se имеет значение 0, и представляет собой последовательность прямоугольных импульсов со значением 1, когда сигнал Se имеет значение 1. Прямоугольные импульсы со значением 1 имеют длительность t5, соответствующую длительности микроциклов распыления, и разделены интервалами t6 времени, в течение которых сигнал Sse имеет значение 0, что соответствует микроостановкам. Длительности t5 и t6 могут быть идентичными, и, например, каждая из них может составлять 50 миллисекунд. Как показано на фиг.4С, сигнал Sv возбуждения прикладывают к преобразователю 44, когда сигнал Sse имеет значение 1, и не прикладывают к преобразователю, когда сигнал Sse имеет значение 0. В течение каждой микроостановки длительностью t6 жидкость 43 продолжает протекать в распылительную головку так, что, когда снова возбуждают вибрацию распылительной головки, распылительная головка в значительной степени "повторно заполняется" жидкостью, вплоть до предельного значения потока, и количество распыляемой жидкости во время следующего микроцикла распыления будет больше, чем количество, которое было бы распылено во время того же интервала времени в цикле непрерывного распыления, в соответствии с предыдущей практикой.
Таким образом, такое распыление с разделением цикла является особенно предпочтительным при использовании жидкостей с малым поверхностным натяжением (например, этанола) или жидкостей, имеющих большую вязкость, чем вода (в частности, тяжелых спиртов, таких как дипропиленгликоль), которые медленнее протекают по трубке.
Вообще говоря, такой способ распыления позволяет повысить эффективность процесса распыления как в отношении скорости, так и в отношении уменьшения размера капелек.
Таким образом, для заданного значения времени возбуждения преобразователя 44, количество распыляемой жидкости будет больше, когда это время возбуждения разделено на микроциклы, чем тогда, когда все это время возбуждения распылительной головки не прерывается. Для специалистов в данной области техники будет понятно, что среднее значение скорости потока за единицу времени увеличивается не существенно, поскольку микроостановки увеличивают суммарное время, требуемое для распыления заданного количества жидкости. Однако среднее значение скорости потока жидкости на "единицу времени возбуждения" увеличивается, то есть увеличивается количество жидкости, распыляемой в течение одинакового времени возбуждения преобразователя 44.
Для лучшего понимания предположим, что требуется выполнить способ распыления в соответствии с настоящим изобретением так, чтобы количество жидкости, распыляемой в течение цикла распыления с разделением длительности t3, как представлено на фигурах 4А-4С, было идентично количеству жидкости, распыляемой во время классического непрерывного цикла распыления длительностью t1, как представлено на фигурах 3А, 3В. В этом случае, отношение t3/t1 будет задано следующим уравнением:
t3/t1=[(t5+t6)/t5]/(D2/D1),
в котором член "(t5+t6)/t5" представляет собой отношение между периодом t5+t6 сигнала Sse подшаблона и длительностью t5 микроцикла и представляет собой коррекцию времени цикла, в которой потребовалось бы учесть микроостановки, если бы среднее значение скорости потока жидкости в течение микроциклов было равно среднему значению скорости потока жидкости во время непрерывного цикла распыления. Член D2/D1 представляет собой отношение среднего значения скорости потока D2 за "единицу времени возбуждения" во время микроцикла к среднему значению скорости D1 потока за "единицу времени возбуждения" во время непрерывного цикла распыления и показывает преимущество, предлагаемое настоящим изобретением.
Таким образом, например, разделение непрерывного цикла распыления длительностью t1 на микроциклы, имеющие рабочий цикл 1 (t5=t6), в принципе, следует компенсировать путем умножения длительности цикла на 2, в результате чего длительность t3 разбитого цикла распыления должна быть равна 2·t1. Однако, поскольку скорость потока распылительной головки улучшается, величина D2/D1 становится больше чем 1, например 1,5, и длительность t3 разбитого цикла распыления тогда становится равной (2/1,5)·t1, в результате чего распыляется то же количество жидкости.
Кроме того, если предположить, что требуется, чтобы количество распыленной жидкости было постоянным в течение длительных периодов времени, которые охватывают множество циклов распыления, длительность t4 остановок между разбитыми циклами распыления уменьшается на длительность, равную t3-t1 относительно исходной длительности t2, в результате чего отношение циклов поддерживается постоянным (t1+t2=t3+t4).
Наконец, способ распыления в соответствии с настоящим изобретением позволяет улучшить рабочие характеристики распылительной головки, то есть увеличить количество распыляемой жидкости для заданного количества потребляемого электричества, поскольку количество потребляемого электричества пропорционально времени возбуждения распылительной головки. Настоящее изобретение, поэтому, позволяет улучшить автономное использование устройства распыления при работе его от батареи или элемента.
Еще одно преимущество способа распыления в соответствии с настоящим изобретением состоит в том, что микроостановки позволяют охлаждаться преобразователю 44, в результате чего повышение средней температуры преобразователя 44 во время распыления заданного количества жидкости при разделенном цикле явно ниже, чем повышение температуры преобразователя при распылении того же количества жидкости в ходе непрерывного цикла.
Для специалистов в данной области техники будет понятно, что этот второй аспект настоящего изобретения может быть выполнен независимо от первого аспекта настоящего изобретения, то есть без приложения избыточного давления Ph2 к жидкости во входном отверстии распылительной головки. В соответствии с экспериментальными наблюдениями, средняя скорость потока при распылении с разделенным циклом повышается от 20% до 50% по сравнению со средней скоростью потока при распылении с непрерывным циклом, при использовании комбинации воды/спирта (такой как, например, вода/этанол или вода/гидропропиленгликоль) и в классических условиях подачи жидкости в распылительную головку.
Этот второй аспект настоящего изобретения, однако, может быть предпочтительно скомбинирован с первым аспектом настоящего изобретения для получения комбинации преимуществ. В этом случае электромагнитный клапан 45 остается открытым во время микроостановок, и его снова закрывают только при окончании разделенного цикла распыления, в результате чего жидкость 43 может протекать в распылительную головку в течение микроостановок, длительность которых будет выбрана так, чтобы они были даже короче, из-за того что к жидкости будет приложено избыточное давление.
На фиг.5 схематично представлен пример варианта выполнения схемы CNTCT управления и схемы ЕХСТ возбуждения.
Схема CNTCT содержит микропроцессор МР, программное запоминающее устройство РМЕМ, в котором сохранена прикладная программа, генератор CKGEN сигнала тактовой частоты и схема IСТ интерфейса между микропроцессором МР и «внешним миром», предназначенная, например, для включения или выключения распылителя. Генератор CKGEN подает в микропроцессор сигнал Н0 тактовой частоты. Схема IСТ здесь содержит переключатель SW1 ручного включения/выключения и, в соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения, переключатель SW2 ручного переключения, используемый для переключения распылителя в описанное ниже состояние активного ожидания. Сигналы, поступающие из схемы IСТ, подают в порты Р1, Р2 микропроцессора. Последний также содержит порт Р3, с которого сигнал Sg управления подают для управления электромагнитным клапаном 45, и порт Р4, предназначенный для подачи сигнала Se шаблона (фиг.4А). Другой порт микропроцессора, кроме того, может быть выделен для подачи сигнала управления для управления вентилятором (не представлен), который установлен для распространения распыленной струи.
Схема ЕХСТ содержит две схемы DIV1, DFV2 делителя частоты, логические элементы "И" с двумя входами A1, A2 и адаптер напряжения, здесь операционный усилитель AMP получает питание от напряжений V1 и V2, соответствующих спецификациям пьезоэлектрического преобразователя 44 (фиг.3). Микропроцессор программирует делители DIV1, DIV2 частоты как по выходной частоте, так и по рабочему циклу (функциональные связи с микропроцессором представлены схематично стрелками с пунктирными линиями). Делитель DIV1 получает сигнал Н0 тактовой частоты и запрограммирован с помощью микропроцессора для передачи сигнала Hv, колебания которого соответствуют частоте возбуждения для возбуждения преобразователя 44, например, 200 кГц. Сигнал Hv подают на вход элемента А2 и вход делителя DIV2. Последний запрограммирован с помощью микропроцессора для подачи сигнала Hse, формируемого логическими прямоугольными импульсами, длительность и характеристики рабочего цикла которых идентичны характеристикам, требуемым для сигнала Sse подшаблона (фиг.4В). Сигнал Hse и сигнал Se шаблона подают на входы элемента А1, с выхода которого поступает сигнал Sse подшаблона. Таким образом, сигнал Sse копирует сигнал Hse, когда сигнал Se имеет значение 1, и переключается в 0, когда сигнал Se имеет значение 0. Сигнал Sse подают на второй вход элемента А2, с выхода которого поступает логический сигнал Sve. Сигнал Sve подают на вход усилителя AMP, с выхода которого подается сигнал Sv. Сигнал Sv, таким образом, представляет собой сигнал, с колебаниями с частотой сигнала Hv, огибающая которых соответствует сигналу Sse подшаблона и амплитуда которых равна V1, когда сигнал Hv имеет значение 1, и равна V2, когда сигнал Hv имеет значение 0. Обычно напряжения V1 и V2 составляют +20В и -20В или +40В и 0В (заземление) в зависимости от типа используемого пьезоэлектрического преобразователя.
Когда переключатель SW2 переключен в положение активного ожидания, микропроцессор МР подает в преобразователь 44 очень короткие микроциклы возбуждения длительностью, например, от 50 до 100 миллисекунд, разделенные очень длинными остановками, например, 30 минут. Преимущество такого режима активного ожидания состоит в том, что он позволяет периодически смачивать конец распылительной головки 40 (эжекционное сопло 40-2, фиг.3), не потребляя при этом, однако, большого количества жидкости и не используя значительное количество энергии. Это предотвращает высыхание распылительной головки и обеспечивает возможность сохранения автономного использования распылителя в отношении потребления жидкости, а также в отношении потребляемой электроэнергии, этот момент является важным, когда распылитель получает питание от батареи или от электрических элементов.
На фигурах 6А, 6В и 6С представлен аспект настоящего изобретения, который относится к управлению электромагнитным клапаном и, соответственно, представляет собой сигнал Se шаблона, сигнал Sse подшаблона и сигнал Sg управления, который предназначен для управления электромагнитным клапаном и который здесь устанавливают в «1», когда электромагнитный клапан должен быть открыт. В соответствии с этим аспектом настоящего изобретения схема CNTCT управления закрывает электромагнитный клапан (сигнал Sg установлен в «0») за время dt1 до окончания цикла распыления, как определено сигналом Se шаблона, то есть до того как сигнал Se шаблона изменит свое значение на 0. Интервал времени dt1 составляет, например, порядка 10-100 миллисекунд, в результате чего в трубку больше не поступает жидкость, в то время как выполняется последний микроцикл распыления (сигнал Sse имеет значение 1). В результате такого предварительного закрытия происходит, по меньшей мере, частичное освобождение распылительной головки, и предотвращается самопроизвольное капание при прекращении возбуждения преобразователя, и это может быть предусмотрено независимо от второго аспекта настоящего изобретения, то есть является ли цикл распыления разделенным или нет.
Аналогично, в начале цикла распыления схема CNTCT управления позволяет пропустить время dt2 прежде, чем будет открыт электромагнитный клапан. Это позволяет перевести распылительную головку в режим установившейся вибрации прежде, чем жидкость поступит в распылительную головку, что предотвращает вытекание жидкости в начале возбуждения.
Для специалистов в данной области техники будет понятно, что возможны различные другие альтернативные варианты выполнения настоящего изобретения. В частности, длительность микроциклов и микроостановок при распылении может изменяться от одной миллисекунды до нескольких десятков миллисекунд. Такие значения длительности могут быть запрограммированы с помощью микропроцессора МР схемы CNTCT управления в соответствии с номограммами, сохраненными производителем в программном запоминающем устройстве РМЕМ, что предполагает, что пользователь будет указывать свойство жидкости, введенной в распылитель, и требуемую скорость потока при распылении. С этой целью, схема IСТ интерфейса может быть выполнена более сложной, чем описана выше, и может содержать средство электронного интерфейса вместо простых переключателей. Управление этой схемой также может осуществляться дистанционно, например через модем. Наконец, сигналы Se и Sse, описанные выше как внутренние сигналы управления, могут представлять собой программные переменные, если длительность циклов рассчитывают с помощью подпрограммы.
Различные варианты применения настоящего изобретения могут быть осуществлены, например, при производстве устройства для распыления, предназначенного для распыления жидкости, как описано в заявке ЕР 0714709, или при производстве устройства, описанного в заявке WO 00/78467, содержащего комбинацию нескольких распылительных головок, предназначенных для пикового выпуска ароматизаторов.