ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ РАСПЫЛИТЕЛЬ И СПОСОБ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО РАСПЫЛЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ELECTROSTATIC SPRAYER AND METHOD OF ELECTROSTATIC SPRAYING BY MEANS OF ITS APPLICATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к электростатическим распылителям и способам использования электростатических распылителей. В частности, но не исключительно, оно относится к электростатическим распылителям, содержащим источник питания для подачи электроэнергии для электростатического распыления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Электростатическое распыление представляет собой способ и средства распыления вещества, часто в виде тонкой струи из капель жидкости, посредством воздействия на вещество, которое должно распыляться, подходящего электрического поля. Напряжение прикладывается между электродом рядом с веществом, которое должно распыляться, (распылительным электродом) и по меньшей мере одним другим электродом вблизи распылительного электрода. При подходящих условиях, жидкость в электрическом поле разделяется в струю из по существу монодисперсных частиц. Когда мениск жидкости подвергается такому электрическому полю, мениск искривляется в конус Тейлора, из которого испускается поток капель.
Общие формы электростатического распыления в данной области техники включают в себя, так называемое электростатическое распыление «из точки на плоскость», где целевой объект, который должен быть подвергнут распылению, заряжается с полярностью, противоположной полярности жидкости, и сам становится противоэлектродом или разрядным электродом. Эта конфигурация, показанная в US 7150412, позволяет всей или большей части жидкости распыляться, чтобы достигать мишени и покрывать ее, так как электростатически распыляемые заряженные капли следуют по пути электрического поля, создаваемого между этими двумя электродами. Следуя тому же принципу, цель, которая должна быть подвергнута распылению, вместо этого может быть заземлена, как раскрыто в US 4801086 и US 3735925.
В качестве альтернативы, конфигурация может содержать три или более электрода, расположенных с тем, чтобы создавалось электрическое поле между двумя или более электродами внутри самого распылительного устройства. В то время когда имеет место некоторая частичная разрядка распыляемой жидкости из-за близости противоэлектрода, большая часть заряженных капель будет покидать устройство и достигать не предопределенной цели, например, в US 6302331.
Размер, заряд и скорость потока капель, распыляемых из электростатического распылителя, частично определяются физическими свойствами материала, который должен распыляться, а также силой электрического поля в месте распыления. Когда материал, который должен распыляться, в частности, жидкость, обладает подходящими физическими свойствами проводимости, вязкости и поверхностного натяжения, струя из частиц с по существу однородным распределением заряда и размера может достигаться для конкретного электрического поля, присутствующего между первым и вторым электродами. Конкретное электрическое поле обычно достигается посредством приложения конкретного напряжения между первым и вторым электродами.
Так как электрическое поле изменяется с геометрией электродов, среди прочих факторов, конкретное напряжение будет зависеть от разделения электродов (например, расстояния между точкой испускания материала из распылительного устройства, которое может являться распылительным электродом, и вторым электродом (контрольным электродом)). Когда, например, формируется состав жидкости, чтобы обладать подходящими физическими свойствами, конкретное напряжение может требоваться, чтобы быть приспособленным, чтобы корректировать изменения в геометрическом расположении распылительного электрода и контрольного электрода, например, из-за изменения в производственных допусках.
В качестве альтернативы, если имеется изменение в производственных допусках жидкости, которая должна распыляться, которое, например, может возникнуть при изменении от партии к партии физических свойств жидкости, или при изменении от партии к партии физических свойств различных типов лекарственного сырья, конкретное напряжение может требовать приспособления, чтобы добиваться подходящей струи.
Следовательно, желательно иметь возможность отслеживать условия и функционирование любого электростатического распылителя, чтобы добиваться подходящего выхода материала из устройства, несмотря на изменение в геометрическом расположении распылительных компонентов, различия между составом и партиями материала, который должен распыляться, и изменения в окружающих условиях, которые могут влиять на свойства вещества, которое должно распыляться.
Дополнительно, касательно распыления материала, когда электростатический распылитель содержит резервуар для хранения и доставки материала в место распыления, желательно иметь возможность определять уровень материала в резервуаре, и особенно, когда резервуар пуст или практически пуст. Таким образом, пользователь устройства может обнаружить время, когда необходимо обеспечить замену резервуара, и энергия не тратится на попытки распыления материала, когда материала для распыления не осталось.
В отношении этих потребностей, чтобы отслеживать условия распыления, в данной области техники было раскрыто несколько решений. Например, устройство, раскрытое в WO 2005/097339, предоставляет устройство, содержащее схемы отслеживания напряжения и тока, которые отслеживают прикладываемое напряжение и ток, текущий между испускающим (или распылительным) электродом и разряжающим «противоположным» электродом. Устройство, раскрытое в US2009/0134249, измеряет ток разряда между распылительным электродом и противоэлектродом, чтобы установить, что подходящее напряжение было приложено между электродами, чтобы водный конденсат на распылительном электроде рассеивался посредством электростатического распыления. Источник питания по WO2007/144649 отслеживает ток разряда, текущий через первый и второй электроды устройства, и приспосабливает напряжение, прикладываемое между электродами, в ответ. Электростатический распылитель, раскрытый в WO2008/072770, отслеживает напряжение «выше по потоку» относительно распылительных электродов на основании приспособления к DC/DC преобразователю самовозбуждающегося типа.
Эти и другие средства для отслеживания тока и приспособления условия распыления в ответ на изменения в устройствах или окружающих условиях имеют недостаток, состоящий в том, что они детектируют ток разряда между первым электродом (который обычно является распылительным электродом) и вторым электродом (который обычно является разрядным электродом) посредством измерения тока на разрядном электроде. В таких случаях необходимо, чтобы все частицы, или часть частиц, формируемых на распылительном электроде, направлялись электрическим полем, прикладываемым между электродами, к разрядному электроду. В некоторых случаях, один или более дополнительных электродов или других средств используются, чтобы направлять распыляемые частицы так, чтобы большая их часть не загрязняла разрядный электрод, и чтобы избежать чрезмерной потери материала.
Косвенное отслеживание электростатического распыления посредством измерения тока разряда на разрядном электроде является неточным в той степени, в которой такое отслеживание опирается на предположения, касающиеся представительного количества заряженного материала, испускаемого в месте электростатического распыления, которое достигает разрядного электрода. Это количество восприимчиво, среди прочего, к изменениям в форме устройства, независимо от присутствия вещества, которое должно распыляться, к физическим свойствам вещества, которое должно распыляться, и к окружающим условиям.
С другой стороны, измерение тока, текущего в распылительном электроде, отразило бы точное значение тока, уносимого заряженными частицами, но это неосуществимо для электростатических распылителей, так как это требовало бы точного детектирования очень низких уровней тока (1-100 мкА обычно переносится распылительным электродом высокого напряжения), переносимых на сигнале высокого напряжения (обычно несколько кВ).
Часто резервуар, содержащий материал, который должен распыляться, спрятан от пользователя электростатического распылителя, и не сразу очевидно, каков уровень заполнения резервуара, в частности, если электростатический распылитель был в использовании некоторое время. В данной области техники известны различные устройства и способы детектирования, отслеживания или измерения уровня жидкости, относящиеся или нет к электростатическим распылителям. Например, в US 5627522, уровень жидкости в резервуаре считывается посредством периодического опускания пипеточного зонда в жидкость и детектирования изменения в емкости между зондом в жидкости и зондом в воздухе. Другой известный способ раскрывается в EP 0887658, где фазовый сдвиг электромагнитных волн, отраженных от поверхности жидкости в резервуаре, сравнивается с опорным сигналом, тем самым предоставляя информацию об уровне жидкости в нем. Уровень заполнения резервуара может быть выведен посредством подсчета доз, например, как раскрыто в US 6796303 пока не будет достигнуто предустановленное количество доз, и устройство не укажет на пустой сосуд. Такая система является неподходящей в случае, когда количество доз изменяется согласно изменениям в функционировании устройства, например, из-за изменений в окружающих условиях. Схожая методика раскрыта в US 4817822. Другой косвенный способ отслеживания резервуара может состоять в использовании расходомера. Например, в WO 2008/142393 A1, такое устройство измеряет падение давления между парой расположенных на расстоянии друг от друга датчиков давления.
СПИСОК ССЫЛОК
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Патентная литература 1
Патент США № 7150412
Патентная литература 2
Патент США № 4801086
Патентная литература 3
Патент США № 3735925
Патентная литература 4
Патент США № 6302331
Патентная литература 5
Международная публикация № WO 2005/097339
Патентная литература 6
Публикация заявки на выдачу патента США № 2009/0134249
Патентная литература 7
Международная публикация № WO 2007/144649
Патентная литература 8
Международная публикация № WO 2008/072770
Патентная литература 9
Патент США № 5627522
Патентная литература 10
Европейский патент № 0887658
Патентная литература 11
Патент США № 6796303
Патентная литература 12
Патент США № 4817822
Патентная литература 13
Международная публикация № WO 2008/142393 A1
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
Все вышеупомянутые методики являются неудовлетворительными, так как они требуют дополнительных электронных или механических компонентов, которые, со связанной с ними сложностью, потреблением энергии делают их в целом неподходящими для массового производства, особенно для потребительских рынков или рынков компаний с низкими издержками, и уязвимыми к точкам сбоя или загрязнения во время производства или при использовании.
Настоящее изобретение было сделано ввиду вышеуказанной проблемы, и цель настоящего изобретения состоит в предоставлении электростатического распылителя с простой конфигурацией, который способен стабильно испускать, снаружи электростатического распылителя, вещество, которое должно электростатически распыляться. Дополнительно, вторая цель настоящего изобретения состоит в предоставлении, например, электростатического распылителя, который способен регулировать выход электростатического распыления в соответствии с окружающими условиями и условиями самого электростатического распыления.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Желательно предоставить электростатический распылитель, который способен приспосабливаться, при невысокой стоимости и сложности, к геометрическим изменениям и изменениям в составе из-за ослабленных производственных допусков, и приспосабливать выход электростатического распыления в ответ на окружающие условия и условия самого электростатического распыления.
В первом аспекте изобретения, предоставляется электростатический распылитель, содержащий: место распыления для электростатического распыления вещества посредством электрического воздействия на вещество;
распылительный электрод, электрически соединяемый с местом распыления; контрольный электрод, расположенный так, чтобы, когда напряжение прикладывается между распылительным электродом и контрольным электродом, вещество, которое должно электростатически распыляться, распылялось из места распыления; и источник питания, прикладывающий напряжение между распылительным электродом и контрольным электродом, отслеживающий электрическое свойство места распыления, и регулирующий напряжение, которое должно прикладываться между распылительным электродом и контрольным электродом, в соответствии с отслеженным электрическим свойством места распыления, при этом распылительный электрод и контрольный электрод дополнительно расположены так, что электрический заряд вещества, которое должно распыляться из места распыления, уравновешивается по меньшей мере равной величиной противоположного электрического заряда на контрольном электроде.
Такое уравновешивание электрического заряда обеспечивает уравновешенную по заряду электростатическую систему распыления. Для уравновешенной по заряду системы (системы, в которой электрические заряды уравновешены), чтобы произвести устойчивый поток электростатически распыляемых заряженных частиц, направленный наружу из электростатического распылителя, предпочтительно, чтобы равное количество противоположных электрических зарядов производилось контрольным электродом и использовалось для уравновешивания электрических зарядов.
Вещество, которое должно электростатически распыляться, может являться одним или более видом жидкостей, газов или твердых веществ, или их комбинацией.
Обычно контрольный электрод приспособлен, чтобы легко производить частицы противоположного заряда посредством ионизации частиц воздуха, например, посредством наличия четко определенного острого края или острия для формирования сильного электрического поля вблизи контрольного электрода. Противоположно заряженные частицы, испускаемые из распылительного электрода и контрольного электрода, могут частично или полностью разряжать друг друга, но этот аспект не важен с точки зрения электростатического распылителя. Часть заряженных частиц, формируемых в месте распыления, достигает контрольного электрода, и разряжается контрольным электродом. Это принцип уравновешенной по заряду системы. В этом случае, только заряженные частицы, не достигающие контрольного электрода, будут уравновешены ионизированными частицами воздуха противоположного заряда. Для энергоэффективного производства заряженных частиц, однако, желательно гарантировать, что частичный разряд частиц на контрольном электроде не будет иметь места.
Уравновешенная по заряду система может достигаться, когда устройство является изолированным или свободным, то есть, не соединенным электрически с большим резервуаром заряда, таким как мощность сети. Для запитываемого батареей устройства равновесие по заряду будет достигнуто, так как все устройство изолировано. Для запитываемого от сети устройства важно гарантировать (например, с помощью достаточной электрической изоляции), что суммарный поток заряда в выход сети равен нулю.
Для сбалансированной по заряду системы, тип заряда частиц не важен, так как устройство может одинаково хорошо производить положительно заряженные частицы, уравновешенные с отрицательными ионами воздуха, а также отрицательно заряженные частицы, уравновешенные положительными ионами воздуха, в зависимости от полярности прикладываемого высокого напряжения. Обычно, однако, электрическое поле должно быть приспособлено посредством приложения подходящего напряжения или изменения формы электрода и/или диэлектрика для эффективного сбалансированного по заряду функционирования противоположно заряженных частиц.
Принцип равновесия по заряду распылителя согласно первому аспекту имеет много преимуществ. Так как ток распыления отражается посредством испускания противоположно заряженных ионов, точное измерение тока распыления возможно на контрольном электроде. Также, количество заряженных частиц, производимое посредством электростатического распыления, может быть ограничено имеющим подходящую форму контрольным электродом, так как система может производить лишь столько электростатически распыляемых заряженных частиц, сколько может быть уравновешено контрольным электродом, приводя к стабильному электростатическому распылению. Так как ток на контрольном электроде представляет общий ток, испускаемый распылительным электродом, важно гарантировать, что потеря заряда из-за факторов, отличных от электростатического распыления, поддерживается на минимуме на распылительном электроде. Потеря заряда может иметь место, например, из-за электромеханической реакции на распылительном электроде.
Во втором аспекте настоящего изобретения, предоставляется электростатический распылитель, содержащий: первое место распыления и второе место распыления, из каждого из которых должно распыляться вещество; первый электрод, электрически соединенный с первым местом распыления; второй электрод, электрически соединенный со вторым местом распыления; и источник питания для прикладывания напряжения между первым электродом и вторым электродом, первое место распыления и второе место распыления, расположенные, чтобы во время распыления электрически воздействовать на вещество, которое должно распыляться, которое храниться в соответствующих первом и втором резервуарах, когда напряжение прикладывается между первым электродом и вторым электродом, вещество, хранимое в первом резервуаре, распыляется из первого места распыления, а вещество, хранимое во втором резервуаре, распыляется из второго места распыления, и первый электрод и второй электрод расположены так, что электрический заряд вещества, которое должно распыляться из первого места распыления или второго места распыления, уравновешивается по меньшей мере равной величиной противоположного электрического заряда, который должен производиться в первом месте распыления или втором месте распыления, соответственно. Источник питания отслеживает электрическое свойство первого места распыления или второго места распыления, и регулирует первое напряжение или второе напряжение, которое должно прикладываться между первым электродом и вторым электродом, в соответствии с (i) отслеживаемым электрическим свойством первого места распыления или второго места распыления и (ii) предопределенной характеристикой. В предпочтительном варианте осуществления, источник питания отслеживает ток в первом месте распыления или втором месте распыления посредством измерения тока на первом электроде или втором электроде, соответственно.
В третьем аспекте изобретения, предоставляется электростатический распылитель, содержащий место распыления для распыления вещества, и, во время распыления, электрического воздействия на вещество, которое должно электростатически распыляться; распылительный электрод, электрически соединенный с местом распыления; контрольный электрод, расположенный так, что, когда напряжение прикладывается между распылительным электродом и контрольным электродом, вещество, которое должно электростатически распыляться, распыляется из места распыления; и источник питания для прикладывания напряжения между распылительным электродом и контрольным электродом, косвенного отслеживания тока распыления на распылительном электроде, и детектирования, когда ток распыления падает ниже порогового значения, при этом распылительный электрод и контрольный электрод дополнительно расположены так, что электрический заряд вещества, которое должно распыляться из места распыления, уравновешивается по меньшей мере равной величиной противоположного электрического заряда, который должен производиться контрольным электродом.
Соответственно, в третьем аспекте изобретения, источник питания приспособлен, чтобы отслеживать исчерпание запаса, то есть, когда резервуар жидкости пуст. Условие исчерпания запаса детектируется посредством отслеживания тока распыления посредством измерения тока на контрольном электроде. На основании принципа равновесия заряда, если место распыления на производит заряженные частицы, эквивалентный ток на контрольном электроде также упадет до нуля, что может быть детектировано с помощью вышеупомянутой схемы отслеживания тока. В другом варианте осуществления, отдельный «отслеживающий» электрод погружается в резервуар для жидкости, и уровень напряжения отслеживается, например, посредством измерения напряжения на соединении двух резисторов, формирующих делитель напряжения, подключенный между отслеживающим электродом и контрольным электродом. С помощью имеющего подходящую форму контрольного электрода уровень напряжения будет изменяться в зависимости от того, находится ли отслеживающий электрод в жидкости или над ее уровнем. В еще одном варианте осуществления, уровень жидкости в резервуаре может отслеживаться, например, посредством оптического датчика или емкостного датчика.
ПОЛЕЗНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электростатический распылитель по настоящему изобретению сконфигурирован, чтобы содержать: место распыления для электростатического распыления вещества посредством электрического воздействия на вещество; распылительный электрод, электрически соединяемый с местом распыления; контрольный электрод, расположенный так, чтобы, когда напряжение прикладывается между распылительным электродом и контрольным электродом, вещество, которое должно электростатически распыляться, распылялось из места распыления; и источник питания, прикладывающий напряжение между распылительным электродом и контрольным электродом, отслеживающий электрическое свойство места распыления, и регулирующий напряжение, которое должно прикладываться между распылительным электродом и контрольным электродом, в соответствии с отслеженным электрическим свойством места распыления, при этом распылительный электрод и контрольный электрод дополнительно расположены так, что электрический заряд вещества, которое должно распыляться из места распыления, уравновешивается по меньшей мере равной величиной противоположного электрического заряда на контрольном электроде.
Дополнительно, электростатический распылитель по настоящему изобретению сконфигурирован, чтобы содержать: первое место распыления и второе место распыления, из каждого из которых должно распыляться вещество; первый электрод, электрически соединенный с первым местом распыления; второй электрод, электрически соединенный со вторым местом распыления; и источник питания для прикладывания напряжения между первым электродом и вторым электродом, первое место распыления и второе место распыления, расположенные, чтобы во время распыления электрически воздействовать на вещество, которое должно распыляться, которое храниться в соответствующих первом и втором резервуарах, когда напряжение прикладывается между первым электродом и вторым электродом, вещество, хранимое в первом резервуаре, распыляется из первого места распыления, а вещество, хранимое во втором резервуаре, распыляется из второго места распыления, и первый электрод и второй электрод расположены так, что электрический заряд вещества, которое должно распыляться из первого места распыления или второго места распыления, уравновешивается по меньшей мере равной величиной противоположного электрического заряда, который должен производиться в первом месте распыления или втором месте распыления, соответственно.
Электростатический распылитель по настоящему изобретению сконфигурирован, чтобы содержать: место распыления для распыления вещества, и, во время распыления, электрического воздействия на вещество, которое должно электростатически распыляться; распылительный электрод, электрически соединенный с местом распыления; контрольный электрод, расположенный так, что, когда напряжение прикладывается между распылительным электродом и контрольным электродом, вещество, которое должно электростатически распыляться, распыляется из места распыления; и источник питания для прикладывания напряжения между распылительным электродом и контрольным электродом, косвенного отслеживания тока распыления на распылительном электроде, и детектирования, когда ток распыления падает ниже порогового значения, при этом распылительный электрод и контрольный электрод дополнительно расположены так, что электрический заряд вещества, которое должно распыляться из места распыления, уравновешивается по меньшей мере равной величиной противоположного электрического заряда, который должен производиться контрольным электродом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления изобретения будут описаны далее со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1
Фиг. 1 показывает уравновешенный по заряду электростатический распылитель в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 2
Фиг. 2 показывает пример источника питания согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.3
Фиг. 3 показывает альтернативный пример первого электрода, второго электрода, полости и источника питания согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 4
Фиг. 4 показывает другой альтернативный пример первого электрода, второго электрода, полости и источника питания согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.5
Фиг. 5 показывает другой альтернативный пример электростатического распылителя согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 6
Фиг. 6 показывает альтернативный электростатический распылитель согласно варианту осуществления изобретения, содержащий две полости, два электрода и два места распыления, в котором распылительный электрод для одного места распыления также является контрольным электродом для другого места распыления, и наоборот.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1(a), 1(b), 1(c) и 1(d) показывают первый вариант осуществления электростатического распылителя согласно изобретению. Первый электрод 1 и второй электрод 2 разделены диэлектриком 3 так, что между первым электродом 1 и вторым электродом 2 нет линии прямой видимости. Первый электрод 1 и второй электрод 2 оперативно соединены с источником 4 питания. В данном варианте осуществления, первый электрод (распылительный электрод) 1 содержит место 5 электростатического распыления, из которого распыляется вещество (вещество, которое должно распыляться), и может быть описан, как распылительный электрод. Распылительный электрод 1 является электрически соединяемым с местом 5 электростатического распыления. Похожим образом, второй электрод 2 может быть описан, как контрольный электрод 2, и содержит наконечник 6.
Фиг. 1(a) показывает, как при функционировании источник питания 4 предоставляет высокое напряжение, которое прикладывается между распылительным электродом 1 и контрольным электродом 2. В этом примере, распылительный электрод 1 содержит проводящий канал, такой как металлический капилляр (то есть, капилляр из нержавеющей стали, например, капилляр из стали марки AISI 304), и вещество, которое должно распыляться, то есть, подходящую жидкость. Контрольный электрод 2 содержит проводящий стержень, такой как металлический штифт (штифт из нержавеющей стали, например, штифт из стали марки AISI 304). Предпочтительно, диэлектрик 3 является непроводящим, то есть, состоит из непроводящих материалов, и содержит переднюю кромку 7. Подходящие материалы для диэлектрика 3 включают в себя нейлон, полипропилен. Диэлектрик 3 расположен вблизи распылительного электрода 1 и контрольного электрода 2.
Фиг 1(b) показывает электростатический распылитель, когда высокое напряжение, например, между 1 и 30 кВ (например, от 3 до 7 кВ), прикладывается между распылительным электродом 1 и контрольным электродом 2. В этом случае, электрическое поле устанавливается между электродами, и диполь индуцируется в диэлектрике 3. В этом неограничивающем примере, распылительный электрод 1 заряжен положительно, а контрольный электрод 2 заряжен отрицательно, хотя обратное также возможно. Отрицательный диполь устанавливается на поверхности диэлектрика ближе к положительному распылительному электроду 1, а положительный диполь устанавливается на поверхности диэлектрика 3 ближе к отрицательному второму электроду 2. Заряженные частицы газа и вещества излучаются распылительным электродом 1 и контрольным электродом 2.
По меньшей мере электрические заряды, эквивалентные электрическим зарядам вещества, которое должно распыляться из места 5 электростатического распыления, распылительного электрода 1, формируются контрольным электродом 2. Электрические заряды, формируемые контрольным электродом 2, имеют полярность, противоположную полярность вещества, которое должно распыляться. Следовательно, электрические заряды вещества, которое должно распыляться, уравновешены электрическими зарядами, формируемыми контрольным электродом 2.
Фиг. 1(c) показывает пример, в котором положительно заряженные частицы, испускаемые из положительного распылительного электрода 1, располагаются на поверхности диэлектрика 3 рядом с распылительным электродом 1. Подобным образом, отрицательно заряженные частицы, испускаемые из отрицательного контрольного электрода 2, располагаются на поверхности (боковой поверхности) диэлектрика 3 рядом с опорным электродом 2. Как следствие этого расположения зарядов, электрическое поле, как показано на фиг. 1(d), меняет форму, и положительно заряженные частицы, испускаемые из положительно заряженного распылительного электрода 1, отталкиваются от места 5 электростатического распыления и поверхности диэлектрика 3 рядом с распылительным электродом 1, и, в конечном счете, от электростатического распылителя. Следовательно, диэлектрик 3 функционирует в качестве направляющего средства для направления вещества, которое должно распыляться, из места 5 электростатического распыления от электростатического распылителя так, что по меньшей мере часть электрически заряженных частиц не достигает контрольного электрода 2.
Заряженные частицы, испускаемые из распылительного электрода, обычно включают в себя заряженные газообразные частицы и макрочастицы. Заряженные газообразные частицы формируются на распылительном электроде, а заряженные макрочастицы формируются в месте 5 электростатического распыления. Подобным образом, заряженные частицы, появляющиеся из отрицательного заряженного контрольного электрода 2, отталкиваются от поверхности диэлектрика 3 рядом с контрольным электродом 2, и, в конечном счете, от электростатического распылителя. Таким образом, нет никакого потока, или имеется небольшой поток заряженных частиц от одного электрода к другому. В этом примере, распылительный электрод 1 и контрольный электрод 2 расположены так, что фокусы электрического поля устанавливаются по приложении высокого напряжения между электродами фокусируются в месте 5 электростатического распыления и наконечника 6 контрольного электрода 2.
Использование диэлектрика позволяет наиболее экономично формировать поток заряженных частиц в направлении от электростатического распылителя. Между тем, могут быть использованы другие средства. Например, поток заряженных частиц может формироваться в желаемом направлении посредством прикладывания магнитного поля посредством использования генератора магнитного поля (направляющего средства), которое отклоняет движение заряженных частиц. В качестве альтернативы, для достижения схожего эффекта, поток заряженных частиц может формироваться посредством воздушного потока, формируемого генератором воздушного потока (средства генерации воздушного потока), такого как вентилятор. В качестве альтернативы, вышеупомянутые методики могут подходящим образом объединяться, чтобы достигать оптимальной производительности распыления.
Источник 4 питания может периодически менять полярность напряжения, прикладываемого между распылительным электродом 1 и контрольным электродом 2, так, что вещество, имеющее положительный электрический заряд, и вещество, имеющее отрицательный электрический заряд, поочередно распыляются из места 5 распыления.
На фиг. 1, подходящее расстояние между местом 5 электростатического распыления и наконечником 6 контрольного электрода 2 составляет около 8 мм. Место 5 электростатического распыления и наконечник 6 контрольного электрода 2 обычно углублены примерно на 1 мм за переднюю кромку 7 диэлектрика 3. Другие проводящие материалы и формы являются подходящими для электродов, включая металлы, такие как титан, золото, серебро и другие металлы, и полупроводящие материалы также возможны.
Фиг. 2 предоставляет пример структурной схемы источника 4 питания согласно варианту осуществления изобретения. Источник 4 питания содержит источник 21 электроэнергии, генератор 22 высокого напряжения с выходным значением, отслеживающую схему (средство отслеживания напряжения) 23, приспособленную, чтобы отслеживать ток контрольного электрода 262 и выходное напряжение распылительного электрода 261, и схему управления (средство управления) 24, приспособленную для управления генератором 22 высокого напряжения так, чтобы выходное напряжение генератора 22 высокого напряжения имело требуемое значение. Для многих практических применений, схема 24 управления может содержать микропроцессор 241, приспособленный, чтобы выполнять дополнительную регулировку выходного напряжения и времени распыления на основании другой информации 25 обратной связи, такой как окружающие условия (температура, влажность и/или атмосферное давление), содержимое жидкости, уровень жидкости и опциональная пользовательская настройка.
Источник 21 электроэнергии известен в данной области техники. Источник 21 электроэнергии включает в себя сетевой источник электроэнергии или по меньшей мере одну батарею. Источник 21 электроэнергии является источником низкого напряжения, и источником электроэнергии постоянного тока (DC). Например, один или более первичных элементов могут быть объединены, чтобы сформировать батарею. Подходящая батарея включает в себя одну или более батарей с AA- или D-элементами. Количество батарей определяется требуемым уровнем напряжения и мощностью потребления источника электроэнергии. Мы обнаружили, что 2 батареи типа AA, подающие 3В, могут обеспечить достаточный уровень напряжения для работы микропроцессора, и могут обеспечить достаточно энергии, чтобы питать электростатический распылитель при токе распыления 0,8 мкА и выходном напряжении 5,5 кВ (обычные значения) до двух месяцев на рабочем цикле распыления 12,5%.
Генератор 22 высокого напряжения обычно содержит автоколебательную схему 221, которая преобразует DC в AC (переменный ток), трансформатор 222, питаемый AC, и схему 223 преобразователя, соединенную с трансформатором 222. Авторы изобретения обнаружили, что очень энергоэффективной экономичной схемой управления трансформатора является питаемая током двухтактная топология с применением ограничения тока. Ограничение тока схемы управления обеспечивается, чтобы избежать насыщения трансформатора. Схема преобразователя обычно содержит питающий насос и выпрямляющую схему. Схема преобразователя генерирует требуемое напряжение и преобразует AC обратно в DC. Типичной схемой преобразователя является генератор Кокрофта-Уолтона.
Отслеживающая схема 23 содержит схему 231 обратной связи тока, и также может содержать схему 232 обратной связи напряжения, в зависимости от применения. Схема 231 обратной связи тока измеряет электрический ток на контрольном электроде 262. Так как электростатический распылитель уравновешен по заряду, ссылочное измерение этого тока предоставляет точное значение тока в месте 5 электростатического распыления. Такой способ устраняет необходимости, состоящие в том, что (i) дорогое, сложное или мешающее средство измерения предоставляется в месте 5 электростатического распыления, и (ii) оценивается вклад тока разряда в измеренный ток. Схема 231 обратной связи тока может содержать любое традиционное устройство измерения тока, например, трансформатор тока.
В предпочтительном варианте осуществления, ток на контрольном электроде измеряется посредством измерения напряжения на установленном резисторе (резисторе обратной связи), который подключен последовательно с контрольным электродом. В варианте осуществления, измеренное напряжение на установленном резисторе считывается, используя аналого-цифровой (A/D) преобразователь, который обычно является частью микропроцессора. Подходящим микропроцессором с A/D преобразователем является микропроцессор семейства PIC16F18**, производимый Microchip. Цифровая информация обрабатывается микропроцессором, чтобы предоставить выход для схемы 24 управления.
Недостаток схемы A/D преобразователя состоит в том, что A/D преобразование может вводить задержку в отклики на управляющее воздействие из-за времени A/D преобразования. В дополнение, часто уровень тока процесса электростатического распыления очень низкий (несколько микроампер), и необходимо дополнительное усиление тока, чтобы подавать достаточный ток для A/D преобразования. Это может быть достигнуто посредством использования операционного усилителя, который может увеличить стоимость и общий ток потребления источника питания.
В предпочтительном варианте осуществления, напряжение, измеренное на установленном резисторе, сравнивается с предопределенным постоянным эталонным уровнем напряжения посредством использования компаратора. Компараторы требуют очень низкого входного тока (обычно наноампер или меньше) и быстрого отклика, и часто микропроцессор предоставляет встроенные компараторы для такой цели. Например, PIC16F1824 из вышеупомянутого семейства микрочипов предоставляет подходящий компаратор с очень низким входным током и постоянным эталонным напряжением. Эталонный уровень напряжения на компараторе может быть установлении посредством использования D/A преобразователя, также содержащегося в этом микропроцессоре, обеспечивающем 32 выбираемых эталонных уровней напряжения. При обычном функционировании, эта схема способна детектировать, выше или ниже измеренный ток требуемого уровня, определенного величиной эталонного напряжения и резистором обратной связи, и передавать информацию на схему управления.
В применениях, в которых требуется знание точного значения напряжения, отслеживающая схема 23 также содержит схему 232 обратной связи напряжения, измеряющую прикладываемое напряжение на распылительном электроде 261. Обычно прикладываемое напряжение отслеживается напрямую посредством измерения напряжения на соединении двух резисторов, формирующих делитель напряжения, подключенный между первым и вторым электродами. В качестве альтернативы, прикладываемое напряжение может отслеживаться посредством измерения напряжения, образовавшегося на узле внутри генератора Кокрофта-Уолтона, использующего тот же принцип делителя напряжения. Подобным образом, что касается обратной связи тока, информация обратной связи может обрабатываться либо с помощью A/D преобразователя, либо посредством сравнения сигнала обратной связи с эталонным значением напряжения, используя компаратор.
Схема 24 управления управляет выходным напряжением генератора 22 высокого напряжения посредством контроля магнитуды, частоты или рабочего цикла колебаний в осцилляторе 221, или времени включения/выключения напряжения (или их комбинаций). В данном примере, схема 24 управления управляет выходным напряжением генератора 22 высокого напряжения посредством направления осциллятора 221, чтобы производить импульсы переменного тока на предопределенной частоте, за счет чего продолжительность и/или рабочий цикл импульсов переменного тока определяют выходное напряжение. Схема 24 управления принимает сигнал, показывающий отслеживаемый ток в месте 5 электростатического распыления, в виде выходного сигнала из компаратора, и регулирует продолжительность и/или рабочий цикл импульсов AC, чтобы изменить значение выхода генератора высокого напряжения до требуемого значения в соответствии с предопределенной характеристикой. Схема 24 управления может быть приспособлена, чтобы использовать схему широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM) (использовать сигнал широтно-импульсной модуляции), чтобы предоставить регулируемое ограничение для выходного напряжения генератора высокого напряжения посредством установки значения ограничения для рабочего цикла ШИМ. Обычно, схема 24 управления является выходным портом микропроцессора 241, способным предоставлять сигнал ШИМ. Рабочий цикл распыления и период распыления также может управляться также может контролироваться с помощью того же выходного порта ШИМ. Во время распыления применяется сигнал ШИМ. Напряжение может регулироваться либо посредством изменения рабочего цикла сигнала ШИМ, либо посредством быстрого включения и выключения сигнала ШИМ на основании информации обратной связи.
Микропрограммная реализация схемы 24 управления зависит от требуемой схемы ввода коррекций. Например, простое управление с обратной связью, в котором выходное напряжение должно регулироваться, чтобы поддерживать ток распыления постоянным, может быть реализовано всего лишь посредством конфигурирования автоматического выключения и автоматического повторного запуска сигнала ШИМ на основании выхода компаратора обратной связи тока. Этот тип конфигурации обеспечен в вышеупомянутом микроконтроллере PIC16F1824.
Там, где высокоточный контроль минимального выходного напряжения Vm генератора высокого напряжения не требуется, схема 24 управления может быть приспособлена, чтобы устанавливать Vm, например, посредством отслеживания энергии, подаваемой на генератор 22 высокого напряжения посредством измерения тока, подаваемого на генератор 22 высокого напряжения. Преимущественно, посредством контроля напряжения таким образом, средняя продолжительность импульса AC может быть использована в качестве индикатора потребления энергии генератором 22 высокого напряжения. Например, 10% снижение потребления энергии может быть взято, чтобы представить 10% снижение сопротивления между распылительным электродом 261 и контрольным электродом 262, которое может быть скорректировано увеличением тока обратной связи примерно на 10%, чтобы поддержать выход генератора 22 высокого напряжения на требуемом уровне. Минимальное ограничения напряжения для Vm, следовательно, может предоставляться без необходимости отслеживания выходного напряжения генератора 22 высокого напряжения, что в противном случае требовало бы дорогих компонентов и/или дополнительного потребления энергии. Недостаток измерения потребления энергии состоит в том, что его точность подвержена влиянию потерь энергии в схеме высокого напряжения.
Дополнительно, входы 25 в микропроцессор 241 могут предоставляться на основании необходимости корректировки напряжения или рабочего цикла/периода распыления на основании внешней температуры, влажности, атмосферного давления, содержимого жидкости вещества, которое должно распыляться, и уровень жидкости вещества, которое должно распыляться. Информация может предоставляться в форме аналоговой или цифровой информации, и обрабатывается микропроцессором. Обычно, A/D преобразование предоставляется для аналогового сигнала, а коммуникационный порт в зависимости от типа данных (например, 12C) предоставляется для цифровой информации. Микропроцессор может обеспечивать корректировку, чтобы обеспечить качество и стабильность распыления на основании входной информации, используя предопределенную схему, с помощью вышеупомянутого выходного порта ШИМ, либо посредством изменения периода распыления, распыления в момент времени или прикладываемого напряжения.
В качестве примера, источник питания может содержать термочувствительный элемент (датчик температуры), такой как термистор, используемый для температурной корректировки. В варианте осуществления, источник питания приспособлен, чтобы изменять период распыления в соответствии с изменением температуры, определенной термочувствительным элементом. Период распыления является суммой времен включения и выключения источника питания. Например, в случае периодического периода распыления, в котором источник питания включается на циклический период распыления в 35 секунд (в течение которого источник питания прикладывает высокое напряжение между первым и вторым электродами), и выключается на 145 секунд (в течение которого источник питания не прикладывает высокое напряжение, как выше), период распыления составляет 35+145=180 секунд. Период распыления может изменяться программным обеспечением, встроенным в микропроцессор источника питания, так, чтобы период распыления увеличивался, когда температура увеличивается, и чтобы период распыления снижался, когда температура снижается, с установленной точки. Предпочтительно, увеличение и снижение периода распыления выполняется в соответствии с предопределенной характеристикой, которая может быть определена свойствами вещества, которое должно распыляться. В целях удобства, корректирующее изменение периода распыления может быть ограничено так, чтобы период распыления изменялся только между 0-60°C (например, 10-45°C), тем самым предполагая, что экстремальные температуры, зарегистрированные элементом температурного датчика, являются ошибками и игнорируются, в то же время все еще предоставляя приемлемый, хотя и не оптимизированный период распыления для условий высокой или низкой температуры. В качестве альтернативы, времена включения и выключения периода распыления могут быть отрегулированы с тем, чтобы поддерживать период распыления постоянным, но чтобы увеличивать или уменьшать время распыления внутри периода, когда температура уменьшается или увеличивается.
Источник 4 питания может дополнительно включать в себя проверочную схему для детектирования свойства вещества, которое должно распыляться, и определения информации, относящейся к свойству вещества, которое должно распыляться. Информация, относящаяся к свойству вещества, которое должно распыляться, которая была определена проверочной схемой, предоставляется схеме 24 управления. Схема 24 управления использует информацию, чтобы скорректировать по меньшей мере один сигнал управления напряжением. Сигнал управления напряжением - это сигнал, генерируемый в соответствии с результатом, полученным посредством детектирования окружающих условий (таких как температура, влажность, и/или атмосферное давление, и/или содержимое распыления), и сигнал для регулировки выходного напряжения или периода распыления. Источник 4 питания может включать в себя датчик давления для отслеживания внешнего давления (атмосферного давления).
Во многих применениях, желательно предупреждать пользователя, когда резервуар для жидкости пуст. Подходящее предупреждение может быть в форме визуального сигнала, такого как экран на светоизлучающих диодах (СИД, LED) или жидкокристаллический дисплей (LCD), или звукового сигнала, такого как устройство звуковой сигнализации или динамик. Информация об уровне жидкости может предоставляться с помощью вышеупомянутого датчика уровня жидкости. Изобретатели обнаружили, что экономичным решением является использование существующей информации обратной связи тока. Когда резервуар для жидкости пуст, процесс электростатического распыления остановится, и, следовательно, ток снизится до нуля. После детектирования условия нулевого тока микропроцессор может реагировать на основании предопределенной схемы, например, останавливать сигнал высокого напряжения и запускать предупреждение пользователя, как описано выше.
Например, источник питания может дополнительно включать в себя отслеживающую схему, способную отслеживать пороговое значение остаточного количества вещества, которое должно распыляться, в резервуаре для жидкости посредством измерения тока на контрольном электроде 2.
Хотя такая схема является простой и экономичной, ее применимость зависит от внешних условий и конфигурации электродов. Изобретатели обнаружили, что определенная комбинация конфигурации электродов (такой как оба электрода с острыми краями, создающими сильное электрическое поле) и окружающих условий (таких как высокая влажность) может приводить к формированию ионов воздуха на обоих электродах, когда жидкость не доступна для процесса электростатического распыления. На основании принципа равновесия зарядов, система будет производить одинаковое количество положительных и отрицательных ионов воздуха, и это приведет к наличию электрического тока в схеме обратной связи. Следовательно, система не сможет детектировать, что резервуар пуст. Чтобы преодолеть эту проблему, может быть введена вторичная отслеживающая схема. Экономичная вторичная система включает в себя отдельный «отслеживающий» электрод, погружаемый в резервуар для жидкости. Уровень напряжения на электроде отслеживается, например, посредством измерения напряжения на соединении двух резисторов, формирующих делитель напряжения, подключенный между отслеживающим электродом и контрольным электродом, и информация передается на микропроцессор и обрабатывается им. Когда отслеживающий электрод погружен в жидкость, он будет иметь тот же потенциал, что и распылительный электрод. С другой стороны, когда отслеживающий электрод находится вне жидкости, потенциал будет ниже, реальное значение, зависящее от проводимости воздуха между отслеживающим электродом и жидкостью. В идеале, наконечник 6 отслеживающего электрода имеет закругленную форму и достаточно небольшой размер, чтобы снизить влияния возможного формирования ионов, вызывающего нестабильности системы. Так как делитель напряжения может потреблять существенную энергию по сравнению с процессом электростатического распыления, предпочтительно, чтобы она была сконструирована так, чтобы отслеживающий электрод мог подключаться в начале процесса распыления, чтобы подтвердить уровень жидкости, а затем отключаться на оставшееся время распыления. Такое соединение обычно реализуется с помощью подходящего реле.
В целях удобства, отслеживающий электрод и распылительный электрод могут быть совпадающими, как описано со ссылкой на фиг. 3. То есть, распылительный электрод 1 может также служить в качестве отслеживающего электрода. Фиг. 3 показывает второй вариант осуществления электростатического распылителя согласно изобретению. Электростатический распылитель содержит первый электрод 1 и второй электрод 2, которые являются проводящими и изолированы друг от друга в той степени, что между любой частью первого электрода 1 и второго электрода 2 нет линии прямой видимости. Первый электрод 1 и второй электрод 2 разделены диэлектриком 3. В целях удобства, по меньшей мере один из первого электрода 1 и второго электрода 2 содержит стержень. Предпочтительно, второй электрод 2 содержит штифт и является штифтовым электродом. В данном примере, штифтовый электрод является острым штифтом из нержавеющей стали, таким как штифт из нержавеющей стали марки AISI 304, имеющим диаметр 0,6 мм. Штифтовый электрод является контрольным электродом для другого из первого электрода 1 и второго электрода 2, который является распылительным электродом. Распылительный электрод 1 электрически воздействует на вещество 8, которое должно распыляться, хранимое в полости 9. Если вещество 8, которое должно распыляться, является жидкостью, тогда распылительный электрод 1 электрически соединен через жидкость с полостью 9, хранящей жидкость.
В данном варианте осуществления, распылительный электрод 1 расположен внутри полости 9. Распылительный электрод 1 является штифтом из нержавеющей стали, таким как штифт из нержавеющей стали марки AISI 304, имеющим диаметр 0,6 мм. Другие материалы и формы распылительного электрода 1 также возможны, при условии, что по меньшей мере проводящая часть распылительного электрода 1 расположена внутри полости 9. В данном примере, часть распылительного электрода 1 расположена внутри полости 9 так, что по меньшей мере одна открытая проводящая часть распылительного электрода 1 погружена в жидкость 8, которая должна распыляться, когда полость 9 заполнена жидкостью и устройство находится в рабочем состоянии. Распылительный электрод 1 проходит через стенку полости 9, и часть распылительного электрода 1 снаружи 9 проводящим образом соединена с источником 4 питания высокого напряжения. В данном примере, часть распылительного электрода 1, расположенная в полости 9, содержит острый наконечник, который выступает в объем полости 9. Возможны другие формы наконечника распылительного электрода, расположенного в полости 9, включая тупой наконечник, который выступает в полость 9, или тупой наконечник, который находится на одном уровне с внутренней стенкой 10 полости 9. В одном из вариантов осуществления, площадь поверхности по меньшей мере одной открытой проводящей поверхности больше, чем диаметр распылительного электрода, например, проводящая поверхность содержит пластину, которая проводящим образом соединена с частью распылительного электрода, проходящей через стенку полости 9. В целях удобства, пластина может быть скрыта во внутренней стенки 10 полости 9. В другом варианте осуществления, распылительный электрод может иметь часть, которая расположена горизонтально вдоль внутренней стенки 10 полости 9. Часть дополнительно содержит по меньшей мере одну часть, предпочтительно много частей, наиболее предпочтительно всю обращенную к полости поверхность, которая является проводящей и открыта внутреннему объему полости 9. Часть, расположенная таким образом, может формировать полную или частичную полосу на внутренней стенке 10 полости 9. Таким образом, жидкость 8 в полости 9 открыта проводящей части распылительного электрода 1, когда полость 9 электростатического распылителя не расположена идеально, чтобы быть вертикальной, то есть, находится под углом.
В данном варианте осуществления, полость 9 может подавать жидкость наружу полости 9 через отверстие 11. Отверстие 11 имеет размер, определенный так, что в нерабочем состоянии любая жидкость в полости 9, которая связана с отверстием 11, задерживается в отверстии 11 посредством поверхностного напряжения жидкости. В этом примере, отверстие 11 содержит узкий канал 12, такой как узкое сопло. Узкий канал 12 формуется из того же материала, что и полость 9, например, из полипропилена, полиэтилентерефталата (PET) или других химически стойких материалов. Отверстие 11 может принимать другие формы, включая короткий канал, или капилляр, или сопло. Предпочтительно, место, из которого распыляется жидкость (место распыления) расположено рядом с отверстием 11. Предпочтительно, место распыления отделяется от контрольного электрода 2 посредством диэлектрика 3. Особо предпочтительно, место распыления также не находится в линии прямой видимости с контрольным электродом 2.
Внутренняя стенка 10 полости 9 не требует специальной обработки, однако может быть желательно обработать внутреннюю стенку 10 полости 9 с помощью олиофобной обработки, если должна распыляться по существу безводная жидкость, или гидрофобной обработки, если должна распыляться по существу водянистая жидкость. В таких случаях, распылительный электрод 1 также может подвергаться обработке, при условии, что проводящая часть распылительного электрода 1 остается открытой.
По выбору, полость 9 находится в жидкостной связи с резервуаром 13 так, что при использовании резервуар 13 опустошается в полость 9 по мере того, как жидкость распыляется из электростатического распылителя. Например, резервуар 13 и полость 9 могут быть расположены так, чтобы вещество, оставшееся в резервуаре 13, добавлялось в полость 9 в количестве вещества, распыляемого за одно электростатическое распыление. Полость 9 может быть приспособлением резервуара 13. Когда жидкость распыляется из электростатического распылителя, если полость 9 и предоставляемый по выбору резервуар 13 не открыты воздуху напрямую, тогда насос, сжимающий резервуар (такой как сжимаемый резервуар из заявки на выдачу патента США 11/58274), фитиль или система отбора воздуха требуется, чтобы корректировать объем потребляемой жидкости и не позволить вакуумным силам предотвратить долгосрочное распыление жидкости из устройства, например, для непрерывного распыления в течение не менее 1 часа. Системы для замещения вытесненных объемов жидкости известны в данной области техники.
Как проиллюстрировано на фиг. 3, резервуар 13 расположен вертикально над полостью 9 в случае, когда пользователь поддерживает электростатический распылитель в работе. Следовательно, вещество, которое должно распыляться, перемещается из резервуара 13 в полость 9 с помощью силы тяжести во время распыления.
Электростатический распылитель может дополнительно включать в себя средство насосной подачи для подачи вещества, которое должно распыляться, из резервуара 13 в полость 9. Средство насосной подачи предпочтительно имеет электрический привод, например, является электрическим насосом.
Фиг. 4 показывает третий вариант осуществления изобретения. В третьем варианте осуществления, первый электрод 1 проходит сквозь стенку полости 9. Первый электрод 1 содержит (i) по меньшей мере одну часть, которая расположена внутри полости 9 и проводящим образом открыта для жидкости 8 в полости 9, (ii) часть, которая расположена снаружи полости 9 и рядом с местом 5 распыления, и (iii) часть, расположенную снаружи полости 9, которая проводящим образом соединена с источником 4 питания. Место 5 распыления отличается тем, что оно расположено на внешнем отверстии полости 9. В данном примере, отверстие полости 9 сформировано в виде выступа полости 9. Первый электрод 1 является распылительным электродом, а второй электрод 2 является контрольным электродом. Распылительный электрод 1 и контрольный электрод 2 расположены так, что они изолированы друг от друга, то есть, они не находятся на линии прямой видимости друг друга.
Фиг. 5 показывает четвертый вариант осуществления электростатического распылителя изобретения, и показывает распылительный электрод (первый электрод) 1, контрольный электрод (второй электрод) 2, полость 9 и источник 4 питания. В данном примере, распылительный электрод 1 содержит капилляр. Капилляр распылительного электрода 1 является проводящим, и электрически воздействует, через текучую среду (жидкость), на вещество, которое должно распыляться, хранимое в полости 9. Капилляр распылительного электрода 1 и контрольный электрод 2 проводящим образом соединены с источником 4 питания.
Вещество, которое должно распыляться, перемещается к наконечнику капилляра (место 5 распыления) с помощью капиллярного явления, и электростатически распыляется из наконечника таким же образом, как и в вышеописанном принципе.
Фиг. 6 показывает пятый вариант осуществления электростатического распылителя согласно изобретению. В данном варианте осуществления, первый электрод 1 находится в связи с первой полостью (первым резервуаров) 9a, а второй электрод 2 находится в связи со второй полостью (вторым резервуаром) 9b. Первый электрод 1 и второй электрод 2 проводящим образом соединены с источником 4 питания. Первая полость 9a содержит отверстие 11a, содержащее канал, имеющий часть внешнего конца. Канал первой полости 9a содержит место 5a распыления (первое место распыления). Вторая полость 9b подобным образом содержит отверстие 11b, содержащее канал, имеющий часть внешнего конца. Канал второй полости 9b содержит место 5b распыления (второе место распыления). При использовании (во время распыления) либо первая полость 9a, либо вторая полость 9b хранит вещество (первое вещество), которое должно распыляться, хотя как первая полость 9a и вторая полость 9b могут хранить одинаковое вещество или разные вещества (второе вещество), которое должно распыляться. Предпочтительно, по меньшей мере одна из первой полости 9a и второй полости 9b хранит жидкость в качестве вещества, которое должно распыляться.
То есть, первый электрод 1 электрически соединен с первым местом 5a распыления через вещество (жидкость), которое должно распыляться, которое вещество хранится в первой полости (первом резервуаре) 9a, и первый электрод 1 и первое место 5a распыления электрически воздействуют на вещество, которое должно распыляться. Подобным образом, второй электрод 2 электрически соединен со вторым местом 5b распыления через второе вещество, которое должно распыляться, которое второе вещество хранится во второй полости (втором резервуаре) 9b, и второй электрод 2 и второе место 5b распыления электрически воздействуют на второе вещество, которое должно распыляться.
Уравновешенное по заряду устройство согласно фиг. 6 измеряет электрическое свойство либо первого электрода 1, либо второго электрода 2, и отслеживает либо место 5a распыления, либо место 5b распыления. Например, ток либо на первом электроде 1, либо на втором электроде 2 может измеряться, и ток распыления либо в первом месте 5a распыления, либо во втором месте 5b распыления отслеживается. На практике, однако, измеряется ток на первом электроде 1 и втором электроде 2, что по потенциалу ближе к земле источника питания микропроцессора. Таким образом, шум в измерении низкого тока на сигнале высокого напряжения будет предотвращен.
Первый электрод 1 и второй электрод 2 могут быть электрически смещены одним источником электроэнергии.
3
6
Изобретатели успешно распыляли состав аромата лаванды широколистной производства Atrium Innovation Ltd (Pipe House, Lupton Road, Уоллингфорд, Соединенное Королевство) в течение периода в 30 дней с помощью электростатического распылителя согласно изобретению, сконфигурированному, чтобы обеспечить высокое напряжение примерно в 5,2 кВ +/-0,2 кВ между первым электродом 1 и вторым электродом 2 согласно рабочему циклу 12.5% времени включения/выключения. Будет понятно, что могут использоваться другие значения, чтобы выполнять электростатическое распыление с помощью устройства согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, где используемые значения будут зависеть, например, от окружающих факторов, конфигурации устройства и вещества, которое должно распыляться. Другие подходящие жидкости включают в себя жидкости, приспособленные, чтобы при температуре 20°C иметь удельное сопротивление в диапазоне от 1×10 до 1×10 Ом·м, и поверхностное натяжение в диапазоне от 20 до 40 мН/м.
Вещество, которое должно распыляться, может содержать активный ингредиент, такой как аромат, инсектицид, лекарство или комбинация этих ингредиентов.
Отметим, что настоящее изобретение может быть описано следующим образом. То есть, устройство электростатического распыления согласно настоящему изобретению включает в себя: место распыления, из которого должно распыляться вещество, расположенное, при использовании, в связи с веществом для электростатического распыления; распылительный электрод в связи с местом распыления и контрольный электрод, расположенные так, что, когда напряжение прикладывается между распылительным электродом и контрольным электродом, вещество для электростатического распыления распыляется из места распыления; и источник питания, работоспособный для: прикладывания напряжения между распылительным электродом и контрольным электродом; отслеживания электрического свойства места распыления; и регулировки напряжения, прикладываемого между распылительным электродом и контрольным электродом, согласно отслеженному электрическому свойству места распыления и предопределенной характеристики; при этом распылительный электрод и контрольный электрод дополнительно расположены так, что электрический заряд вещества, распыляемого из места распыления, уравновешивается производством по меньшей мере равной величины противоположного электрического заряда на контрольном электроде.
Устройство электростатического распыления согласно настоящему изобретению дополнительно включает в себя: второе место распыления для распыления вещества, имеющего полярность, противоположную полярности вещества, распыляемого в первом месте распыления; и контрольный электрод является дополнительным электродом в связи со вторым местом распыления; при этом первое место распыления заряжается распылительным электродом с первой полярностью, а второе место распыления заряжается дополнительным электродом с полярностью, противоположной первой полярности, и распылительный электрод и дополнительный электрод электрически смещены одним источником электроэнергии.
Устройство электростатического распыления согласно настоящему изобретению дополнительно включает в себя: второе место распыления, из которого должно распыляться дополнительное вещество, расположенное, при использовании, чтобы быть в связи с дополнительным веществом, которое должно распыляться, при этом контрольный электрод расположен, чтобы быть в связи со вторым местом распыления, и так, что, когда напряжение прикладывается между распылительным электродом и контрольным электродом, при использовании, вещество распыляется из первого места распыления, а дополнительное вещество распыляется из второго места распыления.
Устройство электростатического распыления согласно настоящему изобретению дополнительно включает в себя первый резервуар, содержащий вещество, которое должно распыляться, и второй резервуар, содержащий дополнительное вещество, которое должно распыляться; при этом распылительный электрод и место распыления находятся в жидкостной связи с веществом, которое должно распыляться, содержащемся в первом резервуаре, а контрольный электрод и второе место распыления находятся в жидкостной связи с дополнительным веществом, которое должно распыляться, содержащемся во втором резервуаре.
Устройство электростатического распыления согласно настоящему изобретению включает в себя: первое место распыления и второе место распыления, из которых должно распыляться вещество, расположенные, при использовании, чтобы быть в связи с веществом для электростатического распыления, содержащемся в соответствующих первом и втором резервуарах; первый электрод в связи с первым местом распыления, и второй электрод в связи со вторым местом распыления, расположенные так, что, когда напряжение прикладывается между первым и вторым электродами, вещество для электростатического распыления в первом резервуаре распыляется из первого места распыления, а вещество для электростатического распыления во втором резервуаре распыляется из второго места распыления; и источник питания, работоспособный для: прикладывания напряжения между первым электродом и вторым электродом; при первый электрод и второй электрод расположены так, что электрический заряд вещества, распыляемого из первого или второго места распыления, уравновешивается производством по меньшей мере равной величины противоположного электрического заряда в первом или втором месте распыления, соответственно.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, в котором, предпочтительно, источник питания работоспособен для отслеживания тока в месте распыления посредством измерения электрического тока на контрольном электроде. В варианте осуществления, источник питания работоспособен для измерения электрического тока на контрольном электроде посредством трансформатора тока. В дополнительном варианте осуществления, источник питания работоспособен для измерения тока на контрольном электроде посредством измерения напряжения на резисторе, подключенном последовательно с контрольным электродом.
Предпочтительно, источник питания включает в себя (i) сетевой источник питания или (ii) источник питания, включающий в себя одну или более батарею, из которых должно подаваться напряжение.
Дополнительно, предпочтительно, что источник питания дополнительно содержит генератор высокого напряжения для предоставления напряжения, которое должно прикладываться источником питания между распылительным электродом и контрольным электродом. В варианте осуществления, генератор высокого напряжения содержит осциллятор, преобразователь и выпрямляющую схему. В дополнительном варианте осуществления, источник питания дополнительно содержит средство управления для управления величиной, частотой и рабочим циклом колебаний в схеме осциллятора, чтобы регулировать прикладываемое напряжение.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, в котором источник питания заставляет схему осциллятора производить импульсы переменного тока на предопределенной частоте, чтобы регулировать прикладываемое напряжение, а продолжительность и/или рабочий цикл импульсов определяет(ют) значение прикладываемого напряжения. Предпочтительно, продолжительность применения импульсов управляется посредством использования сигнала широтно-импульсной модуляции, обеспечиваемого микропроцессором, измеряющим ток и напряжение с помощью аналого-цифрового преобразователя. Таким образом, предопределенный отклик выходного напряжения на информацию обратной связи может являться частью микропрограммного обеспечения микропроцессора, и может легко изменяться, при необходимости, без изменений в аппаратном обеспечении схемы источника питания.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, который дополнительно содержит направляющее средства для направления вещества, которое должно распыляться, из места распыления от электростатического распылителя так, что по меньшей мере часть заряженных частиц не достигает контрольного электрода. Предпочтительно, направляющее средство содержит диэлектрик, расположенный рядом с местом распыления так, что, во время распыления, электрический заряд, имеющий полярность, идентичную полярности вещества, которое должно распыляться, накапливается на стороне диэлектрика, которая находится рядом с местом распыления, и электрический заряд направляет вещество, которое должно распыляться из места распыления, от электростатического распылителя. Предпочтительно, диэлектрик расположен между распылительным электродом и контрольным электродом. В варианте осуществления, диэлектрик дополнительно расположен так, чтобы блокировать отрезок прямой между местом распыления и контрольным электродом.
Таким образом, в вариантах осуществления изобретения, изменение формы электрического поля, создаваемого между первым электродом и вторым электродом, может быть достигнуто, используя диэлектрический материал вблизи, и, в частности, между первым электродом и вторым электродом. Диэлектрический материал будет притягивать заряженные частицы, которые, в свою очередь, изменяют электрическое поле, присутствующее первым электродом и вторым электродом. В особо желательном расположении электродов и диэлектрика, электрическое поле имеет форму, чтобы производить большую силу, воздействующую на заряженные капли, в направлении, параллельном распылительному электроду (то есть, от электростатического распылителя). В идеале, импульс, получаемый заряженным веществом, распыляемым из электростатического распылителя посредством электростатического распыления, будет достаточным, чтобы преодолеть притягивающие силы в направлении контрольного электрода, и достигается стабильный поток электростатически распыляемых заряженных частиц.
Хотя было обнаружено, что вышеупомянутое использование диэлектрического материала является наиболее экономичным способом получения потока заряженных частиц, направленного от электростатического распылителя, другие средства также могут использоваться. В варианте осуществления, магнитное поле применяется, чтобы отклонить движение заряженных частиц, и получить поток заряженных частиц в требуемом направлении. Например, магнит располагается подходящим образом рядом с распылительным электродом, чтобы направлять заряженные частицы от электростатического распылителя. В другом варианте осуществления, поток воздуха (например, создаваемый вентилятором) используется для достижения того же эффекта. В еще одном варианте осуществления, подходящая комбинация вышеупомянутых методик используется для достижения оптимального исполнения струи. Например, такой генератор воздушного потока располагается вдоль распылительного электрода, чтобы направлять заряженные частицы от электростатического распылителя.
Таким образом, в дополнительном варианте осуществления, направляющее средство содержит генератор магнитного поля для формирования магнитного поля, имеющего подходящие свойства, чтобы отклонять движение заряженного вещества, распыляемого из места распыления.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, в котором направляющее средство содержит средство формирования воздушного потока для формирования воздушного потока, чтобы отклонять движение заряженного вещества, распыляемого из места распыления.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, в котором источник питания периодически меняет полярность напряжения, прикладываемого между распылительным электродом и контрольным электродом, так, что вещество, имеющее положительный электрический заряд, и вещество, имеющее отрицательный электрический заряд, поочередно распыляются из места распыления. Например, такое изменение полярности электродов может быть достигнуто посредством использования подходящего генератора высокого напряжения, способного генерировать высокое напряжение, имеющее положительную полярность, и высокое напряжение, имеющее отрицательную полярность.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, в котором вещество, которое должно распыляться, является жидкостью, и место распыления сконфигурировано, чтобы иметь такой размер, что, когда напряжение не прикладывается между распылительным электродом и контрольным электродом, по меньшей мере часть вещества, которое должно распыляться, удерживается в месте распыления посредством поверхностного натяжения жидкости.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, в котором распылительный электрод не расположен в месте распыления и рядом с ним. Например, в варианте осуществления, электростатический распылитель дополнительно содержит полость для хранения вещества, которое должно распыляться, при этом распылительный электрод расположен так, что он по меньшей мере частично находится внутри полости. Предпочтительно, место распыления является выступом полости, и выступ содержит капилляр, сопло или канал, содержащий отверстие. В варианте осуществления, распылительный электрод электрически соединен с местом распыления через вещество, которое должно распыляться.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, в котором распылительный электрод электрически соединен с местом распыления посредством расположения в месте распыления или рядом с ним. В варианте осуществления, распылительный электрод содержит канал, имеющий часть внешнего конца, а место распыления содержит наконечник на части внешнего конца. Предпочтительно, канал находится в связи с полостью, которая расположена так, чтобы быть в связи с резервуаром, из которого, во время распыления, в полость передается вещество, которое должно распыляться. Предпочтительно, резервуар расположен так, что, во время распыления, вещество, которое должно распыляться, передается в полость посредством силы тяжести. Например, резервуар обеспечивается над полостью, и формируется проток между резервуаром и полостью. В варианте осуществления, резервуар и полость расположены так, что объем вещества, распыляемый за одно срабатывание электростатического распыления, заменяется в полости веществом, остающимся в резервуаре. В другом варианте осуществления, электростатический распылитель дополнительно содержит средство насосной подачи, которое предпочтительно имеет электрический привод, для подачи вещества, которое должно распыляться, из резервуара в полость. Например, насос обеспечивается между резервуаром и полостью.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, в котором источник питания дополнительно содержит средство отслеживания напряжения для отслеживания напряжения, прикладываемого между распылительным электродом и контрольным электродом. В варианте осуществления, электростатический распылитель дополнительно содержит два резистора, формирующих делитель напряжения, которые подключены между распылительным электродом и контрольным электродом, при этом средство отслеживания напряжения измеряет напряжение на соединении двух резисторов. В дополнительном варианте осуществления, источник питания дополнительно содержит генератор высокого напряжения для прикладывания высокого напряжения между распылительным электродом и контрольным электродом, и средство отслеживания напряжения измеряет напряжение, образовавшееся на узле внутри схемы генератора высокого напряжения. В другом варианте осуществления, средство отслеживания напряжения косвенно отслеживает напряжение посредством отслеживания тока распыления в месте распыления вместе с данными о потреблении энергии от схемы генератора высокого напряжения. Этот вариант осуществления, в частности, пригоден для низкозатратных применений. Выходное напряжение косвенно отслеживается, используя информацию обратной связи тока распыления вместе с информацией о потреблении энергии в схеме генератора высокого напряжения. Однако косвенное отслеживание выходного напряжения может вводить существенную неточность, и, следовательно, является пригодной, если точное значение выхода высокого напряжения не критично.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, в котором источник питания дополнительно содержит схему управления, схема управления включает в себя микропроцессор для предоставления по меньшей мере одного сигнала управления напряжением, сигнал управления напряжением определяет характеристику напряжения, которое должно прикладываться источником питания между распылительным электродом и контрольным электродом, и микропроцессор предоставляет сигнал управления напряжением посредством обработки значения тока или напряжения, отслеженного источником питания. В варианте осуществления, схема управления приспособлена, чтобы корректировать по меньшей мере один сигнал управления напряжением на окружающие условия, включающие в себя температуру, влажность, и/или атмосферное давление, и/или содержимое распыления. В варианте осуществления, источник питания дополнительно содержит датчик температуры для отслеживания внешней температуры, и информация о внешней температуре предоставляется схеме управления и используется, чтобы корректировать по меньшей мере один сигнал управления напряжением. В другом варианте осуществления, источник питания дополнительно содержит датчик влажности для отслеживания внешней влажности, и информация о внешней влажности предоставляется схеме управления и используется, чтобы корректировать по меньшей мере один сигнал управления напряжением. В дополнительном варианте осуществления, источник питания дополнительно содержит датчик давления для отслеживания внешнего давления, и информация о внешнем давлении предоставляется схеме управления и используется, чтобы корректировать по меньшей мере один сигнал управления напряжением.
Обычно, проверочная схема состоит из электрического идентификатора, такого как радиочастотный (RF) идентификатор, энергонезависимая память (NVM) или микропроцессор, который детектирует идентификатор посредством использования, например, (i) схемы радиочастотной идентификации (RFID) для RF идентификатора или (ii) схемы, такой как протокол передачи, которая считывает энергонезависимую память (NVM). Предпочтительно, электрический идентификатор соединен с полостью, или резервуаром, хранящим жидкость, и обеспечен в существенной близости от подходящей схемы, и может быть детектирован и идентифицирован подходящей схемой. В этом случае, подходящая схема может передавать идентичность электрического идентификатора, и, следовательно, может передавать на схему управления источника питания информацию о веществе, которое должно распыляться.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, в котором источник питания дополнительно содержит проверочную схему для детектирования свойства вещества, которое должно распыляться, и определения информации, относящейся к свойству вещества, которое должно распыляться, и информация относящаяся к свойству вещества, которое должно распыляться, которая была определена, предоставляется схеме управления и используется, чтобы корректировать по меньшей мере один сигнал управления напряжением.
Предпочтительно, схема управления работоспособна для обеспечения коррекции посредством изменения любого одного из, или комбинации из периода, рабочего цикла, амплитуды, времени включения-выключения напряжения, которое должно прикладываться источником питания.
Схема управления, следовательно, является полезной, так как она способна обрабатывать сигналы обратной связи об окружающей среде и производить коррекцию на основании предопределенной характеристики, чтобы предоставлять стабилизированную скорость потока заряженных частиц. Предпочтительно, микропроцессор будет обрабатывать входную информацию и обеспечивать корректировку на основании предопределенной характеристики, чтобы предоставлять стабильное количество заряженных частиц. Корректировка, таким образом, может выполняться посредством регулировки выходного напряжения, регулировки периода распыления и рабочего цикла, или их комбинации. В предпочтительном варианте осуществления, предопределенная характеристика является частью микропрограммного обеспечения микропроцессора, и регулировка выполняется через выходной порт вышеупомянутого микропроцессора. Регулировка периода и сигнала широтно-импульсной модуляции будет изменять выходное напряжение. С другой стороны, регулировка времени включения-выключения сигнала широтно-импульсной модуляции будет изменять период распыления и рабочий цикл.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, в котором источник питания дополнительно содержит отслеживающую схему, способную отслеживать пороговое значение остаточного количества вещества, которое должно распыляться, посредством измерения тока на контрольном электроде. Ток электростатического распыления отслеживается, например, посредством отслеживания уменьшения тока, когда остаточно вещество, которое должно электростатически распыляться, становится ниже порогового значения. Согласно настоящему изобретению, микропроцессор может отвечать посредством использования схемы обратной связи тока.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, который дополнительно содержит второе место распыления для распыления вещества, имеющего электрический заряд с полярностью, противоположной полярности вещества, которое должно распыляться из первого места распыления, контрольный электрод, электрически соединенный со вторым местом распыления, первое место распыления, заряжаемое распылительным электродом с первой полярностью, и второе место распыления, заряжаемое контрольным электродом с полярностью, противоположной первой полярности, и распылительный электрод и контрольный электрод, электрически смещенные одним источником электроэнергии.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают электростатический распылитель, который дополнительно содержит второе место распыления для электростатического распыления вещества, которое должно электростатически распыляться посредством электрического воздействия на второе вещество, при этом контрольный электрод расположен, чтобы быть электрически соединяемым со вторым местом распыления, так, что во время распыления, когда напряжение прикладывается между контрольным электродом и распылительным электродом, вещество распыляется из первого места распыления, а второе вещество распыляется из второго места распыления.
Электростатический распылитель дополнительно содержит: первый резервуар для хранения вещества, которое должно распыляться; и второй резервуар для хранения второго вещества, которое должно распыляться, при этом распылительный электрод и место распыления электрически воздействуют, через жидкость, на вещество, которое должно распыляться, хранимое в первом резервуаре, а контрольный электрод и второе место распыления электрически воздействуют, через жидкость, на второе вещество, которое должно распыляться, хранимое во втором резервуаре.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения, предоставляется способ выполнения электростатического распыления посредством использования электростатического распылителя, содержащий отслеживание электрического свойства места распыления; и регулировку напряжения, которое должно прикладываться между распылительным электродом, или первым электродом, и контрольным электродом, или вторым электродом.
С изобретением, описываемым таким образом, будет очевидно, что один и тот же образ действия может быть изменен многими способами. Такие изменения не должны рассматриваться в качестве отступления от сущности и объема изобретения, и все такие модификации, которые могли бы быть очевидны специалисту в данной области техники, подразумеваются включенными в пределы объема последующей формулы изобретения.