DE69633122T2

DE69633122T2 - Methode und vorrichtung zur abgabe von flüssigkeiten als atomisiertes spray

Info

Publication number: DE69633122T2
Application number: DE69633122T
Authority: DE
Inventors: Yehuda Ivri
Original assignee: Aerogen Inc
Current assignee: Aerogen Inc
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1996-04-03
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2016-04-04
Also published as: DE69633122D1; US20040000598A1; US20050279851A1; AU5442196A; EP0822865B1; EP0822865A1; US7083112B2; EP0822865A4; US6921020B2; US5938117A; WO1996031289A1; US6540153B1

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine Teilfortführungsanmeldung der US-Patentanmeldung lfd. Nr. 08/163.850, eingereicht am 7. Dezember 1993, die eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung lfd. Nr. 07/726.777, eingereicht am 8. Juli 1991 (jetzt zurückgezogen), ist, die eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung lfd. Nr. 07/691.584, eingereicht am 24. April 1991, jetzt US-Patent Nr. 5.164.740, ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Gebiete des Flüssigkeitssprühens und des Zerstäubens von Flüssigkeiten aller Art und findet insbesondere Anwendung bei der Befeuchtung und Nebelerzeugung, Industriereinigung, Oberflächenbeschichtung und -behandlung, Partikelbeschichtung und -kapselung, Kraftstoffzerstäubung, Deodorierung, Ausgabe von Insektiziden und Aerosolen und bei medizinischen Sprühanwendungen.
2. Beschreibung des verwandten Gebiets
Zur Zerstäubung von Wasser oder flüssigem Kraftstoff sind viele Arten von Ultraschall-Fluidausstoßvorrichtungen entwickelt worden. Diese Zerstäuber können in zwei Gruppen klassifiziert werden. Der erste Typ zerstäubt Flüssigkeit, die auf einer mittels Ultraschall erregten Platte eine dünne Schicht bildet. Der erste Typ kann keine zerstäubten Fluidtröpfchen ausstoßen. Das US-Patent Nr. 3.738.574 beschreibt einen Zerstäuber dieses Typs.
Der zweite Typ nutzt ein Gehäuse, das eine geschlossene Kammer definiert. Das Gehäuse enthält eine durchlochte Membran oder Nadellochmembran als vordere Wand der Kammer. Ferner enthält die Vorrichtung Mittel, um die Membran oder eine Seitenwand der Kammer, typisch durch ein an der Vorderwand der Kammer befestigtes piezoelektrisches Element, in Schwingungen zu versetzen. Das piezoelektrische Element versetzt das Fluid in der Kammer in Oszillationen. Im Ergebnis werden in der Kammer Druckwellen erzeugt, die das Fluid durch die offenen Nadellöcher drängen. Alle Vorrichtungen des zweiten Typs erfordern, dass das Fluid in der Nähe der Entladeöffnung innerhalb der Kammer aufbewahrt wird. Wenn flüchtige Fluide verwendet werden, entstehen Probleme. Die flüchtigen Fluide entweichen durch die Entladeöffnung. Somit kann aus der Öffnung unerwünscht Flüssigkeit herausfließen. Die Entladeöffnung verstopft, was die weitere Entladung beschränkt oder anhält. Diese Probleme sind bei flüchtigen Fluiden wie etwa Kraftstoff, Farbe oder anderen Beschichtungswerkstoffen weit verbreitet. Um wenigstens einige dieser Probleme zu überwinden, verwendet das US-Patent Nr. 4.533.082 eine Vakuumpumpe, die sicherstellt, dass die Flüssigkeit in der Kammer unter Unterdruck aufbewahrt wird, um ein Ausfließen zu vermeiden.
Weitere Abwandlungen der Vorrichtung zum Ausstoßen zerstäubter Flüssigkeit, die einen der obigen zwei Typen nutzen, sind in den US-Patenten Nr. 3.812.854, 4.159.803, 4.300.546, 4.334.531, 4.465.234, 4.632.311, 4.338.576 und 4.850.534 offenbart.
Bestimmte Schreibgeräte wie etwa Füllfederhalter verwenden Mechanismen zum Steuern der Tintenströmung aus einem Versorgungsbehälter zu der Schreibspitze des Stifts.
US-A-5164740 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit, die in Oberflächenspannungskontakt mit der Rückwand eines schwingfähigen Elements aufbewahrt wird, das ein konisch zulaufendes Loch umfasst, dessen größere Querschnittsfläche in der Rückwand ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Abgeben von Flüssigkeit als zerstäubten Sprühnebel geschaffen, wie es in Anspruch 1 definiert ist. Bevorzugte Merkmale des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 9 definiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Abgeben von Flüssigkeit als zerstäubten Sprühnebel geschaffen, wie sie in Anspruch 10 definiert ist. Bevorzugte Merkmale der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 11 bis 18 definiert.
Vorzugsweise schafft die vorliegende Erfindung eine Ausstoßvorrichtung, die eine frei oszillierende Oberfläche mit mikroskopischen konisch zulaufenden Durchlässen mit einer gewählten konisch verlaufenden Querschnittsform besitzt. Eine Schicht aus Fluid haftet in Oberflächenspannungskontakt mit der oszillierenden Oberfläche. Die Durchlässe saugen Fluid in ihre großen Öffnungen an und stoßen das Fluid, vorzugsweise auf eine große Strecke, aus ihren kleinen Öffnungen aus. Vorzugsweise wird die Ausstoßwirkung durch den Durchlass unabhängig von der Fluidmenge, die mit der oszillierenden Oberfläche in Kontakt ist, und ohne irgendwelchen Fluiddruck entwickelt. Vorzugsweise arbeiten beide Seiten der oszillierenden Oberfläche unter demselben Umgebungsdruck. Vorzugsweise kann die Ausstoßvorrichtung in Unterdruck- oder Hochdruckumgebungen gleich gut arbeiten. Vorzugsweise haftet das zugeführte Fluid durch die Oberflächenspannung ununterbrochen an der großen Öffnung. Die Fluiddünnschicht oszilliert mit der Oberfläche, während sie in die große Öffnung des Durchlasses angesaugt und nach vorn ausgestoßen wird. Vorzugsweise wird dies fortgesetzt, bis das gesamte Fluid von der Oberfläche angesaugt worden ist, was die Oberfläche während der Zeit, zu der die Vorrichtung nicht in Gebrauch ist, trocken und flüssigkeitsfrei lässt.
Falls der Querschnitt des Durchlasses in Bezug auf das auszustoßende Fluid gewählt wird, wird die zum Erzeugen des Ausstoßes erforderliche Oszillation vorzugsweise klein gehalten, wobei die Fluiddünnschicht auf der oszillierenden Oberfläche während des Ausstoßes dynamisch in Ruhe zu sein scheint. Dadurch, dass der Seite, die die großen Öffnungen der konisch zulaufenden Durchlässe enthält, vorzugsweise lediglich genug Fluid zugeführt wird, um ununterbrochen eine Dünnschicht in Oberflächenspannungskontakt mit der oszillierenden Oberfläche zu bilden, tritt weder eine Verstopfung noch ein ungesteuertes Ausströmen oder ein ungesteuerter Leckverlust durch die Durchlässe auf. Die Vorrichtung kann unter beliebigen Druckbedingungen arbeiten.
In einer Ausführungsform schafft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zum Abgeben von Flüssigkeit als zerstäubten Sprühnebel. Vorzugsweise enthält die Vorrichtung ein schwingfähiges Element, das eine vordere Oberfläche, eine hintere Oberfläche und wenigstens ein konisch zulaufendes Loch, das sich dazwischen erstreckt, besitzt. Das konisch zulaufende Loch besitzt an der hinteren Oberfläche eine größere Querschnittsfläche als an der vorderen Oberfläche. Es sind Mittel vorgesehen, um das schwingfähige Element in Schwingungen zu versetzen, und es ist ein Versorgungsbehälter vorgesehen, der die abzugebende Flüssigkeit aufbewahrt. Es sind Mittel zum Liefern der Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter und zu der hinteren Oberfläche des schwingfähigen Elements vorgesehen. Ferner ist ein Strömungsregulierer enthalten, der die Strömung der Flüssigkeit von dem Behälter und zu dem schwingfähigen Element reguliert. Der Strömungsregulierer ist so konfiguriert, dass er die Lieferung der Flüssigkeit zu der hinteren Oberfläche in Volumina ermöglicht, die im Wesentlichen gleich den Volumina sind, die von dem schwingfähigen Element abgegeben werden. Vorzugsweise wird die Flüssigkeit zu der hinteren Oberfläche des schwingfähigen Elements mit einer Rate geliefert, die im Wesentlichen gleich der Rate der Flüssigkeit ist, die von der vorderen Oberfläche abgegeben wird. Auf diese Weise wird die Flüssigkeitsströmung von dem Versorgungsbehälter und zu der hinteren Oberfläche so reguliert, dass zu der hinteren Oberfläche weder unzureichende noch überschüssige Flüssigkeitsmengen geliefert werden. Auf diese Weise wird der hinteren Oberfläche während des Betriebs der Vorrichtung eine optimale Flüssigkeitsmenge zugeführt.
In einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Strömungsregulierer ein Entlüftungsloch, das mit dem Versorgungsbehälter in Verbindung steht. Wenn das Entlüftungsloch geöffnet ist, ermöglicht es, dass Luft in Volumina in den Versorgungsbehälter strömt, die ausreichend groß sind, um die zu der hinteren Oberfläche gelieferten Volumina zu ersetzen. Auf diese Weise kann die Flüssigkeitslieferung zu der hinteren Oberfläche dadurch gesteuert werden, dass die Menge der zu dem Versorgungsbehälter fließenden Luft reguliert wird. Vorzugsweise wird das Öffnen und Schließen des Entlüftungslochs durch die Flüssigkeit selbst gesteuert, während sie sich von dem Versorgungsbehälter und zu der hinteren Oberfläche bewegt. Während die Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter fließt, fließt ein Teil der Flüssigkeit in das Entlüftungsloch und schließt es und verhindert dadurch, dass Luft in den Versorgungsbehälter eintritt. Während weiter Flüssigkeit aus dem Behälter fließt, wird in dem Behälter ein Unterdruck erzeugt, der eine zusätzliche Flüssigkeitsströmung aus dem Behälter verhindert. Beim Flüssigkeitsausstoß von dem schwingfähigen Element fließt die Flüssigkeit in dem Entlüftungsloch zu der hinteren Oberfläche, um die ausgestoßene Flüssigkeit zu ersetzen. Auf diese Weise wird das Entlüftungsloch wieder geöffnet, um zu ermöglichen, dass Luft in den Behälter eintritt, und um zu ermöglichen, dass zusätzliche Flüssigkeit aus dem Versorgungsbehälter fließt.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Versorgungsbehälter vorzugsweise in einer Stellung ausgerichtet, die die Strömung der Flüssigkeit von dem Behälter und zu der hinteren Oberfläche erleichtert. In einer weiteren Ausführungsform ist das Entlüftungsloch von dem Versorgungsbehälter um einer Strecke beabstandet, die ausreicht, um zu ermöglichen, dass die Flüssigkeit zu der hinteren Oberfläche mit einer Rate geliefert wird, die im Wesentlichen gleich der Rate der aus dem Loch abgegebenen Flüssigkeit ist.
In einer alternativen Ausführungsform werden im Voraus gewählte Luftvolumina mit Flüssigkeit aus dem Versorgungsbehälter ausgetauscht, um die zusätzlichen Flüssigkeitsvolumina zu der hinteren Oberfläche zu liefern. Vorzugsweise sind die im Voraus gewählten Luftvolumina ausreichend, um die Flüssigkeitsvolumina zu ersetzen, die von dem Versorgungsbehälter zu der hinteren Oberfläche geliefert werden. Auf diese Weise kann durch Steuern der Zufuhr der Luftvolumina zu dem Versorgungsbehälter die Flüssigkeitsmenge reguliert werden, die zu der hinteren Oberfläche geliefert wird. Vorzugsweise wird die Zufuhr der Luft zu dem Versorgungsbehälter durch Öffnen und Schließen eines Entlüftungslochs gesteuert, das mit dem Versorgungsbehälter in Verbindung steht. In einer Ausführungsform ist das Entlüftungsloch geschlossen, wenn es mit von dem Versorgungsbehälter gelieferter Flüssigkeit gefüllt ist, wenn die Flüssigkeit zu der hinteren Oberfläche des schwingfähigen Elements fließt. Während die Flüssigkeit von dem schwingfähigen Element ausgestoßen wird, strömt Flüssigkeit von dem Entlüftungsloch und zu der hinteren Oberfläche, um die ausgestoßene Flüssigkeit zu ersetzen und dadurch das Entlüftungsloch zu öffnen und zu ermöglichen, dass Luft in den Versorgungsbehälter strömt. Die dem Behälter zugeführte Luft ermöglicht wiederum, dass zusätzliche Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter fließt, wobei der Prozess wiederholt wird, bis die Schwingung des Elements abgeschlossen ist.
Die Rate der von dem schwingfähigen Element abgegebenen Flüssigkeit kann je nach Anzahl der Durchlässe und der Größe jedes Durchlasses stark schwanken. In einem besonderen Aspekt, der nicht einschränkend sein soll, ist die Flüssigkeit ein Insektizid, das mit einer Rate im Bereich von etwa 0,1 cm³ bis 10 cm³ pro Stunde und bevorzugter von etwa 0,5 cm³ bis 2 cm³ pro Stunde abgegeben wird. Vorzugsweise wird das Insektizid von der vorderen Oberfläche in Tröpfchen ausgestoßen, die eine mittlere Größe im Bereich von 1 μm bis 15 μm und bevorzugter von etwa 3 μm bis 10 μm haben. In einem weiteren Aspekt, der nicht einschränkend sein soll, ist die Flüssigkeit ein Deodorant, üblicherweise ein Lufterfrischer, das bzw. der mit einer Rate von etwa 0,1 cm³ bis 10 cm³ pro Stunde und bevorzugter von etwa 1 cm³ bis 2 cm³ abgegeben wird. Vorzugsweise wird das Deodorant von der vorderen Oberfläche in Tröpfchen mit einer Größe im Bereich von 1 μm bis 15 μm und bevorzugter von etwa 3 μm bis 10 μm ausgestoßen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, die als ein Insektizidsprühgerät oder als ein Luftreiniger besonders nützlich ist. Die Vorrichtung enthält ein Gehäuse mit wenigstens einer Ausstoßmündung und ein schwingfähiges Element in dem Gehäuse. Das schwingfähige Element enthält ein konisch verlaufendes Loch, das auf die Ausstoßmündung ausgerichtet ist. Es sind Mittel zur Zufuhr von Flüssigkeit zu der hinteren Oberfläche des schwingfähigen Elements vorgesehen, und in dem Gehäuse sind Mittel, um das schwingfähige Element in Schwingungen zu versetzen, vorgesehen. Zweckmäßig ist das Gehäuse so konfiguriert, dass es einen Flüssigkeitsversorgungsbehälter aufnimmt, der ein Deodorant oder ein Insektizid aufbewahrt. Wenn die Vorrichtung mit dem Versorgungsbehälter verbunden ist, kann sie an einem strategischen Ort angeordnet und betätigt werden, um die Flüssigkeit abzugeben. In einem bevorzugten Aspekt wird eine Batterie als eine Leistungsquelle verwendet, die das Element in Schwingungen versetzt, wodurch die Vorrichtung an einer Vielzahl von Orten angeordnet und während der Abgabe der Flüssigkeit unbeaufsichtigt gelassen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung mit einer Steuereinheit zum Steuern der Betätigung des schwingfähigen Elements versehen. Vorzugsweise ist die Steuereinheit im Voraus so programmiert, dass sie das schwingfähige Element gemäß einem im Voraus gewählten Ausstoßplan zyklisch betätigt. Eine solche Konfiguration ist besonders nützlich bei der Abgabe eines Insektizids, die eine sorgfältige Steuerung der Menge des in die Atmosphäre abgegebenen Insektizids erfordert. In einem weiteren bevorzugten Aspekt kann bei Erschöpfung der Flüssigkeit aus dem Versorgungsbehälter ein Nachfüllversorgungsbehälter an dem Gehäuse angebracht und die Vorrichtung wiederverwendet werden. In einem nochmals weiteren Aspekt ist der Nachfüllbehälter mit einem Paar Zellenbatterien der Größe N versehen, die als Leistungsquelle dienen, um das Element in Schwingungen zu versetzen. Die Batterien sind mit ausreichend Energie versehen, um den vollständigen Inhalt der Nachfüllung auszustoßen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Der allgemeine Zweck und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden umfassender verständlich im Ergebnis der ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, wenn diese in Verbindung mit der folgenden Zeichnung genommen wird, in der:
1 eine schematische Veranschaulichung einer Flüssigkeitssprühnebel-Zerstäubungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
2 die schematische Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung aus 1 ist, die in ihrer Oszillationskonfiguration gezeigt ist.
3 eine Draufsicht einer schwingenden Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
4 eine Unteransicht der schwingenden Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
5 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Mittelbereichs der in 2 gezeigten und mit "5" bezeichneten Membran ist.
6 eine vergrößerte Aufrissansicht des Mittelbereichs der schwingenden Oberfläche der vorliegenden Erfindung ist, die eine bevorzugte Durchlassform zeigt.
7 eine schematische Veranschaulichung der Fluidcharakteristik in einem konisch verlaufenden Durchlass während der Hälfte eines Oszillationszyklus ist.
8 eine schematische Veranschaulichung der Fluidcharakteristik in dem konisch verlaufenden Durchlass während der Hälfte eines Oszillationszyklus ist.
9 eine Seitenansicht einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Fluidausstoßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
10 eine Vorderansicht der Fluidausstoßvorrichtung aus 9 ist.
11 eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht des freien Endes der Fluidausstoßvorrichtung aus 9 ist.
12 die Ausstoßeinrichtung aus 9 veranschaulicht, die mit einem Fluidversorgungssystem versehen ist.
13 eine alternative Vorrichtung veranschaulicht, die ein versehentliches Überlaufen in dem Fluidversorgungssystem aus 12 verhindert.
13A eine Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum Verhindern eines versehentlichen Überlaufens in einem Fluidversorgungssystem veranschaulicht.
14 die Ausstoßeinrichtung aus 9 veranschaulicht, die mit einem alternativen Fluidversorgungssystem versehen ist.
15 eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht des Fluidversorgungsrohrs aus 14 ist, das eine Entladedüse enthält, die an einer Seitenwand des Versorgungsrohrs angebracht ist.
16 eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht der Entladedüse aus 14 ist.
17 eine Seitenansicht einer weiteren alternativen bevorzugten Ausführungsform der Fluidausstoßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
18 eine Vorderansicht der Fluidausstoßvorrichtung aus 17 ist.
19 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Steuern der Lieferung einer Flüssigkeit von einem Versorgungsbehälter ist.
20 eine schematische Ansicht einer alternativen Vorrichtung zum Steuern der Lieferung einer Flüssigkeit von einem Versorgungsbehälter ist.
21 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Abgabevorrichtung mit einem Strömungsregulierer zum Regulieren der Strömung der Flüssigkeit zu einem schwingfähigen Element ist, die zur Abgabe der Flüssigkeit verwendet wird.
22 eine Draufsicht der Abgabevorrichtung aus 21 ist.
22A eine Teilschnittansicht von 22 längs der Linie A-A ist.
22B eine Querschnittsansicht von 22 längs der Linie B-B ist.
23 eine Explosionsdarstellung eines distalen Abschnitts der Vorrichtung aus 21 ist.
24 eine Seitenansicht der Abgabevorrichtung aus 21 ist.
24A eine Teilschnittansicht der Abgabevorrichtung aus 24 längs der Linie A-A ist.
24B eine vergrößerte Ansicht des Gebiets B-B der Abgabeeinheit aus 24A ist.
25 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Abgabevorrichtung mit einem Gehäuse ist, das ein schwingfähiges Element einschließt.
26 die Abgabevorrichtung aus 25 mit einem entfernten oberen Abschnitt des Gehäuses veranschaulicht.
EINLEITUNG
Die vorliegende Erfindung schafft eine neue Fluidausstoßvorrichtung, die besonders vorteilhaft in Anwendungen ist, die den Ausstoß von Fluidtröpfchen ohne Fluiddruck und ohne Treibmittel und in Umgebungsdruckumgebungen erfordern.
Eine besonders wichtige Anwendung für die vorliegende Erfindung sind Industriesprühsysteme. Die Ausstoßeinrichtung kann eine viskose Flüssigkeit wie etwa Farbe und Beschichtungswerkstoffe ohne die Verwendung von Druckluft ausstoßen.
Die Verwendung von Luft als Treibmittel in einer Farbsprühanwendung veranlasst ein Overspray, in dem ein Teil der Farbtröpfchen in die Atmosphäre entweichen und eine Luftverschmutzung verursachen. Die Übertragungseffizienz, d. h. der Prozentsatz des Beschichtungswerkstoffs wie etwa Farbe, der das Ziel erreicht, wird erheblich erhöht, wenn der Ausstoß ohne Luft erfolgt.
Eine weitere wichtige Anwendung der vorliegenden Erfindung ist für Handelsprodukte wie etwa Deodorant und Haarspray. Die Verwendung von Treibmitteln in herkömmlichen Aerosolen, die üblicherweise als flüchtige organische Chemikalien (VOCs) bekannt sind, besitzt eine negative Auswirkung auf die Umwelt und auf die menschliche Gesundheit. Es besteht ein andauernder Trend, Wege zu finden, Fluid ohne Verwendung solcher Treibmittelgase zu zerstäuben.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung, die Fluid aus mikroskopischen konisch verlaufenden Durchlässen ausstößt. Das Fluid wird zu der Ausstoßoberfläche in der großen Öffnung des konisch verlaufenden Durchlasses befördert. Ausschließlich eine Kohäsionsanziehungskraft (Oberflächenspannung) veranlasst, dass die Flüssigkeit an dem konisch verlaufenden Durchlass haftet. Die Festkörper/Fluid-Wechselwirkung des Fluids mit dem konisch verlaufenden Durchlass veranlasst, dass das Fluid in die große Öffnung des Durchlasses angesaugt und aus seiner kleinen Öffnung ausgestoßen wird. Diese Ausstoßaktion wird der Geometrie des Durchlasses sowie den Fluidcharakteristiken wie etwa Viskosität, Dichte und Elastizität zugeschrieben. Um ein Überlaufen der Flüssigkeit von der Versorgungsseite der oszillierenden Oberfläche zu verhindern, wird die Fluidversorgung zu der Oberfläche eng gesteuert. Zur Steuerung der Menge des Fluids, das zu der Oberfläche transportiert wird, ist ein Drosselventil oder ein Durchgangsventil vorgesehen. Das Ventil kann einen eingebauten elektrischen Kontakt besitzen, der die Oszillation gleichzeitig mit der Strömung des Fluids aktiviert.
Während des Ausstoßes wird das Fluid der oszillierenden Oberfläche von einer Entladedüse zugeführt, die in enger Nachbarschaft zu der oszillierenden Oberfläche ist. Das Fluid wird durch Oberflächenspannungskräfte in dem schmalen Spalt zwischen der Vorderseite der Fluidversorgungsdüse und der oszillierenden Oberfläche gehalten. Wenn die Fluidversorgung angehalten wird, wird ermöglicht, dass die Oberfläche mit den konisch verlaufenden Durchlässen während einer Zeitdauer oszilliert, die ausreicht, damit die Durchlässe das gesamte Fluid von der oszillierenden Oberfläche und von dem Spalt ansaugen. Wenn der Spalt sowie die oszillierende Oberfläche und der Durchlass nicht in Gebrauch sind, bleiben Sie fluidfrei.
Die Entladedüse ist vorzugsweise aus einem Elastomerwerkstoff mit einem Schnitt durch ihre Dicke hergestellt. Normalerweise ist der Schnitt wegen der Elastizität des Elastomers geschlossen. Wenn Fluid von dem Versorgungsbehälter befördert wird, öffnet sich der Schnitt unter dem leichten Druck. Diese Anordnung bewahrt das Fluid in dem Behälter während Nichtgebrauchsperioden hermetisch abgedichtet auf.
Ein elektronischer Schwingungsgenerator mit einer Schaltung, die die Oszillationsaktion aufeinander folgend mit sehr hoher Geschwindigkeit ein- und ausschalten kann, ist bevorzugt. Das Verhältnis der "Ein"-Periode gegenüber der "Aus"-Periode steuert den Tastgrad des Ausstoßes und somit die mittlere Ausstoßdurchflussmenge. Die maximale Strömung wird erreicht, wenn der Oszillator ununterbrochen "ein" ist.
Vorzugsweise wird das Fluid der oszillierenden Oberfläche mit einer Rate zugeführt, die niedriger als die maximale Ausstoßrate des Durchlasses ist. Falls die Fluidversorgung die maximale Ausstoßrate der Durchlässe überschreitet, kann von der Versorgungsseite der oszillierenden Oberfläche überschüssiges Fluid überlaufen. Wenn das verwendete Fluid Farbe oder Tinte ist, ist das Überlaufen unerwünscht. Um das Überlaufen zu verhindern, kann ein System zum Sammeln der übergelaufenen Flüssigkeit verwendet werden. Dieses System enthält einen Ring, der an seinem Umfang einen mit einer Pumpe verbundenen Schlitz aufweist. Falls versehentlich Fluid von der oszillierenden Oberfläche entweicht und den Schlitz erreicht, wird es abgesaugt und zu dem Versorgungsbehälter zurückgeführt.
Ein weiteres Verfahren zum Verhindern des versehentlichen Überlaufens wird durch ein elektronisches Drosselventil geschaffen. Es ist festgestellt worden, dass der Stromzug durch das piezoelektrische Element abnimmt, während die Menge der Flüssigkeit über der Oberfläche zunimmt. Falls der Stromzug eine im Voraus bestimmte Stärke erreicht, die angibt, dass ein Überlaufen kurz bevorsteht, sendet die elektronische Schaltung ein Signal an das Drosselventil, um die Strömung der Flüssigkeit zu der Oberfläche zu verringern. Dadurch wird ein Überlaufen vermieden.
Ein weiteres Verfahren zum Verhindern des versehentlichen Überlaufens wird durch einen Strömungsregulierer geschaffen, der die Strömung der Flüssigkeit von einem Versorgungsbehälter zu der oszillierenden Oberfläche reguliert. Der Strömungsregulierer enthält ein Entlüftungsloch, das mit dem Versorgungsbehälter in Verbindung steht. Durch Schließen des Entlüftungslochs wird verhindert, dass Luft in den Versorgungsbehälter eintritt, was wiederum in dem Behälter einen Unterdruck erzeugt, der verhindert, dass Flüssigkeit von dem Behälter strömt. Dadurch, dass wenigstens ein Teil der Flüssigkeit in dem Behälter so konfiguriert ist, dass sie in das Entlüftungsloch strömt, kann der Betrieb des Entlüftungslochs durch die Flüssigkeit selbst gesteuert werden, während sie sich zu der oszillierenden Oberfläche bewegt. Während Flüssigkeit von der oszillierenden Oberfläche abgegeben wird, wird Flüssigkeit von dem Entlüftungsloch abgelassen und strömt zu der oszillierenden Oberfläche, um das Entlüftungsloch zu öffnen und Luft in den Behälter zu lassen. Auf diese Weise tritt Luft in Volumina, die im Wesentlichen gleich den Flüssigkeitsvolumina sind, die von der oszillierenden Oberfläche abgegeben werden, und mit einer Rate, die im Wesentlichen gleich der Ausstoßrate ist, in den Versorgungsbehälter ein. Eine solche Konfiguration ermöglicht, dass beim Betrieb der Vorrichtung automatisch eine optimale Flüssigkeitsmenge zu der oszillierenden Oberfläche geliefert wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nunmehr anhand von 1 ist zu sehen, dass die Fluidausstoßvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung eine schwingende Oberfläche 12 mit einem Umfangsbereich 14 und einem Mittelbereich 16 umfasst. Der Umfang 14 der schwingenden Oberfläche 12 ist an einem Oszillator 18 befestigt, der z. B. eine Piezokeramik sein kann. Der Mittelbereich 16 der schwingenden Oberfläche 12 ist mit einer ebenen Oberfläche 15 versehen, durch die Durchlässe 22 verlaufen. Der Abschnitt der Mitte 15 mit den Durchlässen steht in Oberflächenspannungskontakt mit einer Fluiddünnschicht 19 an der Rückseite der ebenen Oberfläche 15, um einen Ausstoß der Fluidtröpfchen 20 zu erzeugen.
In 2 ist die Oszillationsbewegung der schwingenden Oberfläche 12 gezeigt. Wie in 2 gezeigt ist, ist zu sehen, dass der Umfang 14 der schwingenden Oberfläche 12 wegen seines Kontakts mit dem Oszillator 18 in vertikaler Richtung oszilliert, wobei eine Oszillationscharakteristik in der graphischen Darstellung im rechten äußeren Teil von 2 gezeigt ist. Wie ebenfalls in 2 zu sehen ist, oszilliert die Mitte 16 der schwingenden Oberfläche 12, wie in der graphischen Darstellung im linken äußeren Teil aus 2 zu sehen ist, mit derselben Frequenz wie der Umfang 14, aber mit einer viel größeren Amplitude. Die Graphen aus 2 dienen zu Erläuterungszwecken und sind nicht notwendig maßstäblich gezeichnet.
Die erheblich größere Oszillationsamplitude der Mitte der schwingenden Oberfläche in 2 im Vergleich zu dem Umfang ist hauptsächlich durch zwei Faktoren bedingt. Einer ist die Form der schwingenden Oberfläche 12 und der andere die Frequenz der Oszillation, die zur Aktivierung des Oszillators 18 gewählt ist. Genauer ist die schwingende Oberfläche 12 so konfiguriert, dass ihr Querschnitt zur Mitte verringert ist. Die Konfiguration der schwingenden Oberfläche kann am besten anhand der 2, 3 und 4 verstanden werden, die eine bevorzugte Ausführungsform davon veranschaulichen. Die Durchlässe 22 in der schwingenden Oberfläche 12 können am besten anhand der 5 und 6 verstanden werden. Wie darin zu sehen ist, ist der Mittelabschnitt 15 (5) der schwingenden Oberfläche 12 mit Durchlässen 22 versehen, die jeweils durch eine konisch verlaufende Wand 24 gekennzeichnet sind, die auf einer Seite des Mittelabschnitts 15 eine große Öffnung 26 und auf der ihr gegenüberliegenden Seite eine kleine Öffnung 28 bildet. Die Dicke des Mittelabschnitts 15 der schwingenden Oberfläche 12 ist vorzugsweise 0,003 Zoll. Jeder Durchlass 22 ist in der Mitte oder in der Nähe der Mitte der schwingenden Oberfläche positioniert und besitzt eine kreisförmige Form, wobei die große Öffnung 26 einen Radius von 0,006 Zoll und die kleine Öffnung 28 hiervon einen Radius von 0,0025 Zoll besitzt.
Die Form der schwingenden Oberfläche 12 und insbesondere die Verringerung des Querschnitts der schwingenden Oberfläche zwischen ihrem Umfang 14 (3) und ihrer Mitte 16 sind so gewählt, dass zwischen dem Umfang und der Mitte der schwingenden Oberfläche 12 eine wesentliche Zunahme der Oszillationsamplitude erzeugt wird. Es ist festgestellt worden, dass diese Zunahme der Oszillationsamplitude bei besonderen Oszillationsfrequenzen der schwingenden Oberfläche 12 wie etwa bei der zweiten Harmonischen der Grundschwingungsfrequenz der schwingenden Oberfläche auftritt. Je nach der an den Oszillator 18 angelegten Spannung und seiner mechanischen Ansprechempfindlichkeit darauf ist es in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wünschenswert, einen Dämpfungsfaktor von wenigstens 10 Prozent und ein Amplitudenverhältnis zwischen dem Mittelbereich und dem Umfang der schwingenden Oberfläche von wenigstens 10 zu erzeugen.
Wenn die Mitte der schwingenden Oberfläche mit einer Amplitude oszilliert, die einen im Voraus gewählten Schwellenwert überschreitet, werden von dem Durchlass 22 (1) mit der Oszillationsfrequenz des Oszillators 18 Fluidtröpfchen ausgestoßen. Dadurch, dass die Amplitude der Umfangsoszillation und somit die Amplitude der Mittenoszillation in der Weise gesteuert wird, dass sie entweder über oder unter diesem Schwellenwertausstoßpegel liegt, kann somit der Ausstoß der Fluidtröpfchen leicht gesteuert werden.
In einer Ausführungsform, die in die Praxis überführt worden ist, ist die Oszillationsamplitude am Umfang 0,001 Zoll (0,025 mm). Die Oszillationsfrequenz ist etwa 60000 Hz, was der zweiten Modenfrequenz der schwingenden Oberfläche 12 entspricht. Der Fluidtröpfchen-Ausstoßpegel, d. h. derjenige Pegel, über dem die Oszillationsamplitude der Mitte 15 der schwingenden Oberfläche 12 veranlasst, dass Fluidtröpfchen davon ausgestoßen werden, ist in etwa 0,0016 Zoll. Die Umfangsoszillation wird in der Weise eingestellt, dass sich die Amplitude der Mittenoszillation von Zyklus zu Zyklus ändert, so dass sie in abwechselnden Zyklen gerade über dem Ausstoßpegel und unter dem Ausstoßpegel liegt. Der tatsächliche Ausstoßpegel-Schwellenwert, d. h. diejenige tatsächliche Oszillationsamplitude der Mitte der schwingenden Oberfläche, die den Ausstoß der Fluidtröpfchen veranlasst, hängt von den Charakteristiken des gewählten Fluids sowie von der Form und von den Abmessungen des Durchlasses 22 ab.
In der besonderen hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform wird der Ausstoßpegel unter Verwendung von Benzin erzielt.
Wie in den 7 und 8 gezeigt ist, haftet das Fluid 19 durch die Festkörper/Fluid-Oberflächenspannung ununterbrochen an der großen Öffnung 26 des Durchlasses 22. In der ersten Hälfte der Oszillation (7), wenn die schwingende Oberfläche einen Hub zu dem Fluid ausführt, wird das Fluid komprimiert, während es in der zweiten Hälfte des Oszillationszyklus (8), wenn die schwingende Oberfläche einen Hub von dem Fluid weg ausführt, dekomprimiert wird. Jedes Mal, wenn die Oszillationsamplitude des Durchlasselements 15 (5) den Ausstoßpegel-Schwellenwert überschreitet, werden Tröpfchen ausgestoßen. Die Anzahl der Tröpfchen und der Abstand dazwischen hängen von der Oszillationsfrequenz ab. In der bevorzugten Ausführungsform hiervon, bei einer Oszillationsfrequenz von 60000 Hz, ist festgestellt worden, dass die Tröpfchen aneinanderhängen und einen ununterbrochenen Strom bilden, wenn die Ausstoßamplitude ununterbrochen über dem Schwellenwertpegel liegt. Durch Ändern der Oszillationsamplitude wie etwa dadurch, dass sie in jedem zweiten Zyklus unter den Schwellenwertpegel verringert wird, können die Tröpfchen getrennt werden. Dieses Merkmal ist in Kraftstoffeinspritzsystemen besonders vorteilhaft. Selbstverständlich kann die gewählte Betriebsfrequenz aber mit gewählten Änderungen der Form der schwingenden Oberfläche 12, der Charakteristik des Fluids und der Form und der Abmessungen des Durchlasses 22 von der hier angegebenen abweichen. Dennoch ist anhand der hier offenbarten bevorzugten Ausführungsform jetzt selbstverständlich, dass durch die vorliegende Erfindung ein Ausstoß erzielt werden kann und dass tatsächlich leicht ein Fluidtröpfchenausstoß mit Frequenzen von mehr als 60000 Hz erzielt werden kann.
9 veranschaulicht eine alternative bevorzugte Ausführungsform der Fluidausstoßvorrichtung 30 der vorliegenden Erfindung, die einen Auslegerarm 32 umfasst, der einen Fußabschnitt 34 und ein freies Ende 36 enthält. Der Fußabschnitt 34 ist an einem piezoelektrischen Oszillator 38 befestigt. Das freie Ende 36 des Arms 32 ist mit einer ebenen Oberfläche versehen, durch die es neun mikroskopische konisch verlaufende Durchlässe gibt. Das Fluid 42 ist in Kontakt mit dem freien Ende 36, durch das die Tröpfchen 44 ausgestoßen werden.
10 gibt eine Vorderansicht der Fluidausstoßvorrichtung 30 und veranschaulicht die Durchlässe 40 am besten. 11 ist eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht der Fluidausstoßvorrichtung 30, die das freie Ende 36 in Kontakt mit dem Fluid 42 zeigt. Die große Öffnung 46 jedes Durchlasses 40 steht in Oberflächenspannungskontakt mit dem Fluid 42. Das piezoelektrische Element 38 (9) erzeugt am Fußende 34 des Arms 32 Hochfrequenzoszillationen. Die ebene Oberfläche 37 an dem freien Ende 36 oszilliert mit derselben Frequenz wie der Fuß 34, jedoch mit einer viel größeren Amplitude. Diese Oszillation des freien Endes 36 ist hauptsächlich durch zwei Faktoren bedingt: Der Arm 32 ist so geformt, dass sein Trägheitsmoment zu dem freien Ende 36 verringert ist; und die induzierte Frequenz ist im Wesentlichen die Grundfrequenz des Arms 32.
Die Oszillation der ebenen Oberfläche 37 erzeugt an der Grenzfläche zwischen dem Fluid 42 und der Oberfläche 37 und innerhalb der Durchlässe 40 Druckschwankungszyklen und ist insbesondere in der Nähe der Innenwand 48 jedes Durchlasses im Vergleich zu der Druckschwankung in der Nähe der ebenen Oberfläche 37 wesentlich verstärkt. Diese Charakteristik ist ausschließlich der konisch verlaufenden Querschnittsgeometrie der Durchlässe 40 zuzuschreiben. Im Ergebnis wird innerhalb jedes Durchlasses 40 eine Fluidkavitation mit einer Oszillationsamplitude entwickelt, die so klein ist, dass sie das Fluid 42 in der Nähe der ebenen Oberfläche 37 nicht dynamisch stört. Die Kavitation innerhalb des Durchlasses 40 erzeugt einen Unterdruck, der Fluid von der ebenen Oberfläche 37 in die große Öffnung 46 des Durchlasses 40 ansaugt und einen Strom von Tröpfchen 44 von seiner kleinen Öffnung 47 in eine große Entfernung ausstößt. Die Ultraschalloszillationen zerstören nicht das Fluid 42 an der Oberfläche 37 und vernebeln es nicht, wobei dieses Fluid während des Ausstoßes des Fluids 42 innerhalb des Durchlasses 40 dynamisch in Ruhe bleibt. Der Ausstoß wird fortgesetzt, bis das gesamte Fluid 42 von der Oberfläche 37 angesaugt und als Tröpfchen 44 nach vorn ausgestoßen worden ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser der großen Öffnung 46 des Durchlasses 40 0,006" und ist der Durchmesser der kleinen Öffnung 47 0,0025''. Die Dicke der ebenen Oberfläche 37 ist 0,003'' und die Oszillationsfrequenz 50 kHz, d. h. die dritte Grundfrequenz des Arms 32.
Nunmehr anhand von 12 ist die in der Beschreibung anhand der 9, 10 und 11 beschriebene Ausstoßeinrichtung 30 mit einem Fluidversorgungssystem 50 versehen, das über ein Versorgungsrohr 53, das an einer Versorgungsdüse 54 endet, ununterbrochen Fluid 51 befördert, um die oszillierende Oberfläche 37 zu benetzen. Um ein Überlaufen des Fluids 42 von der Versorgungsseite der oszillierenden Oberfläche 37 zu verhindern, wird das Fluid 51 mit einer Rate zu der Oberfläche 37 befördert, die niedriger als die maximale Ausstoßrate der Durchlässe 40 ist. Ein Klemmventil 56 steuert die Lieferung des Fluids 51 zu der oszillierenden Oberfläche 37. Das Fluidversorgungssystem 50 ist mit einem elektronischen Drosselventil 52 verbunden, das in der bevorzugten Ausführungsform durch ICS-Sensoren hergestellt ist. Das Ventil 52 ist mit einer elektronischen Schaltung verbunden, die die Menge der Flüssigkeit 42 an der oszillierenden Oberfläche 37 erfasst. Im Fall der überschüssigen Lieferung von Fluid verringert sich die Oszillationsamplitude und verringert sich der Stromzug durch das piezoelektrische Element 38. Eine Stromsensorschaltung 39 fühlt den Stromzug und sendet ein Überlaufsignal 41 an das Drosselventil 52, um die Lieferrate der Flüssigkeit 51 zu der Oberfläche 37 zu verringern, bis die Menge des Fluids auf einen normalen Pegel zurückkehrt.
13 veranschaulicht eine alternative Vorrichtung zum Verhindern des Fluidüberlaufs bei dem Fluidversorgungssystem 50. In der Nähe der oszillierenden Oberfläche 37 ist ein zusätzliches Ringelement 58 eingebaut, das einen Schlitz 60 enthält, so dass der Schlitz 60 in einem vorgegebenen Abstand von der Grenze 62 des Fluids 42 positioniert ist. Das bevorzugte Ringelement 58 wird von der Clippard Instruments Laboratory, Inc., aus Cincinnati, Ohio, hergestellt und als Modellnummer 1022 bezeichnet. Über einen Einlass 64 ist der Schlitz 60 mit einer (nicht gezeigten) Venturisaugpumpe verbunden. Eine als Teilenummer 16480 bezeichnete Venturisaugpumpe ist kommerziell verfügbar von der Spraying Systems Co. aus Wheaton, Illinois. Im Fall des Überlaufens dehnt sich die Grenze 62 des Fluids 42 zu dem Ring 58 aus und kehrt zu der Versorgungsleitung 53 zurück.
13A veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verhindern des Fluidüberlaufs bei der Abgabe von Fluid durch die schwingenden konisch verlaufenden Durchlässe in der zuvor beschriebenen Weise. Die Vorrichtung 200 arbeitet gemäß ähnlichen Prinzipien, wie sie zuvor in Verbindung mit der Vorrichtung aus 13 beschrieben worden sind. Die Vorrichtung 200 ist besonders nützlich in Anwendungen, die hohe Durchflussmengen, z. B. Gallonen pro Stunde, erfordern wie etwa bei der Einspritzung von Benzin in einen Motor.
Die Vorrichtung 200 enthält ein Gehäuse 202, einen Fluidlieferweg 204 und einen Fluidrückführungsweg 206. Eine Einlassmündung 208 steht in Verbindung mit dem Fluidlieferweg 204 und eine Austrittsmündung 210 steht in Verbindung mit dem Fluidrückführungsweg 206. Durch eine Schraube 212 oder ein anderes Befestigungselement ist ein schwingfähiges Element 214 mit dem Gehäuse 202 verbunden. Die Schwingung wird durch einen Ultraschallwandler 216 an das Element 214 geliefert. In dem schwingfähigen Element 214 sind (nicht gezeigte) konisch verlaufende Durchlässe vorgesehen, um die Flüssigkeit von dem Element 214 auszustoßen, wenn es in der zuvor beschriebenen Weise durch den Wandler 216 in Schwingungen versetzt wird. Ferner enthält das Gehäuse 202 einen Flüssigkeitsauslass 204b, um dem schwingenden Element 214 Flüssigkeit zuzuführen. Mit dem Fluidrückführungsweg 206 und mit dem Fluidlieferweg 204 ist eine Venturisauganordnung 220 verbunden.
Der Betrieb der Vorrichtung 200 ist wie folgt. Durch die Einlassmündung 208 wird der Vorrichtung 200 Fluid zugeführt. Etwa zwei Drittel der Flüssigkeit fließen über den Weg 204 und von dem Auslass 204b zu dem schwingfähigen Element 214. Etwa ein Drittel der Flüssigkeit strömt über die Venturisauganordnung 220 und veranlasst einen starken Sog in dem Fluidweg 206. Der Fluidweg 206 steht in Verbindung mit einem Fluidweg 218, so dass die Saugwirkung auf eine Einlassöffnung 218a des Wegs 218 übertragen werden kann. Der in der Nähe der Öffnung 218a entwickelte Sog sammelt irgendwelche überschüssige Flüssigkeit, die nicht ausgestoßen worden ist, und verhindert das Überlaufen. Die Flüssigkeit, die der Venturianordnung 220 zugeführt wird, und die Flüssigkeit, die von dem Weg 218 zurückkehrt, verlassen die Vorrichtung 200 von der Mündung 210, wo sie entladen oder wieder in Umlauf gebracht werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform war die Vorrichtung 200 in einen Lufteinlassverteiler eines kleinen Benzinmotors, Modell CV-14, von Kohler Engine, Kohler, Wisconsin, eingebaut. Die Benzinversorgung wurde von dem Motorvergaser gelöst und stattdessen mit der Versorgungsmündung 208 der Vorrichtung 200 verbunden. Die Vorrichtung 200 liefert im Vergleich zu einem herkömmlichen Vergaser eine bessere Steuerung der Versorgung mit zerstäubtem Benzin für den Motor. Vorzugsweise werden die Menge des Benzins und die Zeit des Ausstoßes durch ein herkömmliches Motormanagementsystem wie etwa das Modell LS-14 von Fuel Management Systems, Mendelein, Illinois, gesteuert. Es ist festgestellt worden, dass die Vorrichtung 200 besonders vorteilhaft zur Verwendung in kleinen Zweitakt-Benzinbrennkraftmaschinen ist, um die Abgas-Emission zu verringern.
14 zeigt die Ausstoßvorrichtung 30 aus 9, die ferner ein alternatives Fluidversorgungssystem 70 und einen elektrischen Schwingungsgenerator 71, der eine Batterie oder einen externen Leistungseingang (nicht gezeigt) zum Aktivieren des piezokeramischen Elements enthält, enthält. Vorzugsweise ist die Ausstoßvorrichtung 30 an einem Gerüst 72 des Versorgungssystems 70 des piezoelektrischen Oszillators 38 befestigt. Das Versorgungssystem 70 enthält einen Fluidversorgungsbehälter 74, der vorzugsweise aus einem biegsamen Einweg-Nylonwerkstoff hergestellt ist. An einer Seitenwand des Versorgungsbehälters 74 ist eine Entladedüse 76 befestigt, die eine Fluidverbindung zwischen dem Fluid in dem Rohr und in der Ausstoßvorrichtung 30 schafft. Wenn auf die Seite des Versorgungsbehälters 74 eine Kraft angewendet wird, wird das Fluid innerhalb des Versorgungsbehälters 74 mit Druck beaufschlagt und durch die Entladedüse 76 gedrängt.
Ferner enthält das Versorgungssystem 70 eine Entladeventilvorrichtung 80, die vorzugsweise an dem Gerüst 72 befestigt ist. Die bevorzugte Entladevorrichtung 80 enthält einen federbelasteten Stempel 82, der auf die äußere Seitenwand des Versorgungsbehälters 74 gegen eine hintere Öffnung der Entladedüse 76 wirkt, um eine unerwünschte Entladung von Fluid aus dem Versorgungsbehälter 74 zu verhindern. Wenn der Stempel 82 gelöst wird, wird Fluid zu der oszillierenden Oberfläche 37 entladen. Das Fluid tritt in einen Spalt 84 zwischen der Düse 76 und der Oberfläche 37 ein und wird durch den Oberflächenspannungskontakt aufbewahrt. In der bevorzugten Ausführungsform ist dieser Spalt 0,025'' (0,63 mm).
Außerdem schafft das alternative Fluidversorgungssystem 70 Mittel, um einen Nylonbehälter 74 mit mechanischem Druck 90 zu beaufschlagen, um das Fluid durch die Düse 76 zu drängen. Die Druckbeaufschlagungsmittel 90 enthalten eine Druckplatte 92, die an einer Torsionsfeder 94 angelenkt ist, um auf eine Seitenwand 75 des Behälters 74 eine Druckkraft auszuüben. Wie in 14 gezeigt ist, kann die Druckplatte 58 in Uhrzeigerrichtung in eine gelöste Stellung gedreht werden, was das Entladen und Laden des Fluidversorgungsbehälters 74 erleichtert. Im Betrieb beaufschlagt die Druckplatte 92 das Fluid in dem Nylonbehälter 74 ununterbrochen mit einem Druck von etwa 10 psi (6,89·10⁴ Pa).
15 gibt eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht des Versorgungsbehälters 74, der eine einteilig ausgebildete Entladungsdüse 76 enthält, die an einer Seitenwand des Behälters 74 befestigt ist. Die Düse enthält eine hintere Oberfläche 77 in Fluidverbindung mit dem Fluid innerhalb des Versorgungsbehälters 74 und eine vordere Oberfläche 79, die in enger Nachbarschaft zu der frei schwingenden Oberfläche 37 positioniert ist.
16 gibt eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht der Entladedüse 76. Wie leicht erkannt wird, stellt eine um die Entladedüse 76 ausgebildete Umfangswulst 78 sicher, dass der Spalt 84 in seinem bevorzugten Abstand gehalten wird. Die Düse 76 ist vorzugsweise aus einem Elastomerwerkstoff hergestellt und enthält durch einen Teil ihrer Dicke einen Schnitt 96. Wegen der natürlichen Elastizität des Elastomerwerkstoffs ist der Schnitt 96 normalerweise geschlossen. Der auf die Rückseite der Düsenöffnung 98 angewendete Fluiddruck drängt den Schnitt 96, sich zu öffnen, und ermöglicht den Durchgang des Fluids zu der oszillierenden Oberfläche 37. Die Entladedüse 76 ist so beschaffen, dass sie das Fluid in dem Versorgungsrohr 76 hermetisch abgedichtet hält, wenn die Fluidausstoßvorrichtung 30 nicht in Gebrauch ist.
17 veranschaulicht eine weitere alternative bevorzugte Ausführungsform der Fluidausstoßvorrichtung, in der die oszillierende Oberfläche ein gekrümmtes Element 100 mit zwei piezoelektrischen Elementen 102a, 102b umfasst, die an der vorderen Oberfläche 104a bzw. 104b befestigt sind. Die piezoelektrischen Elemente 102a, 102b übertragen die Oszillationen auf eine dünne angewinkelte Oberfläche 106, die sich mittig in dem gekrümmten Element 100 befindet, was veranlasst, dass das Fluid 108 als ein divergierender Strom von Tröpfchen 110 nach vorn ausgestoßen wird. Eine vorgegebene Krümmungscharakteristik der angewinkelten Oberfläche 106 führt zu einer weiteren Verteilung der Tröpfchen 110 innerhalb eines Ausstoßwinkels 112. 18 gibt eine Vorderansicht des gekrümmten Elements 100 und veranschaulicht weiter, dass die angewinkelte Oberfläche 106 an ihrem Umfang durch eine Fensteröffnung 114 begrenzt ist. Vorzugsweise enthält die angewinkelte Oberfläche 106 in einer 5 × 9-Matrix 45 Durchlässe 116.
19 ist eine schematische Ansicht eines Fluidliefersystems 224 zum Regulieren der Strömung der Flüssigkeit 226 zu einer oszillierenden Oberfläche 228 mit mehreren (nicht gezeigten) konisch verlaufenden Löchern zur Abgabe von Fluid wie zuvor beschrieben. Das Fluidliefersystem 224 ist so konfiguriert, dass die zu der oszillierenden Oberfläche 228 gelieferten Flüssigkeitsvolumina im Wesentlichen gleich den von der oszillierenden Oberfläche 228 ausgestoßenen Flüssigkeitsvolumina sind. Ferner ist das Fluidliefersystem 224 so konfiguriert, dass die Flüssigkeit 226 mit einer Rate zu der oszillierenden Oberfläche 228 geliefert wird, die im Wesentlichen gleich der Ausstoßrate von der Oberfläche 228 ist.
Das Fluidliefersystem 224 enthält ein mittleres Reservoir 230 zum Speichern der Flüssigkeit 226 und einen Fluidkanal 232, der von dem mittleren Reservoir 230 ausgeht. Der Fluidkanal 232 besitzt ein distales Ende 234, das von der oszillierenden Oberfläche 228 beabstandet ist. Ferner enthält das Fluidliefersystem 224 ein Gasentlüftungsloch oder Entlüftungsloch 236 mit einem offenen distalen Ende 238, das sich in der Nähe des distalen Endes 234 des Fluidkanals 232 befindet und von der oszillierenden Oberfläche 228 beabstandet ist. Bei einer solchen Konfiguration strömt die Flüssigkeit 226 durch die Schwerkraft von dem mittleren Reservoir 230 durch den Fluidkanal 232 und aus dem distalen Ende 234. Während die Flüssigkeit 226 zu der oszillierenden Oberfläche 228 geliefert wird, wird eine Flüssigkeitsperle 240 gebildet. Die Flüssigkeit 226 fließt von dem mittleren Reservoir 230, bis die Perle 240 groß genug geworden ist, um das distale Ende 238 des Entlüftungslochs 236 zu verschließen. Während das distale Ende 238 des Entlüftungslochs 236 mit Flüssigkeit von der Perle 240 gefüllt wird, wird verhindert, dass Luft von dem Entlüftungsloch 236 zu dem mittleren Reservoir 230 fließt, wodurch in dem mittleren Reservoir 230 ein Unterdruck erzeugt wird und eine weitere Fluidströmung durch den Fluidkanal 232 verhindert wird. Während die Flüssigkeit von der Perle 240 in der zuvor beschriebenen Weise von der oszillierenden Oberfläche 228 ausgestoßen wird, wird die Größe der Perle 240 verringert, was ermöglicht, dass Luft in das Loch 236 eintritt und dass zusätzliches Fluid durch den Fluidkanal 232 fließt. Auf diese Weise wird eine ununterbrochene Versorgung mit Flüssigkeit 226 zu der oszillierenden Oberfläche 228 in Mengen, die im Wesentlichen gleiche Volumina wie die Menge der von der oszillierenden Oberfläche 228 abgegebenen Flüssigkeit haben, und mit einer Rate, die gleich der Ausstoßrate ist, erzeugt.
In 20 ist schematisch eine alternative Ausführungsform eines Fluidliefersystems 242 veranschaulicht. Das Fluidliefersystem 242 enthält ein mittleres Reservoir 244 und einen Fluidkanal 246, die beide mit einer Flüssigkeit 248 gefüllt sind. Das Fluidliefersystem 242 arbeitet gemäß denselben Prinzipien wie das Fluidliefersystem 224, d. h. durch Steuern der Luftströmung zu dem Reservoir 244. Genauer fließt die Flüssigkeit 248 durch die Kapillarkräfte durch ein distales Ende 250 des Fluidkanals 246, um an der oszillierenden Oberfläche 254 eine Flüssigkeitsperle 252 zu bilden. In dem Fluidkanal 246 ist ein Entlüftungsloch 256 vorgesehen, um dem mittleren Reservoir 244 Luft zuzuführen. Während die Flüssigkeit 248 durch den Fluidkanal 246 läuft, um die oszillierende Oberfläche 254 zu erreichen, fließt ein Teil der Flüssigkeit 226 in das Entlüftungsloch 256, um es zu schließen. An diesem Punkt wird verhindert, dass Luft über das Entlüftungsloch 256 in das mittlere Reservoir 244 strömt, wodurch in dem Reservoir 244 ein Unterdruck erzeugt und die Strömung der Flüssigkeit 248 von dem mittleren Reservoir 244 angehalten wird. Während die Flüssigkeit von der Perle 252 von der oszillierenden Oberfläche 254 ausgestoßen wird, wird Flüssigkeit aus dem Entlüftungsloch 256 abgelassen und fließt zu dem distalen Ende 250, um die ausgestoßene Flüssigkeit zu ersetzen. Während das Fluid von dem Entlüftungsloch 256 abgelassen wird, wird das Entlüftungsloch 256 geöffnet, um zu ermöglichen, dass Luft durch den Fluidkanal 246 und in das mittlere Reservoir 244 fließt. Daraufhin fließt eine Menge Flüssigkeit 248, deren Volumen gleich dem Volumen der dem mittleren Reservoir 244 zugeführten Luft ist, über das Entlüftungsloch 256 durch den Kanal 246, um das Entlüftungsloch 252 wieder zu füllen und die von der Perle 252 ausgestoßene Flüssigkeit neu zuzuführen. Durch Anpassung der Abmessungen des Fluidliefersystems 242 kann das Volumen der in das Reservoir 244 eintretenden Luft leicht gesteuert werden, so dass eine ununterbrochene Versorgung mit Flüssigkeit 248 zu der oszillierenden Oberfläche 254 in einer Menge, die im Wesentlichen das gleiche Volumen wie die Menge der von der oszillierenden Oberfläche 254 abgegebenen Flüssigkeit hat, und mit einer Rate, die gleich der Ausstoßrate ist, zugeführt wird.
Anhand von 21 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung 260 zur Abgabe von Flüssigkeit als zerstäubten Sprühnebel in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Die Vorrichtung 260 ist nach dem Liefersystem 242 aus 20 gestaltet und besonders nützlich für verhältnismäßig kleine Durchflussmengen, d. h. Milliliter pro Stunde. Die Vorrichtung 260 enthält ein schwingfähiges Element 262, das mit einem Gehäuse 264 verbunden ist. In dem Gehäuse 264 befindet sich ein (nicht gezeigtes) Ultraschallwandlerelement, um das Element 262 mit einer Ultraschallfrequenz in Schwingungen zu versetzen. An einem distalen Ende 266 des Elements 262 ist eine Durchlassplatte 268 mit mehreren (nicht gezeigten) Durchlässen zur Abgabe der Flüssigkeit, wenn das Element 262 in Schwingungen versetzt wird. Die Durchlässe in der Platte 268 sind konisch verlaufend, wobei sie an der hinteren Oberfläche 269 (siehe 22B) des schwingfähigen Elements 262 eine größere Querschnittsfläche haben. Die hintere Oberfläche 269 ist wiederum einer Aufbewahrungsfläche 270 an der Vorrichtung 260 zugewandt. Vorzugsweise ist die Durchlassplatte 268 mit der Aufbewahrungsfläche 270 in Kontakt, kann aber von ihr üblicherweise durch Abstände von bis zu 1,0 mm und gelegentlich mehr beabstandet sein.
Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, wird an der Aufbewahrungsfläche 270 Flüssigkeit von einem Versorgungsbehälter 272 zugeführt. Während Flüssigkeit zu der Aufbewahrungsfläche 270 geliefert wird, wird an der Aufbewahrungsfläche 270 eine dünne Flüssigkeitsschicht entwickelt. Die Flüssigkeitsdünnschicht wird mit der Durchlassplatte 268 in Kontakt gebracht, so dass bei Schwingung des Elements 262 in der bei den vorausgehenden Ausführungsformen beschriebenen Weise Flüssigkeit von den Durchlässen in der Platte 268 ausgestoßen wird. Die Flüssigkeit wird durch Oberflächenspannungskräfte an der hinteren Oberfläche 269 der Platte 268 aufbewahrt. Vorzugsweise sind die Oberflächenspannungskräfte die ausschließlichen Kräfte, die die Flüssigkeit an der Platte 268 aufbewahren, bis die Flüssigkeit ausgestoßen wird. Auf diese Weise fließt die Flüssigkeit während des Betriebs nicht von der Aufbewahrungsfläche 270 über und aus. Vorzugsweise ist der Versorgungsbehälter 272 abnehmbar an dem Gehäuse 264 befestigt, so dass durch Abnehmen und Neufüllen des Versorgungsbehälters 272 oder durch Bereitstellen eines neuen Behälters 272 leicht neue oder andere Flüssigkeitsversorgungen bereitgestellt werden können.
Anhand der 22–23 wird die Lieferung der Flüssigkeit von dem Behälter 272 zu der Aufbewahrungsfläche 270 beschrieben. Das Gehäuse 264 enthält ein Längselement 274, einen Einsatz 276 und ein Aufbewahrungselement 278. Das Aufbewahrungselement 278 hält das schwingfähige Element 262 über der Aufbewahrungsfläche 270 und enthält den Ultraschallwandler, um das Element 262 in Schwingungen zu versetzen. Wie am besten in 23 gezeigt ist, ist der Einsatz 276 in eine lang gestreckte Nut 280 in dem Längselement 274 eingeführt, um einen Fluidweg 282 zu bilden, der zwischen dem Längselement 274 und dem Einsatz 276 verläuft. Der Einsatz 276 ist abnehmbar in dem Längselement 274 gehalten. Das Konfigurieren der Verbindung zwischen dem Längselement 274 und dem Einsatz 276 auf diese Weise ist vorteilhaft, um die Herstellung zu erleichtern. Das Längselement 274 und der Einsatz 276 können aus Teilen hergestellt werden, die aus einem Füllfederhalter abgeändert werden, der kommerziell von der Sheaffer Inc., Ft. Madison, Iowa, verfügbar ist.
Der Fluidweg 282 ist durch eine Nut 284 in dem Längselement 274 und durch einen Kanal 287 in dem Einsatz 276 gebildet. Ein proximales Ende 288 des Fluidwegs 282 steht mit dem Versorgungsbehälter 272 in Verbindung, während ein distales Ende 290 des Fluidwegs 282 mit einem Schlitz 292 in dem Längselement 274 in Verbindung steht. Der Schlitz 292 steht seinerseits mit der Aufbewahrungsfläche 270 in Verbindung. Auf diese Weise wird Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter 272 über den Fluidweg 282 und über den Schlitz 292 zu der Aufbewahrungsfläche 270 geliefert.
Anhand der 22A und 22B wird die Konfiguration des Schlitzes 292 ausführlicher beschrieben. Vorzugsweise besitzt der Schlitz 292 eine Breite, die schmal genug ist, um zu ermöglichen, dass durch Kapillarkräfte Flüssigkeit durch den Schlitz 292 angesaugt wird. Vorzugsweise liegt die Breite des Schlitzes 292 im Bereich von etwa 0,002 Zoll (0,058 mm) bis 0,005 Zoll (0,127 mm) und bevorzugter bei etwa 0,004 Zoll (0,116 mm). Auf diese Weise wird Flüssigkeit, die das distale Ende 290 des Fluidwegs 282 erreicht, durch die Kapillarwirkung durch den Schlitz 292 und zu der Aufbewahrungsfläche 270 angesaugt.
Anhand der 23, 24A und 24B wird die Regulierung der Strömung der Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter 272 und zu der Aufbewahrungsfläche 270 beschrieben. Ein Gasentlüftungsloch oder Entlüftungsloch 294 steht mit dem Fluidweg 282 in Verbindung. Das Entlüftungsloch 294 ist in dem Längselement 278 ausgebildet und ermöglicht, dass Luft aus der Atmosphäre über den Fluidweg 282 in den Versorgungsbehälter 272 fließt. Der Versorgungsbehälter 272 ist um das Gehäuse 264 abgedichtet, so dass das Innere des Versorgungsbehälters 272 lediglich über den Fluidweg 282 mit der Außenatmosphäre in Verbindung stehen kann. Während Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter 272 befördert wird, wird in dem Behälter 272 ein Unterdruck erzeugt, wodurch eine weitere Strömung der Flüssigkeit von dem Behälter 272 verhindert wird, bis der Behälter 272 belüftet wird. Auf diese Weise wird durch Steuern der Menge der dem Behälter 272 zugeführten Luft die Strömung der Flüssigkeit von dem Behälter 272 und zu der Aufbewahrungsfläche 270 reguliert.
Vorzugsweise ist die Menge der der Aufbewahrungsfläche 270 zugeführten Flüssigkeit ausreichend, um wenigstens einen Teil der Löcher der Durchlassplatte 268 zu bedecken, ohne von der Aufbewahrungsfläche 270 überzulaufen und eine unschöne und verschwenderische Arbeitsumgebung zu erzeugen. Bei Schwingung der Durchlassplatte 268 wird ein Teil der Flüssigkeit von der Aufbewahrungsfläche 270 ausgestoßen. Die ausgestoßene Flüssigkeit wird vorzugsweise mit einer Rate, die gleich der Ausstoßrate ist, durch eine gleiche Menge Flüssigkeit ersetzt. Wie oben beschrieben wurde, wird die Lieferung der Flüssigkeit auf diese Weise dadurch ausgeführt, dass zu dem Behälter 272 Luft in Volumina, die ausreichend groß sind, um die der Aufbewahrungsfläche 270 gelieferten Flüssigkeitsvolumina zu ersetzen, und mit einer Rate, die gleich der Ausstoßrate ist, zugeführt wird.
Bei Verbindung des Versorgungsbehälters 272 mit dem Gehäuse 264 fließt Fluid von dem Behälter 272 und in den Fluidweg 282. Vorzugsweise ist die Vorrichtung 260 erhöht, so dass der Behälter 272 über der Aufbewahrungsfläche 270 liegt, was ermöglicht, dass die Schwerkraft bei der Beförderung der Flüssigkeit über den Fluidweg 282 hilft. Die Flüssigkeit fließt über den Fluidweg 282, bis sie das Entlüftungsloch 294 erreicht. An diesem Punkt beginnt ein Teil der Flüssigkeit, das Entlüftungsloch 294 zu füllen, während der Rest weiter durch den Fluidweg 282 und zu dem Schlitz 292 geht. Die Flüssigkeit, die den Schlitz 292 erreicht, wird durch die Kapillarwirkung durch den Schlitz 292 und zu der Aufbewahrungsfläche 270 angesaugt. Gleichzeitig füllt sich das Entlüftungsloch 294 weiter mit Flüssigkeit, bis sich in dem Entlüftungsloch 294 ausreichend Flüssigkeit befindet, um das Loch 294 zu schließen und zu verhindern, dass Luft von der Atmosphäre in den Versorgungsbehälter 272 eintritt. Wenn keine Luft in den Versorgungsbehälter 272 eintritt, wird in dem Behälter 272 ein Unterdruck erzeugt und dadurch eine weitere Strömung von Flüssigkeit von dem Behälter 272 verhindert.
Die Größe, die Länge und die relative Ausrichtung des Versorgungsbehälters 272, des Fluidwegs 282, des Schlitzes 292 und des Entlüftungslochs 294 können geändert werden, um die Flüssigkeitsmenge anzupassen, die die Aufbewahrungsfläche 270 erreicht. Die besondere Konfiguration dieser Elemente kann anhand der Eigenschaften der betroffenen Flüssigkeit experimentell erhalten werden. In einem bevorzugten Aspekt besitzt das Entlüftungsloch 294 eine Breite im Bereich von 0,002 Zoll (0,050 mm) bis 0,003 Zoll (0,076 mm) und eine Länge im Bereich von etwa 0,005 Zoll (0,0127 mm) bis 0,010 Zoll (0,25 mm) und ist bei Verwendung mit einem Versorgungsbehälter 272 mit einem Volumen von etwa 2 cm³ um eine Länge von etwa 0,5 Zoll (12,7 mm) von dem Versorgungsbehälter 272 beabstandet.
Bei Schwingung des schwingfähigen Elements 262 wird die anfangs zu der Aufbewahrungsfläche 270 zugeführte Flüssigkeit von der Durchlassplatte 268 ausgestoßen. Während die Flüssigkeit von der Aufbewahrungsfläche 270 ausgestoßen wird, wird durch die Kapillarwirkung zusätzliche Flüssigkeit durch den Schlitz 292 angesaugt, um die abgegebene Flüssigkeit zu ersetzen. Während die Flüssigkeit durch den Schlitz 292 angesaugt wird, wird Flüssigkeit in dem Entlüftungsloch 294 in den Fluidweg 282 abgelassen, um die Flüssigkeit zu ersetzen. Wenn die Flüssigkeit aus dem Entlüftungsloch 294 abgelassen wird, erreicht das Entlüftungsloch 294 eine offene Konfiguration, die ermöglicht, dass Luft in das Entlüftungsloch 294 eintritt, wo sie über den Fluidweg 282 zu dem Versorgungsbehälter 272 läuft. Die Lieferung von Luft zu dem Behälter 272 verringert auf diese Weise die Stärke des Unterdrucks, der in dem Behälter 272 vorhanden ist, und ermöglicht, dass eine Flüssigkeitsmenge in den Fluidweg 282 befördert wird, bis der Schwellenwertunterdruck in dem Behälter 272 wieder erreicht ist. Während Fluid in den Fluidweg 282 befördert wird, schließt sich das Entlüftungsloch 294 wie zuvor beschrieben wieder. Somit kann durch Anpassung der Konfiguration der Abgabevorrichtung 260 eine ununterbrochene Zufuhr von Flüssigkeit zu der Aufbewahrungsfläche 270 zum Ausstoß durch die Durchlassplatte 268 in einer Menge, die im Wesentlichen gleich der abgegebenen Menge ist, und mit einer Rate, die gleich der Ausstoßrate ist, geliefert werden. Dies stellt sicher, dass der Durchlassplatte 268 ausreichend (aber nicht übermäßig) Fluid zum Ausstoß zugeführt wird.
Das Gehäuse 264 ist vorzugsweise aus einem Kunststoffwerkstoff mit guten Oberflächenbenetzungsfähigkeiten wie etwa ABC-Kunststoff und insbesondere Cycloac konstruiert. Um die Strömung der Flüssigkeit durch den Fluidweg 282 und durch den Schlitz 292 zu unterstützen, kann der Flüssigkeit eine kleine Menge flüssiges Tensid zugesetzt werden. Die Vorrichtung 260 kann zur Abgabe einer Vielzahl von Flüssigkeiten wie etwa Wasser, Tinte, Alkohol, Benzin, Deodorante, Insektizide, Medikamente und andere Flüssigkeiten mit Anwendungen, bei denen eine Zerstäubung der Flüssigkeit erforderlich ist, verwendet werden.
Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung 260 ist, dass die Strömung der Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter 272 zu der Durchlassplatte 268 ohne Verwendung der beweglichen Elemente, elektrischen Schaltungen, mechanischen Ventile oder dergleichen gesteuert wird. Stattdessen wird die Strömung der Flüssigkeit durch die Flüssigkeit selbst gesteuert, während die Flüssigkeit das Entlüftungsloch 294 füllt und aus ihm abgelassen wird. Eine solche Vorrichtung ist leicht herzustellen, zu verwenden und mit neuer Flüssigkeit neu zu füllen, wodurch die Kauf- und Wartungskosten gesenkt werden und Komfort geschaffen wird.
Anhand der 25 und 26 wird eine alternative Ausführungsform einer beispielhaften Abgabevorrichtung 300 beschrieben. Die Vorrichtung 300 enthält ein Gehäuse 302, das in zwei Hälften trennbar ist. Das Gehäuse 302 ist mit wenigstens einer Ausstoßmündung 304 für den Ausstoß von Flüssigkeit 306 versehen. Ferner enthält das Gehäuse 302 eine Eingabemündung 308 zum Anbringen einer Flüssigkeitsversorgung.
Innerhalb des Gehäuses 302 befindet sich ein schwingfähiges Element 310 mit einer daran angebrachten Durchlassplatte 312. Die Durchlassplatte 312 ist auf die Ausstoßmündung 304 ausgerichtet, so dass die von der Durchlassplatte 312 ausgestoßene Flüssigkeit wie in 25 veranschaulicht durch die Ausstoßmündung 304 abgegeben wird. Die Durchlassplatte 312 enthält ähnlich wie die zuvor beschriebenen Durchlassplatten mehrere konisch verlaufende Durchlässe. Es ist eine Schaltungsanordnung 313 vorgesehen, die einen Wandler enthält, um das schwingfähige Element 310 in Schwingungen zu versetzen, so dass die Flüssigkeit wie zuvor beschrieben durch die Durchlässe in der Durchlassplatte 312 abgegeben werden kann.
Um der Durchlassplatte 312 Flüssigkeit zuzuführen, ist ein Flüssigkeitsliefersystem 316 vorgesehen. Vorzugsweise ist das Flüssigkeitsliefersystem 316 in dem Gehäuse 302 vertikal angewinkelt, so dass die Schwerkraft bei der Strömung der Flüssigkeit zu der Durchlassplatte 312 unterstützen kann. Das Flüssigkeitsliefersystem 316 kann im Wesentlichen gleich dem in 21 beschriebenen Versorgungssystem 260 sein. Ferner enthält die Schaltungsanordnung 313 einen elektronischen Zeitgeber zum zyklischen Betätigen des Wandlers 314. Ferner enthält die Vorrichtung 300 ein Paar Batterien 318 wie etwa kommerziell verfügbarer AAA-Batterien, um dem Wandler 314 Leistung zuzuführen.
Dadurch, dass die Abgabevorrichtung 300 wie eben beschrieben konfiguriert ist, können eine Anzahl von Vorteilen geschaffen werden. Die Verwendung der Batterien 318 als Leistungsquelle ermöglicht, dass die Abgabevorrichtung 300 an einer breiten Vielfalt von Orten (insbesondere an fernen Orten, wo herkömmliche Netzsteckdosen nicht verfügbar sind) angeordnet wird. Beispielsweise ist die Abgabevorrichtung 300 in einem bevorzugten Aspekt als ein Insektizidsprühgerät nützlich. Die Verwendung der Batterien 318 ermöglicht, dass die Vorrichtung 300 an fernen Orten wie etwa auf einem Dachboden, in der Nähe einer Terrasse, in einer Garage oder dergleichen angeordnet wird.
Ein weiterer Vorteil der Abgabevorrichtung 300 ist, dass sie mit einem Abgabezyklus im Voraus programmiert werden kann, wobei sie z. B. alle fünf Minuten fünf Sekunden Flüssigkeit ausstößt. Auf diese Weise kann der Ausstoß der Flüssigkeit zur genauen Steuerung der in die Atmosphäre abgegebenen Flüssigkeitsmengen programmiert werden. Die Programmierung der Vorrichtung 300 auf diese Weise ist in vielen Anwendungen wünschenswert, wo die Sicherheit Bedeutung hat und eine genaue Steuerung der abgegebenen Flüssigkeitsmenge entscheidend ist. Als ein Beispiel ist die Abgabevorrichtung 300 bei der Steuerung der Abgabe eines Insektizids wie etwa eines unter dem Namen Sumithrin verkauften Insektizids Pyrethroid nützlich. Da die Vorrichtung 300 mit einem Abgabezyklus programmiert wird, wird dadurch, dass sicherstellt ist, dass insbesondere bei Verwendung in der Nähe bewohnter Orte nicht zu viel Insektizid abgegeben wird, Sicherheit geschaffen. Gleichzeitig ermöglicht die Programmierung, dass eine ausreichende Flüssigkeitsmenge ausgestoßen wird, so dass die Vorrichtung 300 als ein Insektizidsprühgerät wirksam ist. Da die Regulierung der Strömung der Flüssigkeit zu der Durchlassplatte 312 durch ein Entlüftungsloch erzeugt wird und keine beweglichen oder elektrischen Teile umfasst, wird außerdem Zuverlässigkeit geschaffen.
Als ein Beispiel, das nicht einschränkend sein soll, gibt die Vorrichtung 300 bei Verwendung als ein Insektizidsprühgerät das Insektizid vorzugsweise mit einer Rate im Bereich von 0,5 cm³ bis 2 cm³ pro Stunde mit Tröpfchengrößen im Bereich von 3 Mikrometer bis 10 Mikrometer aus. Üblicherweise wird das schwingfähige Element in Schwingungen mit einer Frequenz im Bereich von 20 kHz bis zu 200 kHz versetzt. Wenn die Vorrichtung 300 als Lufterfrischer verwendet wird, gibt sie von dem Lufterfrischer vorzugsweise mit einer Rate im Bereich von 1 cm³ bis 2 cm³ pro Stunde mit Tröpfchengrößen im Bereich von 3 Mikrometer bis 10 Mikrometer aus.
In einem nochmals weiteren Vorteil ist die Abgabevorrichtung 300 verhältnismäßig preiswert herzustellen und zu betreiben, wobei sie für einen Käufer bei seiner Wahl der Abgabevorrichtung eine zweckmäßige Alternative bereitstellt. Beispielsweise umfassen die Betriebskosten üblicherweise lediglich die Kosten der Batterien und der Flüssigkeit. In einer Alternative können die Batterien zweckmäßig als Teil des Versorgungsbehälters enthalten sein, so dass die Batterien jedes Mal gewechselt werden, wenn ein neuer Behälter mit der Mündung 308 verbunden wird. Dies ermöglicht, dass die Batterien und der Flüssigkeitsversorgungsbehälter als eine einzige Einwegeinheit zusammen verkauft werden.
Selbstverständlich umfasst das hier Offenbarte eine neue und sehr innovative Fluidausstoßvorrichtung, die leicht zur Verwendung in einer Vielzahl von Anwen dungen, die den Ausstoß kleiner Fluidtröpfchen auf genau gesteuerte Weise fordern, anpassbar ist.
Der Fachmann auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Erfindung gehört, erkennt nun im Ergebnis der vorliegenden Lehre des Anmelders verschiedene Änderungen und Hinzufügungen, die im Umfang der Ansprüche an der Erfindung vorgenommen werden können. Beispielsweise veranschaulichen die hier offenbarten Formen, Abmessungen und Werkstoffe lediglich eine bevorzugte Ausführungsform, die in die Praxis überführt worden ist. Allerdings sollen diese Formen, Abmessungen und Werkstoffe selbstverständlich nicht als Einschränkung der Erfindung angesehen werden, die leicht in anderen Formen, Abmessungen und Werkstoffen verwirklicht werden kann.

Claims

Verfahren zum Abgeben von Flüssigkeit als zerstäubten Sprühnebel, wobei die Tröpfchen von einem schwingfähigen Element (214) ausgestoßen werden, das eine vordere Oberfläche, eine hintere Oberfläche und wenigstens ein konisch zulaufendes Loch (22), das sich dazwischen erstreckt, um die Flüssigkeit abzugeben, besitzt, wobei das konisch zulaufende Loch an der hinteren Oberfläche eine größere Querschnittsfläche als an der vorderen Oberfläche besitzt und wobei die Flüssigkeit in einem Oberflächenspannungskontakt mit der großen Öffnung des Lochs gehalten wird, wobei die Flüssigkeit von einem Versorgungsbehälter (51) abgegeben wird, wobei das Verfahren umfasst: Abgeben der Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter (51) zu der hinteren Oberfläche in einer Menge, die ausreicht, um das oder jedes Loch (22) mit Flüssigkeit zu bedecken; Versetzen des schwingfähigen Elements (214) in Schwingungen, um wenigstens einen Teil der Flüssigkeit durch das oder jedes Loch und von der vorderen Oberfläche abzugeben; und Liefern zusätzlicher Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter (51) und zu der hinteren Oberfläche in Volumina, die in einem Oberflächenspannungskontakt mit der hinteren Oberfläche gehalten werden, wobei überschüssige Flüssigkeit, die nicht von der hinteren Oberfläche ausgestoßen wird, durch Saugmittel entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Saugmittel eine Venturisauganordnung (220) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Fluidlieferweg (204) vorgesehen ist, um die Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter (51) zu der hinteren Oberfläche zu liefern, und ein Fluidrückführungsweg (206) vorgesehen ist, um die überschüssige Flüssigkeit von der hinteren Oberfläche zu dem Versorgungsbehälter zurückzuführen, wobei der Fluidlieferweg und der Fluidrückführungsweg über die Saugmittel in einer gegenseitigen Verbindung stehen.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Saugmittel und der Fluidlieferweg (204) so konfiguriert sind, dass ungefähr ein Drittel der Flüssigkeit, die von dem Versorgungsbehälter (51) über den Fluidlieferweg zu der hinteren Oberfläche fließt, durch die Saugmittel zu dem Fluidrückführungsweg (206) fließt, um die Venturisaugwirkung in dem Fluidrückführungsweg zu erleichtern, wodurch das Ansaugen der überschüssigen Flüssigkeit von der hinteren Oberfläche zu dem Versorgungsbehälter (51) erleichtert wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die zusätzliche Flüssigkeit zu der hinteren Oberfläche des schwingfähigen Elements (214) mit einer Rate geliefert wird, die im Wesentlichen gleich der Rate der Flüssigkeit ist, die von der vorderen Oberfläche abgegeben wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, das ferner umfasst: Austauschen von im Voraus gewählten Gasvolumina durch Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter (230), um die zusätzlichen Flüssigkeitsvolumina zu der hinteren Oberfläche zu liefern, wobei die im Voraus gewählten Gasvolumina ausreichend groß sind, um die Flüssigkeitsvolumina zu ersetzen, die von dem Versorgungsbehälter und zu der hinteren Oberfläche geliefert werden, ferner umfassend das Steuern der Zufuhr der Gasvolumina zu dem Versorgungsbehälter durch Schließen und Öffnen eines Gasentlüftungslochs (236), das mit dem Versorgungsbehälter in Verbindung steht, wobei das Gasbelüftungsloch geschlossen ist, wenn es mit von dem Versorgungsbehälter gelieferter Flüssigkeit gefüllt ist, wenn die Flüssigkeit zu der hinteren Oberfläche des schwingfähigen Elements (228) geliefert wird, und wobei das Gasbelüftungsloch geöffnet ist, wenn Flüssigkeit von dem Gasbelüftungsloch und zu der hinteren Oberfläche befördert wird, wenn Flüssigkeit aus dem schwingfähigen Element ausgestoßen wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das schwingfähige Element mehrere Löcher aufweist, wobei die zu der hinteren Oberfläche gelieferte Flüssigkeit ausreichend dosiert wird, um wenigstens einige der mehreren Löcher abzudecken, bis sie abgegeben wird, wobei das schwingfähige Element mit einer Frequenz im Bereich von etwa 20 kHz bis etwa 200 kHz in Schwingungen versetzt wird, um die Flüssigkeit auszustoßen, ferner umfassend das Ansaugen der von dem Versorgungsbehälter zu der hinteren Oberfläche gelieferten Flüssigkeit durch Kapillarwirkung.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Flüssigkeit ein Insektizid ist und bei dem die Flüssigkeit mit einer Rate im Bereich von etwa 0,5 cm³ bis etwa 2 cm³ pro Stunde abgegeben wird und bei dem die Flüssigkeit von der vorderen Oberfläche in Tröpfchen ausgestoßen wird, die eine mittlere Größe im Bereich von 3 μm bis 10 μm haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Flüssigkeit ein Lufterfrischungsmittel ist und bei dem die Flüssigkeit mit einer Rate im Bereich von 1 cm³ bis 2 cm³ pro Stunde abgegeben wird und bei dem die Flüssigkeit von der vorderen Oberfläche in Tröpfchen ausgestoßen wird, die eine mittlere Größe im Bereich von 3 μm bis 10 μm haben.
Vorrichtung (200) zum Abgeben von Flüssigkeit als zerstäubter Sprühnebel, mit: einem schwingfähigen Element (214), das eine vordere Oberfläche, eine hintere Oberfläche und wenigstens ein konisch zulaufendes Loch (22), das sich dazwischen erstreckt, besitzt, wobei das konisch zulaufende Loch an der hinteren Oberfläche eine Querschnittsfläche besitzt, die größer ist als jene an der vorderen Oberfläche; Mitteln (18) zum Versetzen des schwingfähigen Elements in Schwingungen; einem Versorgungsbehälter (51), der die abzugebende Flüssigkeit aufbewahrt; Mitteln zum Liefern der Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter zu der hinteren Oberfläche des schwingfähigen Elements (214); und Saugmitteln zum Auffangen überschüssiger Flüssigkeit, die nicht von dem schwingfähigen Element (214) ausgestoßen worden ist, von der hinteren Oberfläche.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Saugmittel eine Venturisauganordnung (220) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, mit einem Fluidlieferweg (204) zum Liefern der Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter (51) zu der hinteren Oberfläche und einem Fluidrückführungsweg (206) zum Zurückleiten überschüssiger Flüssigkeit von der hinteren Oberfläche zu dem Versorgungsbehälter (51), wobei der Fluidlieferweg und der Fluidrückführungsweg über die Saugmittel in einer gegenseitigen Fluidverbindung stehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Saugmittel und der Fluidlieferweg (204) so konfiguriert sind, dass etwa ein Drittel der von dem Versorgungsbehälter (51) über den Fluidlieferweg (204) zu der hinteren Oberfläche fließenden Flüssigkeit durch die Sauganordnung (220) zu dem Fluidrückführungsweg (206) fließt, um eine Venturisaugwirkung zu erleichtern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, mit einem Strömungsregulierer (224), der die Strömung der Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter zu der hinteren Oberfläche reguliert, wobei der Strömungsregulierer die Lieferung der Flüssigkeit zu der hinteren Oberfläche in Volumina ermöglicht, die im Wesentlichen gleich den Volumina sind, die von dem oder jedem Loch in dem schwingfähigen Element abgegeben werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der der Strömungsregulierer ein Gasbelüftungsloch (236) aufweist, das mit dem Versorgungsbehälter (51) in einer Fluidverbindung steht, damit ein Gas in den Versorgungsbehälter (230) in Volumina strömen kann, die ausreichend groß sind, um die Volumina zu ersetzen, die zu der hinteren Oberfläche geliefert werden, wobei das Gasbelüftungsloch geschlossen ist, wenn es mit Flüssigkeit von dem Versorgungsbehälter gefüllt ist, und geöffnet ist, wenn Flüssigkeit von dem Gasbelüftungsloch befördert wird, um Flüssigkeit, die von dem schwingfähigen Element (228) ausgestoßen wird, wenn das schwingfähige Element schwingt, zu ersetzen, wobei die Liefermittel einen Fluidweg aufweisen, der sich von dem Versorgungsbehälter erstreckt, wobei das Gasbelüftungsloch mit dem Fluidweg in Verbindung steht und wobei die Mittel zum Liefern der Flüssigkeit ferner einen Kapillarkanal in dem Fluidweg umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der das Gasbelüftungsloch (236) von dem Versorgungsbehälter (230) um eine Strecke beabstandet ist, die ausreicht, damit die Flüssigkeit zu der hinteren Oberfläche mit einer Rate geliefert werden kann, die im Wesentlichen gleich der Rate der von dem Loch abgegebenen Flüssigkeit ist, und bei der sich der Versorgungsbehälter auf einer größeren Höhe als das Gasbelüftungsloch befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei der der Strömungsregulierer (224) die Strömung der Flüssigkeit zu dem schwingfähigen Element (228) auf eine Rate reguliert, die im Wesentlichen gleich der Rate der Flüssigkeit ist, die von dem Loch abgegeben wird, und bei der das schwingfähige Element mehrere Löcher umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei der die Schwingungserzeugungsmittel (18) einen Ultraschallwandler umfassen, der von einer Batterie mit Leistung versorgt wird, ferner mit einer Steuereinheit (313) in dem Gehäuse zum Steuern des Betriebs des Wandlers, wobei die Steuereinheit im Voraus so programmiert ist, dass sie den Wandler zyklisch betreibt, und wobei der Versorgungsbehälter über dem Strömungsregulierer angeordnet ist.