CN101808673B - 脉冲式气雾发生器 - Google Patents
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Abstract
一种气雾发生器通过仅由毛细管作用重复地将液体芳香材料供到毛细管通道40，并且加热所述毛细管通道40，使所述液体芳香材料至少部分挥发并且被驱出所述毛细管通道40的出口，而周期性地形成气雾化的芳香材料。芯20将液体芳香材料通过毛细管作用供到所述毛细管通道40的入口。本发明公开了用于产生这样的气雾化芳香材料的设备和方法，以及加热方法。
Description
发明内容
本发明提供了一种用于产生气雾化液体芳香材料的空气清新器，包括：毛细管通道，具有入口和出口；液体供给装置，用于将液体芳香材料仅通过毛细管作用供到所述毛细管通道的入口；和电源，适于跨越沿所述毛细管通道布置的加热器施加电压，以将所述毛细管通道中的液体芳香材料加热到足够使所述毛细管通道中的液体芳香材料至少部分挥发的温度，以使所述液体芳香材料被驱出所述毛细管通道的出口并且形成液体芳香材料的气雾。
另外，本发明提供了一种用于脉冲式产生气雾化芳香材料的方法，包括：将液体芳香材料仅通过毛细管作用抽吸到具有入口和出口的毛细管通道中；和周期性地跨越沿所述毛细管通道布置的加热器施加电压，以将所述毛细管通道中的液体芳香材料加热到足够使所述液体芳香材料至少部分挥发的温度，以使所述芳香材料被驱出所述毛细管通道的出口并且形成芳香材料的气雾。
在另一个实施例中，提供了产生液体的气雾的方法。该方法包括通过经由毛细管作用从液体供给装置将液体抽吸到毛细管通道的一区域内来使将液体沿所述区域布置；根据功率周期沿所述区域的至少一部分重复施加热，每一个功率周期的热足够基本上使全部沿所述区域布置的所述液体挥发，以在所述功率周期过程中，使通过毛细管作用进行的液体抽吸中断，并且在每一个功率周期结束时，将沿所述区域布置的所述液体从被加热的所述区域排出；和将所述功率周期间隔开充分的时间间隔，以使得在功率周期之间，通过毛细管作用进行的所述液体抽吸恢复进行并再填充所述区域。
在又一个实施例中，提供了一种用于产生气雾化的液体材料的气雾发生器。该气雾发生器包括：毛细管通道，具有入口、出口和沿所述毛细管通道位于所述入口和出口之间的区域，所述区域能被加热；液体供给装置，用于将液体材料供到所述毛细管通道的入口，以通过毛细管作用被抽吸到所述毛细管通道的所述区域内；和电源，用于根据功率周期沿所述毛细管通道的所述区域的至少一部分重复施加热，以使布置在被加热的所述区域中的所述液体材料挥发，以便使得在所述功率周期过程中，通过毛细管作用进行的液体抽吸被中断，并且在每一个功率周期结束时，将沿所述区域布置的所述液体从被加热的区域排出，所述功率周期间隔开充分的时间间隔，以使得在功率周期之间，通过毛细管作用进行的液体抽吸恢复进行并再填充所述区域。
附图说明
图1是空气清新器的一个示例性实施例的图示。
图2是示例性控制电路的示意图。
图3A-3C显示了空气清新器的另一个示例性实施例和在此使用的毛细管通道的示例性实施例。
具体实施方式
本发明提供了一种用于产生与环境空气混合的气雾化芳香材料的空气清新器。该空气清新器包括：毛细管通道，具有入口和出口；液体供给装置，用于将液体芳香材料仅通过毛细管作用供到所述毛细管通道的入口；和电源，适于跨越沿所述毛细管通道布置的加热器施加电压，以将所述毛细管通道中的液体芳香材料加热到足够使所述毛细管通道中的液体芳香材料至少部分挥发的温度，以使所述芳香材料被驱出所述毛细管通道的出口并且与环境空气混合以形成气雾。
优选地，毛细管通道具有0.01到10mm的内径，优选0.05到1mm，更优选0.05到0.4mm，甚至更优选约0.05mm。替代地，毛细管通道优选具有8×10-5到80mm2的内横截面面积，优选0.002到0.8mm2，更优选0.002到0.05mm2，甚至更优选约0.002mm2。毛细管通道可任选地在毛细管通道的出口处具有减小的直径，或受限孔。例如，对于内径约0.15mm的毛细管通道，出口处的受限孔可具有约0.05mm的内径。
虽然不希望限于任何特定理论，但是毛细管通道出口处减小的直径(受限孔)被认为通过流体剪切机制产生气雾，其中，由于通过加热而在毛细管通道中形成的高压和液体芳香材料的至少部分挥发，毛细管通道中的液体芳香材料的大液滴被破碎为较小液滴，这提供了将液体和/或挥发的芳香材料排出毛细管通道的出口的驱动力。因此，由于加热液体芳香材料在毛细管通道中产生压力，该压力将液体芳香材料排出毛细管通道的出口，液体芳香材料可通过经过毛细管通道的直径减小的出口而被气雾化。
但是在大多数应用中，毛细管通道优选包括不具有受限端头的“直管”构型。
毛细管通道可具有约10到40mm的长度，例如约25mm。毛细管通道优选为不锈钢毛细管的内部，该不锈钢例如为304不锈钢，其通过连接到其的用于通过直流或交流电流的电引线而沿毛细管长度用作加热器。因此，不锈钢管通过电阻加热来被加热。不锈钢管优选横截面为圆形。该管可以是各种规格的皮下注射针。例如，32规格的针具有约0.11mm的内径，26规格的针具有0.26mm的内径。
但是，毛细管可以是任何能够进行电阻加热同时在该毛细管通道经受的工作温度下保持必要结构完整性、并且与液体芳香材料足够程度不反应的导电材料。这样的材料包括但是不限于不锈钢、INCONEL(镍铬铁合金)、金属复合物或其它金属和合金。
在另一个实施例中，毛细管通道可以是非金属管的内部，例如玻璃管的内部。在这样的实施例中，加热器，即能够进行电阻加热的导电材料，例如不锈钢、NICHROME(镍铬铁合金)或铂导线，沿玻璃管布置。当沿玻璃管布置的加热器被加热时，将毛细管通道中的液体芳香材料加热到足够使毛细管通道中的液体芳香材料至少部分挥发的温度。电引线可将加热器连接到电源。
用于施加电压的电源可包括电压源和两根电引线。电压源可以是直流电池。但是，交流的使用也可是有效的。在毛细管通道为不锈钢管的内部的使用情况下，电引线优选连接到沿所述管间隔开的位置，以供给电阻加热所述管的功率。
电源优选通过电引线将功率脉冲传送给毛细管加热器。所选电压决定着每一个脉冲中用于加热毛细管通道的能量数量。从电压源传递给毛细管通道的能量适用于欧姆定律。
V(电压)＝I(电流)·R(电阻) (1)
功率＝V·I＝V2/R (2)
优选地，液体供给装置具有排放孔。液体供给装置可包括仅通过毛细管作用将液体芳香材料从液体供给装置传送到毛细管通道的入口的芯。优选地，芯材料包括许多孔，并且这些孔用作毛细管通道，其使液体芳香材料被吸入其中，然后被吸入毛细管通道的入口。
虽然芯可由多种材料制成，但是优选多孔塑料芯。多孔塑料芯的示例为由超高分子量高密度聚乙烯(HDPE)构成的芯。这样的芯通常由颗粒形式的HDPE的共混物(blends)制成，并且该共混物研制成符合该芯的目标孔特性。优选地，聚合物的溶解度参数与液体芳香材料的显著不同，这防止芯发生膨胀或发生可能导致芯的孔尺寸和孔隙率变化的其它变化。
液体芳香材料可以是可被传送到毛细管通道来产生气雾化芳香材料的任何合适的液体芳香材料。例如，液体芳香材料可以是适用于商业空气清新器的任何市场上可得到的液体芳香材料。液体芳香材料优选为水基、醇基，例如甲醇或丙二醇基。
空气清新器的参数(例如毛细管通道的内径和/或形成毛细管通道的材料的热传递特性)的操纵可进行选择以控制加热器温度和物质中值粒子直径。而且，液体芳香材料的选择可影响加热器温度和气雾化材料的物质中值粒子直径。
另外，本发明提供了用于产生气雾化芳香材料的方法，其包括将液体芳香材料仅通过毛细管作用吸入毛细管通道的入口，并且周期性地跨越沿毛细管通道布置的加热器施加电压，来将毛细管通道中的液体芳香材料加热到足够使液体芳香材料至少部分挥发的温度，以将芳香材料驱出毛细管通道的出口。
在跨越沿毛细管通道布置的加热器施加电压，并且将芳香材料驱出毛细管通道的出口之后，毛细管通道冷却，并且仅通过毛细管作用再次再填充。毛细管通道再填充时间为毛细管通道的长度和直径以及芯和液体芳香材料的性能的函数。例如，对于25mm长、0.15mm内径的毛细管通道，再填充可在小于10秒内进行。因而，在毛细管通道冷却和吸入更多液体芳香材料之后，加热器再次由控制电路激发，该控制电路可用于周期性地跨越沿毛细管通道布置的加热器施加电压，以将毛细管通道中的液体芳香材料加热到足够使液体芳香材料至少部分挥发的温度，以将芳香材料驱出毛细管通道的出口。因此，重复脉冲式产生气雾化芳香材料的方法包括使芳香材料气雾化、冷却毛细管通道和重复填充和气雾化步骤。
重复脉冲式产生气雾化芳香材料的频率由毛细管通道再填充时间限制。因而，根据毛细管通道的长度和直径以及液体芳香材料，气雾化芳香材料可按每2到100秒的频率产生，可能至少一分钟一次，或频率更低，例如至少一小时一次或至少一天一次。为了使毛细管通道仅通过毛细管作用被有效地再填充，容纳在毛细管通道中的基本上全部液体芳香材料被驱出该毛细管通道，因而提供基本上干的毛细管通道。
空气清新器可以电源为电池的小型装置实现。替代地，电源可以是交流(AC)电源，例如AC插座，并且如果需要将AC转换到供给至该加热器的直流，则空气清新器可包括转换器。空气清新器可通过控制电路来操作，该控制电路用于将功率从电源以定时加热周期传送给加热器，以使液体芳香材料在毛细管通道的毛细管作用引导之后至少部分挥发。因而，控制电路控制跨越加热器施加电压以使芳香材料气雾化的情况。特别地，控制电路可控制跨越加热器施加电压以使芳香材料气雾化的频率。控制电路可自动控制使芳香材料重复脉冲式气雾化的频率。替代地，重复脉冲式产生气雾化芳香材料的频率可预设置或手动设置，其中控制电路根据预设或手动选择的频率来控制气雾化芳香材料的产生。如果需要，控制电路/电源可包括原电池和/或二次电池，优选原电池、包括超级电容器的电容器、电泵及其组合。超级电容器的使用可延长电池寿命和/或允许使用较少或较小的电池。
图1是空气清新器的一个示例性实施例的图示。液体供给装置10将液体芳香材料供到芯20，该芯20将液体芳香材料供到毛细管40的入口，毛细管40优选为不锈钢的并且具有出口45。电引线50附接到毛细管40，用于将电压供到毛细管40。电引线50连接到控制电路60，其调节供到毛细管40的功率。脉冲传送到毛细管40的功率引起挥发的液体芳香材料被周期性地驱出毛细管40的出45并且形成气雾。
图2是示例性控制电路的示意图，该控制电路包括用于毛细管(图2中的毛细管)的加热器和电引线(“Caplry+”和“Caplry-”)。这些引线可附接到沿不锈钢毛细管的间隔开的位置处，在该不锈钢毛细管中，液体芳香材料通过经过引线的脉冲功率被加热。虽然控制电路可由一个或多个电池供电，例如AA电池，但是图2的控制电路由一个电池B供电。控制电路优选包括主电源开关SW1，和微控制器U1，例如由Microchip制造的PIC12F675。图2中示出的微控制器U1具有未使用的输出2，3，5，7，其可根据控制电路的复杂性来使用。向空气清新器的加热器供电的定时优选通过微控制器的内部时钟设置。为了可调节定时，按钮开关可被按压一次或多次来设置气雾释放之间的时间间隔。显示例如设置时间间隔的信息的指示器LED也可由微控制器控制。场效应晶体管Q1，例如Si4876，用于在微控制器的控制下将功率切换到毛细管加热器。虽然能量可由电池直接传送给加热器，但是图2的控制电路具有包括超级电容器C1的电源，其以能量脉冲来将能量提供给毛细管加热器，即超级电容器将足够使毛细管通道中的液体芳香材料气雾化的脉冲能量释放给加热器。微控制器U1被预编程或手动设置定时周期，其持续时间比超级电容器C1充电所需时间短。图2中示出的控制电路的其它元件包括电容器C2和电阻器R1，R2，R3，R4。
在优选实施例中，毛细管通道设计成在毛细管通道的出口端处具有如共有的美国专利No.6,640,050中描述的受控温度曲线，该专利在此全文引入作为参考。在这样的实施例中(图3A)，入口和出口电极50具有低电阻，并且可由铜、银、金、铝等制成。串联连接在毛细管出口45和出口电极50之间的电阻丝70具有等于毛细管40的10％到30％的电阻(图3B)。当足够的电压施加到两电极50之间时，毛细管40和电阻丝70温度相对于电极50增加。通过毛细管40和电阻丝70的电阻的适当比率，毛细管40的温度将沿其长度线性增加，在出口45处最大，以提供被加热的毛细管的受控温度曲线。
空气清新器设计中的另一个考虑因素是压降。当毛细管40中的流体挥发时，产生压力。该压力可将毛细管40中的一些流体朝向液体供给装置10推回，减少总输出。在优选实施例中，优选在加热区域前在毛细管40的入口端47上具有限制部80(图3B)。限制部80成形为将毛细管40的横截面面积减小高达75％(例如25-75％)。任选地，限制部可以是设置在液体供给装置10和毛细管40之间的单独的孔85(图3C)。
来自空气清新器的输出取决于毛细管的数量、毛细管内部尺寸和激发频率。可能的实施例可具有多个平行的毛细管，其从公共液体供给装置或单独的液体供给装置(具有不同的芳香物质)抽吸流体。控制电路可顺序激发每一个毛细管，产生几乎连续的气雾输出。
期望空气清新器产生粒度尽可能小的气雾。Stokes定律可预测流体(例如空气或水)中小球的沉降速度。用于Stokes定律的方程是：w＝2(ρp-ρf)gr2/9μ，其中w为沉降速度，ρ为密度(下标p和f分别表示颗粒和流体)，g为重力加速度，r为颗粒半径，μ为流体的动力学粘度。下表示出了空气中从1到50微米的一系列粒度的沉降速度。
| 直径 | 沉降速度 |
| 微米 | cm/sec |
| 1 | 0.003 |
| 5 | 0.07 |
| 10 | 0.3 |
| 50 | 7.4 |
产生的气雾粒度优选小于5微米，并且更优选1到3微米。这使得颗粒沉降速度小于0.07cm/sec，使气雾长时间“悬浮”在空气中，由此促进在环境中的分布以及芳香物质的挥发。使用压缩气雾罐的空气清新器通常具有大于20微米的气雾粒度，因而空气清新作用的持续时间(悬浮时间)短得多。
在参照图3C对上面实施例进一步说明时，应意识到的是，毛细管40的位于电极50之间的区域形成沿毛细管40的被加热部分90(被加热区域)。优选地，被加热区域在与毛细管40的出口45(端头或分配端)相邻处终止。在功率周期开始时，该沿毛细管40的被加热部分90已经被填充以通过毛细管作用从液体供给装置10供给的液体。这样的毛细管作用供给可通过芯20或毛细管40的延长部或两者的结合进行。在功率周期过程中，液体被抽吸到被加热区域90内的任何倾向由已经在被加热区域90内的液体的挥发中断，并且优选沿毛细管40的被加热部分施加足够的能量来在功率周期结束时沿被加热区域90充分排空液体。所需能量易于通过获知沿毛细管40的被加热区域90所包含的液体的体积和进而质量、该液体质量的潜热加上所述体积/质量的比热以及增加的考虑偏差和损失的大约25％的余量来决定。这样的操作确保液体充分排空，并且液体不留在沿毛细管40的被加热区域90的任何位置处，以使加热区域90通过毛细管作用的供给可在功率周期完成后恢复，而不被阻碍。功率周期(液体气雾化)之间的时间由大于从液体供给装置10抽吸液体和再填充加热区域90的毛细管作用所需的时间的时间间隔开。
有利地，该系统实现加热的毛细管气雾产生而没有使机械抽吸设备复杂化。半连续的操作可通过操作来自公共液体供给装置10或单独的液体供给装置的多个毛细管通道，并且将控制器编程来以重复顺序依次操作毛细管而实现，定时和毛细管通道的数量足够使毛细管液体供给操作在用于给定毛细管通道的功率周期之间完成。
本发明的系统容易地适于排放芳香物质(空气清新剂等)、杀虫剂、农药、熏蒸剂、润滑剂、虫草害控制剂等。在静止的空气中，包括室内应用，与现有气雾化器相比较，由于本发明的气雾化器实现的小粒度而使得气雾颗粒的持续时间(悬浮时间)增加并且系统能够使用较少的液体材料产生更多的烟流，因此如本文所描述的气雾化系统特别有利。
虽然以上已经描述了多个实施例，但是应可理解，如对本领域技术人员显而易见的，可进行各种变型和修改。这样的变型形式和修改形式应认为落在所附权利要求的权限和范围内。
Claims (23)
1.一种用于产生气雾化液体芳香材料的空气清新器，包括：
毛细管通道，具有入口和出口；
液体供给装置，用于将液体芳香材料仅通过毛细管作用供到所述毛细管通道的入口；
电源，适于跨越沿所述毛细管通道布置的加热器施加电压，以将所述毛细管通道中的液体芳香材料加热到足够使所述毛细管通道中的液体芳香材料至少部分挥发的温度，以使所述液体芳香材料被驱出所述毛细管通道的出口并且形成气雾化的液体芳香材料；和
控制电路，所述控制电路用于从电源将功率在定时加热周期中传送到所述加热器，以在对毛细管通道进行毛细管填充之后使所述液体芳香材料至少部分挥发，
在所述液体供给装置和所述毛细管通道的被加热部分之间的流体路径包含横截面面积比所述毛细管通道横截面面积更小的限制部。
2.根据权利要求1所述的空气清新器，其中所述液体供给装置包括芯，所述芯将所述液体芳香材料传送到所述毛细管通道的入口。
3.根据权利要求2所述的空气清新器，其中所述芯包括多孔塑料芯。
4.根据权利要求1所述的空气清新器，其中所述毛细管通道在所述毛细管通道的出口处具有减小的直径。
5.根据权利要求4所述的空气清新器，其中所述毛细管通道在所述出口处具有受限孔，所述受限孔具有约0.05mm的直径。
6.根据权利要求5所述的空气清新器，其中所述毛细管通道具有0.05到0.4mm的内径和10到40mm的长度。
7.根据权利要求1所述的空气清新器，其中所述电源包括超级电容器，所述超级电容器将能量脉冲供给至所述加热器。
8.根据权利要求1所述的空气清新器，其中所述毛细管通道包括不锈钢管的内部或非金属管的内部。
9.根据权利要求1所述的空气清新器，其中所述限制部的横截面面积为所述毛细管通道的横截面面积的25%-75%。
10.一种产生液体的气雾的方法，包括：
通过利用毛细管作用从液体供给装置将液体抽吸到毛细管通道的一区域内来使液体沿所述区域布置，在所述液体供给装置和所述区域之间的流体路径包含横截面面积比所述毛细管通道横截面面积更小的限制部；
根据功率周期沿所述区域的至少一部分重复施加热，每一个功率周期的热足够基本上使全部沿所述区域布置的所述液体挥发，以在所述功率周期过程中，使通过毛细管作用进行的液体抽吸中断，并且在每一个功率周期结束时，将沿所述区域布置的所述液体从被加热的所述区域排出；和
利用控制电路将所述功率周期间隔开充分的时间间隔，以使得在功率周期之间，利用毛细管作用进行的所述液体抽吸恢复进行并再填充所述区域。
11.根据权利要求10所述的方法，包括周期性地从电池或交流能源施加电压或周期性地从超级电容器施加电压。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：
将所述液体芳香材料从液体供给装置抽吸到芯中；和
将所述液体芳香材料从所述芯抽吸到所述毛细管通道的入口。
13.根据权利要求10所述的方法，其中加热所述液体芳香材料在所述毛细管通道中产生压力，该压力将所述液体芳香材料排出位于所述毛细管通道的出口处的受限孔。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述功率周期间隔开一定时间间隔来在再填充所述区域之前使所述区域冷却。
15.根据权利要求14所述的方法，包括使所述毛细管通道在小于10秒内冷却。
16.根据权利要求14所述的方法，包括每2到100秒产生气雾化的芳香物质。
17.根据权利要求14所述的方法，包括至少每小时一次产生气雾化的芳香材料。
18.根据权利要求14所述的方法，包括周期性地从超级电容器施力口电压。
19.根据权利要求10所述的方法，其中挥发的液体排放到开放的空气中。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述开放的空气在建筑物中的房间内。
21.根据权利要求10所述的方法，其中毛细管区域在通过毛细管作用进行再填充之前是干的。
22.根据权利要求10所述的方法，其中所述施加的热大于沿所述区域布置的液体材料质量的潜热加上液体质量的比热之和。
23.根据权利要求22所述的方法，其中被加热的所述区域长度为10到40mm。
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