专利名称：脉冲静电雾化器的制作方法
技术领域：
本发明涉及静电雾化器。它们可应用于许多领域，例如燃料供应、药物输送中的液体溶液的供应、室内喷洒中的化妆品液剂和其他合成溶液的供应。本申请中阐述的本发明并不限于这些特定应用中的任何一种，而是旨在适用于落入本说明书最后所包括的权利要求的范围内的任意雾化器。
背景技术：
雾化器的许多应用都需要对待雾化的流体进行流控制。因此为了在这些领域中使用静电雾化器，就需要经脉宽调制的静电雾化。为了实现高级别雾化，需要对充电区域中的流体施加高压电势。如果流体流停止，则所施加的高电势会导致流体的电击穿，从而引起贯穿该流体的电弧，这是有害的，会产生流体离解、电极受损、积碳和充电电势的损耗。
现有技术中的最新文献是在公开时转让给了Robert Bosch GmbH的美国专利No.5,234,170(SCHIRMER等)，该文献教示了利用燃料喷射阀来控制从喷射器输出的燃料流，同时阀针的位置触发了静电对位于喷射器的孔附近的充电区域的作用。提供用于流体的静电充电的电力是如该现有技术文献中所示的机械地进行ON/OFF切换的直流电源。该现有技术文献的流体喷射由于流体惯性而会使静电充电的突然瞬时启动产生延时。当喷射器阀针首先从其在所示的燃料喷射系统中的底座升起时，空气将趋向于首先填充该充电区域，并且只有当流压力差足够时才会产生流体流。因此，这种设计的喷射器有可能在流体充电区域内产生有害的电弧或放电。此外，该现有技术文献的静电雾化器不具备其脉冲启动可以根据不同介质条件而改变的流和静电控制装置。
其他现有技术文献给出了被构造和控制用于使雾化过程中的击穿(breakdown)最小化的喷射器。同样转让给Robert Bosch GmbH的US5,297,738(LEHR等)没有构想任意脉宽调制电荷或脉宽调制流的使用。该现有技术的系统试图通过使用机械涡管(swirl conduit)来降低电极电势而限制电击穿。因此，该现有技术文献建议主要通过机械装置而非电子装置来控制击穿。
在US 2,227,465和US 6,206,307(ARNOLD J.KELLY等)中，给出了一种被控制用于试图通过使充电电势最大化来使雾化最大化而不会出现长时间击穿的喷射器。这主要是通过使所施加的充电电压进行on/off变化或在高压值的周期内变化而实现的。没有建议对实际的流进行脉冲化。尤其没有提及相对于电荷的施加而精确地控制所述流的控制装置。这些实施例关注于解决与稳态流中的长时间击穿有关的问题。也没有提及以相结合的(conjoin)方式对所述流和充电电压进行控制。
上述现有技术文献都没有提供通过雾化的启动来实现图1b所示类型的雾化的启动的解决方案。这些现有技术系统都无法避免主要是脉宽调制的静电系统中的电击穿。
发明内容
在第一广义独立方面，本发明提供了一种静电雾化器，该静电雾化器包括终止于一个或更多个孔的流体通道；用于控制从所述孔输出的流体流的装置；用于对流体进行充电以使得该流体在从所述孔或各个孔输出时雾化，其中该雾化器还包括自动使所述流产生“on”和“off”脉冲的控制装置，以及自动使充电电压的施加产生“on”和“off”脉冲的控制装置，“on”流脉冲和“on”充电脉冲被设定为基本上彼此一致，所述控制装置对充电电压“on”/“off”进行电切换。
这种构造尤其有利，因为其使得可以在流脉冲的过程中或结束时通过启动实现高级别的雾化。该构造还具有使电击穿最小化的优点。经改善的雾化当然会降低形成大液滴的风险，而使雾化的流体均匀散布。在燃料燃烧应用中，导致大液滴形成的条件造成对喷射器的过度污染和损伤，而利用本发明的构造可以避免或极大地缓解这些情况。
在根据本发明的第一广义独立方面的补充方面中，所述控制装置被构造成使得在所述流体流脉冲启动之后立即启动所述充电脉冲。这种非常规顺序造成了流相对于电荷的施加在启动时刻方面的相对差异。这将提供经改善的雾化，同时缓解或消除在各个脉冲的启动脉冲处的有害放电的风险。
在另一补充方面中，所述控制装置被构造成使得刚好在所述流体流脉冲终止之前终止所述充电脉冲。这种非常规的事件顺序也有助于避免流体流脉冲的后期阶段的电击穿。
在另一补充方面中，各个脉冲启动或各个脉冲终止之间的定时差异小于100毫秒。这样，可以产生有利的雾化，同时可以通过该雾化器实现高频流体流脉冲。
在另一补充方面中，所述控制装置使得所述充电脉冲由振荡形成。这种构造还使得高压电荷供应可以非常迅速地开始和结束。
在另一补充方面中，所述振荡的频率范围是10-50KHz。可以在这种范围的振荡内实现特别高级的可靠操作。
充电脉冲也可以经过脉宽调制。
在另一补充方面中，所述控制装置使得可以应用可变脉冲宽度(duration)。这种相对于现有技术的独特特征使得静电雾化器可以在更多种应用中使用，同时保留了以上参照本发明前述方面所讨论的优点。
在另一补充方面中，所述控制装置使得可以应用可变脉冲频率。这在本发明的上下文中是独特的特征，这将使得雾化器可以在现有技术中所想到的以外的更多应用中使用。
在另一补充方面中，所述脉冲频率的范围是2个脉冲(shot)到1KHz。
在根据本发明的第二广义独立方面中，提供了一种静电雾化器，该静电雾化器包括终止于一个或更多个孔的流体通道；用于控制从所述孔输出的流体流的装置；用于对流体进行充电以使得该流体在从所述孔或各个孔输出时雾化的装置，其中用于控制流体流的所述装置被构造用于在ON和OFF之间产生脉冲，以允许从所述孔或各个孔输出流，或者防止从所述孔或各个孔输出流，并且设置了用于在雾化器孔流为OFF的情况下从电荷施加的位置使流体流动的装置。
这使得可以施加稳态静电电荷和流体流，以进行静电充电。在这种构造中，所施加的电荷会在流体的流动阶段耗散。因此，雾化将会在所述流被导向所述孔时立即发生，而无需精确的时间脉冲启动阶段。因此，从流的启动到结束获得的流将会是图1b所示的类型。
根据以上方面中的任意一个的任一补充方面，电荷施加的位置和流控制装置紧邻，并且流控制阀位于孔的外部。这种构造将会改善流和静电施加脉冲的定时，从而会实现经改善的雾化。
在另一补充方面中，所述流控制装置包括阀，该阀与用于对流体进行充电的所述装置的电极相结合，并且所述雾化器的孔位于大致圆形的囊(sac)中，所述电极的末端具有基本类似的形状，从而所述电极的所述末端适配在所述圆形囊内部。静电雾化器中的常规方法是使用圆锥形电极，因此其与该圆形囊不匹配。这种构造会进一步改善对于特定应用的雾化。
在另一补充方面中，所述流控制装置包括阀，并且用于对流体进行充电的所述装置的电极用作该阀的底座，在所述充电电极和具有孔的用作第二电极的壁之间的底座下面形成有充电区域。这种构造将改善对于流和静电脉冲的控制。
图1示出了两幅照片A和B，均示出了流启动之后0.3ms的流体流。1A示出了无静电电荷的流，而1B示出了从所述孔输出的在流启动之后立即施加了静电电荷的流。
图2示出了根据本发明第一实施例的雾化器，该雾化器具有刚好在静电充电区域之前的流体控制阀。
图3示出了根据本发明第二实施例的紧邻用于对阀底座下面的元件进行充电的区域的流体流控制阀。
图4示出了根据本发明第三实施例的雾化器，该雾化器具有位于喷射器外部的流体流控制阀。
图5a和5b以流程图方式总结示出了图2、3和4的实施例。
图6示出了脉冲频率和脉宽调制雾化器的操作的第一方法。
图7示出了脉冲频率和脉宽调制雾化器的操作的第二方法。
图8a和8b示出了参照图6和7所述的操作的第一和第二模式方法的控制图。
图9示出了具有下述通道的雾化器(本发明的第四实施例)，该通道用于在流体流控制被关闭时使得从充电室输出的流体流动。
图10是表示图9的实施例的操作的流程图。
图11示出了图9的实施例的控制方面。
具体实施例方式
图1a示出了没有按照本发明的方式施加高电压的燃料喷射。该喷射最初为狭窄笔直的带，并且在喷射的最远末端为很大的单个液滴。该图片是在流开始从孔输出之后0.3ms拍摄的。
图1b示出了由于利用了本发明的控制装置而在流启动之后0.3ms具有高度雾化的喷射。下面将详细说明可以实现图1b中所示的这种雾化的实施例的详情。
图2示出了具有还用作接地电极的外壳2的总称为1的喷射器。流体或燃料入口位于喷射器上方，从而流体可以输入到该喷射器中。外壳2内设置有将接地电极2与静电电极5分离的绝缘层4。绝缘层4内设置有阀针(valve pintle)6，该阀针6的位置由螺线管7和驱动该螺线管的操作的控制装置进行控制。对电极5和螺线管7的操作的进行控制的处理装置在图中未示出，但是将在本说明书的后面进行进一步的详细讨论。横穿该绝缘层设置有电极连接器8和9，电极连接器8和9分别用于将螺线管7连接至适当的处理装置以及将电极5连接到电流源。
阀针6被构造成在可在窄通道10内朝向或远离电极5(用作阀底座)位移，从而当螺线管使得阀针覆盖孔11时可以防止从流体/燃料通道输出该流。当螺线管被通电时，该阀针可以从其底座升起(如图中所示)，从而使得燃料可以经由孔11通过。
静电电极5可以包括申请人自己的在先专利申请PCT/GB2004/000458中给出的那种具有小面的(faceted)元件的阵列，在此通过引用并入该专利申请的内容。
在电极点的小面层(faceted layer)的下方，在电极5、绝缘层4和诸如附图标记13的排出孔(discharge orifice)的阵列之间形成有静电充电区域14。
图3示出了具有与图2所示喷射器类似的特征的喷射器。为简便起见，相同特征保留了相同附图标记。图3的阀也使用螺线管操作的阀针。然而，阀针15被修改为向内径向地包住静电电极16。电极16终止于大致圆形末端，从而基本上与圆形的多孔囊17匹配。
在本实施例中，阀底座由接地电极2形成，该接地电极2具有被设计为与阀针15的锥形部分相对应的锥形区域17A，使得当阀针停靠在接地电极的锥形部分上时，燃料流为“off”。如参照图2所讨论的，当螺线管被通电时，该阀针从图3所示的位置升起，从而使得锥形部分之间的流可以进入位于静电电极16与孔囊17之间的静电充电区域18内。本发明还考虑到了该阀针可以与电极同轴地但独立地进行动作。
图4示出了总称为19的喷射器中的本发明的另一实施例。喷射器19从喷射器的侧部输入诸如燃料的流体，该燃料沿该喷射器向下通过燃料通道20，并且向下进入到形成在外壳电极22、绝缘材料23和静电电极24之间的静电充电区域21中。静电电极24位于喷射器的中心，并且圆柱末端从绝缘材料向外延伸。静电电极的整个突出部分被例如由钻石阵列形成的紧密相邻的静电点的阵列所覆盖。
在喷射器的壳外设置有流体流控制阀25，流体流控制阀25可以在燃料喷射排放孔26上适当转动或滑动，以控制从喷射器输出的流。
图5a中示出了图2和图3中所示的实施例的操作的一个方面，其中，这两个图中的流体流控制阀都刚好位于静电充电区域之前。这种紧密靠近的设置有许多优点，尤其是在脉冲静电喷射应用方面。
图5b示出了与诸如图4所示的系统中的流体流控制阀相对的静电充电元件的布置，其中静电充电区域刚好位于喷射器内的流体流控制器的前面。
图6示出了时间脉冲线，其中脉冲流基本上与高压的脉冲施加相一致。下面将参照图8b进行进一步详细说明的处理装置可以利用高压脉冲的频率来改变流的频率。该处理装置还可以用来先后改变流和高压的脉冲宽度。
该处理装置可以被设置为在流脉冲启动之后小于1微秒时启动高压脉冲。流的启动应理解为在克服了初始惯性之后实际流的移动。尤其是在流开始通过静电室而移动时。流的启动不应简单理解为阀的打开。根据本发明的特别有利的实施例，在实际流开始进入该室或从孔输出之后1微秒时施加高压。
流和高压的控制都依赖于存储在用于特定操作条件的引擎控制单元(ECU)中的信息。ECU针对给定喷射器结构来估计诸如燃料压力、燃料类型、燃料温度、引擎温度和燃烧室压力的特征以及流延迟时间，以便阀针或其他流量阀在对开始通过静电室的流施加高压之前充分升起。ECU可以具有详细的查找表，用于随着使用中操作特性的改变而修改阀针动作与电荷施加之间的时间。
此外，流脉冲的终止可以在高压脉冲终止之后1微秒以内发生。
在该具体实施例中，高压脉冲是直流脉冲。图7示出了利用高频振荡电压脉冲的可能性。高压振荡器的频率优选地被设定在10到100KHz之间。
图8a中示出了用于实现振荡高压脉冲的控制电路，该控制电路使用高压调节器来对振荡高压脉冲进行“on”和/或“off”切换。
图8b示出了可用来实现图6中所示的那种直流高压脉冲的特定控制装置。高压开关将控制用于雾化的直流电压的施加。图8a和8b中的引擎控制单元(ECU)都被设定用于控制流和高压调节器和/或高压开关，以实现流脉冲和高压施加的基本一致。
图9示出了总称为27的另一喷射器，其具有与参照图4所示相同的特征。为便于说明，为相同的特征提供了相同的附图标记。主要差别在于设置了流体输出流管28，该流体输出流管28在流体流控制阀为“off”时允许流体通过入口管29进入，从而通过充电区域21流动并且经由流体返回管28和30输出。当流体按照这种方式流动时，其上的电荷会丢失。然而，仍然在充电区域21处以连续的级别施加电荷。当阀25在(ON)阶段打开时，高度充电的流体立即通过孔26以最优的雾化输出。
图10示出了图9的实施例的操作模式的流程图。被充电成分(element)可以在流体流控制阀打开时从孔输出，或者在流控制阀关闭时流动并被提交给压力调节阀。
图11示出了图9的实施例的脉冲线。燃料流在单个脉冲期间(即，通过流体返回管或通过孔输出时)为稳定状态。当流量阀打开时，出现了通过流体返回管的受限流。自始至终施加了高压。流量阀实现了从其打开时到每个脉冲结束为止的雾化喷射。
权利要求
1.一种静电雾化器，该静电雾化器包括终止于一个或更多个孔的流体通道；用于控制从所述孔输出的流体流的装置；用于对流体进行充电以使得该流体在从所述孔或各个孔输出时雾化的装置，其中该雾化器还包括自动使所述流产生“ON”和“OFF”脉冲的控制装置以及自动使充电电压的施加产生“ON”和“OFF”脉冲的控制装置，“ON”流脉冲和“ON”充电脉冲被设置为基本上彼此一致，所述控制装置对所述充电电压的“ON”/“OFF”进行电切换。
2.根据权利要求1所述的静电雾化器，其中，所述控制装置被构造为使得在所述流脉冲启动之后立即启动所述充电脉冲。
3.根据以上权利要求中的任意一项所述的静电雾化器，其中，所述控制装置被构造为使得刚好在所述流脉冲终止之前终止所述充电脉冲。
4.根据以上权利要求中的任意一项所述的静电雾化器，其中，各个脉冲启动之间或各个脉冲终止之间的定时差小于100毫秒。
5.根据以上权利要求中的任意一项所述的静电雾化器，其中，所述控制装置使得所述充电脉冲由振荡形成。
6.根据权利要求5所述的静电雾化器，其中，所述振荡的频率范围是10到50KHz。
7.根据以上权利要求中的任意一项所述的静电雾化器，其中，所述控制装置使得可以应用可变脉冲宽度。
8.根据以上权利要求中的任意一项所述的静电雾化器，其中，所述控制装置使得可以应用可变脉冲频率。
9.根据权利要求8所述的静电雾化器，其中，所述脉冲频率的范围是2个脉冲到1KHz。
10.一种静电雾化器，该静电雾化器包括终止于一个或更多个孔的流体通道；用于控制从所述孔输出的流体流的装置；用于对流体进行充电以使得该流体在从所述孔或各个孔输出时雾化的装置，其中用于控制所述流体流的所述装置被构造用于在ON和OFF之间产生脉冲，以允许从所述孔或各个孔输出流，或者防止从所述孔或各个孔输出流，并且设置了用于在雾化器孔的流为OFF的情况下从电荷施加的位置使流体流动的装置。
11.根据以上权利要求中的任意一项所述的静电雾化器，其中，所述电荷施加的位置和所述流控制装置紧邻，并且在所述孔的外部设置有流控制阀。
12.根据权利要求1所述的静电雾化器，其中，所述流控制装置包括阀，该阀与用于对流体进行充电的所述装置的电极相结合，并且所述雾化器的所述孔位于大致圆形的囊中，所述电极的末端具有基本相同的末端形状，从而所述电极的所述末端适配在所述圆形的囊内部。
13.根据权利要求1所述的静电雾化器，其中，所述流控制装置包括阀，并且用于对流体进行充电的所述装置的电极用作该阀的底座，在所述充电电极和具有孔的用作第二电极的壁之间的底座下面形成有充电区域。
14.一种基本上如以上参照所附文本和/或附图的任意适当组合所描述的和/或在所附文本和/或附图的任意适当组合中所说明的静电雾化器。
全文摘要
本发明提供了一种脉冲静电雾化器。该静电雾化器包括终止于一个或更多个孔的流体通道；用于控制从所述孔输出的流体流的装置；用于对流体进行充电以使得该流体在从所述孔或各个孔输出时雾化的装置，其中该雾化器还包括自动使所述流产生“ON”和“OFF”脉冲的控制装置以及自动使充电电压的施加产生“ON”和“OFF”脉冲的控制装置，“ON”流脉冲和“ON”充电脉冲被设置为基本上彼此一致，所述控制装置对充电电压的“ON”/“OFF”进行电切换。
文档编号B05B5/00GK101027133SQ200580032202
公开日2007年8月29日 申请日期2005年9月22日 优先权日2004年9月25日
发明者杰弗里·艾伦, 保罗·巴塞洛缪·雷文希尔 申请人:赛昂喷雾有限公司