專利名稱：脈沖靜電霧化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及靜電霧化器。它們可應(yīng)用于許多領(lǐng)域，例如燃料供應(yīng)、藥物輸送中的液體溶液的供應(yīng)、室內(nèi)噴灑中的化妝品液劑和其他合成溶液的供應(yīng)。本申請中闡述的本發(fā)明并不限于這些特定應(yīng)用中的任何一種，而是旨在適用于落入本說明書最后所包括的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的任意霧化器。
背景技術(shù)：
霧化器的許多應(yīng)用都需要對待霧化的流體進(jìn)行流控制。因此為了在這些領(lǐng)域中使用靜電霧化器，就需要經(jīng)脈寬調(diào)制的靜電霧化。為了實現(xiàn)高級別霧化，需要對充電區(qū)域中的流體施加高壓電勢。如果流體流停止，則所施加的高電勢會導(dǎo)致流體的電擊穿，從而引起貫穿該流體的電弧，這是有害的，會產(chǎn)生流體離解、電極受損、積碳和充電電勢的損耗。
現(xiàn)有技術(shù)中的最新文獻(xiàn)是在公開時轉(zhuǎn)讓給了Robert Bosch GmbH的美國專利No.5,234,170(SCHIRMER等)，該文獻(xiàn)教示了利用燃料噴射閥來控制從噴射器輸出的燃料流，同時閥針的位置觸發(fā)了靜電對位于噴射器的孔附近的充電區(qū)域的作用。提供用于流體的靜電充電的電力是如該現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中所示的機(jī)械地進(jìn)行ON/OFF切換的直流電源。該現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的流體噴射由于流體慣性而會使靜電充電的突然瞬時啟動產(chǎn)生延時。當(dāng)噴射器閥針首先從其在所示的燃料噴射系統(tǒng)中的底座升起時，空氣將趨向于首先填充該充電區(qū)域，并且只有當(dāng)流壓力差足夠時才會產(chǎn)生流體流。因此，這種設(shè)計的噴射器有可能在流體充電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生有害的電弧或放電。此外，該現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的靜電霧化器不具備其脈沖啟動可以根據(jù)不同介質(zhì)條件而改變的流和靜電控制裝置。
其他現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)給出了被構(gòu)造和控制用于使霧化過程中的擊穿(breakdown)最小化的噴射器。同樣轉(zhuǎn)讓給Robert Bosch GmbH的US5,297,738(LEHR等)沒有構(gòu)想任意脈寬調(diào)制電荷或脈寬調(diào)制流的使用。該現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)試圖通過使用機(jī)械渦管(swirl conduit)來降低電極電勢而限制電擊穿。因此，該現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)建議主要通過機(jī)械裝置而非電子裝置來控制擊穿。
在US 2,227,465和US 6,206,307(ARNOLD J.KELLY等)中，給出了一種被控制用于試圖通過使充電電勢最大化來使霧化最大化而不會出現(xiàn)長時間擊穿的噴射器。這主要是通過使所施加的充電電壓進(jìn)行on/off變化或在高壓值的周期內(nèi)變化而實現(xiàn)的。沒有建議對實際的流進(jìn)行脈沖化。尤其沒有提及相對于電荷的施加而精確地控制所述流的控制裝置。這些實施例關(guān)注于解決與穩(wěn)態(tài)流中的長時間擊穿有關(guān)的問題。也沒有提及以相結(jié)合的(conjoin)方式對所述流和充電電壓進(jìn)行控制。
上述現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)都沒有提供通過霧化的啟動來實現(xiàn)圖1b所示類型的霧化的啟動的解決方案。這些現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)都無法避免主要是脈寬調(diào)制的靜電系統(tǒng)中的電擊穿。

發(fā)明內(nèi)容
在第一廣義獨立方面，本發(fā)明提供了一種靜電霧化器，該靜電霧化器包括終止于一個或更多個孔的流體通道；用于控制從所述孔輸出的流體流的裝置；用于對流體進(jìn)行充電以使得該流體在從所述孔或各個孔輸出時霧化，其中該霧化器還包括自動使所述流產(chǎn)生“on”和“off”脈沖的控制裝置，以及自動使充電電壓的施加產(chǎn)生“on”和“off”脈沖的控制裝置，“on”流脈沖和“on”充電脈沖被設(shè)定為基本上彼此一致，所述控制裝置對充電電壓“on”/“off”進(jìn)行電切換。
這種構(gòu)造尤其有利，因為其使得可以在流脈沖的過程中或結(jié)束時通過啟動實現(xiàn)高級別的霧化。該構(gòu)造還具有使電擊穿最小化的優(yōu)點。經(jīng)改善的霧化當(dāng)然會降低形成大液滴的風(fēng)險，而使霧化的流體均勻散布。在燃料燃燒應(yīng)用中，導(dǎo)致大液滴形成的條件造成對噴射器的過度污染和損傷，而利用本發(fā)明的構(gòu)造可以避免或極大地緩解這些情況。
在根據(jù)本發(fā)明的第一廣義獨立方面的補(bǔ)充方面中，所述控制裝置被構(gòu)造成使得在所述流體流脈沖啟動之后立即啟動所述充電脈沖。這種非常規(guī)順序造成了流相對于電荷的施加在啟動時刻方面的相對差異。這將提供經(jīng)改善的霧化，同時緩解或消除在各個脈沖的啟動脈沖處的有害放電的風(fēng)險。
在另一補(bǔ)充方面中，所述控制裝置被構(gòu)造成使得剛好在所述流體流脈沖終止之前終止所述充電脈沖。這種非常規(guī)的事件順序也有助于避免流體流脈沖的后期階段的電擊穿。
在另一補(bǔ)充方面中，各個脈沖啟動或各個脈沖終止之間的定時差異小于100毫秒。這樣，可以產(chǎn)生有利的霧化，同時可以通過該霧化器實現(xiàn)高頻流體流脈沖。
在另一補(bǔ)充方面中，所述控制裝置使得所述充電脈沖由振蕩形成。這種構(gòu)造還使得高壓電荷供應(yīng)可以非常迅速地開始和結(jié)束。
在另一補(bǔ)充方面中，所述振蕩的頻率范圍是10-50KHz?？梢栽谶@種范圍的振蕩內(nèi)實現(xiàn)特別高級的可靠操作。
充電脈沖也可以經(jīng)過脈寬調(diào)制。
在另一補(bǔ)充方面中，所述控制裝置使得可以應(yīng)用可變脈沖寬度(duration)。這種相對于現(xiàn)有技術(shù)的獨特特征使得靜電霧化器可以在更多種應(yīng)用中使用，同時保留了以上參照本發(fā)明前述方面所討論的優(yōu)點。
在另一補(bǔ)充方面中，所述控制裝置使得可以應(yīng)用可變脈沖頻率。這在本發(fā)明的上下文中是獨特的特征，這將使得霧化器可以在現(xiàn)有技術(shù)中所想到的以外的更多應(yīng)用中使用。
在另一補(bǔ)充方面中，所述脈沖頻率的范圍是2個脈沖(shot)到1KHz。
在根據(jù)本發(fā)明的第二廣義獨立方面中，提供了一種靜電霧化器，該靜電霧化器包括終止于一個或更多個孔的流體通道；用于控制從所述孔輸出的流體流的裝置；用于對流體進(jìn)行充電以使得該流體在從所述孔或各個孔輸出時霧化的裝置，其中用于控制流體流的所述裝置被構(gòu)造用于在ON和OFF之間產(chǎn)生脈沖，以允許從所述孔或各個孔輸出流，或者防止從所述孔或各個孔輸出流，并且設(shè)置了用于在霧化器孔流為OFF的情況下從電荷施加的位置使流體流動的裝置。
這使得可以施加穩(wěn)態(tài)靜電電荷和流體流，以進(jìn)行靜電充電。在這種構(gòu)造中，所施加的電荷會在流體的流動階段耗散。因此，霧化將會在所述流被導(dǎo)向所述孔時立即發(fā)生，而無需精確的時間脈沖啟動階段。因此，從流的啟動到結(jié)束獲得的流將會是圖1b所示的類型。
根據(jù)以上方面中的任意一個的任一補(bǔ)充方面，電荷施加的位置和流控制裝置緊鄰，并且流控制閥位于孔的外部。這種構(gòu)造將會改善流和靜電施加脈沖的定時，從而會實現(xiàn)經(jīng)改善的霧化。
在另一補(bǔ)充方面中，所述流控制裝置包括閥，該閥與用于對流體進(jìn)行充電的所述裝置的電極相結(jié)合，并且所述霧化器的孔位于大致圓形的囊(sac)中，所述電極的末端具有基本類似的形狀，從而所述電極的所述末端適配在所述圓形囊內(nèi)部。靜電霧化器中的常規(guī)方法是使用圓錐形電極，因此其與該圓形囊不匹配。這種構(gòu)造會進(jìn)一步改善對于特定應(yīng)用的霧化。
在另一補(bǔ)充方面中，所述流控制裝置包括閥，并且用于對流體進(jìn)行充電的所述裝置的電極用作該閥的底座，在所述充電電極和具有孔的用作第二電極的壁之間的底座下面形成有充電區(qū)域。這種構(gòu)造將改善對于流和靜電脈沖的控制。


圖1示出了兩幅照片A和B，均示出了流啟動之后0.3ms的流體流。1A示出了無靜電電荷的流，而1B示出了從所述孔輸出的在流啟動之后立即施加了靜電電荷的流。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的霧化器，該霧化器具有剛好在靜電充電區(qū)域之前的流體控制閥。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的緊鄰用于對閥底座下面的元件進(jìn)行充電的區(qū)域的流體流控制閥。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的霧化器，該霧化器具有位于噴射器外部的流體流控制閥。
圖5a和5b以流程圖方式總結(jié)示出了圖2、3和4的實施例。
圖6示出了脈沖頻率和脈寬調(diào)制霧化器的操作的第一方法。
圖7示出了脈沖頻率和脈寬調(diào)制霧化器的操作的第二方法。
圖8a和8b示出了參照圖6和7所述的操作的第一和第二模式方法的控制圖。
圖9示出了具有下述通道的霧化器(本發(fā)明的第四實施例)，該通道用于在流體流控制被關(guān)閉時使得從充電室輸出的流體流動。
圖10是表示圖9的實施例的操作的流程圖。
圖11示出了圖9的實施例的控制方面。
具體實施例方式
圖1a示出了沒有按照本發(fā)明的方式施加高電壓的燃料噴射。該噴射最初為狹窄筆直的帶，并且在噴射的最遠(yuǎn)末端為很大的單個液滴。該圖片是在流開始從孔輸出之后0.3ms拍攝的。
圖1b示出了由于利用了本發(fā)明的控制裝置而在流啟動之后0.3ms具有高度霧化的噴射。下面將詳細(xì)說明可以實現(xiàn)圖1b中所示的這種霧化的實施例的詳情。
圖2示出了具有還用作接地電極的外殼2的總稱為1的噴射器。流體或燃料入口位于噴射器上方，從而流體可以輸入到該噴射器中。外殼2內(nèi)設(shè)置有將接地電極2與靜電電極5分離的絕緣層4。絕緣層4內(nèi)設(shè)置有閥針(valve pintle)6，該閥針6的位置由螺線管7和驅(qū)動該螺線管的操作的控制裝置進(jìn)行控制。對電極5和螺線管7的操作的進(jìn)行控制的處理裝置在圖中未示出，但是將在本說明書的后面進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)討論。橫穿該絕緣層設(shè)置有電極連接器8和9，電極連接器8和9分別用于將螺線管7連接至適當(dāng)?shù)奶幚硌b置以及將電極5連接到電流源。
閥針6被構(gòu)造成在可在窄通道10內(nèi)朝向或遠(yuǎn)離電極5(用作閥底座)位移，從而當(dāng)螺線管使得閥針覆蓋孔11時可以防止從流體/燃料通道輸出該流。當(dāng)螺線管被通電時，該閥針可以從其底座升起(如圖中所示)，從而使得燃料可以經(jīng)由孔11通過。
靜電電極5可以包括申請人自己的在先專利申請PCT/GB2004/000458中給出的那種具有小面的(faceted)元件的陣列，在此通過引用并入該專利申請的內(nèi)容。
在電極點的小面層(faceted layer)的下方，在電極5、絕緣層4和諸如附圖標(biāo)記13的排出孔(discharge orifice)的陣列之間形成有靜電充電區(qū)域14。
圖3示出了具有與圖2所示噴射器類似的特征的噴射器。為簡便起見，相同特征保留了相同附圖標(biāo)記。圖3的閥也使用螺線管操作的閥針。然而，閥針15被修改為向內(nèi)徑向地包住靜電電極16。電極16終止于大致圓形末端，從而基本上與圓形的多孔囊17匹配。
在本實施例中，閥底座由接地電極2形成，該接地電極2具有被設(shè)計為與閥針15的錐形部分相對應(yīng)的錐形區(qū)域17A，使得當(dāng)閥針停靠在接地電極的錐形部分上時，燃料流為“off”。如參照圖2所討論的，當(dāng)螺線管被通電時，該閥針從圖3所示的位置升起，從而使得錐形部分之間的流可以進(jìn)入位于靜電電極16與孔囊17之間的靜電充電區(qū)域18內(nèi)。本發(fā)明還考慮到了該閥針可以與電極同軸地但獨立地進(jìn)行動作。
圖4示出了總稱為19的噴射器中的本發(fā)明的另一實施例。噴射器19從噴射器的側(cè)部輸入諸如燃料的流體，該燃料沿該噴射器向下通過燃料通道20，并且向下進(jìn)入到形成在外殼電極22、絕緣材料23和靜電電極24之間的靜電充電區(qū)域21中。靜電電極24位于噴射器的中心，并且圓柱末端從絕緣材料向外延伸。靜電電極的整個突出部分被例如由鉆石陣列形成的緊密相鄰的靜電點的陣列所覆蓋。
在噴射器的殼外設(shè)置有流體流控制閥25，流體流控制閥25可以在燃料噴射排放孔26上適當(dāng)轉(zhuǎn)動或滑動，以控制從噴射器輸出的流。
圖5a中示出了圖2和圖3中所示的實施例的操作的一個方面，其中，這兩個圖中的流體流控制閥都剛好位于靜電充電區(qū)域之前。這種緊密靠近的設(shè)置有許多優(yōu)點，尤其是在脈沖靜電噴射應(yīng)用方面。
圖5b示出了與諸如圖4所示的系統(tǒng)中的流體流控制閥相對的靜電充電元件的布置，其中靜電充電區(qū)域剛好位于噴射器內(nèi)的流體流控制器的前面。
圖6示出了時間脈沖線，其中脈沖流基本上與高壓的脈沖施加相一致。下面將參照圖8b進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明的處理裝置可以利用高壓脈沖的頻率來改變流的頻率。該處理裝置還可以用來先后改變流和高壓的脈沖寬度。
該處理裝置可以被設(shè)置為在流脈沖啟動之后小于1微秒時啟動高壓脈沖。流的啟動應(yīng)理解為在克服了初始慣性之后實際流的移動。尤其是在流開始通過靜電室而移動時。流的啟動不應(yīng)簡單理解為閥的打開。根據(jù)本發(fā)明的特別有利的實施例，在實際流開始進(jìn)入該室或從孔輸出之后1微秒時施加高壓。
流和高壓的控制都依賴于存儲在用于特定操作條件的引擎控制單元(ECU)中的信息。ECU針對給定噴射器結(jié)構(gòu)來估計諸如燃料壓力、燃料類型、燃料溫度、引擎溫度和燃燒室壓力的特征以及流延遲時間，以便閥針或其他流量閥在對開始通過靜電室的流施加高壓之前充分升起。ECU可以具有詳細(xì)的查找表，用于隨著使用中操作特性的改變而修改閥針動作與電荷施加之間的時間。
此外，流脈沖的終止可以在高壓脈沖終止之后1微秒以內(nèi)發(fā)生。
在該具體實施例中，高壓脈沖是直流脈沖。圖7示出了利用高頻振蕩電壓脈沖的可能性。高壓振蕩器的頻率優(yōu)選地被設(shè)定在10到100KHz之間。
圖8a中示出了用于實現(xiàn)振蕩高壓脈沖的控制電路，該控制電路使用高壓調(diào)節(jié)器來對振蕩高壓脈沖進(jìn)行“on”和/或“off”切換。
圖8b示出了可用來實現(xiàn)圖6中所示的那種直流高壓脈沖的特定控制裝置。高壓開關(guān)將控制用于霧化的直流電壓的施加。圖8a和8b中的引擎控制單元(ECU)都被設(shè)定用于控制流和高壓調(diào)節(jié)器和/或高壓開關(guān)，以實現(xiàn)流脈沖和高壓施加的基本一致。
圖9示出了總稱為27的另一噴射器，其具有與參照圖4所示相同的特征。為便于說明，為相同的特征提供了相同的附圖標(biāo)記。主要差別在于設(shè)置了流體輸出流管28，該流體輸出流管28在流體流控制閥為“off”時允許流體通過入口管29進(jìn)入，從而通過充電區(qū)域21流動并且經(jīng)由流體返回管28和30輸出。當(dāng)流體按照這種方式流動時，其上的電荷會丟失。然而，仍然在充電區(qū)域21處以連續(xù)的級別施加電荷。當(dāng)閥25在(ON)階段打開時，高度充電的流體立即通過孔26以最優(yōu)的霧化輸出。
圖10示出了圖9的實施例的操作模式的流程圖。被充電成分(element)可以在流體流控制閥打開時從孔輸出，或者在流控制閥關(guān)閉時流動并被提交給壓力調(diào)節(jié)閥。
圖11示出了圖9的實施例的脈沖線。燃料流在單個脈沖期間(即，通過流體返回管或通過孔輸出時)為穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)流量閥打開時，出現(xiàn)了通過流體返回管的受限流。自始至終施加了高壓。流量閥實現(xiàn)了從其打開時到每個脈沖結(jié)束為止的霧化噴射。
權(quán)利要求
1.一種靜電霧化器，該靜電霧化器包括終止于一個或更多個孔的流體通道；用于控制從所述孔輸出的流體流的裝置；用于對流體進(jìn)行充電以使得該流體在從所述孔或各個孔輸出時霧化的裝置，其中該霧化器還包括自動使所述流產(chǎn)生“ON”和“OFF”脈沖的控制裝置以及自動使充電電壓的施加產(chǎn)生“ON”和“OFF”脈沖的控制裝置，“ON”流脈沖和“ON”充電脈沖被設(shè)置為基本上彼此一致，所述控制裝置對所述充電電壓的“ON”/“OFF”進(jìn)行電切換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電霧化器，其中，所述控制裝置被構(gòu)造為使得在所述流脈沖啟動之后立即啟動所述充電脈沖。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任意一項所述的靜電霧化器，其中，所述控制裝置被構(gòu)造為使得剛好在所述流脈沖終止之前終止所述充電脈沖。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任意一項所述的靜電霧化器，其中，各個脈沖啟動之間或各個脈沖終止之間的定時差小于100毫秒。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任意一項所述的靜電霧化器，其中，所述控制裝置使得所述充電脈沖由振蕩形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的靜電霧化器，其中，所述振蕩的頻率范圍是10到50KHz。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任意一項所述的靜電霧化器，其中，所述控制裝置使得可以應(yīng)用可變脈沖寬度。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任意一項所述的靜電霧化器，其中，所述控制裝置使得可以應(yīng)用可變脈沖頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的靜電霧化器，其中，所述脈沖頻率的范圍是2個脈沖到1KHz。
10.一種靜電霧化器，該靜電霧化器包括終止于一個或更多個孔的流體通道；用于控制從所述孔輸出的流體流的裝置；用于對流體進(jìn)行充電以使得該流體在從所述孔或各個孔輸出時霧化的裝置，其中用于控制所述流體流的所述裝置被構(gòu)造用于在ON和OFF之間產(chǎn)生脈沖，以允許從所述孔或各個孔輸出流，或者防止從所述孔或各個孔輸出流，并且設(shè)置了用于在霧化器孔的流為OFF的情況下從電荷施加的位置使流體流動的裝置。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任意一項所述的靜電霧化器，其中，所述電荷施加的位置和所述流控制裝置緊鄰，并且在所述孔的外部設(shè)置有流控制閥。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電霧化器，其中，所述流控制裝置包括閥，該閥與用于對流體進(jìn)行充電的所述裝置的電極相結(jié)合，并且所述霧化器的所述孔位于大致圓形的囊中，所述電極的末端具有基本相同的末端形狀，從而所述電極的所述末端適配在所述圓形的囊內(nèi)部。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電霧化器，其中，所述流控制裝置包括閥，并且用于對流體進(jìn)行充電的所述裝置的電極用作該閥的底座，在所述充電電極和具有孔的用作第二電極的壁之間的底座下面形成有充電區(qū)域。
14.一種基本上如以上參照所附文本和/或附圖的任意適當(dāng)組合所描述的和/或在所附文本和/或附圖的任意適當(dāng)組合中所說明的靜電霧化器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種脈沖靜電霧化器。該靜電霧化器包括終止于一個或更多個孔的流體通道；用于控制從所述孔輸出的流體流的裝置；用于對流體進(jìn)行充電以使得該流體在從所述孔或各個孔輸出時霧化的裝置，其中該霧化器還包括自動使所述流產(chǎn)生“ON”和“OFF”脈沖的控制裝置以及自動使充電電壓的施加產(chǎn)生“ON”和“OFF”脈沖的控制裝置，“ON”流脈沖和“ON”充電脈沖被設(shè)置為基本上彼此一致，所述控制裝置對充電電壓的“ON”/“OFF”進(jìn)行電切換。
文檔編號B05B5/00GK101027133SQ200580032202
公開日2007年8月29日 申請日期2005年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月25日
發(fā)明者杰弗里·艾倫, 保羅·巴塞洛繆·雷文希爾 申請人:賽昂噴霧有限公司