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GEBIET DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell das Gebiet des Versprühens von
Flüssigkeiten
in Aerosol-Form. Insbesondere betrifft sie Geräte zum Verteilen eines flüssigen Wirkstoffs
wie bspw. eine Parfums, Luftauffrischers, Insektizid-Ansatzes oder anderen
Stoffs in Form feinster Teilchen oder Tröpfchen – bspw. als Sprühnebel – mittels
einer piezoelektrischen Einrichtung. Insbesondere richtet die Erfindung
sich auf ein piezoelektrisches Flüssigkeit-Ausgabesystem zum
Erzeugen von Flüssigkeitströpfchen oder
-suspensionen mittels eines elektromechanischen oder elektroakustischen
Elements. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung eine batteriegespeiste
piezoelektrische Ausgabevorrichtung mit einer Lochplatte, die in
Strömungsverbindung
mit einem piezoelektrischen Element steht. Es hat sich herausgestellt,
dass durch Verbinden der Lochplatte mit dem schwingenden piezoelektrischen
Element nach einem Lötverfahren – an Stelle
des üblichen
Klebens – der
Leistungsabfall beim piezoelektrischen Versprühen, d.h. der Abfall der Abgaberate
sich vermeiden lässt.
Dies ist besonders wertvoll beim Versprühen von Parfumen und Duftölen, die
die normalen Klebstoffe insbesondere beim schnellem Biegen bzw. Schwingen
angreifen.
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STAND DER TECHNIK
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Das
Verteilen von Flüssigkeiten
durch Ausbilden eines feinteiligen Sprühnebels ist bekannt. Ein solches
Verteilungsverfahren besteht darin, eine Flüssigkeit mittels akustischer
Vibrationen zu zerstäuben,
die man mit einem piezoelektrischen Ultraschallschwinger erzeugt.
Ein hierfür
beispielhafte Verfahren geht aus der
US-PS
4 702 418 (Carter) hervor, in der eine Aerosol-Abgabevorrichtung
eine Düsenkammer
zur Aufnahme einer auszugebenden Flüssigkeit und eine Membran als
Teil der Kammer aufweist. In der Kammer ist eine Aerosol-Ausgabedüse mit einem
eingeschnürten
Durchlass angeordnet, durch den Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter der
Düse zugeführt wird.
Ein Impulsgenerator im Kombination mit einer Niederspannungsquelle
dient zum Antrieb eines piezoelektrischen Biegeelements, das Flüssigkeit
aus dem Vorratsbehälter
durch die Düse
treibt und so einen Aerosol-Sprühnebel
erzeugt.
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Eine
andere Sprüh-
bzw. Zerstäubereinrichtung
lehrt die
US-PS 5 518179 (Humberstone
u.a.), in der eine Vorrichtung zum Erzeugen von Flüssigkeitströpfchen eine
Membran aufweist, die von einem Wirkelement in Schwingungen versetzt
wird, einen dünnwändigen Verbundaufbau
besitzt und im Biegemodus arbeiten kann. Die Flüssigkeit wird einer Oberfläche der
Membran direkt zugeführt
und von dieser, wenn sie schwingt, in Form feiner Tröpfchen abgeworfen.
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Die
US-PS 5 297 734 (Toda) lehrt
Ultraschall-Zerstäuber
mit piezoelektrischen Schwingern, mit denen eine Schwingplatte mittels
eines leitfähigen
Klebstoffs verbunden ist. Diese Patentschrift beschreibt die Schwingplatte
als eine große
Anzahl winziger Löcher
aufweisend, durch die die Flüssigkeit hindurchtreten
kann.
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Die
US-PS 5 586 550 (Ivri u.a.)
lehrt eine Vorrichtung zum Ausgeben therapeutischer Flüssigkeiten
mit einem in Schwingungen versetzbaren, nicht ebenen Element mit
verjüngten Öffnungen,
dem Flüssigkeit
zugeführt
wird, indem man einen Vorratsbehälter
so quetscht, dass sie diekt auf der Oberfläche deponiert wird, wobei die
gesamte Flüssigkeit durch
ihr Oberflächenspannung
am Schwingelement haftet. Das piezoelektrische Element ist mit einem schwingenden,
frei auskragenden Träger
verklebt, mit dem die Schwingungen auf eine Trägerplatte und ein dünnes, nicht
ebenes Schalenelement übertragen
werden, um die mit diesem in Berührung
stehende Flüssigkeit
zu zerstäuben.
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Die
US-PS 4 479 609 (Maeda u.a.)
offenbart einen Flüssigkeitszerstäuber mit
einem Ultraschall-Schwinger, einer Vorratskammer für Flüssigkeit
und einem Absorber, mit dem Flüssigkeit
aus der Kammer dem Schwinger zuführbar
ist. Das elektrostriktive Element ist mittels eines leitfähigen Klebstoffs
mit dem Metall-Horn verbunden. Die
US-PS
4 533 082 (Machara u.a.) lehrt eine Anordnung zum Ausgeben
von Flüssigkeitströpfchen,
bei der ein piezoelektrischer Wandler an einem schwingenden Element
befestigt ist, um das Verdrängen
der Flüssigkeit durch
eine Düsenöffnung hindurch
zu bewirken. Dabei ist eine axial schwingende Scheibe mit einem ringförmigen piezoelektrischen
Wandler aus polarisierter Keramik verklebt. Die
US-PS 4 530 464 (Yamamoto) zeigt einen
Allzweck-Zerstäuber
bspw. für Brenner
und Drucker, bei dem ein piezoelektrischer Wandler eine Lochplatte
in Schwingungen versetzt. Die Druckschrift offenbart eine Flüssigkeitszufuhr zum
unteren Teil einer abgesetzten Mulde. Ein flaches Plättchen ist
im umlaufenden Randbereich auf einen Absatz in der Muldenwandung
gelötet.
Das Plättchen
enthält
in einem Mittenbereich Öffnungen. Auf
dem Plättchen
liegt eine piezoelektrische Keramikscheibe mit einer mittigen Öffnung auf.
Die Platte ist in das Gehäuse
ein- und das piezoelektrische Element mit dem Plättchen verlötet. Die mittige Öffnung im
piezoelektrischen Element legt die Öffnungen im Plättchen frei.
Diese Vorrichtung erfordert eine komplexe Anordnung von Resist-Masken,
um das Abfließen
von Lot in Bereiche zu verhindern, wo es nicht benötigt wird.
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Die
US-PS 4 308 546 (Halasz)
zeigt eine Tintenstrahl-Druckspitzenanordnung mit einer Glas-Farbdüse, die
von einem zylindrischen piezoelektrischen Element umgeben ist. Der
Raum zwischen der Glasdüse
und dem piezoelektrischen Element enthält ein Ankermedium. Zahlreiche
Niedertemperatur-Lote sind als für
den Einsatz als "Ankermedium" geeignet beschrieben – einschl.
einer Legierung aus 38,14 % Blei und 61,86 % Zinn mit einem Schmelzpunkt
von 183 °C.
Die Beschreibung stellt allgemein fest, dass ein Ankermedium eingesetzt werden
sollte, das unter der Depolarisierungstemperatur des piezoelektrischen
Elements – typisch
300 °F =
149°C – schmilzt;
ein Erwärmen
eines piezoelektrischen Element über
die Depolarisierungstemperatur könne
ein Neupolarisieren des Elements erfordern.
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Derartige
Zerstäuber
und/oder Ausgabevorrichtungen stellen kein System bereit, in dem
eine auszugebende Flüssigkeit
der schwingenden Mechanik/Oberfläche
zugeführt
wird, ohne Korrosion, ein Anlösen
der Wirkflüssigkeit
oder ein Klebeversagen an der Verbindungsstelle des piezoelektrischen Elements
und der Lochplatte zu bewirken – insbesondere
wenn die Wirkflüssigkeiten – bspw.
Parfums oder Insektizide – bei
hohen Schwingfrequenzen einen hohen Aktivitätsquotienten zeigen. Insbesondere ist
aus dem Stand der Technik auch keine problemlos tragbare, batteriegespeiste
und für
den Dauerbetrieb geeignete Ausgabevorrichtung bekannt, die eine
keramischen piezoelektrischen Element verlötete Lochplatte aufweist und
bei geringer oder keiner Schwankung der Abgaberate über längere Zeiträume betreibbar
ist. Es besteht also Bedarf für
en verbessertes Verfahren zum Verbinden piezoelektrischer Wandler
mit Lochplatten oder anderen Elementen piezoelektrischer Zerstäubers.
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DIE ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine höchst wirkungsvoll, gleichmäßig und
zuverlässig
arbeitende Ausgabevorrichtung für
flüssige
Wirkstoffe anzugeben, die eine Lochplatte aufweist, die an einem
piezoelektrischen Keramikelement befestigt ist. Die Erfindung ist
hier zwar als ein piezoeletrisches Keramikelement aufweisend beschrieben;
sie ist hierauf jedoch nicht eingeschränkt; sie erstreckt sich auch
auf andere piezoelektrische Stoffe mit den für den Einsatz geeigneten Eigenschaften
sowie Beständigkeit
bei den beim Verbinden der Elemente durch Löten auftretenden Temperaturen. "Flüssige Wirkstoffe" sind dabei zu verstehen
als Flüssigkeiten wie
Parfums, Luftauffrischer, Haushaltreiniger, Desinfektionsmittel,
Insektizide und Insekten abweisende Mittel, Aromatherapie-Ansätze, Medikamente,
therapeutische oder andere Flüssigkeiten
oder flüssige Suspensionen,
deren Anwendung durch Zerstäuben unterstützt wird.
Diese Zusammensetzungen können wässrig sein
oder verschiedene Lösungsmittel
aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
das piezoelektrische Flüssigkeit-Ausgabesystem
problemlos tragbar, batteriegespeist und auf zweckmäßige Weise
mit dem gleichen oder einem anderen flüssigen Wirkstoff auffüllbar.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine piezoelektrische Pumpe
anzugeben, die über
Monate mit Niederspannungsbatterien wirkungsvoll arbeiten kann und
dabei ihre Ausgabewirkung über
die gesamte Nutzungsdauer beibehält.
Dabei soll ein piezoelektrische Zerstäuber angegeben werden, der
mit Stromquellen wie 9V-, A-, AA-,AAA-, C-, D- und Knopfzellen,
Uhrenbatterien und Solarzellen bzw. Sonnenenergie speisbar ist.
Die für
die, vorliegende Erfindung bevorzugten Stromquellen sind AA- und AAA-Zellen.
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Nach
einem anderen Ziel soll ein Flüssigkeit-Ausgabesystem
bereit gestellt werden, mit dem sich Duftöle oder Insektizid-Ansätze zeitlich
linear zerstäuben
lassen, wobei diese am letzten Tag den gleichen Charakter/die gleiche
Zusammensetzung zeigen wie am ersten, d.h. ohne Komponentenänderung
oder -trennung im Zeitverlauf. Die Elektronik einer solchen Einheit
ist vorzugsweise programmierbar und kann dem Benutzer dazu dienen,
eine präzise Ausgaberate
(bspw. in Milligramm pro Stunde, mg/h) oder die Intensität auf ein
bestimmtes Niveau oder einen bestimmten Wirkungsgrad, wie es/er
auf persönlich
bevorzugt ist, oder auf die Raumgröße einzustellen.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist, kleine Tröpfchen aus
reinem Duftstoff oder Insektizid-Ansatz bereit zu stellen, die die
Vorrichtung intermittierend als "Wölkchen" ausstößt, wobei
die Tröpfchen
sich mit Luftströmen,
die in einem größeren Bereich
vorliegen, rasch verteilen und mitbewegen. Es hat sich herausgestellt,
dass die Kleinheit solcher Tröpfchen
und das entsprechend große
Verhältnis
Oberfläche/Masse
zu einem schnellen und gleichmäßigen Verdunsten
der Tröpfchen
führen.
In bevorzugten Ausführungsformen
arbeitet das Ausgabesystem mit einer einzigen 1,5V-AA-Batterie mehrere
Monate mit linearer Ausgaberate und gibt über die gesamt Zeitspanne gleichmäßige Volumen
von im wesentlichen gleich großen
Tröpfchen
der Flüssigkeit aus.
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Diese
und andere Ziele der Erfindung lassen sich erreichen mit einer piezoelektrischen
Ausgabevorrichtung für
Duftstoffe, Insektizidansätze
und andere hoch wirksame Flüssigkeiten,
die eine Kammer für
die auszugebende Flüssigkeit,
eine Einrichtung zum Zuführen
der Flüssigkeit
aus der Kammer zu einer aufgewölbten
Lochplatte zwecks Verteilung der Flüssigkeit sowie ein piezoelektrisches
Keramikelement aufweist, wobei letzteres mit der Lochplatte an deren
Umfangsflansch verlötet
ist, um eine einer herkömmlichen
Verklebung überlegene
Verbindung zu erreichen.
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Der
Duftstoff bzw. Insektizidansatz wird der Rückseite der Lochplatte durch
ein Kapillar-Speisesystem zugeführt,
das die Flüssigkeit
in Oberflächenspannung-Kontakt mit der Platte
zuführt,
ohne die Schwingungen zu dämpfen,
mit der sie vom piezoelektrischen Element erregt wird. Das piezoelektrische Element
wird mit einer kleinen Batterie angetrieben, die das Element erregen
und es dazu zwingen kann, Flüssigkeit
durch die Lochplatte zu drücken,
die eine Vielzahl kleiner verjüngter
bzw. konischer Löcher
enthält,
die rechtwinklig zu deren Oberfläche
verlaufen, wobei die Austrittsöffnung
dieser Löcher
einen Durchmesser von größenordnungmäßig 6 μm hat. Mit
einer Zeitsteuerschaltung wird das piezoelektrische Element intermittierend
erregt, um die Flüssigkeit
zeitabhängig
in Tröpfchenform
auszugeben und zu verteilen. Wegen des Wesens der zerstäubten Flüssigkeiten,
d.h. des Vorliegens von organischen Komponenten oder Lösungsmittel
in den Duftölen und/oder
Insektizidansätzen,
hat sich erwiesen, dass herkömmliche
Verfahren zum Verkleben der Lochplatte mit dem auskragenden Metall-Träger eines herkömmlichen
piezoelektrischen Antriebs nicht adäquat waren. Herkömmliche
Klebstoffe bauen im Kontakt mit Duftölen mit der Zeit stark ab,
wobei dieser Abbau vermutlich von den Biegekräften, die bei der piezoelektrischen
Vibration auftreten, noch beschleunigt wird. Um dieses Problem zu
beseitigen, wurde ein Lötverfahren
unter Verwendung von Blei-/Zinn-Lot entwickelt. Zusätzlich hat
sich ergeben, dass die aufgewölbte
Lochplatte sich am umlaufenden Rand direkt an ein piezoelektrisches
Keramikelement ansetzen lässt;
ein zusätzliches
Element wie ein auskragender Träger
oder eine Metall-Verstärkerplättchen kann
entfallen.
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Diese
und noch andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung, die jedoch nur bevorzugten
Ausführungsformen
gilt. Zum vollen Umfang der Erfindung wird auf die Ansprüche verwiesen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine isometrische Teilansicht einer Schaltungsplatine für einen
piezoelektrischen Zerstäuber
nach einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
eine isometrische Darstellung eines Flüssigkeitsbehälters und
einer Transporteinrichtung, mit der die Flüssigkeit an die Oberfläche der Lochplatte
bringbar ist;
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3 zeigt
als Schnitt die Zuordnung des Flüssigkeitsbehälters, der
Speiseeinrichtung und des piezoelektrischen Elements;
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4 zeigt
eine vergrößerte Einzelheit
im Kreis der 3;
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5 zeigt
von oben das piezoelektrische Element und die Schaltungsplatine
auf das Chassis einer bevorzugten Ausführungsform montiert;
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6 zeigt
als stark vereinfachten Schnitt eine piezoelektrische Pumpe für eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt
in einer ausführlichen
Detaildarstellung eines Teils der 6 die aufgewölbte Lochplatte
in Strömungsverbindung
mit einem piezolelektrischen Keramikelement, wobei die Elemente
erfindungsgemäß miteinander
verlötet
sind; und
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8 zeigt
eine piezoelektrische Ausgabeanordnung mit Ausleger von der Seite.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Während die 1 bis 6 spezieller
auf eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung gerichtet sind, zeigen die 7 und 8 allgemeiner den
vollen Umfang der vorliegenden Erfindung, bei der das piezoelektrische
Element auf eine Weise mit der Lochplatte verbunden ist, die sich
von der herkömmlichen
Praxis des Durchschnittsfachmanns unterscheidet.
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Die 1 zeigt
den allgemeinen Zusammenhang zwischen einer Schaltungsplatine 1 mit dem
piezoelektrischen Element 2, das in ihr angeordnet ist.
Die Schaltungsplatine 1 ist zur Klarheit und zum leichteren
Verständnis
der Erfindung ohne die zugehörige
Elektronik und Batterie gezeigt. Auch ist einzusehen, dass die Schaltungsplatine
im Einsatz an das Chassis einer Ausgabevorrichtung an- und diese
ihrerseits zum Einsatz in ein dekoratives Gehäuse bzw. eine Aufnahme (nicht
gezeigt) eingesetzt. Die Chassisplatte 11 ist in der Draufsicht
ohne das Gehäuse
in 5 gezeigt. Das dekorative Gehäuse kann in beliebiger Form
oder Gesalt ausgeführt
sein, die zum Haltern der Elemente der Ausabevorrichtung geeignet
ist , während
sie dem Benutzer ein gefälliges Äußeres bietet
und einen Durchgang der Flüssigkeit
in Form eines Sprühnebels
aus der Ausgabevorrichtung an die Umluft gestattet. Das Gehäuse selbst
kann mit Vorteil aus einem beliebigen Werkstoff geformt sein, der
für den
Einsatz mit der und die Berührung
durch die auszugebende Flüssigkeit
geeignet ist.
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Das
piezoelektrische Element 2 kann in die Schaltungsplatine 1 eingesetzt
sein und wird von einem Ring 4 oder dergl. Durchführungslement,
das seine Schwingungen nicht behindert, in der Solllage gehalten.
Das piezoelektrische Element 2 in Form eines Ringes ist
konzentrisch mit der Lochplatte 3 angeordnet und am Flansch
derselben so befestigt, dass seine Schwingungen auf sie übergehen.
Das piezoelektrische Keramikelement ist allgemein eine Piezo-Keramik wie Bleizirconat
(PZT) oder Bleimetaniobat (PN); es kann aber aus einem beliebigen
Material mit piezoelektrischen Eigenschaften bestehen. Das piezoelektrische
Keramikelement ist auf die im Folgenden dargestellte Weise mit de
Lochplatte verbunden.
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Die
Lochplatte weist ein beliebiges herkömmliches, für den Einsatzzweck geeignetes
Material auf, besteht aber vorzugsweise aus einer galvanisch aufgebrachten
Nickel-Cobalt-Zusammensetzung auf einem Photoresist-Substrat, das
danach auf herkömmliche
Weise entfernt wird; es verbleibt dann eine gleichmäßige poröse Nickel-Cobalt-Struktur
mit etwa 10 μm
bis etwa 100 μm,
vorzugsweise etwa 20 μm
bis etwa 80 μm
und am besten etwa 50 μm
Dicke. Andere geeignete Werkstoffe für die Lochplatte können eingesetzt
werden – bspw.
Nickel, Magnesium-Zircon-Legierung, verschiedene andere Metalle, Legierungen,
Verbunde oder Kunststoffe einzeln oder in Kombination. Auch andere
geeignete Werkstoffe sind einsetzbar, die geeignete Korngrößen und Benetzungseigenschaften
aufweisen. Indem man die Nickel-Cobalt-Schicht galvanisch ausbildet,
lässt sich eine
poröse
Struktur in den Konturen des Photoresist-Substrats erstellen, deren
Durchlässigkeit
durch Ausbilden von konischen Löchern
mit etwa 6 μm Durchmesser
auf der Austrittsseite und einem größeren Durchmesser auf der Zuströmseite erreicht
wird. Die Lochplatte kann ebenflächig
sein, ist aber vorzugsweise aufwärts
gewölbt,
d.h. in der Mitte geringfügig
angehoben, und kann in der Gestalt von flach bis parabolisch, kreisbogenförmig oder
halbkugelig variieren. Die Platte sollte eine verhältnismäßig hohe Biegesteife
aufweisen, um zu gewährleisten,
dass die Öffnungen
in ihr durchweg der gleichen Schwingungsamplitude ausgesetzt sind
und sie so Flüssigkeitströpfchen mit
konstantem Durchmesser abwirft. Ggf. kann die Lochplatte zum Korrosionsschutz
auch mit Stoffen wie Gold, Silber und Platin beschichtet sein.
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Die 2 zeigt
den Flüssigkeitsbehälter 5 zur
Aufnahme und Bereitstellung des Duftstoffs, Luftauffrischers, Insektenbekämpfungsmittels
oder anderen auszugebenden Stoffs. Wie gezeigt, ist der Behälter von
einem abnehmbaren, vorzugsweise aufrast- oder aufschraubbaren Verschluss 8 verschlossen.
Ebenfalls dargestellt sind Bajonettspangen 6 zum Haltern
einer abnehmbaren Kappe (nicht gezeigt), die beim Versand und Lagern
des Behälters eingesetzt
wird und sich problemlos entfernen lässt, wenn der Behälter in
die Ausgabevorrichtung eingesetzt werden und sein Inhalt ausgegeben
werden soll. Aus der Flaschenmündung 9 und
durch den Verschluss 8 hindurch steht die Flüssigkeit-Zufuhreinrichtung 7 vor,
d.h. ein zu einem Bogen gelegter Docht oder ein aufgewölbtes Flüssigkeit-Speisemedium.
Aus Gründen
der Zweckmäßigkeit
soll die Flüssigkeit-Zufuhreinrichtung
durchgehend als Docht bezeichnet werden, obgleich es sich um eine
Anzahl unterschiedlicher Formen und Werkstoffe – von Kapillarsystemen aus
Hartplastik bis zu weichen porösen
Dochten – handeln
kann. Die Funktion des Dochts ist, Flüssigkeit aus dem Behälter 5 an
eine Stelle zu fördern,
an der er die Lochplatte berührt. Folglich
sollte der Docht von der geförderten
Flüssigkeit
unbeeinflusst und porös
sein und sollte er sich der Lochplatte anpassen können. Die
Porosität
des Dochts sollte ausreichen, um über seinen Biegsamkeitsbereich
und in jeder möglichen
Gestalt einen gleichmäßigen Zustrom
von Flüssigkeit
zu gewährleisten.
Um die Flüssigkeit
zur Oberfläche
der Lochplatte zu fördern,
hat es sich als erforderlich erwiesen, dass der Docht die Platte
körperlich
berührt,
um die Flüssigkeit
an sie weiterzugeben. Der Lochplatte wird die Flüssigkeit vorzugsweise so zugeführt, dass sie
in ihrer Gesamtheit durch die Oberflächenspannung an der Plattenoberfläche haftet
und auf sie übergeht.
Unter den geeigneten Dochtmaterialien haben sich solche wie Papier
(bspw. Filterpapier) oder Baumwoll-, Nylon-, Polypropylen-, Glasfaser- oder dergl. Gewebe
als bevorzugt herausgestellt. Vorzugsweise handelt es sich um ein
hochporöses Material
mit einer Porosität
und Weichheit ähnlich
denen eines Filterpapiers oder Gewebes. Ein bevorzugtes Dochtmaterial
weist ein 100%-Baumwollgewebe auf, wie es die Fa. Spring Industries
als Breitgewebe ("broadcloth
weave") mit einem
Fadenzählung
von 68 × 68
und einer Dichte von etwa 7,2 g pro 100 square inches liefert. Der
bevorzugte Bogen bzw. Docht ist vorzugsweise 0,125 inch breit, 2,75
inches lang und 0,01 inches dick. Die bevorzugte Bogenhöhe über dem
Dochthalter beträgt
vorzugsweise etwa 0,05 bis etwa 0,15 inches, obgleich die Bogenhöhe abhängig von
der Konstruktion des Flüssigkeitsbehälters, Dochthalters
und Zerstäubers
ist. Der Docht kann vorzugsweise so geformt sein, dass er sich der ihm
zugewandten Oberfläche
der Lochplatte anpasst; er wird in der Solllage von einem Dochthalter 10 gehalten,
der sich in der Flaschenmündung 9 des Verschlusses 8 des
Flüssigkeitsbehälters 5 befindet. In
Folge ihrer Viscosität
und Oberflächenspannung fließt die Flüssigkeit
problemlos vom Docht zur Lochplatte. Es sei darauf hingewiesen,
dass der Docht als integraler Bestandteil einer Flüssigkeit-Nachfülleinheit
vorgesehen sein soll, die den Behälter, die Flüssigkeit,
den Flaschenverschluss, den Docht und den Dochthalter sowie eine
Kappe aufweist, die die Einheit zur Lagerung und zum Versand abschließt. Eine solche
Einheit kann also für
die Ausgabevorrichtung eine Nachfüllflasche darstellen, die nach
Wunsch des Benutzers in die Ausgabevorrichtung einsetzbar ist. Hierzu
kann der Flüssigkeitsbehälter 5 am
Flaschenverschluss 8 eine Ansetzeinrichtung 16 aufweisen, die
nach dem Entfernen des Außenverschlusses bzw.
der Kappe in eine geeignete Fassung im Chassis 11 einfahrbar
ist, um in de Arbeitsstellung versperrt zu werden. Der Docht lässt sich
jedoch auch als integraler Bestandteil der Lochplatte, des Chassis oder
eines anderen Zerstäuberteils
vorsehen, wobei Einrichtungen – bspw.
Dochtansätze – vorgesehen sind,
um die Flüssigkeit
im Behälter
in den Kontakt mit dem Docht zu bringen.
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Die 3 zeigt
im Schnitt die Zuordnung des Flüssigkeitsbehälters 5 zum
Docht 7, dem piezoelektrischen Element 2 und der
Lochplatte 3 in einer speziell bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Das piezoelektrische Element 2 ist in der
Schaltungsplatine 1 bspw. mit Durchführungen 4 oder beliebigen geeigneten
Einrichtungen angeordnet, die seine Schwingungen nicht behindern.
In einer bevorzugten Ausführungsform
umgibt das ringförmige
piezoelektrische Element die Lochplatte 3 in mechanischer
Verbindung mit ihr. Die Lochplatte ist ihrerseits dem Docht 7 so
zugewandt, dass der Fluss der auszugebenden Flüssigkeit aus dem Behälter 5 zur
Lochplatte möglich
ist, wo die Übergabe
in Folge der Oberflächenspannung
erfolgt. Nicht gezeigt ist hier die Chassisplate 11 der
Ausgabevorrichtung, die die Schaltungsplatine 1 und den
Flüssigkeitsbehälter in
der Solllage hält,
um den Docht 7 an die Lochplatte 3 heran zu bringen.
Der Docht 7 wird in der Öffnung des Verschlusses 8 vom
Dochthalter 10 gehalten, der dem biegsamen und hoch anpassungsfähigen Docht 7 eine
gewisse Bewegungsfreiheit und so einen gewissen Einstellbereich
verleiht, während
der Dochtansatz 15 ein vollständiges Aufbrauchen der gesamten
Flüssigkeit
im Behälter 5 gewährleistet.
Diese Bewegungsfreiheit erlaubt ein selbsttätiges Nachstellen des Dochts
relativ zur Oberfläche
der Lochplatte, um Änderungen
der Position aus Fertigungstoleranzen und Transportzuständen auszugleichen,
und stellt eine nachgiebige Speiseeinrichtung zur Übergabe der
Flüssigkeit
aus dem Behälter
an die Lochplatte bereit. Wie für
den Fachmann einzusehen ist, lässt die
Höhe des
Dochts – vergl. 3 und 4 – sich einstellen,
um den Flüssigkeitsspalt 14 zu
variieren, wie in den 4 und 6 gezeigt,
und ein geeignetes Ausmaß des
Kontakts zwischen Docht und Platte zu gewährleisten. Eine ausführlichere
Darstellung der Zuordnung des Dochts zum Lochplatte folgt aus der 4,
einer vergrößerten Einzelheit
(vergl. den Kreis) in 3); sie zeigt den zu einem Bogen
gelegten Docht und die Platte in durchgehender Berührung über den
vollen Wölbungsbogen
der Lochplatte. Es ist einzusehen, dass diese Darstellung nur der
Erläuterung
dient; die Platte 3 kann den Docht 7 auch über nur
einen beschränkten
Bogen kontaktieren, wie in 6 gezeigt,
um eine Flüssigkeitsübergabe
abhängig
von der Viscosität,
der Oberflächenspannung
und der Temperatur der Flüssigkeit
sowie der speziellen Porosität
und Biegsamkeit des Dochts sowie der Erstreckung des Flüssigkeitsspalts 14 zu
erreichen.
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Wie
gezeigt, wird der Durchgang des Dochts 7 durch die Öffnung 9 im
Verschlusselement 8 vom Dochthalter 10 kontrollliert.
Die 4 zeigt auch die Durchführung 4 für das piezoelektrische
Keramikelement 2, die Lochplatte 3 und den Flansch 12 der Lochplatte
sowie die Spangen 6, die die abnehmbare Kappe (nicht gezeigt)
auf dem Flaschenverschluss 8 halten.
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Die 5 ist
eine Draufsichtdarstellung der gegenseitigen Zuordnung der Schaltungsplatine 1, des
piezoelektrischen Elements 2, der Lochplatte 3, der
Durchführung 4 und
der Chassisplatte 11 in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Wie bereits festgestellt, wird das piezoelektrische
Element 2 von der Durchführung 4 konzentrisch
mit der Lochplatte 3 in der Schaltungsplatine 1 gehalten.
Die Schaltungsplatine ist auf herkömmliche Weise auf der Chassisplatte 11 montiert – bspw.
mit Spangen 17 und Passwinkeln 18.
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Die 6 zeigt
in einem vereinfachten schematisierten Schnitt an einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung die gegenseitige Zuordnung verschiedener Elemente über alles.
Die Lochplatte 3 ist als Flansche 12 aufweisend
dargestellt, die ihrerseits erfindungsgemäß an das piezoelektrische Element 2 angesetzt
sind. der Docht 7 ist in Kontakt mit der Lochplatte 3 gezeigt,
wobei der Flüssigkeitsspalt 14 entsteht,
in dem die auszugebende Flüssigkeit
zur Lochplatte übergeben
wird. Der Docht ist als Gewebeansätze 15 aufweisend
dargestellt, die in den Flüssigkeitsbehälter 5 – nicht
gezeigt – hinein
ragen.
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Die 7 zeigt
die Anordnung aus dem piezoelektrischen Element und der Lochplatte
der 6, wobei das piezoelektrische Keramikelement 2 die
aufgewölbte
Lochplatte 3 umgibt und mit dieser zusammengefügt ist,
indem ihre Flansche 12 an den Befestigungsstellen 13 mit
dem piezoelektrischen Keramikelement verlötet sind. Es hat sich erwiesen, dass
im Gegensatz zur herkömmlichen
Praxis diese Befestigung am zweckmäßigsten eine Lötverbindung,
nicht die übliche
Verklebung ist. Um eine erfolgreiche Lötverbindung zu erreichen, ist
das Keramikelement zweckmäßigerweise
metallisiert, um dem Lot eine Grundlage zu bieten, an der es haften kann.
Die herkömmliche
Technik lehrt von dieser Vorgehensweise weg, da dabei das piezoelektrische
Keramikelement auf eine Temperatur erwärmt werden muss, bei der es
depolarisiert und neupolarisiert werden muss. Es hat sich jedoch
erwiesen, dass dieser zusätzliche
Schritt nicht nur notwendig, sondern wirtschaftlich sinnvoll ist
auf Grund der weitaus besseren Beständigkeit der Verbindung zwischen
dem Keramikelement und der Lochplatte gegen einen Abbau insbesondere
in der aggressiven Umgebung von Parfums und Insektiziden, die organische
Flüssigkeiten enthalten,
die normalerweise in Epoxy-Harze eindiffundieren und sie zerstören. Bei
der Herstellung einer solchen Lötverbindung
kann man eine Paste eines geeigneten Flussmittels im Sollmuster
im Siebdruck aufbringen; wenn erhitzt, verteilt es sich gleichmäßig zur
Aufnahme der Lotraupe.
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Die
bisherigen Figuren zeigen ein piezoelektrische Keramikelement, das
eine Lochplatte oder Öffnung
konzentrisch umgibt. Die Erfindung wird auch als geeignet betrachtet
für den
Einsatz mit einem herkömmlichen
piezoelektrischen Element mit einem Schwinger und einem Ausleger
in Kontakt mit einer Membran, einer Düse oder eine Lochplatte zum Verteilen
flüssiger
Tröpfchens
als Nebel, wie in 8 beispielhaft gezeigt.
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Wie
bereits festgestellt, ist die Erfindung nicht auf die hier erläuterten
beispielhaften Ausführungsformen
beschränkt
sondern auf beliebige Anordnungen des piezoelektrischen Elements
und der Ausgabevorrichtung anwendbar, wie bspw. die in 8 gezeigte
Auslegeranordnung. Hier steht ein Ausleger 20 mit Ansetzeinrichtungen 19 zum
Ansetzen an den Hauptteil einer Zerstäubereinrichtung über eine
Lötverbindung
an der Ansetzstelle 13 in direktem Kontakt mit einem piezoelektrischen
Element 2. Der Ausleger steht weiterhin in mechanischem Kontakt
mit der Lochplatte 3, die hier als aufgewölbte Lochplatte
gezeigt ist, obgleich eine beliebige Form derselben einsetzbar ist.
Der Ausleger 20 ist mit den Flanschen 12 der Lochplatte
an den Ansetzstellen 13 verlötet, um ein durchgehendes und
mechanisch stabiles Schwingelement zum Einsatz in einem piezoelektrischen
Zerstäuber
bereit zu stellen.
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Wie
festgestellt, hat sich erwiesen, dass spezielle Kombinationen von
Verbesserungen in den Elementen und Anwendungsverfahren der beschriebenen
Ausgabevorrichtung überraschend
gute Resultate ergeben. Diese Resultate sind jedoch nicht auf die
bevorzugte Ausführungsform
beschränkt, sondern
erstrecken sich auf piezoelektrische Zerstäuber allgemein. Insbesondere
hat sich erwiesen, dass beim Zerstäuben von Duftölen und
Insektizidansätzen
die Bindungsmechanik zwischen der Lochplatte und dem piezoelektrischen
Keramikelement oft versagt. In herkömmlichen Zerstäubern nimmt
diese Mechanik oft die Form eines auskragenden Stabs bzw. Auslegers
zwischen dem schwingenden piezoelektrischen Keramikelement und der
Lochplatte bzw. Membran an. Alternativ kann die Lochplatte einen
Flansch aufweisen, der mit einer Übertragungseinrichtung wie
bspw. einem Verstärkerblech
mechanisch verbunden ist. Das Verbinden solche Elemente erfolgt
gewöhnlich
mit Klebstoffen wie bspw. Epoxyharz- und Cyanacrylat-Ansätzen. Derartige
Klebeverbindungen werden aber von aggressiven Medien wie Duftöle und organische
Lösungsmittel
enthaltenden Zusammensetzungen abgebaut – insbesondere unter hochfrequenten
Schwingungen, die ein Eindiffundieren derselben in die Klebstoffe
fördern.
Dieses Problem lässt
sich jedoch überwinden,
indem man mit einem Blei-Zinn-Lot diesen Abbau eliminiert. Nach
dem Stand der Technik waren derartige wärmeabhängigen Verbindungen zu vermeiden,
da bei ihrer Herstellung zahlreiche piezoelektrischen Keramikelement
depolarisierten, so dass nach dem Verlöten der zu verbindenden Zerstäuberteile
das Keramikelement – abhängig von
den speziellen Eigenschaften der Keramik – neu polarisiert werden musste.
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Weiterhin
hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung von Lot zum Aufbringen
des piezoelektrischen Keramikelements direkt auf die Metall-Lochplatte eine die
Schwingungen übertragende Einrichtung
wie der Ausleger oder ein Verstärkerblech
entfallen konnte. Bspw. hat sich erwiesen, dass, wenn man eine Anzahl
von Duftstoffen ausgeben wollte, Epoxy-Verbindungen zwischen der
Lochplatte und dem piezoelektrischen Treiberelement rasch abbauten.
Umgekehrt hatten die gleichen Duftstoffe selbst nach längerem Einsatz
einen vernachläsigbaren
Effekt auf die gelöteten
Verbindungen zwischen der Lochplatte und dem piezoelektrischen Treiber.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Die
erfindungsgemäßen Zerstäubersysteme lassen
sich zum selbsttätigen
Ausgeben von Flüssigkeiten
wie Luftauffrischer, Parfums, Insektizide ode anderen Wirkstoffe
an eine beliebige vorhandene Umgebung über längere Zeiträume mit dem Vorteil einsetzen,
dass über
die Lebensdauer der Batterie, die die Ausgabevorrichtung speist,
die Flüssigkeit
in gleich bleibenden Mengen an die Umluft abgegeben wird. Weiterhin
lässt die
Ausgabevorrichtung sich mittels Nachfülleinheiten und Austauschbatterien nach
Belieben einsetzen, so dass der Benutzer die an die Umluft ausgegebene
Flüssigkeit
nach Wunsch wechseln kann – mit
dem zusätzlichen
Vorteil, dass die auszugebende Flüssigkeitsmenge sich variieren und
so an die Sollintensität
oder -wirksamkeit je nach persönlicher
Präferenz,
Wirksamkeit oder Raumgröße anpassen
lässt.
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Während die
vorliegende Erfindung oben an derzeit als bevorzugt erachteten Ausführungsformen beschrieben
ist, ist einzusehen, dass sie nicht auf diese eingeschränkt ist.
Vielmehr soll sie im Rahmen der angefügten Ansprüche verschiedene Modifikationen
und Äquivalente
umfassen.