DE60218335T2

DE60218335T2 - Steckbarer flüssigkeitszerstäuber

Info

Publication number: DE60218335T2
Application number: DE60218335T
Authority: DE
Inventors: D. Scott D. Twin Lakes WALTER; D. Thomas A. New Berlin HELF; D. Edward J. Racine MARTENS; D. Luke Columbus STONIS; D. John J. Westerville KNITTLE; D. Chris Columbus VON DOHLEN; D. Dennis J. Westerville DENEN
Original assignee: SC Johnson and Son Inc
Current assignee: SC Johnson and Son Inc
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2022-12-04
Also published as: CA2466803C; TW200300707A; ES2278981T3; US6857580B2; JP2005511275A; WO2003047766A2; KR100721452B1; CN1610583A; WO2003047766A3; EP1450964B1; TWI222899B; DE60218335D1; AU2002348267A1; CN100349659C; MXPA04005353A; AU2002348267B2; KR20050058264A; US20030102384A1; ATE354442T1; JP4326336B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Flüssigkeitszerstäuber wie Vernebler und Verteiler für Duftstoffe, Luftauffrischer und Insektizide.
BESCHREIBUNG VERWANDTER TECHNIK
Es ist bekannt, Flüssigkeiten, die Luftauffrischer, Duftstoffe und Insektizide enthalten, zu zerstäuben, indem man sie einem Plättchen zuführt, das von einem piezoelektrischen Element in hochfrequente Schwingungen versetzt wird. Batteriegespeiste Zerstäuber zur Ausgabe von Luftauffrischern und Insektiziden sind bspw. in den US-Patenten 5 657 926 und 6 085 740 sowie in der US-Patentanmeldung Ser. No. 09/519560 vom 6. März 2000 offenbart. Die US-PS 5 803 362 schlägt vor, einen piezoelektrisch betätigten Zerstäuber aus einer Wechselspannungsquelle zu speisen. Die WO 00/51747 A1 offenbart einen weiteren Zerstäuber für Flüssigkeiten.
Batteriegespeiste Zerstäuber sind abhängig von der in der Batterie noch enthaltenen Energie und von der an das piezoelektrische Plättchen noch anlegbaren Spannung. Ein WS-gespeister Zerstäuber unterliegt zwar keinen Einschränkungen hinsichtlich der Energieversorgung; der Vorschlag der US-PS 5 803 362 stellt jedoch dem piezoelektrischen Element nicht die maximale Spannung bereit. Weiterhin wird in dem vorgeschlagenen WS-Zerstäuber die Wechselspan nung gleichgerichtet, geglättet und dann weiter verarbeitet, bevor sie an das piezoelektrische Element gelegt wird. Folglich ist dieser Zerstäuber kompliziert und teuer. Auch erlaubt der bekannte WS-Zerstäuber kein Justieren der Arbeitsfrequenz oder des voreingestellten Tastverhältnisses.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen steckbaren Zerstäuber bereit, der ein Gehäuse mit einer allgemeinen flachen Fläche, aus der ein Paar Stifte zum Einstecken in eine Wandsteckdose vorstehen, sowie eine Antriebsanordnung im Gehäuse aufweist. Die Antriebsanordnung weist ein piezoelektrisches Betätigungselement auf, das expandiert und kontrahiert, wenn ein elektrisches Wechselfeld über dessen entgegengesetzte Seiten gelegt wird. Ein Zerstäuberplättchen ist mit dem Betätigungselement gekoppelt, um von dessen Expansions- und Kontraktionsbewegungen in Schwingungen versetzt zu werden. Diese Schwingungen zerstäuben eine einer Oberfläche des Zerstäuberplättchens zugeführte Flüssigkeit. Eine erste elektrische Verbindung ist zwischen einem der Stifte und einer Seite des piezoelektrischen Betätigungselements, eine zweite zwischen dem anderen Stift und einer abgewandten Seite desselben hergestellt. Ein elektronischer Schalter ist mindestens einer der elektrischen Verbindungen zugeordnet, um das Anlegen von Spannungen von den Stiften her an das pezoelektrische Betätigungselement zu steuern. Weiterhin ist ein Oszillator an den elektronischen Schalter angeschlossen, der ihn in schneller Folge öffnet und schließt. Dadurch wird eine hohe Spannung hoher Frequenz an das piezoelektrische Element gelegt.
In einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein neuartiges Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit. Hiernach werden von einem elektrischen Anschluss kommende Wechselspannungen über ein Paar elektrischer Verbindungen an gegenüberliegende Seiten eines piezoelektrischen Betätigungselements gelegt, um dieses zu veranlassen, zu expandieren und zu kontrahieren und ein mit ihm gekoppeltes Plättchen in Schwingungen zu versetzen, dem dabei zu zerstäubende Flüssigkeit zugeführt wird. Mindestens eine der elektrischen Verbindungen wird schnell geschaltet, um das piezoelektrische Betätigungselement schnell von dieser Verbindung ab- und ihr zuzuschalten, so dass die Wechselspannungen, die von den Verbindungen an das Betätigungselement gelegt werden, intermittierend über das Betätigungselement gelegt werden, und zwar so schnell, dass dieses in Schwingungen einer Frequenz versetzt wird, in Folge der dem Plättchen zugeführte Flüssigkeit zerstäubt wird.
So erfolgt nach der vorliegenden Erfindung eine Zerstäubung in einem piezoelektrisch betätigten Zerstäuber unter Verwendung von Wechselspannungen aus einer gewöhnlichen Wandsteckdose durch intermittierendes und schnelles Anlegen der Wechselspannungen an das piezoelektrische Betätigungselement, ohne dass die angelegten Spannungen aus der Wandsteckdose zunächst zu einem Gleichstrom und danach der Gleichstrom zu hochfrequenten Wechselspannungen umgesetzt werden müssten.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung neuartige Methoden und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer piezoelektrisch betätigten Zerstäubung von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen und einstellbaren Frequenzen oder Tastverhältnissen bereit, wobei der getaktete Betrieb durch ein stetiges Zerstäuben für eine vorbestimmte Dauer oder unbestimmt lange übersteuerbar ist. Nach diesem weiteren Aspekt wird eine an das piezoelektrische Betätigungselement gelegte Spannung mit einer Frequenz angelegt bzw. von ihm abgenommen, die bewirkt, dass eine einer Seite des Plättchens zugeführte Flüssigkeit zerstäubt wird. Dieses schnelle Schalten erfolgt mit variablem Tastverhältnis. In einem Aspekt wird hierzu ein Tastverhältnis-Oszillator eingesetzt, der so angesteuert wird, dass er verschieden lang aus- und konstant lange einschaltet. In anderen Aspekten wird er stetig vorbestimmt lange geschaltet und kann diese Dauer mit einem Übersteuerungsoszillator gesetzt werden, der so verschaltet ist, dass er den Tastverhältnis-Oszillator vorbestimmt lange gegen ein Steuern der Schaltfolge sperrt.
In einem noch anderen Aspekt ist ein Hand-Übersteuerungsschalter vorgesehen, mit dem der Tastverhältnis-Oszillator übersteuerbar ist, so dass er das An- und Abschalten der Spannung an den bzw. vom piezoelektrischen Betätigungselement so lange unterbindet, wie er im betätigten Zustand gehalten wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein teilgeschnittener Seitenriss einer erfindungsgemäßen Zerstäubervorrichtung;
2 ist ein Stromlauf einer gedruckten Schaltung auf einer in der Vorrichtung nach 1 enthaltenen Platine; und
3 ist ein Stromlauf einer alternativen gedruckten Schaltung auf einer in der Vorrichtung nach 1 enthaltenen Platine.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Zerstäubervorrichtung 10 ein hohles Kunststoffgehäuse 12, an das ein auswärts aufgeweiteter Oberteil 14 angeformt ist, durch den zerstäubte Flüssigkeitsteilchen auswerfbar sind, sowie einen keulenförmigen offenen Unterteil 16 zur Aufnahme eines herausnehmbaren Vorratsbehälters 18 mit einer zu zerstäubenden Flüssigkeit auf, der auf einer Seite eine sich erweiternde Öffnung enthält, an die eine flache vertikale Wandfläche 20 angesetzt ist.
Die Fläche 20 trägt ein Paar elektrischer Steckerstifte 22 (von denen in der 1 nur einer sichtbar ist) zum Einstecken in eine gewöhnliche elektrische Wandsteckdose. Die Stifte 22 sitzen in einem massiven Haltestück 24, das in die Fläche 20 eingesetzt ist, so dass der Zerstäuber 10, wenn er in eine Wandsteckdose gesteckt ist, von dieser sicher gehaltert wird und keine weitere Halterung erfordert. Die in der 1 gezeigten Stifte 22 sind für herkömmliche nordamerikanische Wandsteckdosen gestaltet. Für den Einsatz in anderen Ländern sind sie zu den dort jeweils im Gebrauch befindlichen Wandsteckdosen passend ausgebildet.
Eine gedruckte Schaltungsplatine 26 ist im Gehäuse von der Fläche 20 beabstandet und parallel zu ihr angeordnet. Die Stifte 22 sind mit Stromkreisen auf der Schaltungsplatine verbunden, wie im Folgenden erläutert. Ein Paar Drähte 28 verlaufen von der Schaltungsplatine 26 zu entgegengesetzten Seiten eines piezoelektrischen Betätigungselements 30.
Von über die entgegengesetzten Oberflächen gelegten elektrischen Wechselfeldern erregt, bewirkt das piezoelektrische Betätigungselement (Piezoelement) 30 schnelle Auf- und Abwärtsschwingungen eines Lochplättchens 32, das am Betätigungselement 30 befestigt ist und sich über eine mittige Öffnung in ihm erstreckt. Dadurch wird Flüssigkeit aus dem Reservoir 18, die mittels einer aus diesem aufwärts ragenden Kapillareinrichtung 34 der Unterseite des Plättchens 32 zugeführt wird, zerstäubt und vom Plättchen aufwärts abgeworfen. Die zerstäubte Flüssigkeit in Form sehr feiner Tröpfchen durchläuft eine Öffnung 35 in einer oberen Abschlussfläche 36 im aufgeweiteten Bereich 14 und tritt in die Umluft aus.
Das Betätigungselement 30 und das Lochplättchen 32 lassen sich aus der Horizontalen gekippt anordnen, so dass die zerstäubte Flüssigkeit von einer Fläche, an der die Zerstäubervorrichtung 10 gehaltert ist – bspw. eine Zimmerwand –, hinweg gerichtet wird. Dadurch lässt sich die Wand vor der ggf. aggressiven zerstäubten Flüssigkeit – bspw. einem Duftstoff – schützen.
Ist die Flüssigkeit im Reservoir 18 zerstäubt worden und dieses leer, lässt es sich aus dem Gehäuse 12 ziehen und durch ein volles ersetzen. Wie ersichtlich, wird das Reservoir 18 durch seine Gestalt und die Biegbarkeit des keulenförmigen unteren Gehäusebereichs 16 in der Solllage gehalten.
Wie unten ausführlicher erläutert, lässt sich das Piezoelement 30 so erregen, dass die Zerstäubung in einzelnen Stößen bzw. Impulsen erfolgt, die zeitlich durch einstellbare Intervalle getrennt sind. Alternativ lässt es sich kontinuierlich für vorbestimmte Zeitspannen erregen, so dass man eine stetige Zerstäubung erhält. Ein Einstellrädchen 38 im Gehäuse ragt mit seinem Rand aus diesem hinaus, so dass es sich drehen lässt. Das Einstellrädchen ist mit einem Bauelement variablen Widerstands auf der Schaltungsplatine 26 verbunden, mit dem sich die Länge des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen zerstäubter Flüssigkeit einstellen lässt.
Zum Betrieb des Piezoelements 30 wird das Reservoir 18, das mit einer zu zerstäubenden Flüssigkeit gefüllt ist, von unten in das Gehäuse 12 eingeführt, wie in 1 gezeigt, so dass das obere Ende des Kapillarelements 34 unmittelbar unter dem Lochplättchen 32 liegt. Folglich wird in Folge des Kapillareffekts Flüssigkeit aus dem Reservoir unten an das Lochplättchen herangeführt. Die Vorrichtung 10 wird dann in eine gewöhnliche elektrische Wandsteckdose gesteckt, indem man die Stifte 22 in die Öffnungen in ihr einführt. Die Stifte 22 legen sich dicht an die Öffnungen an und bieten eine Halterung, die ausreicht, um den Zerstäuber auf der Wand festzuhalten. Aus der Wandsteckdose werden über die Stifte 22 den Stromkreisen auf der Schaltungsplatine 26 Wechselspannungen zugeführt. Wie an Hand der 2 und 3 erläutert, schalten die Stromkreise auf der Schaltungsplatine die Wechselspannungen schnell – bspw. mit 140 bis 170 kHz – ein und aus und legen die geschalteten Spannungen mit den Drähten 28 über das Piezoelement 30. Dadurch expandiert und kontrahiert das Piezoelement entsprechend den angelegten Spannungen. Das Piezoelement 30 seinerseits versetzt das Lochplättchen 32 in Schwingungen, so dass es die Flüssigkeit zerstäubt, die aus dem Reservoir 18 seiner Unterseite zugeführt worden ist. Das Lochplättchen wirft die Flüssigkeit in Form sehr kleiner Tröpfchen durch die in der oberen Abschlussplatte 36 enthaltene Öffnung 35 an die Umluft aus.
Die 2 ist ein Stromlauf der Stromkreise auf der gedruckten Schaltungsplatine 26. Wie ersichtlich, sind die Stifte 22 mit den Eingangsdrähten 40a bzw. 40b verbunden. Der Draht 40a, ist, wie gezeigt, direkt an Masse gelegt, während in den Draht 40b eine Gleichrichterdiode 42 und ein Schalter 44 eingefügt sind. Die Diode 42 kann eine normale Allzweck-Gleichrichterdiode vorzugsweise mit einer Sperrspannung von 400 V sowie einem Spitzen- und einem Durchschnittsstrom von 0,25 A bzw. 0,01 A sein. Eine Gleichrichterdiode des Typs 1N4004 hat sich als für diesen Zweck geeignet erwiesen, obgleich sich andere Dioden sich verwenden lassen.
Der Schalter 44 ist ein einfacher EIN/AUS-Schalter, der die Zerstäubervorrichtung 10 ein- und ausschaltet. Der Schalter 33 ist vorzugsweise mit einem zu beschreibenden Tastverhältnis-Schalter zusammengefasst und mit dem Einstellrad 38 ansteuerbar.
Der Eingangsdraht 40b ist hinter dem Schalter 44 zu einer Speicherdrossel 46 und von dort an einen Parallelkreis geführt, der in einem Zweig einen elektronischen Schalter und im anderen in Reihe miteinander einen Kondensator 50, einen Widerstand 52 und das Piezoelement 30 aufweist. Die beiden Zweige sind danach an Masse gelegt.
In eine der Leitungen 40a, 40b kann eine (nicht gezeigte) Sicherung eingefügt sein, die das System vor Überspannungen aus dem Netz schützt.
Im Betrieb legt die Schaltung der 2, wie sie bisher beschrieben wurde, über die Stifte 22 zugeführte Spannungen an das Piezoelement. Während die Spannungen zwischen den Stiften 22 zwischen 0 V und 160 V variieren können, werden sie, wenn an das Piezoelement 30 gelegt, zu mehr als 300 V_ss, und zwar wegen der Speicherdrossel 46 und des schnellen Schaltens des elektronischen Schalters 48. Die von den Stiften zugeführte Spannung wird an das Piezoelement in Form kurzer Impulse gelegt, die mit hoher Geschwindigkeit – bspw. 130.000 bis 160.000 pro Sekunde – auftreten. Diese Spannungsimpulse werden durch das Öffnen und Schließen, d.h. das Durchschalten und Sperren des elektronischen Schalters 48 erzeugt. Ist der elektronische Schalter 48 geschlossen bzw. durchgeschaltet, liegt die Drossel 46 an Masse und fließt Strom von den Stiften 22 durch die Drossel 46 nach Masse. Während dieses Stromflussintervalls speichert die Drossel 46 Energie nach der Formal 1/2(LI²) (L = Induktivität [H] der Speicherdrossel 46 und I = Strom [A], der von den Stiften 22 zufließt). Wird der Schalter 484 danach geöffnet, d.h. gesperrt, wird die in der Speicherdrossel 46 gespeicherte Energie mit 1/2(CV²) (C = Kapazität [F] des Kondensators 50, V Spannung von Masse zum Anschluss der Drossel 46 am Parallelkreis) über den Kondensator 50 und den Widerstand 52 an das piezoelektrische Element 30 gelegt. Es werden also unterschiedliche Spannungen über das Piezoelement 30 gelegt, und zwar mit einer Frequenz entsprechend der, mit der der elektronische Schalter 48 zwischen dem Leit- und dem Sperrzustand hin- und hergeschaltet wird.
In der beispielhaften Ausführungsform der 2 kann die Speicherdrossel 46 eine Induktivität von etwa 10 mH und der Kondensator 52 eine Kapazität von etwa 0,01 μF haben. Mit der Kapazität des Piezoelements 30 und der Induktivität der Speicherdrossel 46 erhält man so einen Schwingkreis einer Resonanzfrequenz von etwa 39 kHz. Damit erhält man genug Zeit für die Energiespeicherung in der Speicherdrossel zwischen aufeinanderfolgenden Schaltungen des elektronischen Schalters 48, wenn dieser mit der Soll-Schwingungsfrequenz des Piezoelements 30 – bspw. 140 bis 170 kHz – geschaltet wird. Der Wert des Widerstands 52 zusammen mit dem Innenwiderstand der Speicherdrossel 46 reduziert die Güte des Resonanzkreises so weit, dass er über den Frequenzbereich in Resonanz ist, in dem der elektronische Schalter 48 betrieben wird – bspw. 140 bis 170 kHz. Diese Werte sind beispielhaft und unkritisch; der Fachmann kann die Erfindung problemlos auch mit anderen Bauteilewerten einsetzen.
Die Speicherdrossel 46 kann einfach aufgebaut sein und aus vielen Windungen dünnen Drahts in einer einfachen Wickelanordnung auf einem Kern niedriger magnetischer Permeabilität oder auch auf einem Luftkern bestehen.
Der elektronische Schalter 48 kann ein beliebiger elektronischer Schalter sein, der durch das Anlegen von Signalen an einen Steuereingang abwechselnd geschlossen und geöffnet wird. Vorzugsweise handelt es sich um einen am Gate-Anschluss angesteuerten Feldeffekttransistor. Eine bevorzugte Schalterform ist ein DMOSFET bspw. des Typs Supertex TN2540N3 der Fa. Supertex, Inc., 1235 Bordeau Drive, Sunnyvale, California 94089 [US].
Einzusehen ist, dass, falls keine Spannungsverstärkung erforderlich ist, die Speicherdrossel 46, der Kondensator 50 und der Widerstand 52 entfallen können. In ihren allgemeineren Aspekten ist für die vorliegende Erfindung das Anlegen von an den Stiften 22 aufgenommenen Wechselspannungen an das Piezoelement 30 ohne vorherige Umwandlung in eine stetige und glatte Gleichspannung bebasichtigt.
Der Rest der in der 2 gezeigten Schaltung stellt eine Schalteransteuerung dar, mit der Ansteuerspannungen an den Gate-Anschluss des elektronischen Schalters 48 legbar sind, um diesen mit vorbestimmten Frequenzen und Tastverhältnissen zwischen dem Sperr- und dem Flusszustand hin- und herzuschalten. Der Schalteransteuerteil der Schaltung der 2 arbeitet mit niedrigeren Spannungen – bspw. 10 V – und weist hauptsächlich einen Schalteransteueroszillator 54, einen Tastverhältnis-Oszillator 56 sowie eine Tastverhältnis-Übersteuerschaltung 58 auf. Diese sowie die sie steuernden Schaltungsteile entnehmen einer Versorgungsleitung 60 eine Gleichspannung von bspw. etwa 10 V. Die Versorgungsleitung 60 ihrerseits ist über einen Vorwiderstand 62, eine Zenerdiode 64, eine Sperrdiode 66 und einen Filterkondensator 68 mit den Leitungen 40a, 40b verbunden. Der Vorwiderstand 62 und die Sperrdiode 66 liegen in Reihe zwischen der Leitung 40b und der Versorgungsleitung 60. Die Zenerdiode 64 ist zwischen die Leitung 40a und den gemeinsamen Anschluss des Vor widerstands 62 und der Sperrdiode 66 gelegt, der Filterkondensator 68 zwischen die Leitung 40a und die Versorgungsleitung 60. Die Verschaltung des Vorwiderstands 62, der Zenerdiode 64, der Sperrdiode 66 und des Filterkondensators 68 setzt die von den Stiften 22 kommende Wechselspannung zu einer Gleichspannung von etwa 10 V für die Versorgungsleitung 60 um, um die verschiedenen Schaltungselemente zu betreiben, die die Schaltersteuerung der 2 darstellen.
Der Vorwiderstand 62 reduziert die Eingangs-Wechselspannung bspw. von max. 220 V auf etwa 10 V für die Versorgungsleitung 60. Der Widerstand kann einen Wert von 100 kΩ haben, aber auch weniger, sofern er genug Strom zum Filterkondensator 68 durchlässt, um eine gleichmäßige Spannung auf der Leitung 60 zu erzeugen. Der Filterkondensator 68 kann recht klein sein, bspw. 10 μF oder weniger. Sein Sinn ist, die Welligkeit der an die Versorgungsleitung 60 gelegten Eingangsspannung zu verringern. Die Sperrdiode 66, bei der es sich um eine kleine Gleichrichter- oder Allzweckdiode handeln kann, verhindert einen Rückstrom durch den Vorwiderstand 62. Die Sperrdiode 66 ermöglicht auch einen kleineren Filterkondensator 68. Die Zenerdiode 64 legt die Spannung auf der Versorgungsleitung 60 fest. Sie kann bspw. 10 V betragen, aber auch irgendwo zwischen 5 V und 15 V liegen.
Die Spannung an der Versorgungsleitung 60 speist den Schalterbetätigungsoszillator 54 und den Tastverhältnis-Oszillator 56 wie auch die Tastverhältnis-Übersteuerung 58. Wie in 2 gezeigt, ist die Leitung 60 mit allen diesen Schaltungselementen verbunden. Wie auch gezeigt, sind diese Schaltungselemente jeweils über einen Entstörkondensator 70, 72 bzw. 74 an Masse gelegt.
Der Schalterbetätigungsoszillator 54 ist ein spannungsgesteuerter Oszillator, der am Ausgang 54a eine Ausgangsspannung abgibt, die sich schnell – bspw. mit etwa 170 kHz – ändert. Der Ausgang 54a ist an die Gate-Elektrode des elektronischen Schalters 48 geführt, so dass dieser geöffnet und geschlossen, d. h. durchgeschaltet und gesperrt wird, und zwar mit einer Frequenz entsprechend der Ausgangsfrequenz des Oszillators 54.
Die Ausgangsfrequenz des Schalterbetätigungsoszillators 54 wird von den Spannungen am Entladeanschluss 54b, Triggeranschluss 54c und Schwellwertanschluss 54d gesteuert. Der Entladeanschluss 54b liegt über einen EIN-Intervall-Widerstand 76 an der Versorgungsleitung 60. Der Triggeranschluss 54c liegt über einen AUS-Intervall-Widerstand und den EIN-Intervall-Widerstand 76, die in Reihe liegen, an der Versorgungsleitung 60. Der Schwellenwertanschluss 54d liegt über eine Diode 80 und den EIN-Intervall-Widerstand 76, die ebenfalls in Reihe miteinander liegen, an der Versorgungsleitung 60. Weiterhin sind die Anschlüsse 54c, 54d über einen Oszillatorkondensator 82 nach Masse geführt. Die Widerstandswerte der Widerstände 76, 78 sowie die Kapazität des Kondensators 82 legen die normale Arbeitsfrequenz des Schalterbetätigungsoszillators 54 fest. Repräsentative Werte für diese Elemente sind bspw. 10 kΩ für den EIN-Intervall-Widerstand, 56 kΩ für den AUS-Intervall-Widerstand sowie 100 pF für den Oszillatorkondensator 82.
Der Trigger- und der Schwellenwertanschluss 54c, 54d des Schalterbetätigungsoszillators 54 sind über einen Frequenzziehwiderstand 84 an die Eingangsleitung 40b geführt. Diese Verbindung bewirkt ein Wobbeln der Oszillatorfrequenz entsprechend der sich ändernden Eingangswechselspannung des Zerstäubers. Bspw. kann die Oszillatorfrequenz mit der Frequenz der Eingangswechselspannung des Zerstäubers zwischen 170 kHz und 140 kHz gewobbelt werden.
Der Tastverhältnis-Oszillator 56 schaltet den Schalterbetätigungsoszillator mit einem vorbestimmten Tastverhältnis ein und aus. Bspw. kann er je nach den Eingangsspannungen des Tastverhältnis-Oszillators den Schalterbetätigungsoszillator 54 für jeweils 50 ms ein- und jeweils 10 s bis 40 s ausschalten. Ein Ausgangsanschluss 56a des Tastverhältnis-Oszillators 56 ist über eine Tastverhältnisdiode 86 an die Trigger- und Schwellenwertanschlüsse 54c, 54d des Schalterbetätigungsoszillators 54 geführt. Der Schalterbetätigungsoszillator 54 schwingt durch, so lange er vom Tastverhältnis-Oszillator 56 keine positive Eingangsspannung erhält. Erscheint jedoch am Trigger- und am Schwellenwertanschluss 54c bzw. 55d des Schalterbetätigungsoszillators 54 vom Tastverhältnis-Oszillator her eine positive Spannung, werden die Schwingungen unterbrochen.
Der Tastverhältnisoszillator schaltet zu Zeitpunkten ein und aus, die von den Eingangsspannungen am Entlade-, Trigger- und Schwellenwertanschluss 56b, 56c bzw. 56d bestimmt werden. Der Entladeanschluss 56b ist über einen Widerstand 86, der das Mindesttastverhältnis bestimmt, und einen variablen Tastverhältnis-Widerstand 88 (die miteinander in Reihe liegen), an die Versorgungsleitung 60 gelegt. Der Triggeranschluss 56c des Tastverhältnisoszillators 56 ist über einen EIN-Widerstand 90, den Mindesttastverhältnis-Widerstand 86 und den variabln Widerstand 88, die allesamt in Reihe miteinander liegen, an die Versorgungsleitung 60 gelegt. Der Triggeranschluss 56c liegt auch gemeinsam mit dem Schwellenwertanschluss 56d über einem Tastverhältnis-Kondensator 92 an Masse. Durch Justieren des variablen Tastverhältnis-Widerstands 88 lassen sich die Dauer des Intervalls, in dem eine positive Spannung am Ausgang 56a erscheint, und folglich das AUS-Intervall des Schalterbetätigungsoszillators 54 einstellen. Der Tastverhältnis-Widerstand ist so angeordnet, dass er sich durch Drehen des Einstellrädchens 38 (1) justieren lässt.
Es hat sich erwiesen, dass unter den meisten Umständen AUS-Intervalle von 10 s bis 40 s für eine gute Zerstäubung ausreichen. Hierzu kann der Mindest-Tastverhältnis-Widerstand 86 einen Wert von 2,2 kΩ haben, der Mindesttastverhältnis-Widerstand einen Wert von 470 kΩ, und der Wert des variablen Tastverhältnis-Widerstands 88 kann zwischen 1 MΩ und Null veränderbar sein. Der Wert des Tastverhältnis-Kondensators 92 kann etwa 100 pF betragen.
Der Schalterbetätigungs- und der Tastverhältnisoszillator 54 bzw. 56 können gemeinsam als einzelner integrierter Schaltkreis bspw. des Typs LM556C ausgebildet sein.
Gelegentlich will man den Zerstäuber u.U. für bestimmte Dauer stetig, d.h. mit einem Tastverhältnis von 100% betreiben. Hierzu wird der Tastverhältnis-Oszillator 56 gesperrt – bspw. mittels der Tastverhältnis-Übersteuerschaltung 58. Die Tastverhältnis-Übersteuerschaltung 58, bei der es sich um einen Standard-Schaltkreis des Typs LM556 handeln kann, ist als monostabile Kippstufe verschaltet. Getriggert gibt die Stufe 58 am Ausgang 58a eine positive Spannung ab, die nach vorbestimmter Dauer auf Masse zurückkehrt. Die positive Spannung am Ausgang 58a geht über eine Diode 103 an den Schwellenwert- und den Triggeranschluss 56c, 56d des Tastverhältnis-Oszillators 56. Dadurch wird der Oszillator 56 gesperrt, während sein Ausgang 56a auf Massepotential gehalten wird. Folglich kann der Schalterbetätigungsoszillator 54 stetig, d.h. mit einem Tastverhältnis von 100% durchlaufen Am Ende des vorbestimmten Intervalls wird die positive Spannung aus dem Ausgang 58a der Tastverhältnis-Übersteuerschaltung 58 von den Eingängen 56c, 56d des Tastverhältnis-Oszillators 56 abgenommen, der dann wieder zu schwingen beginnt, um den Schalterbetätigungoszillator 54 mit voreingestelltem Tastverhältnis arbeiten zu lassen.
Die Tastverhältnis-Übersteuerschaltung 58 hat einen Entlade- und einen Schwellenwert-Eingang 58b bzw. 58d, die zum gemeinsamen Anschluss eines Tastverhältnis-Übersteuerungswiderstands 94 und eines Tastverhältnis-Übersteuerungskondensators 96 geführt sind. Dieser Widerstand und der Kondensator liegen in Reihe zwischen der Versorgungsleitung 60 und Masse. Die Spannung am Triggereingang fällt auf Masse, wenn ein Übersteuerschalter 100 geschlossen wird. Dieser Übersteuerschalter liegt zwischen Masse und einem Übersteuerungswiderstand 98, der an die Versorgungsleitung 60 gelegt ist. Beim Schließen des Schalters 100 fällt die Spannung an seinem oberen Anschluss nach Null. Dieser negative Spannungssprung durchläuft einen Konden sator 101 am Triggeranschluss 58c. Der Anschluss 58c ist auch über einen Widerstand 102 an die Versorgungsleitung 60 gelegt, so dass die Spannung am Anschluss 58c normalerweise der Spannung an der Versorgungsleitung 60 entspricht. Beim Schließen des Schalters 100 fällt die Spannung am Anschluss 58c ab, um einen Zeitintervall in der Übersteuerschaltung 58 zu beginnen. Der Kondensator 100 bewirkt eine Trennung derart, dass ein Geschlossenhalten des Schalters 100 die Zeitgabe der Schaltung 58 nicht beeinträchtigt. Wird der Schalter 100 geschlossen, erhält der Anschluss 58c der Übersteuerschaltung eine fallende Flanke, die die Schaltung 58 triggert, am Ausgang 58a vorbestimmt lange nach dem Schließen des Schalters eine positive Ausgangsspannung abzugeben. In Folge dieser positiven Spannung härt der Tastverhältnis-Oszillator 56 auf zu schwingen; sein Ausgang wird auf Massepotential gehalten. Der Tastverhältnis-Osziillator 56 verbleibt vorbestimmte lange gesperrt, während der Schalterbetätigungsoszillator 54 stetig durchläuft. Am Ende des vorbestimmten Intervalls wird die positive Ausgangsspannung der Tastverhältnis-Übersteuerschaltung 58 vom Tastverhältnis-Oszillator 56 abgenommen, so dass dieser wieder anschwingt und die Steuerung des Schalterbetätigungsoszillators 54 mit dem mit dem variablen Tastverhältnis-Widerstand 88 eingestellten Tastverhältnis fortsetzt.
Es kann erwünscht sein, den Tastverhältnis-Oszillator 56 nicht vorbestimmt lange, sondern für die Dauer des Schließens eines Handschalters zu übersteuern. Hierzu kann man an Stelle einer Tastverhältnis-Übersteuerung 58 der 2 einen Handschalter 104 und einen Widerstand 105 vorsehen, die in Reihe zwischen die Versorgungsleitung 60 und Masse gelegt sind, wie in 3 gezeigt. Mit Ausnahme dieses Schalters und des Entfallens der Tastverhältnis-Steuerung 58 und der zugeordneten Ein- und Ausgangsbeschaltung entsprechen die Anordnung und Funktionsweise der Schaltung in 3 denen der 2, und es gelten für gleiche Schaltungselemente in 3 und 2 die gleichen Bezugszeichen. Ist in der Schaltung der 3 der Hand-Schalter 104 geschlossen, wird der Rücksetzanschluss des Tastverhältnis-Oszillators 56 auf der Spannung der Versorgungsleitung 60 gehalten, so lange der Schalter 104 geschlossen bleibt. Währenddessen wird der Tastverhältnis-Übersteueroszillator 56 gesperrt, und der Schalterbetätigungsoszillator 54 läuft durch. Beim Freigeben des Schalters 104 schwingt der Tastverhältnis-Steueroszillator wieder an und mit dem eingestellten Tastverhältnis weiter.
Bei in eine gewöhnliche Wandsteckdose gestecktem Zerstäuber 10 wird die Eingangswechselspannung über die Stifte 22, die Gleichrichterdiode 42 und die Speicherdrossel 46 an das piezoelektrische Betätigungselement 30 gelegt, nachdem die Gleichrichterdiode sie halbwellengleichgerichtet hat. Die angelegte Spannung variiert von Null zu einem Maximum von 160 V und zurück auf Null mit der Frequenz der angelegten Spannung, d.h. in 8 ms langen Spannungsintervallen und zwischengeschalteten 8 ms langen spannungsfreien Intervallen (in Folge der Halbwellengleichrichtung durch die Diode 42). Während diese variierende Spannung das piezoelektrische Betätigungselement 30 zu expandieren und kontrahieren sowie das Lochplättchen zu schwingen veranlasst, reicht die Frequenz der Spannungsänderungen (bspw. 60 Hz) nicht aus, dass das Lochplättchen 32 die ihm zugeführte Flüssigkeit zerstäuben könnte. Die Vorrichtung arbeitet also nicht.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Zerstäuber 10 auch an nicht der US-Norm entsprechenden Versorgungseinrichtungen verwendet werden kann, die mit höheren Spannungen – bspw. 220 V – und/oder anderen Frequenzen wie bspw. 50 Hz arbeiten. Auch in diesen Fällen wird er also nicht arbeiten.
Dieser Zustand bleibt erhalten, so lange der Tastverhältnis-Oszillator 56 den Schalterbetätigungsoszuillator 54 daran hindert zu schwingen, d.h. während des AUS-Intervalls des Taktzyklus, das in der dargestellten Ausführungsform 10 s bis 40 s dauern kann. Am Ende dieses AUS-Intervalls lässt der Tastverhältnisoszillator 56 den Schalterbetätigungsoszillator 54 für die Dauer eines EIN-Intervalls von 50 ms schwingen. Während dieses 50-ms-Intervalls durchläuft die 60-Hz-Wechselspannung an den Stiften 22 drei Perioden und geht daher die Spannung über dem Piezoelement 30 dreimal von Null auf das Maxi mum und zurück auf Null, und zwar jeweils einmal in jeder der drei positiven Halbperioden der angelegten Spannung. Während jeder dieser drei positiven Halbperioden bewirkt der Schalterbetätigungsoszillator 54, dass der elektronische Schalter sich mit einer zwischen 140 kHz und 170 kHz variierenden Frequenz öffnet und schließt. Dadurch legt die Speicherdrossel 48 Spannungen an das Piezoelement 30, deren Frequenz zwischen 140 kHz und 170 kHz variiert und deren Amplitude sich während jeder der drei positiven Halbperioden zwischen Null und 300 V ändert, d.h. der Halbperioden in dem 50-ms-EIN-Intervall, in dem der Schalterbetätigungsoszillator schwingt. Folglich schwingt das Piezoelement 30 mit Frequenzen zwischen 140 kHz und 170 kHz und Amplituden entsprechend dem Augenblickswert der angelegten Spannung, nämlich Null bis 300 V. Die Schwingungen werden auf das Lochplättchen übertragen und versetzen es ebenfalls in Auf- und Abschwingungen entsprechender Frequenzen und Amplituden. Diese Frequenzen und Amplituden reichen aus, dass das Lochplättchen 32 die ihm aus dem Reservoir 18 zugeführte Flüssigkeit wirksam zerstäuben kann. Wie ersichtlich, erfolgt das Zerstäuben stoß- bzw. impulsweise, wobei jeweils drei Stöße in jedem 50-ms-Intervall abgegeben werden, in dem der Schalterbetätigungsoszillator 54 vom Tastverhältnis-Oszillator 56 angesteuert schwingen darf. Lässt man andererseits den Schalterbetätigungsoszillator stetig durchlaufen (wenn bspw. die Tastverhältnis-Übersteuerung 58 (2) arbeitet oder der Hand-Übersteuerschalter 102 geschlossen wird), erzeugt das Lochplättchen 32 eine stetige Folge von jeweils 8 ms langen Stößen oder Impulsen, die von 8-ms-Intervallen getrennt sind.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung stellt eine Zerstäubervorrichtung sowie ein Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigkeiten bereit, die weder Wärme noch Gebläse benötigen, um den Wirkstoff in einem Flüssigansatz freizusetzen. Folglich wird der Wirkstoff linear und ohne Ändern der Zusammensetzung ausgegeben, bis der Vorrat im Reservoir erschöpft ist. Die Vorrichtung lässt sich in eine gewöhnliche Haushalts-Wandsteckdose gesteckt beliebig lange anwenden, ohne Batterien aufladen oder auswechseln zu müssen. Weiterhin kann die Vorrichtung eine Flüssigkeit in Form sehr kleiner Teilchen ausgeben, die in Folge ihres großen Oberfläche/Masse-Verhältnisses problemlos verdunsten und nicht als Flüssigkeit auf umgebende Flächen zurück fallen.
Weiterhin ist einzusehen, dass sich bei der vorliegenden Erfindung die Schnelligkeit der Flüssigkeitausgabe über das Tastverhältnis einstellen lässt. Weiterhin kann die Vorrichtung stetig über vorbestimmte Zeitintervalle durch Drücken und Freigeben eines Knopfes betrieben werden, der den in 2 gezeigten Hand-Übersteuerkontakt 98 schließt und öffnet. Alternativ kann man die Vorrichtung beliebig lange stetig arbeiten lassen, indem man einen Hand-Steuerschalter 102 schließt.

Claims

Steckbarer Zerstäuber (10) für Flüssigkeit, der aufweist: ein Gehäuse (12) mit einer allgemein ebenen vertikalen Fläche; ein Paar Stifte (22), die sich aus der vertikalen Fläche erstrecken und in eine Wandsteckdose steckbar sind, um Wechselspannungen bereit zu stellen; eine Antriebsanordnung (26), die im Gehäuse gehaltert ist und ein piezoelektrisches Betätigungselement (30), das ansprechend auf über seine entgegengesetzten Seiten gelegte elektrische Wechselfelder expandiert und kontrahiert, sowie ein Zerstäuberplättchen (32) aufweist, das mit dem Betätigungselement (30) gekoppelt ist und von dessen Expansions- und Kontraktionsbewegungen in Schwingungen versetzt wird, um an eine Oberfläche des Plättchens geführte Flüssigkeit zu zerstäuben; eine erste elektrische Verbindung zwischen einem der Stifte und einer Seite des piezelektrischen Betätigungselements sowie eine zweite elektrische Verbindung zwischen dem anderen Stift und einer anderen Seite des piezoelektrischen Betätigungselements; einen elektronischen Schalter (48), der mindestens einer der elektrischen Verbindungen zugeordnet angeordnet ist, um das Anlegen von Spannungen aus den Stiften (22) her an das piezoelektrische Betätigungselement (30) zu steuern; und einen Oszillator (54), der mit dem elektronischen Schalter (48) verbunden ist, um diesen mit hoher Geschwindigkeit zu öffnen und zu schließen.
Zerstäuber nach Anspruch 1, bei dem in entweder die erste oder die zweite Verbindung eine Spule (46) eingefügt ist.
Zerstäuber nach Anspruch 1, bei dem in entweder die erste oder die zweite Verbindung eine Diode (42) eingefügt ist.
Zerstäuber nach Anspruch 1, bei dem ein Schalterbetätigungsoszillator (54) an den elektronischen Schalter angeschlossen ist, um letzteren zu steuern.
Zerstäuber nach Anspruch 4, bei dem der Schalterbetätigungsoszillator (54) durch elektrischen Strom aus den Stiften (22) betreibbar angeschlossen ist.
Zerstäuber nach Anspruch 4, bei dem der Schalterbetätigungsoszillator (54) mit veränderlicher Frequenz arbeitet.
Zerstäuber nach Anspruch 4, bei dem eine Tastverhältnis-Steuerschaltung so verschaltet ist, dass mit ihr Schalterbetätigungsoszillator (54) vorbestimmt lange ausschaltbar ist.
Zerstäuber nach Anspruch 7, dessen Tastverhältnis-Steuerschaltung so verschaltet ist, dass mit ihr der Schalterbetätigungsoszillator (54) für eine erste vorbestimmte Dauer ein- und für eine einstellbare Dauer ausschaltbar ist.
Zerstäuber nach Anspruch 4, bei dem die Tastverhältnis-Steuerschaltung einen Tastverhältnis-Steueroszillator (56) aufweist.
Zerstäuber nach Anspruch 7, bei dem die Tastverhältnis-Steuerschaltung mit einer Übersteuerungs-Steuerschaltung (58) übersteuerbar ist, um den durchlaufenden Betrieb des Schalterbetätigungs-Steueroszillators für eine vorgegebene Dauer aufrecht zu erhalten.
Zerstäuber nach Anspruch 10, bei dem mit der Übersteuerungs-Steuerschaltung (58) der Tastverhältnis-Steueroszillator (56) für die vorbestimmte Dauer sperrbar ist.
Zerstäuber nach Anspruch 10, bei dem die Übersteuerungs-Steuerschaltung (58) einen monostabile Kippstufe aufweist, deren Setzintervall auf die vorgegebene Dauer eingestellt ist, wobei mit der Kippstufe der Tastverhältnis-Steueroszillator für die vorgegebene Dauer sperrbar ist.
Zerstäuber nach Anspruch 10, deren Übersteuerungs-Steuerschaltung (58) einen Schalter aufweist, mit dem verhinderbar ist, dass Ausgangssignale des Tastverhältnis-Steueroszillators an den Schalterbetätigungssteueroszillator gelegt werden.
Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit mit folgenden Schritten: Zuführen von einer Steckdose entnommenen Wechselspannung über ein Paar elektrischer Verbindungen an gegenüberliegende Seiten eines piezoelektrischen Betätigungselements (30), damit dieses expandiert und kontrahiert und ein mit ihm gekoppeltes Plättchen (32) in Schwingungen versetzt, dem zu zerstäubende Flüssigkeit zugeführt wird; und schnelles Schalten mindestens einer der elektrischen Verbindungen, um das piezoelektrische Betätigungselement (30) schnell mit der einen Verbindung zu verbinden und schnell von ihr zu trennen, wobei die dem Betätigungselement mittels der Verbindung zugeführte Wechselspannungen intermittierend und schnell genug über das Betätigungselement gelegt werden, dass das Betätigungselement das Plättchen (32) mit einer Frequenz in Schwingungen versetzt, bei der dem Plättchen zugeführte Flüssigkeit zerstäubt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem in die eine elektrische Verbindung eine Spule (46) eingefügt ist und weiterhin die eine elektrische Verbindung bei jedesmaligen Trennen vom piezoelektrischen Betätigungselement (30) nach Masse gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem man die Wechselspannung entlang einer der elektrischen Verbindungen einer Halbwellengleichrichtung unterwirft.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das schnelle Schalten mittels eines elektronischen Schalters (48) erfolgt, den man mit einem Ausgangssignal aus einem Schalterbetätigungs-Steueroszillator (54) ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem man den Schalterbetätigungs-Steueroszillator (54) mit elektrischem Strom aus der Wandsteckdose betreibt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem man den Schalterbetätigungs-Steueroszillator (54) mit veränderlicher Frequenz arbeiten lässt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem man den Schalterbetätigungsoszillator während vorbestimmt langer Intervalle ausschaltet.
Verfahren nach Anmspruch 20, bei dem man den Schalterbetätigungs-Steueroszillator (54) für ein vorbestimmt langes erstes Intervall einschaltet und für ein einstellbares Intervall abschaltet.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem man den Schalterbetätigungs-Steueroszillator mit einem Tastverhältnis-Steueroszillator ein- und ausschaltet.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem man die Tastverhältnis-Steuerschaltung übersteuert, um den Schalterbetätigungs-Steueroszillator vorbestimmt lange durchlaufen zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem man so übersteuert, dass der Tastverhältnis-Steueroszillator für die gegebene Dauer gesperrt wird.
Zerstäuber nach Anspruch 22, bei dem die Übersteuerung mittels einer monostabilen Kippstufe erfolgt, deren Einschaltintervall der vorgegebenen Dauer entspricht und die so verschaltet ist, dass sie den Tastverhältnis-Steueroszillator für die vorgegebene Dauer sperrt.
Zerstäuber nach Anspruch 22, bei dem die Übersteuerung mittels eines Schalters erfolgt, der so verschaltet ist, dass er Ausgangssignale des Tastverhältnis-Steueroszillators gegen das Anlegen an den Schalterbetätigungs-Steueroszillator sperrt.