专利名称：始终如一地散发挥发性物质的系统和方法
始终如一地散发挥发性物质的系统和方法联邦政府资助研究或开发参照不适用。贯序上市不适用。公开的领域本专利大致涉及适用于挥发性物质分配器的填充装，特别是，涉及一种填充装，其包括内具有挥发性物质的容器和与挥发性物质接触的芯。公开的背景本领域技术中将蒸汽释放到空气中的装置众所周知。大体说来，这类装置的目的是除臭、杀菌或向周围空气中施加有益的香精，或向空气中散布驱虫剂或杀虫剂以杀死或抑制有害的害虫。各种不同类型的装置被用来向空气中分配蒸汽。例如，已知的被动分配装置中以胶体、液体或固体状态存在的挥发性物质在容器内被供应。挥发性物质被扩散到周围空气中，且扩散可由周围环境中的自然气流协`助。这类被动分配装置还可包括可调节出口，以增加或减少从被动分配装置中散发出来的挥发性物质的量。喷雾剂容器也被用来通过触发器的激活将挥发性物质的微滴从密封容器内喷射到周围环境中。其他装置利用了机械或电力装置以将挥发性物质散播到环境中。例如，一些装置包括绳子和从装置中伸出的插头、从装置中直接伸出的插头和/或电池为装置元件提供动力。这种动力装置可能还包括一个或多个加热器、风扇、压电式元件或其他方式或其组合，挥发性物质由此从装置中被分配出去。—种动力挥发性物质散发分配器包括壳体和一个或多个安置在壳体内以分配液体挥发性物质的加热器和/或风扇。液体挥发性物质被安置在填充装内，该填充装具有盛装挥发性物质的容器以及接触液体挥发性物质并伸出容器的芯。当填充装被插入分配器时，芯被安置在靠近加热器和/或风扇的地方。这类动力分配器可以是电池供电的或可包括由其中延伸出的可被插入常见同功率电力插座的电力插头。以香精形式存在的挥发性物质常常与使用加热器的分配器一起使用。香精大致包括许多组分，该组分以特殊比例结合而成以提供一种预期的总体气味或特性。在特定香精的散发过程中获得这种特性，需要以一定速率并以匹配原始香精比例的均衡比例释放。这是说起来容易做起来难的事情。在实践中，香精的组分有不同的挥发性，其挥发性由每种组分饱和蒸汽的分压强进行量化。分压强越大，分子从液体表面通过蒸发被释放的速率越快。因此，采用蒸发过程的分配器，往往会以比较低挥发性的组分大的比例散发较高挥发性的组分，以至于所散发的香精的特性在任何给定时间点都不同于预期(最初比例)。随着时间推移，这种以更高速率对高挥发性组分的蒸发也会改变香精的整体成分，由此持续地改变填充装内存留的香精的成分(与最初香精成分相比而言)。一种被称为分馏法的过程在芯内部进行，随着时间推移，分馏法降低散发表面(大概是暴露在周围空气中的芯的尖端和/或芯的外表面)上的高挥发性香精组分的浓度，并增加低挥发性香精组分的浓度，而且能够导致蒸汽成分与最初香精成分相匹配。在许多分配器中，这个过程过慢以至于不起作用。换言之，分馏法需要很多天才有效，但是在最初使用的几天里，过多高挥发性香精组分被散发，由此导致填充装内的香精成分在分馏法开始进行前就已经改变。分馏法不能平衡填充装内不断改变的香精成分，因此导致香精和蒸汽成分随着时间推移稳定变化。概要根据本发明的第一方面，一种始终如一地散发挥发性物质的系统，包括具有扩散元件的挥发性物质分配器。所述系统进一步包括适于安置于挥发性物质分配器内的填充装，其包括内具有挥发性物质的容器和芯，所述芯具有安置地与容器中的挥发性物质接触的第一端和延伸出容器外的第二端。当被使用以下方程式估计时，系统的时间常数(参数4)大于0且小于或等于1.0小时:预测质量变化=参数4+(参数3*T) +(参数2*exp(-T/参数 I))。 根据本发明的另一方面，一种始终如一地散发挥发性物质的系统，包括具有扩散元件的挥发性物质分配器。所述系统进一步包括适于安置于挥发性物质分配器内的填充装，其包括内具有挥发性物质的容器和芯，所述芯具有安置地与容器中的挥发性物质接触的第一端和延伸出容器外的第二端。其中，在挥发性物质稳定状态下的蒸发速率和芯的杆的高度的乘积，除以芯杆的截面面积，小于1.4e_4kg IrT1S4并大于6.4e_6kg IrT1S'附图简述
图1是示出芯正被加热的填充装的示意性主视图；图2A-2G是芯的不同实施例的剖视图；图3A-3C是芯的替换实施例的等距视图；图4A和图4B是示出分馏法在带有含三种香精组分的挥发性物质的直芯中的演变的曲线图；图5A和图5B是示出图4A和图4B所示例子的时间演变的曲线图；图6A和图6B是示出分馏法在带有含三种香精组分的挥发性物质的直芯中的演变的曲线图；图7A和图7B是示出图6A和图6B所示例子的时间演变的曲线图；图7C是示出作为时间的函数的相对于他们初始量的图6A和图6B中每种香精组分的量的曲线图；图8是挥发性物质分配器的示意图；图9A-9C示出三种分馏法体制的配克立数分布和调和均值；
图10是示出无量纲稳定时间比直芯(实线)和指数异形芯(虚线)的平均配克立数的曲线图；
图11是总结挥发性物质分配器系统的性能参数如何依据其设计参数的图表；
图12是填充装和其中的流体动力学的示意性主视图；
图13是示出配克立数比温度和边界层厚度的等值线图的曲线图；
图14是示出输出速率比尖端区域和配克立数的等值线图的曲线图，说明了两种香精各自的允许范围；
图15是示出输出速率比尖端区域和配克立数的等值线图的曲线图，说明了改变输出速率的两种方法；
图16A-16C是示出机械控制边界层厚度的方法的示意图；
图17是示出拥有8、10、12、14和16个碳原子的烷类物质的挥发性的曲线图；
图18是示出强制对流的直芯的尖端区域比配克立数的曲线图；
图19是示出强制对流的直芯的尖端区域比配克立数的曲线图，其中已经摈弃了响应时间要求；图20是示出自由对流驱动的装置的温度比边界层厚度的曲线图；图21是示出自由对流的直芯的尖端区域比配克立数的曲线图；图22是示出强制对流的逐渐变细的芯的尖端区域比配克立数的曲线
图23是示出自由对流的逐渐变细的芯的尖端区域比配克立数的曲线图；图24是示出具有毛细管馈送烧结半球状芯的芯的底部等距视图；图25是示出强制对流的图24中的芯的尖端区域比配克立数的曲线图；图26是示出自由对流的图24中的芯的尖端区域比配克立数的曲线图；图27示出具有大致圆柱形杆和盘形蒸发表面的芯；图28是示出图27中的三个样品芯在约三个小时期间的重量损失的曲线图；图29A和图29B是示出图28图表所示的仅两个样品芯在约10个小时期间的重量损失的曲线图以及用于该芯的最佳拟合曲线，图29B还说明了用于计算在任何给定时间段内的预测总重量损失的各种参数；图30示出具有大致圆柱形杆的芯；图31是示出图30中的三个样品芯在约三个小时期间的重量损失的曲线图；图32是示出图31图表所示的仅两个样品芯在约10个小时期间的重量损失的曲线图以及该芯的最佳拟合曲线；图33是具有蒸发表面的大致扁平芯的图示；图34是用于从图34所示芯中蒸发挥发性物质的系统；以及图35是示出时间常数比图27、30和33的芯的稳定状态蒸发速率的曲线图。本发明的其他方面和优点基于如下详细描述而更清楚，其相似结构具有相似的参考数字。详细说明本公开针对盛装挥发性物质的填充装。本发明可以以多种形式进行实施，本文探讨了一些具体的实施例，应当理解，本发明只应被看做本发明原则的范例，其用意不在于将发明局限于所述的实施例。而且，此处术语香精的使用并未将本公开局限于单独一种香精。特别是，本公开的原理适用于任何通过蒸发从芯中散发出去的挥发性物质。挥发性物质的例子包括但不仅限于如清洁剂、杀虫剂、驱虫剂、昆虫引诱剂、防霉菌或防霉剂、香精、消毒剂、空气净化剂、芳香疗法香味剂、防腐剂、有效的挥发性芳香物质、空气清新剂、除臭剂或类似的物质及其组合。添加剂可被包括在挥发性物质中，如香精和/或防腐剂。本公开提供了一种基于芯的挥发性物质分配器，其中，分馏法以充分的速度发生，以随着时间的推移散发含有与初始挥发性物质成分(在任何挥发性物质散发出去之前的)相匹配的始终一致的蒸汽成分的挥发性物质。分馏法速率由无量纲量、配克立数进行测量，其为(I)芯几何体、(2)挥发性物质的香精组分的挥发性、以及(3)散播由分配器散发的(挥发性物质的)蒸汽的气流的函数。芯JL何体形状本公开的填充装48包括具有大致多孔结构的芯50，如
图1所示，其被安置在容器或瓶52中，且与其中的挥发性物质53接触。芯50伸出瓶52，且结束于包括一个或多个芯50表面的散发表面54，其中挥发性物质53通过毛细管作用流经芯50到达散发表面54。挥发性物质的蒸汽55在散发表面54产生，而随着蒸汽从散发表面54的释放，散发表面54的挥发性物质被来自瓶52的流所补充。这种流限定芯50的几何流轴，而芯截面58被限定为大致与流轴56垂直的区域。在任何挥发性物质从填充装48中被移走之前，挥发性物质53具有初始填充装或瓶成分。蒸汽成分是从散发表面54散发出的蒸汽的成分。本公开的一个目标就是要使蒸汽成分尽可能保持与初始瓶成分相近，并阻止初始瓶成分随时间而改变。图2A-2G展示了各种芯几何尺寸的横截面，其中该横截面被含有流轴56的水平面附带。每个芯50都包括其终端的散发表面54。每个芯50的箭头都展示流速矢量，其中较小的箭头展示较低的速度，而较大的箭头展示较高的速度。虚线为横截面58，其中横截面与流轴56垂直。图2A展示直芯50，图2B显示细芯50的流速随着芯50横截面区域的增加而降低，图2C描述了具有直段70的芯50以及逐渐变细或迅速变长的部分70，其中散发表面54以及细部分72的横截面58都弯曲了。在图2D中，直芯50具有不止一面的散发表面54，其中流在靠近散发表面54的最 高横截面58弯曲到不同方向。而且，图2E展示了具有各种流速矢量的弯曲芯50，图2F描述了具有平行块74的芯50，其中芯50的整个横截面58被当做通过每个块74的横截面58的集合。最后，图2G显示具有直段70的芯50以及分支部分78，其中分支部分78的整个横截面58成为穿过每个分支的横截面的集合。其他芯的设计包括一种三维的芯几何尺寸，如将图2A-2G的横截面置于表面之外(如图3A，其中图2B被拉长)或将其旋转(如图3B，其中图2C被旋转了 180度)或利用图2A-2G垂直平面中显示的任两个部分(如图3C，其中图2G的三个部分被结合起来)。分馏法的物理原理:流动与扩散两个程序支配香精组分在芯中的分配:(I)由芯的一端通过蒸发产生的香精的损失诱导流，其在图2A-2G流轴的引导下发生，而且(2)香精组分在芯内的相互扩散，其中扩散是由于分子随意的热运动而导致香精组分通过芯向多个方向的运动。扩散导致挥发性物质成ii均匀化。由于这两个程序之间的竞争，分馏在芯的顶端发生。图4A和图4B描述了分馏是如何发生并随着时间而演变的。在第一个示例中，包括瓶子的填充装具有含三种组分的挥发性物质，直芯的长度为20毫米，并与挥发性物质接触。最后，芯的一端受到了帮助蒸发和扩散香精组分的气流。组分均为链烷，且在图4A中通过每种组分所含的碳原子数量(如ClO组分表示正癸烷)来标示。大致说来，分子越大，其挥发性越小。图4A和图4B示例中的瓶子最初包括含有三种容积等比组分的挥发性物质，因此芯最初包含同样等比例的三种组分。当芯被激活(如通过把芯的顶端暴露在空气中)的时候，ClO组分以很高速率蒸发，C12组分以很低速率蒸发，而Cll组分以中等速率蒸发。三种组分的相对挥发性为6.8:2.6:1，因此芯中的初始蒸汽散发以远不同于原始成分比例1:1:1的比例散发。图4A展示了短时间之后(约4分钟)，芯长周围的每种组分的容积率。在顶端(位置=20毫米处)，ClO已被消耗殆尽，而C12已取而代之(注意芯周围任何位置的容积率加起来必须为I)。这减少了 ClO的蒸发速率，而且增加了 C12的蒸发速率，由此帮助调整蒸汽成分的不平衡。扩散和流共同运动改变了香精组分的分配。流将香精从瓶内成分中带到芯的顶端，造成了芯周围挥发性物质中的浓度渐变。通过减小渐变，扩散以一种相反的方式运动。最初，扩散具有更强的影响，分配开始延伸。最终如图4B所示，达到了一种稳定状态。稳定状态的性质对于理解分馏如何能够产生匹配瓶内成分(更确切地说是初始瓶内成分)的蒸汽成分非常重要。在芯的任何横截面，由于实质性的总体流以及一种香精组分的扩散，流量或净流量大小归因于流的结合，以横截面之前的浓度带来新的物质，以及流量与浓度渐变相悖的扩散。每种香精组分的总体流以稳定状态确定下来，不受时间和位置的限制。在图4B的实例中，基本上没有成分从顶端(如16毫米位置以下)浓度渐变。16毫米以下的组分流量全部归因于流，而由于香精组分在瓶内的比例相同，流量也相同。那么在顶端的流量也要相同，这意味着蒸汽成分要与瓶内成分(又，更确切地说是初始瓶内成分)相匹配。在芯的顶端，高挥发性ClO的浓度被耗尽，因此流量的流组分在顶端是非常低的，但是流量由于扩散流量而增大。同样地，C12的浓度在芯的顶端得到增大，因此那里的流量的流组分非常大，但是扩散流量是朝相反方向的。如另一检查所证，顶端的组分的容积率与其挥发性是成反比例的，这再一次显示了香精组分会以等比例蒸发，以便于蒸汽成分与瓶内成分相匹配。系统随时间而发生的整体演变在图5A和图5B中进行了总结。图5A展示了蒸汽成分如何随时间而发生演变的(其时间在对数刻度上)。约0.1天或两小时后，三种香精组分以等比例被散发。图5B显示了作为时间函数的香精成分整体流或输出速率(以毫升/每小时表示)。由于初始蒸汽含有高比例的高挥发性组分，因此整体流动速率最初非常高，其中流动速率在约两个小时之后降至其均衡值。
由于图4A-5B所示香精组分散发的速率与瓶内成分相匹配，瓶内成分不会随时间而变化，且芯以恒定速率持续发出恒定的蒸汽成分，直到瓶子变空。图4A-5B所看到的香精组分的散发是期望的结果。与图4A-5B相关的示例是一个分馏以足够速率产生稳定持续且匹配瓶内成分的蒸汽输出的实施例。在第二个示例中，同样的芯和香精成分被利用，但是芯顶端的气流被降低，这降低了流动速率。图6A展示了香精组分在两小时后的分配，其中高挥发性组分ClO在顶端仍旧被耗尽，而低挥发性组分C12在其位置被增强。组分的浓度渐变不如图4A中那么强烈，因为挥发性成分中的扩散对于流有了更强的影响，且使分配情况趋于平缓。图6B显示了香精组分在三天后的分配，其中在芯的几乎最底端(位置=0毫米)与芯的顶端(位置=20毫米)之间的分配有重大倾斜。由此扩散影响了整个芯长周围的组分流量。ClO的流量被扩散增大，而C12的流量由于扩散而减少，因此有助于使ClO以更大的比例被释放并使C12比瓶内成分的比例更小。图7A显示了作为时间的函数，蒸汽成分在约三天后(整体输出几乎恒定)趋向稳定状态(所有曲线都变平缓)，但是持续缓慢浮动且从未真正达到平衡。这是因为当ClO以比C12更高的速率被释放的时候，瓶内组分随着时间而浮动。图7C显示了作为时间的函数，相对于其初始容积的瓶内每种香精组分的容积。如六十天后，C10:C11:C12的比例为0.25:0.35:0.5(即1: 1.4:2)，这与开始的比例1:1:1区别甚大。最终，高挥发性组分从瓶内几乎完全被耗尽，而低挥发性组分被剩下，这使蒸汽成分发生巨大变化。如图7B所示，由于一些原因，随着时间推移，整体输出速率在三天后减缓。图4A-5B的实施例(分馏法运作正常)和图6A-7C的实施例(分馏法运作不正常)显示当香精组分分配渐变被包含在芯长之中的知识，分馏法是有效的，即他们不会伸出瓶内。香精组分以蒸汽态的流量与瓶内香精组分的流量相匹配，即与瓶内成分比例相符。图5A和5B与图7A和7B之间的比较也展不了有效分馏的图5A和5B的芯比无法有效分馏的芯能够更快地达到平衡，因此具有有效分馏的芯是必要的。数学描沭图8A所示为一个分配器的简单的平面模型。填充装100包括瓶子102及其与瓶102内挥发性物质106相接触并伸出瓶体102的细芯104。芯104为多孔性质，因此包括气孔108 (即对挥发性物质有效的可用空间，其中参考数字108指出一些而不是所有的气孔)。芯104进一步包括散发表面110，挥发性物质106从中被分配。芯104具有伸出挥发性物质106的长度L，其散发表面110被安置在Z=O，而芯104与瓶102内挥发性物质106接触的点被安置在Z=-L。芯104在任何点z的有效截面为A(Z)，其中有效截面被定义为芯104在点Z的十字截面乘以芯在点Z的孔隙度。由于十字截面和/或孔隙度随着Z而变化，A(z)也会随着Z而变化。瓶102含有混合N种组分的挥发性物质106，由i=l...N做指数。假设在每个z:fi = ft(z, t)位置，每种香精组分的容积率在芯104的横截面都一致的话。可发现容积
率受制于f你O=1的约束。在时间t的时候，设Q (t)为香精的整体容积流动速率。设D为香精组分的互相扩散性。实际上互相扩散性 在每组香精组分之间有所不同且随着温度变化。对于“非理想化的”香精混合物而言，互相扩散性也取决于香精组分的浓度。然而，事实上，一个单独的数值就足以描述芯内的反应:如D=2e-9m2/s就是指典型的烃类。在多孔性结构中，D值需要依据结构的弯曲度进行改正，弯曲度即为芯中两个点之间的孔的距离与同样两点之间的直线距离的比率。反之，弯曲度也是其多孔性(作为整体体积的一部分的自由体积)和拓扑学(如包装领域、开孔泡沫等)的函数。这种改正的公式极易从学术文献中找到。在位置ZOi (z，t)的香精组分i的总体积流量是每单位时间通过截面的组分i的体积，是由于扩散产生的流和由于流动产生的流的组合:方程式I: €>.(z,t) = -A(Z)DdJi(z,t) + (z,i)对该方程式i求和并使用实例；= I显示Q(t)为芯周围所有位置的香精组
I"sl
分的总流量:
X方程式2:= ( (/)
f I体积部分的演变来源于体积的保持(即质量的保持，使液体香精组分不可压缩):方程式3: 4>)a,/;(r,/) + 0,^,O = O
这些方程式的解由最初体积部分在芯内的分布以及瓶内和芯顶端的边界条件决定。设瓶内组分体积i为Vi (t)。总体积
权利要求
1.一种始终如一地散发挥发性物质的系统，所述系统包括: 挥发性物质分配器(279)，其具有扩散元件(286、288);和 适于安置于挥发性物质分配器(279)内的填充装(282)，其包括内具有挥发性物质的容器和芯(284)，所述芯具有安置地与容器中的挥发性物质接触的第一端和延伸出容器外的第二端； 其中，当被使用以下标题方程式估计时，系统的时间常数(参数4)大于O且小于或等于1.0小时:预测的质量变化=参数4+(参数3*T) + (参数2*exp(-T/参数I))。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统的时间常数大于O且小于或等于0.9小时。
3.如前述权利要求 中任何一项所述的系统，其中，所述系统的时间常数大于0且小于或等于0.8小时。
4.如前述权利要求中任何一项所述的系统，其中，所述芯(284)包括: 大致圆柱形的杆(250)，其具有第一直径；和大致盘形的蒸发表面(252)，其安置在芯的第二端上并具有大于第一直径的第二直径。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述第二直径是第一直径的至少两倍。
6.如权利要求1、2或3中任何一项所述的系统，其中，在第一端部和第二端(50)之间所述芯(284)向外逐渐变细。
7.如权利要求1、2或3中任何一项所述的系统，其中，所述芯包括:杆(250)，其具有的厚度小于杆的宽度；和蒸发表面(252)，其安置在芯的第二端上且具有的宽度大于杆的宽度。
8.如前述权利要求中任何一项所述的系统，其中，所述扩散元件(286、288)是加热器(288)，在填充装(282)被插入分配器(279)时其安置地与芯(284)的第二端相邻，来帮助从芯(284)的蒸发表面蒸发挥发性物质。
9.如权利要求8所述的系统，其中，挥发性物质的组分在填充装的整个寿命期间大致保持相同，且在填充装被安装到分配器中之前与初始填充装组分大致保持相同。
10.如权利要求1至7中任何一项所述的系统，其中，所述扩散元件(286、288)是安置在分配器(279)内的风扇(286)，且当填充装(282)被安装在分配器(279)中时，填充装(282)的芯(284)被安置在由所述风扇(286)生成的气流通路中，来帮助从芯(282)的蒸发表面(252、262)蒸发挥发性物质。
11.如权利要求10所述的系统，其中，挥发性物质的组分在填充装的整个寿命期间大致保持相同，且在填充装被安装到分配器中之前与初始填充装组分大致保持相同。
12.如权利要求1至3中任何一项所述的系统，其中，所述芯(284)包括:毛细管(70)，其第一端与挥发性物质接触且第二端延伸出容器外；和半球状的芯(72)，其安置地与管的第二端相邻。
13.—种始终如一地散发挥发性物质的系统，所述系统包括: 挥发性物质分配器(279)，其具有扩散元件(286、288);和 适于安置于挥发性物质分配器(279)内的填充装(282)，其包括内具有挥发性物质的容器容器和芯(284)，所述芯具有安置地与容器中的挥发性物质接触的第一端和延伸出容器外的第二端；其中，在挥发性物质稳定状态下的蒸发速率和芯的杆的高度的乘积，除以芯杆的截面面积，小于 1.4e_4kg m 1S 1 并大于 6.4e_6kg m 1S 1O
14.如权利要求13所述的系统，在挥发性物质稳定状态下的蒸发速率和芯(284)的杆(250.260)的高度的乘积，除以芯杆(250.260)的截面面积，小于1.4e_4kg m—1S.1并大于8e_6kg m 1S 1 并优选小于 1.4e_4kg m 1S 1 并大于 10e_6kg m 1S全文摘要
一种始终如一地散发挥发性物质的系统，包括具有扩散元件的挥发性物质分配器。所述系统进一步包括适于安置于挥发性物质分配器内的填充装，其包括内具有挥发性物质的容器和芯，所述芯具有安置地与容器中的挥发性物质接触的第一端和延伸出容器外的第二端。当被使用以下方程式估计时，系统的时间常数(参数4)大于0且小于或等于1.0小时预测的质量变化=参数4+(参数3*T)+(参数2*exp(-T/参数1))。
文档编号A01M1/20GK103140245SQ201180047752
公开日2013年6月5日 申请日期2011年8月2日 优先权日2010年8月2日
发明者N·沙玛, M·K·塔斯仔, R·P·琼斯 申请人:约翰逊父子公司