DE60320100T2

DE60320100T2 - Vorrichtung zur lokalisierten Oberflächenverflüchtigung

Info

Publication number: DE60320100T2
Application number: DE60320100T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey L. New Berlin HARWIG; Brian E. Hartland HEALY; James F. Hales Corners KIMBALL; Stephen B. Franksville LEONARD; Maude C. Racine MEIER; Ralph W. Boonton OAKESON
Original assignee: SC Johnson and Son Inc
Current assignee: SC Johnson and Son Inc
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2023-06-06
Also published as: US20040035409A1; CA2487267A1; WO2003103387A2; CN1665387A; CA2487267C; EP1509081A2; EP1509081B1; JP2005528122A; AU2003237409A1; WO2003103387A3; CN100435632C; DE60320100D1; ZA200409733B; US6909840B2; MXPA04012161A; BR0305014A; KR20050009738A; AR040165A1; ATE390840T1; ES2300589T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schnellen stoßartigen Freisetzen von Komponenten mit hohem und niedrigem Dampfdruck aus flüssigen oder festen Beständen, die in Kontakt mit einer lokalisierten bzw. Punkt-Wärmequelle stehen. Die Verdunstung wird mit einem geometrisch kleinen und variabel aktivierbaren elektrischen Widerstand-Heizelement gefördert, mit dem sich die Austrittsfläche, die die flüchtigen Komponenten enthält, gepulst und zyklisch erwärmen lässt.
Die Erfindung richtet sich primär auf die Behandlung von Wohnraumluft zur Beduftung, Geruchsbeseitigung, Insekten- oder Schädlingsbekämpfung, Luftdesinfektion, auf die antimikrobielle Behandlung von Luft und Oberflächen oder eine andere Umluft- oder Flächenbehandlung mittels Begasung oder Bedampfung. Anwendungen sind u. a. tragbar (bspw. an der Bekleidung oder am Gürtel einer Person), stationär zur lokalisierten Behandlung (bspw. eines verhältnismäßig kleinen Bereichs) oder stationär zur weiträumigen Behandlung (bspw. eines ganzen Raums in einem Haus oder Gebäude). Andere Gebiete sind u. a. gewerbliche oder öffentliche Räume, die eine Luft- oder Flächenbehandlung durch Begasung erfordern.
Die Luftveränderung und -behandlung ist seit Langem Teil der Ästhetik bzw. Funktionalität von Wohn-, Erholungs-, Arbeits- o. ä. Innen- und Außenräumen. Problematisch war dabei, dass ästhetische oder funktionale flüchtige Stoffe mit ausreichend hohem Dampfdruck, um die Umgebung ohne weiterem Aufwand zu behandeln, in der Anzahl und im Nutzen eingeschränkt sind. So hat der Einsatz von Wärme zur Unterstützung des Verdampfen hochmolekularer Verbindungen mit niedrigem Dampfdruck eine lange Geschichte.
Die Anwendung von Wärme vergrößert den Bereich ästhetischer und funktionaler Verbindungen, die zur Luftbehandlung einsetzbar sind. Einige der ersten waren offene Flammen (Kerzen, Ofenplatten usw.). Obgleich sie wirken und bis heute angewandt werden, kann die Wärme aus einer Flamme im Einatz schwierig sein, da das Regulieren der Wärmeabgabe schwierig ist und eine Flamme typischerweise weite Temperaturschwankungen zeigt. Andere Probleme sind die Einwirkung auf – bzw. die Temperaturerhöhung in – größeren, d. h. unbeabsichtigten Bereichen. Weiterhin kann der Ruß der Flamme benachbarte Bereiche schwärzen, eine Flamme unangenehme Gerüche abgeben und die verflüchtigte Lösung schnell abbauen; weiterhin besteht kaum eine Einstellmöglichkeit. Folglich kommen zahlreiche Stoffe für den Einsatz in Flammensystemen nicht in Betracht.
Neben Flammensystemen sind chemische Wärmeabstrahler aufgekommen. Hierzu sind zahlreiche bekannte und einfache Chemieansätze verfügbar, wie in den US-Patente 6 248 257 und 6 289 889 beschrieben – u. a. Calumoxide, Aluminiumkupfersulfat, Kaliumchlorat, Calciumsulfat, Eisenoxid, Säuren und Laugen und andere. Chemische Wärmequellen leider unter dem Mangel einer präzisen Temperatueinstellung und der Unmöglichkeit, die Reaktion anzuhalten; auch enthalten viele von ihnen vor oder nach der Reaktion aggressive Bestandteile.
Bei einer anderen Generation von Verflüchtigungsverfahren finden sich Geräte, die mit Druckgas bzw. einem Aerosol arbeiten und die Tröpfchen ausstoßen, an deren sehr großer Summenoberfläche sich ein flüssiges Mittel in die Umluft verflüchtigen kann. Diese Systeme arbeiten für Sofort- und situationsspezifische Anwendungen sehr gut, erfordern aber für die kontinuierliche Luftbehandlung Verbesserungen. Ein einfacher Satz von Technologien für diesen Interessenbereich weist Ausgabevorrichtungen mit offenen oder halbgeschlossenen Gelatine-, Faser- oder anderen Stoffen auf, die ab- oder adsorbierte Wirkstoffe und Wirkverstärker aufweisen und durch eine vergrößerte Oberfläche ein passives Freisetzen fördern. Die erforderlichen großen Oberflächen machen diese Produkte groß und schwer und im Einsatz unansehnlich, wenn Gele schrumpfen, Konstruktionselemente freigelegt werden, Oberflächen verschmutzen usw.
Andere passive Dosiersysteme arbeiten mit halbpermeablen Membranen, Dochten, Kapillarelementen, porösen Stoffen und anderen Fluid-Transport- und Austrittsflächen. Auch Produkte wie Deodorant- und Sublimationssteine werden zur Abgabe von die Umluft behandelnden Dämpfen an die Atmosphäre durch Verdunstung angewandt. Die Leistung dieser Systeme schwankt innerhalb weiter Bereiche, und obgleich es neu konstruierte Hybrid-Systeme mit neuen, ein passives Verdunsten unterstützenden Materialien gibt, können sie unter den gleichen Mängeln leiden, die hier zu Gel- und Fasersystemen angegeben sind. Generell fehlen ihnen die Attribute eines optimalen Einsatzverhaltens.
Man hat zunehmend auch elektrische Systeme eingesetzt, um die Verflüchtigung mit Wärme, Luftbewegungen, elektromechanischen Aerosolbildnern oder anderen Methoden oder Kombination zu unterstützen bzw. zu verstärken, und man hat Wärme- und/oder Luftströmungen mit vielen der oben erwähnten passiven Luftbehandlungssystemen kombiniert. Dabei erwiesen sich Luftstromsysteme als wenig besser als passive Systeme, und erstere erfordern weiterhin größere Austrittsflächen, um eine Verbesserung zu erreichen. Durch den Systemen zusätzlich gewidmeten Entwicklungsaufwand hat man Wirkstoffe mit besserem Wirkungsgrad und – abhängig von deren Komplexität – einer optimaleren Abgabeleistung erreicht. Obgleich diese Systeme generell erfolgreich waren, lassen sie wichtige Leistungseigenschaften unberücksichtigt. Die WO 97/28830 zeigt einen elektrisch gespeisten Verdunster für eine flüch tige Flüssigkeit, in dem ein Kaltleiter (PTC-Widerstand) einen Docht auf einer konstanten Temperatur hält. Dabei ist der positive Temperaturkoeffizient verantwortlich für ein Konstanthalten der Temperatur, da Temperaturänderungen in Folge von äußeren Einflüssen durch Änderungen der speisenden Energie selbsttätig ausgeglichen werden. Weiterhin offenbart die US 5 484 086 einen Parfumgaserzeuger.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, wie sie im Anspruch 1 unten definiert ist. Ausführungsformen derselben arbeiten mit einer lokalisierten impulsaktivierten Heizeinrichtung und lassen sich in Haushalts- oder Gewerbe-, Innen- oder Außen- sowie stationäre oder tragbare Anwendungen aufnehmen. In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein elektrisches Widerstand-Heizelement wie einen Draht oder ein Dünn- oder Dickschicht-Widerstandheizelement auf, das eine Freisetz- bzw. Austrittsfläche berührt oder daran befestigt ist, aus der die aus der gepulsten elektrischen Speiseenergie erzeugte Wärme eine flüchtige Verbindung freisetzt. Bevorzugt weist die Heizeinrichtung einen Nichrom-Draht auf, der einen Docht berührt und erwärmt, um einen Wirkstoff aus der Dochtoberfläche an die Umluft zu verdampfen. Die Speisung erfolgt bevorzugt mit Alkali-Batterien oder Sammlern; Tisch- und portable sowie am Körper tragbare Anwendungen sind ins Auge gefasst. Das lokalisierte Heizelement und die Impulsspeisung ergeben gemeinsam ein schnelles Erwärmen und Abkühlen, einen begrenzten Wärmeabfluss aus der lokalisierten Heizzone, eine anhand der Amplitude, Dauer und Häufigkeit der elektrischen Zyklen dosierte Wirkstoffabgabe sowie weniger thermischen Wirkstoffabbau. Das Heizelement ist eine Technologiekomponente, die sich mit anderen Verfahren der Abgabeverbesserung – bspw. Luftbewegung – sowie sicht- oder hörbaren Reizen – zusammenfassen lässt.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt zahlreiche erwünschte, aber von bekannten Vorrichtungen unerfüllte Leistungsattribute bekannter Vorrichtungen.
Ein solches Attribut ist die Tragbarkeit. Passive Geräte sind tragbar, aber generell wenig wirksam. Netzgespeiste Geräte sind wirksamer, müssen sich aber relativ nahe an Steckdosen befinden, während batteriegespeiste Geräte auf die Anwendung weniger energiesparender Technologien wie Gebläse angewiesen sind, da Widerstandheizelemente den verfügbaren Batteriestrom schnell aufbrauchen. Die Unmöglichkeit einer Wärmenutzung schränkt die effektiv einsetzbaren Wirkstoffe erheblich ein. Sämtliche derzeit verfügbaren Geräte berücksichtigen funktionale und ästhetische Belange relativ wenig, für die das Produkt gedacht ist – bspw. eine Ganzraumbehandlung, eine variable Behandlungsstärke, Systemänderungen zur Berücksichtigung unterschiedlicher Chemien usw. Die vorliegende Erfindung überwindet diese Schwierigkeiten durch Eingehen auf das wichtige Leistungskriterium der Nutzung eines hochwirksamen Widerstandheizelements sowie einer Minimierung der Größe des Heizelements auf die sehr kleine Fläche, die zum Erreichen der Sollabgabe erforderlich ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein verstärktes Verdampfen bzw. Verflüchtigen, das die geleistete Luftbehandlung verbessert. Insbesondere geht es hier um eine Impulserregung eines Dünnschicht-Heizelements geringer thermischer Masse, die sich schnell erwärmt und abkühlt. Dadurch lässt sich das Heizelement über die Amplitude, die Dauer und die Häufigkeit der Heizimpulse zur Dosierung der abgegebenen Wirkstoffmenge einsetzen. Das Verändern dieser Parameter ermöglicht eine Veränderbarkeit zur Behandlung von Umgebungen, deren Größe, Luftbedarf, personellen Präferenzen und Eigenschaften sich ändern, wie auch der verschiedenen Wirkstoffe und Lösungen. Derartige Besonderheiten standen mit konstant heizenden Systemen nicht zur Verfügung – ob mit offener Flamme, einem elektrischen Widerstandheizelement, einer chemischen Reaktion od. dergl. Auch Luftbewegungssysteme arbeiten gewöhnlich mit fester Luftströmung; bei modulierten Systemen kann die Luftströmung auf die Anwendung von Komponenten mit niedrigerem Dampfdruck beschränkt sein.
Weiterhin bietet die Erfindung den Vorteil einer lokalisierten und gepulsten Erwärmung, um die Zusammensetzung des abgegebenen Wirkstoffs weniger zu verändern. Im Ergebnis werden nicht nur das verhältnismäßig große Heizelement und der zwischenliegende Bereich der Austrittsfläche auf eine erhöhte Temperatur gebracht, sondern auch das Gerät selbst, die Grundmasse (Matrix) sowie der Behälter und sein Inhalt. Dadurch steigt nicht nur die Wirkstoffabgabe allgemein, sondern die konstante Anwendung von Wärme beschleunigt Konzentrationsänderungen, da Bestandteile hohen Dampfdrucks schneller abgegeben werden als solche mit niedrigem Dampfdruck. Folglich ändern sich die Konzentration der Lösung sowie die Zusammensetzung des abgegebenen Dampfes bzw. Dunstes kontinuierlich.
Die konstante Beaufschlagung mit Wärme erteilt auch den Konstituenten eine höhere Temperatur und Molekularenergie, die die Kinetik in Richtung einer Molekülzersetzung beschleunigt. Bspw. bei Kohlenstoffverbindungen weisen deren häufigste und schwächste, i. e. C-C, C-H, C-N und C-O. allesamt eine Bindungsfestigkeit von weniger als 100 kcal/Mol auf. Mit einer mittleren Bindungsfestigkeit von etwa 80 kcal/Mol würden diese Bindungen genug Energie für einen Abbau bei hohen konstanten Temperaturen erhalten. Aus dem Joule'schen Gesetz lässt sich ein relevanter Wert für die Wärmemenge erhalten, die ein Leiter aus dem Stromfluss erzeugt, und zwar H = KI²Rt = KtP mit H = Wärmemenge (cal), K = Proportionalitätskonstante = 0,2390 (cal/J), I = Strom (A), R = Leiterwiderstand (Ω), t = Zeit (s) und P = Leistung (W = J/s). Typische Werte für das lokalisierte Widerstandsheizelement liegen in den Bereichen von 0,25 s bis 3 s Impulsdauer, 0,2 Ω bis 25 Ω und 0,2 A bis 1 A pro Periode. Im Extrem ergibt sich ein Wärmewert H << 80 kcal/Mol für kurze Impulszyklen. Bei konstanter Beheizung dauert es nur wenige Stunden, bis genug Energie in das System eingespeist worden ist, die der für den Abbau chemischer Bindungen erforderlichen entspricht. Diese Energie verteilt sich auf die Lösung, ihren Behälter, den Docht und andere bauliche Komponenten. Die konstante Wärmebeaufschlagung trägt signifikant zur Beschleunigung der Abbaukinetik bei. Diese unerwünschten Ergebnisse lassen sich durch den kom binierten Effekt eines zyklischen Betriebs und einer lokalisierten Erwärmung gering halten oder beseitigen.
Die lokalisierte Erwärmung impliziert die Verwendung verringerter Austrittsflächen. Dies ist möglich, da bei der Impulserwärmung die Stärke, Dauer und Häufigkeit variieren kann, um von einer kleineren Fläche die geforderten äquivalenten Abgabemengen zu erreichen. Der Nutzen eines kleineren Flächeninhalts liegt in einer geringeren Fläche zur Freisetzung von Produktkomponenten höheren Dampfdrucks bei niedriger Temperatur, so dass man ein zeitlich gleichmäßigeres Produkt erhält. Weiterhin befindet sich in Folge der Impulserwärmung das abgebende Element und der abgegebene Dunst bzw. Dampf nahe am Heizelement nicht in einer thermalen Umgebung und ist der abgegebene Dunst bzw. Dampf weder länger noch kontinuierlich einer hohen Energie ausgesetzt. Durch die diskontinuierliche Beaufschlagung mit Wärme findet schließlich ein begrenzter Wärmeübergang in proximalen oder größeren Entfernungen vom Heizelement statt. Diese Bedingungen reduzieren einen möglichen Abbau des abgegebenen Dunstes und erhöhen seine zeitliche Stabilität.
Wird Wärme mit einem lokalisierten, zyklisch betriebenen Heizelement aufgebracht, lässt sie sich kontrollieren und im Sinne einer optimalen Verdunstung steuern. Der Dampfdruck einer Flüssigkeit tritt in Erscheinung, da bei jeder Temperatur eine Verteilung kinetischer Energie vorliegt, die von den Molekülen in der Lösung gehalten wird. Die Moleküle mit höherer Energie, die zum Entweichen von der Oberfläche der Flüssigkeit ausreicht, verdampfen, während bei den gegebenen Bedingungen ein Gleichgewicht von Verdampfung und Kondensation erreicht wird. Durch Wärmezufuhr zur Flüssigkeit nimmt der Anteil von Molekülen mit ausreichender Ablöseenergie zu, so dass die Verdampfungsrate und der Dampfdruck steigen. Erkennt man an, dass die Verdampfung ein Oberflächenereignis und nur der Verdampfungsprozess gewünscht ist, ergibt sich die Oberflächenerwärmung als die effizienteste Methode einer Wärmeübertragung an Oberflächenmoleküle und einer Minimierung des Wärmeübergangs an die Flüssigmasse und die Abbauprozesse. Ein derartiger Verdampfungsmechanismus kann den Energiewirkungsgrad des Systems erhöhen. Ein Ein- bzw. Untertauchen eines Heizelements ergibt einen äquivalenten Energietransfer, aber die Energie in der Flüssigkeit wird dann zerstreut. An der Grenzfläche zur Flüssigkeit können hochenergetische Moleküle entweichen oder über kurze Strecken zur Oberfläche diffundieren und dann als Dampf entweichen. Innerhalb der Flüssigkeit übertragen hochenergetische Moleküle vor dem Entweichen ihre Energie durch Kollisionen auf andere Moleküle, so dass die flüssige Masse sich erwärmt. Bei Temperaturen unter dem Siedepunkt, wo Dämpfe sich nicht zu Bläschen sammeln, die den Dampf schützen können und rasch an die Oberfläche steigen, erreichen zahlreiche hochenergetische Moleküle nicht die Oberfläche, um zu entweichen, so dass der Wirkungsgrad der Verdampfung für kleine Energiezufuhr sinkt. Folglich kann die Tiefe der Oberfläche sich über die Distanz einiger weniger Moleküle hinaus erstrecken, die benötigt wird, damit die Moleküleigenschaften der Grenzfläche der Flüssigkeit in die molekularen Eigenschaften der Flüssigmasse übergehen. Das Wesen der Viskosität, die Wechselwirkung der Moleküle und andere Eigenschaften der Lösung, ihre Bestandteile und deren spezifische Fähigkeit, in Folge ihrer Molekülgröße, Funktionalität, Struktur, des Ausmaßes der Molekülwechselwirkung und andere Gesichtspunkte die Oberfläche zu erreichen, bestimmen die effektive Dicke der Oberflächenschicht, die eine schnelle Verdampfung dieser Bestandteile ohne signifikante Verluste an eine Massenerwärmung zulässt. Ein praktischer Gesichtspunkt für den Wirkungsgrad ist, dass die Mehrheit der verdampften Moleküle, die von der Oberfläche entweichen, diejenigen einschließt, die unter dem Heizelement oder gegenüber der Oberfläche verdampfen, falls solche Bedingungen vorliegen, und längere Wege erzeugen würde, über die eine Verdampfung erfolgt. Eine praktische Definition dieser Oberflächendicke beträgt 300 μm und bevorzugt 100 μm mit der Maßgabe, dass die von einem Heizelement ausgehenden Wärmelinien oft auf einen Durchmesser bzw. eine Dicke vom Heizelement weg beschränkt sein müssen, was die Erwärmungszone durch minimierte Leitungsprozesse darstellt. Eine Oberflächenerwärmung ist zentral für die Konstruktion einer tragbaren niederenergetischen Wärmequelle. Die zyklische Speisung ermöglicht die Verwendung breiter Temperaturbereiche bei minimalen Konzentrationen des abfließenden Dunstes bzw. Dampfs und Moleküländerungen.
Eine lokalisierte zyklische Erwärmung, die nach Amplitude, Dauer und Haufigkeit variieren kann, geht einher mit der Proportionalität zwischen erhöhter Temperatur und verstärkter Verdunstung. Im Ergebnis kann unabhängig von den chemischen und physikalischen Eigenschaften der verdampften Substanz eine optimale Verdampfung erfolgen. Dieser Zusammenhang folgt dem Kondensphase-Dampf-Gleichgewicht log P = –ΔH/RT + C, wobei P = Druck, ΔH = Systemwechselwirkungsenthalpie, R = Gaskonstante, T = Temperatur (K) und C = Konstante gelten. Ein Graph von log P über 1/T zeigt einen zunehmenden Dampfdruck bei zunehmender Temperatur zwischen einer kondensierten Phase und einer Dampfphase. Die Zufuhr von wenig Wärme über längere Zykluszeiten oder von viel Wärme über längere Dauer und die Frequenz dieser Zyklen ergeben ähnliche Mengen verdunsteter Flüssigkeit. Lokalisierte Heizelemente geringer Masse erlauben ein rasches Aufheizen auf Temperaturen bevorzugt nahe an, aber unter den Siedepunkten. Darin liegt keine Notwendigkeit, da bei Mehrkomponentenmischungen für viele Lösungen und auch für komplexe Gemische für Duftstofflösungen die Siedepunkte der Konstituenten über einen weiten Bereich verteilt sein können. Wichtiger ist ein schneller Aufheiz- und Kühlzyklus, der ein gleichmäßiges Verdampfen aller Komponenten durch rasche bzw. flashartige Dampfbildung fördert. Dieser Mechanismus ermöglicht eine rasche Behandlung eines Raumbereichs, erhält aber die Konzentration und Molekülstabilität der Lösung aufrecht. Niedrigere Temperaturen und längere Einschaltzyklen lassen sich verwenden, um eine Anfangsbehandlung oder eine Erhaltung des Dampfs in dem Raumgebiet zu erreichen; das ähnelt jedoch der Anwendung eher bekannter Systeme, die unter längerer Erwärmung leiden. Bevorzugt erreicht man die Beibehaltung durch rasches Erwärmen und Abkühlen, aber mit geringerer Häufigkeit, so dass die Konzentration der Lösung und die Molekülstabilität weiter erhalten bleiben. Folglich las sen sich bei Anwendung einer lokalisierten Erwärmung über die Stärke und die Dauer des Heizzyklus der zeitliche Durchsatz bzw. die pro Zyklus verflüchtigte Menge dosieren.
Typischerweise erzeugt man durch Wärmezufuhr in einer lokalisierten zyklischen Heizeinrichtung vorzugsweise eine schnelle Erwärmung zur Flash-Verdampfung. Dadurch begrenzt sich der Wärmefluss in einiger Entfernung zur Wärmequelle nach dem Fourier'schen Gesetz q = –kA(MT/Mx), wobei für q = übertragene Wärme, k = thermische Leitfähigkeit des Werkstoffs, A = Durchtrittsflächeneinheit, (MT/Mx) = Temperaturgefälle gelten. Die Wärmeleitfähigkeiten betragen 3,3 × 10^–4 cal/(s)(cm²)(°C/cm) für leichte Kohlenwasserstofföle als repräsentativ für organische Flüssigkeiten, 4,3 × 10^–5 cal(g)/(s)(cm²)(°C) für wässrige Lösungen und 60,3 × 10^–6 cal/(s)(cm²)(°C/cm) für Luft. Diese Werte zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit von Luft eine isolierende Sperrung bewirkt, die einen wirksamen Wärmeabgang aus berührungslosen Wärmequellen, wie sie in zahlreichen Anwendungen üblich sind, nicht zulässt. Die vorliegende Erfindung nutzt jedoch den verminderten Wärmeübergang durch schnelle Kontakterwärmung, begrenzte Zyklusdauer und die Verwendung der niedrigen Wärmeleitfähigkeiten üblicher leichter Kohlenwasserstoffe oder wässriger Lösungen im Bereich von 10^–4 bis 10^–5 zum Bereitstellen eines optimalen Verflüchtigers für für die Luftbehandlung eingesetzte Abflüsse auf, der sich durch niedrigen Energieeinsatz und verbesserte Produktstabilität auszeichnet.
Zusätzlich öffnet sich mit einer lokalisierten und gepulsten Erwärmung die Gelegenheit zum Erreichen einer besseren Tragbarkeit eines mit diesen Technologien arbeitenden Produkts. "Lokalisierte Erwärmung" impliziert ein Beschränken der Wärme auf einen bestimmten Bereich – bspw. durch Begrenzen der Stärke, Dauer und Häufigkeit der Erwärmung sowie durch Ausnutzen der Werkstoffeigenschaften zur Begrenzung eines unerwünschten Wärmeverlusts. Auch wird damit angedeutet, dass die geometrische Größe und die Gestalt des Heizelements den Wärmeeinfluss örtlich einschränken. Ein anderer, weniger offensichtlicher Aspekt der lokalisierten Erwärmung ist die spezielle Zusam mensetzung, die Verhaltensweise, die Anordnung im Raum, die Abmessungen und die Konstruktion des Heizelements zum Erreichen einer konzentrierten Erwärmung. Die richtige Auswahl dieser Elemente ergab eine lokalisierte Erwärmung. Die kleineren Abmessungen ergeben für die Konstruktion eine größere Flexibilität für Produkte, bei denen es auf geringe Größe ankommt. Die Einfachheit des Heizelements ermöglicht einen vielseitigeren Einsatz und auch mehrere Einsatzarten innerhalb der gleichen Anwendung. Diese Gesichtspunkte sowie eine effiziente Nutzung der Antriebsenergie ermöglichen die Angabe einer Heizvorrichtung, die herkömmlichen Strom oder Batteriestrom bei langer Nutzung der Batterien und wünschenswerten Leistungseigenschaften verwendet. Ein Impulsbetrieb der Heizvorrichtung ist wesentlich für eine verlängerte Batterienutzung bzw. einen effizienten Einsatz von Netzstrom sowie eine erhöhte Sicherheit, da der Heizkreis normalerweise nicht geschlossen ist und keinen Strom zieht.
Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist die Einfachheit, mit der sich – wegen der Größe der Heizelemente – bisher nicht praktikable Anwendungen mit mehreren unabhängigen Heizvorrichtungen realisieren lassen. Bspw. kann die Steuerung analog oder digital erfolgen oder kann die Heizvorrichtung auch fernsteuerbar sein, was bisher wegen der mangelnden Reaktionsfähigkeit beim Erwärmen und Abkühlen nicht möglich war, da dabei gleichzeitig Abgase austreten. Die Einfachheit der elektrischen zusammen mit dem Nutzen einer lokalisierten und gepulsten Erwärmung ermöglicht die Benutzung mehrerer Dampf- bzw. Dunstabgabeelemente. Mit einer solchen Ausführungsform erhält man Produkte, mit denen sich mehrere Duftstoffe abgeben lassen, um die menschliche Adaptation zu überwinden, die sich daran zeigt, dass mit der Zeit die Fähigkeit schwindet, das Vorhandensein des Duftstoffs zu erfassen. Durch Ändern der Duftstoffabgabe durch zeitlichen Wechsel impulsangesteuerter unterschiedlicher Abgabevorrichtungen wird jede Adaptation abgeschwächt, da die sich aus der Veränderung der Umgebung ergebenden physiologischen Änderungen dann erfasst werden. In Erweiterung mehrerer Abgabevorrichtungen lässt sich auch eine Kombination von Duftstoffen, Geruchbeseitigern, Insekten bekämpfungsmitteln, Insektiziden, Fungiziden, antibakteriellen Wirkstoffe od. dergl. verwenden.
Zentral für die Verflüchtigung und eine hochwirksame Nutzung der Speiseenergie durch die lokalisierte und impulsangesteuerte Heizvorrichtung ist die räumliche Anordnung des Abgabeelements. Bevorzugt liegt die Heizvorrichtung in großer Nähe zur Abgabevorrichtung; sie kann sie auch berühren oder auf ihr gehaltert sein. Da das Heizelement klein sein kann, muss auch die Abgabevorrichtung nicht mehr groß sein und ist vorzugsweise klein. Diese enge Zuordnung ist nicht wegen des Umstands bevorzugt, dass der Grundkörper der Abgabevorrichtung Wärme absorbiert, die dann für die Verflüchtigung nicht mehr verfügbar ist; vielmehr bringt eine große Nähe zur Abgabevorrichtung das Heizelement nahe an den abgegebenen Dunst bzw. Dampf. Wegen der isolierenden Eigenschaften zahlreicher Werkstoffe wie Luft, Keramik usw. steht das Heizelement bevorzugt in Berührung mit dem abgegebenen Dunst, um eine effiziente Wärmeübergabe und Verflüchtigung zu erleichtern. In diesem Zusammenhang wird das Heizelement besser am Grundkörper gehaltert, wird es robuster und hält es die räumliche Nähe zum abgegebenen Dunst stabiler bei.
Ein noch anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Heizelements, das an der Nachfülleinheit befestigt ist. Die Nachfülleinheit weist also nicht nur ein Reservoir mit einem einen flüchtigen Wirkstoff enthaltenden Mittel sowie einen Docht mit einer Austrittsfläche für den Wirkstoff auf, sondern auch das Heizelement selbst. Diese Elemente sorgen für die Konsistenz und Robustheit, die oben hinsichtlich des Heizelements angegeben sind. Ein an einer Nachfülleinheit festgelegtes Heizelement stellt auch die räumliche Zuordnung sicher, bei der eine Oberflächenflüssigkeit am wirksamsten verflüchtigt. Außerdem erhält man mit dem Erwerb jeder Nachfülleinheit ein neues Heizelement, so dass sich das Risiko eines Verschmutzens des Grundkörpers am Heizelement oder eines verminderten Wirkungsgrads des Wärmeübergangs vom Heizelement zum abgegebenen Dunst verringert. Weiterhin lässt sich so eine proprietäre Schnittstelle zwischen der Nachfülleinheit und der Halterung vorsehen, mit der sich die Sicherheit, das Leistungsverhalten, speziell angesetzte abgegebene Dünste und andere Faktoren aufrecht erhalten lassen, die man nur mit geeigneten Nachfülleinheiten sicherstellen kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Perspektive eines lokalisierten zyklischen Heizgeräts nach der vorliegenden Erfindung, das mit einem NiCr-Widerstandsdraht mit mehreren Abgabeeinrichtungen arbeitet;
2 ist eine Perspektive des Heizgeräts der 1 bei abgenommener Abdeckung, das mit einem NiCr-Widerstandsdraht und mehreren Abgabeeinrichtungen arbeitet;
3 zeigt schaubildlich die Elektronik des Heizgeräts der 1 und 2 zur zyklischen lokalisierten Beheizung der Abgabeeinrichtungen;
4a–e zeigen schaubildlich verschiedene Widerstandsdraht-Heizelemente mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften;
5a–5e zeigen schaubildlich verschiedene Dünnschicht-Widerstandsheizelemente mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften;
6 zeigt schaubildlich die Dosierfähigkeit des Heizelements mit einem Duftstoff;
7 zeigt schaubildlich die Dosierfähigkeit des Heizelements mit einem Insektizid;
8 zeigt schaubildlich die Wirkung des Heizelements beim Abtöten von weiblichen Moskitos der Art Aedes aegyptii im Vergleich zu Kontroll-Vorrichtungen und einem derzeit vermarkteten Produkt, das mit einem NiCr-Widerstandsdraht arbeitet, sowie einem netzgespeisten Gerät;
9 zeigt schaubildlich die vom Heizelement erzeugte Teilchengröße, die eine schnelle Nachverdunstung bei fortgesetztem Schwebezustand ohne Niederschlag gewährleistet;
10 zeigt schaubildlich die Temperatur-Ansprechempfindlichkeit eines Dünnschicht-Widerstandsheizelements nach 0,5 s bis 2 s Strombeaufschlagung;
11 zeigt schaubildlich eine Endansicht auf ein Draht-Heizelement, das eine Schraubfeder auf der Spitze eines Dochts hält;
12 zeigt die Ausführungsform der 11 in der Draufsicht ohne die Schraubfeder;
13 zeigt als Draufsicht die Drahthalterung in der Ausführungsform der 11;
14 zeigt schaubildlich ein Paar Federfinger zum Aufbringen einer Federkraft auf den Heizdraht;
15 zeigt schaubildlich das Aufbringen von Federkraft durch ein Paar gewendelter Abschnitte des Heizdrahts selbst;
16 zeigt schaubildlich das Aufbringen einer Federkraft durch in den Heizdraht eingebrachte Wellungen;
17 zeigt schaubildlich das Aufbringen von Federkraft durch Recken eines Heizdrahts;
18 zeigt schaubildlich eine seitlich gehalterte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19a, b zeigen Kerben in einem Docht zur Aufnahme eines Heizdrahts;
20 zeigt noch eine andere Ausführungsform, die mit einem Paar Heizdrähten arbeitet;
21a, b zeigen einen mehrteiligen Docht zur Zufuhr eines Wirkstoffs zu einem Heizdraht;
22 zeigt eine alle erforderlichen Teile umfassende Nachfülleinheit für die vorliegende Erfindung;
23 zeigt die Anwendung eines Gebläses und einer Leitfläche;
24 zeigt die Anwendung eines Gebläses und einer separaten Kammer zur Aufnahme des Heizdrahts;
25 zeigt die Verwendung eines Gebläses sowie die Veränderung der Querschnittsfläche eines Gehäuses für das Heizelements zum Steuern des Luftstroms über den Heizdraht;
26 zeigt die Anwendung einer Kappe über der Spitze eines Heizdrahts; und
27 zeigt ein gelüftetes Gehäuse.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das lokalisierte und impulsgespeiste Heizgerät 1 arbeitet als integriertes elektrisches, mechanisches und Fluid-System, wie in den 1 und 2 gezeigt. Die hier bechriebenen Ausführungsformen sind speziell für tragbare und halbtragbare Beduftungs- und Insektenbekämpfungsgeräte konstruiert. Während ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist, ein tragbares Verdunstungs- bzw. Verflüchtigungsgerät für die Beduftung und Insektenbekämpfung bereit zu stellen, ist einzusehen, dass auch andere verflüchtigbare Flüssigkeiten als im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegend ins Auge gefasst sind – bspw. Luftauffrischer, Parfums, Deodorantien, Medikamente u. dergl.
Die 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform eines tragbaren, zyklisch arbeitenden lokalisierten Heizgeräts 1, das nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Insbesondere weist das Heizgerät 1 ein Gehäuse auf, das einen Unterteil 2 zur Aufnahme der Innenkomponenten des Heizgeräts 1 sowie eine Abdeckung 3 aufweist, die diese Komponenten umschließt. Der Unterteil 2 hat die Gestalt einer flachen Schale und hat entlang des Umfangs eine Lippe 4, die in den Eingriff mit einer entsprechenden, an die Abdeckung 3 angeformten Lippe 5 tritt, so dass die Abdeckung 3 sich mit dem Unterteil 2 rastend zusammensetzen lässt. Die Abdeckung ist daher abnehmbar, um ggf. Zugang zum Inneren des Heizgeräts 1 zu ermöglichen.
Der Unterteil 2 und die Abdeckung 3 lassen sich aus einem beliebigen Leichtwerkstoff wie vielfältigsten handelsüblichen Kunststoffen herstellen, die nach herkömmlichen Verfahren hergestellt werden und dem Fachmann bekannt sind. Der jeweils gewählte Gehäusekunststoff muss jedoch mit der zu verflüchtigenden Flüssigkeit verträglich sein. Typischerweise lassen der Unterteil 2 und die Abdeckung 3 sich aus handelsüblichem Polycarbonat-Material nach be kannten Spritzgussverfahren herstellen. Der Unterteil 2 und die Abdeckung 3 können folglich beliebige Abmessungen derart haben, dass sie sich bei Bedarf problemlos bewegen lassen.
Wie am besten die 1 zeigt, weist das Heizgerät 1 auf der Abdeckung 3 einen AUS-Dauer-Wahlschalter 6 auf, der mit einem AUS-Dauer-Potentiometer 35 auf der Schaltungsplatine 8 verbunden ist, die ihrerseits auf dem Unterteil 2 angeordnet ist. Der Knopf 6 lässt sich drehen, um das Intervall zwischen den Verflüchtigungszyklen zu variieren. Ebenfalls in 1 gezeigt ist ein Abgabeelement-Wählknopf 9, der mit einem Wählschalter 10 auf der Schaltungsplatine 8 verbunden ist. Der Wählknopf 9 kann in einer Richtung, um ein entsprechendes Abgabeelement 11 auszuwählen, oder in der anderen Richtung verschoben werden, um das Abgabeelement 12 auszuwählen. Bspw. kann das Abgabeelement 11 ein Insektenrepellent verflüchtigen, das Abgabeelement 12 einen Duftstoff, so dass ein Nutzer nach Wunsch den zu verflüchtigenden Wirkstoff auswählen kann. Die 1 zeigt auch ein Paar beabstandeter Öffnungen 13, 14 in der Abdeckung 3 an einer Stelle, die auf das Abgabeelement 11 bzw. 12 ausgerichtet ist. Durch die Öffnungen 13, 14 kann also verflüchtigter Duftstoff vom Heizelement 1 an die Umluft austreten. Schließlich steht ein Drucktaster 15 durch die Abdeckung 3 hinaus vor; wenn gedrückt, übersteuert er die mit dem AUS-Dauer-Knopf 6 eingestellte Verzögerung und ermöglicht dem Nutzer, aus einem oder beiden Abgabeelementen 11, 12 – abhängig von der Stellung des Wähknopf 9 – einen sofortigen Wirkstoffstoß auszugeben.
Die 2 zeigt die Schaltungsplatine 8 auf Stützen 16 angebracht, die sie über den Unterteil 2 anheben und genug Raum für eine Aufnahme 17 für mehrere Batterien 7 (schaubildlich in 3 gezeigt) zu schaffen, aus denen die Heizvorrichtung 1 gespeist wird. Alternativ kann die Heizvorrichtung 1 über eine elektrische Anschlussschnur 18 und einen Stecker aus einer Wandsteckdose gespeist werden.
Die 2 zeigt auch die Abgabeelemente 11, 12. Jedes Abgabeelement 11, 12 weist einen Docht 19 bzw. 20 sowie einen Heizdraht 21 bzw. 22 auf. Jeder Docht 19, 20 ragt mit einem unteren Ende in einen Reservoir 23 bzw. 24, der eine Lösung eines Wirkstoffs wie bspw. eines Insektizids, eines Pestizids oder eines Duftstoffs enthält, während ein oberes Ende eine verhältnismäßig ebene Spitze hat, über die der Heizdraht 21, 22 verläuft. Wird also Wirkstoff durch die Kapillarwirkung aufwärts durch die Dochte 19, 20 gezogen, verflüchtigt sich die Lösung, sobald Strom durch die Heizdrähte 21, 22 fließt, so dass die Lösung erwärmt und der Wirkstoff verflüchtigt wird.
Die Reservoirs 23, 24 sind jeweils so ausgeführt, dass sie eine flüchtige – und vorzugsweise biologisch aktive – Lösung bzw. Flüssigkeit aufnehmen, wie ein verdampfbares flüssiges Insektizid, ein verdampfbares Insektenrepellent, einen verdampfbaren Duftstoff od. dergl. Mittel. Die Reservoirs 23, 24 können einteilig mit dem Unterteil 2 ausgeführt sein. Alternativ können die Reservoirs 23, 23 jeweils separat ausgebildet und dann an den Unterteil 2 angesetzt sein, so dass sie sich abnehmen und daher nach der gewünschten Verflüchtigung der in ihnen enthaltenen Flüssigkeit ersetzen lassen. Dadurch ist ein Wechsel zwischen einer Vielzahl von Reservoirs gleicher Abmessungen möglich, die jeweils eine aus einer breiten Vielfalt verflüchtigbarer Flüssigkeiten enthalten. Folglich lassen die Reservoirs 23, 24 sich als Wegwerfbehälter und durch neue Behälter mit einem frischen Wirkstoffvorrat ersetzbar ausführen. Auch können die Reservoirs 23, 24 transparent sein, um dem Benutzer zu ermöglichen, visuell die Menge des verflüchtigbaren Wirkstoffs 1 bzw. Fluids zu bestimmen, die noch in der Heizvorrichtung 1 verbleibt. Obgleich weiterhin die bevorzugte Zusammensetzung den Wirkstoff-Bestandteil in flüssiger Lösung enthält, kann es sich auch um einen unter Umweltbedingungen festen, halbfesten oder gelförmigen Ansatz handeln. Jedenfalls weist die Zusammensetzung den Wirkstoff und einen Träger für diesen auf. Beim Träger kann es sich um ein oder mehrere Blähstoffe, Lösungsmittel, Stabilisatoren, Synergetika, Farbstoffe oder Parfums handeln. Blähstoffe sind u. a. Azodicarbonamid, Dinitrosopentamethylentetramin, Azobisisobutyronitril und deren Kombinationen; vergl. hierzu die US-PS 4228 124 , deren Inhalt hinsichtlich der Blähstoffe durch die Bezugnahme als Teil der vorliegenden Anmeldung gelten soll.
Geeignete Lösungsmittel sind u. a. Alkohole wie Cetyl- oder Stearylalkohol und deren Mischungen.
Stabilisatoren (bspw. zum Stabilisieren gegen Wärme, Licht und Oxidation) sind u. a. Antioxidantien wie 2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol ("BHT"), 3-tert-butyl-4-hydroxyanisol ("BHA"), 2,2'-Methylen-bis(4-ethyl-6-tert-butylphenol), 2,2'-Methylen-bis-(4-methyl-6-tert-butylphenol), 4,4'-Butyliden-bis(5-methyl-6-tert-butylphenol), 4,4'-Methylen-bis(2-methyl-6-tert-butylphenol), 4,4'-Thio-bis(3-methyl-6-tert-butylphenol), 4,4'-Methylen-bis(2,6-di-tert-butylphenol), Stearyl-beta-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenol)-proprionat,1,3,5-Trimethyl-2,4-6-tris(3,5-di-tert-butyl-4-Hydroxybenzylbenzen), 1,1,3-Tris(2-methyl-4-hydroxy-5-tert-butyl)-butan, Tetrakis[methylen(3,5-ditert-butyl-4-hydroxycinnimat)]-methan, Dilauirylthiodiproprionate, Distearylthiodipropionate, von Benzophenon abgeleitete UV-Absorber, Triazol und Salicylat-Verbindungen sowie deren Kombinationen. Geeignete Stabilisatoren sind in den US-Patenten 4 874 787 und 4 515 768 offenbart.
Synergistische Stoffe umfassen Alpha-[2-(2-Butoxyethoxy)ethoxy]-4,5-Methylen-dioxy-2-propyltoluen, Octachlordipropylether, und N-(2-Ethylhexyl)-bicyclo-[2,3,2]-hept-5-en-2,3-Dicarboxyimid. Geeignete synergistische Stoffe werden in den US-Patenten 4 874 787 und 4 515 768 offenbart.
Farbstoffe lassen sich in die Zusammensetzung aufnehmen, um zu zeigen, wann das Insektenrepellent erschöpft ist. Geeignete Farbstoffe sind u. a. 3-Ethostearat von 9-Ortho-Carboxyphenyl-6-diethylamin-3-ethylamino-3-isoxanthen sowie Elektronen spendende Farbstoffe. Farbstoffe sind in den JA-Patentveröffentlichungen 09-175906A und JP 07-3244003A , der WO 96/33605 A1 sowie in der US-PS 5 891 811 offenbart.
Auch Parfums lassen sich in die Zusammensetzung aufnehmen – bspw. aus ästhetischen Zwecken oder um zu zeigen, wenn das Insektenrepellent erschöpft ist. Sie müssen eine ähnliche Flüchtigkeit wie letzteres aufweisen und dürfen Insekten nicht anziehen. Ein Beispiel eines geeigneten Parfums ist Citronella, das hier als Parfum, nicht als Insektenrepellent Verwendung findet.
Die zyklisch gepulste elektrische Beheizung des Heizelements 1 erfolgt durch eine Festkörperelektronik, wie am besten in 3 gezeigt, ist aber auf die dort gezeigte spezielle Schaltung nicht beschränkt. Die Hauptfunktion der Elektronik ist, das Heizgerät 1 in vorbestimmten Intervallen EIN- und AUSzuschalten. Die EIN/AUS-Tastung reduziert den Stromverbrauch und verlängert die Nutzungsdauer der Batterie im Vergleich mit einem Gerät, das stetig durchläuft. Die Zeitgabe der Heizansteuerung lässt sich auf einen Betrieb für eine vorbestimmte Dauer – bspw. 2 h, 4 h, 8 h oder dergl. – oder auf ein EIN- und AUSschalten des Heizgeräts 1 in vorbestimmten Intervallen – bspw. 5 s EIN und dann 5 s AUS – einstellen, so lange die Spannungsüberwachung eine gute Batterie (bzw. gute Batterien) ausweist. Das Tastverhältnis ist durch Ändern eines Widerstandes 28 auf der Schaltungsplatine einstellbar.
Eine Nebenfunktion der Elektronik ist der Schutz der Batterie(n) 7 vor Schäden durch Überwachen der Batteriespannung und Abtrennen der Schaltung, wenn die Spannung auf einen voreingestellten Wert abgefallen ist. Ist die Batteriespannung unter einen voreingestellten Wert gefallen, geht die Elektronik in einen Niederspannung-Modus über, in dem das Heizgerät AUSgeschaltet wird. Die Spannungsprüfung erfolgt nur im AUSzustand des Heizgeräts, um Falschmeldungen in Folge des im EINzustand gezogenen Stroms zu vermeiden. Die Schaltung prüft die Batteriespannung unmittelbar vor dem EINzyklus des Heizgeräts dreimal und entscheidet, ob der nächste Zustand eine zu niedrige oder eine normale Spannung (Heizgerät EIN) sein wird. Eine zusätzlich in die Spannungsprüfung eingebaute Hystere beseitigt Entscheidungsschwingungen um den Abschaltwert herum.
Die 3 zeigt für das Heizgerät 1 eine mögliche Elektronik. Die Schaltung ist einfach und kostengünstig aufgebaut und ermöglicht ein vorbestimmt langes EIN- und AUSschalten des Heizgeräts (Tastverhältnis). Das Bauteil 29, d. h. ein ASIC, ein Mikrocontroller oder eine Schaltung aus diskreten Logikschaltkreisen enthält bereits eine herkömmliche Niederspannung-Prüfschaltung, wie aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Schaltung der 3 schaltet das Heizgerät entweder EIN oder AUS. Abhängig von der ausgewählten Konfiguration sind die zwei Zustände EIN und AUS u. U. nicht ausreichend. Bspw. kann der Zustand EIN eine zu hohe Spannung am Heizgerät und folglich eine zu hohe Temperatur zulassen. In diesem Fall werden der ASIC, Mikrocontroller oder das diskrete Logikbauteil 29 das Ausgangssignal so modulieren, dass die Spannung am Heizgerät sinkt. Eine Impulsbreitenmodulation (PWM) der Steuerung wäre eine wirksame Methode, die richtige Spannung über dem Heizelement 21 oder 22 aufrecht zu erhalten, das weniger als vollständig EINgeschaltet ist.
Für PWM-Wellenformen gelten folgende Gleichungen:
Wie ersichtlich, lässt sich V_RMS konstant halten, wenn man die Batteriespannung (V_pk) überwacht und t_ON entsprechend einstellt.
Eine nützliche Folge des Einsatzes von Elektronik ist die Aufnahme eines Taktgebers in die Schaltung, um Sperrzeiten im Tagesverlauf zu erzeugen, in denen das Gerät nicht erforderlich ist und Batterieleistung gespart werden kann. Daher braucht deas Heizgerät 1, nachdem es EINgeschaltet wurde, keinen EIN/AUS-Schalter, wie bei 30 in 3 gezeigt, um die Schaltungplatine abzuschalten. Das Einstellen der Impulssteuerung erfolgt mit drei Schaltungsmodulen.
Das Potentiometer 25 ist variabel, um die Dauer der AUS-Intervalle des Heizgeräts von 5 s bis 30 s einzustellen. Das Potentiometer 26 ermöglicht ein Batterieleistungsmanagement mit Impulsbreitenmodulation, mit dem sich der Batterieeinsatz während des EIN-Intervalls mit einem EIN/AUS-Zyklus regulieren lässt, der den Leistungsbedarf berücksichtigt. Andere Leistungssparmethoden sind erwünschtenfalls ebenfalls anwendbar. Mit dem Potentiometer 27 lässt sich die Dauer des EIN-Intervalls von 0,25 s bis 2 s variieren. Andere Schaltungsmodule lassen für eine Steuerung mittels Bewegungs-, Licht- oder anderen Sensoren verwenden, die das Gerät im Ruhezustand halten, bis es benötigt wird.
Die Speisung erfolgt mit Batterien 7 der Größe AA, C oder D oder mit einem 3V-Netzadapter. Die Batterien 7 können auch aufladbar, d. h. Akkumulatoren sein. Außerdem kann der Strom einzeln oder gleichzeitig aus einer permanenten Stromquelle leitungsgebunden oder drahtlos erfolgen.
Die Dochte 19, 20 lassen sich aus Naturmaterialien, Fasern, Nonwovens, gesinterten Polymerisaten, Keramik, Metallschäumen oder offenen Kapillarröhrchen aus Keramik, Glas oder anderen Werkstoffen aufbauen. Ein kritischer Gesichtspunkt für die Auswahl eines dieser Werkstoffe ist die Temperatur, die man für die Oberflächenerwärmung benötigt, um den abgegebenen Dampf bzw. Dunst vollständig zu verflüchtigen. Das bevorzugte Dochtmaterial ist Keramik teilweise wegen deren hoher Temperaturtoleranz. Sie teilt sich andere Besonderheiten mit einigen anderen Dochten mit der Fähigkeit einer einstellbaren Porengröße, um die Problematik des Wirkstoffdurchsatzes und der Verschmutzung; weiterhin weist sie Isoliereigenschaften auf, um den Wärmeabgang weiter zu minimieren, und ist als Werkstoff problemlos erhältlich. Ist das Dochtsubstrat leitfähig, muss zwischen das Widerstand-Heizelement und das Substrat eine dielektrische Schicht einer Dicke von Millimeterbruchteilen eingebracht werden. Materialien, die kein Dielektrikum erfordern, sind wegen ihrer geringeren Kosten, unbehinderten Kapillarporen für den Dochteffekt, ihrer Stabilität usw. bevorzugt. Keramikdochte sind auch bevorzugt, weil sie ggf. den Verarbeitungstemperaturen beim Auftragen der Heizelemente widerstehen. Andere Dochtmaterialien sind Sägemehl sowie Tonerde/Sand-Mischungen, die die zum Verflüchtigen der Wirkstoffe benötigten Temperaturen aushalten.
Der Kern des Erfolgs der vorliegenden Erfindung ist die Auswahl bzw. das Schaffen eines geeigneten Widerstand-Heizelements. Ein thermisch stabiler Werkstoff, der als Heizelement wirkt, wenn elektrischer Strom aus einer Batterie durch es fließt, lässt sich mit zahlreichen Materialien erreichen. Da sie wichtig für geringe Abmessungen sowie einen niedrigen Energieverbrauch sind, waren Heizelemente aus herkömmlichen Werkstoffen auf Drähte sowie Dick- und Dünnschichten beschränkt. Heizdrähte hat man üblicherweise mit Legierungen mit Handelsbezeichnungen wie Nichrome, Ohmax, Radiohm, Nirex, Nilvar u. dergl. assoziiert (Omega Engineering, Inc., Handbook and Encyclopedia, Electric Heaters, 200, S. z-38). Dünnschicht-Heizelemente lassen sich von Metall- und Oxidschichten sowie Werkstoffen wie Nitriden, Boriden, Carbiden, Stanniden u. dergl. ableiten. Zinnoxide (SnO₂) lassen sich als sehr dünne Schichten von 2 μm Dicke oder weniger auftragen. Die anderen Metalloxide werden zu dickeren bzw. Zwischenschichten aufgetragen, gelten aber weiterhin als Dünnschichten. Auch Dickschichten sind potenzielle Quellen von Heizelementen. Es kann sich dabei auch um elektrisch leitfähige klebende wärmehärtende bzw. thermoplastische Polymerisatharzpasten mit Silber- oder Kupferpulver als Leiter handeln. Harzfreie Grundmassen (Matrizes) aus Glas und Keramik mit reinen Metallen oder Metalloxiden wie Al₂O₃, BeO, Pd/Ag, SiO₂, PbO, CaO, B₂O₃, Na₂O, K₂O, MgO und anderen Dotierungsmitteln sind ebenfalls für Dickschichten eingesetzt worden. Die meisten Heizelemente lassen sich in unterschiedlicher Gestalt und Größe erreichen, wobei physikalische Eigenschaften wie der spezifische elektrische Widerstand sowie die Dichte, thermische Leitfähigkeit und spezifische Wärme erhalten bleiben. Diese Eigenschaften werden von den Bestandteilen sowie den Verarbeitungs- und Nachbearbeitungsverfahren bestimmt.
Die meistbevorzugten der genannten Widerstand-Heizelemente sind entweder ein Nichromdraht der Normdicke "49 gauge" oder eine Zinnoxid-Dünnschicht. Wichtig für die Auswahl dieser Widerstand-Heizelemente sind deren hoher Wirkungsgrad beim Verflüchtigen von Lösungen und der Energienutzung. Die Drahtstärke wurde wegen des höheren Widerstands und des geringeren Stromverbrauchs zum Erzeugen einer benötigten Drahttemperatur gewählt. Wie bei anderen Widerstandsmaterialien besteht das Problem, dass bei dünnerem Draht die Bruchneigung steigt. Nichromdrähte höherer Gauge-Werte sind in der Fertigung, beim Versand, bei der Handhabung durch den Verbraucher und im Einsatz verhältnismäßig bruchanfällig und reißen daher leicht. Insbesondere können Temperaturspiele in den Heizelementen Spannungen und Ermüdungen hervorrufen, in deren Folge das Heizelement schließlich reißt. Auch kann eine unerwünschte Oxidation des Materials das daraus hergestellte Heizelement schwächen und schließlich zerstören. Die 4a bis 4f zeigen verschiedene Konstruktionen von Widerstand-Heizelementen, bei denen jeweils ein Draht-Heizelement 123a–123f Austrittsflächen 124a–124f berührt, die an der Spitze von Keramikdochten 125a–125f angeordnet sind. Insbesondere zeigte die 4a einen einzelnen gradlinigen Heizdraht 123a, der eine ebene Austrittsfläche 124a am äußeren Ende eines Dochts 125a berührt, die 4b einen einfachen bzw. einzelnen gewundenen Heizdraht 123b auf einer ebenen Austrittsfläche 124b am Ende eines Keramikdochts 125b, die 4c einen mehrfach gewundenen Heizdraht 123c auf der ebenen Austrittsfläche 124c eines Dochtenedes 125c, die 4d einen Heizdraht 123d, der außen um das Dochtende 125s gewickelt ist derart, dass die Ausrittsfläche 124d die Umfangsfläche des Dochts 125d aufweist, und die 4e ein Paar beabstandeter Heizdrähte 123e, die die ebene Austrittsfläche 124e an der Spitze des Dochts 125e berühren. Es sei angemerkt, dass zwar zwei Drähte 123e gezeigt sind, aber erwünschtenfalls auch noch mehr Drähte einsetzbar wären, bspw. 2, 3 oder mehr. Die 4 zeigt eine seitliche Halterung, bei der der Heizdraht 123f eine Seite des Endes des Dochts 125f so berührt, dass ein gekrümmter Teil der Umfangsfläche des Dochts 125f die Austrittsfläche 124f umfasst.
Ein andersartiges Widerstand-Heizelement ist eine aufgedampfte Dünnschicht aus Zinnoxid (SnO₂) oder eine anders aufgetragene Widerstandsschicht. Ein wichtiger Gesichtspunkt ist das direkte Auftragen des Oxids auf das Keramiksubstrat zu einem mechanisch robusten Heizelement, das weniger empfindlich gegenüber einem mechanischen Versagen ist. Im Gegensatz zu einem Heizdraht leidet es auch nicht unter einer ungleichmäßigen Platzierung relativ zum Docht während der Fertigung und unter Änderungen, die im Einsatz auftreten. Ein wichtiger Gesichtspunkt beim Einsatz von SnO₂ ist, dass dessen Wärmeausdehnung und die der Keramik sich nicht wesentlich unterscheiden. Folglich bewirken Spannungen aus der gepulsten oder zyklischen Erwärmung kein Lösen der Bindung oder andere Arten des Versagens. Weiterhin leidet SnO₂ nicht unter einer schädlichen Oxidation während des Einsatzes.
Bei der Betrachtung eines minimalen Energieeinsatzes muss der spezifische Widerstand des Heizelement-Werkstoffs ein rasches Erwärmen und Abkühlen zulassen. Daher entspricht erwünschterweise der Widerstand des Heizelements der Energiedichte der Stromquelle, um den Stromverbrauch gering zu halten. Geeignete Heizelement-Werkstoffe geringer Masse wie SnO₂ lassen sich mit sehr niedriger Dichte herstellen. Hierzu ist nicht nur die Zusammensetzung des Widerstandsmaterials wichtig, sondern auch die Dicke und andere geometrische Merkmale mit einem Zusammenhang wie R = ρ(L/(WT)), bei dem R = Widerstand, ρ = spezifischer Widerstand des Materials, L = Länge, W = Breite und T = Dicke des Heizelements gelten. Das Aufbringen der Dünnschicht nach Atmosphären-, Vakuum-, Elektrospray-, Wärme- oder anderen Aufdampfverfahren ermöglicht ein Auftragen des Widerstands-Oxids auf konturierte Oberflächen, bei denen es sich auch um einige Poren-Innenflächen handeln kann.
Ein anderer Vorteil eines Dünnschicht-Heizelements ist, dass der Flächeninhalt zunehmen kann. Dies ermöglicht einen zunehmenden Kontakt zwischen Flüssigkeit und Heizelement, einen wirksameren Wärmeübergang und damit ein stärkeres Verflüchtigen der Lösung. Wegen des Aufdampfen kann die Oberflächenabdeckung auch in die Poren des Dochts, Kapillargänge und andere Struktureigenheiten hineinreichen. Da die Oxidschicht sehr dünn ist, verschließt sie derartige Öffnungen jedoch nicht noch beeinträchtigt sie das Ladeverhalten und die Verflüchtigungsorte. Die 2-μm-Dünnschichten lassen eine Schichtung zu, wie erforderlich, um im Zusammenwirken mit der Zusammensetzung einen bestimmten Widerstand des Heizelement-Materials sowie bestimmte Variable der Heizelementkonstruktion zu erreichen. Etwaige Nachteile von Dünnschicht-Widerständen sind u. a.: (1) Einige Konstruktionen können mehr Energie erfordern, um die gleichen Temperaturen wie mit einem Nichrom-Draht zu erreichen; (2) einige Konstruktionen können zerbrechlich werden, insbesondere wenn das tragende Substrat ebenfalls dünn ist, um den Wärmeübergang zu unterstützen; (3) abhängig von der Dicke der Schicht können in ihr regellose Temperaturunterschiede auftreten. Die 5a–5e zeigen verschiedene Dünnchicht-Heizelementkonstruktionen mit einem Dünnschicht-Heizelement 126a–126e auf der Spitze eines Keramikdochts 127a–127e. Insbesondere zeigen die 5a ein Dünnschicht-Heizelement 126a auf dem ebenen Ende eines Dochts 127a und die 5b ein Dünnschicht-Heizelement 126b auf dem ebenen Ende eines Dochts 127b sowie der Außenumfangsfläche eines Dochts 127b am ebenen Ende, die den Außenrand des Dochts 127b aufweist. Die 5c zeigt ein Dünnschicht-Heizelement 126c nur am ebenen Ende des Dochts 127c entlang des Außenrandes aufgetragen und die 5d ein gitterförmiges Dünnschicht-Heizelement 126d auf das ebene Ende des Dochts 127d aufgetragen. Angemerkt sei, dass sich verschiedene andere Formen auf das ebene Ende oder den Außenumfang des Dochts 127d auftragen lassen – bspw. ein Gitter, eine Spirale, ein Polygongitter oder anderes Netz bebabstandeter Linien. Die 5e zeigt ein Dünnschicht-Heizelement 126e als dünnes Band auf das ebene Ende des Dochts 127e aufgetragen.
Wie oben festgestellt, ist eine der Haupt-Anwendungen des Heizgeräts 1 dessen Insekten vergrämende und insektizide Funktion. Mit dem Gerät 1 einsetzbare Insektizide oder vergrämende und verdampfbare Flüssigkeiten sind nur da hingehend eingeschränkt, dass sie der Zusammensetzung nach verdampfbar und für den Einsatz für den Menschen registriert sein müssen. Die Zusammensetzung weist dabei ein oder mehrere Insektenrepellentien sowie einen oder mehrere optionale Träger auf. Optionale Träger sind u. a. Blähmittel, Lösungsmittel, Stabilisatoren, Synergetika, Farb- sowie Duftstoffe u. dergl. Geeignete Insektenrepellentien sind bspw. DEET, Pyrethrine, Chrysanthemsäure-Derivate und Prythroide. Beispiele geeigneter Pyrethroide sind Allethrin, d-Allethrin, Bioallethrin, S-Bioallethrin, Empenthrin, Prallethrin und Transfluthrin. Eine bevorzugte verflüchtigbare Flüssigsubstanz ist 3-Allyl-2-methylcyclopenta-2-en-4-on, wie es unter der Marke Pynamin-Forte von der Fa. Sumitomo Chemical Co., Ltd., Japan, vertrieben wird. Ein bevorzugtes flüchtiges flüssiges Insektenrepellent ist N,N-Diethylmeta-toluamid (bekannt als DEET).
Zusätzlich zu Insektenrepellentien, Insektiziden und Pestiziden ist das tragbare Gerät der vorliegenden Erfindung auch einsetzbar zum Verflüchtigen anderer verflüchtigbarer Flüssigsubstanzen wie Antiseptika, landwirtschaftliche Fungizide, Pflanzenwuchsregler wie Dünger u. dergl., Herbizide, Luftauffrischer, Parfums, Deodorantien, Medikamente u. dergl.
Beim Erwärmen auf 160°C und Abkühlen expandiert und kontrahiert ein Nichrom-Draht um etwa 0.001 Zoll. Eine Federmechanik ist nötig, um jeden Nichrom-Draht in konstanter Spannung auf seinem Docht zu halten. Eine zu hohe Kraft auf dem Draht kann ihn jedoch permanent verformen (recken) oder auch zerreißen. Die Streckgrenze ist dabei die Spannung, die am Draht erforderlich ist, um ihn permanent zu recken. Die Zugfestigkeit ist diejenige Spannung, unter der er zerreißt. Die Heizelementanordnung muss so aufgebaut sein, dass die auf dem Draht lastenden Spannungen die halbe Streckgrenze nicht übersteigen. Die Streckgrenze und Zugfestigkeit eines Nichrom-Drahts der AWG-Normdicke 35 betragen typischerweise 550 MPa bzw. 880 MPa. Daher wäre für die Federmechanik eine Sollspannung ≤ 300 MPa wünschenswert.
Die 11–13 zeigen schaubildlich eine Ausführungsform eines elektrischen Widerstand-Heizelements oder Heizfadens 32 auf dem ebenen Ende 33 eines Dochts 34 gehalten. Das andere Ende des Dochts 34 steht in Strömungsverbindung mit einer einen Wirkstoff enthaltenden Zusammensetzung in einem Reservoir bzw. Fläschchen 35. Ein Becher 36 mit einer mittigen Öffnung (nicht gezeigt) stützt den Docht 34 stehend ab und eine Dichtung zwischen dieser Öffnung und dem Docht 34 verhindert eine zu hohe Verdunstung und ein Verschütten des Mittels aus dem Fläschchen 35.
Wie am besten die 13 zeigt, ist das Heizelement 32 auf einem schmetterlingsförmigen Plättchen 37 mit einem mittigen Ring 38 und sich entgegengesetzt voneinander weg erstreckenden Flügeln 39, 40 angeordnet. Das mittige Element 38 enthält eine Öffnung, deren Durchmesser im Wesentlichen dem des Dochts 34 entspricht. Der Draht 32 ist über die Öffnung gelegt 41 und mit den beiden Enden durch Nieten 41, 42 am Plättchen 37 festgelegt, die ihrerseits mit den Drähten 43, 44 elektrisch an eine Batterie 7 angeschlossen sind.
Das Plättchen 37 und der Heizdraht 32 sind in einem zylindrischen Federgehäuse 45 gefangen derart, dass das Plättchen 37 in diesem vertikal frei verschieblich ist, d. h. es "schwimmt" im Gehäuse 45. Das Gehäuse 45 hat am oberen Ende eine einwärts ragende ringförmige Lippe 46 mit umlaufender Unterseite 47. Ein Ende einer Schraubfeder 48 liegt an der Fläche 47 und ihr anderes Ende am Plättchen 37 an, so dass eine Abwärtskraft den Heizdraht 32 auf die Austrittsfläche, d. h. das ebene Ende 33 des Dochts 34 drückt, wie mit dem Pfeil 4 gezeigt.
Obgleich die 11 eine Schraubfeder 48 zeigt, sind andere Federarten für die vorliegende Anordnung ebenfalls denkbar. Die 14 zeigt schaubildlich einen Heizdraht 50 über einem Paar Federfinger 51, 52"schwimmend" und in Richtung des Pfeils 53 bewegbar. Die 15 zeigt schaubildlich das Aufbringen einer Federkraft mittels eines Paares gewendelter Abschnitte 54, 55 als Teil eines Heizdrahts 56, die 16 ebenfalls schaubildlich das Aufbringen einer Federkraft durch Wellungen 57, die in einen Heizdraht 58 eingeformt sind. Die 17 zeigt schaubildlich das Aufbringen einer Federkraft durch Recken eines Heizdrahts 59. In dieser Ausführungsform ist der Docht 60 an die Unterseite des Plättchens 61 gedrückt, so dass das flache Dochtende durch die mittige Öffnung in ihm ragt und dabei den Heizdraht 59 aufwärts drückt, so dass eine Abwärtskraft auf den Docht 60 wirkt.
Die 18 zeigt schaubildlich eine seitliche Halterung für die vorliegende Ausführung, bei der ein Heizdraht 62 seitlich am Docht 63 unter dem ebenen Dochtende 64 und über der Kappe 65 eines Fläschchens oder Reservoirs 66 gehaltert ist. Der Draht 62 ist an einem U-förmigen Plättchen 67 befestigt, verläuft über das Innere des U und legt sich seitlich an den Docht 63. Ein Paar beabstandeter Leiter 68, 69 stellt eine elektrische Verbindung zur schaubildlich gezeigten Elektronik 70 und der Batterie 71 her. Die Leiter 68, 69 bestehen vorzugsweise aus Federstahl, um als Feder eine Kraft zu erzeugen, die den Heizdraht 62 in Kontakt mit der Austrittsfläche hält, d. h. mit der Seite des Dochts 63.
Die 18 zeigt auch einen Halter zur abnehmbaren Halterung des Reservoirs 66, der Kappe 65 und des Dochts (als Ausführungsform einer Nachfülleinheit) an der Anordnung. Der Halter hat einen Unterteil 72 zum Abstützen der Unterseite des Reservoirs 66 sowie ein Paar entgegengesetzter Federfinger 73, 74, die das Reservoir 66 auf gegenüber liegenden Seiten greifen. Die Finger 73, 74 stellen also eine Rastanordnung dar, mit der das Reservoir 66, die Kappe 65 und der Docht 63 sich abnehmbar haltern lassen.
Die 19a zeigt einen Docht 75 mit einer zur Aufnahme eines Heizdrahts 78 in sein ebenes Ende eingeformten Kerbe 76. Die Kerbe 76 hält den Heizdraht 78 in der Solllage und verstärkt auch den Benetzungseffekt an diesem. Die 19b zeigt eine Kerbe 79 in der Seite eines Dochts 80 zur Aufnahme eines Heizdrahts 81 aus den gleichen Gründen wie zur 19a angegeben.
Die 20 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der zwei beabstandete Heizdrähte 82, 83 das ebene Ende 84 eines Dochts 85 berühren. Noch mehr Heizdrähte lassen sich verwenden, wenn wirksamer oder schneller verflüchtigt werden soll oder Redundanz gefordert ist.
Die 21a zeigt ein mehrteiliges Ausgabesystem, bei dem die Vorrichtung einen zwei- oder mehrteiligen Docht aufweist, der einen permanenten Dochtteil 86 und einen Nachfüll-Dochtteil 87 aufweist. Der permanente Dochtteil 86 und ein Heizdraht 88 sind so an die Vorrichtung angesetzt oder an ihr befestigt, dass sie sich nicht abnehmen lassen, während der Nachfülldochtteil 87 Teil einer Nachfülleinheit ist, die sich abnehmen und vom Benutzer auswechseln lässt. Im Fall von Nachfülleinheiten wird die Vorrichtung vom Benutzer gehandhabt, so dass es nützlich sein kann, das Heizelement 88 vom Benutzer zu isolieren und damit Schäden am Heizgerät zu verhindern, die Heizelement-Docht-Zuordnung aufrecht zu erhalten, das Berühren einer heißen Oberfläche zu verhindern und die Verwendung eines kostengünstigeren Niedertemperatur-Nachfülldochts zu ermöglichen (der permanente Dochtteil 86 wäre dann ein Hochtemperatur-Element).
Die 21b zeigt, dass beim Einsatz eines zwei- oder mehrteiligen Dochts u. U. ein Koppelmedium 89 an der Grenzfläche zwischen den Teilen 86, 87 nötig ist, um den Flüssigkeitsdurchgang vom permanenten Dochtteil 86 zum Nachfüll-Dochtteil 87 zu verbessern. Beispiele eines Koppelmediums 89 sind filzartige Material, Watte, absorptionsfähiges (bspw. Filter-)Papier sowie Gewebe. Das Koppelmedium 89 kann am Nachfüllteil oder am permanenten Dochtteil 87 bzw. 86 befestigt sein.
Die 22 zeigt eine Komplett-Nachfülleinheit aus einem Heizdraht 90, einem Docht 91 und einem Reservoir 92 mit Wirkstofflösung. Das Reservoir 92 lässt sich einteilig als geschichtetes Kunststofffolienpaket 93 ausbilden. Die Außenkanten des Schichtkörpers 93 können Löcher 94 (oder jede andere erwünschte und zweckmäßige Einrichtung) enthalten, um die Komplett-Nachfülleinheit in der Vorrichtung auszurichten.
Die Kontakte 95, 96 bieten einen elektrischen Anschluss für den Heizdraht 90 an eine Batterie oder andere Stromquelle über die Elektronik (nicht gezeigt). Eine Komplett-Nachfülleinheit ist vorteilhaft, indem ein einziges Auswechselteil gleichzeitig einen neuen Heizdraht, ein neues Ausgabesystem (Docht) und die Wirkstoff-Nachfüllmenge bietet. Dadurch wird die von Systemteilen geforderte Lebenserwartung verringert und die Notwendigkeit teurer robuster Hardware beseitigt.
Um Energie zu sparen, sollte die Geschwindigkeit von mit dem Heizelement in Berührung stehender Luft verringert werden, da strömende Luft das Heizelement kühlt und die Wärme abführt, so dass dem Heizelement mehr Energie zugeführt werden muss, um eine Solltemperatur aufrecht zu erhalten. Man würde jedoch vom schnellen Abführen der Luft aus dem Gehäuse profitieren, um die Wirkstoffkonzentration um das Punkt-Heizelement herum zu verringern, da eine niedrigere Konzentration ein schnelleres Verflüchtigen zulässt. Daher ist eine Luftbewegung im Gehäuse, aber auch eine Luftregulierung wünschenswert, mit der die Geschwindigkeit der über das Heizelement streichenden Luft reduzierbar ist. Die 23–26 zeigen mehrere verschiedene Methoden zum Erreichen dieses Ziels in Kombination mit einem Gebläse, während die 27 eine weitere solche Anordnung ohne Gebläse darstellt.
Die 23 zeigt die Anwendung einer Leitfläche 97 als Luftreguliereinrichtung. Die Leitfläche 97 ist zwischen einem Gebläse 98 und einem Heizdraht 99 im Weg von vom Gebläse 98 erzeugen Luftströmen angeordnet, um einen direkten Kontakt der Luftströme 100 mit dem Heizdraht 99 zu vermeiden.
Die 24 zeigt eine Kammer 101 zur Aufnahme eines Heizdrahts 102 unter (oder über) einem Durchlass 103 als Luftreguliereinrichtung. In der 24 weist der Durchlass 103 einen Lufteinlass 104 und einen Luftauslass 105 auf, die an der Kammer 101 ausgebildet sind und die Luftströme 106 aus einem Gebläse 107 durchleiten. Der Durchlass 103 steht über eine Öffnung 108 mit der Kammer 101 in Strömungsverbindung, so dass beim Vorbeilauf von Luftströmen 106 an der Öffnung 108 vom Heizdraht 102 verflüchtigter Wirkstoff in den Durchlass 103 gezogen wird, um stromabwärts die Vorrichtung durch den Luftauslass 105 zu verlassen.
Die 25 zeigt das Verändern der Querschnittsfläche eines einen Heizdraht 109 enthaltenden Gehäuses als Luftreguliereinrichtung. Die 25 zeigt einen Durchlass 100, der stromabwärts eines Gehäuses 111 ausgebildet ist und durch den Luftströme 112 hindurchtreten. Der Durchlass 110 hat eine definierte Querschnittsfläche und mündet in eine den Heizdraht 109 enthaltende größere Kammer 113 mit größerer Querschnittsfläche als der Durchlass 110. So ist die Geschwindigkeit von durch die Kammer 113 hindurch tretenden und den Heizdraht 109 überstreichenden Luftströmen 112 kleiner als die der Luftströme im Durchlass 110.
Die 26 zeigt eine Ausführungsform, in der die Luftreguliereinrichtung eine Kappe 114 aufweist, die einen Heizdraht 115 abdeckt, der in Berührung mit dem flachen Ende 116 eines Dochts 117 steht. Die Kappe 114 wirkt ähnlich wie die Leitfläche 97 in 23, indem sie den direkten Kontakt der Luft aus einem Gebläse (nicht gezeigt) mit dem Heizdraht 115 verhindert. Hier ist in die Kappe 114 auch eine Viezahl von Langlöchern 118 eingeformt, damit vom Heizdraht 115 verflüchtigter Wirkstoff aus dem Inneren entweichen kann. Die Kappe 114 kann auf dem Docht 117 durch eine oder mehrere Federspangen 119 gehalten werden, die eine Rasthalterung für die Kappe 114 bilden.
Die 27 zeigt eine noch andere Ausführungsform, bei der ein gelüftetes Gehäuse 120 als Luftreguliereinrichtung dient. In der 27 enthält das Gehäuse 120 eine Vielzahl von beabstandeten Öffnungen 121, die so in ihm ausgebildet sind, dass bei einer Bewegung von Umluft durch sie verflüchtigter Wirkstoff aus dem Inneren des Gehäuses 120 ausgetrieben wird. Alternativ kann das Gehäuse 120 von einem Benutzer mit einem Handgelenkband 122 getragen werden, so dass beim Schwingen oder Bewegen seiner Arme Luft durch die Öffnungen 121 streicht und verflüchtigten Wirkstoff austreibt.
Angemerkt sei, dass alle hier gezeigten und beschriebnen Ausführungsformen an einen Benutzer anbringbar sind und von ihm getragen werden können, so dass die Vorrichtung portabel ist und sich an der Kleidung tragen lässt. Zusätzlich zum oben erwähnten Handgelenkband 122 lassen sich andere Befestigungen verwenden – bspw. verschiedene Spangen, Stifte, Kleber, Klett-, Hals- und andere Bänder sowie Magnete, Schlösser und Schnallen, wie aus dem Stand der Technik bekannt.
Auch sei angemerkt, dass sich unterschiedlich geartete Gebläse in das Gerät einbauen lassen, um seine Wirksamkeit durch Verteilen des verflüchtigten Wirkstoffs und Abführen desselben vom Docht zu verbessern. Zusätzlich zu einem herkömmlichen Gebläse mit einem von einem Motor angetriebenen Drehflügel könnte man bspw. auch eine piezoelektrische Klappenvorrichtung benutzen. Diese Einrichtung weist ein Piezo-Element auf, das beim Schwingen ein angesetztes Material mitschwingen lässt, das eine schwache Luftbewegung erzeugt. Alternativ lässt sich ein herkömmliches Gebläse verwenden, um einen höheren Luftdurchsatz zu erzeugen. Eine Piezo-Klappenvorrichtung arbeitet mit einer piezokeramischen Scheibe oder Folie, die an eine rechteckige Klappe angesetzt ist. Mit einer geeigneten Spannung erregt, schwingt das Piezo-Element mit niedriger Frequenz (typisch 100 Hz). Diese Schwingung wird mechanisch auf die "Klappe" übertragen, so dass ein Gebläse entsteht, das Luft bewegt. Die Hauptnutzen einer solchen Piezo-Klappeneinrichtung sind der niedrige betriebliche Energiebedarf, ihre geringe Größe und hohe Zuverlässigkeit. Derartige Gebläse sind unter den Handelsbezeichnungen Piezoelectric Bender, Piezoelectric Flapper oder Piezoelectric Chopper von Firmen wie Piezo Systems, Physik Instrumente GmbH & Co. und East Electronics erhältlich. Die 3 zeigt eine Elektronikschaltung, die ein Schaltungsmodul mit einem Potentiometer 128 zum Ansteuern eines Piezo-Gebläses 129 enthält.
BEISPIELE

Die 6 zeigt grafisch die Eignung der lokalisierten und zyklischen Erwärmung im Heizgerät 1 zum dosierten Freisetzen eines Duftstoffs. Dieses Ausgabeverfahren ermöglicht eine bessere Kontrolle und Flexibilität. Derzeit verfügbare beheizte Systeme erzeugen beim Freisetzen ein Gleichgewicht zwischen der Temperatur, der Größe der Austrittsfläche und den physikalischen Eigenschaften des abgegebenen Dunstes. Durch direkteres Beeinflussen der Wärmemenge bzw. der Höhe der erreichten Temperatur, der Dauer des EIN-Intervalls und der Zyklus-Häufigkeit kann man mit diesem Heizverfahren einen breiten Bereich von Verhaltensweisen der Freisetzung erreichen, wie gezeigt. Das Experiment erfolgte gemäß Tabelle 1 mit einem 15G-NiCr-Heizdraht. TABELLE 1

Temp. ± 5°F	Gewicht (⎕g) pro Abgabe	Änderung (g)	Gewicht Anfang (g)	Ende (g)	Abgabe (oder Minuten)	Abgabezyklus (min)
110	18,18	0,00020	14,0901	14,0899	11	1
130	20,00	0,00020	14,0894	14,0892	10	1
150	20,00	0,00020	14,0887	14,0885	10	1
170	40,00	0,00040	14,0882	14,0878	10	1
190	81,82	0,00090	14,0173	14,0164	11	1
210	120,00	0,00120	14,0853	14,0841	10	1
230	200,00	0,00200	14,0830	14,0810	10	1
250	510,00	0,00510	14,0751	14,0700	10	1
270	680,00	0,00680	14,0303	14,0235	10	1
290	815,38	0,01060	14,0098	13,9992	13	1
310	800,00	0,00880	13,9033	13,8945	11	1

Strom aus einer Wandsteckdose wurde eine Minute lang durch den Draht geschickt und dann AUS-geschaltet. Die Stromstärke wurde so geregelt, dass die erreichte Temperatur die angegebene war. Durch Erhöhen der Stromstärke wurde die Temperatur erhöht und erhöhte danach den Gewichtsverlust pro Zyklus. Es wurden 10 bis 13 Zyklen durchlaufen, um den durchschnittlichen Gewichtsverlust zu ermitteln. Die Absenkung im Profil zeigt, dass es Temperaturen gibt, bei denen im EIN-Intervall Duftstoff sich schneller verflüchtigt als sich der Wärmezone zum Verflüchtigen zuführen lässt. Daher beginnt der Gewichtsverlust pro Ausgabe bei höheren Temperaturen abzufallen, bis der Verlauf sich abflacht. Während des AUS-Intervalls hat die Abgabeeinrichtung genug Zeit, um sich für einen weiteren Zyklus aufzuladen.

Die 7 zeigt ein Beispiel der Kontrolle eines Insektizids nach einem Experimentalprotokoll ähnlich dem für die 6 beschriebenen. Dieses Experiment wurde gemäß Tabelle 2 und ebenfalls mit einem 15G-NiCr-Heizdraht durchgeführt. TABELLE 2

Temp. ± 5°F	Gewicht (⎕g) pro Abgabe	Änderung (g)	Gewicht Anfang (g)	Ende (g)	Abgabe (oder Minuten)	Abgabezyklus (min)
100	3,18	0,0005	8,8945	8,8940	157	1
150	7,58	0,0005	9,0076	9,0071	66	1
200	18,48	0,0017	8,8962	8,8945	92	1
250	46,34	0,0038	9,0010	8,9972	82	1
300	109,84	0,0067	8,9972	8,9905	61	1
350	154,41	0,0105	8,9905	8,9800	68	1
400	195,96	0,0158	8,9800	8,9642	81	1
450	231,37	0,0118	8,9642	8,9524	51	1
500	352,85	0,0434	8,8940	8,8506	123	1
550	90,54	0,0067	8,9379	8,9312	74	1

Die Insektizide zeigten bei zunehmender Temperatur ein ähnliches Begrenzungsverhalten wie Duftstoffe bei zunehmender Temperatur.
Die 8 zeigt ein Bioeffizienz-Beispiel für das gleiche lokalisierte Erwärmungs- und zyklische Ansteuergerät wie dem der 7. Die 8 zeigt das variable Verhalten der lokalisierten und zyklischen Beheizung gegenüber experimentellen Kontrollen und vermarkteten Produkten. Die Daten wurden mit einer 6,12 m² großen geschlossenen Kammer mit Lüftungskontrolle ermittelt. die Kammer wurde mit Seifenwasser von Insektizidresten aus vorangehenden Tests gereinigt und die Lüftung gestoppt. 100 Moskito-Weibchen von Aedes aegypti wurden in die Kammer freigelassen und die Anzahl der Tiere ermittelt, die im Zeitverlauf fielen, ohne anzusprechen. Die 8 zeigt, dass im Kontrollexperiment keine Moskitos verloren wurden. Der Leistungsstandard für das Abtöten von Moskitos ist dabei das Brennwendel, wobei man eine mit einer Insektizid-Lösung behandelte Standard-Wendel brennen lässt. Beim Brennen wird das Insektizid freigesetzt und füllt die Kammer aus. Eine Probe von 100 Moskitos wird in die so behandelte Kammer gelassen und die Wirkung (Knockdown) im zeitlichen Verlauf beobachtet. Es wurd beobachtet, dass innerhalb etwa 3 min Exposition 90% der Insekten abgetöten wurden, der Rest innerhalb der nächsten wenigen Minuten. "45-Night" gilt für ein derzeit vermarktetes Produkt in einer üblichen Form, das für die Dauer von 45 Nächten einen Nachtschutz bietet. In diesem und allen verbleibenden Experimenten dieses Beispiels wurden die Kammern nach Kontrollstandards vorbereitet, die Moskitos eingelassen und dann das Insektizid-Produkt nach den verschiedenen Verfahren bzw. Vorrichtungen freigesetzt. Dabei musste das Gerät den Raum behandeln und das Abtöten von Insekten beginnen. Das Produkt "45 Night" zeigte eine Verzögerung von 7 min bis zur ersten Wirkung, die Wendel vom Kaltstart aus eine Verzögerung von 7 min mit steilerer Wirkung gegen die Moskitos. PPH stellt das lokalisierte und zyklische Heizgerät dar und zeigt, dass es sich mit einstellbarer Temperatur, EIN-Dauer und -Häufigkeit mit sehr schnellem 2-min-Einsatz und steilem Bioeffizienz-Verlauf betreiben lässt, und zwar aus Gründen wie der anfänglichen Raumbehandlung, und dann mit einer Einstellung auf langsameren Einsatz bei 7 min und einem flacheren Anstieg, der eine Haltebehandlung darstellen kann, einer Einstellung auf kleineren Raum oder aus persönlicher Präferenz.

Die Tabelle 3 zeigt eine wichtige zusätzliche Schlussfolgerung aus diesem Beispiel aus der Beobachtung, dass der Insektizid-Wirkstoff durch die intensive lokalisierte Beheizung nicht zerstört wurde. Es wurde gezeigt, dass die freigesetzte Wirkstoffmenge die theoretisch zum Abtöten erforderliche ist. Derartige theoretischen Werte sind experimentell ausgewiesen worden und entsprechen dem Verhalten und der Leistung dieser Technologie. Die Zerstörung der Chemikalie durch lokalisiertes zyklisches Beheizen ist also begrenzt. TABELLE 3 Abgegebener Wirkstoff:

Gewicht (g) des Ansatzes	Theor. Luftkonzentration
	Test 1	Test 2		Test 1	Test 2
Vor	10,3947	10,3938	Volumen	420	6120
Nach	10,3938	10,3917	ug Al	27	63
Verbraucht insges.
	0,0009	0,0021	ug/L	0,0643	0,0103
ug Al verbr.	27	63

Test 1: Test: Kammer 0,42 m³
Insekt: Aedes aegypti
Ansatz: Raid Electric 45Night
3% EBT, 1% BHT, 96% Isopar V
Heiz-EIN-Intervall: 1:03 min

Abgabe Nr.	Temp (°C)	Zeit (min)	Abtötg. (#)	Ges.-Anz.	Abtötg. (%)
1	116	1	0	9	0
2	119	2	0	9	0
3	121	3	0	9	0
4	118	4	1	9	11
5	120	5	1	9	11
6	115	6	1	9	11
7	116	7	3	9	33
8	116	8	7	9	78
9	118	9	8	9	89
10	119	10	8	9	89
11	119	11	8	9	89
12	120	12	9	9	100

An Duftstoff und mit in der Duftstoffbewertung trainierten menschlichen Prüfern wurde qualitativ gezeigt, dass ein Duftstoff sich durch lokalisiertes zyklisches Erwärmen auch nicht verschlechtert. Mit Vorteil erleichtert der Hochtemperaturimpuls das Verflüchtigen, anstatt den Wirkstoff abzubauen.

Die 9 und die Tabelle 4 zeigen die günstigen Teilchengrößen, die beim lokalisierten und zyklischen Betrieb des Heizgeräts 1 entstehen. TABELLE 4

	10	20	30	40	50
0,3 um Profil	69269,38	26828	17878,5	15459,63	14119
0,5 um Profil	57631,25	18322,38	10794,13	8980,25	7921
0,7 um Profil	47058,5	10181,75	5176,75	4096,875	3425,875
1 um Profil	39238	6952,125	3285,375	2535,125	2073,75
5 um Profil	730,625	21,5	12,375	10,625	9,75
10 um Profil	5	0,25	0,25	0,25	0,25

Der Mechanismus der Molekül-Verflüchtigung und der Teilchenerfassung ergibt sich aus der Kondensation des Dunstes in der Nähe der Abgabevorrichtung. Die Größe und der Energieinhalt (rückbehaltene Wärme) dieser Teilchen sind wichtig für ihr Post-Kondensations-Verhalten. Zu große Teilchen leiden an einer zu kurzen Schwebezeit und an einem zu geringen Flächeninhalt. Große Teilchen von 2 μm bis 3 μm und insbesondere von mehr als 10 μm Durchmesser oder mehr werden von der Schwerkraft beeinflusst und fallen in der Luft nahe der Abgabevorrichtung aus der Suspension aus. Wegen des mangelnden Auftriebs können die Teilchen nicht zu tieferen konzentrierten Bereichen driften, um sich dort wieder zu verflüchtigen. Zur Schwierigkeit des Wiederverflüchtigens trägt der geringere volumenspezifische Flächeninhalt der größeren Teilchen bei, der den für Verflüchtigungen verfügbaren Flächeninhalt begrenzt. Genau das Gegenteil ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der lokalisierten zyklischen Erwärmung erreichbar. Diese Teilchen haben Durchmesser unter 1 μm, die zum Absetzen unter dem Eigengewicht bspw. im menschlichen Atemtrakt zu klein sind und ein großes Verhältnis Oberfläche zum Volumen aufweisen, so dass ein Wiederverflüchtigen schnell erreichbar ist und gefördert wird. Die Teilchen aus der lokalisierten zyklischen Wärmequelle des Heizgeräts 1 verteilen sich wirkungsvoll in der Luft und bleiben dort dispergiert.

Die 10 und die Tabelle 5 zeigen die variablen Temperaturen, die sich mit einer einzigen Oxid-Dünnschicht-Heizeinrichtung bei variablem Speisestrom erreichen lassen. TABELLE 5

	0,5	1	1,5	2
I (A)	Temp (°F)	Temp (°F)	Temp (°F)	Temp (°F)
0,3	119,72	103,30	85,66	63,14
0,35	130,19	111,89	92,43	69,01
0,4	126,72	106,92	89,96	67,46
0,45	0,45	0,45	0,45	0,45
0,5	0,50	0,50	0,50	0,50
0,55	120,75	106,80	88,93	65,50
0,6	128,90	111,11	91,01	67,34

Dieses Beispiel zeigt, dass die Oberflächentemperaturen bei einer Zusammensetzung in breiten Bereichen variieren können. Es zeigt auch, dass die Schlusstemperaturen im Allgemeinen innerhalb der ersten halben Sekunde der Stromeinspeisung erreicht werden. Zwischen 1,5 s und 2 s tritt wenig Temperaturänderung auf. Dieses Beispiel bestätigt das schnelle Aufheizverhalten des Dünnschicht-Heizelements innerhalb geeigneter Bereiche für die Anwendung auf den in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Gebieten.

3

7: 1,5V Gleichstrom-Batterie
21: Widerstands-Heizelement
28: Tastverhältnis mit R ändern
29: ASIC oder Mikrocontroller
30: EIN/AUS-Schalter
129: Piezo-Gebläse

6

Ordinate: abgegebenes Gewicht (ug)
Abszisse: Temperatur (°F)

7

Ordinate: Gewichtsverlust (⎕g)
Abszisse: Temperatur (°F)

8

Ordinate: Tötungsrate (%)
Abszisse: Zeit (min)
Coil (pre-burned): vorgeheizte Wendel
PPH (low ...): PPH (niedrige Einstellung)
PPH high ...): PPH (hohe Einstellung)
45 Night: Produkt "45 Night"
Coil (cold ...): Wendel (Kaltstart)
Control: Kontrolle

9

Ordinate: Zählwert insgesamt
Abszisse: Zeit (s)

10

Ordinate: Temperatur (°F)
Abszisse: Stromstärke (A)

18

65: Kappe
70: Elektronik
71: 1,5V-Primärzelle

Claims

Tragbare Vorrichtung (1) zum Freisetzen mehrerer flüchtiger Wirkstoffe an die Umluft, die aufweist: einen Fuß (2); ein erstes und ein zweites Reservoir (23, 24), die jeweils einen Ansatz mit einem flüchtigen Wirkstoff enthalten; mehrere Abgabeeinrichtungen, bei denen es sich um eine erste und eine zweite Abgabeeinrichtung (11, 12) handelt, die auf dem Fuß angeordnet sind und jeweils aufweisen: i. einen Docht (19, 20) mit einer Austrittsfläche, der in Strömungsverbindung mit dem Ansatz im jeweiligen ersten oder zweiten Reservoir (23, 24) steht, um den Ansatz der Austrittsfläche zuzuführen; und ii. ein Heizelement (21, 22) in Berührung mit der Austrittsfläche; sowie eine Stromquelle, die mit den Heizelementen (21, 22) in Verbindung steht und eine Elektronik aufweist, mittels der Stromimpulse wahlweise den Heizelementen der ersten und der zweiten Abgabeeinrichtung zuführbar sind, um das jeweilige Heizelement zu erwärmen und den flüchtigen Wirkstoff zu verflüchtigen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Abgabeeinrichtungen (11, 12) jeweils mit dem zugehörigen Reservoir (23, 24) zusammen einzeln abnehmbar sind und eine austauschbare Nachfüllanordnung bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, mit einem Halter, der die Vorrichtung mit einer Rasthalterung für jede Nachfüllanordnung versieht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dochte (19, 20) aus einem Werkstoff bestehen, der aus der Gruppe der Naturstoffe, Fasern, Non-Woven-Stoffe, gesinterten Polymeren, Keramiken, Metallschäumen und Glas gewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Feder, die eine Kraft ausübt, die das Heizelement in Berührung mit der Austrittsfläche hält.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Docht (19, 20) ein zu einer verhältnismäßig flachen Spitze auslaufendes Ende aufweist, das die Austrittsfläche bildet, und das Heizelement (21, 22) das flache spitze Ende berührt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Docht (19, 20) entgegengesetzt weisende Enden aufweist und mindestens eine Seitenfläche zwischen gegenüberliegenden Enden die Austrittsfläche bildet und vom Heizelement (21, 22) berührt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Heizelement (21, 22) ein elektrisches Widerstandsheizelement aus der Gruppe Draht, Dünn- und Dickschicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die flüchtigen Wirkstoffe aus der Gruppe gewählt sind, die aus einem Insekten abweisenden Mittel, einem Insektizid, einem Pestizid, einem Antiseptikum, einem Fungizid, einem Pflanzenwuchsregler, einem Herbizid, einem Luftauffrischer, einem Parfum, einem Deodorant, einem Medikament sowie deren Mischungen besteht.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der der Stromimpuls eine Stärke von 0,2 A bis 1 A hat und einem Widerstandsheizelement von 0,2 Ω bis 25 Ω für die Dauer von 0,25 s bis 3 s zugeführt wird.