CN1201408A - 高压旋流式喷雾器 - Google Patents

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马克·托马斯·伦德
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    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/34—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl
    • B05B1/3405—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl
    • B05B1/341—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet
    • B05B1/3421—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet with channels emerging substantially tangentially in the swirl chamber
    • B05B1/3431—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet with channels emerging substantially tangentially in the swirl chamber the channels being formed at the interface of cooperating elements, e.g. by means of grooves
    • B05B1/3436—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet with channels emerging substantially tangentially in the swirl chamber the channels being formed at the interface of cooperating elements, e.g. by means of grooves the interface being a plane perpendicular to the outlet axis

Abstract

本发明提供一种具有多个叶片状通道、一旋流腔以及一排放孔的雾化喷嘴,以分配一液体喷雾。多个叶片状通道从旋流腔向外延伸并与旋流腔流体连通。排放孔与旋流腔流体连通并与其大致共心。当雾化喷嘴用于手启动泵类分配器时提供了一种细微的雾化喷雾。

Description

高压旋流式喷雾器
技术领域
本发明总的涉及流体雾化领域，更具体涉及一种在能产生细微液体喷雾的手动泵分配器上使用的改进的流体雾化喷嘴。
发明背景
许多流体雾化喷嘴广泛用于各种消费者保健、卫生和美容保护产品的分配的用途上(例如，头发喷雾分配器、气溶胶除臭剂喷雾分配器、气味喷雾分配器等等)。更具体说，内装有用于分配消费者产品的流体雾化喷嘴的装置通常是手动泵型或气溶胶型的。手动泵分配器一般包括一活塞和将使用者输入的力(例如，挤压一泵杆或加压于一指状按钮)转换为雾化待分配的液体产品用的流体压力的气缸装置。液体产品通常被引入一具有一旋流腔的雾化喷嘴，在该旋流腔中旋转的流体形成为一薄锥片，在该薄锥片排出到外部环境时分成液体丝和离散的液体颗粒或液滴。
另一方面，气溶胶分配器一般包括有一压力气体(例如，通常为丙烷、异丁烷或诸如此类)，该气体能溶于液体产品以有助于雾化。当液体产品从分配器放出时，非常与用一手动喷雾器的方法类同，气体就“闪蒸”了(即，脱离液态并回到其气态)，从而通过使一些液体分为液体丝和离散的液体颗粒或液滴，有助于雾化过程。如此，在一气溶胶型分配器中的液体由于压缩气体的状态变化和在液体排出旋流腔时形成的旋流运动而雾化。但是，还发现：例如由于环境问题的原因不认为气溶胶推进剂是最可取的。但是，为与一气溶胶分配器一起工作而设计的喷嘴当适于在一手动泵分配器中使用时一般不具备相同的喷雾特性。
为使消费者对一种分配的产品感到满意，一雾化喷嘴的喷雾特性(例如，液滴大小、喷射角、喷雾穿透性和方式)是重要的。例如，在头发喷雾用途方面，产生具有较小的平均颗粒尺寸(例如，一般约40微米)的喷雾是有利的，这是因为较大颗粒的干燥时间相对较长而使具有较大颗粒尺寸的喷雾会形成一种感觉上“湿的”或“粘的”喷雾的缘故。用于减少一雾化喷雾的平均颗粒尺寸的一种方法是提高液体压力，这样，又提高了在旋流腔中的液体的角速度，并一般形成一较薄的膜，因此是一较细微的喷雾。但是，因为所需增大的压力通常必须在一手动泵分配器中通过加大手动力才能得以实现，这类分配器不大为消费者所期望，这是因为在使用中消费者需要施加较大的力。因此，希望在手动泵分配器中使用一种能产生约40微米的平均颗粒尺寸的喷雾并使施加的手动力尽量小的雾化喷嘴。至今还没有将这些特性结合起来。
一种雾化喷嘴的雾化特性通常是带分配的液体的粘度、液体压力和雾化喷嘴的几何尺寸(即孔直径、旋流腔直径、叶片状通道横截面积等等)的函数。在流体雾化工业中的已有技术揭示了多种在手动泵分配器或气溶胶分配器中使用的流体雾化喷嘴，其中的这些参数结合后得到专门的喷雾特性。例如，诸商业化的雾化喷嘴可以适用于消费者产品的手动泵分配器上。为本申请人所注意到的商用雾化喷嘴通常包括多个大致沿径向的、进入一大致与一排放孔同心的旋流腔中的叶片状通道。这些已知的雾化喷嘴一般有直径在约0.75毫米和1.5毫米之间的旋流腔、一个单独的出口大小在约0.045毫米和0.20毫米之间的叶片状通道和一直径在约0.25毫米和0.50毫米之间的排放孔。但是，本申请人已观察到：为了使这些雾化喷嘴形成一有40微米的所需颗粒尺寸的喷雾，必需使流体入口压力大于或等于200磅/英寸2(表压)。
在专利范围内，专利号为4,979,678的Ruscitti等人的美国专利揭示了一种雾化喷嘴，它具有一系列螺旋涡流通道，这些通道进入一与喷嘴出口孔共轴线的涡流腔。专利号为5,269,495的Dobbeling的美国专利类似地示出了一高压喷雾器，该喷雾器有一供液环形通道、多根径向的直供气管和一带一出口的蜗流腔。液体经过诸径向供应管进入该蜗流腔，在此与从一相对的蜗流管道进入的液体相撞。这种碰撞形成了一种据说能将液体雾化的“剪切作用”。但是，为了达到这样的“剪切作用”，要求这种喷雾器的入口流体压力接近于2,200磅/英寸2(表压)。
尽管上述讨论的诸已有的雾化喷嘴的功能大致能满足于它们的被指定的多种用途，还是希望提供一种改进的雾化喷嘴，它具有较细微喷雾的特性的结构和操作优点，并且，手动操作方便而有效。此前，还没有一种用于手动泵分配器的雾化喷嘴，该分配器具有一简单而方便制造的旋流腔和诸叶片状通道，它能产生一种具有40微米或更小的平均颗粒尺寸的雾化的液体喷雾，且使所需的启动液压通常低于200磅/英寸2(表压)。
发明概要
本发明提供了一种雾化喷嘴，它能产生一种具有约40微米颗粒尺寸、并带有一约160磅/英寸2(表压)的启动液体压力的液体产品的喷雾。该雾化喷嘴包括一用于输送来自一容器的压力液体的送液结构、多个总的呈径向的叶片状通道、一具有一腔直径的旋流腔和一具有一孔径的排放孔。
多个叶片状通道流体连通于旋流腔，并有一总的朝旋流腔方向减小的单个叶片状通道横截面积。该旋流腔类似地流体连通于排放孔以将一种被雾化的液体产品释放到周围环境中。多个叶片状通道最好具有在约0.18毫米2和约0.36毫米2之间的一累积的叶片状通道出口面积，而一旋流腔的直径在约1.3毫米和约2.0毫米之间。但是，更可取的是，多个叶片状通道由三个叶片状通道组成，每个叶片状通道具有一在约0.06毫米2和约0.12毫米2之间的单个叶片状通道出口面积，而排放孔有一约0.35毫米的孔径。
附图简要说明
尽管说明书以特别指出并清楚地要求保护本发明的权利要求为结尾，相信从下面的结合诸附图的描述会更好地理解本发明，其中：
图1是一按照本发明制造的雾化喷嘴的放大的横截面图；
图2是图1中的喷嘴体的放大的横截面图，为了清楚起见，没有画出它的喷嘴插件；
图3是图1的雾化喷嘴的喷嘴插件的后视图；
图4沿图3中的“4-4”线剖切的、喷嘴插件的放大的横截面图；
图5是一表示在一雾化喷嘴中的旋流腔直径与每个叶片状通道出口面积之间的总关系的线图；以及
图6是一表示本发明的一雾化喷嘴的液体压力与平均颗粒尺寸之间的总关系的线图。
诸最佳实施例的详细描述
现在转入对本发明的诸最佳实施例的详细叙述，在诸附图中表示了一实例，在所有的附图中的相同的标号表示相同的零件。图1是一用在手动泵型液体产品分配器中的、按照本发明制造的雾化喷嘴15的放大的横截面图。该雾化喷嘴15包括一喷嘴体20和一喷嘴插件21。如在图1和2中最清楚第表示的，喷嘴体20最好能设置一总的为圆筒形的内壁，并可以有多种外形或结构，以便有助于使用者操作分配器(例如，隆起的握持表面、放手指的凹部等等)。所述的喷嘴体20还包括设在其内的、用于容纳供液管23的喷嘴输送通道22，通道22与供液管外表面24之间例如可用摩擦压配合组装起来。在供液管外表面24与喷嘴通道22之间的摩擦连接，较普通的如压配合，最好是较为紧贴而又可卸的，以方便于碎屑的清理或清洗，否则，碎屑会积累并堵住雾化喷嘴。
最好是，喷嘴通道22的相应表面和供液管外表面24的尺寸和材料选用得当，以使在它们之间建立一种密封关系，这样，当分配器在操作时，在这些表面之间一般不会有液体流动。尽管最好是利用简单的摩擦作用使喷嘴供液管23保持于喷嘴输送通道22，熟悉本领域的普通技术人员会懂得：也可用其它措施，如粘接连接、焊接、机械连接结构(如螺纹、联接片、狭缝，或诸如此类的)，或与喷嘴通道22整体制造，将供液管23连接于喷嘴输送通道22。
可设置供液管23与一合适的液体储存容器(未图示)连通，使待分配的液体产品从该容器输送到雾化喷嘴15。最好是将供液管23做成用于产生操作雾化喷嘴15所需的液体压力的传统的活塞-气缸机构或其他分配机构(未图示)的一阀杆的一部分。
如图1和2最清楚地表示的，有一大致为插头形的插杆26可取的设置在供液管23的附近。该插杆26可取的有一邻近于其远端的基本上为平面的端表面28和插杆表面30。当沿由图2中的箭头所示的方向看去时，端表面28大致是圆形的。插杆26能采用一种可利用一机械措施(如螺纹、压配合，或诸如此类的)连接于喷嘴体20的单独的结构，但最好与喷嘴体20整体形成以便简化制造(如用注模法)。供液室32通常形成一以杆表面30与内壁34为边界的环形腔。最好是，供液室32邻接并流体连通于供液管23，以最初接收来自储存容器的流体。
如图3和4最清楚地表示的，喷嘴插件21最好大致做成杯子形，它具有一带一腔表面39和一端表面40的腔38。用一腔直径CD表示的一旋流腔42邻近于端表面40并与腔38的中心线大致共中心。该旋流腔42的形状，尽管如孔形的其他普通结构也可以是合适的，但最好为锥形，以便有效地流动(即，使压力降最小)。
一具有一预定孔径(OD)的排放孔44可取地设置在与旋流腔42邻接并大致共中心之处。由此，该排放孔44使旋流腔42与周围环境流体连通。如图3最清楚地表示的，多条槽46可取地设置在端表面40上，它们大致沿径向从腔表面39朝里伸向锥形的旋流腔42。在一最佳实施例中，每条槽46大致沿切向连接于旋流腔42，喷嘴插件36有至少两条间隔开的槽46。在该所示的实施例中，喷嘴插件36有三条大致沿径向并围绕旋流腔42为等间隔的槽46(见图3)。
供液室32的内壁34的大小最好能接收并摩擦保持喷嘴插件21。或者，喷嘴插件21可包括用以机械配合于一槽的一环或其他锁定装置(未图示)或对应于该锁定装置的类似结构(未图示)，并设置在内壁34的周围，使喷嘴插件21被可靠地保持在喷嘴体20中。内壁34的表面和插件表面37的尺寸最好在组装而彼此接触时它们能建立一种有效的密封，并当该分配器在操作时在这些表面之间通常无液体流动。
当喷嘴插件21与喷嘴体20的内壁34完全装配好以使端表面28与端面40彼此接触时(如图1最清楚地表示的)，就限定了多条大致为矩形的叶片状通道48和一环形供液室50。供液室50最好是形成在腔表面39与杆表面30之间，并沿着腔表面39的至少一部分长度延伸，使该环形供液室50与供液室32和一或多个邻接的叶片状通道48连通。
诸叶片状通道48最好由插杆26的端表面28与插件21的槽46的邻接位置所限定。每个叶片状通道48有一所产生的宽度W和高度H，从而按照下面的公式限定了叶片状通道横截面积A，即
                    A＝W×H
如此，每个叶片状通道出口52的每个叶片状通道出口面积EA是该叶片状通道的出口宽度EW与高度H的乘积，而每个叶片状通道入口54的每个叶片状通道入口面积IA类似地是高度H与入口宽度IW的乘积。所以，按照本发明制造的一雾化喷嘴的累积的叶片状通道入口面积是诸个叶片状通道入口面积IA之和，而类似地，一个雾化喷嘴的累积的叶片状通道出口面积是诸叶片状通道出口面积EA之和。
最佳的叶片状通道48的特点是其宽度连续向里减小，使EW大致小于IW，而其高度H在每个叶片状通道的全长范围内大致是不变的。由于在叶片状通道48的径向长度内其高度H大致保持不变，叶片状通道出口面积EA对叶片状通道入口面积IA的比值大致等于叶片状通道出口宽度EW对叶片状通道入口宽度IW之比值。因此，这两个比值较佳地限定了每个叶片状通道48的收缩的结构。当液体沿一从供液室32向旋流腔42的方向流过时，这种收缩的结构可取地在每个叶片状通道48内提供了连续加速的液体流动。
尽管最好使每个叶片状通道48的宽度(类似地，如叶片状通道高度H不变时的横截面积A)从腔表面39朝里连续减小，发现从按照本发明制造的喷嘴分配的液体的喷雾特性总的对叶片状通道宽度W的减少量并不敏感。如此，通常相信叶片状通道出口宽度EW对叶片状通道入口宽度IW之比值和同样的叶片状通道出口面积EA对叶片状通道入口面积IA之比值(如叶片状通道高度是不变的)将在从约0.10到约1.0的范围内变化，而通常不会偏离本发明的范围。
并不打算由任何特定的理论所限制，相信为了达到本发明的喷雾特性，对叶片状通道48的出口横截面积EA的正确确定与对腔直径CD和孔直径OD的大小的正确确定相结合是很关键的。例如，已观察到随着腔直径CD和单个的及累积的叶片状通道出口面积的增大，某一喷雾的Sauter平均直径(即，一代表一喷雾的平均颗粒尺寸的商)大致按照下面的公式减小，图5也以线图表示了这种情况：
               SMD＝44.6-57.1×(CD×EA)
其中，SMD＝Sauter平均直径，微米
      CD＝其值大致在约0.5毫米到约1.5毫米之间
          范围内的腔直径
      EA＝其值大致在约0.02毫米2到0.07毫米2之间
           范围内的单个叶片状通道出口面积
尽管图5表明随着单个叶片状通道出口面积EA和/或腔直径CD增大而颗粒尺寸总的减小，诸数据通常表明：如单个叶片状通道出口面积EA为约0.12毫米2而腔直径为约2.0毫米2，一所产生的喷雾的Sauter平均直径则通常增大了。
根据上面的关系，可以相信本发明的诸最佳实施例的一累积的叶片状通道出口面积(即，诸单个叶片状通道出口面积之和)是在约0.18毫米2到约0.36毫米2之间的范围内，而腔直径大致在约1.3毫米到约2.0毫米之间的范围内，并且，最可取的是，腔直径CD在约1.4毫米到1.5毫米之间的范围内。本申请人还发现：这些最佳实施例通常产生的喷雾情况是在约38微米到约43微米之间的范围内，而液体压力在约160磅/英寸2(表压)到200磅/英寸2(表压)之间的范围内。
喷嘴体20、供液管23和喷嘴插件21可用任一种基本上刚性的材料，如钢、铝或它们的合金、玻璃纤维或塑料制成。但是，为了经济的原因，尽管同样可以采用其他的工艺，如适当零件的塑料焊接或粘接连接，上述每个零件最好是由聚乙烯塑料并用注模法制成。
在本发明的一最佳实施例的操作中，液体产品是从一容器经过供液管23在由一手动活塞-气缸装置或其他手动泵装置产生的压力下提供的。流出供液管23的流体进入送液室32，在该送液室流体沿纵向经过喷嘴体20，并进入环形送液室50。加压的液体然后经过环形送液室50，导入多个叶片状通道48中。尽管由供液管23、送液室32和环形送液室50合作将液体从容器送入多个叶片状通道中是可取的，应该理解的是：为此目的，可单个或联合采用其他的诸输送结构(如，槽、腔和容器等)。最好是，通过减小每个叶片状通道48的横截面积A而使液体被连续地加速，其中的每个叶片状通道将液体沿径向朝里引向旋流腔42。加速的液体可取地流出叶片状通道48而大致沿切向进入旋流腔42中，由每个叶片状通道48给予液体的旋转能量和进入旋流腔42的切向运动总的在旋流腔42中心附近区域建立起一低压区。这一低压区会使环境空气或气体渗入旋流腔42的中心。然后该液体流出旋流腔42成为一薄液膜(包围于上述的空气芯)，并经过排放孔44排到周围环境中。一旦排放，在液体膜里的固有的不稳定性使液体分为丝状液，又再变成离散的颗粒或小液滴，如此就成为喷雾。
如在图6中最清楚地表示的，本发明的一最佳实施例产生的喷雾是，当用于分配一流体具有约10厘泊粘度、在流体压力约为160磅/英寸2(表压)时，其液体颗粒或小液滴具有的平均颗粒尺寸约为40微米。仅为对比起见，为本申请人所知道的、可适用于一手动泵分配器中的最熟知的商业供应的喷嘴对于这样粘度的液体在约200磅/英寸2(表压)或更高的压力下通常产生平均颗粒尺寸约为40微米的喷雾。在那个实施例中，为达到大致为40微米平均颗粒尺寸，大约40磅/英寸2(表压)的压力降低量则有利地转化为一种较低的输入力以建立必需的流体压力。因此，含有一实施本发明的雾化喷嘴的一种手动泵分配器的使用者将只需施加一较小的力而达到大致为40微米的喷雾，并且，由于要求的压力较低，故使装置本身的制造估计可能既容易又化钱较少。
尽管本发明的结构并不打算限制于分配任何专门的产品或专门类的产品，但认识到：诸最佳实施例的结构对于这样的液体产品的分配是特别有效和适用的，即该种液体产品的压力约为160磅/英寸2(表压)，其粘度、密度和表面张力分别大致为10厘泊、25达因/厘米。但是，熟悉本领域的普通技术人员能理解的是：在用于适当的不同的用途和/或分配多种液体和具多种粘度的液体时，偏离这些数据将可能不会影响本发明的喷雾特性。例如，相信待分配的液体的粘度可从约5厘泊到20厘泊变化而不致于偏离本发明的范围。

Claims (8)

1.一种雾化喷嘴，用于从一容器以一种液体颗粒的喷雾形式分配该液体，它包括一在压力下从一容器输送该液体用的送液结构和一与旋流腔流体连通并大致共中心的排放孔，其特征在于，它还包括：
排放孔直径最好是0.35毫米；
多个大致沿径向的叶片状通道；
旋流腔与多个叶片状通道流体连通，并有一腔直径；
该旋流腔直径可取的是在1.3毫米和2.0毫米之间，最好是在1.4毫米和1.5毫米之间；以及
多个叶片状通道的横截面积朝着旋流腔方向减小，并有一在0.06毫米2和0.12毫米2之间的累积叶片状通道出口面积。
2.如权利要求所述的雾化喷嘴，其特征在于，它还包括三个叶片状通道，每个叶片状通道有一在0.06毫米2和0.12毫米2之间的单个叶片状通道出口面积。
3.一种雾化喷嘴，用于分配来自一容器的液体，它包括一与旋流腔大致共中心并流体连通的排放孔，一具有一插入表面和一带一端面的空腔的基本上杯形的喷嘴插件和一收置并保持喷嘴插件用的喷嘴体，该喷嘴体有一用于从容器在压力下收置待雾化的液体的送液室和一大致设在送液室内并有一端表面的插杆，其特征在于，它还包括：
排放孔直径最好是0.35毫米；
多个设置在端表面上的大致沿径向的槽；
一邻近于端面的旋流腔，它有一腔直径并大致与空腔共中心和流体连通于诸槽，该腔的直径可取的是在1.3毫米和2.0毫米之间，最好是在1.4毫米和1.5毫米之间；以及
多个大致呈径向的、基本上由端表面和诸槽限定的叶片状通道，它们流体连通于送气室，并且其横截面积总的朝着旋流腔方向减小，并有一其大小在0.18毫米2和0.36毫米2之间的累积叶片状通道出口面积。
4.如权利要求3所述的雾化喷嘴，其特征在于，它还包括三个叶片状通道，每个叶片状通道有一其大小在0.06毫米2和0.12毫米2之间的单个叶片状通道出口面积。
5.一种分配来自一手启动泵分配器的液体的方法，其特征在于，它包括下述诸步骤：
提供一雾化喷嘴，它具有连续流体连通的一送气室、多个沿径向的叶片状通道、一旋流腔和一排放孔；
通过手动一泵装置在一低于200磅/英寸2(表压)的压力下从一容器提供一种液体给该雾化喷嘴，该种液体的粘度在5厘泊-20厘泊的范围中；
将该液体引向多个大致沿径向的叶片状通道；
将该液体经过诸径向的叶片状通道引入旋流腔；
通过从旋流腔并经过排放孔引导液体而建立一种雾化的喷雾，使液体颗粒的平均颗粒尺寸在38微米-43微米的范围内。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，提供雾化喷嘴的步骤还包括提供一具有一其大小在0.18毫米2和0.36毫米2之间的累积叶片状通道出口面积的雾化喷嘴。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，提供雾化喷嘴的步骤还包括提供一具有一直径在1.3毫米和2.0毫米之间的旋流腔的雾化喷嘴。
8.如权利要求5，6或7所述的方法，其特征在于，提供雾化喷嘴的步骤还包括提供一具有一直径为0.35毫米的排放孔的雾化喷嘴。
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