高壓旋流式噴霧器的製作方法

2023-05-24 06:09:31 1

專利名稱：高壓旋流式噴霧器的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及流體霧化領域，更具體涉及一種在能產生細微液體噴霧的手動泵分配器上使用的改進的流體霧化噴嘴。
背景技術：
許多流體霧化噴嘴廣泛用於各種消費者保健、衛生和美容保護產品的分配的用途上(例如，頭髮噴霧分配器、氣溶膠除臭劑噴霧分配器、氣味噴霧分配器等等)。更具體說，內裝有用於分配消費者產品的流體霧化噴嘴的裝置通常是手動泵型或氣溶膠型的。手動泵分配器一般包括一活塞和將使用者輸入的力(例如，擠壓一泵杆或加壓於一指狀按鈕)轉換為霧化待分配的液體產品用的流體壓力的氣缸裝置。液體產品通常被引入一具有一旋流腔的霧化噴嘴，在該旋流腔中旋轉的流體形成為一薄錐片，在該薄錐片排出到外部環境時分成液體絲和離散的液體顆粒或液滴。
另一方面，氣溶膠分配器一般包括有一壓力氣體(例如，通常為丙烷、異丁烷或諸如此類)，該氣體能溶於液體產品以有助於霧化。當液體產品從分配器放出時，非常與用一手動噴霧器的方法類同，氣體就「閃蒸」了(即，脫離液態並回到其氣態)，從而通過使一些液體分為液體絲和離散的液體顆粒或液滴，有助於霧化過程。如此，在一氣溶膠型分配器中的液體由於壓縮氣體的狀態變化和在液體排出旋流腔時形成的旋流運動而霧化。但是，還發現例如由於環境問題的原因不認為氣溶膠推進劑是最可取的。但是，為與一氣溶膠分配器一起工作而設計的噴嘴當適於在一手動泵分配器中使用時一般不具備相同的噴霧特性。
為使消費者對一種分配的產品感到滿意，一霧化噴嘴的噴霧特性(例如，液滴大小、噴射角、噴霧穿透性和方式)是重要的。例如，在頭髮噴霧用途方面，產生具有較小的平均顆粒尺寸(例如，一般約40微米)的噴霧是有利的，這是因為較大顆粒的乾燥時間相對較長而使具有較大顆粒尺寸的噴霧會形成一種感覺上「溼的」或「粘的」噴霧的緣故。用於減少一霧化噴霧的平均顆粒尺寸的一種方法是提高液體壓力，這樣，又提高了在旋流腔中的液體的角速度，並一般形成一較薄的膜，因此是一較細微的噴霧。但是，因為所需增大的壓力通常必須在一手動泵分配器中通過加大手動力才能得以實現，這類分配器不大為消費者所期望，這是因為在使用中消費者需要施加較大的力。因此，希望在手動泵分配器中使用一種能產生約40微米的平均顆粒尺寸的噴霧並使施加的手動力儘量小的霧化噴嘴。至今還沒有將這些特性結合起來。
一種霧化噴嘴的霧化特性通常是帶分配的液體的粘度、液體壓力和霧化噴嘴的幾何尺寸(即孔直徑、旋流腔直徑、葉片狀通道橫截面積等等)的函數。在流體霧化工業中的已有技術揭示了多種在手動泵分配器或氣溶膠分配器中使用的流體霧化噴嘴，其中的這些參數結合後得到專門的噴霧特性。例如，諸商業化的霧化噴嘴可以適用於消費者產品的手動泵分配器上。為本申請人所注意到的商用霧化噴嘴通常包括多個大致沿徑向的、進入一大致與一排放孔同心的旋流腔中的葉片狀通道。這些已知的霧化噴嘴一般有直徑在約0.75毫米和1.5毫米之間的旋流腔、一個單獨的出口大小在約0.045毫米和0.20毫米之間的葉片狀通道和一直徑在約0.25毫米和0.50毫米之間的排放孔。但是，本申請人已觀察到為了使這些霧化噴嘴形成一有40微米的所需顆粒尺寸的噴霧，必需使流體入口壓力大於或等於200磅/英寸2(表壓)。
在專利範圍內，專利號為4,979,678的Ruscitti等人的美國專利揭示了一種霧化噴嘴，它具有一系列螺旋渦流通道，這些通道進入一與噴嘴出口孔共軸線的渦流腔。專利號為5,269,495的Dobbeling的美國專利類似地示出了一高壓噴霧器，該噴霧器有一供液環形通道、多根徑向的直供氣管和一帶一出口的蝸流腔。液體經過諸徑向供應管進入該蝸流腔，在此與從一相對的蝸流管道進入的液體相撞。這種碰撞形成了一種據說能將液體霧化的「剪切作用」。但是，為了達到這樣的「剪切作用」，要求這種噴霧器的入口流體壓力接近於2,200磅/英寸2(表壓)。
儘管上述討論的諸已有的霧化噴嘴的功能大致能滿足於它們的被指定的多種用途，還是希望提供一種改進的霧化噴嘴，它具有較細微噴霧的特性的結構和操作優點，並且，手動操作方便而有效。此前，還沒有一種用於手動泵分配器的霧化噴嘴，該分配器具有一簡單而方便製造的旋流腔和諸葉片狀通道，它能產生一種具有40微米或更小的平均顆粒尺寸的霧化的液體噴霧，且使所需的啟動液壓通常低於200磅/英寸2(表壓)。
發明概要本發明提供了一種霧化噴嘴，它能產生一種具有約40微米顆粒尺寸、並帶有一約160磅/英寸2(表壓)的啟動液體壓力的液體產品的噴霧。該霧化噴嘴包括一用於輸送來自一容器的壓力液體的送液結構、多個總的呈徑向的葉片狀通道、一具有一腔直徑的旋流腔和一具有一孔徑的排放孔。
多個葉片狀通道流體連通於旋流腔，並有一總的朝旋流腔方向減小的單個葉片狀通道橫截面積。該旋流腔類似地流體連通於排放孔以將一種被霧化的液體產品釋放到周圍環境中。多個葉片狀通道最好具有在約0.18毫米2和約0.36毫米2之間的一累積的葉片狀通道出口面積，而一旋流腔的直徑在約1.3毫米和約2.0毫米之間。但是，更可取的是，多個葉片狀通道由三個葉片狀通道組成，每個葉片狀通道具有一在約0.06毫米2和約0.12毫米2之間的單個葉片狀通道出口面積，而排放孔有一約0.35毫米的孔徑。
附圖簡要說明儘管說明書以特別指出並清楚地要求保護本發明的權利要求為結尾，相信從下面的結合諸附圖的描述會更好地理解本發明，其中

圖1是一按照本發明製造的霧化噴嘴的放大的橫截面圖；圖2是圖1中的噴嘴體的放大的橫截面圖，為了清楚起見，沒有畫出它的噴嘴插件；圖3是圖1的霧化噴嘴的噴嘴插件的後視圖；圖4沿圖3中的「4-4」線剖切的、噴嘴插件的放大的橫截面圖；圖5是一表示在一霧化噴嘴中的旋流腔直徑與每個葉片狀通道出口面積之間的總關係的線圖；以及圖6是一表示本發明的一霧化噴嘴的液體壓力與平均顆粒尺寸之間的總關係的線圖。
諸最佳實施例的詳細描述現在轉入對本發明的諸最佳實施例的詳細敘述，在諸附圖中表示了一實例，在所有的附圖中的相同的標號表示相同的零件。圖1是一用在手動泵型液體產品分配器中的、按照本發明製造的霧化噴嘴15的放大的橫截面圖。該霧化噴嘴15包括一噴嘴體20和一噴嘴插件21。如在圖1和2中最清楚第表示的，噴嘴體20最好能設置一總的為圓筒形的內壁，並可以有多種外形或結構，以便有助於使用者操作分配器(例如，隆起的握持表面、放手指的凹部等等)。所述的噴嘴體20還包括設在其內的、用於容納供液管23的噴嘴輸送通道22，通道22與供液管外表面24之間例如可用摩擦壓配合組裝起來。在供液管外表面24與噴嘴通道22之間的摩擦連接，較普通的如壓配合，最好是較為緊貼而又可卸的，以方便於碎屑的清理或清洗，否則，碎屑會積累並堵住霧化噴嘴。
最好是，噴嘴通道22的相應表面和供液管外表面24的尺寸和材料選用得當，以使在它們之間建立一種密封關係，這樣，當分配器在操作時，在這些表面之間一般不會有液體流動。儘管最好是利用簡單的摩擦作用使噴嘴供液管23保持於噴嘴輸送通道22，熟悉本領域的普通技術人員會懂得也可用其它措施，如粘接連接、焊接、機械連接結構(如螺紋、聯接片、狹縫，或諸如此類的)，或與噴嘴通道22整體製造，將供液管23連接於噴嘴輸送通道22。
可設置供液管23與一合適的液體儲存容器(未圖示)連通，使待分配的液體產品從該容器輸送到霧化噴嘴15。最好是將供液管23做成用於產生操作霧化噴嘴15所需的液體壓力的傳統的活塞-氣缸機構或其他分配機構(未圖示)的一閥杆的一部分。
如圖1和2最清楚地表示的，有一大致為插頭形的插杆26可取的設置在供液管23的附近。該插杆26可取的有一鄰近於其遠端的基本上為平面的端表面28和插杆表面30。當沿由圖2中的箭頭所示的方向看去時，端表面28大致是圓形的。插杆26能採用一種可利用一機械措施(如螺紋、壓配合，或諸如此類的)連接於噴嘴體20的單獨的結構，但最好與噴嘴體20整體形成以便簡化製造(如用注模法)。供液室32通常形成一以杆表面30與內壁34為邊界的環形腔。最好是，供液室32鄰接並流體連通於供液管23，以最初接收來自儲存容器的流體。
如圖3和4最清楚地表示的，噴嘴插件21最好大致做成杯子形，它具有一帶一腔表面39和一端表面40的腔38。用一腔直徑CD表示的一旋流腔42鄰近於端表面40並與腔38的中心線大致共中心。該旋流腔42的形狀，儘管如孔形的其他普通結構也可以是合適的，但最好為錐形，以便有效地流動(即，使壓力降最小)。
一具有一預定孔徑(OD)的排放孔44可取地設置在與旋流腔42鄰接並大致共中心之處。由此，該排放孔44使旋流腔42與周圍環境流體連通。如圖3最清楚地表示的，多條槽46可取地設置在端表面40上，它們大致沿徑向從腔表面39朝裡伸向錐形的旋流腔42。在一最佳實施例中，每條槽46大致沿切向連接於旋流腔42，噴嘴插件36有至少兩條間隔開的槽46。在該所示的實施例中，噴嘴插件36有三條大致沿徑向並圍繞旋流腔42為等間隔的槽46(見圖3)。
供液室32的內壁34的大小最好能接收並摩擦保持噴嘴插件21。或者，噴嘴插件21可包括用以機械配合於一槽的一環或其他鎖定裝置(未圖示)或對應於該鎖定裝置的類似結構(未圖示)，並設置在內壁34的周圍，使噴嘴插件21被可靠地保持在噴嘴體20中。內壁34的表面和插件表面37的尺寸最好在組裝而彼此接觸時它們能建立一種有效的密封，並當該分配器在操作時在這些表面之間通常無液體流動。
當噴嘴插件21與噴嘴體20的內壁34完全裝配好以使端表面28與端面40彼此接觸時(如圖1最清楚地表示的)，就限定了多條大致為矩形的葉片狀通道48和一環形供液室50。供液室50最好是形成在腔表面39與杆表面30之間，並沿著腔表面39的至少一部分長度延伸，使該環形供液室50與供液室32和一或多個鄰接的葉片狀通道48連通。
諸葉片狀通道48最好由插杆26的端表面28與插件21的槽46的鄰接位置所限定。每個葉片狀通道48有一所產生的寬度W和高度H，從而按照下面的公式限定了葉片狀通道橫截面積A，即A＝W×H如此，每個葉片狀通道出口52的每個葉片狀通道出口面積EA是該葉片狀通道的出口寬度EW與高度H的乘積，而每個葉片狀通道入口54的每個葉片狀通道入口面積IA類似地是高度H與入口寬度IW的乘積。所以，按照本發明製造的一霧化噴嘴的累積的葉片狀通道入口面積是諸個葉片狀通道入口面積IA之和，而類似地，一個霧化噴嘴的累積的葉片狀通道出口面積是諸葉片狀通道出口面積EA之和。
最佳的葉片狀通道48的特點是其寬度連續向裡減小，使EW大致小於IW，而其高度H在每個葉片狀通道的全長範圍內大致是不變的。由於在葉片狀通道48的徑向長度內其高度H大致保持不變，葉片狀通道出口面積EA對葉片狀通道入口面積IA的比值大致等於葉片狀通道出口寬度EW對葉片狀通道入口寬度IW之比值。因此，這兩個比值較佳地限定了每個葉片狀通道48的收縮的結構。當液體沿一從供液室32向旋流腔42的方向流過時，這種收縮的結構可取地在每個葉片狀通道48內提供了連續加速的液體流動。
儘管最好使每個葉片狀通道48的寬度(類似地，如葉片狀通道高度H不變時的橫截面積A)從腔表面39朝裡連續減小，發現從按照本發明製造的噴嘴分配的液體的噴霧特性總的對葉片狀通道寬度W的減少量並不敏感。如此，通常相信葉片狀通道出口寬度EW對葉片狀通道入口寬度IW之比值和同樣的葉片狀通道出口面積EA對葉片狀通道入口面積IA之比值(如葉片狀通道高度是不變的)將在從約0.10到約1.0的範圍內變化，而通常不會偏離本發明的範圍。
並不打算由任何特定的理論所限制，相信為了達到本發明的噴霧特性，對葉片狀通道48的出口橫截面積EA的正確確定與對腔直徑CD和孔直徑OD的大小的正確確定相結合是很關鍵的。例如，已觀察到隨著腔直徑CD和單個的及累積的葉片狀通道出口面積的增大，某一噴霧的Sauter平均直徑(即，一代表一噴霧的平均顆粒尺寸的商)大致按照下面的公式減小，圖5也以線圖表示了這種情況SMD＝44.6-57.1×(CD×EA)其中，SMD＝Sauter平均直徑，微米CD＝其值大致在約0.5毫米到約1.5毫米之間範圍內的腔直徑EA＝其值大致在約0.02毫米2到0.07毫米2之間範圍內的單個葉片狀通道出口面積儘管圖5表明隨著單個葉片狀通道出口面積EA和/或腔直徑CD增大而顆粒尺寸總的減小，諸數據通常表明如單個葉片狀通道出口面積EA為約0.12毫米2而腔直徑為約2.0毫米2，一所產生的噴霧的Sauter平均直徑則通常增大了。
根據上面的關係，可以相信本發明的諸最佳實施例的一累積的葉片狀通道出口面積(即，諸單個葉片狀通道出口面積之和)是在約0.18毫米2到約0.36毫米2之間的範圍內，而腔直徑大致在約1.3毫米到約2.0毫米之間的範圍內，並且，最可取的是，腔直徑CD在約1.4毫米到1.5毫米之間的範圍內。本申請人還發現這些最佳實施例通常產生的噴霧情況是在約38微米到約43微米之間的範圍內，而液體壓力在約160磅/英寸2(表壓)到200磅/英寸2(表壓)之間的範圍內。
噴嘴體20、供液管23和噴嘴插件21可用任一種基本上剛性的材料，如鋼、鋁或它們的合金、玻璃纖維或塑料製成。但是，為了經濟的原因，儘管同樣可以採用其他的工藝，如適當零件的塑料焊接或粘接連接，上述每個零件最好是由聚乙烯塑料並用注模法製成。
在本發明的一最佳實施例的操作中，液體產品是從一容器經過供液管23在由一手動活塞-氣缸裝置或其他手動泵裝置產生的壓力下提供的。流出供液管23的流體進入送液室32，在該送液室流體沿縱向經過噴嘴體20，並進入環形送液室50。加壓的液體然後經過環形送液室50，導入多個葉片狀通道48中。儘管由供液管23、送液室32和環形送液室50合作將液體從容器送入多個葉片狀通道中是可取的，應該理解的是為此目的，可單個或聯合採用其他的諸輸送結構(如，槽、腔和容器等)。最好是，通過減小每個葉片狀通道48的橫截面積A而使液體被連續地加速，其中的每個葉片狀通道將液體沿徑向朝裡引向旋流腔42。加速的液體可取地流出葉片狀通道48而大致沿切向進入旋流腔42中，由每個葉片狀通道48給予液體的旋轉能量和進入旋流腔42的切向運動總的在旋流腔42中心附近區域建立起一低壓區。這一低壓區會使環境空氣或氣體滲入旋流腔42的中心。然後該液體流出旋流腔42成為一薄液膜(包圍於上述的空氣芯)，並經過排放孔44排到周圍環境中。一旦排放，在液體膜裡的固有的不穩定性使液體分為絲狀液，又再變成離散的顆粒或小液滴，如此就成為噴霧。
如在圖6中最清楚地表示的，本發明的一最佳實施例產生的噴霧是，當用於分配一流體具有約10釐泊粘度、在流體壓力約為160磅/英寸2(表壓)時，其液體顆粒或小液滴具有的平均顆粒尺寸約為40微米。僅為對比起見，為本申請人所知道的、可適用於一手動泵分配器中的最熟知的商業供應的噴嘴對於這樣粘度的液體在約200磅/英寸2(表壓)或更高的壓力下通常產生平均顆粒尺寸約為40微米的噴霧。在那個實施例中，為達到大致為40微米平均顆粒尺寸，大約40磅/英寸2(表壓)的壓力降低量則有利地轉化為一種較低的輸入力以建立必需的流體壓力。因此，含有一實施本發明的霧化噴嘴的一種手動泵分配器的使用者將只需施加一較小的力而達到大致為40微米的噴霧，並且，由於要求的壓力較低，故使裝置本身的製造估計可能既容易又化錢較少。
儘管本發明的結構並不打算限制於分配任何專門的產品或專門類的產品，但認識到諸最佳實施例的結構對於這樣的液體產品的分配是特別有效和適用的，即該種液體產品的壓力約為160磅/英寸2(表壓)，其粘度、密度和表面張力分別大致為10釐泊、25達因/釐米。但是，熟悉本領域的普通技術人員能理解的是在用於適當的不同的用途和/或分配多種液體和具多種粘度的液體時，偏離這些數據將可能不會影響本發明的噴霧特性。例如，相信待分配的液體的粘度可從約5釐泊到20釐泊變化而不致於偏離本發明的範圍。
權利要求
1.一種霧化噴嘴，用於從一容器以一種液體顆粒的噴霧形式分配該液體，它包括一在壓力下從一容器輸送該液體用的送液結構和一與旋流腔流體連通並大致共中心的排放孔，其特徵在於，它還包括排放孔直徑最好是0.35毫米；多個大致沿徑向的葉片狀通道；旋流腔與多個葉片狀通道流體連通，並有一腔直徑；該旋流腔直徑可取的是在1.3毫米和2.0毫米之間，最好是在1.4毫米和1.5毫米之間；以及多個葉片狀通道的橫截面積朝著旋流腔方向減小，並有一在0.06毫米2和0.12毫米2之間的累積葉片狀通道出口面積。
2.如權利要求所述的霧化噴嘴，其特徵在於，它還包括三個葉片狀通道，每個葉片狀通道有一在0.06毫米2和0.12毫米2之間的單個葉片狀通道出口面積。
3.一種霧化噴嘴，用於分配來自一容器的液體，它包括一與旋流腔大致共中心並流體連通的排放孔，一具有一插入表面和一帶一端面的空腔的基本上杯形的噴嘴插件和一收置並保持噴嘴插件用的噴嘴體，該噴嘴體有一用於從容器在壓力下收置待霧化的液體的送液室和一大致設在送液室內並有一端表面的插杆，其特徵在於，它還包括排放孔直徑最好是0.35毫米；多個設置在端表面上的大致沿徑向的槽；一鄰近於端面的旋流腔，它有一腔直徑並大致與空腔共中心和流體連通於諸槽，該腔的直徑可取的是在1.3毫米和2.0毫米之間，最好是在1.4毫米和1.5毫米之間；以及多個大致呈徑向的、基本上由端表面和諸槽限定的葉片狀通道，它們流體連通於送氣室，並且其橫截面積總的朝著旋流腔方向減小，並有一其大小在0.18毫米2和0.36毫米2之間的累積葉片狀通道出口面積。
4.如權利要求3所述的霧化噴嘴，其特徵在於，它還包括三個葉片狀通道，每個葉片狀通道有一其大小在0.06毫米2和0.12毫米2之間的單個葉片狀通道出口面積。
5.一種分配來自一手啟動泵分配器的液體的方法，其特徵在於，它包括下述諸步驟提供一霧化噴嘴，它具有連續流體連通的一送氣室、多個沿徑向的葉片狀通道、一旋流腔和一排放孔；通過手動一泵裝置在一低於200磅/英寸2(表壓)的壓力下從一容器提供一種液體給該霧化噴嘴，該種液體的粘度在5釐泊-20釐泊的範圍中；將該液體引向多個大致沿徑向的葉片狀通道；將該液體經過諸徑向的葉片狀通道引入旋流腔；通過從旋流腔並經過排放孔引導液體而建立一種霧化的噴霧，使液體顆粒的平均顆粒尺寸在38微米-43微米的範圍內。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，提供霧化噴嘴的步驟還包括提供一具有一其大小在0.18毫米2和0.36毫米2之間的累積葉片狀通道出口面積的霧化噴嘴。
7.如權利要求5或6所述的方法，其特徵在於，提供霧化噴嘴的步驟還包括提供一具有一直徑在1.3毫米和2.0毫米之間的旋流腔的霧化噴嘴。
8.如權利要求5，6或7所述的方法，其特徵在於，提供霧化噴嘴的步驟還包括提供一具有一直徑為0.35毫米的排放孔的霧化噴嘴。
全文摘要
本發明提供一種具有多個葉片狀通道、一旋流腔以及一排放孔的霧化噴嘴,以分配一液體噴霧。多個葉片狀通道從旋流腔向外延伸並與旋流腔流體連通。排放孔與旋流腔流體連通並與其大致共心。當霧化噴嘴用於手啟動泵類分配器時提供了一種細微的霧化噴霧。
文檔編號B05B1/34GK1201408SQ96198068
公開日1998年12月9日 申請日期1996年10月15日 優先權日1995年10月13日
發明者馬克·託馬斯·倫德 申請人:普羅克特和甘保爾公司