本申請要求于2014年7月9日提交的題為“Swirl Nozzle Assemblies with High Efficiency Mechanical Break up for Generating Mist Sprays of Uniform Small Droplets(用于產(chǎn)生均勻小液滴噴霧的具有高效率機械打散的改進(jìn)的旋流噴嘴組件)”(改進(jìn)的偏置的霧旋流杯和多噴嘴杯)的在先由相同申請人所有的共同未決美國臨時專利申請62/022,290號的優(yōu)先權(quán)，并且還要求于2014年3月24日提交的題為“Swirl Nozzle Assembly with High Efficiency Mechanical Break up for Generating Mist Sprays of Uniform Small Droplets(用于產(chǎn)生均勻小液滴噴霧的具有高效率機械打散的改進(jìn)的旋流噴嘴組件)”(霧旋流杯)的在先共同未決美國臨時專利申請61/969,442號的優(yōu)先權(quán)。本申請還涉及海斯特(Hester)等人的于2008年4月8日授權(quán)的題為“Fluidic Nozzle for Trigger Spray Applications(用于觸發(fā)器噴灑施用的流體噴嘴)”的由相同申請人所有的美國專利7,354,008和題為“Cup-shaped Fluidic Circuit,Nozzle Assembly and Method(杯形流體回路、噴嘴組件和方法)”的PCT申請PCT/US12/34293號(現(xiàn)在WIPO公開號為WO2012/145537)。前述共四個申請和專利的全部公開內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明整體涉及構(gòu)造為在噴灑諸如空氣清新劑、清洗液、個人護(hù)理用品等日用消費品時使用的噴嘴。更具體地，本發(fā)明涉及與低壓觸發(fā)器噴灑或“僅產(chǎn)品”(意思是無推進(jìn)劑)施用器一起使用的流體噴嘴組件或用于加壓氣霧劑(尤其是袋上裝閥和壓縮氣體包裝產(chǎn)品)的噴嘴。

背景技術(shù)：

通常，用于噴灑日用消費品的觸發(fā)器分配器是用于從容器輸送液體的相對低成本泵裝置。分配器由操作者手持且具有觸發(fā)器，該觸發(fā)器可通過用手指擠壓或牽拉進(jìn)行操作以從容器并經(jīng)過噴頭泵送液體，該噴頭在分配器的前方結(jié)合噴嘴。

這種手動操作的分配器可以具有在產(chǎn)業(yè)中變得很普通且公知的各種特征。例如，現(xiàn)有技術(shù)的分配器可以結(jié)合具有噴嘴的專用噴頭，該噴嘴在液體從噴嘴分配或流出時產(chǎn)生限定的液體噴灑型式。還已知的是提供具有可調(diào)節(jié)噴灑型式的噴嘴使得使用者利用單個分配器就可以選擇液滴流或大致圓形或錐形液滴噴灑形式的噴灑型式。

當(dāng)前，如圖1A至圖1C中所示，許多物質(zhì)都在具有這種用觸發(fā)器操作的噴頭的容器中作為日用消費品進(jìn)行銷售和營銷。這些物質(zhì)的例子包括空氣清新劑、窗戶清洗液、地毯清潔劑、除斑劑、個人護(hù)理用品、雜草和害蟲控制產(chǎn)品，以及在多種多樣的噴灑應(yīng)用中使用的許多其它材料。使用這些噴灑器的日用消費品典型地用瓶包裝，瓶上裝有分配器，分配器典型地包括手動致動的泵，該泵將流體輸送至噴頭噴嘴，使用者將該噴頭噴嘴對準(zhǔn)所需表面或所需方向。盡管這種手動泵產(chǎn)生的操作壓強通常在30psi至40psi的范圍內(nèi)，錐形噴灑典型地非常松散，并且噴灑出不規(guī)則型式的大液滴和小液滴。

噴頭最近已被引入市場，其具有用電池操作的泵，其中一旦要開始泵送動作，只需要按壓觸發(fā)器，該泵送動作就持續(xù)直到釋放在觸發(fā)器上的按壓。這些噴頭典型地在5psi至15psi的范圍內(nèi)的較低壓強下操作。它們也具有與上述手動泵相同的缺陷；加之，它們通常具有由于其較低操作壓強而產(chǎn)生的甚至更少種類的噴灑型式或噴灑型式的控制。

氣霧劑應(yīng)用也是普通的并且現(xiàn)在使用袋上裝閥(“BOV，Bag-On-Valve”)和壓縮氣體方法來產(chǎn)生例如50psi至140psi的范圍內(nèi)的較高的操作壓強，而非之前使用的成本高且環(huán)境不友好的推進(jìn)劑。這些包裝方法是期望的，因為相比于上述其它輸送方法，它們能夠產(chǎn)生較高的操作壓強。

用于典型商業(yè)分配器的噴嘴典型地是整體模制的“蓋”類型，具有通道，當(dāng)適當(dāng)?shù)耐ǖ琅c從噴灑器組件出來的供給通道對齊時，所述通道產(chǎn)生噴灑或流型式。這些現(xiàn)有技術(shù)的噴嘴習(xí)慣上被稱作為“旋流杯”噴嘴，因為它們產(chǎn)生的噴灑通常在噴嘴組件內(nèi)“旋流”以形成具有分散在大角度范圍內(nèi)的尺寸和速度不同的液滴的噴灑(與流形成對照)。傳統(tǒng)的旋流噴嘴由與相互作用區(qū)域相切或相對于相互作用區(qū)域的壁成角度定位的兩個或更多個輸入通道構(gòu)成(參照例如圖2A和2B)。相互作用區(qū)域可以是具有規(guī)定長度、寬度和深度尺寸的正方形，或者是具有規(guī)定直徑和深度尺寸的圓形。標(biāo)準(zhǔn)旋流噴嘴幾何結(jié)構(gòu)需要面密封并且設(shè)置為使得流動以旋流或切向速度離開輸入通道并進(jìn)入相互作用區(qū)域，形成漩渦。漩渦隨后在下游循環(huán)并經(jīng)過典型地與噴嘴組件的中心軸線同心的出口離開相互作用區(qū)域。

圖1A至圖2B的現(xiàn)有技術(shù)噴嘴組件所存在的問題包括：(a)對產(chǎn)生的噴灑型式的控制相對缺乏，(b)在這種噴灑中不斷產(chǎn)生相當(dāng)可觀數(shù)量的在通常遠(yuǎn)側(cè)方向隨機定向的大直徑和小直徑的液滴，和(c)得到的噴灑型式趨于形成急降大的高速液滴的噴灑區(qū)域，導(dǎo)致噴灑的液體飛濺或收集在池中，產(chǎn)生沿著噴灑表面往下流的不期望的中斷部分。如果使用者力圖僅噴灑液體產(chǎn)品的細(xì)霧，那么大滴噴灑是特別不期望的。包括“噴霧”的液滴優(yōu)選具有80微米(80μm)或更小的直徑，但應(yīng)當(dāng)大于10μm以避免吸入危險；但是，現(xiàn)有技術(shù)的旋流杯無法可靠地形成具有例如60μm至80μm的期望尺寸范圍的液滴的噴霧。

如在上述Hester等人的由相同申請人所有的美國專利7,354,008號中描述的，用于上述分配器的噴頭噴嘴可以結(jié)合流體裝置，該流體裝置能夠在沒有任何運動部件的情況下產(chǎn)生具有期望的液滴尺寸和分布的寬范圍種類中的任何噴灑型式。這種裝置包括具有產(chǎn)生期望的流動現(xiàn)象的液體流動通道的流體回路，并且這種回路在眾多專利中被描述。Hester專利描述了用于低壓觸發(fā)器噴灑裝置的流體回路。

旋流噴嘴用在眾多應(yīng)用中。主要功能是產(chǎn)生具有優(yōu)選的液滴尺寸分布的霧化噴灑。對于許多應(yīng)用，優(yōu)選的是噴灑的液滴體積中位數(shù)直徑(VMD，Volumetric Median Diameter或DV50)和分布域盡可能小。使產(chǎn)生優(yōu)選霧化水平所需的操作壓強最小化也是期望的。因此，需要一種針對傳統(tǒng)旋流杯的具成本效益的替代，其將可靠地產(chǎn)生選定的小尺寸液滴，以避免在相對高壓應(yīng)用中由傳統(tǒng)旋流杯形成的大液滴的飛濺和其它缺點，相對高壓應(yīng)用諸如能夠產(chǎn)生30psi至40psi范圍內(nèi)的壓強的手動操作泵或產(chǎn)生例如50psi至140psi范圍內(nèi)的較高操作壓強的“BOV”和壓縮氣體裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

申請人研究了現(xiàn)有技術(shù)的旋流杯噴嘴(例如圖2A和2B中所示)并且現(xiàn)在已找到它們提供這種散亂噴灑的原因。如上所述，這些傳統(tǒng)的旋流噴嘴由具有規(guī)定寬度和深度尺寸、切向于相互作用區(qū)域定位，或相對于相互作用區(qū)域的壁成角度的一個或多個輸入通道或強力噴嘴(power nozzle)構(gòu)成。相互作用區(qū)域為具有期望長度、寬度和深度尺寸的正方形，或為具有期望直徑和深度尺寸的圓形。噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)需要面密封，在該處其抵接噴頭使得出口流體被供應(yīng)至杯入口。傳統(tǒng)的旋流杯被設(shè)計為使得流體流離開強力噴嘴并以切向速度Uθ進(jìn)入相互作用區(qū)域，形成具有半徑“r”和角速度ω＝Uθ/r的流體漩渦。流體漩渦隨后在下游循環(huán)并且經(jīng)過與噴嘴的中心軸線同心的出口開口離開相互作用區(qū)域。這種傳統(tǒng)的旋流杯構(gòu)造導(dǎo)致旋流腔室中產(chǎn)生的液滴沿著出口的管狀腔體向遠(yuǎn)側(cè)加速并凝集或再結(jié)合成具有過度向遠(yuǎn)側(cè)射出的線性速度的不規(guī)則大尺寸液滴，導(dǎo)致不良的霧化性能。

在確認(rèn)導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)的旋流杯噴嘴的這種不良的霧化性能的問題之后，申請人在這里開發(fā)了一種新的噴嘴組件，其在避免這些問題的同時使得以非常高的角速度流出的小液滴的形成和保留最大化。

本發(fā)明的高效率機械打散(“HE-MBU，High Efficiency Mechanical Break Up”)噴嘴組件包括與現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)旋流噴嘴幾何結(jié)構(gòu)相比明顯不同的兩個獨特特征。這些新開發(fā)的特征降低內(nèi)部剪切損失并且改進(jìn)和維持生成的噴灑霧化。改進(jìn)的噴灑霧化的特征在于針對給定輸入壓強增大角速度“ω”，導(dǎo)致較小液滴的產(chǎn)生和維持。除了ω之外，很多其它因素影響噴灑輸出的霧化或VMD，諸如凝集。凝集是小液滴在噴嘴出口下游碰撞并再結(jié)合并且通過再結(jié)合形成比在噴嘴出口處產(chǎn)生的液滴大的液滴的現(xiàn)象。因此，隨著距噴嘴出口的測量位置的距離增大，VMD增大。這種現(xiàn)象在應(yīng)用需要細(xì)霧(例如，許多頭發(fā)護(hù)理產(chǎn)品中使用)時是不希望的。

因此，本發(fā)明的第一實施方式包括對現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)旋流噴嘴的兩種基本改進(jìn)，即：(1)具有顯著增大的旋轉(zhuǎn)或角速度ω的旋流噴灑，得到較小的液滴尺寸，和(2)凝集減少的向遠(yuǎn)側(cè)射出的旋流噴灑，進(jìn)一步減小并維持較小的液滴尺寸。

簡略地，在本發(fā)明的優(yōu)選形式中，用于噴灑分配器的噴嘴構(gòu)造為產(chǎn)生具有改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)或角速度ω的旋流輸出噴灑型式，得到較小的噴灑的液滴尺寸。杯形噴嘴主體具有圍繞中心縱向軸線的柱形側(cè)壁并具有圓形的封閉端壁，至少一個出口孔通過所述端壁。至少一個加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)形成在端壁的內(nèi)表面中，其中流體回路包括終止于圍繞出口孔的相互作用區(qū)域的一對對置向內(nèi)漸細(xì)的偏置強力噴嘴腔室。強力噴嘴腔室相對于出口孔的橫向軸線在相反的方向上偏置，由此被引入流體腔室的處于壓強下的流體沿著強力噴嘴腔室加速到相互作用區(qū)域中以產(chǎn)生作為旋流噴灑離開出口孔的旋流流體漩渦。每個強力噴嘴腔室由連續(xù)平滑的曲壁限定，并且具有由壁的高度限定的選定深度Pd，其中每個強力噴嘴的側(cè)壁在入口處從擴大區(qū)域大致向內(nèi)漸細(xì)，朝向相互作用區(qū)域變窄以加速流體流動。強力噴嘴腔室每個在其與相互作用區(qū)域的相交部分處具有最小出口寬度Pw，并且在選定實施方式中在相交部分處具有等于或小于1的深寬比。

更特別地，在本發(fā)明的一種實施方式中，用于噴灑式分配器的杯形噴嘴具有圍繞中心軸線的大致柱形側(cè)壁和具有內(nèi)表面和外表面或遠(yuǎn)側(cè)表面的大致圓形遠(yuǎn)端壁，所述遠(yuǎn)端壁具有中心出口或出口孔以在杯的內(nèi)部和外部之間提供流體連通。加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)限定在遠(yuǎn)側(cè)壁的內(nèi)表面中，該加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)包括相對但偏置的第一強力噴嘴和第二強力噴嘴，每個強力噴嘴提供與在端壁中且圍繞出口孔的中心相互作用或旋流漩渦產(chǎn)生腔室的流體連通并且終止于其中。每個強力噴嘴腔室限定終止于強力噴嘴出口區(qū)域或開口的具有選定深度但寬度變窄的漸細(xì)通道或腔體，強力噴嘴出口區(qū)域或開口在其與相互作用腔室的相交部分處具有選定的強力噴嘴寬度(Pw)。

強力噴嘴中的第一個具有限定在靠近柱形側(cè)壁的遠(yuǎn)側(cè)壁或端壁的內(nèi)表面中的入口，使得加壓入口流體進(jìn)入杯的內(nèi)部且沿著側(cè)壁向遠(yuǎn)側(cè)流動以進(jìn)入第一強力噴嘴入口。流體沿著第一強力噴嘴的漸細(xì)的腔體進(jìn)入并加速至噴嘴出口，在該處流體進(jìn)入相互作用腔室的一側(cè)。強力噴嘴中的第二個類似于第一個，并且也在其入口處接收沿著杯的內(nèi)部且沿著其側(cè)壁向遠(yuǎn)側(cè)流動的加壓流體。入口流體沿著第二強力噴嘴的漸細(xì)的腔體進(jìn)入并加速至噴嘴出口，在該處其進(jìn)入相互作用腔室的相對側(cè)。

相互作用或旋流區(qū)域限定在相對但偏置的強力噴嘴出口之間的相互作用腔室中，并且包括具有與噴嘴中心軸線對準(zhǔn)且與中心出口孔或孔口同軸對準(zhǔn)的柱形側(cè)壁的大致圓形截面，該中心出口孔或孔口提供相互作用腔室和杯的外部之間的流體連通，使得流體產(chǎn)品噴灑沿著所述中心軸線向遠(yuǎn)側(cè)或向外指向。

輸入通道或強力噴嘴為細(xì)長的，從噴嘴側(cè)壁的區(qū)域沿著相應(yīng)的軸線朝向相互作用區(qū)域延伸，并且具有變化的寬度Pw，漸細(xì)至相互作用區(qū)域處的窄的出口區(qū)域并且具有選定深度Pd。強力噴嘴的軸線在圓形相互作用腔室的相對側(cè)上大致對置，并且從中心出口孔在相同的角度方向上偏置以將加壓流體相對于中心軸線和相互作用區(qū)域的壁以另外選定的入流角度噴入相互作用區(qū)域。相互作用區(qū)域優(yōu)選為圓形，其直徑在強力噴嘴出口寬度Pw的1.5倍至4倍范圍內(nèi)。相互作用腔室優(yōu)選具有與每個強力噴嘴相同的深度，優(yōu)選具有面密封且優(yōu)選被設(shè)置為使得流體從強力噴嘴流動并以比進(jìn)入噴嘴的流體高的切向速度Uθ切向地進(jìn)入相互作用區(qū)域，由此產(chǎn)生具有半徑r和較高的角速度ω＝Uθ/r的漩渦。隨后快速旋轉(zhuǎn)或旋流的漩渦經(jīng)過出口孔從相互作用區(qū)域流出，出口孔在一種實施方式中與噴嘴杯的中心軸線對準(zhǔn)。這種構(gòu)造使旋流腔室中產(chǎn)生的機械打散和快速旋流流體液滴加速為作為非常小的液滴從出口孔噴灑或流出的高旋流，所述非常小的液滴旋流并因此不太可能凝集或再結(jié)合為較大液滴。

在開發(fā)為提供對申請人的HE-MBU噴嘴原型的進(jìn)一步改進(jìn)的霧化效率的替代實施方式中，還發(fā)現(xiàn)通過改變強力噴嘴偏置比“OR(Offset Ratio)”，角速度ω發(fā)生顯著變化且有時以令人驚訝的方式變化。偏置比“OR”被定義為Pw/IRd，其中出口寬度(“Pw”)優(yōu)選為旋流腔室或相互作用區(qū)域的直徑(“IRd”)的大約三分之一。如上所述，發(fā)現(xiàn)減小HE-MBU腔室深度能減小流速并改進(jìn)本發(fā)明的高效率機械打散(“HE-MBU”)的較新原型的霧化。巧合地，隨著強力噴嘴深寬比減小，回路的深度減小。早期原型顯示出在霧化方面取得一些進(jìn)步，這被認(rèn)為歸因于簡單地減小回路深度，而非強力噴嘴深寬比。在利用強力噴嘴偏置比進(jìn)行試驗之后認(rèn)識到更顯著的附加進(jìn)步。因此，現(xiàn)在相信優(yōu)化偏置比是用于提高機械打散噴嘴對流體進(jìn)行霧化的效率的最佳途徑。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方法，高效率機械打散(“HE-MBU”)噴嘴組件包括具有相對但偏置的第一強力噴嘴通道和第二強力噴嘴通道的加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，強力噴嘴通道每個具有優(yōu)選為旋流腔室或相互作用區(qū)域的直徑(“IRd”)的大約三分之一的出口寬度(“Pw”)。偏置比“OR”被定義為Pw/IRd。申請人通過原型的試驗和測試確定偏置比OR的最優(yōu)值為0.37(具有0.30至0.50范圍內(nèi)的測試值)。在加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中，已發(fā)現(xiàn)最優(yōu)攻角與相互作用區(qū)域的圓周壁的相鄰區(qū)段基本上相切，并且已發(fā)現(xiàn)最優(yōu)深度為盡可能小的深度(由邊界層效應(yīng)限定，當(dāng)深度過小時，抵消特征的體積減小帶來的益處)。例如，在開發(fā)并評估具體的商業(yè)空氣護(hù)理液產(chǎn)品噴嘴的尺度下，申請人已選定深度0.20mm。在該實施方式中，旋流腔室深度與強力噴嘴的深度相同以使體積最小化。還可以設(shè)想替代實施方式。在早期原型實施方式中，所有強力噴嘴通道和旋流腔室深度被選定為相同，意味著強力噴嘴和旋流腔室構(gòu)造為具有單個選定深度(例如0.20mm)的流體通道。替代實施方式可以包括變化的深度，在加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中提供通道的漸細(xì)或會聚的底板。代替使強力噴嘴腔室和相互作用區(qū)域或旋流腔室具有恒定深度，強力噴嘴的深度以選定的錐角漸細(xì)(在流動方向上變得較淺)，以提供另一旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，相信該另一旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)可能進(jìn)一步改進(jìn)霧化效率。本發(fā)明的噴嘴還能夠在單個噴灑器中具有多于一個加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，意味著多于一個(例如，兩個或更多個)出口孔能夠構(gòu)造為產(chǎn)生同時向遠(yuǎn)側(cè)射出的噴灑，每個噴灑根據(jù)預(yù)期噴灑應(yīng)用以選定的角度取向旋流(例如，相同或相反的取向)。

通過所有前述實施方式，本發(fā)明的一個目的是為傳統(tǒng)旋流杯分配器組件提供一種成本有效的替代，其將可靠地產(chǎn)生選定小尺寸的旋流液滴噴灑，優(yōu)選液滴直徑為60μm至80μm或更小，但大于10μm，其中旋流噴灑以使液滴再結(jié)合的可能性很小的方式產(chǎn)生，從而減少傳統(tǒng)旋流杯那樣的大的再結(jié)合液滴形成，而大的再結(jié)合液滴會產(chǎn)生不希望的噴灑效果，諸如飛濺。

附圖說明

通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施方式的詳細(xì)描述將進(jìn)一步理解本發(fā)明的前述和附加目的、特征和優(yōu)點，其中：

圖1A示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的手動觸發(fā)器噴灑施用器的噴頭；

圖1B和1C分別示出圖1A的裝置的前部以及前部的截面；

圖2A和2B示出具有傳統(tǒng)旋流杯噴嘴的現(xiàn)有技術(shù)的氣霧劑噴灑致動器的典型特征；

圖3是示出申請人對現(xiàn)有技術(shù)旋流噴嘴相互作用區(qū)域中流體流動型式的分析的視圖；

圖4是示出本發(fā)明的高效率機械打散(“HE-MBU”)噴嘴的第一實施方式的仰視平面圖；

圖5是沿著圖4的HE-MBU噴嘴實施方式的線5-5截取、大致沿著縱向軸線截取、且示出沿著平分HE-MBU噴嘴的平面的截面的剖視圖；

圖6是圖4和圖5的噴嘴的俯視立體圖；

圖7是圖4和圖5的噴嘴的內(nèi)部的立體剖視圖；

圖8A是圖7中示出的強力噴嘴和相互作用腔室的放大局部視圖；

圖8B是根據(jù)本發(fā)明的圖4至圖8A的HE-MBU噴嘴的出口孔的一部分的放大細(xì)節(jié)圖；

圖9是根據(jù)本發(fā)明的噴嘴組件的剖視圖，其中圖4至圖8B的HE-MBU噴嘴杯的出口孔與密封柱接合；

圖10是根據(jù)本發(fā)明的高效率機械打散(“HE-MBU”)噴嘴的第二實施方式的俯視平面圖，示出具有相同旋轉(zhuǎn)取向的多個噴嘴出口；

圖11是本發(fā)明的高效率機械打散(“HE-MBU”)的第三實施方式的俯視平面圖，示出構(gòu)造有第一噴嘴出口和第二噴嘴出口的噴嘴組件，第一噴嘴出口和第二噴嘴出口產(chǎn)生具有相反旋轉(zhuǎn)取向的第一噴灑和第二噴灑；

圖12是示出大致沿著縱向軸線截取的類似于圖11所示的另一HE-MBU噴嘴實施方式的剖視圖，其中示出沿著圖11的平面11-11的截面、平分HE-MBU噴嘴以示出圖11的實施方式的出口孔可以構(gòu)造有發(fā)散喉部以使噴灑遠(yuǎn)離彼此；以及

圖13和圖14以圖示和表格的形式示出產(chǎn)生本發(fā)明的HE-MBU噴嘴的用于均勻顆粒直徑的測量的噴灑液滴產(chǎn)生性能。

具體實施方式

現(xiàn)在參照附圖，其中相同的元件由相同的數(shù)字標(biāo)示，圖1A、1B和1C示出緊固至待分配流體的容器12的典型的手動操作的觸發(fā)器泵10，其中泵結(jié)合觸發(fā)器14，通過操作者致動觸發(fā)器14來經(jīng)過噴嘴18分配流體16。這種分配器通常例如用于以限定的噴灑型式或作為流從容器分配流體?？梢蕴峁┛烧{(diào)節(jié)的噴灑型式，從而使用者可以選擇流或各種噴灑的流體液滴中的一種。圖1B中示出典型的噴嘴18的截面，其由管狀導(dǎo)管20構(gòu)成，該管狀導(dǎo)管20接收來自泵的流體并且將流體引導(dǎo)至噴頭部分24中，在該處流體流經(jīng)通道26并且從孔口或孔28噴出。圖1C的剖視圖中示出通道的細(xì)節(jié)。這種裝置構(gòu)造為整體模制的塑料“蓋”，具有與泵出口對齊的通道，從而以大致30psi至40psi范圍內(nèi)的壓強產(chǎn)生各種流體的期望的流或噴灑。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由這種裝置產(chǎn)生的型式難以控制并趨于產(chǎn)生通常夾帶在空氣中的至少一些非常小的細(xì)滴，且如果吸入會產(chǎn)生危險。另外，這種裝置可能在被噴灑的表面上產(chǎn)生厚層覆蓋區(qū)域，這趨于導(dǎo)致不期望的液體池或流。

圖2A和2B示出與典型的商業(yè)分配器28一起使用的傳統(tǒng)的旋流杯噴嘴30。這些現(xiàn)有技術(shù)的噴嘴習(xí)慣上被稱作為“旋流杯”噴嘴，因為它們產(chǎn)生的噴灑通常在噴嘴組件內(nèi)“旋流”以形成具有分散在大角度范圍內(nèi)的大小和速度不同的液滴的噴灑(與流形成對照)。傳統(tǒng)的旋流噴嘴由與相互作用區(qū)域相切或相對于相互作用區(qū)域的壁成角度(圖2B)定位的兩個或更多個輸入通道(32A、32B、32C、32D)構(gòu)成。相互作用區(qū)域可以是具有規(guī)定長度、寬度和深度尺寸的正方形，或者是具有規(guī)定直徑和深度尺寸的圓形。標(biāo)準(zhǔn)的杯形旋流噴嘴構(gòu)件30具有內(nèi)表面(圖2B中可見)，該內(nèi)表面與向遠(yuǎn)側(cè)突出的密封柱36的平坦圓形表面上的面密封抵接并密封，并且被設(shè)置為使得產(chǎn)品流體35流入并經(jīng)過環(huán)形腔體進(jìn)入輸入通道32A至32D并隨后以旋流或切向速度流入中心相互作用區(qū)域，形成漩渦。流體產(chǎn)品漩渦隨后在下游循環(huán)并且經(jīng)過出口孔34離開相互作用區(qū)域，該出口孔34典型地與密封柱36的中心軸線同心。從標(biāo)準(zhǔn)旋流杯噴嘴組件流出或由標(biāo)準(zhǔn)旋流杯噴嘴組件產(chǎn)生的流體產(chǎn)品噴灑38噴灑出不規(guī)則的液滴尺寸并飛濺，因為該噴嘴組件固有地導(dǎo)致上述液滴凝集和液滴尺寸不均勻問題。申請人分析了這些問題并發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)噴嘴組件的部件能夠與不同的流體旋流引發(fā)結(jié)構(gòu)一起使用以得到好得多的噴灑產(chǎn)生性能。

為了克服在圖1A至圖2B的現(xiàn)有技術(shù)噴灑器中發(fā)現(xiàn)的問題，根據(jù)本發(fā)明，旋流噴嘴組件構(gòu)造為產(chǎn)生細(xì)滴的旋流噴灑，其中噴灑的流體產(chǎn)品液滴被高效率機械打散(即，60μm至80μm或更小，但大于10μm的液滴直徑)，并且隨后使該旋流噴灑沿著遠(yuǎn)側(cè)對準(zhǔn)的軸線以選定的方向射出以提供具有小且均勻液滴的噴霧。這需要對現(xiàn)有技術(shù)或傳統(tǒng)的旋流杯(例如圖2B的30)所產(chǎn)生的確切問題有更深的理解。如圖3中的40處圖示地表明，現(xiàn)有技術(shù)的噴灑器中使用的旋流噴嘴典型地由一個或多個輸入通道(例如，32A至32D)構(gòu)成，所述一個或多個輸入通道定位為將泵送的流體如箭頭42所示切向地供應(yīng)至相互作用區(qū)域44；替代地，入口通道可以相對于相互作用區(qū)域的壁成角度。相互作用區(qū)域44可以是具有期望的長度、寬度和深度尺寸的正方形，或者是具有期望的直徑和深度尺寸的圓形。在圖示中，區(qū)域44是具有半徑“r”的圓形。典型地，噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)需要面密封，在該處其抵接噴頭中的密封柱(例如密封柱36)，使得來自噴頭強力噴嘴的出口流體被供應(yīng)至杯入口并以切向速度Uθ進(jìn)入相互作用區(qū)域44，產(chǎn)生由箭頭46指示的流體漩渦，具有最大半徑“r”和角速度ω＝Uθ/r。流體漩渦46在下游循環(huán)并且經(jīng)過出口孔離開相互作用區(qū)域，該出口孔具有與噴嘴的中心軸線50同心的管狀腔體48。這種構(gòu)造導(dǎo)致在旋流腔室的相互作用區(qū)域中產(chǎn)生的液滴沿著出口孔的管狀腔體向遠(yuǎn)側(cè)加速并且凝集或再結(jié)合成具有過度向遠(yuǎn)側(cè)射出的線性速度的不規(guī)則大尺寸液滴，導(dǎo)致飛濺和不良的霧化性能。

本發(fā)明的流體噴嘴組件結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)噴嘴組件的噴頭和密封柱結(jié)構(gòu)，但摒棄標(biāo)準(zhǔn)旋流杯(例如30)的有缺陷的性能。因此，本發(fā)明涉及圖4至圖9中圖示的一種新的高效率機械打散(“HE-MBU”)噴嘴組件，其在避免這些問題的同時使得以非常高的角速度向遠(yuǎn)側(cè)噴灑或流出的小液滴的形成和保留最大化。本發(fā)明的第一實施方式在現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)旋流噴嘴的噴灑產(chǎn)生性能上提供兩點主要的改進(jìn)，即：(1)具有增大的旋轉(zhuǎn)或角速度ω的旋流噴灑，得到較小的液滴尺寸，以及(2)凝集減少的旋流噴灑，進(jìn)一步減小并維持流體產(chǎn)品噴灑中較小的液滴尺寸。

在圖4中圖示的本發(fā)明的第一形式中，由模制的塑料或其它適當(dāng)材料形成的杯形高效率機械打散(“HE-MBU”)噴嘴構(gòu)件60具有由圍繞中心軸線64的柱形側(cè)壁62構(gòu)成的主體，和總體上以66指示的封閉的上端(圖5和圖6中可見)。封閉端由具有內(nèi)表面70和外表面或遠(yuǎn)側(cè)表面72的大致圓形遠(yuǎn)端壁68形成。端壁中的中心出口通道或出口孔或孔口74提供杯的內(nèi)部76與杯的外部之間的流體連通，杯的內(nèi)部76接收來自分配器噴頭的處于壓力下的流體，而流體從杯的外部指向遠(yuǎn)側(cè)噴灑。遠(yuǎn)側(cè)壁68中在其內(nèi)表面70處限定加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，其由第一流體速度增大文丘里強力噴嘴或通道80和第二流體速度增大文丘里強力噴嘴或通道82構(gòu)成，每個文丘里強力噴嘴或通道自側(cè)壁62大致向內(nèi)徑向延伸至大致圓形的中心相互作用腔室84。相互作用腔室形成在壁68的底部或內(nèi)部橫向表面中，并且限定圍繞且與出口孔74同心的腔體。

如圖4的仰視平面圖和圖7的內(nèi)部立體剖視圖中圖示的，在圖7中側(cè)壁62的一部分已被去除，形成在頂壁68中的強力噴嘴80和82分別由對應(yīng)的漸細(xì)通道或腔體86和88限定，具有形成在壁68中的連續(xù)的大致平坦底板90和基本垂直的連續(xù)側(cè)壁92，側(cè)壁92具有選定的恒定高度Pd，該高度限定其在壁68中的深度。類似地，相互作用腔室84的大致圓形區(qū)域由腔體底板90和側(cè)壁92的連續(xù)部分形成并且也具有深度Pd。優(yōu)選地，用于強力噴嘴80和82和相互作用腔室84的側(cè)壁92大致圓化地平滑彎曲并隨后從噴嘴壁62的內(nèi)表面附近的擴大端區(qū)域94和96大致向內(nèi)徑向地朝向腔室84以產(chǎn)生具有寬度Pw的縮窄流動路徑。強力噴嘴腔室80和82朝向?qū)?yīng)的窄的強力噴嘴出口區(qū)域98和100向內(nèi)漸細(xì)，腔室分別沿著對應(yīng)的軸線102和104延伸。強力噴嘴出口區(qū)域終止于相互作用或旋流腔室84并平滑地并入相互作用或旋流腔室84。

每個強力噴嘴出口區(qū)域在其與相互作用腔室的相交部分處具有相對窄的選定的強力噴嘴出口寬度Pw，強力噴嘴80和82的大致徑向軸線從噴嘴60的中心軸線64以相同的方向偏置。這種偏置導(dǎo)致強力噴嘴中流動的流體以期望的角度、優(yōu)選基本切向地進(jìn)入相互作用腔室84，以在相互作用腔室中產(chǎn)生旋流漩渦，其隨后經(jīng)過端壁68從噴嘴出口74流出。在圖4、7和8A的圖示中，將看出強力噴嘴每個指向軸線64的左側(cè)以產(chǎn)生圍繞出口74的順時針旋流或流體漩渦。如106和108處圖示，在該實施方式中，每個強力噴嘴的左側(cè)壁(沿流動方向觀察)基本切向地與相互作用腔室側(cè)壁結(jié)合以在來自噴嘴的流體流中產(chǎn)生期望的旋流；但是，將理解空氣進(jìn)入相互作用腔室84的角度可以為一些其它選定角度。與區(qū)域106和108相對，側(cè)壁92在如110和112圖示的強力噴嘴80和82與相互作用腔室的接合處突然彎曲，以形成肩部，該肩部導(dǎo)致相互作用腔室中的流體流繼續(xù)其旋流運動以在出口74處離開，而不是繼續(xù)經(jīng)過出口區(qū)域并沿入口流動方向的反向進(jìn)入相對的強力噴嘴。平滑彎曲的側(cè)壁92和變窄的腔體使流動流體的速度加速，這使得隨著旋流流體通入并經(jīng)過相互作用腔室時流體機械打散成液滴得以加強，并且在經(jīng)過出口74流出的同時發(fā)展增強的圍繞中心軸線64的旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生具有期望的一致液滴尺寸的噴灑的流體產(chǎn)品152的細(xì)霧(參照圖9)。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方法，每個高效率機械打散(“HE-MBU”)噴嘴構(gòu)件(例如60)包括限定在表面(例如70)中的加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，其具有相對但偏置的第一強力噴嘴通道和第二強力噴嘴通道(例如，86、88)，每個強力噴嘴通道具有優(yōu)選大約為旋流腔室或相互作用區(qū)域的直徑“IRd”的三分之一(或半徑IRΦ的兩倍，如圖4和8A中最佳地示出)的出口寬度(“P_W”)。申請人已發(fā)現(xiàn)這些尺寸之間的臨界關(guān)系能夠被限定為偏置比率“OR”出口寬度(“P_W”)除以旋流腔室或相互作用區(qū)域的直徑(“IRd”)，使得該偏置比率“OR”等于P_W/IRd。經(jīng)申請人的試驗和原型測試，偏置比率OR的最優(yōu)值為0.37(測試值的范圍為0.30至0.50)。已發(fā)現(xiàn)從強力噴嘴通道流動的流體噴射的最優(yōu)攻角與相互作用區(qū)域(例如，106、108)的圓周壁的相鄰區(qū)段基本上相切，并且已發(fā)現(xiàn)最優(yōu)深度(Pd和IR深度)為盡可能小的深度(由選定的流體產(chǎn)品的邊界層效應(yīng)限定，當(dāng)深度過小時，不利的邊界層效應(yīng)抵消特征的體積減小帶來的益處)。例如，在開發(fā)并評估具體的商業(yè)空氣護(hù)理液產(chǎn)品噴嘴的尺度下，申請人已選定深度(Pd和IR深度)0.20mm。在圖4至圖8B圖示的實施方式中，旋流腔室深度(IR深度)與強力噴嘴的深度(Pd)相同以使體積最小化。

還可以設(shè)想替代實施方式。在圖4至圖8B的實施方式中，強力噴嘴通道和旋流腔室深度相同(如圖5中最佳地示出)，意味著強力噴嘴和旋流腔室均構(gòu)造為具有單個選定深度(例如0.20mm)的流體通道。替代實施方式可以包括變化的深度，在加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中提供通道的漸細(xì)或會聚的底板。代替使強力噴嘴腔室和相互作用區(qū)域或旋流腔室具有恒定深度，強力噴嘴的深度以選定的錐角從較深漸細(xì)為較淺(強力噴嘴通道在強力噴嘴入口處較深且在流動方向上變得較淺)，以提供相信可能進(jìn)一步改進(jìn)霧化效率的另一旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)。

凸緣104圍繞杯形噴嘴60的底部邊緣，其以已知方式提供與分配器噴頭的連接界面，如通過接合在噴頭出口的內(nèi)表面上的相應(yīng)肩部(如圖9中最佳地示出)。

在操作中，由箭頭120指示的加壓入口流體或流體產(chǎn)品從適當(dāng)?shù)姆峙淦鲊婎^流入噴嘴60的內(nèi)部76，朝向并進(jìn)入形成且限定在遠(yuǎn)側(cè)壁68的內(nèi)表面中的強力噴嘴86和88的腔體。加壓入口流體沿著由柱形側(cè)壁62的內(nèi)表面112限定的環(huán)形通道并圍繞向遠(yuǎn)側(cè)突出的密封柱136向遠(yuǎn)側(cè)流動以進(jìn)入強力噴嘴86、88。在到達(dá)遠(yuǎn)端壁68的不透流體屏障時，流體120被迫進(jìn)入并經(jīng)過強力噴嘴腔體86和88的擴大入口區(qū)域，并且朝向出口孔74的中心軸線64橫向且向內(nèi)加速。相對的橫向強力噴嘴流動軸線102和104相對于出口74的遠(yuǎn)側(cè)軸線64偏置且指向為彼此稍遠(yuǎn)離或彼此偏置，并且文丘里形腔體的內(nèi)錐使流體加速沿著其朝向強力噴嘴出口98和100的相交部分流動，在該處如圖4、7和8A中圖示，相反方向流動沿著強力噴嘴出口流動軸線102、104指向相互作用腔室84。流動軸線102、104的偏置導(dǎo)致沖入的流體進(jìn)入相互作用腔室84的相對側(cè)以在流動流體中引入旋流運動，在從出口孔或孔口74流出的流體中形成由箭頭130指示的漩渦，使得流體噴灑沿著中心軸線64指向噴嘴60外。

在操作中，旋流或相互作用區(qū)域(例如84)完全填充有連續(xù)、回轉(zhuǎn)的液體團(tuán)，除了在沿著出口孔軸線64的正中心處，在該處離心加速導(dǎo)致通向大氣的負(fù)壓區(qū)域。該區(qū)域被稱為氣核。氣核區(qū)域(如圖3的中心)與出口孔軸向?qū)?zhǔn)。相互作用區(qū)域中形成的流體漩渦具有大的角速度，并且隨著流動離開噴嘴的出口孔，液體流隨后進(jìn)行霧化或打散成具有規(guī)定半徑r或液滴尺寸分布的噴灑的旋流流體液滴。

因此，該第一實施方式的裝置由具有選定寬度和深度的一個或多個輸入通道或強力噴嘴構(gòu)成，構(gòu)造為將加壓流體切向地噴入相互作用區(qū)域，或?qū)⒓訅毫黧w相對于相互作用區(qū)域的壁以另一選定的入流角度噴入相互作用區(qū)域。相互作用區(qū)域優(yōu)選為具有直徑(IRd)的圓形，直徑(IRd)在強力噴嘴出口寬度P_W的1.5倍至4倍范圍內(nèi)，并且在優(yōu)選實施方式中，具有出口寬度(“P_W”)，其優(yōu)選大約等于旋流腔室或相互作用區(qū)域的直徑(IRd)的三分之一至0.37倍之間。相互作用腔室優(yōu)選具有與每個強力噴嘴相同的深度，并且被設(shè)置為使得流體從強力噴嘴流動并以比流體進(jìn)入噴嘴高的切向速度Uθ進(jìn)入相互作用區(qū)域，形成或產(chǎn)生具有半徑r和較高角速度ω＝Uθ/r的漩渦。快速旋轉(zhuǎn)或旋流的漩渦隨后經(jīng)過與噴嘴杯構(gòu)件60的中心軸線64對準(zhǔn)的出口孔74從相互作用區(qū)域流出。這種構(gòu)造導(dǎo)致旋流腔室中產(chǎn)生的旋流流體液滴加速為作為非常小的液滴從出口流出的高旋流，所述非常小的液滴當(dāng)在流體產(chǎn)品噴灑152中向遠(yuǎn)側(cè)噴灑時被阻止凝集或再結(jié)合為較大液滴。

申請人的包括試驗數(shù)據(jù)的初步開發(fā)工作起初以為證明臨界設(shè)計參數(shù)是強力噴嘴孔深寬比(AR，Aspect Ratio)(定義為強力噴嘴深度除以強力噴嘴寬度(AR＝Pd/Pw))。角速度ω的增加起初歸因于離開強力噴嘴的流體流的速度廓線(velocity profile)。典型的現(xiàn)有技術(shù)旋流噴嘴顯示范圍從1.0至3.0的AR，而本發(fā)明的改進(jìn)的旋流杯(“HE-MBU”)裝置的早期且有前景的原型具有AR≤1.0。之后發(fā)現(xiàn)深寬比(或截面深度比寬度)沒有最初認(rèn)為的那么關(guān)鍵，并且本發(fā)明的噴嘴的顯著改進(jìn)的性能替代地通過優(yōu)化如上所述的偏置比“OR”(P_W/IRd)而得以優(yōu)化。

形成并維持細(xì)滴噴灑的另一關(guān)鍵部分是旋流或相互作用區(qū)域的出口孔的幾何結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的噴嘴60的出口孔口或孔74結(jié)合出口或排放口幾何結(jié)構(gòu)(如圖8B的放大圖所示)，其被優(yōu)化地構(gòu)造在遠(yuǎn)端壁68中以使流體剪切力損失最小化并使噴灑錐角最大化(例如用于流體產(chǎn)品噴灑152)。幾何結(jié)構(gòu)的特征可以在于具有大致圓形截面且限定在三個軸向?qū)?zhǔn)的特征部中的非圓柱形出口通道140，所述特征部在圖中標(biāo)記為：

(1)近側(cè)會聚入口區(qū)段142，其具有內(nèi)徑(自噴嘴構(gòu)件的內(nèi)壁)逐漸減小的連續(xù)圓化或輻射狀肩部表面；

(2)圓化中心通道區(qū)段144，其在會聚入口區(qū)段142的遠(yuǎn)側(cè)或下游并且限定基本沒有柱形“棱面”的最小出口直徑區(qū)段146(或恒定內(nèi)徑的柱形內(nèi)表面)；和

(3)遠(yuǎn)側(cè)發(fā)散出口區(qū)段148，其在最小出口直徑區(qū)段146的下游具有內(nèi)徑逐漸增大的連續(xù)圓化肩部或向外展開的喇叭狀內(nèi)表面。

進(jìn)入噴嘴構(gòu)件60并流經(jīng)強力噴嘴80和82到相互作用腔室84中的流體120產(chǎn)生旋流型式或漩渦，其如流動箭頭150所指示流入入口區(qū)段142、經(jīng)過最小直徑區(qū)段146并離開出口區(qū)段148到大氣。特征部(1)和(2)降低剪切損失并保持向遠(yuǎn)側(cè)旋流射出的液滴的最大角速度ω。特征部(3)允許形成最小出口直徑下游的噴灑錐的最大擴展并且使向遠(yuǎn)側(cè)射出的噴灑中的液滴的再結(jié)合最小化。噴灑的液滴也被稱為顆粒，用于流體產(chǎn)品噴灑液滴尺寸確定目的。對于許多產(chǎn)品噴灑器應(yīng)用，體積中位數(shù)直徑(“VMD”或“DV50”)和液滴尺寸分布域盡可能小是優(yōu)選的(意味著小而均勻的霧狀液滴是期望的)。特征部(3)的向外展開或發(fā)散形狀通過使針對給定噴灑的旋轉(zhuǎn)或角速度ω的噴灑錐角最大化來防止由于凝集造成的VMD損失。

降低的剪切損失和較大的旋轉(zhuǎn)或角速度ω結(jié)合減少的凝集導(dǎo)致呈現(xiàn)改進(jìn)的霧化的噴灑輸出。對于典型的壓強，噴灑液滴分布的VMD減小(即，具有60μm或更小的液滴直徑)，并且在任意給定壓強下比現(xiàn)有技術(shù)的旋流杯產(chǎn)生更小且更均勻的液滴。圖4至圖9中所示的本發(fā)明的噴嘴60能夠在比普通或現(xiàn)有技術(shù)的旋流杯(例如，如在圖1A至圖2B的現(xiàn)有技術(shù)噴嘴中使用的)低的操作壓強下產(chǎn)生期望的VMD或DV50。

上述噴嘴結(jié)構(gòu)的許多設(shè)計迭代允許申請人評估最有效的設(shè)計參數(shù)，其能夠被用于優(yōu)化角速度ω。如上所述，在發(fā)現(xiàn)上述限定的“偏置比”(強力噴嘴的寬度與相互作用區(qū)域的直徑之比)之后，加強了對觀察到的旋轉(zhuǎn)或角速度ω的增加的理解。如上所述，已經(jīng)測試了具有范圍從0.30至0.50的偏置比的原型，并且觀察到隨著該偏置比接近被發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)值0.37，噴灑的流體霧化效率提高。通過在設(shè)計根據(jù)本發(fā)明的噴嘴構(gòu)造中用偏置比替代上述強力噴嘴深寬比，能夠在僅二維中分析旋流噴嘴幾何結(jié)構(gòu)。以按比例放大樹脂玻璃(Plexiglas)原型和高速攝影機執(zhí)行的粒子追蹤速度測量幫助申請人可視化出口噴灑的旋流流體的速度廓線(未示出)。偏置比限定強力噴嘴相對于相互作用區(qū)域的位置和尺寸，并已發(fā)現(xiàn)是控制流體的速度廓線和使霧化效率最大化的主導(dǎo)變量。經(jīng)過強力噴嘴的最優(yōu)速度廓線保持初始動能并且允許進(jìn)入相互作用區(qū)域的流體的加速度最大，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或角速度ω的最大值。

包括強力噴嘴和相互作用腔室(圖4中的80、82和84)的噴嘴的流體回路的深度“Pd”也影響噴嘴的霧化效率。隨著深度減小，相互作用區(qū)域的體積減小。已觀察到隨著深度增大，需要更多的動能來相對于較淺的旋流腔室產(chǎn)生等值的ω。因此，隨著深度增大，霧化效率降低。這就是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式顯示相互作用腔室的深度d等于Pd，即強力噴嘴的深度(參照圖4)，作為最小深度的原因。試驗數(shù)據(jù)表明在上述邊界層效應(yīng)開始導(dǎo)致霧化效率損失之前回路深度能夠減小至最低0.20mm。

第二設(shè)計迭代包括關(guān)于圖8B描述的出口孔輪廓的設(shè)計。這種改進(jìn)具體涉及注射模制成本和可行性。圖4至圖8B的實施方式中所示的初始開發(fā)工作基于以下設(shè)計結(jié)論，即，垂直于流動150軸線的圓形截面146面積應(yīng)當(dāng)最小，該圓形截面146在上游邊緣具有引入半徑或圓化肩部142且在出口孔74的下游邊緣具有圓化肩部148。在本發(fā)明的另一實施方式中，已發(fā)現(xiàn)僅利用出口孔的上游邊緣上的引入半徑142實現(xiàn)等效的霧化性能。通過移除下游半徑148并留下尖銳邊緣(參照例如圖12中所示的290)，注射模制工具(未示出)的兩個半部的“脫模(shut off)”改變位置，并且明顯變得更健壯。

工具在A和B側(cè)對準(zhǔn)以及工具磨損和所需維護(hù)方面更健壯。在之前的構(gòu)造中，工具的兩個半部之間的任何誤對準(zhǔn)將導(dǎo)致在出口孔的最小截面面積位置(例如146)處的階梯。這可能改變臨界面積，或者甚至更糟，由于壁摩擦而增大流動150中的剪切損失。出口孔輪廓(例如圖8B中可見)的任何瑕疵都可能抵消任何霧化的增加。而且，脫模位置處的模制工具(未示出)的B側(cè)孔銷的直徑以數(shù)量級增大，并且經(jīng)受比用于在先工具的原始0.300mm銷顯著更少的磨損和維護(hù)。雖然已觀察到具有下游半徑的出口孔比沒有下游半徑的出口孔產(chǎn)生更高的霧化效率，但顯著的性能提高要求非常大的錐角＜100°并且對于消費者噴灑應(yīng)用是不實際的。

圖9示出具有安裝在向遠(yuǎn)側(cè)突出的密封柱136(類似于圖2A中所示的標(biāo)準(zhǔn)密封柱36)上且與其同軸密封接合的改進(jìn)的高效率機械打散(“HE-MBU”)旋流杯噴嘴60的噴嘴組件。當(dāng)在使用中時，流體產(chǎn)品120流入噴嘴組件并進(jìn)入圍繞向遠(yuǎn)側(cè)突出的密封柱136限定的環(huán)形腔體，向遠(yuǎn)側(cè)流動并進(jìn)入噴嘴構(gòu)件60的流體速度增大文丘里強力噴嘴或通道80和82。

設(shè)計參數(shù)的第三迭代在圖10至圖12的實施方式中示出，其被開發(fā)用于要求比上述原始噴嘴60的30mLPM至40mLPM@40psi大的流速的應(yīng)用。由于液滴尺寸和流速之間明顯的相關(guān)性，獲得較大的流體流動尤其具挑戰(zhàn)性。隨著流速增大，液滴尺寸增大。本發(fā)明的高流量實施方式的獨特價值在于在不損害霧化性能的情況下能夠獲得原始噴嘴60的流速的接近兩倍。如圖10和圖11至圖12所示，這種新穎的改進(jìn)能通過按比例稍縮小旋流噴嘴幾何結(jié)構(gòu)并隨后將兩個分離的加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)包裝為一個杯形插入件來實現(xiàn)。優(yōu)選的“高流量”實施方式被設(shè)計為利用具有直徑≥2.50mm的密封柱(例如136)起作用，并且圖示的高流量實施方式顯示平均流速≥70mLPM@40psi且平均DV50＝60μm@140psi。

在圖10中的160處示出本發(fā)明的高效率機械打散(“HE-MBU”)噴嘴的第二實施方式，圖10為杯形噴嘴的仰視平面圖，杯形噴嘴具有一對出口孔或孔口162和164并且結(jié)合取向為產(chǎn)生相同旋轉(zhuǎn)的第一HEMBU回路166和第二HEMBU回路168。如第一實施方式中所示，HE-MBU噴嘴組件160構(gòu)造為杯形實體，該杯形實體具有圍繞終止于遠(yuǎn)端壁68的向遠(yuǎn)側(cè)突出的中心軸線64限定的柱形側(cè)壁62，遠(yuǎn)端壁68具有內(nèi)表面70和外表面或遠(yuǎn)側(cè)表面72(圖10中未示出)。在圖示的實施方式中，遠(yuǎn)端壁68具有第一出口通道或出口孔162和第二出口通道或出口孔164，每個出口通道或出口孔在杯的內(nèi)部和外部之間提供流體連通。

在杯構(gòu)件的內(nèi)部，強力噴嘴回路162和第二強力噴嘴回路168限定在遠(yuǎn)側(cè)壁68的大致圓形內(nèi)表面70中，強力噴嘴回路162結(jié)合強力噴嘴腔室170和172，強力噴嘴腔室170和172提供流體連通至并且終止于相互作用或旋流漩渦產(chǎn)生腔室174，而第二強力噴嘴回路168結(jié)合強力噴嘴腔室176和178，強力噴嘴腔室176和178提供流體連通至并且終止于相互作用或旋流漩渦產(chǎn)生腔室180。強力噴嘴166和168均類似于關(guān)于圖4至圖9描述的噴嘴回路，每個強力噴嘴腔室限定終止于強力噴嘴出口或開口的具有選定的恒定深度Pd和變窄的寬度Pw的漸細(xì)通道，強力噴嘴出口或開口在其與其相應(yīng)的相互作用腔室的相交部分處具有選定的強力噴嘴寬度(Pw)。

側(cè)向間隔開的第一加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)166和第二加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)168等距地設(shè)置在噴嘴構(gòu)件的中心軸線64的相對側(cè)上并且大致彼此平行，并且形成在端壁68的內(nèi)表面70中以使其用于加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)166的入口端190、192和用于加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)168的入口端194、196形成在靠近柱形側(cè)壁62的遠(yuǎn)側(cè)壁68的內(nèi)表面70中。加壓入口流體向遠(yuǎn)側(cè)流入杯的內(nèi)部并且沿著側(cè)壁62進(jìn)入入口端，并且沿著每個強力噴嘴向內(nèi)流動以進(jìn)入對應(yīng)的相互作用腔室。如上所述，強力噴嘴結(jié)合連續(xù)的豎向側(cè)壁200和202，豎向側(cè)壁200和202限定漸細(xì)的流體速度增大文丘里強力噴嘴或腔體，這導(dǎo)致流體沿著強力噴嘴流動路徑加速。

如圖10所示，每個相互作用或旋流區(qū)域174和180限定在其對應(yīng)的強力噴嘴之間，作為大致圓形構(gòu)造的腔室，具有柱形側(cè)壁(由側(cè)壁200和202的連續(xù)部分形成)。相互作用區(qū)域等距地在遠(yuǎn)端壁68的向遠(yuǎn)側(cè)突出的中心軸線64的相對側(cè)上且平行于遠(yuǎn)端壁68的向遠(yuǎn)側(cè)突出的中心軸線64，并且與其對應(yīng)的出口通道或出口162和164同軸對準(zhǔn)。注意到，強力噴嘴的軸線相對于其相互作用區(qū)域偏置，以在兩個區(qū)域中在流體中產(chǎn)生順時針旋流運動，如箭頭204和206指示。這種結(jié)構(gòu)在每個相互作用腔室和杯的外部之間提供流體連通，使得噴灑沿著與杯的中心軸線64間隔開但與其平行的兩個平行軸線在類似的漩渦中被引向噴嘴160外。

從左側(cè)出口162流出的噴灑具有由強力噴嘴190和192的幾何結(jié)構(gòu)限定的順時針旋轉(zhuǎn)取向204和旋轉(zhuǎn)速度。從右側(cè)出口164流出的噴灑也具有由強力噴嘴194和196的幾何結(jié)構(gòu)限定的順時針旋轉(zhuǎn)取向206和旋轉(zhuǎn)速度。因此，高效率機械打散(“HE-MBU”)噴嘴構(gòu)件160構(gòu)造為產(chǎn)生沿著間隔開的第一噴灑軸線和第二噴灑軸線指向的第一流體產(chǎn)品噴灑和第二流體產(chǎn)品噴灑，每個噴灑具有旋轉(zhuǎn)取向和旋轉(zhuǎn)速度，由此產(chǎn)生組合的噴灑型式。在圖10所示的實施方式中，高效率機械打散(“HE-MBU”)噴嘴構(gòu)件160產(chǎn)生具有基本相同旋轉(zhuǎn)取向和基本相同旋轉(zhuǎn)速度的向遠(yuǎn)側(cè)射出的流體產(chǎn)品液滴的側(cè)向間隔開的同時噴灑。

圖11和圖12示出本發(fā)明的第三實施方式，其中相反旋轉(zhuǎn)的HE-MBU噴嘴構(gòu)件220也構(gòu)造為如上述實施方式所示的杯形實體，其中類似的特征部以類似的編號標(biāo)示。在該實施方式中，柱形側(cè)壁62圍繞向遠(yuǎn)側(cè)突出的中心軸線64并且終止于具有圓形內(nèi)表面70和外表面或遠(yuǎn)側(cè)表面72的遠(yuǎn)端壁68。在所示實施方式中，遠(yuǎn)端壁68具有第一出口通道或出口孔230和第二出口通道或出口孔232，每個出口通道或出口孔在杯的內(nèi)部和外部之間提供流體連通。

結(jié)合圍繞其對應(yīng)的孔230和232的對應(yīng)的相互作用區(qū)域226和228的第一HE-MBU加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)222和第二HE-MBU加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)224形成在噴嘴220的內(nèi)表面70中。第一或左側(cè)加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)222結(jié)合一對強力噴嘴通道240和242，該對強力噴嘴通道240和242在側(cè)壁62處從擴大區(qū)域244和246向內(nèi)延伸并且向內(nèi)漸細(xì)以與第一或左側(cè)相互作用區(qū)域226的直徑方向?qū)χ脗?cè)結(jié)合。這些通道的軸線248和250相對于相應(yīng)的相互作用區(qū)域226偏置，以在區(qū)域226中產(chǎn)生旋流流體流動；在圖11的圖示實施方式中，每個強力噴嘴流偏置到出口孔230的右側(cè)以產(chǎn)生逆時針流動252。這與第二加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)224形成對比，第二加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)224結(jié)合一對強力噴嘴通道254和256，該對強力噴嘴通道254和256在側(cè)壁62處從擴大區(qū)域258和260向內(nèi)延伸并且向內(nèi)漸細(xì)以與第二相互作用區(qū)域228的直徑方向?qū)χ脗?cè)結(jié)合。這些通道的偏置軸線262和264相對于其相應(yīng)的相互作用區(qū)域228偏置以在區(qū)域228中產(chǎn)生旋流流體流動；在圖示的例子中，每個偏置均向出口孔232的左側(cè)以產(chǎn)生順時針流動266。相對于相應(yīng)的出口孔230和232的相對偏置產(chǎn)生從兩個出口孔的相反旋轉(zhuǎn)流動。

因此，從左側(cè)出口222流出的噴灑具有由強力噴嘴240和242的幾何結(jié)構(gòu)限定的逆時針旋轉(zhuǎn)取向252和旋轉(zhuǎn)速度。從右側(cè)出口232流出的噴灑具有由強力噴嘴264和266的幾何結(jié)構(gòu)限定的相反的順時針旋轉(zhuǎn)取向266和旋轉(zhuǎn)速度。因此，高效率機械打散(“HE-MBU”)噴嘴構(gòu)件220構(gòu)造為產(chǎn)生沿著間隔開的第一發(fā)散噴灑軸線和第二發(fā)散噴灑軸線指向的第一流體產(chǎn)品噴灑和第二流體產(chǎn)品噴灑，每個噴灑具有選定的旋轉(zhuǎn)取向和旋轉(zhuǎn)速度，由此產(chǎn)生結(jié)合的噴灑型式。在圖11和12所示的實施方式中，高效率機械打散(“HE-MBU”)噴嘴構(gòu)件220產(chǎn)生具有相反旋轉(zhuǎn)取向和基本相同旋轉(zhuǎn)速度的向遠(yuǎn)側(cè)射出的流體產(chǎn)品液滴的側(cè)向間隔開的發(fā)散同時噴灑。申請人觀察到對于某些流體產(chǎn)品噴灑應(yīng)用，從具有這種旋轉(zhuǎn)取向相反的輸出噴灑的多出口噴灑裝置(與諸如圖10的結(jié)構(gòu)中的具有相同旋轉(zhuǎn)取向的多出口噴灑裝置相比較)可觀察到稍好的噴灑產(chǎn)生性能。這可能歸因于以下事實，即，在圖11和12的第三且優(yōu)選的構(gòu)造中，兩種產(chǎn)生的流體噴灑或錐形鄰近噴嘴軸線64以面向相同方向(未示出，但對于圖11的實施方式“向上”)的切向速度分量彼此相交，而在圖10所示的實施方式中，第一噴灑或錐形和第二噴灑或錐形在軸線64的區(qū)域中在其相交部分的最接近點處的切向速度彼此相反。據(jù)信這種反向流動在噴灑錐形相交處導(dǎo)致更多能量損失，并且導(dǎo)致下游液滴凝集。

在圖11和12的實施方式中，每個強力噴嘴限定如之前關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)實施方式描述的具有選定的恒定深度但寬度變窄的漸細(xì)通道，每個通道終止于在對應(yīng)的相互作用腔室226和228處具有選定的強力噴嘴寬度(Pw)的強力噴嘴出口或開口。如之前所述的，每個強力噴嘴腔室具有入口區(qū)域244、246和258、260，入口區(qū)域244、246和258、260限定在靠近柱形側(cè)壁62的遠(yuǎn)側(cè)壁68的內(nèi)表面70中。如圖12所示，側(cè)壁62的內(nèi)表面280從接收來自諸如圖1中所示的分配器的流體的噴嘴入口282向內(nèi)漸細(xì)至端壁68的內(nèi)表面70。沿著杯的內(nèi)表面且沿著側(cè)壁282向遠(yuǎn)側(cè)流動的加壓流體進(jìn)入每個強力噴嘴通道的入口，并且沿著通道的漸細(xì)的腔體向內(nèi)加速以進(jìn)入相互作用腔室226和228。

對于圖10、圖11和圖12的多噴灑實施方式，每個相互作用或旋流區(qū)域限定在其相對但偏置的強力噴嘴之間，作為具有平行于杯構(gòu)件的向遠(yuǎn)側(cè)突出的中心軸線64的柱形側(cè)壁的大致圓形截面的腔室，并且每個相互作用或旋流區(qū)域與其對應(yīng)的出口通道或出口孔同軸對準(zhǔn)以在該相互作用腔室與杯的外部之間提供流體連通，使得流體產(chǎn)品噴灑沿著與杯的中心軸線64間隔開但與其平行的軸線引導(dǎo)(未示出噴灑)。如圖11的實施方式所示，加強旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)222和224被圖示為在噴嘴的杯部分的寬度上略散開，使得擴大通道端246和260在側(cè)壁62處在278處結(jié)合。可以對旋流引發(fā)霧產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的定位稍作修改，只要它們不妨礙流體通道的基本功能。

圖12示出噴嘴構(gòu)件220的實施方式，噴嘴構(gòu)件220具有從圖11那樣修改為非平行或發(fā)散的出口孔230和232，如由從噴嘴軸線64發(fā)散的孔軸線280和282所示。發(fā)散出口孔提供噴灑定向特征部，其設(shè)計為減小兩個噴灑錐形相交(未示出)的區(qū)域，以及阻止下游液滴凝集。在測試圖12的HE-MBU噴嘴構(gòu)件220時，發(fā)現(xiàn)噴灑相交區(qū)域成功減小，未觀察到霧化性能的顯著改進(jìn)。這歸因于與增加的喉部長度相關(guān)的摩擦損失。

發(fā)散噴灑HE-MBU噴嘴構(gòu)件220結(jié)合如上所述的相互作用或旋流區(qū)域226和228，相互作用或旋流區(qū)域226和228限定在其對應(yīng)的強力噴嘴之間，作為具有柱形側(cè)壁的大致圓形截面的腔室，柱形側(cè)壁沿著遠(yuǎn)端壁68中的同一向遠(yuǎn)側(cè)突出的中心軸線64對準(zhǔn)，且與對應(yīng)的出口通道或出口孔對準(zhǔn)并圍繞對應(yīng)的出口通道或出口孔，以在該相互作用腔室與杯的外部之間提供流體連通，使得向遠(yuǎn)側(cè)射出的同時流體產(chǎn)品噴灑(未示出)沿著與杯的中心軸線間隔開但不平行于杯的中心軸線的成角度的噴灑軸線引導(dǎo)。

圖12的實施方式結(jié)合上述出口孔輪廓的設(shè)計，其具體涉及較低的注射模制成本和改進(jìn)的可行性。如所述，圖4至圖9的實施方式基于以下結(jié)論，即，垂直于離開噴嘴的流動軸線的圓形截面(圖8A中146)面積應(yīng)當(dāng)最小，如圖8A所示，該圓形截面在上游邊緣具有引入半徑或圓化肩部142且在出口孔74的下游邊緣具有圓化出口肩部148。如圖12所示，出口孔230和232中的每個僅在該孔的上游(內(nèi))邊緣上結(jié)合引入半徑142。通過移除下游半徑148以產(chǎn)生尖銳的下游孔邊緣290(沒有柱形或平坦側(cè)壁區(qū)段)，注射模制工具(未示出)的兩個半部的脫模改變位置，并且明顯變得更健壯。通過圍繞每個出口孔形成諸如292所示的淺的凹陷部能夠產(chǎn)生該尖銳的邊緣。

在較高流量下改進(jìn)的霧化的原理能夠延伸至多旋流幾何結(jié)構(gòu)。在圖10至圖12的示例性實施方式中，存在兩個旋流腔室，但是取決于包裝空間和產(chǎn)品噴灑需求，如果需要的話，用于同時產(chǎn)生多個噴灑的該方法能夠易于延伸至多達(dá)較大數(shù)量的(例如10個)旋流腔室。

已經(jīng)針對產(chǎn)生的顆粒的直徑均一性對本發(fā)明的噴嘴組件的性能進(jìn)行測量，圖13A至圖14B中示出了這種測量的結(jié)果。利用HE-MBU噴嘴220產(chǎn)生的噴灑的測量顯示處產(chǎn)生和維持了霧滴旋轉(zhuǎn)速度非常高且再結(jié)合非常少的噴霧，甚至當(dāng)自噴嘴出口孔(例如230、232)9英寸處測量時亦如此。圖13A至圖14B的曲線圖和表格示出結(jié)合本發(fā)明的改進(jìn)的旋流杯構(gòu)件的噴嘴組件得到的性能提高。本發(fā)明的出口幾何結(jié)構(gòu)腔體(例如圖8A中的74或圖12中的230和232)保留相互作用腔室中形成的小液滴的旋轉(zhuǎn)能量并且還保持小液滴尺寸。為了展示HE-MBU噴嘴的值，進(jìn)行試驗來表征其液滴尺寸分布的特征。選定的噴嘴構(gòu)造為具有相反旋轉(zhuǎn)取向的兩個旋流回路(例如圖11所示的220)。利用壓縮氣體空氣清新劑的現(xiàn)貨包裝罐以140psi的平均初始壓強對10件復(fù)制的原型進(jìn)行CNC加工和測試。利用馬爾文Malvern^TMSpraytec^TM系統(tǒng)記錄這些測量值，該系統(tǒng)使用激光衍射的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法來評估顆粒尺寸分布。自激光軸9英寸(9”)處對噴灑噴嘴220進(jìn)行所有測試，其中向遠(yuǎn)側(cè)射出的噴灑水平取向。圖13和圖14的曲線圖示出這些Spraytec測量的輸出。圖13是所有10個樣品的累積顆粒尺寸分布疊加圖。Y軸為噴灑的百分比，且X軸為對數(shù)尺度上的顆粒尺寸直徑。該曲線圖表明所測量的大部分顆粒呈現(xiàn)范圍從5μm至200μm的直徑。通過確定所繪制曲線的相交部的X位置以及水平漸近線可以推斷體積中位數(shù)直徑(Dv50)@50％。這種估計在圖底部的數(shù)據(jù)表格中被確認(rèn)。在該表格中，總結(jié)了各個原型性能，并且以大約60μm的Dv50平均值居中。

圖14A和圖14B以不同格式示出與圖13A和圖13B相同的數(shù)據(jù)。代替噴灑百分比的累積表示，申請人估計百分比頻率。換句話說，特定顆粒直徑X測量為時間的Y(測量的N/N總顆粒)％。繪制的測量數(shù)據(jù)圖示Dv50(最頻繁測量的顆粒尺寸)代表記錄的所有顆粒尺寸的大約10％。該分布中包含的顆粒尺寸的范圍被稱為“跨度”。為了改進(jìn)噴嘴性能的一致性，減小跨度是期望的。分布的跨度(在該例子中為195μm)越小，頻率分布曲線圖中的峰越尖。

本發(fā)明的噴嘴能夠構(gòu)造為與產(chǎn)品包裝一起使用，產(chǎn)品包裝利用袋上裝閥(BOV)和壓縮氣體方法以產(chǎn)生較高操作壓強(50psi至140psi)而非高成本且環(huán)境不友好型推進(jìn)劑，用于分配包括氣霧劑的多種產(chǎn)品。使用上述噴嘴構(gòu)造的產(chǎn)品包裝容易構(gòu)造用于較高操作壓強，并且能夠可靠地產(chǎn)生包括具有期望的小直徑(例如，60μm至80μm或更小，但大于10μm)的幾乎全部產(chǎn)品液滴的“噴霧”。

已描述了用于產(chǎn)生并射出小霧滴的新且改進(jìn)的噴嘴構(gòu)造和方法的優(yōu)選實施方式，相信本領(lǐng)域技術(shù)人員鑒于這里提及的教導(dǎo)會想到其它修改、變型和改變。因此將理解，所有這些變型、修改和改變都落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。