КЛАПАННЫЙ УЗЕЛ
VALVE ASSEMBLY

Область техники
Настоящее изобретение относится к клапанному узлу, в частности, к клапанному узлу для применения в аэрозольном распылительном устройстве для выпуска жидкого продукта (например, бытового продукта, такого как освежитель воздуха) в виде распыленной струи. В особенности, настоящее изобретение применимо в отношении аэрозольных распылительных устройств, использующих сжатый, а не сжиженный газ-пропеллент.
Уровень техники
В общих чертах, аэрозольные распылительные устройства содержат контейнер для хранения распыляемой жидкости и выходное сопло, связанное с клапанным механизмом, выполненным с возможностью выборочного функционирования для обеспечения возможности выпуска из сопла жидкости в виде распыленной струи посредством пропеллента, содержащегося в контейнере.
Из уровня техники известны «аэрозоли со сжатым газом-пропеллентом» и «аэрозоли со сжиженным газом-пропеллентом». Первые содержат пропеллент, который представляет собой газ при температуре 25°С и давлении по меньшей мере 50 бар (например, воздух, азот или углекислый газ). В аэрозольном распылительном устройстве такой газ не сжижается. При открытии клапанного устройства, сжатый газ «выталкивает» жидкость в распылительном устройстве через упомянутое выше сопло, обеспечивая ее распыление. Фактически, существует два типа «аэрозолей со сжатым газом-пропеллентом». В аэрозолях первого типа в выходное сопло поступает только жидкость из контейнера («выталкиваемая» сжатым газом). В аэрозолях другого, основного типа часть газа-пропеллента из контейнера выделяется в жидкость, подаваемую в сопло, которое распыляет полученный двухфазный поток с большим содержанием пузырьков («пузырьковый» поток) для формирования распыленной струи. По сравнению с первой, последняя схема может обеспечить более мелкодисперсное распыление.
В отличие от этого, в «аэрозолях со сжиженным газом-пропеллентом» используется пропеллент, находящийся (в аэрозольном распылительном устройстве) в газообразной и в жидкой фазах и способен смешиваться с последней. Пропеллент может, например, представлять собой бутан, пропан или их смесь. При выпуске, пропеллент в газовой фазе «продвигает» жидкость в контейнере (в том числе, растворенный пропеллент в жидкой фазе) через сопло.
Известно, что «аэрозоли со сжиженным газом-пропеллентом» способны обеспечивать более мелкодисперсные распыленные струи по сравнению с «аэрозолями со сжатым газом-пропеллентом». Это происходит благодаря тому, что, в первых, большая часть сжиженного газа во время выпуска жидкости из аэрозольного распылительного устройства «мгновенно испаряется», при этом такое быстрое расширение приводит к созданию мелкодисперсной распыленной струи. Обычно такие мелкодисперсные распыленные струи не могут быть обеспечены «аэрозолями со сжатым газом-пропеллентом», ни в одной из двух раскрытых выше основных схем.
Для повышения «степени дисперсности» распыленной струи, создаваемой «аэрозолями со сжатым газом-пропеллентом», было предпринято несколько попыток. Известные технические решения предусматривали возможность «отбора» части сжатого газа (например, азота), присутствующего в контейнере, и его смешивание с жидким продуктом для обеспечения «двухжидкостного распыления», однако, как известно, данный способ используется для создания мелкодисперсных струй в других областях струйной технологии, например, для сжигания жидкого топлива. При этом было обнаружено, что применение двухжидкостного распыления для создания мелкодисперсной распыленной струи в аэрозольных распылительных устройствах является крайне затруднительным, причем наиболее близкий метод заключался в использовании аналога отвода паровой фазы (отводы паровой фазы используются в «аэрозолях со сжиженным газом-пропеллентом») для отбора части газа в клапан. Однако, результаты повышения степени дисперсности распыленной струи оказались не значительными.
В заявках на патент (публикациях) согласно РСТ WO 2011/061531 и WO 2011/128607, содержание которых включено в настоящий документ путем ссылки, раскрыты аэрозольные распылительные устройства для создания мелкодисперсной распыленной струи в случае «аэрозолей со сжатым газом-пропеллентом» (хотя возможно применение также в отношении «аэрозолей со сжиженным газом-пропеллентом»). Устройства, раскрытые в WO 2011/061531 и WO 2011/128607, содержат узел для выпуска распыленной струи, включающий в себя проточный канал для подачи жидкости из контейнера в область устройства для выхода распыленной струи. Проточный канал имеет по меньшей мере одно первое входное отверстие для жидкости из контейнера и по меньшей мере одно второе входное отверстие для газа-пропеллента из головного пространства контейнера. Узел выпуска распыленной струи дополнительно включает в себя клапанное устройство, в котором перемещение клапанного штока из первого во второе предельное положение приводит к открытию первого и второго входных отверстий для обеспечения возможности создания в проточном канале потока с большим количеством пузырьков для его подачи в область выхода распыленной струи. Аэрозольное устройство такого общего типа проиллюстрировано на фиг. 1, где показано известное аэрозольное распылительное устройство 1 в обычном «исходном» или «закрытом» положении.
Устройство 1 содержит находящийся под давлением контейнер 2, поверх которого установлен узел 3 выпуска распыленной струи, который, как схематично показано на чертеже, обжимает верхнюю часть контейнера 2. Внутри контейнера 2 содержится жидкость 5, выдаваемая устройством под действием сжатого газа, например, азота, воздуха или углекислого газа, который имеет ограниченную растворимость в жидкости 5 и находится в головном пространстве 6 контейнера 2. Газ в головном пространстве 6 может, например, иметь начальное давление в диапазоне от 9 до 20 бар в зависимости от типа используемого контейнера. Начальное давление может, например, составлять 9 или 12 бар. Однако, в настоящее время на рынке доступны «стандартные» баллоны с более высоким давлением (но менее часто используемые), для которых начальное давление составляет, например, 18 бар или выше. Такие баллоны могут также быть использованы в настоящем изобретении. Более высокое начальное давление баллона является благоприятным, поскольку в этом случае масса газа, который может способствовать распылению, становится больше, при этом повышаются скорости на выходе из сопла, что также может способствовать распылению, и уменьшается пропорциональная потеря давления в баллоне при опустошении баллона. Это позволяет удерживать качество распыленной струи и расход на высоком уровне в течение срока эксплуатации баллона.
Клапанный узел 3 содержит, в общем, цилиндрический, подвижный в осевом направлении клапанный шток 7, имеющий осевое отверстие 8, проходящее от верхнего конца клапанного штока 7 к его нижнему концу. Своим нижним (проксимальным) концом клапанный шток 7 расположен внутри цилиндрического корпуса 9, находящегося внутри контейнера 2, а у своего верхнего (дистального) конца он оснащен исполнительным механизмом в виде колпачка 10, имеющего область 11 выхода распыленной струи. На выходном конце указанной области 11 предусмотрен! традиционная вставка 13 с узлом механического распыления (УМР). Клапанный узел 3 закреплен вверху контейнера 2 посредством металлического верхнего колпачка 30, который обжимает центральную часть верхнего конца клапанного корпуса 9, а также по внешней периферии обжимает верхний ободок 2а контейнера. Как правило, между верхним ободком 2а и внешней периферией верхнего колпачка 30 закреплена внешняя уплотнительная прокладка (не показана) для обеспечения герметичного уплотнения.
В общих чертах, для срабатывания аэрозольного распылительного устройства 1 нажимают на колпачок 10 для обеспечения движения вниз клапанного штока 7 и перевода его в «открытое» положение, в результате чего происходит выпуск распыленной струи из области 11 выхода распыленной струи. Как показано на чертежах, клапанный шток 7 смещен вверх контейнера 2 посредством спиральной пружины 14. Нижний конец спиральной пружины 14 расположен вокруг отверстия 16 в нижней стенке 17 корпуса 9. От стенки 17 отходит трубчатая втулка 18, имеющая нижний увеличенный конец 19, с которым сопрягается погружная трубка 20, проходящая до основания контейнера 2. Из чертежей понятно, что нижняя область контейнера 2 сообщается с внутренним пространством корпуса 9 через погружную трубку 20, втулку 18 и отверстие 16 (которое обеспечивает впуск жидкости для корпуса 9).
В технических решениях, раскрытых в WO 2011/061531 и WO 2011/128607 и проиллюстрированных на прилагаемой фиг. 1, клапанный узел включает в себя пару уплотнительных прокладок:: первую прокладку 23, предназначенную для герметизации жидкостных входных отверстий 28 относительно штока, и вторую прокладку 21, предназначенную для герметизации газовых входных отверстий 29 относительно штока. Кольцевые прокладки 22 и 23 изготовлены из резины или другого эластомерного материала и имеют соответствующие размеры для прижатия к внешней поверхности клапанного штока 7. В стенке корпуса 9 между двумя прокладками 22 и 23 выполнено множество отверстий 24, обеспечивающих сообщение между газом, находящимся под давлением, в головном пространстве 6 и кольцевым зазором 21а.
Каналы 28 подачи жидкости и входные каналы 29 отбора газа отстоят друг от друга в осевом направлении на таком расстоянии, что в «исходном» состоянии («закрытом» положении) аэрозоля, как показано на фиг. 1, каналы 29 закрыты верхней прокладкой 22, а каналы 28 закрыты нижней прокладкой 23. Поперечные сечения каналов 28 и 29 и осевое расстояние между этими каналами, а также размеры верхней и нижней прокладки 22 и 23 таковы, что при опускании клапанного штока 7 в открытое положение входные каналы 29 отбора газа открываются одновременно с (или более предпочтительно непосредственно перед) каналами 28 подачи жидкости, что приводит к созданию в выходном канале 8 потока с высоким содержанием пузырьков для подачи в область 11 выхода распыленной струи и его выпуска из указанной области в виде мелкодисперсного аэрозоля.
В некоторых технических решениях, раскрытых в WO 2011/061531 и WO 2011/128607 и проиллюстрированных на прилагаемой фиг. 2, предусмотрена только одна прокладка 23, предназначенная для герметизации как жидкостного входного отверстия 72 относительно штока, так и газового входного отверстия 71 относительно штока. При движении клапанного штока 7 из закрытого положения в открытое, входные отверстия 71, 72 штока движутся проксимальнее уплотнительной прокладки 23, и в результате начинают сообщаться по текучей среде, соответственно, с газовым входным отверстием 23 в корпусе 9 и жидкостным входным отверстием 16 в корпусе, тем самым, обеспечивая создание в выходном канале потока с высоким содержанием пузырьков. Другие примеры с одной уплотнительной прокладкой проиллюстрированы и описаны со ссылкой на фиг. 9а - 16 в документе WO 2011/128607, причем один из этих примеров представлен на прилагаемых фиг. 3а - 3с, где одна прокладка 23 по факту выполнены в виде двух смежных частей: тонкой прокладки 112 и кольцевого уплотнения 111, удерживаемых в корпусе посредством опорного кольца 110.
Тонкая прокладка 112 подробно показана на фиг. 3с. Она представляет собой диск, имеющий центральное отверстие 113, размеры которого обеспечивают возможность его тугой посадки вокруг штока 7. Радиальная канавка 123а проходит с одной стороны диска от центрального отверстия к кромке диска, причем указанная канавка соединена с осевым пазом 123b, проходящим через кромку диска. Канавка 123а и паз 123b совместно представляют собой газовое входное отверстие, образующее путь движения газа от головного пространства 6 к входному отверстию 121 отбора газа при опускании клапанного штока, как показано на фиг. 3b. Паз 124 проходит через диск 112 в точке у кромки отверстия 113, диаметрально противоположной канавке 123а. При опускании клапанного штока, паз 124 образует путь движения жидкости между кольцевым зазором 21 и входным отверстием 122 подачи жидкости. Кольцевой зазор 21 сообщается по текучей среде с жидкостным входным отверстием 16 в корпусе через осевой тракт 106 в нижней части клапанного штока 7 и поперечное отверстие 108, расположенное у верхнего конца тракта 106.
На фиг. 3а показан клапанный шток 7 этого известного клапанного узла с единственной прокладкой в закрытом положении, причем клапанный шток 7 выходит из корпуса 9, под действием пружины 14, так что входное отверстие (или отверстия) 121 отбора газа и входное отверстие (или отверстия) 122 подачи жидкости находятся с противоположной (дистальной) стороны уплотнения 23 относительно прокладки 112, или по меньшей мере заблокированы указанным уплотнением.
Преимущество устройства с единственной уплотнительной прокладкой состоит в том, что использовано меньшее количество составных частей и, соответственно, снижены затраты на материалы, изготовление и сборку по сравнению с устройствами, в которых предусмотрено две уплотнительные прокладки. Кроме того, его можно легко изготовить с размерами, соответствующими габаритным размерам традиционных клапанов в аэрозолях со сжиженным газом-пропеллентом. Однако, в таких известных устройствах с единственной уплотнительной прокладкой, существует риск увеличения объема прокладки из-за контакта с содержащейся в распылителе жидкостью 5, по меньшей мере с некоторыми жидкостями. Такое увеличение объема приведет к повышению трения между прокладкой 23 и клапанным штоком 7, что, в свою очередь, может привести к тому, что клапанный шток будет двигаться туго или даже может застрять. Кроме того, для обеспечения сообщения по текучей среде между газовыми и жидкостными входными отверстиями штока и связанными с ними газовыми и жидкостными отверстиями корпуса при движении штока 7 в открытое положение, необходимо наличие таких компонентов, как приливы 7а штока и соответствующие канавки 9а корпуса с фиг. 3b, для предотвращения вращения клапанного штока 7 в корпусе 9 и для обеспечения надлежащей ориентации клапанного штока во время сборки.
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить клапанное устройство с единственной уплотнительной прокладкой, в котором жидкость, содержащаяся в распылительном устройстве, не будет контактировать с указанной прокладкой. Дополнительная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить клапанное устройство с единственной уплотнительной прокладкой, в котором клапанный шток способен вращаться в любое положение и одновременно с этим выполнять заданную функцию.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту в настоящем изобретении предложен клапанный узел для аэрозольного распылительного устройства, содержащий:
корпус с внутренними стенками, определяющими клапанную камеру, причем указанная камера имеет жидкостное входное отверстие для сообщения по текучей среде с жидкостью в аэрозольном распылительном устройстве и газовое входное отверстие для сообщения по текучей среде с газом в аэрозольном распылительном устройстве, и
клапанный шток, имеющий проксимальный и дистальный концы, причем проксимальный конец входит в клапанную камеру, а дистальный конец выступает через уплотненное отверстие в клапанной камере, причем клапанный шток имеет выходной проточный канал с выходным отверстием у дистального конца и, проксимальнее, по меньшей мере одно первое входное отверстие штока для жидкости и по меньшей мере одно второе входное отверстие штока для газа;
причем корпус имеет кромку, выступающую внутрь от внутренних стенок для формирования уплотнения по периметру клапанного штока вдоль по меньшей мере части клапанного штока, причем жидкостное входное отверстие клапанной камеры расположено проксимальнее указанной кромки, а газовое входное отверстие клапанной камеры расположено дистальнее указанной кромки;
причем клапанный шток установлен с возможностью движения между: закрытым положением, в котором по меньшей мере одно первое входное отверстие штока расположено дистальнее указанной кромки, а по меньшей мере одно второе входное отверстие штока расположено дистальнее уплотненного отверстия в клапанной камере, так что по меньшей мере одно первое входное отверстие штока не сообщается по текучей среде с жидкостным входным отверстием клапанной камеры, причем по меньшей мере одно второе входное отверстие штока не сообщается по текучей среде с газовым входным отверстием клапанной камеры; и
открытым положением, в котором по меньшей мере одно первое входное отверстие штока расположено проксимальнее указанной кромки для сообщения по текучей среде с жидкостным входным отверстием клапанной камеры, причем по меньшей мере одно второе входное отверстие штока расположено проксимальнее уплотненного отверстия в клапанной камере и по меньшей мере частично дистальнее указанной кромки для сообщения по текучей среде с газовым входным отверстием клапанной камеры, причем в проточном канале образуется поток с высоким содержанием пузырьков.
Такая компоновка обозначает, что путь движения жидкости отделен от пути движения газа (пока клапан не окажется в открытом положении и жидкость и газ смешаются в выходном проточном канале) не посредством уплотнительной прокладки, а посредством герметичного раздела между кромкой и клапанным штоком. Таким образом, жидкость никогда не контактирует с прокладкой, благодаря чему удается избежать увеличения объема прокладки из-за подобного контакта.
Другое преимущество такой компоновки состоит в том, что отпадает необходимость выравнивания штока в корпусе, при этом клапан будет срабатывать при любой угловой ориентации штока внутри корпуса. В отличие от этого в известных из уровня техники компоновках необходимо выравнивать составные части путей движения текучей среды в штоке относительно соответствующих составных частей в корпусе клапана. Это облегчает процесс изготовления и обеспечивает более универсальный клапан.
Количество составных компонентов также уменьшается по сравнению с аналогичными известными клапанными узлами, в результате чего уменьшается сложность и себестоимость клапана и расходы на его производство.
Указанное по меньшей мере одно второе входное отверстие штока для газа предпочтительно расположено ниже по потоку от указанного по меньшей мере одного первого входного отверстия штока для жидкости.
Клапанный шток, как правило, смещен к закрытому положению.
Клапанный узел дополнительно содержит ограничительный упор для блокировки движения клапанного штока дистальнее, за пределы закрытого положения. Ограничительный упор может содержать заплечик, выступающий радиально от клапанного штока к его проксимальному концу и упирающийся в указанную кромку. Заплечик может содержать тракт, который, в случае нахождения клапанного штока в открытом положении, обеспечивает возможность движения текучей среды из жидкостного входного отверстия клапанной камеры в указанное по меньшей мере одно первое входное отверстие штока, а в случае нахождения клапанного штока в закрытом положении он закрывается за счет прилегания к указанной кромке, предотвращая течение жидкости через указанный тракт. Указанный тракт может иметь по меньшей мере один радиально проходящий канал, сообщающийся по текучей среде у одного своего конца, в центре клапанного штока, с отверстием от дистального конца клапанного штока, а у другого своего конца - с канавкой во внешней поверхности заплечика, проходящей параллельно указанному отверстию и выходному каналу.
По меньшей мере часть клапанного штока, вокруг которой указанная кромка образует уплотнение, предпочтительно имеет постоянное поперечное сечение. Как правило, клапанный шток имеет круглое поперечное сечение.
Корпус может содержать чашевидную часть и покрывающую часть. Жидкостное входное отверстие клапанной камеры может быть выполнено через указанную чашевидную часть, а газовое входное отверстие клапанной камеры может быть выполнено через указанную покрывающую часть.
Газовое входное отверстие клапанной камеры может иметь множество радиальных канавок, заданных между соответствующими радиальными ребрами на верхней поверхности корпуса, совместно с каналом, проходящим через корпус до его внешней поверхности, для сообщения с головным пространством контейнера, на который установлено распылительное устройство.
Уплотненное отверстие, как правило, герметизировано посредством прокладки, которая предпочтительно представляет собой плоскую кольцевую прокладку. Если газовое входное отверстие клапанной камеры содержит множество радиальных канавок, заданных между соответствующими радиальными ребрами на внешней поверхности корпуса, то указанная прокладка предпочтительно также задает верхнюю границу радиальных канавок в корпусе.
В некоторых известных компоновках, необходимо обеспечить наличие отдельного элемента для поддержания прокладки внутри корпуса, например, наличие опорного кольца 110 с фиг. 3а и 3b. В предлагаемой компоновке в этом нет необходимости, при этом верхняя поверхность корпуса имеет двойное назначение, в частности, она обеспечивает опору для прокладки и задает путь (часть пути) движения газа.
Аэрозольное распылительное устройство предпочтительно относится к типу, содержащему контейнер под давлением или выдерживающий давление контейнер, в котором находится жидкость, выбрасываемая из устройства посредством пропеллента, представляющего собой газ при температуре 25°С и под давлением по меньшей мере 50 бар. Это соответствует «аэрозолям со сжатым газом-пропеллентом», например, азоту или углекислому газу, которые не имеют известные недостатки, характерные для аэрозолей со сжиженным газом-пропеллентом, например, для бутана или пропана.
Согласно второму аспекту в настоящем изобретении предложено аэрозольное распылительное устройство, содержащее контейнер под давлением или выдерживающий давление контейнер, в котором находится жидкость, выбрасываемая из устройства посредством газообразного пропеллента, представляющего собой газ при температуре 25°С и под давлением по меньшей мере 50 бар, и узел выпуска распыленной струи, установленный на контейнере, причем указанный узел выпуска распыленной струи содержит:
клапанный узел согласно первому аспекту настоящего изобретения; и
область выхода распыленной струи, имеющую выходное отверстие, через которое происходит выпуск текучей среды из контейнера.
Аэрозольное распылительное устройство может дополнительно содержать исполнительный узел, установленный на клапанный шток и включающий в себя указанную область выхода распыленной струи, причем указанный исполнительный узел дополнительно содержит выходной канал, обеспечивающий сообщение между проточным каналом штока и областью выхода распыленной струи. Выходной проточный канал штока может иметь круглое поперечное сечение, так же как и указанный выходной канал. Проточный и выходной каналы предпочтительно имеют одинаковый диаметр, в диапазоне от 0,5 мм до 1,5 мм. Проточный и выходной каналы могут иметь длину, в 3-50 раз превышающую их диаметр. Выходной канал может быть, по всей своей длине, коллинеарным проточному каналу. В качестве альтернативы, выходной канал может быть образован двумя секциями, в частности, первой секцией, коллинеарной проточному каналу, и второй секцией, расположенной под углом (например, перпендикулярной к ней).
Область выхода распыленной струи содержит сопло, выполненное с возможностью передачи вихревого движения потоку с высоким содержанием пузырьков до его выпуска из устройства. Указанное сопло может представлять собой УМР.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения, в аэрозольном распылительном устройстве содержится материал, выбранный из группы, включающей в себя лекарственный препарат, агрохимический продукт, ароматизирующее вещество, освежитель воздуха, нейтрализатор запаха, средство санитарной обработки, средство для полировки, инсектицид, депиляционное химическое вещество (например, тиогликолят кальция), эпиляционное химическое вещество, косметический агент, дезодорант, антиперспирант, антибактериальные агенты, противоаллергенные компаунды, и смеси двух или более указанных веществ.
Было обнаружено, что настоящее изобретение особенно применимо в случае, когда область выхода распыленной струи содержит сопло, выполненное с возможностью передачи вихревого движения потоку с высоким содержанием пузырьков до его выпуска из устройства. Сопло может представлять собой УМР, дополнительные подробные примеры которого раскрыты далее. Было обнаружено, что благодаря наличию таких узлов удается получить качественное распыление выбрасываемой жидкости и, соответственно, мелкодисперсную струю. Аэрозольные распылительные устройства в соответствии с настоящим изобретением особенно походят для использования в сочетании с множеством товаров широкого потребления, например, с освежителем воздуха, средством для полировки, инсектицидами, дезодорантами и лаками для волос.
Настоящее изобретение, в частности, эффективно для распылительных устройств, в которых область выхода распыленной струи содержит сопло, выполненное с возможностью передачи вихревого движения потоку с высоким содержанием пузырьков до его выпуска из устройства. Сопло может представлять собой традиционный УМР. Таким образом, сопло может содержать выходное отверстие, вихревую камеру, предусмотренную вокруг указанного выходного отверстия, и одно или несколько трактов («вихревых трактов» или «вихревых плеч»), проходящих наружу из вихревой камеры. В такой компоновке проточный канал сообщается (например, посредством выходного канала в исполнительном узле) с внешним концом (или концами) тракта (или трактов) так, что поток с высоким содержанием пузырьков подается в вихревую камеру для выпуска через указанное отверстие.
Выходное отверстие сопла может, например, иметь диаметр от 0,15 до 0,8 мм. Может быть предусмотрено от 1 до 8 вихревых трактов, ширина каждого из которых может составлять от 0,1 мм до 0,5 мм, а глубина - от 0,1 мм до 0,5 мм. Вихревая камера может иметь круглую форму с диаметром от 0,3 мм до 2 мм. Сопло может содержать вставку, имеющую поверхность, расположенную напротив поверхности выступа в области выхода распыленной струи устройства, причем указанное выходное отверстие предусмотрено во вставке, причем указанные поверхности выступа и вставки выполнены с возможностью образования вихревой камеры и указанных трактов.
Такое клапанное устройство согласно первому аспекту настоящего изобретения не ограничен применением в аэрозольных распылительных устройствах, тип которых задан во втором аспекте настоящего изобретения, хотя они особенно подходят для применения в них. Напротив, клапанные устройства согласно первому аспекту настоящего изобретения можно применить в любом подходящем аэрозольном распылительном устройстве.
Согласно первому аспекту в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, нижняя область клапанного штока может быть расположена внутри корпуса, при этом единственное уплотнение может быть установлено на корпусе для относительного зацепления с возможностью скольжения с клапанным штоком.
Краткое описание чертежей
Далее в качестве примера приведено подробное описание настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 схематично показано первое известное аэрозольное распылительное устройство, причем клапанный узел имеет пару уплотнительных прокладок.
На фиг. 2 схематично показано второе известное аэрозольное распылительное
устройство, причем клапанный узел имеет одну уплотнительную прокладку.
На фиг. 3а-3с схематично показано третье известное аэрозольное распылительное устройство, причем альтернативный клапанный узел имеет одну уплотнительную прокладку, выполненную из двух смежных частей.
На фиг. 4а-4b схематично показан клапанный узел согласно настоящему изобретению в закрытом и открытом положении, соответственно.
На фиг. 4с подробно показана часть с фиг. 4b, причем проиллюстрированы относительные положения кольцевой кромки и газового входного отверстия штока.
На фиг. 5а-5b представлены соответствующие виды покрывающей части клапанного корпуса, при этом показаны газовые проточные каналы.
На фиг. 6 в аксонометрии показан шток, образующий часть клапанного узла согласно настоящему изобретению.
На фиг. 7 в поперечном сечении показан шток с фиг. 6.
Осуществление изобретения
Клапанный узел 200 согласно настоящему изобретению показан на фиг. 4а-7. Такой клапанный узел предназначен для встраивания в аэрозольное распылительное устройство 1, тип которого, в целом, раскрыт во вступительной части описания и которое содержит контейнер 2 для хранения жидкости 5, выбрасываемой из устройства посредством находящегося под давлением газа, например, азота, кислорода или углекислого газа, имеющего ограниченную растворимость в жидкости 5 и расположенного в головном пространстве 6 контейнера 2.
Клапанный узел 200 согласно настоящему изобретению заменяет известную из уровня техники комбинацию клапанного штока 7 и корпуса 9, расположенную между погружной трубкой 20 и исполнительным механизмом 10.
Клапанный узел 200 содержит корпус 202 с внутренними стенками, определяющими клапанную камеру 204, и клапанный шток 220. Корпус 202 состоит из двух частей: нижней, чашевидной части 206, и верхней, покрывающей части 208. Как раскрыто выше в отношении известного технического решения, клапанный узел 200 будет обжимать верхушку контейнера, при этом дистальная часть клапанного штока 220 выступает из верхушки контейнера для соединения с исполнительным механизмом.
Чашевидная часть 206 имеет нижнюю стенку 210 с проходящим через нее отверстием 212. От нижней стенки 210 отходит трубчатая втулка 214. Погружная трубка (не показана) соединяется с указанной трубчатой втулкой 214, как правило, посредством увеличенного нижнего конца, как раскрыто выше в отношении известного технического решения, проиллюстрированного на фиг. 1, причем погружная трубка проходит до основания контейнера, в который вставляется клапанный узел 200. Следует принимать во внимание, что нижняя область контейнера, в который вставляется клапанный узел 200, сообщается с клапанной камерой 204 через погружную трубку, трубчатую втулку 214 и отверстие 212 (которое обеспечивает впуск жидкости для клапанной камеры).
Покрывающая часть 208 имеет по существу цилиндрическую внутреннюю стенку 224, от которой, у ее верхнего конца, внутрь выступает кромка 226. Нижний конец 228 покрывающей части имеет узкий внешний диаметр для обеспечения возможности вставки с натягом в чашевидную часть 206. У верхнего конца покрывающей части 208, кольцевой ободок 230, совместно с верхней поверхностью 232, задает полку, на которой расположена кольцевая уплотнительная прокладка 260.
Между соответствующими радиальными ребрами 236 на верхней поверхности 232 задано множество радиальных канавок 234. Внутренние концы 234а канавок 234 открываются в верхние концы клапанной камеры, над кромкой 226. Внешние концы 234b канавок 234 открываются в окружную канавку 238, которая окружает верхнюю поверхность 232 только внутри ободка 230. Нижние и боковые поверхности соответствующих канавок 234, 238 образованы самой чашевидной частью, причем их верхние поверхности образованы нижней поверхностью 262 прокладки 260.
Канал 240 выполнен через покрывающую часть 208, при этом верхний конец открывается в окружную канавку 238 через отверстие 242, а нижний конец выходит из стороны чашевидной части через отверстие 244 в ее внешней поверхности. Следует понимать, что головное пространство контейнера, в который вставляется клапанный узел 200, сообщается с клапанной камерой 204 через канал 240, окружную канавку 238 и радиальные канавки 234 (которые совместно обеспечивают впуск газа для клапанной камеры).
Клапанный шток имеет по существу цилиндрическую форму и содержит внешнюю поверхность 272, причем его диаметр равен внутреннему диаметру кромки 226 так, что кромка 226 образует уплотнение по периметру клапанного штока. Проксимальный конец 274 клапанного штока вставлен в клапанную камеру 204, а дистальный конец 276 выступает через центр 264 кольцевой уплотнительной прокладки 260, размеры которой таковы, что она прилегает к внешней поверхности 272 клапанного штока 220. Нижняя поверхность 262 прокладки 260 задает верхушку клапанной камеры 204.
Клапанный шток 220 имеет выходной проточный канал 280 с выходным отверстием 282 у дистального конца 276 и, проксимальнее, по меньшей мере одно первое входное отверстие 284 штока для жидкости и по меньшей мере одно второе входное отверстие 286 штока для газа. Как показано на чертежах, предусмотрено единственное входное отверстие 284 штока для жидкости и единственное входное отверстие 286 штока для газа, причем они расположены приблизительно в середине клапанного штока, причем газовое входное отверстие 286 расположено немного дистальнее жидкостного входного отверстия 284. Следует понимать, что возможны альтернативные компоновки. Например, может быть предусмотрено несколько жидкостных входных отверстий 284 и/или несколько газовых входных отверстий 286, причем входные отверстия 284, 286 могут быть расположены проксимальнее или дистальнее по сравнению с проиллюстрированными положениями, причем разделительное расстояние в осевом направлении между соответствующими жидкостными и газовыми входными отверстиями может быть больше, чем показано на чертежах.
К проксимальному концу 274 клапанного штока 220, от цилиндрического клапанного штока внутрь выступает увеличенный заплечик 290. Диаметр заплечика 290 по существу равен диаметру клапанной камеры 204. Отверстие 292 проходит по центру, от поверхности 275 проксимального конца клапанного штока 220 до заплечика 290. Внутри заплечика 290, от центра радиально отходят четыре канала 294, где они открываются в отверстие 290 и наружу. У внешних концов, радиальные каналы 294 открываются в соответствующие осевые канавки 296 во внешней поверхности заплечика 290, которые проходят параллельно отверстию 292 и внешнему каналу 280.
Как показано на чертежах, клапанный шток 220 смещен вверх клапанного узла (и, соответственно, аэрозольного устройства) посредством спиральной пружины 222. Нижний конец спиральной пружины 222 расположен вокруг отверстия 212 чашевидной части 206 корпуса 202. В закрытом положении клапана, проиллюстрированном на фиг. 4а, заплечик 290 упирается в кромку 226 под действием силы пружины 222, причем проточный канал, заданный отверстием 292, радиальными каналами 294 и осевыми канавками 296, заблокирован верхушками осевых канавок 296, прилегающих к нижней части кромки 226. Кроме того, жидкостное входное отверстие 284 расположено дистальнее, чем уплотнительная прокладка 260. Соответственно, между жидкостным входным отверстием 212 клапанной камеры и выходным каналом 280 отсутствует сообщение по текучей среде. Также отсутствует сообщение по текучей среде между газовым входным отверстием 234а клапанной камеры и выходным каналом 280, поскольку газовое входное отверстие 286 также расположено дистальнее, чем уплотнительная прокладка 260, которая герметично прилегает к внешней поверхности 272 клапанного штока.
Прилегание заплечика 290 к кромке 226 действует в качестве верхнего ограничительного упора, предотвращающего дальнейшее выдвижение клапанного штока 220 из клапанного корпуса 202.
При движении клапанного штока в открытое положение, как показано на фиг. 4b, жидкостное входное отверстие 284 штока перемещается вниз (то есть, проксимальнее) кромки 226 так, чтобы сообщаться по текучей среде с жидкостным входным отверстием 212 клапанной камеры через проточный канал, заданный отверстием 292, радиальными каналами 294 и осевыми канавками 296 через клапанный заплечик 290. Кроме того, газовое входное отверстие 286 штока движется вниз (то есть, проксимальнее) уплотнительной прокладки 260 в положение у верхнего конца клапанной камеры 204 и сообщается по текучей среде с газовым входным отверстием 234а клапанной камеры. По меньшей мере часть газового входного отверстия 286 штока должна открываться в верхнюю часть клапанной камеры 204 (то есть, часть над кромкой 226). Прилегание нижней поверхности 275 клапанного штока 220 к нижней стенке 210 чашевидной части 206 задает нижний ограничительный упор.
Таким образом, для срабатывания устройства, нажимают на колпачок 10 исполнительного механизма, в результате чего клапанный шток 220 движется вниз против действия пружины 222 из закрытого положения в открытое положение. В результате, жидкостные и газовые входные отверстия 284, 286 штока перемещаются и проходят мимо прокладки 260 и соответствующим образом начинают сообщаться по текучей среде с жидкостью (или порошком) 5 из контейнера 2 и сжатым газом из головного пространства 6.
Сжатый газ может втекать в выходной канал 280 за счет прохождения через отверстие 244 во внешней поверхности покрывающей части 208, канал 240, отверстие 242, окружную канавку 238 и радиальные канавки 284 и через газовое входное отверстие 286 штока.
Теперь жидкость 5 может протекать в верхнюю часть клапанной камеры 204 за счет прохождения вверх вдоль погружной трубки 20, через входное отверстие 212, отверстие 292, радиальные канавки 294 и осевые канавки 296. Жидкость 5, введенная в верхнюю часть клапанной камеры 204, проходит через жидкостное входное отверстие 284 штока в проточный канал 280, где она смешивается со сжатым газом, протекающим через газовое входное отверстие 286 штока. Во внешнем проточном канале 280 формируется поток с высоким содержанием однородных пузырьков с одинаковыми диаметрами и без существенного слипания или расслоения.
Пузырьковый поток может протекать, предпочтительно невозмущенно, через исполнительный механизм 10, например, тип которого раскрыт со ссылкой на фиг. 1, к области 11 выхода распыленной струи. Колпачок 10 исполнительного механизма (например, колпачок, известный под названием «Kosmos» компании «Precision Valve Ltd (UK)») сформован так, что он может быть расположен на верхушке клапанного штока 7, 220 и имеет внутренний L-образный канал, выполненный в виде первой секции 12а, коллинеарной выходному отверстию 8, 280 клапанного штока 7, 220, и второй секции 12b, проходящей под прямым углом к секции 12а и ведущей к области 11 выхода распыленной струи. Возможно также использование и других исполнительных механизмов, причем некоторые различные примерные типы подобных исполнительных механизмов раскрыты в документах WO 2011/061531 и WO 2011/128607. По существу невозмущенный поток с высоким содержанием пузырьков может быть обеспечен за счет выполнения выходного проточного канала 280 и проточного канала через исполнительный механизм так, что в них отсутствуют какие-либо возмущения потока, причем поток с высоким содержанием пузырьков поступает в область выхода распыленной струи, имея по существу ту же самую форму, что и при создании.
Поток с высоким содержанием пузырьков должен иметь скорость, которая обеспечивает по существу короткое время нахождения потока в выходном проточном канале 280 и проточном канале через исполнительный механизм так, что слипание или расслоение пузырьков не происходит. Как правило, скорость должна быть в диапазоне от 0,5 до 5 м/с.
Поток с высоким содержанием пузырьков должен иметь давление в диапазоне от 1 до 20 бар, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения для аэрозолей широкого потребления, - в диапазоне от 4 до 12 бар (указанное давление уменьшается во время откачки газа из баллона).
Отношение объема газа к объему жидкости в потоке с высоким содержанием пузырьков в выходном проточном канале 280 должно составлять от 0,2 до 3,0 при давлении, действующем в данном канале, и более предпочтительно от 0,3 до 1,3.
Предпочтительно, указанные каналы и выходная область (в том числе какие-либо УМР 13, которые могут потребоваться) исполнительного механизма 10 можно выбрать так, чтобы они идеально соответствовали потоку и распылению любого жидкого (или порошкового) продукта, подлежащего выпуску из устройства.
Предпочтительно, как показано на фиг. 4 с, газовое входное отверстие 286 штока перемещается в положение, в котором оно несущественно смещено дистально от кромки 226 - то есть, центральная ось 287 газового входного отверстия 286 штока находится чуть выше центральной линии 227 кромки 226. Это обеспечивает не только возможность входа газа из газового входного отверстия 234а клапанной камеры в газовое входное отверстие 286 штока, но также возможность выхода небольшого количества жидкости из жидкостного входного отверстия 212 клапанной камеры.
Предпочтительно, газовое входное отверстие 286 штока является ступенчатым и имеет внешнюю часть 286а (открывающуюся в поверхность 272 штока), диаметр которой больше диаметра внутренней части 286b (открывающейся в выходной канал 280). В качестве альтернативы, газовое входное отверстие 286 штока может иметь коническое поперечное сечение, сужающееся от внешней части большего размера к внутренней части меньшего размера. Преимущество таких профилей газовых внутренних отверстий состоит в том, что они облегчают процесс изготовления: при формовании клапанного штока, как правило, в пресс-форму для обеспечения соответствующих газовых и жидкостных входных отверстий вставляют штыри. За счет наличия сужающегося или ступенчатого профиля в газовых входных отверстиях, соответствующий штырь может иметь совместимый профиль, то есть, у своего основания он толще и прочнее по сравнению со случаем использования штыря постоянного диаметра (сопоставимого с самым узким диаметром, требуемым для газового входного отверстия). Однако, возможно также использование газовых входных отверстий 286 с постоянным диаметром.
В конструкции клапанного узла 200, необходимо обеспечить, чтобы общая площадь поперечного сечения каналов 240, 238, 234, 286 отбора газа не была чрезмерно большой, чтобы не происходило выделение избыточного газа в выходной канал 280 и, тем самым, не происходил выход находящегося под давлением газообразного пропеллента из контейнера 2 до выпуска всей жидкости 5, содержащейся в контейнере. Как правило, общая площадь поперечного сечения входных каналов отбора газа должна быть равна площади единственного входного отверстия круглого сечения с диаметром от 0,15 до 0,8 мм.
Предпочтительные размеры для конструкции клапанного узла 200 для обеспечения создания потока с высоким содержанием однородных пузырьков с одинаковым диаметром и без слипания или расслоения представлены в приведенной ниже таблице.
Клапанный узел 200 с указанными выше размерами особенно пригоден для использования с продуктами широкого потребления, например, средствами для полировки, инсектицидами, дезодорантами, лаками для волос и освежителями воздуха.
Следует понимать, что конкретные размеры и компоновка различных составных компонентов соответствующих путей движения газа и жидкости приведены лишь в качестве примера, при этом возможны различные альтернативные компоновки. Основной принцип состоит в том, что газовое входное отверстие 234а клапанной камеры расположено дистальнее кромки 226, а жидкостное входное отверстие 212 клапанной камеры расположено проксимальнее кромки 226, при этом газовые и жидкостные входные отверстия штока расположены так, что устанавливается сообщение по текучей среде между жидкостным входным отверстие штока и жидкостным входным отверстием клапанной камеры, а также устанавливается сообщение по текучей среде между газовым входным отверстием штока и газовым входным отверстием клапанной камеры при переводе клапана в открытое положение.
В частности, компоновку проточных каналов 292, 294, 296 через и мимо заплечика 290 штока можно исключить из конструкции, при условии, что жидкостное входное отверстие штока начинает сообщаться по текучей среде с жидкостным входным отверстием клапанной камеры только в открытом положении, причем в закрытом положении путь движения заблокирован кромкой 226.
Кроме того, хотя раскрытый клапанный узел имеет четыре радиальных канала 294 и сопряженных с ними осевых канавок 296, может быть предусмотрено меньше или больше таких канавок. По аналогии, проиллюстрировано четыре радиальных канавки 234, но может быть предусмотрено меньше или больше таких канавок.
Кроме того, хотя в описании раскрыто, что шток 220 имеет по существу цилиндрическую форму, он может иметь другие по существу призматические профили (например, квадратную форму), с соответствующей подгонкой сопрягаемых частей, например, прокладки 260 и кромки 226 и внутренних стенок 224 покрывающей части 208. По аналогии, форма внешней поверхности корпуса 202 не обязательно должна быть круглой в поперечном сечении.
Для заданного размера выходных отверстий зависимость скоростей газа и жидкости от диаметров газовых и жидкостных входных отверстий является сложной, например, предполагается, что уменьшение диаметра жидкостного входного отверстия приводит к снижению давления внутри канала, что, в свою очередь, приводит к увеличению потока газа, входящего в канал. Однако, такой увеличенный поток газа может вызвать блокировку пузырькового потока у вихревых входных отверстий и выходных отверстий УМР, в результате чего происходит уменьшение скорости втекания жидкости по сравнению с ожидаемым значением.
Для сведения к минимуму размеров капли необходимо увеличить до максимума объемное отношение газа к жидкости, при этом уменьшенные выходные отверстия и повышенные давления в емкости также уменьшают размеры капли. Отношение объема газа к объему жидкости в потоке с высоким содержанием пузырьков в проточном канале, как правило, составляет от 0,2 до 3,0 при давлении, действующем в данном канале, и более предпочтительно от 0,3 до 1,3, хотя отношения вплоть до 9,0 также обеспечивают удовлетворительные результаты.
Способ сборки
В известных клапанных узлах, например, раскрытых выше со ссылкой на прилагаемые фиг. 1 и 2, шток 7, как правило, вставляют в корпус 9 сверху (после сбрасывания пружины 14, или после предварительного крепления пружины к основанию клапанного штока), после чего узел 3, совместно с верхним колпачком 30, обжимает контейнер 2, фиксируя на месте уплотнительную прокладку (или прокладки) и закрепляя указанный узел на контейнере 2. Согласно настоящему изобретению из-за наличия кромки 226 и заплечика 290, вставить клапанный шток 220 в корпус 202 сверху уже невозможно. Соответственно, необходимо выполнить модифицированный процесс сборки.
По сути, сборку изначально осуществляют в обратном порядке. Ссылки на верхние и нижние части и т.д., следует рассматривать как указание на эти части в случае их обычной ориентации во время эксплуатации (то есть, верхняя часть расположена ближе к верхушке клапанного узла и к области выхода распыленной струи контейнера, на который его устанавливают, по сравнению с нижней частью).
Таким образом, для сборки клапанного узла 200 согласно настоящему изобретению, в центральной части перевернутого верхнего колпачка 30 располагают прокладку 260, после чего сверху помещают перевернутую покрывающую часть 208 клапана, так что прокладка 260 удерживается на месте между верхним колпачком 30 и полкой на «верхней» поверхности 232. Далее через покрывающую часть 208 в направлении от более узкого «нижнего» конца 228 к верхней поверхности 232 вставляют клапанный шток 220, начиная с его дистального конца 276. Дистальный конец 276 проходит через кромку 226 с натягом до тех пор, пока заплечик 290 не упрется в кромку 226. Затем можно обеспечить скольжение пружины 222 по «нижнему» проксимальному концу 274 клапанного штока. В качестве альтернативы, пружину 222 можно вставить совместно со штоком 220. Далее, на покрывающей части 208 можно с защелкиванием закрепить чашевидную часть 206.
Верхний колпачок 30, корпус 202 и шток 220 в сборе могут быть затем перевернуты (вертикально) для обжатия центральной части верхнего колпачка 30 и закрепления на нем покрывающей части 208, с обеспечением того, что отверстие 244 не блокируется обжатым верхним колпачком 30, а газовый проточный канал практически реализуем. Далее, можно закрепить погружную трубку 20 на втулке 214 в днища чашевидной части 206.
Также возможны альтернативные последовательности выполнения этапов сборки, например чашевидную и покрывающую части 206, 208 клапанного корпуса можно собрать (после вставки штока 207 и пружины 222 в покрывающую часть 208) до размещения на верхнем колпачке 30 с прокладкой 260, или размещения прокладки 260 на верхушке собранных чашевидной и покрывающей частей, перевернутых вертикально, после его верхний колпачок 30 располагают поверх комбинации из пружины и клапанного корпуса до обжатия. Кроме того, этап обжатия и вставки погружной трубки может происходить одновременно со сборкой в перевернутом состоянии.