УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОПЕНЫ
DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING MICRO-FOAM

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения микропены, использующему канал, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие.
Предпосылки и известный уровень техники
Пены представляют собой двухфазные системы, состоящие из непрерывной жидкой или твердой фазы, окружающей отдельные газовые объекты. Непрерывная фаза пены обычно содержит поверхностно-активное вещество или стабилизирующее вещество, которое предотвращает объединение пузырьков и, таким образом, препятствует возврату пузырьков в непрерывную газовую фазу и отделению от пены. Микропены могут быть определены как особый вид пен, в которых пузырьки обычно меньше 100 микрон и имеют низкую полидисперсность (например, стандартное отклонение, составляющее менее 40 микрон).
Известны способы и устройства для получения микропен.
Механическое взбивание основано на использовании механических движущихся деталей для использования механического сдвига с целью уменьшения размера пузырьков, например, в смесителе с большим усилием сдвига. Такие смесители основаны на вращении высокоскоростного лопастного колеса или головки вспенивателя для смешивания разных фаз и других ингредиентов. Скорость вращения головок в таких устройствах обычно превышает 10000 об/мин.
Таким образом, известные способы получения микропен являются довольно дорогостоящими и объемными для производства, а также неудобными в использовании в качестве одноразового предмета, например, как часть потребительской упаковки.
Микропены также можно получать из аэрозольных баллонов, содержащих растворенные или сжиженные газы-пропелленты. Тем не менее, их все чаще считают проблемными как в отношении окружающей среды, так и в отношении здоровья и безопасности.
В документе US 2015/0360853 А1 раскрыт способ получения микропены путем подачи пенообразующей жидкости и сжатого газа по насадочной колонне. Тем не менее, насадочная колонна является неудобной, поскольку она может создавать мертвые зоны, что вызывает проблемы с гигиеной.
Краткое изложение сущности изобретения
Настоящее изобретение использует новаторскую геометрическую форму, содержащую пространственно колеблющийся канал, который, как было обнаружено, создает микропену всего лишь путем введения пенообразующей жидкости и сжатого газа во впускное отверстие. При соответствующих условиях микропена образуется в колеблющемся канале и выходит из выпускного отверстия канала.
В первом аспекте настоящее изобретение относится к устройству для получения микропены, причем устройство содержит канал, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие, источник пенообразующей жидкости и сжатого газа, выполненный с возможностью подачи во впускное отверстие, причем канал состоит из пространственно колеблющегося канала для потока, обеспечивающего колеблющееся направление потока, причем пространственно колеблющийся канал для потока колеблется относительно направления массового потока, при этом пространственно колеблющийся канал для потока образует последовательность плоских поперечных сечений, перпендикулярных направлению потока, с подпоследовательностью плоских поперечных сечений, перпендикулярных направлению массового потока в рассматриваемой плоскости, причем подпоследовательность содержит по меньшей мере одну плоскость, которая не перекрывает по меньшей мере одну другую плоскость в этой подпоследовательности.
Во втором аспекте настоящее изобретение относится к способу получения микропены, причем в способе используют устройство, содержащее канал, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие, причем способ включает подачу газа и пенообразующей жидкости во впускное отверстие канала под давлением, причем канал состоит из пространственно колеблющегося канала для потока, обеспечивающего колеблющееся направление потока, причем пространственно колеблющийся канал для потока колеблется относительно направления массового потока, при этом пространственно колеблющийся канал для потока образует последовательность плоских поперечных сечений, перпендикулярных направлению потока, содержащую подпоследовательность плоских поперечных сечений, перпендикулярных направлению массового потока в рассматриваемой плоскости, причем подпоследовательность содержит по меньшей мере одну плоскость, которая не перекрывает по меньшей мере одну другую плоскость в этой подпоследовательности.
Таким образом, путем использования пространственно колеблющейся геометрической формы и при соответствующем давлении подачи, пенообразующая жидкость и газ образуют микропену. Полагают, что это происходит из-за того, что пространственно колеблющийся канал обеспечивает определенную сдвигающую среду, которая образует микропену благодаря колебаниям.
Для любой заданной микропены необходимо достичь определенного диапазона соотношения газа и жидкости. Этого легко достичь путем изменения исходных давлений и/или сопротивлений каналов для потока газа и жидкости соответственно, используя способы, известные специалистам в данной области техники.
Следовательно, пространственно колеблющийся канал для потока является статичным, но колеблется в пространстве для обеспечения направления потока, которое непрерывно изменяется относительно направления массового потока.
Поскольку в устройстве и способе не предусмотрены движущиеся части, устройство может быть изготовлено сравнительно недорого и по существу в любом масштабе. Это позволяет использовать его в различных вариантах применения: от небольших до промышленных.
В контексте настоящего изобретения две плоскости «не перекрывают друг друга», если нет линии, перпендикулярной одной рассматриваемой плоскости и проходящей через другую плоскость.
Канал имеет направление массового потока, относительно которого совершает колебания пространственно колеблющийся канал для потока. Направление массового потока могло бы считаться общим направлением потока канала, если бы колебания отсутствовали. Таким образом, пространственно колеблющийся канал для потока непрерывно изменяет направление, обычно в одну их сторон направления массового потока, что считается крайне важным для образования микропены. Геометрические формы, которые включают кривизну, но не осуществляют пространственных колебаний относительно направления массового потока, такие как дуги, винтовые линии и спирали, самостоятельно не могут создавать микропены. Причина заключается в том, что они не включают изменение направления относительно направления массового потока.
Пространственно колеблющийся канал для потока может содержать регулярно повторяющуюся структуру, или он может включать случайные элементы или неравномерные размеры, при условии, что он осуществляет колебания относительно направления массового потока.
Поперечное сечение колеблющегося канала для потока может иметь любую геометрическую форму, но обычно имеет правильную форму, такую как прямоугольная, круглая, овальная, ромбовидная или т.п.
Пространственно колеблющийся канал для потока содержит единый канал для потока между впускным отверстием и выпускным отверстием. Это означает, что газ и жидкость, поступающие во впускное отверстие, текут вместе вдоль единого прохода для потока до тех пор, пока они не достигнут выпускного отверстия.
Это означает, что пространственно колеблющийся канал для потока представляет собой единый канал без разветвлений и повторных схождений каналов. Единый колеблющийся канал со впускным отверстием и выпускным отверстием предоставляет преимущества по сравнению с устройствами, которые содержат области соединения. Например, он минимизирует или предотвращает появление мертвых зон.
Тем не менее, этот единый канал для потока может содержать дополнительные впускные отверстия, через которые жидкость и/или газ входят в единый канал для потока. Дополнительно, единый канал для потока может содержать дополнительные выпускные отверстия так, что некоторая часть потока разделяется перед выходом из устройства через одно из выпускных отверстий. Тем не менее, если поток разделяется таким образом, то разделенные текучие среды не сходятся повторно друг с другом ниже по потоку и просто покидают устройство через выход. Таким образом, преимущества единого направленного прохода для потока сохраняются в устройстве, несмотря на возможное наличие более одного впускного отверстия и выпускного отверстия.
Тем не менее, множество единых пространственно колеблющихся каналов для потока могут быть сгруппированы параллельно друг с другом для увеличения пропускной способности, при необходимости.
2
Было обнаружено, что предоставление средней площади поперечного сечения пространственно колеблющегося канала для потока в размере от 0,5 до 5 мм дает хорошие результаты.
Предпочтительно, подпоследовательность содержит по меньшей мере одну плоскость, которая не перекрывает ни одну из двух плоскостей в подпоследовательности рядом с ней.
В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере 10 плоскостей в последовательности, предпочтительно по меньшей мере 20, предпочтительнее по меньшей мере 40, не перекрывают ни одну из двух плоскостей в подпоследовательности рядом с ними. Тем не менее, было обнаружено, что свыше определенного количества наблюдается снижение качества образующейся пены. Следовательно, предпочтительно обеспечено менее 1000 плоскостей, предпочтительно менее 200, предпочтительнее менее 100, в последовательности, которые не перекрывают ни одну из двух плоскостей в подпоследовательности рядом с ними.
Предпочтительно, по существу все плоскости в последовательности не перекрывают ни одну из двух плоскостей в подпоследовательности рядом с ними.
Способ или устройство согласно любому из предыдущих пунктов, характеризующиеся тем, что среднее расстояние между плоскостями в подпоследовательности составляет от 0,5 до 20 мм.
Газ может содержать воздух, азот, углеводород, диоксид углерода, закись азота или фактически любое соединение или смесь соединений в своей парообразной фазе, которые по желанию пользователя могут быть внедрены в пузырьки микропены.
Микропены имеют много характеристик, которые делают их актуальными для широкого диапазона промышленных, коммерческих, бытовых и медицинских применений, которые включают без ограничения: пены на основе мыла, пены для бритья, кремы для кожи, солнцезащитные кремы, кофейные пены типов крема и латте, продукты для ухода за волосами, средства для очистки поверхностей, взбитые сливки, молочные пены (включая мороженое), кулинарные пены, хлебобулочные и кондитерские изделия, тепловую и звуковую изоляцию, строительные материалы, легкую упаковку и материалы для заполнения пространства. Предпочтительная микропена основана на молочных продуктах, например молоке и/или сливках, или синтетических эквивалентах.
Микропены также используются в процессах, где может быть полезна большая площадь поверхности раздела газа и жидкости, например, в процессах разделения жидкости и газа, таких как очистка газов, или в процессах реакции газа и жидкости, таких как происходящие в топливных элементах.
Устройство может быть изготовлено из широкого диапазона материалов, включая пластмассы (например, полипропилен, ПЭТ, полиэтилен, АБС, нейлон, ПЛА, ПВХ, Тефлон™, акриловый полимер, полистирол, ПЭЭК и т.д.), металлы, стекло, сконструированные волоконные матрицы или любой другой материал, которому можно придать подходящую форму посредством формования, фрезерования, печати, литья, механической обработки, спекания, гравировки, вырезания, ковки, выдувки, прессовки, штамповки, обработки пучком электронов, лазерной резки, ламинирования и формирования.
В случаях, когда требуется очень дешевое разовое устройство (или, возможно, устройство одноразового использования), многие виды пластмасс могут быть более подходящими, поскольку они являются дешевыми, могут быть переработаны и подходят для способов изготовления, связанных с большими объемами, таких как литье под давлением. Для других применений может требоваться многоразовое устройство, например, модуль для вспенивания молока в торговом автомате для разлива кофе или технологической линии, изготавливающей вспененный пищевой продукт. В таких случаях металл, керамика или стекло (возможно, поддерживаемое окружающей конструкцией) могут быть более подходящими, поскольку они более устойчивы к химической и механической очистке, тепловой обработке, очистке паром, обработке в автоклаве и интеграции.
Настоящее изобретение может быть использовано в качестве единых геометрических каналов для создания потоков микропены низкого и среднего объема, или несколько вспенивающих блоков могут работать параллельно для получения потоков большего объема, более подходящих для применений в промышленности и производстве.
В одном предпочтительном варианте осуществления устройство содержит емкость под давлением, содержащую открываемое и закрываемое выпускное отверстие, причем емкость содержит пенообразующую жидкость и газ под давлением, устройство выполнено с возможностью подачи пенообразующей жидкости и газа во впускное отверстие пространственно колеблющегося канала, выпускное отверстие которого присоединено к открываемому и закрываемому выпускному отверстию устройства так, что, когда открываемое и закрываемое выпускное отверстие открыто, разница между давлением внутри емкости и давлением в выпускном отверстии является достаточной для принудительного перемещения пенообразующей жидкости и газа во впускное отверстие, тем самым образуя микропену, которая выходит из выпускного отверстия и, в свою очередь, из открываемого и закрываемого выпускного отверстия устройства.
Настоящее изобретение далее будет описано со ссылкой на следующие фигуры, на которых:
На фиг. 1 показано схематическое представление устройства, используемого для получения микропен в примерах.
На фиг. 2 показано изображение микропены, созданной устройством согласно настоящему изобретению.
На фиг. 3 показан вид сверху зигзагообразного устройства, содержащего колеблющийся проход для потока, которое выходит за пределы настоящего изобретения.
На фиг. 4 показан вид сверху устройства, содержащего выемки и колеблющийся проход для потока, которое выходит за пределы настоящего изобретения.
На фиг. 5 показан вид сверху змеевикового устройства, содержащего колеблющийся проход для потока согласно настоящему изобретению.
На фиг. 6 показан вид сверху устройства, содержащего выемки и колеблющийся проход для потока согласно настоящему изобретению.
На фиг. 7 показан вид в перспективе устройства, содержащего колеблющийся проход для потока согласно настоящему изобретению.
На фиг. 8 показан вид сбоку в разрезе приспособления согласно настоящему изобретению для подачи микропены.
На фиг. 9 показан вид сбоку в разрезе варианта приспособления, изображенного на фиг. 8, изображающий только крышку в сборе.
На фиг. 10 показан вид сбоку в разрезе второго приспособления согласно настоящему изобретению для подачи микропены.
Примеры
Рассмотрим фигуры, где на фиг. 1 показана схема экспериментальной установки. Компрессор 12 использовался для подачи сжатого воздуха по трубопроводу 13 с внутренним диаметром 2,5 мм в Т-образный соединитель 14, который подает сжатый воздух в сосуд, содержащий насыщенную поверхностно-активным веществом жидкость 15 (сосуд для жидкости), и сосуд, содержащий только газ 16 (сосуд для газа). Трубопровод (с внутренним диаметром 2,5 мм) соединяет выпускное отверстие обоих сосудов со вторым Т-образным соединителем 17, который в свою очередь соединен (посредством трубопровода с внутренним диаметром 2,5 мм) с приспособлением 18 для получения микропены. Сосуд для жидкости ориентирован таким образом, что трубопровод, соединенный с компрессором, осуществляет подачу в свободное пространство в верхней части сосуда для жидкости, и трубопровод, ведущий к приспособлениям для получения микропены, соединен с сосудом для жидкости ниже уровня жидкости. На фиг. 1 соединитель 17 представляет собой Т-образный соединитель, однако может использоваться Y-образный соединитель или соединитель с другой геометрической формой, обеспечивающий правильное соотношение газа и жидкости, предпочтительно в виде периодичных пакетов, проходящих по каналу для газа и жидкости, ведущему в приспособление для получения микропены.
Каждый из 3 классов геометрических форм, описанных в настоящем документе (зигзагообразный, содержащий выемки и змеевиковый), был напечатан на 3d-принтере из ПЛА и заключен в пластмассовый кожух для сохранения давления. Трубопровод был соединен с кожухом посредством устройства быстрого сопряжения, ведущего к впускному отверстию приспособлений для получения микропены. Игольчатые клапаны 19 были установлены в трубопроводах между выпускными отверстиями сосудов под давлением и впускным отверстием Т-образного соединителя, ведущего в приспособление для получения микропены, так, что расходы жидкости и газа можно регулировать.
Когда компрессор был включен, давление в сосуде для газа и свободном пространстве в верхней части сосуда для жидкости повышалось, вызывая вытекание газа из сосуда для газа и вытекание жидкости из сосуда для жидкости через игольчатые клапаны и во второй Т-образный соединитель, где они объединялись в смесь газа и жидкости, которую нагнетали через приспособления для получения микропены. Игольчатые клапаны были отрегулированы для подачи газа и жидкости в диапазоне разных расходов в приспособления для получения микропены. В тех случаях, когда была получена микропена, соотношения воздуха и газа могут варьироваться для получения микропен с диапазоном соотношений жидкости и газа, создавая продукты с диапазоном текстур от влажных пен, подобных текучей среде, до очень жестких сухих пен. Максимальные величины включения воздуха зафиксированы в следующих примерах.
Было обнаружено, что для получения микропены из пенообразующих текучих сред с вязкостью 1 сП, поверхностные скорости жидкости предпочтительно находились в диапазоне: 500-750 мм/с (большая часть данных лежит в этом диапазоне), далее наиболее предпочтительно в диапазоне 250-1500 мм/с (все данные лежат в этом диапазоне).
Для получения микропен с более высокими значениями вязкости (5-50 сП) поверхностные скорости жидкости предпочтительно находились в диапазоне 500-2000 мм/с (большая часть данных лежит в этом диапазоне), далее наиболее предпочтительно в диапазоне 500-2500 мм/с (все данные лежат в этом диапазоне). Поверхностная скорость жидкости = (объемный расход пенообразующей текучей среды) / (минимальная площадь поперечного сечения в канале для потока).
Вязкости испытанных жидкостей представлены ниже: Жидкость Fairy™ (разведенная в соотношении 1 часть на 10 частей воды): 1 сП, снятое молоко (<0,3% жирности): 5 сП, сливки для взбивания (39,8% жирности): 50 сП.
Каждое вспенивающее устройство испытали с разведенной жидкостью для мытья посуды Fairy™, доступной в Великобритании, которая в основном состоит из лаурилсульфат натрия (1 часть жидкости Fairy™: 10 частей воды) при 25°С. Давление компрессора было установлено на значении 5 бар. В каждом случае объем воздушной фазы, содержащейся в готовой микропене, составлял >95%. Условия и примеры испытаний, где были получены микропены, зафиксированы в таблице 1.
Для выбранного количества геометрических форм примеры повторяли с охлажденным (5°С) снятым молоком (содержание жира ~1%). Изначально давление компрессора было установлено на значении 5 бар, однако примеры повторяли при давлении 8 бар, если микропена не была получена. Результаты показаны в таблице 2.
Для выбранного количества геометрических форм примеры повторяли с охлажденными (4°С) сливками для взбивания (содержание жира - 38%). Изначально давление компрессора было установлено на значении 5 бар, однако примеры повторяли при давлении 8 бар, если микропена не была получена. Результаты показаны в таблице 3.
В случае молочных продуктов (снятое молоко, сливки) была зависимость ухудшающихся свойств микропены от температуры продукта. Оказалось, что при температуре около 7°С пенообразование и устойчивость микропены молока и сливок ухудшаются, что согласуется с другими наблюдениями в литературе на молочную тематику.
В тех случаях, когда были получены микропены, были измерены расход жидкости и объем газовой фазы в микропене. Пример жидкой микропены из разведенной Fairy™, полученной вспенивателем, содержащим выемки, был собран в чашку Петри. Чашку Петри перевернули и сверху осуществили захват изображения с помощью микроскопа (через стекло). Захват изображения осуществили в течение 3 секунд после получения образца. Это изображение, полученное с помощью микроскопа, показано на фиг. 2. Изображения, полученные с помощью микроскопа, преобразовали в распределение размера пузырьков, и обнаружили, что его среднее значение составляет 39,2 микрон, и стандартное отклонение составляет 25,21 микрон.
Из таблицы 1 видно, что вспенивающие устройства, содержащие выемки, а также зигзагообразные и змеевиковые устройства также оказались способными получать микропену из разведенной жидкости Fairy™.
Вспенивающее устройство, содержащее выемки, также оказалось способно создавать очень мелкую и однородную структуру пузырьков (средний размер пузырька - 39,2 микрон со стандартным отклонением 25,21 микрон). Для получения этой статистики всего измерили 354 пузырька.
Из таблиц 2 и 3 видно, что вспенивающие устройства, содержащие выемки, а также зигзагообразные и змеевиковые устройства оказались способными получать микропену из охлажденного снятого молока и сливок для взбивания. В случае вспенивающего устройства, содержащего выемки, максимальное содержание воздуха во взбитых сливках составляло 58%, что близко к максимальному содержанию воздуха, достигаемому механическим взбиванием.
Список испытанных геометрических форм вспенивающего устройства
Большая часть испытания была проведена на вариантах 3 геометрических форм вспенивающего устройства (зигзагообразная, содержащая выемки и змеевиковая). Геометрическая форма вспенивающего устройства, упомянутая в таблицах, была введена для того, чтобы вспенивающие устройства могли быть обозначены точным и недвусмысленным образом.
1) Зигзагообразные вспенивающие устройства: состоят из прямоугольного канала шириной «wz» и глубиной «dz» (измеренной в направлении, перпендикулярном странице). Зигзагообразный канал для потока образован путем введения треугольных призм (с основанием в форме равнобедренного треугольника) в канал для потока, как показано на фиг. 3. Призмы проходят на расстояние «ez» в канал, и расстояние между соседними вершинами обозначено как «sz». Угол между идентичными поверхностями треугольников обозначен как «at» градусов, и общее количество треугольников, содержащееся внутри вспенивающего устройства, обозначено как «nt». Обозначение Z (wz, dz, ez, az, sz, nz) будет указывать на то, что вспенивающее устройство имеет зигзагообразную геометрическую форму с параметрами, указанными выше.
2) Вспенивающие устройства, содержащие выемки: состоят из прямоугольного канала шириной «wn» и глубиной «dn» (измеренной в направлении, перпендикулярном странице). Выемки, расположенные с равным интервалом (прямоугольные призмы) проходят в канал на расстояние «en» от противоположных сторон с чередованием, как изображено ниже на фиг. 4. Ширина выемок обозначена как «bn», и интервал между выемками обозначен как «sn», и общее количество выемок в геометрической форме обозначено как «nn». Эти параметры показаны на фиг. 4. Обозначение N (wn, dn, en, bn, sn, nn) будет указывать на то, что вспенивающее устройство имеет геометрическую форму, содержащую выемки, с параметрами, указанными выше.
3) Змеевиковые вспенивающие устройства: изогнутые каналы для потока были определены как область, ограниченная дугой в «as» градусов между двумя концентрическими цилиндрами с радиусами «ri» и «ro» и высотой «ds». Змеевиковые вспенивающие устройства были созданы путем соединения каналов для потока общим количеством «ns» друг с другом, как показано на фиг. 5. Обозначение S (ro, ri, ds, as, ns) будет указывать на то, что вспенивающее устройство имеет змеевиковую геометрическую форму с параметрами, указанными выше.
Пример зигзагообразной геометрической формы, который не входит в объем настоящего изобретения, показан на фиг. 3, где изображен вид сверху колеблющегося прохода 20 для потока, который имеет переменное прямоугольное поперечное сечение и осуществляет пространственные колебания относительно направления массового потока, указанного стрелкой 22. Следует отметить, что существует подпоследовательность из нескольких плоских поперечных сечений 24, 26, 28, перпендикулярных направлению массового потока. Тем не менее, также следует отметить, что плоскость 26 в подпоследовательности перекрывает плоскости 24 и 28 и, следовательно, выходит за пределы объема настоящего изобретения. Тем не менее, если увеличить параметр ez, то геометрическая форма могла бы входить в объем настоящего изобретения, когда плоскость 26 больше не перекрывает плоскости 24 или 28.
Пример геометрической формы, содержащей выемки, который не входит в объем настоящего изобретения, показан на фиг. 4, где изображен вид сверху колеблющегося прохода 30 для потока, который имеет по существу неизменное прямоугольное поперечное сечение и осуществляет пространственные колебания относительно направления массового потока, указанного стрелкой 32. Следует отметить, что существует подпоследовательность из нескольких плоских поперечных сечений 34, 36, 38, перпендикулярных направлению массового потока. Тем не менее, также следует отметить, что плоскость 36 в подпоследовательности перекрывает плоскости 34 и 38 и, следовательно, выходит за пределы объема настоящего изобретения. Тем не менее, если увеличить параметр en таким образом, чтобы он превышал wn/2, то геометрическая форма могла бы входить в объем настоящего изобретения, когда плоскость 36 больше не перекрывает плоскости 34 или 38.
Пример змеевиковой геометрической формы, который входит в объем настоящего изобретения, показан на фиг. 5, где изображен вид сверху колеблющегося прохода 40 для потока, который имеет по существу неизменное прямоугольное поперечное сечение и осуществляет пространственные колебания относительно направления массового потока, указанного стрелкой 42. Следует отметить, что существует подпоследовательность из нескольких плоских поперечных сечений 44, 46, 48, перпендикулярных направлению массового потока. Также следует отметить, что плоскость 46 в подпоследовательности не перекрывает плоскости 44 и 48 и, следовательно, входит в объем настоящего изобретения.
Пример геометрической формы, содержащей выемки, который входит в объем настоящего изобретения, показан на фиг. 6, где изображен вид сверху колеблющегося прохода 50 для потока, который имеет прямоугольное поперечное сечение и осуществляет пространственные колебания относительно направления массового потока, указанного стрелкой 52. Следует отметить, что существует подпоследовательность из нескольких плоских поперечных сечений 54, 56, 58, перпендикулярных направлению массового потока. Также следует отметить, что плоскость 56 в подпоследовательности не перекрывает плоскости 54 и 58 и, следовательно, входит в объем настоящего изобретения.
Пример геометрической формы, осуществляющей пространственные колебания в двух измерениях, изображен на фиг. 7, где показан колеблющийся проход 60 для потока, который имеет по существу неизменное прямоугольное поперечное сечение и осуществляет пространственные колебания относительно направления массового потока, указанного стрелкой 62. Следует отметить, что существует подпоследовательность из нескольких плоских поперечных сечений 64, 66, 68, перпендикулярных направлению массового потока. Также следует отметить, что плоскость 66 в подпоследовательности не перекрывает плоскости 64 и 68 и, следовательно, входит в объем настоящего изобретения.
На фиг. 8 и 10 изображены два разных варианта осуществления приспособления для получения микропены, содержащие емкость под давлением. Эти приспособления являются перезаряжаемыми, повторно заполняемыми аэрозольными баллонами, хотя они могут быть одноразовыми и могут содержать любой газ, как описано в настоящем документе.
Первый вариант осуществления перезаряжаемого, повторно заполняемого аэрозольного устройства на фиг. 8 содержит удерживающий сосуд 104 для размещения пенообразующей текучей среды 101, свободное пространство, заполненное сжатым газом 102, и секцию 105 для образования микропены с газопроводом 108. Дополнительно, имеется навинчивающаяся крышка в сборе 112, 113 с уплотнением 111, включающая в себя отверстие 115 для подачи сжатого газа с обратным клапаном 116, и клапан и пружина в сборе 117, 118, приводимые в действие вручную, и сопло 119 для регулировки и распределения микропены.
Аэрозольное устройство изначально заполнено пенообразующей текучей средой при атмосферном давлении 103. Крышку в сборе 112 затем применяют к удерживающему сосуду 104, герметизируя содержимое сосуда от внешней атмосферы с помощью винтовых резьб 113 с взаимной блокировкой, сжимаемого уплотнения 111 и закрытых клапанов 116, 118 внутри проходов 115, 121 для потока в крышке. Давление в свободном пространстве в верхней части приспособления 102 повышено до желаемого уровня путем присоединения высоконапорного газового соединителя 114 к внешнему подающему источнику желаемого газа. Подающие источники газа могут быть представлены воздушными насосами, газовыми компрессорами, напорными баками со сжатым газом, баллонами со сжатым газом и небольшими колбами со сжатым газом. Подаваемый газ проходит сквозь обратный клапан, который пропускает газ внутрь, но не выпускает его из приспособления 116. Поток газа затем проходит в удерживающий сосуд 104 через область 156 соединения каналов для подаваемого газа и микропены и затем через канал 106 для потока внутри приспособления 105 для образования микропены. Использование канала 121 для микропены и пространственно колеблющегося канала для потока секции 106 для образования пены в качестве общего трубопровода для подаваемого газа обладает преимуществом, которое заключается в том, что поток сжатого газа прочищает противотоком каналы от засоров в виде высохших или наросших материалов от пенообразующей текучей среды или загрязнения. Когда в удерживающем сосуде 104 получено желаемое давление газа, внешний источник газа можно отсоединить от высоконапорного газового соединителя 114. Микропены из пенообразующей жидкости 101 в таком случае получают, открывая клапан 117, приводимый в действие вручную. Клапан 117 и его возвратная пружина 118 могут быть приведены в действие несколькими способами, известными в данной области техники, такими как рычаги, пусковые устройства и кнопки (не изображены). Также, положение возвратной пружины 118 относительно клапана 117 может изменяться в зависимости от выбора конструкции для приведения в действие вручную. Открывание клапана 117 позволяет сбрасывать давление системы, находящейся под давлением, внутри удерживающего сосуда 104. Сброс давления приводит к тому, что пенообразующая текучая среда 101 течет во впускное отверстие 107 для текучей среды в приспособлении для получения пены, и сжатый газ течет во впускное отверстие 110 газопровода 108, расположенное внутри свободного пространства для газа над уровнем пенообразующей текучей среды. Потоки сжатого газа в газопроводе 108 и пенообразующей жидкости из впускного отверстия 107 встречаются в области 109 соединения газа и жидкости, где газ вводится в поток жидкости. Микропена образуется, когда поток двухфазной текучей среды проходит через колеблющийся канал 106 в приспособлении 105 для образования микропены. Затем микропена вытекает из приспособления 105 для образования микропены через канал 122 для потока микропены и открытый клапан 117. Наконец, микропена выходит из приспособления 120 через сопло 119. Образование микропены прекращается, когда ручной исполнительный механизм (рычаг, пусковое устройство или кнопка) отпускают, и возвратная пружина 118 клапана перекрывает клапан 117, уравнивая давление в системе внутри приспособления.
Это аэрозольное устройство может быть повторно заряжено газом в любое время при эксплуатации путем присоединения герметизированного приспособления к внешнему подающему источнику газа посредством высоконапорного газового соединителя 114. Для повторного заполнения аэрозольного устройства пенообразующей текучей средой остаточное давление газа сбрасывают путем ручного приведения в действие клапана 117. Когда давление в аэрозольном баллоне уравнялось с атмосферным давлением 103, ручной исполнительный механизм отпускают, перекрывая клапан 117, и затем крышку можно безопасно снять для повторного заполнения приспособления пенообразующей текучей средой.
Разновидность варианта осуществления перезаряжаемого, повторно заполняемого аэрозольного устройства, изображенного на фиг. 8, можно увидеть на фиг. 9. На фиг. 9 показана только резьбовая крышка в сборе 124, 125 всего приспособления. В этом варианте поток подаваемого газа из отверстия 127 для подачи сжатого газа проходит через обратный клапан 128 и затем через выпускное отверстие 133 для подаваемого газа непосредственно в свободное пространство 102 для сжатого газа через отдельное отверстие в уплотнении 123, не соединенное с каналом 134 для потока микропены, через область 156 соединения каналов для подаваемого газа и микропены. Все другие аспекты крышки в сборе 125; быстроразъемный высоконапорный газовый соединитель 126, приводимые в действие вручную клапан и возвратная пружина 130, 129, сопло 131, секция 122 для образования микропены с газопроводом (не изображены) и выходной поток 132 являются такими, как описано применительно к фиг. 8. Такой вариант может быть преимущественным для систем, где нежелательно, чтобы пенообразующая текучая среда подвергалась предварительному сдвигу и газификации перед образованием микропены.
Второй вариант осуществления перезаряжаемого, повторно заполняемого аэрозольного устройства для получения и распределения микропен изображен на фиг. 10. Этот вариант осуществления содержит удерживающий сосуд 137 для размещения пенообразующей текучей среды 134, свободное пространство, заполненное сжатым газом 135, и погружную трубку 154 с газопроводом 141. Дополнительно, имеется навинчивающаяся крышка в сборе 145, 146 с уплотнением 144, включающая в себя отверстие 148 для подачи сжатого газа с обратным клапаном 149, клапаном и пружиной в сборе 150, 151, приводимыми в действие вручную, и соплом 152, вмещающим секцию 138 для образования микропены. Секция 138 для образования микропены может быть выполнена в виде единого целого с соплом, но также может быть отсоединяемой для того, чтобы позволить осуществлять чистку, замену или замещение секциями для образования микропены другой конструкции. Аэрозольное приспособление изначально заполнено пенообразующей текучей средой при атмосферном давлении 136. Крышку в сборе 145 затем применяют к удерживающему сосуду 137, герметизируя содержимое сосуда от внешней атмосферы с помощью винтовых резьб 146, сжимаемого уплотнения 144 и закрытых клапанов 149, 150 внутри проходов для потока в крышке 148, 145. Давление в свободном пространстве в верхней части приспособления 135 повышено до желаемого уровня путем присоединения высоконапорного газового соединителя 147 к внешнему подающему источнику желаемого газа. Как и в первом варианте осуществления аэрозольного устройства, подающие источники газа могут быть представлены воздушными насосами, газовыми компрессорами, напорными баками со сжатым газом, баллонами со сжатым газом и небольшими колбами со сжатым газом. Подаваемый газ проходит через обратный клапан 149 и в удерживающий сосуд 137 через область 155 соединения канала для подаваемого газа и погружной трубки, и затем через погружную трубку 154 и газопровод 141 и выходит через впускное отверстие 140 погружной трубки и впускное отверстие 143 газопровода. Когда в удерживающем сосуде 137 получено желаемое давление газа, внешний источник газа можно отсоединить от высоконапорного газового соединителя 147. Микропены из пенообразующей жидкости 134 в таком случае получают, открывая клапан 150, приводимый в действие вручную. Клапан 150 и его возвратная пружина 151 могут быть приведены в действие несколькими способами, известными в данной области техники, такими как рычаги, пусковые устройства и кнопки (не изображены). Также, положение возвратной пружины 151 относительно клапана 150 может изменяться в зависимости от выбора конструкции для приведения в действие вручную. Открывание клапана 150 позволяет сбрасывать давление системы, находящейся под давлением, внутри удерживающего сосуда 137. Сброс давления приводит к тому, что пенообразующая текучая среда 134 течет во впускное отверстие 140 погружной трубки, и сжатый газ течет во впускное отверстие 143 газопровода 141, расположенное внутри свободного пространства для газа над уровнем пенообразующей текучей среды. Потоки сжатого газа в газопроводе 141 и впускном отверстии 140 погружной трубки встречаются в области 142 соединения газа и жидкости, где газ вводится в поток жидкости. Поток двухфазной текучей среды проходит через погружную трубку 154 и открытый клапан 150, затем входит в колеблющийся проход 139 для потока в секции 138 для образования микропены, расположенной в сопле 152 крышки в сборе 145. Наконец, полученная микропена течет из конца секции 153 для образования микропены и распределяется для использования. Образование микропены прекращается, когда ручной исполнительный механизм (рычаг, пусковое устройство или кнопка) отпускают, и возвратная пружина 151 клапана перекрывает клапан 150, уравнивая давление в системе внутри приспособления.
Перезаряжаемое, повторно заполняемое аэрозольное устройство, изображенное на фиг. 10, может быть повторно заряжено газом в любое время при эксплуатации путем присоединения герметизированного приспособления к внешнему подающему источнику газа посредством высоконапорного газового соединителя 147. Для повторного заполнения аэрозольного устройства пенообразующей текучей средой остаточное давление газа сбрасывают путем ручного приведения в действие клапана 150. Когда давление в аэрозольном баллоне уравнялось с атмосферным давлением 136, ручной исполнительный механизм отпускают, перекрывая клапан 150, и затем крышку можно безопасно снять для повторного заполнения приспособления пенообразующей текучей средой.
Вариант аэрозольного устройства, изображенный на фиг. 10, может быть выполнен в соответствии с изменениями траектории потока подаваемого газа, описанными на фиг. 9. В случае этого второго варианта осуществления (фиг. 10) поток подаваемого газа от быстроразъемного, высоконапорного газового соединителя 147 будет поступать непосредственно в свободное пространство 135 под давлением через выделенное выпускное отверстие для подаваемого газа и не будет течь сквозь погружную трубку 154 через область 155 соединения канала для подаваемого газа и погружной трубки. Как и ранее, эта конструкция является преимущественной для систем, где нежелательно, чтобы пенообразующая текучая среда подвергалась предварительному сдвигу и газификации перед образованием микропены.
В качестве альтернативы, варианты осуществления аэрозольного устройства, изображенные на фиг. 8 и 10, могут быть заполнены пенообразующей текучей средой через сопло с клапаном, приводимым в действие вручную, в открытом положении, устраняя потребность в снятии и возвращении на место крышки в сборе.
Хотя это не изображено, на фиг. 8, 9 и 10 клапан сброса давления может быть встроен в удерживающий сосуд, изображенный на фиг. 8 со ссылкой 104, фиг. 10 со ссылкой 137, или крышку в сборе, изображенную на фиг. 8 со ссылкой 112, фиг. 9 со ссылкой 125 и фиг. 10 со ссылкой 145, для предотвращения чрезмерного повышения давления и может дополнительно использоваться для сброса избыточного давления из системы перед повторным заполнением пенообразующей текучей средой.
Дальнейший вариант осуществления настоящего изобретения представляет собой аэрозольное устройство, не предусматривающее повторное заполнение и повторную зарядку. В этом случае секции для образования пены, изображенные на фиг. 8 со ссылкой 105 и фиг. 10 со ссылкой 138, будут занимать подобные соответствующие положения в аэрозольном устройстве, герметизированном путем обжима крышки, с единственным клапаном в сборе, приводимым в действие вручную. Такие аэрозольные устройства могут быть заполнены пенообразующей текучей средой перед применением крышки в сборе, герметизированной путем обжима, или через клапан, приводимый в действие вручную, после применения крышки в сборе, герметизированной путем обжима. Повышенное давлением в аэрозольных устройствах будет создаваться путем заполнения подаваемым сжатым газом через клапан в сборе, приводимый в действие вручную.
В качестве альтернативы, конструкция, изображенная на фиг. 10, может содержать мягкий резервуар, содержащий погружную трубку 154, газопровод 141 и пенообразующую жидкость 134. Вспенивающее устройство по-прежнему будет интегрировано в сопло, как показано на фиг. 10.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения представляет собой функциональную упаковку для пенообразующей текучей среды для использования в приспособлении для распределения пены с длительным или ограниченным сроком использования. Эта функциональная упаковка является одноразовой и предпочтительнее - перерабатываемой. Пример такой функциональной упаковки изображен на фиг. 11. Упаковка содержит уплотнение и вспенивающее устройство в сборе 156, имеющие погружную трубку 157 с единым непрерывным проходом для потока, образованным впускным отверстием 158 для жидкости, колеблющимся проходом 159 для потока и выпускным отверстием 160 для микропены. Сборка имеет присоединенный газопровод 161 с впускным отверстием 162 для газа, который пересекает впускной проход 163 для потока так, чтобы образовывать область 164 соединения для смешивания газа и жидкости. Газопровод 161 может быть присоединен к погружной трубке 157, как изображено, но также может быть интегрирован в погружную трубку 157 для формирования единой компактной конструкции (не изображена). Уплотнение и вспенивающее устройство в сборе 156 также имеют уплотнительный фланец 165, способный образовывать герметичное уплотнение с приспособлением для распределения пены с длительным или ограниченным сроком использования, как показано на фиг. 12. Контейнер 166 для жидкости прикреплен к уплотнению и вспенивающему устройству в сборе 156. Контейнер 166 для жидкости прикреплен таким образом, чтобы формировать полное уплотнение с уплотнением и вспенивающим устройством в сборе 156, и функционирует в качестве защищенной от протечек емкости для жидкости. Контейнер 166 для жидкости может быть жестким и изготовленным из любого подходящего материала, но также может представлять собой эластичный мешок, предпочтительно изготовленный из многослойных пластмасс или слоистых металлопластиков. Контейнер 166 для жидкости содержит пенообразующую текучую среду 167 и заключает в себе погружную трубку 157 уплотнения и вспенивающего устройства в сборе 156 и газопровод 161. Пенообразующая текучая среда 167 может быть введена в контейнер 166 для жидкости по выпускному отверстию 160 для микропены через проем, такой как шов в контейнере для жидкости, который герметизируют после заполнения, или через отверстие или клапан, интегрированные в стенку контейнера для жидкости (не изображено). Пенообразующая текучая среда 167 будет заполнять контейнер 166 для жидкости таким образом, что в свободном пространстве 162 не будет газа, либо в свободном пространстве 162 будет находиться желаемый газ или смесь газов при атмосферном или более низком давлении. Упаковка также может иметь съемное или хрупкое уплотнение (не изображено), примененное к выпускному отверстию 160 для микропены с целью предотвращения утечек, защиты пенообразующей текучей среды от загрязнения и сохранения желаемого состояния свободного пространства. Если контейнер 166 для жидкости образован из эластичного мешка, его можно свернуть или сложить таким образом, чтобы уменьшить пространство для хранения и облегчить введение в приспособление для распределения пены с длительным сроком использования, как изображено на фиг. 12. На сложенный или свернутый контейнер для жидкости может быть дополнительно надето съемное или хрупкое покрытие, изготовленное из пластмассы, металлической фольги, бумаги, картона или другого подходящего материала для устойчивости и более легкого введения в приспособление для распределения пены.
Иллюстративный вариант осуществления функциональной упаковки, изображенный на фиг. 11, спроектирован для использования в приспособлении для распределения пены с длительным сроком использования, изображенном на фиг. 12. Перед использованием, любые съемные уплотнения или вспомогательные упаковки можно удалить с функциональной упаковки 168, которую затем вставляют в удерживающий сосуд 169 приспособления для получения пены. Удерживающий сосуд может иметь кольцевое уплотнение или прокладку 170 на границе с уплотнительным фланцем функциональной упаковки 171 для образования герметичного уплотнения. В качестве альтернативы, уплотнительный фланец 171 функциональной упаковки 168 может содержать собственное кольцевое уплотнение или прокладку или может быть изготовлен из податливого материала, подходящего для образования герметичного уплотнения при сжатии. Крышка в сборе 172 прикреплена к удерживающему сосуду 169 с помощью винтовой резьбы 173 или другого подходящего механизма, герметизируя проходы для потока в приспособлении от внешней атмосферы. Крышка в сборе включает в себя отверстие 174 для подачи сжатого газа с обратным клапаном 175, клапан и пружину в сборе 176, 177, приводимые в действие вручную, и распределительное сопло 178. Приспособление заряжают до желаемого давления требуемым газом или смесью газов через отверстие 174 для подачи сжатого газа. Источник сжатого газа может быть представлен воздушными насосами, газовыми компрессорами, баллонами со сжатым газом и небольшими колбами со сжатым газом. При зарядке приспособления для распределения пены подаваемый газ проходит сквозь колеблющийся проход 179 для потока в погружной трубке 180 функциональной упаковки и выходит в контейнер 181 для жидкости через впускное отверстие 182 для жидкости и впускное отверстие для газа в газопроводе 183. Контейнер 181 для жидкости, если он представляет собой эластичный мешок, имеет объем в надутом состоянии, равный или превышающий объем удерживающего сосуда приспособления 169. Если контейнер 181 для жидкости является жестким, он может иметь объем, позволяющий максимальное вмещение в удерживающем сосуде, или иметь способность сохранять повышенное давление, если объем меньше объема удерживающего сосуда. Когда в свободном пространстве 189 функциональной упаковки 168 получено желаемое давление газа, внешний источник газа можно отсоединить от высоконапорного отверстия 174 для подачи газа.
Микропены из пенообразующей текучей среды 184 в таком случае получают, открывая клапан 176, приводимый в действие вручную. Клапан 176 и его возвратная пружина 177 могут быть приведены в действие несколькими способами, известными в данной области техники, такими как рычаги, пусковые устройства и кнопки (не изображены). Также, положение возвратной пружины 177 относительно клапана 176 может изменяться в зависимости от выбора конструкции для приведения в действие вручную. Открывание клапана 176 позволяет сбрасывать давление контейнера 181 для жидкости, находящегося под давлением, внутри удерживающего сосуда 169. Сброс давления приводит к тому, что пенообразующая текучая среда 184 течет в погружную трубку 180 через впускное отверстие 182 для текучей среды, и сжатый газ течет во впускное отверстие 183 газопровода 185, расположенное внутри свободного пространства с газом над уровнем пенообразующей текучей среды. Потоки сжатого газа в газопроводе 185 и впускном отверстии 182 погружной трубки встречаются в области 186 соединения газа и жидкости, где газ вводится в поток жидкости. Поток двухфазной текучей среды проходит через колеблющийся канал 178 в погружной трубке 179, где он преобразуется в микропену. Затем микропена вытекает из функциональной упаковки 168 через канал для потока 187 микропены в крышке и открытый клапан 176. Наконец, микропена выходит из приспособления 188 через сопло 178. Образование микропены прекращается, когда ручной исполнительный механизм (рычаг, пусковое устройство или кнопка) отпускают, и возвратная пружина 177 перекрывает клапан 176, уравнивая давление в системе внутри приспособления.
Это приспособление может быть повторно заряжено газом в любое время при эксплуатации путем присоединения герметизированного приспособления к внешнему подающему источнику газа посредством высоконапорного газового соединителя 174. Когда пенообразующая текучая среда 184 внутри функциональной упаковки 168 израсходована, остаточное давление газа сбрасывают путем ручного приведения в действие клапана 176. Когда давление в приспособлении уравнялось с атмосферным давлением, ручной исполнительный механизм отпускают, перекрывая клапан 176, и затем крышку можно безопасно снять. Функциональную упаковку 168 затем извлекают из удерживающего сосуда 169 и выбрасывают или перерабатывают. Новую функциональную упаковку 168 вставляют в удерживающий сосуд, и процесс повторяют.