CN101306332A - 用于分配气体和流体材料的混合物的设备和方法 - Google Patents

Abstract

用于产生和分配含有加压气体和流体材料的混合物的设备和方法。所述设备包括具有混合腔室和位于该混合腔室内的混合器的混合装置。与所述混合装置联接的气体注入装置将加压气体注入混合腔室中的流体材料中。所述混合器操作以将加压气体与流体材料相结合，从而形成混合物，该混合物随后从与所述混合装置联接的分配器被分配出去。

Description

用于分配气体和流体材料的混合物的设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年2月16日提交的美国临时申请No.60/890,377的优先权，该申请通过引用而被整体结合于此。

技术领域

本发明总体涉及分配设备和方法，并且更具体地涉及用于形成和分配气体和流体材料的混合物的设备和方法。

背景技术

流体介质和材料、例如聚合物材料，如热塑性热熔粘结剂、聚合物涂层、颜料以及其它热塑性材料和/或热固材料可以在进行分配之前发泡。为此，传统的分配系统可以将气体、例如氮气、二氧化碳或者工厂用压缩空气引入带有加压流体材料的溶液中。大量可压缩的气体被夹带于不可压缩的流体材料中。当流体材料被分配时，所夹带的大量气体迅速膨胀，并且陷于流体材料内，从而产生发泡流体材料。这些陷入的单元包括遍布流体材料中分布的小气泡。

可在发泡状态下被分配的一种流体材料是熔融热熔粘结剂。气泡的一个效果是用作小绝缘体，它延长了用于产品定位的发泡热熔粘结剂的开放时间。气泡的另一效果是降低热熔粘结剂的工作粘度，从而使得发泡热熔粘结剂更加易于散开。因为发泡热熔粘结剂更加易于散开以覆盖更大的表面面积，所以粘结剂消耗量得以降低。

发泡热熔粘结剂特征在于改进的性能，即较高的粘附强度、更长的固化时间、更强的与多孔或者不规则表面的粘附性、在倾斜或者竖直表面上分配的能力以及与传导材料的增强的粘附性。发泡热熔粘结剂通过降低粘结剂消耗量而降低了成本。借助于粘附热敏材料的能力、粘结剂的白度以及较窄的粘附线而改进了产品外观。

密封剂代表可以在发泡状态下被分配、用以在各种应用中形成起到有效的、耐用的空气、灰尘、蒸汽和流体屏障的封闭单元泡沫密封件作用的另一种流体材料。密封剂可以是任何可被泵送的材料，例如聚亚氨酯、硅树脂或者塑料溶胶。因为使用气体，因此发泡密封剂保持其基本物理特性，例如耐热性和耐化学腐蚀性。用于密封剂的这种“就地发泡”技术的使用降低了昂贵材料、例如聚亚氨酯和硅树脂的用量、提高了可压缩性和弹性，并且减少了固化时间。可以利用自动装置来施加发泡密封剂，与人工地施加模切密封垫相比，这样的劳动强度降低。通过准确的和一致的密封垫放置，自动化的就地发泡密封垫施加技术提高了产量、降低了劳动和材料成本，并且提高了质量。

虽然用于发泡流体材料的传统分配系统对于其预期目的而言是足够的，但是仍然期望提供简化的分配设备和方法，以用于高效地和廉价地将气体引入流体材料中。

发明内容

根据一个实施例，一种气体注入装置包括主体，该主体具有构造成接收加压气体的进口、构造成排放加压气体的出口、连接进口和出口的气体通道以及位于气体通道中的控制节流口。该控制节流口被构造成计量流到出口的加压气体的流率。该气体注入装置还包括位于气体通道中的流动控制元件。该流动控制元件具有第一状态和第二状态，在所述第一状态中，加压气体能够在气体通道中从进口通过控制节流口而流动到出口，在所述第二状态中，阻止加压气体流动到出口。

根据另一实施例，提供一种设备，用于分配加压气体和流体材料的混合物。该设备包括混合装置，该混合装置包括限制流体材料流的混合腔室和位于混合腔室内的混合器。该混合器被构造成将加压气体与流体材料流结合起来以形成混合物。分配器以流体连通方式联接混合腔室。该分配器被构造成接收和分配混合物。该设备还包括气体注入装置，该气体注入装置具有构造成接收加压气体的进口、联接混合装置的出口以及位于进口和出口之间的气体通道。该气体注入装置被构造成将加压气体从所述进口通过所述气体通道传送到所述出口并且从所述出口传送到所述混合腔室中。

根据另一实施例，一种方法包括：将加压气体注入流动通过混合腔室的流体材料流中，在混合腔室内结合加压气体与流体材料，以形成混合物，以及分配该混合物。加压气体被直接地供给到混合腔室。

附图说明

被并入并且构成说明书的一部分的附图示意出本发明的实施例，并且与上面给出的总的说明以及在下面给出的实施例的详细说明一起用于解释本发明的原理。

图1是用于分配气体和流体材料的混合物的分配系统的一个实施例的概略透视图，其中分配系统包括混合装置和与混合腔室联接的气体注入装置。

图1A是图1混合装置的一部分的透视图，其中气体注入装置从混合腔室拆下。

图2是图1混合装置的俯视图。

图3是图1混合装置的一部分的侧视图。

图4是基本沿着图2中的线4-4截取的混合装置的截面视图。

图5是基本沿着图2中的线5-5截取的混合装置的截面视图。

图6是图1的混合装置中所使用的混合器的透视图。

图7是图1的气体注入装置的透视图，其被示为从分配系统的混合腔室拆下。

图7A是基本沿着图7中的线7A-7A截取的截面视图，其中气体注入装置的针尖被示为从密封底座分离，以将气体注入到混合装置的混合腔室中的流体材料中。

图8是图7A的气体注入装置的下部的放大截面视图。

图9是图8的一部分的放大截面视图。

图10是类似于图10的截面视图，其中针尖接触密封底座。

图11是图7A的一个不同部分的放大截面视图。

图11A是图11的一个部分的放大截面视图。

具体实施方式

参考图1、1A、2和3，分配系统10被提供用于分配发泡流体材料，例如发泡的液化或者熔融的热熔粘结剂。分配系统10包括至少一个分配器12、流体材料供给源14以及联接分配器12和供给源14的混合装置16。

分配器12以本领域普通技术人员所理解的方式构造出来，以不连续的量(例如液珠或者液滴)分配发泡流体材料，以在移动基片上提供中断的、非连续的图案，或者以连续的液珠或者条纹分配发泡流体材料。分配器12可包括喷枪、模块、手喷枪等。在一个具体实施例中，分配器12可以是任何传统的热熔分配器，包括、但不限于针阀式分配器，这种分配器能够相对于密封底座选择性地致动阀杆，以从排出孔间歇地排放出一定量的气体和流体材料的混合物并且提供有效截流作用。分配器12可以通过电磁阀的操作而被气动地致动，其中该电磁阀向空气汽缸供给空气压力，用以移动阀杆离开密封底座，由此允许气体和流体材料的混合物流动到排出孔。或者，分配器12可以被电操作并且包括产生用于相对于静止电极移动电枢的电磁场的线圈，其中阀杆与电枢物理地联接起来，以用于使阀杆相对于密封底座移动。分配器12的排出孔可以在喷嘴中形成，该喷嘴可以易于移除并且更换成其它类似喷嘴，以用于改变排出孔的构造，从而分配一定数量、液流、液滴或者液珠的发泡流体材料，其特征在于它们具有不同尺寸和/或不同形状。分配器12也可以包括手动致动以启动分配的触发器。

参考图1、1A和2-5，分配器12利用通过例如螺纹接合而安装在排出端口20中的连接肘管19和连接到连接肘管19的软管18而与从混合装置16出来的排出端口20以流体连通方式联接起来。另一模块或者喷枪(未示出)可被联接到混合装置16的另一排出端口22，该排出端口22插有插塞15，如图4所示。供给源14利用通过例如螺纹接合而安装在进入端口25中的连接肘管23和连接到连接肘管23的供给软管24而以与进入端口25流体连通的方式联接到混合装置16。包括带有具有螺纹联接件或者快速释放配件的相对开口端部的内腔的软管18、24构造成承受由加压流体材料施加的流体压力，而不会破裂。软管18、24可以被隔热和/或利用有源加热元件进行加热，以用于降低加热流体材料的热损失。

供给源14可以是本领域普通技术人员可以理解的、在压力作用下泵送的任何熔融材料源。流体材料流以例如在200磅每平方英寸(psi)到2000psi范围中的某个正流体压力被强制地从供给源14泵送到混合装置16。供给源14可以包括热熔单元，该热熔单元具有用于容纳和液化固态或者半固态聚合物材料的加热槽以及用于从加热槽泵送液化聚合物材料的泵。或者，供给源14可以包括容纳聚合物材料(例如热熔粘结剂)的、呈装运容器形式的筒式熔化器，例如55加仑的桶或者圆筒、5加仑的提桶等，以及插入装运容器的开口端部中的加热元件。该加热元件液化装运容器中的固态材料，以用于在液化状态下直接地从装运容器泵送到混合装置16。供给源14也可以供给其它类型的流体材料，这些材料包括、但不限于低温流体材料(这种材料可被加热以增加粘度，以便分配)、聚合物涂层、颜料、其它热塑性材料和/或热固材料以及密封剂，像聚亚氨酯、硅树脂和塑料溶胶。

参考图1、1A和2-6，混合装置16包括具有侧壁28的混合本体26、由侧壁28定界的管状混合腔室30以及设于混合腔室30中的混合器32。混合装置16由嵌入在侧壁28中形成的小孔(未示出)中的加热器(未示出)、例如插入式电阻加热元件来加热。该加热器利用电缆36而与适当的温度控制器(未示出)连接起来，该温度控制器提供电能，用于由加热器将电阻转换为传递到混合本体26的热能，并且随后将热量传递到混合腔室30中的流体材料。传统的温度传感器(未示出)、例如电阻温度探测器(RTD)、热敏电阻或者热电偶可以提供温度反馈信号，以由温度控制器用于调节通过电缆36而供给加热器的功率。加热器被用于保证：当流体材料从分配器12分配出来时，流体材料处于可接受的温度范围内。

混合器32包括纵向地延伸通过混合腔室30的中央轴38、利用固定螺钉37而物理地接合中央轴38并且刚性地联接起来以用于随着中央轴38旋转的柱形本体39，以及从柱形本体39朝向混合腔室30的侧壁28的正对内表面向外突出的翼片40。中央轴38的一端利用位于混合腔室30的一个开口端部中的衬套或者轴承34而受到支撑，以用于相对于混合本体26的侧壁28旋转。填充衬套34的中空中央孔的止推轴承41提供了用于中央轴38的推力负荷支撑作用。衬套34和止推轴承41被组装到一起并且利用传统的螺纹紧固件固定到混合本体26。中央轴38的相对端部突出。中央轴38的相对端部突出通过位于混合腔室30的相对开口端部中的衬套42。

流体材料被限制在混合腔室30中，处在衬套34、42之间的区域中。衬套34、42包括有助于将流体材料限制在混合腔室30中的各种密封部件。利用传统的紧固件固定到混合本体26的机罩47和机盖49保护性地覆盖与联接马达48的端部相对的混合装置16的端部。

中央轴38的一端突出通过衬套42的中空中央孔。位于混合腔室30的相对开口端部中的另一止推轴承44也提供用于中央轴38的这个端部的推力负荷支撑作用。中央轴38的这个突出端部利用联接元件45而与马达48的驱动轴46联接。联接元件45以及止推轴承44可以由具有较低的热传导性的材料制成，从而减少从混合本体26到马达48的热传递，马达48具有本领域普通技术人员理解的传统的构造。支座50将马达48与混合本体26分离开，从而将马达48与混合本体26热隔离开。支座50包括促进冷却的狭槽。马达48可以包括齿轮箱或者另一种驱动传递装置，其驱动联接起来的轴38、46的动力旋转，以用于使翼片40相对于混合腔室30的侧壁28移动。

或者，混合器32可以为如本领域普通技术人员理解的任何其它类型的动态混合器或者传统的静态混合器，这种混合器能够被安装在混合腔室30中。不具有移动部件的传统静态混合器是具有一系列的内部折流板或者元件、例如相互成直角定向的一系列交替的右旋和左旋元件的装置。在共同受让的美国专利No.5,480,589中披露了代表性的静态混合器，此专利公开内容通过引用而被整体并入。在共同受让的美国专利No.4,778,631中披露了代表性的动态混合器，此专利公开内容通过引用而被整体并入。

如图6最好示出地，在混合器32上的若干行翼片40沿着柱形本体39的长度(以及中央轴38的长度)分布，并且相邻行的翼片40由流动通道51分离开。翼片40相对于静止侧壁28的旋转运动用于均匀地搅混或者混合如下所述的在压力作用下引入混合腔室30中的气体与混合腔室30中的加压流体材料。加压流体材料从供给源14被连续地供给到进入端口25、流动通过混合腔室30并且通过排出端口20离开。每一个翼片40的顶端与侧壁28之间都有一个紧密间隙。当翼片40旋转时，流体材料和气体被强迫通过相邻翼片40之间的间隙，以用于混合、搅和并且搅动气体和流体材料。

由初始地沿着本体39的长度延伸的连续螺旋螺纹做成的翼片40具有一种类似于沿着本体39的长度缠绕的螺旋布置。随着混合器32的中央轴38通过马达48的操作而连续地旋转，翼片40的这种螺旋布置趋于压迫流体材料朝向进入端口25，这阻碍了混合物朝向排出端口20的向前流动。因此，流动通过混合腔室30的流体材料以及进入的加压气体被翼片40反复地分划成若干细流并且然后再次结合起来，这样形成基本均匀的搀合物或者混合物。

代表形式为弹簧加载止回阀52的流动控制元件(图4)在进入端口25中位于在混合腔室30和供给源14之间。具有传统的构造的止回阀52防止充气后的流体材料渗入供给软管24中并且向上游输送到供给源14。

压力计54与混合腔室30相连，以用于检测和测量流动通过混合本体26的流体材料的压力。压力计54具有可从混合装置16的外部看到的压力指示器，例如表盘，以用于示意测得的压力。压力计54位于弯头连接器56的一端处，该弯头连接器56通过例如螺纹接合而联接到与混合腔室30连通的混合本体26中的端口。观察者可以看到压力计54上的读数，从而例如调节混合装置16的操作参数。通常，引入混合腔室30中的气体压力被保持在比混合腔室30中的流体材料的压力要高的大致100psi到大致400psi下。通常，气体压力依赖于流体材料的粘度和流率。

参考图1、5、7、7A、8和9，注入装置60被用于将计量后的加压气体流注入混合腔室30中。注入装置60包括从混合本体26突出的主体62、通向喷嘴95中的气体出口66的、位于主体62中的孔65，以及在主体62的相对端部处的一对致动器空腔或者腔室66、68。主体62可以由利用适当的密封部件和紧固件组装到一起的多个构件形成。

阀杆或者阀针70在一端处与设于致动器腔室66中的活塞71联接，并且和设于致动器腔室68中的活塞72联接。阀针70的相对端部带有针尖74，针尖74被设置于在孔65中形成的气体腔室64中。针尖74可以与阀针70的端部形成可靠螺纹连接。当注入装置60被关闭时，针尖74的前端成形为接触密封底座76并且与密封底座76上的接触线接合，密封底座76也被设置于孔65中。密封底座76被支撑在位于主体62的孔65中的进口滤网组件92的管状部分75上。密封环127设于环形凹槽中，以在主体62和进口滤网组件92的管状部分75之间提供密封作用。

阀针70和针尖74被构造成在活塞71、72的运动下轴向往复运动，以用于移动针尖74，使之接触和脱离密封底座76，从而将注入装置60置于如图10最好地示出的关闭状态和如图8和9最好地示出的打开状态。当针尖74接触密封底座76时，阻止气体从气体腔室64流动经过密封底座76，并且阻止流体材料沿着相反方向流动经过密封底座76。针尖74可由柔性材料、例如聚酰亚胺形成，这种材料在强制地接触密封底座76时屈服并且略微压缩，密封底座76可利用金属、例如不锈钢制成。或者，针尖74也可由金属、例如不锈钢制成，如果针尖同密封底座76合作搭接的话。

空气压力供给源73利用软管77而与T形配件79的进口联接，该T形配件具有中央杆，该中央杆通过例如与通过注入装置60的主体62延伸的端口的螺纹接合而联接到致动器腔室66。T形配件79的出口利用跨接软管59而与连接肘管58联接，该连接肘管58具有杆，该杆通过例如与通过注入装置60的主体62延伸的端口的螺纹接合而联接到致动器腔室68。空气压力供给源73与致动器腔室66、68联接起来，以用于同时加压致动器腔室66、68，并且同时地从致动器腔室66、68排出空气压力。空气压力供给源73可以包括螺线管以用于切换通向致动器腔室66、68的加压空气的供给以及从致动器腔室66、68的加压空气的排放。空气压力供给源73的螺线管与控制器126电联接，以用于调节通向致动器腔室66、68的空气压力的供给。

当有足够的空气压力被引入位于活塞71、72最靠近针尖74的一侧上的各个致动器腔室66、68中时，活塞71、72相对于主体62以气动方式移动。每一个均带有提供与致动器腔室66、68中的相应一个的内表面密封接触的密封环的活塞71、72沿着将针尖74从密封底座76分离的方向78移动阀针70并且压缩弹簧恢复机构80(图7A)。当在打开状态下，针尖74从密封底座76分离时，允许气体流动经过密封底座76。当致动器腔室66、68中的空气压力被同时地释放时，弹簧恢复机构80自动地沿着与方向78的反向并且朝向气体出口66移动阀针70，直至针尖74接触密封底座76、再次形成关闭位置为止。提供了行程调节机构82(图7A)，它能够顺时针或者逆时针旋转，调节阀针70的行进量。

用于阀针70的空气打开和弹簧恢复致动器可以利用空气打开和空气关闭致动器来代替。在这个替代性实施例中，弹簧恢复机构80可取消，并且可以利用在各个活塞71、72的相对侧上的致动器腔室66、68中施加的空气压力代替，以用于沿着与方向78相反的方向移动活塞72和阀针70，从而关闭注入装置60并且截断气流。在其它替代性实施例中，与气动驱动相反，阀针70可以被电致动、利用旋转驱动器移动，或者利用磁体移动。

用于向注入装置60供给气体的进口84穿过主体62的周壁，与气体腔室64连通。针尖74被设置于气体腔室64中。主体62具有与孔65连通的另一未用进口83，该进口由可移动插塞81堵住和密封。气体供给源86利用软管87而与进口固定装置88中的进口通道85联接，该进口通道85与到达注入装置60的进口84连通。气体供给源86供给加压气体流，例如惰性气体，如氮气或者二氧化碳，或者工厂用压缩空气，它们被可选地除湿，从而具有降低的水蒸气含量，该加压气体流利用注入装置60而被注入混合腔室30内的流体材料中。

进口固定装置88使用安装环89和传统的紧固件固定到主体62。设于进口固定装置88的进口通道85中的过滤网90在气流进入进口84并且供给到注入装置60之前将微粒从到达的气体中移除。适当的密封环90a可以在进口84和进口通道85的结合部分处供给到主体62和安装环89之间，以防止气体在主体62和进口固定装置88之间泄漏。

参考图11和11A，注入装置60包括设于孔65的在密封底座76和气体出口66之间的部分中的进口滤网组件92、节流口按钮94以及机械止回阀96。节流口按钮94设于进口滤网组件92和止回阀96之间。控制节流口98和具有比控制节流口98的截面面积大得多的截面面积的通路100延伸通过节流口按钮94，形成通过注入装置60的气体通道的一个部分。进口滤网组件92包括定位于控制节流口98上游并且在控制节流口98和密封底座76之间的过滤网101。

当针尖74从密封底座76分离时，气体流动到在进口滤网组件92中形成的气体腔室102中、流动通过控制节流口98并且进入在进口滤网组件92和止回阀96的底座114之间形成的另一气体腔室104中。气体腔室102包括具有不同内径的两个连接起来的区域，其中具有较小内径的通路100直接联接到控制节流口98。控制节流口98计量从气体腔室102到气体腔室104的气体流量。控制节流口98可以具有在大约0.001英寸(大约0.00254厘米)到大约0.002英寸(大约0.00508厘米)之间的范围内的有效直径d，或者任何其它对于计量气体流量有效的直径。控制节流口98具有显著小于通路100的内径的有效内径。控制节流口98位于气体腔室104的上游并且位于密封底座76和气体腔室102的下游。气体腔室102、104和控制节流口98在密封底座76和底座114之间有效形成一个连续充气空间。

过滤网90、101具有有效用于保持具有大于控制节流口98的有效直径d的尺寸的微粒的网孔尺寸，这用于降低堵塞的风险。例如，过滤网90、101可以具有大约10微米(0.0004英寸)到大约15微米(0.0006英寸)的网孔尺寸，以用于和具有大约0.001英寸(大约0.00254厘米)的有效直径的控制节流口98一起使用。

止回阀96设于喷嘴95的中央孔97中。止回阀96包括柱塞106、本体108、弹簧保持器垫圈110和代表形式为压缩弹簧112的偏压元件，并且有线圈被挤压在柱塞106和弹簧保持器垫圈110之间。止回阀96的本体108的外部包括一系列的环形圈特征部件99，这一系列的环形圈特征部件被构造成用以以密封接合方式并且在固定位置处将止回阀96固定在中央孔97内。

当止回阀96被关闭时，柱塞106的头部接触由围绕本体108的向内弯曲的端部的环形边缘形成的底座114。当固定时，柱塞106的头部突出到气体腔室104的附近的柱形部分中。止回阀96的柱塞106包括具有端口116的下部裙边，这些端口116将来自气体腔室104的在柱塞106和底座114之间的柱形部分的气体引导到本体108的空间118中，压缩弹簧112被限制在此空间118中。当流体材料离开空间118进入混合腔室30时，空间118构成气体通道，其利用弹簧保持器垫圈110中的间隙开口120和位于本体108中的另一通路138而联接到气体出口66。

当注入装置60运行和关闭时，流体材料一般存在于空间118中。然而，当注入装置60正在打开、被打开后，或者从打开过渡到关闭，从而使得柱塞106不接触底座114时，气体腔室104中的气体的流体压力阻止空间118中的流体材料流动经过底座114并且进入气体腔室104。因此，止回阀96阻止混合腔室30中的流体材料渗入注入装置60中并且到达控制节流口98，这保护了控制节流口98不受流体材料的污染。

喷嘴95具有总的用参考数字91标记的、与主体62联接的螺纹联接。密封环121设于环形凹槽中，以在喷嘴95和节流口按钮94之间提供流体密封作用。喷嘴95包括与穿透通过混合装置16的混合本体26的侧壁28的进入开口124形成密封接合的密封环122(图1A、5)。从气体出口66排放出来的加压气体通过进入开口124进入混合本体26中的混合腔室30。

安装法兰128利用传统的螺纹紧固件(例如，有头螺钉)紧固到注入装置60的主体62。安装法兰128又利用传统的螺纹紧固件(例如，有头螺钉)、在侧壁28中形成的基本平坦的紧固区域136处紧固到混合本体26(图1A)，这样将注入装置60机械地联接到混合装置16。

代表形式为控制器126的控制系统与用于致动器腔室66、68的空气压力供给源73的螺线管以及用于分配器12的致动器电联接。控制器126构造成与分配器12的操作相配合地切换空气压力供给源73的螺线管。以此方式，只在气体和流体材料混合物从分配器12被分配时，气体才从注入装置60被引入混合腔室30中。当气体和流体材料混合物被分配时，控制器126确保：当流体材料连续地流动通过混合腔室30时，气体被注入装置60连续地引入混合腔室30中。气体和流体材料混合物最终被引导通过排出端口20和软管18，到达分配器12。当流体材料未流动通过混合腔室30时，注入装置60被关闭，从而气体不必被引入混合腔室30中的静态流体材料。以此方式，气体的流动受到调节，从而使得不会将过量气体引入留在混合腔室30中的任何数量的静态流体材料中。

如普通技术人员可以理解地，控制器126可以是可编程逻辑控制器(PLC)、数字信号处理器(DSP)或者另一种基于微处理器的控制器，该控制器具有能够运行在存储器中存储的软件并且执行这里描述的功能的中央处理单元(CPU)。控制器126可以包括人机交互(HMI)装置，该人机交互(HMI)装置具有例如字母数字显示器、触摸屏以及其它视觉指示器的输出装置，以及能够接受指令或者来自操作者的输入并且将输入传递到控制器126的CPU的、例如字母数字键盘、指针装置、小键盘、按钮、控制旋钮等的输入装置和控制器。

当分配器被触发以进行操作时，分配器12可向控制器126提供电信号。或者，控制器126也可控制分配器12的操作，以用于分配气体/流体材料混合物，或者可以与控制分配器12的操作的另一控制器(未示出)通讯。或者，控制器126也可联接到监视从注入装置60供给到在混合腔室30中流动的流体材料中的气体的压力或者流动的传感器(未示出)，并且使用监视到的压力以及测得的流体材料的流率，以动态地调节气体向流体材料的注入。控制器126可以联接到探测所分配材料的气体含量的传感器。

分配系统10包括组装用于产生和分配气体和流体材料的混合物的操作系统所必需的另外的构件，例如紧固件、轴承、密封部件、软管、配线等(它们中一些在图中示出，但是未被具体地描述)。本领域普通技术人员理解这些传统的构件的构造和布置情况。

在使用时，并且参考图1、1A、2-7、7A、8-11和11A，加压气体、例如氮气、二氧化碳或者工厂用压缩空气从气体供给源86被供给到穿过主体62的进口84。当分配器12被触发时，控制器126使空气压力供给源73利用空气压力加压致动器腔室66、68，足以使活塞71、72和阀针70沿着将针尖74从密封底座76分离的方向78移动。当在打开状态下针尖74从密封底座76分离时，从气体供给源86连续地供给新鲜气体，以代替通过出口66注入混合腔室30中的气体。具体地说，新鲜气体通过进口84和进口通道85流入气体腔室64中，从气体腔室64经过密封底座76进入进口滤网组件92中，通过控制节流口98和节流口按钮94的通路100并且进入进口滤网组件92中的气体腔室102中，然后进入气体腔室104中，从气体腔室104经过止回阀96的底座114并且进入空间118中。

混合腔室30中的流体材料的流体压力和施加到柱塞106的、来自压缩弹簧112的偏压力的组合相配合，保持柱塞106接触止回阀96的本体108上的底座114。加压气体被保持在气体腔室104中，直至气体压力达到足以克服由流体材料施加的流体压力和由压缩弹簧112施加的偏压力所施加到柱塞106的相反作用力的压力。当在气体腔室104中到达此阈值气体压力时，柱塞106从底座114分离，并且气体流动通过底座114、通过端口116、进入本体108中的空间118中、通过弹簧保持器垫圈110中的间隙开口120，并且最终到达气体出口66。

主要通过控制节流口98的尺寸来计量气体从底座114流动到气体出口66的速率，控制节流口98提供最低流导区域。从气体出口66排出的气体的流率被选择为匹配通过混合腔室30的流体材料的流率并且反映待被引入流体材料中的理想的气体量，以为从分配器12排出的气体和流体材料的混合物提供理想的密度降低量(图1)。可通过利用一个不同的节流口按钮(未示出)更换节流口按钮94来改变流率，该不同的节流口按钮的控制节流口具有不同的截面面积(即，具有不同尺寸)，并且/或者通过改变从气体供给源86供给到注入装置60的气体压力而改变流率。

在底座114附近的、位于流体材料和气体之间的交界面被认为是位于或者靠近柱塞106和底座114之间的接触线。当从底座114升起离开时刻的柱塞106的运动应该被控制为不超过允许气体通过所需的最小分离量。超过最小分离量的柱塞106的运动可能会允许气体和流体材料越过底座114进行交换，这允许流体材料进入气体腔室104并且最终污染控制节流口98。

通过最大程度减小气体腔室102、104的聚集容量，可以最优化对启动和终止气体到混合腔室30的流动的控制。特别地是，这个容量至少部分地决定注入装置60以用于启动和终止到混合腔室30的气体流动的响应时间。在本发明的一个实施例中，气体腔室102、104的容积为大约1立方厘米或者更低。

加压气体被结合到混合腔室30中的加压流体材料中，成为由充气空隙形成的压缩气泡。流体材料施加的压力压缩该气泡。当从分配器12分配气体和流体材料的混合物时，在气泡中夹带的大量气体迅速膨胀，并且在膨胀之后被陷入流体材料中，从而产生发泡流体材料。陷入的单元包括遍布在流体材料中分布的小气泡。气泡的分布可以是均匀的或者不均匀的，在各种变量中，这依赖于流体材料的类型、所需的密度降低量、在混合器32的混合腔室30中的停留时间以及流体材料的流率。气泡移开一定比例的流体材料，主要产生材料节约作用，以及改变/提高所分配的混合物的机械特性。

在替代性实施例中，与被单独混合本体26罩住不同，混合装置16可以被结合到用于分配系统的歧管中。混合装置16的混合本体26包括另一入口开口130(图5)，此开口被示为利用通过螺纹接合而与开口130联接的插塞132(图5)填充，以用于安装类似于注入装置60的另一可选的注入装置(未示出)，用以将气体供给到混合腔室30中的流体材料中。另外的注入装置可被用于有效地提高气体被引入混合腔室30中的流体材料的速率。

混合装置16对将气体引入混合腔室30中流动的流体材料中进行管理。通过在整个流体材料分配循环上，以均匀气体流率注入来引入气体。最大程度减少控制节流口98上游的和控制节流口98下游的气体的量可以操作用于最大程度减小在每一分配循环开始和结束时的气体注入上的延迟。分配系统10和混合装置16提供了一种紧凑的、低成本的、独立的装置，该装置实际上可被集成到任何流体材料分配系统中，并且用于分配很多种不同流体材料。适当的气体压力可通过观察所分配的发泡流体材料来确定。

与传统的混合装置和用于产生发泡流体材料的方案相比，混合装置16的简单结构可以提供成本优势。例如，混合装置16并不需要复杂的控制系统用来基于来自流率测量结果的反馈而对将气体引入流体材料中进行动态控制。作为另一实例，混合装置16并不需要两级齿轮泵用于将气体引入流体材料中。

从出口66排出、以用于注入流体材料中的气体的气体压力超过流体材料的流体压力。注入装置60控制气体流入流体中，以保持气体流入流体中的一致速率，尤其是当流体材料的流动循环打开和关闭时。在此情形中，注入装置60试图与通过混合腔室30的流体流动一致地打开和关闭，以保持气体与流体材料的理想比率(即，密度降低)。注入装置60的控制节流口98操作，其用作计量装置，用以当注入装置60被打开时控制气体流动。此外，止回阀96防止流体材料向上游迁移，到控制节流口98和通路100、102中，并且因此使得气体流动路径被堵塞。如上所述，在流体材料和气体之间的交界面定位于底座114附近，但是在底座114和出口66之间。

当注入装置60和分配器12被关闭(即，无气体或者流体流动)时，存在压力差(这有利于流体)，使得止回阀96被流体材料保持关闭。在分配器12被打开之后不久，注入装置60也被打开。气体以简短的时间延迟开始流动到混合腔室30中的流体材料中，直至气体压力克服作用在止回阀96上的柱塞106上的流体压力。上述时间延迟的时长主要由气体压力和在气体腔室104中位于控制节流口98和止回阀96之间的气体的量决定。减少气体腔室104中的气体量缩短了此时间延迟。

当在气体和流体之间的作用力平衡变化，引起止回阀96的柱塞106脱离底座114时，气体开始进入混合腔室30中。从注入装置60到混合腔室30中的气体引入速率可以在初始时是快速的，这是因为当柱塞106被推动离开其底座114时的气体压力的初始涌动，并且这个速率最终达到稳定态操作状态。一旦达到稳定态操作状态，则气体与液体的比率随着时间保持相对恒定。

当流体分配循环结束时，分配器12和注入装置60关闭。气体继续流动，直至气体腔室102、104中的气体压力排出，这允许作用力平衡发生变化，并且最终导致止回阀96的柱塞106再次就位到底座114上并且停止气体流动。

在控制节流口98和止回阀96的底座114之间的气体腔室102、104的容积是决定止回阀96的响应时间的因素。最大程度减小气体腔室102、104的容积使得止回阀96的操作与分配器12的操作更加同步。这种同步性有助于最大程度减轻过程流体材料的密度降低方面的波动或者改变。当注入装置60循环至打开状态时，气体腔室102、104必须被填充处于气体供给压力水平的压力下的气体，以将柱塞106升起离开底座114，并且由此开始气体流动。降低气体腔室102、104的容积增加了在分配循环开始时气体腔室102、104能够达到的气体供给压力水平下的速率。此外，最大程度减小气体腔室102、104的容积允许了：当注入装置60循环到关闭状态时，保持柱塞106升起离开底座114的、气体腔室104中的气体压力在较短时间内被排出。快速地释放气体腔室102、104中的气体压力的能力促使迅速地中断从注入装置60的气体出口66的气体流动。

在这里通过示例而非限制的方式引用了若干术语，例如“竖直”、“水平”等，以建立引用的基础。应该理解，可以采用各种其它引用基础。因此，在说明书中对这些和其它方向性措词的使用不应用于暗示任何特定的绝对方向。

虽然已经通过描述各种实施例而说明了本发明并且已经相当详细地描述了这些实施例，但是本申请人无意限定或者以任何方式限制所附权利要求的范围到这些细节。其它的优点和改进对于本领域技术人员而言将是容易明显的。因此，本发明在其更广义方面中不限于所显示和所描述的具体细节、代表性方法以及说明性实例。相应地，在不背离申请人的总的发明构思的精神或者范围的前提下，可以对这些细节作出改变。

Claims (25)

1.一种气体注入装置，包括：

主体，该主体具有构造成接收加压气体的进口、构造成排放加压气体的出口、连接所述进口和所述出口的气体通道以及位于所述气体通道中的控制节流口，所述控制节流口构造成计量到所述出口的加压气体的流率；以及

位于所述气体通道中的流动控制元件，所述流动控制元件具有第一状态和第二状态，在所述第一状态中，加压气体能够在所述气体通道中从所述进口通过所述控制节流口而流到所述出口，在所述第二状态中，阻止加压气体流到所述出口。

2.根据权利要求1的气体注入装置，其中，所述流动控制元件在所述气体通道中位于所述控制节流口和所述出口之间。

3.根据权利要求1的气体注入装置，其中，所述流动控制元件包括柱塞、位于所述出口和所述控制节流口之间的底座以及偏压元件，该偏压元件施加偏压力，该偏压力推动所述柱塞以与所述底座相接触，所述柱塞能够相对于所述底座移动，以提供所述流动控制元件的第一状态和第二状态。

4.根据权利要求3的气体注入装置，其中，当所述柱塞和所述进口之间的流体压力超过所述偏压力和所述柱塞与所述出口之间的流体压力的总和时，所述柱塞能够相对于所述底座移动以提供第一状态，并且，当所述柱塞和所述出口之间的流体压力超过所述偏压力和所述柱塞与所述进口之间的流体压力的总和时，所述柱塞能够移动以提供第二状态。

5.根据权利要求4的气体注入装置，其中，在所述流动控制元件的所述第一状态中，所述柱塞与所述底座处于非接触关系中，并且，在所述流动控制元件的所述第二状态中，所述柱塞与所述底座处于接触关系中。

6.根据权利要求3的气体注入装置，其中，所述主体还包括位于所述底座和所述控制节流口之间的气体腔室。

7.根据权利要求6的气体注入装置，其中，所述气体腔室具有大约一立方厘米或者更小的容积。

8.根据权利要求1的气体注入装置，其中，所述主体包括在所述气体通道中位于所述进口和所述出口之间的密封底座，并且所述气体注入装置还包括：

针尖，该针尖能够相对于所述密封底座在打开位置和关闭位置之间移动，在所述打开位置中，所述针尖与所述密封底座分离，以允许加压气体流动经过所述密封底座，在所述关闭位置中，所述针尖接触所述密封底座，以阻止加压气体的流动；以及

机械地联接所述针尖的致动器，所述致动器适于使所述针尖相对于所述密封底座在所述打开位置和关闭位置之间移动。

9.根据权利要求8的气体注入装置，其中，所述控制节流口位于所述密封底座和所述出口之间。

10.根据权利要求1的气体注入装置，其中，所述控制节流口具有大约0.001英寸到大约0.002英寸的有效直径。

11.一种用于分配加压气体和流体材料的混合物的设备，该设备包括：

混合装置，该混合装置包括限制流体材料流的混合腔室和位于所述混合腔室内的混合器，所述混合器构造成将加压气体与流体材料流结合起来，以形成混合物；

以流体连通方式与所述混合腔室联接的分配器，所述分配器构造成接收和分配所述混合物；以及

气体注入装置，该气体注入装置具有构造成接收加压气体的进口、与所述混合装置的所述混合腔室联接的出口以及位于所述进口和所述出口之间的气体通道，所述气体注入装置被构造成将加压气体从所述进口通过所述气体通道传送到所述出口并且从所述出口传送到所述混合腔室中。

12.根据权利要求11的设备，其中，所述气体注入装置还包括在所述气体通道中位于所述进口和所述出口之间的密封底座、针尖以及与所述针尖联接的致动器，所述致动器被构造成使所述针尖相对于所述密封底座在打开位置和关闭位置之间移动，在所述打开位置中，所述针尖与所述密封底座分离，以允许加压气体流动经过所述密封底座，在所述关闭位置中，所述针尖接触所述密封底座，以阻止加压气体的流动。

13.根据权利要求12的设备，还包括：

与所述气体注入装置的所述致动器电联接的控制系统，所述控制系统构造成当所述分配器被操作以分配所述混合物时，使所述致动器将所述针尖从所述关闭位置移到所述打开位置。

14.根据权利要求11的设备，其中，所述气体注入装置包括流动控制元件，所述流动控制元件包括柱塞、位于所述出口和所述控制节流口之间的底座以及偏压元件，该偏压元件施加偏压力，该偏压力推动所述柱塞以与所述底座相接触，所述柱塞能够相对于所述底座移动，以提供第一状态和第二状态，在所述第一状态中，加压气体能够在所述气体通道中从所述进口通过所述控制节流口流到所述出口，在所述第二状态中，阻止加压气体流到所述出口。

15.根据权利要求14的设备，其中，当所述柱塞和所述进口之间的加压气体的流体压力超过所述偏压力和所述柱塞与所述出口之间的流体材料的流体压力的总和时，所述柱塞能够相对于所述底座移动以提供第一状态，并且，当所述柱塞和所述出口之间的加压气体的流体压力超过所述偏压力和所述柱塞与所述进口之间的流体材料的流体压力的总和时，所述柱塞能够移动以提供第二状态。

16.根据权利要求11的设备，其中，所述注入装置包括在所述气体通道中位于所述进口和所述出口之间的控制节流口，所述控制节流口构造成计量到所述出口的加压气体的流率。

17.根据权利要求11的设备，还包括：

与分配器以及与所述气体注入装置电联接的控制系统，所述控制系统能够操作用于对将加压气体从所述气体注入装置注入到所述混合腔室中的流体材料中进行调节。

18.一种用于分配流体材料和加压气体的混合物的方法，该方法包括：

向流动通过混合腔室的流体材料流中注入加压气体；

将加压气体与混合腔室内的流体材料相结合，以形成混合物；并且

分配所述混合物。

19.根据权利要求18的方法，还包括：

中止混合物的分配，以中断所述流体材料流，使得流体材料静止于混合腔室内；并且

当流体材料流被中断时，中止将加压气体注入到静止流体材料中。

20.根据权利要求18的方法，其中，注入气体还包括：

致动气体注入装置，以选择性地使加压气体被注入混合腔室中。

21.根据权利要求20的方法，其中，注入气体还包括：

当气体注入装置被选择性地致动到加压气体被注入流体材料流中的打开状态时，利用控制节流口计量加压气体的流率。

22.根据权利要求21的方法，还包括：

当气体注入装置被选择性地致动到关闭状态以中断加压气体注入到流体材料中时，防止流体材料回流到气体注入装置的控制节流口。

23.根据权利要求20的方法，还包括：

中断通过混合腔室的流体材料流；和

当流体材料流被中断时，通过使气体注入装置选择性地致动到关闭状态，中止向流体材料中注入加压气体。

24.根据权利要求18的方法，其中，注入气体还包括：

控制加压气体到流体材料中的流率。

25.根据权利要求18的方法，还包括：

防止流体材料回流到气体注入装置中，该气体注入装置被构造成将加压气体注入混合腔室中。

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