CN101918060B - 具有可变的扇形喷雾特征的超声雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用超声雾化技术而将液滴雾化成小的或细微的液滴的云的喷嘴组件。该喷嘴组件还可使用各种空气或气体雾化技术，以向着将要被涂覆的表面或基板推动通常无方向的液滴云。被推动的液滴云可在该状态下具有圆锥形的喷雾型式。可利用另外的空气或气体雾化技术来将被推动的液滴云成形为扁平的扇形喷雾型式，该喷雾型式可用于各种工业应用中。还可通过操纵在气体雾化中使用的气压来调节该喷雾型式的形状和该型式内的液滴分布。

Description

具有可变的扇形喷雾特征的超声雾化喷嘴

相关申请的交叉引用

本专利申请主张2007年9月21日提交的美国临时专利申请No.60/994,817的权益，其通过引用而结合。

背景技术

众所周知，使用喷嘴产生用于多种应用的喷雾，这些用途包括，例如用液体涂覆表面。通常，在喷嘴涂覆的应用中，液体被喷嘴雾化成液滴雾或液滴喷雾，该液滴沉积到将要被涂覆的表面或衬底上。可取决于各种因素而选择雾化的液体的实际液滴尺寸和从喷嘴排出的喷雾的形状或型式(pattern)，这些因素包括被涂覆物体的尺寸和被雾化的液体。

一种将液体雾化成液滴的已知技术是引导例如空气的加压气体进入液体，从而机械地将液体破坏成液滴。在这种气体雾化技术中，可能难以控制和/或减小液滴的尺寸和稠度。另一已知的类型的喷嘴是超声雾化喷嘴组件，其利用超声能量来将液体雾化成稠度几乎如烟的小的、细微的液滴的云。由超声雾化器所产生的云之内的液滴的分布也倾向于有利的均匀。然而，能够从超声雾化喷嘴排出的喷雾型式(spray pattern)的种类通常倾向于被限制成圆锥型式。此外，由于该细微液滴具有很小的质量，因而它们可在从喷嘴排出之后很快地漂移或变得分散。由于由这种细微液滴构成的喷雾型式难以成形和控制，因而其在许多工业应用中的使用被不利地影响。

发明内容

本发明的一个目的是产生受控的喷雾型式中的小的、细微的、均匀的液滴的液体喷雾，以散布在表面或基板上。

本发明的另一目的是提供了一种利用超声雾化器的喷嘴组件，该超声雾化器能够调节喷雾型式的形状并在该型式中控制雾化液滴的分布。

本发明的又一目的是提供了一种可操作地用于将超声雾化液滴云成形为扇形喷雾型式的喷嘴组件，该喷雾型式可用于诸如显示器的屏幕涂层的各种工业应用中。

上述目的可通过创造性的喷嘴组件来实现，喷嘴组件利用超声雾化而将液体雾化成细微液滴的云，并可利用空气或气体将喷雾型式成形为例如扇形喷雾型式，并且/或者将该型式推动到表面或目标上。还可以通过操纵空气或气体的压力来选择性地调节喷雾型式的形状和该型式内的液滴分布。

附图说明

结合到说明书中并形成说明书的一部分的附图阐明了本发明的若干方面，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1是根据本发明的用于产生成形的液滴喷雾型式的喷嘴组件的侧视图。

图2是沿着图1的线A-A的所说明的喷嘴组件的横截面图。

图3是图2中的圈B-B所示的区域的详细图，该图显示了设置成穿过喷嘴组件的气流通路。

图4是图2中的圈C-C所示的区域的详细图，该图显示了超声雾化器的雾化顶端和用于排出加压气体的喷射孔。

图5是图1所示的所说明的喷嘴组件的下游端的端视图。

虽然将结合某些优选实施例来描述本发明，但并不旨在将其限制在这些实施例。相反，其意图是要涵盖所有的备选、变型以及等同，这些被包括在由所附的权利要求限定的本发明的要旨和范围内。

具体实施方式

现在，参照附图，其中，相似的标号表示相似的特征，在图1中显示了用于产生液体喷雾型式并利用超声技术和气体雾化技术的喷嘴组件100。该喷嘴组件100包括喷嘴体102，该喷嘴体可具有阶梯状的圆柱形，液体入口管104从该喷嘴体沿向后方向延伸，液体可通过该液体入口管而进入喷嘴组件。气帽110可安装到该喷嘴体102的前面，液体能够以细小液滴或微粒的雾化的喷雾的形式向前排出。应当注意，例如“向前”和“向后”的方向术语仅出于参考的目的，并不旨在以任何方式限制喷嘴组件。为了将气帽110安装到喷嘴体102上，在所说明的实施例中，环形螺纹的限位螺母108拧在喷嘴体上，以保持夹住气帽。

为超声雾化液体，如图2所示，喷嘴组件100还包括超声雾化器112，该超声雾化器被容纳在设置于喷嘴体102中的中心孔114内。超声雾化器112包括超声驱动器116，棒状的管状雾化器芯柱118从该超声驱动器沿向前方向延伸。在所说明的实施例中，超声驱动器和雾化器芯柱均为圆柱形，超声驱动器具有比雾化器芯柱更大的直径。出于参考的目的，该延伸的管状雾化器芯柱118可描绘出位于中心的轴线120。在该轴向地向前的尖端或末端，雾化器芯柱118终止于雾化表面122。为了引导液体被雾化到雾化表面122，管状雾化器芯柱118形成了液体供给通道124，该液体供给通道设置成穿过雾化表面，以提供液体出口孔126。液体通道124沿着轴线120延伸并与喷嘴体102的液体入口管104保持流体连通。超声雾化器可由例如钛的合适材料构成。

为了产生用于振动雾化表面122的超声振动，超声驱动器116可包括多个相邻地堆叠的压电换能器板或盘128。换能器盘128经由从喷嘴体102的后部延伸的电连通端口130而电耦合到电子振荡器上。此外，该换能器盘128可电耦合，由此，每个盘具有一个与直接相邻的盘相对或相反的极性。当电荷耦合到这叠压电盘128时，这些盘扩张并彼此接触，从而导致了超声驱动器116振动。该振动经由雾化器芯柱118而传递至雾化表面122，导致存在于该雾化表面的任何液体排出至非常细微的液滴或微粒的云中。

根据本发明的一个方面，为了成形、推进和控制从超声雾化器排出的液滴云，提供了多个加压空气排出孔。为此，该喷嘴体102还包括能够与加压气体源连通的第一进气端口132和能够与另一加压气体源连通的第二进气端口134。第一和第二进气端口132、134可完全相反且设置成径向地向内进入喷嘴体102的阶梯状的圆柱形。喷嘴体102中的相互连通的通道和空腔以及向前安装的气帽110再次引导来自第一和第二进气端口132、134的加压气体，以从喷嘴组件100形成和推进喷雾型式。将领会到，可取决于利用喷嘴组件的具体的喷雾应用而选择任何合适的气体或空气。

如图2和图3所示，为了将来自第一进气端口132的气体引导至超声雾化器112的雾化表面122，第一空气通路136设置成向着气帽110向前穿过喷嘴体102。在喷嘴体102和气帽110之间可设置环形间隔环138。如图所示，环形间隔环138环设置在超声雾化器112的周围，由此雾化器芯柱118延伸穿过环形间隔环的中心。此外，环形间隔环138的内部环形表面偏离超声雾化器112，从而在两个构件之间形成内部气隙140。内部气隙140在第一空气通路136和气帽110的向后的轴面之间建立了连通。

参考图2和图4，可以沿着轴线120穿过气帽110的向后的面而设置有气室142，如所说明的实施例所示，该气室从气帽的向后的面至轴向地向前的面144逐渐缩小。逐渐缩小的气室142可由一个或更多的轴向地居中的埋头孔形成。气室142设置成穿过气帽110的轴向地向前的面144，以形成圆形的、轴向地居中的排出孔148。当气帽110被安装在喷嘴体102时，该超声雾化器112的雾化器芯柱118可以穿过气室142和排出孔148而被容纳。因此，排出孔148应当略大于该雾化器芯柱122，以容纳雾化器芯柱。优选，雾化器芯柱118的顶端突出穿过排出孔148，使得该雾化表面122在轴向上稍稍位于气帽的轴向地向前的面144之前。因为该圆柱形的雾化器芯柱118是穿过较大的圆形的排出孔122而被容纳，所以该排出孔具有环形。因此，气室142和排出孔148将来自第一内部气隙140的空气向外连通并经过雾化表面122。

参考图2和图4，为了引导来自喷嘴体102的第二进气端口134的气体从气帽110排出，该喷嘴体包括第二向前引导的空气通路150。第二空气通路150与形成在间隔环138和喷嘴体102的轴向地向后的面之间的外部环形气隙152连通。外部环形气隙152可大致径向地环绕内部环形气隙140，并优选物理地分开或密封，以防止其间的漏气。

气帽110还可以包括延伸至气帽的轴向地向前的面144之前的耳状的第一和第二喷射法兰154、156。该第一和第二喷射法兰154、156相对于轴线120而径向地偏移，并关于轴线而彼此完全相反。为了引导加压气体从第二进气端口134穿过第一和第二喷射法兰154、156，闯过每个喷射法兰而分别设置有第一和第二向前引导的空气通道160、162。虽然第一和第二空气通道160、162物理地分开，但他们可以共同与外部环形气隙152连通，以经由第二空气通路150接收来自第二进气端口134的气体。

在第一和第二喷射法兰154、156的最远顶端或最前顶端，第一和第二通道160、162设置成穿过各个法兰的径向地向内的面对的表面，以形成完全相反的第一和第二喷射孔166、168。因为位于第一和第二喷射法兰的最远顶端，所以喷射孔166、168在轴向上位于环形排出孔148之前。除了被径向地向内引导之外，也可以相对于轴线120而将第一和第二喷射孔166、168设置在一定的角度关系，使得其可产生向前引导的排出。从图2可领会到，第一和第二喷射孔166、168布置成碰撞射流在轴线120的附近交叉。

在操作中，即将被喷雾的液体通过管状雾化器芯柱118而被供给到液体供给通道124中，到达雾化表面122。为了辅助迫使液体到达雾化表面122，液体可由重力供给或由低压泵加压。通过毛细状或灯芯状的传递作用，来自液体供给通道124的液体离开液体出口孔126并可收集在雾化表面122的周围。超声驱动器116可被电气地激励，使得压电盘128扩张并接触，以产生雾化器芯柱118和雾化表面122的横向或径向的振动。在雾化表面122经历的振动，可处于约60千赫(kHz)的频率，虽然可取决于将要雾化的液体或其他因素来调节该频率。横向或径向的振动搅动了液体供给通道124内的液体和在雾化表面122收集的液体，使得液体以小的、细微的液滴而从雾化表面被摇出或分离出。液滴的尺寸可为大约5-60微米，并可优选范围为大约8-20微米之间。该液滴形成通常接近雾化表面122的无方向的云或羽毛状。

为了推动通常无方向的液滴云向前，气体或空气的加压流可被引导到第一进气端口132。引导该向前推进的气流通过第一气体通路136和形成在间隔环138和超声雾化器112之间的内部环形气隙140，到达设置在气帽110内的气室142。该加压的、向前推进的空气流通过环形排出孔148而离开喷嘴组件100。存在于雾化表面周围的该液滴云将被向前推进的气流通常沿着轴线120向前带走或携带，以形成液体喷雾。可以领悟到，以这种方式赋予雾化的液滴云的移动也将减少意外的分散或液滴的漂移。可改变向前推进的空气流的压力，以控制超声雾化液滴向前的移动和速度。由于环形的排出孔148，此位置处的具有带走的液滴的向前推进的空气流将通常具有圆锥形的喷雾型式。

为了将该液体喷雾成形为扁平的扇形型式，加压气体或空气被运送到第二进气端口134。扇形气流通过第二空气通路150、外部环形气隙152以及第一和第二空气通道160、162而被引导至第一和第二喷射法兰154、156。该加压的扇形气流从完全相反的第一和第二喷射孔166、168排出，以碰撞携带液滴的、通常沿着轴线120在第一和第二喷射法兰152、154之间被引导的向前推进的气流。参考图5，由于第一和第二喷射孔166、168的相对关系，扇形气流的碰撞射流将倾向于使圆锥形的向前推进的气流扁平，以形成由虚线所示的通常为二维扇形的型式。该扇形的型式是在工业喷雾应用中所使用的更有用的喷雾型式之一。

在喷嘴组件100的一个有利的实施例中，可对被运送来提供向前推进的气流和扇形的气流的加压气体进行操纵，以调节扇形型式内的液滴的形状和分布。例如，相对于扇形气流的压力而增加向前推进的气流的压力，将倾向于将更多的液滴移动到扇形型式的中部。相对于扇形气流的压力而减小向前推进的气流的压力，将倾向于移动更多的液滴到扇形喷雾型式的外边缘。因此，可调节喷雾型式的宽度、形状和液滴分布，以适应具体的喷雾应用。

为了能够实现这种调整，期望第一和第二进气端口132、134与不同的加压气体源连通或被合适的压力调节器控制。用来供应向前推进气流和扇形气流的压力大约为1-3PSI。此外，第一进气端口132和环形排出孔148之间的用于向前推进的气流的通道应保持与第二进气端口134和喷射孔166、168之间的通道物理地分离，从而减小其间的泄漏。

此处引用的包括出版物、专利申请以及专利的所有参考文献通过引用而结合，其程度相当于每个参考文献均被单独和特别地指明通过引用而结合并在本文中被整体地阐述。

在描述本发明的上下文(尤其是在所附的权利要求的上下文)中，术语“一”、“一种”和“该”以及类似的指代的使用被解释为涵盖了单数和复数，除非在本文中另外指明或明显与上下文相矛盾。术语“构成”、“具有”、“包括”以及“包含”被解释为开放性术语(即，意味着“包括，但不限于”)，除非另外说明。本文中的数值范围的叙述旨在作为个别地参考落入该范围内的各个单独的数值的速记方法，除非在本文中另外指明，并且，各个单独的数值结合于说明书中，如同在本文中个别地叙述。能够以任何合适的顺序来执行本文中所描述的所有方法，除非在本文中另外指明或明显与上下文相矛盾。本文中所提供的任何和所有示例或示范性语言(比如，“例如”)的使用仅旨在更好地说明本发明，并不限制本发明的范围，除非另外声明。说明书中的语言不应被理解为将任何未主张的要素指明为实施本发明的必需。

在本文中描述了本发明的优选实施例，包括发明者已知的用于进行该发明的最佳模式。优选实施例的变化可能对于那些读过上述说明的本领域的普通技术人员而言变得明显。发明者期望技术人员采用合适的变化，并且，发明人希望不以本文中具体描述的方式实施本发明。因此，本发明包括可适用的法律所允许的、所附的权利要求中所叙述的本主题内容的所有变型和等同。此外，所有可能的变化中的上述要素的任何组合由本发明包含，除非在本文中另外指明或明显与上下文相矛盾。

Claims (9)

1.一种用于以液体喷雾涂布目标表面的空气辅助的超声雾化的喷嘴组件，包括：

超声雾化器，包括超声驱动器和从所述驱动器延伸的管状雾化器芯柱，所述雾化器芯柱终止于雾化表面，所述管状雾化器芯柱提供了沿着超声雾化器的轴线延伸的用于将液体引导至所述雾化表面的液体通道；

喷嘴体，包括容纳所述超声雾化器的空腔，使得所述雾化器芯柱从所述喷嘴体轴向地延伸，所述超声驱动器电气地激励以产生对所述雾化表面的振动来形成接近所述雾化表面的细微雾化液体颗粒的液滴无方向的液滴云，所述喷嘴体还包括第一进气端口和第二进气端口；

气帽，轴向地安装在所述喷嘴体之前，所述气帽限定绕所述雾化器芯柱的气室和排出孔，所述雾化器芯柱穿过所述排出孔而被容纳，所述排出孔和所述雾化器芯柱形成环形排出孔，该环形排出孔与所述第一进气端口连通；以及

所述气帽还包括被径向地向内引导成彼此碰撞的相对的第一喷射孔和第二喷射孔，所述第一喷射孔和所述第二喷射孔与所述第二进气端口连通；

在所述第一进气端口和所述排出孔之间建立连通的内部气隙；

在所述第二进气端口与所述第一喷射孔和所述第二喷射孔之间建立连通的外部气隙；

位于所述喷嘴体和所述气隙之间的间隔环，所述雾化器芯柱延伸穿过所述间隔环，所述间隔环隔开所述内部气隙和所述外部气隙；以及

由此，被引入到所述第一进气端口的向前推进的气流是通过所述环形排出孔而被引导至所述雾化表面，以推进于所述雾化表面周围的细微雾化液体颗粒向前；并且，由此，在向前推进的气流成形所述雾化液体颗粒为推进且涂布所述目标表面的扇形型式时，引入到所述第二进气端口的扇形气流是被引导至所述第一喷射孔和所述第二喷射孔。

2.根据权利要求1所述的超声雾化喷嘴组件，其特征在于，所述向前推进的气流的压力和所述扇形气流的压力是相对于彼此而调节的。

3.根据权利要求1所述的超声雾化喷嘴组件，其特征在于，所述内部气隙形成在所述雾化器芯柱和所述间隔环之间，并且，所述外部气隙形成在所述喷嘴体和所述间隔环之间。

4.根据权利要求3所述的超声雾化喷嘴组件，其特征在于，所述外部气隙包围所述内部气隙。

5.根据权利要求1所述的超声雾化喷嘴组件，其特征在于，所述第一进气端口和所述第二进气端口轴向地与所述排出孔、所述第一喷射孔以及所述第二喷射孔间隔开。

6.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述雾化表面轴向地定位成超出所述排出孔。

7.一种以液体喷雾涂布目标表面的方法，包括：

(i)提供超声雾化器(112)，该超声雾化器具有延伸经过气帽(110)的气室(142)且终止于雾化表面(122)的管状雾化芯柱(118)；

(ii)通过由所述管状雾化芯柱(118)形成沿着超声雾化器的轴线的液体通道(124)而将液体引导至所述雾化表面(122)；

(iii)通过振动所述雾化表面(122)以在所述雾化表面(122)处超声雾化该液体，来形成接近所述雾化表面的细微雾化液体颗粒的液滴无方向的液滴云；

(iv)通过向前引导推进的加压气流向前导向入围绕所述雾化芯柱(118)的气室中且从排出孔(148)排出，将所述细微雾化液体颗粒沿着超声雾化器的轴线于所述雾化表面向前推进，所述雾化器芯柱(118)穿过所述排出孔而被容纳；以及

(v)通过扇形的成形加压气流将向前推进的细微雾化液体颗粒成形为扇形型式，从而所述细微雾化液体颗粒的扇形型式被推进且涂布所述目标表面。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述向前引导推进的加压气流的压力和所述扇形的成形加压气流的压力是相对于彼此而调节的。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述扇形的成形加压气流从位于所述排出孔(148)之前的相对第一喷射孔(166)和第二喷射孔(168)排出，以在向前推进的细微雾化液体颗粒排出时碰撞。

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