CN109070109A - 以高效机械分解生成均匀小滴的雾状喷雾的改进旋流喷嘴组件 - Google Patents

Abstract

喷雾喷嘴组件(300)构造为生成具有提高的旋转速度ω和更小的均匀滴尺寸的旋流式喷雾(312)。杯形喷嘴构件(300)具有本体部分(318)，其具有环绕中心纵向喷雾轴线(322)的圆柱形侧壁(320)、圆形闭合端壁(324)和出口孔眼(310)，与其喷雾轴线(322)同轴并且被限定穿过端壁(324)。流体动态回路(330)形成在端壁(324)的内表面(326)中，并且包括三个向内渐缩的动力喷嘴(302、304、306)，其终止于经由出口孔眼(310)进行排放的互动区域(308)中。动力喷嘴具有相对于喷雾轴线(322)偏移的相应纵向轴线(334、362、382)，且对应的非正切攻角(352、374、394)构造为在互动区域(308)中有效地引起流体涡流。

Description

以高效机械分解生成均匀小滴的雾状喷雾的改进旋流喷嘴 组件

相关申请的引用

本申请要求由Shridhar Gopalan等人在2016年1月27日提交的并且题为“IMPROVED SWIRL NOZZLE ASSEMBLIES WITH HIGH EFFICIENCY MECHANICAL BREAK UPFOR GENERATING MIST SPRAYS OF UNIFORM SMALL DROPLETS(Three Power NozzleImproved Mist Swirl Cup)”的美国临时申请No.62287802的优先权和益处，该申请的公开内容通过引用并入本文。

本申请还涉及：(a)共同拥有的美国PCT申请PCT/US15/22262，题为“IMPROVEDSWIRL NOZZLE ASSEMBLIES WITH HIGH EFFICIENCY MECHANICAL BREAK UP FORGENERATING MIST SPRAYS OF UNIFORM SMALL DROPLETS”；(b)共同拥有的美国临时专利申请No.62/022,290，题为“Swirl Nozzle Assemblies with High Efficiency MechanicalBreak up for Generating Mist Sprays of Uniform Small Droplets(Improved OffsetMist Swirl Cup and Multi-Nozzle Cup)”；和(c)共同拥有的美国临时专利申请No.61/969,442，并且题为“Swirl Nozzle Assembly with High Efficiency Mechanical Breakup for Generating Mist Sprays of Uniform Small Droplets(Mist Swirl Cup)”，所有这些文献均通过引用并入本文。本申请还涉及共同拥有的美国专利No.7,354,008，题为“Fluidic Nozzle for Trigger Spray Applications”；并且涉及PCT申请号PCT/US12/34293，题为“Cup-shaped Fluidic Circuit,Nozzle Assembly and Method”，于2008年4月8日公布给Hester等人(现在为WIPO公开号WO2012/145537)。所有前述申请和专利的全部公开内容均通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体而言涉及构造为生成“雾状喷雾”的喷雾喷嘴，其在喷射消费品比如空气清新剂、清洁流体或个人护理产品时特别有用。更具体地，本发明涉及喷雾喷嘴组件，其用于与低压触发喷雾或“仅产品”(意味着无推进剂)施加器一起使用，以可靠地并且一致地生成包含所选小尺寸的滴的液体喷雾。

背景技术

通常地，用于喷射消费品的触发分配器是成本相对较低的泵装置，其被握在手中并且其具有触发器，其通过挤压或抽拉手的手指是可操作的，以将液体从容器泵出并穿过在分配器的前侧的喷嘴。这种分配器可以具有各种各样的特征，其在业内已经变得常见和众所周知。例如，分配器可以是专用的喷雾器，其在液体从喷嘴被分配或射出时对于液体生成所定的喷雾模式。同样公知的是提供可调节的喷雾模式，使得通过单个分配器，用户可以选择喷雾模式，其呈一股或大致锥形喷雾的液滴的形式。

许多物质当前是作为处于具有触发喷雾器的容器中的消费品而销售和营销的。这种物质的示例包括空气清新剂、窗口清洁用溶液、个人护理产品和用于其它通用喷射用途的许多其它材料。使用这些喷雾器的消费品通常包装有瓶子，其载有喷头，其通常包括手工致动的泵，其被用户瞄向期望的表面或期望的方向。这种手动泵的操作压力大体上在30-40psi的范围内。然而，锥形喷雾通常是非常过湿的，并且喷射小滴和大滴的不规则模式。

喷雾器头近来已经被引入市场中，其具有电池操作的泵，其中人员必须只按一次触发器，以开启泵送作用，其持续直到压力在触发器上被释放。这些通常在5-15psi范围内的低压下操作。它们也遭受与对于手动泵指出的相同的不足；加之，它们似乎在喷雾模式(其可能由于它们的较低操作压力而生成)上具有甚至更少种类或控制力。

用于这种分配器的喷嘴通常为一件式模制的“盖”形式，具有与所提供的喷雾或流股模式相对应的通道，其与从喷雾器组件出来的供给通道对齐。见例如图1A、1B和1C。这些喷嘴传统上被称为“旋流杯”喷嘴，并且由种现有技术喷嘴生成的喷雾大体上在喷嘴组件内“旋流”，以形成喷雾(而不是流股)，其具有分散遍及广角的滴，且滴具有不同的尺寸和速度。传统旋流喷嘴包括一个或更多个输入通道，其定位正切于旋流腔室的壁。旋流腔室是具有长度、宽度和深度的方形或者具有直径和深度的圆形。标准旋流喷嘴需要面密封并且配置为使得穿过输入通道的流进入旋流腔室，其施加旋流或切向速度，从而建立涡流。涡流然后向下游或向远端循环，并且穿过出口离开旋流腔室，所述出口通常同心于喷嘴组件的中心轴线。

这种喷嘴组件的问题包括：(a)相对缺乏对所生成的喷雾模式的控制，(b)在这种喷雾中频繁生成可观数量的大直径和小直径滴，其大体上沿远端方向被随机地引导，和(c)所得喷雾模式趋于建立被大的高速液滴攻击的喷射区域，这导致喷射液体飞溅或收集和形成池，其具有不希望的脱离部分，其沿喷射表面流下。如果用户寻求仅喷射液体产品的细雾，则具有大滴的喷雾是特别不希望的。对于许多应用，优选的是喷射的滴体积平均直径(VMD或DV50)和分配的域尽可能小。还希望的是最小化用以生成优选水平的雾化所需的操作压力。然而，已发现的是先有旋流杯喷嘴构造生成过湿的喷雾，其中在旋流腔室中生成的滴沿着出口的管状内腔向远端加速，并且趋于凝结或重组为不规则大尺寸的滴，其具有过大的向远端发射的线速度。凝结是一种现象，其中小滴在喷嘴出口的下游碰撞并重组，从而形成比在喷嘴出口处生成的那些滴更大的滴。包括“雾状喷雾”的期望的滴应该具有60微米(60μm)或更小的直径，并且典型的现有技术旋流杯不能可靠地建立雾状喷雾。

特别地参考图1B，(来自一技术期刊)，示出了雾化喷雾发展中的相继阶段，且液体喷射压力增加(从左到右)。在该顺序中的第三阶段处示出的“平滑膜”有时被称为(在粗雾化的开始时，并且在第六阶段的细雾化之前)变成锥体的东西的“片区域”。该“平滑膜”在喷嘴内的液体流接近出口孔口时形成(应该指出的是，在中空喷雾的中心处存在一团清新的空气，类似于飓风的“风眼”)。现在转到图1C，对于标准旋流喷嘴的圆柱形孔口详细示出了滴分解的阶段，所述圆柱形孔口形成为直伸圆柱形侧壁(在这里喷射流体经受峰值摩擦损失)的轴向长度。图1A-1C中示出的传统或典型旋流喷嘴孔口不可靠地生成并维持具有所选尺寸和速度的细雾状滴的喷雾，部分地是因为在雾化之后(即，从图1C中示出的视图结束的地方向下游或向远端)发生凝结或合并。凝结是滴碰撞和结合以形成更大滴的随机作用，导致整体上更大的颗粒尺寸分布。该不令人满意的凝结/结合现象是喷嘴级别限定问题，其困扰现有技术气溶胶喷嘴的用户。

为了生成用于传统旋流杯的经济有效的替代物，其将可靠地生成具有所选小尺寸(即，具有60μm或更小的滴直径)的滴，并且其将防止产生传统旋流杯的飞溅大滴，本文中申请人近来开发出的以流体滴的高效机械分解(“HE-MBU”)提供喷雾的杯形旋流喷嘴组件已被观察到沿着向远端对齐的轴线在所选方向上发射细滴的喷雾，以生成具有小的均匀滴的雾状喷雾。该组件包括具有所选宽度和深度的两个输入通道或动力喷嘴，其定位正切于互动区域的壁。这种装置的互动区域是具有长度、宽度和深度尺寸的方形，或者是具有直径和深度尺寸的圆形。该几何结构需要面密封(在这里喷嘴抵接供它安装在其上的喷头)，并且配置为使得液体流动穿过动力喷嘴并以切向速度Uθ进入互动区域，从而在互动腔室中建立具有半径r和角速度ω＝Uθ/r的液体涡流。液体涡流向下游循环并穿过出口孔眼离开互动区域，所述出口孔眼同心于喷嘴的中心轴线。依据申请人最近的工作，杯形高效机械分解(“HE-MBU”)喷嘴构件包括环绕中心轴线的圆柱形侧壁和远端端壁，其具有内表面和外表面或远端表面。穿过端壁的中心出口或出口孔眼提供杯形构件的内部与外部之间的流体连通。在远端壁的大致圆形的内表面中限定的是第一和第二动力喷嘴，各自提供流体连通到并终止于在端壁中限定的中心互动区域或旋流涡流生成腔室。每个动力喷嘴限定渐缩通道或内腔，其具有所选的恒定的深度但是收窄的宽度，其终止于在其与互动腔室的相交部处具有所选动力喷嘴宽度(Pw)的动力喷嘴出口或开口。

第一动力喷嘴具有入口，其被限定在远端壁的接近圆柱形侧壁的内表面中，使得加压入口流体(其沿着杯的内部侧壁向远端流动)进入第一动力喷嘴入口。流体沿着第一动力喷嘴的渐缩内腔加速到对应的喷嘴出口，在这里流体进入互动腔室的一侧。第二动力喷嘴类似于第一动力喷嘴，并且也在其入口处接收加压入口流体，其沿着杯的内部侧壁向远端流动。入口流体沿着第二动力喷嘴的渐缩内腔加速到其对应的喷嘴出口，在这里它进入互动腔室的与第一喷嘴出口相对的那侧。互动腔室或旋流生成区域被限定在动力喷嘴出口之间，具有大致圆形的截面，其包含圆柱形侧壁，其同轴于喷嘴的中心轴线并且同轴地对齐于中心出口孔口，其提供互动腔室与杯的外部之间的流体连通，使得出口的旋流喷雾沿着该中心轴线被引导。

输入通道或动力喷嘴具有所选深度，并且构造为将加压流体正切地喷射到互动区域中。圆形互动区域优选具有在动力喷嘴出口深度Pd的1.5到4倍范围内的直径，并且具有面密封并且配置为使得流体从动力喷嘴流出并以比进入喷嘴的流体的速度更高的切向速度Uθ进入互动区域，从而建立迅速地回转或旋流的液体涡流，其具有半径r和角速度ω＝Uθ/r。涡流从互动区域穿过出口孔眼射出，所述出口孔眼与喷嘴杯的中心轴线对齐。该构造使旋流腔室中生成的旋流流体滴加速为高度旋转的流，其从出口射出作为非常小的滴，其被防止凝结或重组为更大的滴。动态流体回路的深度已被发现影响喷嘴的雾化效率，因为随着深度降低，互动区域的容积也降低。已观察到的是，随着互动区域(IR)的深度增加，需要更多动能来生成与较浅旋流腔室可获得的旋转速度相当的旋转速度ω。因此，当IR深度增加时，雾化效率降低。实验数据表明，在边界层效应开始导致雾化效率损失之前，回路深度可以降低到低至0.20mm。

降低的剪切损失和更大的旋转或角速度ω再加上凝结的减少，导致表现出改进雾化的喷雾输出。喷雾滴分布的VMD对于典型压力而言降低(即，具有60μm或更小的滴直径)，并且比起现有技术旋流杯在任何给定压力下生成更小和更均匀的滴。对以该构造生成的喷雾的测量结果表明雾状喷雾具有非常高的旋转速度和非常少的雾滴重组，即使是在距喷嘴九(9)英寸处测量时。出口几何结构内腔比起图1A、1B和1C的标准圆柱形出口孔口更有效地保持在互动腔室中建立的小滴的旋转能量，并且一定程度上在保存小滴尺寸上是有效的。

申请人近来开发出的装置的出口孔眼几何结构被表征为非圆柱形出口通道，其具有三个主要特征：(1)近端会聚部段，其具有内径逐渐减小的肩部，在最小出口直径部段的上游；(2)倒圆的中心通道，其限定最小出口直径，有很少到没有圆柱形脊台；和(3)远端发散部段，其具有倒圆的肩部或内径逐渐增加的扩口喇叭状部段，在最小出口直径的下游。特征(1)和(2)被观察到降低剪切损失并提高ω。特征(3)允许在出口孔口的最小出口直径的下游形成的喷雾锥体的改进扩张。但是加工申请人近来开发出的喷嘴揭示了模具制作问题。在一些构造中，模具的两个半部之间的任何错位都将在出口孔口的最小截面区域处导致台阶，并且这潜在地改变了该关键区域，或甚至更差，增加了由于壁摩擦造成的剪切损失，因为出口孔口轮廓中的任何不完美性都有可能中和掉雾化中的任何增益。此外，在关闭位置处模具的B侧孔口销的直径增加达一数量级，并且比起原始模具的0.300mm销遭受到大幅减少的模具磨损和维护。虽然具有下游半径的出口孔口已经被观察到比起没有下游半径的那些出口孔口生成更大的雾化效率，但是显著的性能增益需要非常大的锥角(例如，<100°)并且对于消费品喷雾应用是不实用的。因此申请人继续工作以做出进一步的改进。

发明内容

尽管申请人近来开发出的如以上所述采用两个相对的动力喷嘴的旋流喷嘴结构相对于先前的标准旋流喷嘴(图1A、1B和1-C的)提供显著的优点，但已发现的是在喷雾中的进一步改进是可能的。相应地，本发明提供这种改进，即通过采用三个大致相似的动力喷嘴，其围绕互动腔室及其出口孔口等间距地间隔开，且喷嘴还具有不同于先有装置的偏移比例和攻角，以生成意外地增强的雾化。简要地，申请人的新“三动力HE-MBU”喷嘴构造改进工作包括实验，其研究与被称为偏移比例的尺寸参数类似但是具有重要差异的一些事物。本发明的三动力HE-MBU喷嘴构造使用新开发的偏移因子，以提供与申请人的先有动力喷嘴实施例不同的一些事物。偏移因子定义为动力喷嘴宽度与互动区域直径的比值(Pw/IRd)，并且最佳雾化性能从具有三动力喷嘴阵列的样品中观察到，所述三动力喷嘴阵列具有等间距地间隔开的第一、第二和第三动力喷嘴，各自具有0.20到0.50的偏移因子。在本发明中，0.244的偏移因子(Pw/IRd)是优选的。进一步，三个喷嘴相对于互动腔室倾斜，使得涌入流体的攻角或流被引导到互动区域中的角度，从在与动力喷嘴的中心线(或喷雾轴线)的交点处相切于互动腔室的线起，在30-50度的范围内，并且优选为大约40度。通过采用在互动区域中建立的流动涡流以加速来自动力喷嘴的液体喷射流而发生效率改进，而不需要在动力喷嘴中的巨大的会聚壁(其会掠夺流的动能)，以生成大的角速度和优异的雾化性能。

在互动区域中包含的能量通过将回路深度限制为小如流动要求和边界层效应所允许的(典型地范围为0.2-0.5mm)(优选为0.28mm)而得以维持。额外地，出口孔口的长度是有限的，并且尖锐边缘在可能的情况下被倒圆。优选的出口孔口轮廓降低剪切损失并且最大化锥角以阻止凝结。最后，三动力喷嘴实施例也可以构造为在单杯形喷嘴构件中具有多个出口孔口，包括用于每个出口孔口的增强结构。本发明的用以开发新喷嘴组件(和方法)的工作旨在克服现有技术的问题，并且可靠地生成并维持所选尺寸和速度的细雾状滴的喷雾，部分地是通过避免在雾化之后的凝结或合并。申请人已经了解到通过最少化滴碰撞和结合以避免重新形成为更大滴能避免凝结，从而导致整体上更小和更均匀的颗粒尺寸分布。对于给定质量流量通过使锥角最大化而使滴碰撞最少化，因此凝结现象的概率被降低。导致本发明的改进工作在高能量机械分解(“HE-MBU”)喷嘴组件中提供进一步的改善，所述喷嘴组件部分地依赖于一种出口构造，其中鉴于注射成型的当前局限，轴向长度尽可能短。

本发明的HE-MBU喷嘴中的出口孔口的相对较短的轴向长度的目的是减轻摩擦损失并且促进旋转膜的不受限形成和扩张。本申请人近来开发出(并且单独地应用)的MBU喷嘴组件和本发明的喷嘴组件的出口上的最显著差异是，本发明的喷嘴组件提供更大的锥角(或半角)。值得指出的是，凝结或合并是发生在雾化之后(即，从喷嘴的出口孔口向远端或向下游)的现象。申请人的实验室工作已经确认观测到，凝结源于滴碰撞和结合以形成更大滴的随机作用，导致整体上更大的颗粒尺寸分布。除非被减轻，该凝结现象是所有气溶胶的特征。依据本发明的方法，通过对于给定质量流量最大化锥角，发生凝结现象的概率被降低。贯穿本发明的所有HE-MBU实施例有所不同的两个最重要的孔口尺寸包括：

(a)输出(或喷雾射出)孔口直径，其已经被选择为在0.20mm到1.0mm的范围内。该尺寸基于喷嘴喷雾应用的流动要求而有所不同；以及

(b)孔口的内部圆柱形脊台长度(沿着喷雾轴线)，其已经被选择为在0.01-1.0mm的范围内。该尺寸基于应用的锥角要求而有所不同。技术上，这应该≤0.05mm，以避免限制锥体，但是它有时候被增大，代价为更大的滴尺寸，以防止锥体冲击到产品包装上。

本发明进一步包括用于以降低的凝结和一致地小的滴尺寸生成旋流流体喷雾的改进方法，其包含以下步骤：在喷嘴本体的端壁中提供出口孔眼，以及形成流体动态回路，其具有环绕端壁中的出口孔眼的互动腔室。形成流体动态回路的步骤包括：形成围绕互动腔室间隔开并且与互动腔室相交的三个流体加速动力喷嘴，以及使纵向轴线相对于出口孔眼偏移。方法进一步包括：将加压流体引入到流体动力喷嘴中以引导流体到互动腔室，以及将动力喷嘴成形为加速流体以在互动腔室中生成流体涡流，且涡流穿过出口孔眼离开喷嘴以生成旋流式输出喷雾。方法还包括：对于待喷射的流体提供改进的攻角，即通过使每个流体加速动力喷嘴在动力喷嘴与互动区域的交点处以所选的尖锐攻角相对于与互动腔室正切的线倾斜，以生成流体涡流。

总之，于是本发明包括一种喷雾喷嘴插入件，其构造为生成具有提高的旋转或角速度ω的旋流式喷雾，从而得到更小的且更均匀的喷射滴尺寸。装置包括杯形喷嘴本体，其具有环绕中心纵向轴线的圆柱形侧壁和圆形的闭合的端壁，且与侧壁同轴的出口孔眼穿过端壁。流体动态回路形成在端壁的内表面中，流体动态回路包括三个(第一、第二和第三)向内渐缩的动力喷嘴，其终止于环绕出口孔眼的互动区域中，其中动力喷嘴围绕互动区域等间距地间隔开并且具有第一、第二和第三相应的纵向轴线，其相对于出口孔眼偏移，使得被引入动态流体回路中的处于压力下的流体沿着动力喷嘴内腔流动并进入互动区域中，以生成流体涡流，其作为旋流式喷雾离开出口孔眼。第一、第二和第三动力喷嘴中的每个的纵向轴线在交点处相对于与互动区域正切的线以尖锐的攻角与互动区域相交。在本发明的优选形态中，第一、第二和第三动力喷嘴中的每个具有大约40°的攻角。动力喷嘴渐缩为所选动力喷嘴出口宽度(例如，0.39mm)，并且对于所选互动区域直径(例如，1.6mm)具有均匀的深度(例如，0.28mm)，所述所选的互动区域直径沿着中心喷雾轴线穿过具有所选最小(喉部)直径(例如，0.39mm)的出口孔口向远端排放或喷雾。三个动力喷嘴围绕互动区域间隔开，并且相对于出口孔口以一定偏移被导引，从而以改进的攻角进入互动区域，以建立一致的强烈的涡流，其在流体朝出口旋流时维持其在互动区域中的速度，从而提供流体的改进的机械分解，以生成轴向地穿过中心出口孔口离开的小滴。

本发明提供用于传统旋流杯的经济有效但改进非常大的替代物，并且可靠地生成具有所选小尺寸的滴，同时更有效地防止产生飞溅的大滴(其在传统旋流杯的情况下发生)。

附图说明

从考虑以下对优选实施例的详细描述，结合附图理解时，本领域的技术人员将进一步理解本发明的前述以及额外的目的、特征和优点，附图中：

图1A是如现有技术中教导的在传统典型旋流喷嘴的互动区域内的流体流的图示；

图1B是示出了如现有技术中教导的用于图1A的传统旋流喷嘴的具有增大的液体喷射压力的在雾化喷雾发展中的相继阶段的图示；

图1C是示出了如现有技术中教导的用于图1A的传统旋流喷嘴的圆柱形出口孔口的滴分解的阶段的图示；

图2是具有一对相对的动力喷嘴的本申请人近来开发出的流体喷嘴构件之一的仰视平面图；

图3是沿图2的线3-3所取的截面；

图4是图2的底部透视剖切图；

图5是图4的动力喷嘴的放大视图；

图6是图2的装置的出口孔口的放大剖视图；

图7是本申请人的具有两对相对的流体喷嘴的另一流体喷嘴构件的仰视平面图，所述流体喷嘴沿相同方向供应流体到对应的互动区域；

图8是本申请人的具有两对流体喷嘴的另一流体喷嘴构件的仰视平面图，所述流体喷嘴沿相反方向供应流体到对应的互动区域；并且

图9是在图8的线9-9处所取的并且示出了发散出口喉部的剖视图；

图10是本发明的改进动态流体回路喷雾喷嘴构件和方法的局部剖视图，示出了安装在典型喷雾分配器中的喷雾喷嘴；

图11是图10的喷嘴构件的仰视平面图，示出了喷嘴构件的内部，所述喷嘴构件从喷雾器移除并且具有第一、第二和第三动力喷嘴，其包含所选的偏移因子和攻角以提供改进的性能；并且

图12是沿图11的喷嘴的线12-12所取的放大剖视图。

具体实施方式

首先转到现有技术的更加详细的描述，以便提供用于充分理解本发明的特征和优点的背景，应指出的是，如以图1A中的40所示意性地示出的，在标准现有技术喷雾器中使用的旋流喷嘴典型地包括输入通道，其定位为相对于旋流腔室44沿切向(如箭头42所示)供给处于压力下的流体。旋流腔室44可以是方形的(具有期望的长度、宽度和深度尺寸)，或者是圆柱形的(具有期望的圆形半径和深度尺寸)。在图示中，旋流腔室44在截面上是圆形的，具有半径“r”。典型地，流体喷雾喷嘴的几何结构供给待喷射的流体到旋流腔室44，并且施加切向速度Uθ，在区域44中建立流体涡流，其由箭头46示出，具有最大半径“r”和角速度ω＝Uθ/r。流体涡流46围绕旋流腔室循环，向远端或向下游移动并且穿过出口开口48离开旋流腔室，所述出口开口具有管状内腔，其同心于喷嘴的中心轴线50，其大体上垂直于旋流腔室的直径。该构造使在旋流腔室中生成的滴沿着出口开口的管状内腔向远端(远离喷嘴)加速，并且围绕轴线旋流以作为喷雾排出(也在图1C中示出)。先有旋流喷嘴组件已经被构造为用于通过流体滴的机械分解来提供细滴(即，具有60-80μm或更小但是大于10μm的滴直径)的喷雾，然后用以沿着管状或圆柱形出口内腔的向远端对齐的轴线向所选方向发射喷雾，以生成具有小滴的雾状喷雾，但是那些滴不是真正足够均匀的，并且被重组或凝结以形成不同尺寸的滴，如以上描述的。

在用以克服与图1A-1C的标准旋流喷嘴相关的问题的努力中，本申请人近来开发出了流体喷嘴构件60，在图2-9中示出，其也在以下文献中被描述和示出：(a)共同拥有的美国PCT申请PCT/US15/22262，题为“IMPROVED SWIRL NOZZLE ASSEMBLIES WITH HIGHEFFICIENCY MECHANICAL BREAK UP FOR GENERATING MIST SPRAYS OF UNIFORM SMALLDROPLETS”；(b)共同拥有的美国临时专利申请No.62/022,290，题为“Swirl NozzleAssemblies with High Efficiency Mechanical Break up for Generating MistSprays of Uniform Small Droplets(Improved Offset Mist Swirl Cup and Multi-Nozzle Cup)”；和(c)共同拥有的美国临时专利申请No.61/969,442，并且题为“SwirlNozzle Assembly with High Efficiency Mechanical Break up for Generating MistSprays of Uniform Small Droplets(Mist Swirl Cup)”，所有这些文献均通过引用并入本文。申请人近来开发出的HE-MBU喷嘴组件(在图2-9中示出)避免了图1A-1C的先前喷雾装置的许多问题，同时改进了以高角速度射出的小滴的生成和保存。HE-MBU喷嘴提供优于图1A-1C的传统旋流喷嘴的两个改进，即：(1)旋流式喷雾具有相对于先前装置增加的旋转或角速度ω，得到更小的滴尺寸，和(2)旋流式喷雾具有降低的凝结，进一步降低并维持更小的滴尺寸。

申请人近来开发出的杯形喷嘴60(如图3和4中看出)具有本体，其包括环绕中心轴线64的圆柱形侧壁62，以及闭合的上端(总体上以66示出)。闭合端由具有内表面70和外表面或远端表面72的大致圆形的远端端壁68形成。端壁中的中心出口通道或出口孔眼74提供杯的内部76(其接收来自例如分配器喷头的处于压力下的流体)与杯的外部或环境(向其引导流体喷雾)之间的流体连通。在远端壁68中(在其内表面70中)限定的是动态流体回路78，其包括第一和第二相对的动力喷嘴或通道80和82，各自从侧壁62大体上沿径向向内延伸到大致圆形的中心互动腔室84。互动腔室84类似于图1的示意腔室44，在壁68的内表面中形成，并且限定围绕并同心于出口孔眼74的内腔，在图7的放大视图中示出。

如在图2的仰视平面图中、在图4的内部透视剖视图中(其中侧壁62的一部分已经被移除)以及在图5的放大视图中所示，顶壁68中形成的动力喷嘴80和82分别由相应的渐缩通道或内腔86和88限定，所述渐缩通道或内腔86和88具有连续的大致平坦的底板90(形成在壁68中)和大致垂直的连续的侧壁92，其具有所选的恒定高度或深度Pd，其限定它在壁68中的深度。类似地，互动腔室84的大体上圆形的区域由内腔底板90的延续部和侧壁92形成，并且也具有相同的深度Pd。优选地，用于动力喷嘴80和82和互动腔室84的侧壁92围绕靠近喷嘴壁62的内表面的扩大端部区域94和96平滑地弯曲，然后大体上沿径向向内朝腔室84延伸，以生成具有最小宽度Pw的收窄流动路径。动力喷嘴腔室80和82向内朝相应的窄动力喷嘴出口区域98和100渐缩，腔室分别沿着相应的轴线102和104延伸。动力喷嘴出口区域终止于互动腔室84，并且平滑地汇合到互动腔室84中。

动力喷嘴出口区域中的每个在其与互动腔室的相交部处具有相对较窄的所选动力喷嘴出口宽度Pw，且动力喷嘴80和82的大体上径向轴线从喷嘴60的中心轴线64沿相同方向偏移。该偏移使在动力喷嘴中流动的流体大致沿切向进入互动腔室84，以在互动腔室中生成旋流涡流，其然后穿过端壁68流出喷嘴出口74。在图2、4和5的图示中，将看出的是，动力喷嘴各自定向到轴线64的左侧(沿流体流动的方向观察)，以围绕出口74生成顺时针旋流或流体涡流。如在106和108处示出的，每个动力喷嘴的左侧壁(沿流动的方向观察)大致沿切向与互动腔室侧壁汇合，以在来自喷嘴的流体流中引起期望的旋流。与区域106和108相对，侧壁92在动力喷嘴80和82与互动腔室的接合部处(如110和112处所示)急剧地弯曲，以形成肩部，其使互动腔室中的流体流绕过动力喷嘴出口，并且继续其旋流运动以在出口74处离开，而不是流动回到相对的动力喷嘴之一中。平滑地弯曲的侧壁92和收窄内腔使流体平滑流动到互动腔室中并且围绕出口74流动，使得它以具有期望的一致滴尺寸的细雾喷出。环绕杯形喷嘴60的底部边缘的是可选的凸缘或倒钩104，其以公知方式提供与分配器喷头的连接接口，如通过与喷头出口的内表面上的相应肩部接合。

操作中，加压入口流体(在图3和4中由箭头120示出)从适当的分配器喷头流动到喷嘴60的内部76中。加压入口流体沿着圆柱形侧壁62的内表面112向远端流动，并且在触及端壁68时，流体120进入在远端壁68的内表面中形成并限定的动力喷嘴内腔86和88的扩大区域，并且被引导向内趋向互动区域并到达出口孔眼74。喷嘴的轴线102和104相对于出口孔眼74并且相对于彼此偏移，并且内腔的向内渐缩使沿着它们流动的流体加速趋向并穿过动力喷嘴出口98和100与互动腔室84的相交部。该偏移使来自相对的动力喷嘴的流体进入互动区域84的相对侧，以在流动流体中引入顺时针旋流运动，从而在流体中形成由箭头130示出的涡流，所述流体然后向下游流出出口孔眼，使得流体喷雾沿着中心轴线64被引导出喷嘴60。

互动腔室是圆形的，并且优选具有与每个动力喷嘴相同的深度，并且配置为使得流体从动力喷嘴流动并以高于进入喷嘴的流体的速度的切向速度Uθ进入互动区域，从而建立具有半径r和高角速度ω＝Uθ/r的涡流。迅速地回转或旋流的涡流然后从互动区域穿过出口孔眼射出，所述出口孔眼与喷嘴杯的中心轴线对齐。该构造产生旋流流体滴，其在旋流腔室中生成，以加速为高度旋转的流，其作为非常小的滴从出口射出。

申请人的现有技术装置的喷嘴60的出口孔眼74包含输出口或出口几何结构，在图6的放大视图中示出，其在端壁68中构造为最小化流体剪切损失并且最大化喷雾锥角。该几何结构被表征为非圆柱形出口通道140，其具有大致圆形的截面并且由三个特征限定，在图中标记为：(1)近端会聚进入部段142，其具有内径逐渐减小(从喷嘴的内部)的倒圆肩部；(2)倒圆中心通道部段144，其在会聚进入部段的上游并且限定有很少到没有圆柱形脊台的最小出口直径部段146；和(3)远端发散出口部段148，其具有在最小出口直径146下游的内径逐渐增加的扩口喇叭状部段或倒圆肩部。互动区域中生成的涡流流动到出口孔眼的进入部段142中，穿过最小直径部段146并且流出出口部段148到大气，如流动箭头150所示，特征(1)和(2)降低了剪切损失并且最大化了ω。特征(3)允许在最小出口直径的下游形成的喷雾锥体的最大扩张，以防止由于凝结造成的VMD损失。

对于申请人近来开发出的图2-9的喷嘴，喷雾喷嘴的偏移比例定义为动力喷嘴深度(Pd)与互动区域直径(IRd)的比值，并且表示为(Pd/IRd)。测试了偏移比例范围为0.30到0.50的样品，并且已发现的是，喷射流体雾化效率在该比例接近被发现是最佳值的0.37时增加。喷嘴60的动态流体回路(其包括动力喷嘴和互动腔室(图2中的80、82和84))的深度“Pd”也影响喷嘴的雾化效率。当深度降低时，互动区域的容积也降低。当深度增加时，相对于较浅的旋流腔室，需要更多的动能来生成相等的ω。因此，当深度增加时，雾化效率降低。实验数据表明，在边界层效应开始导致雾化效率损失之前，回路深度可以降低到低至0.20mm。

对于申请人近来开发出的一些喷嘴，出口孔口轮廓(以上相对于图6描述的)被修改为仅以在出口孔口的上游边缘上的引入半径142来产生相等的雾化。通过移除下游半径148并且留下尖锐边缘，注射成型模具(未示出)的两个半部的闭合改变了位置，并且模具结构就模具侧对齐、模具磨损以及所需维护而言变得明显更牢固。在先有构造中，两个半部之间的任何错位都将在出口孔口的最小截面区域处导致台阶，出口孔口轮廓150中的任何不完美性都可能潜在地改变该关键区域，或甚至更差，增加由于壁摩擦造成的剪切损失，从而中和掉雾化中的任何增益。

图7示出了申请人近来开发出的另一流体喷雾喷嘴160，其中多个(例如，第一和第二)喷嘴出口孔眼或孔口162和164被提供，并且构造为对于需求比先有喷嘴的40psi时的30-40mLPM更大流量的应用生成具有相等旋转取向的喷雾。该构造包含略微缩小比例的喷嘴几何结构，其中两个单独的流体动力喷嘴回路166和168(取向为生成同向旋转)形成在远端壁68的内表面70中。第一动力喷嘴回路166包含相对的动力喷嘴腔室170和172，用以提供流体连通到并终止于相应的生成旋流涡流的互动区域174。第二动力喷嘴回路168包含相对的动力喷嘴腔室176和178，并且提供流体连通到并并终止于相应的生成旋流涡流的互动区域180。动力喷嘴回路166和168类似于相对于图2-5描述的喷嘴回路，且每个动力喷嘴腔室限定具有所选恒定深度Pd和收窄宽度Pw的渐缩通道，其终止于在其与其相应互动区域的相交部处具有所选动力喷嘴宽度(Pw)的相应动力喷嘴出口或开口。

动力喷嘴回路166和168在该现有技术构造中等间距地设置喷嘴160的中心轴线64的相对侧，大体上平行于彼此，并且形成在端壁68的内表面70中，以使它们的用于回路166的入口端部190、192和用于回路168的194、196形成在远端壁68的接近圆柱形侧壁62的内表面70中。加压入口流体向远端流动到杯的内部中并且沿着侧壁62流动以进入两个流体回路的入口端部，并且沿着每个动力喷嘴向内流动以进入相应的互动区域。如上所述，动力喷嘴包含连续的竖直侧壁200和202，其限定渐缩的腔室或内腔，其使流体沿着动力喷嘴加速。

如在图7中看出的，每个互动或旋流区域174和180在其相应的动力喷嘴之间被限定为大致圆形构造的腔室，具有圆柱形侧壁(由侧壁200和202的延续部形成)。互动区域在远端端壁68的向远端突出的中心轴线64的相对侧等间距地间隔开，并且平行于远端端壁68的向远端突出的中心轴线64，并且与它们的相应出口通道或出口162和164同轴地对齐。应指出的是，动力喷嘴的轴线相对于它们的互动区域偏移，以在两个区域中在流体中生成顺时针旋流运动，如箭头204和206所示。该结构提供在每个互动腔室与杯的外部之间的流体连通，使得喷雾沿着与杯的中心轴线64间隔开但是与之平行的两个平行轴线以相似的涡流被引导出喷嘴160。

图8示出了申请人近来开发出的另一构造，其提供相对的旋转流体喷嘴组件220，其也具有杯形圆柱形侧壁62，其环绕向远端突出的中心轴线64并且终止于远端端壁68，其具有圆形内表面70和外表面或远端表面72。第一和第二出口通道或出口孔口230和232各自在杯的内部与外部之间提供流体连通。形成在喷嘴220的远端壁68的内表面70中的是第一和第二单独的流体动力喷嘴回路222和224，其包含环绕它们的相应出口孔口230和232的相应互动区域226和228。第一流体回路222包含一对相对的动力喷嘴通道240和242，其各自从在喷嘴组件220的侧壁62处从适当源头接收流体的相应扩大入口区域244和246向内延伸。通道向内渐缩，以与互动区域226的在直径上相对的侧面汇合。这些通道的相应轴线248和250相对于它们的相应互动区域226偏移，以在区域226中生成旋流流体流；在所示情况中，每个偏移是向出口孔口230的右侧，以在互动区域中生成逆时针流252。

类似地，第二流体回路224包含一对动力喷嘴通道254和256，其从在侧壁62处从适当源头接收流体的扩大入口区域258和260向内延伸。动力喷嘴通道向内渐缩，以与它们的相应互动区域228的在直径上相对的侧面汇合。这些通道的轴线262和264也相对于它们的相应互动区域228偏移，以在区域228中生成旋流流体流；在所示情况中，每个偏移是向出口孔口230的左侧，以生成顺时针流266。相对于用于两个流体回路的相应出口孔口230和232的相对偏移从它们的相应出口孔口生成相对旋转流。所得的两个生成的出口旋流流体喷雾或锥体邻近面向相同方向(未示出)的喷嘴轴线64以切向速度矢量彼此相交，而在图7中示出的实施例中，第一和第二喷雾或锥体在轴线64的区域中在它们最接近交点处的切向速度是彼此相对的。如图8中所示，流体回路222和224经过喷嘴的杯部的宽度略微发散，使得扩大的通道端部246和260汇合，如以侧壁62处的278所示。

图9以截面图示出了具有图8的出口孔口230和232的轴线的喷嘴220的构造被修改为非平行的或发散的，如从喷嘴轴线64发散的孔口轴线280和282所示。发散的出口孔口提供喷雾导引特征，其被设计用以减少由从两个出口孔口喷出的旋流流体所形成的喷雾锥体发生相交的区域，以及用以阻止下游滴发生凝结。该发散的喷雾喷嘴组件220包含如图8中所示的在喷嘴220的中心轴线64的相对侧间隔开的两个单独的流体回路222和224，流体回路222和224包含相应的互动或旋流区域226和228，其如以上相对于图8描述的，被限定在它们相应的相对动力喷嘴(在图9中未示出)之间。旋流区域是具有大致圆形截面的内腔或腔室，其具有圆柱形侧壁，其环绕远端端壁68中的相应的向远端突出的中心轴线。腔室对齐于并环绕相应的输出或出口孔口230和232，以提供每个互动腔室与喷嘴220的外部之间的流体连通，使得喷雾沿着倾斜喷雾轴线280和282被引导，所述倾斜喷雾轴线280和282与中心轴线64间隔开但是不平行于中心轴线64。

以上对申请人最近的工作的讨论提供详细的背景，其有助于描述在现在将要描述的本发明的三动力喷嘴设备和方法中采用的三动力喷嘴几何结构中的流体动力学。依据本发明的一优选实施例，已经在以上描述的喷雾喷嘴组件中做出了进一步的改进，本发明采用三个大致相似的动力喷嘴，其围绕互动腔室及其出口孔口等间距地间隔开，且喷嘴并不旨在提供切向流，而是具有新限定的攻角，且动力喷嘴以新限定的偏移因子构造(不同于申请人的两喷嘴HE-MBU装置)，以生成意外地增强的雾化。

如以上指出的，申请人的新“三动力HE-MBU”喷嘴构造实验探索了与被称为偏移比例的上述尺寸参数类似的一些事物，但是具有重要的差异。本发明的三动力HE-MBU喷嘴构造使用新开发的偏移因子，以提供与申请人近来开发出的动力喷嘴实施例不同的一些事物。偏移因子定义为动力喷嘴(在其出口处)的宽度对互动区域的直径的比值(Pw/IRd)，并且已发现的是，图10-12(待描述)中示出的三动力喷嘴组件的最佳雾化性能对于包含三个动力喷嘴(每个具有0.20到0.50的偏移因子(Pw/IRd))的阵列的喷嘴插入件或杯结构300获得。0.2到0.3(更特别地0.244)的偏移因子比例常常是优选的。进一步，三个动力喷嘴(302、304和306)各自相对于互动腔室308的中心轴线322倾斜，使得每个动力喷嘴的攻角或从每个动力喷嘴引导液体喷射流进入互动区域中的角度从在动力喷嘴的中心线或轴线与互动区域的交点处与互动腔室的周缘相切的线起为大约40度，以进一步改进本发明的装置所获得的雾化。动力喷嘴流的该目标是有意地不与互动腔室308的侧壁相切的，如将进一步描述的。

本发明的结构和方法的优选实施例(在图10-12中示出)包括图10的剖视图、图11的仰视平面图和图12的放大截面图，它们示出了流体喷嘴插入件或杯构件300采用动态流体回路330，其具有第一、第二和第三动力喷嘴302、304和306，各自构造为将处于压力下的流体引导到共有互动区域308中。互动区域或腔室308环绕中心出口孔口310，并且每个动力喷嘴被限定为凹槽或凹沟，其以所选攻角对齐，以将处于压力下的流体引导到区域308中，在该区域中生成旋流流体涡流，其中旋转流体然后从出口孔口310喷射或喷出作为喷雾312。第一、第二和第三动力喷嘴302、304和306优选是大致相似的并且围绕互动腔室及其中心出口孔口等间距地间隔开，且喷嘴具有不同于现有技术装置的偏移因子和攻角，以在流体喷雾312中生成意外地增强的雾化。喷嘴插入件或杯构件300是动态流体旋流诱导雾生成结构，其采用改进的且独特的动力喷嘴偏移因子和新颖的攻角(例如，在30-50度的范围内并且优选为大约40度)，以生成增强的结果。

喷嘴插入件或构件300与类似于申请人近来开发出的喷嘴构件(图2-9的)的气溶胶和其它产品喷射包装一起使用，并且因此包括由模制塑料或其它适当的材料形成的杯形本体部分318。本体部分包含环绕中心轴线322的圆柱形侧壁320和总体上以324示出的闭合上端(或远端)端部。闭合端部是具有内表面326的大致圆形的远端端壁。端壁的内表面和侧壁320的内表面327围封杯的内部，其总体上以328示出。出口孔眼或孔口310形成在端壁中并且穿过端壁，并且提供杯的内部328与杯的外部或环境大气329之间的流体连通，由喷嘴插入件300生成的流体喷雾将被引导到所述杯的外部或环境大气329中。限定在端壁324的内表面326中的是新颖的动态流体回路330(图11)，其包括第一、第二和第三动力喷嘴或通道302、304和306，其终止于互动区域308，其中每个动力喷嘴被限定为凹沟或凹槽以提供流体连通通道，其沿着端壁324从侧壁320向内延伸并进入大致圆形的中心互动区域308中。动态流体回路(330)形成在壁324的内表面中，并且限定内腔或流体连通通道的连续网络，且互动区域308环绕并同心于出口孔眼310。

如图11中所示，第一动力喷嘴302由渐缩的流体加速或动态流体通道332(其形成动态流体回路(330)的内腔网络的一部分)限定。通道332沿着纵向轴线334在端壁324中形成，并且优选具有连续的大致平坦的底板340以及大致垂直的连续的侧壁342，其具有所选的恒定高度Pd，其限定端壁324中的通道深度。第一动力喷嘴302与互动腔室308的大体上圆形的区域(其由侧壁342和内腔底板340的延续部形成并且也具有深度Pd)相交。用于动力喷嘴302的侧壁342大体上围绕靠近喷嘴壁320的内表面327的扩大端部区域344平滑地弯曲，并且然后大体上沿径向向内从所述扩大端部区域344朝互动区域或腔室308延伸。动力喷嘴向内朝其轴线334渐缩以形成窄的动力喷嘴出口区域346，以在动力喷嘴302与互动腔室308的相交部处生成具有最小宽度Pw的收窄流动路径。

第一动力喷嘴302的出口区域346终止于互动腔室308处，提供与互动腔室308的流体连通并且汇合到互动腔室308中，且动力喷嘴302的喷嘴轴线334在点350处与互动区域的周缘348相交。轴线334与正切于周缘并穿过点380的线354成锐角352。该角352是动力喷嘴相对于互动区域的攻角，并且在30-50°的范围内并且优选为大约40°。动力喷嘴的导引轴线334偏离中心喷雾轴线322，以将来自动力喷嘴的入射流体以所需角度引导或导引到互动腔室308中，以在互动腔室中生成旋转的旋流涡流，其然后穿过端壁324流出喷嘴出口310。如图11中所示，流体回路动力喷嘴302的轴线在输入流体流动的方向上观察时定向到中心轴线322的左侧，以围绕出口310生成顺时针旋流或流体涡流。第一动力喷嘴302的顺时针侧面上的侧壁(当沿流动的方向观察时为左侧壁)不与互动腔室侧壁正切但是与之平滑地汇合，以使来自喷嘴的流体流在互动区域中生成期望的涡流或旋流。在动力喷嘴出口346的相对侧面(当沿动力喷嘴流动的方向观察时为右侧壁部段)上，侧壁342在动力喷嘴与互动腔室的接合部处急剧地弯曲，以形成肩部(例如以356示出)，其使互动腔室308中的顺时针流体流绕过第一动力喷嘴出口孔口346。动力喷嘴导引侧壁部段非切向地导引来自第一动力喷嘴302的涌入流体的液体喷射流，方式为提供空间供涌入液体喷射流与互动区域的周向侧壁分离，并且在出口孔口346处离开动力喷嘴302时弯曲。平滑地弯曲的侧壁342和收窄的动力喷嘴内腔使流体的平滑流以比流体供应源的压力更高的压力进入互动腔室中，因此它被迫使趋向出口孔口310，并从出口孔口310以具有期望的一致滴尺寸的细雾312喷出或喷射。

也如在图11中示出的，第二动力喷嘴304由第二渐缩动态流体通道360(其形成流体回路330的内腔的网络的一部分)限定。第二通道360沿着第二纵向轴线362在端壁324中形成，并且也包括连续的大致平坦的底板364，其是第一动力喷嘴302的底板340的延续部。第二通道360由大致垂直的连续侧壁366部段(其是第一动力喷嘴302的壁342的延续部)限定。壁部段366具有与壁342相同的所选恒定高度，并且其限定流体通道360在端壁324中的深度。第二动力喷嘴304与互动腔室308的大体上圆形的区域(其由侧壁342和内腔底板340的延续部形成并且也具有相同的深度Pd)相交。用于动力喷嘴304的侧壁366大体上围绕靠近喷嘴壁320的内表面327的扩大端部区域368平滑地弯曲，并且然后大体上沿径向向内朝互动区域或腔室308延伸。第二动力喷嘴也向内朝其纵向轴线362渐缩，以形成较窄的动力喷嘴出口区域370，并且在动力喷嘴与互动腔室的交点372处生成具有最小宽度Pw的收窄流动路径。

第二动力喷嘴的出口区域370终止在互动腔室308处并且汇合到互动腔室308中，且动力喷嘴304的喷嘴轴线362在点372处与互动区域的周向壁348相交。轴线362与正切于周缘并穿过点372的线376成锐角374。该角374是动力喷嘴304相对于互动区域的攻角，并且也在30-50°的范围内(优选为大约40°)。轴线362偏离喷嘴300的中心轴线322，从而以该期望的迎角引导来自动力喷嘴304的入射流体进入互动腔室308中，以帮助在互动腔室308中生成旋流或旋转的涡流。如图11中所示，第二动力喷嘴304的轴线在输入流体流动的方向上观察时定向到中心轴线322的左侧，以围绕出口孔口310和喷雾轴线322生成顺时针旋流或流体涡流。动力喷嘴的顺时针侧面上的侧壁366(当沿流动的方向观察时为左侧壁)也不与互动腔室侧壁正切但是与之平滑地汇合，以使来自喷嘴的流体流在互动区域中生成期望的涡流或旋流。在动力喷嘴出口区域370的相对侧面(当沿流动的方向时为动力喷嘴的右侧面)上，侧壁366在第二动力喷嘴与互动腔室的接合部处急剧地弯曲，以形成肩部(例如以378示出)，其使互动腔室中的顺时针流体流绕过370处的喷嘴出口。限定动力喷嘴304的动力喷嘴导引侧壁部段导引来自第二动力喷嘴304的涌入流体的液体喷射流，方式为提供空间供涌入液体喷射流与互动区域的周向侧壁分离，并且在离开第二动力喷嘴304时弯曲。平滑地弯曲的侧壁366和收窄的内腔使流体的平滑流以比流体供应源的压力更高的压力进入互动腔室中，其然后流动趋向出口孔口310，以有助于生成具有期望的一致滴尺寸的细雾312。

如在图11中进一步示出的，第三动力喷嘴306是由渐缩壁限定的内腔，用以提供流体加速或动态流体通道380，其形成动态流体回路330的第三部分。通道380也沿着纵向轴线382在端壁324中形成，并且具有连续的大致平坦的底板384，其是动力喷嘴302的底板340和动力喷嘴304的底板364的延续部。第三动力喷嘴通道380由大致垂直的连续的侧壁386限定并且包括所述大致垂直的连续的侧壁386，其是动力喷嘴302的侧壁342和动力喷嘴304的壁366的延续部，并且它们限定在端壁324中的通道深度。壁386具有与壁342和366相同的所选恒定高度，并且限定流体通道360在端壁324中的深度。动力喷嘴306与互动腔室308的大体上圆形的区域(其由侧壁342和内腔底板340的延续部形成并且也具有所选的深度Pd)相交。用于动力喷嘴306的侧壁386大体上围绕靠近喷嘴壁320的内表面327的扩大端部区域388平滑地弯曲，并且然后大体上沿径向向内朝互动区域或腔室308延伸。动力喷嘴向内朝其轴线382渐缩以形成窄的动力喷嘴出口区域390，以在第三动力喷嘴与互动腔室308的相交部392处生成具有最小宽度Pw的收窄流体加速流动路径。

第三动力喷嘴出口区域390终止在互动腔室308处并且汇合到互动腔室308中，且动力喷嘴306的喷嘴轴线382在点392处与互动区域的周缘348相交。动力喷嘴轴线382与正切于周缘并穿过点392的线396成锐角394。该角394是动力喷嘴306相对于互动区域的攻角，并且也在30-50°的范围内(优选为大约40°)。第三动力喷嘴的轴线382也偏离喷嘴构件300的中心轴线322，从而以期望的角度引导来自动力喷嘴的入射流体进入互动腔室308中，以协助在互动腔室中生成并维持旋流涡流。如图11中所示，第三动力喷嘴306的轴线在第三动力喷嘴的涌入流体流动的方向上观察时也定向到中心轴线322的左侧，以帮助围绕出口310生成并维持顺时针旋流或流体涡流。动力喷嘴侧壁(当沿流动的方向观察时为左侧壁)不与互动腔室侧壁正切但是与之平滑地汇合，以使来自动力喷嘴306的流体流帮助在互动区域中生成期望的涡流或旋流。在动力喷嘴出口390的相对侧面(当沿流动的方向观察时为右侧壁)上，侧壁386在动力喷嘴306与互动腔室的接合部处急剧地弯曲，以形成肩部(例如以398示出)，其使互动腔室中的顺时针流体流绕过第三动力喷嘴的出口390。第三动力喷嘴的侧壁导引来自第三动力喷嘴306的涌入流体的第三液体喷射流，方式为也提供空间供涌入液体喷射流与互动区域的周向侧壁分离，并且在离开动力喷嘴306时弯曲。平滑地弯曲的侧壁386和收窄的动力喷嘴出口内腔使流体的平滑流以比流体供应源的压力更高的压力进入互动腔室中，因此它也旋转并流动到出口孔口310，以帮助生成并维持具有期望的一致滴尺寸的细雾喷雾312。

第一、第二和第三动力喷嘴302、304和306优选全部彼此类似，各自具有大致相同的长度、宽度和深度尺寸，以及朝它们的相应窄动力喷嘴出口区域346、370和390的大致相同的向内渐缩度，以生成相似的收窄流动路径，其各自在它们与互动腔室的相交部处具有最小宽度Pw。动力喷嘴从侧壁320的内表面327沿着相应的轴线334、362和382向内延伸，并且所有轴线均在对应点处并优选相对于穿过对应点的切线以大约40°的大致相等锐角与互动区域的周缘相交。第一、第二和第三动力喷嘴302、304和306优选围绕互动腔室308对称地排列并且等间距地间隔开。

三个间隔开的动力喷嘴出口区域346、370和390中的每个终止在互动腔室308处并且汇合到互动腔室308中，且喷嘴轴线334、362和382相对于它们的相应切线沿相同方向倾斜，并且轴线的方向偏离喷嘴300的中心轴线322。动力喷嘴轴线的该偏移引导来自第一、第二和第三动力喷嘴302、304和306中的每个的加速入射流体，从而以期望角度进入互动腔室308，以在互动腔室中迅速地开启并维持旋转或旋流涡流，其然后穿过端壁324喷出喷嘴出口310。如在图11中观察到的，动力喷嘴沿输入流体流动的方向的轴线各自定向到中心轴线322的一侧(例如左侧)，以围绕出口310生成顺时针旋流或流体涡流。如图所示，每个动力喷嘴的顺时针侧面上的侧壁(当沿流动的方向观察时为左侧壁)不与互动腔室侧壁正切但是与之平滑地汇合，以使来自喷嘴的流体流在互动区域308中生成期望的涡流或旋流。在动力喷嘴的相对侧面(当沿流动的方向观察时为右侧壁)上，侧壁在动力喷嘴与互动腔室的接合部处急剧地弯曲，以形成肩部356、378和398，其使互动腔室308中的循环顺时针流体流绕过喷嘴出口，继续其旋流运动以导致流体机械分解为细滴，其从出口孔口310以具有期望的一致滴尺寸的旋转细雾312喷出。

通过将动态流体回路(330)的深度Pd限制为小如流动要求和边界层效应所允许的(典型地Pd范围为0.2-0.5mm)，进入第一、第二和第三动力喷嘴302、304和306的流体的速度足以在互动区域中生成具有半径r并且具有期望的较高角速度ω＝Uθ/r的涡流。如以上指出的，喷嘴构件300由于被称为偏移因子的新开发的参数而效果良好。偏移因子定义为动力喷嘴宽度(Pw)与互动区域直径(IRd)的比值。在图10-12中示出的实施例中，每个动力喷嘴的窄出口(346、370、390)在与互动腔室308的相应交点(350、372、392)处的动力喷嘴宽度(Pw)或横向延伸度优选在0.2mm到0.6mm的范围内，并且在一个优选实施例中，Pw为大约0.39mm。对于图10-12中示出的实施例，互动区域308的横向延伸度或直径(IRd)优选在所选动力喷嘴宽度(Pw)的2到5倍的范围内，并且对于0.20mm到2.0mm的互动区域直径(IRd)看到良好的样品性能。基于对特定产品的喷嘴喷雾应用的流动要求，该IRd尺寸可以增加或减小。对于样品的改进工作已允许申请人发现对于三动力喷嘴构件300的最佳雾化性能(对于气溶胶流体产品)是对于这样的喷嘴插入件或杯结构获得的，所述这样的喷嘴插入件或杯结构包含一阵列的第一、第二和第三动力喷嘴302、304和306，其渐缩为所选动力喷嘴出口宽度(例如，0.39mm)，并且对于所选互动区域直径(例如，1.6mm)具有均匀的深度(例如，0.28mm)，所述所选的互动区域直径沿着中心喷雾轴线穿过具有所选最小(喉部)直径(例如，0.39mm)的出口孔口向远端排放或喷雾。应该指出的是，“偏移因子”不是以上描述并且在图11中示出的相对于出口孔眼的喷嘴轴线的目标“偏移”。互动腔室308优选具有与每个动力喷嘴相同的深度Pd，并且配置为使得流体从动力喷嘴流动，并以比流体进入喷嘴的速度更高的切向速度Uθ进入互动区域，从而在具有半径r和较高角速度ω＝Uθ/r的互动区域中生成涡流。迅速地回转或旋流的涡流322然后从互动区域308穿过出口孔眼射出，所述出口孔眼与喷嘴杯的中心轴线同轴地对齐。该构造使在旋流腔室中生成的旋流流体滴加速为高度旋转的流或喷雾312，其从出口孔眼或孔口310射出作为非常小的滴，其被防止凝结或重组为更大的滴。

在互动区域308中循环的流体中所包含的能量通过将回路深度Pd限制为小如流动要求和边界层效应所允许的(典型地范围为0.2mm到0.5mm)而得以维持。额外地，出口孔口310的圆柱形部分或喉部的喷雾轴线长度是有限的，并且尖锐边缘在可能的情况下被倒圆。优选的出口孔口轮廓降低剪切损失并且最大化锥角以阻止凝结。最后，三动力喷嘴实施例也可以构造为在单杯形喷嘴构件中具有多个出口孔口(例如，一个类似于310并且另一个未示出)。

如图12中所示，杯形喷嘴300可安装在流体喷雾分配器头400中，其安装在供流体通过分配器通道402喷出的流体容器401上或形成其一部分。喷头包含流体室或膛孔403(由管状外壁404和中心圆柱形密封立柱406限定)，其牢固地接收喷嘴插入件或杯300，如通过摩擦配合或卡扣配合(例如，具有可选的保持倒钩，未示出)。杯形插入件300(其插入膛孔403中)装配在密封立柱上，并且可以可选地包括上侧向外延伸的凸缘410，其形成在喷嘴本体部分318上并且配置为在外壁404的端部处与向外扩口的肩部412接合，以在膛孔403中定位喷嘴300。多个(优选为三个)纵向或轴向地延伸的对齐肋414、416和418形成在插入件300的侧壁320的内表面360上，以使喷嘴壁与密封立柱406的外表面接合并与之间隔开。这些肋围绕密封立柱定位喷嘴构件，以在密封立柱与杯形构件或插入件的内表面327之间限定流体流动通道420。通道420从膛孔403引领到流体回路扩大端部区域346、368和388，其用作到动态流体回路330的第一、第二和第三动力喷嘴302、304和306的流体入口内腔。密封立柱的远端端部422接合喷嘴端壁的内表面326，以闭合或密封流体回路330的底部，以限制流体到喷嘴和互动腔室。应指出的是，在本发明的所示实施例中，喷嘴侧壁320的底端部被斜切，如在430和432处，以促进喷嘴构件在膛孔403中的定位。

现在参考图10和12，喷嘴300的出口孔眼310在一些方面类似于图6中示出的出口孔眼，并且包含在端壁324中最佳地构造的输出或出口几何结构，但是限定出口孔口310的表面对最小化流体剪切损失并且最大化用于喷雾312的喷雾锥角做得更好。几何结构被表征为非圆柱形的出口通道440，其具有大致圆形的截面并且具有近端会聚进入部段442，其具有内径逐渐减小(从喷嘴的内部)的倒圆肩部和倒圆的中心通道部段444，其在会聚进入部段的上游并且限定有很少到没有圆柱形脊台的最小出口直径部段。在部段444的下游，出口孔眼在446处急剧打开，留下尖锐的出口边缘。在互动区域308中生成的涡流向远端流动到出口孔眼的进入部段442中，穿过最小直径部段444，并且流出出口孔眼到环境大气，如流312所示出的。出口孔眼的尖锐边缘简化喷嘴的制造，同时就模具侧对齐、模具磨损和所需维护而言使模具结构明显地更牢固。

在喷嘴插入件300的操作中，加压入口流体产品450(图12)从适当的分配器喷头流动到喷嘴的内部中，穿过流动通道420，趋向并进入被形成和限定在远端壁324的内表面中的动力喷嘴302、304和306的流体入口内腔中。加压入口流体450沿着圆柱形侧壁的内表面327向远端流动趋向动力喷嘴，并且在触及壁324时进入动力喷嘴内腔的扩大区域，在这里它被向内引导趋向互动区域308和出口孔眼310。第一、第二和第三动力喷嘴302、304和306的轴线334、362和382相对于出口310的轴线322偏移，并且相对于与互动区域的周缘正切的对应线倾斜，以为入射流体提供所选的攻角。动力喷嘴内腔的向内渐缩使沿着它们朝向动力喷嘴出口与互动腔室的相交部流动的流体加速。偏移和尖锐的攻角使进入互动腔室的流体喷射流弯曲离开互动区域壁，并且在流动的流体中开启并维持旋流旋转运动，从而在流体中形成涡流，其沿着中心喷雾轴线322向远端流出出口孔眼，使得细的均匀大小的小的未凝结滴312的大致对称的锥形流体喷雾沿着中心轴线322向远端被引导出并离开喷嘴300。

图10-12中示出的三动力喷嘴实施例采用不同的几何结构，其采用新发现的关系组(偏移因子)，在本发明的装置的测试中发现最佳雾化性能被测量到对于0.20到0.50mm之间的偏移因子发生。对于喷嘴插入件300的优选偏移因子被发现为0.244。相对于攻角，其在本发明的三动力喷嘴实施例中是流被引导到互动区域308中的角度，申请人已经确定的是动力喷嘴应该从切线倾斜40度(或在30-50°的范围内)。这提供空间来供来自第一、第二和第三动力喷嘴302、304和306的液体喷射流与互动区域壁分离并且随着它们流动离开动力喷嘴出口而弯曲。

本发明的三动力喷嘴实施例300改进了效率，即通过采用在互动区域中建立的流场来加速三个液体喷射流，而在动力喷嘴中不需要巨大的会聚壁(其会掠夺流的动能)，从而允许生成大的角速度和优异的雾化性能。本发明的互动区域和动力喷嘴所限定的内腔间的互连和形状用于通过将回路深度限制为小如流动要求和边界层效应所允许的，而维持在互动区域中包含的能量。

额外地，本发明受益于限制出口孔口310的喷雾轴线长度，这降低剪切损失并且最大化锥角以阻止凝结。如以上指出的，开发喷嘴插入件300(如图10、11和12中所示)的工作是旨在克服现有技术的问题，并且可靠地生成并维持所选尺寸和速度的细雾状滴的喷雾，部分地是通过避免在雾化之后的凝结或合并(如以上描述的)。申请人已经了解到通过最少化滴碰撞和结合以避免重新形成为更大滴来最佳避免或减轻凝结，从而导致整体上更小和更均匀的颗粒尺寸分布。对于给定质量流量通过使限定喷雾312的锥角最大化而使滴碰撞最少化，因此凝结现象的概率被降低。

喷嘴插入件300确实在高能量机械分解(“HE-MBU”)喷嘴性能上提供进一步的改善，所述喷嘴性能部分地依赖于上述出口构造，其中鉴于注射成型的当前局限，轴向长度(沿着喷雾轴线322)是尽可能短的。喷嘴构件300的相对较短的出口孔口310的目的是减轻摩擦损失并且促进旋转膜的不受限形成和扩张。本申请人近来开发出(并且单独地应用)的MBU喷嘴组件(图2-9中示出)和喷嘴构件300的出口孔口上的最显著差异是，本发明的喷嘴组件300提供限定更大锥角(或半角)的出口孔口310。依据本发明的方法，通过建立以上描述的流并且引导那些流穿过出口孔口310从而对于给定质量流量最大化锥角，发生凝结现象的概率被降低。贯穿本发明的所有HE-MBU实施例有所不同的两个最重要的孔口尺寸包括：

(a)出口孔口310的内径，其已经被选择为在0.20mm到1.0mm的范围内。该尺寸基于喷嘴喷雾应用的流动要求而有所不同；以及

(b)出口孔口310的圆柱形脊台长度(沿着喷雾轴线322)，其已经被选择为在0.01-1.0mm的范围内。该尺寸基于应用的锥角要求而有所不同。在申请人的最近的工作中，该孔口脊台长度应该通常≤0.05mm，以避免限制锥体，但是它可以对于某些喷雾应用增加(代价为滴尺寸更大)，以防止喷雾312的锥体冲击到产品包装上。

尽管本发明的喷嘴组件和方法是依据优选实施例进行描述和图示的，但应该明白的是变型在本发明的范围内是可能的。例如，第一、第二和第三动力喷嘴302、304和306被示为围绕互动区域的周缘大致等间距地间隔开并且具有大致相等的偏移和攻角，但是可以对这些参数做出修改，如通过围绕周缘提供不同间距，和/或改变偏移和攻角。进一步，本发明的三动力喷嘴实施例也可以构造为在单杯形喷嘴构件中具有多个出口孔口，包括用于每个出口孔口的增强旋流诱导雾生成结构。

已描述了用于生成和发射雾状小滴的新型和改进的喷嘴构造和方法的优选实施例，相信的是本领域的技术人员鉴于本文中给出的教导将教示其它的修改、变型和变化。因此应理解的是，所有这种变型、修改和变化都被认为落入如后附权利要求书中给出的本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种喷雾喷嘴插入件(300)，其构造为生成具有提高的旋转或角速度ω的旋流式喷雾，从而得到更小的喷射滴尺寸，包括：

杯形喷嘴本体(318)，其具有环绕中心纵向喷雾轴线(322)的圆柱形内侧壁(327)和圆形的闭合端壁(324)；

出口孔口或出口孔眼(310)，其与穿过所述端壁的所述中心喷雾轴线同轴；

动态流体回路(330)，其被限定在所述端壁的内表面(326)中，所述流体回路包括第一、第二和第三沿周向间隔开的向内渐缩的动力喷嘴(302、304、306)，所述动力喷嘴终止于环绕所述出口孔眼的中心互动区域(308)中，所述动力喷嘴围绕所述互动区域等间距地间隔开并且具有相对于所述出口孔眼偏移的相应纵向导引轴线(334、362、382)，由此被引入所述流体回路中的处于压力下的流体沿着所述动力喷嘴腔室流动到所述互动区域中，以生成作为旋流式喷雾离开所述出口孔眼的流体涡流。

2.如权利要求1所述的喷雾喷嘴，其中，所述第一、第二和第三沿周向间隔开的向内渐缩的动力喷嘴(302、304、306)中的每个的纵向轴线(334、362、382)在交点(350、372、392)处相对于与所述互动区域正切的线(354、376,396)以尖锐的攻角(352、374,394)与所述互动区域相交。

3.如权利要求2所述的喷雾喷嘴，其中，所述第一、第二和第三动力喷嘴302、304和306中的每个具有在30-50°范围内(并且优选为大约40°)的攻角(382)。

4.如权利要求1所述的喷雾喷嘴，其中，所述动态流体回路(330)具有从大约0.2mm到大约0.5mm(并且优选为大约0.28mm)的恒定深度(Pd)。

5.如权利要求1所述的喷雾喷嘴，其中，所述中心互动区域(308)是圆形的，并且具有所选的互动区域直径(IRd)；

其中每个动力喷嘴在其与所述互动区域的相交部处具有所选的动力喷嘴宽度，并且其中所述所选的动力喷嘴宽度(Pw)被选择为提供0.2到0.5的偏移因子(Pw/IRd)。

6.如权利要求1所述的喷雾喷嘴，其中，每个动力喷嘴从扩大区域(332、360、380)向内朝所述互动区域处的窄的出口区域(346、370、390)平滑地渐缩以加速流体流。

7.如权利要求6所述的喷雾喷嘴，其中，所述动力喷嘴和所述互动区域具有大致恒定的深度Pd，并且其中每个所述动力喷嘴在其与所述互动区域的相交部处在其窄的出口区域处具有最小宽度Pw。

8.如权利要求7所述的喷雾喷嘴，其中，所述互动区域是圆形的，且其直径IRd在动力喷嘴出口宽度Pw的二(2)到五(5)倍的范围内，以提供0.20到0.50的偏移因子Pw/IRd。

9.如权利要求8所述的喷雾喷嘴，其中，所述动力喷嘴中的每个的纵向轴线(334、362、382)在交点(350、372、392)处相对于与所述互动区域正切的线(354、376、396)以尖锐的攻角(352、374、394)与所述互动区域相交。

10.如权利要求9所述的喷雾喷嘴，其中，每个动力喷嘴具有大约40°的攻角(382)。

11.如权利要求1所述的喷雾喷嘴，其中，所述动态流体回路的所述动力喷嘴和所述互动区域由大致垂直于所述端壁的连续壁(342、366、386)限定。

12.如权利要求11所述的喷雾喷嘴，其中，所述互动区域大体上是圆形的，并且与所述出口孔眼同轴。

13.如权利要求12所述的喷雾喷嘴，其中，所述喷嘴包含通向与所述喷嘴侧壁同轴的单个出口孔眼的单个动态流体回路(330)，并且其中所述动力喷嘴围绕所述出口孔眼等距地间隔开。

14.一种用于以降低的凝结和一致地小的滴尺寸生成旋流式喷雾的方法，包括以下步骤：

(a)在喷嘴本体(318)的端壁(324)中提供出口孔眼(310)；

(b)形成动态流体回路(330)，其具有环绕所述端壁中的所述出口孔眼的互动腔室(308)；

(c)形成三个流体动力喷嘴(302、304、306)作为所述流体回路的一部分并且使动力喷嘴围绕所述互动腔室间隔开并与之相交，所述动力喷嘴具有相对于所述出口孔眼偏移的纵向轴线(334、362、382)；

(d)将加压流体(450)引入到所述动力喷嘴中，以将所述流体引导到所述互动腔室中；以及

(e)将所述动力喷嘴成形为加速所述流体，以在所述互动腔室中生成流体涡流，其穿过所述出口孔眼离开所述喷嘴以生成旋流式输出喷雾(312)。

15.如权利要求12所述的方法，进一步包括：在动力喷嘴与互动区域的交点(350、372、392)处相对于与所述互动腔室正切的线(354、376、396)以锐角(352、374、394)倾斜每个所述动力喷嘴，以生成所述流体涡流。