CN110418676A - 用于生成微泡沫的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于生成微泡沫的设备或方法，所述设备包括具有入口(107，110)和出口的通道，可发泡液体(101)和增压气体(102)源被布置成供送到所述入口(107，110)中，其中，所述通道由用以提供振荡流动方向的空间振荡流动通道(106)组成，所述空间振荡流动通道(106)围绕整体流动方向振荡，所述空间振荡流动通道(106)具有一组与所述流动方向垂直的平截面，在所讨论的平面(46)中具有与所述整体流动方向垂直的子组平截面，所述子组包括至少一个平面(46)，所述至少一个平面不与所述子组中的至少一个其他平面(46)重叠。

Description

用于生成微泡沫的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于利用具有入口和出口的通道来生成微泡沫的方法和设备。
背景技术
泡沫是由包围离散气体实体的连续液相或固相组成的两相系统。泡沫的连续相通常包含表面活性剂或稳定剂，其防止泡沫聚结并因此阻碍气泡回复到连续气相并从泡沫中分离出来。微泡沫可以被定义为是泡沫的特殊情况，其中气泡通常小于100微米，具有较低的多分散性(例如标准偏差小于40微米)。
用于生成微泡沫的方法和设备是已知的。
例如在高剪切混合器中，机械搅打依赖于使用机械运动件来使用机械剪切以减小气泡尺寸。这类混合器依赖于高速叶轮或搅拌器头部的旋转来混合不同的相和其他成分。这些装置中的头部速度通常大于10000rpm。
因此，已知的生成微泡沫的方法对于制造而言相当昂贵且体积庞大，并且不便于用作一次性使用的物品，例如用作消费者包装的一部分。
还可以由含有溶解的或液化的气体推进剂的喷雾罐来生成微泡沫。然而，越来越多地认为这些在环境方面以及从健康和安全的角度来看都是有问题的。
US 2015/0360853 A1披露了一种通过充填柱供送可发泡液体和增压气体来生成微泡沫的方法。然而，充填柱不太方便，因为它可能会形成死区，这样会引起卫生问题。
发明内容
本发明利用了一种包括空间振荡通道的新型几何结构，已经发现该空间振荡通道仅通过将可发泡液体和增压气体引入到入口中来提供微泡沫。在适当的条件下，微泡沫在振荡通道中生成并从通道的出口排出。
在第一方面，本发明涉及一种用于生成微泡沫的设备，所述设备包括具有入口和出口的通道，可发泡液体和增压气体源被布置成供送到所述入口中，其中，所述通道由用以提供振荡流动方向的空间振荡流动通道组成，所述空间振荡流动通道围绕整体流动方向振荡，所述空间振荡流动通道具有一组与所述流动方向垂直的平截面，在所讨论的平面中具有与所述整体流动方向垂直的子组平截面，所述子组包括至少一个平面，所述至少一个平面不与所述子组中的至少一个其他平面重叠。
在第二方面，本发明涉及一种生成微泡沫的方法，所述方法采用一种设备，所述设备包括具有入口和出口的通道，所述方法包括在压力下将气体和可发泡液体供送到所述通道的所述入口中，其中，所述通道由用以提供振荡流动方向的空间振荡流动通道组成，所述空间振荡流动通道围绕整体流动方向振荡，所述空间振荡流动通道具有一组与所述流动方向垂直的平截面，在所讨论的平面中包括与所述整体流动方向垂直的子组平截面，所述子组包括至少一个平面，所述至少一个平面不与所述子组中的至少一个其他平面重叠。
因此，通过采用空间振荡几何结构并且在适当的供送压力下，可发泡液体和气体形成微泡沫。相信这是因为空间振荡通道提供了由于振荡而产生微泡沫的特定的剪切环境。
对于任何给定的微泡沫，都将会需要达到特定的气液比范围。这可以通过使用本领域技术人员已知的方法分别改变气体和液体的源压力和/或流动通道阻力来容易地获得。
因此，空间振荡流动通道是静态的，但是在空间上振荡，以提供围绕整体流动方向不断地改变方向的流动方向。
因为该设备和方法不包含移动件，所以可以相对便宜地并且基本上以任何规模制成。这样允许其用于小规模分配应用直至用于工业应用。
在本发明的上下文中，如果没有与所讨论的一个平面垂直的线穿过另一平面，则两个平面“不重叠”。
通道包括整体流动方向，空间振荡流动通道在该整体流动方向上振荡。如果不存在振荡，则整体流动方向可以被认为是通道的总体流动方向。因此，空间振荡流动通道不断地改变方向，通常改变到整体流动方向的任一侧，相信这是生成微泡沫所必需的。包含曲率但不在空间上围绕整体流动方向振荡的比如弧形、螺旋形和旋涡形等几何结构本身不会产生微泡沫。这是因为它们不涉及围绕整体流动方向改变方向。
空间振荡流动通道可以包括规则的重复图案，或者其可以涉及随机要素或不规则尺寸，只要是该空间振荡流动通道围绕整体流动方向振荡。
振荡流动通道的截面可以采取任何几何结构，但是通常是比如矩形、圆形、卵圆形、菱形等规则形状。
空间振荡流动通道包括入口与出口之间的单一流动通道。这意味着进入入口的气体和液体沿着单一流动路径一起流动，直到它们到达出口。
这意味着空间振荡流动通道是没有通道的分流和再合并的单一通道。具有入口和出口的单一振荡通道具有优于包括接头的装置的优点。例如，其尽量减小或防止出现死区。
然而，这种单一流动通道可以包括将液体和/或气体引入单一流动通道中的附加入口。另外，单一流动通道可以包括附加出口，使得一些流在经由这些出口中的一个出口离开设备之前分流。然而，如果流以这种方式分流，则经分流的流体不会在下游再合并在一起，而是简单地经由出口离开设备。以这种方式，尽管可能存在多于一个入口和出口，但是在设备中保持了单一导向的流动路径的优点。
然而，多个单一空间振荡流动通道可以平行地分组在一起以根据期望增加通过量。
已经发现，将空间振荡流动通道的平均截面面积设置为从0.5mm2至5mm2，得到了良好的结果。
优选地，所述子组包括至少一个平面，所述至少一个平面不与所述子组中的与其相邻的两个平面中的任何一个重叠的。
在优选实施例中，子组中的至少10个平面、优选地至少20个、更优选地至少40个不与所述子组中的与其相邻的两个平面中的任何一个重叠。然而，已经发现，在一定数量以上，在所产生的泡沫的质量方面存在递减回退。因此，优选地，在子组中存在少于1000个平面、优选地少于200个平面、更优选地少于100个平面，这些平面不与所述子组中的与其相邻的两个平面中的任何一个重叠。
优选地，所述子组中的基本上所有平面都不与所述子组中的与其相邻的两个平面中的任何一个重叠。
根据前述权利要求中任一项所述的方法或设备，其中，所述子组中的平面之间的平均距离为从0.5mm至20mm。
所述气体可以包括空气、氮气、烃气、二氧化碳、一氧化二氮、或者实际上使用者可能希望结合到微泡沫的气泡中的处于其气相的任何化合物或化合物的混合物。
微泡沫具有使其与广泛的工业、商业、家庭以及医疗应用相关的许多特性，这些应用包括但不限于：基于肥皂的泡沫、剃须泡沫、润肤霜、防晒霜、咖啡沫和拿铁泡沫、护发产品、表面清洁配制剂、搅打奶油、乳品泡沫(包括冰淇淋)、烹饪泡沫、烘焙和糖果产品、隔热和隔音、建筑材料、轻质包装物以及空间充填材料。优选的微泡沫是基于乳制品的，例如奶和/或奶油或合成性等同物。
微泡沫还用于较大的气/液界面区域可能有益的过程，例如气/液分离过程(比如气体洗涤)或者气/液反应过程(比如在燃料电池中发生的气/液反应过程)。
该设备可以由范围广泛的材料形成，这些材料包括：塑料(例如聚丙烯、PET、聚乙烯、ABS、尼龙、PLA、PVC、TeflonTM、丙烯酸、聚苯乙烯、PEEK等)、金属、玻璃、工程纤维基体、或者可以被模制、铣削、印刷、铸造、机加工、烧结、蚀刻、雕刻、锻造、吹塑、压制、冲压、电子束加工、激光切割、层压并成形为适当形状的其他任何材料。
在需要非常低的成本的一次性使用的(或者可能是单次使用的)装置的情况下，许多塑料可能更合适，因为其成本较低、可以回收、并且适合于比如注射成型等大批量制造方法。在其他应用中可能需要可重复使用的装置，例如零售咖啡出售机内的奶泡形成模块或制造发泡食物产品的加工线。在这种情况下，金属、陶瓷或玻璃(可能由周围的结构支撑)可能更合适，因为它们更耐化学和机械清洗、热处理、蒸汽清洗、高压灭菌和集成。
当前发明可以用作用于生成低至中等体积流量的微泡沫的单一几何结构通道，或者多个发泡器单元可以并行运行以达到更适合于工业和制造应用的更高的体积流量。
在一个优选实施例中，所述设备包括增压容器，所述增压容器包括可开合的出口，所述容器容纳处于压力下的可发泡液体和气体，所述设备被布置成将所述可发泡液体和气体输送到所述空间振荡通道的所述入口，所述空间振荡通道的所述出口联接至所述设备的所述可开合的出口，使得当所述可开合的出口打开时，所述容器内部的压力与所述出口处的压力之间的压力差足以驱使所述可发泡液体和气体进入所述入口中，从而生成微泡沫，所述微泡沫离开所述出口并且进而离开所述设备的所述可开合的出口。
附图说明
现在将参考以下附图来说明本发明，在附图中：
图1是在示例中用于生成微泡沫的设备的示意性表示。
图2是由根据本发明的设备产生的微泡沫的图像。
图3是包括落在本发明之外的振荡流动路径的锯齿形设备的平面图。
图4是包括落在本发明之外的振荡流动路径的凹口形设备的平面图。
图5是包括根据本发明的振荡流动路径的蛇形设备的平面图。
图6是包括根据本发明的振荡流动路径的凹口形设备的平面图。
图7是包括根据本发明的振荡流动路径的设备的透视图。
图8是根据本发明的用于输送微泡沫的装置的侧剖视图。
图9是仅示出帽盖组件的图8所示的装置的变体的侧剖视图。
图10是根据本发明的用于输送微泡沫的第二装置的侧剖视图。
具体实施方式
转向附图，图1示出了试验台的图形。压缩机12用于经由2.5mmID管道13向T型连接器14供应增压空气，该T型连接器向含有载有表面活性剂的液体的容器15(液体容器)和仅含有气体的容器16(气体容器)供应增压空气。管道(2.5mm ID)将两个容器的出口都连接至第二T型连接器17，该第二T型连接器进而(经由2.5mm ID管道)连接至微泡沫生成装置18。液体容器被定向成使得连接至压缩机的管道供送到液体容器的顶部空间中，并且通向微泡沫生成装置的管道被连接至液体管线下方的液体容器。然而，在图1中，连接器17是T型连接器、Y型连接器或提供正确的气液比的其他几何结构的连接器，优选地为横跨通向微泡沫生成装置的气液导管的断续的封包。
本文举例说明的三类几何结构(锯齿形、凹口形和蛇形)中的每一个都在3D打印机用PLA打印出来，并且被容纳在塑料壳体中以包含压力。管道经由快装件连接至壳体，该快装件通向微泡沫发生装置的入口。针阀19安装在压力容器的出口与通向微泡沫生成装置的T形连接器的入口之间的管线中，使得可以调节液体和气体的流速。
当压缩机开启时，对气体容器以及液体容器的顶部空间进行增压，从而使得气体通过针阀流出气体容器并且使得液体通过针阀流出液体容器并流入第二T形连接器，在此它们结合成气体/液体混合物，迫使该混合物通过微泡沫生成装置。对针阀进行调节以将气体和液体以一定范围的不同流速供应给微泡沫生成装置。在得到微泡沫的情况下，可以改变空气和气体的比率，以产生具有一定范围的液气比的微泡沫，从而生成具有一定范围的质地从流体样湿泡沫到非常硬的干泡沫的产品。以下示例中报告了最大空气夹杂值。
已经发现，为了生成粘度为1cp的可发泡流体的微泡沫，表观液体速度优选地在以下范围内：500-750mm/s(大部分数据都置于这个范围内)，然后最优选地是在250-1500mm/s的范围内(所有数据都置于这个范围内)。
为了生成具有更高粘度(5-50cP)的微泡沫，表观液体速度优选地在500-2000mm/s的范围内(大部分数据都置于这个范围内)，然后最优选地是在500-2500mm/s的范围内(所有数据都置于这个范围内)。表观液体速度＝(可发泡流体的体积流速)/(流动通道中的最小截面面积)
所测试的液体的粘度如下：FairyTM液体(将1份稀释在10份水中):1cp、脱脂奶(脂肪<0.3％):5cp、搅打奶油(39.8％脂肪):50cp。
在25℃下利用稀释的FairyTM液体对每个发泡器进行测试，该液体是可在英国获得的洗碗液，其主要是十二烷基硫酸钠(1份FairyTM液体:10份水)。将压缩机压力设定为5巴。在不同情况下，最终微泡沫中包含的气相体积>95％。在表1中记录了生成微泡沫的测试条件和实例。
表1
对于选定数量的几何结构，使用冷冻(5℃)脱脂奶(脂肪含量为至1％)来重复这些示例。最初将压缩机压力设定为5巴，然而如果没有产生微泡沫，则在8巴下重复这些示例。在表2中示出了结果。
表2
对于选定数量的几何结构，利用冷冻(4℃)搅打奶油(脂肪含量为38％)来重复这些示例。最初将压缩机压力设定为5巴，然而如果没有产生微泡沫，则在8巴下重复这些示例。在表3中示出了结果。
表3
在乳制品(脱脂乳、奶油)的情况下，存在与产品温度相关的微泡沫降解性能依赖性。在7℃左右，奶和奶油的起泡性和微泡沫稳定性似乎劣化了，这与乳品文献中的其他地方的观查结果一致。
在生成微泡沫的情况下，对微泡沫中的液流速和气相体积进行测量。将由凹口发泡器生成的稀释的FairyTM液体微泡沫的样品收集在培养皿中。将培养皿倒置，并且从上方(通过玻璃)捕获显微镜图像。在采集样品3秒内捕获图像。在图2中示出这个显微镜图像。将显微镜图像转换成气泡大小分布，发现其平均值为39.2微米并且标准偏差为25.21微米。
在表1中可以看出，还证明凹口形、锯齿形和蛇形发泡器够从稀释的FairyTM液体中生成微泡沫。
还证明凹口形发泡器能够生成非常细的且均匀的气泡结构(平均气泡大小为39.2微米，标准偏差为25.21微米)。总共有354个气泡被设定大小以生成这些统计数据。
在表2和表3中，可以看出凹口形、锯齿形和蛇形发泡器能够从冷冻脱脂奶和搅打奶油中生成微泡沫。在凹口形发泡器的情况下，搅打奶油的最大空气含量为58％，这接近通过机械搅打可获得的最大空气含量。
发泡器测试几何结构的命名
大部分测试是在3种发泡器几何结构(锯齿形、凹口形和蛇形)的变体上进行的。已经介绍了表中提到的发泡器几何结构，使得可以简明且明确地引用发泡器。
1)锯齿形发泡器：由宽度为“wz”且深度为“dz”(在与页面垂直的方向上测量)的矩形通道组成。如图3所示，通过使三棱柱(具有等腰三角形底部)延伸到流动通道中来形成锯齿形流动通道。棱柱体向通道中延伸距离“ez”，并且相邻顶点之间的距离被表示为“sz”。各三角形的相同面之间的角度表示为“at”度，并且发泡器中包含的三角形总数表示为“nt”。命名Z(wz，dz，ez，az，sz，nz)将表示发泡器具有锯齿形几何结构，具有如上指定的参数。
2)凹口形发泡器：由宽度为“wn”且深度为“dn”(在与页面垂直的方向上测量)的矩形通道组成。规则间隔的凹口(矩形棱柱)从相反两侧以交替布置的方式延伸到通道中达距离“en”，如以下图4所示。凹口的宽度为“bn”，凹口之间的间距为“sn”，并且几何结构中的凹口的总数为“nn”。在图4中示出这些参数。命名法N(wn，dn，en，bn，sn，nn)将表示发泡器具有凹口形几何结构，具有如上指定的参数。
3)蛇形发泡器：弯曲的流动通道被定义为由半径为“ri”和“ro”以及高度为“ds”的两个同心圆柱体之间的“as”度的弧形扫出区域。通过将总数量为“ns”的流动通道连接在一起而形成蛇形发泡器，如图5所示。命名法S(ro，ri，ds，as，ns)将表示发泡器具有蛇形几何结构，具有如上指定的参数。
图3中示出了落在本发明范围之外的锯齿形几何结构的示例，该图示出了振荡流动路径20的平面图，该振荡流动路径在整个范围内具有变化的矩形横截面，并且在空间上围绕由箭头22所示的整体流动方向振荡。应当注意到，存在与整体流动方向垂直的多个平截面24、26、28的子组。然而，还将注意到，子组中的平面26与平面24和28重叠，并且因此落在本发明的范围之外。然而，如果参数ez增加，则当平面26不再与平面24或28重叠时，该几何结构可以落入本发明内。
图4中示出了落在本发明范围之外的凹口形几何结构的示例，该图示出了振荡流动路径30的平面图，该振荡流动路径在整个范围内具有基本上恒定的矩形横截面，并且在空间上围绕由箭头32所示的整体流动方向振荡。应当注意到，存在与整体流动方向垂直的多个平截面34、36、38的子组。然而，还将注意到，子组中的平面36与平面34和38重叠，并且因此落在本发明的范围之外。然而，如果参数en增大到使得其大于wn/2，则当平面36不再与平面34或38重叠时，几何结构可以落入本发明内。
图5中示出了落入本发明范围内的蛇形几何结构的示例，该图示出了振荡流动路径40的平面图，该振荡流动路径在整个范围内具有基本上恒定的矩形横截面，并且在空间上围绕由箭头42所示的整体流动方向振荡。应当注意到，存在与整体流动方向垂直的多个平截面44、46、48的子组。还将注意到，子组中的平面46不与平面44和48重叠，并且因此落入本发明的范围内。
图6中示出了落入本发明范围内的凹口几何结构的示例，该图示出了振荡流动路径50的平面图，该振荡流动路径在整个范围内具有矩形横截面，并且在空间上围绕由箭头52所示的整体流动方向振荡。应当注意到，存在与整体流动方向垂直的多个平截面54、56、58的子组。还将注意到，子组中的平面56不与平面54和58重叠，并且因此落入本发明的范围内。
图7中示出了在二维上空间振荡的几何结构的示例，该图是振荡流动路径60，该振荡流动路径在整个范围内具有基本上恒定的矩形横截面，并且在空间上围绕由箭头62所示的整体流动方向振荡。应当注意到，存在与整体流动方向垂直的多个平截面64、66、68的子组。还将注意到，子组中的平面66不与平面64和68重叠，并且因此落入本发明的范围内。
图8和图10展示了包括增压容器的微泡沫生成装置的两个不同实施例。这些装置是可再充入、可再充填的喷雾器，尽管这些装置可以是一次性使用的，并且可以容纳本文所述的任何气体。
图8中的可再充灌、可再充填的喷雾器装置的第一实施例包括用于容纳可发泡流体101的保持容器104、压缩气体的顶部空间102以及带有气体导管108的微泡沫形成部分105。另外，存在带有密封件111的螺纹配合帽盖组件112、113，将带有单向阀116的增压气体充灌端口115与用于控制和分配微泡沫的手动阀弹簧组件117、118和喷嘴119结合。
喷雾器装置最初充填有处于大气压103下的可发泡流体。然后，将帽盖组件112应用于保持容器104，从而通过帽盖的流动路径115、121内的互锁螺纹113、可压缩密封件111和已关闭的阀116、118将容器内容物与外部大气隔离。装置102的顶部空间通过将高压气体连接器114连接至所期望的气体的外部充灌供应源而被增压到所需水平。气体的充灌供应源可以由空气泵、气体压缩机、增压集气箱、增压气瓶和小体积增压气体球泡提供。充灌气体穿过单向阀116，从而允许气体进入装置、但不会离开装置。气流然后经由充灌微泡沫通道接头156进入保持容器104，然后穿过微泡沫形成装置105内的流动通道106。使用泡沫形成部分106的微泡沫通道121和空间振荡流动通道作为充灌气体的共用导管具有的优点是增压气流对被源自可发泡流体或污染物的干燥或堆积的材料阻塞的通道进行反冲洗。一旦已经在保持容器104内获得所期望的气体压力，就可以将外部气体供应源从高压气体连接器114上断开。然后通过打开手动阀117产生可发泡液体101的微泡沫。阀117及其复位弹簧118可以由本领域已知的比如杠杆、触发器和按钮(未示出)等多种装置致动。而且，复位弹簧118相对于阀117的位置可以相对于手动致动设计的选择而变化。将阀117打开允许对保持容器104内的增压系统进行压力释放。压力释放导致可发泡流体101流入到泡沫形成装置流体入口107中，并且增压气体流入到气体导管108的入口110中，该气体导管被定位在没有可发泡流体液面的气体顶部空间内。气体导管108中的增压气流与来自入口107的可发泡液体在气液接头109处相遇，在此使气体结合到液流中。然后，随着两相流体流穿过微泡沫形成装置105中的振荡通道106，生成微泡沫。微泡沫然后通过微泡沫流动通道122和打开的阀117而流出微泡沫形成装置105。微泡沫最终通过喷嘴119离开装置120。当放开手动致动器(杠杆、触发器或按钮)、并且阀复位弹簧118使阀117关闭时，微泡沫生成停止，从而平衡装置内的系统压力。
通过经由高压气体连接器114将密封装置连接至外部充灌气体供应源，这个喷雾器装置可以在使用期间的任何时间进行再充灌。为了利用可发泡流体重新充填喷雾器装置，通过对阀117进行手动致动来释放残余气体压力。一旦喷雾器装置已经与大气压力103平衡，就放开手动致动器，从而将阀117关闭，然后可以安全地移除帽盖，以便利用可发泡流体来重新充填装置。
在图9中可以看到图8中展示的可再充灌、可再充填的喷雾器装置实施例的一种变体。图9仅示出了整个装置的螺纹帽盖组件124、125。在这个变体中，来自增压气体充灌端口127的充灌气流穿过单向阀128，然后穿过充灌气体出口133，通过密封件123中的分离孔直接进入压缩气体顶部空间102，而无需经由充灌气体-微泡沫通道接头156连接至微泡沫流动通道134。帽盖组件125、快速释放高压气体连接器126、手动阀和复位弹簧130、129、喷嘴131、带有气体导管(未示出)的微泡沫形成部分122以及微泡沫排出流132的所有其他方面如图8所述。对于不期望可发泡流体在微发泡形成之前经历预剪切和气化的系统而言，这种变体可能是有利的。
图10中展示了用于生成和分配微泡沫的可再充灌、可再充填的喷雾器装置的第二实施例。本实施例包括用于容纳可发泡流体134的保持容器137、压缩气体顶部空间135以及带有气体导管141的汲取管154。另外，存在带有密封件144的螺纹配合帽盖组件145、146，将带有单向阀149的增压气体充灌端口148、手动阀弹簧组件150、151以及容纳微泡沫形成部分138的喷嘴152结合在一起。微泡沫形成部分138可以与喷嘴成一体，但是其也可以是可拆除的，以便能够清洁、替换或与具有不同设计的微泡沫形成部分互换。
喷雾器装置最初充填有处于大气压136下的可发泡流体。然后，将帽盖组件145应用于保持容器137，从而通过帽盖148、145的流动路径内的互锁螺纹146、可压缩密封件144和已关闭的阀149、150将容器内容物与外部大气隔离。装置135的顶部空间通过将高压气体连接器147连接至所期望的气体的外部充灌供应源而被增压到所需水平。至于第一喷雾器装置实施例，气体的充灌供应源可以由空气泵、气体压缩机、增压集气箱、增压气瓶和小体积增压气体球泡提供。充灌气体穿过单向阀149，并且经由充灌气体汲取管接头155进入保持容器137，然后通过汲取管154和气体导管141并在汲取管入口140和气体导管入口143处排出。一旦已经在保持容器137内获得所期望的气体压力，就可以将外部气体供应源从高压气体连接器147上断开。然后通过打开手动阀150产生可发泡液体134的微泡沫。阀150及其复位弹簧151可以由本领域已知的比如杠杆、触发器和按钮(未示出)等多种装置致动。而且，复位弹簧151相对于阀150的位置可以相对于手动致动设计的选择而变化。将阀150打开允许对保持容器137内的增压系统进行压力释放。压力释放导致可发泡流体134流入到汲取管入口140中，并且增压气体流入到气体导管141的入口143中，该气体导管被定位在没有可发泡流体液面的气体顶部空间内。气体导管141和汲取管入口140中的增压气流在气液接头142处相遇，在此使气体结合到液流中。双相流体流穿过汲取管154并将阀150打开，然后进入位于帽盖组件145的喷嘴152中的微泡沫形成段138的振荡流动路径139。所生成的微泡沫最终流出端部微泡沫形成段153，并且被分配以供使用。当放开手动致动器(杠杆、触发器或按钮)、并且阀复位弹簧151使阀150关闭时，微泡沫生成停止，从而平衡装置内的系统压力。
通过经由高压气体连接器147将密封装置连接至外部充灌气体供应源，图10中的可再充灌、可再充填的喷雾器装置可以在使用期间的任何时间进行再充灌。为了利用可发泡流体重新充填喷雾器装置，通过对阀150进行手动致动来释放残余气体压力。一旦喷雾器装置已经与大气压力136平衡，就放开手动致动器，从而将阀150关闭，然后可以安全地移除帽盖，以便利用可发泡流体来重新充填装置。
图10中的喷雾器装置的变体可以与图9中所述的充灌气流路径的变化一致。在这个第二实施例(图10)的情况下，来自快速释放高压气体连接器147的充灌气流将通过专用充灌气体出口直接进入到增压顶部空间135内，而不是通过汲取管154经由充灌气体汲取管接头155流入。同样，对于不期望可发泡流体在微发泡形成之前经历预剪切和气化的系统而言，这种设计可能是有利的。
可替代地，图8和图10中示出的喷雾器装置实施例可以通过喷嘴用可发泡流体充填，同时手动阀处于打开位置，不需要移除和更换帽盖组件。
虽然未示出，但是在图8、图9和图10中，可以将压力释放阀结合到保持容器(图8的104、图10的137)中或帽盖组件(图8的112、图9的125和图10的145)中以防止过压，并且可以另外用于在重新充填可发泡流体之前对系统进行减压。
本发明的另一实施例是不可再充填的、不可再充灌的喷雾器装置。在此，在图8中(105)和图10中(138)中描绘的泡沫形成部分将利用单手致动阀组件来占据压接密封喷雾器装置内相似的相应位置。这种喷雾器装置可以在应用压接密封帽盖组件之前充填可发泡流体，或者在应用压接密封帽盖组件之后通过手动阀返回。通过使用增压充灌气体通过手动阀组件进行增压，将会对喷雾器装置进行增压。
可替代地，图10所示的布置可以包括包含汲取管154、气体导管141和可发泡液体134的袋。如图10所示，仍将发泡器集成到喷嘴中。
本发明的另一实施例是用于在耐用或半耐用泡沫分配装置中使用的、用于可发泡流体的功能性包装物。这种功能性包装物是一次性使用的，并且更优选地是可回收的。在图11中示出这种功能性包装物的示例。该包装物包括具有汲取管157的密封发泡器组件156，具有由液体入口158、振荡流路159和微泡沫出口160形成的单一连续流路。组件a具有带有气体入口162的已附接的气体导管161，该气体导管与液体入口流动路径163相交以形成气液混合接头164。如图所示，气体导管161可以附接至汲取管157，但是可以集成到汲取管157中以形成单一紧凑结构(未示出)。密封泡沫器组件156还具有密封凸缘165，该密封凸缘能够与耐用或半耐用泡沫分配装置形成压力密封(图12)。附接至密封发泡器组件156的是液体保持器166。液体保持器166以与密封发泡器组件156形成完全密封的方式附接，并用作防漏液体容器。液体保持器166可以是刚性的，并且由任何合适的材料制成，但是也可以是柔性小袋，优选地由阻隔塑料或塑料金属层压件形成。液体保持器166容纳可发泡流体167，并且包围密封发泡器组件156的汲取管157和气体导管161。经由微泡沫出口160、通过液体保持器中的充填后被密封的比如接缝等开口、或者经由集成到液体保持器壁中的端口或阀(未示出)，可以将可发泡流体167引入到液体保持器166中。可发泡流体167将被充填到液体保持器166中，其方式是顶部空间162中没有气体、或者存在处于大气压或低于大气压的所期望的气体或气体混合物的顶部空间162。包装物还可以具有应用于微泡沫出口160的可移除或易碎的密封件(未示出)，以防止泄漏、保护可发泡流体免受污染并保持所期望的顶部空间条件。如果液体保持器166由柔性小袋形成，则其可以用减少储存空间并有利于插入到耐用泡沫分配装置中的方式卷起或折叠(图12)。折叠或卷起的流体保持器可以另外套有由塑料、金属箔、纸、卡或其他合适的材料制成的可移除或易碎的罩盖以获得稳定性并有助于插入到泡沫分配装置中。
图11中示出的示例功能性包装物实施例被设计用于图12中示出的耐用泡沫分配装置。在使用之前，可以从功能性包装物168中移除任何可移除的密封件或副包装物，然后将该功能性包装物插入泡沫生成装置的保持容器169中。保持容器可以在与功能性包装物171的密封凸缘的界面处具有O形环或垫圈170以提供压力密封件。可替代地，功能性包装物168的密封凸缘171可以结合其自身的O形环或垫圈，或者由适合于在压缩下形成压力密封件的柔顺材料形成。帽盖组件172经由螺纹173或其他合适的机构固定至保持容器169，从而将装置流动路径与外部大气隔离。帽盖组件将增压气体充灌端口174与单向阀175、手动阀弹簧组件176、177和分配喷嘴178结合在一起。经由增压气体充灌端口174、利用所需的气体或气体混合物将该装置充灌至所需的压力。增压气体供应源可以由气泵、气体压缩机、增压气瓶或小体积增压气体球泡提供。在对泡沫分配装置进地充灌时，充灌气体穿过功能性包装物汲取管180的振荡流动路径179，从而经由液体入口182以及气体导管的气体入口183而离开进入液体保持器181。液体保持器181(在柔性小袋的情况下)具有的膨胀体积等于或大于装置169的保持容器的体积。如果液体保持器181是刚性的，则其可以具有的体积允许在保持容器中处于最大配合，或者在保持容器的体积较小的情况下能够保持压力升高。一旦在功能性包装物168的顶部空间189内已经达到所期望的气体压力，就可以将外部气体供应源从高压气体充灌端口174上断开。
然后通过打开手动阀176产生可发泡流体184的微泡沫。阀176及其复位弹簧177可以由本领域已知的比如杠杆、触发器和按钮(未示出)等多种装置致动。而且，复位弹簧177相对于阀176的位置可以相对于手动致动设计的选择而变化。将阀176打开允许对保持容器169内的增压液体保持器181进行压力释放。压力释放导致可发泡流体184经由流体入口182流入到汲取管180中，并且增压气体流入到气体导管185的入口183中，该气体导管被定位在没有可发泡流体液面的气体顶部空间内。气体导管185和汲取管入口182中的增压气流在气液接头186处相遇，在此使气体结合到液流中。双相流体流穿过汲取管179中的振荡通道178，在此将其转化成微泡沫。微泡沫然后通过帽盖微泡沫流动通道187和打开的阀176而流出功能性包装物168。微泡沫最终通过喷嘴178离开装置188。当放开手动致动器(杠杆、触发器或按钮)、并且阀复位弹簧177使阀176关闭时，微泡沫生成停止，从而平衡装置内的系统压力。
通过经由高压气体连接器174将密封装置连接至外部充灌气体供应源，这个装置可以在使用期间的任何时间进行再充灌。当功能性包装物168内的可发泡流体184耗尽时，通过对阀176进行手动致动而释放残余气体压力。一旦该装置已经与大气压力平衡，就放开手动致动器，从而将阀176关闭，然后可以安全地移除帽盖。然后从保持容器169中移除功能性包装物168并且进行处理或回收。将新的功能性包装物168插入到保持容器中，并且重复该过程。

Claims (14)

1.一种用于生成微泡沫的设备，所述设备包括具有入口和出口的通道，可发泡液体和增压气体源被布置成供送到所述入口中，其中，所述通道由用以提供振荡流动方向的空间振荡流动通道组成，所述空间振荡流动通道围绕整体流动方向振荡，所述空间振荡流动通道具有一组与所述流动方向垂直的平截面，在所讨论的平面中具有与所述整体流动方向垂直的子组平截面，所述子组包括至少一个平面，所述至少一个平面不与所述子组中的至少一个其他平面重叠。
2.一种生成微泡沫的方法，所述方法采用一种设备，所述设备包括具有入口和出口的通道，所述方法包括在压力下将气体和可发泡液体供送到所述通道的所述入口中，其中，所述通道由用以提供振荡流动方向的空间振荡流动通道组成，所述空间振荡流动通道围绕整体流动方向振荡，所述空间振荡流动通道具有一组与所述流动方向垂直的平截面，在所讨论的平面中包括与所述整体流动方向垂直的子组平截面，所述子组包括至少一个平面，所述至少一个平面不与所述子组中的至少一个其他平面重叠。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法或设备，其中，所述子组包括至少一个平面，所述至少一个平面不与所述子组中的与其相邻的两个平面中的任何一个重叠。
4.根据权利要求3所述的方法或设备，其中，所述子组中的至少十个平面不与所述子组中的与其相邻的两个平面中的任何一个重叠。
5.根据权利要求4所述的方法或设备，其中，所述子组中的基本上所有平面都不与所述子组中的与其相邻的两个平面中的任何一个重叠。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法或设备，其中，所述空间振荡流动通道的平均截面面积为从0.5mm2至5mm2。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法或设备，其中，所述空间振荡流动通道是没有通道的分流和再合并的单一通道。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法或设备，其中，所述子组中的平面之间的平均距离为从0.5mm至20mm。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法或设备，其中，所述可发泡液体是乳制品或合成性等同物。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法或设备，其中，所述气体包括空气、氮气、碳氢化合物、二氧化碳、一氧化二氮或其混合物。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法或设备，其中，所述微泡沫具有小于100微米的平均气泡直径。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法或设备，其中，所述空间振荡流动通道由塑料制成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法或设备，其中，所述空间振荡流动通道由3D打印机制成。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法或设备，其中，所述设备包括增压容器，所述增压容器包括可开合的出口，所述容器容纳处于压力下的可发泡液体和气体，所述设备被布置成将所述可发泡液体和气体输送到所述空间振荡通道的所述入口，所述空间振荡通道的所述出口联接至所述设备的所述可开合的出口，使得当所述可开合的出口打开时，所述容器内部的压力与所述出口处的压力之间的压力差足以驱使所述可发泡液体和气体进入所述入口中，从而生成微泡沫，所述微泡沫离开所述出口并且进而离开所述设备的所述可开合的出口。
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