ES2941261T3 - Aparato y método para generar una microespuma - Google Patents

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Abstract

Un aparato o método para generar una microespuma, comprendiendo el aparato un canal que tiene una entrada (107, 110) y una salida, una fuente de líquido espumable (101) y gas presurizado (102) dispuestos para alimentar la entrada (107, 110)), en el que el canal se compone de un canal de flujo oscilante espacialmente (106) para proporcionar una dirección de flujo oscilante, el canal de flujo oscilante espacialmente (106) oscila alrededor de una dirección de flujo a granel, el canal de flujo oscilante espacialmente (106) proporciona una secuencia de secciones transversales planas perpendiculares a la dirección del flujo, con una subsecuencia de secciones transversales planas que son perpendiculares a la dirección del flujo a granel en el plano (46) en cuestión, la subsecuencia que comprende al menos un plano (46) que no no solaparse con al menos otro plano (46) en la subsecuencia. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato y método para generar una microespuma
Campo técnico
La presente invención se refiere a un método y a un aparato para generar una microespuma utilizando un canal que tiene una entrada y una salida.
Antecedentes y técnica anterior
Las espumas son sistemas de dos fases que consisten en una fase líquida o sólida continua que rodea entidades de gas discretas. La fase continua de una espuma normalmente contiene un tensioactivo o estabilizante que evita que las burbujas se fusionen y, por lo tanto, impide que las burbujas vuelvan a convertirse en una fase gaseosa continua y se separen de la espuma. Las microespumas se pueden definir como un tipo especial de espumas en las que las burbujas suelen ser de menos de 100 micrómetros y tienen una baja polidispersidad (por ejemplo, una desviación estándar de menos de 40 micrómetros).
Se conocen métodos y aparatos para generar microespumas.
El batido mecánico se basa en el uso de piezas mecánicas móviles para emplear cizalla mecánica y reducir el tamaño de la burbuja, por ejemplo, en un mezclador de alta cizalla. Estos mezcladores se basan en la rotación de una hélice de alta velocidad o un cabezal batidor para mezclar diferentes fases y otros ingredientes. Las velocidades máximas en estos dispositivos suelen ser superiores a 10.000 rpm.
Por tanto, los métodos conocidos para generar microespumas son bastante caros y voluminosos de fabricar y no son convenientes para su uso como artículo desechable, por ejemplo, como parte del embalaje para el consumidor.
Las microespumas también pueden se pueden generar con botes de aerosol que contengan propulsores de gas licuado o disuelto. Sin embargo, estos se perciben cada vez más como problemáticos tanto desde el punto de vista ambiental como del de la salud y seguridad.
El documento US2015/0360853 A1 divulga un método para generar una microespuma introduciendo un líquido espumable y un gas presurizado a través de una columna de relleno. Sin embargo, una columna de relleno es un inconveniente ya que puede crear zonas muertas que planteen problemas de higiene.
El documento US 2015/0239645 divulga un aparato que suministra una cantidad predeterminada de contenido, que puede ser una espuma, utilizando un propulsor.
El documento WO 2013/038502 divulga un receptáculo de suministro de cosméticos de espuma bombeado a mano.
El documento US 2013/175306 divulga una válvula para formar una espuma a partir de un fluido, que comprende una cámara que contiene barreras que tienen aberturas.
Sumario de la invención
La presente invención utiliza una geometría novedosa que comprende un canal oscilante espacialmente que se ha descubierto que proporciona una microespuma simplemente introduciendo un líquido espumable y gas presurizado en una entrada. Con las condiciones apropiadas, se genera una microespuma en el canal oscilante que sale por una salida del canal.
En un primer aspecto, la invención se refiere a un aparato para generar una microespuma, de acuerdo con las características de la reivindicación 1, comprendiendo el aparato un canal que tiene una entrada y una salida, una fuente de líquido espumable y gas presurizado dispuesta para introducirlos por la entrada, en donde el canal comprende un canal de flujo espacialmente oscilante para proporcionar una dirección de flujo oscilante, proporcionando el canal de flujo espacialmente oscilante la oscilación alrededor de una dirección de flujo intenso proporcionando el canal de flujo espacialmente oscilante una secuencia de secciones transversales planas perpendiculares a la dirección del flujo, con una subsecuencia de secciones transversales planas que son perpendiculares a la dirección del flujo intenso en el plano en cuestión, comprendiendo la subsecuencia al menos un plano que no se superpone a al menos otro plano de la subsecuencia.
En un segundo aspecto, la invención se refiere a un método para generar una microespuma, de acuerdo con las características de la reivindicación 13, empleando el método un aparato que comprende un canal que tiene una entrada y una salida, comprendiendo el método introducir un gas y un líquido espumable en la entrada del canal bajo presión, en donde el canal comprende un canal de flujo espacialmente oscilante para proporcionar una dirección de flujo oscilante, oscilando el canal de flujo espacialmente alrededor de una dirección de flujo intenso, proporcionando el canal de flujo espacialmente oscilante una secuencia de secciones transversales planas perpendiculares a la dirección del flujo, comprendiendo una subsecuencia de secciones transversales planas que son perpendiculares a la dirección del flujo intenso en el plano en cuestión, comprendiendo la subsecuencia al menos un plano que no se superpone a al menos otro plano de la subsecuencia.
Por tanto, empleando una geometría espacialmente oscilante y bajo la presión de introducción adecuada, el líquido espumable y el gas forman una microespuma. Se cree que esto se debe a que el canal espacialmente oscilante proporciona un entorno de cizalla específico que produce la microespuma debido a las oscilaciones.
Con cualquier microespuma determinada, será necesario lograr un intervalo específico de relación gas-líquido. Este se puede obtener fácilmente modificando las presiones de origen y/o las resistencias de los canales de flujo del gas y del líquido respectivamente utilizando métodos conocidos por las personas expertas en la materia.
El canal de flujo espacialmente oscilante es, por tanto, estático, pero oscila en el espacio para proporcionar una dirección de flujo que cambia continuamente de dirección alrededor de una dirección de flujo intenso.
Debido a que el aparato y el método no suponen el uso de partes móviles, se puede fabricar de manera relativamente económica y esencialmente a cualquier escala. Esto permite su uso tanto en aplicaciones de dosificación a pequeña escala como en aplicaciones industriales.
En el contexto de la presente invención, dos planos "no se superponen" si no hay una línea que sea perpendicular a un plano en cuestión que atraviese el otro plano.
El canal comprende una dirección de flujo intenso, sobre la que oscila el canal de flujo espacialmente oscilante. La dirección de flujo intenso se puede considerar la dirección general del flujo del canal si no hubiera oscilaciones. Por lo tanto, el canal de flujo espacialmente oscilante cambia continuamente de dirección, por lo general, a ambos lados de la dirección de flujo intenso, que se cree que es esencial para la generación de la microespuma. Las geometrías que tienen curvaturas pero que no oscilan espacialmente alrededor de una dirección de flujo intenso, como arcos, hélices y espirales, no producen microespumas por sí mismas. Esto se debe a que no suponen un cambio de dirección con respecto a la dirección del flujo intenso.
El canal de flujo espacialmente oscilante puede comprender un patrón repetitivo regular o puede presentar elementos aleatorios o dimensiones irregulares, siempre que oscile en torno a una dirección de flujo intenso.
La sección transversal del canal de flujo oscilante puede adoptar cualquier geometría, pero normalmente tiene una forma regular, tal como rectangular, circular, aovada, de diamante o similar.
El canal de flujo espacialmente oscilante comprende un único canal de flujo entre la entrada y la salida. Esto significa que el gas y el líquido que entran por la entrada fluyen juntos a lo largo de una única vía de flujo hasta que alcanzan una salida.
Esto significa que el canal de flujo espacialmente oscilante es un solo canal sin divisiones ni refusión de canales. Un solo canal oscilante con una entrada y una salida ofrece ventajas respecto a los dispositivos que comprenden confluencias. Por ejemplo, minimiza o previene la aparición de zonas muertas.
Sin embargo, este canal de flujo único puede comprender entradas adicionales que introduzcan líquido y/o gas en el canal de flujo único. Además, el canal de flujo único puede comprender salidas adicionales, de manera que parte del flujo se bifurque antes de salir del aparato por una de las salidas. Sin embargo, si el flujo se divide de esta manera, los fluidos divididos no volverán a fusionarse corriente adelante y simplemente abandonarán el aparato a través de una salida. De esta forma, se conservan en el aparato las ventajas de una sola vía de flujo dirigido a pesar de la posible presencia de más de una entrada y salida.
Sin embargo, se pueden agrupar en paralelo varios canales de flujo únicos espacialmente oscilantes para aumentar el rendimiento según se desee.
Se ha descubierto que, si el área de sección transversal promedio del canal de flujo espacialmente oscilante es de 0,5 a 5 mm2, se obtienen buenos resultados.
Preferentemente, la subsecuencia comprende al menos un plano que no se superpone a ninguno de los dos planos de la subsecuencia adyacente a esta.
En una realización preferida, al menos 10 planos de la subsecuencia, preferentemente al menos 20, más preferentemente al menos 40, no se superponen a ninguno de los dos planos de la subsecuencia adyacente a esta. Sin embargo, se ha descubierto que por encima de un cierto número los rendimientos respecto a la calidad de la espuma producida son decrecientes. Así, preferentemente hay menos de 1000 planos en la subsecuencia, preferentemente menos de 200, más preferentemente menos de 100, que no se superponen a ninguno de los dos planos de la subsecuencia adyacente a esta.
Preferentemente, sustancialmente todos los planos de la subsecuencia no se superponen a ninguno de los dos planos de la subsecuencia adyacente a esta.
Un método o aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la distancia promedio entre planos de la subsecuencia es de 0,5 a 20 mm.
El gas puede comprender aire, nitrógeno, hidrocarburo, dióxido de carbono, óxido nitroso o, de hecho, cualquier compuesto o mezcla de compuestos en su fase de vapor que un usuario desee incorporar a las burbujas de la microespuma.
Las microespumas tienen muchas características que las hacen aplicables para un amplio abanico de aplicaciones industriales, comerciales, domésticas y médicas que incluyen, sin limitación: espumas a base de jabón, espumas de afeitar, cremas para la piel, protectores solares, nata para café y espumas latte, productos para el cuidado del cabello, formulaciones de limpieza de superficies, natas montadas, espumas lácteas (incluidos los helados), espumas culinarias, productos de panadería y pastelería, aislamiento térmico y acústico, materiales de construcción, embalaje ligero y materiales de relleno de espacios. Una microespuma preferida se basa en productos lácteos, por ejemplo, leche y/o nata o equivalentes sintéticos.
Las microespumas también son útiles en procesos en los que pueda ser beneficiosa una gran área interfacial de gas/líquido, por ejemplo, en procesos de separación de gas/líquido, como depuración de gases, o en procesos de reacción de gas/líquido como los que se producen en células de combustible.
El aparato puede estar formado por un amplio abanico de materiales, incluidos plásticos (por ejemplo, polipropileno, PET, polietileno, ABS, nailon, PLA, PVC, Teflon™, acrílico, poliestireno, PEEK, etc.) metales, vidrio, matrices de fibra artificial o cualquier otro material que pueda ser moldeado, fresado, impreso, colado, mecanizado, sinterizado, grabado químicamente, tallado, forjado, soplado, prensado, estampado, mecanizado por haz de electrones, cortado por láser, laminado y conformado en la forma apropiada.
En los casos en que se requiera un dispositivo desechable (o quizás de un solo uso) de muy bajo coste, muchos de los plásticos pueden ser más apropiados, pues son de bajo coste, pueden ser reciclables y son aptos para métodos de fabricación de grandes volúmenes, como el moldeo por inyección. Es posible que se requiera un dispositivo reutilizable en otras aplicaciones, por ejemplo, en un módulo de espumado de leche dentro de un dispensador de café de venta al por menor o en una línea de procesamiento que fabrique un producto alimenticio espumado. En tales casos, el metal, la cerámica o el vidrio (quizás soportados por una estructura circundante) pueden ser más apropiados ya que son más resistentes a la limpieza química y mecánica, los tratamientos térmicos, la limpieza con vapor, la esterilización por autoclave y la integración.
La invención actual se puede utilizar como canales geométricos únicos para la generación de bajos a medios flujos volumétricos de microespuma, o se pueden poner en marcha varias unidades espumadoras en paralelo para conseguir flujos volumétricos mayores que sean más adecuados para aplicaciones industriales y de fabricación.
En una realización preferida, el aparato comprende un receptáculo presurizado que comprende una salida que se puede abrir y cerrar, conteniendo el receptáculo el líquido espumable y el gas presurizado, estando el aparato dispuesto para enviar el líquido espumable y el gas a la entrada del canal espacialmente oscilante, cuya salida está acoplada a la salida que se puede abrir y cerrar del aparato, de modo que cuando se abra la salida que se puede abrir y cerrar, la diferencia de presión entre la del interior del receptáculo y la presión en la salida será suficiente para impulsar el líquido espumable y el gas hacia la entrada, generando así una microespuma que salga por la salida y, a su vez, por la salida del aparato que se puede abrir y cerrar.
A continuación, se ilustrará la invención con referencia a las siguientes figuras, en las que:
la figura 1 es una representación esquemática del aparato utilizado para generar las microespumas en los ejemplos.
La figura 2 es una imagen de una microespuma producida por un aparato según la presente invención.
La figura 3 es una vista en planta de un aparato en zigzag que comprende una vía de flujo oscilante fuera de la presente invención.
La figura 4 es una vista en planta de un aparato de muescas que comprende una vía de flujo oscilante fuera de la presente invención.
La figura 5 es una vista en planta de un aparato en serpentina que comprende una vía de flujo oscilante según la presente invención.
La figura 6 es una vista en planta de un aparato de muescas que comprende una vía de flujo oscilante según la presente invención.
La figura 7 es una vista en perspectiva de un aparato que comprende una vía de flujo oscilante según la presente invención.
La figura 8 es una vista en sección lateral de un dispositivo según la invención que suministra una microespuma.
La figura 9 es una vista en sección lateral de una variante del dispositivo que se muestra en la figura 8, mostrando únicamente el conjunto de capuchón.
La figura 10 es una vista en sección lateral de un segundo dispositivo según la invención para suministrar una microespuma.
Ejemplos
Volviendo a las figuras, la figura 1 muestra un diagrama del equipo experimental. Se utilizó un compresor 12 para suministrar aire presurizado a través de un tubo de 2,5 mm de Di 13 hacia un conector en T 14 que suministraba el aire presurizado a un recipiente que contenía líquido cargado de tensioactivo 15 (el recipiente de líquido) y un recipiente que contenía únicamente gas 16 (el recipiente de gas). El tubo (DI de 2,5 mm) conectaba la salida de ambos recipientes a un segundo conector en T 17 que, a su vez, estaba conectado (a través de un tubo de 2,5 mm de DI) al dispositivo generador de microespuma 18. El recipiente de líquido estaba orientado de modo que el tubo conectado al compresor alimentaba el espacio libre superior del recipiente de líquido y el tubo que conducía a los dispositivos generadores de microespuma estaba conectado al recipiente de líquido por debajo de la línea de líquido. En la figura 1, el conector 17 es un conector en T, sin embargo, un conector en Y u otro conector de geometría que proporcione la relación gas-líquido correcta, preferentemente como grupos intermitentes que atraviesan el conducto gas-líquido que conduce al dispositivo generador de microespuma.
Cada una de las 3 clases de geometrías aquí ejemplificadas (zigzag, muescas y serpentina) se imprimió con una impresora 3D de PLA y se introdujo en una carcasa de plástico para contener la presión. El tubo se conectó a la carcasa a través de una conexión rápida que conducía al puerto de entrada de los dispositivos de generación de microespuma. Las válvulas de aguja 19 se instalaron en las líneas entre las salidas de los recipientes presurizados y la entrada del conector en T que conducía al dispositivo generador de microespuma para poder ajustar los caudales de líquido y gas.
Cuando se encendió el compresor, el recipiente de gas y el espacio libre superior del recipiente de líquido se presurizaron, lo que provocó que el gas saliera del recipiente de gas y el líquido saliera del recipiente de líquido a través de las válvulas de aguja y entrara en el segundo conector en T, donde se combinaron en una mezcla de gas/líquido que fue empujada a través de los dispositivos generadores de microespuma. Las válvulas de aguja se regularon para suministrar gas y líquido mediante un intervalo de diferentes caudales a los dispositivos generadores de microespuma. En los casos en que se logró una microespuma, las proporciones de aire y gas se podían modificar para crear microespumas con un intervalo de proporciones de líquido-gas, generando productos con un abanico de texturas, desde espumas húmedas fluidas hasta espumas secas muy rígidas. Los valores máximos de inclusión de aire se indican en los siguientes ejemplos.
Se descubrió que para generar una microespuma para fluidos espumables con una viscosidad de 1 mPas (1 cP), las velocidades superficiales del líquido eran preferentemente del intervalo: 500-750 mm/s (la mayoría de los datos se encuentran en este intervalo), después, lo más preferente del intervalo de 250-1500 mm/s (todos los datos se encuentran en este intervalo).
Para generar microespumas con viscosidades más altas (5-50 mPass o 5-50 cP), las velocidades superficiales del líquido eran preferentemente del intervalo de 500-2000 mm/s (la mayoría de los datos se encontraban en este intervalo), después, lo más preferente del intervalo de 500-2500 mm/s (todos los datos se encuentran en este intervalo). Velocidad del líquido superficial = (caudal volumétrico del fluido espumable)/(área de sección transversal mínima en el canal de flujo)
Las viscosidades de los líquidos probados fueron las siguientes: Líquido Fairy™ (diluido 1 parte en 10 partes de agua): 1 cP (1 mPass), leche desnatada (<0,3 % de grasa): 5 cP (5 mPass), nata para montar (39,8 % de grasa): 50 cP (50 mPas-s).
Cada espumador se probó con líquido Fairy™ diluido, un líquido para lavavajillas a mano disponible en el Reino Unido, que es predominantemente lauril sulfato de sodio (1 parte de líquido Fairy™: 10 partes de agua) a 25 °C. La presión del compresor se fijó en 500 kPa (5 bar). En cada caso, el volumen de la fase de aire contenido en la microespuma final fue de >95 %. Las condiciones de la prueba y los casos en los que se generaron microespumas están registrados en la tabla 1.
Tabla 1
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Para un número selecto de geometrías, los ejemplos se repitieron con leche desnatada fría (5 °C) (contenido de grasa de ~1 %). Inicialmente, la presión del compresor se fijó en 500 kPa (5 bar), sin embargo, se repetía a 800 kPa (8 bar) si no se producía microespuma. Los resultados se muestran en la tabla 2.
Tabla 2
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Para un número selecto de geometrías, los ejemplos se repitieron con nata para montar fría (4 °C) (contenido de grasa del 38 %). Inicialmente, la presión del compresor se fijó en 500 kPa (5 bar), sin embargo, se repetía a 800 kPa (8 bar) si no se producía microespuma. Los resultados se muestran en la tabla 3.
Tabla 3
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En el caso de los productos lácteos (leche desnatada, nata) se observó una relación de dependencia del rendimiento degenerativo de la microespuma con la temperatura del producto. A aproximadamente 7 °C, la espumabilidad y la estabilidad de la microespuma de la leche y la nata parecieron deteriorarse de acuerdo con las observaciones en otros documentos de la literatura del sector lácteo.
En los casos en que se generaron microespumas, se realizaron mediciones del caudal de líquido y del volumen de la fase gaseosa en la microespuma. Se recogió en una placa de Petri una muestra de la microespuma del líquido Fairy™ diluido generada por el espumador de muescas. Se dio la vuelta a la placa de Petri y se capturó una imagen de microscopio desde arriba (a través del vidrio). La imagen se capturó a los 3 segundos después de la recogida de la muestra. Esta imagen de microscopio se muestra en la figura 2. Las imágenes del microscopio se convirtieron en una distribución de tamaño de burbujas que se descubrió que tenían una media de 39,2 micrómetros y una desviación estándar de 25,21 micrómetros.
En la tabla 1 se puede ver que los espumadores de muescas, en zigzag y en serpentina también demostraron ser capaces de generar una microespuma a partir de líquido Fairy™ diluido.
El espumador de muescas también demostró ser capaz de generar una estructura de burbujas muy fina y uniforme (un tamaño medio de burbujas de 39,2 micrómetros con una desviación estándar de 25,21 micrómetros). Se dimensionaron un total de 354 burbujas para generar estas estadísticas.
En las tablas 2 y 3, se puede ver que los espumadores de muescas, en zigzag y en serpentina eran capaces de generar una microespuma a partir de leche desnatada y nata para montar frías. En el caso del espumador de muescas, el contenido máximo de aire de la nata montada fue del 58 %, que es parecido al contenido máximo de aire que se puede lograr mediante el batido mecánico.
Nomenclatura de las geometrías de los espumadores de ensayo
Una gran proporción de las pruebas se realizó con variantes de 3 geometrías de espumador (zigzag, muescas y serpentina). La geometría del espumador mencionada en las tablas se ha presentado para que los espumadores puedan denominarse de forma concisa y sin ambigüedades.
1) Espumadores en zigzag: consisten en un canal rectangular de ancho "wz" y profundidad "dz" (medido en una dirección perpendicular a la página). Un canal de flujo en forma de zigzag se crea extendiendo prismas triangulares (con una base en forma de triángulo isósceles) hacia el canal de flujo, como se muestra en la figura 3. Los prismas se extienden una distancia "ez" dentro del canal y la distancia entre los vértices adyacentes se indica como "sz". El ángulo entre las caras idénticas de los triángulos se indica como grados "at" y el número total de triángulos contenidos dentro del espumador es "nt". La nomenclatura Z (wz, dz, ez, az, sz, nz) indicará que un espumador tiene una geometría en zigzag con los parámetros especificados anteriormente.
2) Espumadores de muescas: consisten en un canal rectangular de ancho "wn" y profundidad "dn" (medidos en una dirección perpendicular a la página). Las muescas separadas a intervalos regulares (prismas rectangulares) se extienden dentro del canal a una distancia "en" desde los lados opuestos en una disposición alterna, como se muestra a continuación en la figura 4. El ancho de las muescas es "bn", el espacio entre las muescas es "sn" y el número total de muescas de la geometría es "nn". Estos parámetros se muestran en la figura 4. La nomenclatura N (wn, dn, en, bn, sn, nn) indicará que un espumador tiene una geometría de muescas con los parámetros especificados anteriormente.
3) Espumadores en serpentina: los canales de flujo curvados se definieron como la región barrida por un arco de "as" grados entre dos cilindros concéntricos de radios "ri" y "ro" y altura "ds". Los espumadores en serpentina se crearon conectando un número total de "ns" canales de flujo, como se muestra en la figura 5. La nomenclatura S (ro, ri, ds, as, ns) indicará que un espumador tiene una geometría en serpentina con parámetros como los especificados anteriormente.
En la figura 3, se muestra un ejemplo de una geometría en zigzag que queda fuera del alcance de la invención, que muestra una vista en planta de una vía de flujo oscilante. 20 que tiene una sección transversal rectangular variable y oscila espacialmente alrededor de una dirección de flujo intenso que se muestra con una flecha 22. Se observará que existe una subsecuencia de varias secciones transversales planas 24, 26, 28 que son perpendiculares a la dirección de flujo intenso. Sin embargo, también se observará que el plano 26 de la subsecuencia se superpone a los planos 24 y 28 y, por lo tanto, no se encuentra dentro del alcance de la presente invención. No obstante, si se aumenta el parámetro "ez", la geometría podría incluirse en la invención cuando el plano 26 ya no se superpusiera a los planos 24 o 28.
En la figura 4, se muestra un ejemplo de una geometría de muescas que queda fuera del alcance de la invención, que muestra una vista en planta de una vía de flujo oscilante 30 que tiene una sección transversal rectangular esencialmente constante y oscila espacialmente alrededor de una dirección de flujo intenso mostrada por la flecha 32.
Se observará que existe una subsecuencia de varias secciones transversales planas 34, 36, 38 que son perpendiculares a la dirección de flujo intenso. Sin embargo, también se observará que el plano 36 de la subsecuencia se superpone a los planos 34 y 38 y, por lo tanto, no se encuentra dentro del alcance de la presente invención. No obstante, si el parámetro "en" se incrementara para que fuera mayor que wn/2, entonces la geometría se encontraría dentro de la invención cuando el plano 36 ya no se superpusiera a los planos 34 o 38.
En la figura 5, se muestra un ejemplo de una geometría en serpentina que se encuentra dentro del alcance de la invención, que muestra una vista en planta de una vía de flujo oscilante 40 que tiene una sección transversal rectangular esencialmente constante y oscila espacialmente alrededor de una dirección de flujo intenso mostrada por la flecha 42. Se observará que existe una subsecuencia de varias secciones transversales planas 44, 46, 48 que son perpendiculares a la dirección de flujo intenso. También se observará que el plano 46 de la subsecuencia no se superpone a los planos 44 y 48 y, por lo tanto, se encuentra dentro del alcance de la presente invención.
En la figura 6, se muestra un ejemplo de una geometría de muescas que se encuentra dentro del alcance de la invención, que muestra una vista en planta de una vía de flujo oscilante 50 que tiene una sección transversal rectangular y oscila espacialmente alrededor de una dirección de flujo intenso se muestra con una flecha 52. Se observará que existe una subsecuencia de varias secciones transversales planas 54, 56, 58 que son perpendiculares a la dirección de flujo intenso. También se observará que el plano 56 de la subsecuencia no se superpone a los planos 54 y 58 y, por lo tanto, se encuentra dentro del alcance de la presente invención.
En la figura 7 se muestra un ejemplo de una geometría que oscila espacialmente en dos dimensiones, que es una vía de flujo oscilante 60 que tiene una sección transversal rectangular esencialmente constante y oscila espacialmente alrededor de una dirección de flujo intenso mostrada por la flecha 62. Se observará que existe una subsecuencia de varias secciones transversales planas 64, 66, 68 que son perpendiculares a la dirección de flujo intenso. También se observará que el plano 66 de la subsecuencia no se superpone a los planos 64 y 68 y, por lo tanto, se encuentra dentro del alcance de la presente invención.
Las figuras 8 y 10 ilustran dos realizaciones diferentes de un dispositivo generador de microespuma que comprende un receptáculo presurizado. Estos dispositivos son aerosoles rellenables y recargables, aunque podrían ser desechables y podrían contener cualquier gas, como se describe en el presente documento.
La primera realización de un aerosol rellenable y recargable en la figura 8 comprende un recipiente de retención 104, para contener el fluido espumable 101, un espacio libre superior de gas comprimido 102 y una sección formadora de la microespuma 105 con un conducto de gas 108. Adicionalmente, hay un conjunto de capuchón roscado 112, 113 con un cierre 111, que incorpora un puerto de carga de gas presurizado 115 con válvula unidireccional 116 y un conjunto de resorte de válvula de accionamiento manual 117, 118 y boquilla 119 para controlar y dosificar la microespuma.
El dispositivo de aerosol se llena inicialmente con fluido espumable a presión atmosférica 103. A continuación, se pone el conjunto de capuchón 112 en el recipiente de retención 104, sellando el contenido del recipiente de la atmósfera exterior gracias a las roscas entrelazadas 113, un cierre comprimible 111 y válvulas cerradas 116, 118 dentro de las vías de flujo 115, 121 del capuchón. El espacio libre superior del dispositivo 102 se presuriza al nivel requerido conectando el conector de gas de alta presión 114 a una fuente externa de carga del gas deseado. Las fuentes de carga de gas se pueden proporcionar mediante bombas de aire, compresores de gas, tanques de cabecera de gas presurizado, cilindros de gas presurizado y ampollas de gas presurizado de pequeño volumen. El gas de carga pasa a través de una válvula unidireccional, permitiendo que el gas entre pero que no salga del dispositivo 116. A continuación, el flujo de gas pasa al recipiente de retención 104 a través de la confluencia del canal de microespuma y el de gas de carga 156, y luego a través del canal de flujo 106 dentro del dispositivo formador de microespuma 105.
Uso del canal de microespuma 121 y canal de flujo espacialmente oscilante de la sección formadora de microespuma 106 como conducto común para el gas de carga tiene la ventaja de que el flujo de gas presurizado limpia los canales de obstrucciones de materiales secos o acumulados generados por el fluido espumable o la contaminación. Una vez que se ha obtenido la presión de gas deseada dentro del recipiente de retención 104, se puede desconectar la fuente externa de gas del conector de gas de alta presión 114. A continuación, se producen las microespumas de líquido espumable 101 al abrir la válvula manual 117. La válvula 117 y su resorte de retorno 118 se pueden accionar a través de una serie de medios conocidos en la técnica, como palancas, gatillos y botones (no mostrados). Así mismo, la posición del resorte de retorno 118 en relación con la válvula 117 puede variar con respecto a la elección del diseño de accionamiento manual. La válvula de apertura 117 permite una liberación de presión del sistema presurizado dentro del recipiente de retención 104. La liberación de presión hace que el fluido espumable 101 fluya hacia la entrada de fluido del dispositivo formador espuma 107 y que el gas presurizado fluya hacia la entrada 110 del conducto de gas 108, que está situado dentro del espacio libre superior de gas, por encima del nivel de fluido espumable. Los flujos de gas presurizado del conducto de gas 108 y el líquido espumable procedente de la entrada 107 se encuentran en la confluencia de gas-líquido 109, donde el gas se incorpora al flujo de líquido. Luego, la microespuma se genera a medida que el flujo de fluido bifásico atraviesa el canal oscilante 106 en el dispositivo formador de microespuma 105.
Luego, la microespuma sale del dispositivo formador de microespuma 105 a través del canal de flujo de microespuma 122 y la válvula abierta 117. Finalmente, la microespuma sale del dispositivo 120 a través de la boquilla 119. La generación de microespuma cesa cuando se suelta el accionador manual (palanca, gatillo o botón) y el resorte de retorno de la válvula 118 cierra la válvula 117 igualando la presión del sistema dentro del dispositivo.
Este dispositivo de aerosol se puede recargar con gas en cualquier momento durante el uso conectando el dispositivo sellado a una fuente externa de gas de carga a través del conector de gas de alta presión 114. Para rellenar el aerosol con fluido espumable, la presión del gas residual se libera accionando manualmente la válvula 117. Una vez que el aerosol se ha igualado con la presión atmosférica 103, el accionador manual se suelta, cerrando la válvula 117, y el capuchón se puede quitar de forma segura para rellenar el dispositivo con fluido espumable.
En la figura 9 se puede ver una variante de la realización de aerosol rellenable y recargable ilustrada en la figura 8. La figura 9 muestra solo el conjunto de capuchón roscado 124, 125 de todo el dispositivo. En esta variante, el flujo de gas de carga procedente del puerto de carga de gas presurizado 127 atraviesa una válvula unidireccional 128, y luego atraviesa la salida de gas de carga 133 directamente hacia el espacio libre superior de gas comprimido 102 por una abertura distinta del cierre 123 que no tiene conexión con el canal de flujo de microespuma 134 a través de la confluencia del canal de microespuma y el del gas de carga 156. Todos los demás aspectos del conjunto de capuchón 125; el conector de gas de alta presión y de rápida liberación 126, la válvula de accionamiento manual y el resorte de retorno 130, 129, la boquilla 131, la sección formadora de microespuma 122 con conducto de gas (no mostrado) y el flujo de salida de la microespuma 132, son como se describen en la figura 8. Dicha variante puede ser ventajosa para sistemas en los que no sea deseable que el fluido espumable se someta a cizalla y gasificación antes de la formación de la microespuma.
En la figura 10 se ilustra una segunda realización de un aerosol rellenable y recargable para la generación y dosificación de microespumas. Esta realización comprende un recipiente de retención 137, para contener el fluido espumable 134, un espacio libre superior de gas comprimido 135 y un tubo de inmersión 154 con conducto de gas 141. Adicionalmente, hay un conjunto de capuchón roscado 145, 146 con un cierre 144, que incorpora un puerto de carga de gas presurizado 148 con válvula unidireccional 149, un conjunto de resorte de válvula de accionamiento manual 150, 151 y la boquilla 152, que alberga una sección formadora de microespuma 138. La sección formadora de microespuma 138 puede estar integrada en la boquilla, aunque también puede ser desmontable para permitir su limpieza, sustitución o intercambio con secciones formadoras de microespuma de diseño diferente. El dispositivo de aerosol se llena inicialmente con fluido espumable a presión atmosférica 136. A continuación, se pone el conjunto de capuchón 145 en el recipiente de retención 137, sellando el contenido del recipiente de la atmósfera exterior gracias a las roscas entrelazadas 146, un cierre comprimible 144 y válvulas cerradas 149, 150 dentro de las vías de flujo del capuchón 148, 145. El espacio libre superior del dispositivo 135 se presuriza al nivel requerido conectando el conector de gas de alta presión 147 a una fuente externa de carga del gas deseado. En cuanto a la primera realización de aerosol, las fuentes de carga de gas se pueden proporcionar mediante bombas de aire, compresores de gas, tanques de cabecera de gas presurizado, cilindros de gas presurizado y ampollas de gas presurizado de pequeño volumen. El gas de carga atraviesa una válvula unidireccional 149 y pasa al recipiente de retención 137 a través de la confluencia del tubo de inmersión y el de gas de carga 155, y luego a través del tubo de inmersión 154 y el conducto de gas 141, y sale por la entrada del tubo de inmersión 140 y la entrada del conducto de gas 143. Una vez que se ha obtenido la presión de gas deseada dentro del recipiente de retención 137, se puede desconectar la fuente externa de gas del conector de gas de alta presión 147. Después, se producen las microespumas del líquido espumable 134 abriendo la válvula manual 150. La válvula 150 y su resorte de retorno 151 se pueden accionar a través de una serie de medios conocidos en la técnica, como palancas, gatillos y botones (no mostrados). Así mismo, la posición del resorte de retorno 151 en relación con la válvula 150 puede variar con respecto a la elección del diseño de accionamiento manual. La válvula de apertura 150 permite una liberación de presión del sistema presurizado dentro del recipiente de retención 137. La liberación de presión genera el fluido espumable 134 que fluye hacia la entrada del tubo de inmersión 140 y el gas presurizado que fluye hacia la entrada 143 del conducto de gas 141, que está situado dentro del espacio libre superior de gas, por encima del nivel de fluido espumable. Los flujos de gas presurizado en el conducto de gas 141 y la entrada del tubo de inmersión 140 se encuentran en la confluencia de gas-líquido 142, donde el gas se incorpora al flujo de líquido. El flujo de fluido bifásico atraviesa el tubo de inmersión 154 y válvula abierta 150, luego entra por la vía de flujo oscilante 139 de la sección formadora de microespuma 138 ubicada en la boquilla 152 del conjunto de capuchón 145. La microespuma generada finalmente sale de la sección formadora de microespuma final 153 y se dosifica para su uso. La generación de microespuma cesa cuando se suelta el accionador manual (palanca, gatillo o botón) y el resorte de retorno de la válvula 151 cierra la válvula 150 igualando la presión del sistema dentro del dispositivo.
El dispositivo de aerosol rellenable y recargable de la figura 10 se puede recargar con gas en cualquier momento durante el uso conectando el dispositivo sellado a una fuente externa de gas de carga a través del conector de gas de alta presión 147. Para rellenar el aerosol con fluido espumable, la presión del gas residual se libera accionando manualmente la válvula 150. Una vez que el aerosol se ha igualado con la presión atmosférica 136, el accionador manual se suelta, cerrando la válvula 150, y el capuchón se puede quitar de forma segura para rellenar el dispositivo con fluido espumable.
Se puede hacer una variante del dispositivo de aerosol en la figura 10 coherente con los cambios en la vía del flujo de gas de carga descritos en la figura 9. En el caso de esta segunda realización (figura 10), el flujo de gas de carga, procedente del conector de gas de alta presión y de rápida liberación 147, entraría directamente en el espacio libre superior presurizado 135 a través de una salida de gas de carga especializada y no fluiría a través del tubo de inmersión 154 por la confluencia del tubo de inmersión y el de gas de carga 155. De nuevo, este diseño es ventajoso en sistemas en los que no sea deseable que el fluido espumable se someta a cizalla y gasificación antes de la formación de la microespuma.
Alternativamente, las realizaciones de aerosol que se muestran en las figuras 8 y 10 se pueden llenar con fluido espumable a través de la boquilla, con la válvula de accionamiento manual en la posición abierta, negando así la necesidad de quitar y sustituir el conjunto de capuchón.
Aunque no se muestra, en las figuras 8, 9 y 10 se puede incorporar una válvula de liberación de presión en el recipiente de retención de la figura 8, 104, la figura 10, 137, o en el conjunto de capuchón de la figura 8, 112, figura 9, 125, y figura 10, 145, para evitar la sobrepresurización y, además, se puede utilizar para despresurizar el sistema antes de rellenarlo con fluido espumable.
Otra realización de la presente invención es un aerosol no rellenable y no recargable. Aquí, las secciones de formación de espuma representadas en la figura 8, 105 y la figura 10, 138, ocuparían posiciones respectivas similares dentro del aerosol sellado por engaste con un único conjunto de válvula de accionamiento manual. Dichos aerosoles pueden llenarse con fluido espumable antes de colocar el conjunto de capuchón sellado por engaste, o volver a través de la válvula de accionamiento manual después de haber colocado el conjunto de capuchón sellado por engaste. Los aerosoles se presurizarían llenándolos con gas de carga presurizado a través del conjunto de válvula de accionamiento manual.
Alternativamente, la disposición que se muestra en la figura 10 podría comprender una bolsa que contiene el tubo de inmersión 154, conducto de gas 141 y el líquido espumable 134. El espumador seguiría integrado en la boquilla, como se muestra en la figura 10.
Otra realización de la presente invención es un embalaje funcional para un fluido espumable para su uso en un dispositivo dosificador de espuma duradera o semiduradera. Este embalaje funcional es desechable y, más preferentemente, reciclable. Un ejemplo de dicho embalaje funcional se muestra en la figura 11. El embalaje comprende un conjunto cierre-espumador 156 que tiene un tubo de inmersión 157 con una sola vía de flujo continuo formada por una entrada de líquido 158, una vía de flujo oscilante 159 y una salida de microespuma 160. El conjunto a tiene un conducto de gas 161 conectado a una entrada de gas 162, que se cruza con la vía de flujo de entrada de líquido 163 para formar una confluencia de mezcla de gas-líquido 164. El conducto de gas 161 se puede conectar al tubo de inmersión 157, como se muestra, pero puede estar integrado en el tubo de inmersión 157 para formar una sola estructura compacta (no mostrada). El conjunto cierre-espumador 156 también tiene una brida de cierre 165 capaz de formar un cierre a presión con el dispositivo dosificador de espuma duradera o semiduradera figura 12. Conectado al conjunto cierre-espumador 156 hay un retenedor de líquido 166. El retenedor de líquido 166 está conectado de tal manera que forma un cierre completo con el conjunto cierre-espumador 156 y actúa como un receptáculo de líquido a prueba de fugas. El retenedor de líquido 166 puede ser rígido y estar hecho de cualquier material apropiado, aunque también puede ser una bolsa flexible, preferentemente formada por plásticos con barrera o laminados de plástico-metal. El retenedor de líquido 166 contiene el fluido espumable 167 y encierra el tubo de inmersión 157 del conjunto cierre-espumador 156 y el conducto de gas 161. El fluido espumable 167 puede introducirse en el retenedor de líquido 166 a través de la salida de microespuma 160, a través de una abertura que se sella después del llenado, tal como una costura en el retenedor de líquido, o a través de un puerto o válvula integrado en la pared del retenedor de líquido (no mostrado). El fluido espumable 167 se introducirá en el retenedor de líquido 166 de tal manera que no haya gas en el espacio libre superior 162 o haya un espacio libre superior 162 con un gas deseado o una mezcla de gases a la presión atmosférica o por debajo de esta. El embalaje también puede tener un cierre retirable o frangible (no mostrado) ubicado en la salida de microespuma 160 para evitar fugas, proteger el fluido espumable de la contaminación y mantener el estado deseado del espacio libre superior. Si el retenedor de líquido 166 está formado por una bolsa flexible, este puede enrollarse o plegarse de manera que se reduzca el espacio de almacenamiento y se facilite su inserción en el dispositivo dosificador de espuma duradera figura 12. El retenedor de fluido plegado o enrollado puede estar adicionalmente revestido con una cubierta retirable o frangible hecha de plástico, lámina metálica, papel, cartón u otro material estable y que facilite su inserción en el dispositivo dosificador de espuma.
La realización de embalaje funcional de ejemplo, mostrada en la figura 11, está diseñada para usarse en el dispositivo dosificador de espuma duradera que se muestra en la figura 12. Antes del uso, se quitará cualquier cierre retirable o embalaje secundario pueda eliminarse del embalaje funcional 168, que luego se insertará en el recipiente de retención 169 del dispositivo generador de espuma. El recipiente de retención puede disponer de una junta tórica o junta 170 en la interfaz con la brida de cierre del embalaje funcional 171 para proporcionar un cierre a presión. Alternativamente, la brida de cierre 171 del embalaje funcional 168 puede incorporar su propia junta tórica o junta o estar formada por un material adaptable, adecuado para formar un cierre a presión bajo compresión. El conjunto de capuchón 172 está afianzado sobre el recipiente de retención 169 a través de una banda roscada 173 u otro mecanismo adecuado que selle las vías de flujo del dispositivo frente la atmósfera exterior. El conjunto de capuchón incorpora un puerto de carga de gas presurizado 174 con válvula unidireccional 175, un conjunto de resorte de válvula de accionamiento manual 176, 177 y boquilla dosificadora 178. El dispositivo se carga a la presión deseada con el gas o la mezcla de gases requerida a través del puerto de carga de gas presurizado 174. La fuente de gas presurizado puede proporcionarse con bombas de aire, compresores de gas, cilindros de gas presurizado o ampollas de gas presurizado de pequeño volumen. Al cargar el dispositivo dosificador de espuma, el gas de carga atraviesa la vía de flujo oscilante 179 del tubo de inmersión de embalaje funcional 180 saliendo hacia el retenedor de líquido 181 a través de la entrada de líquido 182 y la entrada de gas del conducto de gas 183. El retenedor de líquido 181, si es una bolsa flexible, tiene un volumen inflado igual a o mayor que el volumen del recipiente de retención del dispositivo 169. Si el retenedor de líquido 181 es rígido, puede tener un volumen que permita su ajuste máximo en el recipiente de retención o puede retener una presión elevada si el volumen del recipiente de retención es menor. Una vez que se ha alcanzado la presión de gas deseada dentro del espacio libre superior 189 del embalaje funcional 168, la fuente externa de gas se puede desconectar del puerto de carga de gas de alta presión 174.
A continuación, se producen las microespumas de fluido espumable 184 abriendo la válvula de accionamiento manual 176. La válvula 176 y su resorte de retorno 177 se pueden accionar a través de una serie de medios conocidos en la técnica, como palancas, gatillos y botones (no mostrados). Así mismo, la posición del resorte de retorno 177 en relación con la válvula 176 puede variar con respecto a la elección del diseño de accionamiento manual. La apertura de la válvula 176 permite la liberación de presión del retenedor de líquido presurizado 181 dentro del recipiente de retención 169. La liberación de presión genera fluido espumable 184 que fluye hacia el tubo de inmersión 180 a través de la entrada de fluido 182 y gas presurizado que fluye hacia la entrada 183 del conducto de gas 185, que está situado dentro del espacio libre superior del gas, por encima del nivel de fluido espumable. Los flujos de gas presurizado en el conducto de gas 185 y la entrada del tubo de inmersión 182 se encuentran en la confluencia de gas-líquido 186, donde el gas se incorpora al flujo de líquido. El flujo de fluido bifásico atraviesa el canal oscilante 178 en el tubo de inmersión 179 donde se convierte en una microespuma. Luego, la microespuma sale del embalaje funcional 168, a través del canal de flujo de microespuma del capuchón 187 y la válvula abierta 176. Finalmente, la microespuma sale del dispositivo 188 a través de la boquilla 178. La generación de microespuma cesa cuando se suelta el accionador manual (palanca, gatillo o botón) y el resorte de retorno de la válvula 177 cierra la válvula 176 igualando la presión del sistema dentro del dispositivo.
Este dispositivo se puede recargar con gas en cualquier momento durante su uso conectando el dispositivo sellado a una fuente externa de gas de carga a través del conector de gas de alta presión 174. Cuando se gasta el fluido espumable 184 dentro del embalaje funcional 168, la presión del gas residual se libera accionando manualmente la válvula 176. Una vez que el dispositivo se ha igualado con la presión atmosférica, el accionador manual se suelta, cerrando la válvula 176, y el capuchón se puede quitar con seguridad. Luego, el embalaje funcional 168 se saca del recipiente de retención 169 y se desecha o recicla. El nuevo embalaje funcional 168 se inserta en el recipiente de retención y se repite el proceso.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato (105) para generar una microespuma, comprendiendo el aparato un canal (18, 106, 139, 159, 179) que tiene una entrada (17, 109, 154, 164, 186) y una salida (121, 153, 160, 187), una fuente de líquido espumable (15, 101, 134, 167, 184) y gas presurizado (16, 102, 135, 162, 189) dispuesta para introducirlos por la entrada (17, 109, 154, 164, 186) a la presión de introducción, en donde el canal (18, 106, 139, 159, 179) comprende un canal de flujo espacialmente oscilante (106, 139, 159, 179) para proporcionar una dirección de flujo oscilante, oscilando el canal de flujo espacialmente oscilante (106, 139, 159, 179) alrededor de una dirección de flujo intenso, proporcionando el canal de flujo espacialmente oscilante (106, 139, 159, 179) una secuencia de secciones transversales planas perpendiculares a la dirección del flujo, con una subsecuencia de secciones transversales planas (44, 46, 48, 54, 56, 58, 64, 66, 68) que son perpendiculares a la dirección de flujo intenso en el plano en cuestión, comprendiendo la subsecuencia al menos un plano que no se superpone a al menos otro plano de la subsecuencia, caracterizado por que el canal de flujo espacialmente oscilante es un solo canal sin divisiones ni refusión de canales, y en donde las presiones de introducción son apropiadas para generar una microespuma en el canal espacialmente oscilante debido al entorno de cizalla específico que se genera por las oscilaciones.
2. Un aparato según la reivindicación 1, en donde la subsecuencia comprende al menos un plano que no se superpone a ninguno de los dos planos de la subsecuencia adyacente a esta.
3. Un aparato según la reivindicación 2, en donde al menos diez planos de la subsecuencia no se superponen a ninguno de los dos planos de la subsecuencia adyacente a esta.
4. Un aparato según la reivindicación 3, en donde sustancialmente todos los planos de la subsecuencia no se superponen a ninguno de los dos planos de la subsecuencia adyacente a esta.
5. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el área en sección transversal promedio del canal de flujo espacialmente oscilante es de 0,5 a 5 mm2.
6. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la distancia promedio entre planos de la subsecuencia es de 0,5 a 20 mm.
7. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el líquido espumable es un producto lácteo o un equivalente sintético.
8. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el gas comprende aire, nitrógeno, hidrocarburo, dióxido de carbono, óxido nitroso o mezclas de los mismos.
9. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aparato está configurado para producir una microespuma que tiene un diámetro de burbuja medio de menos de 100 micrómetros.
10. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el canal de flujo espacialmente oscilante está hecho de plástico.
11. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el canal de flujo espacialmente oscilante está hecho con una impresora 3D.
12. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aparato comprende un receptáculo presurizado que comprende una salida que se puede abrir y cerrar, conteniendo el receptáculo el líquido espumable y el gas presurizado, estando el aparato dispuesto para enviar el líquido espumable y el gas a la entrada del canal espacialmente oscilante, cuya salida está acoplada a la salida que se puede abrir y cerrar del aparato, de modo que cuando se abra la salida que se puede abrir y cerrar, la diferencia de presión entre la del interior del receptáculo y la presión en la salida será suficiente para impulsar el líquido espumable y el gas hacia la entrada, generando así una microespuma que salga por la salida y, a su vez, por la salida del aparato que se puede abrir y cerrar.
13. Un método para generar una microespuma, empleando el método un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el método introducir un gas presurizado (16, 102, 135, 162, 189) y un líquido espumable (15, 101, 134, 167, 184) en la entrada (17, 109, 154, 164, 186) del canal (18, 106, 139, 159, 179) a la presión de introducción, para generar así una microespuma en el canal espacialmente oscilante a partir del entorno de cizalla producido por las oscilaciones, y que se suministra desde la salida.
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