JP2008207176A - ガス及び流体材料の混合物を吐出する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
流体材料にガスを効率的且つ安価に導入する簡略化された吐出装置及び吐出方法を提供する。
【解決手段】
加圧ガス及び流体材料を含有する混合物を生成及び吐出する装置並びに方法。本装置は、混合室及び混合室内の混合器を有する混合装置を含む。混合装置と連結されるガス噴射装置が、加圧ガスを混合室内の流体材料に噴射する。混合器は、加圧ガスを流体材料と組み合わせて混合物を形成するように動作し、混合物は、続いて混合装置と連結されたディスペンサから吐出される。
【選択図】図５

Description

本発明は、包括的には、吐出装置及び吐出方法に関し、より詳細には、ガス及び流体材料の混合物を形成し吐出する装置及び方法に関する。

熱可塑性ホットメルト接着剤のようなポリマー材料、ポリマーコーティング、塗料、並びに他の熱可塑性及び／又は熱硬化性材料等の流体媒体及び流体材料は、吐出される前に発泡させることができる。このために、従来の吐出システムは、窒素、二酸化炭素、又は工場空気等のガスを加圧流体材料との溶液に導入することができる。大量の圧縮性ガスが非圧縮性流体材料に混入される。流体材料が吐出されるとき、混入した大量のガスが急速に膨張し、流体材料内に閉じ込められて発泡流体材料を生成する。これらの閉じ込められたセルは、流体材料全体に分布する、ガスの小さな気泡となる。

発泡状態で吐出することができる流体材料の１つは、溶融ホットメルト接着剤である。気泡の効果の１つは、製品の位置決めのための発泡ホットメルト接着剤のオープンタイムを延長する小さな絶縁体として働くことである。気泡の別の効果は、発泡ホットメルト接着剤の拡がり性が高くなるようにホットメルト接着剤の使用粘度を低下させることである。発泡ホットメルト接着剤は、より大きな表面積を覆うように拡がり易いため、接着剤消費量が減る。

発泡ホットメルト接着剤は、接着強さが高いこと、硬化時間が長いこと、多孔質面又は凹凸面に強力に結合すること、傾斜面又は垂直面に吐出できること、及び導体への結合力が高いことを特徴とする高性能を特色とする。発泡ホットメルト接着剤は、接着剤消費量を減らすことによって費用を減らす。製品の外観は、感熱材料への結合能力、接着剤の白さ、及び狭い接着剤層によって改善される。

シーラントは、発泡状態で吐出されて独立気泡発泡体シールを形成することができる別の流体材料であり、このシールは、様々な用途で空気、塵埃、水蒸気、及び流体に対する効果的で持続的なバリアとして働く。シーラントは、ポリウレタン、シリコーン、又はプラスチゾル等の任意の圧送可能な材料であり得る。ガスが用いられるため、発泡シーラントは、耐温性及び耐化学性等の基本的な物理的特性を保持する。シーラントにこの「現場注入発泡」技術を用いることにより、ポリウレタン及びシリコーン等の高価な材料の使用が減り、圧縮性及び弾性が高まり、硬化時間が短くなる。発泡シーラントは、ロボット装置によって施すことができ、これは手動で施される打抜きガスケットよりも労働力が小さい。自動現場注入発泡ガスケッティングは、生産を増大させ、労務費及び材料費を減らし、且つ正確で一貫したガスケット配置によって品質を向上させる。

発泡流体材料のための従来の吐出システムは、その使用目的には十分であるが、流体材料にガスを効率的且つ安価に導入する簡略化された吐出装置及び吐出方法を提供することが望ましいであろう。

一実施の形態によれば、ガス噴射装置が、加圧ガスを受け入れるように構成された入口と、加圧ガスを排気するように構成された出口と、入口と出口とを接続するガス通路と、ガス通路の制御オリフィスとを含む。制御オリフィスは、出口への加圧ガスの流量を計量するように構成されている。ガス噴射装置は、ガス通路の流量制御要素をさらに含む。流量制御要素は、加圧ガスがガス通路内で入口から制御オリフィスを通って出口に流れることができる第１の状態と、加圧ガスが出口へ流れるのを阻止される第２の状態とを有する。

別の実施の形態によれば、加圧ガス及び流体材料の混合物を吐出する装置が提供される。その装置は、流体材料の流れを閉じ込める混合室と、混合室内の混合器とを備える。混合器は、加圧ガスを流体材料の流れと組み合わせて混合物を形成するように構成されている。ディスペンサが、混合室と連結されて流体連通する。ディスペンサは、混合物を受け入れて吐出するように構成されている。本装置は、加圧ガスを受け入れるように構成された入口と、混合装置と連結された出口と、入口と出口との間のガス通路とをさらに含む。ガス噴射装置は、加圧ガスを入口からガス通路を通して出口に、そして出口から混合室に送るように構成されている。

別の実施の形態によれば、混合室を通って流れる流体材料の流れに加圧ガスを噴射すること、加圧ガスを混合室内の流体材料と組み合わせて混合物を形成すること、及び混合物を吐出することを含む方法が提供される。加圧ガスは、混合室に直接供給される。

本明細書に組み込まれてその一部を形成する添付図面は、本発明の実施形態を示し、上記の概説及び下記の実施形態の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明する役割を果たす。

図１、図１Ａ、図２、及び図３を参照すると、発泡液化又は溶融ホットメルト接着剤等の発泡流体材料を吐出するための吐出システム１０が提供される。吐出システム１０は、少なくとも１つのディスペンサ１２と、流体材料の供給源１４と、ディスペンサ１２と供給源１４とを連結する混合装置１６とを含む。

ディスペンサ１２は、当業者に理解される方法で、断続的な不連続パターンを移動基材上に提供するためにビーズ又はドット等の個別体で発泡流体材料を吐出するか、又は連続的なビーズ又はストリップとして発泡流体材料を吐出するように構成される。ディスペンサ１２は、ガン、モジュール、ハンドガン等を含み得る。具体的な一実施形態では、ディスペンサ１２は、限定はされないがニードル弁型ディスペンサを含む任意の従来のホットメルトディスペンサとすることができ、排出オリフィスからガス及び流体材料の混合物の量を間欠的に排出して確実な流れ遮断を提供するために、シール座部に対して弁棒を選択的に作動させることができる。ディスペンサ１２は、弁棒をシール座部から離して移動させるために空気シリンダに空気圧を供給するソレノイド弁の動作によって、空気圧作動させることができることにより、ガス及び流体材料の混合物を排出オリフィスに流すことができる。代替的に、ディスペンサ１２は、電動式で、固定ポールに対してアーマチャを移動させるために電磁界を発生させるコイルを含んでいてもよく、その場合、シール座部に対して弁棒を移動させるために弁棒がアーマチャに物理的に連結される。ディスペンサ１２の排出オリフィスは、異なるサイズ及び／又は異なる形状を特徴とする発泡流体材料の量、流れ、ドット、又はビーズを吐出するように排出オリフィスの構成を変えるために、容易に取り外して他の同様のノズルと交換することができるノズルに画定され得る。ディスペンサ１２は、吐出を開始するように手動で作動されるトリガも含み得る。

図１、図１Ａ、及び図２〜図５を参照すると、ディスペンサ１２は、例えばねじ係合によって出口ポート２０に取り付けられるエルボ継手１９と、エルボ継手１９に接続されるホース１８とによって、混合装置１６からの出口ポート２０と連結されて流体連通する。別のモジュール又はガン（図示せず）を、混合装置１６の別の出口ポート２２と連結させてもよく、出口ポート２２には、図４で見えるようにプラグ１５が差し込まれる。供給源１４は、例えばねじ係合によって入口ポート２５に取り付けられるエルボ継手２３と、エルボ継手２３に接続される供給ホース２４とによって、混合装置１６への入口ポート２５と連結されて流体連通する。ホース１８、２４は、対向する開口端部にねじ込みカップリング又は着脱容易な継手がある内腔を含み、破裂することなく加圧流体材料によって加えられる流体圧力に耐えるように構成される。ホース１８、２４は、加熱された流体材料からの熱損失を減らすために、絶縁され且つ／又は能動的発熱体で加熱され得る。

供給源１４は、当業者に理解される、圧力下で圧送される任意の溶融材料源である。流体材料の流れは、正の流体圧力で、例えば１．３７９×１０^６Ｐａ（２００ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ））〜１．３７９×１０^７Ｐａ（２０００ｐｓｉ）の範囲で、供給源１４から混合装置１６に強制圧送される。供給源１４は、固体又は半固体のポリマー材料を収容して液化する加熱タンクと液化ポリマー材料をタンクから圧送するポンプとを含む、ホットメルトユニットを備え得る。代替的に、供給源１４は、ホットメルト接着剤等のポリマー材料を収容する２０８．２リットル（５５ガロン）たる又はドラム缶、１８．９リットル（５ガロン）ペール缶等の輸送容器の形態のドラムメルタと、輸送容器の開口端部に挿入される発熱体とを備え得る。発熱体は、輸送容器から混合装置１６に液化状態で直接圧送するために、輸送容器内の固体材料を液化する。供給源１４は、限定はされないが、低温流体材料（吐出の補助として粘度を高めるように加温され得る）、ポリマーコーティング、塗料、他の熱可塑性及び／又は熱硬化性材料、並びにポリウレタン、シリコーン、及びプラスチゾルのようなシーラントを含む、他のタイプの流体材料を吐出することもできる。

図１、図１Ａ、及び図２〜図６を参照すると、混合装置１６は、混合体２６を含み、混合体２６は、側壁２８と、側壁２８によって囲まれた管状の混合室３０と、混合室３０内に配置された混合器３２とを有する。混合装置１６は、側壁２８に形成された穴（図示せず）に埋め込まれたカートリッジ式の抵抗発熱体等のヒータ（図示せず）によって加熱される。ヒータは、電気ケーブル３６によって適当な温度コントローラ（図示せず）と接続され、温度コントローラは、混合体２６に伝達される熱エネルギーへのヒータによる抵抗変換、及びそれに続く混合室３０内の流体材料への熱伝達のために、電気エネルギーを提供する。測温抵抗体（ＲＴＤ）、サーミスタ、又は熱電対等の従来の温度センサ（図示せず）が、温度コントローラが電気ケーブル３６を通してヒータに提供する電力を調節するのに用いるための温度フィードバック信号を提供してもよい。ヒータは、流体材料がディスペンサ１２から吐出されるときに許容温度範囲内にあることを確実にするために用いられる。

混合器３２は、混合室３０を通って長手方向に延びる中心軸３８と、止めねじ３７によって中心軸３８と物理的に係合されて中心軸３８と共に回転するように強固に連結される円筒体３９と、円筒体３９に対面する混合室３０の側壁２８の内面に向かって円筒体３９から外方に突出するフィン４０とを含む。中心軸３８の一端部は、混合室３０の一方の開口端部にあるブッシュすなわち軸受３４によって混合体２６の側壁２８に対して回転するように支持される。ブッシュ３４の中空の中心穴を埋めるスラスト軸受４１が、中心軸３８にスラスト荷重支持を提供する。ブッシュ３４及びスラスト軸受４１は、従来のねじ部品を用いて互いに組み立てられて混合体２６に固定される。中心軸３８の反対端部は、混合室３０の対向する開口端部内に位置するブッシュ４２を突き抜ける。

流体材料は、ブッシュ３４と４２との間の領域で混合室３０内に閉じ込められる。ブッシュ３４、４２は、混合室３０内に流体材料を閉じ込めるのに役立つ様々なシール部材を含む。従来の締結具によって混合体２６に固定されるカウリング４７及びキャップ４９が、モータ４８と連結される端部と反対側の混合装置１６の端部を覆って保護する。

中心軸３８の一端部は、ブッシュ４２の中空の中心穴を突き抜ける。混合室３０の対向する開口端部内に位置付けられる別のスラスト軸受４４も、中心軸３８のこの端部にスラスト荷重支持を提供する。中心軸３８の突出端部は、連結要素４５によってモータ４８の駆動軸４６と連結される。スラスト軸受４４だけでなく連結要素４５も、熱伝導率の低い材料から形成されるため、混合体２６から当業者には理解される従来構造のモータ４８への熱伝達が減る。モータ４８を混合体２６から熱的に分離するために、離間部材５０がモータ４８を混合体２６から分離する。離間部材５０は、冷却を促進させるスロットを含む。ギアボックス又は別のタイプの駆動伝達部を含み得るモータ４８は、混合室３０の側壁２８に対してフィン４０を移動させるために、連結された軸３８、４６の電動回転を駆動する。

代替的に、混合器３２は、任意の他のタイプの動的混合器又は混合室３０内の設置に適合する当業者に認識されるような従来の静的混合器であってもよい。可動部品を有さない従来の静的混合器は、互いに直角に向いた一連の交互の右巻き及び左巻き螺旋要素等、一連の内部バッフル又は要素を有するデバイスである。代表的な静的混合器は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，４８０，５８９号に開示されており、当該出願の開示の全体が参照により本明細書に援用される。代表的な動的混合器は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４，７７８，６３１号に開示されており、当該出願の開示の全体が参照により本明細書に援用される。

図６に最もよく示されるように、混合器３２のフィン４０の列は、円筒体３９の長さ（及び中心軸３８の長さ）に沿って分配され、フィン４０の隣接列同士は、流路５１によって分離される。固定側壁２８に対するフィン４０の回転は、後述するように混合室３０内に圧力下で導入されるガスを混合室３０内の加圧流体材料と均一にブレンドすなわち混合するように働く。加圧流体材料は、供給源１４から入口ポート２５に連続的に供給され、混合室３０を通って流れ、出口ポート２０を通って出る。各フィン４０の先端部は、側壁２８との間に狭い隙間を有する。ガス及び流体材料の混合、攪拌、及びかき混ぜのために、フィン４０が回転すると、流体材料及びガスが隣接するフィン４０間のギャップに押し通される。

円筒体３９の長さに沿って延びる最初は一続きである螺旋ねじ山から作られるフィン４０は、同じく円筒体３９の長さに沿って巻いた螺旋状構成を有する。混合器３２の中心軸３８をモータ４８の動作によって連続回転させると、フィン４０の螺旋状構成が、流体材料を入口ポート２５に向けて押すことで、出口ポート２０に向かう混合物の前進流を遅らせる傾向がある。したがって、混合室３０を通って流れる流体材料及び流入する加圧ガスは、フィン４０によって小さな流れに繰り返し分割されてから再結合されるため、ほぼ均一なブレンドすなわち混合物ができる。

代表的なばね式逆止弁５２（図４）の形態の流量制御要素が、混合室３０と供給源１４との間の入口ポート２５に位置付けられる。従来の構造である逆止弁５２は、ガスが充填された流体材料が供給ホース２４に侵入して上流の供給源１４に運ばれるのを防止する。

混合体２６を通って流れる流体材料の圧力を感知及び測定するために、圧力計５４が混合室３０と連通する。圧力計５４は、測定圧力を示すために混合装置１６の外部から見えるダイヤル等の圧力インジケータを有する。圧力計５４は、混合室３０と連通する混合体２６のポートと例えばねじ係合によって連結されるエルボコネクタ５６の一端部に位置付けられる。観察者は、圧力計５４の読みを見て、例えば混合装置１６の動作パラメータを調整することができる。通常、混合室３０に導入されるガスの圧力は、混合室３０内の流体材料の圧力よりも約６．８９５×１０^５ Ｐａ（１００ｐｓｉ）〜約２．７５８×１０^６ Ｐａ（４００ｐｓｉ）高い圧力で維持される。概して、ガス圧力は、流体材料の粘度及び流量に応じて変わる。

図１、図５、図７、図７Ａ、図８、及び図９を参照すると、噴射装置６０を用いて、計量された加圧ガス流が混合室３０に噴射される。噴射装置６０は、混合体２６から突出する本体６２、ノズル９５のガス出口６６に通じる本体６２内の穴６５、及び本体６２の両端部にある一対のアクチュエータキャビティ又はアクチュエータ室６６、６８を含む。本体６２は、適当なシール部材及び締結具を用いて互いに組み立てられる複数の構成部品から形成され得る。

弁棒すなわちニードル７０の一端部が、アクチュエータ室６６内に配置されたピストン７１及びアクチュエータ室６８内に配置されたピストン７２に連結される。ニードル７０の反対端部は、ニードル先端部７４を担持し、これは穴６５内に画定されたガス室６４内に配置される。ニードル先端部７４は、ニードル７０の端部と確実にねじ接続される。ニードル先端部７４の前端部は、噴射装置６０が閉じると、同じく穴６５内に配置されるシール座部７６の接触線と接触して係合するような形状になっている。シール座部７６は、本体６２の穴６５内に位置付けられる入口スクリーン組立体９２の管状部分７５に担持される。本体６２と入口スクリーン組立体９２の管状部分７５との間にシールを提供するために、リング形溝内にシールリング１２７が配置される。

ニードル７０及びニードル先端部７４は、ニードル先端部７４をシール座部７６に対して接離移動させて噴射装置６０を図１０に最もよく示されるような閉鎖状態及び図８及び図９に最もよく示されるような開放状態にするために、ピストン７１、７２の移動によって軸方向に往復運動するように構成される。ニードル先端部７４がシール座部７６と接触しているとき、ガスはガス室６４からシール座部７６を通って流れるのを妨げられ、流体材料はシール座部７６を通って逆方向に流れるのを妨げられる。ニードル先端部７４は、ステンレス鋼のような金属製であり得るシール座部７６と接触させられるとわずかに潰れて圧縮する、ポリイミド等の柔軟な材料から形成され得る。代替的に、ニードル先端部７４は、シール座部７６と共に研磨加工される場合、ステンレス鋼等の金属製にすることもできる。

空気圧供給源７３が、ホース７７によってＴ字型継手７９の入口と連結され、Ｔ字型継手７９は、例えば噴射装置６０の本体６２を通って延びるポートとのねじ係合によってアクチュエータ室６６に連結される中心ステムを有する。Ｔ字型継手７９の出口は、ジャンパホース５９によってエルボ継手５８と連結され、エルボ継手５８は、例えば噴射装置６０の本体６２を通って延びるポートとのねじ係合によってアクチュエータ室６８に連結されるステムを有する。空気圧供給源７３は、アクチュエータ室６６、６８を同時に加圧してアクチュエータ室６６、６８から空気圧を同時に排気するために、アクチュエータ室６６、６８と連結される。空気圧供給源７３は、アクチュエータ室６６、６８への加圧空気の供給とアクチュエータ室６６、６８からの加圧空気の排気とを切り替えるためのソレノイドを含み得る。空気圧供給源７３のソレノイドは、アクチュエータ室６６、６８への空気圧の供給を調節するためにコントローラ１２６と電気的に連結される。

ピストン７１、７２は、ピストン７１、７２のニードル先端部７４に最も近い側で各アクチュエータ室６６、６８に十分な空気圧が導入されると、本体６２に対して空気圧で移動させられる。ピストン７１、７２は、アクチュエータ室６６、６８のそれぞれの内面とのシール接触を提供するシールリングをそれぞれが担持しており、ニードル先端部７４をシール座部７６から離す方向７８にニードル７０を移動させてばね復帰機構８０（図７Ａ）を圧縮する。ニードル先端部７４が開放状態でシール座部７６から離されると、ガスがシール座部７６を通して流れることができる。アクチュエータ室６６、６８内の空気圧が同時に解放されると、ばね復帰機構８０は、ニードル先端部７４がシール座部７６に接触して閉鎖位置を再び確保するまでニードル７０を方向７８とは逆にガス出口６６に向けて自動的に動かす。ニードル７０の移動量に応じて時計方向又は反時計方向に回転させることができるストローク調整機構８２（図７Ａ）が設けられる。

ニードル７０用の空気開放・ばね復帰アクチュエータは、空気開放・空気密閉アクチュエータで置き換えてもよい。この代替的な実施形態では、ピストン７２及びニードル７０を方向７８とは逆の方向に移動させて噴射装置６０を閉じてガス流を遮断するために、ばね復帰機構８０をなくして、アクチュエータ室６６、６８内でピストン７１、７２それぞれの対向する側に加えられる空気圧で置き換えてもよい。他の代替的な実施形態では、ニードル７０は、空気圧駆動式ではなく、電気作動式であってもよく、回転駆動装置によって移動させてもよく、又は磁石によって移動させてもよい。

噴射装置６０にガスを供給するための入口８４が、本体６２の周壁を貫通してガス室６４と連通する。ニードル先端部７４は、ガス室６４内に配置される。本体６２は、穴６５と連通する別の未使用の入口８３を有し、これは取り外し可能なプラグ８１によって塞がれシールされる。ガス供給源８６が、ホース８７によって、噴射装置６０の入口８４と連通する入口取付具８８内の入口通路８５と連結される。ガス供給源８６は、窒素又は二酸化炭素のような不活性ガス、又は低い水蒸気含有量を有するように任意に脱湿される工場空気等の加圧ガス流を供給し、これは噴射装置６０によって混合室３０内の流体材料に噴射される。

入口取付具８８は、取付リング８９及び従来の締結具を用いて本体６２に固定される。入口取付具８８の入口通路８５内に配置されるフィルタスクリーン９０が、入口８４に流れが入って噴射装置６０に供給される前に、到着するガスから粒子を除去する。入口８４と入口通路８５との接合部で本体６２と取付リング８９との間に、適当なシールリング９０ａが設けられて、本体６２と入口取付具８８との間からガスが逃げるのを防止する。

図１１及び図１１Ａを参照すると、噴射装置６０は、入口スクリーン組立体９２と、オリフィスボタン９４と、穴６５のうちシール座部７６とガス出口６６との間の部分に配置される機械的逆止弁９６とを含む。オリフィスボタン９４は、入口スクリーン組立体９２と逆止弁９６との間に配置される。制御オリフィス９８及び制御オリフィス９８よりもはるかに大きな断面積を有する通路１００が、オリフィスボタン９４を通って延びて噴射装置６０内のガス通路の一部を画定する。入口スクリーン組立体９２は、制御オリフィス９８の上流で制御オリフィス９８とシール座部７６との間に位置決めされるフィルタスクリーン１０１を含む。

ニードル先端部７４がシール座部７６から離れると、ガスが入口スクリーン組立体９２内に画定されたガス室１０２に流れ込み、制御オリフィス９８を通り、入口スクリーン組立体９２と逆止弁９６の座部１１４との間に画定された別のガス室１０４に入る。ガス室１０２は、内径が異なる２つの接続領域を含み、内径が小さい方の通路１００は制御オリフィス９８と直接連結される。制御オリフィス９８は、ガス室１０２からガス室１０４へのガス流を計量する。制御オリフィス９８は、約０．００１インチ（約０．００２５４センチメートル）〜約０．００２インチ（約０．００５０８センチメートル）の範囲の有効径ｄ、又はガス流を計量するのに効果的な任意の他の直径を有し得る。制御オリフィス９８は、通路１００の内径よりも大幅に小さな有効内径を有する。制御オリフィス９８は、ガス室１０４の上流且つシール座部７６及びガス室１０２の下流にある。ガス室１０２、１０４及び制御オリフィス９８は、シール座部７６と座部１１４との間に連続的なガス充填空間を事実上画定する。

フィルタスクリーン９０、１０１は、制御オリフィス９８の有効径ｄよりも大きな寸法を有する粒子を保持するのに効果的なスクリーンサイズを有し、これは目詰まりの危険を減らすように働く。例えば、約０．００１インチ（約０．００２５４センチメートル）の有効径を有する制御オリフィス９８と共に用いるには、フィルタスクリーン９０、１０１は、約１０ミクロン（０．０００４インチ）〜約１５ミクロン（０．０００６インチ）のスクリーンサイズを有し得る。

逆止弁９６は、ノズル９５の中心穴９７内に配置される。逆止弁９６は、プランジャ１０６と、胴体１０８と、ばね保持ワッシャ１１０と、プランジャ１０６とばね保持ワッシャ１１０との間にコイルが圧縮された代表的な圧縮ばね１１２の形態の付勢要素とを含む。逆止弁９６の胴体１０８の外部は、逆止弁９６を中心穴９７内の固定された場所にシール係合で固定するように構成される、一連の環状リング特徴部９９を含む。

逆止弁９６が閉じられると、プランジャ１０６の頭部が、胴体１０８の内方湾曲端部分を囲む環状縁によって画定される座部１１４に接触する。プランジャ１０６の頭部は、着座すると、ガス室１０４の隣接する円筒形部分内に突出する。逆止弁９６のプランジャ１０６は、ガス室１０４の円筒形部分からプランジャ１０６と座部１１４との間を進むガスを圧縮ばね１１２が閉じ込められた胴体１０８内の空間１１８に導くポート１１６を有する下側スカートを含む。流体材料が空間１１８から出て混合室３０内に変位させられるとき、空間１１８は、ばね保持ワッシャ１１０の隙間開口１２０と胴体１０８内の別の通路１３８とによってガス出口６６に連結されるガス通路となる。

噴射装置６０が動作中で閉じているとき、流体材料は、通常は空間１１８内にある。しかしながら、噴射装置６０が開いている途中か、開いているか、又は開放状態から閉鎖状態への移行中で、プランジャ１０６が座部１１４と非接触関係にあるようなとき、ガス室１０４内のガスの流体圧力は、空間１１８内の流体材料が座部１１４を通ってガス室１０４に入らないようにする。したがって、逆止弁９６は、混合室３０内の流体材料が噴射装置６０内に侵入して制御オリフィス９８に到達しないようにすることで、制御オリフィス９８を流体材料による汚染から保護する。

ノズル９５は、本体６２とのねじ込みカップリングを有し、これは参照符号９１で全体的に示される。ノズル９５とオリフィスボタン９４との間に流体シールを提供するために、リング形溝内にシールリング１２１が配置される。ノズル９５は、混合装置１６の混合体２６の側壁２８を貫通する入口開口１２４（図１Ａ、図５）とシール係合を確立するシールリング１２２を含む。ガス出口６６から排気された加圧ガスは、入口開口１２４を通って混合体２６の混合室３０に入る。

取付フランジ１２８が、従来のねじ部品（例えば押さえねじ）を用いて噴射装置６０の本体６２に締結される。取付フランジ１２８は、さらに、従来のねじ部品（例えば押さえねじ）を用いて、噴射装置６０を混合装置１６と機械的に連結する側壁２８に画定された概ね平坦な締結領域１３６（図１Ａ）において混合体２６に締結される。

代表的なコントローラ１２６の形態の制御システムが、アクチュエータ室６６、６８用の空気圧供給源７３のソレノイドとディスペンサ１２用のアクチュエータとに電気的に連結される。コントローラ１２６は、ディスペンサ１２の動作と連携して空気圧供給源７３のソレノイドを切り替えるように構成される。このようにして、ガス及び流体材料の混合物がディスペンサ１２から吐出されるときにのみ、ガスが噴射装置６０から混合室３０に導入される。ガス及び流体材料の混合物の供給中、コントローラ１２６は、流体材料が混合室３０を通って流れ続けているときにガスが噴射装置６０によって混合室３０に導入され続けることを確実にする。ガス及び流体材料の混合物は、最終的に、出口ポート２０及びホース１８を通してディスペンサ１２に導かれる。流体材料が混合室３０を通って流れていないとき、ガスが混合室３０内の静的流体材料に不必要に導入されないように、噴射装置６０が閉じられる。このようにしてガス流が調節されることにより、混合室３０内にある静的体積の流体材料に過剰なガスが導入されない。

当業者に理解されるように、コントローラ１２６は、プログラム可能な論理制御装置（ＰＬＣ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、又はメモリに記憶されたソフトウェアの実行及び本明細書に記載の機能の実行が可能な中央処理装置（ＣＰＵ）を有する別のマイクロプロセッサベースのコントローラであり得る。コントローラ１２６は、英数字ディスプレイ、タッチスクリーン、及び他の視覚的インジケータ等の出力デバイス、及び英数字キーボード、ポインティングデバイス、キーパッド、押しボタン、制御ノブ等の入力デバイスを有する、オペレータからの命令又は入力を受けて入力された入力をコントローラ１２６のＣＰＵに送ることができるヒューマンマシンインタフェース（ＨＭＩ）デバイスを含み得る。

動作をトリガされると、ディスペンサ１２は、コントローラ１２６に電気信号を供給することができる。代替的に、コントローラ１２６が、ガス／流体材料混合物を吐出するためにディスペンサ１２の動作を制御することもできるか、又はディスペンサ１２の動作を制御する別のコントローラ（図示せず）と通信することができる。代替的に、コントローラ１２６は、噴射装置６０から混合室３０内を流れる流体材料に供給されているガスの圧力又は流れを監視するセンサ（図示せず）と連結されて、監視した圧力及び流体材料の測定流量を用いて流体材料へのガスの噴射を動的に調節することもできる。コントローラ１２６は、供給された材料のガス含有量を検出するセンサと連結され得る。

吐出システム１０は、ガス及び流体材料の混合物を生成及び吐出するための動作システムを組み立てるのに必要な、締結具、軸受、シール部材、ホース、配線等の付加的な構成部品（それらのいくつかは図示されているが具体的には説明しない）を含む。これらの従来の構成部品の構造及び配置は、当業者には理解される。

図１、図１Ａ、図２〜図７、図７Ａ、図８〜図１１、及び図１１Ａを参照すると、使用の際には、窒素、二酸化炭素、又は工場空気等の加圧ガスが、ガス供給源８６から本体６２を貫通する入口８４に供給される。ディスペンサ１２がトリガされると、コントローラ１２６は空気圧供給源７３に、ニードル先端部７４をシール座部７６から離す方向７８にピストン７１、７２及びニードル７０を移動させるのに十分な空気圧でアクチュエータ室６６、６８を加圧させる。ニードル先端部７４がシール座部７６から開放状態に離されると、新鮮ガスがガス供給源８６から連続的に供給されて、出口６６を通して混合室３０内に噴射されるガスに取って代わる。具体的には、新鮮ガスは、入口８４及び入口通路８５を通ってガス室６４に流れ込み、ガス室６４からシール座部７６を越えて入口スクリーン組立体９２に入り、オリフィスボタン９４の制御オリフィス９８及び通路１００を通って入口スクリーン組立体９２のガス室１０２に入ってからガス室１０４に入り、ガス室１０４から逆止弁９６の座部１１４を越えて空間１１８に入る。

混合室３０内の流体材料の流体圧力と、プランジャ１０６に加わる圧縮ばね１１２からの付勢力との組み合わせが、プランジャ１０６を逆止弁９６の胴体１０８上の座部１１４と接触関係に維持するように協働する。加圧ガスは、流体材料が加える流体圧力及び圧縮ばね１１２が加える付勢力によってプランジャ１０６に加わる対抗力を克服するのに十分な圧力にガス圧力が達するまで、ガス室１０４内に保持される。ガス室１０４内がこの閾値ガス圧力に達すると、プランジャ１０６が座部１１４から離れ、ガスが座部１１４及びポート１１６を通って胴体１０８内の空間１１８に流れ込み、ばね保持ワッシャ１１０の隙間開口１２０を通って最終的にガス出口６６に流れる。

ガスが座部１１４からガス出口６６に流れる速度は、コンダクタンスが最も小さな領域に相当する制御オリフィス９８の寸法によって主に計測される。ガス出口６６から排出されるガス流量は、混合室３０を通る流体材料の流量に一致するように、且つディスペンサ１２（図１）から排出されるガス及び流体材料の混合物を所望の濃度に低下させるために流体材料に導入すべきガスの所望の量を反映するように選択される。流量は、オリフィスボタン９４を断面積が異なる（すなわち寸法が異なる）制御オリフィスを有する異なるオリフィスボタン（図示せず）で置き換えること、及び／又はガス供給源８６から噴射装置６０に供給されるガスの圧力を変えることによって変更することができる。

座部１１４付近の流体材料とガスとの間の境界面は、プランジャ１０６と座部１１４との間の接触線又はその付近に位置すると考えられる。座部１１４から持ち上がる瞬間のプランジャ１０６の移動は、ガスの通過を許すのに必要な最小距離を超えないように制御されるべきである。プランジャ１０６がこの最小距離よりも大きく移動すると、座部１１４を越えてガスと流体材料との交換が可能になり得ることで、流体材料がガス室１０４に入ることができるようになり、最終的に制御オリフィス９８を汚染してしまう。

混合室３０へのガスの流れの開始及び終了の制御は、ガス室１０２、１０４の総合的体積を最小にすることによって最適化することができる。特に、この体積は、混合室３０へのガス流の開始及び終了のための噴射装置６０の応答時間を少なくとも部分的に決定する。本発明の一実施形態では、ガス室１０２、１０４の体積は、約１立方センチメートル以下である。

加圧ガスは、ガス充填空隙によって画定される圧縮気泡として、混合室３０内の加圧流体材料に取り入れられる。流体材料によって加えられる圧力は、気泡を圧縮する。ガス及び流体材料の混合物がディスペンサ１２から吐出されると、混入した大量のガスが急速に膨張し、膨張後に流体材料内に閉じ込められて発泡流体材料を生成する。閉じ込められたセルは、流体材料全体に分布するガスの小さな気泡となる。気泡分布は、変数の中でも特に、流体材料のタイプ、所望の濃度低下、混合器３２の混合室３０内の滞留時間、及び流体材料の流量に応じて、均一又は不均一になり得る。気泡は、一定割合の流体材料と置き換わって、主に材料節約をもたらし、且つ吐出される混合物の機械的特性を変える／改善する。

代替的な実施形態では、混合装置１６は、別個の混合体２６に収容されるのではなく、吐出システム用のマニホルドに組み込むことができる。混合装置１６の混合体２６は、噴射装置６０と同様の別の任意の噴射装置（図示せず）に設置されて混合室３０内の流体材料にガスを供給するための別の入口開口１３０（図５）を含み、これは、ねじ係合によってこれと連結されるプラグ１３２（図５）が充填されて図示されている。付加的な噴射装置を用いて、ガスが混合室３０内の流体材料に導入される速度を効果的に上昇させることができる。

混合装置１６は、混合室３０内で流れている流体材料へのガスの導入を管理する。ガスは、流体材料吐出周期全体にわたって均一なガス流量での噴射によって導入される。制御オリフィス９８の上流及び制御オリフィス９８の下流におけるガス体積を最小にすることには、各吐出周期の開始時及び終了時のガス噴射の遅延を最小にする働きがあり得る。吐出システム１０及び混合装置１６は、事実上全ての流体材料吐出システムに組み込んで多種多様な異なる流体材料を吐出するのに用いることができる、小型で低価格な独立型デバイスを提供する。適切なガス圧力は、吐出される発泡流体材料の観察から決定することができる。

混合装置１６の単純性により、発泡流体材料の生産に用いられる従来の混合装置及び方式と比較してコスト優位性を得ることができる。例えば、混合装置１６は、流量測定からのフィードバックに基づいて流体材料へガスの導入を動的に制御するために高性能の制御システムを必要としない。別の例として、混合装置１６は、流体材料にガスを導入するために二段ギアポンプを必要としない。

流体材料への噴射のために出口６６から排出されるガスのガス圧力は、流体材料の流体圧力よりも高い。噴射装置６０は、特に流体材料の流れが周期的にオン・オフされるときに流体への一定の流量のガス流を維持するために、流体へのガス流を制御する。この状況では、噴射装置６０は、ガス対流体材料の所望の比（すなわち濃度低下）を維持するために、混合室３０を通る流体流と一致して周期的にオン・オフされる。噴射装置６０の制御オリフィス９８は、計量デバイスとして働き、噴射装置６０が開かれるとガス流を制御する。さらに、逆止弁９６は、流体材料が上流の制御オリフィス９８及び通路１００、１０２内に移動して、その結果としてガス流路の閉塞を引き起こすのを防止する。上述のように、流体材料とガスとの間の境界面は、座部１１４の付近ではあるが座部１１４と出口６６との間に位置する。

噴射装置６０及びディスペンサ１２が閉じられると（すなわち、ガス流も液体流もない）、差圧が存在する（流体の方が高い）ことで、逆止弁９６が流体材料によって閉鎖保持される。ディスペンサ１２が開いた直後に、噴射装置６０も開く。ガスは、ガス圧力が逆止弁９６のプランジャ１０６に作用する流体圧力を克服するまで、短い時間遅延を伴って混合室３０内の流体材料に流れ込み始める。この時間遅延の持続時間は、制御オリフィス９８と逆止弁９６との間のガス室１０４内のガス圧力及びガス体積によって主に左右される。ガス室１０４内のガス体積が減ると、時間遅延が減る。

ガスと流体との力の平衡が移動して逆止弁９６のプランジャ１０６を座部１１４から離すと、ガスが混合室３０に入り始める。噴射装置６０から混合室３０へのガス導入速度は、プランジャ１０６がその座部１１４から押し離されて最終的に定常動作状態に達したときのガス圧力の初期サージとして、最初は急速であり得る。定常動作状態が得られると、ガス対液体の比は時間を経ても比較的一定のままである。

流体吐出周期の終わりには、ディスペンサ１２及び噴射装置６０が閉じる。ガス室１０２、１０４内のガス圧力が抜けて低下することで力の平衡が移動し、最終的に逆止弁９６のプランジャ１０６を座部１１４に再着座させてガス流を止めるまで、ガスは流れ続ける。

制御オリフィス９８と逆止弁９６の座部１１４との間のガス室１０２、１０４の体積は、逆止弁９６の応答時間を決定する要因である。ガス室１０２、１０４の体積を最小にすることで、逆止弁９６の動作とディスペンサ１２の動作との同期性が向上する。この同期性は、プロセス流体材料の濃度低下の変動すなわち変化を最小限に抑えるのに役立つ。噴射装置６０の周期が開放状態になると、ガス室１０２、１０４にガス供給圧力レベルの圧力でガスが充填されて、プランジャ１０６を座部１１４から持ち上げることによってガス流を開始させなければならない。ガス室１０２、１０４の体積が減少すると、ガス室１０２、１０４を吐出周期の開始時にガス供給圧力レベルにすることができる速度が上昇する。さらに、ガス室１０２、１０４の体積を最小にすると、噴射装置６０の周期が閉鎖状態になるときに、プランジャ１０６を座部１１４から持ち上げたまま維持するガス室１０４内のガス圧力を短時間で抜くことができる。ガス室１０２、１０４内のガス圧力を急速に解放することができることで、噴射装置６０のガス出口６６からのガス流の即時中止が促される。

本明細書における「垂直」、「水平」等の用語への言及は、限定としてではなく基準系を設定するために一例として行われる。様々な他の基準系を用いてもよいことが理解される。したがって、説明におけるこれら及び他の方向指示語の使用は、いずれかの特定の絶対方向を意味するために用いるべきではない。

本発明を様々な実施形態の説明によって示し、これらの実施形態をかなり詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲をこのような詳細に制限することもいかなる形で限定することも、本出願人の意図するところではない。さらなる利点及び変更形態が、当業者には容易に明らかとなるであろう。したがって、本発明の幅広い諸態様は、図示及び説明した具体的な詳細、代表的な方法、及び説明的な例に限定されない。したがって、本出願人の一般的な発明概念の精神又は範囲から逸脱しない限りこのような詳細からの逸脱を図ることができる。

混合室に連結された混合装置及びガス噴射装置を含む、ガス及び流体材料の混合物を吐出する吐出システムの一実施形態の概略斜視図である。 ガス噴射装置が混合室から取り外された、図１の混合装置の一部の斜視図である。 図１の混合装置の上面図である。 図１の混合装置の一部の側面図である。 図２の線４−４に概ね沿った混合装置の断面図である。 図２の線５−５に概ね沿った混合装置の断面図である。 図１の混合装置で用いられる混合器の斜視図である。 吐出システムの混合室から取り外されて示される、図１のガス噴射装置の斜視図である。 混合装置の混合室内の流体材料にガスを噴射するために、ガス噴射装置のニードル先端部がシール座部から離れて示される、図７の７Ａ−７Ａに概ね沿った断面図である。 図７Ａのガス噴射装置の下側部分の拡大断面図である。 図８の一部の拡大断面図である。 ニードル先端部がシール座部と接触している、図９と同様の断面図である。 図７Ａの異なる部分の拡大断面図である。 図１１の一部の拡大断面図である。

Claims (25)

1. ガス噴射装置であって、
   加圧ガスを受け入れるように構成される入口と、該加圧ガスを排気するように構成される出口と、該入口と該出口とを接続するガス通路と、該出口への前記加圧ガスの流量を計量するために前記ガス通路中に設けられた制御オリフィスとを有する本体と、
   前記加圧ガスが前記ガス通路内で前記入口から前記制御オリフィスを通って前記出口に流れることができる第１の状態と、前記加圧ガスが前記出口に流れるのを阻止される第２の状態とを有する前記ガス通路中に設けられた流量制御要素と
   を備えるガス噴射装置。
2. 前記流量制御要素は、前記制御オリフィスと前記出口との間の前記ガス通路内に位置付けられる請求項１に記載のガス噴射装置。
3. 前記流量制御要素は、プランジャと、前記出口と前記制御オリフィスとの間の座部と、該プランジャを付勢して該座部と接触させる付勢力を加える付勢要素とを含み、該プランジャは、前記流量制御要素の前記第１の状態及び前記第２の状態を提供するように前記座部に対して可動である請求項１に記載のガス噴射装置。
4. 前記プランジャは、該プランジャと前記入口との間の流体圧力が前記付勢力及び該プランジャと前記出口との間の流体圧力の和よりも高いときに、前記第１の状態を提供するように前記座部に対して可動であり、前記プランジャと前記出口との間の流体圧力が前記付勢力及び該プランジャと前記入口との間の前記流体圧力の和よりも高いときに、前記第２の状態を提供するように可動である請求項３に記載のガス噴射装置。
5. 前記プランジャは、前記流量制御要素の前記第１の状態で前記座部と非接触関係にあり、該流量制御要素の前記第２の状態で該座部と接触関係にある請求項４に記載のガス噴射装置。
6. 前記本体は、前記座部と前記制御オリフィスとの間にガス室をさらに含む請求項３に記載のガス噴射装置。
7. 前記ガス室は、約１立方センチメートル以下の体積を有する請求項６に記載のガス噴射装置。
8. 前記本体は、前記入口と前記出口との間の前記ガス通路内にシール座部を含み、
   前記ガス噴射装置は、
   前記シール座部から離れて前記加圧ガスが該シール座部を通って流れるのを許す開放位置と、該シール座部と接触して該加圧ガスの流れを阻止する閉鎖位置との間で、前記シール座部に対して可動なニードル先端部と、
   前記ニードル先端部と機械的に連結され、前記開放位置と前記閉鎖位置との間で前記シール座部に対して前記ニードル先端部を移動させるようになっているアクチュエータと
   をさらに備える請求項１に記載のガス噴射装置。
9. 前記制御オリフィスは、前記シール座部と前記出口との間に位置付けられる請求項８に記載のガス噴射装置。
10. 前記制御オリフィスは、約０．０２５４ミリメートル〜約０．０５０８ミリメートルの有効径を有する請求項１に記載のガス噴射装置。
11. 加圧ガスと流体材料との混合物を吐出する装置であって、
    前記流体材料の流れを閉じ込める混合室と、前記混合室内に設けられ、前記加圧ガスを該流体材料の流れと組み合わせて前記混合物を形成するように構成された混合器とを含む混合装置と、
    前記混合室と連結されて流体連通し、前記混合物を受け入れて吐出するように構成されたディスペンサと、
    前記加圧ガスを受け入れるように構成された入口と、前記混合装置の前記混合室と連結された出口と、該入口と該出口との間のガス通路とを有し、前記加圧ガスを前記入口から前記ガス通路を通して前記出口に、そして該出口から前記混合室に送るように構成されたガス噴射装置と
    を備える装置。
12. 前記ガス噴射装置は、前記入口と前記出口との間の前記ガス通路内にあるシール座部と、ニードル先端部と、該ニードル先端部と連結され、該ニードル先端部が前記シール座部から離れて前記加圧ガスが該シール座部を通って流れるのを許す開放位置と、前記ニードル先端部が前記シール座部と接触して前記加圧ガスの流れを阻止する閉鎖位置との間で、前記シール座部に対して前記ニードル先端部を移動させるように構成されたアクチュエータとをさらに含む請求項１１に記載の装置。
13. 前記ガス噴射装置の前記アクチュエータと電気的に連結され、前記ディスペンサが前記混合物を吐出するように動作させられるときに前記アクチュエータが前記ニードル先端部を前記閉鎖位置から前記開放位置に移動させるように構成された制御システム
    をさらに備える請求項１２に記載の装置。
14. 前記ガス噴射装置は、プランジャと、前記出口と前記制御オリフィスとの間の座部と、該プランジャを付勢して該座部と接触させる付勢力を加える付勢要素とを含む流量制御要素を含み、前記プランジャは、前記加圧ガスが前記ガス通路内で前記入口から前記制御オリフィスを通って前記出口に流れることができる第１の状態と、前記加圧ガスが前記出口へ流れるのを阻止される第２の状態とを提供するように、前記座部に対して可動である請求項１１に記載の装置。
15. 前記プランジャは、該プランジャと前記入口との間の該加圧ガスの流体圧力が前記付勢力及び該プランジャと前記出口との間の前記流体材料の流体圧力の和よりも高いときに、前記第１の状態を提供するように前記座部に対して可動であり、前記プランジャと前記出口との間の該加圧ガスの流体圧力が前記付勢力及び前記プランジャと前記入口との間の前記流体材料の前記流体圧力の和よりも高いときに、前記第２の状態を提供するように可動である請求項１４に記載の装置。
16. 前記ガス噴射装置は、前記入口と前記出口との間の前記通路内に位置付けられる制御オリフィスを含み、該制御オリフィスは、前記出口への前記加圧ガスの流量を計量するように構成されている請求項１１に記載の装置。
17. 前記ディスペンサ及び前記ガス噴射装置と電気的に連結され、該ガス噴射装置から前記混合室内の前記流体材料への前記加圧ガスの噴射を調節するように動作する制御システムをさらに備える請求項１１に記載の装置。
18. 流体材料及び加圧ガスの混合物を吐出する方法であって、
    混合室を通って流れる前記流体材料の流れに前記加圧ガスを噴射すること、
    前記加圧ガスを前記混合室内の前記流体材料と組み合わせて前記混合物を形成すること、及び
    前記混合物を吐出すること
    を含む方法。
19. 前記流体材料が前記混合室内で静止するように該流体材料の流れを遮断するために前記混合物の吐出を中止すること、及び
    前記流体材料の流れが遮断されたときに、前記静止した流体材料への前記加圧ガスの噴射を中止すること
    をさらに含む請求項１８に記載の方法。
20. 前記加圧ガスを噴射することは、
    前記加圧ガスを前記混合室内に選択的に噴射させるようにガス噴射装置を作動させること
    をさらに含む請求項１８に記載の方法。
21. 前記加圧ガスを噴射することは、
    前記ガス噴射装置が、選択的に、前記加圧ガスを前記流体材料の流れに噴射する開放状態に作動されたときに、制御オリフィスで前記加圧ガスの流量を計量すること
    をさらに含む請求項２０に記載の方法。
22. 前記ガス噴射装置が閉鎖位置に選択的に作動されて前記流体材料への前記加圧ガスの噴射を遮断したときに、前記ガス噴射装置の前記制御オリフィスへの前記流体材料の逆流を防止すること
    をさらに含む請求項２１に記載の方法。
23. 前記混合室を通る前記流体材料の流れを遮断すること、及び
    前記流体材料の流れが遮断されたときに、前記ガス噴射装置を閉鎖状態に選択的に作動させることによって、前記流体材料への前記加圧ガスの噴射を中止すること
    をさらに含む請求項２０に記載の方法。
24. 前記加圧ガスを噴射することは、
    前記流体材料への前記加圧ガスの流量を制御すること
    をさらに含む請求項１８に記載の方法。
25. 前記混合室内に前記加圧ガスを噴射するように構成されるガス噴射装置への前記流体材料の逆流を防止すること
    をさらに含む請求項１８に記載の方法。

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