KR20150118172A - 폼 디스펜서 - Google Patents

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KR20150118172A
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마크 닉매니스
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캠브리지 컨설턴트 리미티드
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Abstract

본 발명은 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 배출구로부터 폼을 생산하기 위한 디스펜서에 관한 것이다. 디스펜서(20)는 계면활성 용액(21)을 유지하기 위한 리셉터클(37), 가스(23)를 공급하기 위한 수단 그리고 리셉터클 내의 계면활성 용액과 가스를 흐름 경로를 따라 배출구를 향하여 운반하기 위한 수단을 포함하며, 여기서 운반 수단은 계면활성 용액(21)과 가스(23)로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분(25)을 갖는 도관을 포함하며, 그리고; 발포 부분(23)은 미리 정의된 한정에 의하여 특징지어진 품질을 갖는 폼을 제공하도록 맞추어진 내부 크기를 갖는다.

Description

폼 디스펜서{Foam Dispenser}
본 발명은 폼 디스펜서, 특히 압축 가스를 이용하여 폼을 생성할 수 있는 폼 디스펜서에 관한 것이다.
일반적인 폼(foam) 그리고 에어로졸 디스펜서는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 이용하여 폼 또는 에어로졸 스프레이를 생성하며, 여기서 VOC는 추진제의 역할을 수행하는 액화 가스로서 제공된다. 예를 들어 많은 에어로졸 디스펜서는 액화된 석유 가스(LPG) 또는 유사한 것을 이용한다. 그러나 감각 과민 상태 그리고 호흡기 질환과 같은 VOC와 관련된 건강 상의 위협으로 인하여 많은 다른 나라에서의 환경청은 현재 이러한 디스펜서 내에서의 VOC의 사용을 단계적으로 폐지하는 것을 시도하고 있다. VOC는 또한 가연성이며 그리고 압축 가스 추진제보다 가격이 비싸다.
일부 기존 폼 디스펜서는 액체와 가스를 작은 오리피스를 통과시킴에 의하여 폼을 생성하며, 이는 별개의 오리피스에서의 레일리-테일러 불안정성(Rayleigh-Taylor instabilities)을 통하여 버블의 형성을 야기한다. 이 메커니즘으로 인하여, 이 작은 오리피스 발포 장치에 의하여 생성될 수 있는 기포의 가장 작은 크기는 오리피스의 직경과 대략적으로 동일하다. 이러한 이유로 작은 기포, 예를 들어 약 60 미크론의 직경을 갖는 기포를 생성하기 위하여, 이러한 소형 오리피스 발포장치가 약 60 미크론의 직경을 갖는 오리피스를 포함하는 것이 필요할 것이다.
그러나, 이러한 작은 오리피스는 제조하기 어려울 수 있고 또한 제조하는데 비용이 많이 소요될 수 있다. 특히, 재료 면에서 밀리미터보다 작은 직경을 갖는 오리피스를 제조하기 위하여, 전형적으로 레이저 드릴링과 같은 전문적인 기술을 이용하는 것이 필요하나, 이러한 기술은 고가이며 그리고 큰 체적/저비용 제조에 적합하지 않다. 또한 레이저 드릴링은 폭에 대한 오리피스 길이 비율이 전형적으로 10 대 1로 제한되는 경우 제조될 수 있는 오리피스의 종횡비에 대해 본질적인 제한을 겪는다. 따라서 레이저 드릴링을 통하여 (예를 들어, 직경이 약 60미크론인) 매우 작은 오리피스를 제조하기 위하여, (60미크론의 오리피스 직경을 위하여 약 0.6 밀리미터의 두께의) 얇은 재료에 오리피스가 뚫릴 필요가 있다. 결과적으로 이는 이용될 수 있는 재료에 제한을 둔다.
단지 단일의 소형 오리피스의 사용이 가스가 폼으로 통합될 수 있는 속도를 제한함에 따라 이 소형 오리피스 발포 장치는 전형적으로 다수의 소형 오리피스를 포함한다. 다수의 소형 오리피스를 사용하는 발포 장치에서, 오리피스에서 생겨나는 버블이 더 큰 버블로 다시 합쳐지는 것을 방지하기 위하여 다수의 오리피스 직경과 동일한 분리 간격을 두고 이 오리피스들을 위치시키는 것이 필요하다. 이 요구 조건은 소형 오리피스가 미세 메시(fine meshes), 소결 재료 또는 다공성 재료와 같은 낮은 가격의 재료를 사용하여 제공될 수 없다는 것을 의미하며, 이는 이들 재료 내에서 오리피스들이 충분하게 분리되지 않기 때문이다. 따라서 제조자는 위에서 설명된 바와 같은 레이저 드릴링과 같은 기술에 의존해야만 한다.
또한 소형 오리피스를 통하여 현저한 속도로 가스 버블을 뽑아내는 것은 오리피스에 걸친 현저한 압력 강하를 필요로 한다. 이는 오리피스를 지나 액체를 통과시키는 것에 의하여 이루어질 수 있으나, 소형 오리피스의 경우에는 오리피스에 걸친 현저한 압력 강하를 생성하기 위하여 높은 유속이 요구된다. 결과적으로, 충분하게 높은 유속으로 액체를 구동하기 위하여 현저한 압력이 요구된다. 부가적으로, 액체 흐름으로의 가스 비말(gas entrainment)의 속도는 오리피스의 각 측부 상에서의 액체 유속과 압력에 크게 좌우되며, 이는 버블 크기 그리고 기상 체적(gas phase volume)의 큰 변화를 야기할 수 있다. 예를 들어, 소형 오리피스가 압축 가스 추진제를 이용하는 에어로졸 형 시스템에 사용된 경우, 공간 부분 압력(headspace pressure)은 0.5 바아(bar) 내지 8 바아 사이에서 변화할 수 있어 버블 크기와 기상 체적의 큰 변화를 야기한다.
마지막으로, 소형 오리피스는 막히기 매우 쉽다. 예를 들어, 60미크론의 직경을 갖는 오리피스는 먼지, 제조 과정에서의 재료의 부스러기 또는 오리피스 내에서 건조되고 굳어질 수 있는 액제의 성분에 의하여 쉽게 막힐 수 있다.
지금까지, 제조하기데 있어 디스펜싱 장치가 적절하게 비용 면에서 효율적인 것을 보장하는 반면에 VOC의 사용 없이 만족스럽게 높은 품질의 폼을 생산하는 것이 가능하지 않았다.
본 발명은 바람직하게는 VOC의 사용을 필요로 하지 않고 (예를 들어, 비교적 큰 기상 체적 그리고 비교적 작고 균일한 버블 크기를 갖는) 충분하게 우수한 품질의 폼의 생성을 가능하게 하는 장치를 제공함에 의하여 이러한 문제를 다루는 것을 목적으로 한다.
제 1 양태에 따르면, 본 발명은 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 배출구로부터 미세 폼을 생산하기 위한 디스펜서를 제공하며, 이 디스펜서는 계면활성 용액을 유지하기 위한 리셉터클; 가스를 공급하기 위한 수단; 및 리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스를 흐름 경로를 따라 배출구를 향하여 운반하기 위한 수단을 포함하되, 운반 수단은 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며; 발포 부분은 내부 침수 표면적(AWS), 2상 흐름 길이(LTP), 전체 체적(V) 그리고 기공률(P)을 포함하는 내부 크기를 갖고; 그리고 내부 크기는 2상 흐름 길이(LTP)로 곱해지고 체적(V)으로 나누어진 침수 표면적(AWS)과 동일한 매개 변수(Y)와 기공률(P) 그리고 상수(K1 및 K2) 간의 관계(Y는 양의 수로서, P로 곱해지고 그리고 K2가 빼진 K1보다 작지 않으며, 상수 K1 및 K2는 허용 공차 10% 내에 있는 값 1994 및 821을 가짐)에 의하여 특징지어진다.
가스는 0.1 바아 내지 25 바아의 압력에서 유지될 수 있다. 가스는 0.3 바아 내지 8 바아의 압력에서 유지될 수 있다.
본 발명은 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 배출구로부터 폼을 생산하기 위한 디스펜서를 제공하며, 디스펜서는 계면활성 용액을 유지하기 위한 리셉터클; 가스를 공급하기 위한 수단; 그리고 리셉터클 내의 계면활성 용액과 가스를 흐름 경로를 따라 배출구를 향하여 운반하기 위한 수단을 포함하며; 운반 수단은 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며; 그리고 발포 부분은 미리 정의된 한정에 의하여 특징지어진 품질을 갖는 폼을 제공하도록 맞추어진 내부 크기를 갖는다.
발포 부분은 흐름 경로 내에 배치된 적어도 하나의 폼 향상 요소를 포함할 수 있으며, 그리고 발포 부분의 내부 크기는 적어도 하나의 폼 향상 요소에 의하여 적어도 부분적으로 제공될 수 있다.
적어도 하나의 폼 향상 요소는 보통 구형 요소, 보통 직육면체형 요소, 보통 원통형 요소, 보통 원뿔형 요소, 다공성 요소 그리고 발포 부분의 내부 표면에서 흐름 경로 내로 연장된 요소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
발포 부분은 발포 부분 내에 적어도 하나의 폼 향상 요소를 유지시키기 위하여 적어도 하나의 유지 요소를 더 포함할 수 있다.
사전 정의된 한정은 70 미크론보다 작은 평균 버블 직경을 포함할 수 있다.
사전 정의된 한정은 60 미크론보다 작은 평균 버블 직경을 포함할 수 있다.
사전 정의된 한정은 30 내지 70미크론의 평균 버블 직경을 포함할 수 있다.
사전 정의된 한정은 35 미크론보다 작은 표준 편차에 의하여 특징지어진 균일도를 포함할 수 있다.
사전 정의된 한정은 25 미크론보다 작은 표준 편차에 의하여 특징지어진 균일도를 포함할 수 있다.
사전 정의된 한정은 10 내지 35 미크론의 표준 편차에 의하여 특징지어진 균일도를 포함할 수 있다.
내부 크기는 1800 평방 밀리미터보다 큰 침수 표면적을 포함할 수 있다.
내부 크기는 3000 평방 밀리미터보다 큰 침수 표면적을 포함할 수 있다.
내부 크기는 4500 내지 6000 평방 밀리미터보다 큰 침수 표면적을 포함할 수 있다.
내부 크기는 입방 밀리미터당 4 평방 밀리미터보다 큰, 빈 공간 체적에 대한 침수 표면적 비율을 포함할 수 있다.
내부 크기는 입방 밀리미터당 16 평방 밀리미터보다 큰, 빈 공간 체적에 대한 침수 표면적 비율을 포함할 수 있다.
내부 크기는 입방 밀리미터당 20 내지 25 평방 밀리미터의, 빈 공간 체적에 대한 침수 표면적 비율을 포함할 수 있다.
내부 크기는 밀리미터당 3 평방 밀리미터보다 큰, 2상 흐름 길이에 대한 침수 표면적 비율을 포함할 수 있다.
내부 크기는 밀리미터당 π 평방 밀리미터보다 큰, 2상 흐름 길이에 대한 침수 표면적 비율을 포함할 수 있다.
내부 크기는 밀리미터당 8 평방 밀리미터보다 큰, 2상 흐름 길이에 대한 침수 표면적 비율을 포함할 수 있다.
내부 크기는 40 밀리미터보다 큰 2상 흐름 길이를 포함할 수 있다.
내부 크기는 60 밀리미터보다 큰 2상 흐름 길이를 포함할 수 있다.
내부 크기는 1,200 밀리미터보다 큰 2상 흐름 길이를 포함할 수 있다.
내부 크기는 10 밀리미터보다 작은 발포 부분 직경을 포함할 수 있다.
내부 크기는 4 밀리미터보다 작은 발포 부분 직경을 포함할 수 있다.
내부 크기는 0.1 내지 10 밀리미터의 발포 부분 직경을 포함할 수 있다.
미리 설정된 한계는 평균 버블 직경의 60%보다 작은 표준 편차를 특징으로 하는 균일도를 포함할 수 있다.
설정된 한계는 평균 버블 직경의 50%보다 작은 표준 편차를 특징으로 하는 균일도를 포함할 수 있다.
리셉터클은 50 다인(dyne)/센티미터 이하의 표면 장력을 갖는 계면활성 용액을 유지할 수 있다. 리셉터클은 200 c.P 이하의 점도를 갖는 계면활성 용액을 유지할 수 있다. 리셉터클은 50 c.P 이하의 점도를 갖는 계면활성 용액을 유지할 수 있다.
디스펜서는 도관을 따라서 그리고 발포 부분을 향하여 계면활성 용액을 몰기 위하여 리셉터클 내의 계면활성 용액에 압력을 가하기 위한 그리고 발포 부분에 의하여 생성된 폼을 배출구로 몰기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.
압력 인가 수단은 리셉터클 내에서 압력 하에서 유지되는 가스에 의하여 제공될 수 있다.
가스는 2 바아 내지 25 바아의 압력에서 유지될 수 있다.
가스는 2 바아 내지 8 바아의 압력에서 유지될 수 있다.
계면활성 용매 내의 가스의 농도는 계면활성 용액 1킬로그램 당 350 밀리그램보다 작을 수 있다.
가스는 비액화 가스일 수 있다. 비액화 가스는 공기, 질소, 이산화탄소, 하나 이상의 비활성 가스, 아산화질소 그리고 산소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
운반 수단은 가스 유입구와 계면활성 용액 유입구를 갖는 분기된 튜브를 포함할 수 있으며, 가스 유입구와 계면활성 용액 유입구는 분기점에서 만나며, 작동시 가스와 계면활성 용액은 발포 부분으로 들어가기 전에 분기점에서 혼합된다.
가스 유입구와 계면활성 용액 유입구는 서로로부터 수직적으로 분리될 수 있다.
분기점은 대체적으로 계면활성 용액의 수면 아래에서 유지되도록 구성될 수 있다.
디스펜서는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 사용하지 않고서 폼을 생산하도록 구성될 수 있다.
가스 공급 수단 그리고 운반 수단은 표면 가스 속도(VG)와 표면 액체 속도(VL)를 포함하는 유체 특성을 갖고 발포 부분에 가스와 계면활성 용액을 제공하기 위하여 작동 가능하되, 유체 특성은 표면 가스 속도(VG), 표면 액체 속도(VL) 그리고 상수(C1 및 C2) 간의 관계(VG는 VL로 곱해지고 C2에 더해진 C1보다 크지 않고, 상수 C1 및 C2은 10% 허용 공차 내에 있는 값 18.4 및 507.4를 가짐)에 의하여 특징지어진다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 배출구로부터 미세 폼을 생산하기 위한 디스펜서가 제공되며, 디스펜서는 계면활성 용액을 유지하기 위한 리셉터클; 가스를 공급하기 위한 수단; 및 리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스를 흐름 경로를 따라 배출구를 향하여 운반하기 위한 수단을 포함하되, 운반 수단은 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며; 가스 공급 수단 그리고 운반 수단은 표면 가스 속도(VG)와 표면 액체 속도(VL)를 포함하는 유체 흐름 특성을 갖고 발포 부분에 가스와 계면활성 용액을 제공하기 위하여 작동 가능하고; 그리고 유체 흐름 특성은 표면 가스 속도(VG), 표면 액체 속도(VL) 그리고 상수(C1 및 C2) 간의 관계(VG는 C1보다 VL 더하기 C2배 크지 않으며, 상수 C1 및 C2은 10% 허용 공차 내에 있는 값 18.4 및 507.4를 가짐)에 의하여 특징지어진다.
가스 공급 수단 그리고 운반 수단은 가스와 계면활성 용액 중 적어도 하나에 가해지 압력; 그리고 유체 흐름 경로의 직경 중 적어도 하나를 조정함에 의하여 표면 가스 속도(VG), 표면 액체 속도(VL) 그리고 상수(C1 및 C2) 간의 위의 관계에 의해 특징지어진 유체 흐름 특성을 갖고 발포 부분에 가스와 계면활성 용액을 제공하기 위하여 작동 가능하다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 폼을 생산하기 위한, 디스펜서용 발포 요소가 제공되며, 발포 요소는 리셉터클로부터 계면활성 용액 그리고 가스를 흐름 경로를 따라 운반하기 위한 수단을 포함하되, 운반 수단은 계면활성 용액 그리고 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며; 발포 부분은 내부 침수 표면적(AWS), 2상 흐름 길이(LTP), 전체 체적(V) 및 기공률(P)을 포함하는 내부 크기를 갖고; 그리고 내부 크기는 2상 흐름 길이(LTP)로 곱해지고 체적(V)으로 나누어진 침수 표면적(AWS)과 동일한 매개 변수(Y)와 기공률(P) 그리고 상수(K1 및 K2) 간의 관계(Y는 양의 수로서, P로 곱해지고 그리고 K2가 빼진 K1보다 작지 않으며, 상수 K1 및 K2는 허용 공차 10% 내에 있는 값 1994 및 821을 가짐)에 의하여 특징지어진다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 폼을 생산하기 위한, 디스펜서용 발포 요소가 제공되며, 발포 요소는 리셉터클로부터 계면활성 용액 그리고 가스를 흐름 경로를 따라 운반하기 위한 수단을 포함하되, 운반 수단은 계면활성 용액 그리고 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며; 그리고 발포 부분은 미리 정의된 한정에 의하여 특징지어진 품질을 갖는 폼을 제공하도록 맞추어진 내부 크기를 갖는다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 배출구로부터 폼을 생산하기 위한 디스펜서가 제공되며, 디스펜서는 계면활성 용액을 유지하기 위한 리셉터클; 가스를 공급하기 위한 수단; 및 리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스를 흐름 경로를 따라 배출구를 향하여 운반하기 위한 수단을 포함하되, 운반 수단은 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며; 발포 부분은 1800 평방 밀리미터보다 큰 침수 표면적; 입방 밀리미터당 4 평방 밀리미터보다 큰 빈 공간 체적에 대한 침수 표면적 비율; 10 밀리미터보다 작은 발포 부분 직경; 그리고 40 밀리미터보다 큰 2상 흐름 길이의 매개 변수 중 적어도 하나에 맞는 내부 크기를 갖는다. 가스는 2바아 내지 8 바아의 압력에서 유지될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 위에서 설명된 바와 같은 폼 디스펜서를 이용하여 또는 위에서 설명된 바와 같은 발포 요소를 이용하여, 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 폼을 생산하기 위한 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 위에서 설명된 바와 같은 폼 디스펜서를 이용하여 또는 위에서 설명된 바와 같은 발포 요소를 이용하여, 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 생산된 폼이 제공된다.
폼은 70미크론보다 작은 평균 버블 직경; 60미크론보다 작은 평균 버블 직경; 30 내지 70미크론의 평균 버블 직경; 35 미크론보다 작은 표준 편차; 25 미크론보다 작은 표준 편차; 10 내지 35 미크론의 표준 편차의 제한 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 폼을 생산하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은 리셉터클 내에 계면활성 용액을 유지시키고; 리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스 공급부로부터의 가스를 흐름 경로를 따라 배출구를 향하여 운반하는 것을 포함하되, 운반 단계는 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관 내에서 계면활성 용액과 가스를 운반하는 것을 포함하며; 발포 부분은 내부 침수 표면적(AWS), 2상 흐름 길이(LTP), 전체 체적(V) 및 기공률(P)을 포함하는 내부 크기를 갖고; 그리고 내부 크기는 2상 흐름 길이(LTP)로 곱해지고 체적(V)으로 나누어진 침수 표면적(AWS)과 동일한 매개 변수(Y)와 기공률(P) 그리고 상수(K1 및 K2) 간의 관계(Y는 양의 수로서, P로 곱해지고 그리고 K2가 빼진 K1보다 작지 않으며, 상수 K1 및 K2는 허용 공차 10% 내에 있는 값 1994 및 821을 가짐)에 의하여 특징지어진다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 폼을 생산하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은 리셉터클 내에 계면활성 용액을 유지시키고; 리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스 공급부로부터의 가스를 흐름 경로를 따라 배출구를 향하여 운반하는 것을 포함하되, 운반 단계는 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관 내에서 계면활성 용액과 가스를 운반하는 것을 포함하며; 가스와 계면활성 용액은 표면 가스 속도(VG)와 표면 액체 속도(VL)를 포함하는 유체 흐름 특성을 갖고 발포 부분에 제공되고; 그리고 유체 흐름 특성은 표면 가스 속도(VG), 표면 액체 속도(VL) 그리고 상수(C1 및 C2) 간의 관계(VG는 C1보다 VL 더하기 C2배 크지 않으며, 상수 C1 및 C2은 10% 허용 공차 내에 있는 값 18.4 및 507.4를 가짐)에 의하여 특징지어진다.
가스 그리고 계면활성 용액은 가스와 계면활성 용액 중 적어도 하나에 가해지 압력; 그리고 유체 흐름 경로의 직경 중 적어도 하나를 조정함에 의하여 표면 가스 속도(VG), 표면 액체 속도(VL) 그리고 상수(C1 및 C2) 간의 관계에 의해 특징지어진 유체 흐름 특성을 갖고 발포 부분에 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 배출구로부터 미세 폼을 생산하기 위한 디스펜서가 제공되며, 디스펜서는 계면활성 용액을 유지하기 위한 리셉터클; 가스를 공급하기 위한 가스 공급부; 리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스를 흐름 경로를 따라서 배출구를 향하여 운반하기 위한 채널을 포함하되, 채널은 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며; 발포 부분은 내부 침수 표면적(AWS), 2상 흐름 길이(LTP), 전체 체적(V) 그리고 기공률(P)을 포함하는 내부 크기를 갖고; 그리고 내부 크기는 2상 흐름 길이(LTP)로 곱해지고 체적(V)으로 나누어진 침수 표면적(AWS)과 동일한 매개 변수(Y)와 기공률(P) 그리고 상수(K1 및 K2)의 관계(여기서, Y는 양의 수로서, P로 곱해지고 그리고 K2가 빼진 K1보다 작지 않으며, 상수 K1 및 K2는 허용 공차 10% 내에 있는 값 1994 및 821을 가짐)에 의하여 특징지어진다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 배출구로부터 미세 폼을 생산하기 위한 디스펜서가 제공되며, 디스펜서는 계면활성 용액을 유지하기 위한 리셉터클; 가스를 공급하기 위한 가스 공급부; 리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스를 흐름 경로를 따라서 배출구를 향하여 운반하기 위한 채널을 포함하되, 채널은 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며; 가스 공급부와 채널은 표면 가스 속도(VG)와 표면 액체 속도(VL)를 포함하는 유체 흐름 특성을 갖고 발포 부분에 가스와 계면활성 용액을 제공하기 위하여 작동 가능하며; 그리고 유체 흐름 특성은 표면 가스 속도(VG), 표면 액체 속도(VL) 그리고 상수(C1 및 C2) 간의 관계(여기서, VG는 C1보다 VL 더하기 C2배 크지 않으며, 상수 C1 및 C2은 10% 허용 공차 내에 있는 값 18.4 및 507.4를 가짐)에 의하여 특징지어진다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 폼을 생산하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은 계면활성 용액을 리셉터클 내에 유지시키고; 리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스 공급부로부터의 가스를 흐름 경로를 따라 배출구로 이동시키는 것을 포함하되, 운반 단계는 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관 내에서 계면활성 용액과 가스를 운반시키는 것을 포함하며; 그리고 발포 부분은 미리 정의된 한정에 의하여 특징지어진 품질을 갖는 폼을 제공하도록 맞추어진 내부 크기를 갖는다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 배출구로부터 폼을 생산하기 위한 디스펜서가 제공되며, 디스펜서는 계면활성 용액을 유지하기 위한 리셉터클, 가스를 공급하기 위한 수단 그리고 리셉터클 내의 계면활성 용액과 가스를 흐름 경로를 따라 배출구를 향하여 운반하기 위한 수단을 포함하며, 여기서 운반 수단은 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며, 그리고; 발포 부분은 미리 정의된 한정에 의하여 특징지어진 품질을 갖는 폼을 제공하도록 맞추어진 내부 크기를 갖는다.
본 발명의 실시예가 단지 한 예로서 첨부된 도면을 참고하여 설명될 것이다.
도 1은 폼을 분배하기 위한 디스펜서 시스템을 간략화된 개요 형태로 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 폼을 분배하기 위한 디스펜싱 장치의 특정 실시예를 간략화된 형태로 도시한 도면.
도 3은 폼을 분배하기 위한 디스펜싱 장치의 다른 실시예를 간략화된 형태로 도시한 도면.
도 4는 디스펜싱 장치의 발포 부분의 일부분을 간략화된 형태로 도시한 도면.
도 5는 공지된 폼 디스펜서를 이용하여 생성된 폼의 시편을 간략화된 방식으로 도시한 도면.
도 6은 도 2에 도시된 디스펜싱 장치에 실질적으로 대응하는 디스펜싱 장치를 이용하여 생성된 폼의 시편을 간략화된 방식으로 도시한 도면.
도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 폼 시편을 위한, 버블 직경의 범위를 위한 개수 밀도 분포를 도시한 그래프.
도 8은 다른 실시예에 따른 디스펜싱 장치를 통과한 부분의 간략화된 도면.
도 9는 디스펜싱 장치에 관하여 실험적 작업에 사용된 장치를 도시한 도면.
도 10은 디스펜싱 장치 내에서의 사용을 위한 예시적인 폼 향상 요소를 도시한 도면.
도 11은 폼을 제공하기 위하여 필요한 발포 장치의 크기 특성을 도시한 그래프.
도 12는 원하는 품질의 폼을 제공하기 위하여 요구된 유체 특성을 도시한 그래프.
도 1은 본 발명에 따른 디스펜서 시스템(8)을 간략화된 개요 형태로 개략적으로 도시한다. 디스펜서 시스템은 계면활성 용액(11; 또는 다른 적절한 기포제를 포함하는 용액)의 공급부 및 가스 공급부(13)를 포함한다. 계면활성 용액(11)과 가스 공급부(13)는 발포 부분(15)과 유체 연결되어 있으며, 여기서 발포 부분은 원하는 특성을 갖는 폼을 형성하기 위하여 계면활성 용액을 가스 공급부(13)에 의하여 제공된 가스와 혼합하도록 구성된다. 발포 부분(15)은 밸브(17)를 통하여 배출구(19)와 유체 연결되어 있어 계면활성 용액과 가스의 발포된 혼합물이 발포 부분(15)에서 배출구(17)로 운반되는 것을 허용하며, 배출구에서는 폼이 디스펜서 시스템(8)을 빠져나갈 수 있다. 유리하게는, 발포 부분(15)은 발포 부분 내의 가장 작은 오리피스 크기보다 실질적으로 작은 버블로부터 형성된 폼을 생성하도록 구성된다. 이는 예를 들어 60미크론에 가까운 매우 작은 구멍을 만들 필요 없이도 예를 들어서 약 60미크론의 직경을 갖는 작은 버블이 생성될 수 있다는 것을 의미한다.
발포 부분(15)으로 계면활성 용액(11)을 몰아가기 위하여 적절한 압력원(10)으로부터 계면활성 용액(11)으로 압력이 가해진다. 도시되지 않았지만, 발포 부분(15)으로 가스(13)를 몰아가기 위하여 동일 압력원(10) 또는 개별 압력원이 적용될 수 있다. 계면활성 용액(11)은 액체 계면활성제를 포함하는 반면에, 이 실시예에서 가스 공급부 내에 유지된 가스는 압축 가스 추진제를 제공하는 비액화 가스를 포함한다. 유리하게는 가스는 휘발성 유기화합물을 포함할 필요가 없다.
예를 들어 가스(13) 그리고 계면활성 용액(11)이 동일 리셉터클에 저장된 경우에 가스(13)가 액화된 형태로 제공되지 않음에 따라, 액화된 가스 추진제를 사용하는 폼 디스펜서와 대조적으로 단지 비교적 소량의 가스가 (일반적으로 용해된 형태로) 계면활성 용액(11) 내에 존재하거나 아니면 존재하지 않을 것이다. 가스(13) 그리고 계면활성 용액(11)이 다른 리셉터클에 저장된 경우의 예에서, 발포 부분에 들어가기 전에 이들의 흐름 경로는 예를 들어 T-연결부 또는 Y-연결부에서 결합될 수 있다.
따라서, 사용시 계면활성 용액과 가스는 발포 부분(15)으로 들어가며, 발포 부분은 계면활성 용액과 가스가 결합하여 액체 계면활성제 내에서 가스의 버블을 포함하고 설정된 원하는 특성을 갖는 폼을 형성하는 것을 야기한다.
특히, 디스펜서 시스템(8)은 "미세-폼(micro-foam)"을 생성하도록 구성된다. 이는 안에서 버블 자체가 육안에 의하여 분석될 수 없는 폼으로서 한정되며 따라서 폼은 연속적으로 보인다.
버블 자체가 육안으로 분석될 수 없는 폼은 전형적으로 100 미크론 이하의 평균 버블 직경 그리고 높은 정도의 균일도를 갖는다.
전형적으로, 미세 폼은 아래에 개략적으로 나타난 특성을 가질 것이다.
미세 폼은 전형적으로 계면활성 용액을 위하여 90% 이상의 비교적 큰 기상 체적(gas phase volume)을 가질 것이다. 우유로 형성된 미세 폼을 위하여, 기상 체적은 75% 이상, 그리고 생크림을 위한 미세 폼을 위해서는 가스 체적은 60% 이상일 것이다.
특별하게 고품질의 미세 폼을 위하여 평균 버블 직경이 바람직하게는 40 미크론보다 작을지라도 육안으로 보이지 않도록 하기 위하여, 대부분의 경우에 100 미크론보다 작은 평균 버블 직경이 충분하다.
버블 크기 분포는 전형적으로 25 미크론보다 작은 표준 편차를 갖는 높은 정도의 균일도를 가질 것이다.
발포 장치에 의하여 생성된 양호한 품질의 미세 폼은 바람직하게는 위에서 설명된 특성을 가질 것이며, 그리고 (예를 들어 직경이 1 밀리미터 이상의) 비교적 큰 폼 또는 에어 포켓의 존재 없이 부드럽고 연속적인 폼일 것이다.
많은 응용에서, 예를 들어 하기의 특징이 일반적으로 바람직하다: (전형적으로, 예를 들어, 90%를 초과하는 또는 더욱 바람직하게는 95%를 초과하는) 비교적 높은 표적 가스 체적, (전형적으로, 예를 들어, 100 미크론 이하, 바람직하게는 70 미크론 이하, 더욱 바람직하게는 약 60 미크론 또는 그 이하, 또는 30 내지 70 미크론의) 비교적 작은 평균 버블 직경, (전형적으로, 예를 들어, 35 미크론 이하, 바람직하게는 25±2 미크론 범위 내 또는 그보다 작은 값, 또는 10 내지 35 미크론의) 버블 직경의 낮은 표준 편차. 더욱이, 표준 편차는 60% 이하의 표준 버블 직경, 또한 보다 바람직하게는 50% 이하의 표준 버블 직경을 나타낼 수 있다.
압력원(10)에 의하여 계면활성제에 가해지는 그리고 발포 부분(15)으로 들어가도록 유지된 계면활성제를 나아가게 하는 또한 발포 부분(15) 내에서 유지된 폼을 밸브(17)로 넘어가도록 그리고 배출구(19)에서 디스펜싱 시스템(8)을 나가도록 몰아간다. 발포 부분(15) 내로 가스(13)를 나아가게 하기 위하여 압력원(10) 외에 압력원이 사용된다면, 이 별개의 압력원은 또한 발포 부분(15) 내에서 유지된 폼을 나아가게 하는 것을 돕는다.
밸브(17)는 열린 또는 닫힌 위치를 점유할 수 있다. 밸브(17)가 열린 위치에 있을 때, 폼은 발포 부분(15)에서 배출구(19)로 흐를 수 있으며, 밸브(17)가 닫힌 위치에 있을 때, 발포 부분(15)에서 배출구(19)로의 폼의 흐름은 방지되거나 제한된다. 이렇게 하여, 밸브(17)는 디스펜싱 시스템(8)으로부터의 폼의 분배를 제어한다.
한 예로서, 초기 실험에서 생산된, 하나의 예시적인 폼에서, 형성된 폼은 약 60미크론의 평균 직경 그리고 폼이 디스펜싱 시스템(8)으로부터 분배된 후 약 3초 시간에서 약 25 미크론의 버블 직경 표준 편차를 갖는다.
더욱이, 다른 실험에서, 발포 부분(15)이 특정 매개 변수에 따랐을 때 도 1에 도시된 디스펜서 시스템(8)이 "미세 폼"을 생산할 수 있었다는 것이 발견되었다. 특히, 다른 실험에서 다수의 미개 변수가 발포 부분(15)이 미세 폼을 생산할 수 있는지에 관한 그리고 생산될 수 있는 미세 폼의 품질의 강력한 지표인 것으로 확인되었다. 이 매개 변수는 간단하게 소개될 것이다. 일반적으로 미세 폼을 생산하기 위하여 알려진 그리고 미세 폼의 품질에 영향을 미치는 매개 변수적 공간은 미세 폼을 유도하기 위하여 사용된 실험에 대하여 이후에 더 상세하게 설명될 것이다.
다공성이 발포 부분(15)이 양호한 품질의 미세 폼을 생산할 수 있는지 여부를 결정하기 위한 중요한 매개 변수임이 발견되었다. 기공률은 발포 부분의 전체 체적에 대한 발포 부분(15) 내의 빈 공간의 비율로서 정의된다. 예를 들어, 중공 튜브의 기공률은 1이다.
발포 부분(15)의 침수 표면적(wetted surface area; AWS), 특히, 2상 흐름 경로(LTP)가 곱해지고 그리고 발포 부분의 전체 체적(V)으로 나누어진 침수 표면적(AWS)과 동일한 Y로 지시된 매개 변수가 발포 부분(15)이 미세 폼을 생산할 수 있는지 여부를 결정하기 위한 중요한 매개 변수임이 밝혀졌다.
Figure pct00001
다음의 설명에서, 발포 부분은 일정한 횡단면적(ACS)을 가지며 따라서 매개 변수 Y는 발포 부분(15)의 횡단면적(ACS)에 대한 침수 표면적(AWS)의 비율(RWS -CS)과 같은 것으로 추정된다.
Figure pct00002
침수 표면적(AWS)은 어떠한 폼 향상 요소(또한 패킹 재료로서 언급됨)를 포함한, 발포 부분 내에서의 전체 표면적으로 정의된다. 폼 향상 요소를 갖고 튜브 팩으로 형성된 발포 부분의 경우, 침수 표면적(AWS)은 폼 향상 요소의 전체 표면적을 더한 튜브의 내부 표면의 면적이다. 다공성 재료로 형성된 발포 부분의 경우에는, 침수 표면적(AWS)은 액체와 가스가 흐를 수 있는 모든 구멍들의 표면적이다. 횡단면적(Acs)은 발포 부분을 관통하는, 유체 흐름의 전체 방향에 직교적으로 위해진 단면의 전체 면적이다.
가스(13) 그리고 계면활성 용액(11)의 공탑 속도가 발포 부분(15)이 양호한 품질의 미세 폼을 생산할 수 있는지 여부를 결정하기 위한 중요한 매개 변수라는 것이 판명되었다. 공탑 속도는 발포 부분 내의 빈 공간을 통한 가스 또는 액체의 속도로서 정의된다. 즉, 공탑 속도=Q/(ε ACS)이며, 여기서, Q는 가스 또는 액체의 체적 유량; ε는 발포 부분의 기공률; ACS는 발포 부분의 횡단면적이다. 액체 또는 가스의 공탑 속도를 계산할 때, 다른 상의 존재는 무시된다는 것, 예를 들어 시스템 내에 액체가 존재하지 않는다는 것 그리고 가스가 존재하지 않는다는 전제로 공탑 속도가 계산된다는 것이 주목된다. 또한, 발포 부분이 일정한 횡단면적을 갖고 있지 않은 예에서, 매개 변수 ACS는 V/LTP로 대체된다.
유리하게는, 이후에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 발포 부분(15)의 횡단면적(ACS)에 대한 침수 표면적(AWS)의 비율(RWS -CS), 발포 부분(15)의 기공률 그리고 가스(13)와 계면활성 용액(11)의 공탑 속도는 매개 변수적 공간에 있으며, 이는 양호한 품질의 미세 폼이 디스펜싱 시스템(8)으로부터 생산될 수 있다는 것을 보장한다.
도 2는 디스펜싱 장치(20)의 실시예를 도시한다. 디스펜싱 장치(20)는 계면활성 용액(21)을 유지하기 위한 둘러싸인 리셉터클(37) 형태의 컨테이너 및 압력 하의 압축 가스 추진제(23)를 포함하며, 작동시 압축 가스 추진제와 계면활성 용액은 디스펜싱 장치에 의하여 혼합되어 폼(41)을 형성한다. 리셉터클(37)은 밸브(27)에 의하여 밀봉된 개구(39)를 갖는다. 밸브가 닫힐 때 압축 공기 추진제(23)와 계면활성 용액(21)이 리셉터클(37)을 빠져나갈 수 없도록 하기 위하여 밸브(27)는 리셉터클(37)과 공기 기밀 시일을 형성한다. 이 실시예에서, 압축 공기 추진제의 사용이 리셉터클(37) 내의 압력이 리셉터클 주변의 대기압보다 더 클 것이라는 것을 의미함에 따라 이는 특히 중요하다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에서, 리셉터클(37)은 가스 공급부와 계면활성 용액 공급부의 역할을 수행(예를 들어, 도 1의 계면활성 용액(11)의 공급부와 가스 공급부(13)의 기능을 수행)한다.
밸브(27)는 밸브 유입구(45) 그리고 슬라이딩 가능한 방식으로 밸브(27)에 이동 가능하게 연결된 밸브 스템(47)을 포함한다. 밸브 스템(47)은 밸브 스템(47)의 하단에 가깝게 배치된 밸브 스템 유입구(49) 및 밸브 스템(47)의 상단에 가깝게 배치된 밸브 배출구(57)를 포함하며, 밸브 스템 유입구(49)와 밸브 배출구(57)는 채널(51)을 통하여 유체 연결 상태이다. 밸브 스템(47)은 열림 위치와 닫힘 위치 사이에서 이동될 수 있다. 열림 위치에서, 밸브 스템 유입구(49)와 채널(51)을 통하여 밸브 유입구(45)와 밸브 배출구(57) 사이에서의 유체 연결이 허용된다. 밸브 스템(47)이 닫힘 위치에 있을 때, 밸브(27)의 표면과의 밸브 스템 유입구(49)의 맞물림에 의하여 야기된 밸브 스템 유입구(49)의 밀봉으로 인하여 이러한 유체 연결은 방지된다. 밸브 스템(47)은 스프링(43)에 의하여 닫힘 위치로 바이어스된다.
디스펜싱 장치는 사용자로부터의 압력 하에서 밸브를 작동시키기 위하여 밸브 스템(47)에 장착된 액추에이터(55)를 더 포함한다. 액추에이터(55)는 밸브 배출구(57)를 빠져나온 폼을 향하게 하는 노즐(29)을 포함하여 디스펜싱 장치(20)로부터 폼을 배출시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, 계면활성 용액(21)과 가스(23)를 도관(60)의 발포 부분(25)에 연통시키기 위하여 그리고 발포 부분(25)으로부터의 폼을 밸브(27)에 연통시키기 위하여 리셉터클(37) 내에 유체 도관(60)이 제공된다. 이 실시예에서, 유체 도관(60)은 분기 튜브를 포함하며, 이 분기 튜브는 가스를 수용하기 위하여 배치된 가스 유입 부분(35)과 계면활성 용액을 수용하기 위하여 배치된 액체 유입 부분(33)을 갖는다. 가스 유입 부분과 액체 유입 부분(33, 35)은 분기 튜브의 접합부에서 매니폴드(31)에 집중되어 가스(23)와 계면활성 용액(21)을 유체 도관(60)의 공통 부분 내로 전달하며, 여기서 유체 도관에는 발포 부분(25)의 공통 부분이 제공된다. 이러한 이유로, 이 예에서는 발포 부분(25)이 액체 및 가스 유입 부분(33, 35)으로부터 하류이다. 이 실시예에서, 유체 도관(60)의 발포 부분(25)은 유체 도관(60)의 분기부로부터 (분기부로부터 말단인) 유체 도관의 종단으로 연장되며, 그 종단에서 유체 도관(60)은 밸브(27)에 연결된다.
바람직하게는 발포 부분(25)의 길이는 10 밀리미터보다 크며, 그리고 더욱 바람직하게는 50 내지 70 밀리미터의 범위에 있다.
도시된 바와 같이, 액체 유입구 부분(35)은 리셉터클(37)의 베이스에 가깝게 연장되는 반면에, 가스 유입구 부분(35)은 리셉터클(37)의 상단에 가깝게 연장된다. 이 배치는 디스펜싱 장치(20)가 (도 2에 도시된 바와 같이) 그의 직립 위치를 향할 때, 압축 가스 추진제(23)보다 큰 밀도를 갖는 계면활성 용액(21)이 리셉터클(37)의 하부 부분을 점유하는 반면에 압축 가스 추진제(23)가 계면활성 용액에 의하여 점유되지 않은, 공간 부분(headspace)으로 언급된 리셉터클(37)의 상단에서 나머지 부분을 점유하는 것을 보장한다. 그러나, 디스펜싱 시스템(20)이 다른 방향, 특히 "아래위가 뒤집힌(upside down)" 방향으로 유지될 때, 가스 유입구 부분(35)이 액체 유입구 부분의 역할을 할 수 있고 그리고 액체 유입구 부분(33)이 가스 유입구 부분으로서의 기능을 수행할 수 있다는 것이 주목된다.
이전에 언급된 바와 같이, 압축 특성으로 인하여 압축 가스 추진제(23)는 리셉터클(37) 내에 압력을 생성하며, 이 압력은 리셉터클 밖에 존재하는 대기압보다 크다. 압축 가스 추진제(23)는 따라서 계면활성 용액(21)에 힘을 가한다. 바람직하게는, 공간 부분 내의 가스 추진제의 압력은 0.1 바아(bar) 이상, 그리고 바람직하게는 2 바아 이상, 그리고 바람직하게는 20 바아 이하이다. (도 2에 도시된 바와 같이) 액체 유입구 부분(33)이 계면활성 용액의 액체 수위 아래에 위치됨에 따라, 압축 가스 추진제(23)에 의하여 계면활성 용액(21)에 가해지는 힘은 계면활성 용액(21)을 몰아 액체 유입구 부분(33)을 통하여 발포 부분(25)으로 들어가게 한다. 가스 유입구 부분(35)이 계면활성 용액의 액체 수위 위에 위치됨에 따라, 압축 가스 추진제는 가스 유입구 부분(35)을 통하여 발포 부분(25)으로 들어갈 수 있다.
밸브(27)가 닫힐 때, 즉 밸브 스템(27)이 그의 닫힌 위치를 점유할 때, 디스펜싱 장치(20)는 밀봉되며, 그리고 계면활성 용액과 가스 추진제는 디스펜싱 장치(20)를 빠져나가지 못한다. 그러나, 밸브(27)가 열릴 때, 즉 밸브 스템(27)이 그의 열린 위치를 점유할 때, 계면활성 용액(21)과 가스 추진제(23)는 밸브 배출구(57)와 노즐(29)을 통하여 디스펜싱 장치(20)를 빠져나갈 수 있다. 이 상황에서, 압축 가스 추진제(23)에 의하여 계면활성 용액(21)에 가해지는 힘으로 인하여, 계면활성 용액(21)은 액체 유입구(33)와 매니폴드(31)를 통하여 발포 부분(25) 내로 끌려들어 간다. 매니폴드(31)의 가스 유입구를 통과하는 계면활성 용액(21)의 작용은 가스 추진제(23)를 계면활성 용액의 흐름 내로 그리고 따라서 매니폴드(31)와 발포 부분(25) 내로 끌려들어 가게 한다. 또한 리셉터클(37)의 공간 부분 압력에 의하여 가스는 흐름으로 들어간다.
이 실시예에서, 발포 부분(25)은 발포 부분(25) 내에 그리고 계면활성 용액과 가스 추진제의 흐름 경로를 따라 배치된 다수의 폼 향상 요소(53)를 포함한다. 발포 부분(25) 내에서의 폼 향상 요소(53)의 존재는 발포 부분이 미세 폼을 생산할 수 있는 것을 보장하는 매개 변수를 발포 부분(25)이 갖는 것을 야기한다. 특히, 횡단면적(ACS)에 대한 침수 표면적(AWS)의 비율(RWS -CS), 발포 부분의 기공률 그리고 발포 부분(25)을 통한 가스(23)와 계면활성 용액(21)의 공탑 속도는 미세 폼을 생성하도록 구성된다.
초기 실험은 발포 부분(25) 내의 폼 향상 요소(53)의 존재가 발포 부분(25)이 표 1의 적어도 주요 매개 변수 1과 2에 따를 수 있게 하는 반면에, 발포 부분이 전형적인 크기의 에어로졸 캔 내에 용이하게 끼워질 수 있도록 적절한 크기(예를 들어, 70 밀리미터 이하의 길이)의 발포 부분을 사용하는 것을 나타내었다. 다른 실험은 받아들일 수 있는 미세 폼을 생산하기 위하여 요구된 매개 변수 그리고 (예를 들어, 도 11 및 도 12에 지시된 바와 같이) 미세 폼의 품질에 영향을 미치는 매개 변수를 더 정의하는 것을 도와주었다.
초기 실험은 2상 흐름 길이에 대한 침수 표면적 비율이 밀리미터 당 3 평방 밀리미터보다 크거나, 바람직하게는 밀리미터당 π 평방 밀리미터보다 크다는 것을 나타내었다. 2상 흐름 길이에 대한 더 큰 침수 표면적 비율, 예를 들어 밀리미터당 8평방 밀리미터보다 큰 표면적이 원하는 폼을 생산하기 위하여 바람직할 수 있다.
이 예에서, 폼 향상 요소(53)는 다수의 전체적으로 구형인 유리 (또는 플라스틱 재료와 같은 다른 적절한 재료)의 비드(bead)를 포함한다.
발포 부분(25)은 또한 발포 부분(25)의 마주보는 종단에 배치된 리테이너(65 및 67)를 포함한다. (계면활성 용액과 가스를 포함하는 폼과 함께) 계면활성 용액(21)과 가스(23)가 통과하는 것을 허용하고 따라서 유체 도관(60)을 따라 이동하는 것을 허용하기 위하여 리테이너(65 및 67)는 발포 부분(25)의 흐름 경로 내에 위치하며 그리고 메쉬형(mesh-like) 재료로 형성된다. 그러나, 리테이너(65 및 67)는 유체 도관(60)을 따르는 폼 향상 요소(53)의 이동을 억제하며, 따라서 폼 향상 요소(53)의 위치를 유지시키고 그리고 디스펜싱 장치(20)로부터의 그들의 배출을 방지한다.
밸브(27)가 열린 상태로 남아있는 동안, 계면활성 용액(21)과 가스 추진제(23)로 형성된 폼(41)은 발포 부분(23)을 통하여 운반되고 그리고 밸브 유입구(45)를 거쳐 밸브(27) 내로 운반된다. 밸브(27)의 열림 구조는 폼이 밸브를 통과하는 것을 허용하며, 그리고 폼(41)은 그후 액츄에이터 배출구(29)에서 디스펜싱 장치(20)로부터 배출된다.
폼 향상 요소(53)의 존재는 계면활성 용액(21)과의 가스(23)의 개선된 혼합을 야기하며 그리고 발포 부분(25)의 매개 변수를 다른 실험에서 확인된 매개 변수적 공간 내에 놓이게 함에 의하여 (주어진 발포 부분 튜브 형상 및/또는 크기를 위하여) 폼(41)의 형성을 향상시킨다. 또한, 폼 향상 요소(53)는 발포 부분(25) 내에서의 빈 공간(void space) 체적에 대한 침수 표면적 비율을 증가시킬 수 있다.
초기 실험에서, 폼 향상 요소(53)를 포함한 발포 부분(25)의 기하학적 구조를 변형시킴에 의하여 침수 표면적(AWS)이 조정되어 특별하게 요구된 특징을 갖는 폼이 제공될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 특히, 초기 실험에서 발포 부분(25)의 빈 공간의 체적에 대한 발포 부분(25)의 (계면활성 용액과 가스가 통과하는) 침수 표면적(AWS)의 비율이 생산된 폼의 품질에 영향을 미친다는 것이 밝혀졌다. 따라서 특별하게 요구된 특징을 갖는 폼을 제공하기 위하여 이 비율은 조정될 수 있다. 폼 품질에 잠재적인 영향을 미치도록 하기 위하여 초기 실험에서 발견된 다른 매개 변수는 발포 부분(25)의 내부 직경; 2상 흐름 길이에 대한 표면적 비율; 액체 유입구의 내부 직경; 가스 유입구의 내부 직경; 계면활성제의 표면 장력; 계면활성제의 점도; 가스 및/또는 계면활성제에 가해진 압력(예를 들어, 공간 부분 압력) (또는 이러한 압력의 비율); 및 (만일, 도관 내의 빈 공간 체적비에 대한 침수 표면적이 생산된 폼의 형태를 위한 적절한 임계값 위에 유지한다면) 매니폴드에서 배출구까지의 유체 도관의 길이를 포함한다.
초기 실험에서 적어도 1,800 평방 밀리미터의 내부 발포 요소(25) 표면적을 갖는 것은 많은 적용을 위하여 충분하게 높은 품질의 폼을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어 3000 평방 밀리미터보다 큰 또는 3700 평방 밀리미터보다 큰 보다 큰 침수 표면적(AWS)은 원하는 폼을 생산하기 위하여 바람직할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 특별하게 높은 품질의 폼은 예를 들어, 4500 내지 6000 평방 밀리미터의 더 큰 표면적을 이용하여 생산될 수 있다. 입방 밀리미터당 적어도 4 평방 밀리미터의, 빈 공간 체적에 대한 침수 표면적 비율은 다양한 적용을 위한 충분하게 높은 품질의 폼을 제공하는 것으로 밝혀지고 있다. 예를 들어 입방 밀리미터당 16 평방 밀리미터보다 큰, 빈 공간 체적에 대한 더 높은 침수 표면적 비율이 원하는 폼을 생산하기 위하여 바람직할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 더 높은 비율, 예를 들어 입방 밀리미터당 20 내지 25 평방 밀리미터의 비율을 이용하여, 특히 높은 품질의 폼이 생산될 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 디스펜싱 장치(120)를 관통한 부분의 간략화된 도면이다. 계면활성 용액(121)의 공급부와 가스(123)의 공급부를 유지하도록 조정된, 리셉터클(137)을 포함한 컨테이너가 제공된다. 이 실시예에서, 가스(123)는 압축 가스 추진제가 아니며, 그리고 대신에 디스펜싱 장치(120)를 둘러싸는 대기의 압력과 유사한 압력에서 제공된다. 디스펜싱 장치(120)는 리셉터클(137)의 바닥에 가깝게 위치된 액체 유입구(133)를 포함하며, 그리고 리셉터클(137)의 상단에 가깝게 위치된 가스 유입구(135)를 더 포함한다. 이 배치는 디스펜싱 장치(120)가 그의 직립 위치를 향할 때, 도 3에 도시된 바와 같이 액체 유입구(133)가 계면활성 용액의 액체 수위 아래에 위치하는 반면에, 가스 유입구가 계면활성 용액의 액체 수위 위에 위치하여 그로 인하여 가스가 가스 유입구(135)로 들어가게 하는 것을 보장한다. 바람직하게는, 리셉터클(137) 내에 유지된 모든 계면활성 용액(121)이 액체 유입구(133)로 들어갈 수 있는 것을 보장하기 위하여 액체 유입구(133)는 리셉터클(137)의 가장 낮은 점에 위치된다.
디스펜싱 장치(120)는 원-웨이 밸브(170)를 포함하며, 이 밸브는 대기가 리셉터클(137) 내로 들어가는 것을 허용하도록 그리고 가스(123)와 계면활성 용액(121)이 리셉터클(137)에서 빠져나오는 것을 제한 또는 방지하도록 구성된다. 이 실시예에서, 원-웨이 밸브(170)를 통하여 리셉터클(137) 내로 들어가는 공기가 계면활성 용액의 수위 위에 있도록 하기 위하여 원-웨이 밸브(170)는 리셉터클(137)의 상단 근처 또는 상단에 배치되며, 따라서 계면활성 용액(121) 내에의 공기의 버블의 생성을 억제한다.
디스펜싱 장치(120)는 발포 부분(125)을 더 포함하며, 이 발포 부분은 액체 유입구(133)와 유체 연결되고 그리고 발포 부분(125)과 가스 유입구(135) 간의 유체 연결을 허용하는 튜브(160)를 통하여 가스 유입구(135)에 연결된다.
도 2와 관련하여 위에서 설명된 발포 부분(25)과 마찬가지로, 발포 부분(25)은 계면활성 용액(121)과 가스(123)로부터 형성된 고품질 폼의 발생을 허용하는, 비교적 짧은 길이의 발포 부분 내에서 유익한 다수의 폼 향상 요소(153)를 포함한다. 이 실시예에서, 가스(123)는 바람직하게는 공기이다. 다른 실시예에서, 설명된 원하는 특성을 갖는 유사한 높은 품질의 폼이 폼 향상 요소(153)의 이용 없이도 생산될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
발포 부분(125)은 배출구(129)에 연결되고 그리고 배출구에 유체 연통되어 있으며, 여기서 발포 부분에서 발생된 폼은 이 배출구로부터 분배될 수 있다. 밸브(127)는 발포 부분(125)에서 배출구(129)로의 폼의 흐름을 제어하며 그리고 바람직하게는 폼이 임계 압력 이상의 압력을 밸브(127)에 가할 때 단지 폼이 발포 부분(125)에서 배출구(129)로 흐르는 것을 허용하도록 구성된다.
가스(123)와 계면활성 용액(121)을 몰아 발포 부분(125)으로 들어가도록 하기 위하여, 압력은 가스(123)와 계면활성 용액(121)에 가해져야만 한다. 이 예시적인 실시예에서, 리셉터클(137)의 만곡진 측부에 의하여 지시된 바와 같이, 리셉터클(137)은 유연하고 그리고 바람직하게는 어느 정도까지 접을 수 있어야 한다. 따라서 리셉터클(137)을 누름에 의하여 그리고 따라서 리셉터클(137)의 체적을 줄임에 의하여 압력은 가스(123)에 그리고 계면활성제(121)에 가해질 수 있다. 이 작용은 손에 의하여 수행될 수 있으며 또는 대안적으로 리셉터클(137)을 압축하기 위하여 장치가 제공될 수 있다; 이러한 장치가 도 3에 도시되지는 않으나, 이러한 장치는 리셉터클(137)의 내용물을 밖으로 꺼내기 위하여 배출구(129)와 맞물리도록 그리고 흡입을 이용하도록 구성된, 손으로 가동되는 펌프를 포함할 수 있다.
도 4는 간략화된 형태의, 발포 부분(425)의 부분을 도시하며, 여기서 발포 부분은 예를 들어 어떠한 도면에 도시된 디스펜싱 장치의 부분으로서 제공될 수 있거나 개별적으로 공급될 수 있다. 발포 부분의 상단 및 바닥에서 절단 라인에 의하여 지시된 바와 같이, 발포 부분(425)은 단지 부분적으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 발포 부분(425)은 다수의 폼 향상 요소(453)를 포함하며, 이 폼 향상 요소는 유체 도관(460) 내에 그리고 발포 부분을 통하여 운반되는 계면활성제와 가스의 흐름 경로 내에 유지된다. 이 실시예에서, 폼 향상 요소(453)는 다수의 일반적인 구형 유리 비드를 포함한다.
발포 부분(425)은 또한 리테이너(465, 467)를 포함하며, 이 리테이너는 도 2에 도시된 리테이너(65, 67)와 동등하다.
도시된 바와 같이, 각 폼 향상 요소(453)는 d로 표시된 직경을 가지며, 여기서 d는 바람직하게는 0.5 내지 2 밀리미터의 범위 그리고 보다 바람직하게는 1 내지 1.3 밀리미터 범위이다. 바람직하게는 다수의 폼 향상 요소(453)를 위한 d의 평균값은 1 내지 1.5 밀리미터의 범위, 그리고 보다 바람직하게는 1.23±0.10 밀리미터 근처이다. 각 폼 향상 요소(453)의 직경은 유리하게는 유체 도관의 발포 부분을 형성하는 튜브의 내부 직경의 1/3이다. 유익하게는, 이는 빈 공간 체적에 대한 침수 표면적 비율이 충분하게 높은 값을 얻는 것을 방지하는 튜브의 내주 표면 주위에 바람직하지 않은 큰 공동(void)이 남겨지는 것을 방지하는데 도움을 준다.
도 4에 도시된 바와 같이, 발포 부분(425)은 D로 지시된 내부 직경을 갖는다. 바람직하게는 발포 부분(425)의 직경 D는 0.1 밀리미터 내지 10 밀리미터이며, 그리고 더 바람직하게는 4 밀리미터 이하, 예를 들어 2 밀리미터 내지 4밀리미터이다.
도 5는 비교 목적을 위한 공지된 폼의 전형적인 특성을 결정하기 위하여, 공지된 기술(이하의 초기 실험적 방법의 단계 9 내지 12 참조)을 이용하여 생성된 폼(500)의 시편을 간략화된 방식으로 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 폼(500)은 계면활성 용액(502) 내에서 유지된 다수의 공기 버블(501)을 포함한다. 각 공기 버블(501)은 도 5에서 표식 "A"로 지시된 직경을 갖는다. 도 5의 폼(500)의 시편에서, 평균적인 버블 직경은 80 미크론이며, 그리고 버블 직경의 표준 편차는 60 미크론이다. 도시된 시편에서 가장 큰 버블은 278 미크론의 직경을 갖는다.
도 6은 도 2에 도시된 디스펜싱 장치와 실질적으로 대응하는 디스펜싱 장치를 이용한 초기 실험에서 생성된 폼(600)의 시편을 간략화된 방식으로 도시한다. 폼(600)은 이하의 초기 실험적 단계의 단계 1 내지 8에 설명된 방법에 따라 생성되었다. 폼(600)은 계면활성 용액(602) 내에 유지된 다수의 질소 버블(601)을 포함한다. 각 버블(601)은 도 6에서 표식 "B"로 지시된 직경을 갖는다. 폼(600)의 도시된 시편에서의 평균적인 버블 직경은 60 미크론이며, 그리고 버블 직경의 표준 편차는 25 미크론이다. 도 6에 도시된 폼 시편(600)에서 가장 큰 버블은 130 미크론의 직경을 갖는다.
도 7은 도 5에 도시된 폼 시편(500)을 위한 그리고 도 5에 도시된 폼 시편(600)을 위한 버블 직경의 범위별 개수 밀도 분포를 도시한 그래프이다.
도 7에 도시된 그래프에서, x 축은 미크론 단위로 측정된 폼(500, 600) 내의 버블의 직경을 나타내며, y 축은 특별한 직경을 갖는 버블의 개수 밀도를 나타낸다. 종래 기술의 폼 메커니즘에 의하여 발생된, 도 5에 도시된 폼(500)에 관련된 데이터 포인트는 다이아몬드 형상의 데이터 포인트에 의하여 표시되는 반면에, 도 6에 도시된 폼(600)에 대응하는 데이터 포인트는 사각 형상의 데이터 포인트에 의하여 표시된다. 2세트의 시편 각각에 곡선 접합(curve fit)이 부가되었다. 그래프로부터 보여질 수 있는 바와 같이, 폼(500)과 비교할 때, 폼(600)은 40 미크론 내지 100 미크론 범위, 최고 약 53 미크론의 버블의 더 큰 개수 밀도를 갖는다.
더욱이, 폼 시편(600) 내의 대다수의 버블이 40 내지 100 미크론 범위에 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 범위를 갖는 상당히 많은 수의 버블을 갖는 것은 "더 풍부한" 질감을 갖는 고품질의 폼을 생산한다. 더욱이, 폼(600)의 표준 편차가 종래 기술의 디스펜싱 메커니즘에 의하여 발생된 폼(500)의 표준 편차보다 작다는 것을 도 7의 그래프에서 알 수 있다. 버블 크기의 더 작은 표준 편차를 갖는다는 것은 균질성을 증가시키고 그리고 따라서 폼의 품질을 증가시킨다.
유리하게는, 설명된 디스펜싱 장치, 시스템 및 발포 부분은 휘발성 유기 화합물(VOC)의 사용 없이 풍부한 크림형 폼(95% 이상의 높은 기상 체적, 60 미크론의 바람직한 평균 직경을 갖는 공기 버블 그리고 좁은 크기 분포, 바람직하게는 25 미크론 이하의 표준 편차)의 생성을 가능하게 한다.
설명된 시스템, 장치 그리고 부분은 다른 가능한 메커니즘 그리고 계면활성 용액 내에 용해된 가스를 이용하여 생산된 폼보다 더 우수한 품질의 폼을 제공한다. 이는 계면활성 용액 내에 용해된 가스를 이용하여 형성된 폼의 최대 기상 체적이 전형적으로 액체의 체적의 단지 4배이기 때문이며, 이는 계면활성 용액 내에 용해될 수 있는 가스의 양에 대한 상한값이다.
설명된 시스템, 장치 그리고 발포 부분은 또한 예를 들어 작은 개구를 이용한 버블의 생성을 포함할 수 있는 대안적인 발포 장치에 대하여 유리하다.
본 발명은 제조하기에 비쌀 수 있고 그리고 레이저 드릴링과 같은 특별한 기술을 흔히 필요로 하는 작은 개구의 가공을 필요로 하지 않는다. 대신에, 본 발명에서, 가스와 액체 계면활성제는 매우 넓은 내부 표면적을 갖는 기하학적 구조를 갖는 발포 부분을 통과한다. 이 액체는 발표 부분의 내부 표면을 코팅하며 따라서 유사하게 넓은 가스-액체 표면적을 생성한다. 본 발명의 체적에 대한 큰 내부 표면적 비율은 가스와 액체 상이 상호 작용할 수 있는 매우 넓은 표면적이 있고 그리고 부드러운 미세 폼이 형성될 때까지 흐름이 나누어지고 그리고 재결합될 다수의 기회가 있다는 것을 보장한다. 별개의 오리피스에서 버블이 레일리-테일리 불안정성을 통하여 형성되고 그리고 일반적으로 오리피스 직경과 유사한 직경을 갖는 소형 오리피스 발포 장치와 달리, 본 발명에서 생성된 버블들은 전형적으로 발포 부분 내의 가장 작은 오리피스보다 작은 크기의 순서이다.
바람직한 실시예에서, 디스펜서의 가장 작은 오리피스는 유지 요소(예를 들어, 도 4에 도시된 유지 요소(465, 467)) 내에 있다. 이 오리피스는 폼 향상 요소가 통과하는 것을 방지하기에 충분하도록 작을 필요가 있다. 도입부에서 설명된 공지된 작은 오리피스 발포 장치와 대조적으로, 본 발명의 폼 향상 요소는 대략 밀리미터 정도일 수 있으며 그리고 이런 이유로 유지 요소 내의 오리피스는 대략 밀리미터 정도일 수 있는 반면에, 미세 폼이 생산되는 것을 허용한다.
본 발명이 별개의 오리피스에서의 레일리-테일러 불안정성을 통한 버블 형성에 의존하지 않음에 따라, 유지 요소 내의 오리피스들은 서로 다수의 직경을 두고 위치될 필요가 없으며, 따라서 메시 또는 소결된 또는 다공성 재료와 같은 저가의 재료로 유지 요소가 제조될 수 있다.
또한, 설명된 폼 디스펜싱 장치가 (버블 치수와 비교하여) 다수의 넓은 오리피스 그리고 발포 부분을 통과하는 다수의 흐름 경로를 갖고 있으며, 그리고 따라서 디스펜싱 장치는 차단되기가 쉽지 않다.
더욱이, 설명된 폼 디스펜싱 장치에서, 공기 유입구의 치수는 원하는 버블 치수와 관련되지 않으며, 따라서 생산된 버블의 직경과 비교하여 공기 유입구의 직경은 클 수 있다. 따라서, 보통 정도의 액체 유속 그리고 단일 공기 유입구를 이용할 때에도 다량의 가스를 계면활성 용액 흐름 내로 혼입(entrain)시키는 것이 가능하다. 이는 큰 기상 체적(일부의 경우에 98% 가스)을 갖는 폼을 생성하는데 유리하다.
설명된 폼 디스펜싱 장치/시스템은 구동 압력이 변할 때에도 양호한 품질의 미세 폼이 생산되는 것을 허용한다. 예를 들어, 가스 버블 치수, 버블 치수의 균일도 그리고 기상 체적의 측면에서의 일관된 폼 품질은 예를 들어 0.1 바아에서 10 바아까지 또는 0.5 바아에서 10 바아까지의 넓은 압력의 범위에 걸쳐 본 발명으로 이루어질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 폼 디스펜서는 계면활성 용액의 액체 수위 위에 남아있는 가스 유입구를 포함하는 반면에, 가스가 유체 도관(도 2의 매니폴드(31))으로 들어가는 분기부는 대체로 액체 수위 아래에 남아있다. 액체 도관의 부분이 액체 수위 아래에 남아있을 것이며 이는 모세관 작용을 통하여 액체 계면활성 용액을 액체 도관으로 위로 끌어당겨 지게 하기 때문에 위의 조건은 유리하다. 결과적으로, 이는 폼 디스펜서가 잠시 동안 배출하지 않을 때에도 일부 액체 계면활성 용액이 유체 도관 및 발포 부분 내에 남아있는 것을 돕는다. 따라서 유체 도관 그리고 발포 부분의 건조가 방지되며, 그렇지 않으면 유체 도관 그리고 발포 부분의 건조는 막힘을 야기할 수 있다. 또한, 액체 수위 아래에서의 분기부의 위치는 보다 긴 2상 흐름 길이가 유체 도관 내에 제공되도록 한다.
설명된 디스펜싱 장치, 시스템 그리고 발포 부분은 예를 들어, 면도용 폼, 클리닝 폼, 헤어 무스, 유제폼 그리고 다른 식품용 폼, 산업용 폼, 농업 장비용 폼, 의학용 폼 그리고 약제용 폼을 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 디스펜싱 장치(20)는 추진제로서 압축 가스를 이용하며, 따라서 밸브가 열릴 때 디스펜싱 장치(20)는 실질적으로 연속적인 폼의 흐름을 생성할 수 있다. 이는 디스펜싱 장치(20)를 사용을 위하여 비교적 다량이 폼이 흔히 필요한 면도 폼, 헤어 무스 그리고 유제품 폼을 생산하는데 특히 잘 적합하게 한다. 한편, 도 3에 도시된 디스펜싱 장치(120)는 추진제로서 압축 공기를 사용하지 않으며, 따라서 계면활성 용액 그리고 가스를 디스펜싱 장치(120)의 발포 부분으로 나아가게 하기 위하여 압축될 리셉터클(137)을 필요로 한다. 도 3에 도시된 디스펜싱 장치(120)가 특히 크리닝 폼, 예를 들어 손비누 폼(hand soap foam)을 생산하기에 적합하며, 여기서 일반적으로 각 사용을 위하여 비교적 적은 양의 폼이 요구된다.
만일 이 기술이 냉각 기술(예를 들어, 냉동 사이클, 냉온 싱크 또는 저온 상 변화 재료)과 함께 사용된다면, 아이스크림 디스펜싱 가전 기기가 만들어질 수 있다.
핵심 매개 변수 : 초기 실험에 의하여 지시된 바와 같은 바람직한 값
번호 매개변수 값 의견



1


젖은 표면적(AWS)


> 1800㎟		 이는 액체 도관의 분기부에서 액체 도관의 종단(예를 들어, 액체 도관이 밸브에 연결된 종단)까지의 발포 부분 내에서의 전체 표면적이다. 이는 발포 부분의 내부 표면의 표면적에 발포 부분 내에 함유된 어떠한 폼 향상 요소의 표면적을 더한 것을 포함한다.

2
빈 공간 체적대 젖은 표면적 비율
> 4㎟/㎣		 이는 발포 부분 내의 자유 공간의 체적으로 나누어진 발포 부분 내에서의 표면적이다.

3
발포 부분 직경
0.1㎜ 내지 10㎜
(바람직하게는 4㎜ 이하)





4




2상 흐름 길이




> 40㎜
(바람직하게는 60㎜ 이상)		 하기 2개의 거리 중 더 작은 거리:
a) 가스와 계면활성 용액이 먼저 서로 접촉하는 지점에서 빈 공간 체적에 대한 젖은 표면적 비율이 4㎟/㎣ 이하로 감소하는 (그리고 유지하는) 지점까지 가스/계면활성제 혼합물이 이동하는 거리.
b) 가스와 계면활성 용액이 서로 접촉하는 지점에서 분배 지점(예를 들어, 액츄에이터 노즐)까지의 가스/계면활성제 혼합물 이동하는 거리.

5
밸브 최대 수축 치수
0.1㎟

6
가스 유입구 직경
0.1㎟ 내지 4㎟

7
액체 유입구 직경
0.1㎟ 내지 4㎟

8
계면활성제 표면 장치
< 50 dyne/㎝

9
계면활성제 점도
< 200 centiPoise

10
공간 부분 압력		 2 바아 게이지 내지 25 바 게이지

11
폼 내 버블 평균 직경
< 60 미크론

12
폼 내 버블 표준 편차
< 25 미크론

13
최대 버블 치수
< 130 미크론
초기 실험에서 버블 크기 데이터를 얻기 위하여 사용된 방법.
1. 1 부분의 오리지널 페어리 액체®와 4 부분의 물로 이루어진 시편 제제가 제조되었다.
2. 이 시편 100 mL이 210mL의 병 내에 위치되었으며, 이 병은 1 밀리미터 직경의 3개의 최소 수축 크기를 갖는 에어로졸 밸브로 밀봉되었다.
3. 3.175 밀리미터의 내부 직경을 갖는 60밀리미터의 튜브가 발포 부분으로서 사용되었다. 튜브는 1.23 밀리미터의 평균 입자 크기를 갖는 1 내지 1.3 밀리미터 범위의 크기의 글라스 발로티니 구체로 채워졌다. 시스템의 전체 내부/침수 표면적은 5294 평방 밀리미터였으며, 이 믹서기를 위한 빈 공간 체적에 대한 침수 표면적 비율은 22.5 mm2/mm3이었다. 믹서기는 2.5 밀리미터 직경의 원형 액체 및 공기 흡기구를 가졌다.
4. 3x1 밀리미터 수축을 갖는 에어로졸 밸브의 딥튜브(diptube)에 믹서를 일체화하였다.
5. 공간 부분을 5바아 게이지까지 가압하기 위하여 병과 질소를 밀봉하는 에어로졸 밸브 크림프가 사용되었다.
6. 폼의 시편이 글라스 현미경 슬라이드 상으로 분배되었으며, 분배 3초 후에 이미지가 촬영되었다.
7. 이미지가 이하의 도 6에 도시된다.
8. 버블 크기 분포가 이미지로부터 결정되었다. 개수 밀도 분포가 도 7에 도시되며, 그리고 60미크론의 평균 버블 직경 그리고 (평균 버블 직경의 42%의 표준 편차를 나타내는) 25 미크론의 표준 편차를 갖는 것으로 알려졌다. 이 이미지에서 가장 큰 버블은 130 미크론의 직경을 갖는다. 버블 직경은 이미지 상의 둘러싸인 곡선 내에서 그려질 수 있는 선의 최대 길이로서 결정되었다.
9. 100mL의 시편이 선행 기술의 메커니즘과 맞추어진 병 내에 위치되었다.
10. 폼의 시편이 유리 현미경 슬라이드 상으로 분배되었으며 분배 3초 후에 이미지가 촬영되었다.
11. 이미지가 이하의 도 5에 도시된다.
12. 버블 크기 분포가 이미지로부터 결정되었다. 개수 밀도 분포는 80미크론의 평균 버블 직경 그리고 (평균 버블 직경의 75%의 표준 편차를 나타내는) 60 미크론의 표준 편차를 갖는 것으로 알려졌다. 이 이미지에서 가장 큰 버블은 278 미크론의 직경을 갖는다. 버블 직경은 이미지 상의 둘러싸인 곡선 내에서 그려질 수 있는 선의 최대 길이로서 결정되었다.
다른 실험적 작업.
도 9는 다른 실험적 작업에 사용된 장치를 간략화된 형태로 도시한다. 장치(90)는 에어 컴프레서(910), 압력 조절기(904), 가스 유량계(921), 체크 밸브(905), 액체 계면활성제(911)를 유지시키기 위한 액체 용기(912), 가스 용기(913), 차단 밸브(917a 및 917b), 니들 밸브(918a 및 918b), (이전에 설명된 발포 부분과 등가물인) 거품 발생기(915) 그리고 배출구(919)를 포함한다. 도 9에 도시된 장치(90)가 실험을 위하여 사용된다는 것과 실질적인 상업적 시스템이 장치(9)의 모든 구성 요소를 포함하지 않을 수 있다는 것이 인식될 것이다.
에어 컴프레서(910)는 가압된 공기를 액체 용기(912) 그리고 가스 용기(913)에 공급하기 위하여 이용된다. 이 가압된 공기 공급부는 가스 용기(913) 내의 가압된 공기(914)의 체적을 유지하며 그리고 압력 하에서 액체 계면활성제를 유지하기 위하여 공기를 액체 용기(912) 내로 공급한다. 압력 조절기(904)는 에어 컴프레서(910)에 의하여 공급된 공기의 압력을 제어한다.
차단 밸브(917a)와 니들 밸브(918a)는 액체 용기(912)로부터의 배출구 라인 상에 위치되는 반면에, 차단 밸브(917b)와 니들 밸브(918b)는 가스 용기(913)로부터의 배출구 라인 상에 위치된다. 니들 밸브(918a 및 918b)는 액체 및 가스 용기를 빠져 나가고 그리고 발포 장치(915) 내로 흐르는 액체 계면활성제(911)와 공기(914)의 유속에 대한 미세 조정을 이루기 위하여 사용된다.
2개의 배출구 라인은 (이전에 설명된 분기 튜브와 유사한 형태로) T형-연결부(923)로 넣어지며, 여기서 연결부는 액체 계면활성제(911)와 공기(914)를 조합하고 그리고 발포 장치(915)로 넣는다. 액체 계면활성제(911)와 공기(914)는 발포 장치(915)를 통과하고 그리고 발포 장치(915)의 배출구(919)를 빠져 나간다.
체크 밸브(905)는 액체 용기(912)의 상류에 위치하여 시스템의 감압 동안에 액체 계면활성제(911) 또는 폼이 가스 유량계(921)를 통하여 흐르는 것 또는 가스 용기(913) 내로 흐르는 것을 방지한다.
확실한 조건 하에서, 액체와 가스는 미세 폼 형태로 발포 장치(915)를 빠져나간다. 위에서 설명된 바와 같이, 이 폼 내에서의 평균 버블 직경은 100 미크론 이하이다. 다른 가동 조건 하에서, 액체와 가스는 큰 버블(1 내지 3 밀리미터)과 함께 또는 공기와 폼의 간헐적인 짧은 소리(spluttering)와 함께 배출구를 빠져나간다. 후자의 두 상태는 미세 폼을 위하여 바람직하지 않다.
도 9에서 단일의 발포 장치가 도시되었을지라도, 다른 실험에서 다수의 다른 발포 장치(915)가 테스트되었다. 이 발포 장치(915)는 20 밀리미터에서 100 밀리미터까지의 범위의 길이 그리고 2.5 밀리미터, 3.175 밀리미터, 6 밀리미터 그리고 12 밀리미터의 직경을 갖는 튜브 부분들을 포함한다.
발포 장치(915)의 튜브 부분들이 다수의 팩킹 요소(packaing element)로 채워졌으며, 이 팩킹 요소들은 발포 장치(915)의 침수 표면적(AWS)과 기공률을 변화시키기 위하여 선택되었다. 침수 표면적(AWS)은 269 평방 밀리미터 내지 4163 평방 밀리미터 사이에서 변화되었다. 기공률은 0.38 내지 0.78 사이에서 변화되었다.
도 10은 높이(1001), 반경(1002) 그리고 측면 길이(1003)와 같은 핵심적인 크기를 포함하는, 일부 예시적인 팩킹 재료를 도시한다. 표면적을 계산하기 위한 알려진 방법을 이용하여 발포 장치(915)의 침수 표면적(AWS)을 결정하는 데 있어 이 크기가 본 기술 분야의 지식을 가진 자에 의하여 사용될 수 있다.
액체 계면활성제(911)를 위하여, 페어리 액체 1 (1 part) : 물 1(part)에서 페어리 액체 1 (1 part) : 물 10 (10 parts) 범위의 다른 강도까지 페어리 액체(Fairly Liquid)가 희석되었다.
실험 절차
1. 각 발포 장치(915)는 길이, 직경, 다공성 그리고 침수 표면적(AWS) 면에서 특징지어졌다.
2. 액체 용기(912)는 미리 설정된 체적의 액체 계면활성제로 채워졌으며, 액체 계면활성제는 위에서 설명된 바와 같이 물과 함께 미리 설정된 희석물의 페어리 액체를 포함한다.
3. 압력 조절기(904)는 미리 정해진 압력으로 설정되었다.
4. 에어 컴프레서(910)가 켜지고 그리고 차단 밸브(917a, 917b) 모두 개방되어 공기(914)와 액체 계면활성제(911)가 장치를 통하여 흐를 수 있도록 하였다.
5. 미세 폼이 형성되고 그리고 형성되지 않는 영역에서의 유속을 확인하기 위하여 니들 밸브(918a, 918b)가 조절되었으며 그리고 압력 조절기(904)의 설정을 변화시킴에 의하여 다른 공기 압력이 가해졌다. 각 경우에, 가스 유량계로부터 공기 유속 판독이 얻어졌다. 미리 설정된 체적의 액체 계면활성제(911)로 액체 용기(912)를 채움에 의하여 그리고 특히 조절기 압력을 위한 용기를 비우는데 요구되는 시간 및 니들 밸브(918) 상의 설정을 측정함에 의하여 액체 유속이 결정되었다.
6. (점도와 표면 장력을 변화시키는) 페어리 용액의 다른 희석물을 포함하는 액체 계면활성제(911)를 이용하여 각 발포 장치(915)로 단계 5가 반복되었다.
7. 더욱이, 단계 5에서 미세 폼이 성공적으로 형성되었던 각 발포 장치(915)를 위해서는, 공기 압력을 조정하기 위하여 압력 조절기(904)가 이용되었으며, 그리고 니들 밸브(918a, 918b)가 조정되어 흐름 제한의 수준을 변화시켜 어떠한 액체 계면활성제(911)와 공기(914) 유속이 양호한 미세 폼을 야기하는지 그리고 품질이 좋지 않은 미세 폼을 야기하는지를 결정하였다. 위에서 설명된 바와 같이, 발포 장치에 의하여 생산된 양호한 품질의 미세 폼은 일반적으로 부드러우며 그리고 에어 포켓이 존재하지 않고 연속적이며, 예를 들어 100 미크론 이하의 평균 버블 직경, 90%보다 큰 기상 체적(gas phase volume) 그리고 25 미크론보다 작은 표준 편차를 갖는다. 발포 장치에 의하여 생산된 품질이 좋지 않은 폼의 예는 공기와 폼의 간헐적인 짧은 소리, 큰 버블을 갖는 액체, 큰 버블로 이루어진 폼 그리고 액체에 대한 가스의 낮은 비율을 갖는 폼을 포함한다.
8. 페어리 용액의 다른 희석물을 포함하는 액체 계면활성제(911)를 이용하여 각 발포 장치(915)로 단계 7이 반복되었다.
결과
도 11은 발포 장치(915)의 주요 매개 변수에 맞서 발포 장치(915)를 이용한 미세 폼 생산의 성공을 도시한 그래프이다. 기공률 또는 P는 x-축 상에 나타나는 반면에 매개 변수(Y)는 y-축 상에 나타난다 (여기서, Y는 2상 흐름 경로(LTP)로 곱해지고 그리고 전체 체적(V)으로 나누어진 침수 표면적(AWS)과 동일하며, 이는 이 경우에 침수 표면적/횡단면적 또는 횡단면적(ACS)에 대한 침수 표면적(AWS)의 비율(RWS -CS)로 간략화된다.) 일부 발포 장치(915)의 일부에서 어떠한 일련의 가동 조건 하에서 미세 폼이 생성될 수 없다는 것이 알려졌다. 미세 폼이 생산될 수 없다는 것이 밝혀진 성공적이지 않은 발포 장치(915)는 원형 마커(marker)를 이용하여 플롯(plot) 상에서 지시되는 반면에, 미세 폼이 제조될 수 있다는 것이 밝혀진 성공적인 발포 장치(915)는 사각 마커를 이용하여 플롯 상에 지시된다.
도시된 바와 같이, 성공적인 그리고 성공적이지 않은 발포 장치(915)가 명확하게 구별되는 2개의 비중첩 클러스터를 생성한다는 것이 알려졌다.
2개의 클러스터 사이의 경계를 나타내는 선이 도 11의 그래프에 포함된다. 선의 식은 y=1994(x)-821.58이다 (여기서, y는 침수 표면적/횡단면적이며, y는 발포 장치(915)의 기공률이다).
따라서 미세 폼(평균 버블 직경이 100 미크론 이하인 폼)을 생산하기 위하여 (y>1994.5x + 821.58 (여기서, y는 양수)에 맞는) 내부 크기를 갖는 발포 장치가 성공적으로 사용될 수 있다. 도 12의 그래프를 기초로 하여 본 기술 분야의 지식을 가진 자는 상수 1994.5 그리고 821.58이 10%까지 변할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
도 12는 액체 계면활성제(911)와 공기(914)의 공탑 속도에 맞선 성공적인 양호한 미세 폼의 생산을 도시한 그래프이다. 표면 액체 속도(VL)는 X-축 상에 나타난 반면에, 표면 가스 속도(VG)는 Y-축 상에 나타난다.
도시된 바와 같이, 양호한 미세 폼과 좋지 못한 폼은 명확하게 구별되는 2개의 비중첩 클러스터를 생성한다는 것이 알려졌다. 라인 y=18.397x + 507.420은 이 2개의 클러스터 사이의 경계를 나타낸다.
따라서, y<18.397x + 507.420일 때, 양호한 미세 폼이 형성되었다. 본 기술 분야의 지식을 가진 자가 인식할 바와 같이, 도 12의 그래프에 기초하여, 상수 18.397과 507.420은 10%까지 변할 수 있다.
부가적으로, 장치의 모든 매개 변수가 결과적인 데이터 포인트를 도 12의 "양호한 폼" 영역에 놓여지게 한다면, 액체 계면활성제(911)의 표면 장력이 50 다인(dyne)/센티미터 이하(그러나, 바람직하게는 20 내지 30 다인/센티미터 범위 내)인 한 장치는 부드러운 미세 폼을 형성하는 것으로 밝혀졌다. 더욱이,
장치의 모든 매개 변수가 결과적인 데이터 포인트를 도 12의 "양호한 폼" 영역에 놓여지게 한다면, 액체 계면활성제(911)의 점도가 200 c.P 이하 또는 더 바람직하게는 50c.P 이하인 한 장치는 부드러운 미세 폼을 형성하는 것으로 밝혀졌다.
발포 부분이 RWs-cs가 P가 곱해지고 821이 빼진 1994보다 작지 않은 내부 크기를 갖는 발포 장치를 제공하는 것은 유리하게는 본 기술 분야의 숙련된 자가 이 조건을 만족하는 발포 장치의 적절한 구성을 선택함에 의하여 성공적으로 미세 폼을 생성할 발포 부분을 생산하는 것을 허용한다.
예를 들어, 발포 부분의 특정 매개 변수가 고정된다면, 가령 도 10에 도시된 비드(100a)가 폼 향상 요소로 사용되었다면, 3.175 밀리미터의 내부 직경과 80 밀리미터의 길이를 갖는 발포 부분을 선택하는 것은 RWs-cs가 P가 곱해지고 821이 빼진 1994보다 작지 않은 것을 보장하며 그리고 따라서 발포 부분이 미세 폼의 성공적인 생산을 허용하는 것을 보장할 것이다. 대조적으로, 3.175 밀리미터의 내부 직경과 60 밀리미터의 길이를 갖는 발포 부분을 선택하는 것은 RWs-cs가 P가 곱해지고 821이 빼진 1994보다 작지 않은 기준을 만족하지 않을 것이며 따라서 발포 부분이 미세 폼의 성공적인 생산을 허용하지 않을 것이다.
유사하게, VG가 VL이 곱해진 18.4보다 크지 않고 그리고 507.4가 더해진 폼 디스펜서를 제공하는 것은 유리하게는 위의 조건이 만족되는 것을 보장하기 위하여, 가스 및/또는 액체 압력 또는 가스/액체 라인 내의 제한, 또는 계면활성 용액 밀도 또는 점도의 적절한 값을 선택함에 의하여 본 기술 분야의 숙련된 자가 양호한 품질의 미세 폼을 생산할 폼 디스펜서를 제조하는 것을 허용한다.
변형 및 대안
위에서 설명된 실시예 중 어느 실시예에 사용된 가스는 바람직하게는 0.1 바아 게이지 내지 25 바아 게이지, 더 바람직하게는 2 바아 게이지 내지 8 바아 게이지, 그리고 더욱 바람직하게는 4 바아 게이지 내지 6 바아 게이지의 가스의 작동 압력에서 액화되지 않는 어떠한 적절한 가스를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 계면활성 용액(11) 내의 가스(13)의 농도는 계면활성 용액 킬로그램당 350±50 밀리그램이며, 또는 농도는 계면활성 용액(11) 킬로그램당 350 밀리그램보다 작을 수 있거나, 또는 계면활성 용액 킬로그램당 100 밀리그램보다 작을 수 있다.
미리 설정된 원하는 특성은 부가적으로 또는 대안적으로 목표 가스상 체적을 갖는 것, 목표 평균 버블 크기를 만족하는 것, 목표 표준 편차를 만족하는 것, 단위 체적당 목표 버블 농도를 만족하는 것 그리고/또는 목표 버블 크기 분포를 갖는 것을 포함할 수 있다.
위에서 설명된 바와 같은 폼 향상 요소를 갖는 발포 부분은 부가적으로 또는 대안적으로 발포 부분(25)의 침수 표면적(AWS), 발포 부분(25)의 빈 공간 체적에 대한 침수 표면적 비율, 그리고 2 상 흐름 길이에 대한 침수 표면적 비율을 증가시키기 위한 수단(표 1의 초기 시험에서 확인된 매개 변수에 관한 설명 참조)을 제공함에 의하여 설명된 원하는 특성을 갖는 폼을 생산하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는 발포 부분(25)은 표 1에 연결된 핵심 매개 변수 1 내지 4 중 적어도 하나를 따르며, 그리고 바람직하게는 매개 변수 1 내지 4의 모두를 따른다. 다른 실시예에서 폼 향상 요소(53)의 사용 없이도 유사하게 높은 품질의 폼이 생산될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 원하는 품질을 갖는 폼을 생산하기 위하여 표 1에 열거된 어떠한 매개 변수를 위한 값이 (바람직하게는 주어진 바람직한 범위 내에서) 선택될 수 있다는 것 또한 인식될 것이다.
비드와 같은, 실질적으로 구형인 폼 향상 요소가 사용된다면, 그후 폼 향상 요소가 모두 동일한 크기라면, 이론적인 최대 비질량 편차(packing fraction)는 ~0.66이며, 따라서 기공률은 ~0.33이다. 보다 작은 크기의, 모두 동일한 직경의 비드가 사용된다면, 보다 작은 비드의 세트는 더 넓은 표면적을 갖지만, 비질량 편차는 변함이 없을 것이다. 그러나, 폼 향상 요소의 다분산성(polydispersity)을 증가시킴에 의하여, 예를 들어 다른 크기의 비드의 혼합물을 사용함에 의하여 발포 부분의 기공률을 감소시킬 수 있다.
도 1의 간략화된 도면에서 밸브(17)가 발포 부분으로부터의 하류에 위치되어 있을지라도, 밸브가 어떠한 적절한 위치, 예를 들어 발포 부분과 T 또는 Y 연결부/매니폴드 사이에서 발포 부분의 상류에 제공될 수 있으며, 그리고 부가적으로 또는 대안적으로 예를 들어 도 10에 도시된 바와 같이 2개 또는 그 이상의 밸브가 가스 라인과 액체 라인에 각각 제공될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
위에서 설명된 바와 같이, 가스와 액체 계면활성제를 수용하기 위하여 단일의 리셉터클이 제공될 수 있다. 경우에, 바람직하게는 양호한 품질의 폼이 생산될 수 있는 도 12를 참고하여 정의된 매개 변수적 공간 내에 시스템이 놓여지는 것을 보장하는 비율로 가스와 액체 계면활성제가 제공된다. 리셉터클을 흔들거나 가스 그리고 액체 계면활성제를 (미세 폼의 버블의 치수와 비교하여 넓을 수 있는) 메시 또는 오리피스(들)를 통과시킴에 의하여 가스와 액체 계면활성제는 (수 밀리미터 크기의 버블 또는 훨씬 더 큰 크기의 버블을 갖는) 굵은 폼(coarse foam)으로 변환될 수 있다. 만일, 리셉터클이 가압되고 그리고 (도 11을 참고하여 정의된 매개 변수적 공간 내에 있는 매개 변수를 갖고) 발포 부분으로 공급되면, 양호한 품질의 미세 폼이 생산될 수 있다.
폼 향상 요소(53, 153, 453)가 일반적으로 구형의 글라스 비드로서 설명되었을지라도, 폼 향상 요소는 보통 플라스틱 재료와 같은 어떠한 다른 재료의 구형 비드일 수 있으며, 그리고 다른 형상, 예를 들어 보통 직육면체, 보통 원통형 또는 보통 원뿔형 비드일 수 있다. 폼 향상 요소는 대안적으로 어떠한 다른 특징, 예를 들어 유체 도관의 내부 표면에서 계면활성 용액과 가스의 흐름 경로로 연장된 브리슬(bristle) 또는 돌출부를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서 폼 향상 요소는 유체 도관 자체의 부분, 예를 들어 유체 도관의 내부 표면에서 계면활성 용액과 가스의 흐름 경로로 연장된 돌출부로서 형성될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 더욱이, 폼 향상 요소는 대안적으로 단일의 폼 향상 요소, 예를 들어 다공성 재료를 포함할 수 있다.
더욱이, 다른 종류의 폼 향상 요소의 어떠한 조합도 이용될 수 있다.
발포 부분(25, 125, 425)은 어떠한 폼 향상 요소(52, 153, 453)를 포함하지 않을 수 있다. 발포 부분 내에서의 폼의 발생을 향상시키기 위하여 발포 부분은 조정될 수 있다.
유체 도관이 점유한 공간을 크게 증가시키지 않고 발포 부분의 길이를 증가시키기 위하여 그리고 유체 도관을 통한 계면활성 용액과 가스의 혼합을 증가시키고 계면활성 용액과 가스의 흐름 내에서의 난류를 가능한 대로 유도하기 위하여 발포 부분은 구불구불한, 나선형 또는 다른 비선형 경로를 따를 수 있다. 이는 특히 어떠한 폼 향상 요소를 포함하지 않고 발포 부분이 길고 얇은 튜브로서 제공된 실시예에서 유리하다.
발포 부분은 별개의 부분으로서 제공될 수 있고 그리고 밸브와 매니폴드에 또는 발포 부분의 일측에 위치한 유체 도관 부분에 연결 가능할 수 있다. 그러나, 발포 부분은 유체 도관의 나머지 부분보다 더 좁은 또는 더 넓은 직경을 가질 수 있다.
비록 리테이너(65, 67, 465, 467)가 메쉬형 재료로 형성되어 있는 것으로 설명되었지만, 본 기술 분야의 숙련된 자는 리테이너가 계면활성 용액과 가스를 통과시킬 수 있고 그리고 폼 향상 요소의 이동을 억제시킬 수 있다면 리테이너가 어떠한 적절한 형태를 가질 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 각 리테이너는 폼 향상 요소가 통과할 수 없는 크기의 적어도 하나의 개구를 포함할 수 있다. 특히, 리테이너 요소는 폼 향상 요소 자체보다 크지만 폼 향상 요소의 이동을 차단하기에 충분하게 작은 구멍을 포함할 수 있다. 폼 향상 요소가 1 밀리미터 직경의 비드인 경우 리테이너는 1.5 밀리미터 직경의 단일 구멍을 포함할 수 있고 여기서 구멍은 그 입구에서 갇혀지는 다수의 1 밀리미터 비드에 의하여 차단된다는 것이 알려졌다.
대안적인 실시예에서, 리테이너가 제공되지 않으며, 그리고 대신에 폼 향상 요소와 발포 부부의 내부 표면 사이에 존재하는 마찰력 그리고 폼 향상 요소들 간의 마찰력에 의하여 폼 향상 요소는 발포 요소 내의 위치에 유지된다. 이 대안적인 실시예에서, 폼 향상 요소는 발포 부분 내에 배치되어 발포 요소는 폼 향상 요소 주변에서 어떠한 변형을 겪으며 제자리에 폼 향상 요소를 유지시키는데 도움을 준다. 또한, 폼 향상 요소는 탄성을 가질 수 있으며, 그리고 그 결과 폼 향상 요소에 압축력을 가하여 발포 부분과 폼 향상 요소 사이뿐만 아니라 폼 향상 요소들 사이의 마찰력을 증가시킨다.
도 2, 도 3 및 도 4에서, 폼 향상 요소(53, 153, 453)가 발포 부분의 길이의 부분을 따라 배치되어 있음이 도시된다. 그러나, 발포 요소의 실질적으로 전체 길이를 따라 폼 향상 요소를 제공하는 것이 유리할 수 있다는 것이 본 기술 분야의 숙련된 자에 의하여 인식될 것이다.
위에서는 발포 부분(25, 125, 425)이 유체 도관의 분기부에서 (분기부, 예를 들어 유체 도관과 밸브 사이의 연결점에서 먼 쪽의) 유체 도관의 종단으로 연장되어 있음을 설명하고 있다. 대안적으로, 발포 부분은 실질적으로 디스펜싱 장치의 2상 흐름 길이 전체에 걸쳐 연장될 수 있으며, 여기서 2상 흐름 길이는 빈 공간 체적에 대한 침수 표면적 비율이 4 mm2/mm3 이상을 유지하는 한 가스/계면활성제 혼합물이 분기점에서 분배점(예를 들어, 액츄에이터 노즐)까지 이동하는 거리이다.
위의 설명에서 언급된 밸브는 도면에 도시된 밸브의 형태에 제한되지 않은 어떠한 형태의 적절한 밸브를 포함할 수 있다.
위의 실시예에서는 추진제로 사용된 가스가 압축 가스임을 설명하고 있으나, 압축 가스 대신에 또는 압축 가스에 더하여 액화 가스가 추진제로서 사용될 수 있다.
압축 가스 추진제는 어떠한 적절한 가스, 예를 들어 공기, 질소, 아산화질소, 산소 또는 비활성 기체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 용해된 가스(예를 들어, 이산화탄소 또는 아산화질소)는 압축 가스 대신에 또는 압축 가스에 더하여 사용될 수 있으며, 유리하게는 디스펜싱 장치에 의하여 생산된 폼의 품질을 더 향상시킨다.
도 3이 가스 유입구와 가스(123)가 컨테이너 내에 제공되었음을 도시하고 있을지라도, 대안적인 실시예에서는 도 8에 도시된 바와 같이 가스 유입구가 컨테이너로부터 외부적으로 제공될 수 있다. 도 8은 이 대안적인 실시예에 따른 디스펜싱 장치(220)를 통과한 부분의 간략화된 도면이다. 이 실시예에서, 컨테이너(137)는 어떠한 실질적인 가스 공급부를 유지하지 않는다. 대신에, 폼을 생성하기 위하여 사용된 가스는 외부 가스 유입구(135)를 이용하여 디스펜싱 장치(220)를 둘러싸는 대기로부터 취해진다. 공기 또는 계면활성 용액이 가스 유입구로부터 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 가스 유입구(135)는 원-웨이 밸브를 포함할 수 있다. 손으로 작동되는 트리거 헤드 포머(trigger-head foamer)를 제공하기 위하여 디스펜싱 장치의 이 실시예는 손으로 작동하는 펌핑 메커니즘과 함께 사용될 수 있다.
설명된 디스펜싱 장치, 시스템 그리고 발포 부분은 폼을 생성하기 위하여 대형 가전 기기 내의 모듈의 부품, 예를 들어 벽 장착 폼 비누 디스펜서 또는 우유 거품기로서 사용될 수 있다.
설명된 디스펜싱 시스템, 시스템 그리고 발포 부분은 또한 공기 또는 스팀 구동 가전 기기 내에 사용될 수 있거나 또는 폼을 발생시키기 위하여 일회용 포드(disposable pod) 내로 통합될 수 있다. 이는 일회용 스파클렛(sparklets)을 위한 요구 조건 없이도 폼(예를 들어, 유제 폼)을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 발포 foamed milk 부분은 우유 또는 향료를 포함하는 포드(pod)의 부분을 형성할 수 있다. 포말 밀크쉐이크 또는 커피의 상단에 폼 밀크를 생성하기 위하여 포드는 가전 기기에 삽입될 수 있다.
제 2 액체 내에 제 1 액체의 작은 방울의 현탁액을 포함하는 에멀젼을 발생시키기 위하여 디스펜싱 시스템, 시스템 그리고 발포 부분은 사용될 수 있으며, 여기서 제 2 액체 내에서 제 1 액체는 혼합되지 않는다. 가스 유입구와 그리고 액체 유입구는 제 1 액체와 제 2 액체를 위한 유입구로서 각각 이용될 수 있다. 필요하다면, 개별 부분 내에서 제 1 및 제 2 액체를 유지시키기 위하여 리셉터클(37, 137)은 변형될 수 있다. 제 1 액체와 제 2 액체를 발포 부분(25, 125, 425)을 통과시키는 것은 유리하게는 제 1 액체와 제 2 액체의 혼합을 향상시켜 제 1 액체가 작은 방울을 형성하면서 잘 혼합된 그리고 균질한 에멀젼을 생성한다. 이렇게 하여, 의학적 적용을 위한 에멀젼과 같은 에멀젼을 요구에 따라 생성하는 것이 가능할 것이다. 이는 사용 시점에서 에멀젼의 발생을 가능하게 하며 따라서 많은 에멀젼 제품에 관한 안정성 요구 조건을 완화시킨다.
특히, 예를 들어, 샐러드 드레싱, 스킨 크림, 항균성 마이크로 에멀젼, 약학적 에멀젼, 샴푸, 컨디셔너 그리고 페인트를 생성하기 위하여 에멀젼은 에어로졸, 재사용 가능한 포드 또는 가전 기기 내에서 요구에 따라 생성될 수 있다.
본 발명의 디스펜싱 시스템 그리고 장치는 가스 내의 액체 방울의 현탁액(suspension)을 포함하는 에어로졸을 생산하기 위하여 사용될 수 있다. 계면활성 용액은 에어로졸로서의 방출을 위한 액체로 대체될 수 있으며, 그리고 액화 가스 추진제가 압축 가스 대신에 또는 압축 가스에 더하여 사용될 수 있다. 액체와 가스가 발포 부분을 통과하는 것은 유리하게는 액체 가스의 혼합을 향상시켜 매우 작은 액체 방울의 미세 에어로졸을 생산한다.

Claims (51)

  1. 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 배출구로부터 미세 폼을 생산하기 위한 디스펜서에 있어서,
    계면활성 용액을 유지하기 위한 리셉터클;
    가스를 공급하기 위한 수단; 및
    리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스를 흐름 경로를 따라 배출구를 향하여 운반하기 위한 수단을 포함하되,
    운반 수단은 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며;
    발포 부분은 내부 침수 표면적(AWS), 2상 흐름 길이(LTP), 전체 체적(V) 그리고 기공률(P)을 포함하는 내부 크기를 갖고; 그리고
    내부 크기는 2상 흐름 길이(LTP)로 곱해지고 체적(V)으로 나누어진 침수 표면적(AWS)과 동일한 매개 변수(Y)와 기공률(P) 그리고 상수(K1 및 K2) 간의 관계(Y는 양의 수로서, P로 곱해지고 그리고 K2가 빼진 K1보다 작지 않으며, 상수 K1 및 K2는 허용 공차 10% 내에 있는 값 1994 및 821을 가짐)에 의하여 특징지어진 디스펜서.
  2. 제1항에 있어서, 발포 부분은 흐름 경로 내에 배치된 적어도 하나의 폼 향상 요소를 포함하며; 그리고 발포 부분의 내부 크기는 적어도 하나의 폼 향상 요소에 의하여 적어도 부분적으로 제공된 디스펜서.
  3. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 폼 향상 요소는 보통 구형 요소, 보통 직육면체형 요소, 보통 원통형 요소, 보통 원뿔형 요소, 다공성 요소 그리고 발포 부분의 내부 표면에서 흐름 경로 내로 연장된 요소 중 적어도 하나를 포함하는 디스펜서.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 발포 부분은 발포 부분 내에 적어도 하나의 폼 향상 요소를 유지시키기 위하여 적어도 하나의 유지 요소를 더 포함하는 디스펜서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 1800 평방 밀리미터보다 큰 침수 표면적을 포함하는 디스펜서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 3000 평방 밀리미터보다 큰 침수 표면적을 포함하는 디스펜서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 4500 내지 6000 평방 밀리미터의 침수 표면적을 포함하는 디스펜서.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 입방 밀리미터당 4 평방 밀리미터보다 큰, 빈 공간 체적에 대한 침수 표면적 비율을 포함하는 디스펜서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 입방 밀리미터당 16 평방 밀리미터보다 큰, 빈 공간 체적에 대한 침수 표면적 비율을 포함하는 디스펜서.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 입방 밀리미터당 20 내지 25 평방 밀리미터의, 빈 공간 체적에 대한 침수 표면적 비율을 포함하는 디스펜서.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 밀리미터당 3 평방 밀리미터보다 큰, 2상 흐름 길이에 대한 침수 표면적 비율을 포함하는 디스펜서.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 밀리미터당 π 평방 밀리미터보다 큰, 2상 흐름 길이에 대한 침수 표면적 비율을 포함하는 디스펜서.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 밀리미터당 8 평방 밀리미터보다 큰, 2상 흐름 길이에 대한 침수 표면적 비율을 포함하는 디스펜서.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 40밀리미터보다 큰 2 상 흐름 길이를 포함하는 디스펜서.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 60밀리미터보다 큰 2 상 흐름 길이를 포함하는 디스펜서.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 1200밀리미터보다 큰 2 상 흐름 길이를 포함하는 디스펜서.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 도관을 따라서 그리고 발포 부분을 향하여 계면활성 용액을 몰기 위하여 리셉터클 내의 계면활성 용액에 압력을 가하기 위한 그리고 발포 부분에 의하여 생성된 폼을 배출구로 몰기 위한 수단을 더 포함하는 디스펜서.
  18. 제17항에 있어서, 압력 인가 수단은 리셉터클 내에서 압력 하에서 유지되는 가스에 의하여 제공된 디스펜서.
  19. 제18항에 있어서, 가스는 0.1바아 내지 25 바아의 압력에서 유지되는 디스펜서.
  20. 제18항에 있어서, 가스는 0.3바아 내지 8 바아의 압력에서 유지되는 디스펜서.
  21. 제18항 또는 제19항에 있어서, 계면활성 용매 내의 가스의 농도는 계면활성 용액 1킬로그램 당 350 밀리그램 이하인 디스펜서.
  22. 제1항 내지 제21항 중 한 항에 있어서, 가스는 비액화 가스를 포함하는 디스펜서.
  23. 제22항에 있어서, 비액화 가스는 공기, 질소, 이산화탄소, 하나 이상의 비활성 가스, 아산화질소 그리고 산소 중 적어도 하나를 포함하는 디스펜서.
  24. 제1항 내지 제23항 중 한 항에 있어서, 운반 수단은 가스 유입구와 계면활성 용액 유입구를 갖는 분기된 튜브를 포함하되, 가스 유입구와 계면활성 용액 유입구는 분기점에서 만나며, 작동시 가스와 계면활성 용액은 발포 부분으로 들어가기 전에 분기점에서 혼합되는 디스펜서.
  25. 제24항에 있어서, 가스 유입구와 계면활성 용액 유입구는 서로로부터 수직적으로 분리된 디스펜서.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 분기점은 대체적으로 계면활성 용액의 수면 아래에서 유지되도록 구성된 디스펜서.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 디스펜서는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 사용하지 않고서 폼을 생산하도록 구성된 디스펜서.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 크기는 미리 정해진 한정에 의하여 특징지어진 품질을 갖는 미세 폼을 생산하도록 구성된 디스펜서.
  29. 제28항에 있어서, 미리 정해진 한계는 100 미크론보다 작은 평균 버블 직경을 포함하는 디스펜서.
  30. 제28항 또는 제29항에 있어서, 미리 정해진 한계는 60 미크론보다 작은 평균 버블 직경을 포함하는 디스펜서.
  31. 제28항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 미리 정해진 한계는 30 내지 70 미크론의 평균 버블 직경을 포함하는 디스펜서.
  32. 제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 미리 정해진 한계는 35 미크론 이하의 표준 편차에 의하여 특징지어진 균일도를 포함하는 디스펜서.
  33. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 미리 정해진 한계는 25 미크론 이하의 표준 편차에 의하여 특징지어진 균일도를 포함하는 디스펜서.
  34. 제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 미리 정해진 한계는 10 내지 35 미크론의 표준 편차에 의하여 특징지어진 균일도를 포함하는 디스펜서.
  35. 제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 미리 정해진 한계는 평균 버블 직경의 60% 이하의 표준 편차에 의하여 특징지어진 균일도를 포함하는 디스펜서.
  36. 제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 미리 정해진 한계는 평균 버블 직경의 50% 이하의 표준 편차에 의하여 특징지어진 균일도를 포함하는 디스펜서.
  37. 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 리셉터클은 500 dyne/센티미터 이하의 표면 장력을 갖는 계면활성 용액을 유지하는 디스펜서.
  38. 제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 리셉터클은 200 c.P. 이하의 점도를 갖는 계면활성 용액을 유지하는 디스펜서.
  39. 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 리셉터클은 50 c.P. 이하의 점도를 갖는 계면활성 용액을 유지하는 디스펜서.
  40. 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 공급 수단 그리고 운반 수단은 표면 가스 속도(VG)와 표면 액체 속도(VL)를 포함하는 유체 특성을 갖고 발포 부분에 가스와 계면활성 용액을 제공하기 위하여 작동 가능하되, 유체 특성은 표면 가스 속도(VG), 표면 액체 속도(VL) 그리고 상수(C1 및 C2) 간의 관계(VG는 VL로 곱해지고 C2에 더해진 C1보다 크지 않고, 상수 C1 및 C2 은 10% 허용 공차 내에 있는 값 18.4및 507.4를 가짐)에 의하여 특징지어진 디스펜서.
  41. 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 배출구로부터 미세 폼을 생산하기 위한 디스펜서에 있어서,
    계면활성 용액을 유지하기 위한 리셉터클;
    가스를 공급하기 위한 수단; 및
    리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스를 흐름 경로를 따라 배출구를 향하여 운반하기 위한 수단을 포함하되,
    운반 수단은 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며;
    가스 공급 수단 그리고 운반 수단은 표면 가스 속도(VG)와 표면 액체 속도(VL)를 포함하는 유체 흐름 특성을 갖고 발포 부분에 가스와 계면활성 용액을 제공하기 위하여 작동 가능하고; 그리고
    유체 흐름 특성은 표면 가스 속도(VG), 표면 액체 속도(VL) 그리고 상수(C1 및 C2) 간의 관계(VG는 C1보다 VL 더하기 C2배 크지 않으며, 상수 C1 및 C2은 10% 허용 공차 내에 있는 값 18.4 및 507.4를 가짐)에 의하여 특징지어진 디스펜서.
  42. 제40항 또는 제41항에 있어서, 가스 공급 수단 그리고 운반 수단은 가스와 계면활성 용액 중 적어도 하나에 가해지 압력; 그리고 유체 흐름 경로의 직경 중 적어도 하나를 조정함에 의하여 표면 가스 속도(VG), 표면 액체 속도(VL) 그리고 상수(C1 및 C2) 간의 관계에 의해 특징지어진 유체 흐름 특성을 갖고 발포 부분에 가스와 계면활성 용액을 제공하기 위하여 작동 가능한 디스펜서. ,
  43. 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 폼을 생산하기 위한, 폼 디스펜서용 발포 요소에 있어서,
    리셉터클로부터 계면활성 용액 그리고 가스를 흐름 경로를 따라 운반하기 위한 수단을 포함하되,
    운반 수단은 계면활성 용액 그리고 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며;
    발포 부분은 내부 침수 표면적(AWS), 2상 흐름 길이(LTP), 전체 체적(V) 및 기공률(P)을 포함하는 내부 크기를 갖고; 그리고
    내부 크기는 2상 흐름 길이(LTP)로 곱해지고 체적(V)로 나누어진 침수 표면적(AWS)과 동일한 매개 변수(Y)와 기공률(P) 그리고 상수(K1 및 K2) 간의 관계(Y는 양의 수로서, P로 곱해지고 그리고 K2가 빼진 K1보다 작지 않으며, 상수 K1 및 K2는 허용 공차 10% 내에 있는 값 1994 및 821을 가짐)에 의하여 특징지어진 발포 요소.
  44. 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 제1항 또는 제42항에 따른 폼 디스펜서를 이용하거나 또는 제43항에 따른 발포 요소를 이용하여 폼을 생산하는 방법.
  45. 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 제1항 또는 제42항에 따른 폼 디스펜서를 이용하거나 또는 제43항에 따른 발포 요소를 이용하여 생산된 폼.
  46. 제45항에 있어서, 폼은 70미크론보다 작은 평균 버블 직경; 60미크론보다 작은 평균 버블 직경; 30 내지 70미크론의 평균 버블 직경; 35 미크론보다 작은 표준 편차; 25 미크론보다 작은 표준 편차; 10 내지 35 미크론의 표준 편차의 제한 중 적어도 하나를 포함하는 폼.
  47. 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 폼을 생산하는 방법에 있어서,
    리셉터클 내에 계면활성 용액을 유지시키고;
    리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스 공급부로부터의 가스를 흐름 경로를 따라 배출구를 향하여 운반하는 것을 포함하되,
    운반 단계는 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관 내에서 계면활성 용액과 가스를 운반하는 것을 포함하며;
    발포 부분은 내부 침수 표면적(AWS), 2상 흐름 길이(LTP), 전체 체적(V) 및 기공률(P)을 포함하는 내부 크기를 갖고; 그리고
    내부 크기는 2상 흐름 길이(LTP)로 곱해지고 체적(V)로 나누어진 침수 표면적(AWS)과 동일한 매개 변수(Y)와 기공률(P) 그리고 상수(K1 및 K2) 간의 관계(Y는 양의 수로서, P로 곱해지고 그리고 K2가 빼진 K1보다 작지 않으며, 상수 K1 및 K2는 허용 공차 10% 내에 있는 값 1994 및 821을 가짐)에 의하여 특징지어진 방법.
  48. 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 폼을 생산하는 방법에 있어서,
    리셉터클 내에 계면활성 용액을 유지시키고;
    리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스 공급부로부터의 가스를 흐름 경로를 따라 배출구를 향하여 운반하는 것을 포함하되,
    운반 단계는 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관 내에서 계면활성 용액과 가스를 운반하는 것을 포함하며;
    가스와 계면활성 용액은 표면 가스 속도(VG)와 표면 액체 속도(VL)를 포함하는 유체 흐름 특성을 갖고 발포 부분에 제공되고; 그리고
    유체 흐름 특성은 표면 가스 속도(VG), 표면 액체 속도(VL) 그리고 상수(C1 및 C2) 간의 관계(VG는 C1보다 VL 더하기 C2배 크지 않으며, 상수 C1 및 C2은 10% 허용 공차 내에 있는 값 18.4및 507.4를 가짐)에 의하여 특징지어진 방법.
  49. 제47항 또는 제48항에 있어서, 가스 그리고 계면활성 용액은 가스와 계면활성 용액 중 적어도 하나에 가해지 압력; 그리고 유체 흐름 경로의 직경 중 적어도 하나를 조정함에 의하여 표면 가스 속도(VG), 표면 액체 속도(VL) 그리고 상수(C1 및 C2) 간의 관계에 의해 특징지어진 유체 흐름 특성을 갖고 발포 부분에 제공되는 방법.
  50. 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 배출구로부터 미세 폼을 생산하기 위한 디스펜서에 있어서,
    계면활성 용액을 유지하기 위한 리셉터클;
    가스를 공급하기 위한 가스 공급부;
    리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스를 흐름 경로를 따라서 배출구를 향하여 운반하기 위한 채널을 포함하되,
    채널은 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며;
    발포 부분은 내부 침수 표면적(AWS), 2상 흐름 길이(LTP), 전체 체적(V) 그리고 기공률(P)을 포함하는 내부 크기를 갖고; 그리고
    내부 크기는 2상 흐름 길이(LTP)로 곱해지고 체적(V)으로 나누어진 침수 표면적(AWS)과 동일한 매개 변수(Y)와 기공률(P) 그리고 상수(K1 및 K2)의 관계(Y는 양의 수로서, P로 곱해지고 그리고 K2가 빼진 K1보다 작지 않으며, 상수 K1 및 K2는 허용 공차 10% 내에 있는 값 1994 및 821을 가짐)에 의하여 특징지어진 디스펜서.
  51. 액화 가스의 사용을 필요로 하지 않고 배출구로부터 미세 폼을 생산하기 위한 디스펜서에 있어서,
    계면활성 용액을 유지하기 위한 리셉터클;
    가스를 공급하기 위한 가스 공급부;
    리셉터클 내의 계면활성 용액 그리고 가스를 흐름 경로를 따라서 배출구를 향하여 운반하기 위한 채널을 포함하되,
    채널은 계면활성 용액과 가스로부터 폼을 발생시키기 위한 발포 부분을 갖는 도관을 포함하며;
    가스 공급부와 채널은 표면 가스 속도(VG)와 표면 액체 속도(VL)를 포함하는 유체 흐름 특성을 갖고 발포 부분에 가스와 계면활성 용액을 제공하기 위하여 작동 가능하며; 그리고
    유체 흐름 특성은 표면 가스 속도(VG), 표면 액체 속도(VL) 그리고 상수(C1 및 C2) 간의 관계(VG는 C1보다 VL더하기 C2배 크지 않으며, 상수 C1 및 C2은 10% 허용 공차 내에 있는 값 18.4및 507.4를 가짐)에 의하여 특징지어진 디스펜서.
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