施永忠

(廣東中山高林美包裝科技有限公司，廣東 中山 528400)

氣溶膠罐內(nèi)產(chǎn)生推動(dòng)力的氣體成為推進(jìn)劑。氣溶膠噴霧罐中最早使用的推進(jìn)劑是氟氯化碳，如三氯氟甲烷、二氯氟甲烷和二氯四氟乙烷。氯氟烴在低氣壓下液化，離開罐體時(shí)瞬間蒸發(fā)，產(chǎn)生出色的霧化效果[1]。它們具有易燃、穩(wěn)定、低毒性的特性，在正常使用條件下是非常安全的。然而，向上漂流到平流層，繼而被強(qiáng)烈的陽光分解后釋放氯，增加了臭氧的消耗。

碳?xì)浠衔锿七M(jìn)劑是揮發(fā)性有機(jī)化合物，高度易燃，在世界范圍內(nèi)越來越多地受到法律的約束。氫氟碳化合物也被認(rèn)為是氟氯烴的替代品，然而，它們會(huì)造成嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，因此在很多應(yīng)用方面已經(jīng)受到控制[2]?，F(xiàn)用推進(jìn)劑主要是液化氣體及壓縮氣體(如氮?dú)?、空氣?。液化氣體推進(jìn)劑在罐內(nèi)以氣液兩態(tài)存在，使用過程中，罐內(nèi)容物減少，但飽和蒸汽壓不變。壓縮氣體推進(jìn)劑使用過程中，壓力會(huì)逐步減少，導(dǎo)致流量的減少和液滴尺寸的增加[3]。

為了確保在罐體的使用壽命內(nèi)具有與液化氣體推進(jìn)劑相當(dāng)?shù)撵F化質(zhì)量和流量“穩(wěn)定性”，本文研究和開發(fā)一種新型閥門，即使用壓縮氣體推進(jìn)劑的計(jì)量噴霧的新閥門。

1 新型計(jì)量閥門設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

1)閥門必須比現(xiàn)有液化氣計(jì)量閥門的組件少。

2)閥門必須能夠注塑成型，從聚合物中制造。

3)閥門必須與標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)氣霧劑組件兼容：氣霧劑杯、執(zhí)行器蓋、插入件(霧化器噴嘴)、墊圈密封、浸管和罐。

4)能夠使用標(biāo)準(zhǔn)的氣溶膠工業(yè)組裝機(jī)器進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

5)針對(duì)閥門的性能，選擇合適的執(zhí)行系統(tǒng)和插入件：①能夠噴射計(jì)量體積的水基或乙醇基液體，范圍為5～100 mm3，這是消費(fèi)氣溶膠和醫(yī)療應(yīng)用的典型情況，計(jì)量體積只需稍加修改成分即可控制；②噴涂量應(yīng)具有可接受的脈沖變化，最好小于5%；③在設(shè)備的使用期內(nèi)，噴涂的體積應(yīng)具有類似的穩(wěn)定性；④新型閥門主要應(yīng)用于計(jì)量空氣清新器中，考慮到目前非計(jì)量壓縮氣體空氣清新器的性能，液滴尺寸應(yīng)在 40～80 μm 范圍內(nèi)。

1.2 工作序列

圖1顯示了氣容劑計(jì)量閥門的工作序列，測(cè)量的液體體積通過活塞從閥門推出，而活塞反過來又由罐內(nèi)的加壓液體推動(dòng)。其中，圖1a顯示了“靜止”狀態(tài)，此時(shí)設(shè)備正等待通過按壓閥桿激活。

構(gòu)成閥門的三個(gè)“子閥”為：閥門A是一種傳統(tǒng)的閥桿孔密封墊片閥，與圖1上半部分所示類似；對(duì)閥門B進(jìn)行排序，使其在將要噴射計(jì)量的體積時(shí)打開，并在噴射完畢后立即關(guān)閉；閥門C用于在噴涂完成后重新填充測(cè)量的容積，此時(shí)閥門C可能是打開的(如圖所示)，也可能是關(guān)閉的。閥門A和B將執(zhí)行器中的流體通道輸送到霧化器噴嘴(在氣溶膠行業(yè)中稱為“插入”)，它們都在圖1a中顯示為封閉。測(cè)量的容積是活塞上方被活塞上表面掃過的液體體積。活塞的下部通過浸漬管暴露在罐內(nèi)的高壓液體中，在圖1b中，這種情況顯示在閥桿被壓下后不久。當(dāng)壓下閥桿時(shí)，閥門A和B都必須打開，閥門C必須關(guān)閉，使計(jì)量室上方的流體路徑通過插入處的出口暴露于大氣壓力中。噴射進(jìn)行時(shí)，活塞上的壓差使活塞向上移動(dòng)。這個(gè)過程一直持續(xù)到圖1c所示的情況，活塞達(dá)到極限，此時(shí)閥門B必須關(guān)閉。因此，即使閥桿繼續(xù)向下按壓，也不會(huì)進(jìn)一步噴灑。在某一時(shí)刻，系統(tǒng)將閥桿的凹陷處移除，使閥門A關(guān)閉、閥門C打開，使計(jì)量腔重新充滿。圖1d顯示了灌裝過程中的情況。

1.3 設(shè)計(jì)思路

新閥門能通過注射成型制造兩個(gè)部件(閥桿和閥殼)。與目前的液化氣推進(jìn)劑計(jì)量閥相比，唯一的額外部件是一個(gè)“活塞元件”。中央閥門閥桿在其正常位置，閥桿在這個(gè)位置垂直運(yùn)動(dòng)，而球形活塞在它向下的位置，計(jì)量室完全充滿液體。閥門閥桿向下壓下，計(jì)量室的液體被完全抽離。當(dāng)液體全部噴射完畢時(shí)，密封所測(cè)量的容積室上部的閥門B是由球形金屬球(充當(dāng)活塞)位于孔內(nèi)形成的。閥門C由閥桿外側(cè)的脊形成，當(dāng)閥桿被壓制時(shí)，脊與殼體內(nèi)部形成滑動(dòng)配合，使脊位于殼體較窄的下部。將脊形集成到閥桿上，脊形可以作為閥桿注塑過程的一部分，從而避免了單獨(dú)密封元件的成本。當(dāng)氣霧劑不處于活動(dòng)循環(huán)時(shí)，不需要干涉配合來重新填充腔內(nèi)液體的計(jì)量劑量。使用球形活塞元件是另一個(gè)關(guān)鍵特征，原因?yàn)椋?)高公差不銹鋼球軸承以多種尺寸批量生產(chǎn)，單位成本非常低；2)由于沒有定位要求，在閥桿內(nèi)組裝球很簡單；3)與圓柱形或錐形活塞元件相比，腔室內(nèi)發(fā)生卡死的可能性更??；4)鋼的高密度允許使用重力將球返回到計(jì)量室的底部。

1.4 性能和試驗(yàn)程序

對(duì)新閥的可靠性和噴霧性能進(jìn)行試驗(yàn)，并與商用液化氣體推進(jìn)劑計(jì)量閥進(jìn)行了比較。以空氣清新劑為例，將新的閥門安裝在壓縮氣體灌裝罐，類似于自動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液化推進(jìn)劑再灌裝罐。如圖2所示，新的壓縮氣體閥門罐可以安裝在自動(dòng)執(zhí)行器上。將儀表閥插入到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的氣霧劑罐中，裝滿 150 mL 蒸餾水，用空氣壓縮到 1.2 MPa(表壓)。罐的填充率是50%。測(cè)試中使用了標(biāo)準(zhǔn)精密閥孔MBU插入件，0.33 mm 出口孔，這在空氣清新劑中很常見。

在將液化氣罐和壓縮氣體罐插入執(zhí)行器箱之前，先手動(dòng)噴射80次，這是為了確保兩者都能正常運(yùn)行，避免任何啟動(dòng)影響。根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)表，噴霧脈沖設(shè)置為 8 g/d，15天后幾乎清空罐子。新閥的計(jì)量室提供了 0.05 g 的產(chǎn)品，因此壓縮氣體閥計(jì)量室的容積為 0.05 mL(50 mm3)。另外，壓縮氣體新型閥門與蒸餾水一起使用，而商業(yè)系統(tǒng)則噴灑水基產(chǎn)品和液化氣(主要是丁烷)的混合溶液。

在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，經(jīng)過若干次噴射脈沖后，對(duì)液滴的大小、能壓和流量進(jìn)行了測(cè)量。使用激光儀器測(cè)量從插入出口到激光束 200 mm 處產(chǎn)生的噴霧的液滴大小分布。該儀器測(cè)量前向散射光的角度分布，并將其轉(zhuǎn)換為水滴的形態(tài)分布。

取下執(zhí)行器蓋后，通過安裝在閥桿上的特制的氣溶膠罐壓力表，可以確定壓力在±0.01 MPa 以內(nèi)。每隔一段時(shí)間對(duì)罐子稱重，以±0.01 g 的精度來確定噴淋的質(zhì)量或體積。每隔一段時(shí)間，拍下噴濺的數(shù)碼圖像和視頻圖像。

2 結(jié)果與討論

圖3比較了液化氣體(a)和壓縮空氣推進(jìn)劑(b)噴霧脈沖的外觀。當(dāng)它們滲透到下游約 150 mm，壓縮氣體噴霧的錐角約為30°，而液化氣體推進(jìn)劑噴霧的錐角約為20°。這是因?yàn)樾滦烷y門旋渦噴嘴不可避免地會(huì)由于初始錐形液片的形成而給出大約30°或更大的角度。插入物附近的液化氣推進(jìn)劑噴霧劑的反射光水平較高，這是因?yàn)槟抢锎嬖诜浅＞?xì)的碳?xì)湟旱魏驼羝?。?duì)于 0.33 mm 旋渦噴嘴插入片，典型的噴射脈沖持續(xù)時(shí)間為50～100 ms。噴霧的密度越大，圖像通?？梢员憩F(xiàn)得越白。這主要是由于光線反射到出現(xiàn)的噴霧上，以及HFC(丁烷)的微小液滴的存在，而不是實(shí)際的基于水的產(chǎn)品液滴。

如圖4所示，在常規(guī)儀表閥門的情況下，在罐的使用壽命內(nèi)保持相對(duì)恒定的壓力。這是由于在噴涂過程中，罐內(nèi)不斷釋放新的氣相，液態(tài)碳?xì)浠衔锖鸵簯B(tài)產(chǎn)品從罐內(nèi)釋放。與壓縮氣體推進(jìn)劑的情況一樣，罐體壓力從1.2降低到 0.55 MPa：填充比為50%時(shí)，罐內(nèi)空氣的體積會(huì)增加一倍，因此，在等溫膨脹過程中，絕對(duì)壓力從1.3(1.2+1)MPa降低到 0.65 MPa。

圖5顯示了在這兩種情況下，剩余液體的質(zhì)量與噴霧脈沖數(shù)的函數(shù)關(guān)系。數(shù)據(jù)表明，每次脈沖噴射量始終在 0.05 mL 設(shè)計(jì)值的5%以內(nèi)，液化氣推進(jìn)劑閥的每次脈沖噴射量略大，梯度更陡。液化氣體的線性度比壓縮氣體差，說明新型閥門比傳統(tǒng)液化氣體具有更大的一致性。結(jié)果證實(shí)，球‘活塞’在新閥門相對(duì)寬松的配合，沒有顯著的不利影響。圖6顯示了液滴尺寸數(shù)據(jù)。液滴直徑顯示的是體積中值直徑，根據(jù)液體體積，這是50%的局部噴霧所在的上方和下方的直徑。這是氣溶膠行業(yè)最常用的直徑來代表液滴大小。這是因?yàn)?，如果使用以平均直徑為基礎(chǔ)的液滴數(shù)，相應(yīng)的分布可以排除噴霧中較大液滴的加權(quán)效應(yīng)。壓縮氣體殼體的直徑明顯大于液化氣體閥門的直徑，但仍在60～ 80 μm 的可接受范圍內(nèi)。減小直徑可以通過使用帶有較小出口孔的渦流噴嘴插入實(shí)現(xiàn)。0.23 mm 的出口孔直徑是常用的最小的，使用這個(gè)出口直徑的渦流噴嘴進(jìn)行了500次噴射脈沖的重復(fù)測(cè)試。如圖6所示，有一個(gè)顯著的降低到接近液化氣推進(jìn)劑箱的值。此外，使用較小的旋流霧化器有利于提供更小的霧滴尺寸，從而得到更細(xì)的顆粒。在商業(yè)化過程中，使用的旋流霧化器插入件和執(zhí)行器，對(duì)閥門的批量生產(chǎn)沒有任何影響。

3 結(jié)論

本文開發(fā)的計(jì)量閥門氣溶膠裝置，使壓縮空氣推進(jìn)劑用于氣溶膠裝置，替代了碳?xì)渫七M(jìn)劑。在計(jì)量腔中使用一個(gè)活塞，并在閥桿內(nèi)定位劑量腔，形成兩個(gè)直接的注射成型組件。該設(shè)備經(jīng)過試驗(yàn)，并與當(dāng)前的空氣清新劑產(chǎn)品進(jìn)行性能比較，表明該設(shè)備在壽命內(nèi)提供了良好的計(jì)量一致性。所生產(chǎn)的液滴尺寸比商業(yè)液化氣推進(jìn)劑大，但對(duì)空氣清新劑裝置來說是可以接受的。