以壓縮氣體為推進劑的新型氣霧劑閥門的設計與性能研究

施永忠

(廣東中山高林美包裝科技有限公司，廣東 中山 528400)

氣溶膠罐內產生推動力的氣體成為推進劑。氣溶膠噴霧罐中最早使用的推進劑是氟氯化碳，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，離開罐體時瞬間蒸發，產生出色的霧化效果[1]。它們具有易燃、穩定、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，繼而被強烈的陽光分解后釋放氯，增加了臭氧的消耗。

碳氫化合物推進劑是揮發性有機化合物，高度易燃，在世界范圍內越來越多地受到法律的約束。氫氟碳化合物也被認為是氟氯烴的替代品，然而，它們會造成嚴重的溫室效應，因此在很多應用方面已經受到控制[2]。現用推進劑主要是液化氣體及壓縮氣體(如氮氣、空氣等)。液化氣體推進劑在罐內以氣液兩態存在，使用過程中，罐內容物減少，但飽和蒸汽壓不變。壓縮氣體推進劑使用過程中，壓力會逐步減少，導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具有與液化氣體推進劑相當的霧化質量和流量“穩定性”，本文研究和開發一種新型閥門，即使用壓縮氣體推進劑的計量噴霧的新閥門。

1 新型計量閥門設計

1.1 設計要求

1)閥門必須比現有液化氣計量閥門的組件少。

2)閥門必須能夠注塑成型，從聚合物中制造。

3)閥門必須與標準消費氣霧劑組件兼容：氣霧劑杯、執行器蓋、插入件(霧化器噴嘴)、墊圈密封、浸管和罐。

4)能夠使用標準的氣溶膠工業組裝機器進行大規模生產。

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

1.2 工作序列

圖1顯示了氣容劑計量閥門的工作序列，測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的加壓液體推動。其中，圖1a顯示了“靜止”狀態，此時設備正等待通過按壓閥桿激活。

構成閥門的三個“子閥”為：閥門A是一種傳統的閥桿孔密封墊片閥，與圖1上半部分所示類似；對閥門B進行排序，使其在將要噴射計量的體積時打開，并在噴射完畢后立即關閉；閥門C用于在噴涂完成后重新填充測量的容積，此時閥門C可能是打開的(如圖所示)，也可能是關閉的。閥門A和B將執行器中的流體通道輸送到霧化器噴嘴(在氣溶膠行業中稱為“插入”)，它們都在圖1a中顯示為封閉。測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。當壓下閥桿時，閥門A和B都必須打開，閥門C必須關閉，使計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。噴射進行時，活塞上的壓差使活塞向上移動。這個過程一直持續到圖1c所示的情況，活塞達到極限，此時閥門B必須關閉。因此，即使閥桿繼續向下按壓，也不會進一步噴灑。在某一時刻，系統將閥桿的凹陷處移除，使閥門A關閉、閥門C打開，使計量腔重新充滿。圖1d顯示了灌裝過程中的情況。

1.3 設計思路

新閥門能通過注射成型制造兩個部件(閥桿和閥殼)。與目前的液化氣推進劑計量閥相比，唯一的額外部件是一個“活塞元件”。中央閥門閥桿在其正常位置，閥桿在這個位置垂直運動，而球形活塞在它向下的位置，計量室完全充滿液體。閥門閥桿向下壓下，計量室的液體被完全抽離。當液體全部噴射完畢時，密封所測量的容積室上部的閥門B是由球形金屬球(充當活塞)位于孔內形成的。閥門C由閥桿外側的脊形成，當閥桿被壓制時，脊與殼體內部形成滑動配合，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，從而避免了單獨密封元件的成本。當氣霧劑不處于活動循環時，不需要干涉配合來重新填充腔內液體的計量劑量。使用球形活塞元件是另一個關鍵特征，原因為：1)高公差不銹鋼球軸承以多種尺寸批量生產，單位成本非常低；2)由于沒有定位要求，在閥桿內組裝球很簡單；3)與圓柱形或錐形活塞元件相比，腔室內發生卡死的可能性更小；4)鋼的高密度允許使用重力將球返回到計量室的底部。

1.4 性能和試驗程序

對新閥的可靠性和噴霧性能進行試驗，并與商用液化氣體推進劑計量閥進行了比較。以空氣清新劑為例，將新的閥門安裝在壓縮氣體灌裝罐，類似于自動驅動系統的液化推進劑再灌裝罐。如圖2所示，新的壓縮氣體閥門罐可以安裝在自動執行器上。將儀表閥插入到一個標準的氣霧劑罐中，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%。測試中使用了標準精密閥孔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行器箱之前，先手動噴射80次，這是為了確保兩者都能正常運行，避免任何啟動影響。根據設備數據表，噴霧脈沖設置為 8 g/d，15天后幾乎清空罐子。新閥的計量室提供了 0.05 g 的產品，因此壓縮氣體閥計量室的容積為 0.05 mL(50 mm3)。另外，壓縮氣體新型閥門與蒸餾水一起使用，而商業系統則噴灑水基產品和液化氣(主要是丁烷)的混合溶液。

在一定的時間間隔內，經過若干次噴射脈沖后，對液滴的大小、能壓和流量進行了測量。使用激光儀器測量從插入出口到激光束 200 mm 處產生的噴霧的液滴大小分布。該儀器測量前向散射光的角度分布，并將其轉換為水滴的形態分布。

取下執行器蓋后，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。每隔一段時間對罐子稱重，以±0.01 g 的精度來確定噴淋的質量或體積。每隔一段時間，拍下噴濺的數碼圖像和視頻圖像。

2 結果與討論

圖3比較了液化氣體(a)和壓縮空氣推進劑(b)噴霧脈沖的外觀。當它們滲透到下游約 150 mm，壓縮氣體噴霧的錐角約為30°，而液化氣體推進劑噴霧的錐角約為20°。這是因為新型閥門旋渦噴嘴不可避免地會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劑噴霧劑的反射光水平較高，這是因為那里存在非常精細的碳氫液滴和蒸汽。對于 0.33 mm 旋渦噴嘴插入片，典型的噴射脈沖持續時間為50～100 ms。噴霧的密度越大，圖像通常可以表現得越白。這主要是由于光線反射到出現的噴霧上，以及HFC(丁烷)的微小液滴的存在，而不是實際的基于水的產品液滴。

如圖4所示，在常規儀表閥門的情況下，在罐的使用壽命內保持相對恒定的壓力。這是由于在噴涂過程中，罐內不斷釋放新的氣相，液態碳氫化合物和液態產品從罐內釋放。與壓縮氣體推進劑的情況一樣，罐體壓力從1.2降低到 0.55 MPa：填充比為50%時，罐內空氣的體積會增加一倍，因此，在等溫膨脹過程中，絕對壓力從1.3(1.2+1)MPa降低到 0.65 MPa。

圖5顯示了在這兩種情況下，剩余液體的質量與噴霧脈沖數的函數關系。數據表明，每次脈沖噴射量始終在 0.05 mL 設計值的5%以內，液化氣推進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液化氣體具有更大的一致性。結果證實，球‘活塞’在新閥門相對寬松的配合，沒有顯著的不利影響。圖6顯示了液滴尺寸數據。液滴直徑顯示的是體積中值直徑，根據液體體積，這是50%的局部噴霧所在的上方和下方的直徑。這是氣溶膠行業最常用的直徑來代表液滴大小。這是因為，如果使用以平均直徑為基礎的液滴數，相應的分布可以排除噴霧中較大液滴的加權效應。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。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現。0.23 mm 的出口孔直徑是常用的最小的，使用這個出口直徑的渦流噴嘴進行了500次噴射脈沖的重復測試。如圖6所示，有一個顯著的降低到接近液化氣推進劑箱的值。此外，使用較小的旋流霧化器有利于提供更小的霧滴尺寸，從而得到更細的顆粒。在商業化過程中，使用的旋流霧化器插入件和執行器，對閥門的批量生產沒有任何影響。

3 結論

本文開發的計量閥門氣溶膠裝置，使壓縮空氣推進劑用于氣溶膠裝置，替代了碳氫推進劑。在計量腔中使用一個活塞，并在閥桿內定位劑量腔，形成兩個直接的注射成型組件。該設備經過試驗，并與當前的空氣清新劑產品進行性能比較，表明該設備在壽命內提供了良好的計量一致性。所生產的液滴尺寸比商業液化氣推進劑大，但對空氣清新劑裝置來說是可以接受的。