KR101492827B1 - 수렴성 유동 경로를 갖는 분배기 - Google Patents

Abstract

유체 제품을 분배하기 위한 스프레이 시스템이 개시된다. 스프레이 시스템은 분리된 입구 포트를 포함한다. 입구 포트로 유입된 액체와 같은 유체는 길이방향 축을 중심으로 한 회전의 수렴성 표면에 의해 한정되는 개방 체적 내로 유동한다. 회전의 수렴성 표면은 길이방향 축을 둘러싸고, 유체가 통과하여 출구 노즐을 향해 유동한다. 회전의 표면의 적어도 일부분은 직선형이 되지 않도록, 오목하거나, 볼록하거나 이들의 조합이다.

Description

수렴성 유동 경로를 갖는 분배기{DISPENSER HAVING CONVERGENT FLOW PATH}

본 발명은 유체 스프레이(fluid spray) 장치에 사용하기 위한 분무기(atomizer)에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 비교적 작은 입자 크기 분포를 생성하기에 적합한 분무기에 관한 것이다.

유체 분무기는 당업계에 주지되어 있다. 유체 분무기는 분배되고 있는 분리량(discrete quantity)의 액체를 분무하기 위해 스프레이어(sprayer)로 사용된다. 액체는 저장조(22) 내에 벌크(bulk) 형태로 저장될 수 있다. 수동 펌프 또는 추진제 충전(propellant charge)이 액체를 저장조(22)로부터 분무기로 흡인하여 노즐을 통해 스프레이하기 위한 원동력을 제공하도록 사용될 수 있다. 액체가 노즐을 통해 스프레이되면 대기로 분산되어 목표 표면 등을 향해 지향될 수 있다. 통상적인 목표 표면은 카운터톱(countertop), 천, 사람 피부 등을 포함한다.

그러나, 현재의 분무기는, 특히 비교적 낮은 추진제 압력에서 충분히 작은 입자 크기 분포를 항상 제공하지는 못한다. 비교적 낮은 추진제 압력은 안전 및 추진제 물질의 절약을 위해 바람직하다.

당업계에서의 시도는 1918년 3월 19일자로 허여된 미국 특허 제1,259,582호; 1972년 9월 19일자로 허여된 미국 특허 제3,692,245호; 1996년 5월 7일자로 허여된 미국 특허 제5,513,798호; 2005년 1월 6일자로 공개된 미국 특허 출원 공개 제2005/0001066호; 2008년 3월 20일자로 공개된 미국 특허 출원 공개 제2008/0067265호; 1988년 4월 23일자로 공개된 SU 제1389868호; 및 1985년 9월 7일자로 공개된 SU 제1176967호를 포함한다. 각각의 이들 시도는 직선형 측벽에 의해 제공된 수렴성 유동 경로를 나타낸다.

직선형 측벽은 제공된 유동 경로가 짧아질수록 항력(drag)이 작아지게 된다는 통상적인 지식에 부합한다. 예를 들어, 문헌[르페브레(Lefebvre), Atomization and Sprays (copyright 1989), Hemisphere Publishing Company]을 참조한다. 르페브레 문헌의 116 페이지는 3개의 상이한 노즐 설계를 도시한다. 3개의 노즐 모두에는 직선형 측벽을 셰이빙한다(shave). 르페브레는 특히 "마찰 손실을 감소시키기 위해 최소 면적의 습윤 표면"을 포함함으로써 분무의 질을 개선하는 것을 교시한다(상기 동일 문헌).

르페브레는 비교적 낮은 유량에서 바람직한 유동 특성을 달성하고자 하는 문제 및 7 ㎫ 미만에서 유동을 달성하기 위한 시도를 또한 인식한다. 르페브레는 유량이 단지 압력차의 제곱근에 따라 변동된다는 것이 심플렉스 분무기(simplex atomizer)의 주요 단점임을 또한 인정한다. 따라서, 유량을 2배로 하기 위해서는 4배의 압력 증가를 필요로 한다(상기 동일 문헌 116 - 117 페이지).

종래 기술에서 밝혀진 분무기에서의 다른 문제는 종래 기술의 직선형 측벽을 갖는 분무기를 사용하는 스프레이 패턴의 원추각을 증가 또는 감소시키기 위해서는 다양한 유동 영역(예컨대, 선회 챔버(swirl chamber) 직경, 접선 유동 영역, 출구 오리피스 직경 또는 길이/직경 비)을 재균형화하는 것을 필요로 한다는 것이다. 본 발명을 사용하면, 원하는 제품 전달 특성을 알고 있는 당업자가 용이하게 새로운 스프레이 특성을 제공하도록 나선형 컵(helix cup)을 재설계하고 단순하게는 나선형 컵을 새로운 것으로 변경할 수 있다. 이러한 공정은 제조 유연성을 개선하고 종래 기술에서 이루어지는 것과 같이 전체 캡을 변경하는 것에 비해 비용을 감소시킨다.

상이한 접근법, 그리고 비교적 낮은 압력에서 바람직한 스프레이 특성을 허용하는 접근법에 대한 필요성이 존재함을 알 수 있다.

본 발명은 가압형 분배기로 사용하기 위한 나선형 컵을 포함한다. 나선형 컵은 절두-원추형이 아닌 깔때기 벽을 갖는다. 이러한 기하학적 구조는 곡선형 깔때기 벽을 갖는 회전의 수렴성 표면으로서 한정된 유동 영역을 제공한다.

<도 1>
도 1은 본 발명과 함께 사용가능한 예시적인 에어로졸 용기의 사시도.
<도 2a>
도 2a는 도 1의 예시적인 스프레이의 사시도.
<도 2b>
도 2b는 도 2a의 스프레이 캡의 평면도.
<도 3>
도 3은 도 2b의 선 3 - 3을 따라 취한, 도 2a의 스프레이 캡의 수직 단면도.
<도 3a>
도 3a는 하우징 내의 나선형 컵 및 백스톱을 도시하는, 도 3의 표시된 영역의 확대된 부분도.
<도 3b>
도 3b는 도 3의 나선형 컵의 확대도.
<도 4a>
도 4a는 입구를 도시하는, 4개 채널을 갖는 예시적인 나선형 컵의 사시도.
<도 4b>
도 4b는 입구를 도시하는, 3개 채널을 갖는 예시적인 나선형 컵의 사시도.
<도 4c>
도 4c는 입구를 도시하는, 2개 채널을 갖는 예시적인 나선형 컵의 사시도.
<도 5>
도 5는 도 3b의 나선형 컵의 확대된 부분 단면도.
<도 5a>
도 5a는 입구를 도시하고 도 3b의 선 5A - 5A의 방향으로 취한, 도 5의 나선형 컵의 윤곽도.
<도 6>
도 6은 환형 챔버로부터 도 4a의 나선형 컵의 노즐 출구로의 유동 경로의 사시도.
<도 7>
도 7은 백스톱에 의해 형성된 절단 평면을 도시하는, 환형 챔버로부터 도 4a의 나선형 컵의 노즐 출구로의 유동 경로의 사시도.
<도 8>
도 8은 환형 챔버로부터 도 4a의 나선형 컵 내로의 유동 경로의 포트의 사시도.
<도 9a>
도 9a는 대략 2도의 경사각을 가진 홈을 갖는 예시적인 나선형 컵의 수직 단면도.
<도 9b>
도 9b는 대략 11.5도의 경사각을 가진 홈을 갖는 예시적인 나선형 컵의 수직 단면도.
<도 10>
도 10은 나선형 컵의 대안적인 실시예의 절결된 수직 단면도로서, 실시예의 상부는 단일 홈 및 오목한, 볼록한 및 일정한 단면 부분을 갖는 깔때기 벽을 갖고, 실시예의 하부는 홈을 갖지 않으며 그 사이에 오목한 부분을 갖는 2개의 볼록한 부분을 가진 깔때기 벽을 갖는 것을 도시하는 도면.
<도 11a>
도 11a는 더욱 강성인 백스톱을 갖고 명확함을 위해 나선형 컵이 생략된, 캡의 대안적인 실시예의 수직 단면도.
<도 11b>
도 11b는 나선형 컵이 하우징 내에 삽입된 상태로 백스톱을 도시하는, 도 11a의 표시된 영역의 확대된 부분도.
<도 12>
도 12는 3개의 상이한 스프레이 시스템에서 측정된 3개의 입자 크기 분포 측정의 그래픽 표현.
<도 13>
도 13은 3개의 상이한 스프레이 시스템에서 측정된 패턴 밀도 측정의 그래픽 표현.
<도 14>
도 14는 스프레이 시스템에서 측정된 입자 크기 분포에 대한 홈의 수의 영향의 그래픽 표현.

도 1을 참조하면, 본 발명은 에어로졸 분배기(aerosol dispenser)(20)와 같은 영구적으로 밀봉된 가압형 용기에 사용가능하다. 전형적으로, 에어로졸 분배기(20)는 액체 제품을 보유하는 데 사용되는 저장조(22) 및 상부 상에 또는 상부와 나란히 놓인(juxtaposed) 푸시 버튼(25) 밸브 시스템을 포함할 수 있다. 분배기(20)는 본 명세서에서 후술되는 다른 구성요소를 선택적으로 그리고 교체가능하게 수용하는 캡(24)을 가질 수 있다. 사용자는 수동으로 푸시 버튼(25)을 눌러서, 압력 하에서 저장조(22)로부터 노즐(32)을 통해 스프레이되는 제품을 방출한다. 본 발명과 함께 사용가능한 예시적이고 비제한적인 제품은 헤어 스프레이(hair spray), 바디 스프레이(body spray), 공기 청향제(air freshener), 천 탈취제(fabric refresher), 경질 표면 세정제(hard surface cleaner), 살균제(disinfectant) 등을 포함한다.

에어로졸 분배기(20)의 저장조(22)는 유체 제품, 추진제 및/또는 이들의 조합을 보유하기 위해 사용될 수 있다. 유체 제품은 기체, 액체 및/또는 현탁액을 포함할 수 있다. 에어로졸 분배기(20)는 또한 사용자가 원하는 대로 또는 당업계에 주지된 바와 같이, 분배를 선택적으로 제어하기 위해 딥 튜브(dip tube), 백 온 밸브(bag on valve) 또는 다른 밸브 장치를 가질 수 있다.

저장조(22), 캡(24) 및/또는 분배기(20)의 제조를 위해 사용되는 다른 재료는 플라스틱, 강철, 알루미늄 또는 그러한 용도에 적합한 것으로 알려진 다른 재료를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 재료는 생-재생가능하고(bio-renewable) 환경 친화적일 수 있고, 대나무, 전분-기반(starch-based) 중합체, 생-유래(bio-derived) 폴리비닐 알코올, 생-유래 중합체, 생-유래 섬유, 비-순수 오일 유래 섬유, 생-유래 폴리올레핀계 물질 등을 포함할 수 있다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 캡(24)은 노즐(32)을 추가로 포함하며, 노즐을 통해 분배되는 제품이 작은 입자로 분무된다. 노즐(32)은 도시된 바와 같이 원형일 수 있거나, 당업계에 공지된 바와 같이 다른 단면을 가질 수 있다. 노즐(32)은 스프레이의 원추각을 증가시키기 위해 당업계에 공지된 바와 같이 외부가 모따기될 수 있다. 20 내지 30도의 모따기가 적합한 것으로 밝혀져 있다. 입자는 대기 중으로 또는 목표 표면 상으로 분배될 수 있다.

도 3, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명은 나선형 컵(30)을 포함한다. 나선형 컵(30)은 도시된 바와 같이 스프레이 시스템의 캡(24) 내에 삽입가능한 분리된 구성요소일 수 있다. 대안적으로, 나선형 컵(30)은 캡(24) 내에 일체로 성형될 수 있다. 나선형 컵(30)은 아세탈 공중합체로부터 사출 성형될 수 있다.

나선형 컵(30)은 캡(24) 내에, 특히 캡의 하우징(36) 내에 삽입될 수 있다. 하우징(36)은 백스톱(backstop)(34)을 가질 수 있다. 백스톱(34)은 캡(24)의 하우징(36) 내로의 나선형 컵(30)의 삽입을 제한한다. 백스톱(34)은 또한 나선형 컵(30)과 절단 평면(cutting plane)(84)을 형성한다.

분배를 개시하기 위해 버튼(25)을 누를 때, 제품 및 선택적으로 제품과 혼합된 추진제는 당업계에 주지된 바와 같이, 저장조(22)로부터 방출되어 밸브를 통해 유동한다. 제품은 절단 평면(84)의 상류에 있는 백스톱(34) 내의 챔버(35)로 유입한다. 챔버(35)는 분배되는 제품으로 채워진다. 챔버(35)는 환형 형상일 수 있고 노즐(32)의 축을 둘러싼다.

도 4a, 도 4b 및 도 4c를 참조하면, 나선형 컵(30)은 원통형 하우징(36)을 포함할 수 있다. 하우징(36)은 그를 통과하는 길이방향 축(L-L)을 가질 수 있다. 나선형 컵(30)은, 깔때기 벽(38)을 갖는 제1 단부 및 전체적으로 개방된 제2 단부인 2개의 길이방향으로 대향된 단부들을 가질 수 있다.

도 5 및 도 5a를 참조하면, 깔때기 벽(38)은 본 발명의 기초를 형성하며, 한편 나선형 컵(30)의 다른 구성요소는 부수적이다. 깔때기 벽(38)을 통한 유동 경로를 제공하고 입구 및 출구(44)를 갖는 오리피스가 배치될 수 있다. 출구(44)는 노즐(32)일 수 있다. 오리피스는 나선형 컵(30) 내에서 중심에 있을 수 있거나, 편심되게 배치될 수 있다. 오리피스는 전체적으로 길이방향으로 배향될 수 있으며, 변형된 경우에 길이방향 축(L-L)에 평행할 수 있다. 오리피스는 일정한 직경일 수 있거나, 축방향으로 테이퍼질 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시예의 경우, 0.13 ㎜ 내지 0.18 ㎜의 일정한 오리피스 직경이 적합할 수 있다.

깔때기 벽(38)은 제1 단부에서 입구 반경(50) 및 노즐(32) 출구에 대응하는 출구(44) 반경을 갖는다. 입구 반경(50)과 출구(44) 사이의 축방향 거리(56)는 길이방향 축(L-L)에 평행하고, 원추 길이(54)는 축방향으로 취한 측벽을 따른 거리이다.

종래 기술은 직원추(right circular cone)의 절두체를 갖는 유동 경로를 교시한다. 이러한 유동 경로는 하기에 의해 주어진 표면적을 제공한다:

(1) 면적 = Π × 원추 길이 × (입구 반경 + 출구 반경),

여기서, 입구 반경(50)은 출구(44) 반경보다 크고, 원추 길이(54)는 길이방향 축(L-L)에 대해 경사진 측벽을 따라 취한 입구와 출구(44) 사이의 거리이며, Π는 대략 3.14인 기지의 상수이다.

본 발명의 나선형 컵(30)의 경우, 유동 경로의 면적은 동일한 입구 반경(50), 출구 반경(52) 및 원추 길이(54)를 갖는 직원추의 동등한 절두체의 면적보다 적어도 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 75% 또는 100% 더 클 수 있다.

규정된(subtended) 체적은 하기에 의해 주어진다:

(2) Π/3 × h × [입구 반경^2 + 출구 반경^2 + (입구 반경 × 출구 반경)],

여기서, h는 길이방향 축(L-L)과 평행하게 취한 입구와 출구(44) 사이의 축방향 거리(56)이다.

절두체 유동 경로는 가상선으로 도시된 수렴성 직선형 측벽(60)을 제공하며, 이는 모든 가능한 형상의 최소 항력 및 유동 저항을 제공하도록 당업자에 의해 예측될 것이다. 예를 들어, 르페브레의 전술된 문헌[Sprays and Atomization] 116 페이지에서, 특히, 직선형 수렴성 측벽이 알려져 있고 당업계에 사용되고 있다는 것이 교시되어 있다.

본 발명의 나선형 컵(30)의 경우, 유동 경로의 규정된 체적은 동일한 입구 반경(50), 출구 반경(52) 및 원추 길이(54)를 갖는 직원추의 동등한 절두체의 규정된 체적보다 적어도 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 75% 또는 100% 더 클 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 나선형 컵(30)은 원추의 동등한 절두체의 규정된 체적보다 적어도 10%, 20%, 30%, 40% 또는 50% 더 작은 규정된 체적을 가질 수 있다.

특히 도 5를 참조하면, 놀랍게도, 직선형 측벽으로 달성가능한 것보다 더 긴 유동 경로를 가짐으로써 개선된 결과가 달성되는 것으로 밝혀졌다. 더 긴 유동 경로는 도시된 바와 같이 오목한 깔때기 벽(38)을 가짐으로써 제공될 수 있다. 도 5는 또한 본 발명의 깔때기 벽(38)과 함께 사용가능한 상이한 가설적 노즐(32) 직경들(62)을 도시한다. 깔때기 벽(38)의 표면적은 예시된 바와 같이 노즐(32) 직경(62)이 더 커짐에 따라 증가할 것이다.

물론, 전체 깔때기 벽(38)이 아치형 형상으로 될 필요는 없다. 도시된 바와 같이, 오리피스와 나란히 놓인 깔때기 벽(38)의 부분(64)은 아치형일 수 있고, 깔때기 벽(38)의 나머지 부분(66)은 직선형일 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 직선은 깔때기 벽(38)을 따라 축방향으로 취한 선을 지칭하며, 길이방향 축(L-L)과 일치하는 하나의 변(leg)을 갖고 빗변(hypotenuse)에 연결된 원의 반경인 다른 변을 갖는, 깔때기 벽(38) 상에 배치된 삼각형의 빗변으로서 생각될 수 있다.

도 5의 깔때기 벽(38)은 개념적으로 2개의 부분, 즉 가변 유동 영역을 갖는 제1 수렴성 부분(71) 및 일정한 유동 영역을 갖는 제2 직선형 부분(73)으로 나누어질 수 있다. 제1 영역(71) 대 제2 영역(73)의 축방향 길이의 비가 결정될 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시예의 경우, 제1 부분(71) 대 제2 부분(73)의 축방향 길이의 비는 1:3 내지 3:1, 1:2 내지 2:1의 범위일 수 있거나, 대체로 동일하여 대략 1:1의 비를 제공할 수 있다. 또한, 입구 면적 대 노즐(32) 면적의 비는 적어도 1:1, 5:1, 7:1, 10:1 또는 15:1일 수 있다.

도 4a, 도 4b, 도 4c를 다시 참조하면, 깔때기 벽(38)은 도시된 바와 같이 하나 이상의 홈(80)을 내부에 가질 수 있다. 대안적으로, 깔때기 벽(38)은 하나 이상의 핀(fin)을 그 상에 가질 수 있다. 홈(80) 또는 핀은 유동 방향에 영향을 미치는 역할을 한다. 이러한 영향은 오리피스를 통해 배출됨에 따라 유동에 원주방향 성분을 부여한다. 원주방향의 유동 방향은 길이방향으로의 축방향 유동 방향과 중첩되어 수렴성의 나선형, 소용돌이치는 유동 경로를 제공한다.

홈들(80)은 길이방향 축(L-L)을 중심으로 동일하거나 동일하지 않게 원주방향으로 이격될 수 있거나, 동일하거나 동일하지 않은 깊이, 나선 방향으로 동일하거나 동일하지 않은 길이, 동일하거나 동일하지 않은 폭/테이퍼 등일 수 있다. 도 4a, 도 4b, 도 4c는 4개, 3개 및 2개의 선대칭 홈(80)을 각각 도시하지만, 본 발명은 그렇게 제한되지 않으며 대칭 및 비대칭 배치, 크기, 기하학적 구조 등으로 더 많거나 더 적은 홈(80)을 포함할 수도 있다. 홈(80)은 노즐(32)에 접근함에 따라 길이방향 축(L-L)을 향해 테이퍼지는 가변 원주방향 성분을 갖는다. 노즐(32)에 접근함에 따라, 홈(80)이 또한 축방향 성분을 갖는다는 것을 당업자는 인식할 것이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 4개의 동일하게 이격되고 동일한 크기의 홈(80)을 갖는, 도 4a의 실시예에 대한 유체 유동 경로가 도시되어 있다. 유동은 백스톱(34)의 환형 챔버(35)로 유입하여, 4개의 홈들(80) 각각 내로 유동하고, 절단 평면(84)을 통과하여 나선형 컵(30)으로 유입한다. 절단 평면(84)은 유동을 홈(80)과 유동 경로(71)의 수렴성 부분 사이에서 개념적으로 분할하는 가상 평면이다.

도 7을 참조하면, 각각의 홈(80)은 홈(80)의 상류 단부인 제1 단부(90)를 갖는다. 홈(80)의 상류 단부는 길이방향 축(L-L)에 관해 가장 큰 반경을 갖는 홈(80)의 부분일 수 있다. 유동은 제1 상류 단부에서 홈(80)으로 유입할 수 있다. 홈(80), 및 내부의 임의의 제품/추진제 유동은 제1 단부(90)로부터 길이방향 축(L-L)을 향해 내향으로 소용돌이치게 된다. 홈(80)은 제2 단부(91)에서 종결된다. 제2 단부(91)는 길이방향 축(L-L)에 관해 가장 작은 반경을 갖는 홈(80)의 부분일 수 있다.

본 발명의 유동 영역은 개념적으로 2개의 유동 경로로 분할될 수 있다. 제1 유동 경로는 4개의 분리된 홈들(80) 사이에서 분할되고, 임의의 특정 단면에서 길이방향 축(L-L)을 둘러싸지 않는다. 제1 유동 경로와 인접해 있는 제2 유동 경로는 가상 평면에서부터 노즐(32)까지의 모든 단면에서 길이방향 축(L-L)을 둘러싸도록 유동을 혼합한다. 종래 기술과 달리, 제1 유동 경로의 돌출된 길이는 길이방향 축(L-L)에 평행하게 취한, 제2 유동 경로의 돌출된 길이보다 작을 수 있다.

도 8을 참조하면, 하우징(36) 내의 4개의 홈(80)과 나선형 컵(30) 사이의 경계부는 각각의 홈(80)에 하나씩 대응하는 4개의 포트를 제공한다. 포트는 홈(80)의 제2 단부(91)와 나선형 컵(30) 사이의 유동 영역의 평면형 돌출부이다. 포트의 상류에서, 유동은 홈(80)에 대응하는 분리된 유동 경로로 분할된다. 포트의 하류에서, 4개의 분리된 유동 경로는 섞이고 원주방향으로 수렴하여 연속적인 막을 형성하고 노즐(32)을 통해 배출될 수 있다.

나선형 컵(30)의 연속적인 막 내의 유동은 길이방향 축을 둘러싼다. 또한 유동은 노즐(32)에 접근함에 따라 축방향으로 수렴한다. 나선형 컵(30) 내의 유동은 축방향에서 반경방향으로 수렴한다. 그러한 반경방향 수렴은 오목한 벽(64), 볼록한 벽 또는 이들 조합의 주위로 될 수 있다.

수렴하는 벽은 직선형인 일부 부분(66)을 가질 수 있지만, 벽의 전체, 즉 하나 이상의 입구 포트(들)로부터 노즐(32)까지는 그렇지 않다. 직선이라는 것은 입구 포트(92)로부터 노즐(32)까지의 벽 상의 선이 삼각형의 빗변을 형성하는 것을 의미한다. 상기 언급된 바와 같이, 삼각형은 길이방향 축과 일치하는 하나의 변과 빗변에 연결된 원의 반경인 다른 변을 갖는다.

나선형 컵(30) 내에서, 유동은 상호혼합되어 길이방향 축을 둘러싼다. 유동이 배출 노즐(32)에 접근함에 따라, 유동은 수렴할 수 있다. 그러한 수렴은 유동의 밀도를 증가시켜서, 낮은 압력 구역을 생성한다. 또한, 유동의 반경은 길이방향의 많은 부분에 걸쳐 감소하지만, 일정한 반경의 부분이 배출 노즐(32)에 근접하여 포함될 수도 있다.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 홈(80)은 길이방향 축에 수직하게 배치된 가상 평면에 대해 경사질 수 있다. 경사는 노즐(32)에 접근함에 따라 일정할 수 있거나 증가할 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시예에서, 약 2° 내지 약 11.5°의 절단 평면(84)에 대한 경사각이 적합한 것으로 밝혀졌다. 경사각이 홈(80)의 길이에 걸쳐서 변화하는 경우, 경사는 홈(80)의 제2 단부(91)에 접근함에 따라 증가하여 전술된 경사각 범위 내에서 종결될 수 있다. 경사각은 절단 평면(84)의 위치에서 홈(80)의 중심을 통과하는 벡터의 최소각과 절단 평면(84) 사이에서 결정될 수 있다. 더 조밀한 입자 크기 분포가 2° 경사각에서보다 11.5° 경사각에서 이루어진다는 것이 밝혀졌다.

도 10을 참조하면, 다른 실시예에서, 깔때기 벽(38)은 부분적으로 또는 완전하게 볼록한 형상으로 될 수 있다. 이러한 실시예에서, 이전의 실시예에서와 같이, 깔때기 벽(38)은 깔때기 벽(38) 입구(42)와 노즐(32)에서의 깔때기 벽(38) 출구(44) 사이에서 선형(linearity)으로부터 벗어난다. 이러한 기하학적 구조는 이전의 기하학적 구조와 같이, 상기 방정식 (1) 및 (2)에 기재된 등식에 대응하지 않는 표면적 및 규정된 체적을 가질 수 있다.

당업자는 혼성(hybrid) 기하학적 구조가 또한 실현가능하고 청구된 발명의 범주 내에 있다는 것을 인식할 것이다. 혼성 실시예에서, 깔때기 벽(38)의 일부분은 볼록할 수 있고, 다른 부분은 오목할 수 있으며, 선택적으로 또 다른 부분은 선형일 수 있다. 역시, 그러한 기하학적 구조에서, 깔때기 벽(38)은 상기 방정식 (1) 및 (2)에 기재된 등식에 대응하지 않는 표면적 및 규정된 체적을 가질 수 있다.

도 10의 실시예는 그 깔때기 벽(38)의 수렴성 부분(71)에서 연속하는 오목한 및 볼록한 부분(64)을 갖는 깔때기 벽(38)을 도시한다. 도 10의 하부 실시예는 73에서 수렴하지 않는 오목한 부분(64)을 추가로 갖는다. 오목하다는 것은 길이방향 축(L-L)과 평행하게 취한 깔때기 벽(38)의 단면이 입구(42)와 출구(44)의 에지를 연결하는 빗변(60)에 대해 외향으로 아치형인 것을 의미한다. 볼록하다는 것은 길이방향 축(L-L)과 평행하게 취한 깔때기 벽(38)의 단면이 입구(42)와 출구(44)의 에지를 연결하는 빗변(60)에 대해 내향으로 아치형인 것을 의미한다.

더욱 상세하게는, 도 10의 상부 부분에서, 입구(42)로부터 출구(44)를 향해 길이방향으로 이동하면서, 깔때기 벽(38)의 수렴성 부분(71)은 볼록한 부분(64), 직선형 부분(66) 및 오목한 부분(64)을 갖는다. 깔때기 벽은 또한 일정한 단면의 부분(73)을 갖고 이는 직선형 측벽(66)을 갖는다.

도 10의 하부 부분에서, 실질적으로 전체 깔때기 벽(38)은 부분(71)에서 표시된 바와 같이 수렴성이다. 입구(42)로부터 출구(44)를 향해 길이방향으로 이동하면서, 제1 수렴성 부분(71)은 볼록한 벽(64) 및 연속하는 오목한 벽(64) 둘 모두를 포함한다. 오목한 깔때기 벽(38)은 73에 표시된 바와 같이 수렴성이지 않도록 구부러진다. 깔때기 벽(38)은 약간 볼록한 부분(64)에서 수렴하여, 깔때기 벽(38) 내에 직선형 부분을 갖지 않고서 노즐(32)에서 종결된다.

도 11a 및 도 11b를 참조하면, 백스톱(34)은 분배기(20)로부터 유체의 전방 스프레이 동안 직면하는 배압을 견디기에 충분한 강성이어야 한다. 백스톱(34)은 또한 캡(24)에 나선형 컵(30)의 조립 동안 편향을 방지할 수 있어야 한다. 백스톱(34)이 조립 동안 편향되는 경우, 나선형 컵(30)은 캡(24) 내로 너무 깊게 삽입될 수 있어서 적절한 분배가 이루어지지 않을 수도 있다. 이러한 것이 일어나는 것을 방지하기 위해, 더 두꺼운 및/또는 더 강성인 백스톱(34)이 이용될 수도 있다.

특히 도 11b를 참조하면, 백스톱(34)은 원추형으로 또는 달리 볼록한 형상으로 될 수 있다. 이러한 기하학적 구조는 나선형 컵(30)이 제조 동안 정확하게 안착하는 것을 허용한다. 상보적인 안착 표면이 백스톱(34)과 나선형 컵(30) 사이에 제공되는 한, 다른 형상이 또한 적합하다.

다른 실시예에서, 나선형 컵(30)은 당업계에 공지된 바와 같이 트리거 펌프 스프레이어 또는 푸시 버튼(25) 핑거 스프레이어에 사용될 수 있다. 펌프 스프레이어에서, 차압은 펌핑 작용에 응답한 피스톤 변위로부터 유래하는 수압에 의해 생성된다.

일단 피스톤이 제품으로 충전되면, 이는 당업계에 공지된 바와 같이 임의의 적합한 유동 경로를 사용하여 압력 하에서 나선형 컵(30) 내로 최종적으로 배치된다. 나선형 컵(30)으로부터 분배될 때, 전술된 이득이 달성될 수 있다.

본 발명은 약 1.9, 1.5, 1.1, 1.0, 0.9, 0.7, 0.5, 0.4 또는 0.2 ㎫ 미만의 게이지 압력을 갖는 에어로졸 분배기(20)로 사용될 수 있다. 본 발명은 예상외로 게이지 압력의 과도한 상승 없이 개선된 입자 크기 분포를 제공한다.

에어로졸 분배기(20)의 경우에서와 같이, 종래 기술의 트리거 스프레이어 또는 푸시 버튼(25) 스프레이어보다 상대적으로 더 낮은 압력이 사용될 수 있고, 동시에 상대적으로 더 조밀한 입자 크기 분포로부터 이득을 취할 수 있다. 상대적으로 더 낮은 압력은 펌프 피스톤에 대해 더 꼭 끼는 시일이 필요하지 않고 손가락 또는 손을 사용하여 펌프를 작동시키는 데 더 적은 수동력이 요구되는 이득을 제공한다. 상대적으로 더 꼭 끼는 시일을 필요로 하지 않는 것의 이득은 제조 공차가 달성되기 더 쉬워진다는 것이다. 펌프 분배기를 작동시키는 힘이 감소함에 따라, 사용자는 수동 작동으로부터 더 적은 피로를 느낀다. 피로가 감소함에 따라, 사용자는 트리거 스프레이어 또는 푸시 버튼(25) 스프레이어로부터 효과적인 양의 제품을 수동으로 분배하기 더욱 쉬워진다. 또한, 게이지 압력이 감소함에 따라, 저장조(22)의 벽 두께는 비례하여 감소될 수 있다. 벽 두께의 그러한 감소는 재료 사용을 절약하고 처분 가능성을 개선한다.

예

3개의 상이한 스프레이 시스템을 시험하였다. 제1 샘플(100)은 도 3 내지 도 3b 및 도 5 내지 도 8의 나선형 컵(30)을 이용하였다. 나선형 컵(30)은 4개의 홈(80), 대략 64도 끼인각, 및 0.18 ㎜의 직경을 갖는 출구(40)를 가졌다. 홈(80)의 유동 면적 대 노즐(32)의 유동 면적의 비는 대략 7.5:1이다.

제2 샘플(200)은 0.18 ㎜의 오리피스 직경을 갖는, 프리시전 밸브 컴퍼니(Precision Valve Co.)에 의해 판매되는 구매가능한 코스모스(Kosmos) 스프레이 액추에이터이다.

제3 샘플(300)은 동일한 홈(80) 기하학적 구조, 0.18 ㎜의 출구(40) 직경, 대략 7.5:1의 동일한 유동 면적 비, 및 대략 64도의 동일한 끼인각을 갖는 나선형 컵(30)이다. 그러나, 제3 샘플은 르페브레에 의해 논의된 절두-원추형 깔때기 벽(38)을 가졌다. 샘플(300)의 깔때기 벽(38)은 샘플(100)의 깔때기 벽(38)의 대응하는 면적보다 대략 20% 더 컸다.

각각의 샘플(100, 200, 300)에 50 ㎖의 탈취제 스프레이 제품을 로딩하였고 대략 850 ㎪까지 추진제로 충전하였다. 이어서, 각각의 샘플을 스프레이하였고, 다양한 측정을 행하였다.

도 12를 참조하면, Dv(10), Dv(50) 및 Dv(90) 입자 크기 분포 측정을, 당업계에 주지된 레이저 회절 분석 기술을 사용하여 행하였다. 도 12는 Dv(10) 및 Dv(50) 입자 크기 분포 측정에 대해 샘플들(100, 200, 300) 사이에 변동이 거의 없음을 나타낸다. 그러나, Dv(90) 입자 크기 분포 측정은 구매가능한 코스모스 액추에이터(200)가 나선형 컵(30)을 사용하는 샘플(100, 300)의 것의 적어도 2배인 입자 크기 분포를 제공하였음을 나타내었다. 또한, 도 3 내지 도 3b 및 도 5 내지 도 8의 나선형 컵(30) 샘플(100)은 유리하게도 절두-원추형 나선형 컵(300)보다 약간 더 작은 Dv(90) 입자 크기 분포를 형성하였다.

도 13을 참조하면, 패턴 분포 데이터가 입자 크기 분포 데이터를 따를 것으로 예상할 수 있다. 그러나, 예상외로, 도 3 내지 도 3b 및 도 5 내지 도 8의 나선형 컵(30) 샘플(100)은 유리하게도 다른 2개의 샘플(200, 300) 중 어느 것보다도 상당히 더 작은 패턴 직경을 형성하였다. Dv(90) 입자 크기 분포의 차이가 중요한데, 샘플(100)은 다른 2개의 샘플(200, 300)의 것의 절반 미만인 Dv(90) 입자 크기 분포를 갖는다.

도 14를 참조하여, 도 3 내지 도 3b 및 도 5 내지 도 8에 도시된 깔때기 벽(38) 기하학적 구조를 갖는 도 4a, 도 4b 및 도 4c의 나선형 컵(30)을 시험하였다. 그러나, 홈(80)의 수는, 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 예시된 바와 같이 변동시켰다. 개별 홈(80) 기하학적 구조는 변경시키지 않고 유지하였고, 단지 홈(80)의 수만을 변동시켰다. 도 14는 Dv(50) 입자 크기 분포가 홈의 수와 역비례하여 변동된다는 것을 도시한다.

본 명세서에 언급된 모든 백분율은 달리 규정되지 않는 한 중량 기준이다. 본 명세서 전반에 제시된 모든 최대 수치 제한은, 모든 더 낮은 수치 제한이 마치 본 명세서에 명시적으로 기재된 것처럼 그러한 더 낮은 수치 제한을 포함할 것임을 이해하여야 한다. 본 명세서 전반에 제시된 모든 최소 수치 제한은, 모든 더 높은 수치 제한이 마치 본 명세서에 명시적으로 기재된 것처럼 그러한 더 높은 수치 제한을 포함할 것이다. 본 명세서 전반에 제시된 모든 수치 범위는 그러한 더 넓은 수치 범위 내에 있는 모든 더 좁은 수치 범위가 마치 본 명세서에 모두 명시적으로 기재된 것처럼 그러한 더 좁은 수치 범위를 포함할 것이다.

본 명세서에 개시된 치수 및 값은 언급된 정확한 수치 값으로 엄격하게 제한되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 대신에, 달리 규정되지 않는 한, 각각의 그러한 치수는 언급된 값 및 그 값 부근의 기능적으로 등가인 범위 모두를 의미하고자 한다. 예를 들어, "40 ㎜"로 개시된 치수는 "약 40 ㎜"를 의미하고자 한다.

임의의 상호 참조되거나 관련된 특허 또는 출원을 포함한, 본 명세서에 인용된 모든 문헌은 명시적으로 배제되거나 달리 제한되지 않는 한 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다. 어떠한 문헌의 인용도 본 명세서에 개시되거나 청구된 임의의 발명에 관해 종래 기술인 것으로 인정하는 것이 아니거나, 그 자체 또는 임의의 다른 참고문헌 또는 참고문헌들과의 임의의 조합인 인용이 임의의 그러한 발명을 교시, 제안 또는 개시한다는 것으로 인정하는 것이 아니다. 또한, 본 문헌의 용어의 임의의 의미 또는 정의가 참고로 포함된 문헌의 동일한 용어의 임의의 의미 또는 정의와 상충되는 경우에는, 본 문헌에서 그 용어에 부여된 의미 또는 정의가 우선할 것이다.

본 발명의 특정 실시예가 예시되고 기술되었지만, 다양한 다른 변경 및 수정이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음이 당업자들에게 명백해질 것이다. 따라서, 본 발명의 범주 내에 있는 모든 그러한 변경 및 수정을 첨부된 특허청구범위에서 포함하도록 의도된다.

Claims (10)

1. 스프레이어(sprayer)에 부착하기 위한 캡(cap)을 포함하는 스프레이 시스템(spray system)으로서,
   제품이 출구 노즐을 통해 스프레이될 수 있는 출구 노즐로서, 상기 출구 노즐은 노즐 출구를 통과하는 길이방향 축을 갖는 축방향을 한정하고 대응하는 길이방향을 한정하는, 출구 노즐과;
   적어도 하나의 개별 입구 포트(inlet port)로서, 상기 입구 포트는 관련된 입구 면적을 갖고, 상기 길이방향 축을 둘러싸지 않으며 상기 길이방향 축으로부터 반경방향으로 오프셋된, 입구 포트와;
   상기 입구 포트와 상기 노즐을 연결시키는 유동 영역으로서, 상기 유동 영역은 상기 길이방향 축을 중심으로 한 회전의 표면을 포함하고, 상기 회전의 표면은 상기 적어도 하나의 입구 포트로부터 상기 노즐로 유동을 수렴성으로 지향시키며, 상기 회전의 표면은 상기 길이방향 축을 둘러싸고 상기 길이방향으로 곡선형이고, 상기 입구 포트의 중심으로부터 상기 노즐의 중심으로 연장하고 상기 길이방향 축에 평행하며 상기 회전의 표면 상에 놓이는 선의 부분은 곡선형인, 유동 영역; 및
   다수의 입구 홈으로서, 상기 입구 홈들은 상기 입구 포트의 상류에 배치된 환형 챔버와 교차하는(intercepting) 제1 단부를 갖고, 상기 입구 홈들은 상기 환형 챔버와 상기 입구 포트를 연결하는, 다수의 입구 홈을 포함하고;
   상기 입구 홈들 각각은 상기 환형 챔버를 각각의 입구 포트를 통해 상기 회전의 표면에 연결하고;
   상기 회전의 표면은 상기 길이방향 축에 대해 오목한 형상인 적어도 일부 부분을 갖는, 스프레이 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 4개의 입구 홈을 포함하며, 상기 입구 홈들은 상기 길이방향 축을 중심으로 동일하게 원주방향으로 이격되는, 스프레이 시스템.
3. 스프레이어에 부착하기 위한 캡을 포함하는 스프레이 시스템으로서,
   제품이 출구 노즐을 통해 스프레이될 수 있는 출구 노즐로서, 상기 출구 노즐은 노즐 출구를 통과하는 길이방향 축을 갖는 축방향을 한정하고 대응하는 길이방향을 한정하는, 출구 노즐과;
   입구로부터 관련되고 개별적인 입구 포트로 연장하는 홈으로서, 상기 입구 포트는 관련된 입구 면적을 갖고, 상기 입구 포트는 상기 길이방향 축을 둘러싸지 않으며 상기 길이방향 축으로부터 반경방향으로 오프셋되고, 상기 홈은 상기 길이방향 축에 평행하게 취한 관련된 홈 길이를 갖는, 홈과;
   상기 입구 포트와 상기 노즐을 연결시키는 유동 영역으로서, 상기 길이방향 축을 중심으로 한 회전의 표면을 포함하고, 상기 회전의 표면은 상기 적어도 하나의 입구 포트로부터 상기 노즐로 유동을 수렴성으로 지향시키며, 상기 회전의 표면은 상기 길이방향 축을 둘러싸고 상기 길이방향으로 곡선형이고, 이로써 상기 회전의 표면은 상기 길이방향 축에 평행하게 취한 관련된 표면 길이를 가지며, 이로써 상기 표면 길이는 상기 홈 길이보다 긴, 유동 영역을 포함하고;
   상기 홈은 상기 길이방향 축에 수직한 평면에 대해 2 내지 11.5도의 각도를 형성하고;
   상기 회전의 표면은 상기 출구와 나란히 놓인(juxtaposed) 단면의 일부분을 추가로 포함하는, 스프레이 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 스프레이 시스템은 입구 및 상기 입구로부터 길이방향으로 이격된 출구를 갖고, 상기 유동 영역은 상기 입구와 상기 출구 사이의 적어도 하나의 오목한 또는 볼록한 부분을 갖는, 스프레이 시스템.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 스프레이 시스템은 입구 및 상기 입구로부터 길이방향으로 이격된 출구를 갖고, 상기 유동 영역은 상기 입구와 상기 출구 사이의 적어도 하나의 오목한 또는 볼록한 부분을 갖는, 스프레이 시스템.
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