以压缩气体为推进剂的新型气雾剂阀门的设计与性能研究

施永忠

(广东中山高林美包装科技有限公司，广东 中山 528400)

气溶胶罐内产生推动力的气体成为推进剂。气溶胶喷雾罐中最早使用的推进剂是氟氯化碳，如三氯氟甲烷、二氯氟甲烷和二氯四氟乙烷。氯氟烃在低气压下液化，离开罐体时瞬间蒸发，产生出色的雾化效果[1]。它们具有易燃、稳定、低毒性的特性，在正常使用条件下是非常安全的。然而，向上漂流到平流层，继而被强烈的阳光分解后释放氯，增加了臭氧的消耗。

碳氢化合物推进剂是挥发性有机化合物，高度易燃，在世界范围内越来越多地受到法律的约束。氢氟碳化合物也被认为是氟氯烃的替代品，然而，它们会造成严重的温室效应，因此在很多应用方面已经受到控制[2]。现用推进剂主要是液化气体及压缩气体(如氮气、空气等)。液化气体推进剂在罐内以气液两态存在，使用过程中，罐内容物减少，但饱和蒸汽压不变。压缩气体推进剂使用过程中，压力会逐步减少，导致流量的减少和液滴尺寸的增加[3]。

为了确保在罐体的使用寿命内具有与液化气体推进剂相当的雾化质量和流量“稳定性”，本文研究和开发一种新型阀门，即使用压缩气体推进剂的计量喷雾的新阀门。

1 新型计量阀门设计

1.1 设计要求

1)阀门必须比现有液化气计量阀门的组件少。

2)阀门必须能够注塑成型，从聚合物中制造。

3)阀门必须与标准消费气雾剂组件兼容：气雾剂杯、执行器盖、插入件(雾化器喷嘴)、垫圈密封、浸管和罐。

4)能够使用标准的气溶胶工业组装机器进行大规模生产。

5)针对阀门的性能，选择合适的执行系统和插入件：①能够喷射计量体积的水基或乙醇基液体，范围为5～100 mm3，这是消费气溶胶和医疗应用的典型情况，计量体积只需稍加修改成分即可控制；②喷涂量应具有可接受的脉冲变化，最好小于5%；③在设备的使用期内，喷涂的体积应具有类似的稳定性；④新型阀门主要应用于计量空气清新器中，考虑到目前非计量压缩气体空气清新器的性能，液滴尺寸应在 40～80 μm 范围内。

1.2 工作序列

图1显示了气容剂计量阀门的工作序列，测量的液体体积通过活塞从阀门推出，而活塞反过来又由罐内的加压液体推动。其中，图1a显示了“静止”状态，此时设备正等待通过按压阀杆激活。

构成阀门的三个“子阀”为：阀门A是一种传统的阀杆孔密封垫片阀，与图1上半部分所示类似；对阀门B进行排序，使其在将要喷射计量的体积时打开，并在喷射完毕后立即关闭；阀门C用于在喷涂完成后重新填充测量的容积，此时阀门C可能是打开的(如图所示)，也可能是关闭的。阀门A和B将执行器中的流体通道输送到雾化器喷嘴(在气溶胶行业中称为“插入”)，它们都在图1a中显示为封闭。测量的容积是活塞上方被活塞上表面扫过的液体体积。活塞的下部通过浸渍管暴露在罐内的高压液体中，在图1b中，这种情况显示在阀杆被压下后不久。当压下阀杆时，阀门A和B都必须打开，阀门C必须关闭，使计量室上方的流体路径通过插入处的出口暴露于大气压力中。喷射进行时，活塞上的压差使活塞向上移动。这个过程一直持续到图1c所示的情况，活塞达到极限，此时阀门B必须关闭。因此，即使阀杆继续向下按压，也不会进一步喷洒。在某一时刻，系统将阀杆的凹陷处移除，使阀门A关闭、阀门C打开，使计量腔重新充满。图1d显示了灌装过程中的情况。

1.3 设计思路

新阀门能通过注射成型制造两个部件(阀杆和阀壳)。与目前的液化气推进剂计量阀相比，唯一的额外部件是一个“活塞元件”。中央阀门阀杆在其正常位置，阀杆在这个位置垂直运动，而球形活塞在它向下的位置，计量室完全充满液体。阀门阀杆向下压下，计量室的液体被完全抽离。当液体全部喷射完毕时，密封所测量的容积室上部的阀门B是由球形金属球(充当活塞)位于孔内形成的。阀门C由阀杆外侧的脊形成，当阀杆被压制时，脊与壳体内部形成滑动配合，使脊位于壳体较窄的下部。将脊形集成到阀杆上，脊形可以作为阀杆注塑过程的一部分，从而避免了单独密封元件的成本。当气雾剂不处于活动循环时，不需要干涉配合来重新填充腔内液体的计量剂量。使用球形活塞元件是另一个关键特征，原因为：1)高公差不锈钢球轴承以多种尺寸批量生产，单位成本非常低；2)由于没有定位要求，在阀杆内组装球很简单；3)与圆柱形或锥形活塞元件相比，腔室内发生卡死的可能性更小；4)钢的高密度允许使用重力将球返回到计量室的底部。

1.4 性能和试验程序

对新阀的可靠性和喷雾性能进行试验，并与商用液化气体推进剂计量阀进行了比较。以空气清新剂为例，将新的阀门安装在压缩气体灌装罐，类似于自动驱动系统的液化推进剂再灌装罐。如图2所示，新的压缩气体阀门罐可以安装在自动执行器上。将仪表阀插入到一个标准的气雾剂罐中，装满 150 mL 蒸馏水，用空气压缩到 1.2 MPa(表压)。罐的填充率是50%。测试中使用了标准精密阀孔MBU插入件，0.33 mm 出口孔，这在空气清新剂中很常见。

在将液化气罐和压缩气体罐插入执行器箱之前，先手动喷射80次，这是为了确保两者都能正常运行，避免任何启动影响。根据设备数据表，喷雾脉冲设置为 8 g/d，15天后几乎清空罐子。新阀的计量室提供了 0.05 g 的产品，因此压缩气体阀计量室的容积为 0.05 mL(50 mm3)。另外，压缩气体新型阀门与蒸馏水一起使用，而商业系统则喷洒水基产品和液化气(主要是丁烷)的混合溶液。

在一定的时间间隔内，经过若干次喷射脉冲后，对液滴的大小、能压和流量进行了测量。使用激光仪器测量从插入出口到激光束 200 mm 处产生的喷雾的液滴大小分布。该仪器测量前向散射光的角度分布，并将其转换为水滴的形态分布。

取下执行器盖后，通过安装在阀杆上的特制的气溶胶罐压力表，可以确定压力在±0.01 MPa 以内。每隔一段时间对罐子称重，以±0.01 g 的精度来确定喷淋的质量或体积。每隔一段时间，拍下喷溅的数码图像和视频图像。

2 结果与讨论

图3比较了液化气体(a)和压缩空气推进剂(b)喷雾脉冲的外观。当它们渗透到下游约 150 mm，压缩气体喷雾的锥角约为30°，而液化气体推进剂喷雾的锥角约为20°。这是因为新型阀门旋涡喷嘴不可避免地会由于初始锥形液片的形成而给出大约30°或更大的角度。插入物附近的液化气推进剂喷雾剂的反射光水平较高，这是因为那里存在非常精细的碳氢液滴和蒸汽。对于 0.33 mm 旋涡喷嘴插入片，典型的喷射脉冲持续时间为50～100 ms。喷雾的密度越大，图像通常可以表现得越白。这主要是由于光线反射到出现的喷雾上，以及HFC(丁烷)的微小液滴的存在，而不是实际的基于水的产品液滴。

如图4所示，在常规仪表阀门的情况下，在罐的使用寿命内保持相对恒定的压力。这是由于在喷涂过程中，罐内不断释放新的气相，液态碳氢化合物和液态产品从罐内释放。与压缩气体推进剂的情况一样，罐体压力从1.2降低到 0.55 MPa：填充比为50%时，罐内空气的体积会增加一倍，因此，在等温膨胀过程中，绝对压力从1.3(1.2+1)MPa降低到 0.65 MPa。

图5显示了在这两种情况下，剩余液体的质量与喷雾脉冲数的函数关系。数据表明，每次脉冲喷射量始终在 0.05 mL 设计值的5%以内，液化气推进剂阀的每次脉冲喷射量略大，梯度更陡。液化气体的线性度比压缩气体差，说明新型阀门比传统液化气体具有更大的一致性。结果证实，球‘活塞’在新阀门相对宽松的配合，没有显著的不利影响。图6显示了液滴尺寸数据。液滴直径显示的是体积中值直径，根据液体体积，这是50%的局部喷雾所在的上方和下方的直径。这是气溶胶行业最常用的直径来代表液滴大小。这是因为，如果使用以平均直径为基础的液滴数，相应的分布可以排除喷雾中较大液滴的加权效应。压缩气体壳体的直径明显大于液化气体阀门的直径，但仍在60～ 80 μm 的可接受范围内。减小直径可以通过使用带有较小出口孔的涡流喷嘴插入实现。0.23 mm 的出口孔直径是常用的最小的，使用这个出口直径的涡流喷嘴进行了500次喷射脉冲的重复测试。如图6所示，有一个显著的降低到接近液化气推进剂箱的值。此外，使用较小的旋流雾化器有利于提供更小的雾滴尺寸，从而得到更细的颗粒。在商业化过程中，使用的旋流雾化器插入件和执行器，对阀门的批量生产没有任何影响。

3 结论

本文开发的计量阀门气溶胶装置，使压缩空气推进剂用于气溶胶装置，替代了碳氢推进剂。在计量腔中使用一个活塞，并在阀杆内定位剂量腔，形成两个直接的注射成型组件。该设备经过试验，并与当前的空气清新剂产品进行性能比较，表明该设备在寿命内提供了良好的计量一致性。所生产的液滴尺寸比商业液化气推进剂大，但对空气清新剂装置来说是可以接受的。