静电喷雾干燥喷嘴组件的制作方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2018年11月30日提交的美国专利申请号62/773,875的权益，美国专利申请号62/773,875通过引用并入。

本发明大体上涉及液体喷雾喷嘴组件，并且更具体而言，涉及特别地适用于通过给流体静电地充电来喷雾干燥液体以促进精细的液体颗粒分解和分布的静电喷雾喷嘴组件。

背景技术：

在喷雾干燥行业中，静电喷雾喷嘴组件现在用于提高干燥效率和产品质量。虽然利用由非金属材料制成的内部构件为期望的，但是在许多喷雾干燥应用中使用的溶剂腐蚀和降解此类材料。因此，必须的是，喷雾干燥器设备设计成确保处于其液体状态中的溶剂不与此类可降解塑料构件接触。典型地，静电喷雾干燥器利用外部混合喷雾喷嘴组件，其中液体供给物和雾化气体在喷嘴外部相互作用。

然而，外部混合喷雾喷嘴在非常低的液体流率下操作，诸如小于10kg/hr的供给原料。此类低流喷嘴在可容易控制的低压下产生非常精细的雾滴。然而，为了增加流率，增加喷嘴的液体排放孔口的直径为必须的。然而，随着液体排放孔口在直径方面增加以达到较高的流率，喷雾的雾滴大小也将增加。如果雾滴大小太大，则该雾滴将在干燥器室中不充分地干燥(即使在静电地充电时)。未进一步充分地干燥的液体雾滴可覆盖喷雾器的内部构件，从而妨碍最佳操作并需要清洁和/或更换。较大的喷雾喷嘴排放孔口还导致以更大的速度和动量排放喷雾。在喷雾干燥应用中，这需要更长的长度和更昂贵的干燥室来容纳此类排放喷雾。为了提高喷雾能力，同时在低流率下维持最佳液体雾化，必须的是，使用具有多个喷嘴本体、供给管线、压缩气体管线、泵以及高压电缆的多样静电喷雾器，这为昂贵的并且关于安装和使用可为麻烦的。

内部混合喷雾喷嘴组件为已知的，该内部混合喷雾喷嘴组件在雾化中具有多级液体分解的益处，这允许喷雾喷嘴产生非常精细的液体颗粒排放。然而，内部混合喷雾喷嘴在较高的液体压力下操作，这可排除使用低压操作的蠕动泵，其特别优选用于制药和香料行业中的喷雾干燥。内部混合喷雾喷嘴还利用相当少量的压缩雾化气体，这可在利用非空气气体(诸如在各种喷雾干燥应用中期望的氢气)雾化时为有利的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有静电喷雾喷嘴组件的静电喷雾器，该静电喷雾喷嘴组件可生成具有相对高流率的可控精细液体雾滴喷雾，特别有利于喷雾干燥应用。

另一目的在于提供一种如以上述为特征的外部混合静电喷雾喷嘴组件，其可在喷雾干燥器中以相对高的流率操作，该喷雾干燥器具有更短且更紧凑的干燥室。

又一目的在于提供一种前述类型的静电喷雾喷嘴组件，其中喷雾喷嘴组件的内部可降解塑料或其它非金属构件与喷射液体隔离。

还另一目的在于提供一种静电喷雾器，该静电喷雾器具有上述种类的喷雾喷嘴组件，该喷雾喷嘴组件可在相对低的压力下操作，并且因此可经济地利用低压蠕动泵。

又再一目的在于提供一种上述种类的静电喷雾喷嘴组件，其具有内部混合喷雾喷嘴，用于在较低的雾化气体流率下更有效地产生可控精细液体雾滴，特别有利于喷雾干燥。

还另一目的在于提供一种用于在喷雾干燥时使用的静电喷雾喷嘴组件，其在结构方面为相对简单的并且有助于经济制造。

附图说明

当阅读下列详细描述并参照附图时，本发明的其它目的和优点将变得显而易见，其中：

图1为根据本发明的具有外部混合喷雾喷嘴组件的说明性静电喷雾器的纵向截面图；

图2为图1中示出的静电喷雾器的外部混合喷雾喷嘴组件的放大的不完整截面图；

图3为图2中示出的喷雾喷嘴组件的喷雾顶端组件中的一个的放大的不完整截面图；

图4为图1和图2中示出的喷雾喷嘴组件的分解图；

图5为描绘图1中示出的静电喷雾器中的喷雾喷嘴组件的组装的纵向截面图;

图6为根据本发明的静电喷雾器的另一实施例的纵向截面图，在该情况中，该静电喷雾器具有内部混合喷雾喷嘴组件；

图7为图6中示出的喷雾器的喷雾喷嘴组件的放大的不完整截面图；

图8为类似于图6的纵向截面图，但是示出组装的喷雾器的构件；

图9为图6中示出的静电喷雾器的内部混合喷雾喷嘴组件的分解图；以及

图10为示出图6中示出的静电喷雾器的排放端部的放大的不完整透视图、部分截面图。

虽然本发明容许有各种改型和备选结构，但是其某些说明性实施例在附图中示出并且将在下面详细地描述。然而，应当理解的是，无意将本发明限制于公开的特定形式，而是正相反，意图是涵盖落入本发明的精神和范围内的所有改型、备选结构以及等同物。

具体实施方式

现在更具体地参照附图的图1，示出了根据本发明的说明性静电喷雾器10。示出的静电喷雾器10包括流体和高压输入头部11、从输入头部11向下游延伸的细长喷嘴筒或本体12，以及在细长喷嘴本体12的下游端部处的排放喷雾喷嘴组件14。将理解的是，静电喷雾器10可用于喷雾干燥系统中，诸如转让给与本申请相同的受让人的、于2016年11月3日提交的美国申请号15/342,710中公开的喷雾干燥系统，美国申请号15/342,710的公开内容通过引用并入此处。喷嘴本体12可在长度方面相对于其直径为相对长的，用于实现喷雾器10在处理器皿等的壁中的安装，其中排放喷雾喷嘴组件14在器皿内，而输入头部11远程地定位在器皿外部。输入头部11和喷嘴本体12优选地由硬塑料或其它不导电材料制成，诸如在商标ultem1000下出售的热塑性聚醚酰亚胺(pei)，其可机器加工成最终形状。实际上，细长喷嘴本体12可具有喷嘴本体12的直径的10倍或更多的长度(高达12英寸或更多)。

输入头部11在形状方面为圆柱形的，并且细长本体12为圆柱形本体部件15，圆柱形本体部件15具有能穿过地接合在输入套壳(hub)11的带螺纹开孔内的上游端部，其中密封o形环16插置在圆柱形本体部件15与输入头部11之间。由不锈钢或其它导电材料制成的液体供给管18沿轴向延伸穿过外部圆柱形本体部件15，其中上游端部18a支承在其内并在其中向外延伸，用于联接于加压液体供应装置19。在该情形中，液体供给管18具有减小直径的上游端部区段18b，其限定能够安装在输入头部11的沉孔内的定位肩部18c。密封o形环17插置在液体供给管18与输入头部11之间。

液体供给管18沿轴向延伸穿过圆柱形本体部件14，用于将环形雾化气体通路25限定在液体供给管18与外部圆柱形本体部件15之间。输入头部11形成有径向加压气体入口通路26，其接收有联接于合适的加压气体供应装置29的气体入口填充物28。气体入口通路26与包绕输入头部11内的液体供给管18的环形气体室30连通，环形气体室30继而与穿过圆柱形本体部件15的环形雾化气体通路25连通。

为了给引导到液体供给管18中并穿过液体供给管18的液体电力充电，输入头部11还具有径向通路31(在该情况中在气体入口通路26上游)，径向通路31接收装固于高压电缆34的配件32，高压电缆34连接于高压电源。在该情形中，高压电缆34具有终端邻接节段35，其由弹簧36偏压成与液体供给管18的可靠导电关系。在液体供给管18由高压电缆34电力充电的情况下，可看出穿过供给管18的供给液体沿着其至喷雾喷嘴组件14的整个行程长度被充电。同时，加压气体传送穿过液体供给管18与外部圆柱形本体部件15之间的环形气体通路25。

根据本发明的该实施例，喷雾喷嘴组件14为外部混合喷雾喷嘴组件，其能够操作用于在相对高的液体流率和低压下产生精细的液体颗粒喷雾(特别地适合于喷雾干燥应用)，以用于最佳且经济的喷雾干燥操作。为此，喷雾喷嘴组件14具有簇头(clusterhead)设计，该簇头设计包括多个独立的喷雾顶端40，它们联接于共同的加压液体和气体供应装置(在该情况中，分别来自液体供给管18和环形加压气体通路25)。示出的簇头喷雾喷嘴组件14(如图2-4中最佳地描绘的)具有簇头本体39，簇头本体39包括喷嘴液体歧管41和喷嘴帽45。喷嘴液体歧管41形成有多个向外成角度的液体通路42，它们各自在共同的液体供给管18与多个相应的下游喷雾顶端接收开口44之间连通，相应的喷雾顶端40安装和固持在多个相应的下游喷雾顶端接收开口44内(图2和图4)。安装在喷嘴液体歧管41的下游端部上的喷嘴帽45具有多个周向间隔的圆柱形开口46，其与喷雾顶端40对准。在该情形中，喷嘴液体歧管41具有在下游方向上向外扩展的截头圆锥形上游端部41a和向外弯曲的下游端部41b，喷雾顶端接收开口44在下游方向上以小角度(诸如在大约12-15度之间)，相对于喷嘴液体歧管41和圆柱形本体部件15的中心轴线向外延伸穿过向外弯曲的下游端部41b。

在实施该实施例时，喷雾顶端40各自由导电金属制成，并且在该情况中，具有上游圆柱形套壳40a、向内渐缩的向前延伸的区段40b(具有邻近其下游端部的向外延伸的径向凸缘40c)，以及向前延伸的相对小直径的鼻部40d(图4)。喷雾顶端40各自具有定位在喷嘴液体歧管41的喷雾顶端接收开口44中的上游较小直径环形套壳40e，其中密封o形环48插置在上游较小直径环形套壳40e与喷雾顶端接收开口44之间(图2)。喷雾顶端40各自具有相对大直径的入口通路区段49，其与向内汇聚的圆锥形通路区段49a连通，向内汇聚的圆锥形通路区段49a继而与延伸穿过鼻部40d的相对小直径的液体通路49b连通，鼻部40d限定相对小的排放孔口49c，诸如大约0.040英寸(图3)。喷雾顶端的喷雾顶端入口通路区段49各自与喷嘴液体歧管41中的向外汇聚的液体流动通路42中的相应一个连通。

每个喷雾顶端40的径向凸缘49c各自安装在喷嘴帽45的圆柱形开口46中的相应一个内，其中环形塑料空气帽50以径向凸缘49c与喷嘴帽开口46之间的插置密封接合来绕着喷雾顶端径向凸缘49c设置。在该情况中，塑料空气帽50具有l形横截面周边，该l形横截面周边绕着每个喷雾顶端径向凸缘40c的前周边和外周边设置，其中向前延伸的唇部50a以关于喷嘴帽开口46的环形唇部的重叠关系安装(图3)。喷嘴帽45由尼龙或类似的非金属固持螺钉52装固于喷嘴液体歧管41，尼龙或类似的非金属固持螺钉52居中地延伸穿过喷嘴帽45，与喷嘴液体歧管41的轴向开口41a成螺纹接合，以为了以组装关系装固喷雾顶端40和塑料空气帽50。

为了雾化从喷雾顶端40排放的液体，喷嘴液体歧管41和喷嘴帽45限定环形雾化气体通道55(图2)，环形雾化气体通道55经由相应的直角入口通路58在位于金属液体供给管18与外部喷嘴本体部件15之间的环形气体通道25与绕着每个喷雾顶端40的环形气体通路56之间连通。加压雾化气体由此可绕着多个喷雾顶端40同时引导，穿过相应的喷雾顶端径向凸缘40b中的周向空气通路开口40d，并沿轴向向外与从多个喷雾顶端排放孔口49c排放的液体成相互作用的雾化接合(图3)。

在实施该实施例的又一特征时，引导穿过簇头喷雾喷嘴组件14的液体经受多级静电充电，以为了在从喷雾喷嘴组件排放时增强液体雾化。为此，金属的电力充电的液体供给管18的下游端部具有尖锐的倒角端部60(优选地充电至大约30kv)，尖锐的倒角端部60在供给原料从供给管18排放时并在进入到喷雾顶端40中之前，首先将静电场聚焦到该供给原料中，并且其次，充电的液体供给管18的尖锐的倒角端部60与喷雾顶端40之间的间隙产生间隙内的电容，出乎意料地发现该电容在液体引导至喷雾顶端40并穿过喷雾顶端40时增加该液体上的静电电荷。

在操作中，簇头喷雾喷嘴组件14被证明在高达125kg/hr的相对高的液体流率下产生最适合喷雾干燥应用的质量精细的液体颗粒喷雾。然而，喷雾顶端40各自具有相对小的排放孔口49c，用于使用喷雾干燥应用中有利的蠕动泵来实现低压、可控的操作。此外，簇头喷雾喷嘴组件14可以以短得多的长度(诸如三到五英尺)递送如此高流率的喷雾，并且因此，在利用具有较大的排放孔口和液体压力的喷雾喷嘴来增加流率时，那么在比迄今为止更经济的喷雾干燥室中是可能的。还发现从同一室中的簇头喷雾喷嘴组件排放的多个静电充电喷雾模式致使颗粒在它们干燥之后重新附着于彼此，由此减少太细而无法控制的颗粒数量，该颗粒可阻碍涂层效率。最后，可看出，经受由喷射的液体接触的静电喷雾器的所有内部构件由特氟龙或不锈钢制成，该特氟龙或不锈钢对待喷射的大多数液体有抵抗力。外部圆柱形本体部件15维持与液体供给原料不接触，外部圆柱形本体部件15优选由较硬的聚醚酰亚胺材料制成，该较硬的聚醚酰亚胺材料可因喷雾干燥中使用的某些溶剂而经受降解。

为了促进静电喷雾器10的经济制造，将认识到的是，簇头喷雾喷嘴组件14可被预组装，用于有效安装在喷嘴本体12中。在该情形中处于预组装状态的喷雾喷嘴组件14可通过从上游端部定位到圆柱形本体部件15中而组装在圆柱形本体部件15中，如图5中描绘的。示出的圆柱形本体部件15的下游端部形成有环形较小直径唇部59，用于利用喷嘴帽45与圆柱形本体部件15之间的密封o形环63支承喷嘴帽45的另一周边。液体供给管18可因此插入到喷嘴液体歧管41的中心开口61中，其中插置的环形o形环62在液体供给管18与中心开口61之间。虽然示出的喷雾喷嘴组件14具有六个喷雾顶端，但取决于喷嘴液体歧管的大小，可使用其它数量的喷雾顶端，优选在大约三个和八个之间。

现在更具体地参照图6-10，示出具有根据本发明的静电喷雾喷嘴组件71的备选实施例的静电喷雾器70，其中零件(类似于以上描述的那些零件)被赋予类似的附图标记。静电喷雾器70包括输入头部11，其具有液体供给管18、加压气体入口26，以及类似于以上描述的高压电缆连接部34。喷雾器70还包括固定于输入头部11的细长喷嘴本体12，其中可电力充电的液体供给管18居中地设置在输入头部11中。

在实施本发明的该实施例时，静电喷雾喷嘴组件71为内部混合喷雾喷嘴组件，其能够操作用于引导精细的液体颗粒喷雾，用于在喷雾干燥中最佳使用。示出的喷雾喷嘴组件71基本上包括圆顶构造的喷雾顶端72、直接地安装在喷雾顶端72上游的内部空气导引件74、以及用于将液体供给管18的下游端部居中地支承在空气导引件74和喷雾顶端72内的中心定位器75。

示出的圆顶构造的喷雾顶端71具有与向内汇聚的混合室72a连通的上游圆柱形通路区段72，向内汇聚的混合室72a继而通过限定喷雾排放孔口72c的较小直径的圆柱形通路区段72b连通。喷雾顶端71具有向外延伸的径向凸缘74，向外延伸的径向凸缘74支承抵靠外部圆柱形喷嘴本体部件18的减小直径的环形固持唇部75。密封o形环76插置在喷雾顶端71的圆顶与圆柱形本体部件15的固持唇部75的内部环形侧之间。

空气导引件74具有安装在圆柱形本体部件15内的外部圆柱形壁区段74a，以及同心地安装在喷雾顶端71的环形沉孔内的向前延伸的环形套壳74b。中心定位器75具有中心开口75a，液体供给管15在中心开口75a中延伸并支承在多个径向支承腿部75b中。在该情况中，径向腿部75b在空气导引件74的圆柱形壁74a内邻近它们的下游端部被支承。所述空气导引件74具有向内弯曲的内部壁74c，用于将来自环形气体通路25的加压雾化气体引导和汇聚穿过包绕液体供给管18的小环形气体通路78。

在进一步实施该实施例时，液体供给管18包括沿轴向联接于其的端部节段区段18a，端部节段区段18a形成有减小直径的液体通路区段80，减小直径的液体通路区段80与多个横槽81连通，以为了将加压液体流动流从液体供给管18沿径向向外引导，以为了通过直接横跨横槽81引导穿过狭窄的环形空气通路78的加压雾化气体相互作用和雾化。在该情形中，存在四个周向间隔的横槽81，它们在供给管节段18a的端部处限定冲击表面82，引导穿过液体供给管18的液体抵靠冲击表面82冲击并强有力地沿径向向外引导出，用于与加压雾化气体的相互作用。将理解的是，液体供给管18的延伸节段18a也由导电金属材料制成，并且以关于液体供给管18的电接触关系固定。

与该实施例的又一重要特征一致，液体供给管端部节段18a具有尖锐的尖角端部18b，尖锐的尖角端部18b设置在喷雾顶端71的混合室72b内，用于以如下方式从其聚焦静电场，即该方式在从喷雾喷嘴组件14排放之前增强喷雾顶端混合室72b内的液体颗粒的静电充电和雾化。供给管18的终端尖角端部18a居中地定位在喷雾顶端混合室72b内，用于在雾化液体颗粒汇聚并离开排放通路72b时将静电场聚焦到该雾化液体颗粒中。

在操作中，静电喷雾器70能够操作用于在高达125kg/hr的高液体供给原料速率下以较少的加压雾化气体需求有效地产生质量精细的液体颗粒雾化喷雾，这在使用非空气雾化气体(诸如喷雾干燥中常用的氢气气体)时为特别有利的。氮气用于防止粉尘爆炸，这为关于静电喷雾的较高风险，还具有吸收大量水分的能力。像在先前的实施例中，液体在其引导穿过金属液体供应管18时，与加压气体引导穿过包绕液体供应管18的环形室25同时充电。在该情形中，首先通过冲击液体供应管节段18a的下游端部处的冲击表面82并横向引导穿过径向排放通路81用于与横跨径向液体排放通路81引导的加压雾化气体的相互作用，液体多级地分解。雾化液体接着由雾化气体引导到喷雾顶端71的下游混合室72b中，其中精细的液体颗粒由聚焦静电场(由液体供给管节段18b的尖锐的尖角端部18b发出)进一步充电，用于在从出口孔口72c排放之前进一步增强雾化，作为用于高效喷雾干燥的非常精细的液体颗粒喷雾。