おそらくエリック・ロトハイムについて聞いたことはないかもしれませんが、彼の作品については間違いなくよく知っています。ノルウェーのエンジニア兼発明家であるロトハイムは、75 年以上前に最初のエアゾール缶のデザインを思いつきました。この技術は長年にわたっていくらか進化してきましたが、Rotheim の 1931 年の米国特許の図には、今日のエアゾール スプレー缶に見られる主要な要素のほとんどが示されています。
当初、Rotheim のイノベーションは世界に大きな影響を与えませんでした。第二次世界大戦後、米軍が殺虫剤散布用のエアゾール缶を導入したとき、人々はこの装置の可能性を完全に認識しました。使いやすい缶は、病気を媒介する昆虫が致命的な脅威となっていた太平洋の兵士にとって非常に貴重な助けとなりました。
戦後数年間、メーカーはこの技術を幅広い用途に応用しました。現在、ヘアスプレーから食用油、医薬品に至るまで、エアゾール缶に詰められた製品が数千点あります。 知恵袋ブログの今回は、これらのデバイスの背後にある基本原理と、内部で動作する主要な機械要素を調べます。
流体について一言
エアゾール缶の基本的な考え方は非常にシンプルです。高圧下で保管された 1 つの液体を使用して、別の液体を缶から噴射します。これがどのように機能するかを理解するには、流体と流体圧力について少し知る必要があります。
- 流体とは、自由に流動する粒子で構成される任意の物質です。これには、大気中の空気などの気体状態の物質だけでなく、蛇口から出る水などの液体状態の物質も含まれます。
- 液体中の粒子は緩く結合していますが、比較的自由に動き回ります。粒子が結合しているため、一定温度の液体の体積は一定になります。
- 液体に十分なエネルギーを (加熱して) 加えると、粒子は非常に振動し、粒子を結合していた力が解放されます。液体は気体、つまり粒子が独立して動き回ることができる流体に変化します。これが沸騰プロセスであり、このプロセスが起こる温度は物質の沸点と呼ばれます。物質によって沸点は異なります。たとえば、水を液体から気体に変化させるには、アルコールを液体から気体に変化させるよりも多くの熱が必要です。
- 気体中で動く個々の粒子の力は、合計するとかなりの圧力に達する可能性があります。粒子は結合していないため、気体には液体のように一定の体積がありません。粒子は外側に向かって押し続けます。このようにして、ガスは膨張して空いた空間を満たします。
- ガスが膨張すると、特定の領域で何かと衝突する粒子が少なくなるため、圧力が低下します。気体が比較的小さな空間に圧縮されると、特定の領域内でより多くの粒子が動き回るため、より大きな圧力がかかります。
エアゾール缶は、液体物質を押し出すという 1 つの単純な目標に向けて、これらの基本原理を適用します。次のセクションでは、これがどのように行われるかを正確に説明します。
推進剤と製品
エアゾール缶には、室温よりかなり低い温度で沸騰する 1 つの液体 (噴射剤と呼ばれます) と、はるかに高い温度で沸騰する液体 (製品と呼ばれます) が含まれています。製品とは、ヘアスプレーや虫よけ剤など、実際に使用する物質であり、噴射剤は製品を缶から取り出す手段です。どちらの液体も密閉された金属缶に保管されます。
このエアロゾル システムを構成するには 2 つの方法があります。より単純な設計では、液体製品を注ぎ、缶を密封し、バルブ システムを通してガス状噴射剤を送り込みます。ガスは高圧でポンプで送り込まれるため、液体製品をかなりの力で押し下げます。このシステムがどのように機能するかを下の図で確認できます。
この缶では、長いプラスチックチューブが缶の底から缶の上部のバルブシステムまで伸びています。この図のバルブは非常に単純な設計です。小さくて押し下げ可能なヘッドピースがあり、その中に狭いチャネルが通っています。チャネルは、ヘッドピースの底部近くの入口から上部の小さなノズルまで伸びています。バネがヘッドピースを押し上げるので、チャネルの入口はしっかりとしたシールでブロックされます。
ヘッドピースを押し下げると、注入口がシールの下にスライドし、缶の内側から外側への通路が開きます。高圧の噴射ガスは液体製品をプラスチック チューブに押し上げ、ノズルから排出します。細いノズルは、流れる液体を霧化する役割を果たします。つまり、液体を小さな滴に分割し、細かいスプレーを形成します。
基本的に、単純な圧縮ガス エアゾール缶に必要なものはこれだけです。次のセクションでは、もう少し複雑な、より一般的な液化ガスの設計について見ていきます。
ほとんどのエアゾール缶は、底が内側に曲がっています。これは次の 2 つの機能を果たします。
- この形状により缶の構造が強化されます。缶の底が平らであれば、加圧ガスの力で金属が外側に押し出される可能性があります。湾曲した底部は、ちょうど建築のアーチやドームと同様に、構造上の完全性を高めます。この形状により、湾曲した金属の上部にかかる力のほとんどが缶の丈夫な端に分散されます。
- 使い切りやすい形状です。平底の缶の水を抜くということは、コップ一杯の水をストローで吸い上げるようなものです。製品がプラスチックのチューブの下に集まるように、缶を片側に傾ける必要があります。湾曲した底部のデザインにより、製品の最後の部分が缶の端の周りの小さな領域に集まります。これにより、ほとんどすべての液体を簡単に空にすることができます。
液体ガス？
最後のセクションでは、圧縮ガスを推進剤として使用する最も単純なエアゾール缶の設計について説明しました。より一般的なシステムでは、推進剤は液化ガスです。これは、たとえ沸点よりかなり高い温度に保たれていたとしても、高度に圧縮されると推進剤が液体の形になることを意味します。
常温で液体なので、缶を密封する前に注ぐだけです。一方、噴射剤は缶を密封した後、高圧下でポンプで注入する必要があります。推進剤が十分に高い圧力下に保たれると、膨張してガスになる余地がありません。圧力が維持されている限り液体のままです。 (これは液体プロパングリルで使用されるのと同じ原理です。)
下の図でわかるように、この液化ガス システムの実際の缶の設計は、圧縮ガス システムの場合とまったく同じです。ただし、ボタンを押したときの動作は少し異なります。
バルブが開くと、液体推進剤の圧力が瞬時に低下します。圧力が低いと沸騰し始める可能性があります。粒子が飛び散り、缶の上部にガス層が形成されます。この加圧されたガス層は、液体生成物と液体推進剤の一部をチューブ内をノズルまで押し上げます。スプレーペイント缶などの一部の缶には、内部にボールベアリングが入っています。缶を振ると、ガタガタボールベアリングが噴射剤と製品を混ぜ合わせ、製品が細かい霧となって押し出されます。
液体がノズルを通って流れると、推進剤は急速に膨張して気体になります。一部のエアゾール缶では、この作用により製品が霧化され、非常に細かいスプレーが形成されます。他の設計では、蒸発する推進剤が製品内で気泡を形成し、泡を生成します。排出される製品の一貫性は、次のようないくつかの要因によって決まります。
- 噴射剤と生成物の化学組成
- 推進剤と生成物の比率
- 推進剤の圧力
- バルブシステムのサイズと形状
メーカーは、これらの要素をさまざまな組み合わせで構成することで、多種多様なエアロゾルデバイスを製造できます。しかし、缶から泡状のホイップ クリーム、濃厚なシェービング ジェル、またはデオドラントの細かいミストが噴射されるかどうかに関係なく、基本的なメカニズムは同じです。つまり、ある液体が別の液体を押し出すということです。
エアゾール缶とその内部で使用されている化学物質について詳しくは、以下のリンクをご覧ください。
多くの噴射剤は引火性があるため、裸火の周囲でエアゾール缶を使用するのは危険です。そうしないと、誤って火炎放射器が発射されてしまう可能性があります。もう 1 つの考えられる危険は吸入です。ホイップクリーム容器などの一部のエアゾール缶には亜酸化窒素が使用されており、大量に吸入すると有害になる可能性があります。エアゾール缶に使用される噴射剤の詳細については、このサイトをご覧ください。
1980 年代までは、多くの液化ガス エアゾール缶で噴射剤としてクロロフルオロカーボン(CFC) が使用されていました。 CFC はオゾン層に有害であると科学者が結論付けた後、70 か国が今後 10 年間で CFC の使用を段階的に廃止する協定であるモントリオール議定書に署名しました。現在、ほぼすべてのエアゾール缶には、環境にそれほど深刻な脅威を及ぼさない液化石油ガスなどの代替噴射剤が含まれています。
