КЛАПАН РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ РАЗЛИВНЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ НАПИТКОВ С ВЫТЕСНЕНИЕМ ДАВЛЕНИЕМ
PRESSURE REGULATION VALVE FOR DISPENSING APPARATUS FOR BEVERAGES WITH PRESSURE DISPLACEMENT

Область, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области разливных устройств для жидкостей, в частности к разливным аппаратам для напитков с вытеснением давления. Оно относится к клапану регулирования давления для подачи газа-вытеснителя, хранящегося в картридже под первым, высоким давлением, в емкость, находящуюся под вторым, более низким давлением, подходящим для вытеснения содержащегося в ней напитка.
Предпосылки изобретения
Разливные устройства для жидкости находятся на рынке много лет. Принцип действия многих из них основан на сжатом газе, повышающем давление до уровня примерно на 0,5-1,5 бара выше атмосферного во внутренней части емкости, содержащей жидкость, которую необходимо разлить, в частности напиток, подобный пиву или иные газированные напитки. Газ подается либо непосредственно в емкость, содержащую жидкость, как, например, в документе US 5199609, либо между наружной, довольно жесткой емкостью и внутренним гибким сосудом (например, сумкой или гибким баллоном), содержащим жидкость, которую необходимо разлить, как в документе US 5240144 (см. прилагаемые фиг.1(а) и (b)). Оба варианта обладают своими преимуществами и недостатками, хорошо известными специалистам в этой области техники. Настоящее изобретение в равной степени применимо к обоим типам систем подачи.
Сжатый газ может подаваться компрессором, включенным в соответствующий прибор (см. документ US 5251787), или содержаться в баллоне со сжатым газом (см. документ US 5383576 фиг.7). В последнее время быстро развивается рынок одноразовых автономных бытовых приборов. По очевидным техническим и экономическим соображениям в этих одноразовых устройствах не могут использоваться ни компрессор, ни большие баллоны со сжатым газом, и поэтому газ-вытеснитель, обычно, содержится в довольно небольшом картридже под давлением, закрытом колпачком или мембраной. Колпачок или мембрана этих бытовых разливных устройств могут прокалываться для открытия на заводе, но во избежание риска утечки обычно предпочтительно, чтобы прокалывание укупорочного устройства выполнялось конечным пользователем перед использованием устройства в первый раз. Примеры этих устройств можно найти в документах ЕР 149352, WO 2007/145641, GB 1427732, GB 1163761, US 3372838 и WO 2006/128653.
Газ-вытеснитель, хранящийся в баллоне или картридже, находится под давлением намного выше, чем 0,5-1,5 бара - давления, требуемого для вытеснения напитка. Поэтому между газовым баллоном или картриджем и емкостью необходимо поместить клапан регулирования давления для снижения давления газа-вытеснителя, хранящегося в баллоне или картридже под первым, высоким давлением, до второго, более низкого давления, подходящего для вытеснения напитка. Для разливных аппаратов для напитков обычно предпочтительны диафрагменные регулирующие клапаны. Диафрагменный клапан содержит две камеры, разделенные диафрагмой или мембраной. Первая камера содержит выпускное отверстие для текучей среды, сообщенное по текучей среде с емкостью, содержащей жидкость, которую необходимо разлить, а также впускное отверстие для текучей среды, которое может плотно закрываться уплотнительным средством таким, как, например шарик, прикрепленный к мембране, предназначенный для плотного закрытия указанного впускного отверстия, когда давление в первой камере поднимается выше требуемого уровня. Вторая камера содержит средство для упругого смещения диафрагмы, чтобы вытянуть уплотнительное средство из его гнезда при давлении в первой камере ниже требуемого уровня и, таким образом, открыть впускное отверстие для проникновения газа, находящегося под давлением, и тем самым повысить давление в первой камере до требуемого уровня. Указанное средство представляет собой, например, винтовую пружину.
Диафрагма или мембрана (эти термины использованы в настоящем описании как синонимы), обычно, содержит эластомерную периферическую часть, концентрически окружающую центральную, более жесткую, часть, как описано в документе WO 94/29094. Жесткая центральная часть предназначена выдерживать нагрузку средства для смещения диафрагмы (например, винтовой пружины), в то время как эластомерная периферийная часть обеспечивает требуемые перемещения и газонепроницаемость камер, будучи помещенной между стенками, образующими две камеры. Для некоторых устройств были предложены диафрагмы, изготовленные из одного материала, как, например, в документе FR 2418352 в области насосов или документе US 4978478 в области карбюраторов.
Диафрагменные регулирующие клапаны обычно изготавливаются путем выполнения двух полуоболочек, образующих стенки первой и второй камер, которые затем соединяются диафрагмой, плотно помещенной между ними. Соединения полуоболочек можно добиться многими известными в области техники способами такими, как сварка растворителем, тепловая, или вибрационная сварка, склеивание и любые механические крепежные средства такие, как винты, заклепки или защелки.
Нетрудно заметить, что клапаны регулирования давления представляют собой относительно сложные устройства с несколькими материалами, используемыми для различных компонентов: корпуса из двух камера, диафрагмы и средства для смещения диафрагмы, например винтовой пружины. Изготовление камеры регулирования давления зачастую требует нескольких стадий сборки, что дополнительно увеличивает стоимость производства.
В документе US 2003/0172971 раскрыт клапан для линий сверхчистой воды и для линий различных химических жидкостей, обеспечивающий снижение вымываемых загрязнений и загрязнения химическими растворами путем обеспечения того, что все элементы клапана, контактирующие с текучей средой, протекающей через него, изготовлены из материала, обладающего высокой химической стойкостью, например PTFE. С другой стороны, элементы, не контактирующие с текучей средой, изготовлены из другого материала, например, кольцо 3 изготовлено из полипропилена, а уплотнительные кольца - из эластичного резинового материала. Эти дорогостоящие клапаны предназначены для требовательных устройств и рассчитаны на длительный срок службы и особо не рассчитаны на то, чтобы облегчить их рециклинг, поскольку для этих специализированных изделий это не является серьезной проблемой.
В последнее время быстро развивается рынок автономных бытовых приборов. В частности, некоторые из этих приборов не предназначены после использования для повторной заправки в новой емкости и после опорожнения первоначальной емкости подлежат утилизации. Ясно, что конструкция этих функционально законченных, готовых к использованию одноразовых приборов во многом определяется стоимостью, поскольку стоимость упаковки и разливного механизма не должна необоснованно превосходить стоимость напитка, который необходимо разлить, и продаваемого в относительно малых количествах в емкости объемом порядка 1-10 л, возможно до 20 л. Кроме того, рециклинг компонентов одноразовых приборов является проблемой, о которой забывать сегодня нельзя. Основная проблема, связанная с рециклингом, заключается в разделении компонентов прибора, изготовленных из разных материалов.
Существующие клапаны регулирования давления не адаптированы к требованиям этих новых типов разливных устройств. Поэтому сохраняется потребность в дешевом, но надежном клапане регулирования давления, легко поддающемся рециклингу.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение определено в независимых пунктах прилагаемой формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Настоящим изобретением предлагается клапан регулирования давления, предназначенный для регулирования давления, под которым сжатый газ-вытеснитель подается в емкость, содержащую жидкость, для вытеснения указанной жидкости из емкости, причем указанный клапан содержит:
- первую и вторую полимерные оболочки, причем первая оболочка содержит впускное и выпускное отверстия для газа, а вторая оболочка содержит средство для упругого смещения,
- полимерную мембрану, зажатую между первой и второй оболочками, таким образом образуя первую и вторую камеры, герметично разделенные мембраной,
- соединение между первой и второй полимерными оболочками, достаточно прочное, чтобы выдерживать давления, преобладающие в любой камере, и обеспечивающее непроницаемость для текучей среды между двумя камерами,
отличающийся тем, что все полимерные компоненты указанного клапана регулирования давления изготовлены из полимеров одного класса, предпочтительно выбранных из полиолефинов, в частности из полипропилена, полиэтилена, полиамидов, полистиролов и сложных полиэфиров.
Соединение между первой и второй полимерными оболочками преимущественно обеспечено нанесенной поверх полимерной лентой, проходящей по всей длине сопряжения двух оболочек и мембраны. Лента изготовлена из полимера того же класса, что и остальные полимерные компоненты клапана регулирования давления. Средство для упругого смещения мембраны может состоять из винтовой пружины, эластомерного блока, гидравлической системы и т.д.
Настоящее изобретение также относится к способу изготовления клапана регулирования давления, описанного выше, включающему следующие этапы:
- отливание под давлением в две полости одного инструмента двух полимерных оболочек;
- совмещение полученных таким образом двух оболочек;
- размещение полимерной мембраны между двумя оболочками;
- нанесение полимерной ленты вдоль сопряжения между двумя оболочками и мембраной литьем для их герметичного соединения, тем самым, образуя камеру, разделенную мембраной на два герметичных отделения,
отличающийся тем, что все полимерные компоненты указанного клапана регулирования давления изготовлены из полимеров одного класса.
Мембрану предпочтительно отливают под давлением в третьей полости того же инструмента, что был использован для литья двух оболочек.
Краткое описание графического материала
Фиг.1: схематическое представление двух вариантов осуществления устройства согласно настоящему изобретению;
фиг.2: схематическое представление клапана регулирования давления согласно настоящему изобретению (а) в закрытом положении и (b) в открытом положении;
фиг.3: схематическое представление диафрагмы, предназначенной для предлагаемого клапана регулирования давления согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показаны два альтернативных варианта осуществления разливных устройств для жидкости согласно настоящему изобретению. Конструкция устройств, показанная на фиг.1, является типичной для одноразовых бытовых разливных устройств, но изобретение не ограничено этими типами приборов и может, напротив, быть применимо к любому типу разливного аппарата для напитков с вытеснением газа. В обоих вариантах осуществления на фиг.1 разлив жидкости, обычно напитка подобного пиву или газированному безалкогольному напитку, осуществляется с помощью газа, находящегося под давлением, содержащегося в газовом картридже (10). При прокалывании укупорочного устройства картриджа (10) с находящимся под давлением газом путем приведения в действие исполнительного механизма (102) прокалывающего устройства (101), газ, содержащийся в картридже (10), приводится в сообщение по текучей среде с емкостью (30) под пониженным давлением через клапан (103) регулирования давления. На фиг.1(а) газ подан по газовому каналу (104) прямо в емкость (30) и контактирует с жидкостью, содержащейся в нем, а в варианте осуществления, показанном на фиг.1(b), газ подан в зону сопряжения между наружной, довольно жесткой емкостью (30) и гибкой внутренней емкостью или сумкой (31), содержащей жидкость. В этом последнем варианте осуществления газ никогда не контактирует с жидкостью, которую необходимо разлить.
В обоих вариантах осуществления давление в емкости (30, 31) повышается до уровня на 0,5-1,5 бара выше атмосферного (т.е. до 1,5-2,5 бара) и вытесняет жидкость через отверстие (6) канала через вытяжной шток (32В) при наличии такового, и далее жидкость протекает по разливной трубке (32А) до крана (35). В случае конструкции емкости «сумка в емкости», как показано на фиг.1(b), использование вытяжного штока (32В) необязательно, поскольку при повышении давления в объеме между сумкой (30) и емкостью (31), сумка (30) сжимается, тем самым, обеспечивая контакт напитка с отверстием (6) канала, не требуя для этого вытяжного штока (32В). Для того чтобы регулировать давление и расход текущей жидкости, достигающей открытого крана, находящегося при атмосферном давлении, между емкостью (30) и краном (35) иногда располагают канал снижения давления (не показан на фиг.1). Верхний утор (33), обычно изготовленный из пластика, такого как полипропилен, служит в эстетических целях, а также в целях безопасности, чтобы прятать и защищать от любого неправильного обращения или от любого ударного воздействия по разливным системам и картриджу с находящимся под давлением газом. Нижнее основание (34), обычно изготовленное из того же материала, что и верхний утор (33), придает разливному устройству устойчивость, когда тот стоит в вертикальном положении.
Находящийся под давлением газ хранится в картридже (10) под давлением обычно в пределах 10-100 бар, в то время как давление в картридже (30), как уже отмечалось, на 0,5-1,5 бара выше атмосферного. Поэтому клапан (103) регулирования давления должен выдерживать давление порядка 100 бар и снижать давление газа на два порядка величины. Сила, прилагаемая к мембране, и соединение, вызванное давлением, действующим в первой камере, определяют механические свойства, требуемые упругим средством (7) для смещения мембраны (9), а также сопротивление расслаиванию, требуемое соединением, соединяющим полуоболочки, образующие первую и вторую камеры, разделенные мембраной.
Первая полуоболочка (2) (см. фиг.2) образует вместе с мембраной (9) первую камеру, находящуюся в сообщении по текучей среде через впускное отверстие (5) с внутренней частью картриджа (10), содержащего газ-вытеснитель под высоким давлением. Кроме того, первая камера содержит по меньшей мере одно выпускное отверстие (4), находящееся в сообщении по текучей среде с внутренней частью емкости (30), чтобы позволять подавать газ-вытеснитель в емкость (30) под пониженным давлением. Вторая полуоболочка (3) (см. фиг.2) образует вместе с мембраной (9) вторую камеру, содержащую средства (7) для смещения мембраны (9), чтобы закрыть отверстия (4).
Мембрана (9) герметично отделяет первую камеру от второй и помещена между первой и второй полуоболочками (2, 3). Она содержит центральную часть (11), опирающуюся на средство (7) для смещения мембраны, и при этом прочнее периферийной части (12), концентрически окружающей ее, которая является достаточно эластичной для того, чтобы освобождать проходы (4), когда давление в первой камере достаточно для сжатия средства (7) для упругого смещения мембраны. Диафрагма (9) содержит также средство (13) для закрытия впускного отверстия (5), когда давление в первой камере выше данного предельного значения давления. Указанное средство содержит тело, содержащее поверхность, сопрягающуюся с поверхностью указанного впускного отверстия (5). Тело закрывающего средства (13) обычно соединено с самой мембраной посредством центрального штока, достаточно тонкого, чтобы свободно проходить через впускное отверстие (5) так, что мембрана и тело закрывающего средства (13) расположены по разные стороны отверстия (5), и достаточно длинные для того, чтобы допускать некоторое сжатие средства (7) смещения мембраны перед тем, как поверхности сопряжения закрывающего средства и отверстия (5) вступят в герметичный контакт между собой. При таком конструктивном исполнении, если давление в первой камере растет, смещающее средство (7) постепенно сжимается, пока смещение мембраны не будет соответствовать свободной длине штока, служащего опорой телу закрывающего средства, которое затем вступает в плотный контакт с указанной поверхностью сопряжения впускного отверстия (5). Лишь после того, как давление в первой камере достаточно упадет, смещающее средство сможет упруго восстановить некоторую часть своей первоначальной геометрии, отводя при этом тело закрывающего средства от отверстия (5). На фиг.2 и 3 тело закрывающего средства (13) представлено как шарик практически сферической формы. Однако ясно, что вместо шарика могут использоваться и другие геометрии такие, как конус или подобные.
Как отмечалось в разделе «Предпосылки изобретения», центральная и периферическая части диафрагмы обычно изготовлены из разных материалов, причем первая изготавливается из более жесткого материала, а последняя обычно из эластомера. Альтернативно, обе части могут быть изготовлены из одного материала. В соответствии с настоящим изобретением диафрагма изготовлена из одного полимера того же класса, что и полимер, из которого изготовлены первая полуоболочка (2) и вторая полуоболочка (3). Это конструктивное исполнение значительно облегчает повторное использование и снижает стоимость производства, поскольку все три компонента - первая и вторая полуоболочки и диафрагма - могут, таким образом, изготавливаться и собираться в одном инструменте для литья под давлением.
Полимерные компоненты клапана являются компонентами одного класса, если они принадлежат одному семейству полимеров и не требуют разделения для утилизации. В частности, совместному рециклингу подвергаются несколько типов полиолефинов, таких, как полипропилен (РР) и полиэтилен (РЕ), или два разных сорта одного полимера такие, как РЕ и HDPE. Аналогичным образом, можно объединять различные сорта полиамидов (РА) такие, как РА6, РА6,6, РА6,10, РА12 и т.д. Другими классами полимеров, подходящими для настоящего изобретения, являются термопластичные сложные полиэфиры такие, как PET, PEN, полистиролы, ABS и т.д. Предпочтительным классом полимеров является полиолефин, в частности РР, за его хорошее соотношение цены и свойств. Можно было бы использовать термореактивные материалы, но их рециклинг ограничен измельчением для использования в качестве твердых наполнителей, и поэтому они менее предпочтительны, чем термопластичные материалы.
Средство (7) для упругого смещения диафрагмы (9) обычно состоит из винтовой пружины. Однако в пределах объема настоящего изобретения можно рассматривать и другие средства такие, как упругий эластомерный блок или гидравлическая система. Однако для настоящего изобретения характер смещающего средства несущественен. При рециклинге металлическую винтовую пружину можно легко отделить от полимерных компонентов клапана магнитом, гравиметрическими способами или любым иным известным способом. Аналогичным образом, гравиметрическими способами можно отделять и упругий эластомерный блок, хотя для способности клапана к рециклингу это не оптимальное решение.
Две полуоболочки (2, 3) должны соединяться диафрагмой (9), помещенной между ними для образования первой и второй камер клапана. Можно использовать несколько способов соединения. При этом необходимо уделить особое внимание тому, чтобы обеспечить газонепроницаемость в линии соединения между мембраной (9) и ободами первой и второй полуоболочек (2, 3). Это требование особенно важно, если в соответствии с настоящим изобретением мембрана не содержит эластомерную периферийную часть, которая обеспечивала бы газонепроницаемость между двумя камерами просто за счет зажатия эластомерного материала между ободами полуоболочек. В этом контексте подходящее соединение могут обеспечить сварка или склеивание. Сварки полимерных компонентов можно добиться, например, высокочастотными колебаниями, с помощью растворителя и теплом. Однако все эти технические приемы необходимо выполнять как отдельный этап сборки, что увеличивает стоимость производства. То же касается и соединения механическими средствами, такими как винты или заклепки, за исключением защелок. В этом случае, однако, конструкция должна обеспечивать газонепроницаемость в линии соединения между оболочками и диафрагмой. Особенно предпочтительным техническим приемом соединения является нанесение поверх линии сопряжения полимерной ленты (20) того же класса, что и другие полимерные компоненты клапана. Для того чтобы усилить соединение и обеспечить газонепроницаемость в сопряжении, ободы первой и второй оболочек (2, 3) и/или периферийная кромка мембраны (9) преимущественно характеризуются специальной конструкцией, например канавками или выступами, для того, чтобы позволить полимерной ленте (20) закреплять компоненты вместе и герметично заделать периферийную кромку мембраны (9). Этот технический прием соединения является особенно предпочтительным, поскольку обладает следующими преимуществами:
- прочность соединения является особенно высокой;
- рециклинг клапана облегчен за счет применения одного класса полимера для всех его полимерных компонентов, включая соединительную ленту;
- газонепроницаемость сопряжения между полуоболочками и диафрагмой обеспечена полимерной лентой, заделывающей периферийную кромку диафрагмы;
- операция соединения не требует отдельного этапа сборки, поскольку может осуществляться в том же инструменте, который был использован для изготовления полуоболочек (2, 3) и диафрагмы (9);
- одна полуоболочка (2, 3) клапана может быть неотъемлемой частью утора (33) или укупорочного средства (1) емкости (30), тем самым, исключая дополнительный этап сборки.
Клапан регулирования давления согласно изобретению может быть изготовлен довольно экономично, что является особенно важным качеством для одноразовых бытовых разливных устройств для напитков малой емкости порядка нескольких литров. Две полуоболочки (2, 3) могут быть изготовлены литьем под давлением в двух полостях одного инструмента. Преимущественно, диафрагма (9) изготовлена в третьей полости того же инструмента. Полость, содержащая одну полуоболочку, смещена или повернута в положение, обращенное к полости, содержащей вторую полуоболочку. Изготовленная отдельно или в том же инструменте мембрана (9) вставлена между полостями, содержащими две полуоболочки, и зажата между ними. Затем на сопряжение между двумя полуоболочками и мембраной литьем под давлением нанесена полимерная лента (20) для образования прочного герметичного соединения.
Конструкции инструментов и решения для осуществления этого технологического приема предложены в литературе для других заявок, таких как в документах JP 77217755, JP 4331879, ЕР 1088640 и DE 10211663.