КЛАПАННЫЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ И ОПОРОЖНЕНИЯ ЕМКОСТИ ЖИДКОСТЬЮ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
VALVE MECHANISM FOR FILLING AND EMPTYING CONTAINER WITH LIQUID UNDER PRESSURE

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно, к клапанным механизмам, устанавливаемым на горловинах емкостей для хранения и выдачи жидкости, например, пива, кваса и т.п., находящейся в емкости под давлением.
Известен клапанный механизм для заполнения и опорожнения жидкостью емкости под давлением, содержащий корпус с наружным осевым отверстием и внутренним осевым отверстием для подачи/опорожнения жидкости к/из емкости, закрепленный при помощи соединительного элемента, снабженного выходным отверстием, на горловине емкости, средство подачи в виде трубчатого элемента, выполненного с возможностью осевого перемещения в корпусе, снабженного сверху радиальными отверстиями и на его верхнем торце - запорным элементом, наливную трубку, подпружиненный снизу относительно трубчатого элемента средства подачи уплотнительный элемент, выполненный с возможностью закрытия/открытия наружного осевого отверстия для подачи/опорожнения жидкости к/из емкости (см. патент US 6109485, фиг.5 - 7, МПК В67D 5/54, публ. 29.08.2000). К недостаткам известного устройства можно отнести сложность его конструкции, недостаточный ресурс нормального функционирования, обусловленный невозможностью тщательной очисткиклапанного механизма, а именно: уплотнительного элемента и места его посадки для устранения их засорения, которое неизбежно возникает в процессе эксплуатации, и приводят к заклиниванию и негерметичности клапана, уменьшают ресурс его нормальной работы, а также наличие эффекта вспенивания жидкости в емкости при срабатывании клапана и одновременного выброса напитка и газа из емкости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является клапанный механизм для заполнения и опорожнения жидкостью емкости под давлением, содержащий корпус с наружным осевым отверстием и внутренним осевым отверстием для подачи/опорожнения жидкости к/из емкости, закрепленный при помощи соединительного элемента, снабженного выходным отверстием, на горловине емкости,средство подачи в виде трубчатого элемента, выполненного с возможностью осевого перемещения в корпусе, снабженного сверху радиальными отверстиями и на его верхнем торце - запорным элементом, наливную трубку, подпружиненный снизу относительно трубчатого элемента средства подачи уплотнительный элемент, выполненный с возможностью закрытия/открытия наружного осевого отверстия для подачи/опорожнения жидкости к/из емкости, при этом обеспечивается функционирование в корпусе клапанного механизма двух коаксиальных каналов движения жидкости и/или газа, а именно: внутри трубчатого элемента средства подачи и между наружной поверхностью трубчатого элемента и внутренней поверхностью корпуса, а также пневматическое/гидравлическое соединение/разъединение каналов при перемещении трубчатого элемента средства подачи, (см. заявку РСТ/IB2017/054545, фиг.4-6, МПК В67D 1/08, публ. 9.04.2019). К недостаткам известного устройства можно отнести недостаточный ресурс нормального функционирования ввиду невозможности тщательной очистки клапанного механизма, а именно: внутренней полости соединительного элемента, уплотнительного элемента и места его посадки для устранения их засорений или загрязнений, которые неизбежно возникают в процессе эксплуатации, и приводят к заклиниванию и негерметичности клапана, уменьшают ресурс его нормальной работы.
Предлагаемый клапанный механизм направлен на решение технической проблемы и достижение технического результата, состоящего в повышении ресурса нормального функционирования клапана за счет возможности эффективной очистки внутренней полости соединительного элемента, уплотнительного элемента и места его посадки.
Данный технический результат достигается тем, что в клапанном механизме для заполнения и опорожнения жидкостью емкости под давлением, содержащем корпус с наружным осевым отверстием и внутренним осевым отверстием для подачи/опорожнения жидкости к/из емкости, закрепленный при помощи соединительного элемента, снабженного выходным отверстием, на горловине емкости, средство подачи в виде трубчатого элемента, выполненного с возможностью осевого перемещения в корпусе, снабженного сверху радиальными отверстиями и на его верхнем торце - запорным элементом, наливную трубку, подпружиненный снизу относительно трубчатого элемента средства подачи уплотнительный элемент, выполненный с возможностью закрытия/открытия наружного осевого отверстия для подачи/опорожнения жидкости к/из емкости, при этом обеспечивается функционирование в корпусе клапанного механизма двух коаксиальных каналов движения жидкости и/или газа, а именно: внутри трубчатого элемента средства подачи и между наружной поверхностью трубчатого элемента и внутренней поверхностью корпуса, а также пневматическое/гидравлическое соединение/разъединение каналов при перемещении трубчатого элемента средства подачи, уплотнительный элемент представляет собой пластину со ступенчатым осевым отверстием, выполненным с возможностью герметичного взаимодействия с запорным элементом трубчатого элемента, на которой разъемно с возможностью вращательного и/или аксиального движения между корпусом и соединительным элементом установлена камера-поплавок коробчатой формы с внутренним и наружным торцовыми отверстиями, на боковой поверхностях которой размещены элементы, выполненные с возможностью создания вращательного момента для камеры-поплавка.
Элементы на боковых поверхностях камеры-поплавка, выполненные с возможностью создания вращательного момента для камеры-поплавка, могут быть выполнены наклонными в осевом направлении и криволинейными или прямолинейными.
При этом в предлагаемом клапанном механизме камера-поплавок также выполняет функцию интерфейса, т.е. переходного элемента обеспечивающего герметичное соединение между стандартным устройством заполнения/опорожнения типа «S» или «D» и каналами K1 и K2 клапанного механизма.
Выполнение уплотнительного элемента в виде пластины со ступенчатым осевым отверстием, выполненным с возможностью герметичного взаимодействия с запорным элементом трубчатого элемента, на которой разъемно с возможностью вращательного и/или аксиального движения между корпусом и соединительным элементомустановлена камера-поплавок коробчатой формы с внутренним и наружным торцовыми отверстиями, на боковых поверхностях которой размещены наклонные в осевом направлении элементы, выполненные с возможностью создания вращательного момента для камеры-поплавка, позволяет повысить эксплуатационную надежность с обеспечением большого ресурса нормального функционирования клапана за счет возможности эффективной очистки внутренней полости соединительного элемента, уплотнительного элемента и места его посадки, так как при вращательном и/или аксиальном движении камеры-поплавка, возникших по причине подачи очищающей жидкости или газа/водяного пара высокого давления в камеру-поплавок, из-за гидродинамических сил потока очищающей жидкости или газа/водяного пара высокого давления, происходит разрушение засорений, загрязнений или налипании, осевших на этих элементах конструкции клапанного механизма с последующим удалением из полости клапана. При этом наличие на боковых поверхностях наклонных в осевом направлении элементов (например, каналов, выпуклостей, углублений, ребер, лопастей, выступов и т.п.) интенсифицирует вращательное и/или аксиальное движение камеры-поплавка между корпусом и соединительным элементоми, соответственно, способствует эффективной очистке внутренней полости соединительного элемента, уплотнительного элемента и места его посадки.
Выполнение на боковых поверхностях камеры-поплавка элементов (каналов, выпуклостей, углублений, ребер, лопастей, выступов и т.п.), выполненных с возможностью создания вращательного момента для камеры-поплавка, наклонными в осевом направлении и криволинейными или прямолинейными позволяет создать при очистке оптимальную для наиболее эффективного удаления наружу загрязнений гидродинамическую обстановку в зоне внутренней полости соединительного элемента, уплотнительного элемента и места его посадки.
На фиг.1 схематично представлен предлагаемый клапанный механизм в закрытом положении; на фиг.2 - в положении заполнение/опорожнение; на фиг.3 - в положении сброса избыточного давления в емкости; на фиг.4 - в положении очистки клапанного механизма; на фиг.5 - изображение камеры-поплавка с наклонными в осевом направлении криволинейными лопастями (как один из вариантов выполнения) на ее боковых поверхностях, выполненными с возможностью создания вращательного момента для камеры-поплавка. На фиг.2 - фиг.4 направление потоков жидкости и газа показано линиями со стрелками.
Клапанный механизм для заполнения и опорожнения жидкостью емкости 1 под давлением содержит корпус 2 с наружным осевым отверстием 3 и внутренним осевым отверстием 4 для подачи/опорожнения жидкости к/из емкости 1. Корпус 2 закреплен на горловине 5 емкости при помощи соединительного элемента 6, снабженного выходным отверстием 7. В корпусе 2 размещено средство подачи в виде трубчатого элемента 8, выполненного с возможностью осевого перемещения в корпусе 2, снабженного сверху радиальными отверстиями 9 и на его верхнем торце - запорным элементом 10. К внутреннему осевому отверстию 4 корпуса прикреплена наливная трубка 11, а на нижнем торце корпуса 2 выполнены дополнительные отверстия 12, сообщающие полость корпуса 2 с полостью емкости 1. Уплотнительный элемент клапанного механизма представляет собой пластину 13 со ступенчатым осевым отверстием 14, выполненным с возможностью герметичного взаимодействия с запорным элементом 10 трубчатого элемента. Пластина 13 подпружинена снизу при помощи пружины 15 относительно трубчатого элемента 8 средства подачи. Пластина 13 выполнена с возможностью закрытия/открытия своей периферийной частью наружного осевого отверстия 3 корпуса для подачи/опорожнения жидкости к/из емкости. На пластине 13 разъемно (с небольшим зазором) с возможностью вращательного и/или аксиального движения между корпусом 2 и соединительным элементом6установлена камера-поплавок 16 коробчатой формы с внутренним 17 и наружным 18 торцовыми отверстиями, на боковых поверхностях которой размещены элементы, выполненные с возможностью создания вращательного момента для камеры-поплавка 16, например, наклонные в осевом направлении криволинейные лопасти 19 (см. фиг.5, на которой изображены криволинейные лопасти 19, на фиг.1 - фиг.4 лопасти 19 не показаны в поперечном сечении, для упрощения схематического изображения клапанного механизма). Такие элементы могут иметь различную форму, например: каналы, выпуклости, углубления, ребра, лопасти, выступы и т.п., существенным является лишь возможность под действием гидродинамических сил создания вращательного момента и, соответственно, передачи его на камеру-поплавок 16. Верхняя часть камеры-поплавка 16 может быть центрирована в выходном отверстии 7 соединительного элемента, как показано на фиг.1. Очевидно, что наружный диаметр камеры-поплавка 16 с лопастями 19 должен быть меньше диаметра наружного осевого отверстия 3 корпуса.
Предлагаемый клапанный механизм для заполнения и опорожнения жидкостью емкости работает следующим образом.
В закрытом положении (например, хранение жидкости в емкости) клапанного механизма, как показано на фиг.1, пластина 13 уплотнительного элемента при помощи пружины 15 прижата к верхнему торцу корпуса 2 и своей периферийной частью герметично перекрывает наружное осевое отверстие 3 корпуса. При этом запорный элемент 10 трубчатого элемента находится в герметичном взаимодействии со ступенчатым осевым отверстием 14 пластины 13, а камера-поплавок 16 свободно располагается в полости между верхним торцом корпуса 2 и соединительным элементом 6.
В положении клапанного механизма, как показано на фиг.2, заполнение/опорожнение осуществляется при помощи штуцера стандартного устройства заполнения/опорожнения типа «S» или «D». При этом камера-поплавок 16 также выполняет функцию интерфейса, т.е. переходного элемента обеспечивающего герметичное соединение между стандартным устройством заполнения/опорожнения типа «S» или «D» и каналами K1 и K2 клапанного механизма. Учитывая, что каналы клапанного механизма служат как для транспорта жидкости, так и газа, рассматривается стандартная ситуация, когда при заполнении, так и при опорожнении емкости 1 центральный канал 20 штуцера служит для подачи жидкости, а периферийный кольцевой канал 21 - для подачи газа. Центральный канал 20 штуцера герметично соединяется с наружным торцовым отверстием 18 камеры-поплавка. При этом трубка 22 движется аксиально вниз и воздействует на камеру-поплавок 16, обеспечивая герметичность ее внутренней полости. При определенной интенсивности такого воздействия пластина 13 уплотнительного элемента, преодолевая усилие пружины 15, отходит от герметичного взаимодействия с наружным осевым отверстием 3 корпуса, открывает его для подачи газа под давлением внутрь емкости 1 с жидкостью, также освобождая при этом радиальные отверстия 9 трубчатого элемента, которые соединены с наливной трубкой 11. В результате при опорожнении емкости 1 жидкость по гидравлическому тракту: наливной трубке 11, каналу К2 и радиальными отверстиями 9 трубчатого элемента 8, полость камеры-поплавка 16, центральный канал 20 штуцера направляется из емкости 1 для ее использования по целевому назначению, а газ по пневматическому тракту: периферийный кольцевой канал 21 штуцера, полость между соединительным элементом 6 и камерой-поплавком 16, наружное осевое отверстие 3 корпуса, канал К1 между наружной боковой поверхностью трубчатого элемента и стенками корпуса 2, дополнительные отверстия 12 подается внутрь емкости 1, вытесняя жидкость из емкости 1.
При заполнении емкости 1 (горлом вверх) жидкостью она под давлением по центральному каналу 20 штуцера подается в описанный выше гидравлический тракт клапанного механизма, а газ отводится из емкости 1 по описанному выше пневматическому тракту, то есть потоки жидкости и газа перемещаются по этим же трактам, но в противоположных направлениях, по отношению к их направлениях при отводе жидкости из емкости. При заполнении емкости 1 (горлом вниз) жидкость подается через канал К1, а газ отводится через канал К2.
При превышении пороговой величины давления в емкости 1 необходимо при эксплуатации емкости снижать или осуществить сброс давления в емкости 1. Такая ситуация показана на фиг.3. Под действием давления газа на запорный элемент 10 трубчатый элемент 8, преодолевая усилие пружины 15, перемещается вверх и внутрь камеры-поплавка 16, открывая при этом радиальные отверстия 9 трубчатого элемента и отделяя нижний торец трубчатого элемента 8 от канала наливной трубки 11. Газ при этом отводится из емкости 1 через дополнительные отверстия 12, трубчатый элемент 8, радиальные отверстия 9 трубчатого элемента, полость камеры-поплавка 16, наружное торцовое отверстие 18 камеры-поплавка. При достижении оптимальной пороговой величины давления в емкости 1 трубчатый элемент 8 под действием пружины 15 возвращается в закрытое исходное положение, как показано на фиг.1. В момент, когда под давлением газа внутри емкости 1 трубчатый элемент 8 совершает аксиальное движение и отделяется от наливной трубки 11, происходит гидравлическое соединение каналов К1 и К2 клапанного механизма и таким образом формируется один объем с газом повышенного давления внутри емкости 1 над жидкостью, а также внутри корпуса 2 клапанного механизма. Таким образом предотвращается эффект «сифона», т.е. сбрасывание газа вместе с жидкостью при срабатывании защитного клапана. При возвращении трубчатого элемента 8 в исходное положение, т.е. когда давление внутри емкости 1 достигнет заданного порогового значения, как показано на фиг.1, канали K1 и K2 клапанного механизма снова гидравлически разъединяются.
После определенного времени эксплуатации клапанного механизма неизбежно происходит загрязнение или засорение его элементов и для последующего нормального функционирования необходима тщательная очистка клапана. Очистка или промывка клапанного механизма осуществляется в его закрытом положении путем подачи очищающей жидкости или газа/водяного пара высокого давления в камеру-поплавок 16, как это показано на фиг.4. При этом поток очищающей среды воздействует на лопасти 19 камеры-поплавка и заставляет ее осуществлять аксиальные и/или вращательные движения между корпусом 2 и соединительным элементом 6, воздействуя потоком на загрязнения и налипания, скопившиеся во внутренней полости соединительного элемента, на пластине 13 уплотнительного элемента, запорном элементе 10, местах их соединения между собой и с корпусом 2. Таким образом происходит эффективная очистка клапанного механизма, который после этого вновь пригоден к нормальному функционированию.
Предлагаемый клапанный механизм обладает высокой эксплуатационной надежностью и имеет большой ресурс нормального функционирования за счет возможности эффективной очистки внутренней полости соединительного элемента, его уплотнительного элемента и места его посадки.