РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ КОНТЕЙНЕРА ДЛЯ ВЫДАЧИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
PRESSURE REGULATOR FOR CONTAINER FOR LIQUID DELIVERY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к регулятору давления для контейнера для выдачи текучей среды, поддерживающему постоянное заданное избыточное давление, согласно преамбуле пункта 1. Изобретение также относится к способу изготовления такого регулятора давления согласно пункту 8.
Емкости с регуляторами давления известны в патентной литературе на протяжении уже почти тридцати лет, но до сих пор серийно выпускаемые изделия не представлены на рынке.
В ЕР-А-0349053 описан мембранный датчик давления для аэрозольного баллончика, состоящего из двух камер. Первую камеру заполняют текучей средой, находящейся под относительно высоким давлением, а вторую камеру заполняют текучей средой под давлением, равным обычному избыточному давлению в аэрозольном баллончике, необходимому для выталкивания жидкости. В стенке второй камеры имеется мембрана, управляющая клапаном. Пробка в стенке поддерживает давление текучей среды - таким образом, что клапан остается в закрытом состоянии.
В публикации WO-А-93/22222 (Cruysberghs) от 1993 года раскрыт принцип действия регулятора давления для поддержания постоянного давления в контейнере. Описано множество различных вариантов осуществления данного устройства, но на практике ни одно из них не получило широкого коммерческого распространения.
Еще один пример подобного регулятора давления известен из публикации заявки PCT WO-A-99/62791. Описанное в ней устройство предназначено для поддержания постоянного заданного давления в контейнере, предназначенном для выдачи текучей среды. Регулятор давления содержит первую камеру и вторую камеру, а также укупорочный элемент, подвижный относительно второй камеры, для создания и прекращения сообщения по текучей среде между первой камерой и емкостью - в зависимости от положения укупорочного элемента относительно второй камеры. Первую камеру заполняют газом, который в рабочем состоянии находится под более высоким давлением, чем давление внутри контейнера. Вторую камеру закупоривают, когда газ находится под заданным, или эталонным, давлением, и она расположена снаружи первой камеры. Согласно первому варианту осуществления (Фиг.2) первая камера представляет собой чашеобразный держатель, расположенный в контейнере в перевернутом положении, продольный край которого соединен с дном и вертикальной боковой стенкой сосуда или контейнера. На Фиг.3 представлен второй вариант осуществления, согласно которому диаметр чашеобразной первой камеры значительно меньше внутреннего диаметра контейнера. Камера расположена в центре контейнера и соединяется с дном контейнера своим продольным краем. На Фиг.4 представлен третий вариант осуществления, согласно которому та же первая камера, что и на Фиг. 4, расположена эксцентрично относительно контейнера. На Фиг. 5 немного ниже середины сосуда (по высоте) предусмотрен диск, герметично соединенный с внутренней стенкой сосуда через уплотнительное кольцо. Этот диск делит сосуд на две фиксированные части. Аналогичная конструкция представлена на Фиг.6а и Фиг.6b. Кроме того, на Фиг.7 представлена первая камера регулятора давления, выполненная в виде плунжера, герметично прикрепленного к внутренней стенке контейнера посредством уплотнительного кольца, причем плунжер может перемещаться внутри контейнера в осевом направлении. Таким образом, плунжер делит емкость на две части, при этом верхнюю часть заполняют текучей средой, подлежащей выдаче. Сообщение по текучей среде от первой камеры заканчивается в нижней части. Когда давление в емкости падает после выдачи текучей среды посредством кнопки, расположенной вверху емкости, плунжер перемещается вверх благодаря перепаду давления между нижней и верхней частями, пока снова не восстановится равновесное давление между нижней и верхней частями. Следовательно, давление в нижней части падает - таким образом, что давление во второй камере становится выше, и укупорочный элемент открывает сообщение по текучей среде между первой камерой и нижней частью, чтобы давление в нижней части возросло. Затем плунжер снова перемещается вверх до достижения равновесного давления, соответствующего заданному, или эталонному, давлению во второй камере. И, наконец, согласно варианту осуществления, представленному на Фиг. 8, первая камера имеет цилиндрическую форму, и величина ее наружного диаметра соответствует величине внутреннего диаметра контейнера, в результате чего она устанавливается в контейнер по плотной посадке.
Только регулятор давления, представленный на Фиг.7, перемещается в осевом направлении. Во всех других примерах регулятор давления зафиксирован внутри контейнера. Комплектный регулятор давления, представленный на Фиг.7, представляет собой плунжер, выполняющий функцию подвижного поршня, выталкивающего выдаваемую текучую среду. Однако такая конструкция регулятора давления не является предпочтительной по причине большого размера, уменьшающего объем контейнера, который можно использовать под текучую среду.
Еще одной важной проблемой, связанной с вышеупомянутыми регуляторами давления, представляющими собой отдельные узлы, является необходимость повышения давления в первой и второй камерах перед установкой регулятора в контейнер. На практике это может оказаться очень сложно и дорого - например, в случае с алюминиевыми аэрозольными баллончиками, которые выполняются цельными на очень высокопроизводительных производственных линиях. Еще один большой недостаток состоит в том, что, как показала практика, давление в отдельном регуляторе, который устанавливают в контейнер уже после изготовления, довольно сильно падает в течение нескольких месяцев, неизбежно уходящих на хранение и поставку на предприятия розничной торговли. Кроме того, повышение давления в регуляторе приходится выполнять при закрытом сообщении по текучей среде, чтобы получить заданное давление. Таким образом, известные регуляторы давления не подходят для широкого промышленного применения.
Итак, технической целью настоящего изобретения является создание регулятора давления для контейнера для выдачи текучей среды, имеющего простую конструкцию. Еще одна цель настоящего изобретения состоит в разработке способа изготовления регулятора давления, легко собираемого в контейнере для выдачи текучей среды.
Эти и другие цели настоящего изобретения осуществляются с помощью регулятора давления согласно пункту 1 формулы изобретения и способа изготовления согласно пункту 8.
Основное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что повышенное давление в регуляторе давления создается после установки в выдачный флакон и заполнения его жидкостью. Это означает, что повышенное давление в регуляторе давления можно создавать одновременно с заполнением флакона жидкостью. Таким образом, исключается необходимость предварительного создания избыточного давления в регуляторе, которая присутствовала в предшествующем уровне техники - например, в вышеописанных примерах. Благодаря тому что вторая камера охватывает первую камеру, можно получить очень компактную конструкцию регулятора давления так, что доля полезного объема флакона значительно больше, чем в известных вариантах осуществления. Благодаря тому что регулятор изготавливается заранее и легко устанавливается в существующие пластиковые флаконы, можно использовать существующие технологические процессы изготовления флаконов и заполнения их, например, косметической продукцией, сопровождая эти процессы лишь незначительными дополнениями в производственной поточной линии.
Дополнительные преимущества изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы и в последующем описании, где представлен пример варианта осуществления изобретения, описанный со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
Фиг.1 - вид в перспективе, снизу регулятора давления с пространственным разделением деталей, где некоторые детали показаны в увеличенном масштабе;
Фиг.2 - вид сверху того же регулятора давления;
Фиг.3 - вид в перспективе регулятора давления, снизу и сверху с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий процесс сборки регулятора давления;
Фиг.4 - вид в перспективе и в разрезе собранного регулятора давления;
Фиг.5 - три вида в разрезе собранного регулятора давления.
Номера ссылочных позиций, связанные с элементами конкретного чертежа, соответствуют данным элементам и на остальных чертежах, если не указано иное.
На Фиг.1 и 2 регулятор 1 давления, предназначенный для поддержания постоянного заданного избыточного давления в контейнере, изображен в перспективе и с пространственным разделением деталей. Регулятор 1 содержит первую камеру 2, снабженную первой цилиндрической или чашеобразной вставкой 3 с подвижным поршнем 4, снабженным большим уплотнительным кольцом 5, и вторую камеру 6, снабженную бутылковидным вторым цилиндром 7, с открытым концом 8 и закрытым концом 9. Открытый конец 8 цилиндра 7 имеет сужающийся горловой участок 10 и фланец 11, на котором установлена кольцевая вставка, или укупорочное средство, 12, со ступенчатым воронкообразным раструбом 13, в котором закреплена чашеобразная вставка 3. Поршень 4 содержит шток 14 с концевым участком 15 большего диаметра (Фиг.2). Стопорный элемент 16 с уплотнительным кольцом 17 установлен с другого конца укупорочного элемента 12, образуя вместе с седлом клапана в укупорочном средстве запорный, или регулировочный, клапан. В дне 9 цилиндра 7, в отверстии 19 для создания повышенного давления в цилиндре 7, установлена притертая пробка (пробка Николсона) 18.
На Фиг.1а стопорный элемент 16 показан в увеличенном масштабе. Он содержит цилиндрическую часть 20 и кольцевую часть 21 большего диаметра с расположенными снизу рифлеными зубьями 22 для ультразвукового приваривания к нижнему ободу 23 укупорочного средства 12. Во внутренней кольцевой полости 24 стопорного элемента 16 обеспечены три направляющих ребра 25, расположенные под углом на расстоянии друг от друга 120°, для направления штока 14 поршня. Кроме того, шток 14 поршня содержит две канавки, параллельные оси штока, для отвода газа или воздуха под высоким давлением через регулировочный клапан, образованный концевым участком 15 штока 14 и малым уплотнительным кольцом 17. Эти канавки продолжаются до концевого участка 15. На Фиг.1b укупорочное средство 12 показано в увеличенном масштабе. Как видно на чертеже, обеспечен большой обод 26, снабженный кольцевой канавкой 27 с расположенными по периметру внутренними зубьями 28 и наружными зубьями 29 для приваривания укупорочного средства 12 к фланцу 11 цилиндра 7 посредством ультразвуковой сварки. На Фиг.1с показана в увеличенном масштабе чашеобразная вставка 3 с круглой верхней накладкой 31 (см. Фиг.2с), снабженной шестью выемками 32, равномерно распределенными по периметру, образуя выступы 33, с нижних сторон которых имеются рифленые зубья 34. Кроме того, с открытого конца 36 цилиндрической чаши 3 обеспечены осевые прорези 37. В собранном состоянии поршень 4 с уплотнительным кольцом 5 лишь прикрывает концы прорезей 37 в условиях равновесного давления, т.е. в исходном положении, или при нормальном давлении. Кроме того, в непосредственной близости к открытому концу вставки 3, на внутренней стенке 38 в конце прорезей 37, может быть обеспечена внутренняя ступенька 39, в которую поршень 4 с уплотнительным кольцом 5 упирается в исходном положении, или при нормальном давлении (см. ниже). Для уменьшения трения между уплотнительным кольцом 5 и стенкой чашеобразной вставки 3 используют антифрикционный гель, изготовленный, например, из силикона или графитовой смазки, которым покрывают уплотнительное кольцо 5.
На Фиг.2, а также 2а, 2b и 2с номера ссылочных позиций на которых совпадают с номерами элементов, показанных на Фиг.1а, 1b и 1с, изображен тот же самый регулятор давления, что и на Фиг.1, но в перевернутом положении.
На Фиг.3а и 3b показано взаимное расположение различных деталей, описанных выше, при сборке.
На Фиг.4 представлен вид в разрезе регулятора 1 давления в собранном состоянии, причем стрелки 35 указывают на зоны сварки между укупорочным средством 12 и фланцем 11 второго цилиндра 7, между выступами 33 и внутренней кольцевой ступенькой 40 раструба 13, а также между кольцевой частью 21 стопорного элемента 16 и нижним ободом 23 укупорочного средства 12.
Принцип работы
Процесс функционирования вышеописанного регулятора 1 давления состоит в следующем: вторая камера 6 заполнена инертным газом - как правило, это обычный воздух, - под избыточным давлением около 8 бар. В собранном состоянии давление в первой камере 2 нормальное, а уплотнительное кольцо 5 поршня 4 лишь прикрывает концы прорезей 37 или лежит на внутренней ступеньке 39 соответственно. Усилие, прилагаемое к штоку 14 вследствие избыточного давления во второй камере 6, толкает поршень к круглой верхней накладке 27 вставки 3, пока не закроется клапан между стопорным элементом 16 и уплотнительным кольцом 17. Так как давление над поршнем 4 повышается в соответствии с законом Бойля-Гей-Люссака, а общая температура остается постоянной, давление в первой камере 2 пропорционально объему при закрытии клапана и объему в исходном положении (при нормальном давлении). Прорези 32 и выемки 28 вставки 3 образуют канал из второй камеры 6, ведущий через клапан наружу, т.е. через верхнюю накладку 27 вставки 3. Собранный таким способом регулятор 1 давления устанавливают внизу контейнера для текучей среды, снабженного, например, клапаном распыления, приводимым в действие кнопкой. Если давление в емкости равно давлению регулирования в первой камере 2, регулировочный клапан регулятора 1 давления остается закрытым. Однако если часть текучей среды выдают через клапан распыления, то давление в контейнере падает, а регулировочный клапан будет открываться так, что газ под избыточным давлением будет подаваться из второй камеры 6 в контейнер. Давление в контейнере и давление регулирования довольно быстро уравновешиваются, и регулировочный клапан опять закрывается.
Если через клапан распыления выдают большее количество текучей среды, регулировочный клапан колеблется между открытым и закрытым положениями. На практике поршень при повороте уплотнительного кольца 34 перемещается лишь на десятую или сотую долю миллиметра, открывая и закрывая клапан.
Расчетные данные
Математические модели регулятора давления показывают, что давление регулирования описывается следующим уравнением:
с
где Р - давление регулирования, или избыточное давление,
R
Р - давление во второй камере,
1
Р - давление в исходном положении (при нормальном давлении),
1
А - площадь штока поршня,
2
А - площадь поршня,
1
V- объем в первой камере над поршнем в исходном положении,
2
V - объем во второй камере над поршнем при повышенном давлении.
с
R
R
с
R
Таким образом, данное уравнение позволяет рассчитывать давление в контейнере при заданном давлении во второй камере 6, заданных размерах поршня 4 и штока 14 поршня. Кроме того, уравнение показывает, что давление Р регулирования в первой камере 2 слегка повышается при понижении давления Рво второй камере, пока Рне станет равным Р, при этом регулятор 1 давления остается открытым. Таким образом, уравнение позволяет также определять минимальное давление Р, требуемое для выдачи всей текучей среды из контейнера.
2
с
с
При заданных геометрических размерах поршня 4 и штока 14 поршня объем V определяет давление регулирования, или избыточное давление Р. Следовательно, меняя одну лишь толщину поршня 4, можно обеспечить разные значения давления Р регулирования для одной геометрической формы чашеобразной вставки 3.
Процесс изготовления
Чашеобразную вставку 3 и укупорочное средство 12 изготавливают литьем из полиэтилентерефталата. Поршень 4 со штоком 14 поршня и стопорным элементом 16 изготавливают литьем из полиоксиметилена. Цилиндр 7 в форме бутылки изготавливают выдуванием из полиэтилентерефталата. Основные преимущества выдувания при изготовлении цилиндра 7 состоят в том, что с помощью одного инструмента можно изготавливать цилиндры разных размеров, и ориентация растягиваемого полиэтилентерефталата в процессе выдувания ведет к созданию более высококристаллической структуры, придающей материалу повышенную прочность и хорошую газонепроницаемость.
Процесс сборки протекает следующим образом: сначала поршень 4 с уплотнительным кольцом вставляют в чашеобразную вставку 3. Затем вставку 3 вставляют в воронкообразный раструб 13 укупорочного средства 12 - до тех пор, пока выступы 33 своими зазубренными зубцами 34 не упрутся плотно в кольцевую ступеньку раструба 13. Затем вставку 13 приваривают ультразвуковой сваркой к раструбу 13. После этого стопорный элемент 16 с малым уплотнительным кольцом 17 надевают на шток 14 поршня и защелкивают его, прикрепляя к раструбу 13; в результате уплотнительное кольцо 17 оказывается зажатым между раструбом 13 и верхней стороной стопорного элемента 16. Затем кольцевой участок 20 стопорного элемента 16 приваривают ультразвуковой сваркой к нижнему ободу раструба. И в завершение укупорочное средство 12 устанавливают на фланец 11 цилиндра 7 и приваривают к нему ультразвуковой сваркой. Собранный таким способом регулятор 1 готов к применению, т.е. к установке в контейнер для выдачи текучей среды, снабженный, например, распылителем. После этого цилиндр 7 заполняют сжатым инертным газом или воздухом, причем избыточное давление составляет, например, 8 бар - таким образом, чтобы поршень 4 поднялся, регулировочный клапан, образованный штоком 14 поршня и малым уплотнительным кольцом 17, закрылся, и в емкости возникло заданное избыточное давление. При необходимости сборка может быть выполнена в другой последовательности.
Очевидно, что сварку элементов можно осуществлять и другими видами сварки, такими как ротационная сварка, лазерная сварка или любой другой известный способ сварки пластмасс, а также посредством склеивания или механического крепления - например, защелками или винтами.
Еще одно преимущество изобретения состоит в том, что, так как для расфасовывания под давлением используется только атмосферный воздух или подходящий инертный газ, снимаются повышенные требования к безопасности для производственных помещений, оборудования и окружающей среды, которые обычно необходимы в случае расфасовки в аэрозольные баллончики опасных воспламеняемых жидкостей.