КЛАПАН ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ ВЯЗКОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ КРАСОК
VALVE TO DISPENSE VISCOUS FLUID, IN PARTICULAR, DYES

Область техники
Изобретение относится к клапану для дозирования вязких текучих сред, в частности для дозирования красок. Клапан в соответствии с предлагаемым изобретением находит предпочтительное применение в области дозирования колеров для автомобильных красок.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время в области кузовного ремонта автомобилей краску для окрашивания транспортного средства получают путем смешивания некоторого количества базовых колеров, обычно от пяти до десяти таких базовых колеров. Это смешивание обычно осуществляется на основе формулы, определяемой изготовителем краски и уточняющей массу краски каждого базового колера, подлежащей введению в смесь, для определенной общей массы смеси. Известные системы дозирования позволяют достигнуть точности дозирования порядка 0,1 г, что оказывается достаточным для приготовления смеси, имеющей общую массу от 100 до 300 г в зависимости от колера.
Известные технические решения для дозирования красок в области кузовного ремонта основываются на принципе дозирующей крышки, установленной на контейнере, обычно представляющем собой жесткий короб, как раскрыто, например, в документе WО 2006/027450 А2. Оператор наклоняет короб, снабженный крышкой, и приводит в действие систему открытия для того, чтобы обеспечить возможность вытекания краски под действием силы тяжести. Изменяя наклон и степень открытия отверстия, оператор управляет дозированием с точностью до капли. В других известных системах дозирования используются полужесткие или гибкие контейнеры. При этом оператор использует давление, которое он оказывает на контейнер, для выдавливания краски через установленное устье и может управлять дозированием капель.
Недостаток таких систем заключается в том, что точность дозирования ограничена массой капли краски, примерно от 0,03 до 0,1 г. С другой стороны, эта капля может в каждый момент времени либо упасть в сосуд смешивания и изменить количество взвешиваемого состава, либо остаться, приклеившись к устью, и загрязнять его. Однако в настоящее время базовые колеры становятся все более концентрированными и легко намазываемыми, а поверхности, подлежащие ремонту, становятся все меньшими, что создает потребность в приготовлении небольших порций краски, составляющих примерно от 30 до 50 г. При этом для получения той же колориметрической точности, которая достигается при дозировании в 0,1 г для приготовления от 100 до 300 г смеси, потребуется большая точность дозирования, доходящая до 0,01 г. Таким образом, появляется необходимость контролировать массу, определенно меньшую, чем масса одной капли.
Другой феномен, специфическим образом относящийся к краскам, состоит в том, что вязкость этих красок может изменяться в относительно широких пределах. Действительно вязкость зависит от многих факторов, таких, в частности, как температура текучей среды, и в том случае, когда речь идет о краске, потеря растворителя. В частности, для относительно недавно разработанных красок с высоким содержанием сухого экстракта и, соответственно, с малым содержанием растворителя, даже небольшая потеря растворителя влечет за собой существенное повышение вязкости.
Однако эти изменения вязкости оказывают существенное влияние на точность дозирования, в частности, по соображениям завихрений, возникающих в процессе выброса струи краски, в той мере, в какой вязкость представляет собой существенный фактор в определении характеристик турбулентного течения.
В патентном документе GВ 207392 описан клапан дозирования жидкости, содержащий муфту с закругленным концом, имеющую отверстие на одном из своих концов, и плунжер, размещенный внутри этой муфты с закругленным концом и имеющий возможность перекрывать упомянутое отверстие. Такой клапан выполнен с возможностью дозирования горячих жидкостей и жидкостей, обладающих коррозионными свойствами. Однако этот клапан практически не обеспечивает дозирования жидкостей, имеющих некоторую вязкость и обладающих тенденцией к быстрому засыханию, как это свойственно для красок. Действительно, вязкая жидкость, проходящая через этот клапан, будет иметь тенденцию к существенному замедлению своего движения на уровне нижнего отверстия в форме удлиненной трубки этого клапана. Это замедление движения связано с вязкостью жидкости и, соответственно, со значительным трением, которое будет возникать между этой жидкостью и стенками трубчатого отверстия клапана. Таким образом, будет существовать весьма высокая вероятность того, что часть вязкой жидкости останется в трубчатом отверстии и высохнет там, закупоривая клапан и делая его непригодным для дальнейшего использования.
В документе ЕР 0252421 А1 описан другой тип клапана, содержащий муфту с закругленным концом, имеющую отверстие на одном из своих концов и снабженный плунжером для перекрытия этого отверстия. Этот клапан разработан для автоматических дозаторов напитков, то есть для работы с жидкостями, не являющимися вязкими и не требующими слишком высокой точности дозирования, т.е. они не являются жидкостями, связанными с явлениями высыхания и абразивного износа.
В документе ЕР 0283137 А1 описан клапан того же типа (с муфтой с закругленным концом и с плунжером перекрытия), выполненный с возможностью выдачи жидкостей, таких как краски. Плунжер заканчивается золотником типа «конус в конусе» (конический подвижный клапан, упирающийся в коническое посадочное место вокруг отверстия муфты с закругленным концом), при этом для устранения явлений удержания и для облегчения очистки головки клапана поверхность дистального конца плунжера располагается на одном уровне с отверстием в положении перекрытия. Однако вследствие своей геометрии этот клапан обладает недостатком, который заключается в том, что клапан в открытом положении создает турбулентное течение, в частности, под действием давления выпускаемой жидкостью. Турбулентность является нежелательной для удовлетворительного дозирования и она, кроме того, обычно вызывает формирование капли на конце клапана сразу после его закрытия, вследствие этого возникает необходимость предусматривать такую наружную форму, которая облегчает очистку клапана после использования.
В документе DЕ 3409142 А1 описан клапан похожей конструкции, предназначенный для выдачи пищевых жидкостей, таких, например, как концентрированные напитки, и обладающий теми же недостатками и ограничениями, что и клапан из описанного выше документа.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одна из технических задач данного изобретения состоит в том, чтобы устранить описанные выше недостатки и предложить новую конструкцию клапана, специально предназначенную для дозирования с очень высокой точностью вязких жидкостей, таких как краски.
Основной задачей настоящего изобретения является создание клапана, который позволяет избежать трудностей, связанных с вязкостью жидкости, в процессе принудительного выталкивания этой жидкости через клапан.
Более конкретно задача данного изобретения состоит в создании клапана, который по существу позволяет обеспечить реализацию совокупности следующих преимуществ:
- очень высокую точность дозирования;
- высокую степень повторяемости количеств выдаваемой текучей среды;
- относительно небольшую чувствительность к изменениям вязкости текучей среды;
- отсутствие захватывания и удерживания краски на уровне отверстия клапана таким образом, чтобы исключить локальное удерживание и опасность засыхания краски;
- совместимость со струей высокого давления, в частности, в случае использования в сочетании с приемным сосудом под давлением.
Последний из перечисленных выше аспектов, а именно надежное управление струей краски, является особенно важным в применении для дозирования колеров для приготовления красок.
Действительно, необходимо располагать хорошо контролируемым расходом текучей среды, что требует поддержания резервуара под давлением, то есть локального поддержания более высокой скорости течения на уровне отверстия клапана.
Здесь важно, чтобы струя оставалась ламинарной, в противном случае появление завихрений будет вызывать образование капли на конце клапана вокруг его выходного отверстия в конце процесса дозирования.
Кроме того, следует учесть возможности преодоления неконтролируемых явлений, оказывающих влияние на вязкость текучей среды, например изменения температуры, потерю растворителя, изменения вязкости от одной произведенной партии материала к другой или от одного колера краски к другому.
В соответствии с предлагаемым изобретением поставленные выше задачи решаются посредством создания клапана дозирования, тип которого был описан в упомянутом ранее документе ЕР 0283137 А1. Указанный клапан содержит муфту с закругленным концом, имеющую отверстие на одном из ее концов, плунжер, размещенный внутри этой муфты с закругленным концом, и обтюратор, способный перекрывать упомянутое отверстие, причем обтюратор в положении перекрытия расположен на одном уровне с наружной поверхностью муфты с закругленным концом в непосредственной близости от отверстия.
В соответствии с предлагаемым изобретением заявленный клапан характеризуется тем, что отношение между диаметром поверхности прохода и глубиной отверстия определенно превышает 1.
Здесь под выражением "поверхность прохода" следует понимать поверхность Sо отверстия в направлении, поперечном по отношению к направлению протекания текучей среды. Эта поверхность прохода может быть круглой и имеет при этом диаметр Dо. Этот диаметр Dо представляет собой длину, которая также может быть определена как диаметр отверстия. Выражение "глубина" отверстия здесь определяет размер, который также может быть назван "толщиной" отверстия. При этом речь идет о длине отверстия в направлении протекания текучей среды. Следовательно, глубина отверстия является перпендикулярной по отношению к поверхности прохода этого отверстия.
Таким образом, отверстие выполнено так, чтобы иметь возможно меньшую длину этого отверстия, обеспечивающую направление струи текучей среды, проходящей через клапан, причем отверстие выполнено в зоне небольшой толщины и длина зоны контакта между отверстием и струей является относительно небольшой по сравнению с поверхностью отверстия.
В частности, поскольку размер отверстия выбран так, что имеет возможно меньшую длину, обеспечивающую направление движения струи текучей среды в непосредственной близости от устья (причем отверстие выполнено в зоне относительно небольшой толщины), длина зоны контакта между отверстием и струей жидкости будет уменьшенной, что позволяет сохранить совершенно ламинарное течение, несмотря на высокую кинетическую энергию выталкивания струи.
Таким образом, расход текучей среды зависит только от характеристик, присущих геометрии клапана, от давления, приложенного к текучей среде, и от плотности этой текучей среды при том, что он практически не зависит от вязкости текучей среды. Это позволяет осуществлять дозирование предельно точным и надежно воспроизводимым образом.
Специфическая конфигурация клапана в соответствии с предлагаемым изобретением дополнительно способствует четкому прерыванию струи текучей среды без образования подтеков и без формирования капли на уровне отверстия. Устранение формирования такой капли или существенное уменьшение ее размеров позволяет значительно повысить точность дозирования, избавляясь при этом от дисперсии, связанной с этой каплей, и существенно уменьшая загрязнение клапана.
Если обозначить через Dо диаметр поверхности прохода и через Р глубину, описанное выше условие может быть записано в следующей форме:
Dо/Р>>1
(Уравнение 1)
Условие "определенно превышает 1" означает, что упомянутое отношение равно или превышает 3. И предпочтительным образом это отношение равно или превышает 5, что может быть записано в следующей форме:
Dо/Р≥5
(Уравнение 2)
Благодаря отверстию с описанным выше соотношением размеров, проход клапана весьма резко уменьшается на очень малой длине в соответствии с принципом действия диафрагмы. Зона муфты с закругленным концом, содержащая упомянутое отверстие, может, таким образом, быть обозначена как "диафрагма". Поток текучей среды оказывается под атмосферным давлением непосредственно на выходе из этой диафрагмы. На уровне сужения этой диафрагмы движение текучей среды существенно ускоряется на очень малой длине.
В соответствии с законом Бернулли это ускорение соответствует очень быстрому преобразованию потенциальной энергии давления в кинетическую энергию, без эффекта вязкости. Эта диафрагма имеет очень малую длину, чтобы ограничить потери напора по потоку позади сужения и устранить явления турбулентности, описанные Рейнольдсом, несмотря на значительную скорость движения текучей среды.
Таким образом, можно получить ламинарную струю текучей среды, расход которой зависит только от характеристик диафрагмы, от давления, приложенного к текучей среде на входе клапана, и от плотности этой текучей среды. Вязкость текучей среды здесь практически не оказывает влияния. Это явление оказывается важным для управления дозированием, поскольку если характеристики диафрагмы, приложенное давление и плотность текучей среды являются стабильными и удобными для надежного контроля, вязкость текучей среды зависит от многочисленных факторов, в частности от ее температуры и, в том случае, когда речь идет о красках, от потери растворителя. Для недавно разработанных красок с высоким содержанием сухого экстракта, то есть для красок с небольшим содержанием растворителя, даже небольшая потеря этого растворителя влечет за собой значительное повышение вязкости.
Другое преимущество ламинарной струи связано с тем, что на выходе диафрагмы текучая среда имеет высокую скорость, то есть обладает большой кинетической энергией. Поскольку связанная с этой диафрагмой система перекрытия, а именно плунжер, установленный по потоку перед этой диафрагмой и имеющий возможность перекрывать расход текучей среды непосредственно на уровне сужения диафрагмы, а именно отверстие муфты с закругленным концом, резко перекрывает упомянутое отверстие при помощи плунжера, обеспечивается очень надежная отсечка струи.
Эта отсечка струи располагается в зоне, где текучая среда имеет достаточно высокую скорость движения, то есть расход текучей среды по потоку перед выходным отверстием резко останавливается. Что касается текучей среды, располагающейся по потоку непосредственно за зоной перекрытия, то она обладает значительной кинетической энергией и продолжает свое движение. Именно эта кинетическая энергия позволяет текучей среде освободиться от сил сцепления с поверхностями диафрагмы и плунжера и исключить, таким образом, формирование капли. Устранение формирования капли или существенное уменьшение ее размеров позволяет существенно повысить точность дозирования, преодолевая дисперсию, связанную с этой каплей, при этом обеспечивается существенное уменьшение загрязнения клапана.
В положении перекрытия обтюратор располагается на одном уровне с наружной поверхностью муфты с закругленным концом в непосредственной близости от отверстия, и этот обтюратор, таким образом, оказывается способным полностью перекрыть упомянутое отверстие без зоны задержки, что способствует резкой отсечке струи текучей среды без образования подтеков и без формирования капли на уровне отверстия.
Предпочтительно поверхность перекрытия упомянутого обтюратора имеет форму острия, плоскую форму или форму усеченной сферы.
Здесь под выражением "усеченная сфера" следует понимать некоторую часть сферы. Усеченная сфера также может быть определена как обрезанная или усеченная сфера, в которой отсутствует некоторая ее часть. Таким образом, "усеченная сфера" представляет собой некоторую часть сферы так же, как и усеченная часть конуса представляет собой некоторую часть этого конуса.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации муфта с закругленным концом содержит, если смотреть на нее снаружи, выпуклую или плоскую зону, располагающуюся в непосредственной близости от упомянутого отверстия.
Такая плоская зона, или же выпуклая или выгнутая наружу зона, не представляет внешних полостей или вогнутостей, которые могли бы служить в качестве зоны удержания текучей среды. Таким образом, формирование подтеков или капель практически не допускается.
Предпочтительно форма упомянутой выпуклой зоны может соответствовать форме полусферы.
Кроме того, в случае выпуклой зоны, отверстие может располагаться на вершине этой выпуклой зоны. В случае плоской зоны отверстие может располагаться в центре плоской зоны.
Предпочтительно плунжер изготавливается из магнитного материала.
В этом случае клапан дополнительно может содержать головку, изготовленную из магнитного материала, причем эта головка и плунжер реализуются таким образом, чтобы наличие магнитного поля могло создавать силу притяжения между головкой и плунжером. Таким образом, под действием магнитного поля плунжер может быть притянут к головке, чтобы освободить упомянутое отверстие. Предпочтительно на фазе притяжения плунжер находится в положении упора в упомянутую головку.
Кроме того, отношение поверхности прохода муфты с закругленным концом к поверхности прохода отверстия определенно превышает 1.
Если обозначить через Sd поверхность прохода муфты с закругленным концом и через Sо поверхность прохода отверстия, то это отношение может быть записано как:
Sd/Sо>>1
(Уравнение 3)
Условие "определенно превышает 1" означает, что упомянутое отношение превышает или равно 9 (3×3). Предпочтительным образом это отношение превышает или равно 50, что может быть записано в следующей форме:
Sd/Sо≥50
(Уравнение 4)
Поверхность прохода муфты с закругленным концом определяется как максимальная протяженность камеры, определяемой этой муфтой с закругленным концом в направлении, перпендикулярном направлению протекания текучей среды.
При таком отношении между двумя поверхностями прохода канал, располагающийся по потоку перед зоной перекрытия клапана, предполагает относительно большой проход. Это позволяет в максимально возможной степени ограничить влияние вязкости текучей среды на скорость протекания. Таким образом, потери напора по потоку перед диафрагмой оказываются весьма незначительными, поскольку сечение прохода является достаточно большим, вследствие чего скорость текучей среды является относительно малой. Циркуляция потока текучей среды через клапан вплоть до отверстия в муфте с закругленным концом облегчается в результате значительного сечения прохода против выходного отверстия. Речь идет, с одной стороны, об ограничении потерь напора, зависящих от вязкости, а с другой стороны, об устранении турбулентных режимов по потоку перед зоной перекрытия.
Другими словами, при соблюдении упомянутого выше отношения обеспечивают очень резкое уменьшение сечения прохода текучей среды. Зона, располагающаяся по потоку перед отверстием, является относительно широкой и расширяющейся, а отверстие предполагает очень резкое сужение, как это имеет место в диафрагмах, используемых в качестве регуляторов расхода в гидравлике.
В соответствии с предпочтительным способом реализации клапан дозирования дополнительно содержит пружину, имеющую возможность толкать плунжер в положение перекрытия. Предпочтительным образом упомянутая пружина располагается, по меньшей мере, частично, внутри плунжера.
Предпочтительно плунжер может содержать, по меньшей мере, одно отверстие, позволяющее обеспечить прохождение текучей среды из зоны подачи муфты с закругленным концом в направлении отверстия этой муфты с закругленным концом.
Клапан дозирования предпочтительно дополнительно содержит средство, способное перемещать плунжер между положением перекрытия и положением освобождения отверстия. В соответствии с предпочтительным вариантом реализации это средство содержит электрическую катушку, надетую на муфту с закругленным концом.
Чтобы ограничить влияние переходного режима, в течение которого поток не является ламинарным, предпочтительно, чтобы открытие и закрытие клапана происходило, возможно, более быстро.
Кроме того, если клапан управляется по принципу "все или ничего", его управление легко может быть автоматизировано.
Предлагаемое изобретение относится также к контейнеру для текучей среды с клапаном, имеющим, по меньшей мере частично, характеристики, описанные ранее.
В таком контейнере перемещение текучей среды может осуществляться путем помещения этой текучей среды под давлением. При таком перемещении текучей среды под действием давления недостатки системы с использованием силы тяжести, такой как описана в документе WО 2006/027450 А2, и сильно зависящей от уровня заполнения контейнера, больше не существуют. Создание давления текучей среды позволяет освободиться от влияния изменений уровня контейнера. Действительно, не составляет труда приложить давление, достаточно высокое для того, чтобы сделать пренебрежимо малым влияние уровня заполнения контейнера. В этом случае относительное давление между текучей средой в зоне подачи муфты с закругленным концом и внешней средой клапана предпочтительным образом является стабильным.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает пример реализации клапана в соответствии с предлагаемым изобретением в продольном разрезе в закрытом положении;
Фиг.2 изображает вид спереди плунжера клапана, показанного на фиг.1;
Фиг.3 изображает клапан, показанный на фиг.1, в открытом положении во время протекания текучей среды через клапан;
Фиг.4 изображает детальный вид нижней части клапана, показанного на фиг.1;
Фиг.5 изображает вид в разрезе по линии V-V на фиг.1.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 представлен пример реализации клапана в соответствии с предлагаемым изобретением, клапан показан без своей электромагнитной системы управления и в закрытом положении.
Клапан образован головкой 2, присоединенной к резервуару с текучей средой (не показан). Головка изготавливается из материала, проницаемого для магнитного потока. Муфта 3 с закругленным концом закрепляется на головке 2. Эта муфта изготавливается из немагнитного материала. Она содержит на своем конце отверстие 3.1. Направляемый в муфту с закругленным концом плунжер 4 изготовлен из материала, проницаемого для магнитного потока. Этот плунжер 4 содержит обтюратор 4.1, способный перекрывать отверстие 3.1 в муфте 3 с закругленным концом. Обтюратор 4.1 может представлять собой дополнительную деталь из эластомера, и поверхность 11 перекрытия (см. фиг.3) может принимать форму острия, плоскости или усеченной сферы. Плунжер удерживается в своем нижнем положении под действием пружины 5.
Текучая среда подводится в зону 1 подачи под определенным относительным давлением, которое может создаваться при помощи любого подходящего в данном случае средства, при помощи простого воздействия силы тяжести или при помощи создания разрежения во внешней, окружающей клапан среде. Текучая среда движется в корпусе клапана внутри и вокруг плунжера 4 и пружины 5. Текучая среда легко движется вплоть до зоны 1.1 перекрытия через широкие отверстия 4.2, выполненные в плунжере 4.
На фиг.2 изображен вид плунжера 4 и демонстрируются отверстия 4.2, позволяющие текучей среде циркулировать из зоны 1 подачи к зоне 1.1 перекрытия.
На фиг.3 изображен клапан в его рабочей конфигурации и в открытом положении. На клапане размещена цилиндрическая катушка 6, способная индуцировать магнитное поле в головке 2 и в плунжере 4 через муфту 3 с закругленным концом. Магнитное поле создает усилие притяжения между головкой 2 и плунжером 4. В том случае, когда это усилие оказывается превышающим сопротивление пружины 5, плунжер 4 поднимается вместе с обтюратором 4.1, что приводит к освобождению отверстия 3.1 в муфте 3 с закругленным концом. При этом текучая среда может также выходить из клапана в виде ламинарной струи 1.2 для попадания в сосуд 7, установленный на чашке 8 весов.
На фиг.4 изображен детальный вид нижней части муфты 3 с закругленным концом. Здесь отчетливо можно видеть диаметр Dо поверхности Sо прохода отверстия 3.1, глубину Р этого отверстия 3.1, выпуклую зону 10 муфты 3 с закругленным концом, а также наружную поверхность 9 муфты 3 с закругленным концом, располагающуюся в непосредственной близости от отверстия 3.1.
На фиг.5 изображен вид в разрезе по линии V-V, показанной на фиг.1. На этом виде в разрезе опущены пружина 5 и плунжер 4 для того, чтобы иметь возможность более отчетливо показать поверхность Sd прохода муфты 3 с закругленным концом и поверхность Sо прохода отверстия 3.1. Здесь ясно видно, что Sо определенно меньше Sd. Следует отметить, что Sd соответствует всей совокупности поверхности, ограниченной стенками муфты 3 с закругленным концом, и включает, в частности, поверхность Sо. Таким образом, Sо может рассматриваться как центральная часть Sd.
Благодаря клапану в соответствии с предлагаемым воплощением изобретения получают систему дозирования, которая находит особенно предпочтительное применение для дозирования красок базовых колеров для ремонта автомобиля. Эта система дозирования экономически адаптирована к кузовам средних размеров, обладает высокой точностью, отличается простотой использования и требует минимума затрат на очистку.
Разумеется, использование клапана в соответствии с предлагаемым изобретением не ограничивается областью окраски автомобилей. Действительно, такой клапан может быть использован в любой области, где требуется точное и надежное дозирование текучей среды.