КРЫШКА-НЕПРОЛИВАЙКА ДЛЯ ЕМКОСТИ С НАПИТКОМ
TIGHT CAP FOR CONTAINER WITH DRINK

Область техники изобретения
Это изобретение относится к крышкам-непроливайкам для емкостей с напитками, а именно к съемным или несъемным крышкам-непроливайкам для сосудов с напитками.
Уровень техники изобретения
Хорошо известно, что чашки-непроливайки для использования детьми и инвалидами пользуются большим спросом. Эти чашки, непроницаемые для жидкости и, желательно, непроницаемые для воздуха, предназначены для предотвращения вытекания жидкости, если ребенок наклоняет или опрокидывает чашку или если чашка падает набок или даже переворачивается. Желательно, чтобы жидкость не выливалась из чашки, если ее встряхивают или раскачивают, поскольку это случается, когда ребенок беззаботно разгуливает с чашкой.
Существует ряд известных конструкций чашек, служащих этой цели. Первая конструкция требует совершения некоторых расчетливых действий для закрытия и/или открытия чашек; ее очевидным недостатком является тот факт, что операцию закрытия нельзя доверить ребенку. Вторая конструкция включает пневмоклапан, который автоматически открывается в результате снижения давления в носике и снова закрывается при снятии давления всасывания. Общим недостатком таких клапанов является их «неспособность» различить высокое давление в сосуде и низкое давление в носике. Поэтому эти клапаны неэффективны для предотвращения утечки или в ином случае не обеспечивают желаемого уровня сопротивления давлению всасывания.
Еще один недостаток чашек с пневмоклапанами - невозможность их безопасного применения с газированными или горячими напитками. В последнем случае при опрокидывании чашки жидкость нагревает воздух в незаполненном объеме, что приводит к повышению давления в сосуде, поскольку выход уже перекрыт жидкостью, которая затем вытекает.
Для устранения описанных выше недостатков в этом изобретении предусматривается использование самоуплотняющегося распределительного клапана, где «самоуплотняющийся» означает, что давление в сосуде закрывает, а не открывает клапан. Еще одно достоинство такого клапана заключается в том, что его конструкция обеспечивает открытие клапана при очень низком уровне давления всасывания.
Простой распространенный способ создания самоуплотняющегося распределительного клапана заключается в конструировании его таким образом, чтобы запирающий элемент клапана перемещался в направлении, противоположном направлению потока жидкости при открытии клапана. Примеры таких клапанов представлены в US 5409035, US 3493011 и US 6554023. Клапан включает мембрану, на одну сторону которой действует постоянное давление, как правило, атмосферное, и которая с другой стороны воздействует на запирающий элемент клапана. Запирающий элемент перемещается в направлении закрытого положения, в котором он плотно прижимается к гнезду клапана. Давление на выпускной стороне чашки действует на другую сторону мембраны таким образом, чтобы при создании на выходе давления всасывания, мембрана перемещала запирающий элемент клапана в направлении от гнезда для открытия клапана. В отсутствие давления всасывания на выходе сила смещения возвращает запирающий элемент клапана в закрытое положение и удерживает его в нем, причем положительное давление на впуске клапана увеличивает запирающее усилие.
Такие клапаны еще не использовались для массового производства чашек-непроливаек для детей из-за необходимости соблюдения ряда требований. В частности, необходимо выполнение всех следующих требований:
все элементы должны быть легко доступны со всех сторон для тщательной очистки,
при установке необходимо обеспечить воздействие на мембрану внешнего атмосферного давления, но исключить возможность случайного контакта с ней с наружной стороны чашки,
количество отдельных элементов должно быть сведено к минимуму, а их форма должна быть оптимизирована таким образом, чтобы минимизировать производственные издержки и упростить работу с ними,
разборка для очистки должна быть простой, повторная сборка элементов должна осуществляться одним-единственным способом,
по соображениям безопасности не допускается использование элементов, размер которых меньше указанного минимального размера.
Размещение распределительного клапана в чашке-непроливайке также представляет трудности, поскольку необходимо свести к минимуму объем пространства между клапаном и носиком чашки. После питья этот объем остается заполненным жидкостью, которая в дальнейшем может вытекать или вытряхиваться. В известном уровне техники предусматривалось размещение небольшого сопла, однако это затруднило бы процесс питья. Кроме того, это затруднило бы процесс формования и очистки элементов клапана.
В WO 03/068036, где, как считается, представлен самый близкий прототип этого изобретения, раскрывается изобретение, относящееся к крышке для закрытия сосуда для напитков, позволяющей всасывать напиток через носик, одновременно предотвращая утечку, когда всасывания не происходит. В крышку встроен распределительный клапан, который включает впускное отверстие, сообщающееся с внутренней частью сосуда, выпускное отверстие, сообщающееся с носиком, и регулировочное отверстие, сообщающееся с окружающей атмосферой через отверстие в крышке. Клапан включает гнездо клапана и запирающий элемент, регулирующий прохождение потока от впускного до выпускного отверстия, причем этот запирающий элемент под действием давления в сосуде перемещается в направлении плотного контакта с гнездом клапана для закрытия и перемещается в открытое положение в зависимости от избыточного давления в регулировочном отверстии по отношению к давлению в выпускном отверстии. Перемещение запирающего элемента для открытия клапана происходит в направлении, противоположном направлению движения потока жидкости через клапан. Распределительный клапан образован двумя элементами конструкции, установленными в носике крышки. Первый - жесткий - элемент включает впускное отверстие и гнездо клапана. Второй элемент включает запирающий элемент и упругую мембрану, которая выполняет функцию чувствительной к давлению мембраны, причем второй элемент плотно контактирует с первым элементом и охватывает отверстие в крышке.
Чашка-непроливайка из описания изобретения к последнему патенту функционировала неудовлетворительно и не была выведена на рынок. Из-за внутренне присущих свойств, заложенных в конструкции, не удавалось добиться плотного контакта второго элемента распределительного клапана с первым элементом.
Цель изобретения
Цель этого изобретения - создание крышки для чашки-непроливайки, включающей распределительный клапан и обеспечивающей плотный контакт между жестким и гибким элементами распределительного клапана.
Краткое изложение сущности изобретения
В соответствии с этим изобретением предлагается крышка-непроливайка для емкости с напитком, которая позволяет всасывать напиток из емкости сосуда) через носик, одновременно предотвращая утечку при отсутствии всасывания, причем в крышку встроен распределительный клапан с впускным отверстием, сообщающимся с внутренней частью сосуда, выпускным отверстием, сообщающимся с носиком, и регулировочным отверстием, сообщающимся с окружающей атмосферой через отверстие в крышке, причем клапан включает гнездо и запирающий элемент, регулирующий прохождение потока от впускного до выпускного отверстия, который под действием давления в сосуде перемещается в направлении гнезда клапана для плотного закрытия и перемещается в открытое положение в зависимости от избыточного давления в регулировочном отверстии по отношению к давлению в выпускном отверстии, при этом перемещение запирающего элемента для открытия клапана происходит в направлении, противоположном направлению движения потока жидкости через клапан, распределительный клапан образован двумя элементами конструкции, установленными на внутренней поверхности крышки, при этом первый - жесткий - элемент включает впускное отверстие и гнездо клапана, а второй элемент включает запирающий элемент и упругую мембрану, которая соединяется с запирающим элементом и выполняет функцию чувствительной к давлению мембраны, при этом второй элемент плотно контактирует с первым элементом и охватывает отверстие в крышке, отличающейся тем, что второй элемент герметично прижимается по всему наружному ободу первого элемента.
Упругий элемент в WO 03/068036 должен обеспечивать плотный контакт с передней и задней поверхностью жесткого элемента. Линия плотного контакта проходит лишь по части внешнего обода жесткого элемента с одной стороны. Далее линия плотного контакта проходит через обод жесткого элемента в направлении его противоположной стороны. На практике такой контакт труднодостижим (если вообще возможен), особенно в клапане, который должен демонтироваться и разбираться на части для очистки.
В предпочтительном воплощении идеи этого изобретения упругий элемент обеспечивает также плотный контакт вокруг удлинителя носика.
Крышка, описанная в этом изобретении, предназначена, главным образом, для крепления к ободу чашки для питья, но может также крепиться к бутылке или даже пластиковому пакету. Кроме того, ее важным достоинством является возможность снятия первого и второго элементов конструкции для очистки и стерилизации, что позволяет повторно использовать крышку или сосуд для питья, однако крышка может являться и частью сосуда одноразового использования, и при таком ее применении необходимость снятия с крышки первого и второго элементов отсутствует.
Предпочтительно, чтобы второй элемент конструкции находился между крышкой и первым элементом.
Способы перемещения обеспечивают перемещения запирающего элемента в закрытое положение. Когда запирающий элемент находится в контакте с гнездом клапана, для удерживания его в закрытом положении при любой ориентации усилие смещения больше не требуется. Это связано с тем, что он должен быть закрыт только в том случае, когда жидкость стремится вытечь при опрокидывании или частичном опрокидывании, а при этих условиях поверхностное натяжение жидкости между гнездом клапана и запирающим элементом удерживает клапан в закрытом положении. Если жидкость в чашке остается на запирающем элементе, для удерживания ее в закрытом положении в статической ситуации или при незначительном перемещении дополнительного усилия не требуется. Очень небольшое дополнительное усилие смещения желательно только для выдерживания резкого встряхивания опрокинутой или частично опрокинутой чашки.
Объем пространства между гнездом клапана и выпуском должен быть минимальным, для этого необходимо свести к минимуму объем между мембраной и первым элементом. Это пространство должно соответствовать перемещению мембраны, которая перемещается к первому элементу под действием давления всасывания на стороне выпуска, при этом она деформируется, принимая форму мелкой чаши. Результирующая сила, перемещающая мембрану, возникает под действием давления всасывания, действующего только на кольцевой участок между диаметром мембраны и диаметром гнезда клапана (последний должен быть достаточно большим для обеспечения надлежащего потока), поэтому первый элемент должен иметь форму, которая не позволит жидкости, находящейся между ним и мембраной в кольцевом сечении, и ее поверхностному натяжению еще больше снижать эффективную площадь, подвергающуюся действию давления всасывания. С этой целью предпочтительно, чтобы по периметру верхней поверхности первого элемента, имеющей, как правило, форму конической чаши, проходил наклоненный под большим углом выступ так, чтобы эта поверхность была слегка утоплена ниже тонкого обода.
Краткое описание чертежей
Это изобретение будет более подробно описано на примере со ссылкой на прилагаемые чертежи:
фиг.1 представляет собой крышку чашки-непроливайки, описанную в этом изобретении, с распределительным клапаном в собранном и закрытом состоянии,
фиг.2 представляет собой перспективный вид снизу упругого элемента распределительного клапана, и
фиг.3 представляет собой перспективный вид сверху жесткого элемента распределительного клапана.
Подробное описание предпочтительного воплощения(-ий) идеи изобретения
Направления в этом описании (например, вниз) указаны исходя из того, что чашка находится в положении, показанном на фиг.1, когда основание чашки находится на горизонтальной поверхности, а крышка находится сверху.
На фиг.1 показана только крышка 10 чашки-непроливайки с ободом с внутренней резьбой 12, которая может быть навинчена на чашку (не показана). Крышка включает овальное углубление 14 для крепления двух элементов 16 и 18, образующих распределительный клапан. Носик 20, предпочтительно выполняемый как единое целое с крышкой 10, открывается в углубление 14.
Элемент 16 изготовлен из упругого материала, а элемент 18 и крышка 10 представляют собой жесткие части, хотя и могут включать мягкие или упругие секции. Для того, чтобы можно было без труда отличать друг от друга элементы 10, 16 и 18, на разрезе, изображенном на фиг.1, заштрихован только упругий элемент 16. Три элемента клапана отделяются друг от друга, что позволяет выполнить их очистку, и собираются, для чего вначале упругий элемент 16 устанавливается на жесткий элемент 18, затем два элемента 16 и 18 вместе вставляются в углубление 14 в крышке, где они удерживаются в результате сжатия обода упругого элемента 16 между жестким элементом 18 и крышкой. В то же время уплотняющее кольцо 163 удерживается в результате сжатия между удлинителем носика 201 и камерой 181.
Как показано на фиг.3, жесткий элемент 18 включает две камеры 181 и 182, соединенные друг с другом каналом 183. Когда клапан находится в собранном состоянии, камера 181 плотно контактирует с носиком 20, а камера 182 имеет, как правило, форму воронки и сообщается с внутренней частью чашки через отверстие 186, окруженное гнездом клапана 184. Канал 183 обеспечивает снижение давления в камере при создании давления всасывания со стороны носика 20, а также позволяет жидкости из чашки перемещаться к носику 20.
Рукоятка с цилиндрическим изгибом 185, которая с удобством захватывается между большим и указательным пальцами одной руки, выступает с нижней стороны элемента 18. Она позволяет удерживать элемент 18 на месте в процессе установки или снятия упругого элемента 16, а также позволяет осуществлять установку и извлечение жесткого элемента в/из углубления 14 в крышке 10.
На упругом элементе 16 находится направленный вниз обод 161, охватывающий весь периметр обода жесткого элемента 18. Такая конфигурация обеспечивает эффективное уплотнение между упругим элементом 16 и жестким элементом 18.
На участке, охватываемом ободом 161, в упругом элементе 16 есть отверстие 162, вокруг которого расположено выступающее вниз уплотняющее кольцо 163, которое плотно прижимается к короткому, направленному внутрь трубчатому удлинителю 201 носика 10. В собранном распределительном клапане уплотняющее кольцо 163 располагается в камере 181 и зажимается между внутренней стенкой камеры 181 и трубчатым удлинителем 201 для уплотнения, обеспечивающего движение жидкости между носиком 20 и только нижней поверхностью (как показано на фиг.1) упругого элемента 16.
Упругий элемент 16 также включает выступающий вниз запирающий грибовидный запирающий элемент клапана 164 с размерами, позволяющими вводить и извлекать его из отверстия 186 в жестком элементе 18. Благодаря упругости элемента участок элемента 18 над камерой 182 жесткого элемента функционирует как мембрана, оказывающая давление на запирающий элемент для удерживания его в положении плотного контакта с гнездом 184, окружающим отверстие 182. Небольшое отверстие 101 в крышке над мембраной позволяет атмосферному давлению действовать на верхнюю поверхность упругого элемента 16.
Для предотвращения создания вакуума в крышке при всасывании напитка через носик 10 необходимо отверстие, через которое воздух будет поступать в чашку. Само собой разумеется, необходимо предотвратить вытекание жидкости из чашки через это отверстие, и для этой цели, как правило, используется односторонний клапан. Известной разновидностью такого клапана является запорный клапан, включающий выпуклую упругую поверхность, разделенную одним или несколькими разрезами на два или несколько лепестков, разделяющихся для пропускания воздуха в одном направлении, но плотно прижимающихся друг к другу для предотвращения прохождения жидкости в противоположном направлении.
На фиг.2 показан такой запорный клапан 166, выполненный как одно целое с упругим элементом на конце выступающего вбок рычага 167. Клапан 166 устанавливается на короткой трубке, выступающей из крышки и входящей во внутреннюю часть чашки, но ни трубка, ни запорный клапан 166 не показаны на фиг.1.
Если клапан не используется, элементы распределительного клапана занимают положение, показанное на фиг.1. Здесь головка грибовидного элемента 16 плотно контактирует с гнездом клапана 184 для предотвращения вытекания жидкости из внутренней части чашки через носик. Гнездо клапана 184 имеет не плоскую, а слегка коническую форму, причем вершина конуса направлена вниз для обеспечения линейного контакта между запирающим элементом 164 и гнездом клапана 184. Наряду с улучшением качества уплотнения вокруг гнезда клапана, такая форма вершины снижает эффект Вентури (Бернулли). В это время мембрана упругого элемента 16 может находиться в исходном положении или может быть слегка отклонена от исходного положения для приложения упругого усилия смещения к запирающему элементу 164.
Если чашка опрокинута, давление, действующее на запирающий элемент клапана 164, более плотно прижимает его к гнезду, чему способствует в дальнейшем и поверхностное натяжение жидкости между запирающим элементом 164 и коническим гнездом клапана 184. Уплотнение, таким образом, может выдерживать не только опрокидывание чашки, но и встряхивание и даже увеличение давления в чашке, что может наблюдаться в том случае, когда в чашке находятся газированные и горячие напитки.
Для обеспечения плотного контакта между запирающим элементом 164 и гнездом клапана 184, когда клапан не используется, естественная упругость элемента 16 при необходимости может быть заменена или дополнена магнитными свойствами. Например, упругий элемент 16 может быть изготовлен из материала, наполненного магнитным или железным порошком, и магнит может быть встроен в крышку или в первый элемент. Могут использоваться и другие способы перемещения. Например, возможно использование пружины, вставляемой в первый или второй элемент. Еще одна возможность - оснастить верхнюю поверхность первого элемента прямыми, изогнутыми или наклонными упругими ребрами, направленными вверх. В качестве альтернативы внутренняя поверхность второго элемента может быть оснащена прямыми, изогнутыми или наклонными упругими ребрами, направленными вниз.
Когда чашка используется, пользователь всасывает напиток из носика 20, что приводит к снижению давления в камере 181 до уровня ниже атмосферного давления. Это пониженное давление передается через канал 183 в часть упругого элемента 16, которая находится над камерой 182, и функционирует как мембрана. Если давление с противоположной стороны мембраны поддерживается на уровне окружающего атмосферного давления, благодаря отверстию 101, результирующая сила действует на запирающий элемент 164 таким образом, чтобы он отошел от гнезда клапана 184 и обеспечил возможность высасывания жидкости из опрокинутой чашки путем сначала перетекания в камеру 182, а затем через канал 183 - в камеру 181 и носик 20. Поскольку площадь поверхности мембраны, подвергающаяся действию низкого давления, велика по сравнению с площадью запирающего элемента 164, контактирующего с жидкостью, давление всасывания, прикладываемое к носику, не обязательно должно быть большим для открытия клапана.
Когда жидкость всасывается из чашки, воздух поступает через выпускной запорный клапан 166, и процесс питья из чашки не затрудняется с течением времени.
Таким образом, видно, что распределительный клапан включает впускное отверстие, образованное гнездом клапана, выпускное отверстие, сообщающееся с носиком, и регулировочное отверстие, отделенное от внутренней части сосуда с жидкостью и сообщающееся с окружающей атмосферой через отверстие 101 в крышке, при этом клапан открывается, благодаря разнице давлений между выпускным и регулировочным отверстиями.
Ряд деталей описанной выше конструкции заслуживают отдельного упоминания, что позволит в полной мере оценить их важность.
Для открытия распределительного клапана запирающий элемент 164 необходимо переместить в направлении, противоположном направлению движения жидкости. Поэтому клапан открывается не под действием давления в чашке, а только под действием давления всасывания в носике.
Давление в чашке не передается на какую-либо часть верхней поверхности упругой мембраны, чтобы жидкость не вытекала через вентиляционное отверстие 101.
Отверстие 101 мало, так что до мембраны невозможно дотронуться с наружной стороны чашки. Воздействие атмосферы на всю мембрану приведет к утечке, если на мембрану оказывается физическое воздействие со стороны наружной части чашки. Здесь это достигается только в том случае, если тонкий объект умышленно вставляется в вентиляционное отверстие 101.
С одной стороны элементы клапаны являются съемными, что важно для очистки и стерилизации, с другой - неправильная повторная сборка этих элементов невозможна. Асимметричный овальный периметр всех элементов обеспечивает совместимость их друг с другом только в одном положении.
Понятно, что в случае применения для одноразовых сосудов и крышек эти части не должны быть съемными и могут соединяться с помощью любого вида скрепления.
Все элементы чашки достаточно велики для соблюдения нормативов по «мелким предметам».
Когда процесс всасывания жидкости через носик завершается, остается немного жидкости в носике, в камере 182 и в канале 183. Эта жидкость не выливается, поскольку размеры носика таковы, что воздух не может проходить по носику 20 в то время, как из него вытекает жидкость. Тем не менее этот объем жидкости может быть вытряхнут из чашки, и поэтому важной особенностью описанной конструкции является поддержание объема жидкости после гнезда клапана на уровне менее 3 мл, даже путем использования компонентов, соответствующих нормативу по «мелким предметам», и с площадью проходного сечения между гнездом клапана и носиком не менее 0,9 кв. мм.
Верхняя воронкообразная поверхность жесткого элемента 18 включает идущую под большим наклоном кромку, расположенную по периметру, для ограничения приближения к нижней поверхности мембраны. Это делается для предотвращения контакта между этими элементами и предотвращения эффекта поверхностного натяжения тонкого слоя жидкости, захваченной между этими элементами, которые существенно сокращают эффективную площадь мембраны, подвергающуюся действию давления всасывания.
В предпочтительном варианте воплощения идеи изобретения помимо крышки используется только два элемента. Это не только упрощает процесс очистки, но и сводит к минимуму производственные издержки. Кроме того, в этом контексте следует заметить, что каждый из трех элементов может быть изготовлен в форме в двух опоках, что позволяет избежать больших затрат на изготовление инструментальной оснастки.
В альтернативном варианте воплощения идеи изобретения отверстие 101 в крышке не находится на одном уровне с обратной стороной мембраны. Напротив, крышка образует полость, которая сообщается с окружающим воздухом через вентиляционное отверстие. Наряду с вентиляцией обратной стороны мембраны окружающим воздухом эта полость служит также для вентиляции внутренней части чашки с помощью клапана, аналогичного описанному выше запорному клапану 166.
Следует пояснить, что это изобретение не ограничивается использованием для чашек и может также использоваться в качестве крышки для бутылки или даже для сосудов с гибкими стенками. Кроме того, крышка не обязательно должна отделяться от сосуда, она может быть встроена в него, что позволяет изготавливать сосуд для одноразового применения, Кроме того, носик может быть гибким и иметь удлинитель, такой как соломинка.