ГОМОГЕНИЗИРУЮЩАЯ ГОЛОВКА
HOMOGENISING HEAD

Область техники.
Заявляемый результат интеллектуальной деятельности - изобретение устройства относится к технологическому оборудованию для гомогенизации жидких сред с различной вязкостью или жидкостей, преимущественно молочных, пищевых, и может быть применено для получения высокодисперсных эмульсий при производстве медицинских препаратов, химической, парфюмерной и косметической продукции.
Уровень техники.
Из уровня техники известны многочисленные устройства по гомогенизации, использующие различные принципы работы.
Наиболее эффективными и распространенными являются гомогенизаторы клапанного типа. Классической является гомогенизирующая головка, включающая седло со сквозным отверстием, установленный с возможностью перемещения в сквозном отверстии клапан-затвор, состоящий из запирающего элемента и направляющей, а также средство регулируемого силового запирания с целью получения замкнутого пространственного объема специальной конфигурации для турбулизующего воздействия на обрабатываемую среду. В частности, кольцевая гомогенизирующая щель.
На сегодня до сих пор нет полной количественной теории, описывающей характер преобразования обрабатываемой жидкой среды в клапанных гомогенизаторах. Общепризнанными считаются три фактора: резкое нарастание скорости гомогенизируемой жидкости на входе в гомогенизирующую щель, поперечный градиент скорости в самой гомогенизирующей щели, ударное торможение выходящей из клапана гомогенизируемой жидкости о внешнее препятствие.
Известны аналоги заявляемого устройства различной геометрической конфигурации, работающие при давлении 5-25 МПа («Гомогенизаторы для молочной промышленности» Мухин А.А., Кузьмин Ю.Н., Гисин И.Б.; М., 1976 г.; стр.4-5). Общим для них является следующее: одно и то же средство разворачивает подводимую гомогенизируемую жидкость-среду в гомогенизирующую щель и формирует размерные параметры этой щели. Что ведет к следующему, внутренне присущему недостатку данных конструкций - динамическая нестабильность зазора гомогенизирующей щели вследствие нестабильности давления подаваемой среды и/или автоколебательных свойств системы нагнетание-противодействие.
Раскрытие.
Задачей данного результата интеллектуальной деятельности является повышение эффективности и стабильности гомогенизации.
Технический результат, обеспечиваемый данным результатом интеллектуальной деятельности - повышенная динамическая стабильность зазора гомогенизирующей щели, т.к. на его нежелательное изменение действуют только разжимающие силы гомогенизируемой жидкости в самой щели, поскольку давление подводимой к щели жидкости ортогонально допускаемому в предлагаемой конструкции перемещению запирающего элемента.
Указанный результат достигается тем, что гомогенизирующая головка для гомогенизации жидкостей, включающая основание с каналами нагнетания подвода и выхода жидкости, запирающий элемент, средство регулируемого силового прижима элемента и формирования смыкаемой гомогенизирующей щели, при этом основание выполнено цилиндрическим с осевым каналом подвода и с, по меньшей мере, одним радиальным каналом выхода, запирающий элемент выполнен в виде, по меньшей мере, одной подвижной цилиндрической втулки, герметично сопряженной внутренней поверхностью с основанием, и снабжена гомогенизирующей щелью, сформированной в месте выхода радиального канала из основания прижимаемыми торцом подвижной втулки и торцом выступа основания или торцом другой втулки, оппозитно и герметично находящейся на основании. Герметичность между основанием и внутренней поверхностью подвижной обеспечивается малыми относительными допусками и уплотнением, например сальником. Кроме того, сопряженность втулки и цилиндрического основания обеспечивает малые относительные перекосы и размерную стабильность гомогенизирующей щели/динамического зазора по всему периметру.
Кроме того, напротив торцевого смыкания на внешней поверхности цилиндрического основания может быть выполнена окружная кольцевая проточка, пересекающаяся с, по меньшей мере, одним выводящим радиальным каналом, для периметрового подвода жидкости изнутри к формируемой гомогенизирующей щели. Данная проточка накапливает и равномерно распределяет гомогенизируемую жидкость перед ее входом в гомогенизирующую щель. Является последним местом относительно низкоскоростного передвижения потока жидкости.
Кроме того, по меньшей мере, один смыкаемый торец, формирующий гомогенизирующую щель, может быть выполнен, по меньшей мере, частично с внутренней фаской в форме выпуклой полу-эпициклоиды, причем касательная в точке перехода эпициклоиды во внутреннюю поверхность совпадает с образующей этой поверхности. То есть внутренняя фаска выполнена, как выпуклая поверхность половины эпициклоиды (брахистохроны), середина эпициклоиды приходится на точку перехода фаски к внутренней поверхности. А другая конечная точка фаски эпициклоиды является точкой перехода в торцовую поверхность втулки и/или выступа основания - стенку гомогенизирующей щели.
Кроме того, по любому из случаев, направляющие цилиндрических поверхностей основания, втулки или втулок могут быть выполнены в виде плоских замкнутых кривых. То есть основание может быть в плане не только кругом, но и квадратом, прямоугольником, многоугольником, сложной фигурой. Соответственно, ответную форму имеет и продольно скользящая втулка.
Описание чертежей.
Заявляемый результат интеллектуальной деятельности в одном из своих возможных вариантов исполнения показан на прилагаемых изображениях: Фиг.1 - продольное сечение и Фиг.2 - вид сверху.
На них изображены:
- цилиндрическое основание с выступом 1;
- осевой канал 2 подвода гомогенизируемой жидкости;
- радиальный канал 3 выхода гомогенизируемой жидкости из основания;
- кольцевая проточка 4, выполненная на основании в месте выхода радиального канала 3;
- подвижная втулка 5, герметично сопряженная внутренней поверхностью с основанием 1;
- Fпр - направление действия прижимающего усилия на подвижную втулку 5;
- Рж - вход гомогенизируемой жидкости под давлением в осевой канал 2 основания 1 гомогенизирующей головки;
- условными пунктирными стрелками показан выход обработанной жидкости из устройства.
Средство герметизации между внутренней поверхностью втулки и внешней поверхностью основания, средство регулируемого силового прижима втулки к торцу выступа основания, эпициклоидные выпуклые фаски с внутренней стороны смыкаемых торцов на чертеже условно не показаны.
Осуществление.
По одному из вариантов устройство может быть выполнено следующим образом. Гомогенизирующая головка представляет собой втулочный клапан с торцовым перекрытием проводимой среды. Гомогенизирующая щель формируется между торцом подвижной втулки 5 и торцом выступом основания 1. Гомогенизируемая жидкость нагнетается под давлением в осевой канал 2 основания 1, затем по одному или нескольким радиальным каналам 3 выводится в объем кольцевой проточки 4 основания 1 непосредственно перед входом в формируемую гомогенизирующую щель. Далее происходит резкое увеличение скорости истекания на входе этой щели между торцами подвижной втулки и ответным торцом выступа основания 1. Дополнительным способствующим элементом может служить выпуклая фаска в форме полу-эпициклоиды на одном или обоих переходах внутренних поверхностей в плоскости торцов щели, причем середина «полной» эпициклоиды приходится на точку перехода между фаской и внутренней поверхностью. Форма половины эпициклоиды, известная также, как брахистохрона, является наиболее выгодной траекторией с точки зрения минимизации времени прохождения, т.е. наибольшей скорости и ускорения. А нарастание скорости потока - важнейший фактор гомогенизации. При этом на раскрытие и изменение параметров гомогенизирующей щели действуют только силы от самой гомогенизируемой жидкости между вышеуказанными торцами. Другим вариантом осуществления может быть размещение двух втулок на одном основании. Вторая втулка при этом может быть как подвижной, со своим прижимающим средством, так и неподвижной относительно основания 1, например посадка с натягом или фиксирование на основании 1 резьбовым соединением. Выбор вариантов может быть обусловлен критериями технологичности изготовления, ремонтопригодности и удобства замены изношенных кавитационной эрозией элементов гомогенизирующей щели.
С точки зрения структуры механизма предлагаемое устройство представляет собой следующую кинематическую пару звеньев:
- 4 класса с числом условных связей 4;
- либо 5 класса с числом условных связей 5; если направляющая сопряженных цилиндрических поверхностей не окружность, а, в общем случае, замкнутая плоская фигура («Прикладная механика» Иосилевич Г.Б., Строганов Г.Б., Маслов Г.С.; М 1989 г.; стр.8).
К подобным механизмам относятся и указанные аналоги («Гомогенизаторы для молочной промышленности». Мухин А.А., Кузьмин Ю.Н., Гисин И.Б.; М., 1976 г.; стр.5). Однако предлагаемое устройство обладает следующими существенными отличиями:
- радиальный поток подводимой к гомогенизирующей щели жидкости реализуется без подвижных частей и элементов;
- дестабилизирующие гомогенизирующий зазор силы и флуктуации действуют только на стенки-торцы гомогенизирующей щели, а давление радиального подводимого потока гомогенизируемой жидкости ортогонально возможному перемещению запирающего элемента.
Практической базой для изготовления заявляемого устройства могут быть детали и/или производство одно- и многоступенчатых гидроцилиндров: внутренний может быть основанием для осевого и радиального подвода нагнетаемой жидкости; внешний может быть подвижной запирающей втулкой. Классы допусков, средства герметизации, рабочие давления гидроцилиндрических устройств (~10-40 МПа) вполне отвечают рабочим характеристикам клапанной гомогенизации и, в частности, данного устройства. Кроме того, предлагаемая конструкция располагает более широкими возможностями для размерного масштабирования с целью наращивания производительности, чем наиболее распространенные сейчас «тарельчатые» или «грибковые» клапанные головки, а также позволяет выполнять операцию предварительной притирки поверхностей стенок гомогенизирующей щели.
Другим применением данного устройства может быть использование в газовых/вентиляционных коммуникациях для арматуры триггерного типа: «открыто» - «закрыто».
Таким образом, заявляемый результат интеллектуальной деятельности соответствует критерию «промышленная применимость».