CN101228088B - 带液体室、气体室和中间室的灌装阀及有这种阀的灌装机 - Google Patents

带液体室、气体室和中间室的灌装阀及有这种阀的灌装机 Download PDF

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Abstract

灌装阀(12)，包括：中空的壳体(21)；滑动地安装在所述壳体(21)中的移动阀门组件(24)，所述移动阀门组件(24)与所述中空的壳体(21)一起限定液体室(30)和气体室(32)；用于使所述液体室(30)与液体输送管道(14)连通的液体入口(46)；用于使所述气体室(32)与气体输送管道(17)连通的气体入口(47)；其中，所述中空的壳体(21)与所述移动阀门组件(24)一起限定位于所述液体室(30)和所述气体室(32)之间的中间室(33)，并且其中，所述灌装阀(12)进一步包括：第一膜体(35)，其在所述液体室(30)与所述中间室(33)之间将所述阀门组件(24)连接到所述壳体(21)，和第二膜体(36)，其在所述气体室(32)与所述中间室(33)之间将所述阀门组件(24)连接到所述壳体(21)。

Description

带液体室、气体室和中间室的灌装阀及有这种阀的灌装机
技术领域
本发明涉及用于将受压的灌装液体如碳酸饮料灌装入容器的一种灌装阀，并涉及包括这样一种灌装阀的一种灌装机。
背景技术
美国专利US 6 601 618和欧洲专利申请EP 1 101 998都披露了具有滑动地安装在阀壳体中的中空阀杆的一种灌装阀。所述阀杆配备有限定气体通道的通孔，并且在所述阀杆的外周与所述壳体的内周之间限定了液体通道。膜体将所述阀杆连接到所述壳体上，以便将所述液体室与为了控制所述阀杆的垂直位置而配备的压力室隔离。
在正常的工作状态中，这一结构在某种程度上是令人满意的。但是，一旦所述膜体破裂，或者即使在所述膜体的高度发生少量的泄漏，所述液体就能够污染压力室，从而导致所述灌装阀的不正常的工作。所述灌装机必须停机直到完成适当的维修。这导致了生产力的损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种运转更加安全的灌装阀。
所提出的灌装阀包括：
-中空的壳体；
-滑动地安装在所述壳体中的移动阀门组件，所述移动阀门组件与所述中空的壳体一起限定液体室和气体室；
-用于使所述液体室与液体输送管道连通的液体入口；
-用于使所述气体室与气体输送管道连通的气体入口；
其中，所述中空的壳体与所述移动阀门组件一起限定位于所述液体室和所述气体室之间的中间室，
并且其中，所述灌装阀进一步包括：
-第一膜体，其在所述液体室与所述中间室之间将所述阀门组件连接到所述壳体，和
-第二膜体，其在所述气体室与所述中间室之间将所述阀门组件连接到所述壳体。
如果发生膜体故障，例如膜体断裂，因为两个膜体同时断裂的风险很低，所以液体(或气体)就充填所述中间室并且不允许到达所述气体(或液体)室。因此，在机器停机以便实现必要的维修之前都无需停止灌装。因此维持了生产力。
附图说明
本发明以上的和其他的目的以及优点将在结合附图所考虑的一些优选实施例的详细说明中阐明。
图1是根据本发明的一种灌装机的示意性的侧视剖面图；
图2是示出了图1的灌装机一细部的侧视剖面图；
图3是示出根据本发明的灌装阀在关闭的配置中的侧视剖面图；
图4是类似于图3的视图，示出在气体灌装配置中的所述灌装阀；
图5是类似于图3和4的视图，示出在气体灌装配置中的所述灌装阀；
图6是类似于图3到5的视图，示出在液体灌装配置中的所述灌装阀；
图7是类似于图2的视图，示出容器的排气操作。
具体实施方式
参见图1，其中示出用充满如CO2的气体的一种受压灌装液体(如矿泉水、软饮料、啤酒等)来灌装容器2的一种灌装机1。
所述灌装机1包括器皿状的储存罐3，所述储存罐限定了与液体输送管道5连通的液体空间4、以及与气体输送管道7连通的位于上方的气体空间6。
所述液体通过控制装置被保持在预先设定的液位，所述控制装置包括位于所述储存罐3内部的液位探测器8，而在储存罐的温度下所述气体被保持在等于或高于液体饱和压力的预定压力上，以便所述灌装液体中的CO2恒定地饱和，与所述位于上方的气体空间6保持平衡。
所述灌装机1是旋转型的，并且包括由驱动装置(未示出)来转动的回转台9，所述回转台包括：
-低位板10，所述低位板配备有多个边围的容器支撑装置11(其中之一部分地在图2中示出)，并且配有多个相应的灌装阀12，
-中间板13，所述中间板包括多根径向的液体输送管道14，其中的每一管道都与所述储存罐3的液体空间4连通，并且经过流量计15与灌装阀12相连，以及
-高位板16，所述高位板包括与储存罐3的气体空间6连通、并与这些灌装阀12相连的多根径向气体输送管道17。
所述容器支撑装置11包括支撑臂18，支撑臂的上端部19成叉形，以便与有待通过对应的灌装阀12来灌装的容器2的颈部20协作。
所述灌装使用了所谓的等压法。在欧洲专利申请No.EP 0 375912中已很好地说明的这一方法具有两个主要特征。第一，灌装液体之前，用来自储存罐3的受压气体预先灌注容器2；第二，液体在一液位离开所述灌装阀12，而该液位低于所述储存罐3中的液体空间4的液位。
如图3所示，所述灌装阀12包括：柱形中空的壳体21，所述壳体具有内孔腔22，所述内孔腔围绕一条垂直的主轴线X而形成，并且在所述壳体21的底端部敞开以形成孔口23；以及移动阀门组件24，所述阀门组件沿着主轴线X滑动地安装在所述壳体21中。所述壳体21通过四个相互旋拧的柱形同轴节段21a、21b、21c、21d的重叠而形成，这四个节段即下壳体节段21a、第一中间壳体节段21b、第二中间壳体节段21c和上壳体节段21d。
所述移动阀门组件24包括相对于彼此可移动的两个节段即：由中空阀杆25形成的下节段，和由活塞26形成的上节段，所述活塞具有柱形活塞主体27和活塞头28，所述活塞头滑动地被接纳于空气室29中，所述空气室由所述上壳体节段21d中的柱形孔腔形成。
如图3所示，所述阀门组件24与所述壳体21一起限定：
-液体室30，所述液体室形成于所述阀杆的下部31的外周和所述下壳体节段21a中的壳体孔腔22的内周之间；
-气体室32，所述气体室形成于所述活塞主体27的外周和所述第二中间壳体节段21c中的壳体孔腔22的内周之间，以及
-中间室33，所述中间室形成于所述阀杆25的上部34的外周与所述第一中间壳体节段21b中的所述壳体孔腔22的内周之间，即在所述液体室30与所述气体室32之间。
所述阀12包括第一或下膜体35，它将所述阀门组件24和所述壳体21相连接。所述下膜体35一方面液体密封地被保持在所述阀杆25的下部31与所述上部34之间，另一方面液体密封地被保持在所述下壳体节段21a与所述第一中间壳体节段21b之间，从而所述下膜体35在所述液体室30与所述中间室33之间形成液体密封的柔性密封件。
所述阀12进一步包括第二或上膜体36，它在所述下膜体35上方的一定距离处将所述阀门组件24与所述壳体21连接。所述上膜体36一方面气体密封地被保持在所述阀杆25的上部34的上端部37处，而另一方面气体密封地被保持在所述第一中间壳体节段21b与所述第二中间壳体节段21c之间，从而所述上膜体36在气体室32与中间室33之间形成气体密封的柔性密封件。
所述阀杆25的下部31形成灌装头38，所述罐装头具有周边螺旋肋39，所述螺旋肋与所述壳体孔腔22的内周相配合，并限定配备有密封元件41的环形接触表面40，所述接触表面在所述阀杆25的闭合位置中以液体密封的方式，与形成在所述壳体孔口23附近的阀座42相抵接，这在图3、4和5示出。
所述阀杆25包括通孔43，所述通孔对应于所述阀杆25的中空部分，并构成使气体室32与容器2的内部连通的气体通道。在所述阀杆25的上端部37，构成所述气体通道的通孔43通到所述气体室32中，而在所述阀杆25的下端部44，气体管道45轴向地从所述灌装头38突伸出，以便将所述通孔43朝所述容器2延伸。
所述阀12还包括：液体入口46，所述液体入口由所述下壳体节段21a中的通孔形成，用以使液体室30与液体输送管道14连通；以及气体入口47，所述气体入口由所述第二中间壳体节段21c中的通孔形成，用于将气体室32与气体输送管道17连通。
在此后将披露在某些条件下，所述阀杆25相对于所述壳体21在以下位置之间可轴向地移动：
-闭合位置(图3、4、5)，在该位置，所述接触表面40与所述阀座42液体密封地接触，从而阻止所述液体从所述液体室30流过所述壳体孔口23，以及
-打开位置(图6)，在该位置，所述阀杆25相对于所述闭合位置被提升，以便所述接触表面40与所述阀座42间隔开，从而允许液体流过所述壳体孔口23，所述螺旋肋39确保液流是层状的。
所述阀杆25的上部34配备有环形肩状表面48，该表面在所述打开位置上抵接着对应的环形停止表面49，所述停止表面形成于所述第一中间壳体节段21b中的壳体孔腔22的内周上，以便限制所述阀杆25的行程。
阀12包括第一、低位的、锥形压缩复位弹簧50，该弹簧位于所述中间室33中，并且它持久地将所述阀杆25向上朝其打开位置偏压(biase)。由下弹簧50施加在阀杆25上的向上轴向取向的力标记为T1。
所述活塞主体27具有配设有密封件52的下端部51，所述下端部与环形座相抵接，而该环形座由所述阀杆25的上端部37以一种气密的方式围绕通孔43的开口而形成。
所述活塞26相对于所述壳体21轴向滑动地安装在以下位置之间：
-闭合位置(图3)，在该位置，所述活塞主体27的下端部51与所述阀杆25的上端部37接触，并且在该位置，所述活塞头28位于所述空气室29的下表面53附近，从而阻止气体流过构成气体通道的通孔43，和
-打开位置(图5和6)，在该位置，所述活塞26相对于所述闭合位置被提升，以便所述活塞主体27的下端部51与所述阀杆25的上端部37间隔开，所述活塞头28抵接着所述空气室29的上表面54，从而允许气体从所述气体室32穿过构成气体通道的通孔43流到所述容器2的内部。
所述活塞26是双效型的，其位置是通过在活塞头28与空气室29的上表面54之间限定的上空气室55、与在活塞头28与空气室29的下表面53之间限定的下空气室56之间的压差进行气动控制。
所述阀12进一步包括直接通到所述上空气室55中的第一空气入口57、以及通过控制阀59通到下空气室56中的第二气体入口58，所述控制阀59配备有一对可移动的球体60、61，即：
-第一上球体60，其具有：闭合位置，在该位置，它以一种气密的方式抵接着对应的上阀座62(图3)，从而阻止上游的空气流通过所述阀座62；和打开位置，在该位置，所述上球体60与所述阀座62间隔开(图4、5和6)，从而允许上游和下游的空气通过所述阀座流动，和
-第二下球体61，其具有：闭合位置，在该位置，它以一种气密的方式抵接对应的下阀座63(图4、5和6)，从而阻止下游的气流通过所述阀座63；以及打开位置，在该位置，所述下球体61与其阀座63间隔开(图3)，从而允许上游和下游的空气通过所述阀座流动。
这些球体60、61通过插置于它们之间的压缩弹簧64持久性地受到使彼此远离开(即朝着它们各自的闭合位置)地偏压。
来自第一空气入口57的空气体压力标记为P1，而来自所述第二空气入口58的空气体压力标记为P2。P1大于P2与由所述压缩弹簧64的偏压力所导致的过压之和。
空气总是在压力P2下来自于所述第二空气入口58。当在压力P1下的空气被供给所述上空气室55时，所述活塞头28向下运动，直到所述活塞主体27的下端部51与所述阀杆25的上端部37达到抵接。所述下球体61被下空气室56中渐增的压力打开，而所述上球体60被关闭，从而由于所述下空气室56中相对于所述第二空气入口58的过压而阻止上游的空气流。
当自所述第一空气入口57进行的空气输送停止时，所述下空气室中的过压使所述活塞头28向上移动，直到所述活塞头28与所述空气室29的上表面54相抵接。当在所述第二空气入口58与所述下空气室56之间的压差下所述下球体61关闭时，向所述下空气室56中的空气输送即被停止，这正是在所述活塞26到达其打开位置(见图4)之前，从而允许所述活塞头28与所述空气室29的上表面54的柔和接触。
如图3所示，阀12进一步包括在所述气体室32中滑动地安装在所述活塞主体27上的杯件65。所述杯件65具有包围所述活塞主体27并且限定下边缘67的柱形周璧66、和滑动地接触活塞主体27的外周表面的顶壁68。
所述周壁66在其下边缘67上配备有多个切口69，这些切口形成持久性地允许气体径向地通过所述周壁66的气体通道。
相对于所述阀门组件24，所述杯件65在图3和4所示的低位和图5和6所示的高位之间是可滑动的，其中，在所述低位，下边缘67与所述阀杆25的上端部37相抵接，而在所述高位，所述杯件65在活塞26的作用下相对于所述低位被提升，从而杯件65被定位于离阀杆25一定距离处。
如图3所示，所述杯件65在其下边缘67附近还配备有径向的环形凸缘70，其形成接触表面，所述接触表面用于定位在所述气体室32中并插置在壳体21与杯件65之间的第二上压缩复位弹簧71，该弹簧用于将杯件65持久性地向下朝其低位置偏压。由所述上弹簧71施加在所述杯件65上的向下轴向取向的力标记为T2。
应所述理解的是，在所述杯件65的低位，因为杯件65与阀杆25的上端部37相抵接，因此上弹簧71也将所述阀杆25向其闭合位置偏压。
如图4和5所示，所述活塞26配备有肩状表面72，所述肩状表面在活塞26接近其打开位置的过程中，与所述杯件65的顶壁68相抵接，从而使所述杯件向其高位移动。
因此，根据阀杆25、活塞26和杯件65各自的位置，所述阀门组件24可以具有三种配置，即：
-闭合配置，如图3所示，其中阀杆25与活塞26都处在它们的闭合位置，而所述杯件65处在其低位；
-气体灌装配置，其中阀杆25处在其闭合位置，而活塞26处在其打开位置并且杯件65处在其高位(图5)，以及
-液体灌装配置，其中所述阀杆25与活塞26都处在它们的打开位置，而所述杯件65处在其高位(图6)。
此外，弹簧50、71以及阀杆25的上端部37和下端部44的尺寸被确定为：
Pg×S2＞T1              (1)
Pg×S2＜T1+Pg×S1       (2)
和
T2+Pg×S2＞T1+Pg×S1    (3)
其中：
T1是由所述下弹簧50施加在所述阀杆25上的向上轴向取向的力；
T2是由所述上弹簧71施加在所述杯件65上的向下轴向取向的力；
Pg是所述气体室32中的气体压力；
S1是在轴向上考虑的阀杆25的下端部44暴露于容器2中气体压力的表面积；以及
S2是在轴向上考虑的阀杆25的上端部37暴露于所述气体室32中气体压力的表面积。
如图3所示，阀12进一步包括膜体故障传感器73，所述传感器包括滑动地安装在孔腔75中的活塞74，所述孔腔形成于壳体21中并处于第一中间壳体节段21b的高度，传感器还包括信号元件76，所述信号元件由片状器件(pellet)形成，它附着于所述活塞74的相对于所述中间室33的端部上，并且从所述壳体21的外部视觉上可见到。
在正常运转情况下，所述中间室33充满在大气压下的空气，因此所述故障传感器73处在所谓的“正常运行”位置(图3到6)，在该位置，构成信号元件76的所述片状器件被容纳在形成于所述壳体21的外表面中的相应凹槽77中。
一旦所述下膜体35或所述上膜体36不再是液体密封或者(对应地)气体密封，例如所述膜体35或36达到其疲劳极限之后，就会有液体或者气体从液体室或者相应地从气体室32中通过所述故障膜体35或36向中间室33泄漏。由此在所述中间室33中产生的相对于大气压的过压将所述活塞74径向地推向所谓的“故障”位置，在该故障位置，所述活塞74部分地径向突出到所述壳体21之外，由此所述信号元件76从其凹槽77伸出一段距离，从而给出信号表明发生了膜体故障。
在一实施例中，所述故障传感器73是无源式的，即它仅仅提供关于所述阀12的“正常运转”或者“故障信息”。
在另外一实施例中，所述故障传感器73是有源式的，也就是说它被电气地或者机械地连接到机器控制系统(未示出)上，以便停止所述系统的运转并且切断气体与液体的输送。
鉴于存在两个膜体35、36，因而在膜体35或36之一失效的情况下(例如所述膜体35或36断裂)，气体与液体互相污染的风险很低。
鉴于存在故障传感器73，因而或者立即警告机器操作人员发生了膜体故障，从而他能够停止所述机器并且进行(或者请求)适当的维修(同时所述机器仍然运转，以便维持生产力)，或者在所述故障传感器73移位下所述机器被其控制系统自动停机。
如图2和7所示，所述阀12配备有吸气阀78，该吸气阀包括双效活塞79，所述双效活塞在打开位置(图7)和关闭位置之间可滑动，其中在所述打开位置，它使排气道80与通到大气中的排气管道81连通，所述排气道80在所述壳体21中形成，并且它通到所述孔腔22中并在其孔口23的高度(即在所述阀座42的附近)，而在所述闭合位置，所述活塞79将排气道80关闭。
更准确的说，所述活塞79具有头部82，所述头部的位置由经过空气导管83、84依次给所述吸气阀78充以受压空气的、在其两侧的空气压差来控制，并且活塞还具有主体85，所述主体的一端部可以气密地接触所述壳体21的侧表面86，而所述排气道80与所述排气管道81都通向该侧表面。
在活塞79的打开位置，活塞主体85的端部与所述侧表面86间隔开，从而使得所述排气道80与所述排气管道81连通，并允许所述过压气体从容器2流到环境中，直到所述容器2中的气体压力已经达到预定压力，其中它不再补偿由空气压力作用在所述活塞79上的力和持久地将活塞79向其闭合位置偏压的复位弹簧87的偏压力。
在灌装结束所述容器2从所述阀12分开时，这一排气操作(也称吸气操作)防止CO2饱和的液体发泡。
现在说明灌装操作。
从所述阀门组件24的闭合配置开始，容器2(如瓶子)通过气密连接组件88在所述孔腔孔口23处被附着到所述阀12上。
经由所述第二空气入口58通过控制阀59将空气送入所述下空气室56，从而使所述活塞26到达其打开位置并使所述杯件65到达其高位。换句话说，所述阀门组件24被置于其气体灌装配置中。由此允许受压气体通过构成气体通道的通孔43进入到所述容器2内部。只要所述容器2中的气体压力低于所述气体室32中的气体压力Pg(它等于储存罐3的气体空间6中的气体压力)就满足方程式(1)，因此所述阀杆25保持在其闭合位置。
一旦达到气体压力平衡，即一旦所述容器2中的气体压力已经达到所述气体室32中的气体压力Pg，就满足方程式(2)，因此所述阀杆25在由所述下弹簧50所施加的向上取向的力和所述容器2中的气体压力Pg所产生的力的作用下被提升，其中前述两个力之和大于由气体室32中的气体压力Pg施加在所述阀杆25上的向下取向的力。于是所述阀门组件24处于其液体灌装配置。
因此允许液体从所述液体室30通过所述孔口23流到所述容器2，直到流量计15已经测得基本对应于所述容器2的容积的预定液体量。
然后液流在所述流量计15的控制下被停止，而所述活塞26被移动到其闭合位置，从而关断到所述容器2的通孔43。所述杯件65回到其低位，在该低位，所述上弹簧71向下对所述阀杆25施加偏压。因此满足了方程式(3)，所述阀门组件24复位到其关闭的配置。
随后所述吸气阀78被置于其打开位置，从而允许排出叠置在所述容器2中液体上方的空气与CO2的混合物的一部分。
更准确的说，因为空气比CO2要轻，因此所排出的气体基本上由空气组成，而保留在所述容器2中的气体基本上由CO2组成。
因此应理解：所述阀门组件24的运转，更确切地讲从气体灌装配置到液体灌装配置的转变，是受气体压力控制的，从而允许自动打开阀杆25。

Claims (10)

1.灌装阀(12)，包括：
-中空的壳体(21)；
-滑动地安装在所述壳体(21)中的移动阀门组件(24)，所述移动阀门组件(24)与所述中空的壳体(21)一起限定液体室(30)和气体室(32)；
-用于使所述液体室(30)与液体输送管道(14)连通的液体入口(46)；
-用于使所述气体室(32)与气体输送管道(17)连通的气体入口(47)；
其中，所述中空的壳体(21)与所述移动阀门组件(24)一起限定位于所述液体室(30)和所述气体室(32)之间的中间室(33)，
其中，所述灌装阀(12)进一步包括：
-第一膜体(35)，其在所述液体室(30)与所述中间室(33)之间将所述移动阀门组件(24)连接到所述壳体(21)，和
-第二膜体(36)，其在所述气体室(32)与所述中间室(33)之间将所述移动阀门组件(24)连接到所述壳体(21)
并且其中，所述移动阀门组件(24)包括中空的阀杆(25)，所述阀杆配设有通孔(43)，所述通孔在所述阀杆(25)的上端部(37)通到所述气体室(32)中。
2.根据权利要求1的灌装阀(12)，进一步包括在所述中间室(33)的高度安装于所述壳体(21)上的膜体故障传感器(73)。
3.根据权利要求2的灌装阀(12)，其中，所述膜体故障传感器(73)包括：活塞(74)，其滑动地安装在孔腔(75)中，所述孔腔在在所述壳体(21)中形成于所述中间室(33)的高度；和信号元件(76)，其附着于所述活塞(74)且从所述壳体(21)的外部视觉上看到。
4.根据权利要求3的灌装阀，其中，所述信号元件(76)是由片状器件形成，所述片状器件附着在所述活塞(74)的与所述中间室(33)相对的端部上。
5.根据权利要求1至4中任一项的灌装阀(12)，其中，所述中空的阀杆(25)相对于所述壳体(21)能在打开位置和关闭位置之间滑动，在所述打开位置，所述阀杆(25)在所述壳体(21)中打开孔口(23)，从而允许液体从所述液体室(30)通过所述孔口(23)流出，而在所述关闭位置，所述阀杆(25)关闭所述孔口(23)，
并且其中，所述移动阀门组件(24)进一步包括活塞(26)，所述移动阀门组件的所述活塞在打开位置和闭合位置之间滑动地安装在所述壳体内，在所述移动阀门组件的所述活塞的所述打开位置，所述移动阀门组件的所述活塞(26)的下端部(51)与所述阀杆(25)的所述上端部(37)间隔开，从而允许气体从所述气体室(32)通过所述阀杆上端部(37)处所形成的开口而进入到所述阀杆(25)中的所述通孔(43)内，而在所述移动阀门组件的所述活塞的所述闭合位置，所述移动阀门组件的所述活塞(26)的所述下端部(51)与所述阀杆(25)的所述上端部(37)处于密封接触。
6.根据权利要求5的灌装阀，包括持久地将所述阀杆(25)朝其打开位置偏压的复位弹簧(50)。
7.根据权利要求6的灌装阀，其中，所述复位弹簧(50)被容纳在所述中间室(33)中。
8.根据权利要求5的灌装阀，进一步包括杯件(65)，所述杯件容纳在所述气体室(32)中，并且在低位和高位之间相对于所述移动阀门组件的所述活塞(26)滑动地安装，在所述低位，所述杯件(65)的下边缘(67)抵接所述阀杆(25)的所述上端部(37)，而在所述高位，所述杯件(65)与所述阀杆(25)的所述上端部(37)间隔开，所述杯件(65)配备有多个切口(69)，以允许气体从所述气体室(32)通过所述切口(69)进到所述通孔(43)，所述灌装阀进一步包括持久地将所述杯件(65)朝其低位偏压的复位弹簧(71)。
9.根据权利要求8的灌装阀(12)，其中，所述移动阀门组件的所述活塞(26)在其打开位置将所述杯件(65)保持在它的高位。
10.灌装机(1)，其包括旋转的回转台(9)，所述回转台配备有多个根据权利要求1至9中任一项的灌装阀(12)，并且所述灌装机进一步包括储存罐(3)，所述储存罐包括与每一灌装阀(12)的液体室(30)连通的液体空间(4)、以及与所述阀(12)的气体室(32)连通的位于上方的气体空间(6)。
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