CN104903580A - 活塞和该活塞的用途 - Google Patents

Abstract

一种被配置用于在气缸孔中往复运动并用于与活塞密封件密封接触的活塞具有被布置用于与待处理的产品接触的第一端和被配置成用于耦合到驱动装置的第二端。活塞的被设置用于与所述活塞密封件接触的至少一部分被涂覆有低摩擦材料，从而提供相比于未经涂覆的活塞的减小的摩擦。

Description

活塞和该活塞的用途

技术领域

本发明涉及活塞，尤其涉及适于在活塞泵中使用的一种活塞。根据另一方面，本发明涉及一种在活塞泵中使用的活塞泵密封件。

背景技术

在食品加工领域内，使用活塞泵的一个典型的例子是在均化器中。均化涉及脂肪乳剂的稳定化，使得其不会受重力分离的影响。通过均化例如奶、奶油和其它乳制品，使得它们在保质期期间不会分离到任何显著的程度。均化也会影响到经历过均化的产品的味道和其它特性。均化的主要目的的初步解释是，脂肪球被破裂成不容易通过重力分离的较小的脂肪球。

脂肪球的破裂是通过施加力造成的，并且一个普通的方法是迫使产品在高压(匀化压力)下通过小的缝隙。当产品通过缝隙时，其速度将快速增大。流将变成紊流，从而产生湍流漩涡，并且升高的速度将产生如此显著的压力降，以致产品会开始沸腾。有助于均化的第一个效果是，剧烈的漩涡会将脂肪球撕裂开，并且第二个效果是，在沸腾时所产生的内爆气泡的空穴效应会使脂肪球破裂。

本领域技术人员清楚地知道上述技术，但对于研究本发明的非本领域技术人员，认识到均化是需要大量能源的工艺是重要的。由于相当低的效率，所施加的大量能量被转换成热量，其可能是问题或可能不是问题，具体取决于应用的性质。

在典型的均化器中，具有在气缸中进行往复运动的活塞的活塞泵用于加压的目的。在进气冲程中，进气阀门打开，并且当活塞向下行进到其下死点时，产品进入气缸。随后，压缩冲程开始，并在某一点，出口阀打开，从而形成缝隙，迫使产品通过该缝隙。出口阀包括环形阀座和致动冲头(即阀)。阀座和阀设计成能承受所产生的高压和摩擦力。虽然在涉及均化器的实施方式中的本发明不应当受限于规定的参数，但是典型的均化压力可以在100-250巴的范围内，而形成阀座与促动器之间的缝隙的环形间隙具有约0.1mm的宽度。

与食品接触的活塞泵(这可以是本发明的应用的情况)需要有在卫生方面经过验证的性能。将包括曲轴箱和将活塞与曲轴箱连接的曲轴的活塞泵的不卫生侧与包括气缸的与食品材料接触的部分的卫生侧分离可能是困难的。在器件的操作期间，活塞必然相对于气缸移动，并且这面临挑战。

第一个挑战是在气缸和活塞之间会存在环形间隙，由于其连接不卫生侧和卫生侧，因而这必需加以解决。这可通过布置活塞密封件来解决。活塞密封件通常是环形的，并布置在气缸壁(其与布置在活塞的侧面上的活塞环是相对的)上。一种常见的方法是安排两个隔开的活塞密封件，它们用水或蒸汽冷凝物冷却和润滑。如用在其它一些活塞泵上的润滑油之类的普通润滑剂因明显的原因而不能使用，但对于一些应用，可使用食品级油。水可注入密封件之间的位置。现有技术被公开在本申请人的WO2011/002376中，以及在该申请引用的参考文件中。

第二个挑战是沿气缸(和/或活塞的部分)的延伸部的表面部分在泵循环期间将在不卫生侧和卫生侧两者上或在两者之间的区域内，从而导致再感染的风险。这一挑战已经通过注入过热水或蒸汽到相关的表面部分得以解决。其一个方面将在详细描述中详细公开。

活塞泵在均化器以外的其它区域用作为电路中的独立元件，并且，虽然之前和之后的实施例将涉及到均化器，但是对于本领域技术人员而言，显而易见的是，本发明将为这样的活塞泵提供益处。

因此，本发明旨在通过提供用于活塞泵的新方法和装置，从而提供一种减轻现有技术的缺点的解决方案。

发明内容

为了上述目的，本发明提供了一种活塞，其被配置用于在气缸孔中往复运动并用于与活塞密封件密封接触。所述活塞的第一端被布置用于与待处理的产品接触，而第二端被配置成用于耦合到驱动活塞的往复运动的活塞驱动装置。所述活塞其特征在于，被设置用于与所述活塞密封件接触的活塞的至少一部分被涂覆有低摩擦材料。活塞特别合适地适于用在一般的活塞泵中以及在均化器中所使用的特定活塞泵中。本发明因此也可以用在其他情况下。活塞的不同端部的用途的阐明仅是说明性的，并被添加以简化理解。

根据一个或多个实施方式，其中所述活塞的第一端涂覆有低摩擦材料。在进一步的实施方式中，整个活塞可以涂覆有低摩擦材料。

在与食品的加工相关的实施方式中，优选的是低摩擦材料是食品级材料。可以使用的一些低摩擦材料是PTFE或DLC。

以上和以下描述的活塞可以在活塞泵中使用，一个实施例是在均化器中使用的活塞泵。

活塞涂层添加的有益效果是，活塞泵可以包括布置于气缸壁中的环形槽中并延伸到与活塞密封接触的至少一个活塞泵密封件，其中密封件的径向内表面部分可以设置有低摩擦材料涂层。在还有的其他实施方式中，密封件的整个周缘表面涂覆有低摩擦材料。

在一个或多个实施方式中，包括根据一个实施方式的创造性的活塞的活塞泵的气缸可包括用于润滑流体或消毒流体的入口和出口(例如在气缸壁与活塞之间的环形缝隙中的水或其它流体)。

根据第二构思，本发明涉及密封件，该密封件包括由弹性材料(elast)形成的环形密封件主体，所述环形密封件主体被配置为布置在气缸壁和可移动活塞之间。密封件的特征在于密封件的径向内表面部分设置有低摩擦材料涂层。密封件主要用于活塞泵，然而可以构思其它实施方式，在该其他实施方式中，在部件之间存在以类似方式进行的相对运动。

在一个或多个实施方式中，环形密封件主体包括与所述环形密封件主体一体成型并从所述环形密封件主体的径向内部沿轴向方向延伸的突起密封唇状物。

在更进一步的实施方式中，密封件的整个周缘表面设置有低摩擦材料涂层。

为了优化的目的，在本发明的一个或多个实施方式中，所述涂层的厚度在整个所述密封件的外周表面变化。

在一个或多个实施方式中，所述涂层被限制在不包括所述密封唇状物的表面，使得密封唇状物可以执行朝向活塞的无约束的动作。

在一些实施方式中，为了调整到不同的磨蚀磨损的目的和/或为了避免密封件的变形，所述涂层的厚度沿远离所述密封件的包括密封唇状物的轴向端部的方向减小。该厚度也可以以其他的方式改变。

附图说明

图1A是包括本发明的第一实施方式的活塞泵的剖视图。

图1B是活塞的剖视图，示出了本发明的不同的实施方式。

图2是密封件的剖视图和俯视图，该密封件可以在本发明的实施方式中使用。

图3示意性示出了图2的密封件的进一步的实施方式。

具体实施方式

图1示出了包括本发明的第一实施方式的均化器的活塞泵的一部分。活塞102被布置在包括气缸孔106(在下面称为“气缸”)的气缸壳体104内。活塞102被连接到活塞驱动器，即一种用于给活塞102的往复运动提供传动力的致动机构(未示出)。在本实施方式中，可优选使用连接活塞102到曲轴(未示出)的连接杆(未示出)，但其它驱动机构不应排除，例如不应排除液压或气动装置、凸轮机构、或伺服电机。

两个环形活塞密封件108、110被布置在气缸106的外周壁(被称为气缸壁)中的环形槽中。每个活塞密封件108、110延伸到气缸106内并密封地接触活塞102。通道112在密封件108、110之间的位置朝气缸106内开放。通道112将灭菌流体和/或润滑流体(水、无菌水、热的无菌水或混有蒸汽的热无菌水、乙醇或其他卫生流体)导向活塞102和气缸壁之间的区域中。另一通道114引导流体离开该区域。在其他实施方式中，可以布置几个这样的通道112/114。还应该提到的是只使用一个活塞密封件的实施方式可以是相关的替代方案。

在其中密封件布置在气缸壁上而不是在活塞本身上的活塞泵中，单词“杆”在本申请中有时用于称作“活塞102”的部件。

在一个或多个实施方式中，气缸壳体104可以由两个部分104A和104B(其也示于图1A中)形成。

在本实施方式中，活塞的一些部分涂覆有低摩擦材料。这些部分可以选自包含下述部分的群组中：在设备的操作期间与活塞密封件接触的部分、在设备的操作期间与产品接触的部分、以及在设备的操作期间不与活塞密封件或产品接触的部分、或它们的组合。涂覆活塞的与活塞密封件接触的部分将导致摩擦降低的效果。减小的摩擦所产生的好处在本说明书的末尾列出。涂覆活塞的与产品接触的部分会降低产品粘附到活塞的倾向，从而使清洁简化。此外，如果例如蛋白质粘附到活塞的表面上，则它会被密封件刮下，从而导致污染活塞和密封件两者，此污染可能会导致密封性能的劣化。涂层的施加也将确保产品和活塞之间可预测的接触。此外，用化学制品清洁的过程中，活塞可被保护不受有相当腐蚀性的清洁剂的影响，从而可以被用来确保适当的清洁。涂覆活塞的其余部分也将提供组合的效果，相对于摩擦、产品和其它流体为活塞提供充分保护。其他实施例包括：用低摩擦材料涂覆活塞的顶部和侧边，即涂覆活塞的尤其是暴露于摩擦、产品、或其它流体的部分。活塞可以优选由食品级不锈钢制造，但活塞完全涂覆的实施方式使得能够使用其它材料。因此，铝或其他质量的钢等也是可能的替代方案。

图1B是一示意图，示出了涂层的延伸部的一些部分。在1中，整个活塞被涂覆，在2中，主要暴露于摩擦磨损的部分(活塞的在其筒状部上的侧面)和活塞的顶部被涂覆，最后，在3中，仅仅侧面被涂覆。

就下文描述的密封件而言，活塞的涂层可以是一种且相同的材料，然而它也可以是材料的组合。一个例子将是活塞的暴露于较少磨蚀磨损的部分仅设置有抗腐蚀涂层，而活塞的其余部分设置有低摩擦材料。一个例子是使整个活塞(图1B中的区域1)涂覆有防腐蚀涂层，而只有侧面(在图1B中的区域3)涂覆有低摩擦材料。

一个典型的活塞泵的密封件210被示于图2中的俯视图(右侧)和剖视图(左侧)中，并且其在活塞泵中的布置在图1中分别根据密封件108和110阐明。密封件210可以代表密封件108或110中的任何一种，或在图1A的布置中未示出的不同的密封件。面对活塞的侧，即径向内侧在图2中显示为A，而B表示面朝气缸的侧，即径向外侧。C指的是面向产品的侧，而D表示背离产品的侧。在使用中，润滑剂薄膜将在侧B和活塞之间产生以形成液压密封。在本申请中所示出的实施方式中，该润滑剂可由水或者产品组成，然而也可以使用食品级润滑剂。在图2的横截面图中，值得指出的是，密封唇状物216从侧面C延伸。密封件210是对称的环形结构，并且密封唇状物216围绕密封件的内周延伸。在操作中，产品侧和另一侧之间的压力差将推动密封唇状物朝向活塞，从而提供适当的密封性。一个类似的密封唇状物218可以被布置在密封件的径向外周，以便朝向气缸壁密封。密封件的横截面形状可以变化而不同于在图2中所示出的，但使用密封唇216或类似的功能元件可以包括在优选的实施方式中。

密封件210由完全或部分地涂覆有低摩擦材料的基础材料或芯材料、弹性材料(elast)形成。典型的实施例可以包括，但不限于：丁腈橡胶、EPDM(乙烯丙烯二烯单聚物)橡胶、PU(聚氨酯)、含氟弹性体等。芯也可以由织造纤维或非织造纤维加固，例如或或其他纤维材料的芯。

就本发明的第一方面的目的而言，仅仅涂覆密封件的与活塞密封接触的部分(即经受摩擦运动的部分)可能是足够的。这种布置将具有减少摩擦磨损以及产生的摩擦热的优点。然而另一个优点是，上面施加了涂层的基础材料的回弹或弹性特性将被保留，并且可例如通过提供良好的密封用于有利的应用。

可能认为，术语“低摩擦材料”的用途是不明确的。在本申请的上下文中，该术语是指当作为涂层施加到第一材料时相比于第一材料提供较低(甚至显著较低)摩擦的材料。低摩擦材料涂层为上面设置有该涂层的部件提供减小的摩擦系数。此外，单词“低摩擦材料”不仅是一个相对的术语，而且对于本领域技术人员而言，它也是说明性的，说明方式与例如“润滑剂”的说明方式相同。

在另一个实施方式中，密封件的整个表面涂覆有低摩擦材料。除了以上的优点外，这种解决方案具有的一个优点是活塞密封件的芯材料将绝不会与任何食品接触。因此，芯材料可以不一定要是被批准用于食品接触的，并且在选择材料作为密封件时，对于内部布置有密封件的均化器的性能的优点，材料的密封性能会是优先的。可能听起来矛盾的是，被完全涂覆的芯会影响密封性能，但作为实施例，具有良好的韧性的相当柔软的材料在被涂覆低摩擦材料时可以提供极好的密封性能，而在没有涂层时，其可能不那么好，并且作为另一实例：具有优良的密封性能但是对于与在处理过程中存在的流体接触敏感的材料可以被完全涂覆并被充分使用。

在还有的其他实施方式中，涂层被涂布成非均匀层。这种方法可应用于部分地涂覆的实施方式以及用于完全涂覆的层。一种实施方式将包括使较厚的涂层位于密封件的受到磨蚀磨损的部分上，并且使较薄的涂层位于其它部分上以便保持基础材料的性质，同时仍然保护基础材料不被存在于活塞泵内的流体接触。典型的流体包括但不限于，Lie、清洁剂、产品、蒸汽、水。

后一实施方式的一种变型包括在密封件的径向内侧上具有轴向变化的涂层厚度。这样做的原因可能是：密封件朝向活塞上施加的压力可以随轴向位置而变化，并且这可以通过改变涂层的厚度来解决。在目前背景下，轴向是垂直于径向方向的方向，即活塞的运动方向。

在图3i-3x的部分横截面视图中示意性地示出上述实施方式，其中，标记数字220指明了关于涂层的延伸度和厚度方面的表示。应当强调的是，图示仅仅是示意性的指示用于促进对在几个实施方式中举例说明的本发明的理解。

对于上述的和进一步的实施方式，可能有益的是，密封件是一体成型的。另外，可能有益的是，其没有隐藏的裂缝或底切的(undercut)空隙，从而避免在操作过程中，产品或其他流体的积聚。

活塞被完全或部分地涂覆的实施方式可以与密封件被完全或部分地涂覆的实施方式结合，反之亦然，然而这两个类型的实施方式也可以以单独的方式使用。

低摩擦材料用于涂覆活塞密封件和/或活塞的用途会导致一个或多个优点。摩擦的减小导致产生较少的热，由于热是密封件的退化的主要因素，并且摩擦会影响活塞的耐用性，隔离或组合的措施将延长活塞泵的运行时间以及布置该活塞的机器的运行时间。较长的运行时间将提高机器的工作效率。在食品加工中，停机时间即使不总是与机器的清洁或灭菌相关联的话，也会是经常与机器的清洁或灭菌相关联的。清洁机器是耗时的，并且也消耗如清洁剂、水和能量等资源。由于时间转变成生产率的损失，因此避免停机时间是非常有价值的。

在本发明的进一步的方面，涉及用于确保在移动部件之间的动态密封的密封件，其中该密封件具有参考活塞泵密封件描述的密封件的结构特征。

可能的涂层材料的实施例是PTFE(聚四氟乙烯)。PTFE是被称为GRAS物质，即通常被认为是安全的(Generally Recognized As Safe)物质(根据the Federal Food,Drug,and Cosmetic Act,U.S.Food and drugadministration)，并允许与食品接触。另一实例可以是类金刚石碳(diamond-like carbon)，但也可以使用其它低摩擦材料，在可能成为问题的应用中，其它低摩擦材料可以优选是食品级材料。“涂层”在以永久性的、不可移动的方式进行涂覆的背景中使用，该方式与施加润滑剂层到所述密封件和/或活塞上的方式相反。随着时间的推移，涂层会因磨蚀磨损而磨损，仍然认为它相当于永久性涂层。

在权利要求中，分别提及了第一和第二低摩擦材料。这只是强调，对于具体的实施方式，低摩擦材料不必是相同的，当然低摩擦材料也可以相同。在这个意义上说，第一和第二低摩擦材料可以从同一组材料中选择，该材料如前面参照“低摩擦材料”或“涂层”所述。

Claims (15)

1.一种活塞，其被配置用于在气缸孔中往复运动并用于与活塞密封件密封接触，其中，所述活塞的第一端被布置用于与待处理的产品接触，而第二端被配置成用于耦合到驱动装置，其中，所述活塞的被设置用于与所述活塞密封件接触的至少一部分被涂覆有第一低摩擦材料，从而提供相比于未经涂覆的活塞的减小的摩擦，所述活塞还包括设置在气缸壁的环形槽内并延伸到与所述活塞密封接触的至少一个活塞泵密封件，其中所述密封件的径向内表面部分设有第二低摩擦材料涂层。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中所述活塞的所述第一端涂覆有所述第一低摩擦材料。

3.根据前述权利要求中任一项所述的活塞，其中整个所述活塞涂覆有所述第一低摩擦材料。

4.根据前述权利要求中任一项所述的活塞，其中所述第一和/或第二低摩擦材料是食品级材料。

5.根据前述权利要求中任一项所述的活塞，其中所述第一和/或第二低摩擦材料是PTFE或DLC。

6.根据前述权利要求中任一项所述的活塞，其中所述活塞密封件包括环形密封件主体，所述环形密封件主体由弹性材料形成，被配置为布置在气缸壁和可移动活塞之间，其中所述密封件的径向内表面部分设置有第二低摩擦材料涂层，所述第二低摩擦材料提供相比于所述弹性材料的减小的摩擦。

7.根据权利要求6所述的活塞，其中，所述环形密封件主体包括与所述环形密封件主体一体成型并从所述环形密封件主体的径向内部沿轴向方向延伸的突起密封唇状物。

8.根据权利要求6或7所述的活塞，其中所述密封件的整个周缘表面设置有低摩擦材料涂层。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的活塞，其中所述涂层的厚度在整个所述密封件的周缘表面变化。

10.根据权利要求6或7所述的活塞，其中，所述涂层被限制在不包括所述密封唇状物的表面。

11.根据前述权利要求中任一项所述的活塞，其中所述涂层的厚度沿远离所述密封件的包括密封唇状物的轴向端部的方向减小。

12.一种活塞泵，其包括根据前述权利要求中任一项所述的被布置用于在气缸孔中往复运动的活塞。

13.根据权利要求12所述的活塞泵，其中所述气缸包括用于在气缸壁和活塞之间的环形缝隙内的润滑或消毒流体水或其它流体的入口和出口。

14.一种均化器，其包括根据权利要求12或13所述的活塞泵。

15.根据权利要求1-11中任一项所述的活塞在均化器中的用途。