CN107709777A - 膜装置、有膜装置的活塞泵装置和卫生处理应用的加工线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膜装置。该膜装置包括：第一膜(306；602)；第二膜(308；604)；在所述第一膜(306；602)与所述第二膜(308；604)之间形成的膜内部空间(312)，所述膜内部空间(312)容纳流体；以及传感器(608；700；908)，其被配置为记录所述流体的至少一种特性。所述传感器(608；700；908)被配置为测量所述流体的电容水平。本发明还涉及一种具有这样的膜装置的活塞泵装置(1104)和用于卫生处理应用的加工线。

Description

膜装置、有膜装置的活塞泵装置和卫生处理应用的加工线

技术领域

本发明涉及膜装置、具有这种膜装置的活塞泵装置和用于卫生处理应用的加工线。

背景技术

如今，在食品加工工业中使用均化器是公知的。例如，在乳品行业内，均化器用于将脂肪球分裂成小的部分，以获得稳定的脂肪乳剂，防止重力分离。换言之，通过使奶均化，可以避免在奶产品顶部形成奶油层。用于将食品产品均化的其他原因是获得更刺激食欲的颜色、降低的脂肪氧化敏感性、更加饱满浓郁的味道、改良的口感和更好的培养型奶产品的稳定性。

一般均化器可以分成两个主要部分，形成高压的高压泵和提供间隙的均化装置，产品被促使通过该间隙。如今，最常见的高压泵是具有3至5个活塞的活塞泵。为了确保活塞在移动进出卫生区域时不需要的微生物不会扩散到产品中，使用活塞密封件。一种常见的方法是使至少两个活塞密封件彼此隔开放置，使得可以在放置在所谓的卫生侧上的产品和放置在所谓的不卫生侧上的均化器的不卫生部件(如曲轴箱和使用液压油的曲轴)之间形成屏障。

例如，在非无菌均化器中，即在置于热处理站上游的均化器中，一种普通的方法是设置双重活塞密封件，水被提供在双重密封件之间以润滑活塞密封件。在无菌均化器中，即在置于热处理站下游的均化器中，热的凝结物和蒸汽的混合物可以提供在密封件之间，以防止再次感染。

均化器和均化工艺在由Tetra Pak出版的"Dairy Processing Handbook"(“乳品加工手册”)中进一步描述，通过引用将其并入本文。

由于活塞来回移动时，难以保持卫生侧和不卫生侧分开，因此一些食品生产商已决定只使用食物级油作为预防措施。通过这样做，它们减少了引起健康问题的风险，但如果油有通向产品的通路，那么产品的品质仍然会受到负面影响。

由于上面提到的原因，如今，食品生产者要求确保油不到达产品，以避免卫生问题和产品损失。

此外，除了减少油不到达产品方面的风险外，重要的是，从资本支出的角度和运营性能损耗两个方面看，所述技术方案都是具成本效益的。换句话说，对食品生产者而言，该技术方案应该要求合理的投资成本，当运行该技术方案时，对设施的需要应保持在低水平，并且在不显著增加运营成本的情况下，提供服务应该是可能的。应该进一步注意的是，使用油代替水作为润滑剂，活塞密封件的使用寿命将会延长。然而，为了能够使用油，需要一种解决方案来确保油以可靠的方式与产品分离。

发明内容

因此，本发明优选寻求缓和、减轻或者消除单独或任何组合的上述确定的本技术领域的缺陷和缺点中的一个或多个，并至少解决上述提到的问题。

根据第一方面，提供了一种膜装置。膜装置包括：第一膜；第二膜；在所述第一膜和所述第二膜之间形成的膜内部空间，所述膜内部空间容纳流体；以及传感器，其被配置成记录所述流体的至少一种特性。传感器被配置为测量所述流体的电容水平。装有膜的装置的风险是膜破裂，以及液压油进入装置的环境。在食品加工行业，这可能是食品安全隐患，具体取决于所使用的液压油，而且很可能导致产品损失。为了克服这种风险，在膜内部空间，即在第一膜和第二膜之间形成的空间，可以存在所述流体。使用流体的目的是使得以可靠、快速和具成本效益的方式检测膜破裂成为可能。

在本发明的优选实施方式中，传感器可以包括至少部分容纳在陶瓷主体中的至少一个电极，并且流体可以选自水或去离子水。

膜装置还可以包括将所述第一膜和所述第二膜彼此连接以使得形成所述膜内部空间的膜环，其中所述膜内部空间配置成保持所述流体。另外，膜装置还可以包括在所述膜环中的采样开口。通过以这种方式将第一膜和第二膜彼此连接，形成封闭的空间，在此称为膜内部空间。在该封闭的空间中可以保持流体，由此使得可以容易地将一个膜模块更换为另一个膜模块。

传感器可以放置在所述膜内部空间中，其优点在于可以容易获得流体的样本。

在本发明的一个优选实施方式中，第二膜可以包括具有第一侧和第二侧的主体，其中所述主体由弹性材料制成，其中所述第二侧可以设置塑料涂层。另外，弹性材料可以是乙烯丙烯二烯单体(EPDM)或氟丁二烯橡胶(XP41)，塑料涂层可以是聚四氟乙烯(PTFE)。

根据第二方面，提供了一种包括根据第一方面所述的膜装置的活塞泵装置。膜装置可配置成将液压油室和产品室分离。

活塞泵装置可以进一步包括连接到液压油室的卸压阀。

根据第三方面，提供了一种包括根据第二方面所述的活塞泵装置的加工线。加工线可以是食品加工线。

如上所述的相同优点也适用于本发明的第二和第三方面。

通常，权利要求中所使用的所有术语应根据技术领域中的其普通的含义来解释。所有对“一个/一种/所述(元件、设备、组件、装置、步骤等)”的引用将被公开地解释为指代所述元件、设备、组件、装置、步骤等的至少一个实例，除非另有明确说明。

附图说明

参考所附的附图，通过本发明的优选实施方式的以下说明性的且非限制性的详细描述，将更好地理解本发明的以上的以及附加的目的、特征和优点，其中：

图1示意性地示出了一种均化器。

图2示意性地示出了图1的均化器的所谓的湿端。

图3示意性地示出了在配备膜的均化器中的湿端。

图4示出了膜的一些不同的透视图。

图5a和5b示出了第一模式的膜和第二模式的膜。

图6a、6b和6c中示出了膜模块。

图7a和7b示出了电容传感器的一个实施例。

图8示意性地示出了采样传感器系统。

图9a、9b和9c中示出了采样传感器系统的示例性设置。

图10示意性地示出了具有设置有卸压阀的配备膜的均化器的一种食品加工系统。

具体实施方式

图1总体上示出了一种均化器100，更具体地一种由Tetra Pak以品名Tetra Homogenizer销售的均化器。通常，均化器100包括两个主要部分，即高压泵和均化装置。高压泵形成高压，而均化装置提供一个或几个间隙，产品被促使通过间隙，以有效地形成较小的脂肪球。均化的进一步的效果是获得更刺激食欲的颜色、降低的脂肪氧化敏感性、更加饱满浓郁的味道和培养型奶产品的更好的稳定性。

在本实施例中，高压泵是通过主驱动马达101驱动的活塞泵，主驱动马达101经由传动皮带102和齿轮箱103连接到放置在曲轴箱104中的曲轴。通过使用曲轴，将旋转运动转换为来回驱动泵活塞105的往复运动。如今，有三至五个泵活塞是常见的。

泵活塞105在形成于泵座106中的空腔内运行，泵座106被制造成能承受由泵活塞产生的高压。如今，将压强从300千帕(3巴)增大至约10-25兆帕(100-250巴)是常见的，但也可使用较高的压强。

产品通过泵座106中的空腔进入第一均化装置107，此后，在许多情况下，进入第二均化装置108。如上所述，通过促使产品通过一个或几个间隙，可以改变产品的特性。

泵活塞105的往复运动产生脉动。如今，为了减少脉动，将入口缓冲器109放置在均化器的入口上是通常的作法。此外，为了减少振动和噪音，将出口缓冲器110放置在出口上是通常的作法。

图2更详细地示出了均化器的一种所谓的湿端。如在横截面图中可以看到的，活塞105来回移动，使得在泵座106内的产品室200中形成高压。一个或几个密封件202用于保持活塞105和活塞接收元件204之间的紧密配合。该一个或多个密封件202还使产品室200中的产品保持与曲轴箱和均化器的其它非卫生部件分开。为了进一步确保不需要的微生物不会最后到达产品中，使用蒸汽屏障或类似物结合活塞密封件202是常见的方法。

在图3中，配备膜的均化器的湿端300被示出。如同图1和2所示的均化器，该均化器设置有活塞302，或者更适当地，设置有若干活塞，但是在此横截面图中只有它们中的一个被示出。另外，活塞302正在使泵座304中的高压形成。

不同于图1和2所示的均化器，湿端300设置有第一膜306和第二膜308。第一膜306可以被布置为使得液压油室310和膜内部空间312(即，第一膜306和第二膜308之间形成的空间)被保持分开。第二膜308可以被布置为使得膜内部空间312和产品室314保持分开。

此外，高压卸压阀316可连接到液压油室310，使得在液压油室中的压强可以通过打开该阀而降低。在打开高压卸压阀316时，可以将液压油进给到罐中，但未图示。该罐也可经由入口阀连接到在液压油室中的入口，使得液压油可在稍后阶段进给到液压油室。这样设置的积极效果是，通过高压卸压阀316释放的液压油可以再利用。在图3中示出了一种示例性的设置。

配有液压油的原因是，其用于将由活塞302所形成的压力经由第一膜306和第二膜308转送到产品室314，而且也用于润滑密封件，并通过这种方式延长密封件的寿命。因此，与在图2所示的湿端不同，活塞正在使产品室314内的压力间接形成。

具有将产品室314与活塞302、曲轴、曲轴箱和放置在不卫生侧的其他部件分开的膜的优点是形成适当限定的边界。这样的效果是，不想要的微生物进入产品室314中的风险显著降低。即使可以使用例如蒸汽屏障实现相同的食品安全程度，这些膜解决方案也可以具有不需要蒸汽屏障的益处。这样做的进一步的效果是，运行均化器的操作成本可以显著降低。还有从环境的角度来看，使用较少的蒸汽是有显著价值的。

具有配备膜的均化器的风险是，膜破裂和液压油进入产品室。这可能是一种食品安全隐患，具体取决于所使用的液压油，而且其会以较高的可能性导致产品的损失。为了克服这种风险，可以提供流体到膜的内部空间312中，即，在形成于第一膜306和第二膜308之间的空间中。使用流体的目的是使得以可靠、快速和具成本效益的方式检测膜破裂是可能的。使用流体的另一目的是在膜之间提供压力而不在其间形成任何摩擦。

流体可以是凝胶，但它也可以是水溶液或能够在与液压油或产品混合时转送压力以及改变属性(如电容)的任何其它材料。

一种检测膜破裂的方法是配有作为流体的电容溶液并配有连续地测量所述流体的电容的电容传感器。如果第一膜306破裂，则液压油会进入膜内部空间312，并与流体混合，其结果是电容被改变，前提当然是选择电容不同于流体的电容的液压油。另一方面，如果第二膜308破裂，则产品会进入膜内部空间312，并与流体混合。假定产品的电容不同于流体的电容，则电容将被改变。因此，通过在膜内部空间312配备具有一定电容的流体，可以检测出第一膜306和第二膜308两者中的任何一个是否破裂。

作为配备具有一定电容的流体的替代方案，可使用没有电容的溶液，或者具有低电容的溶液。如果配备没有电容的溶液，例如去离子水，则如果第一膜306或第二膜308破裂，电容将增强，前提当然是相比于没有电容的溶液，产品和液压油两者都具有较高的电容。

在图3所例示的设置中，提供了样品通道318。通过配备样本通道318，来自膜内部空间312的样本可以被获取并且由放置在膜内部空间312外部的电容传感器分析。不放置电容传感器在所述膜内部空间312的一个原因是高压。然而，如果配有耐受高压的电容传感器，则该电容传感器可被放置在膜内部空间内。

取代测量电容，或作为测量电容的补充，也可以使用其他参数，例如浊度。通过配有例如浊度不同于液压油和产品的浊度的流体，则在由于膜破裂而泄漏的情况下，浊度会变化。这种浊度变化可以由浊度传感器来检测。

另一个实施例是配备光透射特性与液压油和产品两者的光透射特性都不同的流体。利用可能组合有发光器件的光记录传感器，使得可以测量吸收的光或反射的光，这可以检测出是否有任何膜已破裂以及液压油或产品是否已经进入膜内部空间。

除了流体可保持在两个膜(即第一膜306和第二膜308)之间的优点之外，具有两个膜还有的一个优点是，两个膜在同一时间破裂的风险应是非常低的，因此液压油进入产品的风险也是低的。

图4示出了膜400的多个不同的透视图，膜400可以被用作在图3所示的湿端的第一膜306或第二膜308。

为了以使得膜400不会仅仅在短的时间段之后就被磨损的方式接收由活塞产生的力，膜400可设置有凸起部分402，凸起部分402设置在膜的外围404和中间部分406之间，以确保膜能够在第一模式(在图5a中示出)和第二模式(在图5b中示出)之间挠曲(flex)，而不磨损膜的材料。此外，具有凸起部分的优点也可以是在第一模式和第二模式之间的较大的体积差。

中间部分406可以通过加固部分408(例如，包含在膜内的金属部分)加固，以避免所谓的“模压”(“coining”)，即膜破裂以致硬币形状的中间部分的一小部分从膜撕裂。

在图5a中，膜处于没有力施加在膜上的第一模式，既不施加力在产品室侧(在图5a和5b左侧)，也不施加力在液压油室侧(在图5a和图5b右侧)。

在图5b中，膜是在第二模式中，其中力作用在液压油室侧，使得膜的中间部分被推向所述产品室侧。

为了确保可以适当地和有效地清洁膜，优选地使膜的产品室侧具有使得食物残渣可以被容易地去除的特性。此外，该产品室侧也应能够耐受在清洗时所使用的化学物质，如碱液和酸。另一方面，液压油室侧应优选具有适合与液压油良好工作的特性。膜作为整体应当是有弹性的，使得通过活塞形成的压力可被转送至产品室而不磨损膜。此外，膜还应该是有弹性的，使得膜可以是较小的，如直径为10-30厘米。较小的膜即具有使得泵座可以制造得较小的效果，这进而意味着需要较少的材料，例如，较少的不锈钢，从而直接影响食品生产者的投资成本。

返回到图5a和5b中，示出了包括由橡胶材料制成的主体502的膜500。在一个特定实施例中，已选择氟丁二烯橡胶(fluoropren rubber：XP41)，但由于材料的选择取决于所使用的液压油，因此也可以选择其他材料。使用用于主体的橡胶材料(诸如弹性体)使得能够降低膜的大小至约10-30厘米或更小同时仍然能够令人满意地转送来自活塞的压力是可能的。

为了使得产品室侧可适当地清洁，涂层504可设置在这一侧上。涂层504可以由聚四氟乙烯(PTFE)制成，但也可以使用适用于食品加工的其它材料。此外，该涂层还可以保护弹性材料不受在清洁期间所使用的清洁剂以及磨蚀产品的影响。

为了使得主体502的弹性特性不会失去，涂层504优选地制得较薄，例如0.5毫米。然而，由于不同的材料具有不同的特性，因此涂层的厚度对于不同的材料可以不同。

应当指出的是，图5a和5b主要用于说明的目的。在实际应用中，在第一模式和第二模式之间的差异可以不太明显或较明显。

图6a、6b示出了膜模块600的两个不同的角度的分解图，膜模块600包括第一膜602、第二膜604、膜环606和传感器608。图6c中示出了当第一膜和第二膜附着到膜环606时的膜模块。如图所示，两个膜都可以是在图4、5a和5b所示的那种类型。

通过使第一膜602和第二膜604以这种方式彼此连接形成封闭空间，该封闭空间在本文中称为膜内部空间。可以将流体保持在这个封闭空间中，从而使得将一个膜模块容易地更换为另一个膜模块是有可能的。

传感器608可以放置在膜内部空间内，其可以是如上所述的电容传感器。尽管传感器连接元件未示出，但传感器连接元件可以设置在膜环的外侧，使得由传感器608收集的数据可以被捕获并被传送到被配置用于分析数据的控制装置等，以检测流体的一个或多个特性是否已经例如由于该第一膜已破裂以及液压油已进入膜内部空间而改变。

图7a示出了电容传感器的一个实施例，其耐受高压使得它可以被放置在膜内部空间内。

电容传感器700在图7b中被进一步图解。在本实施例中，主体702可以被布置用于保持电极704。在空间708中，可以放置流体，使得可以通过使用电极704测量电容。主体702优选由陶瓷材料制成，以耐受在膜内部空间中的苛刻的环境。

为了查明是否可以检测在流体中的液压油、产品或清洁剂(有时也被称为原位清洁(CIP)介质)，并且因此进而查明是否可以检测膜破裂，已执行不同的测试。

将传感器放置在膜内部空间面临的挑战是高压强。在如今的均化器中，很常见是将压强从300千帕(3巴)提高到10-25兆帕(100-250巴)。即使这是可以克服的，它也增加了传感器的额外的成本，并因此用于测量的替代方式会是有价值的。

图8示出了所谓的采样传感器系统900，其可以被用作在图7a和7b示出的在线传感器的一个替代方案。此外，如果测量流体的一个以上的特性，则检测通过使用在线传感器得到的测量结果和通过使用采样传感器系统得到的另一个测量结果中的一个是可能的。还有的一种选择方案是在膜内部空间使用传感器作为连续地记录数据的第一传感器，以及使用采样传感器系统作为备用传感器系统或进行其它测量。

采样传感器系统900可包括设置有通向低压采样腔904的通道的膜模块902。为了确保在膜模块902中保持高压强，可在通道上设置阀906。

在低压采样腔904中，传感器908可以被布置用于记录从膜模块902经由所述通道馈送的流体的一个或多个特性。传感器908进而可以连接到控制装置910，例如计算机，以分析传感器输出。

图9a、9b和9c中示出了采样传感器系统1000的示例性设置的不同的透视图。在这个示例性设置中，在泵座1002的顶部、阀1004和导管1006上提供低压采样腔1008。此外，蓄积器1010可用于吸收流体的一部分，流体在此特定实施例中已经选择为是凝胶。在已经进行测量之后，流体可以再下推到膜内部空间中。

图10示出了食品加工系统1100的一部分的示例性设置的示意图。在这个实施例中，分离器1102放置在活塞泵装置1104的上游，而喷雾干燥器1106被置于活塞泵装置1104的下游。任选地，热处理站1108、脱气器1110或设备的其它部件也可以是系统的一部分。

活塞泵装置1104可以设置有膜1112，膜1112使得产品与放置在液压油室1114内的液压油保持分离。如上所述，通过配备液压油，由活塞1116或几个活塞所形成的压强可被转送到膜1112。

如果突然增大的压强进入活塞泵装置1104的产品室，例如当分离器1102释放或者当喷雾干燥器1106发生堵塞时，这种增大的压强将通过膜1112扩散到液压油室1114。通过打开卸压阀1118，增大的压强可以通过将液压油从液压油室1114释放到容器1120而减小。以这种方式，增大的压强或压强峰值可以在没有产品损失的情况下被消除，这种产品损失将是使用线性卸压阀时的情形，线性卸压阀即放置例如在活塞泵装置1104与喷雾干燥器1106之间的管道上的卸压阀。

由于液压油被供给到容器1120，其可以重新进入到液压油室1114，因此，液压油可以被重新使用，这从经济和环境的角度来看当然都是有利的。

除了产品损失较少的优点外，配备如所描述的卸压阀1118也将提高食品加工厂的安全性。一旦例如由于喷雾干燥器内的阻塞喷嘴而导致在液压室中的压强高于设定的阈值，在液压油室中的压强就降低，并且活塞将因此不会额外增大压强。

还有的一个优点是，齿轮箱和活塞泵装置的其它部件的磨损将通过卸压阀减少。

有时，单词“隔膜”被用来代替“膜”。在本文中，这两个词之间没有区别，并且在这种背景下，它们都应当理解为是能够保持两种流体分开的弹性构件。

本发明已经主要参照几个实施方式进行了描述。然而，如由本领域技术人员能容易地理解的，上面公开的实施方式以外的其他实施方式同样可能在由所附的专利权利要求所限定的本发明的范围之内。

Claims (14)

1.一种膜装置，其包括：

第一膜(306；602)，

第二膜(308；604)，

在所述第一膜(306；602)与所述第二膜(308；604)之间形成的膜内部空间(312)，所述膜内部空间(312)容纳流体，以及

传感器(608；700；908)，其被配置为记录所述流体的至少一种特性，

其中所述传感器(608；700；908)被配置为测量所述流体的电容水平。

2.根据权利要求1所述的膜装置，其中，所述传感器(608；700；908)包括至少部分容纳在陶瓷主体(702)中的至少一个电极(704)。

3.根据权利要求1或2所述的膜装置，其中，所述流体选自水或去离子水。

4.根据前述权利要求中任一项所述的膜装置，其还包括将所述第一膜(306；602)和所述第二膜(308；604)彼此连接以形成所述膜内部空间(312)的膜环或膜泵座(606)，其中所述膜内部空间(312)构造成保持所述流体。

5.根据权利要求4所述的膜装置，其进一步包括在所述膜环(606)内的采样开口。

6.根据前述权利要求中任一项所述的膜装置，其中所述传感器放置在所述膜内部空间(312)中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的膜装置，其中所述第二膜(308；604)包括具有第一侧和第二侧的主体(502)，其中所述主体(502)由弹性材料制成，其中所述第二侧设置有塑料涂层(504)。

8.根据权利要求7所述的膜装置，其中，所述弹性材料是橡胶。

9.根据权利要求8所述的膜装置，其中，所述橡胶是氟丁二烯橡胶(XP41)。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的膜装置，其中所述塑料涂层(504)是聚四氟乙烯(PTFE)。

11.一种活塞泵装置(1104)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的膜装置。

12.根据权利要求11所述的活塞泵装置(1104)，其中所述膜装置将液压油室(1114)和产品室(200)分离。

13.根据权利要求12所述的活塞泵装置(1104)，其还包括连接到所述液压油室(1114)的卸压阀(316)。

14.一种加工线，其包括根据权利要求11至13所述的活塞泵装置(1104)。