流體分配系統及其雙模式系統流體致動閥的製作方法
2023-05-20 22:36:26
專利名稱：流體分配系統及其雙模式系統流體致動閥的製作方法
技術領域：
公開的本發明大體上涉及流體分配系統，具體地涉及這樣的流體分配系統，其可控制第一流體(即稀釋劑如水)與第二流體在流體分配系統內混合點的混合，第二流體包括食品濃縮液(如醬汁)、非碳酸飲料濃縮液(如果汁或等滲飲料濃縮液)或非食品濃縮液(如溶劑，如風擋刮水器液或清洗液)等類似流體。所述系統包括布置在分配系統的混合點上遊第二流體供應管道中的閥門，這種閥門可通過施加正和/或負壓同時起動，使得第二流體能夠流過閥門。這種正和/或負壓由系統要分配並與第二流體混合的第一流體產生，因此第一流體停止流動會立即終止第二流體的流動，以確保兩種流體在最終溶液中精確混合，並可防止第二流體的不經意滲漏。
背景技術：
流體分配器已長期用於許多飲食服務場所，包括零售餐廳、果汁店、醫院、療養院、學校等類似場所。這種流體分配器通常需要將稀釋劑，如水，和調味劑(如軟飲料調味糖漿或果汁、乳品、或等滲濃縮液)混合成最終產品，使最終產品中水與濃縮液具有精確的比例，以向消費者提供具有所要求味道的最終產品。為了使產品能夠最大程度地吸引消費者，從而贏得忠實的顧客和銷售，關鍵是要令水與濃縮液的比例保持在精確的水平並完全混合，而且這種系統還要能保持食物及藥品管理局(FDA)規定的無菌水平。
對於傳統的分配系統，當分配軟飲料時，調味劑通常包含粘度較低的普通粘性糖漿。然而，當分配非碳酸飲料如果汁、乳品飲料和等滲飲料時，調味劑通常包含濃縮液，其包括粘性很高的流體，與傳統的調味糖漿相比，在進行流量調節時會遇到更大的困難。容積式泵，如蠕動泵，常用來調節這種飲料濃縮液分配系統的流量。然而，使用泵的系統需要有較大的物理空間來容納泵裝置。而且，這種系統在日常重複使用之後易於滲漏或阻塞。此外，還發現商業等級的比較便宜的分配蠕動泵在分配小體積液體，如12盎司果汁飲料時，不夠精確。此外，這種固定比率的泵往往會每半個周期送出一「股」水或其它驅動液，使所分配的飲料產生分層或不均勻。這種泵還很容易在分配周期結束泵停止工作時分配少量尾流濃縮液，於是在周期結束時不經意分配一股純濃縮液到飲料中，或是在下一個分配周期開始時將一股純的未混合濃縮液先於水/濃縮液混合物輸送到杯中，從而使所分配的飲料質量十分不穩定。現有的使用蠕動泵的果汁分配器不是自行衝洗的系統，因而需要拆開進行清潔。
即使在飲料分配系統領域之外，上述問題也會困擾試圖分配任何定量流體的分配系統，所述流體包括粘性濃縮液和稀釋劑，比如清潔液或其它工業用流體。
因此，在本技術領域中需要這樣的流體分配系統，其能夠徹底和精確地混合併分配由濃縮液及稀釋劑構成的流體，即使所分配的流體體積很小這種流體也具有一致的比率，該系統能夠避免使用容積式泵的傳統流體分配系統所具有的問題，比傳統的流體分配系統更為緊湊，而且不管粘性濃縮液的固有特性和異常結構如何都能夠有效地工作。還需要有一種能夠每次使用之後自清洗的系統，以確保流體商業無菌。
發明內容
因此，本發明的一個目的是要提供一種能夠避免現有技術缺點的流體分配系統。
本發明的另一個目的是提供一種流體分配系統，每次分配劑量都能夠提供一致的稀釋劑與濃縮液之比，並能通過自清洗過程來保持商業無菌水平。熱水和/或加有食物及藥品管理局批准的過氧化氫溶液的熱水可以自動連接，用來衝洗系統的管道。
本發明還有一個目的是提供一種流體分配系統，能夠由第二分配流體施加壓力致動，以分配第一流體。
本發明的還有一個目的是提供一種流體分配系統，具有雙模式系統流體致動的流量閥，通過施加正壓力和負壓力能夠同時致動或者以互補方式選擇性地致動。
本發明的還有一個目的是提供一種流體分配系統，當稀釋劑停止流動時能立即終止濃縮液的流動，以防止在分配周期的末尾分配一股尾流濃縮液，或使調味濃縮液滲漏到分配管道中，或使細菌遷移回到濃縮液包裝容器中。
本發明的還有一個目的是提供一種流體分配系統，即使在分配小批量的流體時也能徹底和精確地進行混合。
本發明的還有一個目的是提供一種流體分配系統，能夠確保所有未分配的濃縮液部分保持處於無菌環境。
根據上述目的，公開了一種流體分配系統，即使所分配的流體體積很小，也能夠均勻地進行分配混合，達到所要求的濃縮液與稀釋劑之比。本發明的系統包括布置在濃縮液源和濃縮液進入稀釋劑的點之間的閥門，這種閥門包括具有第一腔室(下文稱作「流量腔室」)和第二腔室(下文稱作「流量腔室」)的閥體，流量腔室和致動腔室由閥體內的間壁隔開，並設有可在流量腔室和致動腔室內作往復運動的柱塞。柱塞的第一端包括閥頭，設計成能位於流量腔室的閥座側壁上。當閥頭在閥座側壁上時，能夠防止流體從位於閥頭第一側的流體入口流經流量腔室至位於閥頭另一側的流體出口。柱塞的第二端包括活塞頭，活塞頭由彈性件朝致動腔室的端壁彈性偏壓，從而將閥頭彈性偏置到流量腔室的閥座。柔性膜片布置在活塞頭和致動腔室的端壁之間，並將致動腔室分成正壓致動區(膜片和致動腔室端壁之間的空間)和負壓致動區(膜片和閥體間壁之間的空間)。致動腔室的端壁上設有兩個埠，即，使流體進出正壓致動區的流體入口和流體出口。同樣地，致動腔室的側壁上設有埠，即，用來提供真空給負壓致動區的真空口。
工作時，施加到正壓致動區入口的流體以及施加到負壓致動區真空口的真空都能夠壓縮活塞頭到彈性件，使流量腔室中的閥頭離開閥座，允許流體流經流量腔室。
彈性件設計成，當稀釋劑不流動時能夠緊緊地保持閥門關閉，從而防止濃縮液不經意滲漏到閥門下遊的液流系統中。通過稀釋液停止流動就關閉閥門，濃縮液不會滲漏或停留在閥門下遊的液流系統內，因此整個未分配流體與分配系統外面的潛在汙染物(如細菌)保持隔離。
在本發明的優選實施例中，所述閥門用於流體控制系統，這種流體控制系統用來分配要與第二流體混合的第一流體。在這一實施例中，所要分配(並與第二流體混合)的第一流體充當施加到正壓致動區的流體，且其流動會產生施加到負壓致動區的真空，而所要分配的第二流體是在閥門啟動時流經流量腔室的流體。為了產生施加到閥門負壓致動區的真空，以及產生可將第二流體(如濃縮液)從其儲存容器抽入第一流體(稀釋液)液流的真空，本發明的流體分配系統使用了文丘裡管或「噴射泵」來產生所要求的真空。在本發明的流體分配系統的優選實施例中，稀釋劑供應源設計成能同時和選擇性地引導稀釋劑(如水)至閥門正壓致動區的流體入口和流經位於閥門下遊的文丘裡管。稀釋劑流經文丘裡管會產生真空吸力，能夠(i)在閥門開啟時從容器中抽取濃縮液；(ii)提供真空給閥門的負壓致動區；和(iii)回收輸送到閥門正壓致動區的稀釋劑。
通過下面結合附圖對優選實施例和其某些改進所作的詳細說明，將更加清楚本發明的其它目的、特徵和優點，附圖中
圖1是本發明流體分配系統的雙模式致動閥的透視圖；圖2是圖1閥門的側向剖視圖；圖3是根據本發明的結合圖1和2中閥門的流體分配系統的示意圖；圖4是根據本發明的流體分配系統的第一可選實施例的示意圖；和圖5是根據本發明的流體分配系統的第二可選實施例的示意圖。
具體實施例方式
圖1和2分別是本發明流體分配系統的雙模式系統流體致動閥的透視圖和側向剖視圖，這種流量控制閥可以通過施加因所分配流體流動而產生的真空吸力來致動，或者通過施加由這種所分配流體產生的正壓力來致動，還可以通過同時施加來自這種所分配流體的真空吸力和正壓力來致動，分配要與第一流體混合的第二流體。這種閥門包括一般是細長形的閥體10，閥體的端壁設有流體入口15，閥體的側壁設有流體出口20和真空口25。間壁30處於閥體10中，其位置能夠將閥體分成兩個腔室，即流量腔室(用31表示)和致動腔室(用32表示)，因此入口15和出口20提供閥體外部與流量腔室之間的流體連通，而真空口25提供閥體外部與致動腔室之間的流體連通。
與間壁30相對的致動腔室32的端部設有端板100，端板最好通過若干螺紋件110固定於閥體10。端板100設有兩個開口，即入口105和出口106，因此當端板100固定在閥體10時，入口105和出口106同樣提供致動腔室內部與閥體外部之間的流體連通。
閥柱塞200布置在閥體10內並從間壁30穿過。閥柱塞200的第一端裝配有閥頭205，閥頭205設計成能坐落在由流量腔室31的傾斜側壁構成的閥座16。O形環、墊圈或其它柔性密封機構206最好布置在閥頭205和閥座16之間，當閥門處於閉合位置時可確保形成緊密密封並防止流體不經意滲漏通過閥門結構。活塞頭210裝配在閥柱塞200的第二端。彈性件215如螺旋彈簧並置在間壁30和活塞頭210之間，使得始終朝端板100偏壓活塞頭210。由於柱塞200、閥頭205和活塞頭210是整體結構，活塞頭210朝端板100的偏壓也使閥頭205在流量腔室31中朝閥座16偏壓，因此未施加致動力(無論是真空還是正壓)時，閥門處於閉合狀態，防止流體通過流量腔室31流動。
柔性膜片300設置在活塞頭210和端板100之間並覆蓋致動腔室32的整個寬度，從而將致動腔室32分為兩個區域，即，真空或負壓致動區40和正壓致動區50。負壓致動區40從間壁30延伸到膜片300的下側，而正壓致動區50從膜片300的上側延伸到端板100。膜片300的端部牢固地夾緊在端板100和閥體10之間，因此負壓致動區40與正壓致動區50完全隔離，在這兩個區域之間不存在流體連通。
使用時，流體濃縮液輸送到入口15。由於沒有壓力施加到正壓致動區50，也沒有真空施加到負壓致動區40，所以彈性件215朝端板100偏壓活塞頭210，從而使流量腔室31中的閥頭205偏壓到閥座16上，而壓縮柔性密封機構206，以防止流體在閥頭205周圍流動並流經出口20。
當流體通過入口105輸送到正壓致動區50而在區域50內提供正壓力時，正壓致動區50擴大，驅使活塞頭210離開端板100而壓縮彈性件215，並提升流量腔室31中的閥頭205離開閥座16。當閥頭205脫離開閥座16之後，入口15的流體自由流過閥頭205周圍並從出口20流出。當供給正壓致動區50的流體停止時，彈性件215立即驅使活塞頭210沿相反方向運動(現在朝端板100運動)，轉而使流量腔室31中的閥頭205朝閥座16運動，直至閥頭205緊靠在閥座16上，此時流體的流動再次立刻停止。
同樣地，當有真空施加到真空口25上而在負壓致動區40內產生真空負壓力時，區域40收縮，拉動活塞頭210離開端板100而壓縮彈性件215，並提升流量腔室31中的閥頭205離開閥座16。當閥頭205脫離開閥座16之後，加在入口15的流體自由流過閥頭205周圍並從出口20流出。當供給負壓致動區40的真空停止時，彈性件215立即驅使活塞頭210沿相反方向運動(現在朝端板100運動)，轉而使流量腔室31中的閥頭205朝閥座16運動，直至閥頭205緊靠在閥座16上，此時流體的流動再次立刻停止。
由於施加正壓到正壓致動區50和施加真空或負壓到負壓致動區40都能夠使流量腔室31中的閥頭205離開閥座16，所以可以容易地看出同時施加正壓到區域50和施加真空到區域40能夠更快作出反應以啟動流體流經流量腔室31，從而在分配所要求的流體部分時具有更高的精確度。
閥門1布置在流體濃縮液的源點和濃縮液進入稀釋劑的加入點之間，因此在流經管道的稀釋劑停止時可防止濃縮液不經意流入流體供應管道中。如示意圖3更詳細的示出，本發明的流體分配系統包括濃縮液(如調味糖漿)容器500，可通過管道501將濃縮液輸送至閥門1的入口15。同樣地，稀釋劑(如水)供給源510分配要與已分配濃縮液混合的稀釋劑。稀釋劑的供給最好通過壓力調節器601和電磁閥602來調節，如本技術領域都知道的。稀釋劑的供給從電磁閥602分成第一分支512和第二分支513。第一分支512的管道將稀釋劑從電磁閥602引導到閥門1的入口105。流經入口105的稀釋劑施加正壓致動力到閥門1的正壓致動區50，從而打開閥門1使濃縮液能夠從供給源500流出。同樣地，第二分支513的管道將稀釋劑從電磁閥602引導到文丘裡管或噴射泵700的入口。
更具體地，文丘裡管700包括壓差噴射器，其內徑從噴射器入口到噴射室是減小的。噴射室位於噴射器入口、噴射器出口以及吸入口701的交匯處。進入噴射器入口的水被擠壓到噴射室中而變成高速噴射流。由於噴射器入口和出口側之間的壓差，通過噴射室的速度增大，使得在噴射室中產生壓力下降。這種壓降使得添加的材料，如本發明流體分配系統中使用的濃縮液，能夠通過吸入口吸入並與運動的稀釋劑流混合。由於噴射流朝噴射器出口擴散，所以其速度減小而再轉化為壓力能。
因此，當稀釋劑輸送到文丘裡管700的入口時，只要閥門1被促動使濃縮液能夠流動，稀釋劑流經文丘裡管700將從閥門1的出口20抽取濃縮液，濃縮液通過管道21到達吸入口701，在吸入口濃縮液被吸入和與稀釋劑流體混合。
如上面所解釋的，稀釋劑可以引導到閥門1的正壓致動區50以打開閥門並使濃縮液能夠流過那裡。為了抽出輸送到正壓致動區50的稀釋劑，設有稀釋劑回流管514，稀釋劑回流管將稀釋劑從正壓致動區50中的出口106引導到位於文丘裡管700的噴射器出口附近的另一吸入口702，因此通過稀釋劑回流管514返回的稀釋劑可再次進入接近於大氣壓力的液流中。
而且，如上面所解釋的，可以將真空施加到負壓致動區40以打開閥門1而使濃縮液能夠流過。為了將真空施加到負壓致動區40，在文丘裡管700還設有另一吸入口703，吸入口703緊靠吸入口701布置。當稀釋劑流經文丘裡管700在噴射室中產生壓力下降時，這種壓力下降通過管道26施加真空到閥門1的負壓致動區40(如上面所詳細介紹的)，於是閥頭205離開閥座16，使得濃縮液能夠流經出口20。或者，在吸入口701處可以設有T形流體接頭，T形接頭的每個分支容納一個管道21和26。利用這種流體接頭，單個吸入口701提供了抽取濃縮液到稀釋劑流中的真空以及輸送到負壓致動區40以打開閥門1的真空。
上述系統詳細描述了通過同時施加流體正壓力到正壓致動區50，和負壓力到負壓致動區40來致動閥門1，這兩種外力都使閥頭205離開閥座16，允許濃縮液流經閥門1。然而，本發明流體分配系統的可選實施例可以只利用正壓力或負壓力中的一種來致動上述閥門1，因此本發明的流體處理系統可以去掉一種壓力應用裝置而同時還能保持系統的功能和緊湊的構造方式。舉例來說，在圖4所示的本發明替代實施例中，去掉了圖3中流體處理系統的真空管道26和閥門1的真空口25，因此閥門1的唯一致動力是通過管道512施加到正壓致動區50入口105的正流體壓力。同樣地，圖5示出了本發明的另一個可選實施例，其中流體管道512、稀釋劑回流管514、以及閥門1的正壓致動區50的入口105和出口106省去，因此閥門1的唯一致動力是通過管道26施加到負壓致動區40真空口25的真空壓力。
或者，可以在流體管道512和26中設置額外的閥門，系統通過施加到正壓致動區50的正壓力、施加到負壓致動區40的負壓力、或者通過以互補方式同時施加的正壓力和負壓力來選擇性地使閥門1工作，以提供最大的靈活性來控制各種流體的流動。
應當認識到，雖然在此介紹的系統尤其適用於克服控制高粘性流體(如果汁、乳品或等滲濃縮液)流動所存在的困難，但是這種系統對於調節低粘性組分(如用於軟飲料的調味糖漿)的流動同樣有效，而且還可以用於需要混合多種不同流體的任何應用中。
在此已經詳細介紹了根據本發明基本原理的優選實施例和某些修改形式，所屬領域的技術人員通過熟悉所述基本原理可以知道其它各種實施例及其修改和變化形式。所以，應該認識到本發明可以用本文所述具體方法不同的方式來實施。
實用性對於多種流體的流體分配系統的工業應用，要求提供一種分配裝置，要能夠確保流體之間精確混合比例並能防止流體從系統不經意滲漏。本文公開了這樣一種流體分配系統，可用來控制第一流體(即稀釋劑如水)與第二流體在流體分配系統內混合點的混合，所述第二流體包括食物濃縮液(如醬汁)、非碳酸飲料濃縮液(如果汁或等滲飲料濃縮液)或非食品濃縮液(如溶劑，風擋刮水器液或清洗液)等類似的流體。所述系統包括布置在分配系統中混合點上遊第二流體供應管道中的閥門，這種閥門可通過施加正和/或負壓同時起動，使第二流體能夠流經閥門。這種正和/或負壓由系統分配並與第二流體混合的第一流體產生，因此第一流體停止流動會立即終止第二流體的流動，確保兩種流體在最終溶液中精確混合，並可防止第二流體的不經意滲漏。
權利要求
1.一種混合至少第一和第二流體的流體分配系統，包括輸送所述第一流體的第一流徑；輸送所述第二流體的第二流徑；閥門，布置在所述第二流體源點下遊的所述第二流徑內，所述閥門還包括輸送所述第二流體的分配流體流徑；和混合器，位於所述閥門下遊用來混合所述第一和第二流體；其特徵在於，當通過所述第一流徑輸送流體時，所述第一流徑與所述閥門流體接合，開啟所述分配流體流徑。
2.根據權利要求1所述的流體分配系統，其特徵在於，所述第一流徑設計成能施加流體壓力到所述閥門內的剛性閥柱塞，使所述柱塞從閉合位置移動到開啟位置，在所述閉合位置可防止流體流經所述第二流徑，而在所述開啟位置允許流體流經所述第二流徑。
3.根據權利要求1所述的流體分配系統，其特徵在於，所述第一流徑將所述第一流體引導到所述閥門內的剛性閥柱塞，使所述柱塞從閉合位置移動到開啟位置，在所述閉合位置可防止流體流經所述第二流徑，而在所述開啟位置允許流體流經所述第二流徑。
4.根據權利要求3所述的流體分配系統，其特徵在於，所述第一流徑還施加真空吸力到所述剛性閥柱塞，使所述柱塞從閉合位置移動到開啟位置，在所述閉合位置可防止流體流經所述第二流徑，而在所述開啟位置允許流體流經所述第二流徑。
5.根據權利要求1所述的流體分配系統，其特徵在於，所述第一流徑施加真空吸力到所述閥門內的剛性閥柱塞，使所述柱塞從閉合位置移動到開啟位置，在所述閉合位置可防止流體流經所述第二流徑，而在所述開啟位置允許流體流經所述第二流徑。
6.根據權利要求1所述的流體分配系統，所述閥門還包括與所述分配流體流徑流體隔絕的致動流體流徑，所述致動流體流徑與所述第一流徑流體相通。
7.根據權利要求1所述的流體分配系統，所述閥門還包括閥體；在所述閥體內的間壁，所述間壁在所述閥體中形成流體隔絕的流量腔室和致動腔室；分配流體入口和分配流體出口，使所述第二流徑和所述流量腔室之間能夠流體連通；和可滑動地裝配在所述間壁中的閥柱塞，所述閥柱塞可從閉合位置移動到開啟位置，在所述閉合位置禁止所述分配流體入口和所述分配流體出口之間流體連通，而在所述開啟位置允許所述分配流體入口和所述分配流體出口之間流體連通。
8.根據權利要求7所述的流體分配系統，所述閥柱塞還可以在所述第一流體產生的流體壓力的作用下移動。
9.根據權利要求8所述的流體分配系統，還包括布置在所述致動腔室內的柔性膜片，所述柔性膜片構成流體隔絕的真空壓力致動區和正壓力致動區。
10.根據權利要求9所述的流體分配系統，所述閥門還包括致動流體入口和致動流體出口，使所述第一流徑和所述正壓致動區之間能夠流體連通；和致動流體真空口，使所述第一流徑和所述真空壓力致動區之間能夠流體連通。
11.根據權利要求1所述的流體分配系統，所述閥門還包括閥體；所述閥體的與所述第二流徑流體相通的分配流體入口；所述閥體的與所述第二流徑流體相通的分配流體出口；所述閥體的與所述第一流徑流體相通的致動流體入口；所述閥體的與所述第一流徑流體相通的致動流體出口；和所述閥體的與所述第一流徑流體相通的致動流體真空口。
12.根據權利要求11所述的流體分配系統，所述閥門還包括在所述閥體內的間壁，所述間壁在所述閥體中形成流體隔絕的流量腔室和致動腔室；和可滑動地裝配在所述間壁中的閥柱塞，所述閥柱塞可從閉合位置移動到開啟位置，在所述閉合位置禁止所述分配流體入口和所述分配液體出口之間流體連通，而在所述開啟位置允許所述分配流體入口和所述分配液體出口之間流體連通。
13.根據權利要求12所述的流體分配系統，所述閥柱塞還包括帶有閥頭的第一端；第二端；和軸杆，在所述第一端和所述第二端之間延伸並穿過所述間壁。
14.根據權利要求13所述的流體分配系統，所述閥門還包括在所述流量腔室內的閥座，所述閥座設計成能與所述閥頭緊密配合，防止所述第二流體流經所述流量腔室。
15.根據權利要求14所述的流體分配系統，所述閥門還包括朝所述閥座偏壓所述閥頭的彈簧件。
16.根據權利要求15所述的流體分配系統，其特徵在於，所述閥柱塞還包括安裝在所述第二端的活塞頭，所述彈簧件布置在所述間壁和所述活塞頭之間。
17.根據權利要求16所述的流體分配系統，所述閥門還包括布置在所述致動腔室內的柔性膜片，所述柔性膜片構成流體隔絕的真空壓力致動區和正壓力致動區。
18.根據權利要求17所述的流體分配系統，其特徵在於，所述致動流體入口和所述致動流體出口與所述正壓致動區流體相通，且所述致動流體真空口與所述真空壓力致動區流體相通。
全文摘要
本發明公開了一種流體分配系統，用來精確地控制第一流體(即稀釋劑如水)與第二流體(即濃縮液)在系統內混合點進行的混合。閥門(10)布置在系統中混合點(701)上遊的第二流體供應管道(501)中，閥門(10)可通過施加正和/或負的壓力同時起動，使得第二流體能夠流經閥門(10)。所述壓力是由系統所要分配並與第二流體混合的第一流體產生的，因此第一流體停止流動會立即終止第二流體的流動以確保兩種流體在最終溶液中的正確混合，從而防止第二流體不經意滲漏或聚集在液流系統內而變質或受到汙染。
文檔編號B67D1/07GK1774680SQ02829270
公開日2006年5月17日 申請日期2002年5月9日 優先權日2002年5月9日
發明者M·A·弗裡德曼 申請人:國際分配器公司