无菌灌装阀 【技术领域】
本发明涉及饮料灌装领域，具体是一种无菌灌装阀，该灌装阀特别适用于果汁、茶及功能保健型等饮料的无菌冷灌装工序。
背景技术
果汁、茶及功能保健型等饮料一直深受老百姓的喜爱，随着中国城乡居民生活水平的日益提高，人们的消费开始崇尚自然，追求天然。绿色环保的无菌冷灌装果汁、茶等饮料可以比拟新鲜水果，因而成为人们消费的首选。目前广泛应用的热灌装工艺技术可以在高温下有效的消除物料中的有害物质，同时使得饮料中的糖、茶多酚等粘性物质不会大量析出，更有利于灌装和清洗，但却使得果汁、茶等饮料失去了原有的自然风味。因而，越来越多的饮料厂商将无菌冷灌装技术应用到果汁、茶等饮料的生产中。而无菌灌装阀是无菌冷灌装技术中的核心部件，相比无菌灌装阀，当前所使用的热灌装阀具有如下不足之处：
1、热灌装阀内部结构相对复杂，会形成扰动，使得物料通路不畅，影响灌装效果；且易形成卫生死角，造成CIP清洗不完全。
2、在阀上无瓶或短时间内停止灌装状态下，阀内物料因流动缓慢造成温度下降，在继续灌装时会影响灌装质量。
3、热灌装阀下端灌装口或采用密封圈密封，会出现密封圈老化，出现密封件碎屑或整体掉入瓶内的现象，影响产品的质量和市场形象。
4、热灌装阀的灌装原理大都采用回流管控制液位精度，不能真正做到高精度的灌装。
5、不含气的饮料大都是高容积、高液位灌装，饮料在灌装过程中泡沫出现会严重影响灌装流速和精度，目前普遍采用的“二次灌装”技术能有效解决这一问题，但必须添加负压回流装置，回流的物料要么再次利用，势必会增加厂家的设备成本，要么直接排放掉，造成不必要的浪费。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种不接触瓶口式压力灌装的无菌灌装阀，该无菌灌装阀内部结构简单，不会造成扰动，物料流通顺畅；阀内的开闭阀装置与灌装阀一体，且该开闭阀装置与物料腔完全分隔开，避免了物料腔被污染，保证了灌装阀的无菌环境；此外，本发明还设有一体化的CIP自动清洗装置。
为叙述方便，以下均结合附图1给出本发明的技术方案。本发明所述的无菌灌装阀，主要包括上阀座4、下阀座8与导流套10，所述上阀座4安装在灌装机的回转台上，上阀座4与下阀座8之间由定位圈7定位，再用螺栓22连接；下阀座8与导流套10之间由定位台阶定位，并用密封垫12密封，再用螺栓23连接；这种设计既简明紧凑，又很好的保证了整个灌装阀的同轴。
上阀座4内部设有气动开闭阀装置，该气动开闭阀装置包括导杆24、导套13、连接套5、弹簧2和气动U型圈19、21，其中导杆24固定在上阀座内腔中并延伸到下阀座的物料腔中，导套13套在导杆24外并由上阀座延伸至下阀座，导套13上端与连接套5采用螺纹连接，下端与气液分隔膜9用螺纹连接，弹簧2一端支撑在上阀座4内腔的顶壁，另一端支撑在连接套5端面，弹簧2与导杆24之间用套3隔开，连接套5与上阀座4内腔的侧壁间以及导套与定位圈之间采用气动U型圈19、21实现气封；在上阀座侧面设有控制气体入口25，控制气体入口25连通导套13和连接套5之间的密闭空间。连接套5与定位圈之间用挡圈6隔开，以避免在弹簧2复位时对定位圈7的冲击；定位圈7与上阀座4内腔之间由密封圈20密封；上阀座4内腔顶部装有缓冲垫圈1，在阀打开时起到缓冲作用。上阀座内部的导套13、连接套5和两个气动U型圈形成一个密闭的空间，当控制气体(通常为压缩空气)进入此空间，气动U型圈、连接套5及气液分隔膜9在气体压力作用下被提升，形成开阀，此时弹簧2被压缩；当切断控制气体供给，则弹簧2复位，将连接套5及气液分隔膜9压回原位，关闭灌装阀；上阀座4与定位圈7内部设有气体导流通道，保证了灌装阀开启和关闭顺畅、到位。
下阀座8侧面设有物料进口14并与物料腔连通，两者之间用密封垫15实现密封。在下阀座的物料腔中设有气液分隔膜9，该气液分隔膜9主体部分镶套在导套13上，气液分隔膜9上端向径向延伸并具有伸缩余量，其端部固定在定位圈7下方，气液分隔膜9下端与导流套10内部曲面相适配形成密封配合面，导套13、连接套5和气液分隔膜9一起在气动作用下沿导杆轴向向上运动实现开阀，在气动关闭后由弹簧2复位闭阀。气液分隔膜9可以有效的将开闭阀装置与物料腔分隔开来，且气液分隔膜9主体位于下阀座8内部，其翼状设计可以起到对物料进行预分流及导流作用，其与导流套10内部曲面贴合，当开启灌装阀时，气液分隔膜9向上提升，与导流套10内部曲面形成间隙，物料便沿此间隙流出，形成灌装；
在导流套10内设有导流轴11，该导流轴11同轴设置在气液分隔膜9的下端，之间用螺纹连接。
作为本发明的又一特点，在导流套10内部设有CIP通道，CIP通道入口与导流套10的物流通道相通，CIP通道出口与CIP出口管道16相连，连接处用密封垫17密封。
作为本发明的又一特点，在灌装机的回转台上位于灌装阀的一侧设有CIP清洗装置，该CIP清洗装置包括外壳26、螺旋导杆27、活塞28、连杆29和堵头30；所述外壳26内具有气缸，活塞28安装在螺旋导杆27上端并位于气缸内，两个控制气体入口设置在外壳26侧面且分别连通气缸的上下两侧；螺旋导杆27下端延伸出外壳，在外壳下部设有与螺旋导杆配合的螺旋导轨，连杆29水平安装在螺旋导杆下端，与导流套10下端适配的堵头30安装在连杆29的伸出端。
导流套10内部设有CIP通道，外部与CIP出口管道相连，连接处用密封垫密封，在灌装阀关闭状态下，气液分隔膜9与导流套10内部曲面贴合，当开启灌装阀时，气液分隔膜9向上提升，与导流套10内部曲面形成间隙，物料便沿此间隙流出，形成灌装；所述导流轴11安装在气液分隔膜9下端，与导流套10一起对物料进行导流，实现平稳、畅通的灌装。
灌装阀内的连接套5用螺纹连接，在需要更换气动U型圈19、21时，只需将螺栓22拧下，旋下连接套5与导套13就能方便的更换，而不需要涉及气液分隔膜9，从而能保证气液分隔膜9不被污染。
本灌装阀的物料缸采用惰性气体背压，既保证了灌装所需的无菌状态，又能有效提高灌装流速；其物料流通通道结构合理简单，灌装时不受扰动影响；它的开启关闭机构与物料通道完全分隔，有效的保证了物料通道的无菌状态；采用电磁流量计计量灌装容量，能够做到真正的高精度灌装，且具备有瓶灌装、无瓶不灌装以及满瓶停止灌装等各项功能。
图2、3是本发明的工作过程图及工作原理图，其工作步骤是；
进瓶(图2a)：随着机器的转动，洗净待灌装的瓶子由进瓶星轮装置通过瓶颈夹爪输送到灌装机回转部分，每一个瓶子将对应一个灌装阀。
灌装(图2b)：当待灌装的瓶子随机器转动进入到无菌灌装阀的正下方时，有无瓶信号装置发出有瓶信号，控制气体电磁阀得到有瓶信号后才能接通，控制气体开启无菌灌装阀开阀机构和物料通道上地金属薄膜阀，从而形成灌装；电磁流量计预先设置了灌装所需要达到的脉冲值，当测量到已经灌装到预先的设置值后，电磁流量计发出信号，控制气体电磁阀得到此信号后，切断控制气体供应，物料通道上的金属薄膜阀和无菌灌装阀分别在弹簧力的作用下关闭，此时灌装结束。
出瓶(图2c)：机器继续旋转，灌满物料的瓶子由出瓶星轮通过瓶颈夹爪输送到拧盖机拧盖。
电磁流量计在整个灌装过程中起到了关键作用，下面简要阐述一下电磁流量计的原理。
根据法拉第定律，在磁场内运动的导体内会感生电压。在电磁测量中，流动的物料就相当于运动的导体。所感生的电压与介质流动速度成正比并由两个测量电极进行测量并传输到放大器。流量体积根据管路的直径计算可以得到。恒定磁场由交替极性开关直流电产生。
其中：
Ue＝B·L·v
Q＝A·v
Ue——感生电压
B——磁感应强度
L——电极间距
v——流动速度
Q——体积流量
A——管路截面积
通过以上公式可以得出结论：物料流量与物料的流动速度成正比。电磁流量计采用脉冲计数测量流经物料的流量脉冲宽度可以在0.04ms～4ms范围内调整。每一个脉冲内流经的物料容量是一定的，也就是说，如果物料流速快那么流量计的脉冲信号就快，反之亦然。因此，物料流速对电磁流量计的计量不会产生影响，但是为了流量计能够在最佳流速下使用，物料的流动速度还是由物料缸的备压大小和金属薄膜阀(见图4)控制，金属薄膜阀控制物料管道的通断，同时它的开度大小也是可调的。通常在备压不变的情况下，金属薄膜阀起着关键作用。由于物料中有时会有汽泡存在，从而会影响流量计的准确性，因此，电磁流量计a、金属薄膜阀b安装在物料缸与灌装阀c之间的倾斜管路上(见图3)，这样做的目的是使得管路中始终充满物料，有利于电磁流量计的正确计量。生产时，根据所需要生产的瓶型设定电磁流量计的脉冲计量值，比方说需要灌装500mL的容量瓶，每一次脉冲流经的容量为1mL，所以当电磁流量计计量到500次脉冲输出就表明灌装已经达到所需要的容积，这时流量计发出信号，灌装阀关闭，停止灌装。因此，只要将物料流速控制在电磁流量计的最佳测量值内，所得到的灌装精度是非常准确的，这也是该灌装阀能够做到真正精确的灌装的根本之处。
电磁流量计最大测量误差：±0.25％，在灌装时间为3～5秒时间内的标准偏差为：±0.2％，因此即使考虑到其他一些影响因素，灌装精度依然能够精确控制在±1％.
本发明的有益效果，无菌灌装阀具备了以下优点：
(1)、无菌灌装阀内部结构简单，不会造成扰动，物料流通顺畅，可以进行全方位的清洗，没有卫生死角。
(2)、无菌灌装阀的开闭阀装置与阀本身连为一体，不需要外围的开闭阀装置，使得整个阀简明、紧凑、严谨，也使得机器整体结构简化，显得一目了然。
(3)、无菌灌装阀的灌装采用电磁流量计、金属薄膜阀控制，即使流速不均匀也可以实现各种液位的精确灌装，且具备有瓶灌装、无瓶不灌装以及满瓶停止灌装等各项功能。电磁流量计采用脉冲计量流经的物料流量，然后将每个脉冲计量到的流量值累加，脉冲宽度范围是0.04ms～4ms，在灌装时间3～5秒内标准偏差为±0.2％，灌装精度精确控制在±1％，因此，最终计量到的流量值非常精确。
(4)、无菌灌装阀的开闭阀装置与物料腔完全分隔开，当需要更换开闭阀装置中的易损件时，不需要涉及物料腔，从而避免了物料腔被污染，保证了灌装阀的无菌环境。
(5)、无菌灌装阀设有自动清洗杯，传统清洗杯是在进行CIP清洗时才安装上去的，该清洗杯与灌装阀一起安装在灌装机回转台上，只需按钮便能实现清洗与灌装功能的自动切换，灌装阀本身就具有CIP回流通道，可以方便的实现CIP清洗。
(6)、无菌灌装阀采用的是不接触瓶口式灌装，即使有受污染的瓶子进入灌装机，也不会通过灌装阀而污染其它的瓶子。
【附图说明】
图1是无菌灌装阀的结构和安装示意图，其中a图是主体示意图，b是I处放大图，c是A-A处剖面图，d是B-B处剖面图。
图2是无菌灌装阀的工作过程图，其中a图是进瓶，b图是灌装，c图是出瓶。
图3是电磁流量计、金属薄膜阀及无菌灌装阀的安装原理图。
图4是金属薄膜阀的剖面图。
图5是CIP清洗杯的工作状态示意图，其中a图是压紧清洗状态，b图是松开状态。
五、具体实施方式
如图1所示，无菌灌装阀主要是由上阀座4、下阀座8和导流套10等三大部分组成。上阀座4内部是开闭阀机构，缓冲圈1在控制气体接通开启灌装阀时能起到缓冲防撞击的作用；弹簧2在开阀时被压紧，当控制气体被切断，弹簧2复位，形成闭阀；连接套5、导套13是可动件，因而需要用气动U型圈19、21来密封，为了使气动U型圈19、21的更换方便，连接套5设计成螺纹连接形式，只需将螺栓22拧下，旋下连接套5与导套13就能方便的更换，而不需要涉及气液分隔膜9，从而能保证气液分隔膜9不被污染；定位圈7安装于上阀座4、下阀座8之间，起到定位作用；气液分隔膜9安装在上阀座4与下阀座8之间，有效的将开闭阀装置与物料腔分隔开来，气液分隔膜9主体位于下阀座8内部，其翼状设计可以起到对物料进行预分流及导流作用；导流套10以法兰形式与下阀座8相连，连接处用密封垫12密封，导流套10内部设有CIP通道，外部与CIP出口管道16相连，连接处用密封垫密封，在灌装阀关闭状态下，气液分隔膜9与导流套10内部曲面贴合，当开启灌装阀时，气液分隔膜9向上提升，与导流套10内部曲面形成间隙，物料便沿此间隙流出，形成灌装；导流轴11安装在气液分隔膜9下端，与导流套10一起对物料进行导流，实现平稳、畅通的灌装；为使安装维护方便，物料进口、CIP出口均设计成卡箍连接形式；灌装阀、金属薄膜阀的控制气体均用软管接入。
灌装阀自身装配完成后，整体安装在灌装机回转台安装板上，两两之间用压块连接、螺栓压紧。当需要拆下灌装阀时，只需松开螺栓，转动压块，就可以将灌装阀取出。
无菌灌装阀采用的是不接触瓶口式灌装，这样灌装的好处是，即使有受污染的瓶子进入灌装机，也不会通过灌装阀而污染其它的瓶子，就不会造成产品的批量受污染。物料缸采用惰性气体备压，既能保证物料缸的无菌环境，保护物料不受二次污染，又能有效的提高灌装流速。
该灌装阀设有CIP清洗装置，如图5所示。该装置则与灌装阀一起安装在灌装机的回转台上，其内部设有螺旋导轨，由两路气源控制其动作：清洗时(图5a)，一路气源进入，清洗杯原位旋转→提升压紧；灌装时(图5b)，另一路气源进入，清洗杯下降松开→旋转回位。与传统的清洗杯的安装方式相比较，只需按钮便能实现清洗状态和灌装状态的切换，灌装阀本身设有CIP回流通道，不需要另设回流管路，因而该装置更人性化，自动化程度更高。