Спосіб одночасного заправлення контейнерів (варіанти)

Винахід стосується способу одночасного заправлення контейнерів узагалі, а конкретніше, способу, який забезпечує одночасне всмоктування рідини в множину контейнерів шляхом занурення контейнерів у вакуум і подачі рідини в піддон з наступним зниженням вакууму або повільним підвищенням тиску, що дозволяє рідині всмоктатися в контейнер. Дотепер використовувалося багато способів ефективного заправлення контейнерів рідиною. При великих обсягах виробництва заведено використовувати конвеєри, на яких через одну чи більше трубок або порожнистих голок, приєднаних до заповнюваною рідиною ємності, здійснюють подачу рідини до контейнерів під тиском. Потрібний об'єм рідини регулюють, як правило, за допомогою клапанів або об'ємних насосів, роботу яких узгоджують з ходом конвеєра з метою введення належної кількості продукту в належний час. Незважаючи на ефективність такого способу, швидкість його здійснення, однак, становить всього близько 100-1000 одиниць на хвилину. Пошук по джерелах, відомих з попереднього рівня техніки, не виявив яких-небудь патентів, які мали б новизну даного винаходу, однак стосовними до даної тематики вважаються такі патенти США: Номер патенту Винахідник 6,089,676 Пойнтер (Poynter) та ін. 4,114,659 Гоулдберг (Goldberg) та ін. Дата видачі 8 серпня 2000р. 19 вересня 1978р. У патенті США №6,089,676 (Пойнтер та ін.) описано спосіб і пристрій для впливу на зону критичного наповнення в процесі заправлення рідини повітряним душем з метою запобігання потраплянню сторонніх вкраплень (нежиттєздатних і життєздатних макрочасток) до критичної зони наповнення шляхом введення протилежних потоків повітря, що є під тиском, до ламінарної течії. У патенті США №4,114,659 (Гоулдберг та ін.) описано пристрій для заправлення піпеток рідиною та її розподілу, який прикріплений до піпетки за допомогою еластичного трубопроводу. До трубопроводу приєднаний еластичний стисливий балон, у якому є отвір, що закривається. Цей отвір дозволяє встановити альтернативне сполучення між внутрішньою порожниною трубопроводу й отвором шляхом його розкриття. До трубопроводу вставлений клапанний вузол, який також дуже легко усунути, завдяки тому, що він приєднаний з можливістю зняття. У минулому, коли необхідно було розлити чи заправити в невеликі контейнери великі кількості рідини, потрібно було забезпечити деяку автоматизацію процесу, що було дорого й у більшості випадків прив'язувалося до однієї технологічної лінії. Такий підхід був обґрунтованим і прийнятним в даній галузі техніки, однак, коли справа стосується невеликих контейнерів, особливо якщо діаметр шийки менше ніж 0,50 дюйма (1,27см), у нього є деякі вади. Доводиться враховувати час, необхідний для заправлення таких контейнерів, оскільки нормальне сопло або голка має граничний діаметр, який не може бути більшим, ніж власне отвір контейнера. Проблема посилюється стосовно до контейнерів з малим отвором, особливо коли рідина, що підлягає наповненню, є в'язкою. Якщо розливання більшості водних розчинів, наприклад, розчинників, не завдає труднощів, то розливання емульсій, кремів, мазей, лосьйону, пасти, желе та сиропу викликає серйозні проблеми зі створенням тиску, необхідного для впорскування рідини через сопла, і пов'язане з великими витратами часу. Таким чином, головною метою винаходу є виключення необхідності використання сопел або насадок невеликих розмірів та використання різниці тисків з метою всмоктування рідини в контейнер. Цей підхід є зручним і має багато переваг стосовно до невеликих контейнерів, оскільки за один раз може бути оброблена множина контейнерів, яка обмежена лише розміром вакуумної камери і продуктивністю вакуумного насоса. Важливою метою, яка досягається винаходом, є те, що обладнання може бути використане стосовно до широкої різноманітності рідин і форм контейнерів, оскільки контейнери необхідно лише помістити в піддон догори дном, що робить розміри і форми як контейнерів, так і піддона маловажним фактором. Іншою метою, яка досягається винаходом, є те, що рідина може бути заправлена в контейнери всілякого виду, наприклад, у скляні пляшки, скляні ампули, скляні пробірки, пластикові пляшки, пластикові ампули, алюмінієві пробірки чи пробірки з іншого металу, пластикові пробірки, піпетки і т.д., і навіть у напівжорсткі пластикові мішки. Ще однією метою, яка досягається винаходом, є те, що контейнери можуть бути щільно розміщені в тісній близькості один від одного, що дозволяє обробляти множину контейнерів у межах мінімального простору. Спрощується також робота з ними, оскільки заправлені контейнери можна витягти ручним або машинним способом, а також ручним способом або з застосуванням механічних засобів перевернути для наступного закупорювання їхньої верхньої частини або всієї шийки кришкою чи аплікатором, або можна перевернути піддон, що робить верхню частину контейнерів готовою до закупорювання кришкою чи аплікатором. Ще однією метою, яка досягається винаходом, є те, що вільний простір над продуктом, тобто кількість повітря, що залишається між рідиною і кришкою, можна легко розрахувати, а також можна легко визначити рівень негативного тиску в вакуумній камері, що дозволяє в повному обсязі здійснювати одночасний контроль рівня заправлення всіх контейнерів. І ще однією метою, яка досягається винаходом, є те, що контроль обсягу рідини, яка заправляється, можна здійснювати зі ступенем точності до мікролітрів. Ці та інші цілі й переваги даного винаходу очевидні з нижченаведеного детального опису переважного варіанта втілення винаходу та формули, що додається, взятих у сполученні з супровідними кресленнями до них. Фіг.1 - часткове ізометричне зображення переважного варіанта втілення процесу на тій його стадії, коли піддони розміщені в вакуумній камері безпосередньо перед вакуумуванням. Для наочності сприйняття вакуумна камера показана зі знятими дверцятами. Фіг.2 - схематичне зображення процесу на тій його стадії, коли контейнери, що містяться в піддоні, перевернуті догори дном, а піддон розташований у вакуумній камері. Фіг.3 - схематичне зображення процесу на тій його стадії, коли контейнери, що містяться в піддоні, перевернуті догори дном, а піддон розташований у вакуумній камері і наповнюється рідиною. Фіг.4 - схематичне зображення процесу на тій його стадії, коли контейнери, що містяться в піддоні, перевернуті догори дном, а піддон розташований у вакуумній камері і наповнюється рідиною при зниженому негативному тиску, що дозволяє рідині бути всмоктаною в контейнери. Фіг.5 - схематичне зображення контейнера з прямими стінками, який має вільний простір над продуктом, позначений позицією V1, і вільний простір під продуктом, позначений позицією V3. Фіг.6 - схематичне зображення контейнера з розширеною ділянкою, який має вільний простір над продуктом, позначений позицією V1, і вільний простір під продуктом, позначений позицією V3. Фіг.7 - схематичне зображення піддона з контейнерами, які все ще містяться в перевернутому догори дном стані, після його виймання з вакуумної камери. Фіг.8 - схематичне зображення здійснення одного зі способів перекидання контейнерів шляхом накладення другого піддона поверх першого піддона. Фіг.9 - схематичне зображення обох піддонів після їхнього спільного перекидання. Фіг.10 - схематичне зображення заправленого контейнера, виконаного в вигляді піпетки, де внутрішній об'єм піпетки позначений позицією V2, а вільні простори над і під продуктом позначені позиціями V1 і V3 відповідно. Фіг.11 - схематичне зображення порожнього контейнера в умовах атмосферного тиску. Фіг.12 - схематичне зображення порожнього контейнера, вакуумованого в вакуумній камері. Фіг.13 - схематичне зображення частково заправленого контейнера під час усмоктування ним рідини з піддона. Фіг.14 - схематичне зображення частково заправленого контейнера. Фіг.15 - схематичне зображення заправленого контейнера, який має вільні простори всередині контейнера над і під продуктом. Фіг.16 - схематичне зображення в частковому розрізі типового закупорювального ковпачка з різзю, закріпленого на контейнері. Фіг.17 - схематичне зображення в частковому розрізі типової еластичної пробки, вставленої в шийку контейнера. Фіг.18 - схематичне зображення в частковому розрізі типового наконечника очної крапельниці з еластичним ковпачком, що закупорює контейнер. Фіг.19 - схематичне зображення в частковому розрізі типового наконечника, призначеного для введення до сечівника (Uro-jet), з еластичним ковпачком, що закупорює контейнер. Фіг.20 - схематичне зображення в частковому розрізі типового безголкового наконечника з еластичним ковпачком, що закупорює контейнер. Фіг.21 - схематичне зображення в частковому розрізі типового безголкового наконечника з еластичним ковпачком, що закупорює контейнер. Фіг.22 - схематичне зображення в частковому розрізі типового люерівського наконечника штирового типу з ковпачком, що закупорює контейнер. Фіг.23 - схематичне зображення в частковому розрізі типового люерівського наконечника гніздового типу з пробкою, що закупорює контейнер. Фіг.24 - схематичне зображення вчастковому розрізі типового наконечника у вигляді щітки з чохлом, що закупорює контейнер. Фіг.25 - схематичне зображення в частковому розрізі типового наконечника, обладнаного пробковим ущільненням, надітим на зовнішню частину шийки контейнера. Фіг.26 - часткове ізометричне зображення другого варіанта втілення винаходу, де вакуумна камера показана в наскрізному вигляді для ілюстрації компонентів, що розташовані всередині, причому стрілками позначений напрямок руху. Кращий варіант втілення винаходу представлений переважним і другим варіантами втілення винаходу. Обидва варіанти в основному однакові за винятком того, що в другому варіанті контейнери розміщують на підставці, а підставку завантажують у піддон. Переважний варіант втілення винаходу, як це показано на Фігурах 1-9, являє собою спосіб одночасного заправлення контейнерів рідиною. Спосіб включає розміщення множини контейнерів 20, які мають один отвір 22 у верхній частині, догори дном у піддоні 24, обладнаному по периферії виступною кромкою, як це показано на Фігурах 2-4. На початковій стадії процесу контейнери 20 встановлюють поряд у піддоні практично будь-якого типу, однак, для ефективнішого використання винаходу контейнери 20 встановлюють щільно притиснутими один до одного, завдяки чому відпадає додаткова необхідність застосування в піддоні 24 якої-небудь простої опорної конструкції. Піддон 24 може бути виготовлений з будь-якого матеріалу, наприклад, з термопласту або металу, за умови, що він має периферійну кромку 26, висота якої забезпечує утримання достатньої кількості рідини, і виконаний водонепроникним або непроникним для розчинників. На наступній стадії процесу піддон 24, в якому догори дном розташовані контейнери, розміщають у вакуумній камері 28, як це показано на Фіг.1. Вакуумна камера 28 може належати до будь-якого типу або мати будь-яку конфігурацію, є добре відомою в даній галузі техніки і легко доступною. Вакуумну камеру переважно обладнують полицями або напрямними рейками 30, як це показано на Фіг.7, призначеними для приймання піддонів 24. В іншому варіанті втілення винаходу оператор може просто ставити один чи більше піддонів 24 один на інший, забезпечуючи одночасне паралельне заправлення множини контейнерів 20. Потім вакуумну камеру 28 за допомогою вакуумного насоса 32 вакуумують до заданого рівня нижче атмосферного тиску, після чого відключають вакуумний клапан 34, встановлений на лінії з'єднання насоса з камерою. Насос може належати до будь-якого типу і може являти собою, наприклад, поршневий насос, рідиннокільцевий насос, роторнолопатевий насос як одноступінчастого, так і двоступінчастого типу, діафрагмовий насос або масу інших різновидів. Обмежувальним фактором при виборі насоса є отримання вакууму, наприклад, низького, середнього чи високого, який може досягати негативного тиску нижче атмосферного - 29,919 дюймів (760мм) ртутного стовпа. Величина негативного тиску визначається вільним простором, який потрібно залишити в контейнері. Вільним простором називається порожній простір над продуктом усередині контейнера, який дозволяє рідині розширюватися і стискуватися внаслідок різних змін у переважній температурі навколишньої атмосфери та перепадів тиску. На Фігурах 5 і 10 вільний простір над продуктом позначено позицією V1, об'єм рідини в контейнері позначений позицією V2, а вільний простір під продуктом позначено позицією V3. Фіг.5 - часткове ізометричне зображення циліндричного контейнера, а Фіг.10 - вигляд піпетки в розрізі. Переважну величину негативного тиску вакууму в камері вибирають з урахуванням того, щоб вона було достатньою для залишення вільного простору в заправленому контейнері. Було встановлено, що зручним способом розрахунку придатного негативного тиску для регулювання вільного простору в якому-небудь конкретному застосуванні є використання такої формули: V1 P1 = ´ P0 V1 + V 2 + V3 де: P1 - абсолютний тиск у камері Р0 - тиск навколишнього середовища V1 - об'єм вільного простору в контейнері V2 - об'єм продукту в контейнері V3 - об'єм шийки контейнера Для розрахунку необхідної кількості рідини формула така: V2´n+припустиме відхилення, де n дорівнює кількості контейнерів у піддоні. Потрібно також зауважити, що час, необхідний для заправлення контейнерів, залежить від в'язкості рідкого продукту. Наступною стадією процесу є заповнення піддона 24 рідиною 36. На цій стадії використовують місткість 38 з одним чи більше каналами 40 для подачі рідини, виконаними у вигляді трубопроводів чи труб, які проходять усередину камери 28 крізь її бічну стінку. Останні відігнуті під кутом вниз з можливістю спільного співвісного розташування в межах висоти кромки 26 піддона 24, як це показано на Фігурах 1-4. У кожному каналі 40 між місткістю 38 і зовнішньою поверхнею камери 28 встановлений відсічний клапан 42, який дозволяє регулювати необхідну кількість рідини, що подається в піддон. Кількість рідини, необхідної для заправлення контейнерів 20, можна регулювати шляхом попереднього вимірювання її об'єму або маси перед подачею у місткість 38. Для регулювання об'єму можуть бути використані також трубчасті рівнеміри, датчики рівня або витратоміри. На наступній стадії процесу здійснюють поступове зниження вакууму всередині камери 28 зі швидкістю, яка забезпечує всмоктування рідкого продукту 36 в контейнери. Регулювання процесу на цій стадії здійснюють шляхом ручного або автоматичного дроселювання клапана 44, який забезпечує подачу навколишнього повітря до внутрішньої порожнини камери 28. Швидкість встановлюють шляхом експериментування та на основі набутого досвіду, або можна попередньо відрегулювати клапан, використовуючи таймер та враховуючи показники в'язкості рідини. Кінцеві параметри при попередньому регулюванні клапана для рівня тиску Р2 можна розрахувати, використовуючи таку формулу: V1P0 P2 = + Pr V1 + V 3 де: Р2 - абсолютний тиск у камері Р0 - тиск навколишнього середовища Рr - втрата тиску через опір заповненню, мл/с V1 - об'єм вільного простору в контейнері V2 - об'єм продукту в контейнері V3 - об'єм шийки контейнера Потрібно зауважити, що втрата тиску (Рr) зумовлена опором заповненню, який залежить від швидкості заправлення (мл/с), в'язкості рідини, а також від довжини та діаметра шийки контейнера, як це позначено позицією V3 на Фігурах 5 і 10. Коли внутрішній тиск у камері досягає і встановлюється на рівні Р2, процес може бути продовжений, якщо додатково потрібно встановити рідинне ущільнення. Цей тип ущільнення нормально використовують при довгих тонких шийках ампул і піпеток і являє собою високов'язку рідину, наприклад, масло, желе, крем і т.п., причому описаний вище процес повторюють з використанням описаного вище принципу, який забезпечує всмоктування невеликої кількості речовини, яку використовують як ущільнення, у відкритий кінець контейнера. На наступній стадії процес може бути завершений у камері або винесений за її межі. На цій стадії непотрібні залишки рідини 36 змивають. З цією метою через місткість 38 може бути поданий розчинник або рідина, що споліскує, витрату якої регулюють клапанами 42, або, якщо на даній стадії процесу піддон 24 забирають, змивання залишків може бути здійснене звичайним чином з урахуванням виду застосовуваної речовини. Наступною переважною операцією на даній стадії процесу є виймання піддона 24 з вакуумної камери 28 та його перекидання з метою орієнтації отворів контейнерів догори, що робить їх доступними для перевірки наявності належного рівня вмісту і факту безперебійності наповнення. Таке перекидання піддона 24 може бути здійснене ручним способом з використанням жорсткого плоского предмета, який укладається поверх піддона, і шляхом розміщення його в перевернутому стані на столі або стенді. Інший спосіб перекидання відображений на Фігурах 7-9 і полягає в застосуванні пари плоских жорстких поворотних пластин 46, з'єднаних між собою шарніром 48, піднятим на належну висоту над піддоном 24 і контейнерами 20. Піддон 24 з перевернутими догори дном контейнерами встановлюють на одну з пластин 46, показаних на Фіг.7, після чого поверх контейнерів укладають другий, порожній піддон 24, як це показано на Фіг.8. Цю пару перевертають на 180° за допомогою рукояток 50, які розташовані з кожного кінця пластин 46, як це показано на Фіг.9. На завершальній стадії процесу перший піддон виймають шляхом його зняття з другого піддона для його перекидання, або, коли перекидання було здійснене ручним способом, шляхом його зняття з жорсткого плоского предмета з наступним закупорюванням відкритих верхівок контейнерів. Потрібно також зауважити, що під час процесу закупорювання час від часу можна виймати окремі контейнери і перевертати їх. У всякому разі, закупорювання з використанням герметизації являє собою доречний процес, і потрібно зауважити, що в цьому випадку може бути використане ущільнення будь-якого типу, наприклад, закупорювальний ковпачок 52, обладнаний різзю, еластична пробка 54, ковпачок 56 для наконечника очної крапельниці, ковпачок 58 для наконечника, призначеного для введення до сечівника (Uro-jet), ковпачок 60 для безголкового наконечника, з'єднувальна кришка 62 для люерівського наконечника штирового типу, з'єднувальна пробка 64 для люерівського наконечника гніздового типу, насадки у вигляді ватних тампонів, насадки, виконані з пінопласту, чохол 66 для наконечника, виконаного у вигляді щітки, та пробкове ущільнення 68. На Фігурах 16-25 ці ущільнення 51 показані окремо. Ущільнення може також являти собою згадане вище рідинне ущільнення, яке було утворене на попередній стадії процесу. На Фігурах 11-15 показані операції, що стосуються заправлення контейнерів. Показані контейнери представлені у вигляді піпеток без ущільнень. На Фіг.11 показана піпетка при нормальному атмосферному тиску. На Фіг.12 показана піпетка при негативному внутрішньому тиску після її розміщення в умовах вакууму. На Фіг.13 показаний рідкий продукт 36 у процесі його всмоктування всередину піпетки з піддона 24, що зрівнює негативний тиск усередині піпетки. На Фіг.14 показаний рідкий продукт 36, який міститься всередині піпетки, після того, як об'єм продукту, що міститься в піддоні 24, різко вичерпався, або ж піпетка була вийнята з запасом вільного простору 70 над продуктом. На Фіг.15 показаний продукт, що міститься в контейнері з бажаним вільним простором 70 над продуктом і бажаним вільним простором 72 під продуктом у шийці контейнера. Другий варіант втілення винаходу представлений на Фіг.26 і відрізняється від першого тільки тим, що до процесу додається ще одна операція та що для утримування контейнерів використовують підставку. Ця підставка 74 показана у вигляді збірки з трьох підставок, однак може бути використана будь-яка кількість підставок. Підставка 74 може бути виготовлена з того самого матеріалу, що й піддон 24, і може містити виступний фланець, який охоплює її по всьому периметру, як це показано, або являти собою плаский лист матеріалу. В іншому варіанті виконання підставка 74 містить велику кількість гнізд 76, у які можуть бути вставлені контейнери шийкою вниз. Підставки 74 переважно закріплюють разом за допомогою несучої рами 78, яка складається з однобічного з'єднувального елемента 80 і чотирьох стояків 82, які містять колеса 84 та осі 86. На внутрішній верхній частині вакуумної камери 28 закріплена пара двоважільних паралелограмних платформ 88, які містять тягу 90 важільної передачі, що проходить у вакуумну камеру й обладнана рукояткою 92, розташованою поза камерою, та гребінь 94, радіально прикріплений до внутрішньої поверхні камери. Робота пристрою, прикріпленого до підставок 74, дозволяє змінювати їхнє положення у вертикальній площині без їхнього бічного зміщення. Рукоятку 92 тяги 90 важільної передачі обертають ручним способом або за допомогою автоматизованих засобів, що дозволяє встановлювати ніжки двоважільної паралелограмної 88 в належне положення, що, в свою чергу, дозволяє піднімати або опускати донну частину платформи в абсолютній узгодженості з верхньою частиною вакуумної камери 28. Оскільки гребінь 94 закріплений на внутрішній поверхні камери, бічне положення підставок 74 завжди залишається незмінним, тому що колеса 84 несучої рами для підставок котяться по платформі 88, коли вона переміщається в осьовому напрямку в результаті обертання тяги 90 важільної передачі. Незважаючи на те, що був описаний переважний варіант виконання несучої рами для підставок і двоважільної паралелограмної платформи, він не повинен сприйматися як єдиний спосіб піднімання й опускання підставок 74, оскільки існує безліч різноманітних способів, які можуть бути застосовані однаково успішно, наприклад, використання підставки та шестірні, винесеної за межі камери, яка зв'язана з валом і переміщає його вгору і вниз, використання плеча важеля на такому самому валу і т.п. На наступній стадії процесу підставку (або велику кількість підставок) 74 з перевернутими догори дном контейнерами 20 просто розміщають у вакуумній камері 28 прямо над піддоном 24 у безпосередній близькості від рідкого продукту 36. На завершальній стадії камеру 28 вакуумують до досягнення заданого тиску Р1. Підставку 74 опускають до того часу, поки отвори контейнерів 20 не зануряться в рідкий продукт 36, після чого здійснюють поступове зниження вакууму всередині камери 28 з заданою швидкістю, достатньою для забезпечення всмоктування рідини в контейнери, як це здійснювалося в переважному варіанті втілення винаходу. Крім того, у піддон одночасно подають рідкий продукт 36, який надходить зі швидкістю, достатньою для підтримки постійного рівня рідкого продукту вище отворів контейнерів, що дозволяє забезпечити подачу рідкого продукту 36 у контейнери 20 в заданій кількості. Потім підставку (або підставки) 74 піднімають, а надлишок рідкого продукту змивають, як це було описано вище. Інша частина процесу аналогічна описаній вище. Незважаючи на те, що винахід докладно описаний і зображувально представлений на кресленнях, що супроводжують цей опис, він не обмежується цим детальним описом, оскільки до нього може бути внесено багато змін і модифікацій, що не виходять за рамки суті та обсягу винаходу. Отже, він описаний з метою охоплення всіх модифікацій і форм виконання, що підпадають під мовне формулювання та обсяг формули винаходу, яка додається.