Капсула для хранения газа и способ ее заправки

 

Капсула и способ ее заправки относятся к технике хранения газов и могут быть использованы в медицине, в бытовой химии, в пожарной технике, в парфюмерии, как источник газа для газонаполняемых изделий и т.д. Капсула для хранения газа содержит газонепроницаемый корпус, внутри которого размещены частицы сорбента, насыщенные газом, снабжена выпускным уплотненным каналом. Корпус содержит свободную от сорбента полость, объем которой достаточен для размещения заданного количества сорбируемого газа в твердой фазе и выполнен с возможностью введения внутрь корпуса заданного количества сорбируемого газа в твердой фазе. Способ заправки капсулы газом включает помещение сорбента в капсулу, обладающую способностью задержки частиц сорбента и возможностью выпускать газ из капсулы, заправку сорбентом газа. Внутри капсулы формируют свободную от сорбента полость, в которую вводят заданное количество газа в твердой фазе. Изобретение позволит упростить и ускорить процессы создания избыточного давления в аэрозольных и других газонаполняемых изделиях, повысить безопасность их эксплуатации. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к упаковочной технике и может быть использовано, например, в аэрозольных упаковках, применяемых для нанесения лакокрасочных покрытий, в парфюмерной промышленности, в пожарной технике, а также в быту для распыления продуктов бытовой химии и газирования напитков т.п.

Известен распыляющий контейнер, содержащий корпус, раздаточный клапан, установленный в отверстии на стенке корпуса, распыляемую жидкость, пропеллент, сорбент, насыщенный пропеллентом, помещенные внутри корпуса (Международная заявка PCT/RU92/00129, с датой международной подачи от 26.06.92, с датой приоритета от 29.06.91, с номером международной публикации WO 93/00277 от 07.01.93, МКИ 5 B 65 D 83/14).

Заправка этого распыляющего контейнера производится посредством заправочного клапана для сорбента и пропеллента и клапана для распыляемого вещества, что позволяет обеспечить высокую степень заполнения упаковок распыляемой жидкостью и качество заправки. Вместе с тем, известная конструкция требует создания специального оборудования для заправки распыляющего контейнера, то есть требует создать автоматизированные роторные линии по заправке этих конструкций, т.к. существующие роторные линии не способны осуществлять заправку таких распыляющих контейнеров, и не позволяет повторное использование этих распыляющих контейнеров для различных распыляемых веществ и газа, т.к. возникает сложность очистки корпуса распыляющего контейнера и подготовки сорбента.

Известен также распыляющий контейнер, содержащий корпус, раздаточный клапан, установленный в отверстии в стенке корпуса, распыляемую жидкость, пропеллент, капсулу, помещенные внутрь корпуса, частицы сорбента, насыщенные газом-пропеллентом и размещенные внутри капсулы, и выполняющий роль корпуса-оболочки капсулы фильтрующий элемент, проницаемый для газа-пропеллента за счет отверстий в газонепроницаемом материале и способный к задержке частиц сорбента (Патент США N 3964649, с датой публикации 22.06.76, НКИ 222/399).

Это устройство обладает относительной простотой, поскольку заправка распыляющего контейнера распыляемой жидкостью и капсулой может производиться через отверстие (горловину) в стенке корпуса перед установкой раздаточного клапана.

Известен также способ заправки распыляющего контейнера путем помещения сорбента в капсулу, обладающую способностью задержки частиц сорбента и пропускаемостью для газа-пропеллента, заправки сорбента газом-пропеллентом, введения распыляемой жидкости, пропеллента, капсулы внутрь корпуса распыляющего контейнера и герметизации корпуса распыляющего контейнера (Патент США N 3964649, с датой публикации 22.06.76, НКИ 222/399).

В этом способе качество насыщения сорбента газом-пропеллентом может ухудшаться ввиду возможности проникновения в сорбент веществ, обладающих большей, чем пропеллент, теплотой сорбции в сорбенте.

Известна также капсула для хранения газа, содержащая газонепроницаемый корпус, внутри которого размещены частицы сорбента, насыщенные газом, снабженная выпускным уплотненным каналом (патент RU 2086489 С1, В 65 D 83/14, 10.08.1997). Известное устройство снабжено запирающим выход газа средством, снижающим степень насыщения сорбента газом и ориентированным на заданную техническую возможность его открытия, что сужает потенциальные варианты использования капсулы.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - обеспечение высокой степени насыщения сорбента газом и расширение возможностей применения капсулы (универсализация).

Для достижения указанного технического результата в известной капсуле для хранения газа, содержащей газонепроницаемый корпус, внутри которого размещены частицы сорбента для сорбирования газа, снабженной выпускным уплотненным каналом согласно изобретению корпус содержит свободную от сорбента полость, объем которой достаточен для размещения заданного количества сорбируемого газа в твердой фазе, и выполнен с возможностью введения внутрь корпуса сорбируемого газа в твердой фазе.

Уплотнение выпускного канала может быть выполнено в виде клапана, снабженного упругим элементом, открывающим выпуск газа из капсулы только при превышении давления внутри капсулы давления окружающей капсулу среды на заданную величину.

Корпус может быть выполнен в виде цилиндра, соединенного из двух или более частей.

Клапан может быть размещен на стыке частей корпуса.

Упругим элементом клапана может служить часть корпуса, выполненная в виде лепестка.

Выпускной уплотненный канал может быть выполнен в виде молекулярного сита, пропускающего только молекулы сорбируемого газа.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном способе заправки капсулы с сорбентом газом путем помещения сорбента в капсулу, содержащую газонепроницаемый корпус, обладающую способностью задержки частиц сорбента и возможностью выпускать газ из капсулы, сорбирования сорбентом газа согласно изобретению внутри капсулы формируют свободную полость, в которую вводят заданное количество сорбируемого газа в твердой фазе.

Возможен вариант осуществления способа, в котором газ вводят в капсулу до заполнения капсулы сорбентом.

Возможен вариант осуществления способа, в котором капсулу формируют в виде цилиндра, выполненного из двух или более частей.

За счет применения указанных способов заправки, а также выполнения капсулы из газонепроницаемого материала, снабжения ее выпускным уплотненным каналом, введения свободной от сорбента полости, объем которой достаточен для размещения заданного количества сорбируемого газа в твердой фазе, и выполнения корпуса с возможностью введения внутрь корпуса сорбируемого газа в твердой фазе удалось решить поставленную задачу с достижением технического результата.

Преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения приведенных ниже лучших вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 изображает схематическое устройство капсулы. Фиг. 2 - место стыка частей корпуса капсулы, показанной на фиг. 1, при выполнении упругого элемента в виде эластичного кольца. Фиг. 3 (a и в) то же, что фиг. 2, при выполнении упругого элемента в виде лепестка, которым служит часть корпуса. Фиг. 4( a и в) изображает часть корпуса капсулы с упругим элементом в виде пистона, установленного в окне корпуса. Фиг. 5 изображает часть корпуса капсулы с выступающим выпускным каналом, уплотненным молекулярным ситом и разрывной мембраной.

Капсула (фиг. 1) содержит корпус 1, частицы сорбента 2 для сорбирования газа (газ на фиг. 1 не показан), выпускной уплотненный канал 3 и свободную от сорбента полость 4, помещающую в себя заданное количество сорбируемого газа в твердой и/или жидкой фазе.

Уплотнение выпускного канала 3 может быть выполнено в виде клапана, снабженного упругим элементом, открывающим выпуск газа из капсулы 1 только при превышении давления внутри капсулы давления окружающей капсулу среды на заданную величину.

Упругий элемент 5 может быть выполнен в виде эластичного кольца, как это показано на фиг. 2, которое устанавливается на выходном отверстии выпускного уплотненного канала, образуемого в данном варианте выполнения стыком между частями корпуса 6 и 7, и открывает выход газа из капсулы только если перепад давления между внутренней и наружной поверхностями этого кольца превышает рабочий перепад давления, вызывающий выход газа через выходное отверстие канала 3. В данном варианте выполнения капсулы упругость эластичного кольца 5, выполняемого, например, из резины, определяется требуемой расчетной деформацией, создающей напряжения сжатия, превышающие напряжения растяжения, вызываемые рабочим перепадом давления.

Упругий элемент 5 может быть выполнен в виде лепестка 8, образуемого одной из частей корпуса, как это показано на фиг. 3, как наиболее простой для установки формы, не требующей взаимного позиционирования поверхности установки и обеспечивающей плотное герметичное прилегание поверхностей частей корпуса 6 и 7. Для установки одной части корпуса на другую в одной из них - части 7, находящейся внутри в стыковочном узле, могут быть выполнены прорези 9 в удерживающем выступе, облегчающие перемещение частей в процессе установки 6.

В то же время возможны варианты выполнения элемента 5 в виде мембраны, эластичного пистона, скобы, клина и других известных конструктивных элементов, обеспечивающих заданную величину сжатия упругого элемента 5 и возможность выпуска газа.

В частности, упругий элемент 5 может быть выполнен в виде пистона, изготавливаемого, например, из резины и устанавливаемого в окне 10 корпуса 1, как это показано на фиг. 4. В этом случае выполнения упругого элемента 5 он может служить в качестве пробки, закрывающей отверстие окна 10 после заполнения капсулы частицами сорбента 2 и сорбируемым газом в твердой фазе.

Уплотнение выпускного уплотненного канала 3 может быть выполнено в виде молекулярного сита, как это показано на фиг. 1 и 5, которое устанавливается в выходном отверстии выпускного уплотненного канала 3, образуемого в данном варианте выполнения носком корпуса 1. Такой элемент служит для прохода через выпускной канал только молекул сорбируемого газа и препятствует проникновению внутрь корпуса 1 молекул большего диаметра, например органики, характерной для составов, круг которых охватывает практически все возможные области применения капсул, выполняемых согласно изобретению.

Для предотвращения преждевременной потери газа из капсулы прежде чем давление в ней вырастет до заданной величины (при переходе газа из твердой или жидкой фазы в газовую с одновременным поглощением газа в сорбенте 2) выпускной канал может быть снабжен разрывной мембраной 12, Предотвращение выхода газа в режиме фазовых изменений сорбируемого газа достигается также наличием уплотнения выпускного канала 3, выполненного, например, как показано на фиг. 2, в виде эластичного кольца 5 или пробки-пистона в заправочном окне 10, устанавливаемой после заправки газа и сорбента в качестве дополнительного средства предотвращения поступления внутрь корпуса 1, под действием более высокого, чем внутри капсулы давления, компонентов окружающей среды, вызывающих вытеснение газа из сорбента либо влияющих на требуемое качество среды как, например, в случае использования капсулы как источника газа-пропеллента в парфюмерных аэрозольных упаковках.

Целесообразно предусмотреть средства, предотвращающие попадание частиц сорбента в канал 3 для прохода газа, которыми могут быть пористые элементы, выполненные как часть корпуса 1, например, в виде решетки на впускном отверстии канала 3, либо как размещаемые в виде отдельных фильтрующих газопроницаемых элементов вставки молекулярного сита 11, отделяющие полость размещения частиц сорбента от выпускного отверстия канала 3.

Упругий элемент 5 может быть выполнен в виде эластичного чулка, охватывающего корпус 1 так, что при отсутствии разницы давлений внутри и снаружи корпуса 1 выход газа из капсулы перекрыт.

Работает капсула следующим образом.

В режиме заправки и кратковременного хранения, например, на линии использования капсул или складе внутреннее избыточное давление внутри капсулы не достигает заданного значения до тех пор пока твердая фаза сорбируемого газа, испаряясь под действием окружающей среды, не насытит до заданного уровня сорбент, чему способствует пониженная температура сорбции, обеспечиваемая отбором тепла на фазовый переход газа.

При этом обеспечивается перекрытие выпускного отверстия упругим элементом 5, поскольку он удерживается от перемещения сжимающими напряжениями.

Тем самым обеспечивается герметизация выпускного уплотненного канала.

При помещении капсулы в рабочую среду, например, внутрь контейнера, в котором должно создаваться избыточное давление, фазовый переход газа приводит к росту давления внутри капсулы и упругий элемент 5, выполненный, например, в виде эластичного лепестка уплотнения 8 (фиг. 3) разжимается и под действием внутреннего давления в капсуле отжимается от посадочной поверхности, сообщая тем самым полость сорбента 2 с окружающей капсулу средой через выпускной канал 3. Газ выходит при этом из капсулы до тех пор, пока давление снаружи капсулы не вырастет до величины, отличающейся от значения давления в полости сорбента 5 на заданное значение, после чего за счет собственной упругости упругий элемент уплотнения 5 (фиг. 1, 2 и 4), 8 (фиг. 3) вернется в исходное положение, и перекроет проход газа из полости сорбента 2 через выходное отверстие канала 3.

При снижении давления в рабочей окружающей среде описанный выше процесс повторяется.

Независимо от выбранных реальных конструкций для решения поставленной задачи с достижением технического результата необходимо и достаточно реализовать описанный выше способ заправки, для чего заправку капсулы ведут путем помещения сорбента в капсулу, обладающую способностью задержки частиц сорбента и возможностью выпускать газ из капсулы, и сорбирования сорбентом газа согласно изобретению внутри капсулы формируют свободную полость, в которую вводят заданное количество газа в твердой фазе.

Для предотвращения выхода газа из капсулы в режиме ее заправки и улучшения условий насыщения сорбента газ вводят в капсулу до заполнения капсулы сорбентом.

С целью упрощения и ускорения операции заправки капсулы капсулу формируют в виде цилиндра, выполненного из двух или более частей.

Такой процесс заправки целесообразно проводить в конвейерном режиме непосредственно перед помещением капсулы в эксплуатирующее ее устройство, например, аэрозольную упаковку с целью максимального использования помещенного в капсулу газа.

Как показали эксперименты характерные времена процесса фазового перехода CO₂ составляют (при помещении последнего в пластиковый цилиндр в уплотненном твердом состоянии) десятки секунд, что более чем на порядок превышает характерные скорости работы производственных аэрозольных линий.

Рассмотрим значение этого фактора при использовании капсулы как источника газа в аэрозольном распыляющем контейнере для создания нужного давления газа выше 0,3 МПа для полного распыления жидкости объемом 250 мл при условии, что свободный объем газа вне жидкости и капсулы выбран в распыляющем контейнере минимальным (например, менее 25 мл). В этом примере требуемое количество газа, десорбируемое из капсулы внутрь распыляющего контейнера, должно быть не менее 750 мл или около 1,5 г при использовании в качестве газа CO₂. При использовании в качестве распыляемой жидкости воды или составов на ее основе для создания необходимого давления внутри упаковки необходимо также учесть поглощение газа водой, которое для начального давления 0,75 МПа потребует десорбции из капсулы дополнительно 0,4 г газа, а также учесть заполнение газом свободного объема, требующего еще 0,4 г. С учетом остаточного содержания газа в сорбенте при конечном давлении 0,3 МПа на уровне 0,5 г, общее количество заправляемого в капсулу газа с запасом на потери при заправке составит около 3 г.

При этом, если в качестве сорбента используют активированный уголь типа СКТ, а начальное давление в корпусе 1 капсулы создают равным 0,75 МПа при температуре 22^oC, то требуемое количество сорбента должно быть около 5 г, что потребует при плотности заполнения сорбентом капсулы 0,4 г/мл объема не менее 12 мл.

Объем полости, необходимой для размещения твердой фазы CO₂ заданного количества 2.5 г, составит (при уплотнении твердой фазы до 1 г/мл) около 2,5 мл.

При испарении указанного количества CO₂ внутри капсулы, помещенной внутрь аэрозольной упаковки, газ будет частично сорбироваться в сорбенте до равновесного состояния, определяемого давлением внутри капсулы и равновесной температурой, что составит при указанных выше условиях около 1,8 г сорбированного газа. Остальная часть испаренной твердой фазы CO₂ будет поглощена жидкостью, заполнит свободный объем аэрозольной упаковки и будет потеряна в процессе заправки.

В качестве газа наиболее целесообразно использовать CO₂, Ar, N₂, O₂, N₂O, а в качестве сорбента - активированный уголь, цеолит, силикагель или их смеси. Подбор различных типов сорбентов (например, активированный уголь + цеолит) позволяет оптимизировать рабочие условия заправки, хранения и использования капсулы.

Примером реализации описанного в заявляемом изобретении способа заправки может служить следующая совокупность операций применительно к описанному выше на примере устройству.

Приготовленный к заправке сорбент, т.е. обезгаженный, например, предварительным вакуумированием при нагреве, помещают в корпус 1 капсулы, после чего в капсулу, используя, например, окно 10 в корпусе 1, вводят в уплотненном виде твердую фазу CO₂ (так называемый - "сухой лед"), сформованную в виде таблетки, бруска или шарика, после чего в окно 10 устанавливают герметично прилегающий к выходному отверстию упругий элемент 5, выполненный в данном варианте в виде резинового пистона. Собранную таким образом и заправленную согласно изобретению капсулу забрасывают после этого в упаковку, предварительно залитую распыляемой жидкостью. Следующей операцией на упаковку устанавливают и завальцовывают распыляющий клапан.

Учитывая высокую производственную скорость последних операций (менее 1 с), потери газа, выходящего из капсулы вне упаковки, сводятся тем самым к пренебрежимо малым количествам.

Изобретение может быть использовано в медицине, в пожарной технике для создания давления в огнетушащих устройствах, в бытовой химии, в парфюмерии, как источник газа для газонаполняемых изделий и т.д.

Формула изобретения

1. Капсула для хранения газа, содержащая газонепроницаемый корпус, внутри которого размещены частицы сорбента для сорбирования газа, снабженная выпускным уплотненным каналом, отличающаяся тем, что корпус содержит свободную от сорбента полость, объем которой достаточен для размещения заданного количества сорбируемого газа в твердой фазе, и выполнен с возможностью введения внутрь корпуса сорбируемого газа в твердой фазе.

2. Капсула по п.1, отличающаяся тем, что уплотнение выпускного канала выполнено в виде клапана, снабженного упругим элементом, открывающим выпуск газа из капсулы только при превышении давления внутри капсулы давления окружающей капсулу среды на заданную величину.

3. Капсула по п.1 или 2, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде цилиндра, соединенного из двух или более частей.

4. Капсула по п.3, отличающаяся тем, что клапан размещен на стыке частей корпуса.

5. Капсула по любому из пп.2 - 4, отличающаяся тем, что упругим элементом клапана служит часть корпуса, выполненная в виде лепестка.

6. Капсула по п. 1, отличающаяся тем, что выпускной уплотненный канал выполнен в виде молекулярного сита, пропускающего только молекулы сорбируемого газа.

7. Капсула по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что выпускной уплотненный канал снабжен разрывной мембраной.

8. Способ заправки капсулы с сорбентом газом путем помещения сорбента в капсулу, содержащую газонепроницаемый корпус, обладающую способностью задержки частиц сорбента и возможностью выпускать газ из капсулы, сорбирования сорбентом газа, отличающийся тем, что внутри газонепроницаемого корпуса формируют свободную полость, в которую вводят заданное количество сорбируемого газа в твердой фазе.

9. Способ по п.3, отличающийся тем, что газ вводят в капсулу до заполнения капсулы сорбентом.

10. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что капсулу формируют в виде цилиндра, выполненного из двух или более частей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5