专利名称：用于制备高粘度流体配剂的自动系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制备流体配剂的系统。具体来讲，本发明涉及一种小型设备，其例如可用在试验室中，用于制备少量的流体配剂。本发明将计算机与机械配制设备结合到一起，而形成了一种用于制备这些流体配剂的、精确而又具有重复再现性的配制方法。
如果要试图配制浆质和胶体等高粘度、高稠度的流体时，某些特有的设计特征以及处理元件就排除了采用牛顿流体通常所用设备的可能性。在流体为牛顿流体的情况下，无论所要求的流体量是多少，设备中分配系统和混合系统都能稳定而精确地测量流体量。而由于浆质和凝胶等非牛顿流体对剪切流是非常敏感的，所以对于这些流体就会出现问题。如果通过压力作用使高粘度、高稠度流体流过管道，则就会产生剪切力，此剪切力作用在这些类型的流体上，从而使这些流体的粘度发生变化。粘度的这种变化是不可预测的，这就会影响对流经管道的流体执行的测量工作。由剪流造成的粘度变化会干扰对流体的体积测量。由于那些基于体积来测出流体中组分量的装置对粘度的变化是非常敏感的，所以就不能保证对各个被测试样的测量精度，不论该种试样代表的是某一种特定配剂中的独份剂量、还是用在多种配剂中的重复剂量。因而，最终配制成的试剂将不能与所希望的配剂精确对应。
对于体积测量系统的正常工作，很重要的还有一点它们的内部器件不能发生结垢或堵塞。对于与低粘度、低稠度流体配套使用的混合装置，它们的清洗工作很容易完成。通过用水或适当的溶液冲洗内部器件就可简单完成清洗。而在用上述系统处理高粘度、高稠度流体时，另一个必须要关注的问题就涉及到清洗事项。如利用专用于处理低粘度流体的流体分配系统和混合系统来处理高粘度、高稠度的流体，则流体就会在器件的内表面上形成薄膜。这种薄膜是很难通过简单的冲刷而清除掉的。清除这些沉积物的唯一方法通常是将发生堵塞的器件拆开。但即使采用这样的清除方法，由于沉积会不断地出现，所以也只能维持较短的时间。如果不保持器件的清洁，则沉积在管道内部或分配喷嘴上的物质就会严重地影响流体的流动、甚至完全阻断了流体的流动。由于此类系统是对体积敏感的，所以薄膜的增长将会挤占可自由流动的流体。从而导致对组分的测量不准确，进而使配制出的制品不能与所希望的配剂精确对应。操作者可能不会意识到这个问题(即使曾经意识到)，直到已配制出大量的试剂才会发现此问题。
力图解决上述问题的一种方案体现在这样一种机器中其用于对涂料中的高粘度染色剂进行处理。这种机器通常也被称作着色机，在五金店的漆工商品部可见到这种机器。这种机器采用高压泵来泵送高粘度流体。尽管在涂染作业中各种颜料的粘度变化是可接受的，但由于这样的粘度变化会造成体积测量上的不精确，所以在高精度的流体制剂配制系统中，这样的粘度变化是不允许的。
另外，在诸如涂漆机等的装置中，可用作配制原料的各种组分的数目受装置上可安装的分配容器的最大个数的限制。如果需要改变其中的一种组分，则就必须要将专用泵、流体储器、以及管道系统整个都拆下，并进行清洗，这将是非常耗时的，且劳动强度很大。因而，严重限制了采用很多种流体原料组分来执行配制工作的能力。
因而，希望能有一种自动化的流体配制系统，其能胜任对数目众多且种类各异的流体原料组分进行处理的工作，这些原料组分被用来制备高粘度、高稠度的流体配剂。该流体配制系统必须能精确地测量出对剪切流敏感的高粘度流体的量值，且当从一种配方变化到另一种配方时，该系统易于进行清洗，而无需拆解装置的任何部件或部分。
本发明系统通过采用一些管道、泵和传感器的组合方案，而解决了对剪切流敏感流体进行处理时所要面临的问题，其中的管道等器件被设计成是根据所要分配的流体质量、而非其体积来配量配剂的原料组分。另外，传感器可对流体配剂的其它物理特性进行测量，并按照需要对配方或配制工艺作出调整。
本发明通过在配制工艺步骤中预先编程设置一个循环，而解决了对混合设备执行清洗过程会导致生产中断、并消耗工时的问题，利用上述的循环，在每制出一种独特的配方之后，首先是将混合器件从混合容器中提出，然后，将其运送到一清洗容器中。一旦程序预定的清洗循环被完成之后，计算机将指示混合器件返送到混合容器中，从而执行随后的配制工作。在该自动工作循环的过程中，无需操作人员的参预。另外，通过为各种配制原料设置专用管线、并通过将流体组分密封在各自的管线中，就不需要为清洗管道或泵而停工检修。
本发明的第二个方面是一种用于制备少量高粘度、高稠度流体的方法。由于该方法是高度自动化的，所以不需要操作人员进行监控，并显著提高了同种配剂的不同生产批次之间的一致性，且通过简化并加快了清洗过程，而极大地缩短了从制备某种配剂变为制备另一种配剂时所需的时间。
图1是一个整体示意图，表示了本发明的整个流体配制系统；图2是沿图1中的2-2线对泵装置所作的俯视图，图中表示出了多条柔性导管以及它们各自对应的限流器；图3是对其中一种限流器所作的局部截面图，图中，该限流器被启动而限制了流经对应柔性导管的流体；以及图4是一侧视图，表示了本发明流体配制系统的局部，图中表示出了混合容器和清洗室，所述混合装置被插入到了清洗室中。
所述系统优选地是用在实验室规模的工作中，在这样的情况中，为了进行评估和比较，必须要制备出多种不同的流体配剂，各种配剂之间的差别只在于各项物理特性存在较小的差别，这些物理指标例如为粘度、质量、体积和PH值。作为备选方案，也可以按照这种方式以很高的精度制备出同种配剂的多个试样。
如果利用普通的装置来进行制备，则每种配剂都将消耗很长的时间。必须要仔细地测量各种原料组分，并仔细地监控混合操作，有时可能还需要在混匀和混合阶段的多个时刻提取试样，以保证最终配制出的流体具有所需的特性。
本发明将两方面的特征结合到了一起配剂的各种原料组分是分开供送的、并采用了计算机自动控制系统。计算机自动控制系统的另加特征是对流体配剂物理特性的监控是在混合过程中实时进行的。对各种原料组分执行的计算机调控、以及在需要时所采取的反馈监控可确保最终制成的流体配剂能尽可能地接近于所需的配剂。另一个优点在于如果必须要制备出同种配剂的多个试样，则能保持精确的重复性。
再参见图1，图中的涂料系统包括多条柔性导管12、14、16和18，每条导管都分别具有一入口端20、22、24和26，以及分别具有一出口端28、30、32、34。尽管在图中只表示出了四条柔性管线及对应设备，但这仅是为了对本发明作示例性的描述。应当理解在实际情况中，可根据需要设置更多或更少的管线。这些柔性管道可操作地设置在多个泵送装置36中的至少一个装置中。泵送装置在现有技术中是公知技术。在采用本发明的实际情况中，可采用各种形式的泵。某些合适的泵例如是Moyno或Seepex等厂商出品的变腔泵；MasterFlex和Watson-Marlow出品的蠕动泵；Sage和Harvard出品的注射泵；可从KNF购得的隔膜泵；可从Micropump购得的齿轮泵；以及Fluid Meterinig Inc产品的活塞泵。图中只表示出了一个蠕动泵，但这仅是为了进行举例说明，而并不限定本发明的保护范围。为了对所示的蠕动泵作更为详细的描述，可参见第4025241号和4365943号美国专利。
每一柔性导管的入口端都被设置在多个储存容器38、40、42和44的之一中。每个储存容器中都盛装了一种不同的液态原料组分、或者几种组分的混合物，然后，这些组分(或混合物)被混匀到一起而形成所需的流体配剂。
各条柔性导管的出口端28、30、32和34通入到一混合容器46中，从而向其输送各个储存容器中所容纳的各种原料组分。泵36设置在储存容器38、40、42、44和混合容器46之间，以便于将精确量的各种原料组分从各自对应的储存容器输送到混合容器46中。
图1和图2中所示的单个蠕动泵36是由一些均匀分布的滚子37a、37b、37c、37d、37e和37f构成的，这些滚子被制成圆柱状，并绕一中心驱动轴136等距地分布。电机137驱动着转轴136使其转动，从而使滚子37a-37f绕转轴136的轴线滚动。柔性导管12、14、16和18被布置在泵36的各个滚子上。
各柔性导管12、14、16和18分别被牢固地安装到各自的支架组件13、15、17和19上。各个支架都被设置在一壳体21中，在一电磁线圈、液压系统、压缩气体或类似装置131、151、171和191(下文中将这些装置称为“执行装置”)的独立控制下，各支架能沿基本垂直的方向移动。执行装置131、151、171和191是由一计算机62通过线路132、152、172、192分别进行控制的。当各个执行装置131、151、171或191被触发时，与其对应的支架就会被促推向泵36。柔性导管12、14、16和18在与各个滚子37a、37b、37c、37d和37f发生接触时，它们会被压扁，从而限制了流体的流动，与此同时，还在与滚子接触的两相邻点之间形成了容纳着流体的管袋。当泵36被接通后，各个滚子会顺着柔性导管滚动，并基本上沿直线的方向将这些流体袋依次挤推向混合容器46。泵36还可反向运转，从而如果配制过程已经完成、或当要将其中的一种或多种流体原料换为另外的流体原料时，可将某几种或全部原料流体返送回各自的储存容器中。
在混合容器46中，设置了一个用于对原料组分进行混合从而形成所需流体配剂的装置56。可用在本发明实际应用中的混合装置56是与试验室级别小规模设备的工作相适应的。此类混合装置的几种实例包括例如由Cole-Palmer Servodyne和IKA试验室制造的顶置混合器(overheadmixer)；例如由Corning出品的磁力搅拌器；可从PowerGen购得的转子一定子均化器；可从Thomas Scientific购得的声波均化器；以及由Cole-Palmer出品的涡旋混合器。图1中表示的一种顶置混合器，但这仅是为了举例说明，而并不构成对本发明范围的限定。如图所示，混合器56包括一电机80，其通过轴杆82与一片或多片搅拌浆叶相连接，图中这些浆叶总体上用标号84指代。混合器56被固定到支撑架88上。线性动作器/控制装置86调节混合器56的垂直移动和横向移动。线性动作器/控制装置86可由步进电机、电磁线圈或液压阀构成。线性动作器/控制装置86能将混合器56缩回，从而使其完全脱离与混合容器46的接触。
对计算机62进行了编程设计，从而其可控制本发明流体配制系统的各个工作步骤。所需要、或所设想的流体配剂的配方(如通常所称谓的那样)通过各种措施输入到计算机62的数据库中，其中的输入措施例如是由操作人员人工输入、或者是从与该计算机62相连接的其它数据库系统中输送来，其中的其它数据库系统例如为LIMS系统(试验室信息管理系统)或通常用在涂覆作业中的专家系统。
用计算机来控制流体配制系统的另一个好处在于可以对整个配制过程执行编程控制，并对各种原料组分的添加率、或其中一种或多种组分的加入量进行调节。在混合过程中，随着配制的进行对流体配剂的各项物理特性进行监控将是有利的。这也可被称作闭环反馈。其中某种组分的量太多、或另一种组分的量不足都将在总体上改变所需配剂的产量。因而，作为可选配置，还可在混合容器46中安装一多功能传感器装置58，用于定量地测量流体配剂的一项或多项物理特性。这些物理特性通常是流体配剂的总质量、体积、粘度和PH值。多功能传感器58能将测得的各种物理特性转换为对应物理特性测量值。由于传感器58可被编程设计成在整个混合循环中持续地进行工作，所以其具有在配制过程中对流体执行实时分析的性能。
传感器58上连接有一个电子发送装置60，其将物体特性的测量值通过导线61传输给计算机62。随着计算机62从传感器58持续地接收到反馈信息，其可对动态过程执行实时的分析。其中的“动态”意味着随着在混合容器46中不断地加入各种原料组分，最终制品的各项物理特性会随时间而变化。计算机62接收到由发送装置60传送来物理特性测量值，并将物理特性的各个测量值与其对应的预期值进行比较。如上文所述的那样，物理特性的预期值此前已被输入到了计算机的数据库中。如果操作人员希望对流体配制过程进行监控，则就可启用传感器58与计算机62之间的闭环反馈。
可被传感器58检测到的最重要的一个物理特性即为流体配剂的动态粘度。动态粘度是流体在被配制时其所表现出来的阻抗力矩的函数，该粘度值在1厘泊到10000泊的范围内。“泊”被定义为克/百分秒。也可按照帕斯卡秒的量纲来测量动态粘度，此时，动态粘度的单位被定义为牛顿/平方米。至于二者的比较关系，1000帕斯卡秒等于10000泊。
不论计算机是仅根据先前输入到其数据库中的配方信息执行工作、还是被编程控制着在配制过程中不断地接收和处理从传感器58反馈来信息，都必须要对流经各柔性导管的各种原料流体进行精确的控制。参见图2，各个独立的限流器48、50、52和54被可动作地设置在各条柔性导管上，用于对输送给混合容器46的各种原料组分的量进行调节。尽管在本发明中可采用多种设计形式的限流器，但如图3所示，一种优选的设计形式包括一阀柱塞49，其例如可被一液压系统、压缩空气、或电磁线圈装置51(下文中将该装置称为“阀”)驱动。每个限流器48、50、52和54分别通过导电线路64、66、68和70与计算机62相连。例如，对计算机62发出的一个信号作出响应，经导线64向限流器48发出控制信号，从而启动阀51，进而使阀柱塞49顶触到柔性导管12，并向其加压。
根据计算机62发出的指令，阀柱塞49可以部分或完全隔断流体在柔性导管12中的流动。如果需要将柔性导管12中的流动完全切断，则计算机就发出一个信号来启动限流器48，由此来完全切断流经的流体。与此同时，计算机62将通过导线132发出一个信号，指示执行装置131将支架单元13缩回，使其离开泵36，从而使导管12与泵上的滚子37a-37f脱离接触。此时，导管12中所容纳的特定流体原料就停止向混合容器46移动。
作为备选方案，计算机62不论是响应于预先编程设置的指令进行工作、还是响应于混合容器中传感器发出的信号进行工作，其都能指示其中某个限流器48、50、52或54只是部分地限制在对应柔性导管中流动的流体，这样就只是降低了向混合容器输送的对应原料组分的量。如果是根据输入到计算机中的编程数据进行判断的，则向混合容器添加各组分的操作既可是依次进行的、也可以是并列进行的。
通过启用闭环反馈，就可将返回到计算机62中的物理特性测得值与对应的预期值进行比较。基于测量值与预期值之间的差值(如果有的话)，计算机62按照程序判断为制造各项物理特性达到适当平衡的所需流体配剂是否需要添加各种特定的组分－如果需要的话，要添加多少。例如，随着配剂被不断地混合，传感器58可检测在当前的工艺循环时刻点上、动态粘度是否小于事先估计的数值。在这种情况下，例如可通过添加含有增稠剂的原料组分来达到理想的粘度等级。
在由预编程的配制规程进行控制的条件下，一旦达到了预定的参数指标，计算机62就停止整个系统，其中的参数指标例如是总质量、所需的粘度和/或PH目标值。作为备选方案，如果触发了传感器58来向计算机62实时地返送处理信息，则一旦发现被监控着的各物理特性数据等于了其对应的预期值，则输送系统就被停止。但是，无论是按照预编的规程进行操作，还是利用反馈信息进行判断，都必须让混合器多运转一段时间，用于满足对各种配剂的具体处理要求。
本发明流体配制系统的另一重要特征是其能自动执行对混合器56中器件进行清洗的工作。如图1所示，在靠近混合容器的位置处设置有一清洗室90。清洗室90中包含一内部容器92，该容器中盛有某种清洗流体。在本发明设计思想的范围内，可采用任何合适的清洗室，例如可采用超声清洗室、搅动装置、内部喷洗机或摩蚀式洗刷机。其中的清洗流体可以适于清洗混合器56各个表面上流体残留物的任何流体。这些清洗流体包括水、碳氢化合物溶液、水性表面活化剂、超临界流体或这些流体的任何混合物。
当所制的流体配剂从一种变为另一种时，就必须要清洗混合器56，从而使后序配制的流体配剂不会被先前配剂的残留物所污染。计算机62按照程序，通过启动控制装置86而将混合器56垂直缩回，从而将混合器从混合容器46中取出。然后，利用任何常规的机械装置、电磁装置或液压装置将混合器56沿支撑架88移动到某个位置上，该位置刚好位于清洗室90的上方。在该位置上，控制装置86将混合桨叶84和杆轴82完全伸入到内部容器92中(见图4)。然后启动清洗室90的工作，从而执行预编程的清洗循环。一旦该循环完成之后，就将混合器从清洗室90中提出，然后再沿支撑架88将其移动到位于混合容器46正上方的位置处，在此等待计算机62的指令，从而进入到混合容器中，开始执行对新配剂的混合工作。
权利要求
1.一种用于制备流体配剂的系统，其特征在于，所述的流体配剂是从如下的流体类别中选出的乳浊液、凝胶和胶质流体，所述系统包括-多条柔性导管，每条柔性导管都具有一入口端和一出口端，所述多条柔性导管被可操作地设置在多个泵送装置中的至少一个装置中；-所述多条柔性导管的每一入口端，其都被设置在多个储存容器的之一中，所述各个储存容器中都盛装了一种不同的液态原料组分；-所述多条柔性导管的出口端，其被设置成将各种原料组分输送到一混合容器中；-多个泵送装置中的至少一个泵送装置，其被设置在储存容器和混合容器之间，用于将一定量的各种原料组分从它们各自的储存容器经柔性导管泵送到所述混合容器中；-多个限流器，其与各条柔性导管保持工作连接，用于对输送给所述混合容器的各种原料组分的量进行单独的调节；-用于在所述混合容器中将各种原料组分进行混合、从而形成流体配剂的装置；-清洗装置，其设置在混合装置的附近；以及-一计算机，其与所述泵送装置、所述限流器和所述混合装置进行工作通讯。
2.根据权利要求1所述的系统，其还包括一传感器装置，其设置在所述混合装置中，用于在混合工作过程中对流体配剂的至少一项物理特性执行定量检测，所述物理特性可以是质量、体积、粘度或PH值，所述传感器装置将测得的物理特性中的至少一项转换为至少一个对应的物理特性测量值；以及电子发送装置，其将至少一个物理特性测量值传输给所述计算机，其中，所述计算机接收到至少一个物理特性测量值，并将各个物理特性测量值与对应的预期值进行比较，物理特性的所述预期值是在先前被输入到计算机数据库中的，所述计算机向各个限流器和泵送装置发送输出信号，从而对经各条柔性导管输送到所述混合容器中的各种原料组分的量进行单独的调节。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述泵送装置是蠕动泵。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述流体配剂的动态粘度在1厘泊到10000泊之间。
5.一种用于制备流体配剂的自动化方法，其中的流体配剂是从如下的流体类别中选出的乳浊液、凝胶和胶质流体，所述方法包括步骤-向一计算机的数据库中输入一流体配剂的配方，其中，所述计算机对所述自动化方法的执行过程进行控制，而制备出流体配剂，其中的配方列出了制造流体配剂所必需的所有原料组分和工艺步骤，配方中还包括流体配剂至少一项物理特性的预期值；-按照所述计算机发出的指令，向一混合容器中输送流体配剂的多种原料组分，其中的各种原料组分是通过多条柔性导管进行输送的，利用一泵送装置的动作，将所述原料组分推送到所述混合容器中；-利用一混合装置在所述混合容器中对原料组分进行混合，从而制出一种流体配剂；-如果配方所要求的所有的原料组分均已被加入到所述混合容器中、且配方规定的所有混合步骤均已被执行完成，则所述计算机就终止所述自动化方法的执行；以及-将所述混合装置从所述混合容器中提出，并将所述混合装置运送到某一位置，从而将其插入到紧邻所述混合容器布置的一个清洗容器中。
6.根据权利要求5所述的自动化方法，其还包括步骤在混合过程中，利用设置在所述混合容器中的传感器装置对流体配剂的至少一项物理特性进行定量的检测，所述物理特性可以是流体配剂的质量、体积、粘度或PH值，并产生与各个被测物理特性对应的物理特性测量值；-将至少一个物理特性测量值发送给所述计算机；-将各个物理特性测量值与其对应的预期值进行比较，所述预期值是在先前输入到所述计算机数据库中的；-所述计算机向各个限流器、泵送装置发送输出信号，用于对输送给所述混合容器的各种原料组分的量进行单独的调节；以及-如果各个物理特性测量值与各个物理特性预期值都能对应上，则关断所述泵送装置和混合装置的工作。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述泵送装置是一蠕动泵。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述流体配剂的动态粘度在1厘泊到10000泊之间。
全文摘要
本发明公开了一种用于制备流体配剂的自动系统，其用在实验室级别的小规模操作中。该系统采用计算机来对组分的测量、以及整个配制过程执行精确的控制。本发明的新颖之处在于其可对高粘度、高稠度流体的配制过程进行精确的控制，其中的流体例如为乳浊液或凝胶体。另外，在计算机中还输入了一个预编程的清洗循环，用于自动清洗混合元件，从而，混合元件不会由于沾染着先前配制工作时的物质而污染后序的配剂。
文档编号F04B43/12GK1451470SQ0312310
公开日2003年10月29日 申请日期2003年4月17日 优先权日2002年4月17日
发明者迈克尔·W·林森, 马克·R·舒勒, 克里斯廷·魏德迈尔 申请人:罗姆和哈斯公司