用于在无菌或超洁净条件下将盖子施加到相应容器上的加盖机器

技术领域

本发明涉及一种用于在无菌或超洁净条件下将带螺纹的盖子施加到相应容器上的加盖机器。

背景技术

众所周知，在无菌或超洁净条件下对容器进行加盖，为避免污染，对容器进行加盖操作的区域必须与外部环境适当隔离，并且免受杂质影响，甚或保持无菌。

根据第一实施方案，加盖机器以及在典型的装瓶厂中使用的其他机器完全插入到相对于外部环境保持超压的大容量腔室内。实际上，空气具有对应于开口的朝向外部的单向流动，该开口是容器进入/离开插入有机器和系统组件的室所必需的。以此方式，防止微生物可能进入容器的处理区域。

然而，由于机器的尺寸(通常是旋转机器)相当大，隔离腔室非常大，以至于在无菌或超洁净条件下难以对其进行管理和维护。

根据另一种已知的解决方案，为了减小腔室的尺寸，仅机器的处理区域被隔离，而将机器的其余部分留在未受保护的气氛区域中。

在旋转式加盖机器中，要隔离的处理区域通常定义在旋转部件和固定部件之间，并且在安装有操作单元的旋转部件与固定壁之间需要阻隔件，例如朝向机器外部或朝向传动构件的保护外壳。

为此，使用通常施加于旋转部件的弹性材料垫圈，该垫圈在通常为金属的固定部件上滑动。

考虑到解决方案可靠性的主要条件(光滑、坚硬的滑动表面，具有低摩擦系数并与垫圈平行、低滑动速度)，与由于所需的机械加工公差和生产速度而防止达到这些条件的尺寸相当大的机器形成对比，可以理解，该解决方案的主要缺点是由于垫圈的快速磨损，导致密封损失。

另一种已知的解决方案涉及曲径式密封(labyrinth seal)的使用，其克服了垫圈的磨损问题，因为它们不涉及相对移动的部件之间的任何物理接触。

然而，密封的好坏取决于移动部件之间的距离：随着该距离的减小，密封的质量会提高，但在如此大的机器中实现减小的距离(即十分之一毫米)特别复杂且昂贵，因为机械过程的公差使得难以达到如此小的距离。

有了该解决方案，曲径式密封提供了另一种与外部环境交换空气的可能方式，因此，为了获得足够的超压，需要更大的无菌或超洁净空气流，成本更高并且缺乏隔离的风险更大。

因此确定了另一种解决方案，在同一申请人的专利EP-B-1601606中进行了说明，包括提供部分填充有无菌液体的固定环形通道，其中与旋转部件相关联的同轴环形元件以旋转方式滑动。

后一种解决方案显然不会受到磨损的影响，并且不需要昂贵的机械处理来确保制造密封的部件之间的耦合公差降低。

然而，该解决方案仅仅适用于确保固定部件和配备有纯旋转移动的部件之间的密封。在旋转部件包括构件，该构件设置有平移运动并且在使用中可在机器(例如在加盖机器)的未受保护的气氛区域和受保护或无菌气氛区域之间移位的情况下，有必要求助于附加的密封元件，通常是波纹管元件，其允许在执行的密封和相关成本方面获得令人满意的结果。

这种类型的加盖机器的典型解决方案包括围绕竖直轴线旋转的驱动轴和多个操作单元，这些操作单元围绕竖直轴线成角度地等距布置、成角度地连接到驱动轴并且被配置成用带螺纹的盖子对相应容器进行加盖。

每个操作单元包括：

-容器支撑元件，其被配置成接收竖直布置的相关容器；

-操作头，其同轴地布置在容器上方并且适于将盖子施加在由容器支撑元件保持的容器上；

-驱动心轴，其同轴连接到操作头的与被设计成在使用中与相关容器协作的一侧相反的一侧上；

-马达组件，其用于沿着和围绕其轴线向驱动心轴传送旋转平移运动；以及

-扭矩控制头，其插置于驱动心轴与操作头之间并被配置成限制从驱动心轴传递到操作头的最大扭矩。

操作单元的各种马达组件(每个组件通常包括马达，并且必要时包括传动齿轮、轴承、凸轮元件等)被容纳在置于驱动轴顶端并布置在未受保护的气氛区域中的滚筒外壳中。

相反，容器支撑元件和操作头被容纳在滚筒外壳下方加盖机器的受保护或无菌气氛区域中。这同样适用于通常保持尽可能靠近操作头以更好地驱动操作头移动的扭矩控制头。

每个驱动心轴部分地在未受保护的气氛区域中的滚筒外壳内延伸并且部分地在受保护或无菌气氛区域内通过相应的波纹管元件延伸；每个驱动心轴沿其轴线平移移向并远离相关容器以及围绕其轴线旋转移动。

EP-B-2407415中公开了扭矩控制头的示例，其包括：

-顶部元件，其直接并同轴连接到相关驱动心轴；

-中间元件，其与顶部元件成角度地耦合并且借助于弹性压缩弹簧相对于顶部元件可轴向移位；

-管状衬套，其成角度地耦合到中间元件并且从中间元件朝向相关容器支撑元件轴向突出；

-操作轴，其同轴地延伸穿过管状衬套，从管状衬套朝向相关容器支撑元件轴向突出并且在其自由端承载操作头；以及

-磁性离合器，其通常由两个磁性离合器盘组成，径向插置于管状衬套和操作轴之间，并且被配置成限定从管状衬套传递到操作轴并因此传递到操作头的最大扭矩。

特别地，每个操作单元的操作轴由一对轴承支撑在管状衬套内；以此方式，操作轴可自由旋转地安装在管状衬套内。从管状衬套到操作轴的扭矩传递通过磁性离合器实现，达到给定的阈值扭矩值。特别地，在相关容器上旋拧盖子结束时，继续旋拧动作所需的扭矩超过上述阈值扭矩值，并且磁性离合器盘相对于彼此旋转以便停止可能有损盖子正确施加的任何进一步扭矩传递。

由于扭矩控制头包括可能污染受保护或无菌气氛区域的“脏元件”，例如轴承和磁性离合器盘，因此必须防止扭矩控制头内部与受保护或无菌气氛区域之间的任何流体通过。

此外，受保护或无菌气氛区域需要经常用化学物质清洗布置在其中的部件，这些化学物质可能损坏扭矩控制头中存在的一些机械元件，例如轴承和磁性离合器盘。

为了将受保护或无菌气氛区域与扭矩控制头的脏元件隔离，必须在扭矩控制头内设置大量垫圈，导致成本高和维护操作复杂。

此外，加盖机器的已知解决方案在受保护或无菌气氛区域内仍然呈现大量可能的污染点。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种加盖机器，该加盖机器被设计成以简单且低成本的方式克服上述缺点。

该目的通过如权利要求1所述的加盖机器来实现。

附图说明

本发明的非限制性实施方案将在下文参考附图通过示例的方式进行描述，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的教导的加盖机器的局部剖面透视图，其中为了清楚起见去除了一些部件；

图2是沿图1的II-II线的放大剖面图，其中为了清楚起见去除了一些部件；以及

图3是类似于图2并且与图1和2的加盖机器的可能变体有关的剖面图。

具体实施方式

参考图1和2，标记1总体表示加盖机器，该加盖机器被配置成在无菌或超洁净条件下将带螺纹或无螺纹的盖子2(图2)施加到相应的容器3，特别是瓶子上。

机器1包括多个站或操作单元4，其被配置成在容器3上执行相应的加盖操作并且围绕竖直中心轴线A成角度地等距布置。

操作单元4也可围绕中心轴线A旋转并接收待由输入星轮(本身已知并未示出)封闭的容器3；然后将封闭的容器3释放到布置在与输入星轮相邻的位置处的输出星轮(本身也是已知的并未示出)。

操作单元4成角度地连接到与中心轴线A同轴的驱动轴5。

特别地，每个操作单元4(图1和2)呈现平行于中心轴线A的竖直轴线B并且包括：

-容器支撑元件6，其被配置成接收竖直布置(即，其本身的轴线C平行于轴线A并且与相应的轴线B同轴)的相关容器3；

-操作头7，其同轴地布置在相关容器3上方以将一个盖子2施加在由容器支撑元件6保持的容器3本身上；

-驱动心轴8(本身已知并且仅部分地在图1和2中示出)，其与相关轴线B同轴并且被配置成驱动操作头7沿着和围绕轴线B本身运动；

-马达组件10(图2)，其用于沿着和围绕相应的轴线B向驱动心轴8传送旋转平移运动；以及

-扭矩控制头11，其插置于驱动心轴8或马达组件10与操作头7之间并被配置成限制从驱动心轴8或马达组件10传递到操作头7的最大扭矩。

特别地，在所示的示例中，每个操作单元4的容器支撑元件6包括与相关轴线B正交地延伸并且被配置成在其顶表面上接收一个相应容器3的搁板12。

作为未示出的可能替代方案，每个容器支撑元件6可以包括以悬挂方式在其顶部或颈部支撑相关容器3的抓握元件。

每个容器支撑元件6被配置成限制相关容器3的轴向和旋转移动。

每个操作单元4的操作头7包括抓握构件13(图2)，该抓握构件13被配置成同轴抓握带螺纹或无螺纹的盖子2，该带螺纹或无螺纹的盖子2将被旋拧或施加在容器3的顶部上。

每个驱动心轴8仅示出为受限于驱动部15，该驱动部15直接连接到相应扭矩控制头11并以本身已知并未示出的方式由相关马达组件10沿着和围绕其轴线B选择性地移动。

每个驱动心轴8的驱动部15在其与相关扭矩控制头11连接的端部具有头部凹槽16，其功能将在下文中阐明。

特别参考图2，每个扭矩控制头11具有输入元件17，其直接连接到相关驱动心轴8的驱动部15，以及输出轴18，其与相关轴线B同轴延伸并在其自由端连接到相应的操作头7。

每个输出轴18可围绕相关轴线B旋转，并可在相应马达组件10和驱动心轴8的作用下沿该轴线平移，从而引起相应操作头7的朝向和远离相应的容器3并因此朝向和远离相应的容器支撑元件6的对应旋转及其对应平移。

从图1和2中可以看出，除了实际的马达之外，马达组件10中的每一个还包括传动齿轮、轴承、凸轮元件(本身都是已知的并未示出)等，并且驱动心轴8容纳在滚筒外壳20中，该滚筒外壳20置于驱动轴5顶端并且相对于后者径向悬臂。

更具体地，滚筒外壳20由圆柱形侧壁21界定，在其下端由盘状底盖壁22封闭，并且在其上端由面向底盖壁22的盘状顶盖壁23封闭。

如图1所示，滚筒外壳20的底盖壁22固定在驱动轴5上端的环形凸缘24上。

有利地，甚至扭矩控制头11也容纳在滚筒外壳20中，而输出轴18以密封方式延伸穿过滚筒外壳20本身的底盖壁22的相应开口25，从而连同相应的操作头7一起从后者向下突出。

实际上，驱动轴5、滚筒外壳20和操作单元4限定机器1的旋转部件26，该旋转部件26与机器1本身的布置在径向最外位置的固定部件27协作。

在图1所示的情况下，固定部件27包括环形平台28，该环形平台28围绕滚筒外壳20延伸并且处于与滚筒外壳20本身的底盖壁22大致相同或略低的高度。

从图1和2中可以看出，外壳20的底端壁22和环形平台28在下部界定了处理环境，或更准确地说是容器3的封闭环境，该环境与外部环境隔离并保持在无菌或超洁净条件(即免受杂质影响)和轻微超压下。

因此，该封闭环境限定了机器1的受保护或无菌气氛区域30，由相应的容器支撑元件6承载的容器3在该受保护或无菌气氛区域30中通过。

待加盖的容器3进入受保护或无菌气氛区域30和处于加盖形式的容器3离开受保护或无菌气氛区域30是通过该区域的横向边界壁(本身已知并未示出)中的合适开口(未示出)实现的。

位于环形平台28和滚筒外壳20的底盖壁22上方的环境替代地限定了机器1的未受保护或非无菌气氛区域31。

受保护或无菌气氛区域30和未受保护或非无菌气氛区域31通过密封装置32彼此隔开。在当前的情况下，密封装置32包括固定环形通道33，其与固定部件27相关联并部分地填充有无菌液体，以及环形元件34，其与旋转部件26相关联，与环形通道33同轴并且在使用中可在环形通道33本身的液体中旋转。

特别地，环形通道33从环形平台28的径向最内边缘朝向轴线A悬垂延伸。

环形元件34替代地由滚筒外壳20的侧壁21的向下环形延伸部限定，从而以悬臂方式从底盖壁22突出。环形元件34可以部分地浸入环形通道33的液体中并在由滚筒外壳20的旋转拖拽的环形通道33本身内部移动。

能够消除任何细菌的无菌液体，优选抑菌液体，例如水和氯的溶液，用作防止受保护或无菌气氛区域30与周围外部环境之间接触的绝缘体。

由于受保护或无菌气氛区域30内的轻微超压，在与无菌或受保护气氛区域30接触设置的环形通道33中存在的液体与位于与外部环境接触的环形元件34外侧的液体之间形成液位差(几毫米的水并且等于产生的超压)。

特别参考图2，每个操作单元4的扭矩控制头11的输入元件17包括：

-管状元件35，其与相应的轴线B同轴并且具有顶部，该顶部以滑动方式部分地接合相应驱动心轴8的驱动部15的头部凹槽16；以及

-基本为杯形的衬套元件36，其具有在外部同轴地耦合到管状元件35的底部的圆柱形侧壁37，以及连接到侧壁37的底部环形边缘并轴向面向头部凹槽16的盖壁38。

特别地，每个管状元件35具有平行于轴线A、B并且围绕相关轴线B成角度地等距隔开的多个外部纵向狭槽39。狭槽39以平行于轴线A、B滑动的方式与相应的销40耦合，该销40从相关驱动心轴8的驱动部16的侧壁朝向轴线B本身径向突出，从而界定相关头部凹槽16。这种布置允许每个扭矩控制头部11的管状元件35相对于相关驱动心轴8的驱动部15的有限移动。这些轴向移动由圆柱形螺旋弹簧41控制，该圆柱形螺旋弹簧41容纳在相关管状元件35内并轴向插置于相关头部凹槽16的盖壁与从管状元件35本身的侧壁径向向内突出的中间环形肩部42之间。由于弹簧41的存在，可以缓冲操作头7对要加盖的容器3的冲击。

每个衬套元件36有角度地和轴向地耦合到相关管状元件35。由于衬套元件36的侧壁37带有内螺纹并与设置在管状元件35的底部上的外螺纹接合，因此可以以已知方式调节确定衬套元件36与管状元件35之间的轴向相对位置。稍后将解释该功能的目的。

每个扭矩控制头11的输出轴18具有容纳在相关管状元件35和相关衬套元件36两者内的顶部18a，并且在其中心通孔43处穿过相关盖壁38，以便从盖壁38本身朝向相关操作头7和滚筒外壳20的底盖壁22轴向突出。

每个输出轴18的顶部18a通过磁性离合器45耦合到相关管状元件35，并因此耦合到相关驱动心轴8。

特别地，每个输出轴18的顶部18a围绕相关轴线B以角度自由的方式安装在相关管状元件35和相关衬套元件36内，并且借助于轴承46，特别是球轴承，由管状元件35本身支撑。

在所示示例中，每个磁性离合器45包括顶部磁体47，其形状优选地像环形盘并且由相关输出轴18的顶部18a承载，以及底部磁体48，其形状也优选地像环形盘，由相关衬套元件36的盖壁38承载并沿相关轴线B布置在距顶部磁体47给定距离处。

每对顶部磁体47和底部磁体48之间的轴向距离限定了借助于磁性离合器45从相关管状元件35传递到相关输出轴18的最大扭矩。

从每个扭矩控制头11的输入元件17传递到相关输出轴18的最大扭矩值可以通过改变相关的顶部磁体47和底部磁体48之间的轴向距离来调整；特别地，这种调整可以通过在相关管状元件35上旋拧或旋松相关衬套元件36来进行。

如图1和2中可见，每个输出轴18进一步包括主体部18b，以密封方式穿过滚筒外壳20的底盖壁22的相关开口25并在受保护或无菌气氛区域30内延伸；每个输出轴18进一步包括直接连接到相关操作头7的底部18c。

特别地，在图1和2的示例中，对于每个操作单元4，底盖壁22进一步包括套筒元件50，该套筒元件50穿过相关开口25安装并且具有端部环形凸缘51，该端部环形凸缘51通过螺钉52固定到布置在滚筒外壳20内部并面向顶盖壁23的一侧上的底盖壁22本身。

每个套筒元件50在其径向内表面处具有多个纵向狭槽53，该多个纵向狭槽53平行于轴线A、B并且被配置成允许相关输出轴18沿其轴线B的纵向轴向移位，如此后将进一步详细描述的那样。

作为未示出的可能替代方案，纵向狭槽53可直接形成在底盖壁22的相关开口25的内定界表面上。

在图1和2所示的示例中，每个操作单元4还包括管状滑动件54，该滑动件54径向地插置于相关套筒元件50和相关输出轴18的主体部18b之间。滑动件54设置有纵向突出部55，其从滑动件径向外表面径向突出并以平行于相关轴线B的滑动方式接合相应的纵向狭槽53。纵向突出部55与相应的纵向狭槽53的相互作用允许引导滑动件54沿其轴线B的平移移动。

每个输出轴18的主体部18b延伸穿过相应的滑动件54并且以固定的轴向位置并且以自由旋转的方式耦合到滑动件54本身。特别地，每个输出轴18的主体部18b由一对轴承56，优选地由滚珠轴承支撑在相关滑动件54内。

为了密封每个滑动件54在受保护或无菌气氛区域30内的轴向移动，相关操作单元4还包括环形波纹管元件57。特别地，波纹管元件57具有一个轴向端部58，其以密封方式固定到滚筒外壳20的底盖壁22，以及一个相对的轴向端部59，其以密封方式固定到滑动件54的底部轴向端部60。波纹管元件57以已知方式由具有交替圆锥度的多个互连的截头圆锥环61形成。环61可以相互折叠以限定波纹管元件57的缩回的最小轴向长度，或者可以轴向膨胀以限定波纹管元件57本身的膨胀的最大轴向长度。

以此方式，每个滑动件54和相关输出轴18的任何轴向移动都伴随着对应波纹管元件57的缩回或膨胀。

每个输出轴18相对于相关滑动件54的旋转移动由环形垫圈62密封，该垫圈62由滑动件54本身的底部轴向端60承载在其底部嘴处。特别地，每个垫圈62具有与相关输出轴18的底部18c接触或擦碰的环形唇件63。

在使用中，已经填充有可倾倒产品的容器3被装载到相应的容器支撑元件6上并且通过这些容器支撑元件6围绕轴线A移动。

在该旋转期间，操作单元4执行将盖子2施加到相应容器3上的操作。

特别地，每个操作头7通过相关马达组件10和驱动心轴8沿相关轴线B轴向移动并围绕相关轴线B旋转，同时操作头7本身与驱动轴5一起围绕轴线A旋转。

为清楚起见，以下描述将参考一个单一的操作单元4进行，该操作单元4作用于一个单一的容器3以施加一个相关的盖子2；显然，相同的步骤顺序适用于用于执行相应容器3的加盖操作的任何其他操作单元4。

当待加盖的容器3位于设置有待施加的盖子2的操作头7下方时，马达组件10和驱动心轴8将沿轴线B朝向容器3本身的轴向移动传送到扭矩控制头11的输入元件17。相同的轴向移动被传递到输出轴18和滑动件54以及操作头7。当操作头7接触容器3时，弹簧41被输入元件17、输出轴18和滑动件54相对于驱动心轴8的驱动部15的相对轴向移动压缩。这种相对轴向移动通过狭槽39和销40之间的滑动接合实现并且允许缓冲操作头7和容器3之间的接触。

通常，在任何轴向移动期间，受保护或无菌气氛区域30与未受保护或非无菌气氛区域31之间的密封通过波纹管元件57实现，该波纹管元件57随着输出轴18和相关滑动件54朝向和远离底部盖壁22的轴向移动而缩回或膨胀。

在操作头7与容器3接触之后，相对于轴线B的旋转平移移动由马达组件10和驱动心轴8传送到扭矩控制头11的输入元件17。该移动通过磁性离合器45传递到输出轴18并因此传递到操作头7，并且将盖子2旋拧在容器3上。在盖子2的行程(stroke)结束时，盖子2本身的进一步旋转需要克服由容器3施加的阻力扭矩。由于这种阻力矩超过可通过磁力离合器45传递到输出轴18的最大力矩，发生顶部磁体47与底部磁体48之间的相对旋转，从而避免将盖子2压在容器3上(可能会损坏其螺纹)。

加盖操作完成后，操作头7、输出轴18、滑动件54和输入元件17远离加盖容器3轴向移动，从而允许将其从加盖机器1释放。

图1和2中所示的加盖机器1的优点从前面的描述中是显而易见的。

特别地，该解决方案允许使隔离容纳在受保护或无菌气氛区域30内的每个操作单元4的部件所需的垫圈和密封件的数量最小化，同时保持与已知操作单元相同的功能。事实上，在当前情况下，仅一个环形垫圈61和一个环形波纹管元件57就足以保证每个操作单元4与受保护或无菌气氛区域30之间的必要密封。

还应该注意的是，每个输出轴18都很好地径向支撑到靠近相关操作头7的区域。

此外，由于每个操作单元4的扭矩控制头11布置在底盖壁22上方并因此布置在受保护或无菌气氛区域30之外，该后一区域的大小和可能的污染点可被最小化。此外，可以使用常规扭矩控制头代替无菌的那个。

此外，在无菌或超洁净条件下操作的装瓶厂中，加盖机器1的受保护或无菌气氛区域30的顶盖部件(即底盖壁22)可以布置在与相邻填充机器的受保护或无菌气氛区域的对应顶盖部件相同的高度处。

图3的变型与图1和2的解决方案的不同之处仅在于每个输出轴18在受保护或无菌气氛区域30中以密封方式延伸穿过滚筒外壳20的底盖壁22的相关开口25。

特别地，在这种情况下，每个输出轴18的主体部18b成角度地耦合到外套筒元件64，进而安装在固定的轴向位置并且以自由旋转的方式安装在滚筒外壳20的底盖壁22的相关通孔25内。更具体地，每个套筒元件64由轴承65，特别是由球轴承支撑在相关开口25内。

每个套筒元件64还设置有多个纵向凹槽66，其平行于轴线A、B并被配置成在使用中由相关输出轴18的主体部18b的相应径向突起67以滑动方式接合。

以此方式，每个输出轴18能够相对于相关套筒元件64沿其轴线B轴向平移，并且还适于与套筒元件64本身一起相对于滚筒外壳20的底盖壁22围绕该轴线B旋转。

由每个输出轴18的主体部18b和相关套筒元件64形成的组件相对于滚筒外壳20的底端壁22的旋转移动的密封是通过环形垫圈68实现的，该环形垫圈68安装在相关开口25的底部边缘处并在使用中与套筒元件64本身的外表面接触协作。

每个输出轴18从未受保护或非无菌气氛区域31到受保护或无菌气氛区域30以及从受保护或无菌气氛区域30到未受保护或非无菌气氛区域31的平移移动的密封是通过环形波纹管元件70实现的，该环形波纹管元件70类似于波纹管元件57并且在下文中不再进一步描述，具有其上轴向端部70a，其以密封方式固定到相关套筒元件64的底部边缘，以及其下轴向端部70b，其以密封方式固定到输出轴18本身的靠近底部18c的主体部18b。

图3的解决方案的优点与图1和2的解决方案相同，为简洁起见不再重复。

此外，在图3的解决方案中，在受保护或无菌气氛区域30内不存在轴承(存在的唯一轴承位于底盖壁20的开口25内)。

显然，在不脱离所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对本文所述的加盖机器1进行改变。