JP3712452B2 - 流量制御式充填方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を容器内へ充填する液体充填機に適用する流量制御式充填方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
貯液タンクに貯えた液体を配管を経て容器方向に導くとともに、同配管の途中に設けた開閉弁を開いて、液体圧により液体を容器内へ充填する液体の充填機において、前記開閉弁の上流側の液体圧力を測定し、この測定結果と予め記憶している圧力−充填時間関数とにより、充填時間を演算し、この演算結果に応じて前記開閉弁を開く液体充填機は、従来公知である。
【０００３】
その概略を図４により説明すると、１が圧力タンクで、同圧力タンク１に元液２が貯えられ、同圧力タンク１には、配管３から高圧クリーンエアが供給され、同配管３には、圧力調整弁４が取付けられ、圧力タンク１内の圧力が略一定に保持されている。
圧力タンク１からは導管５により密閉式サービスタンク６へ元液２が導かれる。そして密閉式サービスタンク６の下流側には、導管７と分配管８と、ニードル弁９と導管１０と充填ノズル１１とが接続されている。
【０００４】
ニードル弁９は、各充填ノズル１１から吐出される液体流量を一定に調整するために設けられている。
導管１０は、ゴム管等の柔らかい材料により作られており、導管１０を固定押枠１２と移動押枠１３とで挟みつけることにより、導管１０は管路が閉じられる。即ち、導管１０と固定押枠１２と移動押枠１３とにより開閉弁が構成されている。
【０００５】
移動押枠１３はエアシリンダ１４に接続しており、同エアシリンダ１４には、電磁弁１６を介して高圧空気源１５が接続している。
エアシリンダ１４は、ばね復帰式のものであって、電磁弁１６が開かれれば、高圧空気源１５からの高圧空気がエアシリンダ１４へ送られ、同エアシリンダ１４が伸長方向に作動して、各導管１０が閉じる。また電磁弁１６が閉じれば、エアシリンダ１４がばねにより縮み方向に作動して、各導管１０が開くようになっている。
【０００６】
電磁弁１６は、制御装置１７により制御され、制御装置１７には、密閉式サービスタンク６の圧力を検出する圧力検出器（圧力／電気変換器）１８からの検出信号が入力される。そして制御装置１７は、図５に示す手順により電磁弁１６を制御する。
次に前記図４に示す液体充填機の充填動作を具体的に説明する。
【０００７】
通常、電磁弁１６は開き、導管１０は閉じている。このとき、圧力検出器（圧力／電気変換器）１８によりサービスタンク６内の圧力６内の圧力Ｐを検出して、電気信号に変換し、これを制御装置１７のＡ／Ｄ変換器１９（図５参照）によりデジタル信号Ｐｎに変換して、演算回路２０へ送る。
この演算回路２０は、種々な圧力Ｐｎに対して一定の充填量を得るための充填時間ｆ（Ｐｎ）を設定する数表を内蔵している。この圧力Ｐｎ−充填時間ｆ（Ｐｎ）の関係は、予め実験、計算等により求められて、演算回路２０に入力されている。
【０００８】
充填されるべき容器が充填ノズル１１の下方へ搬送され、充填ノズル１１が下降して、液体注入の準備が完了すると、充填機から充填開始指令２１が発せられる。この充填開始指令２１は、演算回路２０及びタイマー２３へ送られ、演算回路２０が演算を開始するとともに、タイマー２３がカウントを開始する。また同充填開始指令２１は、弁操作装置２４へ閉信号として送られて、電磁弁１６が閉じ、エアシリンダ１４がばねにより縮み方向に作動して、導管１０が開いて、液体の充填が開始される。
【０００９】
演算回路２０は、入力した圧力信号Ｐｎから充填時間ｆ（Ｐｎ）を求めて、これをレジスター２２へ送る。レジスター２２は、充填時間ｆ（Ｐｎ）をタイマー２３へ送って、充填時間ｆ（Ｐｎ）をタイマー２３に設定する。タイマー２３は、設定された充填時間ｆ（Ｐｎ）をカウントすると、弁操作装置２４へ弁開信号を送って、電磁弁１６を開き、高圧空気源１５からの高圧空気をエアシリンダ１４へ送って、同エアシリンダ１４を伸長方向に作動し、導管１０を閉じて、液体の容器への注入を終了する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記図４、図５に示す従来の液体充填機では、各ニードル弁９により、各充填ノズル１１の吐出流量を一定になるように調節し、開閉弁１０、１２、１３により、各導管１０を一斉に開閉するようになっており、個々の容器へ流れる液体（製品液）を計量していないので、各導管１０を構成している柔らかい材料が変質して固化したり、液体から溶けたものが晶出したりして、流路抵抗が変化したとき、ニードル弁９により調整しなければならない。また圧力制御を確実に行わないと、流量コントロールが困難になるので、精密高価な圧力制御弁を必要としている。
【００１１】
また電磁弁１６を開いて、高圧空気源１５からの高圧空気をエアシリンダ１４へ送り、同エアシリンダ１４を伸長方向に作動して、各導管１０を閉じ、また電磁弁１６を閉じ、エアシリンダ１４をばねにより縮み方向に作動して、各導管１０を開くようにしているので、充填動作の立ち上げ時のような過度期（低速運転時）や容器の歯抜け等の非定常運転時に、液体（充填液）に流速変化があると、管路抵抗が変化するので、液圧が変動して、流量コントロールが不確実になるという問題があった。
【００１２】
本発明は前記の問題点に鑑み提案するものであり、その目的とする処は、▲１▼容器内への液体の充填精度を向上でき、▲２▼サニテーション作業を容易に行うことができ、▲３▼設備コストを低減できる流量制御式充填方法を提供しようとする点にある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、貯液タンクに貯えた液体を配管を経て容器方向に導くとともに、同配管の途中に設けた開閉弁を開いて、液体圧により液体を容器内へ充填する液体の充填方法において、前記配管の途中に大気に開放し外部に固定された充填液タンクを設け、上端部を堰とする仕切板により同充填液タンクの内部をタンク内上流側とタンク内下流側とに仕切って、同タンク内上流側を前記貯液タンク側の供給配管に連通し、同タンク内上流側と同タンク内下流側とを同仕切板に設けた貫通孔により連通し、同タンク内下流側を排出配管に連通し、同排出配管の下流側に複数の充填ノズルを接続し、前記貯液タンクの液体を前記供給配管を経て前記充填液タンクのタンク内上流側へ供給し、同タンク内上流側に設置した液レベルセンサからの検出信号を前記供給配管に設けた流量調整弁へ送り、同流量制御弁を制御して、同タンク内上流側の液レベルを適当な範囲に調整するとともに、同タンク内上流側の液体を前記貫通孔を経て前記タンク内下流側へ絶えず送り込んで仕切板上端部の堰からタンク内上流側へ溢流させることにより充填液圧ヘッドの上限高さを一定に維持する一方、前記各充填ノズルへの分岐配管のそれぞれに設けた流量計からの検出信号を制御ユニットへ送り、ここで容器に充填する液体の充填時間を算定して、その結果を前記各充填ノズルへの分岐配管のそれぞれに設けた開閉弁へ送り、同各開閉弁を開閉して、容器に一定量の液体を充填することを特徴としている（請求項１）。
【００１４】
前記請求項１記載の流量制御式充填方法において、各充填ノズル側排出配管のそれぞれに設けた流量計に電磁流量弁を使用し、各充填ノズル側排出配管のそれぞれに設けた開閉弁にダイアフラム開閉弁を使用してもよい（請求項２）。
前記請求項１、２記載の流量制御式充填方法において、排出配管の下流側に接続した各充填ノズルを縦方向の回転軸を中心とする水平円周上に等間隔に配置し、同各充填ノズルが同回転軸を中心に１回転する間に、同各充填ノズルの回転移動に同調して同各充填ノズルの下方を回転移動する容器に液体を順番に充填するときに、各充填バルブへの分岐配管と充填液タンクの下流側に接続した排出配管とをロータリージョイントにより接続し、同充填液タンクの下流側に接続した排出配管に流量調整弁を設け、始動の運転立ち上げ時、容器歯抜け時等の運転過度期に、充填液圧ヘッドの上限高さを一定に維持するように同流量調整弁を予め記憶している開度に自動的に設定するようにしてもよい（請求項３）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の流量制御式充填方法を適用する液体充填機の一構成例を図１〜図３により説明する。
図１は液体充填機を示す系統図、図２は図１の液体充填機の液体の流れ及び流量制御系を示すブロック図、図３は図２中の充填量制御の手順を示すブロック図である。
【００１６】
なおロータリー式充填機では、排出配管３９の下流側に接続した各充填ノズル５２を縦方向の回転軸を中心とする水平円周上に等間隔に配置し、同各充填ノズル５２が同回転軸を中心に１回転する間に、同各充填ノズル５２の回転移動に同調して同各充填ノズル５２の下方に給排される容器５０に液体を順番に充填するようになっている。
【００１７】
（第１実施形態）
図１の３２が大気に開放した充填液タンクで、同充填液タンク３２の内部を、上端部を堰３２Ｃ−１とする仕切板３２により、タンク内上流側３２Ａとタンク内下流側３２Ｂとに仕切って、同タンク内上流側３２Ａを供給配管３３を介して貯液タンク（図示せず）に連通し、同タンク内上流側３２Ａと同タンク内下流側３２Ｂとを同仕切板３２Ｃに設けた貫通孔により連通し、同タンク内下流側３２Ｂを排出配管３９に連通し、仕切板３２Ｃの貫通孔にポンプ３４を設け、同ポンプ３４を駆動するモータ３５を充填液タンク３２外に設置している。
【００１８】
液体（充填液）が貯液タンク（図示せず）→配管３３→流量調整弁３１→充填液タンク３２のタンク内上流側３２Ａへ供給される。
タンク内上流側３２Ａに設置したフロート３２から上方に延びた上部検知部材を液レベルセンサ３７、３８により検出し、そのとき得られた検出信号を制御装置６２→供給配管３３に設けた流量調整弁３１へ送り、供給流量を増減させて、タンク内上流側３２Ａの液レベルをポンプ３４の吸込口よりも高いレベルに制御する一方、液レベルセンサ３７、３８により得られた検出信号を制御装置６２→モータ３５へ送り、同モータ３５によりポンプ３４を駆動し、タンク内上流側３２Ａ内の液体をタンク内下流側３２Ｂへ絶えず送り込み、タンク内下流側３２Ｂ内の液体を仕切板３２Ｃの堰３２Ｃ−１からタンク内上流側３２Ａ内へ溢流させて、タンク内下流側３２Ｂの充填液圧ヘッドの上限高さを一定に維持する。
【００１９】
Ｑ_1Nをタンク内上流側３２Ａからタンク内下流側３２Ｂへのポンプ３４の流量、Ｑ_OUT をタンク内下流側３２Ｂから排出配管３９への排出流量とすれば、Ｑ_1N＞Ｑ_OUT の状態により、堰３２Ｃ−１からオーバフローする。
タンク内下流側３２Ｂの排出配管３９がロータリージョイント４５の固定部４５Ａに接続され、ロータリージョイント４５の回転部４５Ｂが充填機の回転部配管４７に接続され、ロータリージョイント４５には、スリップリング４６が設けられている。また上記排出配管３９には、流量調整弁４０が設けられている。この流量調整弁４０には、後述するように弁の開度を幾つかの決められた位置に設定する必要があるので、エンコーダ４１付きモータにより駆動される。
【００２０】
上記回転部配管４７は、円環状のチャンバ４８に接続され、同チャンバ４８には、各充填ノズル５２が縦方向の回転軸を中心とする水平円周上に等間隔に取付けられ、同各充填ノズル５２への分岐配管のそれぞれには、流量計４９と開閉弁５１とが設けられている。そして回転部には、制御ユニット６１が各充填ノズル５２の数と同数設けられ、それぞれが独立して各充填ノズル５２の流量計４９と開閉弁５１とを制御する。
【００２１】
図２、図３に示すように各充填ノズル５２が外部の決められた固定位置（充填開始位置）を通過する都度、通過信号が制御ユニット６１にインプットされ、制御ユニット６１は、上記通過信号により直ちに開閉弁５１を開く指令を発して、容器５０に液体が充填される。液体が容器５０に向かって流れると、流量計４９が流量（流速）を測定して、その結果を制御ユニット６１へ送り、制御ユニット６１では、流量（流速×管内断面積＝単位時間当たり流量）から規定充填量を充填する時間を算定して、算定時間が経過したときに、開閉弁５１に閉の指令を発する。
【００２２】
固定部材に取付けられている容器センサ５５は、搬送されてきた容器５０が充填ノズル５２の下方にセットされた直後に、容器５０の有無を制御ユニット６１に知らせるもので、容器センサ５５が容器有りの信号を伝えた場合には、制御ユニット６１の充填開始信号が開閉弁５１へ発信されるが、容器５０が無い場合には、制御ユニット６１の充填開始信号が開閉弁５１へ発信されない。
【００２３】
（第２実施形態）
各充填ノズル５２への分岐配管に設ける流量計４９に電磁流量計（分岐配管内の流れを遮るものが何もない電磁流量計）を使用すれば、液体（充填液）の流れ抵抗がなく、サニテーションが容易なので、飲料充填の場合、最適である。また各充填ノズル５２を開閉する開閉弁５１にダイヤフラム開閉弁を使用して、清浄エアで作動すれば、これも飲料充填の場合、最適であり、開閉の応答性も向上する。
【００２４】
（第３実施形態）
前記大気に開放した充填液タンク３２内の仕切板３２Ｃの上端部の堰３２Ｃ−１と各充填ノズル５２の先端部（下端部）との垂直距離が充填液圧ヘッドになり、各充填ノズル５２の先端部から流出する液体（充填液）の流速は、充填ノズル５２の先端部から充填液タンク３２内の液面（タンク内下流側３２Ｂの液面）までの高さと、充填液タンク３２（タンク内下流側３２Ｂ）から充填液ノズル５２までの配管内の流れ圧力損失とより、決定される。
【００２５】
ロータリー式充填機では、各充填ノズル５２が縦方向の回転軸を中心に１回転する間に、同各充填ノズル５２の回転移動に同調して同各充填ノズル５２の下方を回転移動する容器５０に液体が順番に充填される。
通常の運転時、排出配管３９→回転部配管４７→各充填ノズル５２に流れる液体（充填液）は、一定量であるが、始動の運転立ち上げ時、容器歯抜け時等の運転過度期には、液体（充填液）に流量変化があって、配管圧力損失が変化するので、流量計４９の測定流量値に誤差の生じる可能性がある。
【００２６】
この状態を改善するため、充填液タンク３２とロータリージョイント４５との間の排出配管３９に流量調整弁４０を設け、充填中の容器５０の数或いは充填機の回転速度に対応する流量調整弁４０の開度を、定常時の系内圧力損失と同レベルになるように予め算定まはた実験で決めておき、これを制御装置６２に記憶することにより、始動の運転立ち上げ時、容器歯抜け時等の運転過度期の流量調整弁４０の開度を自動的に設定して、充填液圧力を一定に揃え、流量計４９を通過する流速範囲を狭くして、測定値を安定させる。
【００２７】
固定部材に取付けられている容器センサ５５は、搬送されてきた容器５０が充填ノズル５２の下方にセットされた直後に、容器５０の有無を制御ユニット６１に知らせ、制御ユニット６１からの容器信号がスリップリング４６を経て制御装置６２へ送られ、充填機上にセットされた容器５０の数が制御装置６２によりカウントされ、同カウント数に対応して流量調整弁４０の開度が記憶されている算定値または実験値に自動的に設定される（図２参照）。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の流量制御式充填方法は前記のように貯液タンクの液体を供給配管を経て充填液タンクのタンク内上流側へ供給し、同タンク内上流側に設置した液レベルセンサからの検出信号を供給配管に設けた流量調整弁へ送り、同流量制御弁を制御して、同タンク内上流側の液レベルを適当な範囲に調整するとともに、同タンク内上流側の液体を仕切板に設けた貫通孔を経てタンク内下流側へ絶えず送り込んで仕切板上端部の堰からタンク内上流側へ溢流させることにより充填液圧ヘッドの上限高さを一定に維持する一方、各充填ノズルへの分岐配管のそれぞれに設けた流量計からの検出信号を制御ユニットへ送り、ここで容器に充填する液体の充填時間を算定して、その結果を各充填ノズルへの分岐配管のそれぞれに設けた開閉弁へ送り、同各開閉弁を開閉して、容器に一定量の液体を充填するので、容器内への液体の充填精度を向上できる。
【００２９】
その際、各充填ノズルへの分岐配管に設ける流量計に電磁流量計（分岐配管内の流れを遮るものが何もない電磁流量計）を使用すれば、液体（充填液）の流れ抵抗がなく、サニテーションが容易なので、飲料充填の場合、最適である。また各充填ノズルを開閉する開閉弁にダイヤフラム開閉弁を使用して、清浄エアで作動すれば、これも飲料充填の場合、最適であり、開閉の応答性も向上する。
【００３０】
また充填液タンクとロータリージョイントとの間の排出配管に流量調整弁を設け、充填中の容器の数或いは充填機の回転速度に対応する流量調整弁の開度を、定常時の系内圧力損失と同レベルになるように予め算定まはた実験で決めておき、これを制御装置に記憶することにより、始動の運転立ち上げ時、容器歯抜け時等の運転過度期の流量調整弁の開度を自動的に設定して、充填液圧力を一定に揃え、流量計を通過する流速範囲を狭くして、測定値を安定させるので、充填流量を増大させることがなくて、ロータリー式充填機でも、容器内への液体の充填精度を向上できる。
【００３１】
また充填液タンク（製品液タンク）を大気開放形にしているので、構造を簡単化できて、設備コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流量制御式充填方法に適用する液体充填機を示す系統図である。
【図２】同液体充填機の液体の流れ及び流量制御系を示すブロック図である。
【図３】図２中の充填量制御の手順を示すブロック図である。
【図４】従来の液体充填機を示す系統図である。
【図５】同液体充填機の制御装置の操作手順を示す説明図である。
【符号の説明】
３１ 流量調整弁
３２ 充填液タンク
３２Ａ タンク内上流側
３２Ｂ タンク内下流側
３２Ｃ 仕切板
３２Ｃ−１ 堰
３３ 供給配管
３４ ポンプ
３５ モータ
３６ フロート
３７、３８ 液レベルセンサ
３９ 排出配管
４０ 流量調整弁
４１ エンコーダ
４５ ロータリージョイント
４５Ａ ロータリージョイント４５の固定部
４５Ｂ ロータリージョイント４５の回転部
４７ 回転部配管
４８ チャンバー
４９ 流量計
５０ 容器
５１ 開閉弁
５２ 充填ノズル
６１ 制御ユニット
６２ 制御装置

Claims (3)

1. 貯液タンクに貯えた液体を配管を経て容器方向に導くとともに、同配管の途中に設けた開閉弁を開いて、液体圧により液体を容器内へ充填する液体の充填方法において、前記配管の途中に大気に開放し外部に固定された充填液タンクを設け、上端部を堰とする仕切板により同充填液タンクの内部をタンク内上流側とタンク内下流側とに仕切って、同タンク内上流側を前記貯液タンク側の供給配管に連通し、同タンク内上流側と同タンク内下流側とを同仕切板に設けた貫通孔により連通し、同タンク内下流側を排出配管に連通し、同排出配管の下流側に複数の充填ノズルを接続し、前記貯液タンクの液体を前記供給配管を経て前記充填液タンクのタンク内上流側へ供給し、同タンク内上流側に設置した液レベルセンサからの検出信号を前記供給配管に設けた流量調整弁へ送り、同流量制御弁を制御して、同タンク内上流側の液レベルを適当な範囲に調整するとともに、同タンク内上流側の液体を前記貫通孔を経て前記タンク内下流側へ絶えず送り込んで仕切板上端部の堰からタンク内上流側へ溢流させることにより充填液圧ヘッドの上限高さを一定に維持する一方、前記各充填ノズルへの分岐配管のそれぞれに設けた流量計からの検出信号を制御ユニットへ送り、ここで容器に充填する液体の充填時間を算定して、その結果を前記各充填ノズルへの分岐配管のそれぞれに設けた開閉弁へ送り、同各開閉弁を開閉して、容器に一定量の液体を充填することを特徴した流量制御式充填方法。
2. 前記各充填ノズル側排出配管のそれぞれに設けた流量計に電磁流量弁を使用し、前記各充填ノズル側排出配管のそれぞれに設けた開閉弁にダイアフラム開閉弁を使用した請求項１記載の流量制御式充填方法。
3. 前記排出配管の下流側に接続した各充填ノズルを縦方向の回転軸を中心とする水平円周上に等間隔に配置し、同各充填ノズルが同回転軸を中心に１回転する間に、同各充填ノズルの回転移動に同調して同各充填ノズルの下方を回転移動する容器に液体を順番に充填するときに、前記各充填バルブへの分岐配管と前記充填液タンクの下流側に接続した排出配管とをロータリージョイントにより接続し、同充填液タンクの下流側に接続した排出配管に流量調整弁を設け、始動の運転立ち上げ時、容器歯抜け時等の運転過度期に、充填液圧ヘッドの上限高さを一定に維持するように同流量調整弁を予め記憶している開度に自動的に設定する請求項１、２記載の流量制御式充填方法。

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