JP2005289379A - 粉体充填装置とその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ホッパー１０から排出される粉体の密度を均一化することで、安定した粉体の定量充填を実現する。
【解決手段】 ホッパー１０内に、少なくとも粉体出口１４の周辺領域に存在する粉体を浮遊懸濁化させる撹拌手段を設けた。撹拌手段は、ホッパー１０に挿入された粉体の内部で回転する下部撹拌部材４０と、ホッパー１０に挿入された粉体内であって下部撹拌部材４０の回転軌道よりも上方を回転し、粉体の旋回運動を抑制する上部撹拌部材５０とを含む。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ホッパー内に挿入された粉体を、オーガー軸の回転によって下方に排出し、包装袋に定量充填する構成を備えた粉体充填装置とその運転方法に関する。

従来の粉体充填装置にも、アジテータと称する撹拌部材をホッパー内に備えた構成のものは多数提案されている。しかしながら、従来のこの種の撹拌部材は、ホッパー内での粉体の滞留防止を目的として設置されており、ホッパーの内壁に沿って低速回転しながら当該内壁に付着する粉体を掻き落とす機能を有しているに過ぎなかった（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２１１７４７号公報

さて、ホッパー内に挿入される粉体は、嵩比重を均一に保つことが難しく、底部にいくほど堆積圧によって圧縮され嵩比重が大きくなる傾向がある。このため、従来は、粉体を包装袋に充填するたびに、その包装袋の重量を測定して、包装袋に充填される粉体の重量が一定に保たれるようオーガ軸の回転量をフィードバック制御するという複雑な運転制御が行われていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ホッパーから排出される粉体の密度を均一化することで、安定した粉体の定量充填を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、逆円錐形状の周壁を備え、内部に粉体が挿入されるとともに、底部に粉体出口が形成されたホッパーと、ホッパーの出口に連通するとともに、下端開口部が粉体排出口となっている粉体供給筒と、この粉体供給筒内に同軸状に配置されたオーガ軸とを備え、ホッパー内に挿入された粉体をオーガー軸の回転に伴い粉体供給筒を介して下方に排出する粉体充填装置において、
ホッパー内に、少なくとも粉体出口の周辺領域に存在する粉体を浮遊懸濁化させる撹拌手段を設けたことを特徴とする。

粉体出口の周辺領域に存在する粉体を撹拌手段によって浮遊懸濁化することで、粉体出口から排出される粉体の密度が均一化され、その結果、安定した粉体の定量充填を実現することができる。

ここで、粉体の浮遊懸濁化とは、粉体に空気を混入させることで粉体が液状化した状態をいう。この状態の粉体は、液体のような流動性を有し密度が均一となっている。

撹拌手段は、ホッパーに挿入された粉体の内部で回転する下部撹拌部材と、ホッパーに挿入された粉体内であって撹拌部の回転軌道よりも上方を回転し、粉体の旋回運動を抑制する上部撹拌部材とを含む構成とすることができる。

これら各撹拌部材を高速回転させることで、その撹拌作用により粉体と空気とが適度に混ざり合って、粉体が浮遊懸濁化（液状化）する。
ところで、下部撹拌部材による撹拌作用によって、ホッパー内の粉体は渦巻き状に旋回する。このため、渦巻きの外周部分がせり上がると同時に中心部分に窪みが現れる。このような渦巻き状態が形成されると、粉体内に余分な空気が混入し、粉体を適正に浮遊懸濁化できなくなるおそれがある。
そこで、下部撹拌部材による粉体撹拌領域の上方部分を上部撹拌部材で撹拌することにより、粉体の旋回運動を抑制し、粉体内への余分な空気の混入を防止することができる。

なお、粉体が浮遊懸濁化する各撹拌部材の回転数は、粉体の性状やホッパーの容積、各撹拌部材の形状寸法等、種々の要因によって異なり、早すぎても遅すぎても粉体が浮遊懸濁化しないことが、本発明者らの実験によって明らかにされている。そこで、各撹拌部材の回転数は、ホッパー内に挿入された粉体の性状に応じて、当該粉体が浮遊懸濁化するように適宜調節することが好ましい。

下部撹拌部材は、ホッパーの逆円錐形状をした内周面に沿って斜め上下方向に配置された棒状または板状の下部撹拌部を有していることが好ましい。さらに、下部撹拌部は、ホッパーの逆円錐形状をした内周面に対し、上端から下端に向かって徐々に接近する配置とすることが好ましい。

下部撹拌部をホッパーの内周面に沿って配置することで、ホッパー内での粉体の滞留をなくし効率的に撹拌することができる。さらに、下部撹拌部をホッパーの内周面に対し、上端から下端に向かって徐々に接近させることで、下部撹拌部とホッパーの内周面に挟まれた粉体を自重をもって下方に緩やかに移動させて、浮遊懸濁化した粉体と合流させることができるので、粉体のホッパー内周面への付着を抑制することができる。

また、上部撹拌部材は、例えば、撹拌部材の回転軸を中心に、撹拌部から略１８０度隔てた位置に設けられ、下部撹拌部材と一体に回転するとともに、下部撹拌部材の回転に伴う粉体の旋回運動をかき消す棒状または板状の部材で構成することができる。

次に、粉粒体充填装置の運転方法に係る本発明は、逆円錐形状の周壁を備え、内部に粉体が挿入されるとともに、底部に粉体出口が形成されたホッパーと、ホッパーの出口に連通するとともに、下端開口部が粉体排出口となっている粉体供給筒と、この粉体供給筒内に同軸状に配置されたオーガ軸と、ホッパー内で回転して粉体を撹拌する撹拌部材とを備えた粉体充填装置の運転方法であって、
撹拌部材を高速回転して、ホッパー内の少なくとも粉体出口の周辺領域に存在する粉体を浮遊懸濁化する撹拌ステップと、
オーガー軸を回転駆動して、浮遊懸濁化した状態の粉体を粉体供給筒に導き、当該粉体供給筒の下端開口部から排出する供給ステップと、を含むことを特徴とする。

かかる運転方法の発明は、請求項１乃至６に記載された粉体充填装置の運転方法として好適である。

ここで、撹拌ステップでは、ホッパー内に挿入された粉体の性状に応じて、当該粉体が浮遊懸濁化するように撹拌部材の回転速度を調節することが好ましい。
すなわち、粉体は、撹拌部材をやみくもに高速回転するだけでは浮遊懸濁化しない。そこで、粉体が浮遊懸濁化する撹拌部材の回転速度は、性状の異なる粉体ごとにあらかじめそのデータを取得しておき、その回転速度をもって撹拌部材を運転することが好ましい。

以上説明したように、粉体出口の周辺領域に存在する粉体を撹拌手段によって浮遊懸濁化することで、粉体出口から排出される粉体の密度が均一化され、その結果、安定した粉体の定量充填を実現することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る粉体充填装置の全体構造を簡略化して示す正面断面図である。

図に示す粉体充填装置は、ホッパー１０、粉体供給筒２０、オーガ軸３０、下部撹拌部材４０、および上部撹拌部材５０を備えている。
ホッパー１０は、逆円錐状の周壁１１を有した中空のタンクであり、装置本体１に固定されている。ホッパー１０には、上面の粉体挿入口１２から粉体が挿入される。また、ホッパー１０の上面には、ホッパー１０内に挿入された粉体の高さを検出する粉面レベルセンサ１３が設けられている。さらに、ホッパー１０の底部には粉体出口１４が開口している。

粉体供給筒２０は、ファネルチューブとも称され、ホッパー１０の中心軸上に配設されるとともに、上端開口部がホッパー１０の粉体出口１４と連通している。粉体供給筒２０の下端開口部は、粉体排出口２１となっている。粉体供給筒２０の下方には、図示しないが包装袋の搬送経路が設置してあり、この搬送経路に沿って送られてきた包装袋が、粉体排出口２１の直下に配置される。

オーガ軸３０は、オーガ回転駆動軸３１の下端に連結されており、オーガ回転駆動軸３１と一体に回転駆動される。オーガ回転駆動軸３１は、装置本体１に設けられた軸受によって回転自在に支持されており、オーガ駆動モータ３２によって回転駆動される。オーガ駆動モータ３２には、高精度な回転制御を実現できるサーボモータを利用することが好ましい。

オーガ軸３０は、粉体供給筒２０の中心軸上に配置され、周面にはスクリュー羽根が形成されている。オーガ駆動モータ３２からの駆動力によりオーガ軸３０が回転すると、ホッパー１０から粉体供給筒２０内に流入した粉体が、スクリュー羽根によって下方へ運ばれていき、粉体排出口２１から排出される。粉体排出口２１から排出された粉体は、その直下に配置されている包装袋に充填される。

下部撹拌部材４０は、オーガ回転駆動軸３１と同軸状に設けられた撹拌回転駆動軸４１の下端部に装着してあり、撹拌回転駆動軸４１と一体に高速回転して、ホッパー１０内の粉体を浮遊懸濁化する。撹拌回転駆動軸４１は、装置本体１に設けられた軸受によって回転自在に支持されており、撹拌駆動モータ４２によって回転駆動される。また、撹拌回転駆動軸４１には、上部撹拌部材５０も併せて装着されている。この撹拌駆動モータ４２も、オーガ駆動モータ３２と同様、高精度な回転制御を実現できるサーボモータを利用することが好ましい。

図２は、これら各撹拌部材の装着部分を示す拡大断面図である。
下部撹拌部材４０は、基部４０ａが撹拌回転駆動軸４１に固定されている。基部４０ａからは、ホッパー１０の外径方向に基部が延出しており、さらにアーム４０ｂの先端から斜め下方に屈曲して下部撹拌部４０ｃが形成してある。この下部撹拌部４０ｃは、ホッパー１０の内周面に沿ってその近傍に配置され、ホッパー１０の底部に形成した粉体出口１４の斜め上方付近を周回するように位置決めされている。

下部撹拌部４０ｃは、板状であって回転方向に対して平面が傾斜しており、この傾斜した平面部分で粉体を撹拌する。下部撹拌部４０ｃによる粉体の撹拌領域は、ホッパー１０の底部に形成した粉体出口１４の上方周辺領域である。
撹拌駆動モータ４２の駆動力によって下部撹拌部４０ｃが高速回転すると、下部撹拌部４０ｃの撹拌作用によって粉体と空気とが適度に混ざり合って、粉体が浮遊懸濁化する。浮遊懸濁化した粉体は、流動性に富み均一な密度となる。

また、下部撹拌部４０ｃは、ホッパー１０の内周面に対し、上端から下端に向かって徐々に接近するように傾き角αが設定してある。下部撹拌部４０ｃの稜線をホッパー１０の内周面と平行に配置することもできるが、その場合、下部撹拌部４０ｃとホッパー１０の内周面との隙間が僅かであると、その隙間に入り込んだ粉体が下部撹拌部４０ｃの高速回転に伴いホッパー１０の内周面に押し付けられて、当該内周面に薄膜状に付着してしまうおそれがある。これに対し、上記の傾き角αを設定した場合には、下部撹拌部４０ｃとホッパー１０の内周面との隙間に入り込んだ粉体が、自重により下方に移動して粉体出口１４へと導かれるようになり、ホッパー１０の内周面に粉体が付着する弊害を抑制することが可能となる。

下部撹拌部４０ｃが高速回転すると、ホッパー１０内の粉体は渦巻き状に旋回する。このため、渦巻きの外周部分がせり上がると同時に中心部分に窪みが現れる。このような渦巻き状態が形成されると、粉体内に余分な空気が混入し、粉体を適正に浮遊混濁化できなくなるおそれがある。
そこで、下部撹拌部材４０による粉体撹拌領域の上方部分を上部撹拌部材５０で撹拌することにより、粉体の旋回運動を抑制し、粉体内への余分な空気の混入を防止している。

下部撹拌部材４０と上部撹拌部材５０とにより、ホッパー１０に蓄えられた粉体内に撹拌領域が形成される。この撹拌領域内の粉体は、ホッパー１０内の蓄粉レベルによる堆積圧に影響されない安定嵩密度粉体（浮遊懸濁化粉体）に変化しており、よって蓄粉レベルに関係なく一定嵩密度の粉体を排出することができる。

上部撹拌部材５０は、基部５０ａが撹拌回転駆動軸４１に固定されている。基部５０ａからは、ホッパー１０の外径方向にアーム５０ｂが延出しており、さらにアーム５０ｂの先端から斜め下方に屈曲して板状の上部撹拌部５０ｃが形成してある。上部撹拌部材５０は、ホッパー１０内に挿入される粉体の内部であって、かつ下部撹拌部材４０に形成した下部撹拌部４０ｃが回転する軌道よりも上方に配置してあり、この位置で粉体の旋回運動を抑制している。

上部撹拌部材５０の上部撹拌部５０ｃは、板状であって回転方向に対して平面が傾斜している。この平面部分の傾きは、回転方向に対し下部撹拌部材４０の下部撹拌部４０ｃと逆向きとなっている。そのため、撹拌回転駆動軸４１の回転に伴い、下部撹拌部材４０の下部撹拌部４０ｃが粉体を撹拌するとともに、上部撹拌部材５０の上部撹拌部５０ｃが、粉体の旋回運動を抑制する。

上部撹拌部材５０は、撹拌回転駆動軸４１を中心に、下部撹拌部４０ｃから略１８０°隔てた位置に固定されている。これにより、撹拌回転駆動軸４１が半周するごとに粉体の撹拌と旋回抑制とが交互に繰り返されるので、各作用の干渉が少なく効率的に粉体の撹拌と旋回抑制とが行われる。

なお、必要に応じて、下部撹拌部材４０と上部撹拌部材５０との設置角度を１８０゜以外の任意の角度に設定することもできる。また、本実施形態では、下部撹拌部材４０と上部撹拌部材５０と各一本ずつ設けたが、いずれか一方または双方を複数本設けることもできる。さらに、本実施形態では、下部撹拌部材４０および上部撹拌部材５０を、オーガ軸３０と別の回転駆動軸に固定したが、これらの部材をオーガ軸３０とともにオーガ回転駆動軸３１に固定し、オーガ駆動モータ３２によってオーガ軸３０と一体に回転させることもできる。

次に、上述した粉体充填装置の運転方法について説明する。
まず、撹拌駆動モータ４２を駆動して下部撹拌部材４０と上部撹拌部材５０とを高速回転する（撹拌ステップ）。ここで、各撹拌部材４０，５０の回転速度は、ホッパー１０に挿入された粉体に応じて、当該粉体が浮遊懸濁化する回転速度に設定する。粉体が浮遊懸濁化する回転速度は、粉体の性状等により異なる。そこで、粉体が浮遊懸濁化する適正な回転速度は、あらかじめ実験を実施してそのデータを取得しておくことが好ましい。

高速回転する下部撹拌部材４０によって、ホッパー１０の底部に設けた粉体出口１４の上方周辺領域に存在する粉体は浮遊懸濁化している。次いで、オーガ軸３０を回転駆動し、浮遊懸濁化した状態の粉体を粉体出口１４から粉体供給筒２０へ導き、当該粉体供給筒２０の下端開口部から排出する（供給ステップ）。
このように排出されてきた粉体は、浮遊懸濁化により均一な密度に保たれている。したがって、包装袋への安定した粉体の定量充填を実現することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、撹拌手段を下部撹拌部材と上部撹拌部材とで構成したが、ホッパー内の粉体を浮遊懸濁化させる構成であれば、かかる構成に限定されるものではない。

図３乃至図４は撹拌部材の回転数に対する粉体充填重量のばらつきを測定した結果を示すグラフである。測定は、数週間放置した粉体Ａを図５（ａ）に示す構成のオーガ軸を回転させることにより行った。オーガ軸には、図２に示した形状の上部撹拌部材と下部撹拌部材を装着し、オーガ軸と一体に各撹拌部材を高速回転させた。なお、サンプルに用いた粉体Ａは、水分２８％の小麦粉である。

図３（ａ）は、各撹拌部材の最大回転数を８００ｒｐｍに設定したときの充填重量のばらつきを示している。また、同図（ｂ）は各撹拌部材の最大回転数を１０００ｒｐｍに設定したときの充填重量のばらつきを示している。そして、図４（ａ）は、各撹拌部材の最大回転数を１２００ｒｐｍに設定したときの充填重量のばらつきを示している。さらに、同図（ｂ）は各撹拌部材の最大回転数を１４００ｒｐｍに設定したときの充填重量のばらつきを示している。

図５（ｂ）はこれらのデータの分析結果を示す表である。同図に示すとおり、サンプルに使用した粉体Ａについては、各撹拌部材の最大回転数を１２００回転に設定したとき、充填重量のばらつきがもっとも小さかった。

次に、図６は上部撹拌部材の有無による充填重量のばらつきを測定した結果を示すグラフである。測定は、同一測定条件のもとで実施した。図６（ａ）は上部撹拌部材を取り外し、下部撹拌部材のみで粉体を撹拌したときの充填重量のばらつきを示している。一方、図６（ｂ）は上部撹拌部材と下部撹拌部材の双方を取り付けて粉体を撹拌したときの充填重量のばらつきを示している。

図７は、これら各データの分析結果を示す表である。同図に示すとおり、各撹拌部材を装着したときの方が、上部撹拌部材を取り外したときよりも格段に充填重量のばらつきが少ないという結果が現れた。

図８は各撹拌部材を装着したオーガ軸の駆動時間に対する負荷トルクの変化を測定した結果を示すグラフである。同図（ａ）はオーガ軸に上部撹拌部材と下部撹拌部材とを装着してホッパー内の粉体を撹拌したときのデータであり、同図（ｂ）はオーガ軸に下部撹拌部材のみ装着してホッパー内の粉体を撹拌したときのデータである。
同図（ａ）に示されるように、各撹拌部材を装着した場合はオーガ軸の負荷トルクが短時間で減少に転じていることがわかる。負荷トルクの減少は、粉体が浮遊懸濁化の状態となって流動性が高められた結果と推測される。一方、同図（ｂ）に示されるように、下部撹拌部材のみでは、オーガ軸の負荷トルクが減少に転じる時間が遅い。
このため、一定の駆動時間Ｔ内で、各撹拌部材を装着した場合に粉体が浮遊懸濁化している時間をＴ１、下部撹拌部材のみを装着した場合に粉体が浮遊懸濁化している時間をＴ２としたとき、Ｔ１−Ｔ２だけ各撹拌部材を装着した場合の方が粉体の浮遊懸濁化時間が長くなる。

本発明の実施形態に係る粉体充填装置の全体構造を簡略化して示す正面断面図である。 各撹拌部材の装着部分を示す拡大断面図である。 撹拌部材の回転数に対する粉体充填重量のばらつきを測定した結果を示すグラフである。 図３と同様、撹拌部材の回転数に対する粉体充填重量のばらつきを測定した結果を示すグラフである。 （ａ）は撹拌部材の回転数に対する粉体充填重量のばらつきを測定した際の測定条件を示す表である。（ｂ）は撹拌部材の回転数に対する粉体充填重量のばらつきデータの分析結果を示す表である。 上部撹拌部材の有無による充填重量のばらつきを測定した結果を示すグラフである。 上部撹拌部材の有無による充填重量のばらつきデータの分析結果を示す表である。 各撹拌部材を装着したオーガ軸の駆動時間に対する負荷トルクの変化を測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１：装置本体、１０：ホッパー、１１：周壁、１２：粉体挿入口、１３：粉面レベルセンサ、１４：粉体出口、２０：粉体供給筒、２１：粉体排出口、３０：オーガ軸、３１：オーガ回転駆動軸、３２：オーガ駆動モータ、４０：下部撹拌部材、４０ａ：基部、４０ｂ：アーム、４０ｃ：下部撹拌部、４１：撹拌回転駆動軸、４２：撹拌駆動モータ、５０：上部撹拌部材、５０ａ：基部、５０ｂ：アーム、５０ｃ：上部撹拌部

Claims (7)

1. 逆円錐形状の周壁を備え、内部に粉体が挿入されるとともに、底部に粉体出口が形成されたホッパーと、前記ホッパーの出口に連通するとともに、下端開口部が粉体排出口となっている粉体供給筒と、この粉体供給筒内に同軸状に配置されたオーガ軸とを備え、前記ホッパー内に挿入された粉体を前記オーガー軸の回転に伴い前記粉体供給筒を介して下方に排出する粉体充填装置において、
   前記ホッパー内に、少なくとも前記粉体出口の周辺領域に存在する粉体を浮遊懸濁化させる撹拌手段を設けたことを特徴とする粉体充填装置。
2. 前記撹拌手段は、前記ホッパーに挿入された粉体の内部で回転する下部撹拌部材と、前記ホッパーに挿入された粉体内であって前記下部撹拌部材の回転軌道よりも上方を回転し、粉体の旋回運動を抑制する上部撹拌部材とを含むことを特徴とする請求項１の粉体充填装置。
3. 前記下部撹拌部材は、前記ホッパーの逆円錐形状をした内周面に沿って斜め上下方向に配置された棒状または板状の下部撹拌部を有することを特徴とする請求項２の粉体充填装置。
4. 前記下部撹拌部は、前記ホッパーの逆円錐形状をした内周面に対し、上端から下端に向かって徐々に接近する配置としてあることを特徴とする請求項３の粉体充填装置。
5. 前記上部撹拌部材は、前記撹拌部材の回転軸を中心に、前記下部撹拌部から略１８０度隔てた位置に設けられ、前記下部撹拌部材と一体に回転するとともに、前記下部撹拌部材の回転に伴う粉体の旋回運動をかき消す棒状または板状の部材であることを特徴とする請求項４の粉体充填装置。
6. 逆円錐形状の周壁を備え、内部に粉体が挿入されるとともに、底部に粉体出口が形成されたホッパーと、前記ホッパーの出口に連通するとともに、下端開口部が粉体排出口となっている粉体供給筒と、この粉体供給筒内に同軸状に配置されたオーガ軸と、前記ホッパー内で回転して粉体を撹拌する撹拌部材とを備えた粉体充填装置の運転方法であって、
   前記撹拌部材を高速回転して、前記ホッパー内の少なくとも前記粉体出口の周辺領域に存在する粉体を浮遊懸濁化する撹拌ステップと、
   前記オーガー軸を回転駆動して、前記浮遊懸濁化した状態の粉体を前記粉体供給筒に導き、当該粉体供給筒の下端開口部から排出する供給ステップと、を含む運転方法。
7. 前記撹拌ステップでは、前記ホッパー内に挿入された粉体の性状に応じて、当該粉体が浮遊懸濁化するように前記撹拌部材の回転速度を調節することを特徴とする請求項６の運転方法。
   

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