JP2014005052A - 液体充填用ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】充填ノズルのパイプ先端の内外周に付着した液体の液ダレを防止することが可能な液体充填用ノズルの提供を課題とした。
【解決手段】少なくとも、液体が流れるパイプ３とその流量を制御するため弁体７とオリフィス８からなる弁機構４とをパイプ内に備える充填ノズルであって、パイプ３先端部の内外周に周期的な微細溝構造９を備え、該溝構造９は、パイプの軸方向あるいはそれに直交する方向に伸在するか、もしくは格子状であることを特徴とする液体充填用ノズルである。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体を液体容器に充填するに当たり、流体の流れる流量、流速、方向、圧力等を制御するために使用する液体充填用ノズルに係り、特には充填ノズル待機時にノズル先端からする液ダレを防止する技術に関するものである。

ジュース、乳飲料、酒類等の飲料は、液体充填装置によりビンや紙製容器等の液体容器に所定量だけ充填される。この充填装置には種々の方式・変形があるが、いずれも供給タンクに収容された液体充填物（以下、単に液体と記すこともある。）を充填ノズル先端から容器内に吐出するものである。充填ノズルは、基本的には液体が流れるパイプ部と、液体の流量（吐出と遮断）もしくは流速等を制御するための弁機構等からなり、弁機構はパイプの先端近傍等所定の位置に備え付けられている。

供給タンクから充填ノズルへの充填物の送出については、重力を利用する場合もあるが、一般には何らかのピストン機構により充填物を圧送している。圧送の方が粘性の高い充填物や果肉等を含む非均一系充填物も充填が可能で、ピストン機構のストロークを調整することにより充填量の調整も容易であり、また圧送と弁開閉の同期も取りやすいため、充填物と液体容器双方に対する適応性が高い。

液体充填装置では、液体容器は、間欠的に充填ノズルの下部に配流され、充填ノズルから所定の時間だけ充填物が吐出・滴下される。所定量の充填が終われば、次の吐出まで充填ノズルは待機状態に入る。ノズル先端は、容器口部に挿入する場合もあれば、挿入されない場合もある。挿入する場合でも、浅い場合、深い場合、あるいは充填物液面に対応して移動する等多様な形態がある。

いずれにしても間欠的な液体充填では、一つの容器の充填終了後から次の容器の充填開始までの待機期間中に、充填ノズル先端部に付着した充填物が乾燥して固化したり、ノズルから垂れ落ちる液ダレが避けられない。半固形物については言うに及ばず、液ダレは、容器の口部周辺や外面あるいは搬送装置上に滴下してをこれらを汚損するという不具合が生じる。

液ダレ防止については、充填ノズルの内部構造を工夫して、充填終了時にノズル内を負圧にして、ノズル内外周に残存している充填物を吸引する技術が開示されている（特許文献１）。あるいは、ノズル先端内面部にメッシュ状のスクリーン（網）を設置し、これらの材質と形状を最適化することで、充填物とスクリーン間の摩擦力を大きくし、充填物をスクリーン中央に集めて液ダレを防止する技術が開示されている（特許文献２）。

さらに別の技術として、充填ノズルと充填ノズルが往復するパイプ状のノズルガイドを組み合わせる充填方式にし、待機時には、ノズルガイドと充填ノズルとの間にＯリングが配設されるようにして、ノズルガイド内に滞留した充填物が落下しないようにした技術がある（特許文献３）。

充填ノズルは、図１に示すようにパイプ３とパイプ内を通過する液体の流量等を制御する弁機構４（少なくとも弁体７及びオリフィス８を含む）からなるが、従来の液ダレ防止技術は、上記技術を含め、弁体７もしくはオリフィス８から上方に滞留している液体がパイプ３先端から下方に落下しないようにするための技術であって、弁体７もしくはオリフィス８から下方に延在するパイプ３の内周と端部に付着した液体の落下を防止するものではない。あるいは、パイプ３が液体容器の口部から内部に挿入されて液体中に浸る場合のようにパイプ３外周にも液体が付着する場合の液ダレを防止するものではない。
また、充填液体の物理的性状、周囲環境条件により常時状況が変化することで、パイプ内外周に液体が付着して液ダレが起こりトラブルとなっている。

特開平５−７７８９１号公報 特開２０１０−４２８７０号公報 特開平９−６６９０２号公報

そこで本発明は、充填ノズルのパイプ先端の内外周に付着した液体の液ダレを防止することが可能な液体充填用ノズルの提供を課題とした。

上記課題を達成するための請求項１に記載の発明は、少なくとも、液体が流れるパイプとその流量を制御するため弁体とオリフィスからなる弁機構とをパイプ内に備える充填ノズルであって、パイプ先端部の内外周に微細溝構造を備えることを特徴とする液体充填用ノズルとしたものである。

請求項２に記載の発明は、少なくとも、液体が流れるパイプとその流量を制御するため弁体とオリフィスからなる弁機構とをパイプ内に備える充填ノズルであって、パイプ先端部の内外周にパイプと同じ材質の微細な細線を所定の周期で巻きつけたことを特徴とする液体充填用ノズルとしたものである。

請求項３に記載の発明は、前記溝構造は、パイプの軸方向あるいはそれに直交する方向に伸在するか、もしくは格子状であることを特徴とする請求項１に記載の液体充填用ノズルとしたものである。

請求項４に記載の発明は、前記パイプ先端部表面及び微細細線の表面が、フッ素系ナノ粒子からなるコーティング層を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体充填用ノズルとしたものである。

請求項５に記載の発明は、前記溝構造は、幅Ｗが０．０１ｍｍ±０．００５ｍｍ、深さＤが０．０１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体充填用ノズルとしたものである。

請求項６に記載の発明は、前記溝構造は、削り出し加工、レーザー加工、サンドブラスト加工のいずれかの方法で形成されたことを特徴とする請求項５に記載の液体充填用ノズルとしたものである。

請求項１に記載の発明は、液体吐出口近辺のパイプの内外周や端面等の接液部に微細な溝構造層を設けたもので、この構成により接液する部位の水に対する撥水性を付与したものである。その結果、残存液体は、微細溝構造層上で滴状を呈し、パイプ表面からの液切れがよくなり液体付着量が低減するという効果がある。したがって、液ダレが防止される。

請求項２に記載の発明は、パイプの内外周に微細な細線を巻き付けることで溝構造層としたものである。請求項１と同様に、残存液体は、微細な溝構造層上で滴状を呈し、パイプ表面からの液切れがよくなり液体付着量が低減するという効果がある。したがって、液ダレが防止される。

請求項３に記載の発明は、微細な溝の形状を、ストライプ状と格子状に特定したもので効果は請求項１と同じである。

請求項４に記載の発明は、パイプ先端の微細な溝構造の表面に撥水性のフッ素系ナノ粒子層を備えたもので、液体のパイプ表面に対する接触角を一段と増大する効果を奏する。

請求項５はパイプ先端の微細な溝構造のスケールを特定したもので、溝の幅Ｗが０．０１ｍｍ±０．００５ｍｍ、深さＤが０．０１ｍｍ以上であれば、撥水性が効率的に発現するという効果がある。

請求項６に記載の発明は、パイプの上流側にパイプ先端部が上下左右のいずれかに振動するように振動機構を設けた充填用ノズルである。パイプ内外周及び弁の下側のフッ素系ナノ粒子層に付着した水滴を、充填終了時にパイプ等を振動させることで容器口部に振り落とすことができる。

充填ノズル先端の弁構造周辺の構造を模式的に説明する断面視の図である。 パイプ先端部に微細な溝（凹凸）構造を備えた充填ノズルの構造を説明する断面視の図である。 撥水性基板上の水滴の形態と接触角の具合を模式的に説明する断面視の図である。（ａ）平坦な基板上、（ｂ）凹凸のある基板上。 ランジュバン型超音波発生装置の構造を説明する断面視概観図である。 微細溝構造の一例を説明する上面視の図である。（ａ）パイプ方向に平行な溝、（ｂ）パイプ方向に直交する溝構造、（ｃ）格子状の溝構造。

液体充填用のノズルには、種々の形態があるが、基本的には図１に抽象的に示すように液体がそれを通過して液体容器の中に注ぎ込まれるパイプ３と流量を制御するためにパイプ３の途中に設置される弁機構４からなる。弁機構４は、少なくとも弁体７とオリフィス８から構成される。図１には、充填用の液体が収容されている供給タンク、弁体の駆動機構等は図示していない。

充填用ノズル１のパイプ３内部には、弁機構４以外にもその下流側に図示しない液体の流れ５の向きを揃える整流部やフィルターを備えることがある。弁機構４のオリフィス８の開口部も一つに限らず複数開口部に分けられる場合もあるし、複数の管状に形成される場合もある。オリフィス８を塞ぐ弁体７はパイプ３内を上下に移動するように描かれているが、パイプ３を横断するように開閉しても構わない。弁体７を駆動する駆動力としては機械的力学的であっても電磁気的であっても構わない。弁体７を使用せずにオリフィス８の開口径を自在に大小して流量を制御しても構わない。

本発明になる液体充填用ノズル１は、単に弁機構４から下流側のパイプ３やオリフィス８表面の表面状態に関わるものであり、上記の機構的詳細には依存しない。
以下、本発明を詳しく説明する。

液ダレをなくすためには、液体を所定量だけ容器に充填した後に、閉じた弁体７の下流
側の表面から下側の大気に接する弁機構４とパイプ３の内表面、パイプ３の端部及びパイプ３の外周部の接液する部分に充填用液体が付着していなければよい。液体も付着していなければ落ちようがない。これを達成するには接液する部位の液体付着量を大幅に低減する必要があるが、本発明では接液部に超撥水性（液体の基板に対する濡れ性が低い状態、すなわち接触角が９０°以上の状態である。）を付与して、充填液体を接液する表面から弾き落とすことでその後の液ダレ現象を抑制したものである。

超撥水性を実現する具体的手段として、図２に示すようにパイプ３先端からパイプ３内外周の一定の長さの接液する可能性のある部分に、微細な凹凸からな溝構造９を形成したものである。パイプ内周側の凹凸の配置についてはオリフィス８よりの下流側側面とオリフィス８の下面及びオリフィス８を塞ぐ弁体７の下流側に設けるのが好ましい。外周については、液体が付着する可能性のある高さ（Ｌ）まで設けられる。

超撥水層９とは、それに触れる液体の接触角が、概ね１２０°を越える角度となる層である。化合物系では、トリフルオロメチル基を有するフッ素系樹脂が接触角が１２０°程度でそれなりの撥水性能を呈するが、それよりも大きな接触角を示すものである。したがって、超撥水性皮膜上では水等の液体はより球状になる傾向が強く、自然に表面を転がるようになり下側に落ちやすくなる。

接触角の大きな表面をつくる方法として表面状態を平坦な状態から溝構造のような凹凸構造にして液体と表面の接触する面積を増大させる方法がある。このことを図３を用いて簡単に説明する。清浄で平坦な固体表面と液体が接触する接触角１３は、固体１２と空気間に働く張力をγ_Ｓ、固体１２と液体１１間に働く張力をγ_ＳＬ、液体１１と空気間に働く張力をγ_Ｌとすると接触角θは、式１のヤングの式で表される（図３（ａ）参照）。

ヤングの式は、固体表面が平坦の場合に成り立つと考えられるが、図３（ｂ）に示すように、表面を凹凸にして液体と固体表面の接触面積をｐ（＞１）倍にすると、式２が成り立つ。

これより、凹凸構造上の接触角θｐは、式３で与えられる。

上式は、０＜θ＜９０°のｃｏｓθが正の時、ｐが大きくなれば接触角θｐが小さくなる。θ＞９０°のｃｏｓθが負の時、ｐが大きくなれば接触角θｐが大きくなることを示している。すなわち、接触角１３が正の親水性表面であれば凹凸化によりますます親水性が増し、接触角１３が負の撥水性表面であれば、凹凸化によりますます撥水性が増すことを定性的に示している。弾く表面はより弾き、濡れる表面はより濡れることになる。

したがって、固体１２と液体１１が非常に多数の接触点でもって接触するようにできれば、接触角１３は最大で１８０°までは可能である。しかしながら、充填ノズルへの適用を考えると実際に製造できるは、溝構造以外では柱状構造や剣山構造である。この場合には、微細な凹凸が液体の進行を阻止する障壁となって凹凸を乗り越えられず通常より大きな接触角を呈すると解釈することができる（ピン止め効果）。

したがって、撥水性が増強されるには、凹凸がない平坦な状態で接触角が９０°以上の
撥水性が必要である（式３）。充填ノズルのパイプ３がそのような接触角を示さない場合には、パイプ３表面に、表面自由エネルギーの低い物質をコーティングしておく必要がある。そのような物質としてはとしては、飽和フルオロアルキル基（特にトリフルオロメチル基（−ＣＦ_３ ⁻）、アルキルシリル基、フルオロシリル基、長鎖アルキル基のような官能基を有する材料を挙げることができる。トリフルオロメチル基が平面状に規則正しく配列した表面と水との接触角は１２０°前後である。そこでトリフルオロメチル基を含む物質を、凹凸のあるパイプの内外周や弁体裏面にコーティングすれば、予め撥水性を付与しておくことができて、溝構造による撥水性の増強が期待できる。

そこで本発明では、図示しないフッ素系ナノ粒子のコーティング層を電着塗装法により溝構造表面に形成するのが好ましい。電着塗装法は、塗料と被塗物にそれぞれ違う極性の静電気を負わせ、水性塗料中に被塗物を入れて塗装する方法である。水性塗料中に浸漬した非塗物部分だけにしか塗膜が形成されない。一般的にアニオン系電着塗料とカチオン系
電着塗料の２種類があるが、電着塗料のほとんどは、カチオン電着塗料でありアニオン電着塗料はほとんど使用されていないが、カチオン系の方が防食性能が優れるからである。塗料は必ず水性塗料であり、原理としては水を電気分解したときに発生するアルカリ性を利用して中和反応で塗膜を形成するからである。

次に凹凸構造の実施態様のいくつかを説明する。
溝は、パイプ３外周についてはパイプ３先端から所定距離Ｌだけ敷設すればよい。Ｌは、概ね充填液体が吐出に際して付着する可能性のある範囲もしくは液体中に浸漬する距離である。内周については、オリフィス８から下流側のパイプ内壁である。オリフィス８と弁体７の下流側裏面に形成しても構わない。

パイプ３表面に凹凸を付与するための溝の伸在する方向は、パイプ３が延在する方向と同じにするのが簡明である（図５（ａ））。もちろん若干傾いても構わない。別の方向は、それに直交する円周方向に平行な方向である（図５（ｂ））。溝の幅Ｗが０．０１ｍｍ±０．００５ｍｍの範囲、深さＤが０．０１ｍｍ以上であればよい。ピッチは、０．０２ｍｍ±０．０１０ｍｍ程度である。溝を形成する代わりに、金属等の細線を上記程度の周期でパイプ表面に巻きつけても構わない。

さらに好ましい溝形状は、上記の２方向を組み合わせた格子状の溝構造である（図５（ｃ））。この方が、実効的な表面積が上記のストライプ構造より広く、撥水性がより効果的に発現する。パイプ表面が撥水性であれば、溝構造にすることで撥水性が強化されるが、パイプ表面が特に撥水性がないというような材料の場合には、パイプ表面にフッ素系樹脂をコーティングするとか本発明に係るフッ素系ナノ粒子のコーティング層を設けるのが好ましい。例えば、トリフルオロメチル基を含む平均粒子径が５〜１０ｎｍ程度のフッ素系ナノ粒子が好ましい。

弁体７やオリフィス８も金属製であればも同じようにして溝構造の形成ができる。フッ素系ナノ粒子の電着塗装については、パイプ等が非金属であれば、無電界めっき皮膜を形成するなどして形成ができる。パイプ先端に溝を形成する具体的な手段としては、周知の技術である削り出し加工、レーザー加工、サンドブラスト加工、エッチング加工等のいずれかの方法が適用できる。あるいはエンボス工法で表面に微細な突起を形成したフッ素系樹脂基板をパイプ側面に貼り付ける等の工法も可能である。

微細な凹凸構造を設けたパイプ３は、パイプ内外周に付着した液体は直ぐに流れ落ちて
しまうが、本発明は、更に水切りを良くするために超音波振動をパイプ３に加えて付着した液体を振り切る構造とした。ランジュバン型圧電素子２をパイプ３の上流側の適切な位置に装着した。超音波振動を加えるタイミングは、一つの容器に対する充填終了時（待機直前）、あるいは、もし容器と充填ノズルを引き離すのであれば、引き離すと同時か直前が好ましい。

ランジュバン型圧電素子２は、図４で示すように電圧を加えると伸びたり縮んだりするセラミックの一種であるピエゾ素子２３，２４二つと電極板２６，２７を、金属ブロックＡ２５と金属ブロックＢ２１で挟み込み、これらをボルト２２を用いて貫通するように強く締めこんだものである。このピエゾ素子２３、２４と及び金属ブロック２１，１５の間に駆動端子２７とアース端子２６を設け、この端子に交流電圧を加えると金属ブロックＡは高速振動する。従って金属ブロックＡの先端部分にたとえばナイフを装着しておけば非常に切れ味の良い超音波ナイフとして使えるし、パイプを接続すればパイプを振動させることができる。ピエゾ素子は、図４に示す形態のものに限らず様々な形態があり、組み合わせを工夫することで色々な振動を得ることが可能である。
金属ブロックの振動数は、２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの範囲、振幅は、振動数にもよるが、ピークツーピークで概ね７０μｍ程度まで可能である。

１、充填ノズル
２、振動機構
３、パイプ
４、弁機構
５、液体の流れ
６、パイプ吐出口
７、弁体
８、オリフィス（開口部）
９、溝構造（凹凸構造）
１０、弁の下流側に設けたフッ素系ナノ粒子層
１１、水滴（液滴）
１２、基板
１３、接触角（図では、＞９０°）
２１、金属ブロックＢ
２２、ボルト
２３、第二のピエゾ素子
２４、第一のピエゾ素子
２５、金属ブロックＡ
２６、アース端子
２７、駆動端子

Claims (6)

1. 少なくとも、液体が流れるパイプとその流量を制御するため弁体とオリフィスからなる弁機構とをパイプ内に備える充填ノズルであって、パイプ先端部の内外周に微細溝構造を備えることを特徴とする液体充填用ノズル。
2. 少なくとも、液体が流れるパイプとその流量を制御するため弁体とオリフィスからなる弁機構とをパイプ内に備える充填ノズルであって、パイプ先端部の内外周に、パイプと同じ材質の微細な細線を所定の周期で巻きつけたことを特徴とする液体充填用ノズル。
3. 前記溝構造は、パイプの軸方向あるいはそれに直交する方向に伸在するか、もしくは格子状であることを特徴とする請求項１に記載の液体充填用ノズル。
4. 前記パイプ先端部表面及び微細細線の表面が、フッ素系ナノ粒子からなるコーティング層を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体充填用ノズル。
5. 前記溝構造は、幅Ｗが０．０１ｍｍ±０．００５ｍｍ、深さＤが０．０１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体充填用ノズル。
6. 前記溝構造は、削り出し加工、レーザー加工、サンドブラスト加工のいずれかの方法で形成されたことを特徴とする請求項５に記載の液体充填用ノズル。