JP2015108449A - 磁気アクチュエータが設けられた弁 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気アクチュエータを有する安価で利便性のある弁を提供する。【解決手段】弁は磁気アクチュエータを有し、磁気アクチュエータには、軸に沿って延在するスリーブと、強磁性材料から作られスリーブの内面によって軸方向に案内される移動可能な芯と、スリーブの周囲の固定位置に配置される磁性固定子とが設けられ、固定子は強磁性材料から作られるハウジングと、スリーブの外面に面するコイルと、コイルと位置合わせされコイルの軸方向の両側に配置され互いに向き合う同一極を有する２つの磁石とを有し、弁は、栓部材に軸方向に面する弁座を有する導管を有し、栓部材は、芯の端部に対して同軸であり固定されて弁座を開閉し、芯は、少なくとも１つの通路を有して流体を芯内に流れさせ、より大きな直径の２つの端部を備える。【選択図】図４

Description

本発明は磁気アクチュエータが設けられた弁に関する。具体的には、本発明は液体、好適には炭酸清涼飲料で容器を充填するために流体の流れを制御するように設計された弁に関する。

周知のように、充填機において、容器は、各々の支持装置の上に配置され容器の口が各々の充填装置の下に位置する状態で、液体で充填される。充填装置は、充填チャンバーと、各々の容器の口から及び容器の口に向かって移動するように垂直方向に沿って移動可能な充填ヘッドとを実質的に備える。充填装置は、充填チャンバー内において、各々の容器の口への液体の流れを遮断するための閉位置と、充填チャンバーをこのような口に連通させそれによって液体を容器に流し込むことができる開位置との間で移動可能なストッパをさらに備える。

炭酸液の場合、具体的には炭酸清涼飲料の場合、充填される前に各々の容器は、いくつかの予備的なステップ、すなわち、空気が真空システムによって容器から吸い取られる第１の脱気ステップと、炭酸ガスが容器内に供給され残っている空気と混合させるフラッシングステップと、残留空気と炭酸ガスとの混合物が真空システムによって吸い取られる第２の脱気ステップと、炭酸ガスがガスラインから容器内に供給されて容器を所与の圧力に加圧する加圧ステップとを受ける。

加圧後、ストッパは容器を充填するように開位置に移動される。具体的には、充填は高流量充填ステップと、その後、低流量充填ステップとを含むことがある。このような充填ステップの間、炭酸ガスは各容器から漸進的に流れ出しガスラインに戻る。具体的には、制御ユニットが、プロセス及び／又は液体の種類に応じて設定された設定値に関して、供給される液体の圧力とガスライン内の圧力との間の圧力差を調整する。

容器を液体で充填した後、容器の口頚部の炭酸ガスは減圧されるので、液位の上の圧力が大気圧と等しくなる。

容器へ及び容器からの炭酸ガスの流れは弁ブロックによって制御され、弁ブロックには、具体的には３つのオンオフ弁が設けられている。これらの弁のうちの第１の弁によって容器が加圧され、第２の弁によって充填の間炭酸ガスがガスラインに戻され、第３の弁によって充填プロセスの終了時に容器が減圧される。

充填装置で通常使用される周知のオンオフ弁は機械式動力伝達装置を有し、動力伝達装置は、空気圧式アクチュエータによって定義されるアクチュエータからの運動を、弁座の開閉を行うように設計された膜によって定義される栓部材に伝達する。

これらの種類の弁にはいくつか欠点がある。第１に、機械式動力伝達装置の部品は摩耗に曝されるので寿命サイクルが比較的小さい。第２に、これらの部品はガスの流れと接触し、内部無菌環境と外部非滅菌環境との間の完全な分離が存在しない。また、栓部材の応答時間はかなり悪いので、充填の間のガスの流れの制御は所望通り正確でない。

このような欠点を解決するために、弁の無菌環境と接触する機械的接続部なしで、磁場の作用によって栓部材を遠隔で移動させることが好適である。この点に関して、米国特許第６２４６１３１号明細書は、請求項１のプリアンブルに相当し、磁気アクチュエータが設けられた弁を図１０に示している。アクチュエータは、円筒状スリーブと、円筒状スリーブ内で軸方向に移動可能な鉄芯と、円筒状スリーブの周囲に配置されるコイルとを有する。第１の永久磁石及び第２の永久磁石は、同一極が互いに向き合う状態で、コイルの両側に対称的に取り付けられる。磁性ガイドリングは、磁力の効果を強化するためにコイルと永久磁石との間で対称的に設けられる。

過渡的正又は負のインパルス電圧（およそ０．０１秒）を与えることによりコイル内の磁化方向は変化し、鉄芯を軸方向に移動させるように磁力が生成される。

この解決策では、ガスは導管内を流れ、導管は、磁気アクチュエータの一方の側に配置され、鉄芯の軸に対して横方向に延在する。弁座はサイドチャンバー内に配置され、栓部材によって閉じられ得、栓部材は、鉄芯の軸方向の端に固定されこのようなサイドチャンバー内に収納されている。この配置が理由で、可能な洗浄液が導管内に供給されて弁を洗浄するとき、容易に届かない箇所が弁に存在する。具体的には、これらの箇所は、鉄芯が摺動する空間によって形成される。したがって、この種類の弁は、いわゆるＣＩＰ及びＳＩＰプロセス（定置洗浄、定置減菌）によって洗浄及び／又は滅菌することができず、充填機で使用することができない。

また、鉄芯が円筒形なので、コイルが励磁されていないとき鉄芯の単一で一義的な静止位置が存在できず、軸方向の磁力がかなり小さくなり得ると思われる。

米国特許第６２４６１３１号明細書

本発明の目的は、前述した欠点に対する安価で利便性のある解決策を提供するように設計された磁気アクチュエータを有する弁を作ることである。

本発明によれば、請求項１に記載されている通りの、磁気アクチュエータを有する弁が提供される。

以下に、本発明の好適且つ非限定的な一実施形態を、添付図面を参照しながら一例として説明する。

本発明の教示による磁気アクチュエータが設けられた弁の好適な一実施形態を有する充填装置の略断面図である。 図１で示した弁の拡大斜視図である。 開動作の状態で配置された図２の弁の断面図である。 閉動作の状態で配置された図２の弁の断面図である。 図１から図４の弁の磁気アクチュエータを示す概略図である。

図１において、符号１は弁を示し、弁は、液体、具体的には炭酸清涼飲料で容器３を充填するための充填装置２の一部をなすように設計されている。

弁１以外では、充填装置２の要素は当技術分野において周知であるので、詳細に説明されない。具体的には、充填装置２は、ガス、具体的には炭酸ガスをガスライン５から容器３内に供給することによって容器３を所与の圧力に加圧するように、容器３を充填する前に加圧ステップを実施するように構成されている。充填装置２は液供給ライン６を備え、液供給ラインは、加圧ステップ後に、容器３に液体を供給するように開かれる。具体的には、充填は高流量充填ステップと、その後、低流量充填ステップとを含んでもよい。充填の間、炭酸ガスは容器３から漸進的に流れ出しガスライン５に戻る。具体的には、制御ユニット（図示せず）が、プロセス及び／又は液体の種類に応じて設定された設定値に関して、供給される液体の圧力とガスライン５内の圧力との間の圧力差を調整する。

容器３を充填した後、容器の口頚部の炭酸ガスは減圧されるので、液位の上の圧力が大気圧と等しくなる。

容器３へ及び容器３からの炭酸ガスの流れは弁ブロック８によって制御され、弁ブロックは、図１に示す好適な実施形態では、３つのオンオフ弁１を備える。弁１のうちの第１の弁によって容器３が加圧され、弁１のうちの第２の弁によって炭酸ガスがガスライン５に戻され、第３の弁によって充填プロセスの終了時に容器３が減圧される。

別の実施形態（図示せず）によれば、弁１は、オンオフ弁の代わりに調整又は比例弁として弁ブロック８において使用されて、具体的には、容器３に供給される液体の量を確認するように設計された流量計（図示せず）の測定値に応じてガスの流れを制御する。この場合、弁ブロック８は、３つの代わりに２つの弁１だけ備えることができ、及び／又は制御ユニットによって実施される制御は、前述したものと異なることができる。

ガスの流れを制御するための弁ブロック８における使用と組み合わせて、又はその代替として、弁１は、液供給ライン６に沿って配置されて、容器３に詰められる液体の流れを直接制御することができる。

図３及び図４に示すように、弁１は内部導管９を備え、導管は、直線軸１２に沿って延在し入口１３及び出口１４を端とする流路１１を備える。具体的には、入口１３及び出口１４は、外部に対する導管９の唯一の開口部である。好適には、入口１３及び出口１４は流路１１と同軸である。

流路１１は、軸１２に沿って一定であり好適には円形である断面を有する。流路１１は、スリーブ１８によって半径方向に画定される導管部分であり、スリーブは常磁性材料（例えば、鋼ＡＩＳＩ ３１６ Ｌ）から作られ、比較的小さい半径方向の厚さ、具体的には０．６ｍｍ未満の厚さを有する。具体的には、スリーブ１８は端部２１を有する管体２０の一部であり、端部は入口１３を形成し、流路１１より小さい内径を有する。管体２０は、好適には端部２１と反対側の軸方向の端に配置される外側フランジ又は外側突出部２２をさらに備える。

弁１は、磁気アクチュエータ２５を備え、次いで磁気アクチュエータは、スリーブ１８の周囲の固定位置に配置される磁性固定子２６と、強磁性材料から作られ流路１１内に収納されスリーブ１８の内面によって軸方向に案内される移動可能な芯２７とを備える。

図２に示すように、好適には、固定子２６は２つのプレート２８、２９の間で軸方向にクランプされ、プレートはボルト３０によって互いに固定される。プレート２８は軸方向の貫通孔３１を有し、管体２０に嵌め合わせられる。好適には、端部２１は貫通孔３１から軸方向に突き出る。

図３及び図４を参照すると、プレート２９は出口１４を形成し、フランジ２２によって軸方向に支えられているので、フランジは、プレート２９と固定子２６との間で軸方向にクランプされて、固定子２６は管体２０に対して固定されている。具体的には、環状ガスケット３３は、外部非滅菌環境に対する導管９の密閉を保証するように管体２０とプレート２９との間の結合部に設けられる。

図５で模式的に示すように、固定子２６は、強磁性材料から作られるハウジング３５とコイル３６とを備え、コイルは、スリーブ１８（図５には示さず）の周囲に配置され、芯２７に対して半径方向の空隙ができるだけ最も小さくなるようにスリーブ１８の外面に面する。固定子２６は２つの磁石３７、３８、具体的には永久磁石をさらに備え、磁石は、軸１２と平行方向にコイル３６と位置合わせされ、コイル３６の両側に、好適には対称位置に配置され、互いに向き合う同一極（Ｎ極又はＳ極）を有するので、それぞれの磁束は固定子２６において軸方向から見て反対方向に向けられる。

コイル３６はハウジング３５の座部に配置されるので、強磁性材料の２つの環状部４０は、磁束を案内するためにコイル３６と磁石３７、３８との間で軸方向に設けられる。好適には、強磁性材料の環状部４１は、磁石３７、３８の外側端部側にも軸方向に設けられる。

本発明の一態様によれば、芯２７は、流路１１の外径より小さい外径を有する中央部４２と、２つの反対側の端部又は両極４３、４４とを備え、端部又は両極は、流路１１の外径と実質的に等しい外径を有して、中央部４２に対して半径方向に外側に突き出し、スリーブ１８の内面によって軸方向に案内される。

また図３及び図４に示すように、本発明によれば、芯２７は１つ以上の通路４５を有して、流体を導管９に沿って自由に流れさせる。限定的ではないが好適には、通路４５は軸１２に平行である。具体的には、通路４５は、両方の端部４３、４４の中に作られ、軸１２を中心に間隔をあけて設けられた貫通孔によって形成される。

変形例によれば（図示せず）、通路４５は溝によって形成され、溝は、半径方向に端部４３、４４を画定しスリーブ１８と摺動自在に係合する側面に作られる。別の変形例によれば（図示せず）、通路４５の少なくとも一部は、軸１２に沿って、すなわち芯２７の中心に延在する。

図３及び図４に示した特定の実施形態によれば、端部４３、４４のそれぞれは、半径方向外側に先細になって、スリーブ１８の内面と摩擦係合する面積を低減し、芯２７の慣性を低減する。例えば、端部４３、４４のそれぞれは、錐台状表面４６によって軸方向に境界が定められる。

好適な一変形例によれば、端部４３、４４は、図５に模式的に示したように概ね円筒形を有する。

弁１は、前記導管９に沿って流路１１付近の位置に配置される弁座４８と、弁座４８と軸方向に向かい合う栓部材４９とを備える。好適な実施形態では、弁座４８はプレート２９によって形成され、流路１１を出口１４と連通させる。栓部材４９は、端部４４に対して同軸であり固定されて、弁座４８が開く開位置（図４）と弁座４８が閉じる閉位置との間で、コイル３６への給電に応答して芯２７とともに軸方向に摺動する。具体的には、ねじ結合部５０が設けられて、端部４４内に作られた軸方向の孔に栓部材４９を係合させる。

好適な一変形例（図示せず）によれば、芯２７は、軸１２に直交する中央面に対して対称形状を有する。

具体的には、ねじ結合部５０のねじ軸孔は栓部材４９内に作られ雄ねじと係合し、雄ねじは芯２７の一部であり、端部４４から軸方向に突き出す。芯２７は、他方の軸方向の端に別の雄ねじを有し、別の雄ねじは端部４３から軸方向に突き出し、別の雄ねじにはキャップが設けられる。キャップは比較的軟らかい材料で作られて、端部２１との起こり得る衝撃を吸収し、及び／又はキャップは先細の先端を端として、入口１３から入る流体を外側に偏向させる。

具体的には、コイル３６が励磁されていないとき、弁座４８は部分的に開いており、芯２７は、磁石３７、３８の位置に対して端部４３、４４の中央対称位置として定義される静止位置に配置される。

弁座４８を閉じる又は完全に開くためには、コイル３６はそれぞれ反対方向の電流で励磁される。

閉じている間、供給された電流は、端部４４の空隙内すなわち栓部材４９付近の磁束を増加させる。一方、磁石３７、３８の配置により、端部４３では空隙内の磁束が減少する。したがって、芯２７は弁座４８に向かって軸方向に向けられた磁力を受ける。

開位置に到達するためには、動作は前述したものと反対である（電流は、端部４３の空隙内の磁束を増加させるように供給される）。

場合により電流を消費せず芯２７を閉位置又は開位置に保持するためには、２つの変形例（図示せず）が考えられる。追加の磁石が適切な位置に設けられる、又は開位置が、単にコイル３６を非励磁にすることだけによって得られるように前述した静止位置に相当する。

本発明による弁１の利点は前述の説明から明らかである。スリーブ１８により、内部無菌環境を外部非滅菌環境から分離することができる。一方、磁気アクチュエータ２５は、弁座４８を開閉するとき、応答時間を小さくさせることができ、弁部品の摩耗を低減する。

一方、洗浄液が入口１３又は出口１４から供給されて弁１の内部を洗浄するとき、導管９内の芯２７の配置と、少なくとも１つの通路４５の提供とにより、洗浄液は容易に導管９の全ての箇所、具体的には芯２７の周囲に届く。一方、動作の間、ガス又は液体は入口１３から芯２７を通って出口１４に容易に流れることができる。

さらに、コイル３６が励磁されていないとき、芯２７及び栓部材４９は同一の静止位置に戻る。これは、芯２７内の突き出た端部４３、４４の存在により、静止位置が磁石３７、３８の間の中央位置として一義的に定義されるからである。

一方、コイル３６を励磁して芯２７を閉位置に保持するとき、閉じ力は、米国特許第６２４６１３１号明細書に開示された従来技術による解決策のものよりも高い。

また、管体２０の特定の構造要素及び／又はプレート２８、２９の提供によって、弁部品を速く容易に作り及び／又は組み立てることができる。加えて、対称的な芯２７により、栓部材４９は、軸方向の端部４３、４４のどちらにも取り付けることができる。

最後に、本明細書に記載し図示したように、添付特許請求の範囲に定義されている保護範囲から逸脱することなく、変更が弁１へなされてもよいことが明らかであろう。

具体的には、入口１３と出口１４との位置は交換することができ及び／又は図面に例として示したものとは異なることができ、並びに／或いは、固定子２６は、プレート２８、２９、ボルト３０、及びフランジ２２を使用せずにスリーブ１８に対して固定することができる。

調節システム（例として、シム）が設けられて、弁部品の組立ての間、流路１１内の芯２７の静止位置及び／又は弁座４８に対する閉じ力を変更するために、スリーブ１８に対する固定子２６の軸方向の位置を調節することができる。

最後に、既に説明したように、弁１は比例弁として使用でき、具体的には、栓部材４９と弁座４８との間の流体の通路面積を変更するために、コイル３６に供給される電流を調節することによって使用できる。

１ 弁
２ 充填装置
３ 容器
５ ガスライン
６ 液供給ライン
８ 弁ブロック
９ 導管
１１ 流路
１２ 軸
１３ 入口
１４ 出口
１８ スリーブ
２０ 管体
２１、４３、４４ 端部
２２ フランジ／外側突出部
２５ 磁気アクチュエータ
２６ 固定子
２７ 芯
２８、２９ プレート
３０ ボルト
３１ 貫通孔
３３ 環状ガスケット／封止手段
３５ ハウジング
３６ コイル
３７、３８ 磁石
４０、４１ 環状部
４２ 中央部
４５ 通路
４６ 錐台状表面
４８ 弁座
４９ 栓部材
５０ ねじ結合部

Claims (13)

1. ａ）軸（１２）に沿って延在するスリーブ（１８）と、
   ｂ）強磁性材料から作られ、中央部（４２）と前記スリーブ（１８）の内面によって軸方向に案内される２つの反対側の端部（４３、４４）とを備える移動可能な芯（２７）と、
   ｃ）前記スリーブ（１８）の周囲の固定位置に配置され、強磁性材料から作られるハウジング（３５）と、前記スリーブ（１８）の外面に面するコイル（３６）と、前記コイル（３６）と位置合わせされ前記コイル（３６）の軸方向の両側に配置され互いに向き合う同一極を有する２つの磁石（３７、３８）とを備える磁性固定子（２６）と、
   を備える磁気アクチュエータ（２５）と、
   弁座（４８）を有する導管（９）と、
   前記弁座（４８）に軸方向に面し、前記端部の１つ（４４）に対して同軸であり固定されて、前記弁座（４８）が開く開位置と前記弁座（４８）が閉じる閉位置との間で前記芯（２７）とともに軸方向に摺動する栓部材（４９）と、
   を備える弁（１）であって、
   前記芯（２７）が少なくとも１つの通路（４５）を有して、流体を前記芯（２７）内に流れさせること、及び前記端部（４３、４４）が前記中央部（４２）の外径よりも大きな外径を有することを特徴とする、弁。
2. 前記導管（９）が１つの入口（１３）と１つの出口（１４）を有して、前記少なくとも１つの通路（４５）が、前記流体を前記芯（２７）内に前記導管（９）に沿って流れさせることを特徴とする、請求項１に記載の弁。
3. 前記芯（２７）が、前記端部（４３、４４）の両方を貫通して作られ前記軸（１２）を中心に配置される複数の前記通路（４５）を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の弁。
4. 前記栓部材（４９）と反対側の軸方向の端において、前記芯（２７）には前記導管（９）の入口に向かって軸方向に先細になる先端が設けられることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の弁。
5. ボルト（３０）によって互いに接続されている２つのプレート（２８、２９）をさらに備え、前記固定子（２６）が前記プレート（２８、２９）の間で軸方向にクランプされることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の弁。
6. 前記固定子（２６）に対して同軸であり固定される少なくとも１つのプレート（２９）と、
   前記スリーブ（１８）、及び前記固定子（２６）と前記少なくとも１つのプレート（２９）との間で軸方向にクランプされる外側突出部（２２）を備える管体（２０）と、
   を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項の記載の弁。
7. 前記少なくとも１つのプレート（２９）が前記弁座（４８）を形成し、封止手段（３３）が前記管体（２０）と前記少なくとも１つのプレート（２９）との間の結合部に設けられることを特徴とする、請求項６に記載の弁。
8. 前記管体（２０）が前記導管（９）の入口又は出口（１３、１４）を形成することを特徴とする、請求項６又は７に記載の弁。
9. 前記少なくとも１つのプレート（２９）が前記導管（９）の入口又は出口（１３、１４）を形成し、封止手段（３３）が前記管体（２０）と前記少なくとも１つのプレート（２９）との間の結合部に設けられることを特徴とする、請求項６から８のいずれか一項に記載の弁。
10. 前記入口及び出口（１３、１４）が前記スリーブ（１８）と同軸であることを特徴とする、請求項２に記載の弁。
11. 請求項１から１０のいずれか一項の記載の少なくとも１つの弁（１）を備えることを特徴とする、容器（３）を液体で充填するための充填装置（２）。
12. 前記弁（１）が、容器（３）から及び／又は容器（３）へのガスの流れを制御するためにガスライン（５）に沿って配置される弁ブロック（８）の一部を形成することを特徴とする、請求項１１に記載の充填装置（２）。
13. 前記弁（１）が、容器（３）に詰められる液体の流れを制御するために液供給ライン（６）に沿って配置されることを特徴とする、請求項１１に記載の充填装置（２）。

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