JP2019094098A - 充填バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】口部が形成された筒状部、筒状部に繋がる拡径部、拡径部に繋がる胴部を備える容器に充填液を泡立たせずに充填する。【解決手段】充填バルブ１０の下部外殻部材２１に弁座として機能する外殻縮径部２１Ｂを設け、その下端部に容器Ｖの口部Ｖｍと当接するシール部材４４を設ける。弁体として機能する縮径部２４Ｂを設け、バルブロッド２４と外殻部材２０の内周面との間に液通路２６を形成する。バルブロッド２４を昇降しバルブを開閉する昇降機構２２Ａを設ける。バルブロッド２４の大径部２４Ｃに充填液に旋回力を付与するフィン４２と、下端部に下方に向けて徐々に広がるフレア部４０を設ける。バルブ開放状態では、フレア部４０が充填ノズルの下端部の流出口２１Ｄよりも下方に突出して容器Ｖの筒状部Ｖ１内に位置し、フィン４２で旋回された充填液Ｆの旋回流を容器の筒状部Ｖ１の内周面に案内する。【選択図】図２

Description

本発明は、上端に口部が形成された筒状部と、筒状部に繋がる拡径部と、拡径部に繋がる胴部とを備える容器に充填液を充填する充填バルブおよび充填方法に関する。

連続的に容器に充填液を充填する充填装置において、充填バルブから容器内へ急激に充填液を流し込むと、泡立ちが生じて容器の口部から充填液があふれ出ることがある。そのため、泡立ち易い炭酸飲料の充填では、排気のために容器内に挿入されるベントチューブの先端部の外周にスプレッダを設け、流れ落ちる炭酸飲料を径方向外側に拡散して容器の内面に沿って流すことで泡立ちを防止する充填バルブが知られている（特許文献１参照）。一方、泡立ち防止のためにスプレッダを設けずに、弁体の周囲に旋回流を発生させる螺旋状に傾斜した旋回羽根を設ける構成も知られている（特許文献２）。

特許第４００８５７４号公報 特公昭４９−０４０６７７号公報

特許文献１のようにスプレッダにより、容器の内面に沿って充填液を流すことで泡立ちを防止する構成では、容器内面の形状に合わせてスプレッダの位置や形状を設定しなければない。すなわち、特許文献１の構成では、容器の形状に応じてスプレッダの位置を調整したり、スプレッダまたはベントチューブを交換したりしなければならない。

一方、特許文献２の旋回羽根による旋回流を利用する構成では、容器に流入する充填液は、遠心力により容器の内面に沿って流れ落ちるようになるためスプレッダは不要であり、容器の形状に応じたスプレッダの位置の調整やスプレッダまたはベントチューブの交換を行わなくともよい。しかし、旋回羽根を用いる構成では充填バルブを開放した直後は旋回流が弱く、ビール瓶のような内径が緩やかに拡径する形状の容器であれば問題がないが、口部から胴部へ急激に拡径する形状の容器の場合、胴部内面にまで到るのに十分な遠心力が得られず、流入した充填液は容器の内面に沿うことなく落下して依然として泡立ちが発生する。

本発明は、上端に口部が形成された筒状部と、筒状部に繋がる拡径部と、拡径部に繋がる胴部とを備える容器に対して充填液を充填する場合において、容器の形状に拘わらず、簡単に充填液の泡立ちを防止することを課題としている。

本発明の第１の発明である充填バルブは、上端に口部が形成された筒状部と、前記筒状部に繋がる拡径部と、前記拡径部に繋がる胴部とを備える容器に対して、充填液を充填するための充填バルブにおいて、内部に弁座が形成されて下端部に充填液の流出口を備えた充填ノズルと、外周部に前記弁座に着座する弁体が形成されて前記充填ノズルの内周面との間に液通路を形成するバルブロッドと、前記バルブロッドを上下動させて前記弁体を開閉する駆動手段とを備え、前記バルブロッドには、外周部に前記液通路を流れる充填液に旋回力を付与する旋回フィンが設けられるとともに、下端部に下方に向けて広がる傾斜面が設けられ、前記弁体を開放した状態では、前記バルブロッドの下端部の前記傾斜面が前記充填ノズルの下端部の流出口よりも下方に突出して容器の前記筒状部内に位置し、前記旋回フィンで旋回された充填液の旋回流を、前記傾斜面によって容器の筒状部の内周面に案内することを特徴としている。

本発明の第２の発明である充填バルブは、第１の発明において、前記流出口の外周に容器の口部と当接する密封部材を備え、前記バルブロッドが中空管状のベントチューブであることを特徴としている。

本発明の第３の発明である充填方法は、上端に口部が形成された筒状部と、前記筒状部に繋がる拡径部と、前記拡径部に繋がる胴部とを備える容器に対して、充填液を充填する充填方法において、前記充填液に旋回力を付与して旋回流として前記容器の口部に流入させるとともに、前記筒状部内で前記旋回流を放射状に拡散させて、前記充填液を前記筒状部の内周面に沿って旋回させるようにして容器に充填することを特徴としている。

本発明によれば、上端に口部が形成された筒状部と、筒状部に繋がる拡径部と、拡径部に繋がる胴部とを備える容器に対して充填液を充填する場合において、容器の形状に拘わらず、簡単に充填液の泡立ちを防止できる充填バルブおよび充填方法を提供することができる。

本実施形態の充填バルブの構成を示す模式的な側断面図である。 充填状態を示す図１の充填バルブの先端部分近傍の拡大側断面図である。 旋回フィンと傾斜面を備える図１のバルブロッドの先端部近傍の拡大側面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態である充填バルブの構成を示す模式的な側断面図である。

本実施形態の充填バルブ１０は、例えば炭酸飲料などの泡立ち易い充填液Ｆを上端に口部Ｖｍが形成された筒状部Ｖ１と、筒状部Ｖ１に繋がる拡径部Ｖ２と、拡径部Ｖ２に繋がる胴部Ｖ３を備える容器Ｖに充填する充填バルブである。容器Ｖの例としては、例えば、ＰＥＴボトルなどの口部Ｖｍおよび筒状部Ｖ１の内径が、拡径部Ｖ２によって胴部Ｖ３の内径まで比較的急激に拡大する容器が挙げられる。また、充填時において容器Ｖは、筒状部Ｖ１の外周部に設けられたフランジＶｆ下をグリッパ１１によって把持され、保持される。

充填液Ｆは、貯液タンク１２に貯留される。貯液タンク１２内のヘッドスペースには、炭酸ガスが加圧されて封入される。なお、充填液Ｆが炭酸飲料の場合には炭酸ガスが用いられるが、炭酸を含まない飲料やその他の液体の場合は、特に加圧することなくヘッドスペースには空気が存在している。

貯液タンク１２の底部には充填液供給管１４が接続され、充填液供給管１４は、流量計１６を介して充填バルブ１０の充填液供給部１８に接続される。充填バルブ１０は、縦長中空構造の外殻部材２０と、外殻部材２０の内側に昇降自在に縦貫されるバルブロッド２４を備える。外殻部材２０は、充填ノズルとしての機能を果たす下部外殻部材２１と、充填バルブ１０の開閉駆動を担う上部外殻部材２２とから構成され、充填液供給部１８は下部外殻部材２１の上部側面に形成される。

充填液供給部１８よりも下側において、バルブロッド２４と下部外殻部材２１の間には、バルブロッド２４を取り囲むように充填液Ｆを流通させる上下に長い環状の液通路２６が形成される。バルブロッド２４の下端は、下部外殻部材２１の下端から下方に突出させている。

本実施形態においてバルブロッド２４は、中空構造を呈した管状部材からなり、充填時には容器Ｖ内からの排気を行うベントチューブとして構成される。下部外殻部材２１内に収容される部分のバルブロッド２４は、その下端部構成する細径部２４Ａと、その上方に位置する大径部２４Ｃと、大径部２４Ｃと細径部２４Ａを連絡する縮径部２４Ｂとを備える。下部外殻部材２１の内部には、バルブロッド２４の形状に合わせて液通路２６を構成する隙間が形成されるように、下端部側から外殻細径部２１Ａ、外殻縮径部２１Ｂ、および外殻大径部２１Ｃが形成され、外殻細径部２１Ａの下端開口が流出口２１Ｄとなっている。

バルブロッド２４は外殻部材２０内を昇降可能であり、縮径部２４Ｂは弁体、外殻縮径部２１Ｂは弁座の機能を果たす。すなわち、外殻細径部２１Ａの内径は、大径部２４Ｃの外径よりも小さく、バルブロッド２４が下降されると、縮径部２４Ｂは外殻縮径部２１Ｂに当接するとともに、大径部２４Ｃの下部から縮径部２４Ｂに亘る外周部に設けられた環状のシール部材２４Ｄが外殻縮径部２１Ｂに押接され、液通路２６は気密的に閉塞される。

バルブロッド２４の昇降は、上部外殻部材２２内に設けられた昇降機構２２Ａによって行われる。昇降機構２２Ａは、例えば、上部外殻部材２２内に形成されたシリンダ２２Ｂと、バルブロッド２４に設けられシリンダ２２Ｂに嵌合するピストン２４Ｅとから構成される。バルブロッド２４は、ピストン２４Ｅにより気密的に上下に隔てられたシリンダ２２Ｂ内の上下の空間に空気を出し入れすることにより駆動される。なお、シリンダ２２Ｂの上下の空間への空気の出し入れは、空圧源３０と接続された切換弁２８によって行われる。

なお、液通路２６をバルブロッド２４の駆動部から隔離するために、下部外殻部材２１内のバルブロッド２４の外周には、バルブロッド２４の周囲を覆い、バルブロッド２４の昇降に合わせて上下に伸縮する円筒状の蛇腹３２の下端部が気密的に装着され、蛇腹３２の上端部は上部外殻部材２２の下端に気密的に取り付けられる。すなわち、液通路２６は、蛇腹３２により、上部外殻部材２２とバルブロッド２４の摺動部から隔絶される。

バルブロッド２４内部に形成された中空部３４は、カウンタ弁３６を介して貯蔵タンク１２のヘッドスペースに連通可能であるとともにスニフト弁３８を介して外気に開放可能である。また、バルブロッド２４の下端部には、下方に向けて放射状に外側に広がるフレア部４０が設けられ、これにより細径部２４Ａの下端外周面に傾斜面４０ａが形成されるとともに、大径部２４Ｃにおいて縮径部２４Ｂ近くのシール部材２４Ｄより上方には、その外周部に螺旋状に形成されたフィン（旋回フィン）４２が複数設けられる。フィン４２の外周寸法は下部外殻部材２１の外殻大径部２１Ｃの内径に略等しく、大径部２４Ｃの外周面とフィン４２と外殻大径部２１Ｃの内周面とによって旋回流路を形成する。なお、下部外殻部材２１の下端部の流出口２１Ｄの外周には、充填時に容器Ｖの口部Ｖｍに押接され、容器Ｖの口部Ｖｍを密閉するリング状のシール部材４４が設けられる。

次に、図１〜図３を参照して、本実施形態の充填バルブ１０による充填液Ｆとしての炭酸飲料の充填動作について説明する。図２は、充填バルブ１０先端部近傍の拡大側断面図であり、容器Ｖが充填バルブ１０に当接され、バルブが開かれた状態が示される。図３は、バルブロッド２４先端部近傍の拡大側面図である。

図１において、バルブロッド２４は昇降機構２２Ａにより下降され、充填バルブ１０が閉じられた状態が示されており、図２は、充填バルブ１０により容器Ｖに充填液Ｆの充填が行われるときの状態、すなわち、容器Ｖの口部Ｖｍが充填バルブ１０の先端のシール部材４４に押し当てられるとともに、昇降機構２２Ａによりバルブロッド２４が持ち上げられ、縮径部２４Ｂが外殻縮径部２１Ｂから離接され、弁が開かれた状態が示されている。

弁が開かれた状態では、バルブロッド２４の先端のフレア部４０は、下部外殻部材２１の下端の流出口２１Ｄから突出し、容器Ｖの円筒部Ｖ１内に位置する。本実施形態において、フレア部４０の周縁部における径方向接線の細径部２４Ａの軸方向下向きに対する広がり角θは約６０°とされる。なお、フレア部４０の傾斜面４０ａが広がり始める上端の位置は、バルブロッド２４が充填時の弁体を開放した状態で、容器Ｖの口部Ｖｍの上端の位置とほぼ同じレベルとなるようにしている。

充填作業の開始直前において、充填バルブ１０は図１に示す閉じられた状態にある。すなわち、昇降機構２２Ａによりバルブロッド２４は下降され、液通路２６は、縮径部２４Ｂのシール部材２４Ｄが外殻縮径部２１Ｂに押接されて閉塞されている。

容器Ｖへの充填作業が開始されると、グリッパ１１が上昇され、図２に示すようにグリッパ１１に保持される容器Ｖの口部Ｖｍの上端が下部外殻部材２１の下端に設けられたシール部材４４に押し当てられ、容器Ｖ内が周囲の雰囲気に対して気密にされる。次に、スニフト弁３８が閉じられた状態でカウンタ弁３６が開かれ、容器Ｖはバルブロッド２４の中空部３４を通して貯液タンク１２のヘッドスペースへと連通される。カウンタ弁３６の開放により、容器Ｖの圧力が貯液タンク１２のヘッドスペースと同圧になると、切換弁２８が切り換えられ、昇降機構２２Ａによりバルブロッド２４が上昇され、充填バルブ１０は開かれた状態とされる。すなわち、弁体を構成する縮径部２４Ｂのシール部材２４Ｄが、弁座を構成する外殻縮径部２１Ｂから離接され液通路２６が開放される。

充填バルブ１０が開かれると、貯液タンク１２の充填液Ｆが充填液供給部１８から流入して液通路２６内を流れ始め、昇降機構２２Ａによりバルブロッド２４が上限まで上昇されると、バルブロッド２４の先端のフレア部４０は、図２に示すように傾斜面４０ａの上端が概ね流出口２１Ｄに差し掛かる位置に達する。液通路２６を流れ落ちる充填液Ｆには、フィン４２により形成された螺旋流路により、接線方向流速成分が与えられ、バルブロッド２４の縮径部２４Ｂの外周面と下部外殻部材２１の外殻縮径部２１Ｂの内周面との間に形成される液通路２６内を旋回しながら流れ落ちる。

充填液Ｆが充填バルブ１０の下端の流出口２１Ｄに達すると、旋回流の遠心力に加えフレア部４０の傾斜面４０ａの広がりにより、充填液Ｆは接線方向速度成分を有したままバルブロッド２４の中心から外側へ放射状に拡散され、容器Ｖの円筒部Ｖ１の内周面へと放出される。フィン４２により生成される旋回流による遠心力が弱い充填開始期間は、充填液Ｆの旋回作用とバルブロッド２４先端のフレア部４０の傾斜面４０ａの作用により筒状部Ｖ１の内周面に充填液Ｆを案内し、その後、旋回流が十分に発達すると旋回作用で生じる遠心力で充填液Ｆを案内する。

充填バルブ１０に供給される充填液Ｆの量は、流量計１６でモニタされ、充填液Ｆの容器Ｖへの供給量が所定量に達すると、切換弁２８を切り換えて昇降機構２２Ａを駆動し、バルブロッド２４を下降させて、縮径部２４Ｂのシール部材２４Ｄを外殻縮径部２１Ｂに当接させ、充填バルブ１０を閉じる。その後、カウンタ弁３６を閉じるとともにスニフト弁３８を開き、容器Ｖ内の圧力を大気圧とし、グリッパ１１により容器Ｖを下降させ、容器Ｖの口部Ｖｍを充填バルブ１０から開放する。

以上の説明は炭酸飲料充填時の充填バルブの動作説明であるが、炭酸飲料以外の充填液を充填するときには、常時カウンタ弁を開いた状態、かつスニフト弁を閉じた状態で上記充填動作を行う。

以上のように本実施形態によれば、上端に口部が形成された筒状部と、筒状部に繋がる拡径部と、拡径部に繋がる胴部とを備える容器に充填液を充填する際にも、フレア部を円筒部の内側に配置することだけで、旋回流の弱い充填作業開始時においても充填液がフレア部の存在により容器の円筒部の内周面に確りと案内され、充填液が落下して泡立ちが発生することを防止できる。

なお、ＰＥＴボトル等の容器では、筒状部の寸法は、ボトル全体の寸法や形状が変わっても大きく変わることはなく、一般的な口部の内径と筒状部の長さ（高さ）およびバルブロッドの外径寸法から、バルブロッドの突出量やフレア部の広がり角を決定すれば、複数種のＰＥＴボトルにおいてフレア部を共用して泡立ちを防止することができる。すなわち、筒状部の内周面に沿って充填液を旋回させるようにすると、遠心力の作用で充填液は拡径部に沿って拡大しながら旋回し、容器の内面に沿って流れ落ちるようになる。そして、本実施形態の構成によれば、従来のように容器に対してスプレッダの位置の調節やバルブロッドの交換をしなくともよく極めて簡略な構成で充填液の泡立ちを防止することができる。

なお、バルブロッドの下方外殻部材の下端からの突出量が少ない、および／または、フレア部の広がり角が大きく傾斜面の傾斜が緩いと、流路が狭まり充填効率が低下する。また、突出量が多く傾斜面が流出口から離れている、および／または、フレア部の広がり角が小さく傾斜面の傾斜がきついと、充填液が容器の筒状部の内周面に押し付けられる作用が小さくなる。そのため、６０°程度の傾斜面が流出口から形成されるようにして、流出口の外周縁（リング状のシール部材の内周縁）と傾斜面の間隙が、近づき過ぎず離れ過ぎないようにして、断面が環状の液通路の流路幅と近似するように配置する。

１０ 充填バルブ
１２ 貯液タンク
１６ 流量計
２０ 外殻部材
２１ 下部外殻部材
２１Ａ 外殻細径部
２１Ｂ 外殻縮径部（弁座）
２１Ｃ 外殻大径部
２１Ｄ 流出口
２２ 上部外殻部材
２２Ａ 昇降機構（駆動手段）
２２Ｂ シリンダ
２４ バルブロッド
２４Ａ 細径部
２４Ｂ 縮径部（弁体）
２４Ｃ 大径部
２４Ｄ シール部材
２４Ｅ ピストン
２６ 液通路
３２ 蛇腹
３４ 中空部
３６ カウンタ弁
３８ スニフト弁
４０ フレア部
４０ａ 傾斜面
４２ フィン（旋回フィン）
４４ シール部材（密封部材）
Ｆ 充填液
Ｖ 容器
Ｖｍ 口部
Ｖ１ 筒状部
Ｖ２ 拡径部
Ｖ３ 胴部

Claims (3)

1. 上端に口部が形成された筒状部と、前記筒状部に繋がる拡径部と、前記拡径部に繋がる胴部とを備える容器に対して、充填液を充填するための充填バルブにおいて、
   内部に弁座が形成されて下端部に充填液の流出口を備えた充填ノズルと、
   外周部に前記弁座に着座する弁体が形成されて前記充填ノズルの内周面との間に液通路を形成するバルブロッドと、
   前記バルブロッドを上下動させて前記弁体を開閉する駆動手段とを備え、
   前記バルブロッドには、外周部に前記液通路を流れる充填液に旋回力を付与する旋回フィンが設けられるとともに、下端部に下方に向けて広がる傾斜面が設けられ、
   前記弁体を開放した状態では、前記バルブロッドの下端部の前記傾斜面が前記充填ノズルの下端部の流出口よりも下方に突出して容器の前記筒状部内に位置し、
   前記旋回フィンで旋回された充填液の旋回流を、前記傾斜面によって容器の筒状部の内周面に案内することを特徴とする充填バルブ。
2. 前記流出口の外周に容器の口部と当接する密封部材を備え、前記バルブロッドが中空管状のベントチューブであることを特徴とする請求項１に記載の充填バルブ。
3. 上端に口部が形成された筒状部と、前記筒状部に繋がる拡径部と、前記拡径部に繋がる胴部とを備える容器に対して、充填液を充填する充填方法において、
   前記充填液に旋回力を付与して旋回流として前記容器の口部に流入させるとともに、
   前記筒状部内で前記旋回流を放射状に拡散させて、前記充填液を前記筒状部の内周面に沿って旋回させるようにして容器に充填することを特徴とする充填方法。

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