JP2020019525A - 加圧製品の製造方法および加圧剤充填装置 - Google Patents

Abstract

【課題】肉厚が薄いボトルを採用しうる加圧製品の製造方法を提供する。【解決手段】ボトル２０の容器本体４１の口部に蓋体４０を隙間をあけて配置し、カップ状の充填具１３を本体４１と蓋体４０に被せ、充填具１３の下端の環状のシール材２９を容器本体４１の肩部３２に当接させ、充填具１３内に加圧剤Ｃを導入し、容器本体４１の口部と蓋体４０の隙間を通して加圧剤Ｃをボトル２０内に充填し、充填の際にボトル２０内の内圧の上昇に伴ってシール材２９と肩部３２の当接圧を上昇させ、ついで前記ボトルの容器本体４１を蓋体４０によって気密に閉じる加圧製品の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明はアンダーカップ充填を用いた加圧製品の製造方法およびその製造方法に用いる加圧剤充填装置に関する。

特許文献１には、外側容器と、その中に収容される可撓性を有する内側容器と、内側容器の上端に設けられるバルブを保持し、それ自体は外側容器に取り付けられて封止する取付スリーブ（蓋体）を備えた二重加圧容器が開示されている。そしてこの二重加圧容器の加圧ガスの充填方法として、取付スリーブと外側容器の間から外側容器と内側容器の間の空間に加圧ガスを充填し、その後、取付スリーブの周囲を外側容器に超音波溶着するという、アンダーカップ充填と超音波溶着を組み合わせた方法が開示されている。

特許文献２には、容器とバルブカバー（蓋体）の隙間から噴射剤をアンダーカップ充填し、その後、容器の底面側に配置した超音波ホーンを振動させ、容器全体を振動させて容器の開口部の周囲とバルブカバーとを超音波溶着する噴霧容器の充填方法が開示されている。

特許第５１３８７７７号公報 特開昭５８−１６２２号公報

超音波溶着により容器本体と蓋体とを密閉する場合、容器本体と蓋体はいずれも熱可塑性樹脂製である。そしてアンダーカップ充填のとき、蓋体を配置した容器本体の肩部に充填具を押し当て、充填具のシール材と容器本体とは、ガス漏れしないように相当のシール圧で当接させる。そのため、容器本体は、高いシール圧に耐えることができるように、内圧に対して要求される強度よりさらに高い強度のもの、すなわち肉厚が厚い容器本体が用いられる。

本発明は従来より低い強度の肉厚が薄い容器本体を採用しうる加圧製品の製造方法およびその製造方法に用いる加圧剤充填装置を提供することを課題としている。

本発明の加圧製品の製造方法は、容器本体（４１、４３）の口部に蓋体４０、４４を隙間をあけて配置し、下方で開口するカップ状の充填具１３を容器本体（４１、４３）と蓋体４０、４４に被せ、充填具１３の下端の環状のシール材２９を容器本体（４１、４３）の肩部３２に当接させ、容器本体（４１、４３）の口部と蓋体４０、４４の隙間を通して加圧剤Ｐを容器（２０、４２）内に充填し、その充填の際に容器（２０、４２）内の内圧の上昇に伴ってシール材２９と肩部３２の当接圧を上昇させ、前記容器本体（４１、４３）を蓋体４０、４４によって気密に閉じることを特徴としている。

このような加圧製品（４５）の製造方法においては、前記容器本体（４１、４３）を蓋体４０、４４で閉じるとき、超音波溶着により密閉するのが好ましい。また、前記容器（２０、４２）を昇降自在の台（１９）に載置し、容器（２０、４２）の内圧の上昇に伴って台（１９）を押し上げる力を増大するのが好ましい。

本発明の加圧剤充填装置１０は、下方で開口するカップ状の形態を有し、下端に容器本体（４１、４３）の肩部３２と当接する環状のシール材２９を有する充填具１３と、容器（２０、４２）内の内圧の上昇に伴ってシール材２９と容器本体（４１、４３）の肩部３２との当接圧を上昇させる調節器とを備えていることを特徴としている。

このような加圧剤充填装置１０においては、前記充填具１３の上部に超音波を生ずるホーン１４を通す空洞２４が形成されており、前記ホーン１４の外周面と充填具１３の空洞２４の内周面の間に第２のシール材（３４）が介在されているものが好ましい。また、前記容器（２０、４２）を載置する昇降自在の台（１９）を備え、容器（２０、４２）内の内圧の上昇に伴って台（１９）を押し上げる力を増大させるものが好ましい。

容器内に加圧剤を充填するとき、内圧が高くなると、容器本体の肉厚が薄い場合でも張りによって変形しにくくなり、高いシール圧に耐えることができる。本発明はこの現象を利用するものであり、容器本体の口部と蓋体の隙間を通して加圧剤を容器内に充填する際、容器の内圧が低いときはシール材と肩部の当接圧を低くしておき、内圧が高くなって容器の剛性が高くなると当接圧を高くする。それにより、比較的肉薄の容器本体でも、シール材の当接圧で変形したりつぶれたりすることがなく、しかも最終的に高い内圧を呈するまで充填することができる。そのため、少ない材料で製造された安価な容器本体を採用することができる。また、内圧が低いときはシール圧が低くても加圧剤は漏れにくい。

この製造方法において、前記容器本体を蓋体で閉じるとき、超音波溶着により密閉する場合は、容器本体と蓋体の間のシール材を省略することができるので、一層安価に製造することができる。また、超音波溶着する際には、容器は内圧により強度が高くなっており、また、溶着時に容器に加わる押圧力（垂直荷重）は小さいため、薄肉の容器本体を使いやすい。

また、前記容器を昇降自在の台に載置し、容器の内圧の上昇に伴って台を押し上げる力を増大させる場合は、容易に肩部とシール材の当接圧を上昇させることができる。

本発明の加圧剤充填装置は、容器内の内圧の上昇に伴ってシール材と容器の肩部との当接圧を上昇させる調節器を備えているので、本発明の製造方法に利用することができる。前記充填具の上部に超音波を生ずるホーンを通す空洞が形成されており、前記ホーンの外周面と充填具の空洞の内周面の間に第２のシール材が介在されている場合は、充填と封止を順次行うことができ、加圧製品を効率的に製造することができる。加圧剤充填装置が前記容器を載置する昇降自在の台を有し、容器内の内圧の上昇に伴って台を押し上げる力が増大するものである場合は、簡易な構造で充填装置を実現することができる。

本発明の加圧剤充填装置の一実施形態を示す一部断面正面図である。 本発明の製造方法における充填工程を示す一部断面正面図である。 溶着工程を示す一部断面正面図である。 図４Ａは本発明の製造方法で用いる加圧容器の一実施形態を示す組み立て前の断面図、図４Ｂは組み立て後の断面図、図４Ｃはキャップ装着後の断面図である。

図１に示す加圧剤充填装置１０は、ベース１１と、そのベース１１に設けられる昇降台１２と、その昇降台１２の上方に配置される筒状の充填具１３と、その充填具１３の上部開口を閉じ、充填具１３内に昇降自在に設けられる超音波溶着用のホーン１４とからなる。充填具１３はベース１１から立ち上がる２本の支柱１５によって高さ調節自在に支持されている。ホーン１４は流体シリンダまたはモータなどの駆動源を備えた昇降機構１６（図２参照）を介して超音波発振器に取り付けられている。

昇降台１２は、基台１７と、その基台１７によって昇降がガイドされるロッド１８と、ロッド１８を昇降駆動するための昇降機構１６Ａと、ロッド１８の上端に設けられる保持カップ（台）１９とからなる。基台１７は直方体状で、内部にロッド１８の昇降をガイドするガイド部材１８ａが設けられている。昇降機構１６Ａは、たとえば液圧や気体などの流体圧シリンダなどの直動機構、あるいはモータで回転駆動するネジ機構などから構成されている。

昇降機構１６Ａの一例としては、ロッド１８に固定した２個のピストン１８ｂ１、１８ｂ２と、ピストンを収容する収容室（シリンダ）１８ｃ１、１８ｃ２と、ロッド１８を上昇させるための上昇用空気導入部Ａｕ１、Ａｕ２と、ロッド１８を下降させるための下降用空気導入部Ａｄ１、Ａｄ２が設けられた直列２段タイプのエアシリンダがあげられる。それぞれの空気導入部Ａｕ１、Ａｕ２、Ａｄ１、Ａｄ２は電磁弁Ｓｖ１、Ｓｖ２を介してエアコンプレッサーなどのエア源Ａｓと接続されている。ボトル（容器）２０内に加圧剤を充填する前には、第１の電磁弁Ｓｖ１を切り換えて下降用空気導入部Ａｄ１から空気を抜きながら第１のピストン１８ｂ１用の上昇用空気導入部Ａｕ１から第１の収容室１８ｃ１に加圧（圧縮）空気を導入し、ロッド１８を上昇させ、容器本体４１の肩部３２をシール材２９と当接させる。第２の電磁面Ｓｖ２は、第２のピストン１８ｂ２が負荷にならないように、第２の下降用空気導入部Ａｄ２および上昇用空気導入部Ａｕ２を大気に開放させるように切り換える。

次いでボトル２０内に加圧剤を充填する際には、ボトル２０の内圧の上昇に伴い第２の電磁弁Ｓｖ２を切り換えて第２の上昇用空気導入部Ａｕ２から第２の収容室１８ｃ２に加圧空気をさらに導入して容器本体４１の肩部３２とシール材２９との当接圧を高くし、加圧剤が漏れないようにシールを維持する。溶着などにより蓋体４４で容器本体４１を気密に閉じた後は、第１および第２の下降用空気導入部Ａｄ１、Ａｄ２から収容室１８ｃに加圧空気を導入してロッド１８を下降させ、ボトル２０を取り出すことができる。

保持カップ１９は加圧剤を充填しようとするボトル２０を載置するもので、ボトル２０の底部２１を安定して保持できるように、さらに中心を合わせられるように、底部２１の外周と嵌合する。昇降台１２は、加圧剤が充填されていないボトル２０を上昇させ、加圧剤充填後のボトル２０を下降させるほか、充填中は加圧剤が漏れず、しかもボトル２０が潰れない程度のシール圧を生ずるように、上向きに加圧するものである。

前述の直列２段式のエアシリンダを採用する場合は、電磁弁Ｓｖ１、Ｓｖ２を切り換えるだけでロッド１８の加圧力を変更することができ、エアシリンダに導入する空気の圧力は一定でよい。なお、並列２連式のエアシリンダによって加圧力を変動させることもできる。他方、１段式のエアシリンダを採用し、シリンダに導入する空気の圧力を変化させ、それによってロッド１８の加圧力（昇降荷重）を調節するようにしてもよい。シリンダに導入する空気の圧力を変化させる方法としては、たとえば、供給圧力が異なる複数のエア源を設け、いずれのエア源をシリンダに導入するかを電磁弁で切り換える、あるいは内径の異なる複数のエアシリンダを組み合わせるなどの方法を採用しうる。また、電磁弁を開閉してエアシリンダ内に供給する加圧空気の量を段階的に、または直線的に増加させていくことにより、エアシリンダ内の内圧を上昇させ、ロッド１８の加圧力を増加させていくようにしてもよい。

いずれの場合も加圧力を検出する加圧力センサ、ボトル２０の内圧を検出する内圧センサ、検出値に基づき、加圧力を調節する制御装置を設けるのが好ましい。なお、ボトル２０内の内圧は、たとえば、加圧剤を充填したときのボトル２０の胴部の膨張や硬度の変化を検出し、検量線から算出することができる。

前記支柱１５の上部には、高さ調節自在に支持ブロック２２が装着されており、左右の支持ブロック２２の上に支持プレート２３が取り付けられている。支持プレート２３の下面には、前述の充填具１３が吊られている。充填具１３にはホーン１４が摺動自在に嵌合する内径の空洞（密閉空間）２４が形成されている。空洞２４の下部は段部２５を介して小径部２６が設けられている。小径部２６の内径はボトル２０の首部２７およびフランジ２８を通す大きさとしている(図２参照）。

充填具１３の下端には環状で板状のシール材２９が取付板３０によって取り付けられている（下部シール部）。シール材２９はゴムなどの弾力性を備え、中央にボトル２０を通す開口を有し、開口の内縁がボトル２０の肩部３２と当接してシールする傾斜面（テーパ面）３３とされている（図２参照）。開口の内端は弾力的に変形しやすいリップとして作用する。充填具１３の空洞２４の上部には、ホーン１４との間でシールするためのＯリング３４と、そのＯリング３４を収容するＯリング溝からなる上部シール部が設けられている。充填具１３の下部には、空洞２４と外部を連通する導入口３６が設けられ、その導入口３６に加圧剤導入管３７が接続されている。

前記ホーン１４は円柱状で、下端は蓋体４０を超音波溶着するため、リング状などの形状にされており、下面１４ａは平坦である。ホーン１４の上部は傾斜段部３８を介して大径部３９とされている。ホーン１４の上部は、上下の振動を妨げないように保持され、超音波発振器と振動伝達が可能なように接続されている。そして前述のように、ホーン１４は、下面１４ａがボトル２０の蓋体４０と当接する低い位置と、蓋体４０から離れた高い位置との間で昇降する昇降機構１６を介して吊られている。

ボトル（容器）２０としては、たとえば容器本体４１と、その容器本体４１の開口を閉じて超音波溶着される蓋体４０とからなり、加圧剤による内圧に耐える強度を有する加圧容器があげられる。図１の状態では蓋体４０はまだ容器本体４１に超音波溶着されておらず、蓋体４０と容器本体４１の上端面の間には加圧剤を通す隙間あるいは充填通路が設けられている。

ボトル２０に加圧剤を充填する方法は、図１に示すように、まず容器本体４１に原液を充填し口部に蓋体４０を載せたボトル２０を昇降台１２の保持カップ１９に載置する。ついで昇降機構１６Ａを駆動してボトル２０を上昇させ、容器本体４１の肩部３２を充填具１３のシール材２９に当接させる（図２参照）。このときのシール材２９の当接圧（初期値）は、肩部３２と底部２１を挟圧しても潰れない程度に充分に弱くする。空洞２４の上部はホーン１４で閉じられており、充填具１３とホーン１４の隙間はＯリング３４によってシールされている。

ついで導入口３６から加圧剤を導入し、空洞２４を経由して蓋体４０と容器本体４１の隙間から容器本体４１内に加圧剤を充填する（アンダーカップ充填）。加圧剤としては、空気、窒素、炭酸ガス、亜酸化窒素ガスなどの圧縮ガスが用いられる。ボトル２０内の内圧は０．１〜０．５ＭＰａ（２５℃、ゲージ圧）、とくに炭酸飲料と同程度の圧力０．３〜０．５ＭＰａ（２５℃、ゲージ圧）とするのが好ましい。

そして容器本体４１内への加圧剤の充填に伴って、昇降台１２を徐々に上昇させたり、昇降台１２が降下しないように保持して、シール材２９を弾性変形させながら昇降台１２を押し上げる加圧力を少しずつ高めていく。昇降台１２を上昇させる場合は、昇降台１２は階段状に上昇させてもよく、直線的または曲線的に上昇させるようにしてもよい。それによりシール材２９と容器本体４１の肩部３２の当接圧（シール圧）は、少なくとも、途中で１〜３回程度、初期値より高くなるようにする。それによりボトル２０の内圧が低い場合でもボトル２０を潰さず、ボトル２０の内圧が上昇してもシール材２９と肩部３２の隙間からの加圧剤の漏れを少なくすることができる。内圧が上昇すると、当接圧を高くしても潰れにくくなる。そのため胴部の肉厚が０．１〜０．５ｍｍ程度の薄い容器本体４１を採用することができ、生産コストを低減できる。

当接圧の上昇は、あらかじめ加圧剤の充填時間とボトル２０の内圧の関係を測定しておき、それに基づいて上昇させるようにしてもよい。他方、ボトル２０の内圧とシール材１９の当接圧をそれぞれ検出し、それらの検出値に基づき、充填と昇降をバランスさせながら充填操作を行うようにしてもよい。

シール材１９の当接圧は、ロッド１８あるいは昇降機構１６Ａに設けた圧力計などで検出する。ロッド１８に圧縮スプリングを介在させ、その圧縮スプリングの圧縮量を検出することにより当接圧を検出することもできる。圧縮スプリングとしては、圧縮コイルバネのほか、エアスプリング、エアシリンダも利用できる。ボトル２０の内圧は、たとえば充填を一時的に停止して密閉されている空洞２４の内圧を検出することにより、間接的に検出することができる。充填を停止するのは、流れている状態ではボトル２０内と空洞２４内とで圧力差が生ずるためである。ボトル２０の内圧の変化とボトル２０の径や高さの変化が対応している場合は、ボトルの径や高さを検出することによっても内圧を間接的に検出できる。

加圧剤の充填が完了すると、図３に示すようにホーン１４を下降させ、蓋体４０を容器本体４１の口部上端に押しつけると共に、超音波振動子を発振させて蓋体４０を容器本体４１の口部に溶着する。溶着が完了すると、加圧剤の供給を停止し、ホーン１４を上昇させ、昇降台の保持カップ１９を下降させてボトル２０を取り出す。それにより加圧製品（加圧剤を充填したボトル）の製造が完了する。

このような加圧剤充填装置１０や加圧製品の製造方法は、図４Ａ、図４Ｂに示す二重容器本体４３と、その開口を閉じる蓋体４４を有する二重ボトル４２に加圧剤を充填する二重加圧製品４５の製造に適用できる。二重容器本体４３は、外容器４６と、その内部に収容される内容器４７とから形成し（図４Ａ）、内容器４７内の空間（原液収容部）Ｓ１に原液Ｃを充填する。ついで内容器４７の口部に蓋体４４を装着して内容器４７を密封し、図２の工程によって外容器４６と内容器４７の間の空間（加圧剤収容部）Ｓ２に加圧剤Ｐを充填する。そして図３の工程にしたがって蓋体４４を外容器４６と内容器４７に超音波溶着する。

それにより図４Ｂの二重加圧製品４５が得られる。蓋体４４は内容器４７の口部を閉じるカップ状の封止部４８と、外容器４６の首部と内容器４７の首部の隙間の上端を閉じるフランジ４９とを有し、封止部４８の底面に被開封部５０が設けられている。製造された二重加圧製品４５は、図４Ｃに示すように、バルブ５１付きのキャップ５２を装着し、バルブのステムにノズル付き押しボタン５３を取り付ける。そのとき、バルブ５１のハウジング５１ａの下端に設けた針状の開封部５４で被開封部５０を破り、バルブ５１内と内容器４６の内部とを連通させる。それにより二重エアゾール製品５５が得られる。

二重加圧製品４５は交換用ないし詰め替え用の製品として使用することができ、それにより前述の外容器４６の薄肉化と共に、製造コストを抑え、資源保護、環境保護に寄与する。なお、この二重加圧製品４５では、蓋体４４と内容器４７のシールおよび蓋体４４と外容器４６のシールのそれぞれで超音波溶着を行う。

以上、本発明の加圧製品の製造方法と加圧剤充填装置の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができる。たとえば図４Ａ〜Ｃでは容器本体の例として二重加圧容器４３を示したが、外容器４６だけであってもよい。また、蓋体４４とは別のキャップ５２にバルブ５１を設けているが、蓋体４４にバルブ５１を設けてもよく、バルブ５１のハウジング５１ａを蓋体とすることもできる。また、充填具１３内をホーン１４が移動する容積分の気体で容器本体内を所定の圧力に加圧できる場合は、充填具１３内に加圧剤を加圧導入しなくてもよく、ホーン１４が下降する際に容器本体内に前記容積分の加圧剤や空気を導入すればよい。

さらに蓋体は超音波溶着で容器本体に固定するほか、高周波溶着、レーザー溶着など、熱によって溶着する方法、加圧剤の充填後にキャップをボトル本体にネジ止めしたり、カシメによって固着する方法なども採用することができる。また、前記実施形態では保持カップ１９を昇降自在としているが、充填具１３を昇降させてもよく、両方を昇降させてもよい。また、ホーン１４を下降させるのに代えて、保持カップ１９と充填具１３を上昇させるようにしてもよい。

１０ 加圧剤充填装置
１１ ベース
１２ 昇降台
１３ 充填具
１４ ホーン
１４ａ 下面
１５ 支柱
１６、１６Ａ 昇降機構
１７ 基台
１８ ロッド
１８ａ ガイド部材
１８ｂ１、１８ｂ２ ピストン
１８ｃ１、１８ｃ２ 収容室
Ａｕ１、Ａｕ２ 上昇用空気導入部
Ａｄ１、Ａｄ２ 下降用空気導入部
Ｓｖ１、Ｓｖ２ 電磁弁
Ａｓ エア源
１９ 保持カップ（台）
２０ ボトル（容器）
２１ 底部
２２ 支持ブロック
２３ 支持プレート
２４ 空洞（密閉空間）
２５ 段部
２６ 小径部
２７ 首部
２８ フランジ
２９ シール材
３０ 取付板
３２ 肩部
３３ 傾斜面
３４ Ｏリング
３６ 導入口
３７ 加圧剤導入管
３８ 傾斜段部
３９ 大径部
４０ 蓋体
４１ 容器本体
４２ 二重ボトル（容器）
４３ 二重容器本体
４４ 蓋体
４５ 二重加圧製品
４６ 外容器
４７ 内容器
Ｓ１ 原液収容部
Ｃ 原液
Ｓ２ 加圧剤収容部
Ｐ 加圧剤
４８ 封止部
４９ フランジ
５０ 被開封部
５１ バルブ
５１ａ ハウジング
５２ キャップ
５３ ノズル付き押しボタン
５４ 開封部
５５ 二重エアゾール製品

Claims (6)

1. 容器本体の口部に蓋体を隙間をあけて配置し、
   下方で開口するカップ状の充填具を容器本体と蓋体に被せ、充填具の下端の環状のシール材を容器本体の肩部に当接させ、
   容器本体の口部と蓋体の隙間を通して加圧剤を容器内に充填し、
   その充填の際に容器の内圧の上昇に伴ってシール材と肩部の当接圧を上昇させ、
   ついで前記容器本体を蓋体によって気密に閉じる加圧製品の製造方法。
2. 前記容器本体の口部を蓋体で閉じるとき、超音波溶着により密閉する請求項１記載の加圧製品の製造方法。
3. 前記容器を昇降自在の台に載置し、容器の内圧の上昇に伴って台を押し上げる力を増大させる請求項１または２記載の加圧製品の製造方法。
4. 下方で開口するカップ状の形態を有し、下端に容器本体の肩部と当接する環状のシール材を有する充填具と、
   容器内の内圧の上昇に伴ってシール材と容器本体の肩部との当接圧を上昇させる調節器とを備えている、加圧剤充填装置。
5. 前記充填具の上部に超音波を生ずるホーンを通す空洞が形成されており、前記ホーンの外周面と充填具の空洞の内周面の間に第２のシール材が介在されている請求項４記載の加圧剤充填装置。
6. 前記容器を載置する昇降自在の台を有し、容器内の内圧の上昇に伴って台を押し上げる力が増大する請求項４または５記載の加圧剤充填装置。

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