JP2739646B2 - 液体の充填装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は種々の純度の高い薬液や純水などの液体を
各種の瓶や罐などの容器内または使用場所に純度を維持
して精度よくかつ能率的に充填するための装置に関す
る。

（従来の技術） 一般に、各種の容器や使用場所（ユースポイント）に
所要の液体を定量充填するに当たっては次のような条件
が必要とされている。

１）．充填精度が高くばらつきが少ないこと、 ２）．短時間に所定量の液体を充填できるように充填速
度が速いこと、 ３）．充填終了後に充填ノズルから液体が垂れ落ちない
こと、 ４）．充填部材に起因する極微細粒子により液体が汚染
されないこと。

上記条件のもとに現在では第６図に示すような充填装
置が用いられている。

即ち、液体受入れ部ｃと弁開閉用の第１シリンダ部ｄ
および開度調整用の第２シリンダ部ｅを縦方向に配設し
た作動筒Ａの下側に、下端に円錐状の弁座a₁を備えたノ
ズル筒ａが連設され、ノズル筒ａから第１シリンダ部ｄ
にかけての内側には、下端に円錐状の弁体b₁を有し、上
端に第１シリンダ部ｄ内に位置するピストン体b₂を備え
た弁軸ｂが上向きにばね付勢して配設され、かつ第２シ
リンダ部ｅ中にはストップ用ピストンｆが軸杆を第１シ
リンダ部ｄにのぞませると共に上向きにばね付勢して内
装されている。

そして、液体の充填に当たっては、第１シリンダ部ｄ
および第２シリンダ部ｅの各上通孔から圧力流体を供給
することにより弁軸ｂとピストンｆを所要に下げ、弁体
b₁が出口を大きく開いた大流量注入状態で、先ず第７図
イのように液体の飛沫の発生を防ぐ（気泡の混入を防
ぐ）べく、ノズル筒ａを容器ｖ中に深く挿入して弁座a₁
を底部に近づけ、その状態で液体を容器ｖ内に注入しつ
つノズル筒ａを上昇させ、同図ロおよび第８図のぐらふ
のように短い時間T₁で90％程度の液体を充填し、その時
点で第１シリンダ部ｄの上通孔から圧力流体を排出して
ピストンb₂即ち弁軸ｂをストップピストンｆの軸杆に当
接するように上昇させ、弁体b₁を点線のように弁座a₁に
近づけて小流量注入状態となし、この絞り状態でT₂時間
かけて残り10％程度の液体を注入して第７図ハのように
定量となし、その時点で第２シリンダ部ｅの上通孔から
圧力流体を排出し、弁軸ｂを上動させて弁体b₁を弁座a₁
に圧接させ出口を閉じるようにしている。

（発明が解決しようとする課題） 上記従来の充填手段では、円錐状弁座に対する弁体の
開き具合を二段に操作して液体の充填を図ると共に弁座
に弁体を圧接させて液体の流出を遮断するようにしてい
るが、ノズル筒先端の弁座は開弁時には圧力損失を伴な
わず、閉弁時には弁体との当たりをよくする必要から、
ノズル筒より外方にテーパをなして広がった形体とな
り、入口の狭い容器には使うことができず、そして、弁
座が横に広がっているため、ノズル筒の太さはこれに制
限を受けると同時に内側には弁軸が存在するため、液体
の流路面積が狭いものとなり、それだけ充填速度が遅く
なり、また、ノズル筒は容器底部まで挿入する必要から
長いものとなり、弁軸摺動部およびシール部において微
細なパーティクルが生じ、構造が複雑なことからデッド
スペースができやすく、そこに溜った液体からのパーテ
ィクルが流出するなどの欠点があった。

そこでこの発明は上記従来技術の欠点を克服し、前記
条件を充分に満足する液体の充填装置を提供することを
課題とする。

（課題を解決するための手段） 上記課題のもとに、この発明は液体の充填装置とし
て、 機枠をブロック状の中央体と、同一平面内でその三方
に結合された第１シリンダ体，第２シリンダ体および第
３シリンダ体とで形成し、 中央体はホース接続用の中心入口孔とこれから第１シ
リンダ体に向う大径孔と第２シリンダ体に向う小径孔お
よびこれら大小の孔を下側の出口ノズル接続部に連通す
る通孔ならびに第３シリンダ体の結合基部におけるダイ
ヤフラム室の一部をなし出口ノズル接続部に通じる所要
広さの空所を備えており、 第１シリンダ体は、仕切壁により作動室と弁室に区画
し、仕切壁には作動杆を摺動可能に嵌合し、その外端に
は作動室内で内方にばね付勢された第１ピストンを結合
すると共に内端には弁室内にあってダイヤブラムまたは
ベローズで支持された上記大径孔を開閉する第１弁体を
結合し、かつ外端壁にはこの第１弁体の開度調整用のね
じ杆を螺合して大充填弁機構となし、 第２シリンダ体は仕切壁により作動室と弁室に区画
し、仕切壁には作動杆を摺動可能に嵌合し、外端には作
動室内で内方にばね付勢された第２ピストンを結合する
と共に内端には弁室内にあってダイヤフラムまたはベロ
ーズで支持された上記小径孔を開閉する第２弁体を結合
し、かつ外端壁にはこの第２弁体の開度調整用のねじ杆
を螺合して小充填弁機構となし、 第３シリンダ体は仕切壁によって外側方の作動室と内
側方の上記空所と負圧発生室からなるダイヤフラム室と
に区画し、仕切壁には作動杆を摺動可能に嵌合し、その
外端には作動室内で内方にばね付勢された第３ピストン
を結合すると共に内端にはダイヤフラムまたはベローズ
で支持されたブロック状弁体を結合し、かつ外端壁には
上記ダイヤフラム室における吸引量調整用のねじ杆を螺
合して負圧発生弁機構となし、 上記大充填弁機構と小充填弁機構における第１弁体，
第２弁体の開閉動作および負圧発生弁機構のダイヤフラ
ム室における吸引動作を重量センサ等の液体の計測部材
および制御器により切換え制御するようになし、 上記出口ノズル接続部には、軸線方向に沿い径と長さ
が均一で上下端面が水平かつ平坦な複数の細孔を備えた
ノズルを取付け、 上記負圧発生弁機構をなす第３シリンダ体のダイヤフ
ラム室内におけるダイヤフラムまたはベローズ等の容積
増減部材により増減する容積をねじ杆のシリンダ体に対
する突出長さによりノズルにおける細孔の総内容積を超
えない容積に調節するようにしたことを特徴とするもの
である。

（実施の形態） 第１図イ，ロ，ハはこの発明に係る充填装置の一例の
平面，正面，側面を示し、第２図イは第１図ロのＡ−Ａ
線に沿った断面を、第２図ロ，ハは第１図イのＢ−Ｂ
線、Ｃ−Ｃ線に沿った断面をそれぞれ示すものであり、
これらの図においてＭは平面および正面が十字をなした
機枠であって、四弗化エチレン，ポリプロピレンなどの
耐薬品性の合成樹脂からなり、角形ブロック状の中央体
１と、その右側，前側および左側に結合された第１シリ
ンダ体2,第２シリンダ体3,第３シリンダ体４とで形成さ
れていて、第２図イ，ロ，ハにみられるように、中央体
１内には、供給ホースｈが連結された中心入口孔1aと、
ここから第１シリンダ体２に向う大充填用の大径孔1b,
第２シリンダ体３に向う小充填用の小径孔1cおよびこれ
ら大小の孔1b,1cを下側中心の出口ノズル接続部５に通
じさせる通孔1dならびに第３シリンダ体４の結合基部と
の間のダイヤフラム室６の一部をなす所要広さの空所6a
が設けられている。

第１シリンダ体２の内部は仕切壁2cによって作動室2a
と弁室2bとに区画され、仕切壁2cには作動杆７が摺動可
能に嵌合され、その外端には作動室2a内で往復動する第
１ピストン7aが結合されると共に内端には弁室2b内にあ
って大径孔1bを開閉する第１弁体7bが結合され、この１
弁体7bの周囲部とシリンダ体２の結合基部との間にはダ
イヤフラム8aが張設さけており、そして、第１ピストン
7aは作動室2a内に配設されたコイルばね9aによって内方
に付勢され、非作動時にはそのばね力により第１弁体7b
は大径孔1bの出口端に圧接されてこれを閉じており、ま
たシリンダ体２の外端壁には弁開度調整用のねじ杆10a
が作動室2a中に突出させて取付けられ、大充填弁機構を
なしている。

また、第２シリンダ体３の内部も仕切壁3cによって作
動室3aと弁室3bとに区画され、仕切壁3cには作動杆11が
摺動自在に嵌合され、その外端には作動室3a内で往復動
する第２ピストン11aが結合されると共に内端には弁室3
b内にあって小径孔1cを開閉する第２弁体11bが結合さ
れ、この第２弁体11bの周囲部とシリンダ体３の結合基
部との間にはダイヤフラム8bが張設され、そして、第２
ピストン11aは作動室3a内に配設されたコイルばね9bに
よって内側に付勢され、非作動時にはそのばね力によっ
て第２弁体11bは小径孔1cの出口端に圧接されてこれを
閉じており、シリンダ体３の外端壁には弁開度調整用の
ねじ杆10bが作動室3a中に突出させて取付けられ、全体
として小充填弁機構をなしている。

更に、第３シリンダ体４の内部も途中の仕切壁4cによ
って二分され、その外側方は作動室4aをなすが、内側方
は中央体１内の空所6a及び負圧発生室6bと共にダイヤフ
ラム室６を形成しており、そして、仕切壁4cには作動杆
12が摺動可能に嵌合され、ダイヤフラム室６内に突出す
る内端に弁状ブロック12bが取付けられ、この弁状ブロ
ック12bの周囲部と第３シリンダ体の結合基端との間に
ダイヤフラム8cが張設され、また、作動杆12の外端には
作動室4a内で往復動する第３ピストン12aが結合され、
この第３ピストン12aは作動室4a中に配設されたコイル
ばね9cによって内方に付勢されて、非作動時には最内側
にあり、更に、シリンダ体４の外端壁には吸引量調整用
のねじ杆10cが作動室4a中に突出させて取付けられ、全
体として負圧発生弁機構をなしている。

一方、中央体１の下側中央の出口ノズル接続部５には
第３図イ，ロのように機枠Ｍと同じ材質からなる円形ま
たは多角形の棒体に、軸線に沿った所要数（図では12
個）の直径2mm程度の細孔13aを設け、出口端を水平かつ
平坦にしたノズル13の基端部が嵌挿され、ソケット部材
14によって緊締されている。

また、中央体１の背面には支持板15aを介して操作部
材15が連結されている。

しかして、所要の液体を一定の容器（または使用場
所）に充填するに当たっては、例えば第５図のように重
量センサ21（液量を計測する手段ならば他のものでもよ
い）上におかれた容器20の注入口にノズル13を挿入して
機枠Ｍをセットし、第1,第2,第３のシリンダ体2,3,4に
おける入口孔2d,3d,4dを弁22a,22b,22cを介して圧力流
体源（図示の例では圧縮空気供給源）23に接続すると共
に各弁22a,22b,22cをセンサ21からの信号およびタイマ
ー等で作動する制御器24で開閉するようになし、かつ、
各シリンダ体2,3,4の出口孔2e,3e,4eを大気に連通させ
せる。そして、容器20の大きさ、液体の種類などに応
じ、適正な弁開度または吸引量が得られるように、予め
各シリンダ体2,3,4のねじ杆10a,10b,10cの突出長さを調
整しておく。

上記準備が終った時点で、弁22a,22bを開いて圧力流
体を第１シリンダ体２と第２シリンダ体３の入口孔2d,3
dに送り込み、第１ピストン7aおよび第２ピストン11aを
それぞれねじ杆10a,10bに当接する状態に後退させて第
１弁体7bおよび第２弁体11bを所定の開度に開く。する
と、ホースｈおよび中心入口孔1aを通じ液体が機枠Ｍ内
に供給され、中心入口孔1aに通じる大径孔1bすなわち大
充填弁機構および小径孔1c即ち小充填弁機構を経て、ノ
ズル13側に流れ、ノズル13内の複数の細孔13aを通って
容器20内に充填される。

その際、流出液はノズル軸線に平行かつ径と長さが均
一で出口端が平坦な複数の細孔を通ることにより細分化
され、横広がりに吹き出ることなく、整流化されて直下
に放出され飛沫を作らない。また、その際には第３シリ
ンダ体４中のダイヤフラム室６の一部をなしている空所
6aには液体が封じ込められる。

かくて、容器20中に短い時間T₁で一定量（例えば90
％）が収容されると、重量センサ21から大充填工程終了
の信号が制御器24に送られ、第１シリンダ体２に対する
圧力流体の送給が止められ、第１ピストン体17aを介し
ばね付勢されている第１弁体7bにより大径孔1bが閉じら
れて、小径孔1cを通じての充填即ち小充填弁機構だけで
の充填が行われる。

この状態がT₂時間持続され、容器20内の液量が所定値
に達すれば、再び重量センサ21から信号が発せられ、第
２シリンダ体３への圧力流体の送りが止められ、第２弁
体11bが小径孔1cを閉じて充填作業は終了する。

このように充填作業が終了した時点では、中央体１内
の連通孔1dからノズル13の出口端にかけて液体が充満し
ており、かつ出口端では第４図イのように液体の表面張
力で液面が下にふくらんだ状態になっおり、これを放置
すれば、ノズル13の僅かな動きで液垂れを生じ、残留液
がすべて流出してしまい、充填量を一定にすることがで
きなくなる。

そこで、第２弁体11bが小径孔1cを閉じた時点で、制
御器24により第３シリンダ体４に対する弁22cが開かれ
て、圧力流体が第３シリンダ体４の入口孔4dに送り込ま
れ、第３ピストン12aをねじ杆10cに当接する状態に後退
させる。これにより作動杆12を介し弁状ブロック12bお
よびダイヤフラム8cが仕切壁4c側に引き寄せられ、負圧
発生室6bが縮小する一方、空所6aの容積が定量（ノズル
細孔部分の総内容積より若干少ない量）だけ広がること
になり、そのため負圧が形成されて第４図ロのようにノ
ズル13内の液体が空所6a側に吸い込まれ、出口端のふく
らみ液面が通気現象を起さない程度に細孔13a中に引き
入れられ、液体の表面張力と重力がつり合って落下しな
くなる。

この際、液面を引き込みすぎると液面が細孔の上の細
孔集合部まで上ってしまい、空気が細孔を通して、通孔
1dに入ってしまう通気現象が起こり、液垂れが生じてし
まう。

そして、上記液垂れを起さないこの状態はノズル13の
下側に新しい容器が配置され、次の充填作業が開始され
るまで持続される。

この場合、細孔13aの内径が大き過ぎるとノズル内の
液面の表面張力ではノズル内の液体を支えきれず、液垂
れが生じてしまい、逆に細孔13aの内径が小さ過ぎると
ノズル13の圧力損失が大きくなって、液体の充填速度を
遅くするので、細孔13aの最適内径は液体の粘度により
変わり液体粘度が1CP位の場合には2mm程度が最適であ
る。また、ノズル13の細孔部分の長さは液体の吸い込み
量を場合に応じ調節する都合上10mm〜50mmが望ましい。
また、細孔13aの内径にばらつきがあったり（第４図
ハ）、長さが不均一であったり（第４図ニ）、上下端が
平滑でなかったりすると、細孔内の液体を支える力が不
均一になり、力の弱い所から通気現象を起し液垂れを起
してしまうので、細孔13aは均一でなければならない。

なお、上述の例では大充填工程時に第１弁体7bと第２
弁体11bを同時に開くようにしたが、これは第２弁体11b
を閉じておき、第１弁体7bだけを開いて充填させるよう
にしてもよく、そして、第1,第２の弁体7b,11bの開きを
ダイヤフラムで支えるようにしたものを示したが、これ
はベローズとしてもよく、また、中央体や各シリンダ体
などすべてを合成樹脂製としたものを示したが、液体に
直接触れない作動室の部分は金属製としても差支えな
い。

更に、各弁機構におけるピストンの作動は圧縮空気に
限らず、油圧または電磁力によって行うこともできる。

（発明の効果） この発明は上述のように構成されているので、次のよ
うな効果を奏する。

イ．初めに、大充填弁機構における第１弁体と小充填弁
機構における第２弁体を同時に開くか、または第１弁体
だけを開いて大部分の液体を供給し、次いで少量の残余
の部分を第２弁体だけを開いて充填することにより、充
填精度を高めることができると同時に充填速度を速める
ことができ、そして、充填弁機構の切換えと充填操作を
円滑に行うことができる。

ロ．また、液体の充填終了の時点で、負圧発生弁機構に
よりノズル内に残る液体を充填方向とは反対方向に吸引
し、かつねじ杆により第３ピストンの動きを制限してそ
の吸引容積をノズルの細孔の総内容積を超えないように
することにより、ノズルにおける通気現象を起す恐れな
く液垂れ現象を確実に防ぐことができ、円錐状の弁座は
必要としない。

ハ．これまでのようにノズルを貫通する弁軸を持たない
ので、液体の流路面積を充分に確保することができ、か
つ長い弁軸の摺動部がないのでパーティクルにより液体
を汚染することがない。

ニ．また、ノズルを径と長さの均一な複数の細孔の集合
体とし、出口端を水平かつ平坦にしたことにより、液体
が横広がりに噴出したりデッドスペースに残留したりす
ることなく、整流化させて直下に流出させることがで
き、飛沫を作らず、そして、これまでのように容器の底
部まで挿入する必要がないので、装置を小型コンパクト
にすることができる。

ホ．更に、充填弁機構のねじ杆のシリンダ体に対する突
出長さを変化させ弁開度を適宜に調整することにより、
容器の大きさや液体の種類に適切に対応させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図イはこの発明に係る充填装置の一例の平面図。 同図ロはその正面図。 同図ハはその左側面図。 第２図イは第１図ロのＡ−Ａ線に沿った断面図。 同図ロは第１図イのＢ−Ｂ線に沿った断面図。 同図ハは第１図イのＣ−Ｃ線に沿った断面図。 第３図イは第２図ハの円形部分の拡大図。 同図ロはその下面図。 第４図イはノズル端の吸引前の状態図。 同図ロは同部分の吸引後の状態図。 同図ハ，ニはノズル細孔の不均一な場合の液垂れ現象を
示す状態図。 第５図は使用状態の正面図。 第６図は従来の充填装置の断面図。 第７図イ，ロ，ハは従来の充填のやり方を示す工程図。 第８図は充填時の収容量と時間の関係を示すグラフ。 図中 １……中央体、1a……入口孔 1b……大径孔、1c……小径孔 ２……第１シリンダ体、2a,3a,4a……作動室 2b,3b……弁室、2c,3c,4c……仕切壁 ３……第２シリンダ体、４……第３シリンダ体 ５……出口ノズル接続部、６……ダイヤフラム室 6a……空所、6b……負圧発生室 7,11,12……作動杆 7a,11a,12a……第1,第2,第３のピストン 7b,11b……第1,第２の弁体 8a,8b,8c……ダイヤフラム 10a,10b,10c……ねじ杆 12b……弁状ブロック、13……ノズル 13a……細孔、Ｍ……機枠

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機枠（Ｍ）をブロック状の中央体（１）
   と、同一平面内でその三方に結合された第１シリンダ体
   （２），第２シリンダ体（３）および第３シリンダ体
   （４）とで形成し、 中央体（１）はホース接続用の中心入口孔（1a）とこれ
   から第１シリンダ体（２）に向う大径孔（1b）と第２シ
   リンダ体（３）に向う小径孔（1c）およびこれら大小の
   孔を下側の出口ノズル接続部（５）に連通する通孔（1
   d）ならびに第３シリンダ体（４）の結合基部における
   ダイヤフラム室（６）の一部をなし出口ノズル接続部
   （５）に通じる所要広さの空所（6a）を備えており、 第１シリンダ体（２）は、仕切壁（2c）により作動室
   （2a）と弁室（2b）に区画し、仕切壁（2c）には作動杆
   （７）を摺動可能に嵌合し、その外端には作動室内で内
   方にばね付勢された第１ピストン（7a）を結合すると共
   に内端には弁室内にあってダイヤブラム（8a）またはベ
   ローズで支持された上記大径孔（1b）を開閉する第１弁
   体（7b）を結合し、かつ外端壁にはこの第１弁体の開度
   調整用のねじ杆（10a）を螺合して大充填弁機構とな
   し、 第２シリンダ体（３）は仕切壁（3c）により作動室（3
   a）と弁室（3b）に区画し、仕切壁（3c）には作動杆（1
   1）を摺動可能に嵌合し、その外端には作動室内で内方
   にばね付勢された第２ピストン（11a）を結合すると共
   に内端には弁室内にあってダイヤフラム（8b）またはベ
   ローズで支持された上記小径孔（1c）を開閉する第２弁
   体（3c）を結合し、かつ外端壁にはこの第２弁体の開度
   調整用のねじ杆（10b）を螺合して小充填弁機構とな
   し、 第３シリンダ体（４）は仕切壁（4c）によって外側方の
   作動室（4a）と内側方の上記空所（6a）と負圧発生室
   （6b）からなるダイヤフラム室（６）とに区画し、仕切
   壁（4c）には作動杆（12）を摺動可能に嵌合し、その外
   端には作動室内で内方にばね付勢された第３ピストン
   （12a）を結合すると共に内端にはダイヤフラム（8c）
   またはベローズで支持されたブロック状弁体（12b）を
   結合し、かつ外端壁には上記ダイヤフラム室における吸
   引量調整用のねじ杆（10c）を螺合して負圧発生弁機構
   となし、 上記大充填弁機構と小充填弁機構における第１弁体（7
   b），第２弁体（11b）の開閉動作および負圧発生弁機構
   のダイヤフラム室（６）における吸引動作を重量センサ
   （21）等の液体の計測部材および制御器（24）により切
   換え制御するようになし、 上記出口ノズル接続部（５）には、軸線方向に沿い径と
   長さが均一で上下端面が水平かつ平坦な複数の細孔（13
   a）を備えたノズル（13）を取付け、 上記負圧発生弁機構をなす第３シリンダ体（４）のダイ
   ヤフラム室（６）内におけるダイヤフラム（8c）または
   ベローズ等の容積増減部材により増減する容積を、ねじ
   杆（10c）のシリンダ体に対する突出長さによりノズル
   （13）における細孔（13a）の総内容積を超えない容積
   に調節するようにしたことを特徴とする液体の充填装
   置。