JP4523631B2 - ガラスびんのウォータハンマ強度試験方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスびんのウォータハンマ強度を単品のガラスびんで試験する方法及び装置に関する。

ガラスびんのウォータハンマ強度の試験は、日本ガラスびん協会の「ウォーター・ハンマー試験方法」によって規定されている。これは、ガラスびんの包装貨物としてのウォータハンマ試験方法を規定するものである。
図９は、この規定による試験の説明図である。この試験は、「ＪＩＳ Ｚ ０２０２」に規定する落下試験機１５を用い、落下面１６（厚さ２０ｍｍ以上の鉄板）の上に下ダミー１８（試料と同じもの）を１ケース置き、その上に試料１９を１ケース置き、落下試験機１５の試料台１７に上ダミー２０（試料と同じもの）を１ケース置く。下ダミー１８、試料１９、上ダミー２０は、びんに正規内容物を正規の充填方法によって、所定の量を充填し、所定のキャップを施したもの、またそれに準ずるものに、所定の包装を行ったものであり、ケース内には多数のガラスびん入っている。
試料台は所定の落下高さ（上ダミーの底面と試料の上面との距離）となるようにセットしておき、例えば、はじめ３０ｃｍの落下高さから上ダミーを試料の上に落とし、５ｃｍ間隔で落下高さを増やし（落下高さが６０ｃｍ以上は１０ｃｍ間隔）、試料中のガラスびんが１本でも破損するか、定められた落下高さまで繰り返し落下試験を行い、試料中のびんが１本でも割れたときの落下高さをもってウォータハンマ強度とする。

試料１９の上に上ダミー２０が落下すると、下ダミー１８のケースが変形し、試料１９内のガラスびんは急激に下方に押し下げられる。しかし、そのガラスびんの中の内容物（液体）は慣性により元の位置に留まり、びん内の底部に真空状態の部分が発生する。その直後、真空状態の底部に向かって内容物が急激に落下し、ウォータハンマ現象が起こる。

なお、包装貨物落下試験装置は、下記の特許文献にも示されている。
特開昭６１−１４７１２９号公報 特開昭６２−２６３４３５号公報

日本ガラスびん協会の「ウォーター・ハンマー試験方法」は、包装されたガラスびんのウォータハンマ強度を測定するものであるから、ガラスびんそのもののウォータハンマ強度を試験するものではない（包装の仕様でウォータハンマ強度が変化する。）。また、カ−トンを準備しないと試験ができないので、試験実施に多くの製品が必要(１０ケ−ス程度)であり、びん・パリソンの設計段階のテスト生産でのウォータハンマ強度評価ができない。さらに、カ−トンの持ち上げ、びん破損の確認、破損後のあと始末、カ−トン潰れチェックなど、試験の実施に多大の労力を必要とする。

本発明は、ガラスびんそのもののウォータハンマ強度を、比較的容易に測定可能とし、さらにテスト生産（びん・パリソンの設計段階）での強度評価もできるようにすることを課題としてなされたものである。

本発明は、固定台部の上にクッション材を介して保持手段を設け、該保持手段で内容物を充填しキャップを装着したびんをその重心よりも上で保持して該びんを空中に吊し、前記キャップの上に直接又は間接的に錘を落下させてびんに衝撃を与え、その落下エネルギーを徐々に増やしながら複数回錘の落下を繰り返し、びんが割れたときの錘の落下エネルギーに基づいてびんのウォータハンマ強度を試験することを特徴とするガラスびんのウォータハンマ強度試験方法である。

錘を直接又は間接的にキャップ上に落下させると、クッション材が変形し、びんが急激に下方に押し下げられ、ウォータハンマ現象がおこる。びんを、その重心より上で保持した吊り下げ状態で錘を落下させると、錘の落下エネルギーが効率よくびんに作用し、錘の落下エネルギーとびんに加わる衝撃が強く相関し、びんが割れたときの錘の落下エネルギーに基づいてびんのウォータハンマ強度を正確に知ることができる。

また本発明は、固定台部と、該固定台部に載置されたクッション材と、該クッション材の上に載置され、内容物を充填してキャップを装着したびんをその重心より上で保持して該びんを空中に吊す保持手段と、前記キャップの上に落下させてびんに衝撃を与える錘とを有することを特徴とするガラスびんのウォータハンマ強度試験装置である。

本発明装置によれば、本発明の前記ウォータハンマ強度試験方法を容易に実施することができる。

本発明装置における固定台部は、具体的には、基台と該基台から立設した柱部とを有するフレームの、前記柱部から側方に張り出し形成された、貫通穴を有する板状体とし、前記保持手段によって空中に保持されたびんが前記貫通穴の中に挿通して設けられるように構成することができる。

また本発明装置における固定台部を複数の柱材とし、前記保持手段によって空中に保持されたびんが前記柱材の間に位置するように構成することもできる。

また本発明装置における固定台部を筒状材とし、前記保持手段によって空中に保持されたびんが前記筒状材の中に位置するように構成することもできる。

また本発明装置において、前記キャップを覆い、かつ、下面がキャップ上面に接触するように保護板を設け、前記錘を該保護板上に落下させ、該保護板を介して間接的に前記キャップ上に錘を落下させるように構成することができる。
このようにすることで、錘が落下する衝撃によるキャップの破損を防ぐことができる。

また本発明装置において、前記錘を、シャフトの下端に錘本体を形成したものとし、前記錘が所定の軌道を上下するように前記シャフトが挿通するガイドを設けることができる。
このようにすることで、錘が所定の軌道を上下し、錘をキャップの上に正確に落下させることができる。

本発明によれば、ガラスびんそのもののウォータハンマ強度を正確に試験することができ、また、試験に使用するガラスびんも少なくてすむので、びん・パリソンの設計段階のテスト生産でのウォータハンマ強度評価が可能となる。したがって、これにより、仮に、テスト生産びんの強度不足が分かれば、直ちにびん・パリソンの設計を変更することができるので、高品質のびんを効率よく設計することが可能となる。
また、本発明は、カ−トンの持ち上げ、カートン内のびん破損の確認、カ−トン潰れチェックなどの作業が不要で、比較的容易に試験を実施することができる。

図１は実施例の試験装置の断面説明図である。基台６、柱部７、固定台部２は鋼板を加工して一体的に形成され、柱部７がＬ字状に基台６から立設し、固定台部２は柱材７の中間から張り出し形成されている。固定台部２には、びん１の胴部が挿通できる貫通穴２ａが設けられている。
固定台部２の上の貫通穴２ａの周囲にはクッション材３が載置され、その上に保持手段４が載置される。クッション材３はゴム、軟質樹脂などの弾性体で、形状、大きさなどは必要に応じて適宜決定すればよい。保持手段は、内容物を充填しキャップを装着したびん１をその重心より上で保持して該びんを空中に吊すもので、びん１を確実に保持し、クッション材３の上に載置できるものであれば、材質、形状は自由である。びんは、内容物を充填しキャップを装着した状態で、その重心より上で保持されればよいが、びんの首部（口部又はビードの直下）で保持するのが最も好適である。

びん１のキャップ１ｂの上方には錘５が設けられる。錘５は、シャフト５ｂの下端に錘本体５ａを設けたもので、柱部７から突出形成され、シャフト５ａが挿通する挿通孔を有するガイド８により、垂直に上下動可能である。錘５はストッパ９により所望の高さに保持されているが、ストッパ９を解除することによりキャップ１ｂの真上に落下する。

錘５がキャップ１ｂの真上に落下すると、その落下エネルギーによりクッション材３が変形し、びん１が急激に押し下げられ、ウォータハンマ現象が起こる。落下エネルギーを徐々に増やしながら複数回錘の落下を繰り返し、びんが割れたときの錘の落下エネルギーによってびんのウォータハンマ強度を測定する。落下エネルギーの調整は、錘の重さを代えること、落下高さ（錘下面と、キャップ又は保護板上面の距離）を変えることで行う。錘の質量をｍ、落下高さをｈ、重力加速度をｇとすると、落下エネルギーはｍｇｈである。

図２は、固定台部２を４本の柱材とした例である。底板１０上に４本の柱材を建て、各柱材の上にクッション材３を載置し、その上にびん１を吊り下げる保持手段４を載置する。びん１は４本の柱材の間に位置する。
柱材に代えて筒状材を固定台材２とし、その上にクッション材３を載置し、その上にびん１を吊り下げる保持手段４を載置することも可能である。この場合、びん１は筒状材の中に位置することとなる。
錘落下時のキャップ１ｂの割れを防止するため、キャップ１ｂを覆って保護板１１を設けている。キャップ１ｂの上面と保護板１１の下面は接触している。錘は保護板１１の上に落下するが、キャップ１ｂの上面と保護板１１の下面が接触しているので、キャップ１ｂの上に直接落下した場合と同等の衝撃がびんに加わる。保持手段４と保護板１１の間にはスペーサ１２を設けている。スペーサを設けることで、キャップの割れがさらに防止される。

図３は保持手段４の一例で、びんの首部と同じかやや大きい径の内孔２１を形成した円板を中心から２つ割りにしたものである。それぞれの割半体をびん首部を内孔２２に挟み込むように両側から合わせ、図３の下段に示すように一体化する。その後、適宜の固定手段で両割半体が分離しないように固定することが望ましい。図４は固定手段の一例で、上段に平面図、下段に断面図を示している。固定手段１３は板状をなし、上面中央に保持手段４が入る凹所１３ａが設けられ、凹所１３ａの中央部には孔１３ｂが形成されている。保持手段４を凹所１３ａ内に入れることで、両割半体が分離しないように固定される。
図１では、保持手段４がびん１のビード１ａ（環状突条）の下側に取り付けられており、ビードの外径が保持手段の内孔２１の径よりも大きいので、びんは保持手段４により確実に保持される。

図５は保持手段４の他例で、板材２２に概略半円形の先端部２４を有するアーム２３を固定したものが対となっている。半円形の先端部２４の内側には弾性を有するパッキン２５が貼付されている。この対を、図５の下段に示すように、ボルト２６・ナット２７で締め付け、びんの首部やキャップに取り付ける。本例の場合、ボルト２６・ナット２７で締め付けて強固にびんを保持できるので、ビードやキャップの下側以外の、突条の存在しない部分を保持することもできる。

図６は保持手段４の他例で、上段に平面図、下段に断面図を示している。この保持手段４は、中央に孔２８ａを有するベース板２８と、内側中央部分に山形の凹部２９ａを有する２枚のスライド板２９からなる。スライド板はボルト２６・ナット２７でベース板２８に固定されるが、ボルトを緩めることで同図の矢印に示すように左右方向にスライドすることができる。凹部２９ａの中にびんの保持する部分を入れ、その径に合わせてスライド板２９をスライドさせた後ボルト２６を締めてスライド板を固定することで、びんを保持する。この保持手段は、保持する部分の種々の径のびんに対して使用することができる。

図７は、図１の試験装置を用い、びん外底面の中心位置に歪みセンサを貼り付け、錘を落下させた場合の衝撃エネルギー（落下エネルギー）とびん底面の歪み（変形量）の関係を測定した結果を示している。
なお、びんは容量１１０ｍｌの市販品製品（飲料が充填され、金属キャップが装着されているもの）を用い、クッション材はシリコーンを主原料とする軟らかいゲル状（ＪＩＳ Ｋ ２２０７の針入度５５、ヤング率１１９．５ｋＰａ）で大きさ１.５ｃｍ×１.５ｃｍ×１ｃｍのものを４個用いた。

図７において、縦軸は錘落下時に内容物のウォ−タハンマ現象で発生する歪をセンサにて測定した電圧で、びん底面の歪み量に対応している。横軸は衝撃エネルギー（＝落下エネルギーｍｇｈ）である。衝撃エネルギー１〜５Ｊについて１Ｊ間隔で測定し、各衝撃エネルギーについて５回の試験を行った。図中、四角印が平均値で、上下の短い横線がバラツキの範囲を示している。
同図に示されるように、本発明の方法によれば、錘落下による衝撃エネルギー（落下エネルギー）とびんの歪みはほぼ正比例の強い相関関係にあり、錘落下による衝撃が確実にびんに伝達され、錘の落下エネルギーに見合った大きさのウォータハンマ現象が起こっていることが確認できる。したがって、本発明方法によれば正確にウォータハンマ強度を試験することができる。

図８は比較例の試験方法の説明図である。クッション材３の上に敷き板１４を載せ、その上に内容物を充填しキャップを装着したびん１を載せ、上から錘５を落下させる。
図８の比較例の試験方法について、図７の測定と同じびん、同じクッション材を用い、びん外底面の中心位置に歪みセンサを貼り付け、錘を落下させた場合の衝撃エネルギー（落下エネルギー）とびん底面の歪み（変形量）の関係を測定した。その結果を図９に示す。図中、四角印が平均値で、上下の短い横線がバラツキの範囲を示している。
同図に示されるように、比較例においては、びん底面歪み量の平均値が衝撃エネルギー３Ｊのときに最大となり、４Ｊ以上では減少している。これは、錘が落下した衝撃でびんが傾くなどして、錘落下による衝撃エネルギーが確実にびんに伝達されないためと考えられる。したがって、比較例の試験方法では、正確にウォータハンマ強度を試験することはできない。

本発明方法においては、びんをその重心より上で保持しびんを空中に吊り下げた状態で錘を落下させるので、錘落下の衝撃を受けたびんの挙動が安定しており、錘落下による衝撃エネルギーが確実にびんに伝達される。

図１０は、肉厚分布の異なる３種類のびん（いずれも容量１１０ｍｌの市販品で飲料が充填され、金属キャップが装着されているもの）について、本発明のウォータハンマ強度試験方法の試験結果と、図１１の日本ガラスびん協会の「ウォーター・ハンマー試験方法」の試験結果を対比したものである。
本発明方法は図１の試験装置を用い、クッション材はシリコーンを主原料とする軟らかいゲル状（ＪＩＳ Ｋ ２２０７の針入度５５、ヤング率１１９．５ｋＰａ）で大きさ１.５ｃｍ×１.５ｃｍ×１ｃｍのものを４個用いた。肉厚分布の異なるびん（肉厚分布Ａ，Ｂ，Ｃ）のそれぞれについて各１０本のびんのウォータハンマ強度を試験した。試験は、重さ４.０８１７ｋｇの錘を用い、はじめの落下高さを２.５ｃｍとし、それから１.２５ｃｍ間隔で落下高さを増やし、びんが割れたときの落下エネルギー（ｍｇｈ）を「単品ウォータハンマ試験強度」とした。
日本ガラスびん協会の「ウォーター・ハンマー試験方法」では、５０本ガラスびんを段ボール箱に詰めたものと試料とし、肉厚分布Ａ，Ｂ，Ｃのびんのそれぞれについて、５個の試料のウォータハンマ強度を試験した。はじめ３０ｃｍの落下高さから上ダミーを試料の上に落とし、５ｃｍ間隔で落下高さを増やし（落下高さが６０ｃｍ以上は１０ｃｍ間隔）、試料中のガラスびんが１本でも破損したときの落下高さを「包装貨物試験ウォータハンマ落下強度」とした。
図１０の肉厚分布Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれについて、左側の四角印が「包装貨物試験ウォータハンマ落下強度」の平均値、右側の丸印が「単品ウォータハンマ試験強度」を示し、その上下の短い横線がバラツキの範囲を示している。

図１０に示されるように、「単品ウォータハンマ試験強度」と「包装貨物試験ウォータハンマ落下強度」とはほぼ対応した関係にあるので、「単品ウォータハンマ試験強度」を測定すると共に、包装の仕様を考慮し、「包装貨物試験ウォータハンマ落下強度」を推定することができる。

実施例の試験装置の断面説明図である。 他の実施例の試験装置の断面説明図である。 保持手段の例の平面説明図である。 保持手段の固定手段の例の説明図である。 保持手段の他例の平面説明図である。 保持手段の他例の説明図である。 実施例の試験方法における衝撃エネルギーとびん底部の歪みの関係の説明図である。 比較例の試験方法の説明図である。 比較例の試験方法における衝撃エネルギーとびん底部の歪みの関係の説明図である。 実施例の試験方法と包装貨物としての試験方法を対比する説明図である。 包装貨物としての試験方法の説明図である。

符号の説明

１ びん
２ 固定台部
３ クッション材
４ 保持手段
５ 錘
６ 基台
７ 柱部
８ ガイド
９ ストッパ
１０ 底板
１１ 保護板
１２ スペーサ
１３ 固定手段
１４ 敷き板
１５ 落下試験機
１６ 落下面
１７ 試料台
１８ 下ダミー
１９ 試料
２０ 上ダミー
２１ 内孔
２２ 板材
２３ アーム
２４ 先端部
２５ パッキン材
２６ ボルト
２７ ナット
２８ ベース板
２９ スライド板

Claims (7)

1. 固定台部の上にクッション材を介して保持手段を設け、該保持手段で内容物を充填しキャップを装着したびんをその重心よりも上で保持して該びんを空中に吊し、前記キャップの上に直接又は間接的に錘を落下させてびんに衝撃を与え、その落下エネルギーを徐々に増やしながら複数回錘の落下を繰り返し、びんが割れたときの錘の落下エネルギーに基づいてびんのウォータハンマ強度を試験することを特徴とするガラスびんのウォータハンマ強度試験方法。
2. 固定台部と、該固定台部に載置されたクッション材と、該クッション材の上に載置され、内容物を充填してキャップを装着したびんをその重心より上で保持して該びんを空中に吊す保持手段と、前記キャップの上に落下させてびんに衝撃を与える錘とを有することを特徴とするガラスびんのウォータハンマ強度試験装置。
3. 請求項２の試験装置において、前記固定台部が、基台と該基台から立設した柱部とを有するフレームの、前記柱部から側方に張り出し形成された、貫通穴を有する板状体であり、前記保持手段によって空中に保持されたびんが前記貫通穴の中に挿通して設けられるガラスびんのウォータハンマ強度試験装置。
4. 請求項２の試験装置において、前記固定台部が複数の柱材であり、前記保持手段によって空中に保持されたびんが前記柱材の間に位置するように設けられるガラスびんのウォータハンマ強度試験装置。
5. 請求項２の試験装置において、前記固定台部が筒状材であり、前記保持手段によって空中に保持されたびんが前記筒状材の中に位置するように設けられるガラスびんのウォータハンマ強度試験装置。
6. 請求項２〜５のいずれかの試験装置において、前記キャップを覆い、かつ、下面がキャップ上面に接触するように保護板を設け、前記錘を該保護板上に落下させ、該保護板を介して間接的に前記キャップ上に錘を落下させるガラスびんのウォータハンマ強度試験装置。
7. 請求項２〜６のいずれかの試験装置において、前記錘がシャフトの下端に錘本体を形成したものであり、前記錘が所定の軌道を上下するように前記シャフトが挿通するガイドを設けたウォータハンマ強度試験装置。

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