JP4652039B2 - 充填バルブ - Google Patents

Description

本発明は、飲料水等の液体をＰＥＴボトルやボトル缶等の容器に充填する回転式充填装置の充填バルブに関する。

飲料水等の液をＰＥＴボトルやボトル缶等の容器に充填するには、通常回転式充填装置が用いられ、回転する円板の外周部に設けられた複数個の充填バルブを通して円板がほぼ１回転する間に充填している。
通常、炭酸ガスを含む飲料（以下ガス入り液と呼ぶ）の場合には、容器を密閉状態にしてカウンターガスの圧力下で充填し、ガスを含まない飲料（以下ノンガス液と呼ぶ）の場合には容器を開放して大気圧下で行われる。

従来のノンガス液用充填バルブの構成について説明する。
図８はノンガス液の充填に用いる従来の充填バルブの概略を示す側断面図である。図８において、充填バルブ１は中心部に縦長の孔を有するバルブ本体２と、この縦孔の中に遊嵌された縦長の弁棒３を上下動可能に収納しており、バルブ本体２の縦孔の内周面と弁棒３の外周面との間に上下に走る筒状の液通路４が形成されている。
バルブ本体２の上部は液供給口７及びダイアフラム９を備え、下部には若干径が大きくなった弁室の下部に下向きに狭まる凹錐面状の弁座２ａを備え、その下側にノズル（液吐出口）５及び必要に応じてフィルタ６を保持している。

弁棒３は下部に、外径が下方へ漸増する弁体３ａを形成し、弁体３ａの下部には外径が下方へ漸減する凸錐面状のシール部３ｂを備えており、バルブ本体２の下部に設けられた弁座２ａとで液通路４を開閉する液弁８を形成している。弁棒３の上部はダイアフラム９の中央を貫いてこれと結合し、さらにバルブ本体２の上部壁を貫いて外部に突出し、継手金具を介してエアシリンダ１０に連結しており、筒状の液通路４の上側は直角に曲がって液供給口７となり、液供給配管によって図示省略の貯液タンクの液層と繋がっており、下側は径を狭めて円柱状になってノズル５に繋がっている。
１１は充填バルブ１を充填装置の回転円板に取付けるブラケット、１２は容器１３を把持して上下動する容器ホルダである。

ノンガス液用充填バルブの作用について説明する。
充填バルブ１はエアシリンダ１０によって弁棒３が下側に押され、液弁８が図８の２点鎖線の如く閉じた状態となっている。
図示省略の搬送装置によって充填バルブ１の真下の所定の位置に容器１３が送られると、容器ホルダ１２が容器１３の首部を把持してノズル５の下の適宜の距離を隔てた所定の高さまで持上げる。次いでエアシリンダ１０によって弁棒３が引上げられて液弁８が開き（図８の実線参照）、液供給口７から供給される液は自重によって実線で示す矢印の方向に流れ、ノズル５から自由落下して容器１３の中に充填される。ノズル５を離れた液は速度を速めて縮流となって容器の底へ落下して溜まって行き、容器１３内の空気を順次押出し、押出された空気は破線で示す矢印の方向に流れ、入ってくる液の外側と容器口の内周面の間を通って外部に出て行く。所定の量の液が充填されると、エアシリンダ１０によって弁棒３を下降させ液弁８を閉じて充填を終了し、次いで容器ホルダ１２が下降して容器１３は次の工程に送られて栓をされる。

従来のガス入り液用充填バルブの構成について説明する。
図９は従来のガス入り液の充填バルブの下部を示す側断面図である。
図９において、２１は充填バルブで、充填バルブ２１は、従来のノンガス液用の充填バルブ１と類似の構成であり、２２はバルブ本体、２３は弁棒、２４は液通路、２５はノズルである。充填バルブ１と異なるのはガス通路と容器１３の密閉手段を備えている点である。
バルブ本体２２は、下部に排ガス通路３１、シール部材３２を備えており、排ガス通路３１の下側は液通路２４の下端部に開口し、上側は２つに分岐し、一方はガッシング弁及びガッシングチャンバーを通り、他方はスニフト弁及びスニフトチャンバーを通り排気配管を経て外気に開放されている。シール部材３２はベルリング３３によってバルブ本体２２の下面に固定されている。弁棒２３は下部に弁体２３ａを備えていて、この弁体２３ａの下面のシール部２３ｂとバルブ本体２２の下端部に設けられた弁座２２ａとで液通路２４を開閉する液弁２８を形成する。弁棒２３の下端にはスプレッダ３４を備えており、弁棒２３の中心部にはスプレッダ３４を含めカウンタガス通路３５が設けられている。カウンタガス通路３５の上部は図示省略の開閉弁を経て貯液タンクの気層に繋がっている。スプレッダ３４の下部はシール部材３２の下側に突出しており下端は錐面状に下向きに広がっている。

ガス入り液用充填バルブの作用について説明する。
充填バルブ２１の真下に容器１３が搬送されると図示省略の容器ホルダがこれを把持して持上げ、容器口の上端面を充填バルブ２１の下面に設けたシール部材３２に当接させて、容器１３の内部を外気と遮断した密閉状態とする。スプレッダ３４は容器１３内に挿入された状態になる。図示せぬ開閉弁によってカウンターガス通路３５を開くと同時に図示せぬガッシング弁によって排ガス通路３１を開き、カウンターガス通路３５を通して図示省略の貯液タンクの気層から圧力の高いカウンタガスを導き、容器１３内の空気を排ガス通路３１及び図示せぬガッシングチャンバを通して外気に排出して容器１３内の空気をカウンターガスと置換し、次いで排ガス通路３１を閉じて容器１３内の圧力をカウンターガス圧と平衡させる。

次いで、液弁２８を開いて液を自重で落下させて充填するが、下端のノズル２５から出た液はスプレッダ３４に沿って筒状に落下し、スプレッダ３４の下端の円錐面部で外側に広げられ、容器１３の内面に当たってこれを伝わって底部に落下して溜まっていく。中に閉込められたガスは、スプレッダ３４の中心を走るカウンタガス通路３５を通って貯液タンクの気層に戻される。所定量の液が充填されたら液バルブ２８を閉じ、図示せぬスニフト弁を開いて容器１３内の上部に残るガスを排ガス通路３１を通して外気に放出して大気圧に戻し、容器１３を下降させて次の工程に送る。
図中実線の矢印、及び破線の矢印は、それぞれ液、及び空気の流れる方向を示している。

ガス入り液の充填では容器を密閉して行い、容器内のガスの置換、充填中のガスの戻り、及び充填後のガス圧の解放のためにガス通路を必要とし、又ガスの置換及びガス圧の開放にかかる時間を得るために、泡立ちを抑えながら充填流量を大きくする必要があって、スプレッダが用いられてきたが、最近、ノンガス液の充填と同様のノズルを用い、ガスの通路をノズルの周囲に設けた構成の充填バルブが提案されている。（以下この充填装置をスプレッダレス充填バルブと呼ぶ）（特許文献１の図２を参照）
特開２００４−２１７２４６号公報

上記従来例の充填バルブ１（図８）、充填バルブ２１（図９）、あるいはスプレッダレスの充填バルブでは、液通路４（以下充填バルブ１の場合で説明する）を開閉する液弁８は弁体３ａの下部の下側が狭まる凸錐面状のシール部３ｂとバルブ本体２に設けられた下側が狭まる凹錐面状の弁座２ａとで形成されているので、液の充填が終了して液弁８を閉じるとき弁体３ａが降下して、弁体３ａの下側の液通路４に残っている液を下側に押出すことになり、液の流速が速くなって流れが乱れて飛散して容器口を汚したり、充填液面を叩いて泡を発生させたりする第１の問題がある。なお、弁体より上方に液弁を配置して、弁体を上昇させて液弁を閉じる方式の充填バルブが特許文献２に開示されている。しかしながら、液通路内の液の流動に関しては、何も具体的な説明は開示されていない。
特公平７−１０２８４１号公報

また、ノンガス液の充填バルブ１、又はガス入り液のスプレッダレス充填バルブでは、充填の初期に液の自由落下距離が大きく、特に容器の底が山形に盛上がった形状のものがあり、充填する液や容器１３の種類によっては、ノズル５を出て自由落下して容器の底に衝突した液が周りの空気を巻込んで泡を生じ、、この泡が充填が進んで上昇し、容器の口部を汚して衛生上の問題となるほか、カウンタガス通路を塞いだりする第２の問題がある。
本発明は、これらの２つの問題を解決する充填バルブを提供することを目的としている。

上記の問題点に対し、本発明は以下の各手段により課題の解決を図る。
液体充填装置の回転円板の外周部に設けられる充填バルブのバルブ本体の中心に設けた縦長の孔に、縦長で下部に弁体を備えた弁棒を上下動自在に装着し、前記バルブ本体の縦長の孔の内面と前記弁棒の外周面とで液通路を形成し、前記弁体の上部に設けた上側に狭まる凸錘面状のシール部と、前記バルブ本体の縦長の孔に設けた上側に狭まる凹錘面状の弁座によって、前記弁棒が上昇したときに閉じ、下降したときに開く液弁を形成した充填バルブにおいて、前記液通路の下端に設けた液吐出口のノズルの円形断面の中心線を途中から垂直線に対して角度βだけ前記回転円板の半径方向の外向きに傾斜させ、先端周縁を水平な面上に置いた楕円形とするとともに尖らせた形状とし、傾斜させた前記ノズルの先端を、液体が充填される容器の中央部から反らして前記容器の内側壁に向けて配置する充填バルブ。

液体充填装置の回転円板の外周部に設けられる充填バルブのバルブ本体の中心に設けた縦長の孔に、縦長で下部に弁体を備えた弁棒を上下動自在に装着し、前記バルブ本体の縦長の孔の内面と前記弁棒の外周面とで液通路を形成し、前記弁体の上部に設けた上側に狭まる凸錘面状のシール部と、前記バルブ本体の縦長の孔に設けた上側に狭まる凹錘面状の弁座によって、前記弁棒が上昇したときに閉じ、下降したときに開く液弁を形成した充填バルブにおいて、前記液通路の下端に設けた液吐出口のノズルの円形断面の中心線を途中から垂直線に対して角度βだけ前記回転円板の半径方向の外向きに傾斜させ、下端の先端を前記傾斜した中心線に直角な面上に置いた円形とするとともに尖らせた形状とし、傾斜させた前記ノズルの先端を、液体が充填される容器の中央部から反らして前記容器の内側壁に向けて配置する充填バルブ。

本発明では、液の充填が終了して液弁が閉じるときには弁体は上側に移動するので、弁体の上側の液は上側に押され、弁体の下側の液通路の体積は大きくなり、ノズルから吐出される液の流速は減速され、従来見られた問題は生じないとともに、充填を終了して液弁が閉じた場合にノズル近傍に残る液は、表面張力によってノズルの水平面に対して角度αだけ傾斜した下端面の下側に集まって落下し易くなり、不安定な状態でノズルに残る液が無くなり、従来見られた問題は生じなくなる。
請求項１，２に係る発明では、液体充填装置の回転円板の外周部に設けられる充填バルブから液を充填中、液の流れの方向はノズル部で鉛直方向から角度βだけ回転円板の半径方向の外向きに傾斜した方向に曲げられ、ノズルを離れた液は放物線を描いて落下し、容器の中央部から離れた位置で容器の底に衝突するか、又は底に近い容器の内側壁に鋭角で衝突した後内壁を伝わって落下して底に達するか、さらに又容器の首部の内壁に衝突して、容器の曲面を伝わって巾を広げながら底に達するか、の経路をとり、何れも泡の発生を押さえることが出来る。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図１〜図４によって説明する。
図１は本発明をノンガス液用充填装置に適用した充填バルブ４１の縦断面図、図２は図１の充填ノズル部の拡大図、図３はガス入り液用充填装置に適用した充填バルブ５１の縦断面図、図４は図３の充填ノズル部の拡大図である。以下、図８との差異について説明する

ノンガス液充填の場合の構成について説明する。図１に於いて、４１は充填バルブで、４２はそのバルブ本体、４３は弁棒、４３ａは弁棒４３の下部に形成された弁体であり、４４はバルブ本体４２の中心部に設けられた縦長の孔の内周面と弁棒４３の外周面の間に形成された筒状の液通路である。バルブ本体４２は上部本体４２ａ、下部本体４２ｂ、及び漏斗部４２ｃとで形成されており、上部本体４２ａの上部は液供給管と連結する液供給口４７を備え、下部は径を広げて弁室を形成した後、下方に狭まる漏斗部４２ｃによって、液通路４４を小径の円柱状の通路に絞っている。下部本体４２ｂは、漏斗部４２ｃを保持すると共にノズル４９及び必要に応じてフィルタ６を保持している。

弁体４３ａは上部に上向きに狭まる凸錐面状のシール部４３ｂを備えていて、上部本体４２ａの下部の内側に設けられ上向きに狭まる凹錐面状の弁座４２ｄとで液弁４８を形成している。弁棒４３の上端は、ダイアフラム９を貫いてこれと結合し更に上部本体４２ａの上部壁４２ｅを貫いて、継手を介してエアシリンダ１０と連結している。１１は充填バルブ４１を充填装置の回転円板に取付けるブラケット、１２は容器１３を把持して上下動する容器ホルダである。

ノンガス液の充填の場合、容器１３内に所定の量の液が充填されると、液面は容器１３の入口の近くまで上昇しており、エアシリンダ１０によって弁棒４３が引上げられ、弁体４３ａのシール部４３ｂが上昇して上部本体４２ａの弁座４２ｄに当接して液弁４８を閉じる。閉じるときにはシール部４３ｂは上側に接している液を上方に押して流れを減速し、また弁体４３ａの下側の液通路の体積は増加するので、ノズル４９から吐出される液の流れは減速されながら止められ、従来（特許文献１のノズル７０）のように速度を速めて液面と強く衝突したり、横に飛散って容器口を汚したりすることはない。図２に示すように ノズル４９は、従来例のノズル５の下端が形成する円形が、水平面に対して角度α（実験によれば１０°〜１５°が最適である。）だけ傾斜して楕円形になっていて、充填を終了して液弁が閉じた場合にノズル近傍に残る液は、表面張力によってノズルの傾斜した下端面の下側に集まって落下し易くなり、不安定な状態でノズルに残る液が無くなり、従来見られた問題は生じなくなる。

ガス入り液充填の場合、図３及び図４に於いて、５１はガス入り液の充填バルブで、５２はバルブ本体、５３は弁棒、５３ａは弁体、５４は液通路、５８は液弁、９はダイアフラム、５７は液供給口である。液通路５４の下側は径を広げて弁室を形成した後、径を狭めて円柱状となってバルブ本体５２の下端に形成されたノズル５９を通って斜め下方に開口している。
バルブ本体５２は複数の部材で構成されており、弁室の上部はシール材によって弁座５２ａを形成しており、下部の液通路５４の開口部はノズル５９を形成している。５２ｂ及び５２ｃはノズル５９の外側に形成された互いに対向する巾の狭い半円筒状のガス通路で、両者の下端はバルブ本体５２の下端面に開口し、ガス通路５２ｂの上側はカウンタガス通路６１となってカウンタガス切換弁６２を経て図示省略の貯液タンクの気層部に繋がっている。ガス通路５２ｃの上側は排気通路６３となり、排気通路６３は２つに分岐して、一方はガッシングガス切換弁６４及びガッシングガスチャンバ６５を経て外気に繋がり、他方はスニフトガス切換弁６６及びスニフトガスチャンバ６７を経て外気に繋がっている。１１はバルブ本体５２を保持するブラケットで、排気通路６３はこの中を通っている。
又、バルブ本体５２の下端面には、ガス通路５２ｂ及び５２ｃの外側に容器１３の上端と当接して容器１３の内外を密封するためのシール部材６８が設けられている。
弁棒５３の下端部は径を広げて弁体５３ａを形成し、弁体５３ａの上側は下向きに広がる凸錐面状のシール部５３ｂを形成し、下側は下向きに狭まる凸錐面を形成していて、シール部５３ｂとバルブ本体５２側の弁座５２ａとで弁体５３ａが上昇したときに閉じ、下降したとき開く液弁５８を形成している。ノズル５９の下端部の形状は、ノズル４９と同じ形状となっている。

上記構成の充填バルブ５１の作用を説明する。シリンダ１０によって弁棒５３を引上げて液弁５８を閉じておき、カウンタガス切換弁６２、ガッシングガス切換弁６４及びスニフトガス切換弁６６も閉じておく。充填バルブ５１の下に容器１３が搬入されると、容器ホルダ１２が容器１３の首部を把持して上昇し、容器１３の口部上端面をバルブ本体５２の下端のシール部材６８の下面に当接させ、容器１３の内外を遮断密閉する。
次に、カウンターガス切換弁６２を開いて、図示省略の貯液タンクの気層部からカウンタガス通路６１を通して容器１３内に高圧のガスを吹込み、同時にガッシングガス切換弁６４を開いて容器１３内の空気を排気通路６３からガッシングチャンバ６５を経て外気に排出し、容器１３内の空気をガスと置換する。次いでガッシング切換弁６４によって排気通路６３を閉じて容器１３内の圧力を貯液タンクの圧力と平衡させる。

次いで、シリンダ１０によって弁棒５３を下降させて液弁５８を開く。貯液タンクの液は自重によって液供給口５７、液通路５４、ノズル５９を通って容器１３内に注入される。
図示省略の流量計によって計測された液の充填量が所定量に達したら、液弁５８を閉じて充填を止める。次にスニフトガス切換弁６６を開き、容器１３の上部のヘッドスペースに残ったガスを排気通路６３からスニフトチャンバ６７を経て外気に排出して圧力を大気圧に戻し、充填を終了する。ノズル５９の下端部の形状に基づく作用、効果は前記したノズル４９の場合と同様である。

図１に示す充填バルブ４１では取換式のノズル４９を、図４に示す充填バルブ５１ではバルブ本体５２と一体に形成したノズル５９を装着した場合を示したが、ノズル４９及びノズル５９の特徴はノズル下部の形状にあり、自重で自由落下させる他の充填バルブにも適用することが出来る。
（第２の実施の形態）

図５に示すノズル１４９は、上部が鉛直な円筒状のパイプで、下部の適宜の鉛直長さの間は鉛直方向から角度βだけ傾斜しており、下端の周縁は水平面上にあって（平面形は楕円形となる）先端部は外側が面取りされて尖っている。実験によれば、角度βは１０°〜１１°が適当であり、適宜の鉛直長さは特に制限はないが比較的に短い長さ（例えば１ｍｍ以上）で足りる。
（第３の実施の形態）

図６に示すノズル２４９はノズル１４９において下端の周縁部を傾斜した中心線に直角な面上に置いたもので（断面は円形となる）、周縁部は水平面に対して傾斜し、先端部は外側を面取して尖らせてある。図７は、図４のノズル５９に替えてノズル１５９を取付けた場合を示す。ノズル１５９の先端形状は、ノズル２４９と同じである。
傾斜の角度β及び傾斜に沿った傾斜部の長さについてはノズル１４９と同様である。なお、ノズル１４９、２４９、、１５９の充填バルブへの取付は、傾斜方向が充填装置の回転円板の半径方向の外向きとする。

第２の実施の形態と第３の実施の形態において、貯液タンクと容器内の圧力は、ノンガス液の充填の場合は大気圧で，ガス入り液の充填の場合はガス圧で、何れも平衡させて行うので、ノズルと容器口の距離が異なる点を除きノズル１４９、２４９、１５９の作用はほぼ同様である。よって、ノズル１４９を例にして説明する。
ノズル１４９を出る液の流れはノズル１４９の下部の傾斜によって鉛直方向から適宜の角度βだけ傾斜した方向に曲げられ、ノズル１４９を離れた後中心部は放物線を描いて速度を速めながら縮流となって落下し、容器１３の底の中央部から離れた位置で容器１３の底に衝突するか、又は底に近い容器１３の内側壁に鋭角で衝突した後内壁を伝わって落下して底に達するか、さらに又容器の首部の内壁に衝突して、容器１３の内壁の曲面を伝わって巾を広げながら底に達するか、の何れかの経路をとり、液は容器１３の底に溜まっていく。何れも容器１３の底の隆起した部分に衝突することはなく、泡の発生を押さえることが出来る。容器１３の首部の内壁に衝突させる場合には、容器１３の上部から内壁を伝わって流れるので、スプレッダを用いた場合と類似の状態となる。
ノズル２４９、１５９の場合は、下端周縁が水平面に対して傾斜しているので、液弁を閉じたときの液切れが良く、ノズル２４９、１５９内に残る液の量を小さくし、液垂れを防止できる効果がある。

本発明の第１の実施の形態に係るノンガス液用充填装置に適用した充填バルブの縦断面図である。 図１の充填ノズル部の拡大図である。 ガス入り液用充填装置に適用した充填バルブの縦断面図である。 図３の充填ノズル部の拡大図である。 本発明の第２の実施の形態に係るノンガス液用充填装置に適用した充填バルブの充填ノズル部の拡大図である。 本発明の第３の実施の形態に係るノンガス液用充填装置に適用した充填バルブの充填ノズル部の拡大図である。 本発明の第３の実施の形態に係るガス入り液用充填装置に適用した充填バルブの充填ノズル部の拡大図である。 従来のノンガス液用充填バルブの縦断面図である。 従来のガス入り液用充填バルブの縦断面図である。

符号の説明

４１、５１ 充填バルブ
４２、５２ バルブ本体
４２ｄ、５２ａ 弁座
４３、５３ 弁棒
４３ａ、５３ａ 弁体
４３ｂ、５３ｂ シール部
４４、５４ 液通路
４８、５８ 液弁
２４９ ノズル

Claims (2)

1. 液体充填装置の回転円板の外周部に設けられる充填バルブのバルブ本体の中心に設けた縦長の孔に、縦長で下部に弁体を備えた弁棒を上下動自在に装着し、前記バルブ本体の縦長の孔の内面と前記弁棒の外周面とで液通路を形成し、前記弁体の上部に設けた上側に狭まる凸錘面状のシール部と、前記バルブ本体の縦長の孔に設けた上側に狭まる凹錘面状の弁座によって、前記弁棒が上昇したときに閉じ、下降したときに開く液弁を形成した充填バルブにおいて、前記液通路の下端に設けた液吐出口のノズルの円形断面の中心線を途中から垂直線に対して角度βだけ前記回転円板の半径方向の外向きに傾斜させ、先端周縁を水平な面上に置いた楕円形とするとともに尖らせた形状とし、傾斜させた前記ノズルの先端を、液体が充填される容器の中央部から反らして前記容器の内側壁に向けて配置することを特徴とする充填バルブ。
2. 液体充填装置の回転円板の外周部に設けられる充填バルブのバルブ本体の中心に設けた縦長の孔に、縦長で下部に弁体を備えた弁棒を上下動自在に装着し、前記バルブ本体の縦長の孔の内面と前記弁棒の外周面とで液通路を形成し、前記弁体の上部に設けた上側に狭まる凸錘面状のシール部と、前記バルブ本体の縦長の孔に設けた上側に狭まる凹錘面状の弁座によって、前記弁棒が上昇したときに閉じ、下降したときに開く液弁を形成した充填バルブにおいて、前記液通路の下端に設けた液吐出口のノズルの円形断面の中心線を途中から垂直線に対して角度βだけ前記回転円板の半径方向の外向きに傾斜させ、下端の先端を前記傾斜した中心線に直角な面上に置いた円形とするとともに尖らせた形状とし、傾斜させた前記ノズルの先端を、液体が充填される容器の中央部から反らして前記容器の内側壁に向けて配置することを特徴とする充填バルブ。

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