JP5068751B2 - 三位置バルブロッドを有する充填バルブ - Google Patents

Description

本発明は、飲料などの充填液体を容器に充填するための充填バルブ、そのような充填バルブを含む充填機、および容器の充填方法に関する。

本発明は、飲料の瓶詰めの分野に関するが、この特定の技術分野に限定されない。ここでは、外部物質による液体の汚染を最小限にするために、絶えず最大限の無菌充填条件が必要とされている。無菌状態は、たとえば牛乳の瓶詰め、特に生乳の瓶詰めの場合には重要な課題となり得る。

充填機の設計では、常に生産率と無菌状態との間の妥協点を見つける必要がある。

一方では生産率においては、液体は最大流量で容器に供給される必要がある。

たとえば、欧州特許第１３１０４５４号明細書（特許文献１）には、プラグが摺動可能に装着された中空体と、プラグ用の案内手段と、中空体に形成されている液体用の通路とを含むバルブユニットが開示されている。バルブプラグは、加圧室に関連付けられたピストンと一体化されている。十分な圧力において加圧室に圧縮空気を導入すると、ピストンが上昇して突出部を開放状態にし、それにより充填液体を容器に充填する。そのような構造では、液体流量は、充填操作中のピストンの上昇高さに依存する。

理論上は、流量を最大にするためには、ピストンは最大高さに上昇する必要がある。

しかし、他方では、無菌状態を保つためには、容器の環境が可能な限り清浄であることを必要とする。特に、機械へのいかなる液滴も、細菌が発生する基質となり得るので、はねたり溢れたりすることは最小限にする必要がある。このような理由で、充填液体を可能な限り非常に正確に容器に供給する必要がある。

欧州特許第１３１０４５４号明細書（特許文献１）では、バルブプラグは、容器の口部に液体を案内するために、先端アーチ形（ｏｇｉｖａｌ）の円錐形端部である先端部を有する。さらに、バルブプラグには放射状のフィンが設けられて、液体を安定させ、そのねじれ運動を回避する。

流体を層流で容器に供給するにもかかわらず、液体レベルが首部近傍の一部に集中する容器の上部に達すると、乱流が生じる。溢れないようにするための第１の一般的な解決法は、液体流量を制限して容器の乱流を最小限にすることにある。このような解決法の主な欠点は、これが疑いようもなく生産率に影響を及ぼすことである。第２の解決法は、液体レベルが首部から十分に距離が離れている時に充填を停止することにある。この解決法は、主に２つの欠点がある。第１に、容器の寸法を大きくする必要があり、これは材料を消費する。第２に、充填容器には顕著な上部空気量があり、顧客が、容器は充填不足であると思い、それゆえ別の供給業者を使用するようになることである。このような理由で、生産率の悪化をもたらすにもかかわらず、第１の解決法が好ましい場合が多い。
欧州特許第１３１０４５４号明細書

本発明の目的は、上述の既存の充填バルブの欠点を克服する充填バルブを提供することにある。

提案される充填バルブは、
−バルブシートを有する中空ハウジングと、
−ハウジング内に摺動可能に装着され、かつシール面を有する可動バルブロッドであって、前記可動バルブ組立体および前記中空ハウジングが共に液体室を規定する、可動バルブロッドと、
−前記液体室を液体供給管と連通させる液体入口と、
−前記バルブロッドを、前記シール面が前記バルブシートから離間しているため液体用の通路を形成する第１の完全開放位置にする手段と、
−前記バルブロッドを、前記シール面が前記バルブシートと封止接触しているため前記通路を閉鎖する第２の閉鎖位置にする手段と、
−前記バルブロッドを、前記シール面がバルブシートから離間しているが完全開放位置の場合よりもバルブシートの近くにある第３の所定の半開放位置にする手段と、
を含む。

このバルブの操作は、液体の容器への新規の充填方法をもたらし、これは、
−容器に、第１の所定量の液体を第１の所定流量において導入する工程と、
−容器に、第２の所定量の液体を、第１の流量よりも低い第２の所定流量において導入する工程と、
を含む。

従って、第１の段階では、液体を容器に高流量において供給する。第２の段階では（実際には、容器の液体レベルが首部付近の一部に集中する部分に達したら直ぐに）、液体を低流量において供給する。これにより、生産率を最大にしつつも、溢れることがないようにする。

本発明の上述および他の目的および利点は、添付の図面と併せて考慮される好ましい実施形態の詳細な説明から明らかとなる。

図面を参照すると、ジュース、牛乳、お茶などの非加圧の（ノンガス）充填液体を容器２に充填するための充填機１を部分的に示す。

充填機１は、
−液体が実質的に一定のレベルに維持される貯留タンク（図示せず）、
−複数の周囲容器支持構造部４（図面にはその１つを部分的に示す）を備えたプレート３を有する回転台（ｃａｒｒｏｕｓｅｌ）、
−複数の対応する充填バルブ５、
−貯留タンクと各充填バルブ５とを流量計７を介して連通させるための複数の放射状の液体供給管６、
を含む。

容器支持構造部４は支持アーム８を含み、その放射状端部９は、容器２のカラー１０と協働するためにフォーク状となっていて、それゆえ容器は、対応する充填バルブ５を通して充填されるように適所に保持される。

充填バルブ５は、主縦軸Ｘの周りに形成されかつ底部にアパーチャ１３を形成するように開口した、内腔部１２を有するシリンダー状の中空ハウジング１１と、主軸Ｘに沿ってハウジング１１内に摺動可能に装着された可動バルブロッド１４とを含む。

ハウジング１１は、２つの重なった中空段階、すなわち腔部１２を形成している中空体１５と、上方に装着されかつ環状のクランプ１７によって中空体１５に着脱可能に取り付けられる中空頭部１６とを含む。

バルブロッド１４および中空体１５は共に、バルブロッド１４の外周と腔部１２の内周との間に形成された液体室１８を規定する。

図に示すように、バルブロッド１４は貝殻状であり、液滴防止の、先の尖った先端部２０を有する円錐形の下部１９を有する。円錐形の下部１９は、充填操作中に充填液体のいかなるねじれ運動も防止するために、腔部１２の内周と協働する複数の放射状のフィン２１も有する。

バルブロッド１４は、半径方向に拡張された上部２２を有し、その上部は、バルブロッド１４の閉鎖位置において（図１に示す）、中空体１５に形成された対応する円錐状のバルブシート２５に液密式に当接するシール要素２４によって形成された、環状に接触するシール面２３を規定する。

バルブ５は、液体室１８を液体供給管６と連通させるために、中空体１５に貫通孔によって形成された液体入口２６も含む。

バルブロッド１４は、ハウジング１１に対して主軸Ｘに沿って軸方向に、以下説明するような一定の状態間の下で可動である。
−シール面２３がバルブシート２５から第１の所定距離Ｄ１だけ離間しているため、液体が液体室１８から容器２へ流れるための通路２７を形成する完全開放位置（図２）、
−シール面２３がバルブシート２５と液密に接触しているため、通路２７を閉鎖し、液体が液体室１８から容器２へ流れるのを防止する閉鎖位置（図１）、および
−シール面２３がバルブシート２５から、第１の距離Ｄ１よりも小さい第２の所定距離Ｄ２だけ離間している半開放位置（図３）。換言すれば、半開放位置では、シール面２３は完全開放位置よりもバルブシート２５の近くにある。

バルブ５は、バルブロッド１４をその各位置に移動させるピストンシステム２８を含む。このピストンシステム２８は、バルブロッド１４に強固に取り付けられかつ中空頭部１６に対して主軸Ｘに沿って摺動可能に装着された第１の下部ピストン２９を含む。より正確には、バルブロッドは、上方へ突出するシャフト３０を含み、そのシャフトは、下部ピストン２９に同軸で形成された対応する腔部に挿入され、その頂部にはボルト３１が締められて、下部ピストン２９とバルブロッド１４とを共に永続的に固定している。

下部ピストン２９は、
−主軸Ｘに沿って案内スリーブ３３内に摺動可能に装着されるシリンダー状のピストン体３２であって、案内スリーブ３３は、実質的に中空体１５と中空頭部１６との間の接合部においてハウジング１１に装着されている、シリンダー状のピストン体３２、および
−中空頭部１６に形成された対応する腔部３５内に摺動可能に収容された、環状のフランジによって形成されたシリンダー状のピストン頭部３４
を含む。

ピストンシステム２８は、下部ピストン２９と同軸であるが切り離されており、かつ主軸Ｘに沿って中空頭部内に摺動可能に装着されている第２の上部ピストン３６も含む。上部ピストン３６は、
−中空頭部１６に形成された対応する腔部３８内に摺動可能に収容された、環状のフランジによって形成されたシリンダー状のピストン頭部３７、および
−腔部３５と３８との間の中空頭部１６に形成された対応する腔部４０内に摺動可能に収容されたシリンダー状のピストン体３９
を含む。

上部ピストン３６は、中空頭部１６に対して、下記の位置間で可動である。
−上部ピストン頭部３７の頂面４１が、腔部３８の上端において中空頭部１６に形成された上部ストッパ面４２に当接する上部位置（図１、２）、および
−ピストン体３９に形成された周囲肩部面４３が、腔部３８の下端において中空頭部１６に形成された下部ストッパ面４４と隣接する下部位置（図３）。
それにより上部ピストン３６は、上部ピストン３６がその上部位置にある場合（図１）に、これらの位置間に、肩部面４３と下部ストッパ面４４との間の距離と等しいストロークＳ_２を規定する。

下部ピストン２９は、中空頭部１６に対して、下記の位置間で可動である。
−下部ピストン２９が上部ピストン３６から離間している、バルブロッド１４の閉鎖位置に対応する下部位置（図１）、
−上部ピストン体３９がその上部位置にある場合に、ピストン頭部３４の頂面４５が上部ピストン体３９の底面４６に当接する、バルブロッド１４の完全開放位置に対応する上部位置（図２）、および
−上部ピストン体３９がその下部位置にある場合に、ピストン頭部３４の頂面４５が上部ピストン体３９の底面４６に当接するバルブロッド１４の半開放位置に対応する中間位置（図３）。

下部ピストン２９は、下部ピストン２９がその下部位置にあり上部ピストン３６がその上部位置にある場合（図１）に、その上部位置と下部位置との間に、ピストン頭部３４の頂面４５と上部ピストン体３９の底面４６との間の距離に等しいストロークＳ_１を規定する。

図に示すように、バルブ５は、ピストン頭部３４と中空頭部１６に形成された肩部面４８との間に挿入された下部圧縮リターンスプリング４７をさらに含み、そのスプリングは、下部ピストン２９をその下部位置の方へ永続的に偏らせる。

第１の下部加圧室４９を、案内スリーブ３３と、ピストン頭部３４の下部リターンスプリング４７の対向側との間の腔部３５に規定し、かつ第１の下部ガス注入口５０を、貫通孔によって中空頭部１６に形成して、下部加圧室４９を、中空頭部１６に接続された下部ガスダクト（図示せず）と連通させ、それにより加圧ガス（空気など）を十分な圧力で下部ガス注入口５０を通して下部加圧室４９に導入し、下部リターンスプリング４７によって下部ピストン２９にかけられた力に対向して下部ピストン２９をその上部位置の方へ偏らせる。

図に示すように、バルブ５は、下部ストッパ面４４と上部ピストン頭部３７との間に挿入された上部圧縮リターンスプリング５１も含み、それは上部ピストン３６をその上部位置の方へ永続的に偏らせる。

第２の上部加圧室５２を、中空頭部１６の上部ストッパ面４２と上部ピストン頭部３７の頂面４１（すなわち上部リターンスプリング５１の対向側）との間の腔部３８に規定し、かつ第２の上部ガス注入口５３を、貫通孔によって中空頭部１６に形成して、上部加圧室５２を、中空頭部１６に接続された上部ガスダクト（図示せず）と連通させ、それにより加圧ガス（空気など）を十分な圧力で上部ガス注入口５３を通して上部加圧室５２に導入し、上部リターンスプリング５１によって上部ピストン３６にかけられた力に対向して上部ピストン３６をその下部位置の方へ偏らせる。

バルブ５は、エラストマーなどの弾性材料でできたダイアフラム５４をさらに含み、それは液体室１８の頂部において気密および液密式にバルブロッド１４とハウジング１１とを連結して、バルブロッド１４を移動可能とする一方で、液体室１８から下部加圧室４９へのいかなる液漏れも防止し、また下部加圧室４９から液体室１８へのいかなるガス漏れも防止する。より正確には、ワッシャー状のダイアフラム５４は、下部ピストン２９とバルブロッド１４との間に封止されて（液・気密）保持される内縁と、中空体１５と案内スリーブ３３との間に封止されて保持される外周縁とを有する。

図面を参照して、図１に示すバルブロッド１４の閉鎖位置から充填操作を以下説明する。

閉鎖位置では、下部および上部加圧室４９、５２に加圧空気が導入されていないので、上部ピストン３６は上部リターンスプリング５１の付勢力下においてその上部位置にされる一方で、下部ピストン２９は下部リターンスプリング４７の付勢力においてその下部位置にされ、それによりバルブロッド１４を、シール要素２４がバルブシート２５と封止接触するその閉鎖位置にして、液体が液体室１８から容器２へ流れないようにする。液体は、バルブロッド１４をその閉鎖位置の方へ偏らせる下方に向けられた付加的な力を拡張部２２にかけることに留意されたい。

容器２の充填準備が整うと直ぐに、下部加圧室４９に加圧空気が導入される一方で、上部加圧室５２には加圧空気が導入されないので、下部ピストン２９がその上部位置に到達するまで上昇され、そこで下部ピストンは上述したように上部ピストン３６に当接し、それによりバルブロッド１４を、シール要素２４とバルブシート２５との間の距離Ｄ１が下部ピストン２９のストロークＳ_１に等しいその完全開放位置にし、液体が液体室１８から容器２へ所定の高い流量で流れるようにする。

たとえば、高流量の供給条件下において乱流が生じ得る肩部分である、一部に集中する上部部分５５の下にある容器量に対応する第１の所定量の液体を容器２に供給したら（流量計７によって測定される）、加圧ガスを同時に下部加圧室４９と上部加圧室５２とに供給し、それにより上部ピストン３６をその下部位置に変位し、下部ピストン２９をその中間位置にする。中間位置において下部ピストン２９は、上部ピストン３６、下部加圧室４９の空気圧および下部圧縮リターンスプリング４７によってかけられた力の均衡下においてブロックされる（そのような力に対して重量を無視してもよい程度と考慮する）。上部ピストン３６のストロークＳ_２が下部ピストン２９のストロークＳ_１よりも小さいので、バルブロッド１４をその半開放位置にし、そこでシール要素２４とバルブシート２５との間の距離Ｄ２は、下部ピストン２９のストロークＳ_１と上部ピストン３６のストロークＳ_２との差Ｓ_１−Ｓ_２と等しい。換言すれば、半開放位置では、シール要素２４をバルブシート２５から離間しているが、完全開放位置の場合よりもバルブシートの近くにする。従って、液体を低い流量（すなわち高流量よりも低い）において容器２に供給するので、容器２の首部５６に到達するときに液体に乱流が生じることを回避する。

容器２に供給される最終的な量の液体と、高流量下で供給される第１の量との間の差に対応する第２の所定量の液体が容器２に供給されたら、双方のガス供給が停止され、それにより下部および上部リターンスプリング４７、５１の偏り下で、下部および上部ピストン２９、３６は再びそれぞれそれらの上部および下部位置となるので、バルブロッド１４をその閉鎖位置にして、容器２への液体の供給を停止する。

従って、液体を最大速度で容器２に供給することができるが、液体が首部５６に到達するときに、溢れおよび／またははねを生成し得る乱流が容器２に生じる危険性がない（または少なくとも低い）。それにより同時に無菌状態および生産率を高めることができる。

さらに、環状のクランプ１７によって、液体の汚染の危険性のない、ピストンシステム２８の単純で迅速なメンテナンス（たとえば何らかの理由でリターンスプリング４７および／または５１を交換する必要がある場合）が可能となる。なぜなら、ダイアフラム５４が中空体１５と中空頭部１６とを液・気密に分離するからである。

閉鎖位置で示す本発明による充填バルブを装備する充填機の部分的な立断面図である。 完全開放位置にある図１の充填バルブを示す立断面図である。 半開放位置にある図１の充填バルブを示す立断面図である。

Claims (7)

1. −バルブシート（２５）を有する中空ハウジング（１１）と、
   −前記ハウジング（１１）内に摺動可能に装着され、シール面（２３）を有し、前記中空ハウジング（１１）と共に液体室（１８）を規定する可動バルブロッド（１４）と、
   −前記液体室（１８）を液体供給管（６）と連通させる液入口（２６）と、
   −前記バルブロッド（１４）に強固に取り付けられ、前記ハウジング（１１）内に摺動可能に装着される第１のピストン（２９）であって、ハウジングに対して、前記第１のピストン（２９）が前記バルブロッド（１４）を第１の完全開放位置にする上部位置と、前記第１のピストン（２９）が前記バルブロッド（１４）を第２の閉鎖位置にする下部位置との間に第１のストローク（Ｓ_１）を規定し、前記第１の完全開放位置では、前記シール面（２３）が前記バルブシート（２５）から離間しているので前記液体用の通路（２７）を形成し、第２の閉鎖位置では、前記シール面（２３）が前記バルブシート（２５）に封止接触しているので前記通路（２７）を閉鎖する第１のピストン（２９）と、
   −前記ハウジング（１１）内に摺動可能に装着される第２のピストン（３６）であって、ハウジングに対して、前記第２のピストン（３６）により前記第１のピストン（２９）がその上部位置に到達できる上部位置と、前記第１のピストン（２９）が前記バルブロッド（１４）を第３の所定の半開放位置にする中間位置に、前記第２のピストン（３６）が前記第１のピストン（２９）をブロックする下部位置との間に、前記第１のストロークよりも短い第２のストローク（Ｓ_２）を規定し、前記第３の所定の半開放位置では、前記シール面（２３）が前記バルブシート（２５）から離間しているが前記完全開放位置の場合よりもバルブシートの近くにある第２のピストン（３６）と、
   を含む充填バルブ（５）において、
   −前記ハウジング（１１）と前記第１のピストン（２９）との間に挿入され、第１のピストンをその下部位置の方へ永続的に偏らせる第１のリターンスプリング（４７）と、
   −第１の加圧室（４９）と、 −前記第１の加圧室（４９）を第１のガスダクトと連通させる第１のガス注入口（５０）であって、それにより前記第１の加圧室（４９）に十分な圧力でガスを導入して、前記第１のピストン（２９）を前記第１のリターンスプリング（４７）に対向してその上部位置の方へ偏らせる第１のガス注入口（５０）とを、さらに含み、
   前記第１のピストン（２９）が、前記上部位置および中間位置において、前記第２のピストン（３６）の底面（４６）と当接する頂面（４５）を有し、
   前記バルブロッドが、先の尖った先端部（２０）を有する円錐形の下部（１９）を有することを特徴とする充填バルブ（５）。
2. 前記第２のピストン（３６）が、前記下部位置において、前記ハウジング（１１）に形成された下部ストッパ面（４４）に当接する肩部面（４３）を有する請求項１に記載の充填バルブ（５）。
3. 前記第２のピストン（３６）が、前記上部位置において、前記ハウジング（１１）に形成された上部ストッパ面（４２）に当接する頂面（４１）を有する請求項１または２に記載の充填バルブ（５）。
4. −前記ハウジング（１１）と前記第２のピストン（３６）との間に挿入され、第２のピストンをその上部位置の方へ永続的に偏らせる第２のリターンスプリング（５１）と、
   −第２の加圧室（５２）と、 −前記第２の加圧室（５２）を第２のガスダクトと連通させる第２のガス注入口（５３）であって、それにより前記第２の加圧室（５２）に十分な圧力でガスを導入して、前記第２のピストン（３６）を前記第２のリターンスプリング（５１）に対向してその下部位置の方へ偏らせる第２のガス注入口（５３）とを、
   さらに含む請求項１ないし３のいずれか一項に記載の充填バルブ（５）。
5. 前記ハウジング（１１）が、 −前記液体室（１８）が形成される中空体（１５）と、
   −前記ピストン（２９、３６）が摺動可能に装着される中空頭部（１６）であって、前記中空体（１５）の上方に装着され、かつ前記中空体に着脱可能に取り付けられる中空頭部（１６）と、
   を含む請求項１ないし４のいずれか一項に記載の充填バルブ（５）。
6. 前記バルブロッド（１４）を前記ハウジング（１１）に連結するダイアフラム（５４）をさらに含む請求項１ないし４のいずれか一項に記載の充填バルブ（５）。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の１つ以上のバルブを含む充填機（１）。

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