JP7473715B2 - 充填方法および充填装置 - Google Patents
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Description
カウンタープレッシャー方式による充填処理は、典型的には、製品液を貯留するタンクの内圧に対応した製品液の吐出圧力と同等のカウンター圧を容器の内部に付与する過程と、カウンター圧が付与された容器の内部に製品液を水頭差により充填する過程と、容器内部のガスを低速で排出させて容器内部の圧力を次第に減少させるスニフト過程とからなる。
こうしたカウンタープレッシャー方式の充填処理に要する時間が長い。近年、特許文献2および特許文献3に記載されているように、予め容器の内部を減圧により負圧にしておき、貯留タンクにおいて加圧されている炭酸ガス入りの製品液を圧力差に基づいて容器内に瞬時に充填する方法が提案されている。充填時には、製品液を容器に噴出させながら、容器の内部の圧力変化を監視することで充填量を制御する。
量)の製品液を供給する第1充填ステップと、容器の内部から外部へと排気させつつ、計量タンクにおける製品液の液位に基づいて、計量タンクから容器に製品液を規定の充填量まで供給する第2充填ステップと、を含む。
〔第1実施形態〕
図1に示す充填装置1は、製品液、例えば、炭酸ガス入りの炭酸飲料を容器2に充填する。充填装置1は、製品液が容器2に充填されてなる飲料製品を製造する図示しない製造ラインの一部を構成している。
容器2は、金属材料から形成されたボトル状の缶であってもよい。
充填装置1は、製品液を貯留する貯留タンク3と、貯留タンク3から移送された製品液を貯留し、液位に基づいて計量される製品液を容器2に供給する計量タンク4と、計量タンク4における製品液の液位を検知する液位検知部としての液位計5と、制御部15とを備えている。
充填装置1は、制御部15による制御下において、製造ラインの他のシステムと連係をとりつつ、図示しない搬送装置により供給される容器2のそれぞれに製品液を充填する。製品液が充填された容器2には、図示しない機構により蓋が装着される。
ヘンリーの法則より、温度が一定であるとき、気体の分圧が高いほど液体への気体の溶解度が高い。したがって、炭酸ガスの圧力が高いほど、製品液に炭酸ガスを効率よく溶解させることができる。「溶解度」は、溶質が一定量の溶媒に溶解する限界量をいう。
貯留タンク3および計量タンク4のそれぞれの内部では、炭酸ガスと、水に溶存していた酸素や窒素等の他のガスがそれぞれ、ヘンリーの法則により、分圧に従う量だけ液に溶解する。
炭酸ガスの溶解度を高め、炭酸ガスが溶解した状態に製品液を保つため、加圧に加え、図示しない冷却機構により、常温よりも低い温度にまで製品液が冷却されることが好ましい。
また、製品液は、容器2に充填される分が補充され、貯留タンク3における液面が定位置になるように制御される。
内部の雰囲気が加圧されている計量タンク4では、液位に基づいて製品液が正確に計量される。
液位計5には、フロート式、超音波式、静電容量式、圧力式(水圧式)等の公知の液位計を採用することができる。
液位計5により検知される計量タンク4の液位と、計量タンク4の内部の横断面積とから、容器2に充填される製品液の充填量(体積)を算出することができる。そのため、液位に基づいて、充填量の制御を行うことができる。規定充填量を計量タンク4の液位(入り味線)に換算しておき、その液位を充填量の制御に用いることもできる。
計量タンク4は、液位検知の精度を向上させるため、直径に対して高さが大きいシリンダ状に形成されていることが好ましい。
供給経路10は、充填ノズル22に接続されている。第2液弁12は、典型的には充填バルブと称される。
排気部14は、絞り141と、排気弁142とを含んで構成されている。
充填装置1は、制御部15による制御の下、少なくとも、第1液弁11、第2液弁12、および排気弁142を適時に開閉させることで、容器2に製品液を充填する。
以下、図2~図4を参照しながら、充填装置1により行われる充填工程について具体的に説明する。図2は送液ステップS1および液位検知ステップS2を示し、図3は第1充填ステップS31を示し、図4は第2充填ステップS32を示している。これらのステップS1,S2,S31,S32が繰り返される。
図2~図4等において、開いている弁を白色で示し、閉じている弁を黒色で示している。図7および図8も同様である。
図示しない搬送装置により充填装置1に供給された容器2に製品液を充填するにあたり、図2に示すように、貯留タンク3に貯留されている製品液を貯留タンク3から計量タンク4へ移送する(送液ステップS1)。製品液の移送は、貯留タンク3内の製品液と計量タンク4内の製品液との水頭差(ヘッド差)に基づいて行われる。
送液ステップS1を行うため、制御部15は、所定量の製品液が貯留タンク3から計量タンク4に移送されるまでの間に亘り、第1液弁11を開く。このとき、第2液弁12は閉じられている。連通経路8の連通弁81は開かれている。
または、制御部15は、第1液弁11を開いた後、タイマーにより所定時間が計時されたならば、第1液弁11を閉じて、計量タンク4の液位LV0´を液位計5により検知する。
いずれの方法により貯留タンク3から計量タンク4へと製品液を移送するとしても、容器2への充填に先立ち、計量タンク4の液位が液位計5により検知されることとなる(液位検知ステップS2)。
以降、計量タンク4における液位に基づいて、制御部15により、計量タンク4の液位に基づく充填量の制御が行われる。
計量タンク4に必要量の製品液が貯留されたならば、図3および図4に示す充填ステップS3を実施することにより、容器2への充填を実施する。充填ステップS3は、第1充填ステップS31(図3)および第2充填ステップS32(図4)からなる。
まず、図3に示す第1充填ステップS31では、制御部15により第2液弁12を開いて、計量タンク4の内部の圧力と、容器2の内部の圧力との差ΔPにより、計量タンク4から空の状態の容器2に、規定充填量に満たない所定量の製品液を供給する。このとき第1液弁11および排気弁142は閉じておく。また、容器2の口部2Aはシール機構21により封止されている。
第1充填ステップS31から引き続き、第1液弁11が閉じ、第2液弁12が開いたまま、容器2の口部2Aがシール機構21により封止された状態で、第2充填ステップS32が行われる。
図4に示す第2充填ステップS32では、制御部15により、例えば、計量タンク4における液位の低下速度がほぼ0になった時点で、排気弁142を開く。そうすると、容器2からの排気を伴い、計量タンク4内の製品液が容器2に充填される。
この方法で充填量を制御する場合は、液位を連続的に検知する液位計5に代えて、上限検知用のレベルスイッチおよび下限検知用のレベルスイッチを用いることができる。
以上で説明したステップS1~S3に亘り、容器2の内部の圧力が大気圧以上に維持される。そのため、容器2が樹脂製であって、ガラス製や金属製の容器と比べて剛性が低く、撓み易いとしても、容器2の内部に負圧を付与して容器2の内部と上流の貯留部との圧力差により充填を行う場合とは異なり、容器2が周囲の大気圧によって潰れることなく形状を保つ。
第1充填ステップS31の開始時に容器2の内部の圧力P2が大気圧であっても、上述したように、計量タンク4から容器2まで製品液を送り、充填ノズル22から吐出させるために必要な押出し力に足りる圧力差ΔPを計量タンク圧力P1により得ることができる。
つまり、第1充填ステップS31によれば、樹脂製の容器2に充填する場合であっても容器2の潰れを防ぎつつ、容器2の内圧と計量タンク4の内圧との圧力差ΔPに基づいて、従来のカウンタープレッシャー方式に対して高速な充填を実現することができる。
第2充填ステップS32において容器2に製品液が充填される速度が、第1充填ステップS31における充填速度と比べて低速であるとしても、第2充填ステップS32により容器2に充填される製品液の量は、第1充填ステップS31により充填される製品液の量に対して少量である。第2充填ステップS32に要する時間が第1充填ステップS31に要する時間に対して仮に長いとしても、両者は大きくは変わらない。
また、貯留タンク3から計量タンク4へと製品液を移送する送液ステップS1は、前サイクルにおいて製品液が充填された容器2に蓋を装着する処理と並行して行うことができる。
したがって、ステップS1~S3によれば、従来のカウンタープレッシャー方式に対して、規定充填量の製品液の充填に要する時間の短縮が可能であるとともに、送液に要する時間および蓋装着に要する時間を含めた、充填に係る一連の処理に要するサイクルタイムを短縮することが可能である。
図5に示す例では、貯留タンク3と計量タンク4とが、二点鎖線で示す同一平面100上に配置されている。貯留タンク3内の気相領域3Gと計量タンク内の気相領域4Gとは、連通経路8を通じて連通している。
図5に示す構成によれば、貯留タンク3から計量タンク4へ製品液を移送する送液ステップS1において、貯留タンク3と計量タンク4とのそれぞれの内圧がバランスされている条件下で、貯留タンク3内の製品液と計量タンク4内の製品液との水頭差Δh(ヘッド差)のみに従って移送される。
そうすると、液位計5による液位の検出値も安定するので、液位に基づく制御による充填量の精度が第1実施形態(図1~図4)と比べて向上する。また、送液ステップS1と第1充填ステップS31との間で製品液を静置する必要がないため、充填処理の短縮に寄与できる。
次に、図6~図8を参照して第2実施形態について説明する。
以下では、第1実施形態と同様の構成要素には同じ符合を付している。
充填装置1-1は、貯留タンク3と、計量タンク4と、液位計5と、正圧付与部17と、制御部20とを備えている。
充填装置1-1は、制御部20による制御下において、製造ラインの他のシステムと連係をとりつつ、図示しない搬送装置により供給される容器2のそれぞれに製品液を充填する。製品液が充填された容器2には、図示しない機構により蓋が装着される。
内部の雰囲気が加圧されている計量タンク4では、液位に基づいて製品液が正確に計量される。
図6に示す例では、正圧付与用タンク171は、貯留タンク3および計量タンク4に炭酸ガスを供給する炭酸ガス供給部7(圧力源)の二酸化炭素供給源71に接続されている。二酸化炭素供給源71から正圧付与用タンク171に炭酸ガスが送り込まれることで正圧付与用タンク171に蓄えられる圧力を用いて、正圧付与部17は、図示しない搬送装置により充填バルブ(第2液弁12)に容器2が供給される度に圧力導入弁172を開いて、容器2に適宜な圧力P2を付与することができる。
本実施形態では、炭酸ガス供給部7により計量タンク4に付与される計量タンク圧力P1と同一の圧力P2が、正圧付与部17により容器2に供給されるものとする。
そのため、充填装置1-1は、計量タンク圧力P1に追加圧力ΔAPを加えた押出圧力P3を計量タンク4の内部に付与する押出圧力付与部18(他の圧力源)を備えている。
つまり、充填装置1-1は、計量タンク4の内部に第1圧力(P1)、および第1圧力(P1)よりも大きい第2圧力(P3)を選択的に付与可能な圧力付与手段を備えている。本実施形態の圧力付与手段は、炭酸ガス供給部7と、押出圧力付与部18とを含んで構成されている。但し、同一の圧力源により計量タンク4の内部に第1圧力(P1)と第2圧力(P3)とが選択的に付与されるようにしてもよい。例えば、押出圧力付与部18に備わる二酸化炭素供給源181により第2圧力(P3)を計量タンク4の内部に付与することができ、かつ、二酸化炭素供給源181から図示しない減圧弁を介して計量タンク4の内部に第1圧力(P1)を付与することができる。
例えば、計量タンク圧力P1および容器圧力P2は約3気圧であれば、押出圧力P3は約3.2気圧で良い。製品液は、押出圧力P3と容器圧力P2との圧力差ΔP(P3-P2)に従って計量タンク4から容器2へと充填される。
排気式圧力設定弁19には、リリーフタイプのレギュレータや、圧力逃し弁等を用いることができる。
以下、図7および図8を参照しながら、充填装置1-1により行われる充填工程について具体的に説明する。図7は送液ステップS1、液位検知ステップS2、および容器への正圧付与のステップS4を示し、図8は充填ステップS5を示している。これらのステップS1,S2,S4,S5が繰り返される。
図示しない搬送装置により充填装置1に供給された容器2に製品液を充填するにあたり、図7に示すように、貯留タンク3に貯留されている製品液の一部を貯留タンク3から計量タンク4へ移送する(送液ステップS1)。製品液の移送は、貯留タンク3内の製品液と計量タンク4内の製品液との水頭差(ヘッド差)に基づいて行われる。
送液ステップS1を行うため、制御部20は、所定量の製品液が貯留タンク3から計量タンク4に移送されるまでの間に亘り、第1液弁11を開く。このとき、第2液弁12は閉じられている。連通経路8の連通弁81は開かれており、押出圧力付与部18の弁182は閉じられている。
または、制御部20は、第1液弁11を開いた後、タイマーにより所定時間が計時されたならば、第1液弁11を閉じて、計量タンク4の液位LV0´を液位計5により検知する。
いずれの方法により貯留タンク3から計量タンク4へと製品液を移送するとしても、容器2への充填に先立ち、計量タンク4の液位が液位計5により検知されることとなる(液位検知ステップS2)。
以降、計量タンク4における液位に基づいて、制御部20により、計量タンク4の液位に基づく充填量の制御が行われる。
容器2に対しては、製品液の充填に先立ち、正圧付与部17により、内部に正圧を付与する(正圧付与ステップS4)。このとき、排気経路13における排気式圧力設定弁19の下流に設けられた弁192は閉じられる。
正圧付与ステップS4は、上記の送液ステップS1および液位検知ステップS2と並行して行われることが好ましい。
本実施形態では、容器2の内部に、計量タンク圧力P1と同一の圧力P2(第1圧力)が付与される。
計量タンク4に必要量の製品液が貯留されたならば、図8に示す充填ステップS5を実施することにより、容器2への充填を実施する。このとき弁192は開かれる。
充填ステップS5では、押出圧力P3と、容器2の内部の圧力P2との差ΔPにより、計量タンク4から空の状態の容器2に製品液を供給しつつ、排気式圧力設定弁19を通じて容器2の内部から外部へと排気させながら、計量タンク4における製品液の液位に基づいて、計量タンク4から容器2に製品液を規定の充填量まで供給する。
圧力差ΔPに従い、製品液は計量タンク4から容器2へ充填され、水頭のみによって計量タンク4から容器2に充填する場合と比べて高速で充填される。
本実施形態によれば、容器2の内部に一定の正圧が付与された状態を維持できることにより、製品液からの炭酸ガスの放出および再溶解を抑え、容器2の内部の圧力変動や炭酸ガスの放出および再溶解等を発生させることなく安定した充填状態が保持されるとともに、計量タンク4の液位に基づいて規定充填量の製品液を容器2に充填することができる。本実施形態では、1度の充填ステップS5により容器2への充填が完了する。
この方法で充填量を制御する場合は、液位を連続的に検知する液位計5に代えて、上限検知用のレベルスイッチおよび下限検知用のレベルスイッチを用いることができる。
なお、充填の完了後も容器2内に正圧が付与されている状態であり、その状態のままで容器2に蓋が装着される。そのため、容器2の内圧を大気圧まで漸次低下させるスニフト処理は必要ない。
以上で説明したように、本実施形態の充填装置1-1およびステップS1,S2,S4,S5による充填方法によれば、容器2への製品液の充填を一度のステップS5により実現しながら、第1実施形態による効果と同様に、樹脂製の容器に充填する場合であっても、容器の形状を維持したまま、製品液の充填処理に要する時間をカウンタープレッシャー方式に対して短縮でき、しかも、計量タンク4の液位に基づいて充填量が決まるため、規定量の製品液を容器に充填することができる。
そうすると、圧力差ΔPを利用してカウンタープレッシャー方式に対して充填の高速化を図り、かつ容器2内部への正圧付与により炭酸ガスの製品液からの離脱、再溶解を抑えつつ、さらに吐出圧力が小さい点でも、容器2内の圧力変動等に起因した炭酸ガスの製品液からの放出および再溶解を抑え、計量タンク4において計量された製品液の容器2への移送により、一定量の製品液を容器2に充填することができる。
したがって、ステップS1,S2,S4,S5によれば、従来のカウンタープレッシャー方式に対して、規定充填量の製品液の充填に要する時間の短縮が可能であるとともに、送液に要する時間および蓋装着に要する時間を含めた、充填に係る一連の処理に要するサイクルタイムを短縮することが可能である。
上記各実施形態として、炭酸入りの飲料を充填する例を説明したが、本開示は、炭酸が含まれていない飲料、さらには、薬液等の製品液にも適用できる。
また、炭酸入りの飲料を充填する上記各実施形態では、貯留タンク3や計量タンク4、容器2の加圧に使用するガスとして炭酸ガスを用いているが、炭酸ガスに限らず、容器に充填される製品液の特性維持に必要なガス、例えば窒素ガス等の不活性ガスを貯留タンク3や計量タンク4、容器2の加圧に用いることもできる。
また、上記各実施形態で説明した容器2は樹脂製であるが、容器2は、例えば金属製の缶容器であってもよく、可撓性を有しない例えばガラス製のびんを充填の対象から排除するものではない。
2 容器
2A 口部
3 貯留タンク
3G 気相領域
4 計量タンク
4G 気相領域
5 液位計(液位検知部)
6 製品液供給部
7 炭酸ガス供給部(圧力源)
8 連通経路
9 移送経路
10 供給経路
11 第1液弁
12 第2液弁
13 排気経路
14 排気部
15 制御部
17 正圧付与部
18 押出圧力付与部(他の圧力源)
19 排気式圧力設定弁
20 制御部
21 シール機構
22 充填ノズル
61 製品液供給源
62 弁
71 二酸化炭素供給源
72 弁
73 ガス排出弁
81 連通弁
100 同一平面
141 絞り
142 排気弁
171 正圧付与用タンク
172 圧力導入弁
181 二酸化炭素供給源
182 弁
192 弁
LV0,LV1,LV2,LV3 液位
P1 計量タンク圧力
P2 容器圧力
P3 押出圧力
P4 設定圧力
S1 送液ステップ
S2 液位検知ステップ
S3 充填ステップ
S31 第1充填ステップ
S32 第2充填ステップ
S4 正圧付与ステップ
S5 充填ステップ
ΔAP 追加圧力
Δh 水頭差
ΔLV 差分
Claims (10)
- 容器に製品液を充填する充填方法であって、
前記製品液を貯留する貯留タンクから、前記製品液を加圧された雰囲気下で貯留する計量タンクへ前記製品液を移送するステップと、
前記容器への充填に先立ち、前記容器の内部に正圧を付与するステップと、
前記計量タンクにおける圧力である計量タンク圧力と前記容器の内部の圧力との圧力差により前記計量タンクから前記容器へと前記製品液を供給しつつ、前記容器の内部から外部へと排気させながら、前記計量タンクにおける前記製品液の液位に基づいて、前記計量タンクから前記容器に前記製品液を規定の充填量まで供給する充填ステップと、を含む、
充填方法。 - 前記容器への充填に先立ち前記容器の内部に正圧を付与するステップでは、前記容器の内部に前記計量タンク圧力に相当する第1圧力を付与し、
前記充填ステップでは、前記第1圧力よりも大きい第2圧力を前記計量タンクの内部に付与する、
請求項1に記載の充填方法。 - 前記貯留タンクから前記計量タンクへと前記製品液を移送するステップでは、
前記貯留タンク内の前記製品液と前記計量タンク内の前記製品液との水頭差に従って、前記製品液が移送速度を次第に低下させつつ移送される、
請求項1または2に記載の充填方法。 - 容器に製品液を充填する充填装置であって、
前記製品液を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンクから移送された前記製品液を加圧された雰囲気下で貯留し、液位に基づいて計量される前記製品液を前記容器に供給する計量タンクと、
前記計量タンクにおける前記製品液の液位を検知する液位検知部と、を備え、
前記容器への充填時には、
前記計量タンクにおける圧力である計量タンク圧力と、大気圧を超える圧力であって前記計量タンク圧力に対して低い前記容器の内部の圧力との圧力差により、前記計量タンクから前記容器へ、前記容器に定められた規定充填量に満たない所定量の前記製品液を供給した後、前記容器の内部から外部へと排気させつつ、前記計量タンクにおける前記製品液の液位に基づいて、前記計量タンクから前記容器に前記製品液を規定の充填量まで供給する、充填装置。 - 容器に製品液を充填する充填装置であって、
前記製品液を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンクから移送された前記製品液を加圧された雰囲気下で貯留し、液位に基づいて計量される前記製品液を前記容器に供給する計量タンクと、
前記計量タンクにおける前記製品液の液位を検知する液位検知部と、を備え、
前記容器への充填に先立ち、前記容器の内部に正圧を付与し、
前記容器への充填時には、
前記計量タンクにおける圧力である計量タンク圧力と前記容器の内部の圧力との圧力差により前記計量タンクから前記容器へと前記製品液を供給しつつ、前記容器の内部から外部へと排気させながら、前記計量タンクにおける前記製品液の液位に基づいて、前記計量タンクから前記容器に前記製品液を規定の充填量まで供給する、充填装置。 - 前記計量タンクの内部に第1圧力、および前記第1圧力よりも大きい第2圧力を選択的に付与可能な圧力付与手段を備える、
請求項5に記載の充填装置。 - 前記容器の内部から外部へと連通した排気経路に設けられ、前記容器の内部の圧力が所定の設定圧力に対して低いときに閉じて高いときに開く排気式圧力設定弁を備え、
前記容器への充填時には、
前記排気式圧力設定弁を通じて前記容器の内部から外部へと排気させる、
請求項4から6のいずれか一項に記載の充填装置。 - 前記貯留タンクから前記計量タンクへと前記製品液を移送する移送経路に設けられる第1液弁と、
前記計量タンクから前記容器へと前記製品液を供給する供給経路に設けられる第2液弁と、
前記容器の内部から外部へと連通した排気経路に設けられる排気式圧力設定弁と、を備える、
請求項4から7のいずれか一項に記載の充填装置。 - 前記貯留タンクの内部の気相領域および前記計量タンクの内部の気相領域を連通させる連通経路を備える、
請求項4から8のいずれか一項に記載の充填装置。 - 前記貯留タンクおよび前記計量タンクは、同一平面上または略同一面上に配置される、
請求項4から9のいずれか一項に記載の充填装置。
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