KR102950552B1 - 위생 충전 헤드 - Google Patents

위생 충전 헤드

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KR102950552B1
KR102950552B1 KR1020237022368A KR20237022368A KR102950552B1 KR 102950552 B1 KR102950552 B1 KR 102950552B1 KR 1020237022368 A KR1020237022368 A KR 1020237022368A KR 20237022368 A KR20237022368 A KR 20237022368A KR 102950552 B1 KR102950552 B1 KR 102950552B1
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호세 다니엘 밀라
필립 그레고리 헤블러
브랜든 콜스
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존 빈 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

용기(22)에 구비되는 체결구(24)를 통해 용기(22)를 위생적으로 충전하고 비우기 위한 충전 헤드 장치(20)는, 내부에서 중심축(33)을 중심으로 회전하면서 왕복하도록 구동되는 중공 보어 내부 실린더(32)를 수용하는 원통형 외부 하우징(30)을 포함하여 구성된다. 이송 튜브 조립체(34)는 내부 실린더(32)에 장착되어 체결구(24)와 체결되는 연장 위치와 체결구로부터 분리되는 후퇴 위치 사이에서 내부 실린더와 함께 이동된다. 이송 튜브 조립체가 체결구에 체결되면 유동성이 있는 내용물 또는 제품이 용기(22)로 이송되거나 또는 용기(22)로부터 흘러나오게 된다. 내부 실린더(22)에는 또한, 체결구 캡 조립체(36)가 장착되어 내부 실린더와 함께 이동하여, 용기(22)를 채우거나 또는 비우기 전에 체결구(24)의 캡(38)을 제거하고, 용기가 채워지거나 비워지는 동안에는 대기 위치로 후퇴하였다가, 충전 또는 배출 과정이 완료된 이후, 체결구 캡을 다시 원위치로 복귀시킨다.

Description

위생 충전 헤드
[관련 출원]
이 특허 출원은 2020년 12월 3일에 출원된 미국 특허 출원번호 제17/111,410호를 우선권으로 주장하고 있는 특허로서, 그에 개시된 일체의 내용을 참조한다.
본 발명은 식품을 포함하는 저온살균된 유동성 제품을 저장하고 운반하기 위한 벌크 무균 백과 함께 사용하기 위한 경량의 휴대용 저비용 충전 헤드를 제공한다.
현재 사용되고 있는 무균 충전 헤드는 고가이고 복잡한 구성으로 이루어진 동시에, 너무 무거워서 휴대하기 어렵다. 그에 따라, 무균 백의 내용물을 채우거나 비우기 위해서는 무균 백을 충전 헤드가 설치된 위치로 운반하여야 한다. 이 때문에, 백이 충전 헤드의 설치 위치로 쉽게 이동할 수 없는 경우, 예를 들어 백이 고압처리(HPP) 컨테이너와 같은 처리 장치 내에 배치되는 경우, 어려움이 야기된다. 그럼에도 불구하고, 고압처리 공정 전에 백에 유동성 제품을 채우고, 고압처리 공정 후에 백으로부터 대상물을 비우는 과정은 여전히 필요하다.
상술한 바와 같이, 충전 헤드는 내용물이 채워지거나 비워지는 백이 배치된 위치로 운반될 수 있을 만큼의 충분한 휴대성이 요구된다. 본 발명은 상술한 요건을 충족시킬 수 있는 충전 헤드를 구현하고자 한다.
이하의 요약에서는, 후술되는 발명의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 단순화된 형태의 선택 개념들을 간략하게 설명한다. 이하의 요약은 청구되는 대상의 주요 특징들을 한정하여 특정하거나, 청구 대상의 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 충전 헤드는, 제거 가능한 캡이 구비된 용기 체결구(fitment)를 통해 유동성 재료로 용기(container)를 채우거나 비우는데 사용되는데, 이때 상기 충전 헤드는,
(a) 근위 단부(proximal end) 및 원위 단부(distal end)를 가지며, 원위 단부에는 용기 체결구를 수용하기 위한 체결구용 개구부가 구비된 원통형 외부 하우징;
(b) 외부 하우징 내부에 슬라이딩 가능하도록 체결되어, 외부 하우징 원위 단부 방향을 따라 전진 또는 후진하도록 망원경식으로 슬라이드되는 중공형의 내부 실린더;
(c) 용기를 채우거나 비울 때 유동성 재료가 흐르도록 내부 실린더를 통해 연장되며, 일측에는 상기 체결구에 연결 가능한 선단부가 구비되고, 타측 단부는 유동성 재료의 외부 공급원 또는 유동성 재료의 외부 용기에 연결 가능하도록 구성되는 이송 튜브 조립체;
(d) 내부 실린더 내부에 배치되고, 선단이 체결구 캡(cap)과 맞물리도록 구성되어, 체결구로부터 체결구 캡을 제거하거나 또는 체결구 캡을 체결구에 부착하기 위해 구비되는 체결구 캡 조립체; 및
(e) 내부 실린더가 외부 하우징의 원위 단부로 전진할 때, 이송 튜브 조립체의 선단부 또는 체결구 캡 조립체의 선단부를 선택적으로 체결구에 배치시키고, 이와 상응하여 내부 실린더가 외부 하우징의 원위 단부로부터 후퇴할 때, 이송 튜브 조립체의 선단부 또는 체결구 캡 조립체의 선단부를 체결구로부터 분리하여 퇴피시키는 구동 시스템;을 포함하여 구성된다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서, 이송 튜브 조립체는 내부 실린더에 장착되어 내부 실린더가 외부 하우징의 원위 단부에 대해 전진 또는 후퇴함에 따라 체결구를 향해 전진 또는 후퇴되도록 구성된다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서, 구동 시스템은 내부 실린더를 회전시켜 이송 튜브의 선단부를 체결구와 정렬시킨다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서, 구동 시스템은 내부 실린더가 하우징 원위 단부를 향해 전진함에 따라 내부 실린더를 회전시켜 이송 튜브의 선단부를 체결구에 정렬시킨다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서, 구동 시스템은, 내부 실린더에 형성된 길이방향 경로(elongate path)를 따라 연장되는 제1 캠 홈과; 외부 하우징으로부터 내측으로 돌출되어 제1 캠 홈 내에 맞물리도록 구성되어, 내부 실린더가 하우징 원위 단부 쪽으로 전진할 때 이송 튜브의 선단부가 체결구에 정렬되도록 내부 실린더를 회전시키는 제1 캠 핀을 포함하여 구성된다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서,
내부 실린더는 길이 방향으로 연장 형성되고;
제1 캠 홈의 경로는 내부 실린더 길이 방향의 아치형 경로를 따라 연장된다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서는, 제1 캠 홈과 맞물리거나 또는 맞물림 해제되도록 제1 캠을 선택적으로 작동시키는 제어 시스템을 더 포함한다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서, 구동 시스템은 내부 실린더가 하우징 원위 단부로부터 후퇴함에 따라 내부 실린더를 중립 위치로 회전시킨다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서, 체결구 캡 조립체는 내부 실린더에 장착되어, 내부 실린더가 외부 하우징의 원위 단부 방향으로 전진 또는 후퇴함에 따라 체결구를 향해 전진 또는 후퇴하도록 구성된다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서, 구동 시스템은 내부 실린더를 회전시켜 체결구 캡 조립체의 선단부를 체결구와 정렬시킨다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서, 구동 시스템은 내부 실린더가 하우징 원위 단부를 향해 전진함에 따라 내부 실린더를 회전시켜 체결구 캡 조립체의 선단부를 체결구에 정렬시킨다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서, 구동 시스템은, 내부 실린더에 형성된 길이방향 경로를 따라 연장되는 제2 캠 홈과; 외부 하우징으로부터 내측으로 돌출되어 제2 캠 홈 내에 맞물리도록 구성되어, 내부 실린더가 하우징 원위 단부 쪽으로 전진할 때 체결구 캡 조립체의 선단부가 체결구에 정렬되도록 내부 실린더를 회전시키는 제2 캠 핀을 포함하여 구성된다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서,
내부 실린더는 길이 방향으로 연장 형성되고;
제2 캠 홈의 경로는 내부 실린더 길이 방향의 아치형 경로를 따라 연장된다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서는, 제2 캠 홈과 맞물리거나 또는 맞물림 해제되도록 제2 캠을 선택적으로 작동시키는 제어 시스템을 더 포함한다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서, 이송 튜브 조립체와 체결구 캡 조립체는 내부 실린더에 장착되어, 내부 실린더가 외부 하우징의 원위 단부 방향으로 전진 또는 후퇴함에 따라 체결구를 향해 전진 또는 후퇴하도록 구성된다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서, 구동 시스템은 내부 실린더가 하우징 원위 단부를 향해 전진함에 따라 내부 실린더를 회전시켜 이송 튜브 조립체 또는 체결구 캡 조립체의 선단부를 체결구에 정렬시킨다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서, 구동 시스템은, 내부 실린더에 형성된 길이방향 경로를 따라 연장되는 제1 및 제2 캠 홈과; 외부 하우징으로부터 내측으로 돌출되어 제1 및 제2 캠 홈 내에 맞물리도록 구성되어, 내부 실린더가 하우징 원위 단부 쪽으로 전진할 때 충전 튜브의 선단부 또는 체결구 캡 조립체의 선단부가 체결구에 정렬되도록 내부 실린더를 회전시키는 제1 및 제2 캠 핀을 포함하여 구성된다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서,
내부 실린더는 길이 방향으로 연장 형성되고;
제1 및 제2 캠 홈의 경로는 내부 실린더 길이 방향의 아치형 경로를 따라 연장된다.
이하에 개시되는 임의의 실시예에서는, 제1 및 제2 캠 홈과 맞물리거나 또는 맞물림 해제되도록 제1 및 제2 캠을 각각 선택적으로 작동시키는 제어 시스템을 더 포함한다.
본 발명의 특징 및 장점이 보다 용이하게 이해될 수 있도록 이하의 발명의 상세한 설명은 하기의 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 헤드의 입면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 충전 헤드를 상부에서 내려다본 등각도(isometric view)이다.
도 3은 도 2와 유사한 도면으로, 충전 헤드의 일부를 단면으로 도시하고 있는 도면이다.
도 4는 도 3과 유사하게 종방향 단면을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4와 유사한 도면으로, 체결구 캡 조립체가 체결구와 체결된 상태를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5와 유사한 도면으로, 충전 튜브 조립체가 체결구와 체결된 상태를 보여주는 도면이다.
도 7은 충전 튜브 조립체와 결합된 체결구 캡 조립체의 등각도이다.
도 8은 중공형 보어(bore) 내부 실린더의 등각도이다.
첨부도면과 연계된 이하의 설명에서 동일(또는 유사)한 도면부호로 참조되는 유사 구성요소에 대한 설명은 단지 해당 실시예에 국한되는 것이 아니라 본 발명에 따른 다양한 실시예들에 대한 설명으로 이해되어야 한다. 본 발명에서 예시하고 있는 각각의 실시예는 단순히 예로서 제공되는 것일 뿐, 다른 실시예에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석될 수 없다. 본 출원에서 제시하고 있는 실시예들은 본 발명을 포괄하고 있지 않으며, 본 발명을 특정한 형태로 제한하도록 의도된 것이 아니다. 마찬가지로, 본 발명에 개시된 각 단계들은, 동일 또는 실질적으로 유사한 결과의 달성을 위해 다른 단계나 또는 단계들의 조합과 상호교환될 수 있다.
이하의 설명에서는, 본 발명의 실시예에 대한 충분한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항이 설명된다. 그러나, 본 발명의 많은 실시예가 특정 세부사항의 일부 또는 전부 없이도 실시될 수 있다는 것은 동 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 일부 설명에서는, 본 발명의 다양한 양태가 불필요하게 불명확해지는 것을 피하기 위해, 널리 알려진 프로세스 단계는 상세하게 설명하지 않았다. 나아가, 본 발명은 이하에 개시된 기술적 특징들의 다양한 조합을 채용할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서는 "전방", "후방", "전면", "후면", "앞", "뒤", "상방", "하방", "위", "아래", "수평", "수직", "상단", "하단", "우측", "좌측", "안", "밖", "연장된", "전진하는", "후퇴하는", "근위", "원위" 등과 같은 "방향" 표시를 위한 표현이 사용될 수 있다. 이들 표현은 본 발명에 대한 설명과 이해를 돕기 위해 사용된 것일 뿐, 본 발명을 반드시 표시된 방향으로 제한하는 것은 아니다.
본 명세서에는 "일반적으로", "대략", "약" 또는 "실질적으로" 등과 같은 표현이 포함될 수 있다. 이러한 표현들은 "치수", "형상", "온도", "시간" 또는 여타의 물리적 파라미터가 굳이 정확할 필요는 없지만 요구되는 기능이 수행될 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있음을 의미한다. 예로써, "일반적으로 원형의"라는 문구는, 해당 구조에서 요구되는 기능을 수행할 수 있는 한, 그 형상이 정확히 원형일 필요는 없다.
이하의 설명과 첨부 도면에서 동일한 기능을 수행하는 시스템, 결합체, 장치 및 유닛들은 동일한 도면 부호로 표기되고, 첨자가 첨부될 수 있다. 본 출원에서는 중복되는 설명을 피하기 위해, 이와 같이 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 시스템, 결합체, 장치 및 유닛들에 대한 설명을 반복하지 않는다.
이하의 설명에서, 충전 헤드 장치는 내부에 망원경식으로 끼워지는 내부 실린더를 갖는 원통형 외부 하우징을 포함하는 것으로 설명된다. 이하의 설명에서, 외부 하우징 내부로 향하는 내부 실린더의 이동은 "전진" 또는 "전방이동" 또는 "체결" 등으로 서술되고, 반면에 외부 하우징 밖으로 향하는 내부 실린더의 이동은 "후퇴" 또는 "퇴피" 등으로 서술된다.
도면에 도시된 바와 같이, 용기(container, 22)에 구비되는 체결구(24)를 통해 용기(22)를 위생적으로 채우고 비우기 위한 충전 헤드 장치(20)는, 그 기본 형태로서, 외부 하우징 내부에서 중심축(33)을 따라 왕복하면서 동시에 회전하는 중공형 보어(bore) 내부 실린더(32)를 수용하는, 원통형으로 도시된 외부 하우징(30)을 포함하여 구성된다. 이송 튜브 조립체(34)(도 4 ~ 7 참조)는 내부 실린더(32)에 장착되어, 체결구(24)와 체결되는 연장 위치와 체결구로부터 분리되는 퇴피 위치 사이에서 내부 실린더와 함께 이동하도록 구성된다. 이송 튜브 조립체가 체결구와 체결되면, 유동성의 내용물 또는 제품이 용기(22) 내부로 또는 용기 외부로 이동할 수 있다.
체결구 캡 조립체(36)(도 3, 5 및 7 참조) 또한 내부 실린더(32)에 장착되어 내부 실린더와 함께 이동하여, 용기(22)를 채우거나 비우기 전에 체결구(24)의 캡(38)을 제거하고, 이후, 용기를 채우거나 비우는 동안에는 대기 위치로 후퇴했다가, 채우거나 비우는 과정이 완료되면 체결구 캡을 복귀시킨다. 구동 시스템(40)은 외부 하우징(30) 내부에서 내부 실린더(32)를 전진 또는 후퇴시키는 동시에, 내부 실린더를 회전 및 전진시켜 이송 튜브 조립체(34)나 체결구 캡 조립체(36)가 체결구(24)와 맞물려지도록 위치시키거나, 또는 이송 튜브 조립체(34)와 체결구 캡 조립체(36)가 모두 체결구(24)로부터 격리되는 "홈(home)" 위치로 내부 실린더를 후퇴시킨다. 디지털 프로세서 기반의 제어 시스템은 구동 시스템의 동작을 제어하여, 이를 통해 내부 실린더(32)의 움직임을 제어한다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 충전 헤드 장치(20)의 전술한 구성요소들을 보다 상세하게 설명하면, 외부 하우징(30)은 베이스 섹션(50), 중간 섹션(52) 및 상부(또는 단부) 섹션(54)으로 이루어진다. 외부 하우징(30)의 상기 세 섹션들은, 견고한 구조를 형성하기 위해 하드웨어 부재 또는 다른 표준 수단에 의해 안전하게 함께 부착된다. 원형의 베이스판(56)이 하우징의 베이스 섹션(50)을 폐쇄한다. 베이스판(56)에는 개구부가 형성되고, 칼라 피팅(collar fitting, 58)이 형성된다. 체결구(24)는 칼라 피팅(58)을 통해 체결되어 체결구 캡(38)이 외부 하우징(30)의 내부에 위치된다.
체결구(24)는 베이스판(56)에 형성된 구멍(bore, 61) 내에 배치된 팽창식(inflattable) 링(59)에 의해 칼라 피팅(58)에 고정된다(도 4, 5 및 6 참조). 팽창식 링(59)은 외부 실린더 하우징(30)의 외부에 배치되는 피팅(fitting, 63)에 의해 구멍(61)쪽으로 유도되는 가압 공기에 의한 공압으로 작동된다.
외부 하우징(30) 중간 섹션(52)의 내주면과 내부 실린더(32)의 외주면에 의해 피스톤실(60)이 형성된다. 내부 실린더(32)로부터 링 또는 숄더(ring or shoulder, 62)가 외측으로 연장되어 중간 섹션(52)의 내주면에 밀착된다. 링 씰(64)은 링/숄더(62)의 외부 가장자리에 형성된 홈 내에 안착되어 중간 섹션(52)의 내주면에 대해 밀봉된다. 피스톤실(60)의 상부 및 하부에는 주입구(66, 68)가 각각 형성되어, 내부 실린더(32)를 전진 또는 후퇴시키고자 하는 경우, 가압 공기 등과 같은 유체를 피스톤실 내부로 유입시키거나 또는 피스톤실로부터 배출시킨다.
하부 씰(72)은 외부 하우징(30)의 베이스 섹션(50)에 형성된 카운터보어(counterbore, 74)에 안착되어 내부 실린더(32)에 대해 밀봉된다. 중간 씰(76)은 외부 하우징 베이스 섹션(50)에 인접한 외부 하우징 중간 섹션(52)에 형성된 시트(seat) 내에 위치되어, 마찬가지로 내부 실린더(32)에 대해 밀봉된다. 상부 씰(78)은 중간 섹션(52)에 인접한 외부 하우징 단부 섹션(50)에 형성된 씰(seal) 내에 배치되어, 역시 내부 실린더(32)에 대해 밀봉된다. 이와 같은 씰들은 피스톤실(60)로부터의 공기 또는 기타 유체의 누출을 방지하는 동시에, 충전 헤드 장치(20)의 내부를 주변으로부터 밀봉한다.
이상에서는, 외부 하우징(30)이 3개의 섹션(50, 52, 54)으로 구성되는 것으로 설명되고 도시되었으나, 외부 하우징은 이보다 많거나 또는 적은 수의 섹션으로 구성될 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 외부 하우징(30)은 2개의 섹션 또는 심지어 단일 섹션으로 구성될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 중공형 보어 내부 실린더(32)는 외부 하우징(30) 내부에서 망원경식으로 이동하여 이송 튜브 조립체(34) 또는 충전 캡 조립체(36)를 체결구(24)와 체결 또는 체결 해제되도록 위치시킨다. 원형의 상판(84)이, 외부 하우징 베이스(50)로부터 멀리 떨어진 내부 실린더(32)의 단부를 폐쇄한다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 이송 튜브 조립체(34) 및 체결구 캡 조립체(36)는 상기 상판(84)에 장착된다.
도 4 및 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면, 내부 실린더(32)의 외면에는 한 쌍의 캠 슬롯(90, 92)이 형성된다. 한 쌍의 캠 슬롯(90, 92)은 각각 내부 실린더(32)의 정반대쪽에 미러 이미지로 형성된다. 캠 슬롯에는 내부 실린더(32)의 길이 방향을 따라 상대적으로 짧게 연장되는 제1 섹션(90a, 92a)이 형성되고, 이어지는 제 2섹션(90b, 92b)을 따라 내부 실린더(32)의 선단부(94)를 향해 외측 및 대각선 방향으로 만곡되도록 형성된다.
가이드 실린더 조립체(100)는 각각의 캠 슬롯(90, 92)과 연계하여 내부 실린더(32)가 외부 하우징(30)에 대해 전진 및 후퇴함에 따라 선택적으로 회전되도록 유도한다. 이를 위해, 각각의 가이드 실린더 조립체(100)는, 외부 하우징(30)의 외부에 장착되어, 그에 대응하는 각각의 캠 슬롯(90, 92)과 연계된다. 각각의 가이드 실린더 조립체(100)는 외부 하우징(30)의 외부로 돌출되는 헤드 섹션(102)과, 상기 헤드 섹션(102)으로부터 직경 방향을 따라 내측으로 돌출되어, 외부 하우징의 벽에 형성된 밀착(close-fitting) 클리어런스 홀을 통해 내부 실린더(32)에 형성된 캠 슬롯(90 또는 92) 내에 체결되는 핀(또는 생크)(pin or shank) 섹션(104)을 포함하여 구성된다. 캠 슬롯( 90, 92)과 결합 시의 마찰 방지를 위해, 핀 섹션(104)의 선단부에는 부싱(또는 슬리브)(106)이 결합될 수 있다. 이때, 상기 부싱(bushing) 또는 슬리브(sleeve)는 핀 섹션(104)의 선단부에 대해 회전할 수 있도록 구비된다.
가이드 실린더 조립체(100)의 헤드 섹션(102)은 외부 하우징(30)의 외주면으로부터 방사상으로 돌출되는 공압 외부 실린더(108) 내에 체결된다. 도면에 도시되지 않은 공기 공급 라인이 외부 실린더(108)에 연결되어, 캠 슬롯(90 또는 92)으로부터 핀 섹션(104)을 구동(퇴피)시킨다. 핀 섹션(104)은, 핀 섹션(104)에 체결되어 핀 섹션의 캠 슬롯(90 또는 92) 내에서의 체결을 지원하도록 작용하는 압축 스프링(110)에 의해 편향되어 캠 슬롯(90 또는 92)과 체결된다. 이외에도, 가이드 실린더 조립체(100)는, 핀 섹션(104)의 전진 또는 후퇴 위치가 가이드 실린더 조립체의 헤드 섹션(102) 중 어느 한 쪽에 표준적으로 인가되는 공기압에 의해 제어되도록 이중으로 동작할 수도 있다.
캠 슬롯(90 또는 92)과 체결되도록 동작되는 가이드 실린더 조립체(100)가 어느 것인지에 따라, 내부 실린더(32)는, 외부 하우징 내부로 진입하는 과정에서 중심축(33)을 중심으로 일방향 또는 다른 방향으로 회전한다. 내부 실린더(32)가 퇴피 위치에 있을 때에는, 어느 하나의 가이드 실린더 조립체(100)의 핀 섹션(104)이 어느 하나의 캠 슬롯(90 또는 92)의 제2 섹션(90b 또는 92b) 단부에 위치하게 된다. 반면에, 내부 실린더(32)가 외부 실린더 베이스(56)를 향해 연장된 위치에 있는 경우에는, 가이드 실린더 조립체(100)의 핀 섹션(104)이 어느 하나의 캠 슬롯(90 또는 92)의 제1 섹션(90a 또는 92a) 내에 체결된다.
전술한 바와 같이, 이송 튜브 조립체(34)는 유동성 재료의 외부 공급원으로부터 용기(22)를 채우거나 또는 유동성 재료로 채워진 용기를 비우는 기능을 수행한다. 이를 위해, 이송 튜브 조립체는 그에 부속되어, 상판(84)을 관통하여 내부 실린더(32) 내부로 연장되는 제품 플로우 튜브(product flow tube, 120)를 포함하여 구성된다. 상판(84)의 외부 또는 외부로 연장된 플로우 튜브(120)의 단부에는, 플로우 튜브(120)로 흘러들어오거나 또는 흘러나가는 유동성 재료가 이동하는 호스나 튜브 또는 다른 유형의 유동라인과의 연결을 위한 접속구(connection fitting, 122)가 구비된다. 플로우 튜브(120)의 하단에는 엘보(elbow, 124)가 구비되어 니플(nipple, 128)로 이어지는 플로우 밸브(126)와 연결되어, 용기(22)를 충전하거나 비우는 과정에서 체결구(24)와 체결된다.
플로우 밸브(126)는 밸브 내부에 구비되는 밸브판(valve plate)에 의해 개폐되어 니플(128)을 통한 제품의 흐름을 허용하거나 또는 차단할 수 있다. 밸브판은 내부 실린더(32)의 내부를 통해 상판(84)의 외측으로 연장되는 튜브 조립체(132) 내에 배치되는 작동 로드(actuating rod, 130)에 의해 밸브 내의 시트(seat)에 대해 상대적으로 상승 및 하강된다. 작동 로드(130)의 위치는 내부 실린더(32) 외부의 튜브 조립체(132) 상단에 배치되는 공압 액추에이터(134)에 의해 제어된다. 공압 액추에이터(134)는 플로우 밸브(126)의 위치를 감지하는 위치 센서를 포함하여 구성된다.
체결구 캡 조립체(36)는 상판(84)의 외부에 장착된 공압 액추에이터(141)로부터 하방으로 연장되는 작동 로드(140)를 포함하여 구성된다. 액추에이터(141)에는 작동 로드(140)에 연결된 피스톤이 구비되어, 피스톤을 통해 작동 로드(140)를 상승 및 하강하도록 공압적으로 제어함으로써, 로드(140)의 하단에서 작동 헤드(142)에 피벗 가능하게 장착된 핑거(144)가 개폐되도록 제어한다. 핑거(144)들은, 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 그 선단부에 걸림턱(146)이 형성되어, 체결구 캡(38)의 림(rim)부에 걸리게 된다. 핑거에 걸리는 압력을 일정하게 유지하기 위해, 걸림턱(146)에 인접한 핑거(144)를 둘러싸는 탄성 밴드(148)가 구비된다.
핑거(144)의 상단부는 작동 로드(140)의 하단부에 대해 가압하도록 방사상으로 내향하는 캠면(camming surface)을 갖는다. 작동 로드(140)의 하단은 직경이 감소하는 테이퍼진 형태로 이루어져, 핑거의 캠면에 대해 상기 로드가 상대적으로 상방에 위치할 때에는 걸림턱(146)이 상대적으로 서로를 향해 방사상으로 내향하는 방향으로 이동하고, 반면에, 작동 로드(140)가 하방에 위치할 때에는 로드에서 상대적으로 직경이 큰 부분이 핑거의 캠면과 맞물리면서 걸림턱(146)들을 서로 벌어지는 방향으로 밀어내게 된다.
걸림턱(146)이 체결구 캡(38)과 맞물리지 않을 정도로 닫혔는지를 감지하기 위한 센서가 제공된다. 따라서, 내부 실린더(32)가 연장된(내측으로) 위치에 있고 핑거들이 센서 작동을 활성화시킬 수 있을 정도로 충분히 닫혀 있는 경우, 이와 같은 조건은 캡(38)이 걸림턱에 걸리지 않았음을 나타낸다. 그러나, 걸림턱(146)이 체결구(138)에 걸리는 경우에는, 핑거들은 센서 작동이 활성화되지 않을 만큼 충분히 벌어진 상태로 유지된다. 이 경우, 체결구 캡(38)이 걸림턱(146)에 의해 지지되고, 그에 따라 체결구 캡 조립체가 외부 하우징(30)에 대한 내부 실린더(32)의 상대적 후퇴에 의해 체결구(24)로부터 이탈되어 멀어지게 됨에 따라 체결구 캡(38)을 벗겨낼 수 있는 것으로 가정할 수 있다. 이와 같은 이동 과정에서, 적용되는 가이드 실린더 조립체(100)의 핀 섹션(104)은 내부 실린더(32)를 따라 길이 방향으로 연장되는 캠 홈 섹션(92a)과 맞물리게 된다. 이와 같은 구성을 통해, 체결구(38)가 체결구의 중심축(150)과 일치하는 방향으로 당겨지게 된다.
그러나, 내부 실린더(32)가 외부 하우징에 대해 상대적으로 후퇴되었을 때 센서가 활성화되는 경우에는, 제어부에서는 무언가의 이유로 체결구 캡(38)이 제거되지 않았음을 알게 된다. 이 경우에는, 작동 로드(140)를 작동 헤드(142) 방향으로 연장시켜 작동 로드(140)에서 직경이 더 큰 부분이 핑거들의 캠밍 섹션에 배치되도록 조정함으로써 핑거(144)들을 개방할 수 있다. 그 이후, 작동 헤드(142)를 다시 체결구(24)를 향해 후방으로 연장시켜 걸림턱(146)이 체결구 캡(38)에 걸리도록 재차 시도할 수 있다.
체결구 캡 조립체(36)가 제대로 작동하는 경우에는, 용기(22)를 채우거나 비우는 전 과정에서 센서는 비활성화된 상태로 유지된다. 충전하거나 또는 비우는 사이클이 종료된 이후에는, 체결구 캡(38)을 체결구(24)에 다시 체결하고, 작동 로드(140)를 연장하여 핑거(144)를 개방함으로써 걸림턱(146)과 체결구 캡의 걸림을 해제하여 체결구를 충전 헤드 장치(20)와 분리시킬 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 이송 튜브 조립체(34)와 체결구 캡 조립체(36)는 내부 실린더(32)의 상판(84)에 장착된다. 또한, 제품 플로우 튜브(120)의 선단이나, 튜브 조립체(132) 및 체결구 캡 조립체의 구동 헤드(142)는 삼각형 형상의 브레이스(brace) 플레이트(160)에 형성된 밀착(close-fitting) 개구를 통해 연장된다. 이와 같은 구성을 통해, 제품 플로우 튜브(120)의 선단, 튜브 조립체(132) 및 체결구 캡 조립체가 서로 상대적으로 고정된 상태를 유지하게 된다.
베이스판(56) 또는 상판(84)과 같이, 장치의 편리한 위치에 증기 주입구가 구비된다. 충전 헤드 장치(20)가 체결구(24)와 체결되면, 증기 주입구를 통해 충전 헤드 장치(20) 내부로 증기가 유입되어 충전 헤드 장치(20) 내부를 살균하는 동시에, 체결구 캡(38) 및 충전 헤드 장치(24) 내부에 노출된 체결구(24)의 노출 부위를 살균한다. 주입된 증기와 그로부터 발생하는 응축수는 베이스판(56)에 구비되는 배출구(미도시)를 통해 충전 헤드 장치로부터 배출된다.
또한, 용기(22)를 채우거나 비우는 과정이 진행되는 동안에는, 상기 증기 유입구 및 배출구를 통해 저압의 증기가 충전 헤드 장치(20)의 내부를 지속적으로 순환함으로써 충전 헤드 장치 내부의 멸균 상태를 유지하게 된다.
충전 헤드 장치(20)를 사용하여 용기(22)를 채우거나 비우는 과정에서,용기(24)는, 앞에서 설명한 바와 같이, 외부 하우징의 베이스판(56)에 형성된 칼라 피팅(58)을 통해 체결되며, 체결구(24)는 체결구를 둘러싼 홈들 중의 하나에 맞물려 결합되는 플런저(plunger, 59)에 의해 고정된다. 이때, 충전 헤드 장치(20) 내부로 멸균 증기가 유입되어 장치 내부를 살균하는 동시에, 충전 헤드 장치 내에 배치된 체결구(24)의 체결구 캡(38)을 살균하게 된다.
이어서, 체결구 캡 조립체(36)가 체결구를 향해 전진한다. 이와 같은 과정을 통해, 체결구 캡 조립체(36)와 가이드 실린더 조립체(100)가 연동하여 캠 슬롯(92)이 체결되도록 작동한다. 이후, 가압 공기 또는 다른 작동 유체가 주입구(66)를 통해 피스톤실(60) 내로 유입됨으로써, 내부 실린더(32)가 외부 하우징(30) 내부로 연장되고, 동시에 내부 실린더(32)가 회전하여 체결구(24)에 정렬되어 구동 헤드(142)와 연동(indexing)된다. 체결구 캡 핑거는 개방 위치를 유지하여 걸림턱(146)이 체결구 캡(38)의 외부에 위치된다. 이후, 작동 로드(140)가 상방으로 후퇴하여 걸림턱(146)이 체결구 캡(38)의 림과 결합될 수 있도록 동작한다.
이어서, 내부 실린더(32)가 외부 하우징(30) 내에서 후퇴하여 체결구 캡 조립체가 체결구로부터 체결구 캡(38)을 제거한 이후, 내부 실린더(32)를 중립 또는 "홈" 위치로 회전시킨다. 이와 같은 과정은, 주입구(68)를 통해 가압된 공기를 주입하여 내부 실린더(32)를 외부 실린더의 베이스판(56)으로부터 이격시키는 작업을 통해 이루어진다. 이후, 캠 슬롯(92)과 연계된 가이드 실린더 조립체(100)가 비활성화되어, 핀 섹션(104)이 캠 슬롯으로부터 분리된다.
이어서, 캠 슬롯(90)과 연계된 가이드 실린더 조립체(100)가 활성화되어 이에 대응하는 핀 섹션(104)이 캠 슬롯(90) 내에 체결된다. 이후, 주입구(66)를 통해 가압 공기가 주입되어 내부 실린더(32)가 다시 외부 하우징(30)에 대해 상대적으로 연장되어 베이스판(56)을 향해 이동하게 된다. 동시에, 내부 실린더(32)는 체결구 캡 조립체(36)가 베이스판(56)을 향해 전진할 때의 회전 방향과 반대되는 방향으로 회전하게 된다. 결과적으로, 플로우 밸브(126)로부터 하방으로 돌출된 니플(128)이 체결구(24)의 단부에 대향하여 위치된다. 니플(128)의 선단에는 체결구와의 밀봉을 위해 오링(o-ring) 또는 다른 유형의 밀봉재가 구비된다.
이어서, 튜브 조립체(132) 내에서의 작동 로드(130)의 상향 이동에 의해 플로우 밸브(126)가 개방된다. 이를 통해 제품 플로우 튜브(120)와 용기(22) 사이의 개방된 경로가 제공된다. 이때, 유동성 제품이 용기(22) 내부로 유입되거나 또는 용기(22)로부터 배출될 수 있다. 이 과정에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 저압의 증기가 충전 헤드 장치 내부를 통해 순환된다. 용기가 채워지거나 또는 비워진 이후에는, 주입구(68)를 통해 가압된 공기를 주입하여 내부 실린더(32)가 외부 하우징(30)의 베이스판(56)으로부터 후퇴하게 된다. 내부 실린더(32)가 후퇴하는 과정에서, 내부 실린더는 길이방향 축(33)을 중심으로 회전하여 다시 "홈" 위치로 돌아간다.
이후, 주입구(66)를 통해 가압된 공기를 주입하여 내부 실린더(32)를 외부 하우징의 베이스판(56)을 향해 전진시켜 체결구 캡(38)을 체결구에 다시 장착시킨다. 그러나 이에 앞서, 캠 홈(90)과 연계된 가이드 실린더 조립체(100)는 후퇴하고, 캠 홈(92)과 연계된 가이드 실린더 조립체(100)는 전진하여 핀 섹션(104)이 캠 홈(92)과 맞물리게 된다. 그 결과, 내부 실린더(32)가 외부 하우징(30) 내부에 체결될 때, 내부 실린더가 축(33)을 중심으로 회전하여 구동 헤드(142)를 체결구(24) 위에 위치시킨 후, 체결구 캡(38)을 가압하여 체결구 위에 다시 장착하게 된다. 이와 같은 체결 과정에서, 캠 홈(92)은 내부 실린더 하우징(32)의 실질적인 길이 방향으로 연장되어, 내부 실린더 하우징(30)은 외부 하우징(30)에 대해 회전하는 것이 아니라, 외부 하우징에 대해 실질적으로 길이 방향을 따라 이동하는 것으로 이해될 수 있다.
체결구 캡이 다시 장착된 이후, 내부 실린더(32)는 베이스판(56)으로부터 멀어지는 방향으로 후퇴하여 "홈" 위치로 돌아간다. 이와 같은 동작을 위해, 가압 공기가 주입구(68)를 통해 피스톤실(60)로 주입되어 내부 실린더가 외부 하우징의 베이스판(56)으로부터 멀어져 후퇴되도록 유도한다. 이와 같은 과정을 거쳐, 용기(22)를 충전하거나 또는 비우는 과정이 완료되게 된다.
충전 헤드 장치(20)의 길이 방향 중심축(33)을 기준으로, 칼라 피팅(58), 니플(128) 및 구동 헤드(142)는 중심축(33)으로부터 동일한 반경에 있는 것으로 이해될 수 있다. 결과적으로, 니플(128) 및 구동 헤드(142)는 칼라 피팅(58)과 함께 레지스트리 된다.
이상에서 예시적인 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 그 설명된 사상과 범위를 벗어나지 않는 범주에서 다양한 변화가 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (24)

  1. 용기에 구비되는 탈착가능한 캡을 갖는 체결구를 통해 용기에 유동성 물질을 충전하거나 비우기 위한 충전 헤드 장치에 있어서,
    (a) 근위 단부(proximal end) 및 원위 단부(distal end)를 가지며, 원위 단부에는 용기 체결구를 수용하기 위한 체결구용 개구부가 구비된 원통형 외부 하우징;
    (b) 용기를 채우거나 비울 때 유동성 재료가 흐르도록 하우징 내부에 배치되며, 일측에는 상기 체결구에 연결 가능한 선단부가 구비되고, 타측 단부는 유동성 재료의 외부 공급원 또는 유동성 재료의 외부 용기에 연결 가능하도록 구성되는 이송 튜브 조립체;
    (c) 하우징 내부에 배치되고, 선단이 체결구 캡(cap)과 맞물리도록 구성되어, 체결구로부터 체결구 캡을 제거하거나 또는 체결구 캡을 체결구에 부착하기 위해 구비되는 체결구 캡 조립체; 및
    (d) 이송 튜브 조립체의 선단부 또는 체결구 캡 조립체의 선단부를 선택적으로 체결구에 배치시키고, 이와 상응하여 이송 튜브 조립체의 선단부 또는 체결구 캡 조립체의 선단부를 체결구로부터 분리하여 퇴피시키는 구동 시스템;
    을 포함하여 구성되는 충전 헤드 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이송 튜브 조립체 및 체결구 캡 조립체는 하우징을 관통하여 연장되는 길이방향(longitudinal) 축으로부터 동일한 반경 거리에 배치되고;
    상기 구동 시스템은 상기 이송 튜브 조립체 및 체결구 캡 조립체를 상기 길이방향 축에 대해 회전시켜, 이송 튜브 조립체 및 체결구 캡 조립체를 체결구에 선택적으로 정렬하고, 이송 튜브 조립체 및 체결구 캡 조립체를 체결구를 향하도록 또는 체결구로부터 멀어지도록 선택적으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 외부 하우징 내부에 슬라이딩 가능하도록 체결되어, 외부 하우징 원위 단부 방향을 따라 전진 또는 후진하도록 망원경식으로 슬라이드되는 중공형의 내부 실린더를 더 포함하고;
    상기 이송 튜브 조립체는 상기 내부 실린더를 통해 연장되며;
    상기 구동 시스템은 내부 실린더가 외부 하우징의 원위 단부로 전진할 때, 이송 튜브 조립체의 선단부 또는 체결구 캡 조립체의 선단부를 선택적으로 체결구에 배치시키고, 이와 상응하여 내부 실린더가 외부 하우징의 원위 단부로부터 후퇴할 때, 이송 튜브 조립체의 선단부 또는 체결구 캡 조립체의 선단부를 체결구로부터 분리하여 퇴피시키는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 이송 튜브 조립체는 상기 내부 실린더에 장착되어, 내부 실린더가 외부 하우징의 원위 단부에 대해 전진 또는 후퇴함에 따라 상기 체결구를 향해 전진 또는 후퇴하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 구동 시스템은 상기 내부 실린더를 회전시켜 이송 튜브 조립체의 선단부를 체결구와 정렬시키는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 구동 시스템은 상기 내부 실린더가 하우징 원위 단부를 향해 전진함에 따라 내부 실린더를 회전시켜 이송 튜브 조립체의 선단부를 체결구에 정렬시키는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 구동 시스템은,
    내부 실린더에 형성된 길이방향 경로(elongate path)를 따라 연장되는 제1 캠 홈;과
    외부 하우징으로부터 내측으로 돌출되어 상기 제1 캠 홈 내에 맞물리도록 구성되어, 내부 실린더가 하우징 원위 단부 쪽으로 전진할 때 이송 튜브 조립체의 선단부가 체결구에 정렬되도록 내부 실린더를 회전시키는 제1 캠 핀;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 내부 실린더는 길이 방향으로 연장 형성되고;
    상기 제1 캠 홈의 경로는 내부 실린더 길이 방향의 아치형 경로를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 캠 홈과 맞물리거나 또는 맞물림 해제되도록 상기 제1 캠을 선택적으로 작동시키는 제어 시스템;을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 구동 시스템은 상기 내부 실린더가 하우징 원위 단부로부터 후퇴함에 따라 상기 내부 실린더를 중립 위치로 회전시키는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  11. 제 3항에 있어서,
    상기 체결구 캡 조립체는 내부 실린더에 장착되어, 상기 내부 실린더가 외부 하우징의 원위 단부 방향으로 전진 또는 후퇴함에 따라 상기 체결구를 향해 전진 또는 후퇴하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 구동 시스템은 상기 내부 실린더를 회전시켜 체결구 캡 조립체의 선단부를 체결구와 정렬시키는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 구동 시스템은 내부 실린더가 하우징 원위 단부를 향해 전진함에 따라 내부 실린더를 회전시켜 상기 체결구 캡 조립체의 선단부를 체결구에 정렬시키는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 구동 시스템은,
    상기 내부 실린더에 형성된 길이방향 경로를 따라 연장되는 제2 캠 홈;과
    상기 외부 하우징으로부터 내측으로 돌출되어 상기 제2 캠 홈 내에 맞물리도록 구성되어, 내부 실린더가 하우징 원위 단부 쪽으로 전진할 때 체결구 캡 조립체의 선단부가 체결구에 정렬되도록 내부 실린더를 회전시키는 제2 캠 핀;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 내부 실린더는 길이 방향으로 연장 형성되고;
    상기 제2 캠 홈의 경로는 내부 실린더 길이 방향의 아치형 경로를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 제2 캠 홈과 맞물리거나 또는 맞물림 해제되도록 상기 제2 캠을 선택적으로 작동시키는 제어 시스템;을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 구동 시스템은 상기 내부 실린더가 하우징 원위 단부로부터 후퇴함에 따라 상기 내부 실린더를 중립 위치로 회전시키는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  18. 제 11항에 있어서,
    상기 이송 튜브 조립체와 상기 체결구 캡 조립체는 내부 실린더에 장착되어, 상기 내부 실린더가 외부 하우징의 원위 단부 방향으로 전진 또는 후퇴함에 따라 상기 체결구를 향해 전진 또는 후퇴하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 구동 시스템은 내부 실린더를 회전시켜 상기 이송 튜브 조립체 또는 체결구 캡 조립체의 선단부를 체결구에 정렬시키는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 구동 시스템은 내부 실린더가 하우징 원위 단부를 향해 전진함에 따라 내부 실린더를 회전시켜 상기 이송 튜브 조립체 또는 체결구 캡 조립체의 선단부를 체결구에 정렬시키는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 구동 시스템은,
    상기 내부 실린더에 형성된 길이방향 경로를 따라 연장되는 제1 및 제2 캠 홈;과
    외부 하우징으로부터 내측으로 돌출되어 상기 제1 및 제2 캠 홈 내에 맞물리도록 구성되어, 내부 실린더가 하우징 원위 단부 쪽으로 전진할 때 충전 튜브의 선단부 또는 체결구 캡 조립체의 선단부가 상기 체결구에 정렬되도록 내부 실린더를 회전시키는 제1 및 제2 캠 핀;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 내부 실린더는 길이 방향으로 연장 형성되고;
    상기 제1 및 제2 캠 홈의 경로는 상기 내부 실린더 길이 방향의 아치형 경로를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  23. 제 21항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 캠 홈과 맞물리거나 또는 맞물림 해제되도록 상기 제1 및 제2 캠을 각각 선택적으로 작동시키는 제어 시스템을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
  24. 제 19항에 있어서,
    상기 구동 시스템은 상기 내부 실린더가 하우징 원위 단부로부터 후퇴함에 따라 상기 내부 실린더를 중립 위치로 회전시키는 것을 특징으로 하는 충전 헤드 장치.
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