JP2009115095A - 膜ポンプの寿命の延長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流動食品用パッケージを成形、充填およびシールする包装機械などに使用される膜式の充填ポンプにおいて、ポンプ容積よりも推進体積が小さい場合に生じる局部的な膜の磨耗を回避して、膜の寿命を延長させるためのポンプ運転方法を提供する。
【解決手段】この方法は、可変駆動装置を備えた膜式ピストン・ポンプのピストン・ストロークを、多数の互いにオーバーラップしない、またはオーバーラップした予め定めた液体の推進体積に等しいストローク部分に分け、運転時間、ストローク回数などを切り替えパラメータとしてストローク部分を変更することによって、磨耗をポンプ・ストロークの全範囲に分散させて膜寿命を延長することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は膜式の充填ポンプに関するものである。さらに詳しくは、本発明は膜の寿命を延長させるための膜式の充填ポンプの運転方法に関するものである。

成形、充填およびシール加工を行う包装機械はこの分野でよく知られている。それらの機械は、パッケージを成形し、そのパッケージに液体または固体の食品（または、液体および固体の食品の混合物）を充填し、充填後にパッケージをシール加工するために、食品包装工業の分野で広く使用されている。そのような多くの機械において、例えば貯蔵タンクから個々のパッケージまで製品（例えば食品）を移動させる、すなわち移送するために、ピストン・ポンプが使用されている。これらのポンプは、食品とポンプ駆動部材との間の隔離を維持するために、ピストンと食品との間に柔軟な膜を使用している。ピストンは製品の流動および流量にわたる必須の制御を行えるので、ピストン式のポンプが使用されているのである。

膜はピストンとシリンダ壁との間に配置され、極めて接近しているピストン壁面およびシリンダ壁面から製品を隔離する。圧延式ダイヤフラムと称されるこの膜は、ピストンの製品側端部に位置され、シリンダ壁に沿って延在（また、シリンダ壁の位置でシール）する。膜は柔軟材料で作られているので、ポンプで「作動」され、必要な容積変化を行って製品を移動すなわち駆動できるようにする。

組立体の全体がサーボ・モーターで駆動され、ピストンの移動、したがって推進される製品体積に関する厳密な制御を維持する。さらに、サーボ・モーターの使用はポンプ容積を容易に変更できるので、容器の容積および混合製品の変更を受入れることができる。

この構造の１つの欠点は、ポンプ容積がしばしば実推進体積よりもかなり大きくなることである。例えば、２００ｍｌから１０００ｍｌまでの容積を推進するために、２リットル容積ポンプが使用される。これは、それ自体が問題ではないが、何れの与えられた体積に対しても、ピストンの吸入／排出ストロークは、始動位置および停止位置（すなわち、上死点および下死点）を含めて同じ動作状態を続けることになる。

膜は静止シリンダ壁と移動ピストンとの間に位置するので、両面を擦られて磨耗を生じる。ピストンは与えられた体積に関して理想的な動作状態を続けるので、膜の或る領域に大きな、すなわち集中した磨耗が生じる。

したがって、膜ポンプにおいて膜の寿命を延長する方法が必要とされる。その方法は、ポンプ運転サイクルにおいて固有の磨耗を膜の広い領域に分散させるものであることが望ましい。その方法はまた、ポンプ・システムに含まれる他の部品の磨耗を減少させるものであることがさらに望ましい。その方法は、ポンプ・システム構成要素に僅かの変更を加えるだけか、全く変更することなく、容易に遂行できるものであることがさらに望ましい。

膜式のピストン・ポンプを運転する方法が、膜の寿命を延長させる。ポンプは予め定めた推進体積を有し、それはピストン・ストロークによって決まる。ポンプは、サーボ・モーターのようなさまざまな駆動装置を有する。

この方法は、ピストン・ストロークにおける第１部分にわたってポンプ内へ第１体積の液体を吸入することを含む。液体のこの第１体積は、ポンプ容積よりも小さい。第１体積の液体は、ピストン・ストロークにおける第１部分にわたる逆方向動作によってポンプから排出される。

ピストン・ストロークにおける第２部分にわたってポンプ内へ第２体積の液体が吸入される。液体のこの第２体積もまた、ポンプ容積よりも小さい。第２体積の液体は、ピストン・ストロークにおける第２部分にわたる逆方向動作によってポンプから排出される。ポンプのストロークは、ピストン・ストロークにおける第１部分および第２部分が互いに異なるストロークである。

これにより、膜における異なる領域に応力を生じ（例えば、膜の異なる領域が撓みを生じる）、このことが膜の寿命を延長する。ポンプは、第３体積の液体を吸入および排出するために、ピストン・ストロークにおける第３部分（少なくともその部分は第１および第２のストローク部分と相違する）にわたってピストンが移動するように運転されることができる。

ポンプの運転されるストローク部分を変更する時点の決定は、時間、ストローク回数、または他のさまざまなファクターの何れかを使用することで行える。推進される液体の体積（例えば、液体の第１体積、第２体積、また使用されるならば第３体積）は実質的に互いに等しくされることは予想される。

このシステムはピストン・ストロークの部分（第１、第２、また使用されるならば第３の部分）がオーバーラップするように運転できること、またはこのシステムはピストン・ストロークのどの部分もオーバーラップしないように運転されることが予測できる。

本発明の方法は、ポンプ運転サイクルに固有の磨耗を膜の広い領域に分散させて、また、ポンプ・システムに含まれる他の部品の磨耗を減少させる。この方法は、制御システムのロジックを効果的に変更することで、ポンプ・システム構成要素に僅かの変更を加えるだけ、または全く変更を加えずに容易に遂行される。

本発明のこれらの、または他の特徴および利点は、添付図面に関連して以下の詳細な説明を読むことで明白となるであろう。

本発明の利益および利点は、以下の詳細な説明および添付図面を参照した後、当業者に容易に明白となるであろう。

本発明はさまざまな形態の実施例が可能であるが、現在好ましいとされる実施例が図面に示され、以下に説明されるのであり、この説明は本発明面の例を挙げているものと考えるべきであること、および図示する特定の実施例に本発明を限定する意図のないことが理解される。

本明細書の本節の表題、すなわち「発明の詳細な説明」は米国特許局の要求に関係するもので、本明細書の開示する主題を制限することを示唆するものではなく、そのように推測すべきでもないことを理解すべきである。

ここで図面、特に図１を参照すれば、一連の平たく折畳んだ形態のカートン・ブランクを収容し、それらのブランクが機械を通して移動される間にブランクを立上げてチューブ形態にして、カートンの底部折り代を折曲げてシール加工し、そのカートンに充填を行ってシール加工するように構成された成形、充填およびシール包装機械１０が示されている。この成形、充填およびシール包装機械１０は、カツマタ氏の米国特許第６０１２２６７号に開示されているような機械とすることができ、この特許は本発明の譲受人に譲渡され、その記載内容は参照することで本明細書に組入れられる。

典型的な充填機械１０は、平たく折畳んだカートン・ブランクを収容するカートン・マガジン１２を含む。この充填機械は、平たく折畳まれた形態のカートンを受取ってそのカートンを開く、すなわち立上げてチューブ形状にするカートン立上げステーション１４を含む。チューブ形に成形されたカートンは、次に底部シール加工ステーション１６にて底部をシール加工される。その後カートンは、製品をカートンに充填する充填ステーション１８および充填後にカートン頂部をシール加工する頂部シール加工ステーション２０を含む一連のステーションを通して移動される。他のステーションとして、１つ以上の殺菌ステーション２２およびカートンに蓋パッケージ（注ぎ口とキャップの組合せ）を位置決めして固定する取付けまたは蓋付けステーション（図示せず）を含めることができる。成形、充填およびシール包装機械１０の全体的な作動は制御装置２６で制御される。

図２を参照すれば、充填ステーション１８はピストン式ポンプ３０へ向かう、またポンプ３０からの製品の流れを開始および終了させるための１つ以上のバルブ２８を含む。ポンプ３０はピストン３２を含み、このピストンはシリンダ壁３６で定められたシリンダ３４内を往復運動する。上述したように、製品Ｐ（例えば食品）に接触する表面数を最小限に抑えることが望ましいことから、少なくとも１つの膜３８がシリンダ３４の製品側４０を横断して延在して、移動するピストン３２と静止するシリンダ壁３６との間の空間から製品を隔離する。膜３８の構成は、膜３８がピストン３２の動きによって引き伸ばされる圧延式である。このような構成では、膜３８はシリンダ壁３６に取付けられて（典型的には機械的ジョイント４４内に固定されたビード４２による）、壁３６のまわりに周面シールを形成する。ピストン３２は膜３８の「後方」に位置され、製品入口および出口（すなわち製品側４０）は膜３８の「前方」に位置される。この構成において、膜３８は製品からピストン３２を基本的に隔離する。膜３８は製品側または推進側の端部を、またはチャンバ４６を定める。

図面から認識できるように、シリンダ壁３６とピストン３２との間には膜３８を受入れる間隙４８が存在する。水頭損失を最小限に抑え、また、推進される製品量の高精度の制御を維持するために、間隙４８をできるだけ小さく維持することが望ましい。しかしながら、移動するピストン３２により当然ながら（また、ピストン３２は常に十分に同心的に移動するわけではないので）、膜３８に磨耗が生じる可能性が潜在する。磨耗は、特に、ポンプ３０の充填（吸入）ストロークおよび排出ストロークの各々についてピストン３２が同じ作動状態を続けるときに局部的および集中的に悪化することになる。

上述したように、典型的な設備状況においては、ポンプ３０の容積（すなわち容量）はしばしば実推進体積（移動される液体の体積）を大幅に超えている。したがって、ポンプ３０のストローク長の大部分は使用されないことになる。例えば、２００ｍｌ〜１０００ｍｌの体積を推進するために２リットル（２０００ｍｌ）容量のポンプ３０を使用することは普通である。

膜３８、およびポンプ３０の構成要素に生じる磨耗を軽減するために、現在の運転方法は液体製品を推進する可変ストローク・サイクルを使用している。すなわち、少なくともが部分の連続として捉え、異なるストローク部分を使用している。例えば、ポンプが２リットル容量を有し、推進すべき製品の体積が５００ｍｌであるならば、４つの個別のポンプ（すなわちストローク）部分がある。すなわちストロークにおける第１四半分（１／４）を使用することができ、ストロークにおける第２四半分（ストロークの第１四半分に隣接するがオーバーラップしない）を使用することができ、ストロークにおける第３四半分（ストロークの第２四半分に隣接するがオーバーラップしない）を使用することができ、以下同様に使用することができる。さらに、例えば第２ストローク部分が第１ストローク部分の途中で始まるようにそれらの部分がオーバーラップすることを許されるならば、無限のストローク部分が存在する。基本的に、ストローク部分の移動が所望量の製品を排出するのに十分であるかぎり、ポンプのストローク長に沿う何れの位置においても推進ストロークを開始または停止させることができるのである。

例示的な運転モードにおいて、２４時間の生産運転の初日にポンプ・ストロークの第１となる５０％の部分を使用することができ（推進体積の２倍の容量を有するポンプにおいて）、また、生産運転の翌日にポンプ・ストロークの第２の５０％の部分を使用することができる。正確な使用継続時間およびシリンダ容積の使用率は、ポンプ容積、推進体積、それら２つの比率、および望まれる変化シナリオによって変わる。

他の運転シナリオにおいて、或る時間段階から次の時間段階（例えば、１日目から２日目）へ使用する始動位置を変更することが望ましい。例えば、推進体積がポンプ容積の１／２であるならば、第１ストロークはポンプ容量すなわちストロークの第１の５０％の部分を使用でき、第２ストロークは第１ストロークの部分にオーバーラップさせてポンプ容量すなわちストロークの次の１０％増分部分を使用する（すなわち、１０％〜６０％にわたる部分を使用する）ことができ、第３のストロークは第１および第２のストロークの部分にオーバーラップさせてポンプ容量すなわちストロークの次の１０％増分部分を使用する（すなわち、２０％〜７０％にわたる部分を使用する）ことがで、第４のストロークはポンプ容量すなわちストロークの次の１０％増分部分を使用する（すなわち、３０％〜８０％にわたる部分を使用する）ことがで、以下同じように使用することができる。これと同じまたは異なる増分量の変更シナリオを、全体にわたって、または断続的に使用することができる。

推進体積の占める比率は、ポンプ容積の２５％または５０％である必要はなく、望まれる何れの比率（１００％未満）とすることもできる。

時刻、運転時間、ポンプ・ストローク回数、または他の何れかの測定可能な指標に応じてさまざまなポンプ・ストロークを設定すなわち決めることができる、またはそのような変化をランダムにできることは予想される。推進体積はポンプの各運転で同じとされることは想像できるが、この推進体積を変化させることができることも容易に理解されるであろう。

推進システム３０のこの融通性は、ポンプ３０の駆動装置５０が正確で、個別の、分離したストロークを可能にすることを必要とする。本発明のポンプ３０において、駆動装置５０はサーボ制御されるか、モーター５０したがってポンプ・ピストン３２のストローク（動き）の正確な制御を可能にするサーボ・モーターとされる。公知または未公知の他の正確な装置も本発明の範囲に含まれることは理解されねばならない。

機械の制御装置２６はモーター５０、したがってポンプのピストン３２の正確な動きを制御するために使用されることは認識されるであろう。当業者はそのような制御装置２６がこの動きを制御するためにプログラムされる方法を認識するであろう。

本明細書において、単数表記においては単数および複数の両方を含むことを意図している。逆に、複数部品の表記では、適当ならば単数を含むものとされる。

本明細書で引用した全ての特許は、本明細書の文中に特に引用されているか否かに拘わらずにその記載内容を本明細書の記載として援用する。

前述の説明から、本発明の新規の概念における真の精神および範囲から逸脱することなく多くの変更および変形を加えることができることが認識されるであろう。図示した特定の実施例に限定することを意図するものでなく、そのように推測されるべきでないことを理解しなければならない。本明細書は、特許請求の範囲の記載に含まれるそのような全ての変更形を請求項で網羅することを意図するものである。

本発明の原理による膜寿命の延長方法を使用して運転される膜式ピストン・ポンプを備えた成形、充填およびシール包装機械の斜視図である。 例示的な膜式ポンプの断面図である。 他の例示的な膜式ポンプの断面図である。

符号の説明

１０ 成形、充填およびシール包装機械
１２ カートン・マガジン
１４ カートン立上げステーション
１６ 底部シール加工ステーション
１８ 充填ステーション
２０ 頂部シール加工ステーション
２２ 殺菌ステーション
２６ 制御装置
２８ バルブ
３０ ポンプ
３２ ピストン
３４ シリンダ
３６ シリンダ壁
３８ 膜
４０ 製品側
４２ ビード
４４ ジョイント
４６ チャンバ
４８ 間隙
５０ モーター

Claims (16)

1. ピストン・ストロークの長さで定められる所定のポンプ容積を有し、可変駆動装置を備えた膜式ピストン・ポンプの運転方法であって、
   ピストン・ストロークの第１部分にわたって、ポンプ容積よりも小さい第１体積の液体をポンプに吸入する段階と、
   ピストン・ストロークの第１部分にわたる逆動作を通してポンプから第１体積の液体を排出する段階と、
   ピストン・ストロークの第２部分にわたって、ポンプ容積よりも小さい第２体積の液体をポンプに吸入する段階と、
   ピストン・ストロークの第２部分にわたる逆動作を通してポンプから第２体積の液体を排出する段階とを含み、
   ピストン・ストロークの第１部分および第２部分が互いに異なる方法。
2. 液体の第１体積および第２体積が等しい請求項１に記載された方法。
3. 第２体積の液体を吸入する段階が第１体積の液体を吸入する段階の直後に行われる請求項１に記載された方法。
4. ピストン・ストロークの第３部分にわたって、ポンプ容積よりも小さい第３体積の液体をポンプに吸入する段階と、
   ピストン・ストロークの第３部分にわたる逆動作を通してポンプから第３体積の液体を排出する段階とを含み、
   ピストン・ストロークの第２部分および第３部分が互いに異なる請求項１に記載された方法。
5. ピストン・ストロークの第３部分がピストン・ストロークの第１部分と異なる請求項４に記載された方法。
6. ピストン・ストロークの第１および第２および第３部分が連続して遂行される請求項５に記載された方法。
7. 第１の予め定めた時間長にわたり第１体積の液体をポンプに吸入する段階およびポンプから第１体積の液体を排出する段階が繰返し遂行され、第１の予め定めた時間長に引続く第２の予め定めた時間長にわたり第２体積の液体をポンプに吸入する段階およびポンプから第２体積の液体を排出する段階が繰返し遂行される請求項１に記載された方法。
8. ピストン・ストロークの第３部分にわたって、ポンプ容積よりも小さい第３体積の液体をポンプに吸入する段階と、
   ピストン・ストロークの第３部分にわたる逆動作を通してポンプから第３体積の液体を排出する段階とを含み、
   第３体積の液体をポンプに吸入する段階およびポンプから第３体積の液体を排出する段階が第２の予め定めた時間長に引続く第３の予め定めた時間長にわたり繰返し遂行される請求項７に記載された方法。
9. 第１の予め定めたストローク回数にわたり第１体積の液体をポンプに吸入する段階およびポンプから第１体積の液体を排出する段階が繰返し遂行され、第１の予め定めたストローク回数に引続く第２の予め定めたストローク回数にわたり第２体積の液体をポンプに吸入する段階およびポンプから第２体積の液体を排出する段階が繰返し遂行される請求項１に記載された方法。
10. ピストン・ストロークの第３部分にわたって、ポンプ容積よりも小さい第３体積の液体をポンプに吸入する段階と、
    ピストン・ストロークの第３部分にわたる逆動作を通してポンプから第３体積の液体を排出する段階とを含み、
    第３体積の液体をポンプに吸入する段階およびポンプから第３体積の液体を排出する段階が第２の予め定めたストローク回数に引続く第３の予め定めたストローク回数にわたり繰返し遂行される請求項９に記載された方法。
11. 第１および第２の予め定めたストローク回数が２回以上である請求項９に記載された方法。
12. 第１、第２および第３のストローク回数が２回以上である請求項１０に記載された方法。
13. 液体の第１体積および第２体積が実質的に等しい請求項１に記載された方法。
14. 液体の第１体積、第２体積および第３体積が実質的に等しい請求項１０に記載された方法。
15. ピストン・ストロークの第１部分および第２部分がオーバーラップしている請求項１に記載された方法。
16. ピストン・ストロークの第１部分および第２部分が織らしていない請求項１に記載された方法。

Images