JP2019500281A - 低スプラッシュ流体遮断弁アセンブリ - Google Patents
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Abstract
容器を流体で充填するシステムと共に使用されることができる低スプラッシュ流体遮断弁アセンブリ及び充填動作における流体スプラッシュバックを減らす方法。
Description
本開示は、改善された流体遮断弁、より具体的には、高速で、容器を流体で充填するシステムと共に使用されることができる低スプラッシュ流体遮断弁に関する。
高速容器充填システムは既知であり、多くの異なる産業で使用されている。多くのシステムでは、正確な量の流体が容器内に分配されることを確実にすることを促進するために、流体は、一連のポンプ、加圧タンク及び流量計並びに／又は弁を通って充填される容器に供給される。しかしながら、特に高速で容器を充填するとき、従来のポンプ、加圧又は重力送りシステム及び弁は、充填サイクルの終わりに流体のサージを生じさせる可能性があり、それによって容器内の流体を、充填方向の略反対方向、及び、多くの場合、充填される容器の外に、飛び散らせ得る。これは、流体の浪費、容器の外表面の汚染及び／又は充填機器本体の汚染につながる可能性がある。更に、悪影響を減らすためにスプラッシュバックを補正することは、多くの場合、製造業者に、バックスプラッシュがボトルから出ることを防ぐのに十分なヘッドスペースを含むボトル等の容器を使用することを強いる。したがって、使用される容器は、多くの場合、容器内に充填される流量よりも著しく大きい体積を有する。これは、容器を作るために使用される高価であり得る原料に関して無駄を生じ、容器が完全に充填されたものよりも少なくなる可能性がある。
したがって、改善された流体充填システム、特に、充填サイクルの終わりのスプラッシュバックが微小又は全くない状態を提供する流体遮断弁アセンブリを提供することが望ましいであろう。
本開示は、流体充填ライン用流体遮断弁アセンブリに関し、弁アセンブリは、流体流動方向を画定する流体流路を有し、アセンブリは、流体の源と流体連通する流体入口オリフィスであって、流体入口オリフィスは流体が流体流動方向において流体の源から弁アセンブリの流体流路内に流れることを可能にする、流体入口オリフィスと、弁アセンブリの流体流路と流体連通し及び流体が弁アセンブリから流出し得る、流体出口オリフィスと、流体入口及び流体出口と流体連通する流体遮断弁であって、流体遮断弁は流体封鎖部及び流体流入部を有し、流体遮断部は、流体流入部が流体流路に整列される充填位置から、流体封鎖部が流体流路に整列される閉鎖位置まで移動可能であり、流体遮断弁は、流体遮断弁が流体流路を妨害する場所で流体流動方向に略垂直である方向に移動するように配向される、流体遮断弁と、を備える。
加えて、本発明は、高速流体充填ライン用流体遮断弁アセンブリに関し、弁アセンブリは、流体流動方向を画定する流体流路を有し、アセンブリは、圧力下の流体の源と流体連通する流体入口オリフィスであって、流体入口オリフィスは流体が流体流動方向において流体の源から弁アセンブリの流体流路内に流れることを可能にする、流体入口オリフィスと、弁アセンブリの流体流路と流体連通し及び流体が弁アセンブリから流出し得る、流体出口オリフィスと、第１の入口と流体連通し、並びに流体が第１の弁を通って流れることを可能にする第１の弁開放構成及び流体が第１の弁を通過して流れることを防ぐ第１の弁閉鎖構成を有する、第１の弁と、第１の弁及び流体出口オリフィスと流体流通する第２の弁であって、第１の弁及び第２の弁は、少なくとも約５ｍｍの長さを有する貯留領域によって相互に分離され、第２の弁は、流体が第２の弁を通って流れることを可能にする第２の弁開放構成、流体が第２の弁を通過して流れることを防ぐ第２の弁閉鎖構成を有し、第２の弁は、第２の弁が流体流路を妨害する場所で流体流動方向に略垂直である方向に移動するように配向され、弁アセンブリが第２の弁が閉じる前に第１の弁が閉じるように構成されることによって、第２の弁が閉じることに先立って、第１の弁と第２の弁との間に位置する流体流路内の流体の圧力を減らす、第２の弁と、を備える。
また、本発明は、容器を流体で充填することに関連付けられるバックスプラッシュを減らす方法に関し、方法は、流体で充填される容器を提供することであって、容器が開口部を有する、提供することと、容器の開口部に隣接するノズルを提供することと、ノズルと流体連通する弁アセンブリを提供することと、容器を充填する流体を、弁アセンブリに提供することであって、弁アセンブリは、流体の源と流体連通する流体入口オリフィスであって、流体入口オリフィスは流体が流体流動方向において流体の源から弁アセンブリの流体流路内に流れることを可能にする、流体入口オリフィスと、弁アセンブリの流体流路と流体連通し及び流体が弁アセンブリから流出し得る、流体出口オリフィスと、第１の入口と流体連通し、並びに流体が第１の弁を通って流れることを可能にする第１の弁開放構成、流体が第１の弁を通過して流れることを防ぐ第１の弁閉鎖構成、及び第１の阻止構造を有する、第１の弁と、第１の弁及び流体出口オリフィスと流体流通する第２の弁であって、第２の弁は、流体が第２の弁を通って流れることを可能にする第２の弁開放構成、流体が第２の弁を通過して流れることを防ぐ第２の弁閉鎖構成、及び第２の阻止構造を有する、第２の弁とを含み、第１の弁及び第２の弁は、貯留領域によって相互に分離される、提供することと、第１の弁を第１の弁開放構成から第１の弁閉鎖構成まで移動させ流体の源を一時的に封鎖することよって、第１の弁を第１の所定時間で閉じることと、流体流路内の流体が流体出口オリフィスから出ることを防ぐために、第２の弁開放構成から第２の弁閉鎖構成まで、第２の弁が流体流路を妨害する場所で流体流動方向に略垂直である方向に第２の阻止構造を移動させることによって、又は第２の弁が流体流路を妨害する場所で流体流動方向に略垂直である軸若しくは回転に沿って阻止構造を回転させることによって、第２の弁を第１の所定時間後の第２の所定時間で閉じることと、を含む。
以下の説明は、読者の理解を促進するために、具体的な例と一緒に本発明の概要を提供することが意図される。その説明は、他の特徴、特徴の組み合わせ、及び実施形態が発明者によって想到されるような、いずれかの方法に限定されるものとして見なされるべきではない。更に、本明細書に明記される特定の実施形態は、本明細書の様々な特徴の例であることが意図される。したがって、説明される実施形態のいずれの特徴も、本発明の範囲内で代替又は追加の実施形態を提供するために、他の特徴と組み合わせられ若しくはそれらと交換され、又は除去される可能性があることが十分に想到される。
本発明の低スプラッシュ流体遮断弁アセンブリは、高速ボトル充填等の高速容器充填動作で使用されてもよい。しかしながら、限定ではないが、ボックス、カップ、缶、小びん、単回単位用量容器（例えば、水溶性単位用量ポッド）、ポーチ、バッグ等を含む他の種類の容器が想到されることと、充填ラインの速度が限定されるものとして考慮されるべきではないこととを理解されたい。更に、理論に制約されることなく、従来の充填ライン内のスプラッシングが、例えば、流体遮断弁が閉じるときの流体流路の断面積の減少並びに／又は弁を閉じる及び流体流動を遮断するための流体流動方向における弁の急な移動を含む、１つ以上の要因によって生じることが考えられる。スプラッシュバックの量又は強度を減らすことによって、充填は、高速及び／又は高精度で行われることができ、良好な衛生状態、少ない廃棄物及び／又は包装等の他の利点をもたらし得る。
図１は、高速ボトル充填等の容器充填動作で使用され得る低スプラッシュ流体遮断弁アセンブリ１０の一例の等角図である。示される低スプラッシュ流体遮断弁アセンブリ１０は、第１の弁２５を有する第１の弁構成要素２０を含む。第１の弁２５は、第１の阻止構造２６（図２〜図４に示される）を有する。示される遮断弁アセンブリ１０は、また、第２の弁３５等の流体遮断弁を有する第２の弁構成要素３０を含む。第２の弁３５は、第２の阻止構造３６（図２〜図４に示される）を有する。第１の弁２５及び第２の弁３５は、相互に流体連通する。
図２に示される低スプラッシュ流体遮断弁アセンブリ１０は、また、流体入口オリフィス４０及び流体出口オリフィス５０を含む。流体入口オリフィス４０は、第１の弁２５に隣接して配置され、第１の弁構成要素２０の一部又はそれに永久的若しくは一時的に固定される分離ピースであってよい。流体入口オリフィス４０は、遮断弁アセンブリ１０を通って通過する流体４５（図９に示される）が流体源４２から遮断弁アセンブリ１０に入る場所にある。流体４５は、大気圧よりも大きい圧力で加圧又は提供されてもよい。いったん遮断弁アセンブリ１０に入ると、流体４５は、流体流路６０に沿って第１の弁構成要素２０を通って第１の弁２５まで流れる。第１の弁２５が開放構成にある場合、図２に示されるように、流体４５は、弁２５を通って通過し、第１の弁２５と第２の弁３５との間の貯留領域７０内の流体流路６０に沿って続く。第２の弁３５に到達するとすぐに、流体４５は、第２の弁３５を通って通過する、又は、第２の弁３５の第２の阻止構造３６によって通過することを防がれる、のいずれかが行われる。
本明細書に使用されるような弁に関連する用語「通って通過する」は、弁が開放構成にあるときに意図されるように、弁の阻止構造を通過して移動する流体に広義に関連することが意図される。したがって、用語は、弁の阻止構造を通過して、弁の入口から弁の出口までの、いくつかの意図される移動を包含する。用語は、流体がバルブ自体の阻止構造内のみを通過する状況に限定されることが意図されないが、むしろ、流体が阻止構造を通って通過する、流体が阻止構造の周囲を通過する、流体が阻止構造全体にわたって通過する、流体が阻止構造内を通過する、流体が阻止構造の外側を通過する等、又はそれらの任意の組み合わせを含む。
図２〜図４に示されるように、第２の弁構成要素３０は、第２の弁３５が第１の弁２５及び流体出口オリフィス５０と流体連通するように構成される。したがって、第２の弁構成要素３０は、所望により、流体４５が遮断弁アセンブリ１０から出ることを防ぐために使用されることができる。図２では、第２の弁３５は、流体４５が弁３５を通って通過すること及び遮断弁アセンブリ１０から外に出ることを可能にするであろう、開放構成で示される。図３では、第１の弁２５は閉鎖構成で示され、第２の弁３５は開放構成で示される。この構成では、第２の弁３５は、流体４５が弁アセンブリ１０内で提供される流体源４２から離れているが、第２の弁３５は、流体４５が弁アセンブリ１０から排出されることを可能にするために依然として開いている。図４では、第２の弁３５は、第２の阻止構造３６が流体４５が第２の弁３５を通って通過すること及び遮断弁アセンブリ１０から外に出ることを防ぐ、閉鎖構成で示される。
簡単に説明するために、図は、ある例示的種類の弁のみを表現する。しかしながら、任意の好適な弁が遮断弁アセンブリ１０内で使用されることができることを理解されたい。例えば、第１の弁２５及び第２の弁３５は、ボール弁、スプール弁、回転弁、スライド弁、くさび弁、バタフライ弁、チョーク弁、ダイヤフラム弁、仕切り型弁、ニードルピンチ弁、ピストン弁、プラグ弁、ポペット弁、及び遮断弁アセンブリ１０のために意図される特定の使用に好適な任意の他の種類の弁であってよい。更に、遮断弁アセンブリ１０は任意の数の弁を含んでもよく、弁は、同じ種類、異なるもの、又はそれらの組み合わせであってよい。弁は、任意の所望のサイズであってよく、同じサイズである必要はない。例えば、約３００センチポイズの粘度を有する食器手洗い用ソープ及び約６００センチポイズの粘度を有する液体洗濯洗剤等のせっけんでボトルを充填するために、遮断弁アセンブリ１０内での使用に好適であることが分かっている弁の例として、ピストン弁、スプール弁、回転弁が挙げられる。
弁は、限定ではないが、空気若しくは空気圧ドライバ、サーボ、水圧、磁石、カム、及び他の機械ドライバ等、又はそれらの組み合わせを含む、任意の好適なドライバ及び／又はコントローラによって駆動、作動、及び／又は制御されてよい。更に、弁は、手動で又はコンピュータ若しくは他の制御デバイスを用いて、制御されてよい。図２〜図４に示されるように、弁２５及び弁３５は、独立式空気圧シリンダ４４によって駆動される。しかしながら、単一のアクチュエータによって駆動又は制御される任意の数の弁は、機械的、電気的、若しくは別の方法で、一緒に連結されることができ、又は任意の数のドライバ及び／又はコントローラによって駆動又は制御されてもよい。１つの例示的サーボドライバは、ＳＭＡＣ Ｍｏｖｉｎｇ Ｃｏｉｌ Ａｃｔｕａｔｏｒｓから入手可能な電気シリンダアクチュエータ（例えば、ＣＢＬ５０−０２５−７５−２Ｆ−３）である。
図２〜図４に示されるように、弁２５及び弁３５は、ピストン弁であり、１つ以上の密閉部２３を含んでよい。密閉部２３は、密閉機構を提供することにより、流体４５が阻止機構に沿って弁からゆっくり流れ出ないことを確実にする。密閉部２３は、任意のサイズ及び／又は形状であってよく、任意の好適な原料から作製されてよい。更に、各弁は、任意の数の密閉部２３を含んでよい。示される実施形態では、各弁は、阻止機構２６、３６の各端に１つずつ、２つの密閉部２３を含む。好適な密閉部２３の一例は、ＭｃＭａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒから入手可能な超化学Ｖｉｔｏｎ Ｅｔｐ Ｏ−ｒｉｎｇダッシュ番号１３等のＯリングである。
ピストン弁が使用される場合、弁は任意の好適なサイズ又は形状であってよい。例えば、弁２５は、シリンダ又はシリンダ状物体であってよい。その弁は、弁２５と同様に、流体がその弁の周囲を通過することを可能にするように、下にくびれた部分を伴う円筒形状を有してよい。代替として、その弁は、弁３５と同様に、シリンダを通って延在する１つ以上のチャネルを有する円筒形状を有してよく、そのチャネル（単数又は複数）は、流体がそのチャネルを通って通過することを可能にする。勿論、他の好適な弁も使用されることができる。更に、弁又は弁のいずれかの部分は、弁の目的に好適な任意の原料から作られることができる。例えば、弁は、スチール、プラスチック、アルミニウム、セラミック、異なる原料の層等から作られてもよい。約２００〜約６０００センチポイズの粘度を有する食器手洗い用洗剤液体等の流体を用いた使用に好適であることが分かっている一実施形態は、Ａｓｔｒｏ Ｍｅｔ，Ｉｎｃ，（９９７４ Ｓｐｒｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｐｉｋｅ，Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ，ＯＨ）から入手可能なセラミック原料ＡｍＡｌＯｘ ６８（９９．８％酸化アルミニウムセラミック）である。セラミック原料の１つの利点は、それが非常に精密な公差で形成されることができ、流体４５が弁から漏れることを防ぐために、追加密閉部又は他の密閉構造が必要にならない場合がある。また、密閉部の数を減らすことで、細菌が入り生存する可能性がある間隔を減らすことができ、これは、プロセスの衛生状態を改善することを促進することができる。
２つの以上の弁が遮断弁アセンブリ１０内に組み込まれる実施形態では、少なくとも、流体流路６０に関して、遮断弁アセンブリ１０内の他の弁から、遮断弁アセンブリ１０の流体出口オリフィス５０に最も近くに配置される弁を分離することが有利であることが分かっている。理論に制約されることなく、弁間に一定の距離を提供することで、遮断弁アセンブリ１０に入る流体流動と流体４５が遮断弁アセンブリ１０から出る前の最終弁との間で緩衝部として機能することができることが考えられる。図２〜図４では、第１の弁２５は、貯留領域７０によって第２の弁３５から分離される。
図２〜図４に示されるように、貯留領域７０は、第１の弁２５と第２の弁３５との間に位置する流体流路６０の一部である。単一の弁の実施形態では、貯留領域７０は、弁と出口オリフィス５０との間に位置する。貯留領域７０は、第１の弁２５及び第２の弁３５の一方又は両方が閉じているとき、流体４５が留まるための間隔を提供する。貯留領域７０は、任意の所望のサイズ、形状、又は寸法であることができる。図２〜図４に示されるように、貯留領域７０は、第１の弁構成要素２０の出口部２７及び第２の弁構成要素３０の入口部３７を含んでよい。また、図２〜図４に示されるように、貯留領域７０は、間隔チャネル８７を含んでよい。間隔チャネル８７は、流体がそれを通って通過することを可能にするための任意の好適な構造であってよい。図２〜図４に示されるように、間隔チャネル８７は、第１の弁構成要素２０及び第２の弁構成要素３０を離間する構造を含む間隔要素８０等のスペーサ内の開口部であってよい。しかしながら、間隔チャネル８７は、また、第１の弁構成要素２５の出口部２７を第２の弁構成要素３０の入口部３７に接続し流体流路６０を完全にする、チューブ、ホース、パイプ、ライン、導管、チャネル、ダクト等であってよい。加えて又は代替として、例えば、単一の弁構成等内で、間隔チャネル８７は、最終弁といずれかの下流構造（例えば、ノズル１００等）との間に間隔を提供するように、遮断弁アセンブリ１０の最終弁の下流に配置されてもよい。
上記に述べたように、貯留領域７０は、任意の所望のサイズ、形状、又は寸法であることができる。しかしながら、貯留領域７０が所定の長さ、直径、及び／又は体積を有することが望ましい場合がある。例えば、貯留領域７０の長さＬ（例えば、図３に示されるもの）が、少なくとも約５０ｍｍ、少なくとも約１０ｍｍ、又は少なくとも約５ｍｍであることが望ましい場合がある。代替として又は加えて、貯留領域７０の長さＬが、貯留領域７０の直径Ｄの少なくとも約２５％、少なくとも約５０％、少なくとも約１００％であることが望ましい場合がある。代替として又は加えて、貯留領域７０の直径Ｄが、貯留領域の長さＬの１００％未満、貯留領域の長さＬの７５％未満、貯留領域７０の長さＬの約５０％未満であることが望ましい場合がある。代替として又は加えて、貯留領域７０の体積が、少なくとも約少なくとも約２００，０００ｃｍ３、又は少なくとも約３０，０００ｍｍ３、少なくとも約１５０ｍｍ３、又は少なくとも約３５ｍｍ３であることが望ましい場合がある。
流体４５の速度が増加するにつれて及び／又はその粘度が減少するにつれて、貯留領域７０の長さＬ、直径Ｄ、及び／又は体積が増加することが望ましい場合がある。これは、流体４５の速度の増加及び／又はその粘度の減少が、より多い及び／又はより大きいスプラッシュバックを生じさせる可能性があるためである。更に、理論に制約されることなく、貯留領域７０の長さＬ及び直径Ｄは、圧力隔離弁（例えば、弁２５）と流体遮断弁（例えば、弁３５）との間の遮断タイミングの差に影響を及ぼし得ることが考えられる。例えば、貯留領域７０の長さＬが増加するにつれて、弁アセンブリ１０から出る圧力サージの危険を及ぼすことなく、圧力隔離弁が遮断された後に、流体遮断弁を遮断するための時間がより長くなる。
貯留領域７０は、また、寸法が固定又は可変であってよい。すなわち、長さ、幅、高さ、直径、体積等の設定された寸法を有することができ、又は変化する寸法を有することができる。例えば、貯留領域７０は、第１の弁部２０と第２の弁部３０との間に位置する一定の直径を伴う管の固定部になることが望ましい場合がある。代替として、貯留領域７０は、第２の弁部３０に関して第１の弁部２０の全て又は一部を移動させることによって生じることができる。したがって、貯留領域７０の寸法は変更されることができる。貯留領域７０の体積を変更する１つの方法は、第１の弁２５が閉じるときに流体流路６０に略平行であるが反対である方向に移動するように、第１の弁２５を構成することである。それを行うことで、弁２５は、弁２５が開くときよりも大きい貯留領域７０内の体積を生じさせることができる。用語「流体流路に略平行であるが反対である」は、流体流路６０から正反対（例えば、１８０度）である方向又は流体流路６０に正反対である方向よりも最大約４５度大きい若しくは小さい方向を指す。流体流路６０から−４５度〜４５度の範囲内の全ての角度が想到され、本明細書に具体的に明記されていることを理解されたい。弁２５が閉じているときの貯留領域７０内のこの追加体積は、貯留領域７０内の流体４５の圧力を減らすことを促進することができ、１つ以上の他の弁と併せて用いられるとき、スプラッシュバックを減らすことを促進する追加の利点をもたらし得る。
貯留領域７０の体積を増加又は減少させる他の方法は、貯留領域７０の体積を増加又は減少するために、所望によって、形状を移動又は変更させることができる貯留領域７０と流体連通する１つ以上のピストン、ブラダ、弁、又は他の移動可能構造を組み込むことを含む。同様に、単一の弁実施形態では、弁は、流体流動６０に略平行であるが反対である方向に移動することで、貯留領域７０の体積を生じさせ又は増加させるように構成されることができる。これらの構成のいずれかでは、貯留領域７０の体積を変化させることは、遮断弁アセンブリ１０の流体出口オリフィス５０及び／又はノズル１００からスプラッシュバック及び／又は液だれを防ぐことを促進することができる。
貯留領域７０は、また、流体４５と混合される又はその中への成分の追加に備えるために、１つ以上の混合ポート７５と、１つ以上の静的又は動的ミキサ７７（例えば、図５に示すように）とを含んでもよい。例えば、流体４５は、基本原料（例えば、水）、１つ以上の成分を追加することが望ましい製剤又は事前に混合された組成物であり得る。流体流動が所定の時間期間に貯留領域７０内で減る又は止まる可能性があるため、貯留領域７０は、遮断弁アセンブリ１０に入る流体４５に成分を追加するために望ましい場所を提供する。この時間は、成分を追加する時間、原料が十分に混合若しくは相互に反応するための混合及び／又は滞留時間を可能にする。また、貯留領域７０内の流体４５の具体的な量を一定にすることができ、流体４５の継続した流れの変化よりも影響を受けにくいため、貯留領域７０は原料の流体へのより正確な追加を提供することができる。また更に、貯留領域７０は、容器を充填する直前に成分を混合する好適な場所を提供することができ、これは、充填動作に柔軟性を提供し、最終製品の後期の差別化を可能にすることができる。例えば、オペレータは、成分が容器内に放出される直前に、異なる成分を基本製剤に追加することを選び得る。これは、追加成分による上流機器の汚染を防ぐことができ、同じ基本製剤で異なる製品を同じ製造ライン上で生産することを可能にする。また、成分の追加又は混合は、１つ以上の弁が開いているときに行われることができることも想到される。例えば、貯留領域７０内の混合は、流体４５が弁アセンブリを通って流れているときでさえ行うことができる。いずれかの場合も、原料を、混合ポート７５を通って及び貯留領域７０内に提供するための混合ポンプ又は他の手段は、弁アセンブリ１０の１つ以上の弁によって時間調整されるか、又は協調するように制御されることができ、又は駆動されることができる。
図１〜図４に示されるように、ノズル１００等の吐出口又は他の流体指向又は制御構造は、遮断弁アセンブリ１０の出口オリフィス５０に隣接して配置されてよい。本明細書に使用される用語「ノズル」は、特定の構造又は要素に限定されることが意図されないが、むしろ、一般的に、充填されることが意図される容器に入る前に流体４５が流れる最終オリフィス又は複数のオリフィスを指定することが意図される。ノズル１００は、任意の数のオリフィス１１０又は流体４５が流れ得る他の開口部を含んでよい。図１〜図４では、示されるノズル１００は、断面が略円形である様々なオリフィス１１０を含むが、他の形状、オリフィスの数、及びサイズが想到される。また、ノズル１００は、単一のノズルである必要はないが、分離した又は一緒に結合された１つ以上のノズルを含んでもよい。ノズル１００の形状及び／又は方位は、静的又は動的であってよい。また、遮断弁アセンブリ１０及び／又はノズルは、異なるノズルが遮断弁アセンブリ１０と共に使用されることができるように構成され、オペレータが、特定の充填動作に応じて異なるノズルの種類のいずれかを選ぶことを可能にし得ることが想到される。
ノズル１０は、また、弁アセンブリ１０の一部又は任意の１つ以上の弁構成要素として製造されることができる。これは、部品間で必要な密閉部の数を減らすことができ、特に、密閉完全性を低下又は損なう可能性がある香水等の成分を含む流体で容器を充填するときに役立つことができる。そのような構成は、また、細菌、堆積物、及び／又は固体が閉じ込められる可能性がある場所を減らす又は排除することを促進することができる。
図２〜図４は、２つの弁（第１の弁２５及び第２の弁３５）がどのように構成されるかの例と、第２の弁３５が閉じるときに低スプラッシュバックをもたらすように遮断弁アセンブリ１０内で動作するかの例とを示す。具体的には、図２に示されるように、第１の弁２５及び第２の弁３５は両方とも、入口オリフィス４０から出口オリフィス５０まで途切れない流体流路６０を提供する開放構成にある。図３では、遮断弁アセンブリ１０は、第１の弁２５が閉鎖構成にあり第２の弁３５が開放構成で示される構成で示される。したがって、流体流路６０は、第１の弁２５に遮られる。遮断弁アセンブリ１０が、遮断弁アセンブリ１０を通って通過する流体４５が圧力下にあるシステム内で使用される場合、第１の弁２５を閉じることは、貯留領域７０及び第１の弁２５の下流のシステム内に配置される流体４５を、圧力下の流体４５から分離する。これは、貯留領域７０が、第２の弁３５の直上流にある流体４５の緩衝ゾーンとして機能することを可能とする。したがって、第１の弁２５が開いているときの、貯留領域７０内の流体４５の速度及び／又は圧力に対して、貯留領域７０内の流体４５の圧力及び／又は速度が下がる可能性がある。これは、ノズル１００から出て充填される容器１２０内への流体４５のサージを生じさせることなく、第２の弁３５が閉じることを可能にし、それによって、充填サイクルの終わり（つまり、最終弁が任意の特定の容器の充填動作を終わらせるために遮断されるとき）に容器１２０の外で流体４５のスプラッシングを十分に減らす又は排除することができる。
多くの異なる種類の弁が遮断弁アセンブリ１０内に組み込まれることができるが、流体流路６０に沿って流れている流体４５を止める剪断運動を利用する弁は、弁を遮断するときに経験するスプラッシュバックの量を減らすことに特に役立つことが分かっている。流体流動の方向で弁の一部の運動によって流体４５を止めることよりもむしろ流体４５を剪断することは、スプラッシュバックの量及び強度を減らすことができる。本明細書に使用されるような剪断運動は、弁２５から出るときに流体流路６０に略垂直である動きで、例えば、弁２５等の弁の阻止機構を動かすことを意味する。用語「流体流路に略垂直である」は、流体流路６０に正垂直（つまり、９０度）であるいずれかの方向又は、流体流路６０に正垂直から最大約４５度のいずれかの方向を指す。ある実施形態では、弁２５が、流体流路６０から、少なくとも約５０度、少なくとも約６０度、少なくとも約７０度、少なくとも約７５度、少なくとも約８０度、又は少なくとも約８５度の方向で移動することが望ましい。更に、流体流路６０から４５度〜９０度の範囲内におけるいずれかの方向の全ての角度が想到され、本明細書に具体的に明記されることを理解されたい。
剪断運動を生じさせる１つの方法は、図２〜図４に示されるように、弁の阻止機構を流体流路を横断して略直線運動に移動させることである。代替として又は加えて、剪断運動は開口部を有する阻止機構を回転させることによって生じる可能性があり、開口部が流体流路と列になると流体４５が通過し、又は、開口部が流体流路と列にならないように回転させて弁を閉じる。例えば、図６及び図７に示されるように、弁構成要素２２は、シリンダ２７を貫通するチャネル２９と伴う、シリンダ２７等の阻止機構を備えた弁２５を含み、流体流路６０と整列され得る。弁２５は、チャネル２９を流体流路６０と整列させることによって開く。弁２５を閉じるには、シリンダ２７は、チャネル２９が流体流路６０に整列されないように回転する。図に示されるように、弁２５は、回転軸Ａ−Ａを中心にシリンダ２７を回転させることによって開閉する。回転弁２５を閉じるときに所望の剪断運動を生じさせるために、回転軸Ａ−Ａは、流体流路６０に略垂直であるべきである。
ある実施形態では、例えば、流体出口オリフィス５０が平面でないときなど、弁の阻止部の運動は、流体出口オリフィス５０又は対応するノズルオリフィス（単数又は複数）１１０を横断して、流体流路６０に対して異なる角度であってよい。そのような実施形態では、阻止機構の移動の少なくとも一部は、流体流路６０に略垂直であることが好ましい。好ましくは、弁の阻止部の運動の少なくとも約２５％は流体流路６０に対して略垂直であり、弁の阻止部の運動の少なくとも少なくとも約５０％は流体流路６０に対して略垂直であり、弁の阻止部の運動の少なくとも約７５％は流体流路６０に対して略垂直であり、又は弁の阻止部の運動の少なくとも約９０％は流体流路６０に対して略垂直である。例えば、弁が軸を中心に回転するシリンダの形態である実施形態では、上記に識別される流体流路に略垂直であるべき移動の好ましい割合は、弁が開放構成から流体流路６０に略垂直であるべき閉鎖構成になる回転経路の割合に等しい。
使用される弁の種類に関わらず、弁を閉じることが流体流動を中断させ、制御することをより困難にさせる。したがって、より規則的な流体流動を維持してバックスプラッシュを減らすことを促進するために、特定の形状を有するような又は他の弁若しくは弁アセンブリの構造と比較して、特定の速度で若しくは特定の方向に閉じるような、１つ以上の弁を設計することが望ましい場合がある。例えば、２つのピストン型弁を含むアセンブリ内では、略反対方向にバルブを閉じることにより、第１の弁２５によって生じるいずれかのサージが、第２の弁が閉じるにつれて第２の弁３５の阻止構造３６によってブロックされることが望ましい場合がある。また、単に開閉するよりもむしろ充填率を調整するために部分的に閉じることができる１つ以上の弁を含むように、弁アセンブリ１０を構成することが望ましい場合がある。例えば、第１の弁２５は、充填サイクルの間、どこかの点で部分的に閉じ、流体４５の流速を遅らせるように構成され得る。それを行うことで、容器内に充填される流体４５の量の精度を増加させことが可能であり得る。ある例として、第１の弁２５を所定量例えば、約５０％、約７５％、約９０％、約９５％、又は約９７％等で閉じ、流体流動速度を、例えば、約９０％遅らせることが挙げられる。その後、流体流動速度が遅くなったら、第１の弁２５又は第２の弁３５を閉じることができる。充填サイクルの終わりに先立って流体流動速度を遅くすることによって、充填容量の変動量が減少され得る。これは、無駄を減らし、品質管理を改善し、更に、充填サイクルの終わりに受けるスプラッシュバックの量を減らすことを促進することができる。
図２〜４に示される実施形態では、第２の弁３５は流体出口オリフィス５０に隣接する。そのような実施形態では、第２の弁３５が閉鎖構成にあるときに、第２の弁３５又は関連付けられる構造が、流体出口オリフィス５０を密閉することが望ましい場合がある。これは、流体出口オリフィス５０及び／又はノズル１００内に残っている流体４５が少しでもある場合、１つの充填サイクルの終わりと次の充填サイクルの始まりとの間で滴り落ちないようにすることが確実になることを促進することができる。第２の弁３５又は対応する構造と流体出口オリフィス５０との間に密閉部を生じさせる一例示的方法は、図２〜図４に示されるように、その密閉部が弁構成要素３５等の弁の構造に接して位置するように、流体出口オリフィス５０を通ってノズル１００を延在させることである。これが行われる場合、弁構成要素３５の入口表面１１５（図２に示される）及び出口表面３８（図２に示される）の形状を調和させることにより、その２つの部分が、少なくとも、オリフィス（単数又は複数）１１０を含むノズル１００の入口表面１１５に沿って共に密着することが望ましい場合がある。例えば、弁構成要素３５が円筒状である場合、ノズル１００の入口表面１１５は、弁構成要素３５の曲線形状に一致するように曲げられてもよい。加えて又は代替として、ノズル１００は、例えば、ばね１０５を含む任意の好適な手段によって、弁構成要素３５に接して付勢されることができる。好適であることが分かっている１つの特定のばねは、ノズルを弁構成要素３５に対して押すように構成されるＳｍａｌｌｅｙ Ｃ１２５ Ｌ１波形ばねである。また、限定ではないが、エラストマー材料、圧力、磁石、カム、レバー等を含む、他の付勢手段が使用されることができる。密閉部を生じさせるまた別の方法は、約０．００３ｍｍ（０．０００１インチ）未満の公差を有するような弁の構成要素を製造することである。この密着度は、最大約０．７ＭＰａ（１００ｐｓｉ）の動作圧力で液体密閉を提供するために十分な堅い密着である。勿論、他の公差は、流体４５の特性及び特定の充填プロセスに関するいずれかの必要性又は所望によって、好適であり得る。
上記に述べたように、遮断弁アセンブリ１０は、貯留領域７０の体積を拡大する弁又は他の構造を含んでよい。また、それは、貯留領域７０に真空を提供するか、又は貯留領域７０内に負圧を提供して、貯留領域７０内の流体４５の圧力を減らすことを促進する構造を含んでよい。弁アセンブリ１０内へのそのような機能の追加は、弁アセンブリ１０又はノズル１００から出る流体４５のスプラッシュバック、液だれ、及び／又はストリンギングを減らすことを促進し得る。そのような液だれ減少機能を含む弁アセンブリ１０の一例は上記に説明されており、弁が閉じるときに、流体流路６０に略平行であるが反対の方向に移動する弁を含む。別の例示的な実施形態が図８に示される。
図８に示されるように、弁アセンブリ１０は、相互に流体連通する第１の弁２５及び第２の弁３５を含む。貯留領域７０は、第１の弁２５と第２の弁３５との間に延在する。真空ピストン１７０は、第１の弁２５と第２の弁３５との間に配置され、貯留領域７０と流体連通する。具体的には、ピストン１７０は、貯留領域７０内に開口する（それと流体連通する）真空チャネル１７５内に配置される。したがって、ピストン１７０が貯留領域７０から離れる方向に移動するとき、真空チャネル１７５が延び体積が増加する。流体流路６０は本実施形態では閉鎖システムであるため、体積の増加は、真空、又は少なくとも負圧を貯留領域７０に提供するように作用する。適切に構成されると、第２の弁３５が閉じることに先立つ貯留領域７０への負圧又は真空の追加は、流体４５をノズル１００に引き戻し、充填サイクルの間に粘性流体に生じ得る、液だれ又はストリンギングを防ぐことができる。
充填サイクルの終わりにスプラッシュバック、ストリンギング、及び／又は液だれを減らす又は排除することは、限定ではないが、容器１２０の外への飛散によって無駄になる流体量を減らすことを含む、多くの利点を提供することができる。更に、スプラッシュバック、ストリンギング、及び／又は液だれを減らすことは、流体４５の制御を維持し、流体流路６０内又は容器内に維持することによって、プロセスの衛生状態の改善を促進することができる。したがって、流体４５は環境に露出されにくく、充填機器又は他の機器に付着しにくく、又は作業者に飛び散らない可能性が大きい。加えて、スプラッシュバックの減少は、より正確な充填及び容器内のより少ないヘッドスペースを可能にし、したがって、原料、発送、及び保管費用を減らし、消費者により満杯に見える容器を提供することができる。また更に、流体４５がより高速度、単位時間毎の体積の増加、及び／又はストリング時間の短縮で容器内に充填されるため、本明細書に明記されるようなスプラッシュバックを減らすことは、製造ラインを速める機会を提供することができる。更に別の利点は、流体を容器内に維持し、容器の性能に悪影響を及ぼし得るエリアから排除することを含む。例えば、流体によっては、適切な密閉が容器とふたの間に生じることを阻む場合がある。他の状況では、単位用量「ポッド」の充填のように、流体のスプラッシング、ストリンギング及び／液だれは、単位用量製品の成分の周りの原料の層間の密閉領域を汚染する可能性があり、それにより例えば、漏出を生じ、その領域内の密閉を妨げ又は密閉強度を弱くする可能性がある。上記に言及された利点及びその他のものは、所望によって、個別に又は任意の組み合わせで、本発明によって達成され得る。
図９は、製造ラインで使用され得る容器充填動作２００の例を示す。充填動作２００は、低スプラッシュ流体遮断弁アセンブリ１０を含む容器充填装置２１０を含む。例えば、ボトル１３０等の空の容器は、容器充填装置２１０のノズル１００に隣接して提供及び設置される。図に示されるように、ノズル１００は、ボトル１４０の開口部１３５に隣接し得るが、充填プロセス間は、ボトル１４０から完全に外側に位置するか、又は開口部１３５を通ってボトル１４０内に全体又は部分的に位置付けられてもよい。充填されているときにノズル１００がボトル１４０内で流体４５の表面上部に位置するとき、並びに、充填プロセス間に、ノズル１００が充填されるボトル１４０の外側に常に配置される状況では、本発明のプロセス及び装置は、特に、弁を素早く開閉することに関連付けられるバックスプラッシュ及び他の可能性のある欠点を減らすことに役立つ。
ボトル１３０は、コンベヤベルト１８０等のコンベヤベルト又は容器を提供するために好適な任意の他の手段を用いて提供されてもよい。第１の弁構成要素２０の第１の弁２５は、流体４５が貯留領域７０内に流れることを可能にするように開いている。第２の構成要素３０の第２の弁３５は、流体４５がノズル１００を通ってボトル１４０内に流れることを可能にするように開いている。ボトル１４０が所望の充填レベルに近づくにつれて、第１の弁２５が閉じられ、貯留領域７０の直上流にある流体流路６０を遮断する。その次に、第２の弁３５は適した時間で閉じられ、ボトル１４０が所望のレベルまで充填されることを可能にする。第１の弁２５が閉じられる時と第２の弁３５が閉じられる時との差の時間量は、充填動作及び所望の結果の仕様に基づいて選ばれることができる。第１の弁２５は、第２の弁３５が閉じる少なくとも約０．１ｍｓ前、第２の弁３５が閉じる前の約０．１ｍｓ〜約１０秒の間、第２の弁３５が閉じる約１秒以上前、又は第２の弁３５が閉じる前約１０秒以上の時間で、閉じることが望ましい場合がある。いったん充填されると、所望によって、ボトル、ここでは充填されたボトル１５０は充填動作２００から離れ、更に処理されることができる。
本明細書に説明される充填動作２００は、本発明の低スプラッシュ流体遮断弁アセンブリ１０を含み得る充填動作の単なる例であることが意図される。それらは、いずれかの方法で限定されることは意図されない。他の充填動作が、本発明の低スプラッシュ流体遮断弁アセンブリ１０と共に使用され得ることが十分に想到され、それらには限定ではないが、１度に複数の容器が充填される動作、ボトル以外の容器が充填される動作、異なる形状及び／又はサイズの容器が充填される動作、容器が図に示されるものと異なる方位で充填される動作、容器の中で異なる充填レベルが選ばれる及び／又は変動する動作、並びに、例えば、キャッピング、洗浄、ラベル付け、計量、混合、炭化、加熱、冷却、及び／又は放射等の追加ステップが充填動作中に行われる動作を含む。更に、示される若しくは説明される弁の数、それらの近接距離及び充填装置２１０の他の構成要素、又は任意の他の機器は、限定されることが意図されるものではなく、単なる例である。また、動作の順番並びに弁が開閉される方法及び時期は、限定されることが意図されないが、むしろ、本発明が充填動作２００等の充填動作内に組み込まれ得る方法の例として説明される。
本明細書に開示した寸法及び値は、記載された正確な数値に厳密に限定されるものと理解されるべきではない。むしろ、特に断らない限り、そのような寸法のそれぞれは、記載された値及びその値の周辺の機能的に同等の範囲の両方を意味するものとする。例えば、「４０ｍｍ」として開示される寸法は、「約４０ｍｍ」を意味することが意図される。更に、範囲又は代わりの単位が特定の実施形態を説明するために明記され、範囲内の全ての整数が開示されることと、任意のそのような整数の任意の範囲が想到及び開示されることとを理解されたい。
相互参照される又は関連する全ての特許又は特許出願、及び本願が優先権又はその利益を主張する任意の特許出願又は特許を含む、本願に引用される全ての文書は、除外又は限定することを明言しない限りにおいて、参照によりその全容が本願に援用される。いかなる文献の引用も、本明細書中で開示又は特許請求される任意の発明に対する先行技術であるとはみなされず、あるいはそれを単独で又は他の任意の参考文献（単数又は複数）と組み合わせたときに、そのような任意の発明を教示、示唆、又は開示するとはみなされない。更に、本文書における用語の任意の意味又は定義が、参照することにより本明細書に援用された文書内の同じ用語の意味又は定義と矛盾する場合、本文書におけるその用語に与えられた意味又は定義が適用されるものとする。
本発明の特定の実施形態を例示及び説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく他の様々な変更及び修正を行うことができる点は当業者には明白であろう。したがって、本発明の範囲内に含まれるそのような全ての変更及び修正は、添付の特許請求の範囲にて網羅することを意図したものである。
Claims (15)
- 流体充填ライン用流体遮断弁アセンブリであって、前記弁アセンブリは、流体流動方向を画定する流体流路を有し、前記アセンブリは、
流体の源と流体連通する流体入口オリフィスであって、前記流体入口オリフィスは前記流体が前記流体流動方向において前記流体の前記源から前記弁アセンブリの前記流体流路内に流れることを可能する、流体入口オリフィスと、
前記弁アセンブリの前記流体流路と流体連通し及び前記流体が前記弁アセンブリから流出し得る、流体出口オリフィスと、
前記流体入口及び前記流体出口と流体連通する流体遮断弁であって、前記流体遮断弁は流体封鎖部及び流体流入部を有し、前記流体遮断弁は、前記流体流入部が前記流体流路に整列される充填位置から、前記流体封鎖部が前記流体流路に整列される閉鎖位置まで移動可能であり、前記流体遮断弁は、前記流体遮断弁が前記流体流路を妨害する場所で前記流体流動方向に略垂直であり及び好ましくは少なくとも約６０度異なる方向に移動するように配向される、流体遮断弁と、
を備える、流体充填ライン用流体遮断弁アセンブリ。 - 前記流体遮断弁は、ピストン型弁又は回転弁であり、前記回転弁は、前記流体流路に略垂直である回転軸を有する、請求項１に記載の流体遮断弁アセンブリ。
- 前記アセンブリは、前記流体遮断弁に加えて、圧力隔離弁を含み、前記圧力隔離弁は、前記流体遮断弁の上流に位置し、前記流体遮断弁が少なくとも部分的に開放構成である間に、前記流体の源を前記流体流路から遮断するように構成され、前記圧力隔離弁は、好ましくは、前記圧力隔離弁が前記流体流路を妨害する場所で前記流体流動方向に略垂直である第１の方向に移動するピストン型弁である、請求項１又は２に記載の流体遮断弁アセンブリ。
- 前記流体流路は、前記流体経路に沿って、前記圧力隔離弁と前記流体遮断弁の間に貯留領域を含み、前記貯留領域は、好ましくは、約５ｍｍ〜約５００ｃｍの長さを有し、好ましくは、約１５０ｍｍ３〜約２００，０００ｃｍ３の体積を有する、請求項３に記載の流体遮断弁。
- 前記貯留領域は、少なくとも１つの混合ポート、少なくとも１つの静的ミキサ、及び／又は少なくとも１つの動的ミキサを含む、請求項４に記載の流体遮断弁アセンブリ。
- 前記流体遮断弁は、前記第１の方向と実質的に反対である第２の方向に移動する、請求項３〜５に記載の流体遮断弁アセンブリ。
- 前記圧力隔離弁は、好ましくは、前記流体遮断弁が閉じる約０．１ミリ秒〜約１０秒前に、前記圧力隔離弁が閉じるように構成されている、請求項３〜６に記載の流体遮断弁アセンブリ。
- 前記第１の弁と前記第２の弁の間に配置される真空デバイスを更に含み、前記真空デバイスは、前記圧力隔離弁が閉じている及び前記流体遮断弁が開いているときの少なくとも一定の時間に、負圧を前記貯留領域に提供するように構成されている、請求項３〜７に記載の流体遮断アセンブリ。
- 前記流体遮断弁は、前記流体遮断弁が閉じているときに前記出口オリフィスを密閉するように構成されている、請求項１〜８のいずれかに記載の流体遮断弁アセンブリ。
- 容器を流体で充填することに関連するバックスプラッシュを減らす方法であって、前記方法は、
流体で充填される容器を提供することであって、前記容器が開口部を有する、提供することと、
前記容器の前記開口部に隣接するノズルを提供することと、
前記ノズルと流体連通する弁アセンブリを提供することと、
前記容器を充填する前記流体を、前記弁アセンブリに提供することであって、前記弁アセンブリは、前記流体の源と流体連通する流体入口オリフィスであって、前記流体入口オリフィスは前記流体が前記流体流動方向において前記流体の前記源から前記弁アセンブリの前記流体流路内に流れることを可能にする、流体入口オリフィスと、前記弁アセンブリの前記流体流路と流体連通し及び前記流体が前記弁アセンブリから流出し得る、流体出口オリフィスと、前記流体入口と流体連通する第１の弁であり、並びに前記流体が前記第１の弁を通って流れることを可能にする第１の弁開放構成、流体が前記第１の弁を通過して流れることを防ぐ第１の弁閉鎖構成、及び第１の阻止構造を有する、第１の弁と、前記第１の弁及び前記流体出口オリフィスと流体流通する第２の弁であって、前記第２の弁は、前記流体が前記第２の弁を通って流れることを可能にする第２の弁開放構成、流体が前記第２の弁を通過して流れることを防ぐ第２の弁閉鎖構成、及び第２の阻止構造を有する、第２の弁とを含み、前記第１の弁及び前記第２の弁は、貯留領域によって相互に分離されている、提供することと、
前記第１の弁を、前記第１の弁開放構成から前記第１の弁閉鎖構成に移動して前記流体の前記源を一時的に封鎖することよって、前記第１の弁を第１の所定時間で閉じることと、
前記流体流路内の前記流体が前記流体出口オリフィスから出ることを防ぐために、前記第２の弁開放構成から前記第２の弁閉鎖構成まで、前記第２の弁が前記流体流路を妨害する場所で前記流体流動方向に略垂直である方向に前記第２の阻止構造を移動させることによって、又は前記第２の弁が前記流体流路を妨害する場所で前記流体流動方向に略垂直である軸若しくは回転に沿って前記阻止構造を回転させることによって、前記第２の弁を前記第１の所定時間の後の第２の所定時間で閉じることと、
を含む、方法。 - 前記第１の弁と前記第２の弁の間に配置される真空デバイスを更に含み、前記真空デバイスは、前記第１の所定時間と前記第２の所定時間の間、負圧を前記貯留領域に提供するように構成されている、請求項１０に記載の方法。
- 前記流体と混合させるための１つ以上の成分を前記貯留領域に提供することを更に含む、請求項１０又は１１のいずれかに記載の方法。
- 前記容器が充填されている間、前記ノズルは前記容器の前記開口部の外側にあるままである、請求項１０〜１２のいずれかに記載の方法。
- 前記第２の弁が前記流体流路を妨害する場所で前記流体流動方向に略垂直である方向に前記第２の阻止構造を移動させること、又は前記第２の弁開放構成から前記第２の弁閉鎖構成まで前記第２の弁が前記流体流路を妨害する場所で前記流体流動方向に略垂直である軸若しくは回転に沿って前記阻止構造を回転させることは、前記流体流路内の前記流体が前記流体出口オリフィスから出ることを防ぐために、前記流体を剪断する、請求項１０〜１３のいずれかに記載の方法。
- 前記第１の弁を閉じることは、前記第１の弁が完全に閉じる前に所定の時間の間、前記第１の弁を部分的に閉鎖構成に移動することを含む、請求項１０〜１４のいずれかに記載の方法。
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