JPH11310297A - 飲料の充填装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 容器に対して飲料を短時間にかつ正確に充填
する。 【解決手段】 タンク１１に収容された飲料を、回転運
動する充填ヘッド１に取り付けられた複数のノズル２か
ら搬送過程の容器４に充填する飲料の充填装置におい
て、モータ９によって連続的に開度が変化させられて任
意の開度に設定されるバルブ７が、前記各ノズル２ごと
に設けられ、その各バルブ７に個別に制御信号を送って
それぞれのバルブ２の開度を制御する制御装置１３，１
５が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ジュースや茶な
どの飲料を搬送過程にある容器に規定量、充填する充填
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の飲料は、ペットボトルなどの容
器に充填して販売されることは周知のとおりである。そ
の充填工程は、最近では無菌状態に維持した環境の中で
おこなわれるようになってきている。具体的には、ロー
タリーヘッドを鉛直軸線を長身に回転するように配置す
るとともに、そのロータリーヘッドに開閉バルブを備え
た多数の充填ノズルを放射状に設け、そのロータリーヘ
ッドが回転することによって前記充填ノズルの旋回する
円周の下方に、ペットボトルなどの容器の搬送ラインを
設置し、タンクから送られる飲料を、前記バルブを適宜
に開閉することにより、充填ノズルから容器に向けて流
出させ、その量が容器に応じた量になった時点でバルブ
を閉じるように構成されている。

【０００３】従来、このような飲料の充填量の制御は、
充填ノズルごとに設けてある開閉バルブをオン・オフ制
御し、その全開時間を管理することによりおこなってい
る。また従来の他の制御例として、開閉バルブを全開と
全閉との中間の状態に一時的に設定し、開閉バルブの開
度を二段階に変化させて飲料の充填量を制御する方式
や、容器に実際に充填された飲料の量の平均値を検出
し、目標量からのズレに応じてバルブの開度もしくは開
き状態の時間を修正することが、従来、知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】容器に対する飲料の充
填時間は、製品の生産効率に大きく影響し、そのため、
容器の搬送速度を高速化すると同時に、高速で飲料の充
填をおこなうことが要求されている。このような要求を
満たすために、ノズルの開口径を大きくするとともに開
閉バルブの全開開度を大きくすることが試みられている
が、前述したように、開閉バルブを全閉状態から全開状
態に急激に変化させると、吐出した飲料の圧力の急激な
低下によって飲料に気泡が生じ、これが流量の一部とし
て検出されるために充填量の制御精度が悪化することが
ある。また容器に対して急激に飲料が送られるために、
容器の内部で泡立ち、充填完了時に泡となって容器から
あふれ出し、その結果、充填量に狂いが生じ、さらには
装置類が汚染される不都合が生じる。また開度の変化が
急激であるために、ウォーターハンマが生じる不都合が
ある。

【０００５】これに対して開閉バルブの開度を二段階に
変化させる方式では、開度の変化が上記の例よりも緩和
されるので、ウォーターハンマをある程度抑制すること
ができるが、短時間で必要量を充填するために開閉バル
ブの全開開度を大きくすれば、開閉バルブを閉じる際の
開度の変化が、たとえ二段階で閉じるとしても、急激に
ならざるを得ない。そのために、充填量のバラツキが生
じ、これを是正するためには、開閉バルブの全開開度を
小さくするか、あるいは一時的に設定される中間の開度
の維持時間を長くする必要があり、結局は、高速充填を
おこなうことが困難になる。

【０００６】さらに、容器に対する実際の充填量を検出
し、予め決めたサンプリング数の平均充填量を求めて開
閉バルブの開度あるいは開状態の時間を修正する方式で
は、飲料の充填量のバラツキを是正することができる
が、開閉バルブの開閉制御は、上述したいずれかの方式
でおこなうことになるので、飲料の充填操作を高速化す
るにも限度があった。

【０００７】この発明は上記の事情を背景にしたなされ
たものであり、容器に対する飲料の高速充填を可能にす
る装置を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するために、請求項１の発明は、タンクに収容
された飲料を、回転運動する充填ヘッドに取り付けられ
た複数のノズルから搬送過程の容器に充填する飲料の充
填装置において、モータによって連続的に開度が変化さ
せられて任意の開度に設定されるバルブが、前記各ノズ
ルごとに設けられ、その各バルブに個別に制御信号を送
ってそれぞれのバルブの開度を制御する制御装置が設け
られていることを特徴とするものである。

【０００９】また、請求項２の発明は、請求項１の構成
に加えて、前記各ノズルを流れる飲料の量を検出して電
気信号を出力する流量計が各ノズルごとに設けられ、こ
の流量計によって検出された量に応じて該流量計の設け
られているノズルに対応するバルブの開度を制御する制
御手段が前記制御装置に設けられていることを特徴とす
るものである。

【００１０】さらに請求項３の発明は、上記の請求項１
もしくは請求項２の構成に加えて、少なくともいずれか
一つの前記流量計で検出した容器ごとの流量の平均値を
算出する手段と、その算出結果に基づいて前記タンクの
内部圧力を制御する圧力調整手段とを更に備えているこ
とを特徴とするものである。

【００１１】したがって請求項１の発明によれば、充填
開始時のバルブ開度を僅かずつ変化させることできるの
で、ノズルを含む管路内で飲料中に気泡が発生したり、
容器の中で飲料が泡立つことを防止でき、その直後には
バルブ開度を急激に増大させて急速充填をおこなう。そ
の時点では、前記管路の全体に飲料が充満しており、ま
た容器にも既に飲料がある程度、入っているので、バル
ブ開度を急激に増大させても気泡が生じることはない。
そして充填量が目標量に近づいた時点で、バルブ開度を
絞り、流量を僅少にできるので、充填終了時の流量制御
が正確になり、その結果、全体としての充填量を精度よ
く制御することができる。したがって充填開始直後から
終了直前までのバルブ開度を大きくすることができ、ま
た気泡などによる充填量の誤差を生じさせずにバルブ開
度を高速で変化させることができるので、充填時間を短
縮することが可能になる。

【００１２】特に請求項２の発明では、ノズルを流れる
飲料の量に基づいてバルブの開度が制御されるので、飲
料の流量制御がより正確になる。

【００１３】さらに請求項３の発明によれば、飲料に作
用する背圧の変化による流量もしくは充填量に対する影
響を解消できるので、充填量の制御精度が更に向上す
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】つぎにこの発明を図に示す具体例
に基づいて説明する。図１は全体的な構成を模式的に示
しており、充填ヘッド１に複数のノズル２が取り付けら
れている。この充填ヘッド１は、図１における鉛直軸線
Ａを中心にして回転するように配置されており、その回
転駆動は図示しないモータによっておこなうようになっ
ている。またノズル２は、充填ヘッド１の下方に向けて
開口しており、またノズル２の配列ピッチは、充填ヘッ
ド１の下方に円弧状に設置されている搬送ライン３上の
容器４の間隔と一致するように設定されている。ここ
で、容器４は、ペットボトルや瓶などの適宜のものであ
ってよい。

【００１５】一方、充填ヘッド１の回転中心部には、分
配ヘッド５が設けられている。この分配ヘッド５は、全
てのノズル２が連通された中空の容器であって、前記鉛
直軸線Ａに沿って配置した供給パイプ６を備えている。
この分配ヘッド５と各ノズル２との間には、制御バルブ
７と電磁流量計８とが各ノズル２ごとに設けられてい
る。

【００１６】その制御バルブ７は、ロータリーバルブや
ゲートバルブあるいはバタフライバルブなどの適宜の形
式のものであって、サーボモータ９によって開度が連続
的に制御されて任意の開度に設定できるように構成され
ている。より具体的には、サーボモータ９がパルス制御
されるように構成されるとともに、このサーボバルブ９
と制御バルブ７との間に減速機（図示せず）が介在され
ており、その結果、制御バルブ７の開度を１パルスごと
にわずかずつ変化させることができるように構成されて
いる。また電磁流量計８は、その内部を流れる流体（す
なわち飲料）の量を電気的に検出して電気信号を出力す
るように構成されている。

【００１７】前記供給パイプ６の下端部は、充填ヘッド
１の下部の中心部に設けられたロータリージョイント１
０に接続されている。またこのロータリージョイント１
０には、飲料を収容したタンク１１が連通されている。
このタンク１１は、内部圧力を調整できるように構成さ
れており、その制御のために圧力調整弁１２がタンク１
１に取り付けられている。この圧力調整弁１２は、空電
変換器を備えたものであって、内部圧力に応じた電気信
号を出力する一方、電気信号によって動作してタンク１
１の内部の圧力を指示圧力に設定するように構成されて
いる。

【００１８】さらに前記サーボモータ９を制御するため
のサーボドライブコントローラ１３が設けられている。
また電磁流量計８によって検出された流量をパルス信号
として積算し、その積算値を電気信号として出力するパ
ルスカウンター１４が設けられている。これらのサーボ
ドライブコントローラ１３とパルスカウンター１４とは
中央演算処理装置（ＣＰＵ）を備えたＣＰＵコントロー
ラ１５に電気的に接続されている。さらにこのＣＰＵコ
ントローラ１５との間でデータの送受信をおこなうため
に送受信カード１６が設けられている。

【００１９】そして前記充填ヘッド１の上部の回転中心
位置に電源用および信号用のロータリーコネクター１７
が取り付けられており、各ノズル２に対応して設けた各
送受信カード１６がこのロータリーコネクター１７に接
続されるとともに、このロータリーコネクター１７から
各ＣＰＵコントローラ１５および各サーボドライブコン
トローラ１３ならびにサーボモータ９と電磁流量計８と
に対して給電のために配線が施されている。

【００２０】上記の充填ヘッド１から離れた位置にシス
テム全体の制御をおこなうメインＣＰＵコントローラ１
８が設けられている。このメインＣＰＵコントローラ１
８に送受信カード１９が付設されており、この送受信カ
ード１９が前記ロータリーコネクター１７を介して充填
ヘッド１における各送受信カード１６にデータ通信可能
に接続されている。

【００２１】上述した充填装置の作用について次に説明
する。前記充填ヘッド１と搬送ライン３とは同期して動
作しており、ノズル２の旋回速度と容器４の搬送速度と
が一致している。そして容器４は、ノズル２が一周旋回
する間の一部でノズル２と共に走行するように搬送され
る。搬送ライン３上の容器４がいずれかのノズル２と一
致した時点で、そのノズル２に対応した制御バルブ７が
開かれて飲料の充填が開始される。すなわち前記タンク
１１の内圧は、ノズル２との間の水頭圧の差および管路
抵抗による損失圧力より若干高い圧力に設定されてお
り、制御バルブ７を開くことにより、タンク１１から前
記分配ヘッド５を介してノズル２に給液され、ここから
容器４に飲料が充填される。また容器４がこれに飲料を
充填したノズル２の下方から離れる直前に制御バルブ７
が閉じられ、飲料の充填が終了する。

【００２２】このようにして搬送過程にある容器４に飲
料を規定量、充填するための制御バルブ７の開度の制御
は、以下のようにしておこなわれる。図２はその制御例
を説明するためのフローチャートであり、先ず、飲料の
種類および容器４に対する充填量などに応じてバルブ開
度特性が設定される（ステップ１）。このバルブ開度特
性は、時間ｔごとの目標開度θo あるいは前記電磁流量
計８によって検出された積算流量Ｑごとの目標開度θo
であり、これは、予め実験的に求めておくことができ
る。特に制御バルブ７を開いた際の圧力低下に起因する
管路内での気泡の発生や、容器４に対する飲料の流入開
始時の泡立ちを回避し、また制御バルブ７を閉じる際に
規定量を超えて充填がおこなわれたりせず、あるいはノ
ズル２の内部に飲料が表面張力で残るように開度特性が
設定される。

【００２３】この目標開度θo のデータがＣＰＵコント
ローラ１５からサーボドライブコントローラ１３に出力
され、そのデータに基づいて制御バルブ７におけるサー
ボモータ９がサーボドライブコントローラ１３によって
制御される。その場合の制御バルブ７の実際の開度θ1
が検出され（ステップ２）、その検出値θ1 がサーボド
ライブコントローラ１３に入力され、目標開度θo との
偏差Δθが求められる（ステップ３）。そしてその偏差
Δθがゼロとなるように制御バルブ７の開度が補正制御
される（ステップ４）。

【００２４】したがって制御バルブ７の開度がフィード
バック制御され、常時、目標開度にほぼ一致する。その
目標開度が上記のように設定されているので、制御バル
ブ７およびノズル２を流れる飲料の量が想定した流量に
一致する。すなわち充填開始時には制御バルブ７の開度
が低開度に設定されるので、電子流量計８を含む管路内
で気泡が発生したり、気泡を流量にカウントしたりする
ことがなく、また容器４の内部での泡立ちが防止もしく
は抑制されるので、飲料の流量すなわち容器４に対する
充填量を目標値に正確に一致させることができる。その
ため、制御バルブ７の開度を等比級数的に増大させても
想定した目標値と実際の流量との差が少なくなる。また
短時間のうちに大きい開度まで制御バルブ７を開いても
目標流量からのズレが少なくなる。これは、制御バルブ
７を閉じる場合も同様であり、したがって制御バルブ７
を閉じた時点における容器４に対する飲料の充填量が目
標値に正確に一致する。特に、制御バルブ７を閉じる場
合には、開度変化を微妙に調整できるので、流量の変化
率が緩和され、その結果、慣性の影響によって充填量が
過剰になったり、またノズル２内に飲料が残らなくなっ
て次の充填時の飲料の量に狂いが生じるなどの事態を未
然に防止することができる。

【００２５】上記のように飲料は、タンク１１内の圧力
によって加圧されてノズル２まで送液され、ここから容
器４に充填される。したがって流量はタンク１１の内部
圧力に影響を受ける。そこでこの発明に係る上記の充填
装置は、以下に述べるようにタンク１１の内部圧力を制
御する。図３はその制御例を説明するためのフローチャ
ートであって、容器４に対する飲料の充填量の積算値Σ
Ｑが求められる（ステップ１１）。これは、全てのノズ
ル２についての積算値であってもよく、あるいは予め定
めた特定のノズル２についての積算値であってもよい。
またその積算数は、予め定めた数の容器４に対して充填
した飲料の量とする。したがってこの図３に示す制御ル
ーチンは一定時間ごとの割り込み処理によって実行され
る。

【００２６】ステップ１１で積算した充填量ΣＱをその
量を求めた容器４の数ｎで除算して平均充填量Ｑ1 が求
められる（ステップ１２）。ついでその平均充填量Ｑ1
と１個の容器４に対する目標充填量Ｑo との偏差ΔＱ
（＝Ｑo −Ｑ1 ）が演算される（ステップ１３）。そし
てその偏差ΔＱに応じてタンク１１の内部圧力が補正さ
れる（ステップ１４）。これは、メインＣＰＵコントロ
ーラ１８から空電変換器に電気信号を出力して圧力調整
弁１２を開閉制御し、もしくは開度を制御することによ
り実行される。この場合の圧力の調整は、前記偏差ΔＱ
が負の値であれば、タンク１１の内部圧力を低下させ、
また反対に偏差ΔＱが正の値であれば、タンク１１の内
部圧力を高くする。またその圧力の補正値と偏差ΔＱと
の関係は、予め実験的に求めてマップとして用意してお
くことができる。

【００２７】なお、上記の具体例では、容器４に対する
充填量を電磁流量計８で検出した量としたが、容器４の
実際の充填量は、飲料の充填完了後の容器の抜き取り検
査によって測定することとしてもよい。また制御バルブ
７の開度特性は、対象とする飲料の種類ごとにメインＣ
ＰＵコントローラ１８に予め入力しておき、飲料の種類
の選択に応じてそれに対応した開度特性を読み出して制
御をおこなうように構成することができる。またタンク
１１の内部圧力（すなわち飲料の背圧）の調整は、窒素
ガスなどの不活性なガスの給排によっておこなうことが
できる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明の充填装置
によれば、飲料を容器に対して供給するバルブの開度を
その変化過渡時においても制御して気泡の発生やそれに
起因する流量計測の誤差などを防止できるので、従来の
いわゆるオンオフ制御とは異なり、飲料の流量を正確に
制御でき、その結果、短時間の間にバルブの開度を大き
くしても容器に対する飲料の充填量にバラツキが生じ
ず、もしくはバラツキを僅少に抑制することができる。
すなわち、この発明の装置によれば、短時間での正確な
飲料の充填が可能になり、容器に充填した飲料製品の生
産効率を向上させることができる。特に請求項２の発明
によれば、ノズルを流れる飲料の量に基づいてバルブの
開度が制御されるので、飲料の流量制御がより正確にな
る。さらに請求項３の発明によれば、飲料に作用する背
圧の変化による流量もしくは充填量に対する影響を解消
できるので、充填量の制御精度が更に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の具体例を説明するための模式図で
ある。

【図２】 各ノズルごとに設けられた制御バルブの開度
の制御例を説明するためのフローチャートである。

【図３】 飲料を収容しているタンクの内部圧力の制御
例を説明するためのフローチャートである。

【符号の説明】

１…充填ヘッド、 ２…ノズル、 ３…搬送ライン、
４…容器、 ７…制御バルブ、 ８…電磁流量計、 ９
…サーボバルブ、 １１…タンク、 １２…圧力調整
弁、 １３…サーボドライブコントローラ、 １５…Ｃ
ＰＵコントローラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沢田 重三 静岡県清水市北脇400番地 金城機工株式 会社内 (72)発明者 草ケ谷 幸男 静岡県清水市北脇400番地 金城機工株式 会社内 (72)発明者 叶 弘成 大阪府泉南郡岬町深日3513−１ 新日本工 機株式会社岬工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タンクに収容された飲料を、回転運動す
   る充填ヘッドに取り付けられた複数のノズルから搬送過
   程の容器に充填する飲料の充填装置において、 モータによって連続的に開度が変化させられて任意の開
   度に設定されるバルブが、前記各ノズルごとに設けら
   れ、その各バルブに個別に制御信号を送ってそれぞれの
   バルブの開度を制御する制御装置が設けられていること
   を特徴とする飲料の充填装置。
2. 【請求項２】 前記各ノズルを流れる飲料の量を検出し
   て電気信号を出力する流量計が各ノズルごとに設けら
   れ、この流量計によって検出された量に応じて該流量計
   の設けられているノズルに対応するバルブの開度を制御
   する制御手段が前記制御装置に設けられていることを特
   徴とする請求項１に記載の飲料の充填装置。
3. 【請求項３】 少なくともいずれか一つの前記流量計で
   検出した容器ごとの流量の平均値を算出する手段と、そ
   の算出結果に基づいて前記タンクの内部圧力を制御する
   圧力調整手段とを更に備えていることを特徴とする請求
   項１もしくは２に記載の飲料の充填装置。