特許 7506302 送液装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-18

(45)【発行日】2024-06-26

(54)【発明の名称】送液装置

(51)【国際特許分類】

   F17D 1/20 20060101AFI20240619BHJP

   F17D 1/14 20060101ALI20240619BHJP

【ＦＩ】

F17D1/20

F17D1/14

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020072976

(22)【出願日】2020-04-15

(65)【公開番号】P2021169839

(43)【公開日】2021-10-28

【審査請求日】2023-03-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000253019

【氏名又は名称】澁谷工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100156199

【弁理士】

【氏名又は名称】神崎 真

(74)【代理人】

【識別番号】100090169

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 孝

(74)【代理人】

【識別番号】100124497

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 洋樹

(72)【発明者】

【氏名】小石 茂喜

(72)【発明者】

【氏名】高島 和己

(72)【発明者】

【氏名】今村 俊孝

(72)【発明者】

【氏名】枝 政彰

(72)【発明者】

【氏名】土田 俊治

(72)【発明者】

【氏名】加森 慎也

【審査官】伊藤 紀史

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－１９０９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１０４５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２０２６８６７８６（ＣＮ，Ｕ）

【文献】特表２００７－５２２２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２２３１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第５６２５１３２（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２０１３－１０３１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６０－１３８０７５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００２－２９７０２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０３－０７８２００（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００３－１５６１９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５２－０９９５０１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭６０－０６５３８８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０１９／２２０６０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１０７６８３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国実用新案第２１０３１９４１６（ＣＮ，Ｕ）

【文献】西独国実用新案公開第０９２０７０５１（ＤＥ，Ｕ）

【文献】特開平１０－３３８２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－０９３６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１０４８２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１７Ｄ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体を貯留する第１タンクと、
前記第１タンク内を第１圧力に維持する第１加圧手段と、
前記第１タンクの下流に配置される第２タンクと、
前記第２タンク内を前記第１圧力以上の第２圧力に維持する第２加圧手段と、
前記第２タンクの下流に配置されて容器に液体を充填する充填手段と、
前記第１タンクと前記第２タンクとを連通する配管に設けられて前記第１タンク内の液体を前記第２タンクへと送液するポンプと、
前記ポンプと前記第２タンクの間の配管に設けられた開閉可能な第１バルブと、
前記ポンプの上流と下流の配管とを連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路の流通を制御する第２バルブと、
前記ポンプの駆動および前記第１、第２バルブの動作を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段が、前記ポンプを停止する際、前記第１バルブを閉鎖するとともに前記第２バルブを開放して前記バイパス通路を流通可能とする
ことを特徴とする送液装置。

【請求項2】

前記第２タンク内の液面高さを検出するレベル検出手段を更に備え、前記制御手段が、前記レベル検出手段からの信号に基づき前記ポンプの駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載の送液装置。

【請求項3】

前記充填手段による容器への充填が開始されると、前記制御手段が、前記第１バルブを閉鎖するとともに前記第２バルブにより前記バイパス通路の流通を可能とした状態で前記ポンプを駆動し、前記ポンプの回転数が所定回転数以上に到達すると、前記第１バルブを開放するとともに、前記第２バルブにより前記バイパス通路の流通を遮断して前記第２タンクへ送液することを特徴とする請求項２に記載の送液装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、送液用のポンプを備える送液装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば飲料などの充填において、微加圧タンクに貯留された飲料を送液ポンプが設けられた送液管を通して加圧タンクへと供給し、加圧タンク内の飲料を充填ノズルを通して容器に供給する充填装置が知られている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第４３１１７８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば、特許文献１の構成において充填部における充填作業を一定時間に亘り停止すると、加圧タンクへの液供給も停止する必要が発生する。加圧タンクへの液供給を即時に停止するには、送液管の加圧タンク手前にバルブを設け、これを閉鎖することが考えられる。しかし、送液ポンプを完全に停止させるのには時間が掛かるため、バルブ閉鎖タイミングとポンプ停止のタイミングにずれが生じ、送液管内にウォーターハンマーが発生する。

【0005】

本発明は、送液用のポンプを備える送液装置において、送液停止時のウォーターハンマーの発生を防止することを課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１の発明である送液装置は、液体を貯留する第１タンクと、前記第１タンク内を第１圧力に維持する第１加圧手段と、前記第１タンクの下流に配置される第２タンクと、前記第２タンク内を前記第１圧力以上の第２圧力に維持する第２加圧手段と、前記第２タンクの下流に配置されて容器に液体を充填する充填手段と、前記第１タンクと前記第２タンクとを連通する配管に設けられて前記第１タンク内の液体を前記第２タンクへと送液するポンプと、前記ポンプと前記第２タンクの間の配管に設けられた開閉可能な第１バルブと、前記ポンプの上流と下流の配管とを連通するバイパス通路と、前記バイパス通路の流通を制御する第２バルブと、前記ポンプの駆動および前記第１、第２バルブの動作を制御する制御手段とを備え、前記制御手段が、前記ポンプを停止する際、前記第１バルブを閉鎖するとともに前記第２バルブを開放して前記バイパス通路を流通可能とすることを特徴としている。

【0007】

本発明の第２の発明である送液装置は、第１の発明において、前記第２タンク内の液面高さを検出するレベル検出手段を更に備え、前記制御手段が、前記レベル検出手段からの信号に基づき前記ポンプの駆動を制御することを特徴としている。

【0008】

本発明の第３の発明である送液装置は、第２の発明において、前記充填手段による容器への充填が開始されると、前記制御手段が、前記第１バルブを閉鎖するとともに前記第２バルブにより前記バイパス通路の流通を可能とした状態で前記ポンプを駆動し、前記ポンプの回転数が所定回転数以上に到達すると、前記第１バルブを開放するとともに、前記第２バルブにより前記バイパス通路の流通を遮断して前記第２タンクへ送液することを特徴としている。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、送液用のポンプを備える送液装置において、送液停止時のウォーターハンマーの発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態である送液装置（充填作業、送液作業時）の構成を示すブロック図である。

【図2】本実施形態のロータリ式のポンプの構造を示す断面図である。

【図3】図２のロータリ式のポンプの送液動作を説明する断面図である。

【図4】送液作業停止時の第１、第２バルブの状態を示す送液装置のブロック図である。

【図5】ポンプ駆動周波数の下限値を設定しない場合における問題点を示すグラフである。

【図6】ポンプ駆動周波数の下限値を設定した本実施形態の送液装置における送液作業停止のタイミングを示すグラフである。

【図7】充填再開作業時においてポンプ駆動周波数が下限値以下の状態における第１、第２バルブの状態を示す送液装置のブロック図である。

【図8】充填再開作業時においてポンプ駆動周波数が下限値以上の状態における第１、第２バルブの状態を示す送液装置のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態である送液装置の構成を示すブロック図である。

【0012】

本実施形態の送液装置１０は、クッションタンク（第１タンク）１２内に貯留された充填液Ｆを、フィラタンク（第２タンク）１４へと送液し、フィラタンク１４から充填機（充填手段）１６へと供給する。充填機１６は、例えば回転ホイールの外周に多数の充填ノズル１６Ａを備え、各充填ノズル１６Ａを通してボトルなどの容器にクッションタンク１２から供給された充填液Ｆを充填する。なお、本実施形態において、充填液Ｆはナタデココやマスカット、パイン等の比較的大きな固形物が入れられた炭酸飲料である。

【0013】

炭酸飲料を取り扱う本実施形態では、クッションタンク１２内の気相が図示しない加圧装置（第１加圧手段）により圧力Ｐ１に加圧され同圧力に維持されるともに、フィラタンク１４内の気相が図示しない加圧装置（第２加圧手段）により圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２に加圧されるが、例えば炭酸を含まない充填液を取り扱う場合には、両タンク１２、１４を同圧に維持してもよい。

【0014】

クッションタンク１２の底部には送液管１８の上流端が接続され、送液管１８の下流端は、フィラタンク１４の側壁の所定の高さに接続される。また、フィラタンク１４の底部には、充填機１６にタンク内の充填液Ｆを供給する供給管２０が接続される。供給管２０は充填機１６において多数に分岐され、各充填ノズル１６Ａに充填液Ｆを供給する。なお、充填ノズル１６Ａの各々は、バルブ機能を備え、ノズルが容器に挿入されている間に充填液Ｆが容器に充填される。

【0015】

送液管１８には、途中に充填液Ｆを送液するためのポンプ２２が設けられる。本実施形態においてポンプ２２は、例えばロータリーポンプである。また、送液管１８のポンプ２２よりも下流側にあって、フィラタンク１４の手前には、送液管１８の流通を制御する第１バルブ２４が設けられる。

【0016】

また、送液管１８には、ポンプ２２をバイパスするバイパス通路２６が設けられる。すなわち、バイパス通路２６は、その一端がクッションタンク１２とポンプ２２の間のポンプ２２の吸込口近くの送液管１８に接続され、他端がポンプ２２と第１バルブ２４の間のポンプ２２の吐出口近くの送液管１８に接続され、ポンプ２２の上流と下流の配管とを連通する。バイパス通路２６には、その流通を制御する第２バルブ２８が設けられ、本実施形態では第２バルブ２８として開閉バルブが用いられる。

【0017】

また、フィラタンク１４には、タンク内の液面高さＨを検知するレベルセンサ３０が設けられ、レベルセンサ３０の信号は制御部３２へと送られる。制御部３２は、レベルセンサ３０からの信号に基づき、第１、第２バルブ２４、２８の動作およびポンプ２２の駆動（ロータ回転数）を制御可能である。

【0018】

充填作業時には、第１バルブ２４は開放され、第２バルブ２８は閉じられた状態でポンプ２２が駆動される。これにより、クッションタンク１２内の充填液Ｆは、送液管１８を通してフィラタンク１４へと供給される。フィラタンク１４に貯留された充填液Ｆは、供給管２０により充填機１６へ送られ、各充填ノズル１６Ａを通して各容器に充填される。

【0019】

なお、充填作業時、ポンプ２２は、フィラタンク１４内の液面が所定高さＨ０に維持されるようにロータ回転数（周波数）がフィードバック制御され、送液管１８を通してフィラタンク１４へ供給される充填液Ｆの供給量が、充填機１６による容器への単位時間当たりの充填量と釣り合うように制御される。なお、図では、閉塞されたバルブが黒塗で描かれ、開放されたバルブが白抜きで描かれる。

【0020】

図２は、ロータリ式のポンプ２２の構造を示す断面図であり、図３（ａ）～図３（ｃ）は、図２のポンプ２２により送液される充填液Ｆの時系列の移動を示す断面図である。なお、図２では、ポンプ２２の外殻２２Ａと、ロータ２２Ｂの突出部２２Ｃに斜線が施され、白抜き部は流路を示す。図３では、送液される充填液Ｆが斜線で示され、ポンプ２２の断面は白抜き部として示される。

【0021】

図２に示されるように、本実施形態のロータリポンプ２２は、外殻２２Ａの内側に一対のロータ２２Ｂを備える。各ロータ２２Ｂは、径方向外側に向けて互いに反対向きに延出する扇型の一対の突出部２２Ｃを備え、各突出部２２Ｃは、ロータ２２Ｂの１／４周分よりも僅かに狭い扇形形状を呈する。

【0022】

一対のロータ２２Ｂの回転軸は外殻２２Ａ内に平行に配置され、両ロータ２２Ｂは反対向きに同じ速度で回転される。両ロータ２２Ｂは、ロータ２２Ｂ間に位置する一方のロータ２２Ｂの突出部２２Ｃが、他方のロータ２２Ｂの一対の突出部２２Ｃの間に位置するとともに、一方のロータ２２Ｂの突出部２２Ｃの外周面が他方のロータ２２Ｂの本体（円筒部）の外周面に略接するように配置される。

【0023】

外殻２２Ａは、両ロータ２２Ｂの外周を取り囲む長円形断面を有する。ポンプ２２の吸込口と吐出口は、長円形の外殻２２Ａの両直線部中央に各々設けられ、両ロータ２２Ｂの中間部に向けて開口する。また、長円形の外殻２２Ａの半円部の内周面は、回転する両ロータ２２Ｂの突出部２２Ｃの外周部が半円部の内周面とわずかな間隔を維持しつつ移動するように構成される。

【0024】

以上の構成により、ポンプ２２の吸込口と吐出口は、常時ロータ２２Ｂにより隔てられ、図３（ａ）～（ｃ）に示されるように、充填液Ｆは、回転するロータ２２Ｂの前後の突出部２２Ｃと外殻２２Ａの半円部の内周面とにより画成される空間により、吸込口側から吐出口側へと所定量ずつ送り出される。

【0025】

充填機１６の充填ノズル１６Ａを閉弁して容器への充填作業が停止された場合、フィラタンク１４への送液作業を停止する必要があるため、第１バルブ２４を閉じるとともにポンプ２２の駆動を停止す必要がある。制御部３２は、レベルセンサ３０の信号に基づきフィラタンク１４内の充填液Ｆの液面高さＨが所定値Ｈ１を超える（達する）と、充填機１６での充填作業が停止したと判断し、第１バルブ２４を閉じるとともにポンプ２２の駆動を停止する。

【0026】

しかし、第１バルブ２４は、制御部３２からの制御信号により即時に閉鎖されるものの、ポンプ２２による送液は、ロータ２２Ｂの回転慣性のため停止するまでにタイムラグが存在する。そのため、第１バルブ２４を閉じ、これと略同時にポンプ２２の駆動を停止すると、送液管１８内にウォータハンマー現象が発生する。

【0027】

このような問題に対し、本実施形態の送液装置は、第１バルブ２４を閉鎖し、ポンプ２２の駆動を停止すると同時に、第２バルブ２８を開放して、バイパス通路２６を流通可能とする。これにより、制御部３２がポンプ２２の駆動を停止した後、ロータ２２Ｂの慣性により吐出口側に送り出された充填液Ｆは吸込口側へと戻され、ウォータハンマー現象の発生が防止される。図４には、第１バルブ２４を閉鎖するとともに、第２バルブ２８を開放してバイパス通路２６が流通可能とされた状態が示される。

【0028】

一方、本実施形態において、送液作業停止のタイミングは、フィラタンク１４内の充填液Ｆの液面高さＨが所定値Ｈ１に達したか否かにより判断されるが、充填作業を行っている間にも液面高さＨはある程度変動する。そのため、送液作業停止のタイミングを検知するための液面高さの所定値Ｈ１は、充填作業時の液面変動よりも大きな値に設定される。しかし、送液作業停止のタイミングを液面高さＨ１で、検知する場合には、以下のような問題が発生する。

【0029】

図５は、上記問題を説明するためのグラフであり、横軸は時間、縦軸はフィラタンク１４の液面高さ（左側縦軸）と、ポンプ２２の駆動周波数（右側縦軸）を示す。なお、図５において、曲線Ｈは液面高さ、曲線ｆはポンプ駆動周波数を示す。

【0030】

充填作業中、ポンプ２２の駆動周波数（回転数）ｆは、レベルセンサ３０の信号に基づき、フィラタンク１４内の液面高さＨが所定値Ｈ０に維持されるように制御される。このとき、クッションタンク１２、フィラタンクｌ４の液面高さが同レベルとすると、ポンプ２２の吐出圧ΔＰは、ΔＰ＞（Ｐ２－Ｐ１）となる周波数（回転数）ｆ０で駆動され、充填機１６における充填量に対応する所定流量Ｑで、クッションタンク１２から送液管１８を通してフィラタンク１４に充填液Ｆが供給される。

【0031】

何等かの理由で充填機１６における充填作業が時点ｔ０で停止されると、フィラタンク１４から充填機１６に充填液Ｆが供給されなくなり、フィラタンク１４内の液面高さＨは上昇する。制御部３２は上昇する液面高さＨをＨ０に維持しようとポンプ２２の駆動周波数（回転数）ｆをｆ０から低下させるが、フィラタンク１４内の充填液Ｆは排出されないので液面高さＨは、緩やかに上昇を続ける。ポンプ２２の駆動周波数ｆが一定周波数よりも下がると、ポンプ２２の吐出圧ΔＰが両タンクの圧力差（Ｐ２－Ｐ１）を下回り（ΔＰ＜（Ｐ２－Ｐ１）)、充填液Ｆは送液管１８、ポンプ２２内を逆流する。

【0032】

これにより、フィラタンク１４の液面高さＨは、送液作業停止する液面高さＨ１に達する前に下がり始め、制御部３２は、液面高さＨの下降とともにポンプ２２の駆動周波数（回転数）ｆを再び上昇させる。このようなポンプ２２の駆動周波数ｆの上昇下降がΔＰ＝（Ｐ２－Ｐ１）を中心に小幅に繰り返され、最終的にポンプ２２の吐出圧ΔＰは、ΔＰ＝（Ｐ２－Ｐ１）となる駆動周波数ｆｓ（＜ｆ０）で安定する。したがって、液面高さＨは、送液作業停止のための所定高さＨ１に達することなく、一定の高さＨｓ（Ｈ０＜Ｈｓ＜Ｈ１）に収束し平衡状態となる。平衡状態では、ポンプ２２が周波数ｆｓで駆動されているため、送液管１８内の充填液Ｆは、ポンプ２２により攪拌されることとなる。

【0033】

充填液Ｆが炭酸などのガスを含む液体の場合、充填液Ｆの送液管１８やポンプ２２内の逆流、および上記平衡状態でのポンプ２２の駆動により、クッションタンク１２、フィラタンク１４、送液管１８内には泡が発生するとともに、液体中の固形物にも負荷がかかり、つぶれや傷付きが発生する。そのため、図５に示される制御を行うと、充填機作業を再開時に容器内に泡立った充填液Ｆが充填され、正常な充填が行えない。

【0034】

以上のことから本実施形態では、図６のグラフに示されるように、ポンプ２２の駆動周波数ｆに下限値ｆ１を設けている。なお、図６は図５に対応し、図６を参照して本実施形態における送液作業停止の手順を説明する。

【0035】

図６に示されるように、充填装置１６での充填作業が停止される時点ｔ０までは、ポンプ２２の駆動周波数ｆとフィラタンク１４の液面高さＨは図５と同様に推移する。本実施形態において、駆動周波数ｆの下限値ｆ１は、平衡状態での駆動周波数ｆｓよりも僅かに高く、逆流が発生しない周波数に設定される（ｆｓ＜ｆ１＜ｆ０）。そのため、充填作業が停止され（時点ｔ０）、液面高さＨが上昇して、ポンプ２２の駆動周波数ｆが下限値ｆ１に達すると、駆動周波数ｆは、下限値ｆ１に固定される。下限値ｆ１は、平衡状態での駆動周波数ｆｓより高いので、ΔＰ＞（Ｐ１－Ｐ２）となり、フィラタンク１４内の液面高さＨは上昇を続け、送液作業停止する所定値Ｈ１にまで達する。制御部３２は、レベルセンサ３０からの信号により、液面高さＨ＝Ｈ１となると、送液作業を停止する（時点ｔ１）。すなわち、前述したように、ポンプ２２の駆動を停止するとともに、第１バルブ２４を閉鎖すると同時に第２バルブ２８を開放する。

【0036】

図７、図８は、充填再開作業の手順を示すブロック図である。以下、図７、図８を参照して、本実施形態における充填再開作業の手順について説明する。

【0037】

充填作業および送液作業が停止された状態では、ポンプ２２が停止され、第１バルブ２４が閉鎖られ、第２バルブ２８が開放された状態にある（図７）。充填再開作業では、まず図７の状態においてポンプ２２が始動される。始動直後、ポンプ２２の駆動周波数ｆは上記下限値ｆ１よりも低いが、徐々に駆動周波数ｆは増大される。ポンプ２２の駆動周波数ｆが下限値ｆ１に到達すると、第１バルブ２４が開放されるとともに第２バルブ２８が閉鎖され、図８の状態となる。以後、前述したレベルセンサ３０の信号に基づくフィードバック制御を用いた通常の送液作業が開始されるとともに、充填機１６での充填作業が開始される。

【0038】

以上のように、本実施形態によれば、送液作業停止時のウォータハンマー現象の発生を防止できる。これにより例えば充填液に含まれる固形物の破損や、炭酸液などにおける泡の発生を防止できる。

【0039】

また、本実施形態では、ポンプ制御の下限値を設けることで、タンク内の液面レベルを被制御量としてポンプをフィードバック制御する場合にも、液面レベルに基づきポンプ停止のタイミングを計ることができる。

【0040】

また、本実施形態では、ロータリーポンプを用いているため、充填液内に固形物が含まれる場合にも、ポンプにおいて固形物を傷つけることなく送液できる。

【0041】

なお、本実施形態では、フィラタンクの液面高さが所定値に達したときにポンプの駆動を停止する構成としたが、送液作業の停止のタイミングを液面高さによらず、例えばポンプの駆動周波数が下限値ｆ１に到達した時点で停止する構成とすることもできる。また、炭酸飲料の場合、ΔＰ＝（Ｐ２－Ｐ１）となる駆動周波数ｆｓは液体の種類によって変動するので、液体の種類ごとに平衡状態での駆動周波数ｆｓを求めて駆動周波数ｆの下限値ｆ１を設定しておくことにより、複数の液体に対応することが可能となる。

【0042】

また、本実施形態では、第２バルブとしてバイパス通路に開閉バルブを設けたが、第２バルブとして送液管とバイパス通路の分岐部に３方向バルブを用い、ポンプ吐出口を送液作業中は送液管側に接続し、ポンプ停止時にはバイパス通路に接続する構成としてもよい。

【0043】

本実施形態では、炭酸飲料を例に説明したため、第２タンク（フィラタンク）内は第１タンク（クッションタンク）内よりも高い圧力に維持されたが、充填液の種類などによっては、両タンク内を同圧に維持することも可能である。

【符号の説明】

【0044】

１０ 送液装置
１２ クッションタンク（第１タンク）
１４ フィラタンク（第２タンク）
１６ 充填機（充填手段）
１８ 送液管
２２ ポンプ
２４ 第１バルブ
２６ バイパス通路
２８ 第２バルブ
３０ レベルセンサ
３２ 制御部（制御手段）
Ｆ 充填液

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】