JP6712840B2 - 充填ノズル装置 - Google Patents

Description

本発明は液体を充填するノズル装置に関する。特にノズル本体内の液体がノズルの構造部品の動作によって摩擦やせん断の作用を受けることが少なく、ノズル内部の洗浄が容易な充填ノズル装置に関する。

液体を容器等に充填する場合に用いられるノズル装置には、液だれや洩れが無いこと、充填量を正確に制御できること、及び充填の処理能力が高いこと（即ち高速に充填作業が行えること）等が一般に求められる。
液体が高粘度であったり、粘着性が高かったり、またノズル装置の機構部品の動作による摩擦やせん断力によって固化変質しやすいもの等の場合は、ノズル装置の設計において配慮が必要である。

高粘度の液体の例として紫外線硬化型印刷インキ（ＵＶインキとも呼ばれる）が挙げられる。本印刷インキは、印刷した後に紫外線を照射して瞬時にインキ皮膜を硬化乾燥させる。従ってインキ皮膜が乾燥するまで長時間待つ必要は無く、印刷作業及び印刷の後工程の効率化を図ることができる。また印刷皮膜が強固である等の特徴を有する。
本印刷インキは感光性樹脂であるオリゴマーやモノマーを含み、一般に高粘度であり、また摩擦やせん断力の作用を受けると固まり易い傾向がある。従ってそのインキを充填するために従来のノズル装置を用いると、機構部品の摩擦や摺動によってインキがノズル内に固着しやすい。

以上述べた紫外線硬化型印刷インキのような液体材料を扱うための充填ノズル装置やポンプとして、特許文献１〜６に例示したものが知られている。

特許文献１には、紫外線硬化性インキ等のせん断力に敏感で大きい摩擦力を受けたときに固まり易い性質の粘性流体を送るのに適したポンプが記載されている。該文献には、（ａ）ポンプのプランジャのシール（環状で、拭き取り作用がある）を排出側の固定位置に設けて液の流動により熱の蓄積を防ぐこと、（ｂ）環状シールの排出室と反対の側でプランジャが通る側に、溶剤及び又は潤滑流体用の室を設けることによって該室内の流体がプランジャを濡らし、プランジャのシールから漏れるわずかな量のインキ等が硬化するのを防止すること、等が記載されている。

特許文献２には、高粘度で、大きな摩擦力を受けたときに固まり易いという性質を有する紫外線硬化性インク等を供給するポンプが記載されている。該ポンプはピストンとシリンダを有し、該ピストン及び該ピストンと接するシリンダ内面の材質の接触角を一定以上とすることにより、摩擦によるインクの固化を防ぐことが記載されている。

特許文献３には、ノズルの弁体あるいは弁座先端部への充填物の付着を防止するか、付着したとしてもその付着量を低減することができるノズル装置が記載されている。
その弁座と弁体との当接面が円錐面を形成するとともに、弁座の先端部および弁体の先端部がともに鋭角をなしており、インキ等高粘度の充填物にあっても、液垂れ、糸ひき等を生じることなく充填することができると記載されている。
本文献のノズル装置においては、弁体を設けた弁棒がノズル外筒の中空部を昇降する。弁棒とその軸ホルダの摺動部に充填物が浸入することを防止するために、その図２では軸ホルダ及び弁棒を覆うベローズを配置する方法が示されている。尚、摺動（しゅうどう又はしょうどう）とは、機械部品等がこすれ合い、すべりながら動くことを言う。
ベローズとは蛇腹形状で伸縮が可能な部材であり、そのバネ性、伸縮性、密閉性等を利用する箇所に用いられる。蛇腹のひだ（凹凸）に高粘度の材料や付着性のある材料が入り込むと、清掃が困難な場合がある。またベローズは繰り返しの伸縮で疲労し、破れ等のトラブルが起きる場合がある。
前記のベローズの洗浄性が悪いことに対する解決手段として、本文献ではその図６において、ベローズを用いず、弁棒と軸ホルダの摺動部にパッキンを用いた方法が示されている。パッキンを用いる場合は、弁棒表面に薄膜状に付着した材料が摺動部に浸入することを完全に防ぐことは困難である。熱や摩擦によって固化等変質し易い材料の場合は、使用するに従い次第に摺動部に材料が付着堆積し、充填物への異物混入や弁棒の動作不良を起こす場合がある。

特許文献４には、高粘度又は具入りの充填液体であっても液垂れが起きることなく、且つ単位時間当たりの充填量の大きな流体充填装置が記載されている。
本文献のノズル装置においては、先端がシャットオフバルブ機構を形成する移動体がノズル内部にある。上下する移動体の上部とノズルとはダイアフラムで結合されて密閉されている。移動体はその内部に中子ロッドを有し、その中子ロッドは移動体内を上下することができる。充填終了時には中子ロッドは上方に移動して移動体内部に引き込まれて、その図４に示されるように移動体先端部に凹部を形成する。ノズル出口にわずかに残る液体を表面張力でこの凹部に保持し、充填終了時の液垂れをなくすことが記載されている。
液垂れをなくすための中子ロッドの機構は、中子ロッドと移動体とが摺動摩擦することにより、使用するに従い次第に摺動部に材料が付着固化し、充填物への異物混入や中子ロッドの動作不良を起こす場合があると考えられる。
また本文献の発明の課題の一つである単位時間あたりの充填量を大きくするためには、充填する液体を多く供給する必要があり、そのために供給圧力を高くすることになる場合が多い。その場合、本文献のようにダイアフラムで密閉する方法においては、移動体が上下するのでダイアフラムは柔軟性のある材料でなければならず、それ故に圧力が高くなるとダイアフラムが圧力に負けて破れが発生する場合がある。強度が高く破れにくいダイアフラムを使うと柔軟性が低下して移動体の上下動が困難になる場合がある。

特許文献５には、紫外線硬化型インキを圧送するポンプにおいて、プランジャポンプのピストンの摺動や、ギヤポンプのギヤ同士の咬合などによりせん断力が加わってインキが固化し、ポンプで送ることができなくなるという問題を解決する手段が記載されている。該文献によれば、プランジャの環状シールを介して、紫外線硬化型インキを吸引し排出する室の反対側に潤滑液用の室を有し、該潤滑液が紫外線硬化型モノマーを含有することにより、スムーズにポンプで圧送することが可能になり、且つ潤滑液がＵＶインキの硬化性を損なうことが無いとされる。

特許文献６には、紫外線硬化型インキのような粘度の高い流体が摺動摩擦によって硬化されることなく圧送可能なプランジャポンプが記載されている。ピストンボディとシリンダとの間の接触面積の減少を図るためにクリアランスを設け、さらにそのクリアランスによってシール性が低下することを防ぐためにピストンボディの外径にシール用の溝を設けることが記載されている。

特開平９−８８８１４号公報 特開２００１−９０６７６号公報 特開２００１−２９３３９８号公報 特開２００５−８２３０号公報 特開２００７−２９１２９６号公報 特開２０１０−２０３３８２号公報

本発明は、充填ノズルの弁の開閉のために弁棒が上下動する場合等におけるノズル内部の機械部品相互の摺動や摩擦によって充填する液体が影響を受けて固化する等の問題が起きにくく、且つノズル本体内の洗浄が容易に行える充填ノズル装置を提供することを課題とする。
さらにダイアフラムを使用する従来の機器や装置にくらべて、充填する液体を高圧で充填ノズル装置に送ることができ、それによって充填速度を高くすることができる充填ノズル装置を提供することを課題とする。

前記の課題を解決する本発明の充填ノズル装置は、次の（ａ１）〜（ａ４）の要素を全て備える。
（ａ１）充填する液体源に接続されたノズル本体。
（ａ２）ノズル本体の充填口を開閉する弁体を先端部に有し、ノズル本体内を昇降する弁棒。
（ａ３）前記弁棒とノズル本体とを気体及び液体の洩れが無いように連結する柔軟なダイアフラム。
（ａ４）ノズル本体内部の圧力及びまたはノズル近傍の位置における充填する液体源の圧力を検出し、その圧力と等しい圧力を前記ダイアフラムの液体と接しない側の空間に加える加圧手段。

本発明の充填ノズル装置は、より好ましくはさらに次の（ｂ１）の要素を備える。
（ｂ１）前記ダイアフラムの液体と接しない側の空間が、（ｃ１）不活性ガス、（ｃ２）充填する液体、及び（ｃ３）充填する液体の成分の一部、の３つの要素から成る群から選ばれるいずれか一つで満たされている。

本発明の充填ノズル装置は、その弁の開閉のために弁棒が上下動する場合等におけるノズル内部の機械部品の摺動や摩擦によって、充填する液体が影響を受けて固化したりすることが少ない。
またノズル本体内の洗浄を容易に行うことができる。さらに高圧で充填液体を送ることができるため、充填速度を高くすることができる。

本発明の充填ノズル装置を示す図である。 本発明の充填ノズル装置の先端部分の拡大図である。 本発明の充填ノズル装置に充填する液体をタンク２１からポンプ２０により供給する場合の構成を示す図である。 本発明の充填ノズル装置に充填する液体をタンク２２から圧送して供給する場合の構成を示す図である。 本発明の充填ノズル装置及びそれに接続される配管と、それらに設置された圧力センサーを示す図である。 充填ノズル装置の弁座及び弁体の先端部が鋭角に仕上げられていない場合を示す図である。 実施例１における充填ノズル装置の概略を示す図である。 比較例１における充填ノズル装置の概略を示す図である。 比較例２における充填ノズル装置の概略を示す図である。

（充填ノズル装置の基本構造の説明）
本発明の充填ノズル装置について説明する。尚、本出願の願書に添付した図面は、本発明を明瞭に理解するための概念図である。理解のために不要な部分や本質的で無い部分は略するか図示していない場合がある。
図１は本発明の充填ノズル装置の基本的な構造の一例を示す断面図である。
１はノズル本体であり、その内部を弁棒２が上下方向に移動する。弁棒２の移動により、その先端部の弁体３とノズル本体の充填物が吐出する部分にある弁座４とが開閉し、充填される液体の吐出と停止とを制御する。弁体３及び弁座４で形成される部分をノズルの吐出口と呼ぶことがある。液体の吐出を停止した状態では弁体３と弁座４とは密着して閉じている。

弁棒２は、図示しない空気圧、油圧、電動等の駆動手段に接続され、上下方向等に移動する。ノズル本体には、弁棒を正確且つ滑らかに移動させるための軸受け８がある。
ノズル本体内にはダイアフラム５が有り、ノズル本体とは９の部分で緊密に固定され、１０の部分で弁棒と緊密に固定されている。ダイアフラムは弁棒の上下動に支障が無いように、合成樹脂、ゴム等の柔軟な材料で作られている。

ノズル本体内部は、充填する液体が存在する１１の部分と、１１の部分とは液体や気体が流通することが無いようにダイアフラム５によって仕切られた１３の部分とに分けられている。
ノズル本体には１３の部分につながる配管７が接続されている。

ノズル本体には配管６が接続され、充填する液体は配管６を経由してノズル本体に供給される。液体源から充填ノズルへの液体の供給は、図３に例示するように液体を供給するタンク２１とポンプ２０とを配管２４によって接続し、液体をポンプで圧送する方法や、図４に例示するように円筒型の液体タンク２２とノズル本体とが配管２４で接続されて、タンク内の液体をピストン２３で加圧して送る方法等が用いられる。

弁体３が上昇して弁座４との間隙が広がると、ノズル本体に送られる液体が吐出口から吐出される。吐出口からの吐出速度を調節するには、弁体３の上昇距離を調節して間隙の大きさを変えたり、ノズル本体に送る液体の圧力を変えたりすること等が行われている。

本発明のノズル装置においては、弁棒表面に着いた液体が軸受けに滲み込んだり侵入したりすることは無い。また軸受けへの液体の侵入等を防ぐために細かい凹凸部の有るベローズ等を用いていない。ノズル装置内部には液体が滞留する狭い隙間や小さな凹凸等が少ないため、充填ノズル内の洗浄を容易に行うことができる。

（充填ノズル装置のダイアフラムに圧力を加える機構の説明）
図１において、ノズル本体内部の１１の部分の液体の圧力により、ダイアフラムは１３の部分の方向に押される圧力を受ける。圧力の強さやダイアフラムの強度によっては、１３の部分は大気開放の状態であっても、気体が密閉された空間であっても、ダイアフラムが過度に変形したり破れたりする等の問題無しに充填作業ができる場合がある。

しかし高粘度の液体を充填する場合は、適切な充填速度で作業するためには液体を高圧で送りこむことが必要な場合があり、それによって１１の部分の圧力が１３の部分に比べて高くなり、ダイアフラムが１３の部分の方向に過度に押し込まれて破れる等の問題が起きることがある。
破れないようにダイアフラムの強度を高くすると、その柔軟性が低下し、ダイアフラムに緊密に結合する弁棒の上下の動きを妨げて充填作業に支障を来たす場合がある。

本発明のノズル装置においては、図１の１３の部分に、１１の部分の液体と等しい圧力を加えることにより、ダイアフラムの両側に加わる圧力差をできるだけ小さくし、充分な柔軟性を有する材料で作ったダイアフラムを用いる場合であっても、ダイアフラムの破れ等の問題が起きにくいようにしている。
また圧力を加えない場合に比べて、１１の部分の液体の圧力を高くすることができる。即ち高圧で液体を充填ノズルに送ることができ、充填処理速度を高めることができる。

ここで「等しい圧力」について説明する。１１及び１２の部分の圧力は充填中に変動するので、１１の部分と１３の部分との圧力を常時厳密に等しくすることは困難な場合が有る。例えば充填中でノズルの吐出口が開いている場合は１１の部分の圧力は低くなり、吐出口が閉まると高くなる。
本発明の実施においては、ダイアフラムが過度に変形したり破れたりすることが無いように１３の部分の圧力を調節する。本発明において、「等しい圧力」を加えるとは、例えば１１の部分の圧力を１００として、８０〜１００の範囲で１３の部分に加圧することを含む。９０〜１００、さらには９５〜１００とより狭く近い範囲に加圧することは当然より好ましい。加圧の程度を調節する範囲は、ダイアフラムの強度や、１１の部分の圧力に応じて決定する。１１の部分と１３の部分との圧力はできるだけ近いことが好ましいが、液体の性状やダイアフラムの強度、圧力制御の応答性によって実際に可能な圧力の制御範囲は異なる。
ダイアフラムは充填機の動作に従って動くので、例え圧力を完全に等しくした場合でも長期間使用すれば疲労し破損する。ダイフラムの交換頻度、交換作業による充填作業への支障の程度等を考慮して、どこまで厳密に圧力制御を行うかを決定することが好ましい。

ダイアフラムの両側（１１の部分と１３の部分）の圧力をほぼ等しくするための圧力制御方法の一例を図５に示す。
ノズル本体の内部の液体１１の圧力を検知するために圧力センサー３０が取り付けられている。同様に、配管６の内部の圧力を検知するために圧力センサー３１が取り付けられており、１３の部分の圧力を検知するために圧力センサー３２が取り付けられている。
充填ノズル本体及び配管１２は一般に近接しているため、圧力センサー３０及び３１の両方は必ずしも必要ではない。圧力センサーは配管に取り付ける方が一般に容易であるので、圧力センサー３１だけでも十分な制御が可能であることが多い。取り付け場所の確保や取り付けが容易かどうかにより、圧力センサーの数や位置を選択すれば良い。
同様に、１３の部分の圧力の検知についても、センサー３２は図５の位置の他に、配管７に取り付けても良く、また配管７のみに取り付けても良い。

１３の部分は、配管７を経由して気体または液体が供給されて圧力が加えられる。
気体としては一般の空気圧を用いて圧力を加えることができる。長期間の運転でダイフラムが疲労して破れたりすることは避けられないが、気体を用いて圧力を加える場合は、仮に破れが発生した場合、１１の液体中に気泡が混入し、吐出される液体に気泡が混じってくるため、破れを直ぐに発見して対処することができる。

１３の部分に液体を入れ、ダイアフラムにはその液体を介して圧力を掛けることもできる。液体としては、ダイアフラムの柔軟性や強度に悪影響が無く、且つ仮にダイアフラムが破れて１１の部分の液体側に混入した場合でも、液体の品質等への影響が小さいものが好ましい。例えば、充填する液体（即ち１１の部分の液体）そのもの、液体の成分の一部等が挙げられる。但し液体が図１の軸受け８に接触する場合は、その部分の摺動・摩擦によって１３の部分に入れた液体が固化する等の問題が起きるものであってはならない。

１３の部分に液体を入れる場合は、その液体をポンプ等で加圧して配管７から送り込んで加圧することができる。また液体は１３の部分に適量を入れ、配管７を経由して気体を供給して圧力を加えることもできる。この方法の場合は、仮にダイアフラムが破れた場合は、前記したように１１の部分の液体に気泡が混入するため、破れを迅速に発見して対処することができる。

６の配管を経由してノズルに送られる液体１２の圧力の制御方法は、一般的な圧力制御方法で行うことができる。例えば図３のようにポンプで充填する液体をノズルに供給する場合は、ポンプ２０と配管６を接続する配管２４に、図示しない外部制御レリーフ弁等を接続し、液体１２の圧力を圧力センサー３０及び又は３１の計測値に応じて外部から制御することができる。
７の配管を経由して気体又は液体を１３の部分に送り、１３の部分の圧力を制御する場合も、７の配管に外部制御レリーフ弁等を設けて、圧力センサー３２等の計測値に応じて１３の部分の圧力制御を行うことができる。

吐出口が閉まると１１の部分の圧力は、６の配管を経由してノズルに送られる液体１２の圧力と同じまで高くなる。６の配管内の圧力をセンサー３１で検知して、それに合わせて圧力センサー３２で検知する１３の部分の圧力を制御することができる。

ノズルに送られる液体１２の流量はノズルの吐出口の開閉やその開度に合わせて制御することができる。図３を例にすると、吐出口が開くと同時にポンプ２０が動作して液体をノズルに送り、吐出口が閉じる直前にポンプ２０を停止するように制御する方法が挙げられる。これによって吐出口が開閉する際に吐出口に加わる圧力を低くして、吐出口の開閉に要する力を減らし、開閉動作をスムーズ且つ高速に行うことができる。

吐出口の開度に合わせてノズルに送る液体１２の圧力を制御することができる。一回の充填の終段においてノズルの開度を小さくして小流量で充填する場合は、液体１２の圧力もそれに合わせて小さくして、充填量を精密に制御することができる。

（充填ノズル装置の補助的構造の説明。弁体、弁座、エア吹き出し等）
図２は充填ノズルの吐出口付近の構造の一例を示す図である。弁体３の先端部および弁座４の先端部はいずれも鋭角に仕上げられていることが好ましく、弁を閉じたときはそれぞれの先端部ができるだけ一致することが好ましい。
例えば図６に示すように、弁座４及び弁体３の先端部が鋭角に仕上げられていない場合は、特に粘度や付着性が高い液体の場合は吐出口が閉じた場合に、吐出口付近に４０のように液体が付着しやすくなる。これは液体が付着しやすい部分の面積が大きくなるためである。付着した液体は次第に堆積して液だれし、充填する容器や周辺部をよごすなどの問題を引き起こす場合がある。
図１の弁体３及び弁棒２と比べると、図２の例では弁体３及び弁棒２の内部を貫通する気体通路１４が設けられている。これは吐出口が閉じた状態で吐出口付近に付着した液体を気体で吹き飛ばして、付着した液体が堆積することを防ぐためである。充填する液体の種類や充填条件によっては、通路１４に気体ではなく液体を通すこともできる。
気体通路１４に気体を通すのは、例えば吐出口が閉じた瞬間が好ましい。

実際の液体を用いて、本発明のノズル及び比較例のノズルを用いて充填を行った。結果を下記の実施例１、比較例１、及び比較例２それぞれの項に示す。
図７〜９は実施例及び比較例で用いたノズル（ａ）〜（ｃ）の３種類の概略図である。
図７は本発明のノズルの一例であり、詳細な構造は図１に示す通りである。
図８では弁棒２の軸受け５０を、ベローズ５１を用いてシールしている。
図９では弁棒２の軸受け５２の部分をフッ素系エラストマーを用いたパッキンでシールしている。フッ素系エラストマーは、テトラフルオロエチレンやフッ素系ゴム等に比べて、耐薬品性、耐熱性及び柔軟性を兼ね備える材料である。
実施例及び比較例とも、充填する液体としてＤＩＣグラフィックス株式会社製の紫外線硬化型印刷インキ（商品名ダイキュア アビリオ プロセス 透明黄 Ｎ）を用いた。
このインキは、紫外線照射以外にも摺動摩擦などで硬化（ゲル化）してしまうことが知られている。

（実施例１）
ノズルの概略図を図７に示す。弁棒のシールはポリテトラフルオロエチレン製のダイアフラムを用いた。実施例のノズル（ａ）において、図１の１３に相当する部分（以下甲部と呼ぶ）へは空気を用いて加圧した。充填作業時において、図１の１１に相当する部分（以下乙部と呼ぶ）の圧力は０．１ＭＰａ〜０．５ＭＰａの範囲で変動した。甲部に加圧する圧力と、乙部の圧力を基準として８０〜１００％となるように制御した。
一日当たり約６時間、６カ月間充填作業を行った後、ノズルを分解して確認した結果、ダイアフラムには傷みは観察されなかった。またダイアフラムへのインキの固着等も見られなかった。

（比較例１）
ノズルの概略図を図８に示す。弁棒のシールはステンレス（ＳＵＳ３０４）製のベローズを用いた。一日当たり約６時間、３カ月間充填作業を行った後、ノズルを分解して確認した結果、ベローズにインキが固着しており、剥がれて製品への混入の恐れがあるため使用を停止してベローズの清掃を行った。ベローズには摺動部は無いため、硬化物（ゲル化物）は発生していなかった。またベローズには相当程度の疲労、傷みが見られ、これ以上の継続使用は破れの発生等により生産に支障を来たす恐れがあると判断された。

（比較例２）
ノズルの概略図を図９に示す。弁棒のシールはポリテトラフルオロエチレンのパッキン（Ｖパッキン）を用いた。一日当たり約６時間充填作業を行ったが、約１０時間使用したところで、弁の開閉ができなくなる不具合が発生した。ノズルを分解して確認した結果、パッキンとその周辺にインキが固着しており、弁棒が動かなくなっていることが判明した。

本発明の充填ノズル装置は、その弁の開閉のために弁棒が上下動する場合等におけるノズル内部の機械部品の摺動や摩擦によって、充填する液体が影響を受けることが少ない。
またノズル本体内の洗浄を容易に行うことができる。

１ 充填ノズル本体
２ 弁棒
３ 弁体
４ 弁座
５ ダイアフラム
６ 充填する液体を供給する配管
７ １３の部分に接続される配管
８ 弁棒の軸受け
９ ダイアフラムとノズル本体とを固定する部分
１０ ダイアフラムと弁棒とを固定する部分
１１ 充填する液体が存在する部分
１２ 充填する液体
１３ ダイアフラムによって１１の部分と仕切られた部分
１４ 通路の出口
２０ ポンプ
２１ 充填する液体のタンク
２２ 充填する液体のタンク
２３ タンク２２から液体を圧送するためのピストン
２４ 配管
３０ 圧力センサー
３１ 圧力センサー
３２ 圧力センサー
４０ ノズルの吐出口付近に付着した液体
５０ 弁棒の軸受け
５１ ベローズ
５２ Ｖパッキンを組み込んだ弁棒の軸受け

Claims (1)

1. 次の（ａ１）〜（ａ４）、及び（ｂ１）の要素を全て備える充填ノズル装置。
   （ａ１）充填する液体源に接続されたノズル本体。
   （ａ２）ノズル本体の充填口を開閉する弁体を先端部に有し、ノズル本体内を昇降する弁棒。
   （ａ３）前記弁棒とノズル本体とを気体及び液体の洩れが無いように連結する柔軟なダイアフラム。
   （ａ４）ノズル本体内部の充填する液体が存在する部分の圧力及びまたは充填する液体を供給する配管における充填する液体源の圧力を検出し、その圧力と等しい圧力を前記ダイアフラムの液体と接しない側の空間に加える加圧手段。
   （ｂ１）前記ダイアフラムの液体と接しない側の空間が、（ｃ１）不活性ガス、（ｃ２）充填する液体、及び（ｃ３）充填する液体の成分の一部、の３つの要素から成る群から選ばれるいずれか一つで満たされている。

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