(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する環状の液チャンバと、該液チャンバが飲料によって満たされるように主液管を介して該液チャンバに飲料を供給する閉構造の主液タンクと、前記液チャンバの周方向に所定の間隔で配列する複数の充填弁と、前記液チャンバと共に回転するガスチャンバとを備え、前記ガスチャンバを前記主液タンクの気相部に連通させるとともに、該ガスチャンバを前記充填弁を介して前記容器の気相部に連通させ、前記各充填弁を介して順次対応する容器に前記液チャンバ内の飲料を充填するように構成された回転式飲料充填機であって、
前記ガスチャンバにおけるガス圧力を検出するガスチャンバガス圧力検出手段と、
前記容器の供給本数を取得する供給本数取得手段と、
前記主液管に介在させた流量調整弁と、
少なくとも前記ガスチャンバにおけるガス圧力および前記容器の供給本数を含む開度制御用情報に基づいて、最初に供給された容器への前記飲料の充填が完了する運転開始過渡期間に前記充填弁を流れる前記飲料の流量と、最後に供給された容器への前記飲料の充填が完了する運転終了過渡期間に前記充填弁を流れる前記飲料の流量とをそれぞれ定常運転期間に前記充填弁を流れる前記飲料の流量に等しくさせる前記流量制御弁の開度を演算し、前記運転開始過渡期間および運転終了過渡期間において前記演算された開度が実現されるように前記流量制御弁を制御する弁制御手段と、
を備えることを特徴とする回転式飲料充填機。
【請求項２】
前記主液タンクの気相部のガス圧力を検出する主液タンク気相部ガス圧力検出手段を更に備え、前記主液タンクの気相部のガス圧力が前記開度制御用情報に含まれることを特徴とする請求項１に記載の回転式飲料充填機。
【請求項３】
前記液チャンバ内の飲料の圧力を検出する飲料圧力検出手段を更に備え、前記液チャンバ内の飲料の圧力が前記開度制御用情報に含まれることを特徴とする請求項１に記載の回転式飲料充填機。
【請求項４】
前記主液タンク内における飲料の液面高さを検出する液面高さ検出手段を更に備え、前記主液タンク内における飲料の液面高さが前記開度制御用情報に更に含まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転式飲料充填機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コーラ、ビール等の飲料を容器に充填する回転式飲料充填機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転する環状の液チャンバと、該チャンバが飲料によって満たされるように主液管を介して該液チャンバに飲料を供給する主液タンクと、前記液チャンバの周方向に所定の間隔で配列する複数の充填弁とを備えた回転式飲料充填機が提案されている。
【０００３】
この回転式飲料充填機では、液チャンバと共に移動する各充填弁に容器が順次接続されて、該液チャンバ内の飲料がそれらの充填弁を介して対応する容器に充填される。そして、充填を終了した容器は、順次対応する充填弁から取り除かれる。
【０００４】
この飲料充填機は、上記液チャンバが主液タンクから供給される飲料によって常時満たされるので、その内部に気液界面が存在しない。したがって、飲料の成分の酸化による強固な汚れがチャンバ内に付着するという不都合が発生せず、その結果、液チャンバの洗浄作業に要する時間が短くて済む。また、液チャンバ内に気相部が存在しないことから、該チャンバが圧力容器としての規制を受けず、このため、コストダウンを図ることが可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記回転式飲料充填機に１本目の容器が供給されて、その容器への飲料の充填が開始されたとすると、その充填開始時点からの一定期間（後述の運転開始過渡期間Ｔ１）においては、図４に示すように、主液管における飲料の流量がステップ的に増大する。
【０００６】
すなわち、上記運転開始過渡期間Ｔ１においては、１本目の容器への飲料の充填が開始された後、所定の時間間隔（液チャンバの回転数と充填弁の配列間隔に基づいて決定される）をおきながら２本目、３本目・・・の容器に対する飲料の供給が順次開始されることになるので、主液管における飲料の流量がステップ的に増大する。
なお、最初に供給された１本目の容器への飲料の充填が完了すると、上記主液管における飲料の流量が一定になるので、この充填完了時点が上記運転開始過渡期間Ｔ１の終了時点になる。
【０００７】
一方、容器の供給が停止されてからの一定期間Ｔ３（運転停止過渡期間）においては、主液管を介して液チャンバに流入する飲料の流量がステップ的に減少することになる。
すなわち、上記運転停止過渡期間Ｔ３においては、容器の供給停止後、液チャンバにおける容器の連結本数が１本づつ減少していくことになるので、上記流量がステップ的に減少する。
そして、最後に供給された容器への飲料の充填が完了すると、主液管における飲料の流れが停止し、その停止時点が上記運転停止過渡期間Ｔ３の終了時点になる。
【０００８】
ところで、上記回転式飲料充填機においては、容器に対する飲料の充填量を流量計によって計測し、その計測した充填量が所定値になった時点で充填弁を閉じるようにしている。しかし、上記運転開始過渡期間Ｔ１および運転停止過渡期間Ｔ３においては、容器への飲料の充填量が定常運転期間Ｔ２よりも多くなる。以下、その理由について説明する。
【０００９】
定常運転期間Ｔ２における飲料の総エネルギーは、前記主液タンク内の飲料の液面に作用するガス圧と容器中の圧力との差圧と、該飲料の位置エネルギーとの和であり、前記主液管および充填弁の圧損によって消費される。
上記運転開始過渡期間Ｔ１および運転終了過渡期間Ｔ３においては、上記主液管における圧損が定常運転期間よりも小さくなる。なぜなら、主液管における飲料の流量が定常運転期間Ｔ２よりも少ないからである。
【００１０】
したがって、上記運転開始過渡期間Ｔ１および運転終了過渡期間Ｔ３では、上記主液管での圧損の低下分だけ充填弁の圧損が上昇することになる。つまり、この充填弁での消費エネルギーが上昇すること、換言すれば、図５に実線で示すように該充填弁を通る飲料の流量が増加することになる。
なお、運転終了過渡期間Ｔ３においては、慣性によって飲料が加速されることから、上記充填弁における飲料の流量の増加傾向が運転開始過渡期間Ｔ１よりも顕著になる。
【００１１】
図６には、上記定常運転期間Ｔ２における充填弁での流量変化が実線で、上記運転開始過渡期間Ｔ１および運転終了過渡期間Ｔ３における充填弁での流量変化が点線でそれぞれ示されている。
定常運転期間Ｔ２では、充填開始後、所定の不感時間（例えば、０．２ｓｅｃ〜０．３ｓｅｃ）を経てから流量計が計量を開始する。そして、流量計の出力に基づいて所定の充填量が計測されると、その時点で充填弁のアクチュエータを閉作動させる指令が発生するが、このアクチュエータの動作遅れのため、充填弁は上記閉指令の発生時点から所定の時間（例えば、０．１ｓｅｃ〜０．２ｓｅｃ）後に閉じることになる。
【００１２】
それ故、定常運転期間には、実線で囲まれた面積に相当する量の飲料が容器に充填されることになる。なお、図６においては、定常運転時における流量計作動域がＡ１で示され、また、流量計によって感知されなかった充填量がハッチングによって示されている。
【００１３】
一方、運転開始過渡期間および運転終了過渡期間では、前記したように、充填弁を流れる流量が増加するので、点線囲まれた面積に対応した量の飲料が容器に充填され、この場合、流量計作動域がＡ１よりも短いＡ２になる。
そして、点線で囲まれた面積から流量計作動域Ａ２の部分の面積を除いた面積と、ハッチング付した部分の面積の比較から明らかなように、例え流量計によって容器への飲料の充填量を管理しても、運転開始過渡期間および運転終了過渡期間では上記充填量が定常運転期間よりも多くなる。つまり、定常運転時よりも多量の飲料が容器に充填されて、製品の飲料充填量が不揃いになる。
なお、以上では、流量計によって充填量を管理する場合について説明したが、容器への飲料の充填量を時間で管理する場合においても、上記と同様の不都合が発生する。
【００１４】
本発明の課題は、このような状況に鑑み、運転開始過渡期間および運転終了過渡期間においても、定常運転時と同様の量の飲料を容器に充填することができる回転式飲料充填機を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転する環状の液チャンバと、該液チャンバが飲料によって満たされるように主液管を介して該液チャンバに飲料を供給する閉構造の主液タンクと、前記液チャンバの周方向に所定の間隔で配列する複数の充填弁と、前記液チャンバと共に回転するガスチャンバとを備え、前記ガスチャンバを前記主液タンクの気相部に連通させるとともに、該ガスチャンバを前記充填弁を介して前記容器の気相部に連通させ、前記各充填弁を介して順次対応する容器に前記液チャンバ内の飲料を充填するように構成された回転式飲料充填機であって、前記ガスチャンバにおけるガス圧力を検出するガスチャンバガス圧力検出手段と、前記容器の供給本数を取得する供給本数取得手段と、前記主液管に介在させた流量調整弁と、少なくとも前記ガスチャンバにおけるガス圧力および前記容器の供給本数を含む開度制御用情報に基づいて、最初に供給された容器への前記飲料の充填が完了する運転開始過渡期間に前記充填弁を流れる前記飲料の流量と、最後に供給された容器への前記飲料の充填が完了する運転終了過渡期間に前記充填弁を流れる前記飲料の流量とをそれぞれ定常運転期間に前記充填弁を流れる前記飲料の流量に等しくさせる前記流量制御弁の開度を演算し、前記運転開始過渡期間および運転終了過渡期間において前記演算された開度が実現されるように前記流量制御弁を制御する弁制御手段と、を備えることを特徴としている。
前記主液タンクの気相部のガス圧力を検出する主液タンク気相部ガス圧力検出手段を更に備え、前記主液タンクの気相部のガス圧力を前記開度制御用情報に含ませることも可能である。
同様に、前記液チャンバ内の飲料の圧力を検出する飲料圧力検出手段を更に備え、前記液チャンバ内の飲料の圧力を前記開度制御用情報に含ませることも可能である。
また、前記主液タンク内における飲料の液面高さを検出する液面高さ検出手段を更に備え、前記主液タンク内における飲料の液面高さを前記開度制御用情報に更に含ませるようにしても良い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１において、回転式飲料充填機１０は、軸線１１ａを中心として回転し得るように支持された環状の液チャンバ１１と、この液チャンバ１１の上方に一体配設されたガスチャンバ１２と、液チャンバ１１の底部に給液管１３を介して連結された充填弁１４と、コーラ、ビール等の炭酸飲料１５を貯溜した主液タンク１６とを備えている。
なお、充填弁１４は、液チャンバ１１の周方向に所定の間隔で多数個（例えば、１００個）配列している。
【００１７】
主液管１７は、一端が図示していないロータリジョイントを介して上記液チャンバ１１に連結されるとともに、他端が主液タンク１６の底部に連結され、かつ、その途中に流量調整弁１８が配設されている。
ガス管１９は、一端が図示していないロータリジョイントを介して上記ガスチャンバ１２に連結されるとともに、他端が主液タンク１６の上部に連結されている。従って、ガスチャンバ１２は、ガス管１９を介して主液タンク１６の気相部に連通している。
【００１８】
主液タンク１６には、それぞれ流量調整弁２０，２１および２２を介して給液管２４、給ガス管２５および排ガス管２６が接続されている。また、この主液タンク１６には、飲料１５の液面高さを検出する液面高さセンサ２７と、該飲料１５の液面に作用するガス（この例では、炭酸ガス）の圧力を検出する圧力センサ２８が配設されている。
【００１９】
液面・圧力制御部３０は、液面高さセンサ２７の出力に基づいて、主液タンク１６内の飲料１５の液面が常に液チャンバ１１よりもＨだけ高い位置に保持されるように流量調整弁２０を制御し、また、圧力センサ２８の出力に基づいて、主液タンク１６内の気相部のガス圧力ＰT が常に所定の圧力に保持されるように流量調整弁２１および２２を制御する。
【００２０】
上記回転式飲料充填機では、液チャンバ１１と共に回転移動する各充填弁１４に対して順次容器３１が供給されると、容器３１内とガスチャンバ１２を同圧にして充填弁１３を開き、容器３１への充填を開始する。
液チャンバ１１内の飲料は、主液タンク１６内の飲料１５の液面に作用するガス圧力と該液面と主液チャンバ１１間の落差（ヘッド）Ｈとによって加圧されているので、上記充填弁１４の開動作に伴って容器３１内に飲料が流入することになる。そして、このとき、容器３１内のガスは、カウンタ管路３２を介してガスチャンバに戻される。
【００２１】
なお、図１に示す流量計３５は、充填弁１４に流れる飲料の流量を積算し、その積算流量値が容器３１の充填容積に一致したときに充填完了信号を出力する。そして、充填弁１４は、上記充填完了信号に基づくアクチュエータの作動によって閉止される。
【００２２】
図５を参照して既述したように、前記運転開始過渡期間Ｔ１および運転停止過渡期間Ｔ３においては、容器への飲料の充填量が定常運転期間Ｔ２よりも多くなる。このような問題を解決するためには、運転開始過渡期間Ｔ１および運転終了過渡期間Ｔ３に前記流量制御弁１８の開度を小さくして、流動圧損を加えれば良い。
【００２３】
上記運転開始過渡期間Ｔ１および運転終了過渡期間Ｔ３における前記流量制御弁１８の開度をＣV とすると、この開度をＣV は、下式（１）によって与えられる。
【数１】
0004384781.tif 000002
【００２４】
また、充填弁１４から容器３１に充填する飲料の目標平均充填流量をｑ、容器３１の供給本数をｎとすると、上式におけるＱ（ｔ）は、下式（２）のように表わされる。
【数２】
0004384781.tif 000003
なお、上記目標平均充填流量ｑは、前記定常運転期間Ｔ２における平均充填流量に設定される。
【００２５】
ここで、容器３１の充填容量をＶB （例えば、５００ｍｌ）とすると 図４に示すように、前記運転開始過渡期間Ｔ１の長さはＶB ／ｑと表わされる。また、定常運転期間Ｔ２に主液管１７を流れる飲料の流量は、液チャンバ１１の回転数をＮ（ｒｐｍ）とすると、Ｎ・ＶB である。それ故、上式（１）におけるｄＱ(ｔ)／ｄｔは、下式（３）によって与えられる。
【数３】
0004384781.tif 000004
【００２６】
なお、（１）式に示す定数αは、図３に示すように、充填弁１４の形状損失係数をζ’、断面積をＡ’、前記カウンタ管路３２の形状損失係数をζ”、断面積をＡ”、液チャンバ１１内の飲料の圧力をＰMとすると、下式（４）によって与えられる。
【数４】
0004384781.tif 000005
【００２７】
図１に示した弁制御部３３は、図２に例示した手順を実行して流量制御弁１８の開度を制御する。
図２のステップ１００では、充填開始指令が入力されたか否かが判断され、この充填開始指令が入力された場合には、ステップ１０１でタイマがリセットされる。そして、次のステップ１０２では、前記液面高さセンサ２７によって検出される液面高さＨと、前記圧力センサ２８によって検出される主液タンク１６内のガス圧力ＰT と、圧力センサ３４によって検出されるガスチャンバ１２内のガス圧力ＰC （≒充填中における容器３１内のガス圧）と、容器３１の供給本数ｎとが取込まれる。
なお、容器３１の供給本数ｎは、例えば、図示していない容器供給機構から与えられる容器供給信号をカウントすることによって得ることができる。
【００２８】
ステップ１０３においては、ステップ１０２で取込んだ各種検出情報等と、前記（１）、（２）および（３）式とに基づいて、上記流量制御弁１８の開度ＣV が演算される。そして、次のステップ１０４では、流量制御弁１８の開度がステップ１０１で演算された開度ＣV になるように該流量制御弁１８が制御される。
【００２９】
ステップ１０５では、上記タイマの計時時間ｔが予め設定した時間ＶB ／ｑ以上になったか否かが判断され、その判断の結果がＮＯである間はステップ１０２〜１０４の手順が繰り返される。そして、タイマの計時時間ｔが設定時間ＶB ／ｑ以上になったと判断された場合には、運転開始過渡期間が終了したことになるので、ステップ１０６で流量制御弁１８の開度がその判断時点の開度に維持される。
【００３０】
以上のような手順が実行されれば、運転開始過渡期間において充填弁１４に流れる飲料の流量が上記目標平均充填流量ｑになるので、該運転開始過渡期間における充填流量の増加傾向が抑制される（図５の点線参照）。
したがって、運転開始過渡期間Ｔ１においても、定常運転期間Ｔ２での充填特性と同様の特性で充填が実行されて、適正量の飲料が容器３１に充填されることになる。
【００３１】
以上では、運転開始過渡期間Ｔ１での流量制御弁１８の制御について述べたが、前記運転終了過渡期間Ｔ３においてもこの流量制御弁１８の制御が実行される。この場合、上記とは逆に容器３１の供給が停止されることになるが、図２に示す手順に準じた手順を実行することによって、充填弁１４に流れる飲料の流量を上記目標平均充填流量ｑに設定することができる。
なお、上記においては、液チャンバ１１の回転数Ｎが一定であるとみなして、この回転数Ｎを検出していないが、回転数Ｎが変動する虞のある場合や、その回転数Ｎが変更調整される場合には、該回転数を適宜なセンサで検出する必要がある。この場合、上記弁制御部３３は、上記センサで検出される回転数Ｎを図２に示したステップ１０２において取込むことになる。
【００３２】
上記実施形態に係る充填機では、容器３１への飲料の充填量を流量計３５の出力に基づいて管理しているが、この充填量をタイマを用いて時間管理することも可能である。
また、上記実施形態では、（１）式の演算を実行するための情報として主液タンク１６内のガス圧力ＰT を弁制御部３３に取込んでいるが、これに代えて、液チャンバ１１内の飲料の圧力ＰM を用いることができる。なぜなら、上記両圧力ＰT ，ＰM には、下式（５）の関係があるからである。もちろん、圧力ＰM を用いる場合には、圧力センサによってこの圧力ＰM を検出することになる。
【数５】
0004384781.tif 000006
【００３３】
なお、上記圧力ＰT またはＰM の取込みを省略することも可能である。なぜなら、上記ガス圧力ＰT は、液面・圧力制御部３０によって定値に保持されているからである。そして、同様の理由により、液面高さＨの取込みも省略可能である。
但し、時々刻々の圧力ＰT （または、圧力ＰM  ）や液面高さＨを検出して、これらを流量制御弁１８の開度の演算に反映させるようにすれば、該開度をより精度良く制御することができる。
【００３４】
一方、上記実施形態では、（１）式に示すように、主液タンク１６内のガス圧力ＰT とガスチャンバ１２内のガス圧力ＰC （ガス圧力ＰC は、ガス置換やカウンタ工程での消費ガス、充填中の容器から排出されるガスによって変動する）の差ＰT −ＰC を開度ＣV の演算に使用しているが、この圧力差ＰT −ＰC は小さいので、これをゼロとみなして上記演算を簡易的に行なうことも可能である。そして、この圧力差ＰT −ＰC をゼロとみなした場合、センサ３４による上記ガス圧ＰC の検出も不要になる。
【００３５】
なお、炭酸飲料でない他種の飲料の充填に適用する回転式飲料充填機においては、主液タンク１６として密閉構造でないものが使用される。そして、このような充填機においては、充填時に容器内のガスが大気に放出されるので、上記ガスチャンバ１２が不要になる。もちろん、本発明は、このような充填機にも適用可能であり、その場合、前記（１）式の（ＰT −ＰC ）／γが（大気圧／γ）に置き換えられる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、主液管に介在させた流量調整弁と、最初に供給された容器への飲料の充填が完了する運転開始過渡期間に充填弁を流れる飲料の流量、および最後に供給された容器への飲料の充填が完了する運転終了過渡期間に充填弁を流れる飲料の流量が、それぞれ定常運転期間に充填弁を流れる飲料の流量に等しくなるように流量制御弁の開度を制御する弁制御手段と、を備えているので、運転開始過渡期間および運転終了過渡期間においても、定常運転時と同様の量の飲料を容器に充填することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回転式液体充填機の実施形態を示した概念図。
【図２】弁制御部で実行される弁制御手順を例示したフローチャート。
【図３】式中の定数を求めるための説明図。
【図４】主液管における飲料の流量変化を例示したグラフ。
【図５】充填弁における飲料の流量変化を例示したグラフ。
【図６】充填過渡期間と定常運転期間における飲料充填量の相違を示すしめ」充填価値お十手ブラッシローラを用いた従来の物品排出装置の要部平面図。
【符号の説明】
１１  液チャンバ
１２  ガスチャンバ
１３  給液管
１４  充填弁
１５  飲料
１６  主液タンク
１７  主液管
１８  電磁流量制御弁
１９  ガス管
２０〜２２  電磁開閉弁
２７  液面高さセンサ
２８，３４  圧力センサ
３０  液面・ガス圧力制御部
３１  容器
３２  カウンタ管路
３３  弁制御部
３５  流量計
【図１】
0004384781.tif 000007
【図２】
0004384781.tif 000008
【図３】
0004384781.tif 000009
【図４】
0004384781.tif 000010
【図５】
0004384781.tif 000011
【図６】
0004384781.tif 000012