액체용 충전 포장기계_액체용 충전기

[원텍지기]

1. 액체용 충전기

(1) 액체용 충전기의 구조

액체용 충전기는 구조 형태에 따라서 2가지로 나누며 라인식(직렬식) 충전기와 로터리식(회전식)

충전기로 구분됩니다.

직렬식은 용기를 하나 또는 몇 개식 정지시 키고 위쪽에서 주입 노즐을 하강시켜 충전하는 구조상

저속 운전용으로 소형이고 소량을 충전할 때 편리합니다.

소형 액체용 충전기의 기본적인 3요소는 액체 저장용 탱크, 그 아래 수직으로 설치된 다수의 충전

밸브 그리고 충전밸브 바로 밑에 위치하는 용기 받침대로 구성되고 통상, 직선으로 컨베이어가

연속해서 이송하는 용기에 대해서, 충전 헤드가 수평.수직방향으로 왕복운동을 하면서 따라서

충전하는 타입의 기계가 라인식(직렬식) 충전기입니다.

컨베이어 위를 직선으로 이송되는 용기의 상부에 충전 헤드를 탑재하고, 흘러가는 용기에 충전을

합니다. 비교적 저속 충전라인에 적합합니다. 형의 교체가 쉽고 다품종 겸용화가 쉽습니다.

그림6-1 은 라인식 충전기의 예입니다.

용기를 일정 속도로 연속적으로 이송하는 경우에는, 충전 헤드로 이것에 맞춰서 따라가므로

수평이동을 하면서, 그 추종 구간에서 용기에 충전을 합니다.

충전 헤드에 부착되어 있는 4~8개의 충전 밸브가 열려 충전을 완료하면, 충전 헤드는

다음 충전을 위해 위로 상승해 그 높이를 유지하면서 원래의 위치로 수평이동을 해

돌아갑니다.

용기를 간헐적으로 이송하는 경우에는, 용기의 이송이 정지되어 있는 시간이 있으므로,

그 정지 시간 동안에 충전 헤드가 수직으로 하강해 충전을 합니다.

충전 헤드는 수평 왕복 이동을 할 필요가 없고, 용기의 간헐적인 동작 중에 정지되었을

때에 맞춰서 수직(상하)방향으로 이동을 합니다.

용기의 이송을 연속적으로 하던지, 간헐적으로 할지를 결정하는 데에는, 전후에 설치한

세정기나 캡핑기를 포함해 함께 고려를 하지 않으면 안 됩니다.

어떠한 시스템이 좋은지는 말 할 수 없지만, 충전 공정에 달려있는 캡핑 공정이 간헐

작동을 해도, 충전 공정에서는 충전 헤드를 왕복 이동시켜 연속 동작으로 하고, 충전

시간을 길게 확보하는 경우가 많습니다. 라인을 구성하기 위해서는 각각의 기계 장치가

효율적으로 가동할 수 있도록 라인에 함께 설치하고 연속.간헐적인 작업의 밸런스를

잘 맞출 필요가 있습니다.

일반적으로 사용되는 고속운전용은 대형의 로터리식(회전식) 충전기입니다.

컨베이어 위를 지나가는 용기를 신속하게 방향을 전환하여 충전부로 옮기고 충전이

끝난 용기를 다시 신속하게 방향을 전환하여 컨베이어로 배출하는 장치가 있고

최고속도는 1,000BPM(bottle/minute)이상 1,200BPM의 로터리식 충전기도

독일 미국 등 선진국의 고속 충전기도 출현하고 있습니다.

회전체에 충전 밸브나 보틀 이송 기구를 탑재하고, 회전하면서 연속적으로 충전.

이송하는 타입의 충전 장치이며, 매우 일반적인 충전기입니다.

연속적인 동작이므로 고속 안전성이 우수하고, 충전효율도 높습니다.

따라서 중속에서 고속의 대형 충전 라인에 적합하고 널리 사용되고 있습니다.

일반적으로는 100BPM이상의 영역에서 사용되며, 그림6-2 은 맥주 충전라인으로

로터리식 충전기의 예입니다.

로터리 테이블이라고 하는 주회전체는 하부에 회전하는 다이 베어링이 장착되어 있으며,

중간부에 병이 적재되는 다이가 있고, 그 바로 위에 충전 밸브가 설치되어 있습니다.

또한 상부에는 제품 내용물을 저장하는 충전 저장조가 설치되어 있는 것이 일반적이지만,

충전기의 기종에 따라서는 충전 저장조를 탑재하지 않고 별도로 설치된 급액 탱크를

갖는 기종도 있습니다.

일반적으로 낙차식 (gravity식) 충전기는 병 내에서의 액 수준이 평형을 이루어 충전이

완료되므로, 충전 저장조가 반드시 있어야 하지만, 중량식(weight식) 충전기 등

계량기능을 갖는 기계는 헤드 탱크식도 별도로 설치된 가압 탱크식으로도 구성이

가능합니다.

한편 회전하는 기계이므로, 고정측으로부터 회전체 쪽으로 유틸리티를 전달할 필요가

있으며, 기계 상부와 하부에 각각의 로터리 조인트가 필요합니다.

(2) 액체용 충전기의 충전방식

액체 충전기는 그 충전방식(계량방식) 에 따라 정수위식 충전방식 (Fixed Level Filling)과

정량식 충전방식 (Fixed Volume Filling) 이 있습니다.

1) 정수위식 충전방식 (Fixed Level Filling)

충전하는 액체의 높이를 일정하게 하는 방식으로 병의 모양이 일정하지 않거나 부정확한

병인 경우에는 이 방법을 쓸 수 없으며 낙차식(중력방식), 탱크진공방식, 노즐진공방식,

압입방식, 액면 감지방식, 압력 계량방식 등이 있습니다.

① 낙차식(중력방식)

일반적으로 저점도 액체에 이용되고 탱크 내에 보관된 액체는 낙차에 의해 충전밸브를

통해 용기 내로 낙하하며 용기 내의 공기는 배기 파이프를 통해 탱크 내의 공간부로 배기됩니다.

용기 내로 충전되는 액면수위가 상승해서 배기구를 폐쇄하면 헤드 부분의 잔류공기에 걸리는

압력과 제품의 낙하 압력이 평형이 되어 충전이 정지됩니다.

용기가 유리병인 경우, 충전 후의 액면의 높이가 일정하도록 액면 규제(정수위)식의 충전밸브를

탑재한 낙차식의 충전기를 사용하는 경우가 많습니다.

여기에서는 대표적인 예로서 청주의 소형병용 범용 충전라인으로 가동되고 있는 충전기에

대해서 소개하기로 합니다. 그림 6-3 은 가동 중인 낙차식 충전기입니다.

이 충전기의 특징은 로터리형의 충전기이면서 다품종 소로트 생산에 적합한 겸용성에

중점을 두고, 자동형교체 기구를 다수 탑재하고 있는 점입니다.

이 기계의 각 부의 주요한 특징은 다음과 같습니다.

a. 이송 기구

이송 기구는 일반적으로 인피드 스크류 (in feed screw), 투입 스타 휠(star wheel),

로터리 테이블, 배출 스타 휠 (star wheel)로 구성되어 있지만, 이 라인에는 가변식 로터리

스토퍼 휠 (rotary stoper wheel) 및 플랙시블 보틀 핸들링 (flexible bottle handing)

타입의 겸용 그립 휠 (grip wheel)을 사용하고 있습니다.

그림6-4 는 일반적인 투입 스크류 유니트 (in feed screw unit)를 나타낸 것입니다.

이것은 나사상으로 된 부속 장치로 컨베이어에서 공급되는 보틀을 보틀 피치에서

서서히 기계 이송 피치로 넓혀서 투입 스타 휠에 넣어 주는 기구입니다.

스크류는 고속에서도 안정한 이송이 가능하지만, 보틀의 직경에 맞춘 전용 부속이

필요하므로, 대상의 종류가 많은 충전 라인에서는, 가변식 로터리 스토퍼 휠을 활용

하는 경우가 많습니다. 로터리 스토퍼 휠에도, 고정식과 가변식이 있지만, 전자는 각이진

사각 보틀 등의 스크류에 보다도 스토퍼 휠 쪽에서 핸들링이 쉬운 대상물에 사용하고,

후자는 겸용성이 높은 것을 목적으로 채용하는 것이 일반적입니다.

그 다음에 보틀은 투입 스타 휠로 공급되지만, 이것에 대해서도 겸용성이 요구되는

경우에는 겸용형 그립 호일기구를 이용하는 경우도 많습니다.

b. 보틀 피더 (bottle feeder) 기구

로터리 테이블 내로 투입된 보틀은 보틀 리프터 (bottle lifer)로 옮겨져,

보틀 그리퍼(bottle gripper) 등에 의해서 중심으로 이동됩니다. 그 후, 리프터가

캠에 의해서 상승하고 보틀이 충전밸브를 눌러 충전이 개시됩니다.

No bottle-No fill 방식으로 하기위해 보틀 리프터에 잠금 교체시스템을 구비한

타입도 있습니다. 그림6-6

c. 자동 빈공간 조정식 충전 밸브

정수위 조절용 낙차식 충전 밸브는 충전 높이를 조정하므로, 병 구부 팩킹을 기구를

사용하는 것이 일반적입니다. 이것에 대해, 충전 탱크의 높이를 자동으로 조절하는

것에 의해서 빈공간의 높이를 조정할 수 있는 자동 빈공간 조정식 충전 밸브도 있습니다.

그림 6-7

d. CIP 컵 자동 탈착 시스템

충전만이 아니라, 세정 작업의 효율화를 위해 CIP (Clean In Place) 컵의 탈착을

자동화한 것을 그림 6-8 에 나타내었습니다.

CIP 컵의 자동 탈착 시스템은 충전기의 구조에 따라서 몇 가지 종류가 사용되고 있습니다.

이 그림에 나타낸 것은 낙차식 충전기에 많이 이용되고 있는 타입이지만, 이것 이외에도

수평으로 스윙하는 타입도 사용되고 있습니다.

② 탱크진공방식

탱크진공방식도 저점도용이며 탱크는 기밀이 유지되어 있어 내부가 저 진공도 (100mmHg 정도)

로 유지됩니다.

충전밸브의 형식은 중력 방식과 동일하며 병 입구가 패킹으로 압착.접합되어, 밸브의 액(液)출구가

열림과 동시에 배기 파이프를 통해서 병 내부도 진공이 됩니다.

액은 낙차에 의해 병안으로 낙하하고 액면이 상승해서 배기구를 닫으면 액의 주입이 정지됩니다.

이 방식의 특징은 병이 파손된 경우나 입구에 손상이 있을 경우에는 병의 내부가 진공상태가

유지되지 않으므로 자동적으로 충전이 중지됩니다.

③ 노즐진공방식

노즐진공방식은 중점도용으로 이 방식에서는 탱크 내부가 상압(常壓)이 고배기(高配氣) 파이프의

상단을 진공펌프로 연결해서 용기내부를 진공상태로 만든 다음 액체는 탱크 내의 대기압과 용기의

진공 압 차이에 의해 강제적으로 주입됩니다.

④ 압입(壓入) 방식

제품공급 탱크를 높은 곳에 설치하여 그 낙하 압을 이용 한다거나 압송펌프에 의해

강제적으로 액체를 송출하는 방법이 고점도 액체용으로 사용되고 있습니다.

이 방식은 헤드탱크가 필요 없이 각 충전 밸브의 중앙 분배기로부터 호스를 이용해

액체가 보내집니다. 노즐진공방식과 같이 배기구 입구에 액면이 도달되면 배기 파이프

내로 액이 유입 되므로 넘치는 양을 회수하는 연구가 필요합니다.

⑤ 액면(液面) 감지방식

약한 바람을 이용하여 액면의 상승을 감지하면서 일정수위에 도달하면 충전을

정지하는 방식입니다. 주입파이프와 나란히 약한 바람을 불어주는 파이프가 있어서

액면이 상승하여 접근하면 역압(逆壓)에 의해 작은 압력의 변동이 생기고 주입 밸브를

개폐합니다. 이 방식은 병의 주둥이가 개방된 상태에서 충전하므로 플라스틱 용기 충전에

적합합니다. 정밀도는 다른 정수위 충전방식보다 떨어지지만 큰 문제는 아닙니다.

⑥ 압력계량방식

이 방식의 밸브는 탄산함유 음료의 충전에 사용됩니다.

맥주, 사이다, 콜라 등의 음료는 2~4배의 탄산가스를 함유하고 있어 진동충격이나 용기속의

작은 이물질에도 거품이 발생하므로 2~6℃의 저온에서 충전합니다.

밸브 헤드와 탱크도 고압에 견딜 수 있는 구조로 되어 있습니다.

충전밸브의 구조는 다음과 같이 압력이 걸리지 않는 액체충전 밸브와 비교하여 볼 때 매우

복잡합니다. 우선 압력이 걸리기 때문에 병의 주둥이가 패킹에 의해 밀폐되고 배기구가

개방되면 탱크내부와 병의 내부가 연결되어 같은 압력이 되므로 급액밸브도 스프링 압력에

의해 열리고 낙차방식에 의하여 액체는 병속으로 충전 됩니다.

액면이 상승하여 배기구까지 도달하면 액체의 유입은 정지되고 배기구 및 급액 밸브가

닫힙니다. 이어서 병 내부 상단에 남아있는 가스의 압력을 제거하기 위하여 밸브를

개방하는데 밸브의 직경이 매우 작기 때문에 감압이 서서히 일어나 급격한 감압에서

오는 거품의 발생을 방지합니다. 그리고 대기압이 되면 병 받침대가 하강하여 충전이

완료됩니다. 만일 충전 도중에 병이 파손되는 경우에는 자동으로 배기구와 급액밸브는

차단됩니다.