【技術資料】中型から大型容器への充填システム設計ガイドライン

充填システムの計量技術 迅速で正確な充填 Filling Guideline

目次

目次 はじめに . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 ガイドラインの目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 重量充填 vs. 容量充填 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 適切な充填方法の選択. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 正味重量充填機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 ロスインウェイト充填機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 総重量充填機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 まとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 充填機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 袋充填機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 袋の総重量充填 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 バケツ、ドラムおよび IBC 充填機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 バケツ、ドラムおよび IBC の総重量充填 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 大型袋充填機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 大型の袋の総重量充填 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 より過酷なアプリケーション . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 充填する材料が精度に与える影響 . . . . . . . . . . . . . . . . 21

速さ vs 精度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 スループットの向上 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 充填プロセスとその管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 充填プロセス. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 高速 & 高精度充填 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 スピル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 ジョグ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 コントロール. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 主な充填機構成部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 フィーダ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 ロードセンサ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 高分解能 MFR センサのスケール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 ひずみゲージセンサのスケール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 指示計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 A / D 変換とフィルタリングの重要性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 デジタル入出力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 制御システムまたはデータ処理用の接続性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 充填アプリケーション専用指示計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 最新 IND780 Q.iMPACT 充填コントローラ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 危険場所で使用する 計量機器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 米国の要件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 商業 / 法的要件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 EU の要件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4 METTLER TOLEDO Filling Guideline ©05 / 2014 目次

はじめに 重量による充填には、流量計やその他の装置による容量充填に比べて、精度、校正のしやすさ、統 計処理の簡単さやトレーサビリティなどの多くのメリットがあります。多種多様な材料が充填され、 それに応じてさまざまな充填機が使用されています。計量は材料や容器の特性に関係なく使用でき る 1 つの汎用技術です。 メトラー・トレドは 2 種類のセンサ技術に基づいた、世界的にも認められているさまざまな計量ソ リューションを揃えており、あらゆる充填要件の課題を満たすことができます。このガイドは現在 使用されているさまざまな技術と、その長所と短所について解説しています。お客様の充填技術と 可動パフォーマンスの向上にお役立ていただければ幸いです。 METTLER TOLEDO Filling Guideline 5 ©05 / 2014

ガイドラインの目的 このガイダンスは、充填機の購入を計画されているエンドユーザーおよび機械メーカーの方々を対 象として、現在の充填装置を評価し、代替ソリューションのご検討に役立てていただけるよう構成 されています。 エンドユーザーの方々には、このガイドラインはより一般的な充填専門用語と技術やそれぞれのメ リットとデメリットの概要をご提供するものとなります。購入前に十分な情報と知識を得ることで、 候補となるベンダーとの打ち合わせや、見積もり時に専門的な要求を出す際にも役に立ちます。 機械メーカーの方々は、充填機の計量の性能を最適化するための役に立つ情報を得ることができま す。また、充填性能に影響を与える速度と精度および他の要因の間の関係についての知識を深める こともできます。 6 METTLER TOLEDO Filling Guideline ©05 / 2014 ガイドラインの目的

重量充填 vs. 容量充填 ほとんどのバッチおよび連続工程の製造作業は何らかの種類の充填作業で終わります。この作業は 社内で材料を保管、転送するなどして行われる場合もありますが、より一般的には製品の販売前に 行われます。容器を販売する時には、容器は正味量の許容可能な範囲を管理する厳格な規定を満た していなければなりません。 そのため、無駄を最小限に抑えながら、法律で定められた通りに容器に充填するシステムが必要と なります。このバランスを達成するため、システムは製造環境で予測される変動を考慮した上で、 正確で頑丈である必要があります。 図 1. 標準的な液体充填アプリケーション 図 2. IBC 充填アプリケーション METTLER TOLEDO Filling Guideline 7 ©05 / 2014

充填機は容量または重量による方法を使って、充填量を制御します。容量充填機は、粘度、密度お よび気泡など、材料の特性の変化に伴う多くの問題の影響を受けます。重量による方法では、はか りを使って充填材料を計量し、次のようなメリットがあります。 1. 計量操作は、材料または容器の特性による影響を受けません。 2. 容量充填機を劣化させる可能性のある腐食性材料を含む製品の充填に使用できます。 3. 容 量充填よりも正確でより小さい許容範囲で制御可能なため、正確な充填計量が保証され、過充 填が最小限に抑えられます。 4. あ らゆる充填が計量されるため、100 % の統計処理制御やトレーサビリティにすぐに情報を利用 できます。 5. 個 々のパッケージや生産ロットが正味含有量の法的基準を満たしているかどうかを判断する唯一 の方法です。 6. 最 後に、現場で検査分銅を使用して、計量機器を校正および確認することができ、機器を送付して、 費用のかかる校正を行う必要がありません。 このガイドラインでは、中規模から大規模の充填アプリケーションおよびさまざまな充填状況に計 量技術を適用する方法に重点を置いています。また、常に迅速で正確な充填を実現するために実行 しなければならない手順についても、アドバイスをご紹介します。 8 METTLER TOLEDO Filling Guideline ©05 / 2014 重量充填 vs. 容量充填

適切な充填方法の選択 充填機は、正味重量、ロスインウェイト（ LiW）または総重量充填機に分類できます。それぞれに長 所と短所があり、選択する前に検討が必要です。それぞれの方法の簡単な説明と概要表を以下に示 します。 正味重量充填機 図 3 に示した正味重量充填方法では、材料は最初に専用のはかりで計量され、次に容器に送り出さ れます。「正味」充填重量は容器に関係なく測定されるため、この名前が付いています。この方法の メリットの 1 つは速度です。計量と容器の取り扱いを同時に実行できます。 正味重量充填機は通常、流動性のある固体で使用されます。固体が損失なく自由に容器に流れ込む 必要があるからです。 同じ機械でさまざまなサイズの容器に充填すると想定した場合、正味重量充填機は 1 回の注入で最 大容器を充填できるようにサイズを設定できます。または、最小充填重量と最大充填重量の間のど こかにサイズを設定し、2 回以上操作して、より大きな容器を充填できます。例えば、はかりは 1 回の注入で 5 kg～ 10 kg 容器を充填し、2 回の注入で 20 kg の容器を充填できるようにサイズを 設定できます。 ロスインウェイト充填機 図 4 に示したロスインウェイト充填機は、材料が 専用の容器付きはかりに保持され、未計量の容器に インレット 大量貯蔵 パイプ スケール ロード センサ センサ ロードセンサ サポート スケール 充填ノズル 容器 容器 図 3. 正味重量充填機、赤色の部分が「 実際の重量」 図 4. ロスインウェイト充填機、赤色の部分が「実際の重量」 METTLER TOLEDO Filling Guideline 9 ©05 / 2014

送り込まれる正味重量充填機と似ています。ただし、容器は通常、複数の容器を充填するのに十分 な材料を保持し、正味充填重量は容器の「 ロスインウェイト」（減量）を観察することによって決ま るため、この名前が付いています。LiW スケールは次の充填を完了するための材料が不足すると定 期的に再充填されます。 この方法は、液体または固体に使用できます。この方法は、タンクスケールでのバッチ計量 / 混合 操作の直後など、材料がすでにスケール内に保持されている場合によく使用されます。そのスケー ルは次にその後の貯蔵または出荷のために LiW モードで複数の容器を充填するために使用されます。 パイプが接続されている場合、精度に影響を与えます（参考文献 1 を参照 ）。また、スケール容量は 充填された容器の重量ではなく、合計バッチ重量に基づいて選択する必要があるため、精度は制限 されます。たとえば、スケールが 5 トンのバッチを保持していた場合、各 1 kg の 5,000 個の缶に 充填するのではなく、5 個の IBC に充填するのが非常に適切です。 総重量充填機 図 5 に示した総重量充填方法では、充填する容器はロードレシーバで、これがスケールに載せられ、 総重量に達するまで充填されるので、この名前が付いています。容器が比較的軽量であるか、また は一定の重量の場合は、個別の容器の重量を考慮しなくても総重量まで充填できます。しかし、ま ず実際の容器の重量を確定して「 風袋」を差し引き、次に正味重量まで充填を進めるのが一般的です。 これはより精度の高い方法で、下記のまとめの項でもそのように記述されています。 総重量充填は、液体または固体に使用できます。重量は容器内で直接測定され、材料が実際の重量 で容器に充填されることが最適に保証されます。例えば重要なアプリケーションの場合、容器のバー コードが読み取られ、容器の実際の風袋および正味充填重量と共に記録されて、最適な品質が保証 され、トレーサビリティが確保されます。 充填ノズル 容器 スケール 図 5. 総重量充填機、赤色の部品が「実際の重量 」 10 METTLER TOLEDO Filling Guideline ©05 / 2014 適切な充填方法の選択

まとめ 上述の 3 つの方法のメリットとデメリットを次の表にまとめました。 パラメータ 充填方法 正味重量 ロスインウェイト 総重量 * 風袋重量を除く正味重量 はい はい いいえ、スケール上で差 が計量される し引いて計量 容器が実際に充填された いいえ いいえ はい、トレーサビリティ ことを保証 および QA の観点から最 適な方法 汚染のリスク 高い、機器の余分な部 低い 低い 分を含む 精度がスピル **により影 はい いいえ はい 響を受ける 全体的な精度 最適、スケール容量は 低い、スケール容 最適、スケール容量は充 充填重量により測定 量が充填重量より 填重量により計量 大きい 材料の適性 流動性のある固体 液体および固体 液体および固体 速度 最速、計量と容器の取 遅い、容器の取り 遅い、風袋の計量と充填 り扱いを並行して実施 扱いと充填操作を 操作を順番に実施 順番に実施 ストレージの再充填中は いいえ はい いいえ 充填の一時停止が必要 * 充填を開始する前に、風袋引きされていることを前提としています。** スピルについては後項で説明しています。 表 1: ニーズに合った適切な方法の選択 METTLER TOLEDO Filling Guideline 11 ©05 / 2014