Thiết kế, chế tạo thiết bị chiết rót và đóng nắp tạo áp âm lọ nước yến sanest cho trẻ em

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Thiết kế, chế tạo thiết bị chiết rót và đóng nắp tạo áp âm lọ nước yến Sanest cho trẻ em” là công trình nghiên cứu của cá nhân tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

PHAN THANH HUY

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP TẠO ÁP ÂM LỌ NƯỚC YẾN SANEST

CHO TRẺ EM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÕA – 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

PHAN THANH HUY

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP TẠO ÁP ÂM LỌ NƯỚC YẾN SANEST

CHO TRẺ EM LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Thiết kế, chế tạo thiết bị chiết rót và

đóng nắp tạo áp âm lọ nước yến Sanest cho trẻ em” là công trình nghiên cứu của cá

nhân tôi và chƣa đƣợc công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này

Khánh Hòa, ngày 25 tháng 01 năm 2018

Học viên

Phan Thanh Huy

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý phòng ban trường Đại học Nha Trang đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi được hoàn thành đề tài Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Văn Tường đã giúp tôi hoàn thành tốt đề tài Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và tất cả bạn bè đã giúp

đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Khánh Hòa, ngày 25 tháng 01 năm 2018

Học viên

Phan Thanh Huy

MỤC LỤC

Lời cam đoan iii

Lời cảm ơn iv

Mục lục v

Danh mục ký hiệu vi

Danh mục chữ viết tắt viii

Danh mục bảng ix

Danh mục hình ix

Trích yếu luận văn xiii

Lời nói đầu xiv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Mở đầu 1

1.2 Hệ thống chiết rót và đóng gói lọ thủy tinh 2

1.2.1 Tổng quan về hệ thống chiết rót 2

1.2.1.1 Hệ thống chiết rót định lượng dùng bơm bánh răng 4

1.2.1.2 Hệ thống chiết rót định mức dùng bộ đo lưu lượng 5

1.2.1.3 Hệ thống chiết rót kín - định mức - trọng lực 5

1.2.1.4 Hệ thống chiết rót vòi chiết lưu lượng 6

1.2.1.5 Hệ thống chiết rót định lượng pít-tông 7

1.2.2 Các phương pháp đóng nắp lọ thủy tinh 8

1.2.3 Đóng nắp chân không và lợi ích 11

1.2.4 Ngành chế tạo máy đóng gói chiết rót trên thế giới 12

1.3 Hướng nghiên cứu của để tài 13

1.3.1 Lý do chọn đề tài 13

1.3.2 Các nghiên cứu về sản phẩm áp chân không và hướng thực hiện đề tài 15

1.3.2.1 Bằng sáng chế US2630957 của J.Hohl Etal 15

1.3.2.2 Sáng chế US2889674 của Clarence L Hamilton và các cộng sự 17

1.3.2.3 Bằng sáng chế US3220153 của James B Cormack 18

1.3.3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu 20

1.3.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 20

1.3.3.2 Nội dung nghiên cứu 20

1.3.3.3 Phương pháp nghiên cứu 21

1.3.3.4 Giới hạn nghiên cứu 21

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP ÁP

TẠO ÁP ÂM 22

2.1 Xác định yêu cầu kỹ thuật thiết bị 22

2.2 Thiết kế thiết bị 23

2.2.1 Sơ đồ khối 23

2.2.2 Phương án thiết kế 24

2.2.2.1 Phương án thiết kế 1 - buồng hơi nóng 28

2.2.2.2 Phương án thiết kế 2 - phun hơi trực tiếp 30

2.2.3 Thiết kế chi tiết các cụm thiết bị chiết rót và đóng nắp áp âm 31

2.2.3.1 Băng tải, khung máy và mâm sao cấp lọ 31

2.2.3.2 Cụm chiết rót 39

2.2.3.3 Cụm cấp nắp 42

2.2.3.4 Cụm vặn nắp 46

2.3 Chế tạo thiết bị 51

CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA THIẾT BỊ CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP TẠO ÁP ÂM 55

3.1 Mở đầu 56

3.1 Phương án hơi nóng tạo áp âm và kết quả thực nghiệm 57

3.1.1 Phương án 1 hộp hơi nóng 57

3.1.2 Phương án 2 phun hơi trực tiếp 60

3.2 Bài toán quy hoạch thực nghiệm áp âm 61

3.3 Bài toán quy hoạch thực nghiệm cấp nắp 66

Kết luận và đề xuất 70

Danh mục tài liệu tham khảo 71

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CVC : Composite Vacuum Cap (Nắp nhựa dùng sản phẩm chân không) PLC : Programmable Logic Controller (Thiết bị điều khiển lập trình logic) HDPE: High-density polyethylene (Nhựa dẻo mật độ cao)

PA : Phương án

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh thời gian sử dụng giữa các hình thức bảo quản 12

Bảng 2.1 So sánh thông số kỹ thuật các thiết bị chiết rót và đóng nắp 28

Bảng 3.1 Kết quả chạy thử nghiệm phương án 1 59

Bảng 3.2 Kết quả chạy thử nghiệm phương án 2 61

Bảng 3.3 Giá trị yếu tố đầu vào phương án 2 62

Bảng 3.4 Bảng kế hoạch thực nghiệm phương án 2 63

Bảng 3.5 Giá trị bước chuyển động phương án 2 64

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm phương trình hồi quy áp âm 64

Bảng 3.7 Kết quả áp âm sau khi cài đặt thông số tối ưu 65

Bảng 3.8 Kết quả chạy thử nghiệm cấp nắp 67

Bảng 3.9 Bảng thực nghiệm thông số cấp nắp 67

Bảng 3.10 Bảng tương quan giữa giá trị thực và biến mã hóa cấp nắp 67

Bảng 3.11 Bảng kế hoạch thực nghiệm cấp nắp 68

Bảng 3.12 Kết quả thí nghiệm cuối cùng với thông số tối ưu 69

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Phương pháp chiết Osborner 2

Hình 1.2 Hệ thống chiết rót sử dụng bơm bánh rang 4

Hình 1.3 Hệ thống chiết rót kín - định mức 5

Hình 1.4 Hệ thống chiết rót kín - định mức - trọng lực 6

Hình 1.5 Nguyên lý chiết điều chỉnh lưu lượng ngõ ra kết hợp trọng lực 6

Hình 1.6 Quá trình nạp và xã dịch chiết 7

Hình 1.7 Hệ thống chiết rót kín - định mức - trọng lực 8

Hình 1.8 Kiểu làm kín lọ thủy tinh phổ biến 9

Hình 1.9 Một số kiểu dáng nắp phổ biến 10

Hình 1.10 Nắp composite closures của hãng Crown 10

Hình 1.11 Trạng thái của nút an toàn 11

Hình 1.12 Máy Crow Clousure Series 4B dành cho nắp vặn chân không 13

Hình 1.13 Lọ thủy tinh vặn ren 62 ml 14

Hình 1.14 Bảo vệ hai tầng của nắp CVC 14

Hình 1.15 Chi tiết làm kín của nắp CVC 14

Hình 1.16 Bố cục thiết bị trong PT US2630957 16

Hình 1.17 Mặt cắt thể hiện quá trình đóng nắp PT US2630957 16

Hình 1.18 Quy trình lọ di chuyển PT US2889674 17

Hình 1.19 Vị trí công tác từng bộ phận PT US2889674 18

Hình 1.20 Sơ đồ hoạt động thiết bị sáng chế PT US3220153 19

Hình 2.1 Sơ đồ khối của thiết bị chiết rót và đóng năp tạo áp âm 23

Hình 2.2 Bố trí thiết bị chiết rót đóng nắp dạng thẳng 24

Hình 2.3 Bố trí thiết bị chiết rót đóng nắp dạng xoay 25

Hình 2.4 Máy vặn nắp CCM – Series 4B – Crown 26

Hình 2.5 Máy chiết piston hãng Volumetric Technologies 27

Hình 2.6 Máy chiết và vặn nắp hãng Volumetric Technologies 27

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị sử dụng buồng hơi 29

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý thiết bị sử dụng phun hơi trực tiếp 30

Hình 2.9 Sơ đồ kết cấu sơ bộ của thiết bị 31

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý băng tải 32

Hình 2.11 Khung sàn thiết bị 33

Hình 2.12 Phân lỗ mâm sao 33

Hình 2.13 Chu trình thời gian sản xuất 1 lọ 34

Hình 2.14 Sơ đồ tính toán trục và ổ bi mâm sao chuyển lọ 35

Hình 2.15 Sơ đồ lực và biểu đồ momen tính toán trục mâm sao 36

Hình 2.16 Kết cục trục xoay mâm sao 37

Hình 2.17 Kết cấu cụm mâm sao chuyển lọ 38

Hình 2.18 Sơ đồ kết cấu cụm chiết rót 39

Hình 2.19 Sơ đồ kết cấu van cầu 3 ngã 39

Hình 2.20 Lắp van 3 ngã và bộ điều khiển khí nén 40

Hình 2.21 Trạng thái hoạt động van 3 ngã 40

Hình 2.22 Kết cấu ống định lượng dịch chiết 41

Hình 2.23 Nguyên lý cấp nắp 42

Hình 2.24 Sơ đồ lực và biểu đồ momen tính toán trục mâm sao cấp nắp 43

Hình 2.25 Kết cấu trục xoay mâm sao cấp nắp 44

Hình 2.26 Kết cấu cụm mâm sao trộn nắp 46

Hình 2.27 Kết cấu cụm vặn nắp 46

Hình 2.28 Sơ đồ lực vặn nắp 47

Hình 2.29 Thiết kế sơ bộ đĩa nam châm 48

Hình 2.30 Từ trường tạo ra giữa hai đĩa nam châm 49

Hình 2.31 Đồ thị mối quan hệ lực đẩy và khoảng cách nam châm trụ tròn 49

Hình 2.32 Kết cấu đầu vặn 50

Hình 2.33 Cờ lê lực 51

Hình 2.34 Cụm mâm sao cấp nắp 52

Hình 2.35 Đầu cấp nắp 53

Hình 2.36 Cụm đầu vặn 53

Hình 2.37 Ụ xoay động cơ cụm xoay mâm sao chuyển lọ 54

Hình 2.38 Tủ điện và khí nén 54

Hình 2.39 Thiết bị sau khi hoàn thành 55

Hình 3.1 Chu trình hoạt động thiết bị phương án 1 57

Hình 3.2 Vị trí buồng hơi nóng 58

Hình 3.3.Hoạt động của buồng hơi 58

Hình 3.4 Hoạt động phun hơi trực tiếp 60

Hình 3.5 Biểu đồ phụ thuộc các thông số ảnh hưởng và áp âm 66

Hình 3.6 Biểu đồ phụ thuộc các thông số ảnh hưởng và công suất cấp nắp 69

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Chủ đề nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị chiết rót

và đóng nắp tạo áp âm lọ nước yến Sanest cho trẻ em

Với mục tiêu nghiên cứu của đề tài là thiết bị chiết rót và đóng nắp tạo áp âm trong sản phẩm nước yến Sanest cho trẻ em

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng:

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu các phương pháp tạo áp âm trong lọ thủy tinh, xây dựng yêu cầu kỹ thuật thiết bị từ các yêu cầu đầu vào cơ bản, tham khảo một số thiết bị trên thị trường, tính toán các thông số động học và xây dựng kết cấu thiết bị dựa trên các phần mềm hỗ trợ

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: chế tạo lắp ráp từng cụm chi tiết của thiết

bị dựa trên trang thiết bị hiện có của Công ty, vận hành thử nghiệm và xác định một số thông số tối ưu để cài đặt thiết bị

Kết quả nghiên cứu đã đạt được của luận văn là thiết kế và chế tạo thiết bị chiết rót, đóng nắp tạo áp âm trong lọ nước yến cho trẻ em bằng nguyên lý hơi nóng Hiện thiết bị đang hoạt động ổn định với công suất 1500 sản phẩm trên giờ tại công ty Sanest Khánh Hòa Qua quá trình thiết bị hoạt động, cần nhiều cải tiến để hoàn công thiết bị như: tối ưu hóa lực vặn nắp qua khe hở nam châm, thiết kế cơ cấu cam con lăn giúp tăng công suất thiết bị và chiết rót đóng nắp với nhiều đầu chiết hoặc đầu vặn

Từ khóa: Máy vặn nắp chân không, Đóng nắp composite, Máy chiết xoay, Ngưng tụ hơi bảo hòa

LỜI NÓI ĐẦU

Ở nước ta, nền công nghiệp nói chung hay ngành kỹ thuật chế tạo nói riêng đang từng bước phát triển nhưng còn thiếu nhiều yếu tố để có thể tiếp cận với các nước trên thế giới Phần lớn máy móc, thiết bị phục vụ các ngành công nghiệp, y tế hay các ngành đòi hỏi độ chính xác và mang tính công nghệ cao đều được nhập khẩu Đó chính là trở ngại lớn để các doanh nghiệp nội địa không thể cạnh tranh với các đơn vị nước ngoài.Trong số đó, ngành công nghiệp nước giải khát, ngành có tốc độ tăng trưởng 5-7% trong những năm gần đây, là một ví dụ

Ngành công nghiệp nước giải khát là ngành sinh lợi nhuận cao Bên cạnh nước giải khát có gas truyền thống, những năm gần đây thị trường dần có dấu hiệu chuyển sang nước giải khát đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng cao của người tiêu dùng Đây cũng chính là hướng phát triển của công ty Trách nhiệm hữu hạn một thành viên Nước giải khát Sanest Khánh hòa (TNHH MTV NGK Sanest Khánh Hòa)

Công ty đã và đang nghiên cứu sản phẩm mới dành cho trẻ em, vì vậy cần thiết bị chiết rót và đóng nắp cho sản phẩm mới, phục vụ tìm hiểu các thông số cụ thể qua quy trình sản xuất thử để tiến hành đặt hàng chế tạo với công suất yêu cầu Thiết bị được nghiên cứu cũng phải có khả năng đáp ứng nhu cầu thị trường trong thời gian đầu của sản phẩm

Đề tài “Thiết kế - chế tạo và nghiên cứu thiết bị chiết rót đóng nắp tạo áp âm trong lọ nước yến Sanest cho trẻ em” gồm các nội dung chính sau:

Chương 1: Tổng quan Chương này giới thiệu một số phương pháp chiết rót và đóng nắp lọ thủy tinh, một số nghiên cứu và bằng sáng chế dùng làm tham khảo cho việc thiết kế máy của đề tài Ngoài ra, chương này còn trình bày nội dung nghiên cứu

và phương pháp nghiên cứu được thực hiện trong đề tài

Chương 2: Thiết kế và chế tạo thiết bị chiết rót và đóng nắp tạo áp âm Chương này trình bày các yêu cầu chung từ công ty để hình thành yêu cầu kỹ thuật cho thiết bị,

đề ra các phương án thiết kế sau khi thảm khảo các thiết bị trên thị trường, sau đó đi vào tính toán chi tiết các cụm chính và bố trí chúng trên một cùng thiết bị Bên cạnh

đó, chương này đề cập sơ bộ về quy trình chế tạo một số bộ phận quan trọng của thiết

bị

Chương 3: Xác định một số thông số tối ưu cho thiết bị Chương này trình bày cách thức bố trí và thực hiện thí nghiệm với từng phương án tạo áp âm, thu thập và phân tích số liệu để chọn được phương án cuối cùng Với phương án đã chọn, thực hiện bài toán tối ưu cho một vài thông số cần thiết để cài đặt cho thiết bị trong quá trình hoạt động

Kết luận và đề xuất

Lần đầu nghiên cứu còn nhiều thiếu sót nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình của

quý thầy cô, đặc biệt là thầy Nguyễn Văn Tường ở Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ

Khí, Trường Đại học Nha Trang giúp đỡ và chỉ dẫn tận tình để em hoàn thành tốt

nhiệm vụ của đề tài Nhờ đó mà em đã được làm quen, biết được những khó khăn của công việc nghiên cứu công nghệ và có được nhiều kinh nghiệm quý báu cho công việc sau này

Mặc dù, đã có nhiều nỗ lực và cố gắng trong việc thực hiện đề tài này nhưng với khả năng có hạn, kinh nghiệm còn hạn chế nên trong đề tài sẽ không tránh khỏi những sai sót Rất mong được sự chỉ bảo của quý thầy cô phản biện và quý thầy cô trong hội đồng

Học viên

Phan Thanh Huy

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Mở đầu

Nước giải khát từ lâu đã thành một phần quan trọng trong đời sống con người Nguồn gốc nhiều loại nước giải khát có thể không được chú ý bằng việc phạm vi sử dụng cũng như số lượng và chất lượng đang tăng lên mạnh mẽ trên toàn cầu trong vài thập niên trở lại đây Sự phát triển đó một phần là nhờ những tiến bộ trong ngành bao

bì cũng như ngành chiết rót và đóng gói sản phẩm Ngày nay, có rất nhiều loại nước giải khát khác nhau, chúng có thể được sử dụng tại nhà, tại nơi làm việc, trong thể thao hoặc các hoạt động vui chơi giải trí, và với nhiều kiểu dáng bao bì như vậy khách hàng

sẽ chọn được loại phù hợp nhất cho mỗi người Ngoài khả năng chứa đựng và bảo quản sản phẩm, ngày nay bao bì thân thiện với môi trường cũng được người tiêu dùng quan tâm rộng rãi Vì thế, bao bì thủy tinh đang là lựa chọn ưu tiên dùng để đóng gói các loại sản phẩm, vừa phù hợp các phương pháp bảo quản thực phẩm, vừa có thể được tái chế sau quá trình sử dụng

Trải qua lịch sử hình thành và phát triển lâu đời bắt nguồn từ phía Đông khu vực Địa Trung Hải khoảng 3000 năm trước Công nguyên, thủy tinh trở thành một trong những vật liệu đóng gói sớm nhất trên thế giới và được sản xuất theo dây chuyền cơ khí tại Mỹ vào những năm cuối thế kỷ 19 Bao bì thủy tinh thường được sản xuất theo dạng chai và lọ Chai thủy tinh có hình dáng cao và cổ rộng Lọ thủy tinh có chiều cao thấp hơn chai và lỗ rộng hơn Những ngày đầu, đóng nắp chai hoặc lọ thủy tinh bằng cách chèn nút làm kín miệng, nhưng về sau không còn phổ biến với những khuyết điểm làm kín sản phẩm bên trong, thay vào đó là dạng đóng nắp bằng ren với nắp có vòng đệm cao su, phương pháp có thể làm kín các sản phẩm có áp lực bên trong như khí carbonat, áp suất âm [1]

Bao bì thủy tinh được sử dụng rộng rãi cho các loại sản phẩm như: cà phê hòa tan, hỗn hợp khô trộn, thực phẩm trẻ em, sản phẩm từ bơ, các loại mứt đường, si-rô, rau quả, mù tạc và các loại gia vị [1]

Ngành bao bì đóng gói sản phẩm phát triển, kéo theo sự phát triển ngành chiết rót

để phù hợp với công suất đóng gói tạo ra sản phẩm chất lượng Ngày nay có rất nhiều các hướng phát triển, thiết bị có thể tích hợp cả chiết rót hoặc đóng gói hoặc hai quá trình này thực hiện độc lập với nhau, sau đó sẽ được lắp trên dây chuyền Có sự tương

tác nhất định giữa các thiết bị trên dây chuyền như công suất, sự ảnh hưởng của sai số chiết rót đến sai số đóng nắp Vì thế, khi tiến hành thiết kế chế tạo thiết bị cần tìm ra được bộ các thông số giữa hai quá trình này để tạo được dây chuyền hoạt động hiệu quả và ổn định nhất

Trong thời gian gần đây, việc ứng dụng khoa học công nghệ vào ngành nước giải khát đã đáp ứng được phần nào các nhu cầu về chất lượng cũng như số lượng cho người tiêu dùng Các sáng kiến trong ngành kỹ thuật chế tạo liên tục ra đời, đó chính là yếu tố tạo ra ưu thế cạnh tranh của các nước phát triển so với các nước đang phát triển trong ngành sản xuất nước giải khát Yếu tố này lý giải vì sao thị trường nước giải khát Việt Nam lâu nay vẫn được đánh giá là "miếng bánh" ngon so với nhiều thị trường các nước lân cận, thế nhưng, doanh nghiệp nội địa chỉ được một phần nhỏ (10%), trong khi phần lớn còn lại đều nằm trong tay của những công ty nước ngoài (90%), [2]

1.2 Hệ thống chiết rót và đóng gói lọ thủy tinh

1.2.1 Tổng quan về hệ thống chiết rót

Lựa chọn một hệ thống chiết rót thích hợp tùy thuộc phụ thuộc vào tính chất của sản phẩm và năng suất yêu cầu Chiết rót trọng lực, áp lực và chân không được sử dụng cho chất lỏng thực phẩm và được Osborne mô tả chi tiết vào năm 1980 [3] Trong một hộp chứa, chất lỏng được điền đầy cho đến khi di chuyển đến ống thông

hơi, được thiết lập để cung cấp đúng trọng lượng hoặc thể tích chất lỏng

Hình 1.1 Phương pháp chiết Osborner [1]

Chiết thể tích là phương pháp được sử dụng phổ biến dành cho chất lỏng, bột nhão, bột và thức ăn dạng hạt Đầu chiết có thể xếp thành hàng hoặc trên đường tròn 'carousel'

Trước đây, sản phẩm có khối lượng tương đối lớn được đổ vào thùng chứa và đóng kín, trong khi đó hệ thống thế hệ thứ hai thì được thêm công đoạn đóng gói trước khi niêm phong Cả hai hệ thống sử dụng hệ thống vi xử lý để kiểm soát tốc độ điền đầy (chiết) và trọng lượng Phần lớn số lượng máy chiết được sử dụng chiết nhanh để điền đầy 90% thể tích bao bì (chiết thô), sao đó được cân lại Nếu sản phẩm cần lần chiết thứ hai để bổ sung lượng còn thiếu (chiết tinh), bộ vi xử lý giám sát trọng lượng của chúng, để tạo ra một bảng thống kê về sự thay đổi trọng lượng và tiến hành chiết lượng còn lại

Độ chính xác chiết rót thông thường là ±1% thể tích chứa mà không tràn hoặc nhiễm bẩn Hệ thống chiết cũng đảm bảo không chiết khi không có vật chứa Cơ cấu giữ vật chứa dễ dàng thay đổi khi thay đổi kích thước hay hình dạng Ngoài hệ thống chiết năng suất thấp hoặc các sản phẩm khó (như hạt đậu), hệ thống chiết tự động đạt yêu cầu về tốc độ lên tới 1000 sản phẩm/phút khi sử dụng cơ cấu chiết xoay

Thường thì các sản phẩm được chiết không điền đầy vật chứa Khoảng không còn lại rất cần thiết để tạo thành chân không một phần (bảo vệ sản phẩm) Áp suất phần này sẽ giảm bên trong vật chứa trong quá trình xử lý và làm giảm quá trình oxy hóa khi bảo quản Vật chứa bằng thủy tinh (chai, lọ thủy tinh) hoặc lon kim loại (nhôm) nên có 6-10 % khoảng không thể tích chiết khi đóng gói tại nhiệt độ thường Khi chiết các sản phẩm dạng đặc hoặc nhão, khoảng chân không có thể bị ảnh hưởng bởi các khí lẫn trong các sản phẩm Điều này ít quan trọng hơn với các sản phẩm là chất lỏng pha loãng hoặc xi-rô, vì không khí có thể thoát ra trước khi đóng gói Sau quá trình chiết có thể bổ sung thêm các công đoạn sau vào sản phẩm để tăng chất lượng sản phẩm:

 Gia nhiệt các sản phẩm rắn đồng đều trong vật chứa

 Rút không khí trong vật chứa

 Cải thiện hương vị sản phẩm

 Cho thêm màu sắc hoặc mùi vị

Tỉ lệ các thành phần rắn hoặc lỏng trong sản phẩm được quy định bởi pháp luật hay tiêu chuẩn thương mại của nhiều quốc gia

Phương pháp chiết rót được xây dựng dựa trên độ nhớt của từng sản phẩm và yêu cầu kỹ thuật thiết bị từ khách hàng (độ chính xác, độ linh động mức chiết, hiệu suất tối đa ) Dựa trên các nguyên lý chiết cơ bản: chiết đẳng áp, chiết đẳng tích, chiết trọng lực, chiết định lượng ,chiết định mức; kết hợp tự động hóa hoặc bán tự động, chúng ta

có thể xây dựng hệ thống chiết rót phù hợp Sau đây là một vài hệ thống thiết bị chiết rót thường được sử dụng ngày nay

1.2.1.1 Hệ thống chiết rót định lượng dùng bơm bánh răng

Hệ thống chiết rót định lượng dùng bơm bánh răng sử dụng nguyên lý chiết áp suất với bơm bánh răng Theo nguyên lý này, người ta dùng áp suất được tạo ra từ một thiết bị để vận chuyển dòng chất lỏng đến vật chứa

Hệ thống bao gồm thùng chứa, bơm bánh răng vận chuyển dịch đến vòi chiết với

bộ điều khiển tùy chọn theo từng chức năng yêu cầu tự động hoặc thủ công, chiết nhanh hoặc chiết chậm

Hệ thống có ưu điểm giảm tối đa khả năng tạo bọt trong khi chiết rót nhờ bơm bánh răng, tạo được dòng chất lỏng ổn định Ngoài ra, hệ thống có bộ điều chỉnh tự động tốc độ chiết (lưu lượng bơm, áp suất bơm) hoặc điều chỉnh thủ công bằng bàn đạp Độ chính xác hệ thống này đạt đến 0,5%

Hình 1.2 Hệ thống chiết rót sử dụng bơm bánh răng [2]

1.2.1.2 Hệ thống chiết rót định mức dùng bộ đo lưu lượng

Hệ thống này sử dụng theo nguyên lý chiết kín - định mức với bơm tải chất lỏng Theo đó, không gian trong chai trong quá trình chiết rót không tiếp xúc với môi trường

và mức chiết có thể điều khiển được thông qua bộ điều khiển Áp suất chất lỏng và van chiết có thể điều chỉnh thể tích chiết bằng cách điều chỉnh thể tích van chiết ngâm vào chai

Hình 1.3 Hệ thống chiết rót kín - định mức [2]

Hệ thống chiết kín nhờ áp suất bơm và dòng dịch chiết có thể hồi lại về bồn chứa chính là ưu điểm chính của phương pháp chiết rót này, bên cạnh đó là tính năng chỉ thực hiện chiết khi có chai Mức dịch trong bồn chứa được điều khiển bởi cảm biến mức, giúp duy trì lượng dịch chiết tối thiểu và tối đa trong thùng chứa

1.2.1.3 Hệ thống chiết rót kín - định mức - trọng lực

Hệ thống sử dụng theo nguyên lý chiết kín-định mức và trọng lực tải chất lỏng Yếu tố kín của nguyên lý này tương tự như trong nguyên lý chiết kín - định mức Ở đây, việc định mức và tải chất lỏng được thực hiện bằng trọng lực thay vì áp lực bơm Bên cạnh yếu tố chiết kín và tự hồi dịch về tránh được việc thất thoát, thì ưu điểm nổi bật phương án chiết này là dòng chất lỏng chảy tự do điền đầy bình mà không có áp lực từ bơm, tránh hiện tượng vỡ với các dịch chiết đặc biệt

Phương pháp này thích hợp với các dịch chiết có độ nhớt thấp Đặc biệt sử dụng rất tốt với các sản phẩm định hình, mức chiết xác định

Hình 1.4 Hệ thống chiết rót kín - định mức - trọng lực [2]

1.2.1.4 Hệ thống chiết rót vòi chiết lưu lượng

Hình 1.5 Nguyên lý chiết điều chỉnh lưu lượng ngõ ra kết hợp trọng lực [2]

Hệ thống sử dụng theo nguyên lý kiểm soát lưu lượng hoặc thể tích chất lỏng bằng bộ vòi chiết điều khiển lưu lượng dịch đi qua

Nguyên lý chiết vòi lưu lượng: dòng chất lỏng chảy tự do hoặc có áp lực từ bơm, nhưng điều khiển quá trình chiết bằng bộ điều khiển lưu lượng nằm ngay đầu chiết

Bộ đo lưu lượng hiển thị lưu lượng dịch chiết chạy qua, điều khiển đóng mở van chiết, nhờ đó mức chiết trong chai chứa có thể tích ổn định, sai số thể tích chiết rất thấp Thể tích chiết được điều khiển thông qua cài đặt thông số bộ đo lưu lượng của từng vòi chiết trên màn hình, hoặc điều khiển cơ theo từng loại máy nhất định

Phương pháp này là một trong các phương pháp chiết rót hiện đại nhất hiện nay với ưu điểm kiểm soát dễ dàng qua thông số cài đặt từng van chiết trên màn hình với công suất chiết cao Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp này là chiết hở, dễ tạo bọt với các dịch chiết đòi hỏi nghiêm ngặt và giá thành thiết bị tương đối cao hơn so với các phương pháp chiết rót khác

1.2.1.5 Hệ thống chiết rót định lượng pít-tông

Hệ thống sử dụng theo nguyên lý chiết hở, định lượng bằng xy lanh

Nguyên lý chiết hở - định lượng: dòng chất lỏng được định lượng với thể tích nhất định thông qua quá trình hút và xả của xy lanh Quá trình hút đúng với thể tích được tính toán nhờ vào thể tích của nòng xy lanh, sau đó xả ra đúng lượng thể tích đó với sai số nhất định ứng với thiết kế từng thiết bị

Hình 1.6 Quá trình nạp và xả dịch chiết của pít-tông [2]

Hệ thống chiết rót pít-tông bao gồm các thiết bị đơn giản: cụm bồn chứa, cụm pít-tông chiết, cụm van ba ngã chiết và cụm điều khiển tự động Kết cấu đơn giản nên phương pháp này được sử dụng phổ biến tại các nước đang phát triển, với chi phí không quá đắt nhưng vẫn đạt được độ chính xác cao và ổn định Tuy nhiên, thiết bị chỉ đạt công suất chiết thấp với 6000 sản phẩm/giờ

Hình 1.7 Hệ thống chiết rót kín - định mức - trọng lực [2]

1.2.2 Các phương pháp đóng nắp lọ thủy tinh

Làm kín sản phẩm sau chiết rót trong vật chứa thủy tinh lần đầu được nhắc đến bởi Moody vào năm 1970 và Osborne vào năm 1980 Các thùng chứa được thiết kế để cho phép người tiêu dùng sử dụng sản phẩm nhiều lần sau khi mở thùng, có những dấu hiệu đặc biệt khó bị làm giả [1] Thủy tinh có tính chất cứng cố hữu nên dễ dàng làm kín bằng nhiều phương pháp sau:

Làm kín đơn giản: phương pháp đóng này thường được sử dụng cho sản phẩm chất lượng cao và trữ lượng thấp, chúng được đóng kín bằng lớp vải được buộc bởi sợi dây cứng (hoặc đàn hồi) Kiểu đóng gói này mang lại sự ấn tượng về chất lượng sản phẩm thủ công và chủ yếu được áp dụng cho các loại mứt Mối làm kín sản phẩm không được cố định vào thành lọ, thay vào đó là có độ siết nhất định

Một ví dụ khác cho việc làm kín lọ thủy tinh đơn giản chính là đậy lọ thủy tinh bằng nắp thủy tinh, với viên sáp bao quanh nơi tiếp xúc để làm kín và giảm va chạm giữa thủy tinh và thủy tinh

Keo dán: phương pháp này được sử dụng rất phổ biến, ví dụ như chúng xuất hiện

tại mối viền kín của các hộp sữa và tấm giấy bạc trên đầu chai sữa Chất lượng làm kín

chống rò rỉ đặc biệt cao với phương pháp này

Nắp vặn: phương pháp sử dụng nắp vặn hiện tại là phương pháp được sử dụng

rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp nước giải khát với nhiều kiểu nắp khác nhau

Tuy nhiên, chúng được bao hàm trong bốn kích thước như trên hình 1.8

Hình 1.8 Kiểu làm kín lọ thủy tinh phổ biến [1]

I : Đường kính mở nhỏ nhất trong lọ; T : Đường kính đỉnh ren

E : Đường kính chân ren; H: Chiều cao đoạn ren

Trong đó được chia thành ba phương pháp nhỏ: vặn nắp áp suất môi trường, vặn nắp chân không, vặn nắp áp suất dương

Nếu gọi áp suất môi trường là p0, và áp suất bên trong thành phẩm là p1 Ta sẽ có biểu thức liên quan theo từng trường hợp trên

Vặn nắp với áp suất môi trường: phương pháp sử dụng cho các sản phẩm như

sữa, rượu vang, cà phê, các sản phẩm dạng bột, mù tạc hay sữa chua, nó chỉ phù hợp

cho các sản phẩm không đòi hỏi thêm công đoạn xử lý nhiệt

p0 = p1 = 1 Vặn nắp áp suất dương: phương pháp thường sử dụng cho các sản phẩm có ga hoặc cần khí trơ (ni tơ)

p0 < p1

Vặn nắp chân không : phương pháp này sẽ tạo ra môi trường có áp suất âm bên

trong thành phẩm, nắp có thể được ép hoặc vặn đến đúng vị trí làm kín, tại thời điểm

độ chân không sẽ được tạo ra nhờ tính chất hơi nước hoặc một tác nhân khác như bơm

chân không Đường kính miệng lọ thường được sử dụng từ 28 đến 40 mm

p0 < p1 Phương pháp đóng nắp chân không trong lọ thủy tinh được nhắc đến lần đầu tiên bởi Nairn và Norpell [5], sau đây là ba loại nắp phổ biến dùng cho đóng nắp chân

không thủy tinh:

Một trong những loại thuộc kiểu nắp này là nắp nhựa hai mảnh vặn ren, cấu tạo gồm hai bộ phận: đĩa kim loại có thể xoay với tấm đệm cao su bên dưới và vỏ bọc ren bên ngoài (liên kết với ren nắp) Loại nắp này chính là nắp được sử dụng trong nghiên

cứu này

Hình 1.10 Nắp composite closures của hãng Crown [6]

 Nắp viền cạnh: cũng là một trong số các loại nắp được sử dụng rộng rãi hiện nay Giống như nắp nhấn xoay, kiểu nắp này cũng được làm kín và giữ độ chân không bên trong bằng lớp cao su tiếp xúc với miệng lọ

Đặc điểm chung các loại nắp này đều có lớp cao su đi theo viền miệng lọ, nằm bên dưới tấm kim loại (thường là tráng thiết)

Hầu hết tất cả kiểu nắp sử dụng phương pháp đóng nắp chân không đều có nút an toàn nằm trên đỉnh nắp, đây cũng chính là đặc điểm tiêu biểu cho loại nắp này Nút an toàn có hai mục đích Thứ nhất, nó cung cấp cho người tiêu dùng cái nhìn đầu tiên về sản phẩm có mối viền chất lượng, nắp sẽ có đỉnh nắp bị bật lên Thứ hai, trong mỗi nhà máy sản xuất đều có thiết bị tự động kiểm tra và loại bỏ những sản phẩm lỗi tại vị trí đỉnh nắp giúp người dùng yên tâm với loại nắp này

Hình 1.11 Trạng thái của nút an toàn [5]

1.2.3 Đóng nắp chân không và lợi ích

Đóng gói chân không được sử dụng bảo quản sản phẩm từ những năm 1940 nhằm mục đích kinh tế Kỹ thuật đóng gói này ngăn ngừa hư hỏng và bảo quản sản phẩm trong thời gian dài vận chuyển đến tay khách hàng Phương pháp này không chỉ ngăn sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc, nó cũng giúp bảo quản các sản phẩm tươi sống hơn Vì vậy, đóng gói chân không vẫn còn nguyên giá trị ngày hôm nay, đó là cách thuận tiện để các hộ gia đình bảo vệ hoặc lưu trữ sản phẩm [7]

Phương pháp đóng nắp chân không giữ thực phẩm chủ yếu bằng các ức chế sự phát triển của nấm mốc và các vi khuẩn Khi các vi khuẩn này sinh sản và nhân lên, chúng phá vỡ các enzym hữu cơ, chẳng hạn như chlorophyll ở thực vật và chất sắt có chứa các chất màu trong protein, và để lại các axit hữu cơ gây ra sự đổi màu, mùi hôi Chúng không chỉ làm hỏng hương vị, màu sắc mà còn gây ra những bệnh nặng cho người tiêu dùng nếu sử dụng Nhưng, những loại vi khuẩn này không thể thực hiện chuyển hóa thức ăn và sinh sản mà không có oxy Việc đóng nắp chân không hạn chế lượng oxy tối thiểu nằm trong thực phẩm, làm cho chu trình phát triển và sinh sản của

vi khuẩn Oxy cũng có ảnh hưởng tương tự đến nấm mốc và bào tử nấm Nếu không

có oxy chúng không thể hủy hoại sản phẩm thực phẩm sau khi đã được đóng gói [7] Nếu sản phẩm được bảo vệ bởi phương pháp đóng gói chân không nó có thể kéo dài thời gian sử dụng nhiều hơn 3 đến 4 lần với các bảo quản thông thường Thời gian tùy thuộc vào từng loại sản phẩm như trên bảng 1.1

Bảng 1.1 So sánh thời gian sử dụng giữa các hình thức bảo quản [7]

Bảo quản đông

Bảo quản khô

1.2.4 Ngành chế tạo máy đóng gói chiết rót trên thế giới

Những năm đầu của thế kỷ 19 đã đánh dấu bước tiến phát triển mạnh mẽ các ngành công nghiệp phục vụ cho công nghiệp thực phẩm, một trong số đó là ngành chế tạo máy đóng gói chiết rót dành cho sản phẩm lọ thủy tinh Với các nước phát triển

như Mỹ và châu Âu, họ đi đầu trong lĩnh vực này và dễ dàng tìm kiếm những lợi nhuận từ nó Giá cả các loại máy chiết rót rất cao so với tình hình chung trên thế giới

và đặc biệt với các nước đang phát triển như Việt Nam Chỉ tính riêng trong thị trường

Mỹ năm 2015 đã có doanh thu đến 8,9 tỷ đô la với 551 công ty chế tạo máy đóng chiết rót Trong đó ngành thực phẩm nước giải khát chiếm đến 60% thị trường [1]

gói-Hình 1.12 Máy Crow Clousure Series 4B dành cho nắp vặn chân không [8]

Bên cạnh Mỹ và châu Âu, Trung Quốc hiện đang có những bước đi phát triển khá chắc chắn trong lĩnh vực này, minh chứng cho việc này khi họ chiếm lĩnh được nhiều thị trường nhờ ưu điểm "giá rẻ" Ảnh hưởng của họ phủ lên nhiều khu vực trong

đó có cả Việt Nam Chính điều này đã khiến nên công nghiệp chế tạo máy móc thiết bị ngành đóng gói tại Việt Nam chậm phát triển, ngoài các công ty như Đại Chính Quang

và công ty Cổ phần Trung Hậu tự chế tạo máy, thì các công ty khác trong nước hiện nay chủ yếu hoạt động thương mại và tiêu thụ các sản phẩm đến từ Trung Quốc để đặt lên đó thương hiệu Việt

1.3 Hướng nghiên cứu của đề tài

1.3.1 Lý do chọn đề tài

Nhu cầu thị trường nước giải khát không ngừng tăng trong những năm gần đây, nhất là các sản phẩm mang lại giá trị dinh dưỡng cao Công ty TNHH MTV Nước Giải Khát Sanest Khánh Hòa đã tiến hành đưa vào thử nghiệm sản phẩm nước yến dành cho trẻ em Đây là một sản phẩm mới cùng các chất dinh dưỡng đặc biệt tốt dành cho trẻ em Sau đây là các đặc điểm của bao bì của sản phẩm này:

Lọ chứa: lọ chứa làm bằng thủy tính, thể tích nước yến trong lọ là 62 ml, có cấu tạo làm kín với nắp vặn ren

Hình 1.13 Lọ thủy tinh vặn ren 62 ml

Nắp chân không: Đây chính là yếu tố khác biệt của sản phẩm này với thị trường Kiểu nắp chân không có tên tiếng Anh là Composite Vacuum Cap (CVC), một loại nắp đóng kín lọ thủy tinh bằng ren và tấm đệm cao su bên đưới tấm thiếc

Hình 1.14 Bảo vệ hai tầng của nắp CVC [6]

Hình 1.15 Bộ phận làm kín của nắp CVC [6]

Do sản phẩm mới chưa có trên thị trường Việt Nam nên Công ty đã tìm một số đơn vị cung cấp thiết bị chiết rót sử dụng cho loại bao bì này (vào tháng 7/2016) Sau khi có các thông tin từ nhà cung cấp thiết bị (như Crown Holding, một số công ty ở châu Âu, Trung Quốc), Công ty nhận thấy một số khó khăn khi đầu tư như sau:

Rủi ro từ bao bì sản phẩm mới

Bắt đầu sản phẩm mới luôn tạo ra nhiều khó khăn cho mỗi công ty do chi phí lớn vào thiết bị mới cũng như đánh giá đúng tính hiệu quả Quan trọng hơn, bao bì sử dụng công nghệ đóng nắp chân không của các nhà cung cấp nói trên có đặc tính không

phù hợp với nước yến

Giá thành thiết bị

Thiết bị của châu Âu giá trung bình cho sản phẩm đóng nắp chân không khoảng 20.000 USD [8], còn Trung Quốc khoảng 15.000 USD với công suất 2000 sp/h Trong

đó, chưa tính đến nhiều chi phí lắp đặt và bảo trì trong quá trình sử dụng

Vì hai lý do trên, trước khi quyết định đầu tư dây chuyền sản xuất với công suất

6000 sp/h, Công ty đã quyết định thành lập nhóm nghiên cứu để thiết kế chế tạo máy chiết rót đóng nắp chân không lọ nước yến dành cho trẻ em Nhóm có nhiệm vụ làm chủ công nghệ của dòng sản phẩm chân không Là một thành viên chính của nhóm nghiên cứu, tôi quyết định chọn đề tài "Thiết kế, chế tạo máy chiết rót và đóng nắp tạo

áp âm lọ nước yến dành cho trẻ em" làm đề tài luận văn tốt nghiệp thạc sỹ kỹ thuật cơ khí

1.3.2 Các nghiên cứu về sản phẩm áp chân không và hướng thực hiện đề tài 1.3.2.1 Bằng sáng chế US2630957 của J.Hohl Etal [10]

Bằng sáng chế US2630957 của J.Hohl Etal được đăng ký năm 1950 tại Mỹ, đề

cập đến hai vấn đề: phương pháp đóng nắp tạo áp bằng khí trơ hoặc hơi nóng và hệ thống thiết bị kèm theo phương pháp được đề cập

Nguyên lý cơ bản trước đây thường được áp dụng tạo chân không cục bộ bằng cách đưa khí trơ hoặc hơi nóng vào trong lọ sản phẩm Dựa trên nền tảng này, sáng chế này cải tiến hơn với phương pháp cũ ở điểm quan tâm đến việc thay thế oxy trên

cả nắp và lọ thủy tinh

Lọ thủy tinh được di chuyển trên băng tải (12), đầu vào tải vào mâm sao bằng vít tải (13), sau đó được đưa vào khu vực đầu vặn (15) với buồng hơi hoặc khí trơ (29), buồng hơi có nhiệm vụ lắp đầy không gian chứa lọ bằng hơi nóng hoặc khí trơ, lọ được di chuyển liên tục và quá trình không làm dừng quá trình di chuyển của lọ nhờ cơ cấu cam Lọ sau khi được đóng nắp, tại vị trí D trên hình 1.17, tiếp tục di chuyển khỏi thiết bị như trên hình 1.16 Theo hình 1.17, vị trí A sẽ là vị trí lọ bắt đầu vào buồng hơi nóng hoặc khí trơ, tiếp theo vị trí B lọ đã nằm trọn trong buồng hơi, C là vị trí lấy nắp

của lọ và cuối cùng tại vị trí D đầu vặn (26), được điều khiển bởi biên dạng cam, sẽ di chuyển xuống thực hiện vặn lọ ngay khi lọ được ra khỏi buồng hơi

Hình 1.16 Bố cục thiết bị trong sáng chế US2630957 [10]

Hình 1.17 Quá trình đóng nắp trong sáng chế US2630957 [10]

Ưu điểm và điểm chính sáng chế này:

 Đẩy nhanh quá trình thay thế oxy bằng hơi nóng hoặc khí trơ

 Ngăn chặn quá trình tự điền đầy khí trở lại của oxy làm giảm hiệu suất tạo chân không cục bộ

Nguyên lý tạo độ chân không cục bộ trong sáng chế này không những áp dụng cho nguyên lý vặn nắp, có thể áp dụng cho nhiều phương pháp đóng nắp khác

1.3.2.2 Sáng chế US2889674 của Clarence L Hamilton và các cộng sự [11]

Sáng chế số US2889674 của Clarence L Hamilton và các cộng sự của công ty Ball Brothers thuộc một tập đoàn của Ấn Độ, đề cập đến việc dùng hơi nước trong quá trình đóng nắp đồ uống đựng trong lọ thủy tinh Haminton sử dụng lọ kiểu tai gài có ren làm kín Bên cạnh việc nghiên cứu kết hợp giữa các thiết bị cấp nắp cho lọ, Haminton đặc biệt chú ý đến vị trí phun hơi và vặn lọ để đảm bảo tính chân không bên trong sản phẩm sau khi vặn

Quá trình đóng nắp bằng việc di chuyển lọ thủy tinh trên một cung đường nhất định, lọ đi đến đúng từng vị trí (trạm) để thực hiện thao tác tại từng vị trí đó bằng các thiết bị được bố trí tại các trạm, hoàn thành việc đóng nắp sau khi lọ đi qua trạm cuối cùng Chi tiết thứ tự trạm như trên hình 1.18

Tại vị trí dừng như trạm (2), trạm (6), trạm (7), các con lăn có tác dụng chỉnh sửa lại nắp đúng vị trí tương đối với miệng lọ hoặc có tác dụng vặn nắp, tác dụng lên nắp lực vòng giúp nắp di chuyển xoay tương đối với lọ thủy tinh, lúc này lọ đang được giữ

cố định, nắp và lọ xoay tương đối ngược chiều kim đồng hồ giúp nắp được lắp chặt vào lọ Ngoài các con lăn điều chỉnh và vặn nắp, nhiệm vụ vặn nắp được đảm bảo bởi các thanh đè, có hướng vuông góc với đường di chuyển của lọ, để đảm bảo nắp được bằng mặt trong suốt quá trình

Trạm (3) sẽ là nơi hơi nóng được phun vào, nắp đặt trên lọ lúc này được nam châm (34a) giữ lại làm tăng độ hở miệng lọ, luồng hơi nóng vào bên trong để tạo độ chân không

Hình 1.18 Quy trình lọ di chuyển trong sáng chế US2889674 [11]

Hình 1.19 Vị trí công tác từng bộ phận trong sáng chế US2889674 [11]

Vấn đề chính trong sáng chế này là:

Công tác điều khiển hoạt động máy bằng cơ hiệu quả và chính xác trong thiết bị vặn lọ kiểu tai gài Mặt khác là giữ tình trạng thực phẩm trong điều kiện tốt sau khi vặn nắp, thiết bị được thiết kế để tạo khoảng chân không trên bề mặt lọ thủy tinh khi trong lọ đã có sản phẩm ở mức nhất định, khoảng không này thường được gọi là "head space" Khoảng không này thường được tạo độ chân không bởi hơi nóng và khí trơ, với sáng chế này thiết bị được thiết kế để phun hơi nóng vào "head space" Tác dụng khoảng chân không đảm bảo thực phẩm không bị biến đổi màu và hương liệu bên trong sau khi vặn nắp

1.3.2.3 Bằng sáng chế US3220153 của James B Cormack [12]

Sáng chế US3220153 được viết bởi James B Cormack vào năm 1965 Ông là nhân viên công ty Continental Can Company New York Sáng chế mang đến những cải tiến và phương pháp mới trong việc đóng nắp lọ tạo áp chân không trong lọ có nắp kiểu tai gài Sáng chế dựa trên nền tảng phương pháp đóng nắp tạo áp âm, phương pháp có thể khử gần như hoàn toàn oxy bên trong lọ sản phẩm bằng quá trình tạo chân không và khí trơ Sáng chế phù hợp cho các sản phẩm như bột hoặc hạt (ví dụ như cà phê) Vấn đề bên cạnh được quan tâm trong sáng chế này là hệ thống cấp lọ và cấp nắp đặc biệt, sáng chế còn có điểm hạn chế khi gặp lọ chứa đầy sản phẩm, từ đó dẫn đến hướng phát triển tương lai sẽ khắc phục tình trạng lọ đầy nhưng vẫn giữ được lượng oxy thấp bên trong

Thiết kế của sáng chế này tập trung vào công suất thiết bị cao hơn sáng chế US

122498 được viết năm 1961, đã có trước đây cho dòng sản phẩm hạt (cụ thể cà phê hòa tan) Theo bản vẽ thiết kế, thiết bị sau khi đóng nắp có thể tích trống chỉ chứa 2% oxy với công suất 300 sp/ph Nhưng thực tế để tạo 2% thể tích oxy, thiết bị chưa đạt được công suất theo thiết kế

Ưu điểm và những điều đạt được của sáng kiến US3220153:

 Cung cấp diện mạo và cải tiến cung cấp lọ vào hệ thống đóng nắp chân không, cùng với giải pháp tạo chân không bằng nguyên lý bơm chân không và hệ thống phun khí trơ

 Phát triển bộ cấp nắp mới cho phương pháp đóng nắp chân không phù hợp với thiết bị

 Giảm mức độ chiếm khoảng không của oxy 2% hoặc thấp hơn bên trong lọ sau khi được đóng nắp

 Hệ thống tích hợp bộ lọc giúp cách biệt nguồn hút chân không và nguồn phun khí trơ với sản phẩm bên trong lọ Tránh hiện tượng sản phẩm trong lọ chảy ngược và đảm bảo độ sạch trong quá trình đóng nắp

 Thiết bị hoạt động xoay tròn dựa trên quá trình điều khiển hành trình lên xuống bằng con lăn cam Nhờ vậy, thiết bị có công suất cao

Hình 1.20 Sơ đồ hoạt động thiết bị trong sáng chế US3220153 [12]

Thiết bị gồm hệ thống 10 đầu vặn lọ, được xoay quanh trục 360o giúp hệ thống vận chuyển liên tục, không ngắt quãng với bất kỳ thao tác nào đến lọ Trên đường đi lần lượt các trạm ứng với từng góc khác nhau, ví dụ: vị trí 0o lọ lấy nắp hay vị trí từ

900 đến 1800 thực hiện quá trình hút chân không và phun khí trơ vào bên trong lọ trước khi vặn tại vị trí gần 2700 Quá trình đẩy khí trơ vào bên trong sản phẩm trước khi đóng nắp có ý nghĩa lớn trong việc bảo quản thực phẩm bên trong, quá trình này làm giảm lượng oxy bên cạnh quá trình hút chân không phía trước

Tuy các sáng chế nêu trên có nhiều ưu điểm nhưng không thể áp dụng cho sản

phẩm nước yến đóng nắp chân không do còn một số hạn chế

Sáng chế US2630957 và US2889674 sử dụng nguyên lý tạo chân không trong lọ thủy tinh bằng hơi nóng trên thiết bị xoay, tuy nhiên phương pháp này có thiết kế đầu vặn nắp không điều chỉnh được lực vặn Bên cạnh đó nắp composite của đề tài là loại nắp giữ với thành lọ bằng ren nhựa, lực vặn được nhà cung cấp nắp cố định để tránh tình trạng hư ren khi vặn quá lực

Thiết bị đi kèm để thực hiện phức tạp, gồm nhiều chi tiết làm tăng giá thành của thiết bị, không phù hợp cho một thiết bị hoạt động sản xuất thử nghiệm như yêu cầu của đề tài Thiết bị thiếu bộ phận chiết rót sản phẩm để thực hiện quy trình đóng nắp

Vì tất cả lý do trên, dựa trên nền tảng của các sáng chế đã có, đề tài thực hiện thiết kế một thiết bị phù hợp với thực tiễn sản xuất tại Công ty

1.3.3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu

1.3.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu đề tài là thiết bị, chiết rót đóng nắp tạo áp âm trong sản phẩm lọ yến cho trẻ em

1.3.3.2 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu đề tài này:

- Thiết kế, chế tạo thiết bị chiết rót và đóng nắp dành cho lọ nước yến

- Tạo áp suất âm bên trong sản phẩm đã được vặn nắp bằng hơi bảo hòa

- Tối ưu hóa các thông số của thiết bị bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm

1.3.3.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu gồm: phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Tìm hiểu phương pháp tạo áp âm trong lọ thủy tinh từ các sáng chế Trên cơ sở

đó chọn phương pháp phù hợp để thiết kế thiết bị

- Tính toán các thông số động học, xây dựng kết cấu của thiết bị, xây dựng các bản vẽ 2D và 3D sử dụng các phần mềm như SolidWorks, AutoCAD

- Xây dựng các yêu cầu kỹ thuật thiết bị từ các yêu cầu đầu vào cơ bản (đặt hàng của lãnh đạo Công ty) cũng như tham khảo một số thiết bị có chức năng tương

tự hiện có trên thị trường

- Lập quy trình công nghệ chế tạo một số chi tiết, bộ phận của thiết bị trên cơ sở điều kiện trang thiết bị của Công ty và địa phương

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Chế tạo và lắp ráp từng cụm chi tiết của thiết bị dựa trên trang thiết bị hiện có của Công ty Một số chi tiết máy cần độ chính xác cao sẽ được đặt hàng chế tạo từ các cơ sở sản xuất ở địa phương

- Vận hành thử nghiệm máy và xác định một số thông số vận hành tối ưu Thực hiện quy hoạch thực nghiệm để chọn ra thông số tối ưu nhất để cài đặt thiết bị

- Hoàn thiện thiết kế và chế tạo thiết bị hoàn chỉnh

1.3.3.4 Giới hạn nghiên cứu

- Chỉ tiến hành nghiên cứu thiết bị thử nghiệm dành cho công suất dưới 1500 sản phẩm trên giờ

- Chỉ tính toán thiết kế chi tiết các cụm chi tiết quan trọng ảnh hưởng đến tạo áp

âm sản phẩm như: cụm chiết rót, cụm cấp nắp, cụm vận chuyển lọ, cụm tạo áp âm và cụm vặn nắp

- Chỉ nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến áp âm cơ bản như: nhiệt độ, áp suất hơi nóng, thể tích khoảng không tạo áp âm

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP TẠO ÁP ÂM

2.1 Xác định yêu cầu kỹ thuật thiết bị

Năm 2017 Công ty Yến Sào Khánh Hòa thành lập nhóm nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị chiết rót và đóng nắp lọ nước yến dành cho trẻ em để phục vụ cho sản phẩm mới có tính cạnh tranh trên thị trường nước giải khát Thiết bị phải được thiết kế

và chế tạo sao cho đáp ứng được một số yêu cầu kỹ thuật cơ bản cũng như thời gian và kinh phí do lãnh đạo Công ty đưa ra Nhóm nghiên cứu có trách nhiệm cụ thể hóa các yêu cầu của Công ty thành các thông số kỹ thuật thiết bị cụ thể

Các yêu cầu cơ bản được lãnh đạo Công ty đưa ra như sau:

- Công suất thiết bị 1500 sản phẩm mỗi giờ (sp/h)

- Chiết rót và đóng nắp lọ thể tích 60 đến 64 ml tạo áp âm trong sản phẩm

- Thời gian thực hiện 6 tháng

- Chi phí thực hiện không quá 250 triệu đồng

Từ các yêu cầu nêu trên, nhóm nghiên cứu tiến hành thu thập thêm thông tin từ người vận hành và bộ phận phụ trách chất lượng sản phẩm để đưa ra các yêu cầu bổ sung như sau:

- Vật liệu của thiết bị hoạt động trong môi trường ẩm ướt, không gỉ sét

- Dễ dàng tháo lắp vệ sinh thiết bị

- Có bao che thiết bị ngăn nguy hiểm đến người vận hành

- Bố trí thiết bị vào dây chuyền hiện có một cách thuận lợi

Trên cơ sở đó, kết hợp với việc tham khảo một số thiết bị chiết rót tương đương hiện nay, nhóm nghiên cứu thực hiện đưa ra các yêu cầu kỹ thuật cần đạt được của thiết bị cần thiết kế như sau:

- Dùng băng tải được truyền bởi động cơ thực hiện vận chuyển lọ

- Cụm chiết rót thực hiện chiết thể tích 62 ± 2 ml vào lọ thủy tinh có thể tích rỗng 70 ml

- Cụm vặn thực hiện chức năng vặn nắp ren giữa nắp nhựa và lọ thủy tinh với chiều dài ren là 1/3 vòng trên miệng lọ

- Cụm phun hơi nóng tạo áp âm bên trong lọ sau khi vặn đạt được thông số từ 0,2 đến 0,4 kg/cm2

- Vật liệu chế tạo thiết bị SUS 304, thiết bị hoạt động môi trường ẩm

- Bao che thiết bị bằng mica, dễ dàng quan sát thiết bị hoạt động và hạn chế tác nhân bên ngoài đến hơi nóng tạo áp âm

- Công suất thiết bị: 1500 sp/h

- Giá thành các cụm thiết bị tối đa 250 triệu đồng

Các yêu cầu kỹ thuật chung bên trên chỉ là khái quát, yêu cầu kỹ thuật được chi tiết khi đi vào thiết kế, chế tạo và chỉnh sữa

2.2 Thiết kế thiết bị

2.2.1 Sơ đồ khối

Kết cấu thiết bị chiết rót và đóng nắp gồm 7 cụm chính như sau: cụm chuyển lọ,

cụm chiết rót, cụm cấp nắp, cụm tạo áp âm, cụm vặn nắp, cụm điều khiển trung tâm và

các cụm khác

Hình 2.1 Sơ đồ khối của thiết bị chiết rót và đóng nắp tạo áp âm

 Cụm chuyển lọ là cụm có chức năng vận chuyển lọ từ bộ phận này đến bộ phận

khác của thiết bị Hoạt động của cụm này có ảnh hưởng lớn đến hoạt động các cụm khác

 Cụm chiết rót là cụm thực hiện chức năng đưa dịch chiết từ bồn chứa vào lọ

Cụm chiết rót có nhiệm vụ quan trọng là định lượng thể tích chiết rót chính xác Mức chiết rót ảnh hưởng đến khoảng trống không khí trong lọ, từ đó ảnh hưởng đến khả năng tạo áp âm của lọ sau khi đóng nắp

Cụm điều khiển trung tâm Cụm chiết rót

(xy lanh hơi)

Cụm chuyển lọ

Cụm cấp nắp

(mâm xoay)

Cụm vặn nắp (động cơ điện) Cụm tạo áp âm

 Cụm cấp nắp là cụm thực hiện việc lựa và di chuyển nắp đến vị trí chờ lọ Công

suất cụm cấp nắp phải lớn hơn công suất của máy

 Cụm cấp hơi là cụm thổi hơi nóng vào lọ để tạo áp suất âm sau khi đóng nắp

Yêu cầu cụm phải hoạt động ổn định và cung cấp hơi nóng sạch trong suốt quá trình chạy máy

 Cụm điều khiển trung tâm là cụm quyết định đến công năng, điều khiển mọi

hoạt động của thiết bị, được đặt bên trong thân máy, cụm này có thể thay đổi theo nhu cầu mỗi nhà sản xuất và có thể thay đổi chu trình hoạt động ứng với từng loại sản phẩm khác nhau Các thiết bị chiết rót và đóng nắp hiện nay thường sử dụng lập trình điều khiển PLC

 Các cụm khác tạo liên kết giữa các cụm chính lại với nhau, đảm bảo chịu lực, độ

êm và an toàn khi máy đang hoạt động

Thiết bị chiết rót và đóng nắp có thể được bố trí theo dạng xoay (máy vặn xoay)

và dạng thẳng (máy vặn thẳng) Mỗi cách bố trí có ưu nhược điểm khác nhau được trình bày chi tiết bên dưới

Máy chiết và vặn thẳng

Hình 2.2 Bố trí thiết bị chiết rót đóng nắp dạng thẳng

Máy vặn thẳng được sử dụng rộng rãi với sản phẩm lọ thủy tinh di chuyển tiếp xúc nhau, lấy nắp nhờ lực lọ sau đùn lọ trước Từng cụm công tác được bố trí dọc băng tải, các cụm công tác phụ thuộc vào chiều dài băng tải, từ đó kéo theo hình dáng không

cân xứng giữa chiều rộng và chiều dài của thiết bị, phù hợp bố trí các mặt bằng hẹp và dài Bên cạnh đó, việc các lọ di chuyển sát nhau ảnh hưởng đến việc bố trí các thiết bị sát nhau, tuy chiếm ít khoảng không nhưng khi sửa chữa gặp nhiều khó khăn và không thể thực hiện vặn những lọ cuối cùng ca hay ngày sản xuất

Ưu điểm phương pháp vặn thẳng là dòng lọ di chuyển liên tục, sản phẩm ra lần lượt, dễ dàng trong việc sắp xếp vị trí đầu ra để đón lọ Phương pháp vặn thẳng dễ dàng bố trí thiết bị theo thứ tự, thiết bị đơn giản hơn phương pháp vặn xoay Máy vặn thẳng được ứng dụng nhiều trong các sản phẩm chứa dịch đặc, sệch và vặn các loại nắp kim loại

Nhìn chung, hiện nay máy vặn thẳng không được phổ biến như máy vặn xoay với các nhược điểm bên trên, thường được ứng dụng cho các nhà máy nhỏ công suất thấp Máy vặn thẳng phù hợp với mặt bằng nhà máy được bố trí hẹp chiều ngang, lớn về chiều dài

Máy chiết và vặn xoay

Hình 2.3 Bố trí thiết bị chiết rót và đóng nắp dạng xoay

Máy chiết và vặn xoay là một bước tiến lớn trong lĩnh vực chiết rót vì phương pháp này giúp công suất tăng đột biến so với phương pháp chiết hay vặn thẳng Cấu tạo máy vặn xoay có thể hoạt động theo hai nguyên lý cơ bản chiết vặn liên tục và ngắt quãng (có thời gian dừng) Phương pháp này có các cụm di chuyển lọ bằng các mâm sao xoay, mâm sao hoạt động độc lập hoặc được liên kết với các mâm sao các nằm trên cùng thiết bị bằng hệ thống bánh răng nằm dưới sàn máy Mâm sao giúp lọ dễ dàng nhận nắp nhờ mâm sao đầu vào, di chuyển đến bộ phận công tác nhờ mâm sao