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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

PHAN THANH HUY

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHIẾT RÓT VÀ
ĐÓNG NẮP TẠO ÁP ÂM LỌ NƢỚC YẾN SANEST
CHO TRẺ EM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÕA – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

PHAN THANH HUY

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHIẾT RÓT VÀ
ĐÓNG NẮP TẠO ÁP ÂM LỌ NƢỚC YẾN SANEST
CHO TRẺ EM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghành:

Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã số:

60520103

Quyết định giao đề tài

470/QĐ/ĐHNT ngày 22/5/2017

Quyết định thành lập HĐ

108/QĐ/ĐHNT ngày 9/2/2018

Ngày bảo vệ

16/3/2018

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
TS. NGUYỄN VĂN TƢỜNG
Chủ tịch Hội đồng
TS. ĐẶNG XUÂN PHƢƠNG
Phòng Đào tạo Sau Đại học

KHÁNH HÕA – 2018


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 cơng trình nghiên cứu của cá
nhân tơi và chƣa đƣợc cơng bố trong bất cứ cơng trình khoa học nào khác cho tới thời
điểm này.
Khánh Hòa, ngày 25 tháng 01 năm 2018
Học viên

Phan Thanh Huy

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tơi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của q phịng
ban trƣờng Đại học Nha Trang đã tạo điều kiện tốt nhất cho tơi đƣợc hồn thành đề tài.
Đặc biệt là sự hƣớng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Văn Tƣờng đã giúp tơi hồn thành
tốt đề tài. Qua đây, tơi 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 tơi trong suốt q 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

iv


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

CHƢƠNG 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 lƣợng dùng bơm bánh răng ............................................... 4
1.2.1.2. Hệ thống chiết rót định mức dùng bộ đo lƣu lƣợng ................................................ 5
1.2.1.3. Hệ thống chiết rót kín - định mức - trọng lực.......................................................... 5
1.2.1.4. Hệ thống chiết rót vịi chiết lƣu lƣợng .................................................................... 6
1.2.1.5. Hệ thống chiết rót định lƣợng pít-tơng. ................................................................... 7
1.2.2. Các phƣơng pháp đóng nắp lọ thủy tinh..................................................................... 8
1.2.3. Đóng nắp chân khơng và lợi ích ............................................................................... 11
1.2.4. Ngành chế tạo máy đóng gói chiết rót trên thế giới ................................................. 12
1.3. Hƣớng 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 hƣớng 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 tƣợng, phƣơng 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. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................... 21
1.3.3.4. Giới hạn nghiên cứu .............................................................................................. 21
v


CHƢƠNG 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. Phƣơng án thiết kế .................................................................................................... 24
2.2.2.1. Phƣơng án thiết kế 1 - buồng hơi nóng ................................................................. 28
2.2.2.2. Phƣơng 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
CHƢƠNG 3. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THƠNG SỐ TỐI ƢU CỦA THIẾT BỊ CHIẾT
RĨT VÀ ĐÓNG NẮP TẠO ÁP ÂM .............................................................................................. 55
3.1. Mở đầu ......................................................................................................................... 56
3.1. Phƣơng án hơi nóng tạo áp âm và kết quả thực nghiệm ............................................. 57
3.1.1. Phƣơng án 1 hộp hơi nóng........................................................................................ 57
3.1.2. Phƣơng 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

vi


DANH MỤC KÝ HIỆU

p
N
v
d

t
i
D
M
m
I
R
F

: áp suất.
: số lọ.
: tốc độ dài.
: tốc độ góc.
: khoảng cách.
: góc.
: thời gian.
: tỉ số truyền.
: đƣờng kính.
: momen.
: khối lƣợng.
: momen quán tính.
: bán kính.
: lực.

τ : ứng suất tiếp.
Wp : Modun chống xoắn.
n
Lh
L
QE

V
z

: hệ số an tồn.
: thời gian làm việc vịng bi.
: tuổi thọ vòng bi.
: tải trọng quy ƣớc.
: thể tích.
: khoảng cách nam châm.

vii


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 : Phƣơng án.

viii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 So sánh thời gian sử dụng giữa các hình thức bảo quản ........................... 12
Bảng 2.1 So sánh thơng số kỹ thuật các thiết bị chiết rót và đóng nắp .................... 28
Bảng 3.1 Kết quả chạy thử nghiệm phƣơng án 1 ..................................................... 59
Bảng 3.2 Kết quả chạy thử nghiệm phƣơng án 2 ..................................................... 61
Bảng 3.3 Giá trị yếu tố đầu vào phƣơng án 2 ........................................................... 62
Bảng 3.4 Bảng kế hoạch thực nghiệm phƣơng án 2 ................................................. 63
Bảng 3.5 Giá trị bƣớc chuyển động phƣơng án 2..................................................... 64

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm phƣơng trình hồi quy áp âm ...................................... 64
Bảng 3.7 Kết quả áp âm sau khi cài đặt thông số tối ƣu .......................................... 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 tƣơng 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 ƣu .................................. 69

ix


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Phƣơng 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 lƣu lƣợng 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 tồn ...................................................................... 11
Hình 1.12 Máy Crow Clousure Series 4B dành cho nắp vặn chân khơng ............... 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 q trình đóng nắp PT US2630957 .............................. 16
Hình 1.18 Quy trình lọ di chuyển PT US2889674 ................................................... 17

Hình 1.19 Vị trí cơng 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
x


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 tốn trục và ổ bi mâm sao chuyển lọ ..................................... 35
Hình 2.15 Sơ đồ lực và biểu đồ momen tính tốn 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 lƣợng dịch chiết........................................................... 41
Hình 2.23 Nguyên lý cấp nắp ................................................................................... 42
Hình 2.24 Sơ đồ lực và biểu đồ momen tính tốn 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 trƣờng tạo ra giữa hai đĩa nam châm ................................................. 49
Hình 2.31 Đồ thị mối quan hệ lực đẩy và khoảng cách nam châm trụ trịn ............. 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
xi


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 hồn thành ..................................................................... 55
Hình 3.1 Chu trình hoạt động thiết bị phƣơng 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 hƣởng và áp âm ............................... 66
Hình 3.6 Biểu đồ phụ thuộc các thơng số ảnh hƣởng và công suất cấp nắp. ........... 69

xii


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 nƣớc 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 nƣớc yến Sanest cho trẻ em.
Các phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng:
Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu các phƣơng 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 trƣờng, tính tốn các thơng số động học và xây dựng kết cấu
thiết bị dựa trên các phần mềm hỗ trợ.
Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: chế tạo lắp ráp từng cụm chi tiết của thiết
bị dựa trên trang thiết bị hiện có của Cơng ty, vận hành thử nghiệm và xác định một số
thông số tối ƣu để cài đặt thiết bị.
Kết quả nghiên cứu đã đạt đƣợc của luận văn là thiết kế và chế tạo thiết bị chiết
rót, đóng nắp tạo áp âm trong lọ nƣớc 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 Hịa. Qua q trình thiết bị hoạt động, cần nhiều cải tiến để hồn cơng
thiết bị nhƣ: tối ƣu 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 khơng, Đóng nắp composite, Máy chiết xoay,
Ngƣng tụ hơi bảo hịa.

xiii


LỜI NĨI ĐẦU
Ở nƣớc ta, nền cơng nghiệp nói chung hay ngành kỹ thuật chế tạo nói riêng đang
từng bƣớc phát triển nhƣng cịn thiếu nhiều yếu tố để có thể tiếp cận với các nƣớc trên
thế giới. Phần lớn máy móc, thiết bị phục vụ các ngành cơng nghiệp, y tế hay các
ngành địi hỏi độ chính xác và mang tính cơng nghệ cao đều đƣợc nhập khẩu. Đó
chính là trở ngại lớn để các doanh nghiệp nội địa khơng thể cạnh tranh với các đơn vị
nƣớc ngồi.Trong số đó, ngành cơng nghiệp nƣớc giải khát, ngành có tốc độ tăng
trƣởng 5-7% trong những năm gần đây, là một ví dụ.

Ngành cơng nghiệp nƣớc giải khát là ngành sinh lợi nhuận cao. Bên cạnh nƣớc
giải khát có gas truyền thống, những năm gần đây thị trƣờng dần có dấu hiệu chuyển
sang nƣớc giải khát đáp ứng nhu cầu dinh dƣỡng cao của ngƣời tiêu dùng. Đây cũng
chính là hƣớng phát triển của công ty Trách nhiệm hữu hạn một thành viên Nƣớc giải
khát Sanest Khánh hòa (TNHH MTV NGK Sanest Khánh Hịa).
Cơng 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 thơng số cụ thể qua quy
trình sản xuất thử để tiến hành đặt hàng chế tạo với công suất yêu cầu. Thiết bị đƣợc
nghiên cứu cũng phải có khả năng đáp ứng nhu cầu thị trƣờng 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 nƣớc yến Sanest cho trẻ em” gồm các nội dung chính sau:
Chƣơng 1: Tổng quan. Chƣơng này giới thiệu một số phƣơng 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. Ngồi ra, chƣơng này cịn trình bày nội dung nghiên cứu
và phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc thực hiện trong đề tài.
Chƣơng 2: Thiết kế và chế tạo thiết bị chiết rót và đóng nắp tạo áp âm. Chƣơng
này trình bày các u cầu chung từ cơng ty để hình thành yêu cầu kỹ thuật cho thiết bị,
đề ra các phƣơng án thiết kế sau khi thảm khảo các thiết bị trên thị trƣờng, sau đó đi
vào tính tốn chi tiết các cụm chính và bố trí chúng trên một cùng thiết bị. Bên cạnh
đó, chƣơng này đề cập sơ bộ về quy trình chế tạo một số bộ phận quan trọng của thiết
bị.
xiv


Chƣơng 3: Xác định một số thông số tối ƣu cho thiết bị. Chƣơng này trình bày
cách thức bố trí và thực hiện thí nghiệm với từng phƣơng án tạo áp âm, thu thập và
phân tích số liệu để chọn đƣợc phƣơng án cuối cùng. Với phƣơng án đã chọn, thực
hiện bài tốn tối ƣu cho một vài thơng 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 nhƣng nhờ sự hƣớng dẫn tận tình của
quý thầy cô, đặc biệt là thầy Nguyễn Văn Tƣờng ở Bộ mơn Chế tạo máy, Khoa Cơ
Khí, Trƣờng 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 đƣợc làm quen, biết đƣợc những khó khăn của
cơng việc nghiên cứu cơng nghệ và có đƣợc 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 nhƣng
với khả năng có hạn, kinh nghiệm còn hạn chế nên trong đề tài sẽ khơng tránh khỏi
những sai sót. Rất mong đƣợc sự chỉ bảo của quý thầy cô phản biện và quý thầy cô
trong hội đồng.

Học viên

Phan Thanh Huy

xv


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Mở đầu
Nƣớc giải khát từ lâu đã thành một phần quan trọng trong đời sống con ngƣời.
Nguồn gốc nhiều loại nƣớc giải khát có thể khơng đƣợc chú ý bằng việc phạm vi sử
dụng cũng nhƣ số lƣợng và chất lƣợng 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 nhƣ ngành chiết rót và đóng gói sản phẩm. Ngày nay, có rất nhiều loại nƣớc
giải khát khác nhau, chúng có thể đƣợc 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 nhƣ vậy khách hàng
sẽ chọn đƣợc loại phù hợp nhất cho mỗi ngƣời. Ngoài khả năng chứa đựng và bảo

quản sản phẩm, ngày nay bao bì thân thiện với môi trƣờng cũng đƣợc ngƣời tiêu dùng
quan tâm rộng rãi. Vì thế, bao bì thủy tinh đang là lựa chọn ƣu tiên dùng để đóng gói
các loại sản phẩm, vừa phù hợp các phƣơng pháp bảo quản thực phẩm, vừa có thể
đƣợc tái chế sau q trình sử dụng.
Trải qua lịch sử hình thành và phát triển lâu đời bắt nguồn từ phía Đơng khu vực
Địa Trung Hải khoảng 3000 năm trƣớc Công nguyên, thủy tinh trở thành một trong
những vật liệu đóng gói sớm nhất trên thế giới và đƣợc sản xuất theo dây chuyền cơ
khí tại Mỹ vào những năm cuối thế kỷ 19. Bao bì thủy tinh thƣờng đƣợc 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, nhƣng về sau khơng cịn phổ biến với những khuyết
điểm làm kín sản phẩm bên trong, thay vào đó là dạng đóng nắp bằng ren với nắp có
vịng đệm cao su, phƣơng pháp có thể làm kín các sản phẩm có áp lực bên trong nhƣ
khí carbonat, áp suất âm [1].
Bao bì thủy tinh đƣợc sử dụng rộng rãi cho các loại sản phẩm nhƣ: cà phê hịa
tan, hỗn hợp khơ trộn, thực phẩm trẻ em, sản phẩm từ bơ, các loại mứt đƣờng, 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 cơng suất đóng gói tạo ra sản phẩm chất lƣợng. Ngày nay có rất nhiều
các hƣớng 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 đƣợc lắp trên dây chuyền. Có sự tƣơng
1


tác nhất định giữa các thiết bị trên dây chuyền nhƣ cơng suất, sự ảnh hƣởng của sai số
chiết rót đến sai số đóng nắp. Vì thế, khi tiến hành thiết kế chế tạo thiết bị cần tìm ra
đƣợc bộ các thơng số giữa hai q trình này để tạo đƣợc dây chuyền hoạt động hiệu
quả và ổn định nhất.
Trong thời gian gần đây, việc ứng dụng khoa học công nghệ vào ngành nƣớc giải
khát đã đáp ứng đƣợc phần nào các nhu cầu về chất lƣợng cũng nhƣ số lƣợng cho

ngƣời tiêu dùng. Các sáng kiến trong ngành kỹ thuật chế tạo liên tục ra đời, đó chính là
yếu tố tạo ra ƣu thế cạnh tranh của các nƣớc phát triển so với các nƣớc đang phát triển
trong ngành sản xuất nƣớc giải khát. Yếu tố này lý giải vì sao thị trƣờng nƣớc giải khát
Việt Nam lâu nay vẫn đƣợc đánh giá là "miếng bánh" ngon so với nhiều thị trƣờng các
nƣớc lân cận, thế nhƣng, doanh nghiệp nội địa chỉ đƣợc một phần nhỏ (10%), trong
khi phần lớn cịn lại đều nằm trong tay của những cơng ty nƣớc ngồi (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 đƣợc sử
dụng cho chất lỏng thực phẩm và đƣợc Osborne mô tả chi tiết vào năm 1980 [3].
Trong một hộp chứa, chất lỏng đƣợc điền đầy cho đến khi di chuyển đến ống thông
hơi, đƣợc thiết lập để cung cấp đúng trọng lƣợng hoặc thể tích chất lỏng.

Hình 1.1 Phƣơng pháp chiết Osborner [1]

2


Chiết thể tích là phƣơng pháp đƣợc 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 đƣờng trịn
'carousel'.
Trƣớc đây, sản phẩm có khối lƣợng tƣơng đối lớn đƣợc đổ vào thùng chứa và
đóng kín, trong khi đó hệ thống thế hệ thứ hai thì đƣợc thêm cơng đoạn đóng gói trƣớc
khi niêm phong. Cả hai hệ thống sử dụng hệ thống vi xử lý để kiểm soát tốc độ điền
đầy (chiết) và trọng lƣợng. Phần lớn số lƣợng máy chiết đƣợc sử dụng chiết nhanh để
điền đầy 90% thể tích bao bì (chiết thơ), sao đó đƣợc cân lại. Nếu sản phẩm cần lần
chiết thứ hai để bổ sung lƣợng còn thiếu (chiết tinh), bộ vi xử lý giám sát trọng lƣợng
của chúng, để tạo ra một bảng thống kê về sự thay đổi trọng lƣợng và tiến hành chiết
lƣợng cịn lại.

Độ chính xác chiết rót thơng thƣờng là ±1% thể tích chứa mà khơng tràn hoặc
nhiễm bẩn. Hệ thống chiết cũng đảm bảo không chiết khi khơng có vật chứa. Cơ cấu
giữ vật chứa dễ dàng thay đổi khi thay đổi kích thƣớc hay hình dạng. Ngồi hệ thống
chiết năng suất thấp hoặc các sản phẩm khó (nhƣ 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.
Thƣờng thì các sản phẩm đƣợc chiết không điền đầy vật chứa. Khoảng khơng
cịn lại rất cần thiết để tạo thành chân khơng một phần (bảo vệ sản phẩm). Áp suất
phần này sẽ giảm bên trong vật chứa trong quá trình xử lý và làm giảm q trình oxy
hóa khi bảo quản. Vật chứa bằng thủy tinh (chai, lọ thủy tinh) hoặc lon kim loại
(nhơm) nên có 6-10 % khoảng khơng thể tích chiết khi đóng gói tại nhiệt độ thƣờng.
Khi chiết các sản phẩm dạng đặc hoặc nhão, khoảng chân khơng có thể bị ảnh hƣởng
bởi các khí lẫn trong các sản phẩm. Điều này ít quan trọng hơn với các sản phẩm là
chất lỏng pha lỗng hoặc xi-rơ, vì khơng khí có thể thốt ra trƣớc khi đóng gói. Sau
q trình chiết có thể bổ sung thêm các cơng đoạn sau vào sản phẩm để tăng chất
lƣợng sản phẩm:


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



Rút khơng khí trong vật chứa.



Cải thiện hƣơng vị sản phẩm.



Cho thêm màu sắc hoặc mùi vị.

3


Tỉ lệ các thành phần rắn hoặc lỏng trong sản phẩm đƣợc quy định bởi pháp luật
hay tiêu chuẩn thƣơng mại của nhiều quốc gia.
Phƣơng pháp chiết rót đƣợc 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 lƣợng ,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 thƣờng đƣợc sử dụng ngày nay.
1.2.1.1. Hệ thống chiết rót định lƣợng dùng bơm bánh răng
Hệ thống chiết rót định lƣợng dùng bơm bánh răng sử dụng nguyên lý chiết áp
suất với bơm bánh răng. Theo nguyên lý này, ngƣời ta dùng áp suất đƣợc 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 ƣu điểm giảm tối đa khả năng tạo bọt trong khi chiết rót nhờ bơm
bánh răng, tạo đƣợc dịng chất lỏng ổn định. Ngồi ra, hệ thống có bộ điều chỉnh tự
động tốc độ chiết (lƣu lƣợng bơm, áp suất bơm) hoặc điều chỉnh thủ cơng 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]
4


1.2.1.2. Hệ thống chiết rót định mức dùng bộ đo lƣu lƣợng
Hệ thống này sử dụng theo nguyên lý chiết kín - định mức với bơm tải chất lỏng.

Theo đó, khơng gian trong chai trong q trình chiết rót khơng tiếp xúc với mơi trƣờng
và mức chiết có thể điều khiển đƣợc 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 dịng dịch chiết có thể hồi lại về bồn chứa
chính là ƣu điểm chính của phƣơng pháp chiết rót này, bên cạnh đó là tính năng chỉ
thực hiện chiết khi có chai. Mức dịch trong bồn chứa đƣợc điều khiển bởi cảm biến
mức, giúp duy trì lƣợng 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 tƣơng tự nhƣ trong nguyên lý chiết kín - định mức. Ở
đây, việc định mức và tải chất lỏng đƣợc thực hiện bằng trọng lực thay vì áp lực bơm.
Bên cạnh yếu tố chiết kín và tự hồi dịch về tránh đƣợc việc thất thốt, thì ƣu
điểm nổi bật phƣơng án chiết này là dịng chất lỏng chảy tự do điền đầy bình mà
khơng có áp lực từ bơm, tránh hiện tƣợng vỡ với các dịch chiết đặc biệt.

5


Phƣơng 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 vịi chiết lƣu lƣợng

Hình 1.5 Nguyên lý chiết điều chỉnh lƣu lƣợng ngõ ra kết hợp trọng lực [2]
6

Hệ thống sử dụng theo nguyên lý kiểm soát lƣu lƣợng hoặc thể tích chất lỏng
bằng bộ vịi chiết điều khiển lƣu lƣợng dịch đi qua.
Nguyên lý chiết vòi lƣu lƣợng: dịng chất lỏng chảy tự do hoặc có áp lực từ bơm,
nhƣng điều khiển quá trình chiết bằng bộ điều khiển lƣu lƣợng nằm ngay đầu chiết.
Bộ đo lƣu lƣợng hiển thị lƣu lƣợng 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 đƣợc điều khiển thơng qua cài đặt thơng số bộ đo lƣu lƣợng của
từng vịi chiết trên màn hình, hoặc điều khiển cơ theo từng loại máy nhất định.
Phƣơng pháp này là một trong các phƣơng pháp chiết rót hiện đại nhất hiện nay
với ƣu điểm kiểm sốt dễ dàng qua thơng số cài đặt từng van chiết trên màn hình với
cơng suất chiết cao. Tuy nhiên, nhƣợc điểm phƣơng pháp này là chiết hở, dễ tạo bọt
với các dịch chiết đòi hỏi nghiêm ngặt và giá thành thiết bị tƣơng đối cao hơn so với
các phƣơng pháp chiết rót khác.
1.2.1.5. Hệ thống chiết rót định lƣợng pít-tơng.
Hệ thống sử dụng theo ngun lý chiết hở, định lƣợng bằng xy lanh.
Nguyên lý chiết hở - định lƣợng: dòng chất lỏng đƣợc định lƣợng với thể tích
nhất định thơng qua q trình hút và xả của xy lanh. Q trình hút đúng với thể tích
đƣợc tính tốn nhờ vào thể tích của nịng xy lanh, sau đó xả ra đúng lƣợng thể tích đó
với sai số nhất định ứng với thiết kế từng thiết bị.

Hình 1.6 Q trình nạp và xả dịch chiết của pít-tơng [2]
Hệ thống chiết rót pít-tơng bao gồm các thiết bị đơn giản: cụm bồn chứa, cụm
pít-tơng chiết, cụm van ba ngã chiết và cụm điều khiển tự động. Kết cấu đơn giản nên
phƣơng pháp này đƣợc sử dụng phổ biến tại các nƣớc đang phát triển, với chi phí
khơng q đắt nhƣng vẫn đạt đƣợc độ chính xác cao và ổn định. Tuy nhiên, thiết bị chỉ
đạt công suất chiết thấp với 6000 sản phẩm/giờ.
7

Hình 1.7 Hệ thống chiết rót kín - định mức - trọng lực [2]
1.2.2. Các phƣơng pháp đóng nắp lọ thủy tinh
Làm kín sản phẩm sau chiết rót trong vật chứa thủy tinh lần đầu đƣợc nhắc đến
bởi Moody vào năm 1970 và Osborne vào năm 1980. Các thùng chứa đƣợc thiết kế để
cho phép ngƣời 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 phƣơng pháp sau:
Làm kín đơn giản: phƣơng pháp đóng này thƣờng đƣợc sử dụng cho sản phẩm
chất lƣợng cao và trữ lƣợng thấp, chúng đƣợc đóng kín bằng lớp vải đƣợc buộc bởi sợi
dây cứng (hoặc đàn hồi). Kiểu đóng gói này mang lại sự ấn tƣợng về chất lƣợng sản
phẩm thủ công và chủ yếu đƣợc áp dụng cho các loại mứt. Mối làm kín sản phẩm
khơng đƣợc 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: phƣơng pháp này đƣợc sử dụng rất phổ biến, ví dụ nhƣ chúng xuất hiện
tại mối viền kín của các hộp sữa và tấm giấy bạc trên đầu chai sữa. Chất lƣợng làm kín
chống rị rỉ đặc biệt cao với phƣơng pháp này.

8


Nắp vặn: phƣơng pháp sử dụng nắp vặn hiện tại là phƣơng pháp đƣợc sử dụng
rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp nƣớc giải khát với nhiều kiểu nắp khác nhau.
Tuy nhiên, chúng đƣợc bao hàm trong bốn kích thƣớc nhƣ 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 đƣợc chia thành ba phƣơng pháp nhỏ: vặn nắp áp suất môi trƣờng, vặn

nắp chân không, vặn nắp áp suất dƣơng.
Nếu gọi áp suất môi trƣờng là p0, và áp suất bên trong thành phẩm là p1. Ta sẽ có
biểu thức liên quan theo từng trƣờng hợp trên.
Vặn nắp với áp suất môi trường: phƣơng pháp sử dụng cho các sản phẩm nhƣ
sữa, rƣợu vang, cà phê, các sản phẩm dạng bột, mù tạc hay sữa chua, nó chỉ phù hợp
cho các sản phẩm khơng địi hỏi thêm cơng đoạn xử lý nhiệt.
p0 = p1 = 1
Vặn nắp áp suất dương: phƣơng pháp thƣờng sử dụng cho các sản phẩm có ga
hoặc cần khí trơ (ni tơ).
p0 < p1
Vặn nắp chân không : phƣơng pháp này sẽ tạo ra môi trƣờng có áp suất âm bên
trong thành phẩm, nắp có thể đƣợc ép hoặc vặn đến đúng vị trí làm kín, tại thời điểm
độ chân không sẽ đƣợc tạo ra nhờ tính chất hơi nƣớc hoặc một tác nhân khác nhƣ bơm
chân khơng. Đƣờng kính miệng lọ thƣờng đƣợc sử dụng từ 28 đến 40 mm.
p0 < p1
Phƣơng pháp đóng nắp chân không trong lọ thủy tinh đƣợc nhắc đến lần đầu tiên
bởi Nairn và Norpell [5], sau đây là ba loại nắp phổ biến dùng cho đóng nắp chân
khơng thủy tinh:
9


Hình 1.9 Một số kiểu dáng nắp phổ biến [1]


Kiểu tai gài hoặc nắp xoắn (có 3, 4 hoặc 6 tai gài): loại nắp này có thể mở dễ

dàng mà không nhờ dụng cụ hỗ trợ, sau khi mở sản phẩm có thể sử dụng lại nắp.


Kiểu ép – xoắn: loại nắp này khơng làm kín bằng tai gài, thay vào đó là kiểu nắp

vặn ren làm kín bởi lớp cao su bên bề mặt tiếp xúc miệng lọ. Nắp thƣờng đƣợc sử
dụng nhiều trong sản xuất thực phẩm trẻ em.
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 dƣới và vỏ bọc ren
bên ngoài (liên kết với ren nắp). Loại nắp này chính là nắp đƣợc sử dụng trong nghiên
cứu này.

Hình 1.10 Nắp composite closures của hãng Crown [6]

10