(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化ガス貯留タンクと、前記液化ガス貯留タンクの底部に連通して設けられた噴霧ノズルを有する噴霧手段とを備え、該噴霧手段により内容物が充填された容器のヘッドスペース内に液化ガスを微細化して噴霧して充填する液化ガス噴霧充填方法であって、前記液化ガスを噴霧する際のノズル温度を液化ガスの沸点以上沸点＋７５℃以下の範囲にし、且つ噴霧圧力を１kPa〜３０kPaの範囲にして液化ガスを微細粒化して容器に充填することを特徴とする液化ガス噴霧充填方法。
【請求項２】
液化ガスを広がり角２０°〜１００°の噴霧パターンを形成するように前記噴霧ノズルより容器開口部に向けて噴霧する請求項１に記載の液化ガス噴霧充填方法。
【請求項３】
前記液化ガスの噴霧流量が０．２g/s〜４．０g/sである請求項１又は２何れかに記載の液化ガス噴霧充填方法。
【請求項４】
前記液化ガスが液体窒素である請求項１〜３何れかに記載の液化ガス噴霧充填方法。
【請求項５】
前記噴霧パターンは、水平断面形状が方形状乃至は楕円形状に近似する形状である請求項２記載の液化ガス噴霧充填方法。
【請求項６】
前記噴霧ノズルより噴霧されて形成される液化ガスの微細粒は、その粒径が２ｍｍ以下である請求項１〜５何れか記載の液化ガス噴霧充填方法。
【請求項７】
前記液化ガスを噴霧する際前記噴霧ノズルを、比較的低温のインナーパージガスと比較的高温のアウターパージガスの二重のパージガスにより、外気と遮断するようにした請求項１〜６何れか記載の液化ガス噴霧充填方法。
【請求項８】
液化ガスの噴霧流が容器の進行方向の速度成分を有するように、前記液化ガスを容器の進行に対して鉛直から５°〜４５°傾斜して噴霧するようにした請求項１〜７何れか記載の液化ガス噴霧充填方法。
【請求項９】
前記噴霧ノズルの先端部から容器充填面に達するまでの噴霧距離が、５〜１００mmである請求項１〜８何れか記載の液化ガス噴霧充填方法。
【請求項１０】
液化ガス貯留タンクと、前記液化ガス貯留タンクの底部に連通して設けられた噴霧手段とを備え、該噴霧手段により内容物が充填された容器のヘッドスペース内に液化ガスを微細化して噴霧して充填する液化ガス噴霧充填装置であって、前記噴霧手段は、液化ガスの流量を制御するバルブと噴霧ノズルを有し、且つ、該噴霧ノズルは前記バルブの弁座から下方に延びる液化ガス通路を構成するパイプの下端部に設けられ、該パイプの外周部を外壁で囲繞し、該パイプと外壁との間に上部が前記液化ガス貯留タンクに流通して前記液化ガス貯留タンクから液化ガスが流入するように構成されているノズル冷却槽を有してなることを特徴とする液化ガス噴霧充填装置。
【請求項１１】
前記噴霧ノズルは、液化ガスを微細化して噴霧する開口部面積が０．１５〜４mm２である噴霧ノズル孔を有する請求項１０に記載の液化ガス噴霧充填装置。
【請求項１２】
前記液化ガス噴霧充填装置が窒素ガス噴霧充填装置である請求項１０又は１１記載の液化ガス噴霧充填装置。
【請求項１３】
前記噴霧ノズルが、前記鉛直方向下向きに５°〜４５°傾いて配置されている１０〜１２何れか記載の液化ガス噴霧充填装置。
【請求項１４】
前記噴霧手段が、少なくとも噴霧ノズル出口部近傍をパージガスで外気と遮断して霜付きを防止するパージ手段を備えている請求項１０〜１３何れか記載の液化ガス噴霧充填装置。
【請求項１５】
前記パージ手段は、インナーパージガス路を形成するインナーパージガスフードと、アウターパージガス路を形成するアウターパージガスフードとの二重のパージガスフードから形成されている請求項１４記載の液化ガス噴霧充填装置。
【請求項１６】
前記インナーパージガスフードは、前記噴霧ボディ下部外周部からノズル先端を囲うように形成され、ノズル先端に面するところは噴霧くちばしとなっている請求項１５記載の液化ガス噴霧充填装置。
【請求項１７】
前記噴霧手段が噴霧ボディに一体に取り付けられて噴霧手段組立体を構成している請求項１０〜１６何れか記載の液化ガス噴霧充填装置。
【請求項１８】
前記噴霧手段が液化ガス貯留タンクの底部に容器搬送方向に沿って複数個配置されている請求項１０〜１７何れか記載の液化ガス噴霧充填装置。
【請求項１９】
前記噴霧手段が液化ガス貯留タンクの底部に液化ガス流下手段と組合せて配置されている請求項１０〜１８何れか記載の液化ガス噴霧充填装置。
【請求項２０】
前記液化ガス貯留タンクに、該液化ガス貯留タンク内に液化ガスを供給前に乾燥加熱ガスを供給して該タンク内の水分を除去する初期パージ機構が連結されている請求項１０〜１９何れか記載の液化ガス噴霧充填装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液化ガス噴霧充填方法及びその装置、特に液体窒素等の液化ガスの少量充填が高精度で出来て低陽圧ガス置換陽圧包装体のようなガス置換包装体を確実に得ることができる液化ガス噴霧充填方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液体窒素を容器内にノズルから流下させて充填することによって、ガス置換を行うと共に内圧を発生させて、ガス置換陽圧包装体を得ることは広く行われている。しかしながら、この液体窒素流下充填法は、容器内に流下する液体窒素が内容液面との衝突時に一部が缶外へ飛散してしまうこと等があり、密封時に容器内に残留する液体窒素量のバラツキが大きく、内圧精度が低いという問題点がある。特に、液体窒素を少量充填する場合は、目標充填量に対するバラツキが一段と大きくなるので、従来の流下充填方法では少量の液体窒素を充填して低陽圧ガス置換包装体を安定して得ることができなかった。一方、本出願人は従来の液体窒素流下充填法の欠点を解消して充填精度を高める方法として、液体窒素をミスト状にして容器に充填する方法を先に提案した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、先に提案した方法をさらに改良して高速ラインでも安定的に且つ確実に液体窒素を噴霧し、且つ容器内に充填する方法及び装置を得ようとするものであるが、液体窒素を微小粒滴状に安定して噴霧し、且つ安定して容器内に充填するには次のような問題点がある。
【０００４】
水その他の液体等、沸点が大気温度よりも高い液体を噴霧（微細粒化）するには、高圧に加圧して噴出圧力を高め噴出時の急激な圧力降下を利用することによって簡単に達成できる。しかしながら、大気圧下での沸点が−１９６℃という極低温で非常に気化し易い液体窒素の場合、沸点が高い通常の液体と相違して加圧常態で噴出しても微細粒滴を安定して得ることはできない。その原因は、大気中に液体窒素を噴出すると、常温大気により液体窒素が熱せられて気化し、噴霧前に噴霧ノズル内で気化して圧力変動や、噴出口への気泡の噛み込みが起こり、脈動を生じてしまうことにある。特に、高圧状態で噴出すると液体窒素が噴霧ノズルを通過する際の沸点降下度が大きくなり、ノズル内で液体窒素が沸騰して脈動が生じ、微細粒を安定して得ることはできない。また、他の原因として、大気中に含まれる水分がノズル先端で氷結し、噴出口を塞いでしまい噴霧量が安定しないことにある。さらに、例え安定して噴霧ができたとしても、噴霧した液体窒素の噴霧パターンが容器の搬送方向と整合性がないと容器への液体窒素微細粒の充填精度が悪くなり、そして特に高速ラインの場合は液体窒素微細粒が内容液面への到達時に跳ね返って容器外へ飛散してしまうことがあり、極めて高い精度で液体窒素の少量充填が求められる低陽圧缶詰を得るには未だ満足するものではなかった。
【０００５】
本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、液体窒素の微細粒を得る際の上記技術的問題点をより解決して、液体窒素をより安定的に微細粒化して噴霧することができ、且つたとえ高速ラインであっても液体窒素の微細粒を精度良く容器内に充填することができる液化ガス噴霧充填方法及びその装置を提供することを目的とし、それにより缶材の薄肉化を可能とする品質保証性に優れた低陽圧缶詰を得ることを可能とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の液化ガス噴霧充填方法は、液化ガス貯留タンクと、前記液化ガス貯留タンクの底部に連通して設けられた噴霧ノズルを有する噴霧手段とを備え、該噴霧手段により内容物が充填された容器のヘッドスペース内に液化ガスを微細化して噴霧して充填する液化ガス噴霧充填方法であって、前記液化ガスを噴霧する際のノズル温度を液化ガスの沸点以上沸点＋７５℃以下の範囲にし、且つ噴霧圧力を１kPa〜３０kPaの範囲にして液化ガスを微細粒化して容器に充填することを特徴とするものである。
【０００７】
前記液化ガス噴霧充填方法において、液化ガスを広がり角２０°〜１００°の噴霧パターンを形成するように噴霧ノズルより容器開口部に向けて噴霧することにより、より効果的に液化ガスを微細粒化して容器に充填することが出来る。その際、前記液化ガスの噴霧流量は０．２g/s〜４．０g/sの範囲が好ましく、噴霧流量が０．２g/sより少ないと所望の容器内圧が得られないし、４．０g/sを越えると噴霧時に脈流がが発生しやすく、広がり角も安定せず、安定した噴霧流が得にくい。より好ましい噴霧流量は、０．２g/s〜３．０g/sの範囲である。なお、噴霧パターンとは、ノズル孔から出た直後に形成される液体窒素の多数の微細粒の空間への分布状態を云う。ガス置換陽圧包装体を製造するために容器内に充填される液化ガスとしては、一般に液体窒素が採用されており、本発明も液体窒素の噴霧充填に良好に適用できる。
【０００８】
前記噴霧パターンは、水平断面形状が方形状乃至は楕円形状に近似する形状にすることによって、効率良く液化ガス微粒を容器内に充填でき望ましい。前記噴霧ノズルより噴霧されて形成される液化ガスの微細粒は、その粒径が２mm以下であることが望ましく、２mmを越える粒径であると従来の流下充填の場合と変わらず、微小な充填制御が困難である。
【０００９】
前記液化ガスを噴霧する際、前記噴霧ノズルを、比較的低温のインナーパージガスと比較的高温のアウターパージガスの二重のパージガスにより、外気と遮断するのが望ましい。さらに、液化ガスの噴霧流が容器の進行方向の速度成分を有するように、前記液化ガスを容器の進行に対して鉛直から５°〜４５°、好ましくは１５°〜４０°傾斜して噴霧するのが望ましい。そして、前記噴霧ノズルの先端部から容器充填面に達するまでの噴霧距離は、５〜１００ｍｍが望ましく、より好ましくは４５〜６０ｍｍである。
【００１０】
また、上記目的を達成する本発明の液化ガス噴霧充填装置は、液化ガス貯留タンクと、前記液化ガス貯留タンクの底部に連通して設けられた噴霧手段とを備え、該噴霧手段により内容物が充填された容器のヘッドスペース内に液化ガスを微細化して噴霧して充填する液化ガス噴霧充填装置であって、前記噴霧手段は、液化ガスの流量を制御するバルブと噴霧ノズルを有し、且つ、該噴霧ノズルは前記バルブの弁座から下方に延びる液化ガス通路を構成するパイプの下端部に設けられ、該パイプの外周部を外壁で囲繞し、該パイプと外壁との間に上部が前記液化ガス貯留タンクに流通して前記液化ガス貯留タンクから液化ガスが流入するように構成されているノズル冷却槽を有してなることを特徴とするものである。
【００１１】
上記液化ガス噴霧充填装置において、前記噴霧ノズルは液化ガスを微細化して噴霧する開口部面積が０．１５〜４mm２、好ましくは０．２〜３mm２である噴霧ノズル孔を有している。
【００１２】
前記噴霧ノズルは、前記鉛直方向下向きに５°〜４５°、好ましくは１５°〜４０°傾いて配置することによって、噴霧流に容器搬送方向の速度成分を付与し、液化ガス微細粒を容器内の液面にソフトランディングさせることができて望ましい。また、前記噴霧手段は、少なくともノズル出口部近傍をパージガスで外気と遮断して霜付きを防止するパージ手段を備えているのが望ましい。
【００１３】
前記パージ手段は、インナーパージガス路を形成するインナーパージガスフードと、アウターパージガス路を形成するアウターパージガスフードの二重のパージガスフードで形成し、且つ前記インナーパージガスフードは、前記噴霧ボディ下部外周部からノズル先端を囲うように形成することによって、ノズル先端に面するところを噴霧くちばしとして構成することができる。
【００１４】
噴霧手段は、それを構成する各部材を噴霧ボディに一体に取り付けて噴霧手段組立体として構成することによって、組立がより簡単にでき、望ましい。そして、前記噴霧手段を液化ガス貯留タンクの底部に容器搬送方向に沿って複数個配置するか、あるいは液化ガス流下手段と組合せて配置してマルチノズル構成することによって、内圧に対するバラツキを低減してより精密充填が可能となり望ましい。また、噴霧量が多い場合にも高精度の液化ガス充填が可能となる。
【００１５】
前記液化ガス貯留タンクに、該液化ガス貯留タンク内に液化ガスを供給前に乾燥加熱ガスを供給して該タンク内の水分を除去する初期パージ機構を連結し、初期パージを行うことによって、タンク内に氷ができることがなく望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
この実施形態は、本発明の液化ガス噴霧充填装置を、缶詰に液体窒素を噴霧充填する液体窒素噴霧充填装置に適用した場合を示し、図１はその断面を示し、図２はその噴霧手段組立体部分の立体断面図を示している。図中、１は真空断熱槽を有する二重壁の真空断熱構造に形成された液化ガス（液体窒素）貯留タンク（以下、単にタンクという）であり、その底部開口部に液体窒素を微細化して噴霧するための噴霧手段が設けられている。噴霧手段は、基本構成として液体窒素の流量を制御するバルブ２と噴霧ノズル（以下、単にノズルという）３からなり、液体窒素を確実に微細粒化して噴霧する付加的構成として、バルブ２からノズル３までの液体窒素流路４、該流路を冷却するノズル冷却槽５、ノズル外周部及び出口部を外気と遮断して霜付きを防止するパージ手段等を有し、本実施形態では図２の立体断面図に示すように、これらが噴霧ボディ６に一体に取り付けられて噴霧手段組立体１０を構成している。
【００１７】
噴霧ボディ６は、タンク１の底壁に形成された開口部に合致する内径を有する円筒状外壁１１を有し、その底壁１２を貫通して液体窒素通路を構成するパイプ１３が立ち上がって設けられている。従って、噴霧ボディの円筒状外壁１１とパイプ１３は二重構造になって、円筒状外壁１１とパイプ１３の間には、タンク１から液体窒素が直に流入するノズル冷却槽５を構成している。該ノズル冷却槽は、図示のようにノズル近傍まで延びており、パイプ１３とノズル３を常時液体窒素で冷却するようになっている。それにより、液体窒素をタンクからノズルまで沸騰気化させることなく、且つ沸点近傍までの温度勾配を持たせてノズルに供給することを可能にしている。
【００１８】
パイプ１３の上端開口部はタンク１の開口部に臨み、その入口部にはノズルへの液体窒素の供給を制御するバルブ２の弁座１４が設けられている。バルブ２はニードルバルブで構成され、弁座１４に対向して上下動可能に設けられる弁棒１５がタンク内を貫通してタンク上部に突出しており、図示しない弁制御手段により外部から駆動制御できるようになっている。パイプ１３の上端には、弁座１４の上方に位置して気泡偏向部材１６が設けられノズル冷却槽５に貯溜されている液体窒素が気化しても気泡がパイプ１３内に侵入するのを阻止して、液体窒素の微細粒化の妨げとなる気泡のノズルへの浸入を阻止している。
【００１９】
パイプ１３の下端部は、図１に示すように容器の進行方向Ａに対して噴霧方向が鉛直方向下向きにαだけ傾くように傾斜面に形成され、該傾斜面にノズル３が水平面に対してα傾いた状態で固定されている。傾斜角αは、後述する理由により５°〜４５°の範囲内で適宜選択される。ノズル３は、ノズルチップ１７と該ノズルチップを噴霧ボディに固定する保持口金１８で構成されている。ノズルチップ１７は、下端中央部に容器の進行方向に対して直角に溝１９が形成され、その中央に液体窒素流路に連通する細孔２０が形成されている。保持口金１８は、細孔２０よりも充分に大きな開口を有している。ノズル３が上記構造を有することによって、該ノズルから噴霧される液体窒素は、所定の広がり角をもって進行方向に対して扁平で全体として直方形状〜楕円形の扁平状の噴霧パターンを形成して、進行方向に速度成分を有するように傾斜して噴霧される。噴霧パターンの広がり角は、前記ノズルチップの形状と噴霧圧とによって左右されるが、本実施形態では後述するように、噴霧の広がり角を２０°〜１００°の範囲内で適宜選択する。
【００２０】
噴霧ボディ６の外周部には、バージ手段が設けられている。パージガスは、液体窒素で氷結する成分（水分等）を含んでいない乾燥ガスであれば良く、好ましくは窒素や乾燥空気が良い。バージガス流量が少ないと外気を充分にパージできなくてノズルに霜付きが生じる。一方、パージガス流量が多いと液体窒素の安定的噴霧を阻害し、噴霧流量の減少とバラツキの増大を招く。さらに、バージガス温度が高いと、ノズルや液体窒素噴霧流を加熱することになり、同様に噴霧流量の減少やバラツキの増加を招く。従って、液体窒素を良好に噴霧するには大気温よりも低いパージガスが望ましいが、装置の最外層は常温大気と接しているので、結露・霜付きを防ぐためには、この部分を過度に冷却することは望ましくない。
【００２１】
この観点から、本実施形態では、パージガス流路をインナーパージガス路２１とアウターパージガス路２２と二重に形成して、インナーパージガス路２１には比較的低温のインナーパージガスを、アウターパージガス路２２は比較的高温のパージガスを流すように構成してある。図中、２３は噴霧ボディとの間にインナーパージガス路を形成するためのインナーパージフードであり、噴霧ボディ下部外周部からノズル先端を囲うように形成され、ノズル先端に面するところは噴霧くちばしとなっている。噴霧くちばしの噴霧誘導口２５の形状は、噴霧パターンに対応しており、図２及び図３に示すように本実施形態ではその出口端で容器搬送方向と直角方向が長径となる全体として扁平状楕円形となるように、上端部から所定の広がり角で断面扁平状楕円形に形成されている。上記広がり角は２０°〜１００°の範囲で、液体窒素を充填する容器に応じて選択される。なお、図３は判り易くするために、図１において噴霧手段組立体１０の下方から矢印Ｂ方向に噴霧ノズル部を見た場合を示している。なお、２４は噴霧誘導口２５の上端開口部であり、噴霧ノズルに面して開口している。
【００２２】
さらに、インナーパージフード２３の外周部にはその外周部との間にアウターパージガス路２２を形成するアウターパージフード２６が固定されている。該アウターパージフード２６の外周部には、外周円筒状の保護口金２８が一体に取付けられ、アウターパージフードとの間にヒータ２７が設け、必要に応じてアウターパージフードを加熱して露結・氷結を防止している。図中、２９はインナーパージガス供給管であり、本実施形態ではタンクの気相部分に連結され、タンク内の気化ガスをインナーパージガスとして利用している。３０はアウターパージガス供給管であり、外部の窒素ガスタンクに連結されている。３１はタンクカバーである。
【００２３】
なお、図示されていないが、タンク１には、貯留されている液体窒素３３の液面を計測する液面レベルセンサー、タンク内で気化した気化ガスを大気に逃がしてタンク内圧を一定に保つための排気管、又はタンク内に外部より加圧ガスを導入してタンク内圧を制御するための加圧管が圧力調整弁を介して接続されており、これらの液面レベル、排気量、加圧ガス量を適宜制御することによって噴霧圧を制御することができる。また、タンク内に液化ガスを貯留するに先立ち、タンク内を殺菌し且つタンク内の水分を完全に除去するために、初期パージ機構を備えている。該初期パージ機構は、例えばタンク内を蒸気殺菌するための蒸気の供給と、該蒸気殺菌後にタンク内を乾燥させるために、加熱不活性ガスや加熱空気の供給する機構からなる。
【００２４】
本実施形態の液体窒素噴霧充填装置は、以上のように形成され、タンクの底部開口−弁座１４の弁孔−パイプ１３を経てタンク１からノズルチップ１７のノズル孔２０までの液体窒素流路を形成する。パイプ１３は外周部が液体窒素で冷却されて外部からの熱流入が阻止されているので、タンク１からノズル孔２０までの液体窒素流路は断熱経路となっている。しかしながら、タンクと違って完全な断熱構造ではないので、噴霧ボディ６及びノズルチップ１７への外気熱の流入は完全に阻止されず、パイプ１３を通過する液体窒素は熱流入の影響を受け温度が次第に上昇し、温度勾配が生じる。該温度勾配を利用することによって、ノズル孔２０を通過する液体窒素を噴霧圧での沸点近くまで上昇させることが可能であり、ノズル孔２０から放出する液体窒素を効果的に微細粒化することができる。
【００２５】
ところで、極低温の液体窒素を容器内に正確に定量充填するには、液体窒素の安定した噴霧と、噴霧された液体窒素が容器内に適正に充填されることが要求される。本発明では、液体窒素の安定した適正な噴霧のための噴霧条件として、ノズル温度、ノズル孔径、噴霧圧、噴霧流量等について種々検討し、また噴霧された液体窒素が容器内に適正に充填する条件として、噴霧パターン、噴霧粒径、噴霧角、噴霧距離について検討した。
【００２６】
噴霧パターンは、噴霧流量と噴霧広がり角に左右され、また噴霧された液体窒素の粒径によっても左右される。ところで、充填時の缶内圧は噴霧流量（即ち、缶内充填量）に関係し、噴霧流量は噴霧圧とノズルチップの穴面積によって決まるので、充填缶内圧を高くするためには、ノズル穴径を大きくする、及び又は噴霧圧を高くする必要がある。しかしながら、ノズル孔径を大きくすると、液滴の直径が大きくなり、充填液中に潜り込んで突沸する現象が起こる。また、液滴の入る個数による充填内圧のバラツキや、液滴の飛散によるバラツキの影響が大きくなり、充填缶内圧精度が悪くなる。そこで、缶に６５℃温水を２４０ｇ充填し、ライン速度１５００ｃｐｍで稼動して、単位時間当たりの液体窒素噴霧流量と缶内圧のバラツキの関係を調べた。なお、液体窒素の噴霧流量は、ノズルより噴霧した液体窒素を、液体窒素を満たした容器を上皿上に設置した天秤で捕集し、単位時間当たりの重量増加量を測定することにより求めた。その結果を、図４に示す。
【００２７】
図４は、噴霧圧が１ｋＰａ、５ｋＰａ、１０ｋＰａの場合の液体窒素噴霧流量と缶内圧との関係を示している。図から明らかなように、何れの噴霧圧の場合も噴霧流量が増えるにつれて次第にバラツキが大きくなり、４．０ｇ／ｓを越えるとバラツキがかなり大きくなった。また、逆に噴霧流量が少なければ缶内圧のバラツキは少なくなるが、０．２ｇ／ｓ以下であると、所望する缶内を得ることはできないので、噴霧流量としては０．２ｇ／ｓ〜４．０ｇ／ｓの範囲が好ましく、より好ましくは０．２ｇ／ｓ〜３．０ｇ／ｓの範囲である。
【００２８】
一方、ノズル孔面積と液体窒素噴霧量との関係を、上記の各噴霧圧１ｋＰａ、５ｋＰａ、１０ｋＰａの場合において、上記実施形態の形式のノズルのノズル孔面積を０．１〜４ｍｍ２の範囲で変化させて、ノズル孔面積に体する液体窒素噴霧流量を測定した。その結果、図５のグラフに示すように、ノズル孔面積と噴霧流量は強い相関性を持ち、ノズル孔面積を０．１５〜４．０ｍｍ２の範囲にすることによって、噴霧流量０．２ｇ／ｓ〜４．０ｇ／ｓの噴霧流量を得ることができる。孔面積が４ｍｍ２であると噴霧流量２．０ｇ／ｓ以下の流量を得ることは困難であるので、噴霧流量０．２ｇ／ｓ〜３．０ｇ／ｓを確実に得るには、ノズル孔面積は０．２〜３ｍｍ２の範囲で選択すれば良い。
【００２９】
一方、噴霧の場合、図４に示すように、液体窒素の微細粒が空間内に広がって分布するので、筋状に流下する場合と違って缶の開口部の全面積あるいは広い範囲にわって液体窒素の微細粒が充填される。その結果、液体窒素の蒸発が充填液面の広い範囲で起こり、酸素除去効果が流下の場合と比べて高まる利点がある。その広がり角βは、ノズルチップの形状と噴霧圧とによって決まる。広がり角が大きいと開口部の広い範囲に広がるが、微細粒があまり広い範囲に分布すると、缶の開口部からはみ出すことになり、効率が悪くなる。従って、噴霧の広がり角の範囲は、容器が缶詰の場合は、２０°〜１００°の範囲が望ましい。広がり角が２０°以下であると、殆ど流下状態に近くなり、上記利点が発揮されない。噴霧の広がり角は容器の口径と噴霧距離によっても影響されるが、例えば実噴霧距離が３５〜６５ｍｍ、容器口径５０ｍｍの場合、広がり角は７１°〜４２°の範囲がより望ましく、容器口径６０ｍｍの場合は広がり角は８６°〜５４°の範囲がより望ましかった。
【００３０】
噴霧圧は、本実施形態ではタンク内の圧力を測定し、噴射孔から液面までの高さから計算されるヘッド圧を加算して求めて制御する。即ち、噴霧圧は、液体窒素の蒸発によって生じる自生圧、タンクの外部から印加する圧力、及び液体窒素の自重によって生じるヘッド圧の合計として考える。液体窒素の微細粒を作り出すには噴霧圧がかかることが必要であるが、噴霧圧が高い場合は沸点上昇により液体窒素の過剰な気化が生じ充分な噴霧状態とならない。一方、タンク内圧が高い場合、液体窒素供給源からの給液が困難となり、特に気液分離器から液体窒素の供給を受ける場合は顕著になる。このことから噴霧圧範囲は、１ｋＰａ〜１５０ｋＰａ、特に大気開放型気液分離器を使用する場合は１ｋＰａ〜３０ｋＰａの範囲が好ましかった。
【００３１】
また、噴霧によって形成される液体窒素の微細粒の粒径は、必ずしも霧や靄状の極微細粒である必要はなく、充填時に液面との衝突による液滴の飛散がなく、且つ所定量が容器内に液体窒素として残留できる条件を満たすものであれば良い。実験の結果、噴霧により形成される微細粒の粒径は、２ｍｍ以下であれば上記条件を満たし、２ｍｍを越えると従来の流下充填の場合と変わらなかった。そして、平均粒径１ｍｍ以下の微細粒の場合が、より上記条件を効果的に満たし望ましかった。
【００３２】
以上の条件設定で液体窒素の微細粒化する噴霧を良好に行うことができるが、さらに本実施形態では、噴霧された液体窒素微細粒がより正確に容器内に充填させるために、液体窒素の噴霧角と噴霧距離について検討した。まず、ノズルから噴霧される液体窒素の微細粒が、内溶液面にソフトランディングして、容器液面到達時に跳ね返ることなく確実に容器内に充填できるように工夫した。そのための技術手段として、液体窒素の噴霧方向を容器の進行方向に曲げて、噴霧流に容器進行方向の速度成分がでるように、ノズルチップを容器の進行方向に対して噴霧角αだけ曲げて配置した。噴霧角の最適値について実験したところ、噴霧角は５°〜４５°が適正であり、該噴霧角が４５°以上になると液体窒素微細粒の飛行距離が長くなり、液体窒素の蒸発量が多くなると共に、容器から噴霧流がはみ出してしまうことがある。また、５°未満であるとソフトランディング効果が少なかった。噴霧角が１５°〜４０°の範囲が上記効果をより満たしたので、より好ましい範囲である。
【００３３】
また、噴霧距離については、ノズルチツプと充填液面を近付けると、噴霧距離に対する缶内圧の変動が大きくなり、充填内圧精度が低下する。一方、噴霧距離が遠くなると、缶の外側にこぼれ出てしまい充填内圧が低下する。また、大気中での蒸発も影響する。従って、これらの中間領域に、距離に対して缶内圧が変動しない領域がある。この事実を実験により確認したところ、噴霧距離として５〜１００ｍｍの範囲が採用可能であったが、より望ましくは４５〜６０ｍｍの範囲が殆ど缶内圧の変化がなく望ましい結果が得られた。
【００３４】
図８は本発明の他の実施形態を示し、液化ガス貯留タンク４０に噴霧手段を複数（図の実施形態では２組）設けた場合を示し、該噴霧充填装置の下方を移動する容器に複数の噴霧手段により微細粒化された液体窒素を順次充填するようになっている。この実施形態において、各噴霧手段組立体１０の構成は前記実施形態と同様であるので、同一構成部材には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３５】
容器に複数のノズルより液化窒素ガスを噴霧充填することにって、次のような利点がある。噴霧流量を変化させず、複数のノズルを用いて充填すると、容器内圧はノズル本数の１乗に比例するのに対して、標準偏差は１／２乗に比例する。即ち、ライン速度が増加すると、容器がノズルの下を通過する時間はライン速度に反比例して少なくなるため、容器が受け取る全液体窒素量も減少し、結果として容器内圧ライン速度に反比例して減少する。また、標準偏差も同様に、ライン速度に反比例して減少する。今、ある速度において、１本のノズルで所定の容器内圧が得られているとき、これをＮ本のノズルに分割して充填することを考える。各々のノズルの噴霧流量を減じて、得られる容器内圧が１／Ｎとなるように設定する。このとき、各ノズルのバラツキ（標準偏差）は１／Ｎとなる。このＮ本のノズルを容器の進行方向に配置して充填すると、容器内圧はＮ×１／Ｎ＝１となり、元と同じ容器内圧が得られる。このときの標準偏差は、Ｎの平方根分の１となり１本のノズルで充填した場合と比べてばらつきが抑制される。従って、図８に示す噴霧充填装置で充填する場合の標準偏差は２の平方根分の１となり、高速ライン又は液体窒素充填量が多い場合は望ましい。
【００３６】
上記実施形態では、複数の噴霧充填装置を組合せて用いた場合を示したが、容器の種類によっては噴霧充填と流下充填装置と組み合わせても良い。例えば、飲料缶詰の製造ラインにおいて、一般的なライン速度は１００ｍ／分（１２００ｃｐｍ）と高速であり、このような高速充填ラインで所定の容器内圧を得るためには、液体窒素の噴霧量を多くする必要がある。しかしながら、１本のノズルからの噴霧量を多くするには、噴霧流量・圧力を高くするか及び又はノズル孔径を大きくする必要があるので、噴霧時の液体窒素の微細粒子化に大きな影響を及ぼし、安定した液体窒素の微細粒子化が困難になり、容器内への充填量のバラツキが大きくなる。その場合、流下ノズルと噴霧ノズルを組み合わせることによって、流下ノズルから必要液体窒素量の多くを充填し、噴霧ノズルからはその不足分を充填すれば良いから、噴霧流量を多くすることなく液体窒素の噴霧を良好に行うことができ、内圧精度の高い缶詰類を得ることができる。
【００３７】
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限らず、その技術思想の範囲内で種々の設計変更が可能である。例えば、前記パージ手段として、二重のパージガスフードを設けたが必ずしも二重にする必要はない。また液化不活性ガスとしては、液体窒素の外に炭酸ガス、アルゴンガス、又はそれらの混合ガスを採用しても良い。また、液化不活性ガスに代えてドライアイスを採用することも可能である。さらに、本発明のガス置換陽圧包装体の製造方法は、包装体が缶詰の場合に限らず、密封できて内圧を保持できる容器であればよく、プラスチックボトル、成形容器、柔軟材包装容器、ガラス壜等にも適用可能である。また、内容物は液体に限らず、固体の場合も適用可能である。
【００３８】
【実施例】
実施例１
図１に示す液化ガス噴霧充填装置において、ノズル孔の断面積は０．４４ｍｍ２、ノズルの傾斜角３０°の噴霧ノズルを採用し、タンク内圧を１０．０ｋＰａ（そのときの噴霧圧力は１１．２ｋＰａとなる）に設定し、且つインナーパージガスとしてタンク内の気化ガスを、アウーターパージガスとして常温の窒素ガスを窒素ガスボンベよりそれぞれ導入して、液体窒素の噴霧を行った。そのときのノズル温度、噴霧流量、噴霧パターンの広がり角及び水平断面形状、液体窒素の微細粒径をそれぞれ次の方法で測定した。
【００３９】
ノズル温度は、ノズルチップの外側、ノズル孔近傍に熱電対を接触させて測定した。そのとき噴霧中の温度は−１８０℃〜−１９０℃の範囲にあった。また、噴霧流量は、噴霧された液体窒素を、液体窒素を満たした容器を電子天秤の上皿に載せて捕集し、単位時間当たりの重量増加量を測定することにより測定した。その結果上記条件における噴霧流量は０．４４ｇ／ｓであった。また、噴霧パターンの広がり角及び水平断面形状は、ノズルから５０ｍｍ離れた位置で、噴霧流を横断するように水平面に設置した濾紙で受けて、液体窒素微細粒の分布状態を調べた。その結果、噴霧パターンの断面形状が図７に示すように、容器搬送方向が短い細幅の略方形状を呈していた。その最大噴霧幅ａ及び最大噴霧厚みｂを測定したら、それぞれ４３ｍｍ、１１ｍｍであった。そして、その広がり幅を測定し、角度に換算したら、広がり角βは４６．５°であった。さらに、噴霧状態を高速度ＶＴＲで撮影し、画像上でその直径を測定したら、粒径は略０．３〜２ｍｍの範囲に分布し、平均粒径は０．９ｍｍであった。
【００４０】
このような噴霧状態を１２０分間続けたが、その間上記計測値を維持して安定した噴霧状態を続け、またノズル出口にも霜の付着は見られなかった。従って、本発明の方法及び装置によれば、粒径０．３〜２ｍｍの範囲の液体窒素微細粒が所定噴霧量（上記の場合は０．９４ｇ／ｓ）が安定して得られることが確認された。それにより、該噴霧装置から噴霧される液体窒素微細粒を缶内に正確に充填すれば、従来の流下充填方式では困難であった液体窒素の少量充填が安定してできることになり、内圧精度の高い微陽圧缶詰を製造することが可能である。
【００４１】
実施例２
そのことを確認するために、上記の条件で、缶内圧５５ｋＰａ（後述の実施例３よりは高い内圧）の微小陽圧缶詰を得ることを目標に設定して、次のようにして缶詰を製造した。
満注内容積２６３ｍｌのスチール製２ピース缶胴に６５℃の温水を２４０ｍｌ充填し、図１に示されているガス置換陽圧包装体の製造装置の下をノズルチップと充填液面との距離（噴霧距離）が、略５０ｍｍとなるように搬送コンベヤと液化ガス噴霧充填装置との距離を設定し、ライン速度７６ｍ／ｍｉｎの速度で搬送コンベヤを稼動させ、噴霧状態が安定した状態で内容液が充填された缶を通過させて液体窒素の微細粒を容器ヘッドスペースに充填し、直ちにアルミニューム製蓋を巻締密封して、低陽圧缶詰を製造した。
【００４２】
そのときの液体窒素噴霧流の缶内への充填状況を観察すると、噴霧流は図７に示すよな噴霧幅及び噴霧厚みを有し、且つ下方を移動する缶に対して３０°の傾斜角で噴霧され、その殆どが缶内に充填される状態であった。そして、製造した陽圧缶体の缶内圧を１２０缶測定した結果、缶内圧は４２ｋＰａから６５ｋＰａの間に分布し、平均値は５３ｋＰａであった。従って、目標値に近似した内圧が発生し、全ての缶体が所望する低陽圧の範囲にあった。
【００４３】
実施例３
上記実施例２よりも低い缶内圧３５ｋＰａの低陽圧缶詰を得ることを目標にして、ライン速度を１１４ｍ／ｍｉｎに高速度にした外は、実施例２と同じ条件で低陽圧缶詰を９５９缶製造した。
得られた缶詰の内圧を全数検査した結果、缶内圧は２９ｋＰａから４３ｋＰａの間に分布し、高速ラインであっても缶内圧のバラツキは少なく、低陽圧の缶詰を安定して製造することができた。そのことは、本装置は噴霧流が缶の進行方向の速度成分を有しているので、ライン速度が高速であっても液体窒素微細粒が液面にソフトランデイングすることができ、極めて精度良く液体窒素が缶内に充填されることによる。
【００４４】
比較例１
上記装置において、噴霧圧力を２０１．２ｋＰａ（タンク内圧２００ｋＰａ）に設定して噴霧量を２．０ｇ／ｓで液体窒素を噴霧して、他は上記と同じ条件で液体窒素を容器内に充填した。その結果、噴霧時に脈動が生じ噴霧流の広がり角も安定せず、安定した噴霧流を得ることができなかった。また、得られた缶詰の缶内圧は２２ｋＰａから７５ｋＰａの間に分布し、低陽圧の缶詰を安定して得ることができなかった。
【００４５】
比較例２
図１に示す液化ガス噴霧充填装置と基本的には同じ構造であるが、噴霧ノズルをパイプ１３の下端に水平にとりつけた構造のものとし、それに合わせて噴霧くちばしの軸線も噴霧ノズル軸線と一致させて缶搬送方向と垂直となるような装置を試作し、実施例２と同様な噴霧条件でライン速度を▲１▼７６ｍ／ｍｉｎ、▲２▼１１４ｍ／ｍｉｎにした場合についてそれぞれ低陽圧缶詰を製造した。
【００４６】
その結果、低速である▲１▼の場合は、缶内圧は３２ｋＰａから５８ｋＰａの間に分布し、比較的内圧のバラツキが少ない低陽圧缶詰を得ることができた。しかしながら、高速ラインである▲２▼の場合は、噴霧された液体窒素微細粒の内溶液面からの跳びはねが生じ、缶内圧は７ｋＰａから３９ｋＰａの間に分布し、目標内圧に対してバラツキが大きかった。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の液化ガス充填方法及びその装置によれば、液化ガスをより安定的に微細粒化して噴霧することができ、且つたとえ高速ラインであっても液化ガスの微細粒を精度良く容器内に充填することができ、それにより液化ガスの少量充填も高精度で充填でき、缶材の薄肉化を可能とする品質保証性に優れた低陽圧缶詰等を得ることができる。そして、噴霧パターンが広がり角を有するので、液化ガス微細流が空間内に分布し、容器開口部の全面積乃至は広い範囲に渡って液化ガスが充填され、酸素除去効果が高い。
【００４８】
特に、液化ガス噴霧流が、方形状乃至は楕円形状に近似する噴霧パターンを形成することによって、容器開口部の広い範囲にわたって充填できると共に、容器からはみ出しが少なくなり、液化ガスを効率良く充填できる。
【００４９】
また、二重のパージガスにより外気と遮断することによって、液化ガスの安定的噴霧ができると共に、ノズル外周部への結露・霜付きを効果的に防止できる。さらに、本発明の噴霧手段は、噴霧ノズル近傍まで延びて噴霧ノズルを冷却するノズル冷却槽を設けてあるので、液化ガスを微細粒化するための温度条件（温度勾配）を効果的に満たすことができ、安定して液化ガスを噴霧することができる。
【００５０】
さらに、噴霧ノズルを斜めに配置して、噴霧流に容器搬送方向の速度成分を付与することによって、液化ガスを容器液面にソフトランデッイングでき、液化ガス充填精度をより高めることができる。
【００５１】
さらにまた、噴霧ノズルを容器進行方向に沿って複数個配置することによって、噴霧流量が多い場合にも高精度で液化ガスを充填することができる。また、流下ノズルと組み合わせることによって、流量調整による内圧制御性を得ることができる。また、初期パージ機構を備えることによって、液化ガス噴霧充填装置の使用に先立って、タンク内の水分を完全に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る液化ガス噴霧充填装置の断面図である。
【図２】噴霧手段組立体の三次元断面図である。
【図３】噴霧くちばし出口部から見た噴霧ノズルの底面図である。
【図４】缶内圧と液化ガス噴霧流量との関係を表す線図である。
【図５】缶内圧と噴霧ノズル孔面積との関係を表す線図である。
【図６】容器と噴霧ノズルの位置関係を表す模式図である。
【図７】噴霧パターンの断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る液化ガス噴霧充填装置の断面図である。
【符号の説明】
１、４０  液化ガス貯留タンク          ２  バルブ
３  噴霧ノズル                        ４  液体窒素流路
５  ノズル冷却槽                      ６  噴霧ボディ
１０  噴霧手段組立体                  １３  パイプ
１４  弁座                            １５  弁棒
１６  気泡偏向部材                    １７  ノズルチップ
２０  ノズル孔                        ２１  インナーパージガス路
２２  アウターパージガス路            ２３  インナーパージフード
２５  噴霧誘導口                      ２６  アウタパージフード
２７  ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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