(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気化して不活性ガスとなる直径が１mm以下の複数の粒子からなる液体と、ガス置換陽圧包装体の最終平衡温度以下の低温不活性ガスとを、前記複数の粒子からなる液体の量と前記低温不活性ガスの量とを制御して容器ヘッドスペース内に吹き込んで密封することにより、ヘッドスペース内のガスを不活性ガスに置換すると共に、密封後の気化して不活性ガスとなる液体の気化膨張と前記低温不活性ガスの温度膨張により所定の内圧を発生させることを特徴とするガス置換陽圧包装体の製造方法。
【請求項２】
前記低温不活性ガスは、前記気化して不活性ガスとなる液体の一部が気化して発生したものである請求項１記載のガス置換陽圧包装体の製造方法。
【請求項３】
前記気化して不活性ガスとなる液体が液体窒素である請求項１又は２に記載のガス置換陽圧包装体の製造方法。
【請求項４】
前記容器ヘッドスペース内に吹き込む不活性ガスが、窒素ガス又は炭酸ガスである請求項１〜３何れかに記載のガス置換陽圧包装体の製造方法。
【請求項５】
前記容器が金属缶であり、フィラーからシーマーへの搬送中の缶に前記気化して不活性ガスとなる液体と不活性ガスとを吹き込むようにした請求項１〜４何れかに記載のガス置換陽圧包装体の製造方法。
【請求項６】
前記容器が金属缶であり、シーマーのアンダーカバーガッシング機構により、気化して不活性ガスとなる液体と不活性ガスとを、巻締直前の缶に吹き込むようにした請求項１〜５何れかに記載のガス置換陽圧包装体の製造方法。
【請求項７】
ガス置換陽圧包装体の最終平衡温度以下の低温不活性ガスを吹き出す不活性ガスノズルと、気化して不活性ガスとなる液体の微細な粒子を供給するミスト供給ノズルとからなるノズル体を有し、前記不活性ガスノズルは気体温度調節機構、圧力調整弁、流量調整弁を介して不活性ガス供給機構に連結され、且つ前記ミスト供給ノズルは、圧力調整弁及び流量調節弁を介して気化して不活性ガスとなる液体の供給機構に連結され、前記ノズル体からガス置換陽圧包装体の最終平衡温度以下の低温不活性ガスと、気化して不活性ガスとなる液体の微細な粒子とを密封前の容器ヘッドスペース内に供給するように前記ノズル体を配置したことを特徴とするガス置換陽圧包装体の製造装置。
【請求項８】
細孔からなるノズル孔を有し、該ノズル孔の外周部には、細孔内壁温度が所定の温度条件を満たすように細孔内壁に外部からの熱の流入をコントロールする断熱手段が施され、液体窒素を所定圧力で供給することにより沸騰気化した低温窒素ガスと液体窒素の微細な粒子とを噴霧するノズル体を有し、該ノズル体が液体窒素供給機構に連結され、密封前の容器ヘッドスペース内にガス置換陽圧包装体の最終平衡温度以下の低温窒素ガスと液体窒素の微細な粒子を供給するように前記ノズル体を配置してなり、前記液体窒素供給機構は流量調整弁、圧力調整弁及びこれらの各弁を制御する制御装置を有し、前記ノズル体から前記容器内に充填する前記低温窒素ガス量と前記液体窒素の微細な粒子量を制御できるようになっていることを特徴とするガス置換陽圧包装体の製造装置。
【請求項９】
ガス置換陽圧包装体が缶詰であり、前記ノズル体が、フィラーからシーマーへの搬送コンベヤの上方に設けられている請求項７又は８に記載のガス置換陽圧包装体の製造装置。
【請求項１０】
ガス置換陽圧包装体が缶詰であり、前記ノズル体が、シーマーのアンダーカバーガッシング装置として設けられている請求項７又は８に記載のガス置換陽圧包装体の製造装置。
【請求項１１】
前記液体窒素供給機構が、液体窒素供給タンク、該液体窒素供給タンクと液体窒素供給配管を介して連結された第１圧力調整タンク、該第１圧力調整タンクの底部と連結配管を介して連結された第２圧力調整タンクとを有し、該第２圧力調整タンクの底部に充填配管が設けられ、該充填配管の端部に前記ノズル体が設けられている請求項１０記載のガス置換陽圧包装体の製造装置。
【請求項１２】
前記ノズル体がフィラーからシーマーへの搬送コンベヤの上方に複数個直列に設けられている請求項９又は１１記載のガス置換陽圧包装体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、缶、成形容器、プラスチックボトル、ガラス壜等の容器におけるガス置換陽圧包装体の製造方法及びその装置、特に不活性ガス置換率を高めることができ、且つ適正な陽圧となる容器内圧を安定して得ることができるガス置換陽圧包装体の製造方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、缶詰製造に際して、フィラーからシーマへの搬送途中で缶のヘッドスペースに液体窒素を流下させて充填し、液体窒素の気化膨張が続いているうちに巻締密封することによって、密封後に残留液体窒素の気化膨張により内圧を発生させるようにした缶詰製造方法が一般に行われている。液体窒素を封入して缶に陽圧を発生させるのは、陽圧により缶に剛性をもたせて缶材料の薄肉化を可能にして使用材料の削減を図ることを主目的とするものであるが、缶内のガス（空気）を窒素（不活性ガス）で置換して酸素を除去することにより、内容物の酸化によるフレーバ劣化を防ぐ効果もある。さらに、缶内を積極的に陽圧あるいは陰圧にして、缶内の圧力が所定圧に保持されているかを検査することにより、缶詰の漏洩や細菌混入による内容物の変敗の検出を可能にして、内容物の安全性を保証する目的もある。
【０００３】
一方、缶内ガスを不活性ガスに置換する方法としては、缶詰製造ラインでは、フィラーからシーマへの搬送途中で缶のヘッドスペースに窒素ガスを吹き付けて置換する方法と、シーマ内で缶胴に缶蓋が被さる直前に蓋の隙間から窒素ガスを吹き込むいわゆるアンダーカバーガッシング法が行われている。これらのガス置換に使われるガスは常温の窒素ガス、まれには炭酸ガス、その他の不活性ガスあるいはそれらの混合ガスが使用される。その場合、缶内に流下した液体窒素の密封までの気化膨張で、缶内の空気を置換する効果はあるが、それのみでは置換効率が低く、酸化し易い内容物の場合は、液体窒素充填の外にさらにアンダーカバーガッシングにより、ガス置換を行っている（例えば、特公昭５８−１５３６３号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の液体窒素を封入して内圧を発生させる方法は、充填内圧のバラツキが大きくて圧力精度が悪く、所定内圧を安定して得ることが困難である。そのため、缶の使用材料を設定内圧いっぱいに耐圧強度を下げることができず、効果的に使用材料を削減することができないという問題がある。また、従来の常温窒素ガスを搬送中又はアンダーカバーガッシングによりヘッドスペースに吹き込むガス置換方法は、置換効率を向上させるのに限度があり、陰圧缶の場合と比べて相対的に置換効率が低いという問題点があった。
【０００５】
上記問題点の発生原因は次のような点にある。
従来の液体窒素流下による作用状態が模式的に図１０に示されている。シーマへの搬送中に缶２０に流下充填された液体窒素４０は内容物の上で液滴となる（図１０（ａ））が、その時点ではヘッドスペースのガスを置換しない。搬送中に液体窒素の気化により窒素ガス４２が発生して酸素と置換されるが、同図（ｂ）に示すように、搬送中に液体窒素の液滴が内容液上で揺動し、矢印で示すように空気の巻き込みが起こり、缶内の酸素を効果的に除去することができない。しかも、シーマで缶は公転運動するため、図１０（ｃ）に示すように、内容液上の液体窒素４２が外部に飛散する。そのため、たとえ、定量の液体窒素を流下充填しても、巻締時点での缶内の液体窒素残量にバラツキが発生し、密封後に液体窒素の気化により発生する内圧にバラツキが生じる。また、アンダーカバーガッシングは常温窒素ガスをヘッドスペースに吹き込む（図７（ｄ））ことによって、ガス置換率を高めようとするものであるが、その際、窒素ガスを強く吹き付けると液上にある液体窒素が外部に吹き跳ぶので、吹き付け圧に制限を受け、缶内の残存酸素を完全に除去することができず、高置換率を得ることが困難であること等にある。
【０００６】
さらに、従来の液体窒素充填法による陽圧缶の内圧のバラツキは、内容物充填量のバラツキによっても生じる。即ち、仮に定量の液体窒素が残留したとしても、図４のグラフにおいて線図ロで示すように、内容物充填量が増加（即ち、ヘッドスペースが減少）したとき、液体窒素の気化膨張で充填内圧が増大してしまうことになり、より正確な内圧を得るためには内容物充填量のバラツキに合わせて、液体窒素充填量を調整しなければならず、従来の方法では達成することは不可能であった。
【０００７】
そこで本発明は、上記従来の問題点を一挙に解決しようとするものであり、陽圧包装体のガス置換率を従来よりも飛躍的に向上させることができ、且つ陽圧包装体の充填内圧精度を向上させて、所定内圧を安定して得ることができる陽圧包装体製造方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
例えば、一般に行われている液体窒素充填陽圧缶詰の製造において、巻締時における缶内への液体窒素残量を所定値に確保できれば、缶内に供給する液体窒素量を制御することによって、缶内圧を高精度で制御することができる。そのためには、特にシーマーでの缶の公転・自転による液体窒素の飛散を如何にして防ぐことができるかが課題である。この課題を解決するために、本発明者は、液体窒素の液滴の大きさに着目して、液滴の直径と缶の自転による液滴飛散距離を調べる実験を行った結果、図３のグラフに示すような結果が得られた。図の実験は缶の自転速度が２５００ｒｐｍ、巻締時間０．２秒の場合である。その結果、液滴の粒径が小さいほど飛散距離が小さく、粒子径１mmであると、約３０mm飛散するのに対し、粒径が０．１mmであると飛散距離は約０．３mmしか飛散せず、粒径が大きくなるにつれて飛散距離はべき級数的に増大することが分かった。従って、この実験によれば、自転速度２５００ｒｐｍでは液体窒素の粒径が１mmを超えると、飛散距離が通常の飲料缶では缶外に飛散してしまうものが多くなり、それ以下であると缶外への飛散が殆どなくなることが予測される。それ故、液滴の粒径を小さくしてミスト（微細な粒子）状に微細化することは、液体窒素の缶外への飛散防止に極めて有効であることが分かった。液滴を微細化することにより、液体窒素の飛散距離が小さくなる原因として、微細化すると慣性力の影響より粘性の影響が支配的となり、飛散しなくなるものと考えられる。
【０００９】
一方、ガス置換率の向上のためには、ヘッドスペースの空気を完全に追い出し、且つその後密封充填までの間にヘッドスペースへの空気の巻き込みが起らないようにする必要がある。該問題を解決するために、種々研究した結果、気化して不活性ガスとなる液体又は固体の微細な粒子と不活性ガス、特にミスト状の液体窒素と低温の気体窒素を、容器ヘッドスペース内に充填することによって、ヘッドスペースの空気を完全に追い出し、且つその後密封充填までの間にヘッドスペースへの空気の巻き込みが起らず、高置換率でガス置換を行うことができると共に、内圧のバラツキも生じなく一定の陽圧を安定して得ることができることを見出し、本発明に到達したものである。
【００１０】
即ち、上記問題点を解決する本発明のガス置換陽圧包装体の製造方法は、気化して不活性ガスとなる液体又は固体と、不活性ガスとを、容器ヘッドスペース内に吹き込んで密封することにより、ヘッドスペース内のガスを不活性ガスに置換すると共に、密封後の残留液体又は固体の気化膨張により内圧を発生させることを特徴とするものである。前記不活性ガスは、最終平衡温度以下の低温不活性ガスであることが望ましく、それにより密封後の残留液体又は固体の気化膨張と共に、低温不活性ガスの温度膨張により安定した内圧を発生させることができる。前記低温不活性ガスは、気化して不活性ガスとなる液体又は固体の微細な粒子と別のノズルから吹き込んでも良いし、前記気化して不活性ガスとなる液体又は固体の一部が気化して発生したものであっても良い。また、前記気化して不活性ガスとなる液体又は固体の微細な粒子は、直径が１mm以下のミスト状であるのがより望ましい。
【００１１】
前記気化して不活性ガスとなる液体として、一般的には液体窒素が採用でき、気化して不活性ガスとなる固体として、ドライアイスが採用できる。また、前記容器ヘッドスペース内に吹き込む不活性ガスとしては、窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンガス、又はそれらの混合ガスが採用できるが、最も好適には窒素ガスが採用できる。
【００１２】
容器が金属缶の場合、フィラーからシーマーへの搬送中に、又はシーマー内のアンダーカバーガッシング機構により巻締直前に、さらには、シーマーへの搬送中とアンダーカバーガッシング機構による巻締直前との両方で、缶に気化して不活性ガスとなる液体又は固体の微細な粒子と不活性ガスを同時に吹き込むようにすることができる。
【００１３】
上記方法を達成する本発明のガス置換陽圧包装体の製造装置は、 ガス置換陽圧包装体の最終平衡温度以下の低温不活性ガスを吹き出す不活性ガスノズルと、気化して不活性ガスとなる液体の微細な粒子を供給するミスト供給ノズルとからなるノズル体を有し、前記不活性ガスノズルは気体温度調節機構、圧力調整弁、流量調整弁を介して不活性ガス供給機構に連結され、且つ前記ミスト供給ノズルは、圧力調整弁及び流量調節弁を介して気化して不活性ガスとなる液体の供給機構に連結され、前記ノズル体からガス置換陽圧包装体の最終平衡温度以下の低温不活性ガスと、気化して不活性ガスとなる液体の微細な粒子とを密封前の容器ヘッドスペース内に供給するように前記ノズル体を配置したことを特徴とする技術的手段からなる。
【００１４】
上記方法を達成する本発明の他のガス置換陽圧包装体の製造装置は、細孔からなるノズル孔を有し、該ノズル孔の外周部には、細孔内壁温度が所定の温度条件を満たすように細孔内壁に外部からの熱の流入をコントロールする断熱手段が施され、液体窒素を所定圧力で供給することにより沸騰気化した低温窒素ガスと液体窒素の微細な粒子とを噴霧するノズル体を有し、該ノズル体が液体窒素供給機構に連結され、密封前の容器ヘッドスペース内にガス置換陽圧包装体の最終平衡温度以下の低温窒素ガスと液体窒素の微細な粒子を供給するように前記ノズル体を配置してなり、前記液体窒素供給機構は流量調整弁、圧力調整弁及びこれらの各弁を制御する制御装置を有し、前記ノズル体から前記容器内に充填する前記低温窒素ガス量と前記液体窒素の微細な粒子量を制御できるようになっていることを特徴とする技術手段からなる。
【００１５】
ガス置換陽圧包装体が缶詰である場合、前記ノズル体を、フィラーからシーマーへの搬送コンベヤの上方に設けることができる。また、他の手段として、前記ノズル体を、シーマーのアンダーカバーガッシング装置として設けることができる。さらには、前記両方にノズル体を設けることによって、よりガス置換率を高めることができる。さらに、前記液体窒素供給機構を、液体窒素供給タンク、該液体窒素供給タンクと液体窒素供給配管を介して連結された第１圧力調整タンク、該第１圧力調整タンクの底部と連結配管を介して連結された第２圧力調整タンクとで構成し、該第２圧力調整タンクの底部に充填配管を設けてその端部に前記ノズル体を設けるように構成することによって、第１圧力調整タンクで一旦減圧してから第２圧力調整タンクに液体窒素を供給することができ、ノズル体からの液体窒素の噴霧圧を良好に制御できて望ましい。さらにまた、前記ノズル体をフィラーからシーマーへの搬送コンベヤの上方に複数個直列に設けることによって、気化して不活性ガスとなる液体又は固体の微細な粒子と不活性ガスとを１個のノズル充填した場合と比べ、複数Ｎ個のノズルで充填すれば充填量のバラツキがＮの平方根分の１に減少するので、内圧のバラツキがさらに少ないガス置換陽圧包装体を得ることができる。
【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。
以下本発明の実施形態を図面を基に詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態を示す模式図である。
本実施形態は、内容液が充填された缶２０をフィラーからシーマに搬送中に、シーマ直前のコンベヤ２１上で缶のヘッドスペースにミスト状の液体窒素（即ち、液体窒素の微細な粒子）と低温の窒素ガスを同時に充填する場合である。図中、１はミスト状の液体窒素と低温の窒素ガスを流出するノズル体であり、不活性気体供給ノズル３の中央部にミスト供給ノズル２が配置され、図示のように中央部からミスト状液体窒素が流下し、その周囲を包むように低温気体窒素が缶内に吹き付けられるように構成されている。
【００１７】
ミスト供給ノズル２は、液体窒素供給タンク５に配管６を介して連結され、配管の途中に圧力調整弁７及び流量調整弁８が設けられ、これらの弁を制御装置９によって制御することによって、缶に供給するミスト状液体窒素の粒径及び供給圧力及び流量を制御できるようになっている。一方、不活性気体供給ノズル３は、気体窒素供給機構１０と配管１１を介して連結され、配管１１の途中には気体温度調節機構１２、圧力調整弁１３、流量調整弁１４が設けられている。圧力調整弁及び流量調整弁はそれぞれ前記制御装置９により制御され、不活性気体供給ノズルから吹き出す気体窒素の圧力及び流量を所望に制御できるようになっている。なお、ノズル体１を含むミスト供給ノズルへの配管は点線１８で示すように断熱配管となっている。
【００１８】
本実施形態のガス置換装置は以上のように構成され、ミスト供給ノズルのノズル穴形状、液体窒素の流動圧力及び流量を所定に設定することによって、ミスト供給ノズルから所定の粒径のミスト状液体窒素が吹き出し、また、不活性気体供給ノズルからミスト状液体窒素１４を包むようにして気体窒素１６が吹き出して、コンベヤ２１によって搬送される缶２０のヘッドスペース内にミスト状液体窒素と気体窒素が同時に供給される。その際、不活性気体供給ノズル３から吹き出される気体窒素１６の温度は、気体温度調節機構１２により低温に調節されているが、その温度はミスト状に吹き出されるミスト状液体窒素１９の一部が蒸発して発生した低温の気体である蒸発気体１５よりは、相対的に高温、例えば−１５０℃以上になるように設定されている。
【００１９】
気体窒素の温度は、充填密封後に温度膨張する温度であれば良く、理論的には最終平衡温度より低温であれば良い。最終平衡温度は、使用場所の雰囲気温度であり、通常は室温であるが、使用状態によって変化し、例えば自動販売機などで保存する場合、低温（冷却）で５℃、高温（加熱）で７０℃となり、冷凍食品などに用いる場合は零下となる。
【００２０】
上記のように、ミスト状液体窒素と気体窒素を缶内に吹き込むことによって行われるガス置換の作動状態が図５に模式的に示されている。所定の粒径のミスト状液体窒素と気体窒素の混合体（以下便宜的に混合ガスという）をヘッドスペースに吹き付けることによって、同図（ａ）に示すように、ヘッドスペース内の空気が追い出されて窒素置換される。これは、従来の単に液体窒素を流下した場合と相違して、液体窒素がミスト状であると共に、気体窒素も同時に吹き込まれるので、混合ガス状態となってヘッドスペース一杯に拡がって充填されるからである。図中、矢印ａが混合ガスの缶への吹き出し状態を示し、１７がヘッドスペース内の空気と置換された混合ガスを示し、矢印ｂが空気の流れを示している。ガス置換された容器はシーマーに搬送されて巻締めが行われるが、その搬送中、同図（ｂ）、（ｃ）に示すようにミスト状液体窒素が気化膨張するので、その膨張圧により缶内から缶外への窒素ガスの流れ（矢印ｃで示す）が発生し、缶内への空気の流入を阻止する。図２（ｂ）において矢印ｄは空気の流れを表す。シーマ内では公転・自転運動によって缶が回転するが、ミスト状液体窒素は慣性力の影響よりも粘性の影響が支配的となるので、回転運動に影響されずにミスト状液体窒素が外部に飛散することがない（図４（ｃ））。そして、ミスト状液体窒素の気化膨張が続いているうちに蓋２２を被せて巻締密封を行う（図４（ｄ））ことにより、密封後に残留液滴の気化膨張と低温気体の温度膨張で内圧が発生して、陽圧缶となる。
【００２１】
上記のように、本実施形態では、密封後の残留液滴の気化膨張と低温気体の温度膨張によって所定の内圧を発生させるものであるが、該方法によって内容物充填量のバラツキに対しても、常に安定して所定の内圧を得ることができることを確認するために、次の実験を行った。
【００２２】
満注容量３７０ml缶に、内容液充填量を３４０ｇ〜３５０ｇの間を１ｇ刻みで変化させて充填し、上記実施形態のように混合ガスを充填密封した場合の充填内圧の変化を測定した。また、比較例として、従来の液体窒素を充填密封した場合と、低温気体窒素のみを充填密封した場合についても、同様な実験を行った。その結果を図４に示す。図において、線図イが本実施形態を示し、線図ロが液体窒素だけの場合、線図ハが気体窒素だけの場合を示す。
【００２３】
図から明らかなように、内容物充填量の増加に対応して、液体窒素の気化膨張では線図ロに示すように、充填内圧が増大するのに対して、低温気体窒素の温度膨張では線図ハに示すように、充填内圧が減少することを示している。このことから、これらを適切な割合で混合することによって、内容物充填量に関わらず充填内圧を一定に保ことが可能となることが分かる。従って、充填内圧の絶対値は、液体窒素の量と、気体窒素の温度を選択することにより、所望の値に設定することができ、充填内圧の制御が可能となる。本実施形態は、この原理を応用したものであり、線図イに示すように、内容物充填量に関わらず充填内圧が略一定であることが確認された。なお、図４において線図ニはホットパック充填の場合を示している。
【００２４】
図２は、本発明の他の実施形態を示し、本実施形態ではアンダーカバーガッシング法によって、ガス置換陽圧缶を製造している。従来、アンダーカバーガッシングは、フィラーからコンベヤにより搬送されてきた缶がコンベヤからシーマーのリフターテーブルへの移載時に、缶蓋供給ターレットにより蓋を供給されて蓋が完全に被さる直前にアンダーカバーガッシング装置より蓋と缶胴との隙間に窒素ガスを吹き込むことによって行っている。本実施形態では、従来のアンダーカバーガッシング装置を改良して、蓋巻締め直前に、ミスト状液体窒素と気体窒素の混合ガスを缶に吹き込んで、缶に内圧付与と窒素置換作業を同時に行おうとするものである。
【００２５】
図２において、３０が従来のアンダーカバーガッシング装置に相当するアンダーカバーガッシング機構であり、３１が気体窒素を吹き出す不活性気体供給ノズルであり、その中心部にミスト供給ノズル３２が配置されている。不活性気体供給ノズル３１及びミスト供給ノズル３２は、それぞれ前記実施形態と同様に気体窒素供給機構と液体窒素供給タンクにそれぞれ接続されているが、それらは前記実施形態と同様であるので、前記実施形態と同一機構には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００２６】
本実施形態のガス置換陽圧缶製造装置は以上のように構成され、コンベヤにより搬送されてシーマー２９に達した缶は、コンベヤからリフターテーブル３３に移載され、アンダーカバーガッシング機構３０により、ミスト状液体窒素と気体窒素を同時に缶のヘッドスペースに吹き込まれる。それにより、前記実施形態と同様に図６に示すように、混合ガス１７がヘッドスペース内の空気を除去してヘッドスペース内に充満してガス置換を行う。そして、直ぐに巻締め密封することによってミスト状液体窒素の気化膨張と低温気体の温度膨張により内圧を発生し、ガス置換率が高く且つ所定の内圧を有する陽圧缶が得られる。
【００２７】
図７は上記課題を達成するためのガス置換陽圧包装体の製造装置の他の実施形態を示している。上記実施形態ではミスト供給ノズル２と不活性気体供給ノズル３とを別々に有していたが、本実施形態では液体窒素供給機構に連結されている単一のノズルを有し、該ノズルからミスト状液体窒素と低温気体窒素を缶内に噴霧するようにしたものである。
【００２８】
本発明者は、上記課題解決のために種々実験を繰り返した結果、ノズル孔を細孔に形成して、該細孔を液体窒素が液体状態で速やかに通過するように圧力、流量及びノズル温度等の物理的条件を整えて、液体窒素を細孔から大気中に放出ささせることによって、放出された液体窒素の一部が急激に気化膨脹し、他の液相状態にある液体窒素を微小粒化させる現象を見出した。本実施形態は、該現象を利用することによって、液体窒素を適正圧力・適正流量・適正温度管理のもとでノズル体に供給するのみで、液体窒素の微細な粒子と低温窒素ガスを同一のノズル孔から同時に容器に充填できるようにしたものである。
【００２９】
図７において、２５はノズル体であり、該ノズル体は細孔からなるノズル孔２６を有し、その外周部は破線で示すように空気断熱や断熱材等による簡易断熱手段２７が施されている。液体窒素が気化膨脹作用により良好にミストを形成するためには、液体窒素が細孔を通過する間は沸騰せず、細孔を通過して大気中に放出された直後に一部の液体窒素が直ぐに気化膨脹するような温度（配管内の圧力に対応した沸点温度が望ましい）となるように細孔内壁温度を維持する必要がある。このような温度条件を満たすように前記の簡易断熱手段で外部からの熱の流入をコントロールしている。
【００３０】
ノズル体２５は、液体窒素供給タンク２８を含む液体窒素供給機構に連結されている。即ち、ノズル体２５は、真空断熱構造である液体窒素供給タンク２８に配管２９を介して連結され、配管の途中に流量調整弁３１が設けられている。配管２９は、ノズル体２５に至るまで各弁を含め真空手段３２が施され、液体窒素供給タンク２８から液体窒素を蒸発させることなくノズル体に供給できるように外部からの熱の流入を遮断する構造となっている。液体窒素供給タンク２８の気相部には外部に設けられた加圧ガスボンベ３３が配管３４を介して連結され、該配管の途中には圧力調整弁３５が設けられ、液体窒素タンクに加圧ガスを供給することによりタンク内圧高めることができるようになっている。また、液体窒素供給タンクの気相部には、外部に開放する配管３６が圧力調整弁３７を介して設けられ、液体窒素タンクの内圧が設定値よりも高くなった場合、タンク内のガスを外部に放出できるようになっている。前記各弁は、制御装置３８により制御され、ノズル体を所望の圧力及び流量で液体窒素を供給するようになっている。液体窒素が細孔から放出される圧力・流量を適宜コントロールすることによって、該液体窒素の気化率と粒子形成率が相違するので、これらをコントロールすることによって、容器内に充填する低温窒素ガス量とミスト状液体窒素量を制御することができる。
【００３１】
本実施形態のガス置換陽圧包装体製造装置は、以上のように構成され、制御装置３８の指令に基づき圧力調整弁・流量調整弁が作動して、液体窒素タンクの内圧、液量等が設定値に制御されて、ノズル孔から放出される液体窒素の所望の物理的条件を満たした放出圧・流量が得られる。その結果、ノズル体から放出される液体窒素の一部が気化し、その気化膨張により未だ液相状態にある液体窒素をミスト化し、低温窒素ガスと液体窒素の微細な粒子が形成される。従って、不活性ガス供給源に連結された不活性ガス供給ノズルを別途設けることなく、単一のノズルから液体窒素の微細な粒子と低温窒素ガスとを同時に容器内に充填することができる。その際、液体窒素の気化してガス化する割合と微細な粒子化となる割合は、液体窒素の全噴霧量に対して微細な粒子化した液体窒素の質量が１５〜６０％程度となるように、前記放出圧力・流量を制御することによって、容器ヘッドスペースのガス置換と密封後の所定内圧を得ることができる。ガス置換率を高めるためには、液体窒素の気化率は上記範囲（即ち、液体窒素の４０〜８５重量％）内にあるのが好ましい。
【００３２】
図８及び図９は本発明の他の実施形態を示し、本実施形態は缶詰製造ラインにおいて、フィラーからシーマへの容器搬送ライン上方にミスト状の液体窒素と低温窒素ガスを同時に噴霧する複数のノズル体を直列に配置して、これらのノズル体から容器ヘッドスペースに所定量の液体窒素の微細な粒子と低温窒素ガスを充填することによって、容器内圧のバラツキをさらに抑制するようにしたものである。
【００３３】
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缶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、缶内への充填量のバラツキが大きくなる。
【００３４】
一方、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、本発明者の実験によれば缶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、結果として缶内圧ライン速度に反比例て減少する。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缶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、得られる缶内圧が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本のノズルを缶の進行方向に配置して充填すると、缶内圧はＮ×１／Ｎ＝１となり、元と同じ缶内圧が得られる。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。
【００３５】
図８は、以上の事実に基づきのＮ本（４本）のノズル体を缶の進行方向に配置して、分割充填する場合の実施形態の模式図を示している。
図中、４０は第１圧力調整タンクであり、可搬式の図示しない液体窒素供給タンクが液体窒素供給配管４２を介して連結されて液体窒素が供給されるようになっている。４３は第２圧力調整タンクであり、第１圧力調整タンクの底部から液体窒素流下配管４４を介して連結されている。４５は第２圧力タンクの底部から垂下した充填配管４６の下端分に設けられた複数本のノズル体であり、該ノズル体は図７に示したノズル体と同様に液体窒素の粒滴と低温窒素ガスを単一のノズル口から同時に供給できるように構成されている。本実施形態では、図９に拡大して示すように、缶の進行方向に沿って直列に４本配置してある。なお、充填配管４６の途中にはそれぞれ空圧式の開閉弁５４（図９には図示が省略されている）が設けられており、個々のノズル体が独立して開閉できるので、ラインの運転速度や容器種類等に応じて噴霧するノズル体の数を変更することができる。なお、液体窒素供給タンクから充填配管までの液体窒素の経路は、全て真空断熱構造に形成され液体窒素の沸騰を防いでいる。
【００３６】
以上のように構成されたガス置換陽圧包装体製造装置において、前記ノズル体から所定量の液体窒素の微細粒子と窒素ガスが缶に充填できるように、次のような圧力及び流量調整機構が設けられている。
第１圧力調整タンク４０及び第２圧力調整タンク４３には、それぞれ液温計４７、４８と液面計４９、５０が設けられ、タンク内の液体窒素の温度と液面レベルを常に監視でき、それぞれのタンクへの液体窒素の供給量が液体窒素供給配管４２に設けられた電磁開閉弁５１と連結配管４４に設けられた流量制御弁５３によって制御される。また、前記第１圧力調整タンク４０、第２圧力調整タンク４３の気相部には、タンク内圧が設定値よりも高い場合にタンク内の気化ガスを外部に逃がすための、タンク圧力調整配管が設けられている。
【００３７】
図８に示す実施形態におけるタンク圧力調整配管は、第１圧力調整タンク４０の気相部に連結され端部が大気に開放している第１圧力調整配管５６、第２圧力調整配管５７からなっている。第１圧力調整配管５６及び第２圧力調整配管５７には、圧力調整弁５９、６０がそれぞれ設けられ、各圧力調整タンクの圧力を個別に適宜調整できるようになっている。
【００３８】
以上のガス置換陽圧包装体製造装置において、液体窒素供給タンク４１、第１圧力調整タンク４０、及び第２圧力調整タンク４３を含む開閉弁５４までの液体窒素管路はすべて真空断熱を施し、外部からの熱の流入を遮断して液体窒素の沸騰を防止している。また、開閉弁からノズル体までは簡易断熱を施し、液体窒素がノズル体の細孔を通過する際、できるだけ沸点温度に近づくように、外部からの熱の流入を制御している。
【００３９】
また、ノズル体から良好に気液混合のミスト状態で噴霧するには、噴出圧力は０．０１〜０．２kgf/cm2程度が望ましく、そのためには充填配管に通じる第２圧力調整タンクは無加圧乃至は０．２kg/cm2以下の加圧状態を維持する必要がある。そのため、タンクを１つのみ設けた場合、高圧の液体窒素供給タンクからいきなり上記圧力まで減圧すると沸点降下で気化ガスが発生し易くなるため、本実施形態でタンクを第１圧力調整タンクと第２圧力調整タンクに分けて、外部より制御して２段階で減圧して安定して上記噴出圧力を得るようにした。即ち、第１圧力調整タンクでは、内圧を０．５〜２．０kg/cm2の範囲に減圧し、第２圧力調整タンクで０．０〜０．２kg/cm2に減圧するようにした。また、第１圧力調整タンクを設けることによって、気液分離も良好に行われる。
【００４０】
以上、本発明の好適な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、上記実施形態では、ミスト状液体窒素と気体窒素を同時にノズル体より吹き出していたが、必ずしも同時でなくて、気体窒素を吹き込んでからミスト状液体窒素を充填するようにすることも可能である。また、気体窒素は低温気体窒素であることが望ましいが、常温の気体窒素を採用することも可能である。気化して不活性ガスとなる液体としては、液体窒素の外に他の不活性液化ガスも採用できる。また、不活性液化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。ドライアイスの場合も、ミスト状に微粒子にすることが望ましい。不活性気体としては、窒素ガスの外に、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。
【００４１】
また、前記実施形態では、ノズル体をコンベヤの上方又はアンダーカバーガッシング機構に設ける場合を示したが、どちらか一方のみでも良く、必要に応じて両方に設けても良い。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。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１〜１５の発明は、以上の構成からなり、気化して不活性ガスとなる液体又は固体と不活性気体とを容器のヘッドスペース内に吹き込むことにより、容器内の空気を完全に不活性ガスと置換すると共に、容器を密封するまで、前記液体又は固体が内容物に接触して気化膨張し、容器内から外側に向かう気流を生じて外部からの空気の流入を阻止するので、従来と比べて高ガス置換率を達成することができる。また、前記液体又は固体を微細粒にすることによって、シーマーにおいて、缶の回転による遠心力の影響を受けず、前記液体又は固体が外部に飛散せずに缶内に留まるので、所定の内圧を安定して得ることができ、内圧のバラツキの少ない密封包装体を得ることができる。
【００４３】
さらに、気化して不活性ガスとなる液体又は固体と最終平衡温度よりも低温の不活性気体を封入することによって、密封後に前記液体又は固体の気化膨張と低温気体の温度膨張により缶内に内圧を発生し、内容量のバラツキに関わらず、常に一定の内圧を得ることができる。そして、気化膨張と温度膨張の割合を制御することによって、充填内圧を制御することができ、所望の内圧を安定して得ることができる。
【００４４】
また、本発明の装置によれば、コンベヤの上方にノズル体を設けることによって達成できるので、従来のガス置換陽圧包装体の製造ラインに簡単に設けることができる。また、アンダーカバーガッシング機構によると、低温気体とミスト状液体又は固体を、缶のヘッドスペースに十分に吹いて充填することができ、且つ充填直後に密封することができるので、不活性ガスの散逸によるロスを減らすとともに、外部からの空気の流入がなく、効率的で効果の高いガス置換陽圧包装が行える。
【００４５】
液体窒素供給機構に第１圧力調整タンクと第２圧力調整タンクを設けることによって、第１圧力調整タンクで一旦減圧してから第２圧力調整タンクに液体窒素を供給することができ、気化ガスの発生を少なくすると共に気液分離が良好にでき、ノズル体からの液体窒素の噴霧圧をより正確に制御できる。また、ノズル体を複数個直列に設けることによって、気化して不活性ガスとなる液体又は固体の微細な粒子と不活性ガスとを１個のノズル充填した場合と比べ、複数Ｎ個のノズルで充填すれば充填量のバラツキがＮの平方根分の１に減少するので、内圧のバラツキがさらに少ないガス置換陽圧包装体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態のガス置換陽圧包装体の製造方法及びその装置を模式的に示す模式図であり、（ｂ）はその容部拡大図である。
【図２】本発明の他の実施形態のガス置換陽圧包装体の製造方法及びその装置を模式的に示す模式図である。
【図３】シーマー内での缶の自転による液体窒素粒子の飛散距離と粒子径との関係を示すグラフである。
【図４】内容充填量と充填内圧の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態におけるガス置換陽圧包装缶の製造工程における現象を示す模式図である。
【図６】本発明の他の実施形態におけるガス置換陽圧包装缶の製造工程における現象を示す模式図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態のガス置換陽圧包装体の製造方法及びその装置を模式的に示す模式図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態のガス置換陽圧包装体の製造方法及びその装置を模式的に示す模式図である。
【図９】図８に示す実施形態における要部拡大図である。
【図１０】従来の液体窒素によるガス置換陽圧包装缶の製造工程における現象を示す模式図である。
【符号の説明】
１、２５、４５  ノズル体                ２  ミスト供給ノズル
３、３２  不活性気体供給ノズル
５、４１  液体窒素供給タンク
７、１３、３４、５９、６０  圧力調整弁
８、１４、３１、５３  流量調整弁
１０  気体窒素供給機構            １２  気体窒素温度調節機構
１５  蒸発気体                    １６  気体窒素
１７  混合ガス                    １９  ミスト状液体窒素
２９  シーマー                    ３０  アンダーカバーガッシング機構
３１  ミスト供給ノズル            ３２  不活性気体供給ノズル
３２  真空断熱手段                ４０  第１圧力調整タンク
４３  第２圧力調整タンク          ４９、５０  液面計
５１  電磁開閉弁                  ５４  開閉弁
５６  第１圧力調整配管            ５７  第２圧力調整配管
【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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【図９】
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【図１０】
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