(57)【要約】      （修正有）【課題】変形に伴って変化する内圧を利用して前記変形が缶容器としての形状の異常に到らないように構成した金属缶を提供する。【解決手段】内圧と外圧との圧力差によって弾性変形して内容積を変化させることにより内圧を変化させる変形容易部５を備えた金属缶において、内容物を充填した場合における内部の隙間がヘッドスペースとされ、内圧と外圧とが共に大気圧であってかつ内容積に対してヘッドスペースの容積が６．５％となるように２０℃の水を充填した場合を基準状態とし、基準状態から外圧を１００ｋＰａ増大させることにより変形容易部５が弾性変形して内容積が減少した場合における圧力差が５０ｋＰａ以上であって７０ｋＰａ以下である。【選択図】図１３
2017030819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内圧と外圧との圧力差によって弾性変形して内容積を変化させることにより前記内圧を変化させる変形容易部を備えた金属缶において、
内容物を充填した場合における内部の隙間がヘッドスペースとされ、
前記内圧と前記外圧とが共に大気圧であってかつ前記内容積に対して前記ヘッドスペースの容積が６．５％となるように２０℃の水を充填した場合を基準状態とし、
前記基準状態から前記外圧を１００ｋＰａ増大させることにより前記変形容易部が弾性変形して前記内容積が減少した場合における前記圧力差が５０ｋＰａ以上であって７０ｋＰａ以下であることを特徴とする金属缶。
【請求項２】
前記基準状態から前記外圧を１００ｋＰａ減少させることにより前記変形容易部が弾性変形して前記内容積が増大した場合における前記圧力差が８０ｋＰａ以上であってかつ９０ｋＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の金属缶。
【請求項３】
一方の端部が蓋部によって密閉され、他方の端部が底部によって密閉される胴部を備え、
前記変形容易部は、前記胴部の円周方向に等間隔に複数形成されており、
前記変形容易部の数は、下記式（１）の座屈応力（σ）が最も小さくなる場合における前記胴部の円周方向で前記胴部に座屈変形が生じる数である周方向変形波数（ｎ）と同じ数であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属缶。
σ＝ｋ×［π２×Ｅ／１２×（１−ν２）］×（ｔ／Ｌ）２  ・・・（１）
ｋ＝（１＋β２）２／（δ＋β２）＋１２×Ｚ２／［π４×（δ＋β２）×（１＋β２）２］、
β＝（Ｌ×ｎ）／（π×Ｒ）、  δ＝０．５、  Ｚ＝（１−ν２）１／２×Ｌ２／（Ｒ×ｔ）、
但し、πは円周率、Ｅは胴部の弾性率、νは胴部におけるポアソン比、ｔは胴部の板厚、Ｌは変形容易部の高さ、ｋは胴部の座屈係数、Ｚは胴部の形状係数、ｎは自然数である周方向変形波数、Ｒは胴部の半径。
【請求項４】
前記胴部の外周面積に対する複数の前記変形容易部の面積を合算した面積の割合は、４０％から７０％であることを特徴とする請求項３に記載の金属缶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、少なくとも胴部を金属製とした缶容器に関し、特に胴部を変形させる加工を施した金属缶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の金属缶の一例が特許文献１や２に記載されている。特許文献１に記載された金属缶は、アルミニウムを素材とし、胴部と底部とが一体成形されたいわゆる２ピース缶であり、缶胴の円周方向に一定の間隔で前記缶胴の軸線方向に延びる縦リブが６つ形成されており、互いに隣接する縦リブ同士の間が側壁となっている。各縦リブと各側壁との肉厚は同じ厚さとなっている。そして金属缶の内圧が低下した場合には、各側壁が缶胴の内側に均等に窪み変形することにより前記内圧の変化を吸収して缶胴の一部が内側に変形してしまういわゆるパネリングが防止される、とされている。
【０００３】
特許文献２に記載された金属缶は、キャップが装着される小径円筒状の口頸部と、大径円筒状の胴部と、口頸部の下端部と胴部の上端部とを滑らかに接続する肩部とを有するボトル型缶であって、絞り・しごき加工によって、口頸部を円筒状の胴部と一体に形成し、その胴部の内部に開口している底部側から挿入した分割型（内金型）と胴部の外部に配置された外金型とによって型押し成形することで、胴部を内側に押圧して窪ませた構造になっている。このボトル型缶の胴部は、外金型によって内側に窪ませた部分がパネル壁部となっており、外金型によって成形されていない部分が連結部となっている。そのパネル壁部は、外金型によって内側に押圧されて形成されているから、連結部同士を結んだ平面（仮想面）よりも内側に窪んでいる。そしてそのボトル型缶が外圧を受けた場合、パネル壁部が内側に幾分変形することにより外圧を吸収し、前記パネリングが防止される、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６３−５４６１１号公報
【特許文献２】特開２００３−３１２６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１や２に記載された構成では、内圧が低下したり、外圧が上昇したりした場合には、内圧と外圧との圧力差によって各側壁や各パネル壁部が窪み変形して前記圧力差が吸収される。すなわち、特許文献１や２に記載された構成は、側壁やパネル壁部を変形しやすく形成し、それら側壁やパネル壁部などの変形によって金属缶に作用する圧力負荷を軽減するものであり、それら側壁やパネル壁部などの変形に起因する容器内圧の上昇は考慮されていない。そのため、金属缶に作用する圧力負荷が大きいと、側壁やパネル壁部の変形量が足りず、パネリングが発生する虞がある。
【０００６】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、変形に伴って変化する内圧を利用して前記変形が缶容器としての形状の異常に到らないように構成した金属缶を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は上記の目的を達成するために、内圧と外圧との圧力差によって弾性変形して内容積を変化させることにより前記内圧を変化させる変形容易部を備えた金属缶において、内容物を充填した場合における内部の隙間がヘッドスペースとされ、前記内圧と前記外圧とが共に大気圧であってかつ前記内容積に対して前記ヘッドスペースの容積が６．５％となるように２０℃の水を充填した場合を基準状態とし、前記基準状態から前記外圧を１００ｋＰａ増大させることにより前記変形容易部が弾性変形して前記内容積が減少した場合における前記圧力差が５０ｋＰａ以上であって７０ｋＰａ以下であることを特徴とするものである。
【０００８】
また、この発明では、前記基準状態から前記外圧を１００ｋＰａ減少させることにより前記変形容易部が弾性変形して前記内容積が増大した場合における前記圧力差が８０ｋＰａ以上であってかつ９０ｋＰａ以下であってよい。
【０００９】
さらに、この発明では、一方の端部が蓋部によって密閉され、他方の端部が底部によって密閉される胴部を備え、前記変形容易部は、前記胴部の円周方向に等間隔に複数形成されており、前記変形容易部の数は、下記式（１）の座屈応力（σ）が最も小さくなる場合における前記胴部の円周方向で前記胴部に座屈変形が生じる数である周方向変形波数（ｎ）と同じ数であってよい。
σ＝ｋ×［π２×Ｅ／１２×（１−ν２）］×（ｔ／Ｌ）２  ・・・（１）
ｋ＝（１＋β２）２／（δ＋β２）＋１２×Ｚ２／［π４×（δ＋β２）×（１＋β２）２］、
β＝（Ｌ×ｎ）／（π×Ｒ）、  δ＝０．５、  Ｚ＝（１−ν２）１／２×Ｌ２／（Ｒ×ｔ）、
但し、πは円周率、Ｅは胴部の弾性率、νは胴部におけるポアソン比、ｔは胴部の板厚、Ｌは変形容易部の高さ、ｋは胴部の座屈係数、Ｚは胴部の形状係数、ｎは自然数である周方向変形波数、Ｒは胴部の半径である。
【００１０】
そして、この発明では、前記胴部の外周面積に対する複数の前記変形容易部の面積を合算した面積の割合は、４０％から７０％であってよい。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る金属缶の変形容易部は、内圧と外圧との圧力差によって弾性変形するとともに、その変形に伴って内容積を変化させて内圧を変化させるように構成されている。内圧に対して外圧が高いことにより変形容易部が金属缶の内側に向かって変形した場合には、金属缶の内容積が減じられ、これに伴って金属缶の内圧が上昇させられる。このようにして上昇させられた内圧が前記外圧に対する抵抗となり、あるいは、内圧が上昇した分、見かけ上、外圧が減じられて金属缶の変形が抑制される。これとは反対に、内圧に対して外圧が低いことにより変形容易部が金属缶の外側に向かって変形した場合には、金属缶の内容積が増大させられ、これに伴って金属缶の内圧が低下させられる。このようにして低下した内圧の分、見かけ上、前記外圧の減圧度が低減されて金属缶の変形が抑制される。つまり前記変形に伴う内圧の変化を利用して金属缶の実質的な強度を向上させることができる。また、変形の生じる箇所は変形容易部であるから、金属缶の全体として異常変形が生じることを抑制できる。そして、上述したように金属缶を変形させる外圧が解放された場合には、変形容易部が復元する。そのため、金属缶は元の形状もしくは外観をほぼ維持したままとなる。
【００１２】
また、金属缶の座屈応力（σ）を最も小さくする数だけ、上述した変形容易部が胴部の円周方向に等間隔に形成されていれば、上述した圧力差が生じた場合に、変形容易部が小さな荷重で変形しやすくなるため、局部的な変形が生じる前に効率的に変形容易部を変形させることができる。すなわち、外圧による変形が胴部の全周に亘って均等に生じていわゆる異常変形が生じることを抑制できる。
【００１３】
さらに、金属缶の胴部の外周面積に対する各変形容易部の面積を合算した面積の割合が４０％から７０％に範囲に構成されていれば、上述した変形容易部の変形を十分に生じさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１ないし４、比較例１および２の各金属缶の成形性、および、各金属缶のレトルト処理後のパネリングの有無をまとめて示す図表である。
【図２】基準状態での実施例１ないし４、比較例２の各金属缶の内容積をまとめて示す図表である。
【図３】基準状態から外圧を増大させた場合における実施例１ないし４、比較例２の各金属缶の内圧の変化を解析した結果をまとめて示す図表である。
【図４】基準状態から外圧を低下させた場合における実施例１ないし４、比較例２の各金属缶の内圧の変化を解析した結果をまとめて示す図表である。
【図５】周方向変形波数を変化させた場合における、この発明に係る金属缶に作用する座屈応力をまとめて示す図表である。
【図６】パネル部が変形してない状態と加圧もしくは減圧されてパネル部が変形した状態とにおける缶胴の輪郭形状を示す図である。
【図７】基準状態から外圧を増大させた場合における実施例１、および、比較例３の各金属缶の内圧の変化を解析した結果をまとめて示す図である。
【図８】基準状態から外圧を増大させた場合における実施例１、および、比較例３の各金属缶の圧力差の変化を解析した結果をまとめて示す図である。
【図９】基準状態から外圧を増大させた場合における実施例１、および、比較例３の各金属缶の内容積の変化を解析した結果をまとめて示す図である。
【図１０】基準状態から外圧を低下させた場合における実施例１、および、比較例３の各金属缶の内圧の変化を解析した結果をまとめて示す図である。
【図１１】基準状態から外圧を低下させた場合における実施例１、および、比較例３の各金属缶の圧力差の変化を解析した結果をまとめて示す図である。
【図１２】基準状態から外圧を低下させた場合における実施例１、および、比較例３の各金属缶の内容積の変化を解析した結果をまとめて示す図である。
【図１３】この発明に係る金属缶における缶胴の形状の一例を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明に係る金属缶は飲料や食品を充填・密封するための金属缶であり、特に飲料を充填しレトルト処理を施す金属缶に好適に使用できるものである。また、この金属缶は、変形容易部を備え、内外の圧力差に基づいて変形容易部を変形させ、その変形に伴って圧力差を減じることにより、前記変形が缶容器としての異常変形に到らないように構成した金属缶である。その変形容易部は、一例として以下に説明する形状とすることができる。また、前記圧力差に基づく変形が異常変形に到らないようにする構造は、後に説明する基準状態で所定の圧力差を加え、それに伴う前記変形容易部の変形によって圧力差が規定の値の範囲内となる構造である。先ず、この発明に係る金属缶の構成の一例について説明し、次いで、前記基準状態の金属缶に対して圧力差を生じさせた場合における変形容易部の変形に伴う内圧の変化を実施例および比較例と共に説明する。
【００１６】
図１３は、この発明に係る金属缶における缶胴の形状の一例を示す正面図である。その金属缶は、缶胴１が金属素材によって形成された缶容器であり、缶胴１の上下両端部のそれぞれに缶胴１と略同径で円板状の蓋が巻き締められるいわゆる３ピース缶である。例えば、缶胴１の一方の端部にスコア線により易開封可能なステイオンタブ式缶蓋等のイージーオープン缶蓋が巻き締められ、他方の端部に底蓋が巻き締められる３ピース缶である。特に、レトルト処理などによって外圧が加わることのある缶である。その缶胴１は金属板を円筒形状に成形するとともに、互いに突き合わせた端部同士を溶接して製造される。缶胴１の外径は、好ましくは４７ｍｍから６０ｍｍである。缶胴１を構成する金属素材（金属板）は溶融亜鉛メッキ鋼板、ティンフリースチール、ブリキ、クロムメッキ鋼板、アルミメッキ鋼板、ニッケルメッキ鋼板、ターンメッキ鋼板、その他の各種合金メッキ鋼板などの表面処理鋼板の薄板鋼板であって、厚さが例えば０．１８ｍｍ以下の極薄板であることが好ましい。より好ましくは厚さが、０．１０ｍｍから０．１５ｍｍである。このような極薄板を使用することに伴う異常変形を抑制もしくは回避するために、外圧による変形を許容するパネル部５を、缶胴１にエキスパンド加工を施すことに伴って形成してある。上記のパネル部５については後述する。なお、上記のパネル部５がこの発明における変形容易部に相当している。
【００１７】
ここに示す缶胴１は、全体として筒状に形成され、その上端部および下端部は図示しない蓋を巻き締めるためのネック部２Ａ，２Ｂとされている。このネック部２Ａ，２Ｂは、後述するエキスパンド加工によって径が増大させられてもよいが、前述した金属板を円筒状に成形した際の径のままであってもよく、あるいは絞り加工によって縮径されていてもよい。
【００１８】
ネック部２Ａ，２Ｂに対して缶胴１の軸線方向での中心側に隣接して環状部３Ａ，３Ｂが形成されている。この環状部３Ａ，３Ｂは、缶胴１の一部をエキスパンド加工によってその半径方向で外側に膨出させた部分であり、その膨出量は、元半径を基準にして１．１ｍｍから１．３ｍｍ程度もしくは缶胴１の元半径（エキスパンド加工を施す前の半径）の４％から６％程度である。また、環状部３Ａ，３Ｂの軸線方向の寸法（幅）は、５ｍｍから２０ｍｍ程度である。
【００１９】
各環状部３Ａ，３Ｂの間に柱状部４およびパネル部５が形成されている。柱状部４は、缶胴１における前記環状部３Ａ，３Ｂの間の部分をエキスパンド加工により、缶胴１の軸線方向に沿って帯状（もしくは線状）に膨出させた部分であり、缶胴１の円周方向に一定の間隔をあけて複数、形成されている。この柱状部４は、上記の環状部３Ａ，３Ｂを形成する際に同時に形成することができ、したがって柱状部４の膨出量は環状部３Ａ，３Ｂの膨出量と同程度であり、環状部３Ａ，３Ｂの表面と柱状部４の表面とは滑らかに連続し、あるいは面一になっている。すなわち、環状部３Ａ，３Ｂの外周面の輪郭である円と、柱状部４の最外周部を結んだ仮想円との半径が同じになっている。
【００２０】
また、柱状部４は、４本ないし８本程度が好適である。より好ましくは６本である。柱状部４およびパネル部５の好適な数の設計については後述する。さらに、柱状部４の幅は、缶胴１の外径および柱状部４の本数に応じて適宜に決めることができ、例えば５ｍｍから１４ｍｍ程度が好適である。
【００２１】
パネル部５は、上記の柱状部４の間の部分であって、柱状部４と同数形成されている。したがってパネル部５は、上下の環状部３Ａ，３Ｂと柱状部４とによって囲まれており、図１３に示す例では、ほぼ長方形状をなしている。このパネル部５は上記の環状部３Ａ，３Ｂおよび柱状部４を形成することに伴って形成される部分であり、具体的には、缶胴１にエキスパンド加工を施すことによりその面に沿う方向に張力を受けて平坦形状に成形された部分である。したがって、パネル部５の表面は、缶胴１の円周方向において、隣接する柱状部４を結んだ直線に沿う平面形状になっている。上記の環状部３Ａ，３Ｂや柱状部４がエキスパンド加工を受けて残留応力や加工硬化が大きくなっているのに対して、パネル部５は引っ張りを受けている程度でそれ以上の変形荷重を受けていないので、残留応力や加工硬化は上記の環状部３Ａ，３Ｂや柱状部４よりも小さくなっている。言い換えれば、パネル部５は環状部３Ａ，３Ｂや柱状部４よりも低硬度（低剛性）である。
【００２２】
なお、柱状部４とパネル部５との境界部分に過度なエッジが生じることを避けるために、柱状部４の断面形状（缶胴１の軸線方向に対して垂直な平面で切断した場合の断面形状）は、缶胴１の半径方向で外側に凸となった凸円弧状であることが好ましい。そして、パネル部５は、柱状部４との境界における前記凸円弧の接線に沿う平面であることが好ましい。このようなエッジが生じない形状とするのは、過度な加工歪みが生じたり、応力集中が生じたりしないようにするためであり、このような配慮に基づく形状は、他の部分にも採用されている。例えばパネル部５の四つのコーナ部Ｒ１は、角が生じないように円弧状に形成されている。また、パネル部５と上下の環状部３Ａ，３Ｂとをつないでいる部分Ｒ２は、缶胴１の内側に窪んだ円弧状の曲面に形成されている。
【００２３】
ここでエキスパンド加工について説明すると、缶胴１を上述した形状に成形するエキスパンド加工は、半径方向に前後動する複数のセグメントを備えた分割型を、円筒状の缶胴用粗形材の内部に挿入し、それらのセグメントを半径方向で外側に押し開かせて行う。缶胴用粗形材は、円周方向に引っ張られて拡径する。その場合、セグメントによって押圧されている部分は、セグメントの表面形状に倣った形状に成形される。また、セグメント同士は円周方向に離隔するので、セグメントに接触していない部分は、円周方向に引っ張られて平坦面形状に成形される。
【００２４】
上述した缶胴１は上下の開口端部に蓋（図示せず）が巻き締められて金属缶とされる。充填される内容物によっては内圧が外気より低圧の負圧になり、またレトルト処理される場合には外部から加圧されることがある。このようにして外圧が掛かった場合、前述したパネル部５の強度がその周囲の環状部３Ａ，３Ｂや柱状部４の強度より小さいから、パネル部５が環状部３Ａ，３Ｂや柱状部４に優先して、缶胴１の内部に向けて変形する。
【００２５】
ここで缶胴１に形成される柱状部４およびパネル部５の好適な数について説明する。上記の数は、缶胴１の座屈応力σが最も小さくなる数に設計されており、その缶胴１の座屈応力σは下記の（１）式によって算出することができる。
σ＝ｋ×［π２×Ｅ／１２×（１−ν２）］×（ｔ／Ｌ）２  ・・・（１）
上記のｋは座屈係数であり、缶胴１の形状や缶胴１に作用する負荷すなわち外圧などで異なり、外圧が静水圧の場合は下記の（２）式によって算出することができる。
ｋ＝（１＋β２）２／（δ＋β２）＋１２×Ｚ２／［π４×（δ＋β２）×（１＋β２）２］
・・・（２）
上記のβは下記の（３）式によって算出される計算値である。
β＝（Ｌ×ｎ）／（π×Ｒ）                            ・・・（３）
上記のＺは缶胴１の形状係数であって、下記の（４）式によって算出することができる。
Ｚ＝（１−ν２）１／２×Ｌ２／（Ｒ×ｔ）  ・・・（４）
また上記のδは、外圧が静水圧の場合における定数であって、この発明における金属缶では、０．５に設定される。なお、πは円周率、Ｅは缶胴１の弾性率、νは缶胴１におけるポアソン比、ｔは缶胴１の板厚、Ｌはパネル部５の高さ、ｋは缶胴１の座屈係数、Ｚは缶胴１の形状係数、Ｒは缶胴１の半径、ｎは缶胴１に対して上記の座屈応力σを作用させた場合に、缶胴１の円周方向に生じる座屈変形の数であって、周方向変形波数と称する。ここに示す例では、その周方向変形波数ｎは自然数である。
【００２６】
そして、上記の周方向変形波数ｎを変化させて、上記の（１）式ないし（４）式に基づいて自然数である各周方向変形波数ｎに対応する座屈応力σをそれぞれ求めた。なお、缶胴１の半径Ｒは２６．２ｍｍ、軸線方向におけるパネル部５の高さＬは７５ｍｍ、缶胴１の板厚ｔは０．１２ｍｍもしくは０．１５ｍｍ、缶胴１のポアソン比は０．３、缶胴１の弾性率Ｅは２０５８００Ｎ／ｍｍ２として上述した計算を行った。その計算結果を図５の図表にまとめて示してある。この図５に示すように、缶胴１の板厚に拘わらず、周方向変形波数ｎが「６」の場合に、座屈応力σが最も小さい値となった。柱状部４およびパネル部５を６枚、形成した場合に、他の枚数の柱状部４およびパネル部５を形成した場合に比較して、小さい荷重で缶胴１に座屈変形が生じる。すなわち、小さい荷重でパネル部５が変形するため、缶胴１に過大な負荷がかかる前にパネル部５に変形を生じさせることができる。具体的には、缶胴１が内圧より高い圧力の外圧を受けた場合には、その外圧によって６枚のパネル部５が缶胴１の半径方向で内側に向かって均等に窪み変形する。
【００２７】
ここで、本発明の金属缶とヘッドスペースとの関係について説明する。この発明に係る金属缶では、外圧が加えられた場合に、この発明における変形容易部に相当するパネル部５が変形してその内容積が減少する。この場合に、金属缶に充填された内容物の体積は殆ど減少しないので、金属缶の内容積における前記内容物以外の部分、つまり隙間が減少する。この隙間を以下の説明では、ヘッドスペースと記す。この発明に係る金属缶では、外圧が加えられてヘッドスペースの容積が減少すると、このヘッドスペースの容積の減少に起因して内圧が上昇することとなる。上記構成の金属缶に対してヘッドスペースの容積がほぼなくなるように、その内部が内容物によって満たされたいわゆる満注充填の状態で外圧を加えた場合には、ヘッドスペースがほぼないので外圧による金属缶の変形に対して内容物が抵抗となり、金属缶の変形が生じにくい。また、上記構成の金属缶の蓋がステイオンタブ式缶蓋のようなイージーオープン缶蓋である場合には、開蓋時に前記蓋の一部が缶の内側に入り込む。そのため、このような構成の金属缶に対して上述した満注充填を行ったり、ヘッドスペースの容積が小さかったりすると、開蓋時に、缶の内部に入り込んだ蓋の一部によって内容物が飛散させられたり、こぼれたりする虞がある。一方、ヘッドスペースの容積が大きい場合には、外圧が加えられて金属缶の内容積が減少するものの、ヘッドスペースの全容積に対するヘッドスペースの容積の減少率が小さくなってしまう。そのため、ヘッドスペースの容積の減少に起因する圧力の上昇が生じにくく、以下に説明する本発明の効果を得にくくなる可能性がある。そこで、本発明では、予備試験として、好ましいヘッドスペースの容積を検証した。すなわち、ヘッドスペースの容積を変えた複数の金属缶を用意し、これらの金属缶に加える外圧を変化させて各金属缶での異常変形つまりパネリングの有無を評価した。その結果、本発明に係る金属缶では、金属缶の全内容積に対してヘッドスペースの容積は２％から１４％であることが好ましい。その検証結果に基づき、本発明では、ヘッドスペースの容積は６．５％を基準としている。
【００２８】
次に、基準状態から外圧を変化させた場合におけるこの発明に係る金属缶の作用および効果について、実施例と比較例とを比較して説明する。
（試験１）
（実施例１）
板厚ｔが０．１５ｍｍの表面処理鋼板を用意し、これを前述したように加工して缶胴１を構成した。その缶胴１の半径Ｒは２６．１ｍｍ、缶胴１のネック部２Ａ，２Ｂを除くストレート部分の高さは８４．６ｍｍ、缶胴１の総表面積は１３８６６．６ｍｍ２であった。この缶胴１に対して、幅２０．４ｍｍ、高さ７５ｍｍのパネル部５を６枚、幅６．４ｍｍの柱状部４を６枚、それぞれ成形するようにエキスパンド加工を行った。実施例１でのパネル部５の総表面積は９１９２．９ｍｍ２であって、缶胴１の総表面積に対するパネル部５の総表面積の割合は６６．３％であった。また、エキスパンド加工を行った缶胴１の形状や、柱状部４およびパネル部５の各サイズを測定し、それらの測定値と上述した各設計値とを比較して、その成形性を総合的に判断した。また、上記構成の缶胴１の上下の開口端部に蓋（図示せず）を巻き締めて金属缶を形成するとともに、その金属缶の内容積に対して、８０℃の温水を９６％充填した。つまり金属缶の空き容量であるいわゆるヘッドスペースが４％となるように８０℃の温水を充填した。その後、この金属缶に対して殺菌処理であるいわゆるレトルト処理を行い金属缶の一部が異常変形するいわゆるパネリングの有無を目視によって評価した。
【００２９】
ここで、レトルト処理について簡単に説明すると、上記のように温水を充填した金属缶を所定の殺菌用チャンバ内に収容し、１２０℃の水蒸気に３０分間、暴露させる。この場合に、殺菌用チャンバ内の圧力を、前記金属缶のヘッドスペースでの飽和水蒸気圧と同じ圧力に設定する。こうすることにより金属缶の内外の圧力差を減じ、水蒸気によって暖められた金属缶内の水が体積膨張し、それに伴って金属缶が膨張変形することを抑制している。３０分後、前記殺菌用チャンバ内から水蒸気を排出する。次いで、殺菌用チャンバ内に冷却水を注入する。この冷却水に前記金属缶を所定時間、浸漬させる。この場合、金属缶に対して、前記ヘッドスペースでの飽和水蒸気圧と同じ圧力を掛ける。こうすることにより、冷却工程においても、前記圧力差を減じて水蒸気によって暖められた金属缶内の水が体積膨張して金属缶が膨張変形することを抑制している。所定時間が経過した後、殺菌用チャンバから金属缶を取り出して目視によってパネリングの有無を評価した。すなわち、冷却によって金属缶内に充填した水の体積減少および冷却工程で負荷された圧力による金属缶の異常変形の有無を評価した。それらの評価結果を図１の図表にまとめて示してある。
【００３０】
（実施例２）
上述したパネル部５の幅を１８．５ｍｍにし、柱状部４の幅を８．５ｍｍにした以外は、上述した実施例１と同様にしてエキスパンド加工を行って金属缶を成形した。実施例２でのパネル部５の総表面積は８４７６．７ｍｍ２であって、缶胴１の総表面積に対するパネル部５の総表面積の割合は６１．１％であった。そして、上述した成形性およびレトルト処理後のパネリングの有無を評価した。それらの評価結果を図１の図表にまとめて示してある。
【００３１】
（実施例３）
上述したパネル部５の幅を１６．５ｍｍにし、柱状部４の幅を１０．５ｍｍにした以外は、上述した実施例１と同様にしてエキスパンド加工を行って金属缶を成形した。実施例３でのパネル部５の総表面積は７３６０．２ｍｍ２であって、缶胴１の総表面積に対するパネル部５の総表面積の割合は５３．１％であった。そして、上述した成形性およびレトルト処理後のパネリングの有無を評価した。それらの評価結果を図１の図表にまとめて示してある。
【００３２】
（実施例４）
上述したパネル部５の幅を１４．５ｍｍにし、柱状部４の幅を１２．５ｍｍにした以外は、上述した実施例１と同様にしてエキスパンド加工を行って金属缶を成形した。実施例４でのパネル部５の総表面積は６４４２．５ｍｍ２であって、缶胴１の総表面積に対するパネル部５の総表面積の割合は４６．５％であった。そして、上述した成形性およびレトルト処理後のパネリングの有無を評価した。それらの評価結果を図１の図表にまとめて示してある。
【００３３】
（比較例１）
上述したパネル部５の幅を２２．３ｍｍにし、柱状部４の幅を４．３ｍｍにした以外は、上述した実施例１と同様にしてエキスパンド加工を行って金属缶を成形した。比較例１でのパネル部５の総表面積は１００１８．８ｍｍ２であって、缶胴１の総表面積に対するパネル部５の総表面積の割合は７２．３％であった。そして、上述した成形性およびレトルト処理後のパネリングの有無を評価した。それらの評価結果を図１の図表にまとめて示してある。
【００３４】
（比較例２）
上述したパネル部５の幅を１２．５ｍｍにし、柱状部４の幅を１４．６ｍｍにした以外は、上述した実施例１と同様にしてエキスパンド加工を行って金属缶を成形した。比較例２でのパネル部５の総表面積は５５２１．８ｍｍ２であって、缶胴１の総表面積に対するパネル部５の総表面積の割合は３９．８％であった。そして、上述した成形性およびレトルト処理後のパネリングの有無を評価した。それらの評価結果を図１の図表にまとめて示してある。
【００３５】
（評価１）
図１に示すように、実施例１ないし４および比較例２では、設計通りに缶胴１を成形することができ、その成形性がよいことが認められた。一方、比較例１では設計通りに缶胴１を成形することができなかった。これは、エキスパンド加工によって成形することのできる柱状部４およびパネル部５のサイズや形状には自ずと限度があり、比較例１は、実施例よりも柱状部４の幅が狭いことで柱状部４の成形がきつくなったり、パネル部５の幅が広いことでパネル部が平面形状に成形できなかったりしたことで、上述した比較例１での各設計値は、加工することのできる設計値の限度を越えたものであったと考えられる。
【００３６】
また、実施例１ないし４および比較例２に示す各金属缶について、上述したレトルト処理を行ったところ、実施例１ないし４に示す各金属缶では、パネリングが生じないことが認められた。これらの金属缶では、パネル部５での窪み変形によって内圧と外圧との圧力差を減じたり吸収したりできるためであると考えられる。これに対して比較例２に示す金属缶では、パネリングが生じた。比較例２に示す金属缶では、缶胴１の総表面積に対するパネル部５の総表面積の比率は３９．８％であり、実施例４に示す金属缶での前記面積比率４６．５％より小さい。比較例２では、冷却による水の体積減少に伴う内圧の低下に対して、缶胴１の半径方向に向けたパネル部５の変形量が、実施例１ないし４の各金属缶でのパネル部５の変形量より小さい。そのため、比較例２のように缶胴１の総表面積に対するパネル部５の総表面積の比率が４０％より小さいと、パネル部５での窪み変形のみによっては内圧と外圧との圧力差を減じたり吸収したりすることができず、前記窪み変形がパネル部５以外の箇所に及んでしまった、と考えられる。なお、比較例１のように缶胴１の総表面積に対するパネル部５の総表面積の比率が７０％より大きい場合は、その分、柱状部４の占める面積が狭くなり、内圧と外圧との圧力差が生じてパネル部５が変形する際に、柱状部４がパネル部５の変形を支えきれずに柱状部４に変形が生じる虞がある。
【００３７】
（試験２）
次いで、各実施例１ないし４、ならびに、比較例１および２での各パネル部５の変形に対する内圧の変化を以下に説明するように解析した。先ず、上述したように構成した各金属缶に、その内容積に対するヘッドスペースの容積の割合が６．５％となるように、室温に調整した水を充填した。その室温および水の温度は一例として２０℃である。また水の充填は標準大気圧下で行った。そのため、各金属缶に前記水を充填した時点では、各金属缶の内圧は外部の圧力と同じ標準大気圧となっている。この状態を基準状態とした。
【００３８】
具体的には、基準状態での実施例１の金属缶の内容積は１８９．９ｍｌであった。この金属缶に対して２０℃の水を１７７．６ｍｌ充填した。実施例１でのヘッドスペースは１２．３ｍｌであった。実施例２の金属缶の内容積は１９３．３ｍｌであった。この金属缶に対して２０℃の水を１８０．７ｍｌ充填した。実施例２でのヘッドスペースは１２．６ｍｌであった。実施例３の金属缶の内容積は１９６．０ｍｌであった。この金属缶に対して２０℃の水を１８３．３ｍｌ充填した。実施例３でのヘッドスペースは１２．７ｍｌであった。実施例４の金属缶の内容積は１９８．１ｍｌであった。この金属缶に対して２０℃の水を１８５．２ｍｌ充填した。実施例４でのヘッドスペースは１２．９ｍｌであった。比較例２の金属缶の内容積は１９９．７ｍｌであった。この金属缶に対して２０℃の水を１８６．７ｍｌ充填した。比較例２でのヘッドスペースは１３．０ｍｌであった。これらの各金属缶の基準状態を図２の図表にまとめて示してある。
【００３９】
そして、上記の各金属缶の内圧より外圧を１００ｋＰａ増大させた場合と、内圧より外圧を１００ｋＰａ低下させた場合とについて、各金属缶の内圧の変化を解析した。それらの解析結果を図３および図４の各図表にまとめて示してある。
【００４０】
（評価２）
各金属缶の内圧の変化を、この発明に係る金属缶の作用とともに説明する。基準状態の各金属缶に対して外圧を１００ｋＰａ増大させると、外圧と内圧との圧力差によって各パネル部５は缶胴１の半径方向で内側に向かって弾性変形する。この変形に伴って金属缶の内容積が減じられる。金属缶の内容積が減少した分、ヘッドスペースが減少して金属缶の内圧が増大する。また、実施例１の金属缶におけるパネル部５の総表面積は、実施例２ないし４および比較例２の金属缶におけるパネル部５の総表面積より大きいため、実施例１における各パネル部５の変形量は、実施例２ないし４および比較例２における各パネル部５の変形量より大きい。その結果、実施例１の金属缶の内容積の減少量は実施例２ないし４および比較例２の各金属缶の内容積の各減少量より大きくなり、実施例１での内圧の上昇幅は、図３に示すように、実施例２ないし４および比較例２での内圧の上昇幅より大きくなっている。これと同様に、実施例１でのヘッドスペースも、実施例２ないし４および比較例２でのヘッドスペースより小さくなっている。また、内圧と外圧との圧力差は実施例１では５３．１ｋＰａとなっているのに対して、実施例２の圧力差は実施例１より低い５７．８ｋＰａとなっている。これと同様に、実施例３での圧力差は６２．９ｋＰａ、実施例４での圧力差は６８．１ｋＰａ、比較例２での圧力差は７３．６ｋＰａとなっている。
【００４１】
これらの結果から、実施例１の金属缶が受ける外圧は１００ｋＰａから５３．１ｋＰａにまで低減されている、と言うことができる。つまり、実施例１では、パネル部５の変形に伴って上昇した内圧が外圧に対する抵抗となり、金属缶を変形させようとする荷重が、実施例２ないし４に比較して、見かけ上、減少している。一方、比較例２では、上記の荷重すなわち圧力差が実施例１ないし４より大きい。比較例２では、前記試験１を行った場合に、大きい圧力差が要因となってパネル部５の変形がパネル部５以外の箇所にも及んでしまい、パネリングが生じたと考えられる。このように、基準状態の金属缶に対して外圧を加えた場合に、前記圧力差が５０ｋＰａから７０ｋＰａの範囲に収まるように缶胴１に柱状部４およびパネル部５を形成することにより、見かけ上、金属缶の剛性を向上させて、上記変形が異常変形に到らないようにすることができる。
【００４２】
（評価３）
これに対して、基準状態の各金属缶に対して外圧を１００ｋＰａ減少させると、上記の例とは反対の原理により、各パネル部５は缶胴１の半径方向で外側に向かって弾性変形する。この缶胴１の変形に伴って金属缶の内容積が増大する。金属缶の内容積が増大した分、ヘッドスペースが増大して金属缶の内圧が低下する。また、実施例１における各パネル部５の変形量は、実施例２ないし４および比較例２における各パネル部５の変形量より大きいため、実施例１の金属缶の内容積の増大量は、実施例２ないし４および比較例２の各金属缶の内容積の増大量より大きくなっている。そのため、実施例１での内圧の低下幅は、図４に示すように、実施例２ないし４および比較例２での内圧の低下幅より大きくなっている。これと同様に、実施例１でのヘッドスペースも、実施例２ないし４および比較例２でのヘッドスペースより大きくなっている。また、内圧と外圧との圧力差は実施例１では８２．１ｋＰａとなっているのに対して、実施例２の圧力差は実施例１より大きい８４．７ｋＰａとなっている。これと同様に、実施例３での圧力差は８７．０ｋＰａ、実施例４での圧力差は８８．９ｋＰａ、比較例２での圧力差は９０．３ｋＰａとなっている。
【００４３】
これらの結果から、実施例１の金属缶が受ける減圧度が−１００ｋＰａから−８２．１ｋＰａにまで低減されている、と言うことができる。つまり実施例１では、金属缶を変形させようとする荷重すなわち圧力差が、実施例２ないし４に比較して、見かけ上、小さくなっている。このように、前記圧力差が８０ｋＰａから９０ｋＰａの範囲に収まるように柱状部４およびパネル部５を形成することにより、見かけ上、金属缶の剛性を向上させて、上記変形が異常変形に到らないようにすることができる。
【００４４】
図６は、パネル部が変形していない状態と、加圧もしくは減圧されてパネル部が変形した状態とにおける缶胴の輪郭形状を示す図である。図６に示す缶胴１は、実施例２の金属缶の缶胴１である。符号Ｓ１は、内容物を充填する前であって外圧が掛かっていない場合における缶胴１の輪郭形状であり、この場合におけるパネル部５は、柱状部４の最外周端を結んだ仮想円に対して内側に窪んでいる。なお、図６に仮想円を点線で示してある。符号Ｓ２は、高温の内容物が充填され、蓋を巻き締めして密封した後、内圧が負圧（陰圧）になった場合における缶胴１の輪郭形状である。また、符号Ｓ３は、高温の内容物を充填し、蓋を巻き締めして密封した後の金属缶をレトルト処理し、その後に、加圧冷却した場合における缶胴１の輪郭形状である。パネル部５はその成形する際に、変形荷重を特には受けていないので、柱状部４や環状部３Ａ，３Ｂより低強度、低剛性である。そのため、内圧が低くなって実質的に加圧されたり、レトルト処理時に積極的に加圧されたりすると、パネル部５は缶胴１の内側に窪むように変形する。柱状部４や環状部３Ａ，３Ｂは上述したエキスパンド加工によって形成される部分であり、加工硬化などによって強度もしくは剛性が高くなっているため殆ど変形しない。パネル部５は、外圧が掛かっていない場合に、前記仮想円に対して内側に窪んで形成されているため、上述したパネル部５の変形は、いわゆる窪み量がわずかに増大する程度の変形になる。そのため、缶胴１もしくは金属缶の全体としての形状（外形形状）の異常と認識される変形にならない。さらに、符号Ｓ４は、外圧を低下させ、金属缶の内圧が正圧（陽圧）になった場合における缶胴１の輪郭形状である。この場合には、パネル部５は缶胴１の外側に膨らむように変形し、柱状部４や環状部３Ａ，３Ｂは殆ど変形しない。このパネル部５の変形は、いわゆる窪み量がわずかに減少する程度の変形になる。そのため、缶胴１もしくは金属缶の全体としての形状（外形形状）の異常と認識される変形にならない。
【００４５】
（試験３）
比較例３として前記柱状部４およびパネル部５を成形していない円筒状の金属缶を構成した。その比較例３の金属缶と実施例１の金属缶とに対して、基準状態から外圧を１００ｋＰａ増大させた場合と、基準状態から外圧を１００ｋＰａ低下させた場合とについて、内圧の変化をそれぞれ解析した。
【００４６】
（比較例３）
上述した缶胴１に柱状部４やパネル部５を形成しない以外は、上述した実施例１と同様にして金属缶を成形した。すなわち、この比較例３に示す構成の缶は、従来知られた円筒状の金属缶と同様に構成した。それらの解析結果を図７ないし図１２に示してある。
【００４７】
（評価４）
基準状態から外圧を１００ｋＰａ増大させた場合には、外圧が増大することに伴って実施例１の金属缶の内圧、および、比較例３の金属缶の内圧は、図７に示すように、共に上昇することが認められた。また、実施例１における金属缶の内圧の上昇の傾きに対して、比較例３における金属缶の内圧の上昇の傾きは小さいことが認められた。つまり比較例３の金属缶は、実施例１の金属缶よりも内圧が上昇しにくい。そのため、図８に示すように、所定の外圧例えば外圧を６０ｋＰａ増大させた場合における実施例１の圧力差より、外圧を６０ｋＰａ増大させた場合における比較例３の圧力差が大きい。また、図９に示すように、外圧を６０ｋＰａ増大させた場合における内容積の変化量は、実施例１より比較例３が小さいことが認められた。
【００４８】
（評価５）
これに対して基準状態から外圧を１００ｋＰａ低下させた場合には、上記の例とは反対の原理により、外圧が低下することに伴って実施例１の金属缶の内圧、および、比較例３の金属缶の内圧は共に低下することが認められた。また、図１０に示すように、所定の外圧例えば外圧を６０ｋＰａ低下させた場合における実施例１の内圧の減少量は、比較例３の内圧量より大きく、つまり実施例１に比較して比較例３では内圧が低下しにくいことが認められた。さらに、図１１に示すように、外圧を６０ｋＰａ低下させた場合における実施例１の圧力差に比較して比較例３の圧力差は大きい。また、図１２に示すように、外圧を６０ｋＰａ低下させた場合における内容積の変化量は実施例１より比較例３が小さいことが認められた。
【００４９】
したがって、この発明に係る金属缶では、外圧を受けた場合に、各パネル部５がほぼ均等に窪むように変形するので、金属缶の外観の異常の要因となる変形を回避もしくは抑制できる。また、金属缶の内容積の減少に伴って内圧が高くなり、これによって外圧と内圧との圧力差を減じて、見かけ上、金属缶を変形させる荷重を小さくできる。これは従来知られていない。そのため、金属缶の見かけ上の強度を増大させることができ、例えば、いわゆるパネリングの発生を抑制したり、内圧の増減によって缶胴１の上下の端部と各蓋体との巻締め部が緩んでしまい缶容器としての密閉性が損なわれたりすることを抑制できる。
【符号の説明】
【００５０】
１…缶胴、  ４…柱状部、  ５…パネル部（変形容易部）。
【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】
2017030819.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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