JP2008543687A - 薄壁容器の加熱充填方法 - Google Patents

Abstract

本発明の対象は、次の段階の実施からなることを特徴とする、一般に６０℃から９５℃にある温度で殺菌液体が利用される容器の加熱充填方法である。すなわち、a. ある材料で製作されると同時に前記液体の加熱充填に耐えやすい方法によるその製作から生ずる残留応力を有する容器の配置、b. 前記加熱液体による前記容器の充填、c. この充填容器の充填直後の密閉、d. 容器内部に減圧形成による変形を引き起こす少なくとも容器の固化温度未満までの冷却放置、ならびにe. d段階の減圧効果により受ける変形を少なくとも相殺する容器の内圧発生を連続して生じさせる縮管に導く残留応力解放を起こすための容器の加熱である。
【選択図】図３

Description

本発明は軽量薄壁特にポリエチレン製容器の加熱充填方法ならびにこうして得られる充填容器に関する。

液体向け容器の製造用に有効に利用される１種のポリマーであるポリエチレンテレフタレート、ＰＥＴは知られている。これらの主たる長所は、金属容器とは反対に、透明性、軽量性、製品あるいは商業上のニーズに応じて明瞭な外形を可能にするすべて同一形状と同一寸法の形状の自由度である。形状が限定される厚紙から製造される容器についてもこれと同じである。

ＰＥＴは壊れにくいと同時に良好な保存性や浸透性に関する力学特性を伴い、これらによって極めて魅力的なものとなると同時に極めて有効な用途の大部分の説明がつく。

これらのＰＥＴボトルは油、ミネラル水といったガスを含まない液体向けに利用される。この場合に、容器は極めてわずかの力学応力しか受けない。ＰＥＴはまさにぴったりと適合する。実際、これらの液体は冷えたまま無圧で充填される。

これらのボトルはまた炭酸入りつまり容器が圧を受ける飲料の場合にも利用される。

ボトル本体の線状溝または花弁状の底を利用した設計テクニックにより容器重量の犠牲を増やすことなく力学強度および/または圧力強度の強化が可能となる。

業界で容器の加熱充填の必要がある場合には、梁を生み出すために容器本体に設けられる壁パネルを含めさらに大きな厚み、様々な幾何形状を必要とする様々な設計に頼る必要がある。加熱充填に必要なこれらの要素により材料の消費が増えて、冷えた充填液体向けの同一ボトルの重量に対し重量が２倍までも増加することになる。

実は、ＰＥＴの力学特性は温度が高くなる時に大きく劣化する。

問題となっている容器の耐熱強度の改善が可能となるＨＲという文字を使ってもっと一般的に指し示される「耐熱性」といわれる方法がある。

１輪法といわれる第１方法により充填温度は80〜88℃まで到達可能となる。

２輪法といわれる第２方法により液体の温度を88〜95℃に調整することが可能となる。

加熱充填されたボトルは実際、様々な段階時に数多くの種類の力学上の応力を受ける。

従って、底は充填時の加熱液体の静水圧に耐えなくてはならない。

容器は液体の殺菌特性の確保のために容器が加熱して栓がされるにもかかわらず、液体の冷却により生ずる減圧時に生ずる応力に耐えなくてはならない。冷却により液体の収縮と前記ボトルの頭部空間の空気の収縮と二重の収縮が生じる。

本体上の壁パネルや梁、本体上に際立つ帯状部だけでなく、その形状が多少球根状である首部と本体間の肩部についても外形がはるかに複雑であるのはこの理由のためである。

力学的強度に必要な厚みの利点はまたより大きな温度不活性を示す点にもある。

ＰＥＴ製の軽量ボトルの製造は押し出し/吹き込みといわれる方法によるものである。この方法は押出しによる事前型の製作からなり、この事前型は首部の最終の形状と寸法で形成される１端を伴う管状の外形を有する。

特に、100〜120℃までの赤外線照射によるこの事前型の再加熱後、不定形材料が、再軟化されると同時に、適合する型内に置かれた後、内部を通じて吹き込みを受けうる。

この鋳型は最終容器が好ましい寸法を示すように冷却時の材料の縮代が考慮された寸法のものである。

この吹き込み段階時には、引き抜き軸の作用のもとで長手方向引き抜きと同時にこうして導入される圧力下の空気により膨張が生ずる。さらに詳細には、空気は、最初は、大きな温度差のある間の材料に適合した変形の確保のために低圧で導入され、次いで仕上げ型の内壁に対すると同時に極めて小さい温度差向けの張り付き確保のために高圧で導入される。

型は接触により伝達される熱量が消散するように水で冷却されることもあり、この効果によりボトルが固化する。

実は、こうして得られるボトルは１方向に引き抜きかつ多方向に膨張を受けたので２方向性といわれる。

こうして２方向に方向付けされたマクロ分子鎖により室温での優れたパラメーターの機械強度が導かれる。

この２方向性の欠点は部分的に逆戻りする点にあると同時に、材料には温度が上昇するとこのようなある一定の自由度が見受けられる。

実際、この材料には最小応力が示される当初の形状に戻る傾向がある。

これは形状記憶といわれる現象である。

加熱充填される飲料の利用に仕向けられる厚みの厚いボトルについては押出し吹き込みによるけれども、操作パラメーターはさらに精緻であると同時にさらに複雑である。

事実、事前型は、ＰＥＴのこの形状記憶が最小化されると同時に吹き込みによる応力が解放されるよう結晶作用近くまで軽量容器の場合よりもさらに高温まで再加熱される。

１輪製作の場合には、その温度強度が上がるように、成型中と成型後にこの容器の当初不定形材料は熱処理が受けさせられる。

再軟化後に引き抜かれる時の材料には誘導された結晶性が発生するが、透明性が残る材料に戻りうる。力学特性が増強される。

次に、この誘導化結晶作用の発生後に加熱が維持される場合、２方向性により既に組織された鎖に一定の結晶性を引き起こす球状結晶作用が生ずる。

ＰＥＴの直接の球状結晶作用とは逆に、２方向化以後の球状結晶では材料の透明性が完全に維持される。

２輪製作の場合には、本方法によりさらなる高性能に到達可能であるが、さらに複雑な１連の段階に犠牲を払わなくてはならない。

実際、この場合、まず、引抜き比例係数で２倍から３倍の、最終容器よりもはるかに大きな容積素地が生成される。

この素地は次に応力の解放のためガラス状態遷移点を越えて再加熱され、これにより、事前型の寸法に向けた容積の縮小と回復が起きるが、容器の相似変換に至る比例的な形の１つである球状結晶化の割合が高い。ＰＥＴについては自動調節される。

この拘束された素地が温度状態にある時に、最終容器の寸法に近い縮代で得られる型が利用される吹き込み段階により最終容器の製作が可能となる。

高い結晶化率によりこの容器は加熱充填時に強度が改善される。

この方法は実施がはるかに困難である点は注目される。本方法は特別なメンテナンスと定期的な型の清掃を必要とする常に限界値での取り扱いを必要とする。

さらに、ＨＲ法により得られるボトルは製作され次第、水分を吸収する傾向を有し、これにより、その力学強度、つまりは温度特性強度が減少する点が注目される。こうして、８８℃の温度まで最初から耐える、水分の引き取り後は８２℃までにしか耐えない容器の製作が可能となる。実際、ＴＧ遷移温度は降下する。

最大限縮小される前の在庫のボトルは大量な用途に向けて、通常、充填現場で製造され、これがまたある種の制約となる。

これらの容器が製作され次第調整されるべき液体反応がいくつかあるとともに、これは充填方法とは別のものである。

牛乳またはビールのような光に感応しやすく酸素吸収に敏感であって、つまりは果物または野菜ジュース、ビール、油といった酸化しやすいが、１方で、水分の取り込み、ガスの損失、酵母、カビまたはバクテリアの発達に敏感な傾向のある液体が存在する。

液体には防腐剤が含まれうると同時にこのためほとんど感応しないものがあるだけでなく、これとは逆に、牛乳、ジュース、コーヒー、紅茶、果物入り飲料、ある種の水のようなガスを含まなくても敏感といわれるある一定の液体には全く防腐剤が含まれないにもかかわらず最良の条件での調整が必要である。

このような防腐剤の適合衛生条件と良好な保存の保証が確保されるため、１つは「無菌充填」、もう１つは「加熱充填」といわれる２つの主な手段が知られている。

無菌充填は殺菌された液体で容器が充填されると同時に前記容器が詰められることからなるので理論的に単純であり、栓のようなすべての梱包材は殺菌されその操作全体が殺菌環境で管理される。

しかしながら、ラインの実施が複雑で、極めて厳しい監視と同時に費用が高くつく重大なメンテナンスを必要とするサイクルの間、その同一無菌条件の常時維持が困難であることが分かる。このラインでは、専門家は、処理速度があまり上がらず低い生産量しか生じない処理を採用した化学生成物の利用される化学的殺菌に頼らざるをえない。生産量は加熱処理ラインの４０％から５０％である。投資額も加熱充填ラインのものより２倍から３倍大きく非常に高額である。

この方法の極めて重大な欠点はラインにおける各容器内内容物の殺菌制御が不可能なことにある。おまけに、採取により制御が行われる場合がある。

冷却無菌充填の利点は、低温充填により温度による変形が回避されるので、壁が薄く軽量で形状の自由なボトルしか必要とされない点にある。

もう１つの方の手段の加熱充填は、内容物の温度制御がいつでも簡単かつ容易であるので無菌品質も保証される。

ボトル詰めラインは、充填直後に詰められる容器に導入される加熱された液体自身により殺菌が得られるので、単純であるだけでなく容器および栓の処理が限定される。ボトルの上下動により液体と接する栓下部面の殺菌が確保される。

これにひきかえ、製品に応じて６０℃から９５℃、さらに特別には８０℃から９２℃にある充填温度に強い容器に頼らなくてはならない。

さらに、ボトルは抵抗力に結びつくほぼ一様な形状により重量が重くなり、これにより市販される製品間の差別化は非常にわずかしか許されない。

また、２つの方法により利点も欠点も示されるものと結論付けられる。しかしながら、実際に採用される容器の特別な特性により生じると同時に加熱充填に必要とされる付加コストにより関連業界は無菌法による充填のライン開業の方に向かう傾向にある。

材料の重量に関する考えの整理が見定められることが重要である。１５年前は、１．５リットルの容器では、低温充填では材料４９gの材料、またＨＲ処理の加熱充填では５５gの材料が必要であった。

以来、加熱充填に関する材料の量は殆ど低減されなかったにもかかわらず、低温充填に関しては２８ｇにもなる大きな進展が見られた。

業界により追求された妥協案は、調整ラインと同じだけの容器コストに制限するため低温充填に向けられる薄い壁のボトル内であっても、無菌状態の保証が得られるための加熱液体充填が可能であることからなろう。

これにより限定されない好ましい実施形態例により現在詳細に説明される本発明による方法が提案されることになる。

与えられた例は、ＰＥＴボトルに関係するが、同一性質の同一性質ポリマーと同様な特性を示す材料製の容器すべてにあてはまりうる。

本方法は以降に説明されるような適合特性を示す前の薄壁容器の加熱充填の実施からなる。

この容器は必要に応じて本体の剛性化をはかるため線状溝を伴った非ガス入りミネラル水向けの容器であるが、底が浅く補強された円筒形状であって容器全重量が等内容量のミネラル水向け容器として採用される容器とほぼ同じのものである。

補強された底は一般的に首の方に向けて凸型となったその低圧下の戻りが回避されるための補強材を伴った底から構成される。

この容器は調整温度に応じて１輪または２輪「ＨＲ」処理の２方法のうちのどちらかから製作される。

容器はこのように加熱に耐えると同時に低減された重量の維持が可能である。

さらに、帯部、肩部球根状部、壁パネルといった加熱調整される従来技術のＰＥＴボトルの特性要素の不在が注目される。図１に示される容器１は単純な幾何形状が採用されている。

充填は、一般的に容器に既知タイプのボトル詰めタンクから直接重力を通じて行われ、液体は、目的とする用途に応じて６０℃から９５℃の温度に温められると同時に維持される。

温度状態の液体が容器に入る時、次の作用が生じる。
-厚みが薄くかつ熱順応慣性が限定されるための壁温度の急速な上昇
-重力配水から生じる負担による静水圧圧力作用
-容器に導入される液体容積荷重による作用

容器は容器がこの温度上昇に応ずるよう 密閉時にせいぜい極めて軽い樽状にしつらえられるので充填作用のもとでの温度上昇下では殆ど変形しない。これが図２の表示である。

結晶作用は本申請の序文で指摘されたように改善可能であることが分かっており、これにより機械特性が大きく改善される。容器がその製作直後に利用される場合には、湿気の戻りは極めて限られると同時に、温度に対する当初強度がほぼ完全に維持されることもまた分かっている。

改善された機械強度で設計された底は「ＨＲ」処理によるこの底の凸部の戻りが前記容器が密閉され次第に圧力の負荷と上昇効果のもとで回避されるものである。実際、容器容積の温度上昇により急速な縮管が引き起こされるにもかかわらず、含まれる液体自身の容積が維持され、これにより容器内部圧力が発生する。

これに耐えるよう設計される底はその形態を維持するが、容器本体は液体と頭部空間の冷却時に大きな変形を示す。この変形は、容器が開いている場合には本体は当初形状に戻るので元に戻れないことはない点は注目すべきである。

変形は、例えば、既知であると同時にいかなる特別な変更も行われなかった容器の場合の壁のように、力学的変形に最も都合の良い地帯に局限されることが分かっている。

力学的に強度の少ない地帯の場合には、同一条件で充填されるあらゆる一様な容器にわたり変形が再現可能であることも認められている。

従って、再現可能であるようにこの特定かつ決められた地帯に変形がもたらされるようにあらゆる容器に自ら適合する地帯が作られうる。

正方形または円筒形容器が圧力に十分耐えるけれども線状溝または折り目のような工夫が設けられる場合を除いて減圧にはとても耐えないことが知られている。

従って、本発明の方法によると、底の接合部帯ならびにこの接合部に形成される折り目の強度による非変形の前記本体底を伴った容器が得られる。本容器はその底の上で安定しているが、本体は変形しており、専門用語によれば崩壊しており、このためこれを市場に投入するのは不適切である。これは図３Ａと図３Ｂに表示されている。

本発明による方法は液体の部分または全体の冷却後に容器容積の縮小から生じる容器容積の低減からなる。

該ボトルは、たとえこれがＨＲ「熱抵抗」処理を受ける場合であっても、全体を相殺するほどではないにしてもＰＥＴ形状記憶効果の最小化を可能にすることが認められている。

本方法は容器がその当初形状つまり事前型の形状に戻りやすいように固化応力を解放させることからなるので、さらに縮小した容積に戻りやすい。これは特に驚くべきであると同時に本発明の魅力的な性状である。

このため、液体が加熱導入され次第、次いで容器が充填されると同時に部分または全体冷却が行われるとすぐに、容器は応力から解放されると同時に元に戻れないようにその表面の全体あるいはその一部で容器が変形するようその少なくとも１部分の温度上昇を受ける。

この温度上昇は液体温度が上昇しないよう迅速でなくてはならなく、これによって減圧分が補われるように必要な差分が相殺される。

にもかかわらず、この温度上昇を実現するための手段の選択幅は投入質量比が極めて大きいので極めて広く残る。数百グラムの内容物に対する容器のＰＥＴの数グラムにより、必然的に内容物よりも包含容器の方に急速な温度上昇が招かれる。さらに、照射による加熱の場合には、特に包含容器が最初に赤外線照射を受けると同時に熱量を真っ先に吸収する。

マリー浴または低温殺菌浴のような伝達による加熱手段だけは避けるべきである。この場合にはもはや適合しないのはもう１つ別のパラメーターである。これは所要時間であり、このタイプの技術の場合には非常に長すぎる。

もう１つの克服すべき先入観は所要相殺容積である。冷却後の容器を考慮すると変形は容積の大きな縮小の発生が必要であることをどう考えるか次第である。

５００ミリリットルのボトルについては冷却後の容積の縮小は液体容積のたった３．５％に過ぎず１７ミリリットルである。

実はこのようなボトルについて、規模の程度を挙げるため一般的に約６０ミリの直径は、いわゆるラベル貼りの高さにわたる、つまりはラベル貼付け地帯にわたる縮管部の設置が可能である。

ラベル貼付け地帯と底部や変形しない肩部地帯といった間の帯域は、１から２ミリの直径の縮代を見込めば十分である。

同様にこの容器の冷凍時の追加の必要に応じた縮管を補うよう軽く相殺することを見込むことも可能である。

加熱充填時には、空気で充填される頭部空間が常時維持される点も注目されるべきである。

また、上部部分の前記ボトルの母線に従いこの空気を必ず導くようボトルを横にすることも可能である。このため、本方法は空気が極めて孤立しており、内壁と空気との間の熱伝達は極めて難しいので熱風による加熱の実施が可能である。熱量は関係する地帯の前記ボトルの内壁に集中すると同時に極めて急速に求められる縮管を引き起こさせる。

全般にわたる温度再上昇実施の必要がないように、内部液体が４０℃から５０℃程度の遷移温度未満になり次第この包含容器の加熱実施も可能である。

本発明による方法は正方形断面の容器の製作も可能にする点も注目されうるもので、縮管が応力解放時および容器の縮管時にもまた相殺される三角分割による容器の変形を引き起こす。

このように、本発明によると、本方法は、押出し/吹き込みにより製作されると同時に吹き込み前に形状記憶を示し、一般に８０℃から９５℃の殺菌液体の温度範囲の液体の加熱充填時に変形せずに力学的に耐えやすい容器、例えば、ポリエチレン製容器に頼ること、前記容器を前記加熱液体で充填すること、この容器を密閉することならびに少なくとも容器の固化温度未満まで冷却放置させること、容器内部の減圧形成による変形を引き起こした後の応力解放、ならびに縮管を生じさせる吹き込み前の形状への回復、減圧効果により受ける変形の少なくとも相殺に導く容器内部圧力の発生を引き起こすための容器の加熱からなる。

こうして本発明により任意の容器が充填温度の簡単な測定による低温殺菌が保証可能な低温殺菌内容物で充満される。本方法を実施するための容器コストは無菌充填を受けやすい容器に完全に比肩しうるものなのでもはや大した問題ではない。

充填テンポに合わせた業界のニーズ、このために投資が高価につかないだけでなく稼動コストも高くつきかつ面倒であるボトル詰めラインを必要とさせずに無菌保証ニーズに応じうることがこれの利点である。

従って、本発明による方法のおかげで、加熱充填容器製作用の原材料コストが削減されるのみならず、この最小量の原材料は同一ボトル詰め容量に関するリサイクル後のコストも削減されるようになる。

本発明によると、本方法の実施に適合する装置が設置可能である点が注目されるべきである。

ある方案は容器が包含されるよう少なくとも２つの部分が含まれる成形型の製作からなり、前記成形型は必要な熱量が発散するよう適合したあらゆる手段により加熱される。

これらの成形型は、最大限内壁近傍、さらにこの内壁の局在化された地帯内において熱量発散用の容器のものとほぼ対となった外形を有し、上部部分の空気と一緒に母線上で加熱が行われる場合には水平に向けられる。従って、この場合には特定の地帯でさらに大きな加熱を生じさせることができる。

諸図により本方法の模式的に図示される。これらの図は次の通り。

充填前の容器図。 冷却前の加熱液体による充填直後の図１と同一の容器図。 冷却後に崩壊現象を受けた充填容器の９０度回転された２つの図（図３Ａおよび図３Ｂ）。 当初形状に戻る本発明の方法による処理後の図３Ａと図３Ｂの崩壊容器図。

Claims (9)

1. ａ．任意の材料で製作されると同時に液体の加熱充填に耐えさせやすい方法によるその製作から生まれる残留応力を有する容器の利用、
   b.前記加熱液体による前記容器の充填、
   c.該充填容器の充填し次第の密閉、
   d.容器下部の減圧形成により変形が引き起こされる容器の少なくともその固化温度未満までの冷却放置、ならびに
   e.縮管に至らしめると同時に容器内部圧力を連続的に生じさてd段階の減圧効果により受けた少なくとも諸変形を相殺するための残留応力の解放を生じさせる容器の加熱の段階から製作されることからなることを特徴とする概して６０℃から９５℃の間にある温度で殺菌される液体の容器加熱充填方法。
2. 容器に強度を与えることを可能にする方法が「ＨＲ」処理による押出し/吹き出し成形方法であることを特徴とする請求項１に記載の加熱充填方法。
3. 材料がポリエチレンテレフタレート、ＰＥＴ製であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加熱充填方法。
4. 容器上に縮管局在地帯が設けられることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の加熱充填方法。
5. 縮管局在地帯がラベル貼り地帯であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の加熱充填方法。
6. e段階の加熱が容器下部に圧力を生じさせるために行われることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の加熱充填方法。
7. 赤外線照射タイプの加熱が含まれることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の加熱充填方法。
8. 赤外線照射タイプによる加熱が必要な熱量の発散のために容器が包み込まれるようになる少なくとも２つの部分が含まれた加熱される成形型を通じて得られることを特徴とする請求項７に記載の加熱充填方法。
9. 加熱空気タイプの加熱が含まれることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の加熱充填方法。

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