JP3567762B2 - Liquefied gas spray filling method and apparatus - Google Patents
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Description
【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1 kPa 〜30 kPa 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0.15〜4 mm 2 、好ましくは0.2〜3 mm 2 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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a method and an apparatus for spraying and filling a liquefied gas, and in particular, a small quantity of a liquefied gas such as liquid nitrogen can be filled with high precision, and a gas replacement package such as a low positive pressure gas replacement positive pressure package can be reliably obtained. To a liquefied gas spray filling method and an apparatus therefor.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, it has been widely practiced to fill a container with liquid nitrogen by flowing it down from a nozzle, thereby performing gas replacement and generating an internal pressure to obtain a gas replacement positive pressure package. However, in this liquid nitrogen falling filling method, when the liquid nitrogen flowing into the container collides with the liquid level of the contents, a part of the liquid nitrogen may be scattered out of the can. And the internal pressure accuracy is low. In particular, when filling a small amount of liquid nitrogen, the variation with respect to the target filling amount is further increased.Therefore, it is possible to stably obtain a low positive pressure gas replacement package by filling a small amount of liquid nitrogen with the conventional downward filling method. could not. On the other hand, the present applicant has previously proposed a method of filling liquid nitrogen into a container in a mist form as a method of solving the drawbacks of the conventional liquid nitrogen flowing down filling method and improving the filling accuracy.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention seeks to further improve the method proposed above to obtain a method and apparatus for spraying liquid nitrogen stably and reliably even in a high-speed line and filling the container with liquid nitrogen. However, there are the following problems in stably spraying in the form of fine droplets and stably filling the container.
[0004]
Spraying liquids having a boiling point higher than the atmospheric temperature, such as water or other liquids (fine-granulation), can be easily achieved by increasing the ejection pressure by applying high pressure and utilizing the rapid pressure drop during ejection. . However, in the case of liquid nitrogen, which has a very low boiling point at atmospheric pressure of -196 ° C. and is very easy to vaporize, unlike normal liquid having a high boiling point, even if jetted under normal pressure, fine droplets are stable. I can't get it. The cause is that when liquid nitrogen is ejected into the atmosphere, the liquid nitrogen is heated and vaporized by the normal temperature atmosphere, and vaporizes in the spray nozzle before spraying, causing pressure fluctuations and air bubble biting into the jet outlet, This may cause pulsation. In particular, when jetted in a high pressure state, the degree of boiling point drop when liquid nitrogen passes through the spray nozzle increases, and the liquid nitrogen boils in the nozzle to generate pulsation, so that fine particles cannot be stably obtained. Another cause is that water contained in the air freezes at the nozzle tip and blocks the ejection port, so that the spray amount is not stable. Furthermore, even if the spraying can be performed stably, if the spray pattern of the sprayed liquid nitrogen is not compatible with the transport direction of the container, the filling accuracy of the liquid nitrogen fine particles into the container is deteriorated, and particularly, in the high-speed line. In such a case, fine particles of liquid nitrogen may bounce off the container when reaching the liquid level of the contents and scatter outside the container, which is still satisfactory for obtaining a low positive pressure can where a small amount of liquid nitrogen is required with extremely high precision. It was not something.
[0005]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and solves the above-mentioned technical problems when obtaining fine particles of liquid nitrogen, and more stably atomizes and sprays liquid nitrogen. And a liquefied gas spray filling method and apparatus capable of accurately filling fine particles of liquid nitrogen into a container even in a high-speed line, thereby reducing the thickness of a can material This makes it possible to obtain a low positive pressure canned product having excellent quality assurance that enables the above.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The liquefied gas spray filling method of the present invention for solving the above problems,A liquefied gas storage tank, and a spray unit having a spray nozzle provided in communication with the bottom of the liquefied gas storage tank, and the liquefied gas is finely dispersed in a head space of a container filled with contents by the spray unit. A liquefied gas spray filling method for liquefying and spraying the liquefied gas, wherein the nozzle temperature at the time of spraying the liquefied gas is set in a range from the boiling point of the liquefied gas to the boiling point + 75 ° C. kPa ~ 30 kPa And the liquefied gas is finely granulated and filled in a container.
[0007]
In the liquefied gas spray filling method,By spraying the liquefied gas toward the container opening from the spray nozzle so as to form a spray pattern having a spread angle of 20 ° to 100 °, the liquefied gas can be more effectively atomized and filled into the container. I can do it. At this time, the spray flow rate of the liquefied gas is preferably in the range of 0.2 g / s to 4.0 g / s, and if the spray flow rate is less than 0.2 g / s, a desired internal pressure of the container cannot be obtained and 4.0 g / s. If it exceeds s, a pulsating flow is likely to be generated during spraying, the spread angle is not stable, and it is difficult to obtain a stable spray flow. A more preferred spray flow rate is in the range of 0.2 g / s to 3.0 g / s. Note that the spray pattern refers to a distribution state of a large number of fine particles of liquid nitrogen formed in the space immediately after the liquid nitrogen comes out of the nozzle hole. Liquid nitrogen is generally used as a liquefied gas to be filled in a container for producing a gas-exchange positive pressure package, and the present invention can also be favorably applied to liquid nitrogen spray filling.
[0008]
The spray pattern is desirably formed so that the horizontal cross-sectional shape approximates a square shape or an elliptical shape so that the container can be efficiently filled with the liquefied gas fine particles. The fine particles of the liquefied gas formed by being sprayed from the spray nozzle preferably have a particle size of 2 mm or less, and if the particle size exceeds 2 mm, it is the same as in the case of the conventional down-flow packing, It is difficult to control.
[0009]
When spraying the liquefied gas, it is preferable that the spray nozzle be shut off from outside air by a double purge gas of a relatively low temperature inner purge gas and a relatively high temperature outer purge gas. Further, the liquefied gas is sprayed at an angle of 5 ° to 45 °, preferably 15 ° to 40 ° from the vertical with respect to the advance of the container so that the spray flow of the liquefied gas has a velocity component in the traveling direction of the container. Is desirable. The spray distance from the tip of the spray nozzle to the container filling surface is preferably 5 to 100 mm, more preferably 45 to 60 mm.
[0010]
Further, the liquefied gas spray filling device of the present invention to achieve the above object,A liquefied gas storage tank, and spraying means provided in communication with the bottom of the liquefied gas storage tank, and atomizes and sprays the liquefied gas into the head space of a container filled with the contents by the spraying means. A liquefied gas spray-filling apparatus, wherein the spraying means has a valve for controlling a flow rate of the liquefied gas and a spray nozzle, and the spray nozzle extends downward from a valve seat of the valve. Is provided at the lower end of the pipe, the outer periphery of the pipe is surrounded by an outer wall, and between the pipe and the outer wall, the upper part flows through the liquefied gas storage tank and liquefied gas is discharged from the liquefied gas storage tank. Having a nozzle cooling bath configured to flow inIt is characterized by the following.
[0011]
In the liquefied gas spray filling apparatus, the spray nozzle has an opening area of 0.15 to 4 for atomizing and spraying the liquefied gas. mm 2 , Preferably 0.2 to 3 mm 2 Spray nozzle holes.
[0012]
The spray nozzle is vertically downward at 5 ° to 45 °., Preferably 15 ° to 40 °The inclined arrangement is desirable because a velocity component in the direction of transport of the container is imparted to the spray flow, and the liquefied gas fine particles can be soft-landed on the liquid surface in the container. Further, it is desirable that the spraying means includes a purging means for blocking at least the vicinity of the nozzle outlet from the outside air with a purge gas to prevent frost.
[0013]
The purging means is formed by a double purge gas hood of an inner purge gas hood forming an inner purge gas path and an outer purge gas hood forming an outer purge gas path, and the inner purge gas hood is formed by a nozzle from a lower outer peripheral portion of the spray body. By forming so as to surround the tip, the portion facing the nozzle tip can be configured as a spray beak.
[0014]
It is desirable that the spraying means can be more easily assembled by integrally forming each member constituting the spraying means to the spraying body to form a spraying means assembly. And, by arranging a plurality of the spraying means along the container transport direction at the bottom of the liquefied gas storage tank, or by arranging in combination with the liquefied gas flowing down means to form a multi-nozzle, the variation with respect to the internal pressure is reduced. It is desirable because more precise filling is possible. Further, even when the spray amount is large, the liquefied gas can be charged with high accuracy.
[0015]
The liquefied gas storage tank is connected to an initial purge mechanism that supplies a dry heating gas to remove water in the tank before supplying the liquefied gas into the liquefied gas storage tank, and performs an initial purge to perform the initial purge. It is desirable because there is no ice inside.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
This embodiment shows a case where the liquefied gas spray filling apparatus of the present invention is applied to a liquid nitrogen spray filling apparatus for spray filling liquid nitrogen into cans, FIG. 1 shows a cross section thereof, and FIG. FIG. 3 shows a three-dimensional sectional view of a three-dimensional part. In the figure, reference numeral 1 denotes a liquefied gas (liquid nitrogen) storage tank (hereinafter simply referred to as a tank) formed in a double-walled vacuum heat-insulating structure having a vacuum heat-insulating tank. Spraying means for spraying is provided. The spraying means basically comprises a
[0017]
The
[0018]
The upper end opening of the
[0019]
The lower end of the
[0020]
A barge means is provided on the outer peripheral portion of the
[0021]
From this point of view, in the present embodiment, the purge gas flow path is formed as a double structure of the inner
[0022]
Further, an
[0023]
Although not shown, the tank 1 has a liquid level sensor for measuring the liquid level of the stored
[0024]
The liquid nitrogen spray filling apparatus of the present embodiment is formed as described above, and the liquid nitrogen flow path from the tank 1 to the
[0025]
By the way, in order to accurately and precisely fill extremely low temperature liquid nitrogen into a container, it is required that the liquid nitrogen be sprayed stably and the sprayed liquid nitrogen be properly filled in the container. In the present invention, various spray conditions such as nozzle temperature, nozzle hole diameter, spray pressure, spray flow rate, etc. are examined as spray conditions for stable and appropriate spraying of liquid nitrogen, and the sprayed liquid nitrogen is appropriately filled in a container. As conditions, a spray pattern, a spray particle size, a spray angle, and a spray distance were examined.
[0026]
The spray pattern depends on the spray flow rate and the spray spread angle, and also on the particle size of the sprayed liquid nitrogen. By the way, the internal pressure of the can at the time of filling is related to the spray flow rate (that is, the filling amount in the can), and the spray flow rate is determined by the spray pressure and the hole area of the nozzle tip. And / or the spray pressure needs to be increased. However, when the diameter of the nozzle hole is increased, the diameter of the droplet increases, and a phenomenon that the liquid drops into the filling liquid and bumps occurs. In addition, the influence of the variation of the filling internal pressure due to the number of the entering liquid droplets and the variation due to the scattering of the liquid droplets increase, and the accuracy of the filling can internal pressure deteriorates. Therefore, the can was filled with 240 g of hot water at 65 ° C., operated at a line speed of 1500 cpm, and the relationship between the liquid nitrogen spray flow rate per unit time and the variation in the internal pressure of the can was examined. The liquid nitrogen spray flow rate was determined by collecting the liquid nitrogen sprayed from the nozzle with a balance installed on an upper plate with a container filled with liquid nitrogen and measuring the weight increase per unit time. . The result is shown in FIG.
[0027]
FIG. 4 shows the relationship between the liquid nitrogen spray flow rate and the can internal pressure when the spray pressure is 1 kPa, 5 kPa, and 10 kPa. As is apparent from the figure, the dispersion gradually increased as the spray flow rate increased at any of the spray pressures, and the dispersion became considerably large at more than 4.0 g / s. Conversely, if the spray flow rate is small, the variation in the can internal pressure is reduced, but if the spray flow rate is 0.2 g / s or less, the desired inside of the can cannot be obtained, so that the spray flow rate is 0.2 g / s to 4 g / s. The range is preferably 0.0 g / s, more preferably 0.2 g / s to 3.0 g / s.
[0028]
On the other hand, the relationship between the nozzle hole area and the amount of liquid nitrogen sprayed is set such that the nozzle hole area of the nozzle of the above-described embodiment is 0.1 to 4 mm in the case of each of the above spray pressures of 1 kPa, 5 kPa, and 10 kPa.2The liquid nitrogen spray flow rate corresponding to the area of the nozzle hole was measured by changing the range of the above. As a result, as shown in the graph of FIG. 5, the nozzle hole area and the spray flow rate have a strong correlation, and the nozzle hole area is 0.15 to 4.0 mm.2By setting the range, the spray flow rate of 0.2 g / s to 4.0 g / s can be obtained. Hole area is 4mm2Therefore, it is difficult to obtain a flow rate of 2.0 g / s or less at a spray flow rate. Therefore, in order to reliably obtain a spray flow rate of 0.2 g / s to 3.0 g / s, the nozzle hole area must be 0.2 to 0.2 g / s. 3mm2Should be selected within the range.
[0029]
On the other hand, in the case of spraying, as shown in FIG. 4, fine particles of liquid nitrogen are spread and distributed in the space. Filled with fine particles of liquid nitrogen. As a result, there is an advantage that the evaporation of liquid nitrogen occurs over a wide range of the filling liquid level, and the oxygen removing effect is enhanced as compared with the case of flowing down. The spread angle β is determined by the shape of the nozzle tip and the spray pressure. If the divergence angle is large, it spreads over a wide range of the opening, but if the fine particles are distributed over a very wide range, it will protrude from the opening of the can, and the efficiency will be poor. Therefore, the range of the spread angle of the spray is preferably in the range of 20 ° to 100 ° when the container is canned. If the divergence angle is 20 ° or less, the flow becomes almost in a falling state, and the above advantage is not exhibited. The spread angle of the spray is also affected by the diameter of the container and the spray distance. For example, when the actual spray distance is 35 to 65 mm and the container diameter is 50 mm, the spread angle is more preferably in the range of 71 ° to 42 °, and the container diameter is 60 mm. In the case of the above, the spread angle was more desirably in the range of 86 ° to 54 °.
[0030]
In the present embodiment, the spray pressure is controlled by measuring the pressure in the tank and adding the head pressure calculated from the height from the injection hole to the liquid level. That is, the spray pressure is considered as the sum of the autogenous pressure generated by the evaporation of the liquid nitrogen, the pressure applied from the outside of the tank, and the head pressure generated by the own weight of the liquid nitrogen. In order to produce fine liquid nitrogen particles, it is necessary to apply a spray pressure. However, if the spray pressure is high, excessive boiling of the liquid nitrogen will result in excessive vaporization of the liquid nitrogen, resulting in an insufficient spray state. On the other hand, when the tank internal pressure is high, it becomes difficult to supply the liquid from the liquid nitrogen supply source, particularly when liquid nitrogen is supplied from the gas-liquid separator. For this reason, the spray pressure range was preferably 1 kPa to 150 kPa, and particularly preferably 1 kPa to 30 kPa when using an open-to-air gas-liquid separator.
[0031]
Further, the particle diameter of the fine particles of liquid nitrogen formed by spraying does not necessarily have to be mist or mist-like ultrafine particles, and the liquid droplets do not scatter due to collision with the liquid surface at the time of filling, and a predetermined amount. It suffices if it satisfies the condition that can remain as liquid nitrogen in the container. As a result of the experiment, if the particle size of the fine particles formed by spraying was 2 mm or less, the above condition was satisfied, and if it exceeded 2 mm, it was not different from the case of the conventional downward filling. Then, the case of fine particles having an average particle size of 1 mm or less more effectively satisfies the above-mentioned conditions, and is desirable.
[0032]
Spraying to make liquid nitrogen into fine particles can be satisfactorily performed by setting the above conditions, but in the present embodiment, in order to more accurately fill the container with the sprayed liquid nitrogen fine particles, liquid nitrogen is sprayed. The spray angle and spray distance were studied. First, the fine particles of liquid nitrogen sprayed from the nozzle softly landed on the inner solution surface, and were devised so that they could be reliably filled into the container without splashing when reaching the container liquid surface. As a technical means for this, the spray direction of liquid nitrogen is bent in the direction of travel of the container, and the nozzle tip is bent by the spray angle α with respect to the direction of travel of the container so that the velocity component in the direction of travel of the container appears in the spray flow. Placed. Experiments were conducted on the optimum value of the spray angle. The spray angle was properly set at 5 ° to 45 °. When the spray angle was 45 ° or more, the flight distance of the fine particles of liquid nitrogen became longer, and the evaporation amount of liquid nitrogen increased. At the same time, the spray flow may protrude from the container. When the angle was less than 5 °, the soft landing effect was small. The spray angle in the range of 15 ° to 40 ° is a more preferable range because the above effect is more satisfied.
[0033]
As for the spraying distance, when the nozzle tip and the filling liquid level are brought closer, the fluctuation of the internal pressure of the can with respect to the spraying distance becomes large, and the accuracy of the filling internal pressure is reduced. On the other hand, if the spraying distance is long, it will spill out of the can and the filling internal pressure will decrease. Evaporation in the atmosphere also has an effect. Therefore, in these intermediate regions, there are regions in which the can pressure does not fluctuate with distance. When this fact was confirmed by an experiment, the range of 5 to 100 mm could be adopted as the spray distance, but more preferably, the range of 45 to 60 mm showed almost no change in the internal pressure of the can, and a desirable result was obtained.
[0034]
FIG. 8 shows another embodiment of the present invention, in which a liquefied
[0035]
Spray-filling the container with liquefied nitrogen gas from a plurality of nozzles has the following advantages. When filling is performed using a plurality of nozzles without changing the spray flow rate, the internal pressure of the container is proportional to the first power of the number of nozzles, while the standard deviation is proportional to the 乗 power. That is, as the line speed increases, the time for the container to pass under the nozzle decreases in inverse proportion to the line speed, so that the total amount of liquid nitrogen received by the container also decreases, and consequently decreases in inverse proportion to the container internal pressure line speed. I do. The standard deviation also decreases in inverse proportion to the line speed. Now, at a certain speed, when a predetermined container internal pressure is obtained by one nozzle, it is considered that this is divided into N nozzles for filling. The spray flow rate of each nozzle is reduced so that the obtained container internal pressure is set to 1 / N. At this time, the variation (standard deviation) of each nozzle is 1 / N. When the N nozzles are arranged and filled in the traveling direction of the container, the container internal pressure becomes N × 1 / N = 1, and the same container internal pressure as the original one is obtained. The standard deviation at this time is 1 / square root of N, and the variation is suppressed as compared with the case where the nozzle is filled with one nozzle. Therefore, the standard deviation when filling with the spray filling apparatus shown in FIG. 8 is 1 / square root, which is desirable when the high-speed line or the liquid nitrogen filling amount is large.
[0036]
In the above embodiment, a case where a plurality of spray filling devices are used in combination is shown. However, depending on the type of the container, a combination of the spray filling and the falling filling device may be used. For example, in a production line for beverage cans, the general line speed is as high as 100 m / min (1200 cpm). In order to obtain a predetermined container pressure in such a high-speed filling line, the spray amount of liquid nitrogen must be increased. There is a need to. However, in order to increase the amount of spray from one nozzle, it is necessary to increase the spray flow rate and pressure and / or to increase the nozzle hole diameter, which has a large effect on the atomization of liquid nitrogen during spraying. In addition, it becomes difficult to make stable liquid nitrogen fine particles, and the amount of filling in the container becomes large. In that case, by combining the down nozzle and the spray nozzle, it is sufficient to fill the required amount of liquid nitrogen from the down nozzle and fill the shortage from the spray nozzle. Spraying can be performed favorably, and cans with high internal pressure accuracy can be obtained.
[0037]
Although various embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various design changes can be made within the scope of the technical idea. For example, although a double purge gas hood is provided as the purge means, it is not always necessary to use a double purge gas hood. As the liquefied inert gas, carbon dioxide gas, argon gas, or a mixed gas thereof may be employed in addition to liquid nitrogen. Further, dry ice can be employed instead of the liquefied inert gas. Furthermore, the manufacturing method of the gas-exchanged positive pressure package of the present invention is not limited to the case where the package is canned, but may be any container that can be sealed and can maintain the internal pressure, and can be a plastic bottle, a molded container, a flexible material packaging container, It is also applicable to glass bottles and the like. Further, the content is not limited to a liquid, but can be applied to a solid.
[0038]
【Example】
Example 1
In the liquefied gas spray filling device shown in FIG. 1, the cross-sectional area of the nozzle hole is 0.44 mm.2A spray nozzle having a nozzle inclination angle of 30 ° is adopted, the tank internal pressure is set to 10.0 kPa (the spray pressure at that time becomes 11.2 kPa), and the vaporized gas in the tank is used as an inner purge gas for the outer gas. Liquid nitrogen was sprayed by introducing nitrogen gas at normal temperature from a nitrogen gas cylinder as a purge gas. At that time, the nozzle temperature, spray flow rate, spread angle and horizontal cross-sectional shape of the spray pattern, and the fine particle diameter of liquid nitrogen were measured by the following methods.
[0039]
The nozzle temperature was measured by contacting a thermocouple outside the nozzle tip and near the nozzle hole. At that time, the temperature during spraying was in the range of -180C to -190C. The spray flow rate was measured by collecting the sprayed liquid nitrogen by placing a container filled with the liquid nitrogen on an upper plate of an electronic balance and measuring the weight increase per unit time. As a result, the spray flow rate under the above conditions was 0.44 g / s. The spread angle and horizontal cross-sectional shape of the spray pattern were measured at a position 50 mm away from the nozzle with a filter paper placed on a horizontal plane so as to cross the spray flow, and the distribution of fine particles of liquid nitrogen was examined. As a result, as shown in FIG. 7, the cross-sectional shape of the spray pattern was a narrow and substantially rectangular shape in which the container conveying direction was short. When the maximum spray width a and the maximum spray thickness b were measured, they were 43 mm and 11 mm, respectively. Then, when the spread width was measured and converted into an angle, the spread angle β was 46.5 °. Furthermore, when the spray state was photographed with a high-speed VTR and its diameter was measured on the image, the particle diameter was distributed in a range of approximately 0.3 to 2 mm, and the average particle diameter was 0.9 mm.
[0040]
Such a spraying state was continued for 120 minutes. During this time, the above measured value was maintained and a stable spraying state was maintained, and no frost was observed at the nozzle outlet. Therefore, according to the method and apparatus of the present invention, it was confirmed that a predetermined spray amount (0.94 g / s in the above case) of liquid nitrogen fine particles having a particle size in the range of 0.3 to 2 mm was stably obtained. Was done. Thus, if the fine particles of liquid nitrogen sprayed from the spraying device are accurately filled in the can, a small amount of liquid nitrogen can be stably filled, which was difficult with the conventional down-filling method, and the internal pressure accuracy is reduced. It is possible to produce high positive pressure cans.
[0041]
Example 2
In order to confirm that, under the above-mentioned conditions, with the aim of obtaining a fine positive pressure can with an internal pressure of 55 kPa (an internal pressure higher than that of Example 3 described later), a can is manufactured as follows. did.
A 2-piece can body made of steel with a full internal volume of 263 ml is filled with 240 ml of hot water at 65 ° C., and the distance between the nozzle tip and the filling liquid level under the apparatus for manufacturing a gas-exchange positive pressure package shown in FIG. The distance between the conveyor and the liquefied gas spray-filling device is set so that the (spray distance) is approximately 50 mm, the conveyor is operated at a line speed of 76 m / min, and the content liquid is kept in a stable spray state. The fine particles of liquid nitrogen were charged into the container headspace by passing through a can filled with, and an aluminum lid was immediately closed and sealed to produce a low positive pressure can.
[0042]
Observing the state of filling of the liquid nitrogen spray flow into the can at that time, the spray flow has a spray width and a spray thickness as shown in FIG. 7 and has a 30 ° inclination angle with respect to the can moving downward. , And most of them were filled in cans. Then, as a result of measuring the can internal pressure of the manufactured positive pressure can body in 120 cans, the can internal pressure was distributed between 42 kPa and 65 kPa, and the average value was 53 kPa. Therefore, an internal pressure close to the target value was generated, and all the can bodies were within the desired low positive pressure range.
[0043]
Example 3
Except that the line speed was increased to 114 m / min with the aim of obtaining a low positive pressure can with a can internal pressure of 35 kPa lower than that of the above-mentioned Example 2, low positive pressure cans were prepared under the same conditions as in Example 2 except for 959. Cans were manufactured.
The internal pressure of the obtained cans was 100% inspected. As a result, the internal pressures of the cans were distributed between 29 kPa and 43 kPa. did it. This means that in this apparatus, since the spray flow has a velocity component in the traveling direction of the can, even when the line speed is high, fine particles of liquid nitrogen can softly land on the liquid surface, and it is extremely accurate This is because liquid nitrogen is filled in the can.
[0044]
Comparative Example 1
In the above apparatus, the spray pressure was set to 201.2 kPa (tank internal pressure: 200 kPa), the spray amount was 2.0 g / s, and liquid nitrogen was sprayed, and the liquid nitrogen was charged into the container under the same conditions as above. . As a result, pulsation occurred at the time of spraying, and the spread angle of the spray flow was not stable, and a stable spray flow could not be obtained. Further, the internal pressure of the obtained can was distributed between 22 kPa and 75 kPa, and a low positive pressure can was not stably obtained.
[0045]
Comparative Example 2
The structure is basically the same as that of the liquefied gas spray filling device shown in FIG. 1, except that the spray nozzle is horizontally attached to the lower end of the
[0046]
As a result, in the case of {circle around (1)} which is a low speed, the can internal pressure was distributed between 32 kPa and 58 kPa, and a low positive pressure can with relatively little variation in the internal pressure was obtained. However, in the case of (2), which is a high-speed line, the sprayed liquid nitrogen fine particles jump from the inner solution surface, and the internal pressure of the can is distributed between 7 kPa and 39 kPa. Was big.
[0047]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the liquefied gas filling method and its apparatus of this invention, a liquefied gas can be atomized more stably and sprayed, and even if it is a high-speed line, the liquefied gas fine particles are accurately placed in a container. The liquefied gas can be filled in a small amount with a high degree of accuracy, and a low positive pressure can with excellent quality assurance and the like can be obtained. Since the spray pattern has a spread angle, the liquefied gas fine flow is distributed in the space, and the liquefied gas is filled over the entire area or a wide range of the container opening, and the oxygen removing effect is high.
[0048]
In particular, the liquefied gas spray flow can be filled over a wide range of the container opening by forming a spray pattern that approximates a square shape or an elliptical shape, and the liquefied gas can be efficiently filled with less protruding from the container. .
[0049]
In addition, by shutting off the outside air with the double purge gas, the liquefied gas can be stably sprayed, and dew condensation and frost on the outer peripheral portion of the nozzle can be effectively prevented. Further, since the spraying means of the present invention is provided with the nozzle cooling tank extending to the vicinity of the spray nozzle and cooling the spray nozzle, it is necessary to effectively satisfy the temperature condition (temperature gradient) for making the liquefied gas fine. Liquefied gas can be sprayed stably.
[0050]
Furthermore, the liquefied gas can be soft-landed on the liquid surface of the container by arranging the spray nozzle obliquely and imparting a velocity component in the container transport direction to the spray flow, and the liquefied gas filling accuracy can be further improved.
[0051]
Furthermore, by arranging a plurality of spray nozzles along the container traveling direction, the liquefied gas can be filled with high accuracy even when the spray flow rate is large. In addition, by combining with a downflow nozzle, it is possible to obtain internal pressure controllability by adjusting the flow rate. Further, by providing the initial purge mechanism, it is possible to completely remove the water in the tank prior to using the liquefied gas spray filling apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a liquefied gas spray filling apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a three-dimensional sectional view of the spraying means assembly.
FIG. 3 is a bottom view of the spray nozzle as viewed from a spray beak outlet.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a can internal pressure and a liquefied gas spray flow rate.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a can internal pressure and a spray nozzle hole area.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a positional relationship between a container and a spray nozzle.
FIG. 7 is a sectional view of a spray pattern.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a liquefied gas spray filling apparatus according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 40 liquefied
3 Spray nozzle 4 Liquid nitrogen flow path
5
10 spraying means assembly 13 pipe
14
16
20
22 Outer
25
27 heater
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