JP2009537401A - ボトル又はそれと同等の容器に投入された充填物の発泡を制御するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも一つの注入ノズル（３）を用いて、そのノズルを通過する容器に液体の発泡媒体を、圧力を加えて注入する、ボトル又はそれと同等の容器（２）に投入された充填物の発泡を制御するための方法に関し、単位時間当りノズルを通過する容器の数が上昇するのに応じて、即ち、単位時間当りの容器の数が上昇するのに応じて、注入圧を上昇させる。

Description

本発明は、請求項１の上位概念にもとづく方法及び請求項１５の上位概念にもとづく装置に関する。

飲料産業において、充填機で液体の充填物、有利には、炭酸を含む充填物を充填するためのボトル、樽又はそれと同等の容器に対して、閉栓前に、圧力を加えて液体の発泡媒体を投与することが知られている。各容器内で充填物を発泡させて、それにより容器内で充填物の水位より上に有る空気又は空気中の酸素を押し出して、酸素による充填物の劣化又はその耐久性及び風味の劣化を防止しようと努力している。その場合液体の発泡媒体として、水が、詳しくは、例えば、それぞれ加熱された状態の水が使用されている。少なくとも一つの注入ノズルが発泡媒体を投入する役割を果たしており、その注入ノズルが圧力を加えた状態で発泡媒体を供給するとともに、その注入ノズルの下では、充填物を充填された容器が、充填機と生産ラインにおいてその充填機に続く閉栓機との間の移送区間上を通過して行く。発泡液の投入又は注入は、製品特有のパラメータをも考慮して、並びに生産ラインの処理能力にも依存して、即ち、単位時間当り発泡媒体により処理される容器の数にも応じて、一方では十分に大きな発泡を実現するが、他方では吹き溢れを防止するように行われるべきである。更に、発泡媒体の投入を無菌で行う必要が有る。

発泡のために容器に投入されるエネルギー量は、様々なパラメータに依存する、即ち、特に、各容器に投入される発泡媒体の温度と量及びそのような媒体を容器に注入するための注入圧力に依存する。同様に、注入時間も考慮すべきである。

そのような発泡のための周知の方法又は装置では、発泡媒体の注入圧力と体積流量は、各充填物と充填機又は生産ラインの所定の目標とする処理能力とに関して、固定的に設定されている。しかし、その場合生産ラインの処理能力における変動が、必然的に容器内での充填物の間違った発泡、即ち、不十分な発泡か、さもなければ吹き溢れを引き起こすこととなる。

更に、充填物の水位より上に有る空気及び空気中の酸素を押し出すことによって、製品の耐久性を改善するために、閉栓プロセスの間に不活性ガス、例えば、ＣＯ₂ のガスを飲料缶に供給することを制御するための装置も周知である（特許文献１）。閉栓する速度に依存して、供給されるガスの量を制御している。
ドイツ特許第１９６１３１４２号明細書

本発明の課題は、ボトル又はそれと同等の容器に充填された充填物の発泡を改善することが可能な方法を提示することである。

この課題を解決するために、請求項１にもとづく方法を構成した。請求項１５には、そのような方法を実施するための装置が記載されている。

本発明がベースとする知見によると、基本的に、前記のパラメータの中の注入圧力だけが、生産ラインの処理能力に応じた、或いは充填機及び後続の閉栓機の処理能力に応じたエネルギー投入量又は発泡プロセスの制御に適している。しかし、本発明は、更に、広い範囲で、例えば、少なくとも１バール〜８バールの範囲で、有利には、少なくとも約１バール〜１５バールの範囲で注入圧力を制御することが可能である場合にのみ、詳しくは、それに対応して液体の発泡媒体の体積流量が少ない場合、例えば、注入圧力を発生させるポンプによる体積流量が最大２リットル／分、有利には、最大１．５リットル／分である場合にのみ、生産ライン又は充填機の処理能力に依存するとともに、この場合単位時間当り充填物により処理される容器の数にも依存した発泡プロセスの制御、この場合特に注入圧力の制御が可能であるとの知見にもとづいている。本発明では、そのようにして、生産設備の処理能力に応じた、エネルギー投入量又は発泡プロセスの真の制御を行っている。制御機器又はそこに配備された入力機器において、製品特有のパラメータ、即ち、充填物の種類、充填温度、容器又はボトルの種類等を選定することによって、その制御機器が、生産ラインのその時々の処理能力に対して、注入圧力の目標値を計算している、詳しくは、例えば、メモリ内に電子的に記憶されたリスト又は表から読み出すことによって算出している。注入ノズルに配備された圧力センサーを用いて、その注入ノズルの注入圧力を測定することによって、そのような実測値としての実際の注入圧力と目標値とを比較して、実測値が目標値と一致するように、ポンプの回転数及び／又は出力を再調整している。

本発明の改善構成は、従属請求項に記載されている。

以下において、本発明による高圧注入装置を簡単な図で図示した図面にもとづき、本発明を詳しく説明する。

図において共通して符号１で表示された装置は、生産ラインにおけるボトル２又はそれと同等の容器に液体の充填物を充填するとともに、充填したボトル２を閉栓するための構成要素であり、エネルギー投入量を制御することによって、ボトル２に充填された充填物、特に、炭酸を含む充填物を発泡させて、実現された発泡により、吹き溢れること無く、充填物の水位より上に有る空気と、特に、空気中の酸素とをボトル２から押し出すようにする役割を果たしている。エネルギー投入量は、図示されていない充填機と同じく図示されていない閉栓機との間における直立したボトル２の移送路の上方に配備された少なくとも一つの注入ノズル３によって、制御された形で行われる。注入ノズル３の下を通過して行く各ボトル内には、発泡を生じさせる、場合によっては温められた所定の量の液体の媒体が、所定の注入圧力で発泡のために投入される。この場合、発泡媒体は、例えば、水、さもなければ充填物である。

その時々のエネルギー投入量は、特に、運動エネルギー、即ち、投入される発泡媒体の量及び注入圧力と、熱エネルギー、即ち、発泡媒体の温度とから構成される。生産設備の処理能力が異なる場合でも、即ち、単位時間当り充填及び閉栓されるボトル２の数が異なる場合又は単位時間当り注入ノズル３を通過するボトル２の数が異なる場合でも、各ボトル２へのエネルギー投入量を出来る限り一定に保持するために、本装置１では、以下において更に詳しく説明する手法により、発泡媒体の温度を一定又はほぼ一定として、注入圧力を変化させることによって、エネルギー投入量の中の運動エネルギーを処理能力に応じて制御しており、本装置１の動作中は、生産ラインの処理能力に適合した量と生産ラインの処理能力に適合した注入ノズル３からの注入圧力により、発泡媒体を注入ノズル３から持続的に放出している。

詳細に言うと、本装置１は、特に、ポンプ回路４から構成されており、その主要な構成要素は、周波数制御式駆動モーターを備えた高圧ポンプ５である。ポンプ５の入力は、流量計６と配管系統７を経由して、液体の発泡媒体を供給するための供給源８と繋がっている。この供給源８は、例えば、その時々の新鮮な水の供給網であり、この場合配管系統７内には、更なる部品、例えば、制御バルブ及び／又はチェックバルブ、フィルター等が配備されている。配管系統７内に配備された、供給源８から供給される発泡媒体の温度を検出するための温度センサーは、符号９で表示されている。

基本的に、ポンプ５の出力と発泡媒体のフロー方向に対してポンプ５の前に配置された流量計６の入口とを繋ぐ配管系統１０から構成される迂回路が、ポンプ５と流量計６から成る直列構成に対して平行に有る。配管系統１０には、特に、スロットル１１と、ポンプ５の出力における圧力を測定するための圧力センサー１２と、更に別の温度センサー１３とが配置されている。このスロットル１１により形成されるフローの横断面は、ポンプ回路４の出力における体積流量が少ない場合又は体積流量が不足している場合でも、ポンプ５の潤滑及び冷却に十分な、ポンプ５による最小限の吐出量が保証されるように選定されている。

ポンプ回路４の出力は、配管系統１４を経由して、例えば、電気的に駆動されるボイラー１５の入口と繋がっており、そのボイラーは、加熱用回路１６の主要な構成要素であり、そのボイラーには、図示されている実施構成では、特に、圧力センサー１７、液面センサー１８及び温度センサー１９が配備されている。ボイラー１５の出力は、配管系統２０を経由して、例えば、所定の、しかし、その時々の充填物に合わせて調整することが可能なノズル横断面又はフロー横断面を有する注入ノズル３と繋がっている。その配管系統では、注入ノズル３の前に、電気的に制御可能なチェックバルブ２１が有り、フロー方向に対して、そのチェックバルブの前に、更に別の温度センサー２２が有る。

温度センサー２２とチェックバルブ２１の間において、電気的に制御可能なチェックバルブ２４が配備された、排出口２５に通じるバイパス配管系統２３が、配管系統２０から分岐している。電気的に操作可能なチェックバルブ２７が配備された、排出口２８に通じる同様のバイパス配管系統２６が、ボイラー１５の入口から分岐している。

特に、様々な温度センサー及び圧力センサーの信号が供給される中央制御ユニット２９によって制御される形で、先ずは、次の基本的な動作手法が可能である。

１．液体の発泡媒体のボイラー１５への充填及び発泡媒体の動作温度への加熱
本装置１の運転開始のために、先ずは、ボイラー１５に発泡媒体（例えば、水）を充填して、凡そその媒体の後程の操作又は動作温度以上にまで、例えば、操作又は動作温度が８５°Ｃの場合、９０°Ｃの温度にまで発泡媒体を加熱する。ボイラー１５の充填は、例えば、ポンプ５及び／又はポンプの迂回路１０を停止することによって行われる。液面センサー１８がボイラーの満タンを確認すると直ちに、ボイラーの加熱が行われる。

２．配管系統２０及びバイパス配管系統２３と２６の加熱
ポンプ５を作動し、チェックバルブ２１を閉じて、チェックバルブ２４を開くことによって、ボイラー１５から配管系統２０を経由してバイパス配管系統２３及びそこから排出口２５への加熱された液体の発泡媒体のフローが起こる。温度センサー１９と２２によって、詳しくは、それに対応してボイラー１５の加熱を制御することによって、発泡媒体の動作温度（例えば、８５°Ｃ）への温度制御を行う。

３．本装置１の連続運転
本装置１を動作させるために、チェックバルブ２４によりバイパス配管系統２３を閉じるとともに、チェックバルブ２１を開き、その結果動作温度にまで加熱された発泡媒体は、ポンプ５により生成されるポンプ圧で、注入ノズル３の下を通過するボトル２内に注入される。

４．生産の中断
生産の中断時には、チェックバルブ２１を閉じるとともに、チェックバルブ２４によりバイパス配管系統２３を開き、その結果加熱された発泡媒体は、尚も所要の温度を維持しながら配管系統２０を貫流する。温度センサー２２により測定された温度が所定の下方の閾値を下回った場合には、詳しくは、生産を中断する場合には、同様にチェックバルブ２１を閉じるとともに、チェックバルブ２４によりバイパス配管系統２３を開くことが可能である。

５．生産の終了
空にする場合、特に、生産の終了時にボイラー１５も空にする場合、チェックバルブ２１を閉じるとともに、バイパス配管系統２３と２６を付属のチェックバルブ２４と２７によって開く。

前述した通り、高圧注入時のエネルギー投入量の制御は、その時々の充填物に関して典型的な処理能力にもとづく目標値に応じて、ポンプ５の出力における圧力を制御することによって、従って注入ノズル３における発泡媒体の注入圧力を制御することによって行われる。そのような製品に関して典型的な目標値は、例えば、コンピュータにより支援された制御機器２９のメモリ３０内にデータセットとして保存されており、そのため制御機器２９は、製品及び処理能力（容器／秒）に応じて、詳しくは、生産ラインの処理能力（単位時間当り充填及び閉栓されるボトル２）に対応する制御信号、例えば、充填機に導入される制御信号を考慮するとともに、注入ノズル３に生じる圧力、例えば、圧力センサー１７により検出された、それぞれ実測値としての圧力を考慮して、ポンプ５を制御することができる。

図示されている実施構成では、ポンプ５又はポンプ回路４は、少なくとも２バール〜１６バールの範囲内で、詳しくは、約０．７〜１．５リットル／分の範囲の比較的少ない吐出量となるように、ポンプ圧を制御することが可能であるように構成されている。

生産設備の処理能力が上昇するにつれて、各ボトル２が注入ノズル３の下に有る時間間隔と、従って発泡媒体の投入量も低下するので、生産設備の処理能力の上昇に応じて、注入圧力を高めている。

図示されている実施構成では、その時々の充填物に応じて、注入ノズル３の直径も変更している、即ち、例えば、白ビールなどの発泡し易い傾向を持つ充填物では、ノズルの直径を小さくした注入ノズル３を使用する。それと逆に、発泡し難い傾向を持つ製品又は充填物では、ノズルの直径を大きくした注入ノズル３を使用する。

次の表では、三つの異なる製品に関して典型的な本方法のパラメータが示されている、詳しくは、ボトルの口の内径が２２ｍｍであるボトル２を考慮して示されている。

ここで、¹⁾は、各ボトル２に最大限投入される発泡媒体の体積Ｖ_max であり、それぞれ２．３バールのポンプ圧における、１秒当り約１，８００ボトルの最小限の処理能力に関して示されている。

ここで、²⁾は、各ボトル２に最小限投入される発泡媒体の体積Ｖ_min であり、それぞれ１５バールの注入圧における、１秒当り約２９，０００ボトルの最大限の処理能力に関して示されている。

そして、ポンプ５に関して、次の表に纏められた動作点が得られる。

一般的に、上記の表からは、特に、各製品と関係無く、Ｖ_max ／Ｖ_min の比率が約３〜４であり、処理能力が大きい場合のポンプ圧が、明らかに８バールを上回っており、発泡し難い製品３で生産設備の処理能力が小さい場合でも、発泡媒体の最大限の注入量Ｖ_max が、明らかに０．０５ｍｌ／ボトル以下であることが分かる。

ボトル２に投入される発泡媒体の量が少ないことは、特に、発泡媒体として水を使用する場合に、製品を薄めない、或いは製品を殆ど薄めないという利点と、特に、発泡媒体の消費量も大幅に削減されるという利点も有る。

配管系統１０により構成されるポンプの迂回路によって、注入ノズル３から放出される発泡媒体の量を所望の通り少なく保持するとともに、それにも関わらず、ポンプ５に関して十分な、特に、ポンプ５の潤滑及び／又は冷却のためにも十分な最小限の吐出量を保証することが可能となっている。更に、そのようなポンプの迂回路によって、生産設備の処理能力に応じてポンプ圧を制御する場合のオーバーシュートが防止されている、即ち、圧力変動が極端に小さい場合、例えば、最大±０．３バールの範囲において、詳しくは、設備の処理能力が大きく変動する場合でも、ポンプ圧の再調整を非常に短い時間、例えば、０．５秒で実現することが可能である。

前述した通り、実施例により本発明を説明した。本発明がベースとする技術思想から逸脱すること無く、多くの変化形態及び修正形態が可能であることは明らかである。

即ち、例えば、ボトル２の移送経路において、注入ノズル３に続くセンサー、例えば、カメラの形を例とする光電式センサー３１を用いて、高圧の注入により生じる発泡を実測した発泡として検出し、それに対応する目標とする発泡と比較することが可能であり、その場合制御又は調節のために、注入プロセスの関連するパラメータ、特に、注入圧等に適用することができる。

前述した通り、ポンプ５の圧力により注入圧を制御することを出発点とした。それ以外の措置、例えば、バイパス配管系統２６を例とするバイパス配管系統の開閉を調節することによる制御及び／又はポンプの迂回路を構成する配管系統１０の開閉を調節することによる制御も考えられる。注入ノズル３の注入圧を制御するための様々な組合せも考えられる。

更に、詳しくは、例えば、各ボトル２が発泡のために複数の注入ノズル３を通過するように、それぞれ一つのチェックバルブ２１とそれに対応する制御可能なバイパス配管系統２３と共に、複数の注入ノズル３を配備することも可能である。

本発明による高圧注入装置の簡単な図

符号の説明

１ 高圧注入装置
２ ボトル
３ 注入ノズル
４ ポンプ回路
５ ポンプ
６ 流量計
７ 配管系統
８ 液体の発泡媒体の供給源
９ 温度センサー
１０ ポンプ迂回路の配管系統
１１ スロットル
１２ 圧力センサー
１３ 温度センサー
１４ 配管系統
１５ ボイラー
１６ 加熱用回路
１７ 圧力センサー
１８ 液面センサー
１９ 温度センサー
２０ 配管系統
２１ チェックバルブ
２２ 温度センサー
２３ バイパス配管系統
２４ チェックバルブ
２５ 排出口
２６ バイパス配管系統
２７ チェックバルブ
２８ 排出口
２９ 制御機器
３０ メモリ
３１ センサー

Claims (34)

1. 少なくとも一つの注入ノズル（３）を用いて、そのノズル（３）を通過する容器（２）に液体の発泡媒体を、圧力（注入圧）を加えて注入する、ボトル又はそれと同等の容器（２）に投入された充填物の発泡を制御するための方法において、
   単位時間当り注入ノズル（３）を通過する容器（２）の数が上昇するのに応じて、即ち、処理能力が上昇するのに応じて、注入圧を上昇させることと、
   処理能力が１秒当り１，８００容器（２）を明らかに上回る場合の発泡媒体の注入圧が８バールよりも大きいことと、
   を特徴とする方法。
2. 処理能力が１秒当り約２，８００容器（２）である場合の注入圧が、１〜３バールの範囲内に有る、例えば、２．３バールであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 処理能力が１秒当り約２５，０００〜３０，０００容器（２）である場合の注入圧が、明らかに８バールを上回ることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 処理能力が１秒当り約２５，０００〜３０，０００容器（２）である場合の注入圧が、約１５バールであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 容器（２）毎に注入される処理媒体の量が、０．０５ｍｌよりも少ないことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
6. 容器（２）毎に注入される処理媒体の量が、処理能力の低下に応じて増大されることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
7. 注入される発泡媒体の量が、処理能力に応じて最大１：４又は１：３の比率にまで変更されることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
8. 発泡媒体が、熱い状態で、例えば、８０°Ｃ〜９０°Ｃの範囲の温度で容器に投入されることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法。
9. 発泡媒体として、水を使用することを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の方法。
10. 発泡媒体として、容器に投入される充填物を使用ことを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の方法。
11. 発泡媒体の投入後、センサーを用いて、有利には、光電式センサーを用いて、充填物の発泡を監視するか、そのセンサーから供給されるセンサー信号を用いて、容器（２）内への発泡媒体の投入量及び／又は発泡に影響するその他のパラメータを制御するか、或いはその両方を行うことを特徴とする請求項１から１０までのいずれか一つに記載の方法。
12. 当該のセンサー信号を用いて、注入圧と、容器が少なくとも一つの注入ノズル（３）を通過する速度との中の一つ以上を制御することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 注入圧を制御するために、周波数制御式駆動部を備えたポンプ（５）を使用することを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一つに記載の方法。
14. 回転数を少なくとも６倍、例えば、７倍にまで変更することによってポンプ圧を変更することが可能なポンプを使用することを特徴とする請求項１から１３までのいずれか一つに記載の方法。
15. 注入ノズル（３）を通過する容器（２）に液体の発泡媒体を、圧力を加えて注入するための少なくとも一つの注入ノズル（３）を備えた、ボトル又はそれと同等の容器（２）に投入された充填物の発泡を制御するための装置において、
    単位時間当り注入ノズル（３）を通過する容器（２）の数が上昇するのに応じて、即ち、処理能力が上昇するのに応じて、注入圧を上昇させるとともに、処理能力が１秒当り１，８００容器（２）を明らかに上回る場合の発泡媒体の注入圧が８バールよりも大きくなるように構成されている制御機器（２９）を特徴とする装置。
16. 制御機器（２９）によって制御される、処理能力が１秒当り約２，８００容器（２）である場合の注入圧が、１〜３バールの範囲内である、例えば、２．３バールであることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 制御機器（２９）によって制御される、処理能力が１秒当り約２５，０００〜３０，０００容器（２）である場合の注入圧が、明らかに８バールを上回ることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の装置。
18. 制御機器（２９）によって制御される、処理能力が１秒当り約２５，０００〜３０，０００容器（２）である場合の注入圧が、約１５バールであることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 制御機器（２９）によって制御される、容器（２）毎に注入される処理媒体の量が、０．０５ｍｌよりも少ないことを特徴とする請求項１５から１８までのいずれか一つに記載の装置。
20. 制御機器（２９）によって制御される、容器（２）毎に注入される処理媒体の量が、処理能力の低下に応じて増大されることを特徴とする請求項１５から１９までのいずれか一つに記載の装置。
21. 制御機器（２９）によって制御される、注入される発泡媒体の量が、処理能力に応じて最大１：４又は１：３の比率にまで変更されることを特徴とする請求項１５から２０までのいずれか一つに記載の装置。
22. 発泡媒体が水であることを特徴とする請求項１５から２１までのいずれか一つに記載の装置。
23. 発泡媒体が、容器（２）に投入される充填物であることを特徴とする請求項１５から２２までのいずれか一つに記載の装置。
24. 充填物の発泡を監視するためのセンサー、有利には、光電式センサー（３１）を特徴とする請求項１５から２３までのいずれか一つに記載の装置。
25. 周波数制御式駆動部を備えた、注入圧を制御するためのポンプ（５）を特徴とする請求項１５から２４までのいずれか一つに記載の装置。
26. 回転数を少なくとも６倍、例えば、７倍にまで変更することによってポンプ圧を変更することが可能なポンプを特徴とする請求項１５から２５までのいずれか一つに記載の装置。
27. ポンプ（５）と平行に、ポンプの迂回路が配備されていることを特徴とする請求項１５から２６までのいずれか一つに記載の装置。
28. 当該のポンプの吐出能力が、注入ノズルに出力される発泡媒体の量よりも大きいことを特徴とする請求項１５から２７までのいずれか一つに記載の装置。
29. 発泡媒体を加熱するための機器（１５）を特徴とする請求項１５から２８までのいずれか一つに記載の装置。
30. 当該の発泡媒体を加熱するための機器が、ポンプ（５）と少なくとも一つの注入ノズル（３）との間に配備されていることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
31. 少なくとも一つの注入ノズル（３）に通じる配管系統（２０）に、注入ノズル（３）を止めるための少なくとも一つのバルブ（２１）が配備されていることと、
    フロー方向に対して、そのバルブ（２１）の前において、制御可能なバイパス配管系統（２３）が分岐していることと、
    を特徴とする請求項１５から３０までのいずれか一つに記載の装置。
32. ポンプ（５）と発泡媒体を加熱するための機器（１５）との間を繋ぐ配管系統において、制御可能なバイパス配管系統（２６）が分岐しているを特徴とする請求項１５から３１までのいずれか一つに記載の装置。
33. 少なくとも一つの注入ノズル（３）が、充填機と閉栓機の間の少なくとも一つの移送部品、例えば、移送用回転バーから構成される移送区間に配備されていることを特徴とする請求項１５から３２までのいずれか一つに記載の装置。
34. 少なくとも一つの注入ノズル（３）が、充填機の搬出用回転バーに配備されていることを特徴とする請求項３３に記載の装置。

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