JP4139946B2 - 液体窒素噴霧方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、缶詰製造ライン等において、内容物が充填された容器のヘッドスペースに液体窒素をミスト状にして充填するための液体窒素噴霧方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
缶詰製造ライン等において、容器内圧を陽圧にするためにヘッドスペースに充填される液体窒素は、充填量の制御が困難であるため、充填量にバラツキが生じ易く、微小内圧を得るための少量充填制御ができないという問題点があった。本出願人は、この問題点を解決するために、液体窒素をミスト状にして充填することを着想し、液体窒素噴霧充填方法とその装置を提供した（特開平１１−２９２０１８号公報、特開２００１−４８１２０号公報、ＷＯ９９／５４２０７号公報等）。それにより、微小内圧を正確に得ることができ、従来品質保証の観点から缶材料の肉厚の厚い陰圧缶詰にしか適用できなかった弱酸性飲料を微小陽圧缶詰にすることを可能にし、弱酸性飲料を肉厚の薄い陽圧缶詰にすることで、缶材料の低減を図ることに成功した。液体窒素は、沸点が超低温のため通常の液体を霧化する場合と相違して常温にて直ぐに気化してしまうため霧化は技術的に困難であるが、前記提案されている液体窒素噴霧充填装置は、液体窒素を低圧力下で細孔を通過させて温度勾配を持たせることによってその気化膨張と、気化ガスの温度膨張を利用して液体窒素をミスト状にすることを可能にしたものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記提案した液体窒素噴霧用の充填ノズルは、ニードルバルブのＯＮ−ＯＦＦによって細孔への液体窒素の流下を制御している。しかしながら、ニードルバルブとノズル噴霧口に至る間に空隙部が存在して距離があるため、ニードルが下降してバルブが閉まっても、ノズル噴霧口に至る空隙部内にはまだ液体窒素が残留するので、実際に噴霧が終了するまでは時間差があり、その分短い周期でのバルブの応答性に不都合を生じていた。また、空隙部からノズル噴霧口に液体窒素が残留しているとノズル噴霧口に液体窒素が滴り、その状態でニードルを開いて噴霧を再開すると、正確な噴霧条件が得られず正常に噴霧されないことがあった。
【０００４】
そこで、本発明は、従来の液体窒素噴霧装置の上記問題点を解消しようとするものであって、ニードルバルブの開閉に対する液体窒素噴霧応答性を高め、且つ常に正常に噴霧することができる液体窒素噴霧方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記問題点を解決するために種々研究した結果、上記現象が起こるのは、何れもバルブが閉まった後も空隙部内に残留した液体窒素がノズル噴霧口に滴ることに起因するので、バルブが閉まったら瞬時に空隙部内に液体窒素が残留しないように、空隙部内を乾燥させることによってこの問題点を解決できることを見出し、本発明に到達したものである。
【０００６】
即ち、上記問題点を解決する本発明の液体窒素噴霧方法は、ニードルバルブと液体窒素噴霧ノズルとを有し、該液体窒素噴霧ノズルと前記ニードルバルブとの間に液体窒素が通過する空隙部を有するパイプを介して連結してなり、前記ニードルバルブのＯＮ−ＯＦＦによって前記空隙部への液体窒素の流下を制御してなる液体窒素噴霧装置による液体窒素噴霧方法であって、前記ニードルバルブが閉まるとパージガスを噴出する残留液体窒素排出除去手段により前記空隙部内に残留している液体窒素を強制的に外部に排出することによって、前記ニードルバルブの開閉に対する液体窒素噴霧応答性を高めるようにしてなることを特徴とするものである。
【０００７】
空隙部内に残留している液体窒素を強制的に外部に排出させる方法としては、ニードルバルブが閉まると同時に空隙部内にパージガスを噴出させる方法と、液体窒素噴霧ノズルのノズル噴霧口に向けてパージガスを噴出させる方法が採用できる。そして、前記空隙部内へのパージガスの噴出は、パージガスを管状のニードルの内部を通って空隙部内に噴出させる方法、又はパージガスをバイパスを介して直接前記空隙内部に噴出させる方法の何れを採用してもよい。また、パージガスとしては、液体貯留タンク内で気化した窒素ガスを使用することも可能であり、外部に設置した液体窒素ボンベから供給される窒素ガスを使用してもよい。
【０００８】
上記問題点を解決する本発明の液体窒素噴霧方法は、ニードルバルブと液体窒素噴霧ノズルとを有し、該液体窒素噴霧ノズルと前記ニードルバルブとの間に液体窒素が通過する空隙部を有するパイプを介して連結してなり、前記ニードルバルブのＯＮ−ＯＦＦによって前記空隙部への液体窒素の流下を制御してなる液体窒素噴霧装置であって、前記ニードルバルブが閉まるとパージガスを噴出して前記空隙部内に残留している液体窒素を強制的に外部に排出する残留液体窒素排除手段を有し、ニードルバルブの開閉に対する液体窒素噴霧応答性を高めるようにしてなることを特徴とするものである。
【０００９】
前記残留液体窒素排除手段としては、例えば、前記ニードルバルブのニードルにパージガス供給路を形成し、バルブが閉まると前記ニードルを介して空隙部内にパージガスを噴出するようにするか、又はノズル軸線に対して略直角方向からパージガスを噴出するパージガス噴出口を前記ノズル噴霧口近傍に設け、ニードルバルブが閉まると前記液体窒素噴霧ノズルのノズル噴霧口に向けてパージガスを噴出するようにするか、何れの方法も採用できる。また、他の残留液体窒素排除手段として、空隙部を形成しているパイプに、空隙部に通じるパージガス供給路を形成して、貯留タンク内の気化ガス又は窒素ガスボンベから直接空隙部内にパージガスを噴出するようにしてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１及び図２に示す実施形態により詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る液体窒素噴霧装置１の断面概略図である。図中、２は液体貯留タンクであり、図示されてないが、液体窒素が供給される給液パイプ及びタンク内で気化した窒素ガスを外部に排出してタンク内を所定内圧に維持する排気パイプが連結されている密閉型貯留タンクである。３はニードルバルブ機構であり、ニードル４とバルブシート５とから構成され、ニードル４はタンク内を貫通してタンク上部に突出して、タンク上部に設けられたニードルバルブ駆動制御手段（図示してない）により外部から駆動制御できるようになっている。ニードル４は、下端がバルブシートのオリフィスに面して開口し上端が閉塞されている中空パイプ状に形成され、後述するパイプの空隙部へのパージガス供給路６を形成している。ニードル４のタンク内のヘッドスペースに面する部分にはパージガス供給路６に連通する１乃至複数個の気化ガス導入孔７が形成され、貯留タンク内の気化ガスをパージガスとして利用できるようになっている。
【００１１】
バルブシート５は、本実施形態では液化ガス流下路である空隙部１０を有するパイプ１１と一体に構成され、外側カバー１２によってその外周部を覆って液体窒素貯留タンク２の下部開口部に固定されている。パイプ１１の下端は、容器の進行方向に対して噴霧方向が鉛直下向きに所定角度傾くように形成され、該傾斜面に形成されたノズル取付け孔に、噴霧ノズル１５がその噴霧誘導孔（細孔）１６の基端が空隙部１０に面して、水平面に対して所定角度傾いた状態で固定されている。噴霧ノズル先端にはノズルチップが固定されてノズル噴霧口１７を構成している。なお、２０はパージフードであり、噴霧ノズル１５の噴出口近傍を囲って構成され、該パージフードとパイプ１１との間にパージガス路２１を形成して、噴霧ノズル噴出口近傍外部に低温の窒素ガスを導入して、外気から遮断するようになっている。パージフード２０には、噴霧ノズルの噴霧導入孔１６の延長線上に位置するように、ミスト流路２２が傾斜して形成されている。
【００１２】
本実施形態の液体窒素噴霧装置は、以上のように構成され、、図２（ａ）に模式的に示すように、貯留タンク２内は、気化ガスにより所定圧力に加圧された状態にあり、容器に液体窒素のミスト充填時には、ニードル４が所定高さ位置に上昇してオリフィスが開口され、貯留タンク内の液体窒素はオリフィス‐空隙部１０−噴霧ノズルの噴霧導入孔１６−ノズル噴出口１７を通過することによりミスト化され、ミスト流路２２を通って下方を通過する容器のヘッドスペースに充填される。その際、ニードルバルブ６の下端は液体窒素内に位置しているので、ニードルバルブ６を貫通するパージガス供給路６にもタンク内の圧力とバランスする位置まで液体窒素が侵入してパージガス供給路を塞ぐため、パージガス供給路の上部がタンク内の気相部に開放していても、空隙部内に気化ガスが進入することがなく、良好に液体窒素をミスト化することができる。
【００１３】
噴霧が終了すると瞬間的にニードルが下降してバルブシートと接触してオリフィスを塞ぐことにより、図２（ｂ）に示すように、貯留タンクから空隙部１０への液体窒素の流入が遮断される。ニードルバルブが閉じられる瞬間、ニードル４のパージガス供給路６とタンク内の液体窒素との連通が遮断されるので、パージガス供給路６内の圧力バランスが崩れ、高圧側のヘッドスペースの気化ガス（窒素ガス）がパージガス供給路６に瞬間的に流入してパージガス供給路６下部に残っている液体窒素を押出し、さらに空隙部１０に流入し、空隙部内に残留している液体窒素も強制的に噴霧ノズルを通って外部に噴出させ、空隙部内を乾燥させる。したがって、バルブが閉じると同時に空隙部内の液体窒素が強制的に排出されるので、ノズル噴霧口に液体窒素が残留することなく、噴霧を直ぐに再開しても正常に噴霧される。したがって、噴霧の応答性が向上し確実に液体窒素をミスト状にして充填することができる。
【００１４】
なお、上記実施形態の装置では、貯留タンク内の気化ガスをニードル４に形成したパージガス供給路６を介して空隙部内に供給していたが、図３に示すように、外部の窒素ガスボンベ２５からパージガス配管２６を介してニードル４内のパージガス供給路６に供給するようにしてもよい。なお、図３において、２７は電磁弁であり、バルブが閉じているときのみ開くようする。後者の場合は、パージガスの圧力を高くすることができるので、より効果的に空隙内の液体窒素を強制排出することができる。
【００１５】
図４は、本発明の液体窒素噴霧装置の他の実施形態を示している。前記実施形態と同様な構成部材については、同様な符号を付し、相違点のみについて説明する。前記実施形態では、残留液体窒素排除手段として、パイプ１１の空隙部１０に、ニードルを利用して直接空隙部内部にパージガスを供給することにより、空隙部１０に内に残留している液体窒素を強制的に排除していたが、本実施形態の液体窒素噴霧装置３０では、ニードルバルブが閉まると同時に、液体窒素噴霧ノズル１５のノズル噴霧口１７に向けてパージガスを噴出することによって、ノズル噴霧口に付着している液体窒素を強制排除する。即ち、本実施形態では、パイプ１１の外周部に設けた外側カバー３１内に、パージガス供給路３２を穿孔してその入口部を外部の窒素ガスボンベ２５、又は図示してないが液体窒素貯留タンク２のヘッドスペース、に連通したパージガス配管３３を連結し、パージガスとして、窒素ガスボンベ２５又は液体窒素貯留タンクのヘッドスペースから窒素ガス（気化ガス）を供給できるようにしてある。そして、パージガス供給路３２の出口は、図示のように、傾斜して配置してある噴霧ノズル１５の傾斜面の上側端縁部から傾斜面に沿って窒素ガスを噴出するパージガス噴出口３４となっている。したがって、パージガスは、ノズル噴霧口１７の噴出軸方向に対して直角に噴出することになる。なお、本実施形態ではニードルにパージガス供給路を設ける必要はないので、ニードルは通常の中実のニードル３６を使用している。
【００１６】
本実施形態の液体窒素噴霧装置は、以上のように構成され、ニードルバルブが開口して液体窒素噴霧中は電磁弁３５が閉状態にあり、パージガス噴出口３４からはパージガスは噴出されない。しかしながら、ニードルバルブが閉じると同時に電磁弁３５が開き、パージガス噴出口３４からノズル噴霧口に向けてパージガスを吹き付ける。そのため、ノズル噴霧口に付着していた液体窒素が強制的に排除される。したがって、前記実施形態と同様に、バルブが閉じると同時に空隙部内の液体窒素が強制的に排出されるので、ノズル噴霧口に液体窒素が残留することがなく、噴霧を直ぐに再開しても正常に噴霧され、噴霧の応答性が向上し、液体窒素を効率よく充填することができる。
【００１７】
図５〜図７は前記実施形態のものと液体窒素噴霧ノズル組立体の構成が相違している実施形態であり、空隙部内の液体窒素を強制的に排出する手段は、図５が図１に示すものに相当し、図６が図３に示すもの、図７が図４に示すものにそれぞれ相当するので、共通する構成については同一符号を付し詳細な説明を省略する。図５〜図７に示す液体窒素噴霧装置における液体窒素噴霧機構は、基本構成として液体窒素の流下を制御するニードルバルブ４１と噴霧ノズル４２からなり、ニードルバルブ機構４１と噴霧ノズル４２との間が液体窒素流路を構成する空隙部４３を有するパイプ４４となっている。そして、該パイプは、空隙部４３を冷却するノズル冷却槽４５も兼用して構成している。即ち、パイプ４４は、空隙部４３を形成する内筒４５とその下端部が外方に屈曲して形成された外筒４６とからなり、内筒と外筒の間がタンク５０から液体窒素が流入するノズル冷却槽４７を構成している。該ノズル冷却槽４７は、図示のようにノズル近傍まで延びており、空隙部４３と噴霧ノズル４２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噴霧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噴霧ノズル４２に供給することを可能にしている。そして、パイプ４４の上端には、バルブシート５２の上方に位置して気泡偏向部材５３が設けられノズル冷却槽４７に貯溜されている液体窒素が気化しても気泡が空隙部４３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。
【００１８】
以上のような液体窒素噴霧機構において、本実施形態では、図１に示す液体窒素噴霧装置と同様に、ニードル４は、下端がバルブシートのオリフィスに面して開口し上端が閉塞されている中空パイプ状に形成され、パイプの空隙部４３へのパージガス供給路６を形成している。ニードル４のタンク内のヘッドスペースに面する部分にはパージガス供給路６に連通する１乃至複数個の気化ガス導入孔７が形成され、貯留タンク内の気化ガスをパージガスとして利用できるようになっている。したがって、図１に示す実施形態と同様に、噴霧が終了してニードルバルブが閉じられると瞬時に、高圧側のヘッドスペースの気化ガスがパージガス供給路６に流入して空隙部４３内に残留している液体窒素を強制的に外部に噴出させ、空隙部内を乾燥させる。
【００１９】
また、図６に示す液体窒素噴霧装置は、図３に示すものと同様に、図５に示す液体窒素噴霧装置において、外部の窒素ガスボンベ２５からパージガス配管２６を介してニードル４内のパージガス供給路６に供給するようにしたものである。したがって、電磁弁２７をニードルバルブが閉じているときのみ開くようにすることによって、パージガスの圧力を高くすることができ、より効果的に空隙部４３内の液体窒素を強制排出することができる。さらに、図７に示す液体窒素噴霧装置は、図４に示すものと同様に、図５に示す液体窒素噴霧装置において、パイプ４４の外周部に設けた外側カバー４８内に、パージガス供給路４９を穿孔してその入口部を外部の窒素ガスボンベ２５又は図示してないが液体窒素貯留タンクのヘッドスペースに連通したパージガス配管３３を連結し、窒素ガスボンベ２５又は液体窒素貯留タンクのヘッドスペースから窒素ガスからなるパージガスを供給できるようにしてある。そして、パージガス供給路４９の出口は、傾斜して配置してある噴霧ノズル４２の傾斜面の端縁側から傾斜面に沿って窒素ガスを噴出するように配置してパージガス噴出口５０となっている。したがって、パージガスは、ノズル噴霧口５１の噴出軸方向に対して直角に噴出し、強制的に残留液体窒素を外部に排除することができる。
【００２０】
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のものに限らず、その技術的思想の範囲内で種々の設計変更が可能である。例えば、パイプの空隙部内にパージガスを噴出する手段として、上記実施形態ではニードルを兼用していたが、空隙部を有するパイプ及びその外側カバーに空隙部に通じるパージガス供給路を形成し、それに外部に配置した窒素ガスボンベ又は貯留タンクのヘットスペースに連通したパージガス配管を連通して、空隙部に直接パージガスを噴出することも可能である。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように本発明の液体窒素噴霧充填方法及び装置によれば、ニードルバルブが閉じると同時に空隙部内に残留している液体窒素が強制的に外部に排出されるので、ノズル噴霧口に液体窒素が残留することがなく、噴霧を直ぐに再開しても正常に噴霧され、噴霧の応答性が向上する。また、本発明の液体窒素噴霧充填装置は、従来の液体窒素噴霧充填装置の簡単な改良によって達成できるので、従来の装置に容易に適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る液体窒素噴霧装置の正面断面概略図である。
【図２】その作動状態を示す模式図であり、（ａ）は液体窒素噴霧時の状態、（ｂ）は液体窒素噴霧を停止した時の状態を示す。
【図３】本発明の他の実施形態に係る液体窒素噴霧装置の正面断面概略図である。
【図４】本発明のさらに他の実施形態に係る液体窒素噴霧装置の正面断面概略図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態に係る液体窒素噴霧装置の正面断面概略図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態に係る液体窒素噴霧装置の正面断面概略図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態に係る液体窒素噴霧装置の正面断面概略図である。
【符号の説明】
１、３０ 液体窒素充填装置
２、５０ 液体窒素貯留タンク
３、４１ ニードルバルブ機構
４、３６ ニードル
５、５２ バルブシート
６、３２、４９ パージガス供給路
７ パージガス導入孔
１０、４３ 空隙部
１１、４４ パイプ
１２、３１、４８ 外側カバー
１５、４２ 噴霧ノズル
１７、５１ ノズル噴霧口
２０ パージフード
２５ 窒素ガスボンベ
２６ パージガス配管
４７ ノズル冷却槽

Claims (10)

1. ニードルバルブと液体窒素噴霧ノズルとを有し、該液体窒素噴霧ノズルと前記ニードルバルブとの間に液体窒素が通過する空隙部を有するパイプを介して連結してなり、前記ニードルバルブのＯＮ−ＯＦＦによって前記空隙部への液体窒素の流下を制御してなる液体窒素噴霧装置による液体窒素噴霧方法であって、前記ニードルバルブが閉まるとパージガスを噴出する残留液体窒素排出除去手段により前記空隙部内に残留している液体窒素を強制的に外部に排出することによって、前記ニードルバルブの開閉に対する液体窒素噴霧応答性を高めるようにしてなることを特徴とする液体窒素噴霧方法。
2. 前記残留液体窒素排出除去手段は、前記ニードルバルブが閉まると同時に前記空隙部内に窒素ガスからなるパージガスを噴出することによって、前記空隙部内に残留している液体窒素を外部に排出させる請求項１に記載の液体窒素噴霧方法。
3. 前記窒素ガスの前記空隙部内へのパージガスの噴出は、パージガスを前記ニードルバルブの管状のニードルの内部を通って噴出させる請求項２に記載の液体窒素噴霧方法。
4. 前記窒素ガスの前記空隙部内へのパージガスの噴出は、前記空隙部を有するパイプに前記空隙部に通じるパージガス供給路を形成し、該パージガス供給路に外部に配置した窒素ガス供給源に連通したパージガス配管を連通して、パージガスを前記パージガス供給路を介して前記空隙部内に直接噴出させるようにした請求項２に記載の液体窒素噴霧方法。
5. 前記ニードルバルブが閉まると同時に、前記液体窒素噴霧ノズルのノズル噴霧口に向けてパージガスを噴出して、前記ノズル噴霧口の液体窒素を強制排出することによって、前記空隙部内に残留している液体窒素を外部に排出させる請求項１に記載の液体窒素噴霧方法。
6. 前記パージガスは、液体貯留タンク内で気化した窒素ガスである請求項３〜５何れかに記載の液体窒素噴霧方法。
7. 前記パージガスは、外部に設置した液体窒素ボンベから供給される窒素ガスである請求項３〜５何れかに記載の液体窒素噴霧方法。
8. ニードルバルブと液体窒素噴霧ノズルとを有し、該液体窒素噴霧ノズルと前記ニードルバルブとの間に液体窒素が通過する空隙部を有するパイプを介して連結してなり、前記ニードルバルブのＯＮ−ＯＦＦによって前記空隙部への液体窒素の流下を制御してなる液体窒素噴霧装置であって、前記ニードルバルブが閉まるとパージガスを噴出して前記空隙部内に残留している液体窒素を強制的に外部に排出する残留液体窒素排除手段を有し、ニードルバルブの開閉に対する液体窒素噴霧応答性を高めるようにしてなることを特徴とする液体窒素噴霧装置。
9. 前記残留液体窒素排除手段が、前記ニードルバルブのニードルにパージガス供給路を形成し、前記ニードルバルブが閉まると前記ニードルを介して前記空隙部内にパージガスを噴出するようにしてなる請求項８に記載の液体窒素噴霧装置。
10. 前記残留液体窒素排除手段が、ニードルバルブが閉まると前記液体窒素噴霧ノズルのノズル噴霧口に向けて該ノズル軸線に対して略直角方向からパージガスを噴出するパージガス噴出口を、前記ノズル噴霧口近傍に設けてなる請求項８に記載の液体窒素噴霧装置。

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