JP6010893B2 - 水充填方法、水充填システム、および水充填ボトル - Google Patents

Description

本発明は、水充填方法、水充填システム、および水充填ボトルに係り、とりわけプラスチックボトル内を陽圧化する際に必要となるエネルギーを低減するとともに、軽量化ボトルにおいて不足しやすいボトル強度を容易に高めることが可能な水充填方法、水充填システム、および水充填ボトルに関する。

近年、プラスチックボトルに使用されるプラスチック材料の使用量を減らすことにより、プラスチックボトルの軽量化が進んでいる。しかしながら、プラスチックボトルを軽量化する際に、プラスチックボトルの強度や容器バリア性を低下させることが問題となる。

このため、プラスチックボトルの強度低下を補填する技術として、プラスチックボトルに内容液を充填した後、閉栓する直前に液体窒素を添加し、プラスチックボトル内部を陽圧化する技術（以下、ＬＮ２（Liquid Nitrogen）技術と定義する）が存在する（例えば特許文献１および２参照）。

また、特許文献３には、予め窒素ガスを内容液中に過溶解させておき、これによりプラスチックボトル内部を陽圧化する技術（以下、ＤＮ２（Dissolved Nitrogen）技術と定義する）について記載されている。

特開昭５７−１０４５３４号公報 特開昭５７−２０４８３３号公報 特開２００６−１３７４６３号公報

上述したＬＮ２技術を用いることにより、プラスチックボトルに使用される樹脂の量を削減し、省資源化を実現することができる。しかしながら、液体窒素を作製する際には膨大なエネルギーが必要となる。すなわち、液体窒素を作製する場合、一般に、まずコンプレッサーを用いて空気を圧縮し、これを液化用の部屋に放出することにより液化空気を作製し、その後分留器を用いて液化空気から液化窒素を分留する。このため、液体窒素を作製する際には、多くのエネルギーを必要とする。また、液体窒素が極低温であるため、液体窒素を運搬又は貯蔵等する際にも多くのエネルギーを必要とする。

一方、上述したＤＮ２技術においては、液体窒素をガス化させるか、または窒素発生装置を用いることにより、窒素ガスを作製している。しかしながら、前者すなわち液体窒素をガス化させる場合、上述したように液体窒素を作製するために多くのエネルギーが必要となる。また、後者すなわち窒素発生装置を使用する際にも、窒素発生装置の吸着膜を交換する必要が生じるため、膨大なエネルギーを使用してしまう。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、プラスチックボトル内を陽圧化する際に必要となるエネルギーを低減するとともに、軽量化ボトルにおいて不足しやすいボトル強度を比較的容易な方法で高めることが可能な水充填方法、水充填システム、および水充填ボトルを提供することを目的とする。

本発明は、水を口部と胴部と底部とを有するプラスチックボトル内に充填する水充填方法において、水に予め空気を過溶解させる空気溶解工程と、空気が過溶解された水を、プラスチックボトル内に充填する水充填工程と、水が充填されたプラスチックボトルの口部にキャップを装着するキャップ装着工程とを備え、プラスチックボトルの口部にキャップが装着されて閉栓された後、水中に過溶解された空気がプラスチックボトル内のヘッドスペース中に気化し、プラスチックボトル内が陽圧に保持され、プラスチックボトル内に充填される水の量に対する、水中に過溶解された空気の量は０．０２ｇ／Ｌ〜０．３８ｇ／Ｌであり、水充填工程における水の充填温度が４℃〜４０℃であり、水に対する空気の溶解圧が０．０１ＭＰａ〜０．３ＭＰａであり、かつプラスチックボトルの充填量が４００ｍｌ〜６００ｍｌであり、空寸部が０ｍｌ〜２０ｍｌであることを特徴とする水充填方法である。

本発明は、水充填工程は、無菌雰囲気下で行われることを特徴とする水充填方法である。

本発明は、水充填工程において、水は、充填ノズルからプラスチックボトルに充填され、水を充填する際、プラスチックボトルの口部と充填ノズルとが密着していることを特徴とする水充填方法である。

本発明は、水充填工程において、水は、充填ノズルからプラスチックボトルに充填され、水を充填する際、プラスチックボトルの口部と充填ノズルとが離間していることを特徴とする水充填方法である。

本発明は、プラスチックボトルの底部は、耐圧補強された形状からなることを特徴とする水充填方法である。

本発明は、キャップ装着工程の後、水中に過溶解された空気をプラスチックボトルのヘッドスペース中に押し出す過溶解ガス発生工程が設けられていることを特徴とする水充填方法である。

本発明は、水を口部と胴部と底部とを有するプラスチックボトル内に充填する水充填システムにおいて、水に予め空気を過溶解させる空気溶解部と、空気溶解部によって空気が過溶解された水をプラスチックボトル内に充填する水充填部と、水が充填されたプラスチックボトルの口部にキャップを装着するキャップ装着部とを備え、プラスチックボトルの口部にキャップが装着されて閉栓された後、水中に過溶解された空気がプラスチックボトル内のヘッドスペース中に気化し、プラスチックボトル内が陽圧に保持され、プラスチックボトル内に充填される水の量に対する、水中に過溶解された空気の量は０．０２ｇ／Ｌ〜０．３８ｇ／Ｌであり、水充填部における水の充填温度が４℃〜４０℃であり、水に対する空気の溶解圧が０．０１ＭＰａ〜０．３ＭＰａであり、かつプラスチックボトルの充填量が４００ｍｌ〜６００ｍｌであり、空寸部が０ｍｌ〜２０ｍｌであることを特徴とする水充填システムである。

本発明は、水充填部において、無菌雰囲気下で水をプラスチックボトル内に充填することを特徴とする水充填システムである。

本発明は、水充填部の上流側に設けられ、プラスチックボトルを殺菌する殺菌部を更に備え、少なくとも殺菌部と、水充填部と、キャップ装着部とは、互いに連結されて一体化されたユニットからなることを特徴とする水充填システムである。

本発明は、プラスチックボトルの底部は、耐圧補強された形状からなることを特徴とする水充填システムである。

本発明は、キャップ装着部の下流側に、水中に過溶解された空気をプラスチックボトルのヘッドスペース中に押し出す過溶解ガス発生部が設けられていることを特徴とする水充填システムである。

本発明は、殺菌部からキャップ装着部までのプラスチックボトルの搬送速度は、１００ｂｐｍ〜１５００ｂｐｍであることを特徴とする水充填システムである。

本発明によれば、空気が過溶解された水をプラスチックボトル内に充填するので、液体窒素または窒素ガスを用いる場合と比べて、充填時に必要となるエネルギーを低減することができ、環境負荷の低減を図ることができる。また、特にプラスチックボトルが軽量化ボトルからなる場合、その強度が不足しやすい傾向があるが、過溶解された空気によってボトルの内圧を陽圧にすることにより、比較的容易な方法でボトルの強度を高めることができる。

図１は、本発明の一実施の形態による水充填システムを示す平面図。 図２は、プラスチックボトルを示す斜視図。 図３は、本発明の一実施の形態による水充填ボトルを示す斜視図。 図４（ａ）（ｂ）は、水充填工程において、水を充填ノズルからプラスチックボトルに充填する状態を示す斜視図。 図５は、本発明の一実施の形態による水充填方法を示すフロー図。 図６は、プラスチックボトルの変形例を示す斜視図。 図７（ａ）〜（ｃ）は、プラスチックボトルの変形例を示す部分斜視図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１乃至図７は本発明の一実施の形態を示す図である。

（水充填システム）
まず図１乃至図５により本実施の形態による水充填システムについて説明する。

図１に示す水充填システム１０は、口部５１と、胴部５２と、底部５３とを有するプラスチックボトル５０（図２）に対して水６０を充填し、口部５１にキャップ５４を装着して閉栓することにより、陽圧化された水充填ボトル７０（図３）を作製するシステムである。

図１に示すように、水充填システム１０は、ボトル成形部１１と、検査部１２と、殺菌部１３と、リンス部１４と、水充填部１５と、キャップ装着部１６と、ボトル搬出部１７とを備えている。これらボトル成形部１１と、検査部１２と、殺菌部１３と、リンス部１４と、水充填部１５と、キャップ装着部１６と、ボトル搬出部１７とは、上流側から下流側に向けてこの順に配設されている。

また、水充填部１５には、プラスチックボトル５０に充填される水６０に対して予め空気を過溶解させる、空気溶解部１８が接続されている。さらに、キャップ装着部１６には、キャップ５４を滅菌するとともに、この滅菌したキャップ５４をキャップ装着部１６に搬送するキャップ滅菌部１９が接続されている。

このうち最上流側に位置するボトル成形部１１は、プリフォーム５５からプラスチックボトル５０（図２）を成形するものである。このボトル成形部１１は、プリフォーム５５が搬入されるプリフォーム搬入部２５と、プリフォーム搬入部２５から送られたプリフォーム５５を加熱するプリフォーム加熱部２６と、プリフォーム加熱部２６で加熱されたプリフォーム５５を２軸延伸ブロー成形してプラスチックボトル５０を作製するブロー成形部２７とを有している。

また、ボトル成形部１１内には、プリフォーム５５および／またはプラスチックボトル５０を搬送する複数の搬送機構２８が配置されている。なお、プリフォーム加熱部２６およびブロー成形部２７の構成は、それぞれ特に限定されるものではなく、一般に使用されている装置を用いることができる。例えば、ブロー成形部２７は、図１に示すようなロータリー式の機構に限らず、リニア式の機構を用いても良い。また搬送機構２８についても、図１に示すようなロータリー式の機構に限らず、リニア式の機構を用いても良い。又、以下に説明する検査部１２は、ブロー成形部２７に含まれていても良い。

検査部１２は、ボトル成形部１１の下流側に位置しており、ボトル成形部１１で作製されたプラスチックボトル５０の検査を行うものである。この検査部１２は、プラスチックボトル５０の変形やキズ等を検査する検査装置２９を有している。このような検査装置２９としては、従来一般に用いられているボトル検査装置を使用することができる。

また、検査部１２内には、プラスチックボトル５０をボトル成形部１１側から殺菌部１３側へ搬送する複数の搬送機構３０が配置されている。

殺菌部１３は、ボトル成形部１１および検査部１２の下流側に位置しており、検査部１２から送られてきたプラスチックボトル５０内を殺菌するものである。この殺菌部１３は、空のプラスチックボトル５０内を殺菌する殺菌装置３１を有している。

殺菌装置３１で用いられる殺菌方法としては、例えば電子線殺菌（以下、ＥＢ（Electron Beam）殺菌ともいう）方法が用いられても良い。又、水は微生物が増え難い為、６０℃〜１００℃程度の温水を用いた温水リンス殺菌方法を用いても良い。あるいは、殺菌剤によりプラスチックボトル５０を殺菌する、薬剤殺菌方法が用いられても良い。

また、殺菌部１３内には、プラスチックボトル５０を検査部１２側からリンス部１４側へ搬送する複数の搬送機構３３が配置されている。

リンス部１４は、殺菌部１３の下流側に位置しており、プラスチックボトル５０内部をリンス水により洗浄するものである。このリンス部１４は、殺菌部１３において内部が殺菌されたプラスチックボトル５０内へリンス水を供給するリンス水供給装置３４を有している。リンス水供給装置３４で用いられるリンス水は、例えば２５℃〜８０℃程度の温水（無菌水）からなっていても良い。その後リンス水を乾燥させる乾燥装置（図示せず）が設けられている。乾燥装置において用いられる気体としては、例えば空気または窒素等の不活性ガスが挙げられる。なお、殺菌部１３において温水リンス殺菌方法を用いる場合、リンス部１４においてはエア（空気）リンスによる水切りのみを行うようにしても良い。

また、リンス部１４内には、プラスチックボトル５０を殺菌部１３側から水充填部１５側へ搬送する複数の搬送機構３５が配置されている。

なお、リンス部１４と水充填部１５との間には、リンス部１４から水充填部１５へプラスチックボトル５０を搬送するボトル搬送部２０が設けられている。なお、符号３６は、ボトル搬送部２０内でプラスチックボトル５０を搬送する搬送機構を示している。

一方、空気溶解部１８は、水充填部１５に接続されており、上述したように水６０に予め空気を過溶解させるものである。この空気溶解部１８は、水６０を貯留する第１タンク６１と、第１タンク６１からの水６０に空気を過溶解させる空気溶解装置６２と、空気溶解装置６２によって空気が過溶解された水６０を貯留する第２タンク６３とを有している。

このうち第１タンク６１は、空気を過溶解させる前の水６０が予め投入されて貯留しておくためのものである。また、空気溶解装置６２としては、炭酸飲料の製造で用いられる一般的なカーボネーターやスタティックミキサー等を用いることができる。このような空気溶解装置６２を用いた場合、炭酸飲料製造ラインのガス種を変えるだけで空気溶解部１８を構成することができるので、水充填システム１０の設備コストを低く抑えることができる。

この空気溶解装置６２には、雰囲気中の空気を圧縮する例えばコンプレッサーからなる空気圧縮装置６４が接続されている。この場合、空気溶解装置６２と空気圧縮装置６４との間には、空気を無菌化する無菌フィルター６５が設けられている。この無菌フィルター６５に含まれるフィルターの材質としては、樹脂製及び金属製のものを用いることが好ましく、特に樹脂としてはポリオレフィン製やポリイミド製のものを用いることが好ましく、金属としてはステンレス製のものを用いることが好ましい。また、フィルターの目の細かさとしては０．０１μｍ〜１μｍのものを採用することが好ましい。そして雰囲気中の空気（Ａｉｒ）は、空気圧縮装置６４に取り込まれ、空気圧縮装置６４により圧縮された後、無菌フィルター６５を介して空気溶解装置６２に送られる。

第２タンク６３は、空気が過溶解された水６０を一時的に貯留するためのものであり、その内部が加圧されている。また、第２タンク６３において、水６０の温度を例えば４℃〜４０℃に調整することができる。

水充填部１５は、リンス部１４の下流側に位置しており、空気溶解部１８によって空気が過溶解された水６０をプラスチックボトル５０内に充填するものである。この水充填部１５は、プラスチックボトル５０をリンス部１４側からキャップ装着部１６側へ回転しながら搬送する回転搬送機構３７と、回転搬送機構３７の途中に設けられ、プラスチックボトル５０内へ水６０を充填する充填ノズル３８ａ（３８ｂ）（図４（ａ）（ｂ））を有する充填装置３８とを有している。充填装置３８は、空気溶解部１８の第２タンク６３に接続されており、充填装置３８には第２タンク６３からの水６０が送り込まれる。水充填部１５としては、図１に示すような回転搬送機構３７を用いるロータリー型充填機構のほか、プラスチックボトル５０を直線的に移動させて充填するリニア型充填機構を用いても良い。

なお、水充填部１５において水６０を充填する際、図４（ａ）に示すようにプラスチックボトル５０の口部５１と充填ノズル３８ａとが離間していても良く（口上充填方式ともいう）、あるいは図４（ｂ）に示すようにプラスチックボトル５０の口部５１と充填ノズル３８ｂとが密着していても良い（密着充填方式ともいう）。とりわけ、プラスチックボトル５０内を加圧状態にしながら口部５１と充填ノズル３８ｂとを密着させて充填することが好ましい（密着加圧充填方式）。この場合、充填時の溶解空気の発泡を抑えることが可能となるからである。

水充填部１５における水６０の充填時の温度は、上述したように第２タンク６３で調整されており、具体的には４℃〜４０℃である。

キャップ装着部１６は、水充填部１５の下流側に位置している。このキャップ装着部１６は、プラスチックボトル５０の口部５１にキャップ５４を装着することにより、プラスチックボトル５０を閉栓するキャッパー３９を有している。

また、キャップ装着部１６内には、プラスチックボトル５０を水充填部１５からキャッパー３９へ搬送する搬送機構４０と、キャップ滅菌部１９からのキャップ５４をキャッパー３９へ搬送するキャップ搬送機構４１とが設けられている。

このように、キャップ装着部１６においてプラスチックボトル５０の口部５１にキャップ５４を装着することにより、陽圧化された水充填ボトル７０（図３）が得られる。

ボトル搬出部１７は、このようにして得られた陽圧化された水充填ボトル７０を水充填システム１０の外方へ搬出するものである。

さらに、図１に示すように、キャップ装着部１６およびボトル搬出部１７の下流側に、水中に過溶解された空気をプラスチックボトル５０のヘッドスペース中に押し出す過溶解ガス発生部４３が設けられていても良い。この過溶解ガス発生部４３は、水中に過溶解された空気を水充填ボトル７０（プラスチックボトル５０）のヘッドスペース中に押し出し、これにより水充填ボトル７０の内部を陽圧化するものである。なお、過溶解ガス発生部４３としては、超音波水シャワーを使用等することにより、過溶解された空気を強制的に発生させる装置を用いても良い。あるいは、過溶解ガス発生部４３としては、水充填ボトル７０がダンボール詰めされるまでの間、ベルトコンベア搬送中に振動が加わることにより、（自然に）過溶解された空気がヘッドスペースに発生するものであっても良い。

ところで、図１に示すように、水充填システム１０を構成する、ボトル成形部１１、検査部１２、殺菌部１３、リンス部１４、ボトル搬送部２０、水充填部１５、キャップ装着部１６、ボトル搬出部１７、空気溶解部１８、およびキャップ滅菌部１９は、互いに連結されて一体化されたユニットからなっている。すなわち、本実施の形態による水充填システム１０は、プリフォーム５５をボトル成形部１１に搬入してから、水充填ボトル７０をボトル搬出部１７から搬出するまで、一つの場所で各工程を一貫して行うことができるようになっている。

本実施の形態においては、ボトル成形部１１、検査部１２および殺菌部１３のそれぞれの間で、例えばエアシューターを用いることによりプラスチックボトル５０を搬送することがないので、水充填システム１０の全体をコンパクトに構成することができる。また、エアシューターを用いてエア搬送する間にプラスチックボトル５０同士が衝突することもないので、とりわけ軽量化したプラスチックボトル５０を用いた場合に、プラスチックボトル５０が変形することを防止することができる。さらに、本実施の形態においては、殺菌部１３において、ボトル成形部１１のプリフォーム加熱部２６による熱を予熱として用いることにより、殺菌を行うことができるので、省エネ化を図ることができる。但し、プラスチックボトル５０の重量が重い場合、エアシューターを使用した際の衝突による変形が無くなる為、エアシューターを使用したシステムでも良い。

なお、図１において、殺菌部１３、リンス部１４、ボトル搬送部２０、水充填部１５、およびキャップ装着部１６は、無菌雰囲気とされている。したがって、上記殺菌部１３、リンス部１４、ボトル搬送部２０、水充填部１５、およびキャップ装着部１６によって実行される各工程（後述）は、いずれも無菌雰囲気下で行われるようになっている。

本実施の形態において、殺菌部１３からキャップ装着部１６までのプラスチックボトル５０の生産（搬送）速度は、１００ｂｐｍ〜１５００ｂｐｍとすることが好ましい。ここでｂｐｍ（bottle per minute）とは、１分間当たりのプラスチックボトル５０の搬送速度をいう。

なお、水充填システム１０は、必ずしもボトル成形部１１および検査部１２を有していなくても良い。この場合、水充填システム１０の外部でボトル５０を作製し、水充填システム１０の殺菌部１３に直接供給しても良い。また、この場合、殺菌部１３、リンス部１４、ボトル搬送部２０、水充填部１５、キャップ装着部１６、ボトル搬出部１７、空気溶解部１８、およびキャップ滅菌部１９は、互いに連結されて一体化されたユニットからなっていても良い。

なお、本実施の形態において用いられる水６０としては、例えばミネラルウォーターのような飲料用の水のほか、フレーバーウォーター（柑橘系やミントフレーバー等の香料付きウォーター）のように、水に香料等の成分を含有させたものを用いても良い。

（水充填方法）
次に、図１および図５により、本実施の形態による水充填方法（ＤＡｉｒ（Dissolved Air）技術と定義する）について説明する。本実施の形態による水充填方法は、例えば上述した水充填システム１０（図１）を用いて行われるものである。

まず、ボトル成形部１１において、プリフォーム５５からプラスチックボトル５０が成形される（ボトル成形工程）（図５のステップＳ１）。

この間、まずプリフォーム５５が水充填システム１０の外部からプリフォーム搬入部２５に搬入され、このプリフォーム５５がプリフォーム加熱部２６によって加熱される。次に、プリフォーム加熱部２６で加熱されたプリフォーム５５は、ブロー成形部２７において２軸延伸ブロー成形され、プラスチックボトル５０（図２）が作製される。なお、ボトル成形部１１内では、複数の搬送機構２８によってプリフォーム５５および／またはプラスチックボトル５０が搬送されるようになっている。

このようにして作製されたプラスチックボトル５０は、ボトル成形部１１から検査部１２に搬送される。次に、検査部１２の検査装置２９により、プラスチックボトル５０の変形やキズ等の検査が行われる（検査工程）（図５のステップＳ２）。

仮に、検査部１２により、プラスチックボトル５０に変形やキズ等の不具合が存在することが検出された場合、このプラスチックボトル５０は、検査部１２から水充填システム１０の外部へ排出される。なお、検査部１２内では、複数の搬送機構３０によってプラスチックボトル５０が搬送される。

次に、プラスチックボトル５０は、検査部１２から殺菌部１３に搬送される。

なお、水充填システム１０がボトル成形部１１および検査部１２を有していない場合、上述したボトル成形工程および検査工程を経ることなく、水充填システム１０の外部で作製されたボトル５０を直接殺菌部１３に供給しても良い。

続いて殺菌部１３において、ＥＢ殺菌方法、温水リンス殺菌方法または薬剤殺菌方法等により、プラスチックボトル５０内を殺菌する（殺菌工程）（図５のステップＳ３）。殺菌部１３においては、殺菌装置３１によりプラスチックボトル５０内が殺菌される。なお、殺菌部１３内では、複数の搬送機構３３によってプラスチックボトル５０が搬送される。

上述したように、ボトル成形部１１、検査部１２、および殺菌部１３は、互いに連結されて一体化されている。したがって、殺菌部１３において、ボトル成形部１１のプリフォーム加熱部２６による熱を予熱として用いて殺菌効率を高める事ができる。

続いて、プラスチックボトル５０は、殺菌部１３からリンス部１４に搬送される。次に、このリンス部１４において、プラスチックボトル５０内へリンス水が供給される（リンス工程）（図５のステップＳ４）。

すなわち、リンス水供給装置３４により、殺菌部１３で内部が殺菌されたプラスチックボトル５０内へリンス水を供給することにより、リンス水を用いてプラスチックボトル５０内を洗浄し、プラスチックボトル５０内に残存する異物等を取り除く。なお、リンス部１４内では、複数の搬送機構３５によってプラスチックボトル５０が搬送される。なお、殺菌部１３において温水リンス殺菌方法を用いた場合、リンス部１４においてはエア（空気）リンスによる水切りのみを行うようにしても良い。

続いて、プラスチックボトル５０は、リンス部１４からボトル搬送部２０に搬送される。このボトル搬送部２０において、プラスチックボトル５０は、搬送機構３６を介して水充填部１５に向けて搬送される。

続いて、水充填部１５において、プラスチックボトル５０の口部５１から水６０が充填される（水充填工程）（図５のステップＳ５）。

このようにして充填される水６０には、空気溶解部１８により予め空気が過溶解されている。すなわち本実施の形態において、水充填工程Ｓ５の前に、水６０に予め空気を過溶解させる空気溶解工程（図５のステップＳ８）が設けられている。

空気溶解工程Ｓ８においては、まず、空気を過溶解させる前の水６０を第１タンク６１内に貯留しておく。次に、例えばコンプレッサーからなる空気圧縮装置６４により、雰囲気中の空気を圧縮し、これを無菌フィルター６５を通して無菌化するとともに、空気溶解装置６２に送り込む。

次に、第１タンク６１からの水６０を空気溶解装置６２に送り、空気溶解装置６２は、空気圧縮装置６４からの空気を、第１タンク６１からの水６０に対して過溶解させる。具体的には、加圧した状態で空気を水６０に接触させることにより、空気を水６０に過溶解させる。その後、空気溶解装置６２によって空気が過溶解された水６０は、第２タンク６３に送られて貯留される。

この第２タンク６３において、水６０の温度が例えば４℃〜４０℃に調整され、この水６０は、水充填部１５の充填装置３８に送られる。そして充填装置３８において、充填ノズル３８ａからプラスチックボトル５０内へ水６０が充填される。この場合、水６０は４℃〜４０℃の温度で充填される。

なお、例えば水６０の充填温度が４℃〜４０℃であり、水６０に対する空気の溶解圧が０．０１ＭＰａ〜０．３ＭＰａであり、かつプラスチックボトル５０の充填量が４００ｍｌ〜６００ｍｌであり、水６０の空寸部が０ｍｌ〜２０ｍｌである場合、プラスチックボトル５０内に充填される水６０の量に対する、水６０中に過溶解された空気の量は、０．０２ｇ／Ｌ〜０．３８ｇ／Ｌであることが好ましい。水６０中に過溶解された空気の量を０．０２ｇ／Ｌ以上とすることにより、キャップ５４を装着して閉栓した後、プラスチックボトル５０の内部の圧力を十分に高め、プラスチックボトル５０の強度を高めることができる。また、水６０中に過溶解された空気の量を０．３８ｇ／Ｌ以下とすることにより、プラスチックボトル５０内部の圧力が高くなりすぎないので、閉栓後にプラスチックボトル５０の加圧変形による著しい外観不良もなく、キャップのシール性も確保することができる。

なお、上述したように、水充填工程Ｓ５において、水６０を充填する際、プラスチックボトル５０の口部５１と充填ノズル３８ａとが離間していても良く（図４（ａ））、あるいはプラスチックボトル５０の口部５１と充填ノズル３８ｂとが密着していても良い（図４（ｂ））。プラスチックボトル５０の口部５１と充填ノズル３８ｂとを密着させる場合、プラスチックボトル５０内を加圧状態にしながら充填することが好ましい（密着加圧充填方式）。

続いて、プラスチックボトル５０は、回転搬送機構３７により水充填部１５からキャップ装着部１６に向けて搬送される。次に、キャップ装着部１６において、プラスチックボトル５０の口部５１にキャップ５４が装着される（キャップ装着工程）（図５のステップＳ６）。

口部５１に装着されるキャップ５４は、予めキャップ滅菌部１９で殺菌される（キャップ殺菌工程）（図５のステップＳ９）。その後キャップ５４は、キャップ搬送機構４１を介してキャッパー３９に搬送され、このキャッパー３９においてプラスチックボトル５０の口部５１に装着される。

このようにして得られた陽圧化された水充填ボトル７０（図３）は、ボトル搬出部１７によって水充填システム１０の外方へ搬出される（搬出工程）（図５のステップＳ７）。

なお、上述した殺菌工程Ｓ３、リンス工程Ｓ４、水充填工程Ｓ５、およびキャップ装着工程Ｓ６は、いずれも無菌雰囲気下で行われる。

なお、過溶解ガス発生部４３が設けられている場合、キャップ装着工程Ｓ６の後、この過溶解ガス発生部４３において、水中に過溶解された空気を水充填ボトル７０（プラスチックボトル５０）のヘッドスペース中に押し出し、これにより水充填ボトル７０の内部を陽圧化する（過溶解ガス発生工程）（図５のステップＳ１０）。水中に過溶解された空気を押し出す方法としては、超音波水シャワーの使用等により過溶解された空気を強制的に発生させる方法を用いても良い。あるいは、水充填ボトル７０がダンボール詰めされるまでの間、ベルトコンベア搬送中に振動が加わることにより、（自然に）過溶解された空気がヘッドスペースに発生するようにしても良い。

以上のように本実施の形態によれば、水６０に予め空気を過溶解させ、その後空気が過溶解された水６０を、プラスチックボトル５０内に充填する。このことにより、プラスチックボトル５０の口部５１にキャップ５４が装着されて閉栓された後、水６０中に過溶解された空気はプラスチックボトル５０内のヘッドスペース中に気化し、プラスチックボトル５０内が陽圧に保持される。

一般に、空気は約８０％の窒素（Ｎ_２）および約２０％の酸素（０_２）を含み、水に対する各気体の溶解度（２０℃・１ａｔｍ）は、窒素（Ｎ_２）が０．０１６ｍｌ／ｍｌであるのに対し、酸素（０_２）が０．０３１ｍｌ／ｍｌである。この為、空気は窒素ガスと比較して水に溶け込み易い。したがって、窒素ガスのみを過溶解させる場合（上述したＤＮ２技術）と比較して、プラスチックボトル５０内の圧力を高めることができる。

また本実施の形態によれば、水６０に空気を過溶解させることにより、窒素ガスを過溶解させる場合と比較して、省エネルギー化を図るとともに、環境負荷を低下することができる。すなわち、水６０に空気を過溶解させる場合、空気圧縮装置６４により空気を圧縮して使用するだけなので、使用するエネルギーが少なくて済む。これに対して、水６０に窒素ガスを過溶解させる場合、液体窒素を作製したり、あるいは分留器を用いて液化空気から液化窒素を分留する際に膨大なエネルギーが必要となる。したがって、本実施の形態においては、空気を用いることにより低コストでプラスチックボトル５０内を陽圧にすることができる。

さらに、特にプラスチックボトル５０が軽量化ボトルからなる場合、その強度が不足しやすい傾向があるが、本実施の形態によれば、過溶解された空気によってボトルの内圧を陽圧にしているので、ボトル強度を比較的容易な方法で高めることができる。

さらにまた、本実施の形態によれば、キャッピング後（保存中）にプラスチックボトル５０内のガスがボトルを透過して外気に逃げた場合であっても、水６０から気相へガスがチャージされるので、容器の内圧が低下することがない。これに対して、比較例として、上述したＬＮ２（Liquid Nitrogen）技術を用いた場合、キャッピング前に液体窒素を添加した量でボトルの内圧が決まり、その後ガスがチャージされることがないため、容器の内圧が低下するおそれがある。

（水充填ボトル）
次に図２、図３、図６および図７により、本実施の形態による水充填ボトルについて説明する。

図３に示す水充填ボトル７０は、プラスチックボトル５０と、プラスチックボトル５０内に充填された水６０とを備えている。このうちプラスチックボトル５０は、口部５１と、胴部５２と、ペタロイド形状からなることにより耐圧補強された底部５３とを有している（図２および図３）。

このような水充填ボトル７０は、図１に示す水充填システム１０を用い、図５に示す水充填方法により作製されたものであり、少なくともキャップ装着部１６においてプラスチックボトル５０を閉栓した直後には、水６０に空気が過溶解されている。一定時間の経過後、水６０中に過溶解された空気はヘッドスペース中に気化し、プラスチックボトル５０内が陽圧に保持される。このときのプラスチックボトル５０内の圧力は、例えば１０ｋＰａ〜３００ｋＰａ程度とすることが好ましい。

なおプラスチックボトル５０の主材料としては熱可塑性樹脂、特にＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＬＡ（ポリ乳酸）等を使用する事が好ましい。また、プラスチックボトル５０の重量は限定されるものではない。

ところで、上記においては、プラスチックボトル５０としてその底部５３がペタロイド形状からなる場合を例にとって説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、プラスチックボトルとしては、図６および図７に示す構成のものを用いることもできる。

図６に示す変形例おいて、プラスチックボトル５０Ａは、口部５１と、胴部５２と、底部５３Ａとを有している。底部５３Ａには、陥没部５６が形成されることにより耐圧補強されている。

また、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、凹部、凸部および／または溝により耐圧補強された底部５３Ｂ〜５３Ｄを有するプラスチックボトル５０Ｂ〜５０Ｄを用いても良い。

次に、本発明の具体的実施例を説明する。

（陽圧化でのエネルギー消費量の計算）
以下に挙げる３種類の水充填ボトル（実施例１、比較例１、２）について、プラスチックボトル５０の内部を陽圧化する際に必要となるエネルギー消費量を計算した。

（実施例１）
図１に示す本実施の形態による水充填システム１０を用い、かつ図５に示す水充填方法により、図３に示す水充填ボトル７０（実施例１）を作製した（ＤＡｉｒ技術）。なお、プラスチックボトル５０としては、容量５００ｍｌかつ重量１２ｇのＰＥＴボトルを用いた。また、プラスチックボトル５０内のヘッドスペース体積が２０ｍ１であり、プラスチックボトル５０内の圧力が５０ｋＰａとなるように陽圧化した。また、水６０としては水を用いた。

（比較例１）
空気溶解工程において、水６０に対して、空気ではなく窒素ガスを過溶解したこと、以外は、上記実施例１と同様にして水充填ボトル（比較例１）を作製した（ＤＮ２技術）。窒素ガスは窒素ガス発生装置を使用して作製した。

（比較例２）
水６０に対して予め気体を溶解することなく、通常の水６０をプラスチックボトル５０に充填した後、閉栓する直前に液体窒素を添加し、プラスチックボトル５０内部を陽圧化することにより、水充填ボトル（比較例２）を作製した（ＬＮ２技術）。プラスチックボトル５０としては、上記実施例１と同様のものを用い、プラスチックボトル５０内のヘッドスペース体積およびプラスチックボトル５０内の圧力についても上記実施例１の場合と同様にした。

このようにして得られた各水充填ボトル（実施例１、比較例１、比較例２）について、プラスチックボトル５０内部を陽圧化する際に必要となるエネルギー消費量を計算した（表１）。

この結果、水充填ボトル７０（実施例１）のプラスチックボトル５０内部を陽圧化する際に必要となるエネルギー消費量を１００％とした場合、水充填ボトル（比較例１、比較例２）のプラスチックボトル５０内部を陽圧化する際に必要となるエネルギー消費量は、それぞれ１６８％、３５０％となった。したがって、本実施の形態による水充填方法（ＤＡｉｒ技術）を用いた場合、プラスチックボトル５０内部を陽圧化する際に必要となるエネルギー消費量を従来より削減できることが分かった。

（空気注入量及びボトル内圧測定結果）
以下に挙げる６種類のプラスチックボトル（実施例２〜３、参考例１〜２、比較例３〜４）について、水充填ボトル７０のプラスチックボトル５０の積載強度を測定した結果について評価した。

（実施例２）
図１に示す本実施の形態による水充填システム１０を用い、かつ図５に示す水充填方法により、図３に示す水充填ボトル７０（実施例２）を作製した（ＤＡｉｒ技術）。なお、プラスチックボトル５０としては、容量５００ｍｌで重量１２ｇのＰＥＴボトルを用いた。この場合、空気溶解工程（図５のステップＳ８）において、水６０中に過溶解させる空気の量（空気注入量）は０．２０ｇ／Ｌとした。また、水充填工程（図５のステップＳ５）における水６０の充填温度は１５℃とし、空寸部を１０ｍｌとした。

（実施例３）
空気溶解工程（図５のステップＳ８）において、水６０中に過溶解させる空気の量（空気注入量）を０．０２ｇ／Ｌとしたこと、以外は、上記実施例２と同様にして水充填ボトル７０（実施例３）を作製した。

（参考例１）
空気溶解工程（図５のステップＳ８）において、水６０中に過溶解させる空気の量（空気注入量）を０．２０ｇ／Ｌ、ボトル容量を３００ｍｌとしたこと、以外は、上記実施例２と同様にして水充填ボトル７０（参考例１）を作製した。

（参考例２）
空気溶解工程（図５のステップＳ８）において、水６０中に過溶解させる空気の量（空気注入量）を０．３８ｇ／Ｌ、ボトル容量を３００ｍｌとしたこと、以外は、上記実施例２と同様にして水充填ボトル７０（参考例２）を作製した。

（比較例３）
プラスチックボトル５０の重量を１８ｇとしたこと、および空気溶解工程（図５のステップＳ８）において、水６０中に空気を過溶解させなかったこと、以外は、上記実施例２と同様にして水充填ボトル７０（比較例３）を作製した。

（比較例４）
プラスチックボトル５０の重量を１５ｇとしたこと、容量を３００ｍｌとしたこと、および空気溶解工程（図５のステップＳ８）において、水６０中に過溶解させないこと、以外は、上記実施例２と同様にして水充填ボトル７０（比較例４）を作製した。

このほかの６種類の水充填ボトル７０（実施例２〜３、参考例１〜２、比較例３〜４）について、プラスチックボトル５０の積載強度を測定した（表２）。

この結果、水充填ボトル７０（実施例３）のプラスチックボトル５０の強度改善効果は１０Ｎとなった。これはわずかに改善された程度であり、強度低下を補填する効果が薄い。他方、水充填ボトル７０（実施例２）のプラスチックボトル５０の強度改善効果は１５０Ｎとなり、強度も２８０Ｎであった。プラスチックボトル５０の強度は１８ｇのボトル（比較例３）と同程度の強度であった。また、水充填ボトル７０（参考例１）のプラスチックボトル５０は、容量が３００ｍｌであり容器サイズが小さいため、空気注入量が０．２０ｇ／Ｌでは強度改善効果は１０Ｎとなった。他方、水充填ボトル７０（参考例２）のプラスチックボトル５０の強度改善効果は１６０Ｎとなり、強度も３００Ｎであった。また、このプラスチックボトル５０の強度は、１５ｇのボトル（比較例４）と同程度の強度であった。

１０ 水充填システム
１１ ボトル成形部
１２ 検査部
１３ 殺菌部
１４ リンス部
１５ 水充填部
１６ キャップ装着部
１７ ボトル搬出部
１８ 空気溶解部
１９ キャップ滅菌部
２０ ボトル搬送部
２５ プリフォーム搬入部
２６ プリフォーム加熱部
２７ ブロー成形部
２８、３０、３３、３５、３６、４０ 搬送機構
２９ 検査装置
３１ 殺菌装置
３４ リンス水供給装置
３７ 回転搬送機構
３８ 充填装置
３８ａ、３８ｂ 充填ノズル
３９ キャッパー
４１ キャップ搬送機構
４３ 過溶解ガス発生部
５０ プラスチックボトル
５１ 口部
５２ 胴部
５３ 底部
５４ キャップ
５５ プリフォーム
５６ 陥没部
６０ 水
６１ 第１タンク
６２ 空気溶解装置
６３ 第２タンク
６４ 空気圧縮装置
６５ 無菌フィルター
７０ 水充填ボトル

Claims (12)

1. 水を口部と胴部と底部とを有するプラスチックボトル内に充填する水充填方法において、
   水に予め空気を過溶解させる空気溶解工程と、
   空気が過溶解された水を、プラスチックボトル内に充填する水充填工程と、
   水が充填されたプラスチックボトルの口部にキャップを装着するキャップ装着工程とを備え、
   プラスチックボトルの口部にキャップが装着されて閉栓された後、水中に過溶解された空気がプラスチックボトル内のヘッドスペース中に気化し、プラスチックボトル内が陽圧に保持され、
   プラスチックボトル内に充填される水の量に対する、水中に過溶解された空気の量は０．０２ｇ／Ｌ〜０．３８ｇ／Ｌであり、水充填工程における水の充填温度が４℃〜４０℃であり、水に対する空気の溶解圧が０．０１ＭＰａ〜０．３ＭＰａであり、かつプラスチックボトルの充填量が４００ｍｌ〜６００ｍｌであり、空寸部が０ｍｌ〜２０ｍｌであることを特徴とする水充填方法。
2. 水充填工程は、無菌雰囲気下で行われることを特徴とする請求項１記載の水充填方法。
3. 水充填工程において、水は、充填ノズルからプラスチックボトルに充填され、水を充填する際、プラスチックボトルの口部と充填ノズルとが密着していることを特徴とする請求項１または２記載の水充填方法。
4. 水充填工程において、水は、充填ノズルからプラスチックボトルに充填され、水を充填する際、プラスチックボトルの口部と充填ノズルとが離間していることを特徴とする請求項１または２記載の水充填方法。
5. プラスチックボトルの底部は、耐圧補強された形状からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の水充填方法。
6. キャップ装着工程の後、水中に過溶解された空気をプラスチックボトルのヘッドスペース中に押し出す過溶解ガス発生工程が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の水充填方法。
7. 水を口部と胴部と底部とを有するプラスチックボトル内に充填する水充填システムにおいて、
   水に予め空気を過溶解させる空気溶解部と、
   空気溶解部によって空気が過溶解された水をプラスチックボトル内に充填する水充填部と、
   水が充填されたプラスチックボトルの口部にキャップを装着するキャップ装着部とを備え、
   プラスチックボトルの口部にキャップが装着されて閉栓された後、水中に過溶解された空気がプラスチックボトル内のヘッドスペース中に気化し、プラスチックボトル内が陽圧に保持され、
   プラスチックボトル内に充填される水の量に対する、水中に過溶解された空気の量は０．０２ｇ／Ｌ〜０．３８ｇ／Ｌであり、水充填部における水の充填温度が４℃〜４０℃であり、水に対する空気の溶解圧が０．０１ＭＰａ〜０．３ＭＰａであり、かつプラスチックボトルの充填量が４００ｍｌ〜６００ｍｌであり、空寸部が０ｍｌ〜２０ｍｌであることを特徴とする水充填システム。
8. 水充填部において、無菌雰囲気下で水をプラスチックボトル内に充填することを特徴とする請求項７記載の水充填システム。
9. 水充填部の上流側に設けられ、プラスチックボトルを殺菌する殺菌部を更に備え、
   少なくとも殺菌部と、水充填部と、キャップ装着部とは、互いに連結されて一体化されたユニットからなることを特徴とする請求項７または８記載の水充填システム。
10. プラスチックボトルの底部は、耐圧補強された形状からなることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項記載の水充填システム。
11. キャップ装着部の下流側に、水中に過溶解された空気をプラスチックボトルのヘッドスペース中に押し出す過溶解ガス発生部が設けられていることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか一項記載の水充填システム。
12. 殺菌部からキャップ装着部までのプラスチックボトルの搬送速度は、１００ｂｐｍ〜１５００ｂｐｍであることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一項記載の水充填システム。