JPH11292018A - 液体窒素の微小粒滴化方法及びその装置、該装置のノズル組立体並びに液体窒素微小粒滴充填による陽圧包装体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体窒素を安定的に微小粒滴化できる液体窒
素の微小粒滴化方法を得、それにより品質保証性に優れ
た低陽圧ガス置換包装体を得る。 【解決手段】 液体窒素貯蔵断熱タンク２と断熱配管を
介して連結された細孔１９を有する噴霧ノズル１５を備
え、断熱配管により液体窒素を気化させずに細孔１９の
入口まで供給し、細孔１９を液体状態で通過させて容器
ヘッドスペースに向けて大気中に放出しする。液体窒素
は、細孔１９を出た直後に一部液体窒素が急激な気化膨
張作用を起こすことにより、未だ液相状態にある他の液
体窒素を微小粒滴化させて、容器ヘッドスペース中に液
体窒素の微小粒滴を充填する。また、細孔１９の出口近
傍を乾燥ガスで包んで、大気中に含まれる水分がノズル
先端に氷結することを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体窒素の微小粒
滴化方法及びその装置、該装置のノズル組立体並びに液
体窒素微小粒滴充填による陽圧包装体の製造方法に関
し、特に液体窒素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
ことができる液体窒素の微小粒滴化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方
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（特公昭５９−９４０９号）。該方法は理論的には十
分達成可能であるが、液体窒素を微小粒滴（ミスト状）
に噴霧するには次のような問題点があり、安定的に液体
窒素を噴霧する方法及び装置は未だ得られていない現状
である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】水その他の液体等、沸
点が大気温度よりも高い液体を微小粒滴化するには、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小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、
噴霧前にスプレー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、微小粒滴を安定し
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。

【０００４】本発明は、上記実情に鑑み創案されたもの
であって、液体窒素の微小粒滴を得る際の上記技術的問
題点を解決して、液体窒素を安定的に微小粒滴化できる
液体窒素の微小粒滴化方法及びその装置、並びに該装置
に適用するノズル組立体を提供することを第１の目的と
し、更にその技術によって液体窒素の微少量充填が精度
良くでき、品質保証性に優れた低陽圧ガス置換包装体を
得ることができる液体窒素微小粒滴充填による陽圧包装
体の製造方法を提供することを第２の目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の基本思想は、液
体窒素が大気中において沸騰気化する現象を液体窒素自
体の微小粒滴化に利用しようとするものであって、液体
窒素がノズル中に存在するまでの間は沸騰させることな
く、ノズル部分を液体状態で速やかに通過させるように
物理的な環境条件を整え、大気中に放出された液体窒素
の一部が急激な膨張作用を起こすことを利用して未だ液
相状態にある液体窒素を微小粒滴化させるようにしたも
のである。また、噴霧ノズルに大気中の水蒸気が結露氷
結して開口部を閉塞することを防止するために、ノズル
部分、特に噴霧ノズルの細孔出口近傍を乾燥ガスでパー
ジさせるようにした。

【０００６】即ち、本発明の液体窒素の微小粒滴化方法
は、液体窒素貯蔵断熱タンクと断熱経路で連通した細孔
を有する噴霧ノズルを備え、前記断熱経路により液体窒
素を、気化を防いで前記細孔入口まで供給して、前記細
孔を液体状態で通過させて大気中に放出し、前記細孔を
出た直後に一部液体窒素が急激な気化膨張作用を起すこ
とにより、未だ液相状態にある他の液体窒素を微小粒滴
化させるようにしたことを特徴とするものである。

【０００７】前記方法による液体窒素の微小粒滴化は、
噴霧ノズルの温度、噴霧圧、噴霧流量が適切な範囲にあ
る場合に安定して達成できるが、噴霧ノズルの温度、噴
霧圧、噴霧流量は相互に影響を与えながら適切な噴霧状
態を形成する。従って、これらの各条件の適性な範囲
は、残りの２条件の値によって変動するが、前記細孔の
温度は、液体窒素の沸点以上−１２０℃以下の範囲に保
つようにすることが望ましい。ノズルの温度が高い場合
には、細孔を通過する間に液体窒素の一部が気化し、脈
動を生じさせる。さらに、ノズル温度が高くなると、液
体窒素は全て気化し、大気中に液体分が放出しなくな
る。一方、ノズル特に細孔温度が沸点より低いと、大気
中に放出された後の膨張・微粒化が十分に行われず、適
切な噴霧状態が形成できなくなる。その条件を満たすも
のとして、上記温度範囲が望ましい。

【０００８】また、前記細孔から液体窒素を噴霧する噴
霧圧力は、１kPa〜１５０kPaの範囲に設定するようにす
ることが望ましい。噴霧圧は流量に直接関係を及ぼし、
圧力が高ければ噴霧流量は多くなるし、低ければ噴霧流
量も少なくなるという関係にある。そして現象的には噴
霧圧が高すぎると、液体窒素が細孔を通過する際の沸点
降下度が大きくなり、細孔内での液体窒素が沸騰して脈
流が生じる。逆に噴霧圧が低すぎると、噴霧流量が少な
くなり、細孔を通過する間に過剰な熱供給を受けて液体
窒素が殆ど気化し、大気中に液体部分が放出されなくな
り、微小粒滴を得ることができない。

【０００９】一方、前記細孔を通過する液体窒素の噴霧
流量は、１cm³/min 以上１０³cm³/min以下の範囲にする
のが望ましい。噴霧流量が多すぎる場合には、液体窒素
が細孔を通過する際に十分な熱供給が受けられず、気化
膨張による微粒化メカニズムが十分に働かなくなるた
め、微小粒滴を形成することができなくなる。一方、噴
霧流量が少な過ぎる場合は、前記噴霧圧力について述べ
た理由で大気中に液体放出ができなくなる。

【００１０】上記液体窒素微小粒滴化方法を採用した本
発明の液体窒素微小粒滴充填による陽圧包装体の製造方
法は、液体窒素貯蔵断熱タンクと断熱経路で連通した細
孔を有する噴霧ノズルを備え、前記断熱経路により液体
窒素を、気化を防いで細孔入口まで供給して、前記細孔
を液体状態で通過させて容器ヘッドスペースに向けて大
気中に放出し、前記細孔を出た直後に一部液体窒素が急
激な気化膨張作用を起こすことにより、未だ液相状態に
ある他の液体窒素を微小粒滴化させて、容器ヘッドスペ
ース中に液体窒素の微小粒滴を充填して陽圧包装体を得
ることを特徴とするものである。そして、該方法により
容器内圧が０.２〜０.８kgf/cm²の低陽圧包装体を安定
して得ることが可能である。

【００１１】また、上記方法を達成する本発明の液体窒
素の微小粒滴化装置は、液体窒素貯蔵断熱タンクと断熱
経路で連通した細孔を有する噴霧ノズルを備え、前記断
熱経路により液体窒素を、気化を防いで細孔入口まで供
給して、前記細孔を液体状態で通過させて容器ヘッドス
ペースに向けて大気中に放出し、前記細孔を出た直後に
一部液体窒素が急激な気化膨張作用を起こすことによ
り、未だ液相状態にある他の液体窒素を微小粒滴化させ
て、容器ヘッドスペース中に液体窒素の微小粒滴を充填
して陽圧包装体を得ることを特徴とするものである。

【００１２】前記断熱経路は、前記噴霧ノズルが前記液
体窒素貯蔵断熱タンクに直接取付ける場合は、該液体窒
素貯蔵断熱タンク内に形成され、前記液体窒素貯蔵断熱
タンクと配管を介して取付ける場合は、該断熱経路は真
空断熱するのが望ましい。また、前記噴霧ノズル組立体
は前記細孔が液体窒素の液体窒素の沸点以上−１２０℃
以下の範囲に保つように断熱構造にして、細孔入口まで
は外気温度を略完全に遮断状態にして液体状態を維持し
易くし、細孔内では細孔出口から出た液体窒素が沸騰し
易い状態となる程度の外気熱流入を許す断熱構造にする
のが望ましい。

【００１３】前記乾燥ガス供給手段は、細孔出口近傍の
外周部を囲うフードと該フードに連結されて該フード内
部に乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給源とで構成する。
乾燥ガス供給源としては、前記液体窒素断熱貯蔵タンク
のヘッドスペース部を採用し、前記乾燥ガスに前記液体
窒素断熱貯蔵タンク内に貯蔵されている液体窒素の気化
ガスを利用するか、あるいは専用の乾燥ガス供給ボンベ
等何れの手段を採用しても良い。

【００１４】また、本発明の液体窒素の微小粒滴化装置
のノズル組立体は、液体窒素供給管に連結され、下端に
細孔を有する噴霧ノズル、該噴霧ノズルの外周部を囲繞
し前記細孔下方部が開口している大気パージ用のパージ
フード、前記パージフード内の空間部に乾燥ガスを供給
する乾燥ガス供給管連結手段を有し、前記パージフード
内の空間部に乾燥ガスを供給することにより、少なくと
も前記細孔出口端を乾燥ガスでパージできるようにした
ことを特徴とする構成を有している。前記噴霧ノズルの
細孔は、断面積が０.１〜０.５mm²の範囲内にある単一
孔であっても良く、あるいは各々の断面積が０.１〜０.
５mm²の範囲内にあるような複数個の孔で構成しても良
い。

【００１５】

【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。図１は、本発明の液体窒素の微小粒滴化装置
を低陽圧ガス置換陽圧包装体の製造方法に適用した例の
全体構成図を示している。図中、１は供給源となる液体
窒素タンク、２はノズル組立体３の噴霧ノズル１５に適
正な圧力で液体窒素を供給するための液体窒素貯蔵断熱
タンクとしての調整用の真空断熱タンク、４は噴霧ノズ
ル周辺を乾燥雰囲気とするための大気パージ用の乾燥ガ
ス供給源である乾燥ガスタンクであり、大気パージガス
としては窒素ガス等が採用できる。５は真空断熱タンク
２の内圧を上げるための加圧ガス供給源である加圧ガス
ボンベであり、加圧ガスとしては窒素ガス等が好適に採
用できる。６は加圧ガス供給管路に設けられた圧力調整
弁であり、７は真空断熱タンク２の内圧を下げるための
減圧調整弁である。８は液体窒素供給管路に設けられた
圧力調整弁（流量制御弁）であり、９は乾ガス供給管路
に設けられた手動の圧力調整弁であり、１０は手動開閉
弁である。また１１は真空断熱タンクからノズル組立体
３への液体窒素供給管路に設けられた開閉弁である。

【００１６】本発明は、ノズル開口部の上流部では沸騰
気化をさせることなく、ノズル開口部で、厳密には細孔
通過直後に適量の一部液体窒素が沸騰気化することで他
の未だ液相状態にある窒素を微小液滴にして噴霧させる
ものであるから、ノズル組立体３までの液体窒素供給路
は断熱経路として真空断熱した断熱配管を採用して十分
に断熱して、液体窒素を気化させずに噴霧ノズル１５ま
で供給する。そしてノズル組立体３の近傍においては適
宜の熱流入を図り、液体窒素の温度を沸点まで高めてそ
れを維持するように断熱材で断熱環境としている。な
お、液体窒素供給路の真空断熱構造は、液体窒素管１３
の外周部を真空ハウジング１４で囲繞して大気を完全に
遮断している。

【００１７】ノズル組立体３は、真空断熱された液体窒
素供給管１３の下端部に連結されており、その拡大図が
図２に示されている。図中、１６はノズルボディであ
り、該ノズルボディの下端に固定具１７を介してノズル
チップ１８が固定され、噴霧ノズル１５を構成してい
る。ノズルチップ１８には、液体窒素を噴出する細孔１
９が形成されている。該細孔１９は、断面積が０．１〜
０．５mm²の範囲内の極めて小さく形成され、本実施形
態では単一孔に形成しているが、複数の孔からなるもの
でも良い。また、細孔の形状は、本実施形態では楕円形
状に形成してあるが、該孔形状は微小粒滴の噴霧パター
ン及び微小粒滴の形成に影響を与えるので、適用条件に
合うように最適条件を選択すれば良い。

【００１８】ノズルボディ１６の上端部はネジが形成さ
れ、液体窒素供給管１３の下端部と管継手２０を介して
連結されている。２１は管継手２０の外周部に固定され
たフードベースであり、該フードベースの下端部外周面
にパージフード２３が、噴霧ノズル１５を囲繞するよう
に固定されている。パージフード２３は、ノズルチップ
１８の下端部より下方に延びて、ノズルチップの細孔下
方部は微小粒滴の形成を妨げないように一定範囲が開口
２４して、ノズルチップの外周部を囲繞している。２５
はパージフードの囲繞空間に乾燥ガスボンベ４より乾燥
ガスを供給する乾燥ガス供給管２６を接続する接続プラ
グであり、囲繞空間に乾燥ガスを供給することにより、
噴霧ノズルの外周部、特にノズルチップ１８外周部を常
時乾燥ガスでパージさせるようにしている。この様に構
成することによって、噴霧ノズル１５は水分を含む大気
とは遮断された状態を維持することができ、結露氷結の
現象を起こすことはない。なお、この乾燥ガスは必ずし
も、特別に調達する必要はなく真空断熱タンク２の気化
ガスを一部還流させて用いることも可能である。

【００１９】２７は環状断熱材であり、真空ハウジング
１４の下端からノズル組体３の外周部、特に噴霧ノズル
１５に達するまでの外周部を囲うように、フードベース
２１と真空ハウジング１４の下端との間に設けられてい
る。該断熱材を設けることによって、噴霧ノズルに供給
される液体窒素が沸点に近づくように適正な温度を得る
ことができる。なお、図示してないが、ノズル組立体に
ヒータを設けておけば、作業中断中にはノズルを加熱す
ることによって霜付や露結が防止でき、またそれらが発
生した場合に容易に除去することができる。

【００２０】本実施形態の液体窒素の微小粒滴化装置
は、以上のように構成され、次のようにして液体窒素を
微小粒滴化する。真空断熱タンク２から液体窒素は液体
窒素供給管１３を通って、ノズル組立体３に予め設定さ
れた所定圧力、所定流量で供給される。途中ノズル組立
体までの供給管路は真空断熱状態に保たれているので、
液体窒素は沸点以下の温度状態でノズル組立体の入口ま
で供給される。ノズル組立体の外周部は環状断熱材２７
に囲われているが、外部よりの熱流入を受けノズル組立
体を通過する液体窒素が配管内の圧力に対応した沸点温
度に達しその状態に保たれ、ノズルチップ１８の細孔１
９に達する。細孔１９に流入した液体窒素は、細孔を通
過する間に、細孔内壁から熱を受け取る。細孔の断面積
は小さいので、この熱流入の影響を強く受けるため、液
体窒素が細孔を通過する間に沸騰をさせず、且つ細孔を
通過して大気中に放出された直後に一部の液体窒素が直
ぐに気化膨脹するような温度を維持しなければならず、
特に細孔までの断熱構造及び細孔の温度管理は重要であ
る。このような条件を満たす細孔の温度は、少なくとも
下限が細孔を通過する液体窒素の沸点温度であるが、上
限は実験の結果−１２０℃までは適正に微小粒滴を形成
することができた。

【００２１】細孔温度、噴霧圧、及び噴霧流量が適切で
あると、液体窒素は細孔を液体状態で速やかに通過して
大気中に放出される。細孔１９を通過する間に、液体窒
素に係る圧力は、配管内の吐出圧力から大気圧に減圧
し、その際に沸点降下が起こる。そのため、細孔から大
気中に放出された液体窒素の一部が直後に気化膨脹し、
残りの液体部分を微粒化する。以上のように、液体窒素
の微小粒滴化は、液体窒素の気化膨脹によって行われる
ため、噴霧圧が非常に低圧であっても、通常の液体では
高圧噴霧のときしか得られない噴霧パターンが得られ
る。

【００２２】そして、噴霧ノズル外周部には、乾燥ガス
ボンベ４より乾燥ガスを供給して常時大気をパージして
いるので、噴霧ノズル３は水分を含む大気とは遮断され
た状態を維持することができ、低温であっても結露氷結
の現象を起こすことはなく、長時間安定して噴霧を行う
ことができる。

【００２３】上記装置によって、噴霧ノズルから液体窒
素が大気中に放出して霧状の微小粒滴を安定して噴霧さ
れるためには、まず噴霧ノズルに液体窒素が安定して定
量供給されていなければならないが、噴霧ノズルまでの
供給路中で液体窒素の沸騰気化が起こると気液混合流体
となり、その供給量が一定にならず脈動を起こしてしま
う。したがって、真空断熱タンクから噴霧ノズルまでの
供給路は大気の温度が伝達されないように断熱環境にし
ておく必要がある。

【００２４】一方、細孔出口で適量の一部液体窒素が沸
騰気化する状況を確保するためには細孔の温度、液体窒
素の噴霧圧と供給流量を適正値に設定調整する必要があ
るが、これらの設定値は互いに相関する物理量であるの
で、総合的に管理することが必要となる。これらの３つ
の物理量を考察すると、細孔温度が低すぎると出口での
沸騰気化が始まらないため気化膨張による微小粒滴化は
なされることなく流動液のまま大気中に流出してしまう
し、反対に温度が高すぎるとノズル内で沸騰気化が始ま
ってしまい脈動を生じたり、液体窒素のほとんどが気化
してしまって微小粒滴を得ることが出来なくなってしま
う。又噴霧圧は流量に直接関係を及ぼし、圧力が高けれ
ば噴霧流量は多くなるし、低ければ噴霧流量も少なくな
るという関係にある。そして現象的にも圧力が高い状態
では液体窒素の沸点は高くなり、低い状態では沸点も低
くなる関係にある。また流量が多くなれば熱交換率は低
くなって沸騰気化しにくくなるが、流量が少なくなれば
熱交換率は高くなって沸騰気化が進むことになる。この
様な関係になっているので、安定したミスト状の液体窒
素の噴霧を確保するためにはこれら３者間の値の設定調
整が重要となる。

【００２５】上記液体窒素の微小粒滴化装置を、図１に
示すようにようにコンベヤ３１により連続的に搬送され
る低陽圧ガス置換陽圧包装体３０（図では缶詰）に適用
する場合を考えると、包装体の容量や内容物に応じて封
入されるべき適量の液体窒素噴霧量がまず設計上定まる
ので、ラインの生産速度を勘案してそれに応じた噴霧ノ
ズル１５への供給流量が決まる。しかしながら、噴霧流
量が多すぎると、液体窒素が細孔を通過する際に十分な
熱供給が受けられず、気化膨張による微粒化メカニズム
が十分に働かなくなるため、微小粒滴を形成することが
できなくなる。一方、噴霧流量が少な過ぎる場合は、細
孔を通過する間に過剰な熱供給を受けて液体窒素が殆ど
気化し、大気中に液体部分が放出されなくなり、微小粒
滴を得ることができなくなる。実験を繰り返して研究し
た結果、噴霧流量を１cm³/min以上１０cm³/min以下の範
囲に設定することによって、このような現象を生じさせ
ずに、安定して微小粒滴を得ることができた。

【００２６】上記流量を得るために、液体窒素にかけら
れる噴霧圧力すなわち、真空断熱タンク２の内圧が噴霧
ノズルの細孔１９の開口面積との関係で決められる。噴
霧圧力は、真空断熱タンク２の圧力及び液面高さを調整
することによって制御できる。即ち、圧力調整弁６、減
圧調整弁７を所定圧力値に設定しておけば、真空断熱タ
ンク内の内圧が設定値以下になれば、圧力調整弁６が作
動して加圧ガスボンベから所定圧に達するまで加圧ガス
が供給され、設定値以上になれば減圧調整弁７が作動し
て所定圧まで減圧する。また、液面が低下すると液体窒
素タンク１から電磁弁８が作動して、所定液面になるま
で自動的に供給される。なお、噴霧圧の調節は、上記実
施例に限らず、外部からの加圧、タンク上部の液面での
液体窒素気化により生じる自生圧、液体窒素の自重によ
り生じるヘッド圧の何れかを制御することによって行う
ようにしても良い。

【００２７】また、この噴霧圧力は液体窒素の沸点を変
化させるので沸騰気化にも影響するが、噴霧ノズルの細
孔を通過すると急に大気圧まで減圧されるため、沸点も
急速に降下してこの部分での沸騰気化を促進することに
なる。温度、圧力、流量の３つの物理量を適当にバラン
ス設定することで、所望のミスト状噴霧が実現できる
が、噴霧圧が高すぎると、液体窒素が細孔を通過する際
の沸点降下度が大きくなり、細孔内での液体窒素が沸騰
して脈流が生じ、逆に噴霧圧が低すぎると、噴霧流量が
少なくなり、細孔を通過する間に過剰な熱供給を受けて
液体窒素が殆ど気化し、大気中に液体部分が放出されな
くなり、微小粒滴を得ることができなくなる。液体窒素
の微小粒滴を得る実験を繰り返し行った結果、噴霧圧が
１kPa以上１５０kPa以下の範囲で安定的に微小粒滴を得
ることができた。

【００２８】図３は、ノズル組立体の他の実施形態を示
す。本実施形態のノズル組立体３５は、基本的構造は図
２に示すノズル組立体と同様であるので、同様な部材に
は同一符号を付し、相違する部分のみについて説明す
る。本実施形態のノズル組立体では、大気パージフード
を二重構造にしたことに特徴を有する。即ち、フードベ
ース２１の外周部に外側パージフード３６を固定し、内
周部に内側パージフード３７が固定され、噴霧ノズル１
５を二重に間隔をおいて囲繞している。内側パージフー
ド３７は、ノズルチップ１８の下端部より下方に延び
て、ノズルチップの細孔下方部は微小粒滴の形成を妨げ
ないように噴霧パターンに応じて一定範囲が開口３８
し、ノズルチップの外周部を囲繞している。外側パージ
フード３６は、内側パージフード３７よりもさらに下方
に延びて、内側パージフードの開口３８の下方がそれよ
り広い面積で開口３９している。

【００２９】本実施形態ノズル組立体は、以上のように
構成され、外側パージフード３６と内側パージフード３
７との間の空間に乾燥ガス供給管２６を介して供給され
た乾燥ガスは、内側パージフード３７に邪魔されて、ノ
ズルチップ１８に直接触れにくくなるが、外側パージフ
ード３６と内側パージフード３７の下端の隙間を通っ
て、噴霧中の微小粒滴の外周部に衝突して曲げられてそ
の外周部を囲った状態で下方に噴出するので、噴霧ノズ
ル１５を良好に外気と遮断し、噴霧ノズル１５の霜付を
良好に防止することができる。また、ノズルチップへの
乾燥ガスの接触量が少ないので、細孔温度の温度上昇に
影響を与えることが少なく、液体窒素の微小粒滴化形成
メカニズムに悪影響を与えることがない。

【００３０】図４及び図５は、それぞれノズル組立体の
さらに他の実施形態を示している。これらの実施形態
は、図３の実施形態のものより、噴霧ノズル外周部を乾
燥ガスに対してさらに断熱構造にしたものである。即
ち、図４に示すノズル組立体４０では、ノズルボディ４
１及びノズルチップ１８からなる噴霧ノズル４２の外周
部を図のように断熱材カバー４３で囲って、断熱チャン
バー４４を形成してある。そして、ノズルボディ４１に
は液体窒素通路４５から断熱チャンバー４４に通じる孔
４６が形成されて、断熱チャンバー４４に液体窒素を供
給できるようになっている。従って、この実施形態の場
合、噴霧ノズル外周面はノズルチップの噴霧面を除い
て、乾燥ガスから完全に遮断されているので、乾燥ガス
により噴霧ノズルが熱的影響を受けることが少ない。な
お、図中４７はパージフードである。

【００３１】図５に示す実施形態のノズル組立体５０で
は、ノズルボディ５１に外側パージフード５２の内周面
とに接触状態で配置された断熱材カバー５３を螺着し、
該断熱材カバーと噴霧ノズル５４との間の空間を埋める
ように断熱材５５が収納されている。従って、前記図４
に示す実施形態のものと同様に噴霧ノズル外周面はノズ
ルチップの噴霧面を除いて、乾燥ガスから遮断してい
る。なお、本実施形態では外側パージフード５２と断熱
材カバー５３と密着して配置されているが、外側パージ
フード５２の内周面には、乾燥ガスが供給される接続プ
ラグから外側パージフード５２と断熱材カバー５３下端
部間の空間部に通じる乾燥ガス通路が形成されており、
乾燥ガスをノズルチップ下端面に乾燥空気を供給して噴
霧ノズルを大気からパージする作用効果は前記実施形態
のものと同様である。

【００３２】以上、この出願に係る各発明について説明
したが、本願各発明は、その技術的思想の範囲内で種々
の変更が可能であり、上記の実施形態に限るものでなは
ない。また、上記実施形態では、本発明の液体窒素の微
小粒滴化方法によって、陽圧包装体、特に低陽圧包装体
を得る場合について説明したが、本発明の液体窒素の微
小粒滴化方法及び装置は、陽圧包装体の製造に適用でき
るばかりでなく種々の用途にも応用が可能である。例え
ば雰囲気中に微小粒滴を噴霧することにより、雰囲気内
を急激に冷却したり、雰囲気内の温度上昇を押えて雰囲
気温度をコントロールすること等の用途にも適用でき
る。また、上記実施形態では、ノズル組立体を液体窒素
貯蔵タンクの下部に断熱配管（液体窒素供給管１３、真
空ハウジング１４）を介して取り付けたが、液体窒素貯
蔵タンクに直接取付ける構造にしても良い。

【００３３】図６は、ノズル組立体を液体貯蔵タンクに
直接取付けた場合の実施形態を示している。図中６０が
液体貯蔵タンクとしての真空断熱タンクであり、二重構
造に形成されて内壁６１と外壁６２との間が真空状態に
なって真空断熱構造となっている。真空断熱タンク６０
の下端部は大径の開口部６３となっており、ノズル組立
体６５が開口を一致させて固定されている。ノズル組立
体６５は、ノズルボディ６６と該ノズルボディの下端部
に保持具６７で固定されたノズルチップ６８からなる噴
霧ノズルを備えている。ノズルボディ６６は、真空断熱
タンク６０の底壁に形成された開口部６３に合致する内
径を有する円筒状外壁６９を有し、その底壁７０を貫通
して液体窒素通路を構成するパイプ７１が設けられてい
る。従って、ノズルボディの円筒状外壁６９とパイプ７
１は二重構造になって、円筒状外壁６９とパイプ７１の
間には、真空断熱タンク６０から液体窒素が直に流入し
て貯溜されるので、パイプ７１はその外周部を常に液体
窒素で冷却され、外部からの熱の流入を阻止する断熱構
造となっている。

【００３４】パイプ７１の上端開口部は真空断熱タンク
６０の開口部６３に臨み、真空断熱タンク内の液体窒素
が直に作用するようになっており、その入口部には噴霧
ノズルへの液体窒素の供給を制御するニードルバルブの
弁座７２が設けられている。該弁座に対向して上下動可
能に設けられる弁体７３の弁棒７４は真空断熱タンク内
を貫通して、タンク上部に突出して外部より、弁の開閉
制御ができるようになっている。弁棒を液体貯蔵タンク
内を貫通して設けることにより、該弁棒は常に液体窒素
で冷却されて弁棒を介してバルブ部へ熱が流入するのを
阻止し、パイプ入口での液体窒素の沸騰を防止してい
る。パイプ７１のノズルボディ底壁から下方に突出した
部分に細孔７５を有するノズルチップ６８が固定されて
いる。なお、図６において、７８はノズルボディの円筒
状外壁６９とパイプ７１との間に貯溜されている液体窒
素が気化し気泡が発生しても気泡がパイプ内に侵入する
のを阻止するためのものとしてパイプ上端部に設けられ
た気泡偏向部材である。また、ノズル組立体には、前記
実施形態と同様に乾燥ガス雰囲気にするためのパージフ
ード及び必要に応じて断熱材カバーが設けられており、
それらの部材８０を仮想線で示す。

【００３５】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、真空断熱タンクの底部開口６３−
弁座７２の弁孔−パイプ７１を経て真空断熱タンク６０
からノズルチップの細孔７５までの液体窒素供給経路を
形成する。ノズル組立体６５の外周部は、真空断熱構造
となっていないが、パイプ７１は図示のようにその外周
部は液体窒素で冷却されて外部からの熱の流入が阻止さ
れているので、真空断熱タンク６０からノズル細孔７５
までの液体窒素供給経路は断熱経路となっている。しか
しながら、真空断熱タンクと違って完全な断熱構造では
ないので、ノズルボディ及びノズルチップへの外気熱の
流入は完全に阻止されず、パイプ７１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
の細孔７５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、細孔７５から放出する
液体窒素を効果的に微小粒滴化することができる。

【００３６】なお、上記実施形態ではパイプ７１の先端
部は真空断熱タンク内には延びてないが、パイプの上端
を真空断熱タンク内部に突出させて、バルブが完全に真
空断熱タンク内に位置するように構成しても良い。ま
た、ノズル細孔までの液体窒素の温度勾配が確保できれ
ば、場合によっては弁座を直接断熱真空タンクの底壁に
設けてその下端部に噴霧ノズルを設けるように構成する
ことも可能である。

【００３７】

【実施例】実施例１ 缶内圧が０．２〜０．８kgf/cm²の範囲内にある低陽圧
缶詰を得る目的で、缶内圧０．５kgf/cm²を目標に設定
して、次ぎのようにして缶詰を製造した。満注内容積２
６３ｍｌのスチール製２ピース缶胴に６５℃の温水を２
４０ｍｌ充填し、次いで図１に示されている液体窒素の
微小粒滴化装置の下を１７m/minの速度で通過させて液
体窒素の微小粒滴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、陽圧缶体を製作
した。微小粒滴化装置のノズル細孔の断面積は０．２９
mm²である。また、真空断熱タンク内の圧力が１０．０k
Paとなるように装置の圧力調節弁を制御した。液体窒素
の液面高さはノズル出口から５００mmであり、ノズルに
かかる実質的な噴霧圧力は１４．１kPaであった。液体
窒素を噴霧する間、ノズル近傍に７L/minの流量で乾燥
ガスを流して大気中の水分がノズルに氷結するのを防い
だ。

【００３８】噴霧された液体窒素を、電子天秤上に載せ
た断熱壁を有する受け皿で捕集して捕集量を一定時間毎
に測定することにより、液体窒素噴霧流量を測定したと
ころ、この条件における噴霧流量は２９cm³/minであっ
た。充填後にノズル部を観察したところ、霜の付着は見
られなかった。また、噴霧中のノズル温度を、ノズル細
孔近傍に張付けた熱電対で測定したところ、−１６５℃
であった。そして、製作した陽圧缶体の缶内圧を６０缶
測定した結果、缶内圧は０．３９kgf/cm²から０．５８k
gf/cm²の間に分布し、平均値は０．４７kgf/cm²であっ
た。従って、略目標値に近い内圧が発生し、全ての缶体
が所望する低陽圧の範囲にあった。

【００３９】実施例２ 目標缶内圧０．４kgf/cm²の低陽圧缶詰を得る目的で、
真空断熱タンク内の圧力が０．０kPaとなるように装置
の圧力調整弁を制御した他は実施例１と同様ににして陽
圧缶体を製作した。ノズルにかかる実質的な噴霧圧力は
４．１kPaで、このときのノズルから液体窒素噴霧流量
は２３cm³/minであった。充填後にノズル部を観察した
ところ、霜の付着は見られなかった。また、噴霧中のノ
ズル温度を、ノズル細孔近傍に張付けた熱電対で測定し
たところ、−１７０℃であった。そして、製作した陽圧
缶体の缶内圧を前記実施例の場合と同様に６０缶測定し
た結果、缶内圧は０．３０kgf/cm²から０．４７kgf/cm²
の間に分布し、平均値は０．４１kgf/cm²であった。従
って、この場合も全ての缶体が所望する微陽圧の範囲に
あった。

【００４０】実施例３ 目標缶内圧０．６kgf/cm²の低陽圧缶詰を得る目的で、
缶胴が微小粒滴化装置の下を通過する速度が３４m/min
であって、ノズル細孔の断面積が０．４２mm²であり、
真空断熱タンク内の圧力が０．０kPaとなるように装置
の圧力調整弁を制御する他は実施例１と同様にして、陽
圧缶体を製作した。その場合のノズルからの液体窒素噴
霧流量は３６cm³/minで、噴霧中のノズル温度は−１７
０℃であった。以上のようにして製作された陽圧缶体の
缶内圧を６０缶測定した結果、缶内圧は０．５３kgf/cm
²から０．７２kgf/cm²の間に分布し、平均値は０．６３
kgf/cm²であった。従って、この場合も全ての缶体が所
望する微陽圧の範囲にあった。

【００４１】比較例１ ノズル細孔の断面積は０．０８mm²であるノズルチップ
を用いる他は実施例１と同様にして陽圧缶体を製作し
た。製作した陽圧缶体の缶内圧を６０缶測定した結果、
缶内圧は−０．１６kgf/cm²から−０．１１kgf/cm²の間
に分布し、陽圧缶体を得ることはできなかった。

【００４２】比較例３ 図２に示す環状断熱材２７を取外し、十分な断熱を行わ
ない他は実施例１と同様にして陽圧缶体の製作を試みた
ところ、ノズルからの液体窒素噴霧流は脈動して安定的
な噴霧状態をとらず、陽圧缶体を安定して製作すること
ができなかった。このときのノズル温度をノズル細孔近
傍に張付けた熱電対で測定したところ、−１１５℃であ
った。

【００４３】比較例４ 液体窒素の液面高さがノズル出口から１００mmである他
は実施例２と同様にして陽圧缶体の製作を試みた。この
ときのノズルにかかる実質的な噴霧圧力は０．８１kPa
である。この条件ではノズルから液体窒素が噴霧せず、
陽圧缶体の製作ができなかった。

【００４４】比較例５ 真空断熱タンク内の圧力が１５０kPaとなるように装置
の圧力調整弁を制御（実質噴霧圧力１５４．１kPa）し
た他は実施例１と同様にして陽圧缶体を試みたところ、
脈動が発生し、安定した充填を行うことができなかっ
た。

【００４５】

【発明の効果】本発明の液体窒素の微小粒滴化方法及び
その装置によれば、液体窒素貯蔵断熱タンクと断熱配管
を介して連結された細孔を有する噴霧ノズルを備え、噴
霧ノズルの温度・流量・噴霧圧力をバランス調整するこ
とにより、ノズル内においては液相状態を維持させ、ノ
ズル細孔部において一部液体窒素が沸騰気化を始めて他
の未だ液相状態にある窒素を微小粒滴として噴霧させる
ことができるので、特別の装置や手段を必要とせず自ら
の気化現象を利用して安定した動作の液体窒素の微小粒
滴の噴霧が実現できる。また、気化膨脹によって液体窒
素の微小粒滴化しているので、噴霧圧が非常に低圧であ
っても、通状の液体では高圧噴霧のときしか得られない
噴霧パターンが得られる。

【００４６】また、噴霧ノズル周辺を乾燥ガス雰囲気に
して噴霧ノズルでの水分の結露氷結現象をなくし、ノズ
ルの閉塞を確実に防止することができる。

【００４７】本発明のノズル組立体によれば、噴霧ノズ
ル、特に細孔の温度を液体窒素が該細孔を液体状態で速
やかに通過し、大気放出直後にその一部が気化膨脹でき
るような適正な温度を得ることができる断熱構造を達成
でき、且つ噴霧ノズル周辺を乾燥ガス雰囲気にして噴霧
ノズルでの水分の結露氷結現象をなくし、ノズルの閉塞
を確実に防止することができる。

【００４８】更に、この技術を低陽圧ガス置換陽圧包装
体に適用することによって、微少量であっても所望の適
正なガス量を容器内に安定して封入することができるの
で、液体窒素の微少量充填が精度良くでき、品質保証性
に優れた低陽圧ガス置換包装体を安価に得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る液体窒素の微小粒滴化
方法及びその装置の概念模式図である。

【図２】本発明の実施形態に係るノズル体の断面図であ
る。

【図３】本発明の他の実施形態に係るノズル体の断面図
である。

【図４】本発明のさらに他の実施形態に係るノズル体の
断面図である。

【図５】本発明のさらに他の実施形態に係るノズル体の
断面図である。

【図６】本発明の他の実施形態に係る液体窒素の微小粒
滴化装置の概念図である。

【符号の説明】

１ 液体窒素タンク ２、６０ 真空断熱タンク(液体貯蔵断熱タンク) ３、３５、４０、５０、６５ ノズル組立体 ４ 乾燥ガスボンベ ５ 加圧ガスボンベ １３ 液体窒素供給管 １４ 真空ハウジング １５、４２、５４ 噴霧ノズル １６、４１、４１ ノズルボディ １８、６８ ノズルチップ １９、７５ 細孔 ２３、４７ パージフード ２６ 乾燥ガス供給管 ３６、５２ 外側パージフード ３７ 内側パージフード ４３、５３ 断熱材カバー

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体窒素貯蔵断熱タンクと断熱経路で連
   通した細孔を有する噴霧ノズルを備え、前記断熱経路に
   より液体窒素を、気化を防いで前記細孔入口まで供給し
   て、前記細孔を液体状態で通過させて大気中に放出し、
   前記細孔を出た直後に一部液体窒素が急激な気化膨張作
   用を起すことにより、未だ液相状態にある他の液体窒素
   を微小粒滴化させるようにしたことを特徴とする液体窒
   素の微小粒滴化方法。
2. 【請求項２】 前記細孔の温度を、液体窒素の沸点以上
   −１２０℃以下の範囲に保つようにした請求項１記載の
   液体窒素の微小粒滴化方法。
3. 【請求項３】 前記細孔から液体窒素を噴霧する噴霧圧
   力を、１〜１５０kPaの範囲に設定するようにした請求
   項１又は２記載の液体窒素の微小粒滴化方法。
4. 【請求項４】 前記細孔を通過する液体窒素の噴霧流量
   を、１〜１０³cm³/minの範囲にした請求項１又は２記載
   の液体窒素の微小粒滴化方法。
5. 【請求項５】 前記噴霧ノズルの細孔出口近傍を乾燥ガ
   スで包んで大気中に含まれる水分がノズル先端に氷結す
   ることを防止したことを特徴とする請求項１〜４いずれ
   か記載の液体窒素の微小粒滴化方法。
6. 【請求項６】 液体窒素貯蔵断熱タンクと断熱経路で連
   通した細孔を有する噴霧ノズルを備え、前記断熱経路に
   より液体窒素を、気化を防いで細孔入口まで供給して、
   前記細孔を液体状態で通過させて容器ヘッドスペースに
   向けて大気中に放出し、前記細孔を出た直後に一部液体
   窒素が急激な気化膨張作用を起こすことにより、未だ液
   相状態にある他の液体窒素を微小粒滴化させて、容器ヘ
   ッドスペース中に液体窒素の微小粒滴を充填して陽圧包
   装体を得ることを特徴とする液体窒素微小粒滴充填によ
   る陽圧包装体の製造方法。
7. 【請求項７】 液体窒素の微小粒滴を充填することによ
   り、容器内圧が０.２〜０.８kgf/cm²の低陽圧包装体を
   得ることを特徴とする請求項６記載の陽圧包装体の製造
   方法。
8. 【請求項８】 液体窒素貯蔵断熱タンク、該断熱タンク
   と断熱経路で連通した細孔を備えた噴霧ノズルを有する
   噴霧ノズル組立体とを備え、前記液体窒素貯蔵断熱タン
   クは前記噴霧ノズル組立体からの液体窒素の噴霧圧力を
   所定圧力に調整可能な圧力調整手段を有し、前記噴霧ノ
   ズル組立体は少なくとも細孔出口近傍を乾燥ガスで包む
   ように、乾燥ガス供給手段が連結されていることを特徴
   とする液体窒素の微小粒滴化装置。
9. 【請求項９】 前記断熱経路は真空断熱された断熱配管
   で形成され、且つ前記噴霧ノズル組立体は前記細孔が液
   体窒素の沸点以上−１２０℃以下の範囲に保つように断
   熱構造になっている請求項８記載の液体窒素の微小粒滴
   化装置。
10. 【請求項１０】 前記乾燥ガス供給手段が、細孔出口近
    傍の外周部を囲うフードと該フードに連結されて該フー
    ド内部に乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給源とからなる
    請求項８又は９記載の液体窒素の噴霧充填装置。
11. 【請求項１１】 前記乾燥ガス供給源が前記液体窒素断
    熱貯蔵タンクのヘッドスペース部であり、前記乾燥ガス
    が前記液体窒素断熱貯蔵タンク内に貯蔵されている液体
    窒素の気化ガスである請求項１０記載の液体窒素の噴霧
    充填装置。
12. 【請求項１２】 下端に細孔を有する噴霧ノズル、該噴
    霧ノズルの外周部を囲繞し前記細孔下方部が開口してい
    る大気パージ用のパージフード、前記パージフード内の
    空間部に乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給管連結手段を
    有し、前記パージフード内の空間部に乾燥ガスを供給す
    ることにより、少なくとも前記細孔出口端を乾燥ガスで
    パージできるようにしたことを特徴とする液体窒素の微
    小粒滴化装置のノズル組立体。
13. 【請求項１３】 前記噴霧ノズルの細孔は、断面積が
    ０.１〜０.５mm²の範囲内にある単一孔である請求項１
    ２記載の液体窒素の噴霧充填装置のノズル組立体。