JPWO2019207974A1 - 充填方法 - Google Patents

Abstract

本発明は貯留槽３に貯えられる製品液Ｌを、可撓性を有する容器１００に充填する方法に関する。本発明の充填方法は、容器圧力ＰＢと貯留槽３において製品液Ｌに付加されるカウンタ圧力ＰＦとの間に第一圧力差を設ける第一差圧形成ステップＳ１０１と、第一圧力差を利用して製品液Ｌを貯留槽３から容器１００に充填する第一充填ステップＳ１０３と、を備える。本発明の充填方法は、さらに第一充填ステップＳ１０３で平衡となった容器圧力ＰＢとカウンタ圧力ＰＦの間に第二圧力差を設ける第二差圧形成ステップＳ１０５と、第二圧力差を利用して製品液Ｌを貯留槽３から容器１００に充填する第二充填ステップＳ１０７と、を備える。

Description

本発明は、可撓性の容器に炭酸入りの飲料を充填するのに好適な充填方法に関する。

従来、炭酸入りの飲料を容器に充填する方法として、例えば特許文献１に開示されるカウンタープレッシャー方式が一般的であった。

カウンタープレッシャー方式は充填に要する時間が長くかかることから、近年、特許文献２、特許文献３に開示されるように、あらかじめ内部を負圧にしている容器に、貯留槽において加圧されている炭酸入りの製品液を一気に注入させる方法が提案されている。この充填は、炭酸入りの製品液を容器に噴出させながら、容器の内部の圧力上昇の継時変化を監視することで充填量を制御する。

特許文献２，３によるプリエバキュエーション方式による充填は、容器と貯留層の間の圧力差を利用して製品液を充填するので、カウンタープレッシャー方式に比べて極めて高速で製品液を充填することができる。

実公昭５９−２３７５８号公報 特開２０１５−１９９５４５号公報 特開２０１５−１９９５４６号公報

以上のように、特許文献２，３による充填は、炭酸入りの製品液を短時間で容器に充填することができるが、対象となる容器に制限がある。つまり、プリエバキュエーション方式は、製品液の充填に先立って容器の内部を負圧にすることが必要であることから、ガラスびんのように剛性を有する容器にしか適用できない。例えば、可撓性を有するプラスチック製容器に特許文献２，３によるプリエバキュエーション方式を適用すると、プラスチック製容器は負圧に耐えられずに潰れてしまう。

そこで本発明は、可撓性の容器であってもその形状を維持したままで炭酸入りの製品液を高速で充填できる充填方法を提供することを目的とする。

はじめに、図１を参照して、本発明の充填装置における基本的な原理を説明する。

図１（ａ）に示すように、容器の内部の圧力（容器圧力）Ｐ_Ｂと貯留槽に付加される圧力（カウンタ）Ｐ_Ｆとの間に予め圧力Ｐ_Ｂ３に相当する圧力差が形成されているものとする。当初の容器圧力Ｐ_Ｂは例えば大気圧であり、カウンタ圧力Ｐ_Ｆは取り扱う製品液に必要な大気圧より高い圧力である。

図１（ａ）において、容器圧力Ｐ_Ｂが所定の設定圧力Ｐ_Ｂ１になるまで製品液を充填するとＱ_１１だけの量を容器に充填できる。この設定圧力Ｐ_Ｂ１は圧力Ｐ_Ｂ３と平衡になる圧力未満の圧力である。同様に、容器圧力Ｐ_Ｂが貯留槽と平衡になる圧力Ｐ_Ｂ３になるまで製品液を充填するとＱ_１３だけの量を容器に充填できる。この充填量Ｑ_１３は、それぞれ一回の差圧形成と充填、つまり一段充填により容器に充填できる最大の量（Ｑｍａｘ）である。

一方で、容器が可撓性を有していても、容器圧力Ｐ_Ｂが大気圧以上の正圧であれば、容器がつぶれることはない。

以上が本発明の原理であるが、容器の容積、容器圧力Ｐ_Ｂおよびカウンタ圧力Ｐ_Ｆなどの条件によっては、一段充填で、目標とする量の製品液を充填できないことがある。このような場合には、差圧形成と充填を複数回繰り返せばよい。図１（ｂ）は、差圧形成、充填を二回繰り返す二段充填の例を示している。

予め圧力差が形成されている状態（第一差圧形成）から、容器圧力Ｐ_Ｂがカウンタ圧力Ｐ_Fと平衡になるまで製品液の充填（第一充填）を行うとＱ_２１の量だけ充填される。しかし、これでは目標充填量Ｑ（＝Ｑ_２１＋Ｑ_２２）には達しない。そこで、また容器と貯留槽の間に圧力差（第二差圧形成）を設けてから、目標充填量Ｑとの差分（Ｑ_２２）だけ製品液の充填（第二充填）を行う。

第二差圧は、容器圧力Ｐ_Ｂを大気圧まで下げて行うことができるし、大気圧を超える圧力まで下げて行うこともできる。

以上の原理に基づく本発明の充填方法は、液供給路を介して貯留槽に貯えられる製品液を容器に充填する方法であって、液供給路を閉じた状態で、容器の内部の容器圧力Ｐ_Ｂと貯留槽に付加されるカウンタ圧力Ｐ_Ｆとの間に圧力差を設ける差圧形成ステップと、液供給路を開いた状態で、圧力差を利用して製品液を貯留槽から容器に充填する充填ステップと、を備える。

本発明の差圧形成ステップにおいて、容器圧力Ｐ_Ｂが、大気圧以上の正圧であり、かつ、貯留槽におけるカウンタ圧力Ｐ_Ｆより低い圧力に保たれ、貯留槽のカウンタ圧力Ｐ_Ｆとの間に圧力差が形成された状態で、容器と充填ノズルとを密封状態に係合させる、ことを特徴とする。

本発明の充填ステップにおいて、好ましくは、容器圧力Ｐ_Ｂがカウンタ圧力Ｐ_Ｆと平衡になるまで、または、容器圧力Ｐ_Ｂがカウンタ圧力Ｐ_Ｆ未満の所定の圧力になるまで、製品液が充填される。

本発明の充填方法において、好ましくは、差圧形成ステップにおいて、容器圧力Ｐ_Ｂのガス成分を密閉し、充填ステップにおいて、容器の内部のガス成分を外部に排出することなく、容器の内部のガス成分を密閉したままで、圧力差により製品液を容器に充填する。

本発明の差圧形成ステップにおいて、好ましくは、容器圧力Ｐ_Ｂのガス成分を密閉し、充填ステップにおいて、容器の内部のガス成分の容器圧力Ｐ_Ｂが大気圧以上の圧力場合に、ガス成分の一部を容器の外部へ排出した後にまたは排出しながら、圧力差により製品液を容器に充填する。

本発明の充填方法において、一回の差圧形成ステップと充填ステップで目標充填量を満たす製品液を容器に充填することができるが、差圧形成ステップと充填ステップを複数回、例えば二回、三回と繰り返すことで、目標充填量を満たす製品液を容器に充填することもできる。

本発明の充填方法は、好ましくは、差圧形成ステップと充填ステップを二回繰り返すことで目標充填量を満たす製品液を容器に充填する。

この充填方法は、容器圧力Ｐ_Ｂとカウンタ圧力Ｐ_Ｆとの間に第一圧力差を設ける第一差圧形成ステップと、第一圧力差を利用して製品液を貯留槽から容器に充填する第一充填ステップと、第一充填ステップの後に、容器圧力Ｐ_Ｂとカウンタ圧力Ｐ_Ｆの間に第二圧力差を設ける第二差圧形成ステップと、第二圧力差を利用して製品液を貯留槽から容器に充填する第二充填ステップと、を備える。

この第一充填ステップにおいて、所定の設定量の製品液を充填し、第二充填ステップにおいて、目標充填量と設定量との差分の製品液を充填する。

また、本発明の第一充填ステップにおいて、容器圧力Ｐ_Ｂとカウンタ圧力Ｐ_Ｆとが平衡になるまで製品液が容器に充填できるが、これが容器に充填できる最大の液量である。

この第一充填ステップは、二回以上に分割して行うこともできる。次の第二充填ステップも同様である。

本発明の第二差圧形成ステップにおいて、容器のヘッドスペースに含まれるガス成分を容器の外部に排出することにより、第二圧力差を設けることができる。

この第二差圧形成ステップにおいて、差分に対応する量のガス成分を容器の外部に排出できる。

この第二差圧形成ステップにおいて、所定容積を有する圧力調整室にガス成分を排出することで、ガス成分を容器の外部に排出できる。

本発明における圧力調整室は、差分に対応する所定容積を有することで、第二充填ステップにおいて、容器圧力Ｐ_Ｂが設定圧力まで上昇またはカウンタ圧力Ｐ_Ｆと平衡になるまで、または、前記容器圧力Ｐ_Ｂが設定圧力まで上昇するまで製品液を容器に充填できる。この圧力調整室は所定容積を任意に変更できることが好ましい。

本発明の第二充填ステップにおいて、圧力調整室における室内圧力Ｐ_Ｒの上昇に基づいて、製品液の容器への充填を制御することができる。また、本発明の第二充填ステップにおいて、室内圧力Ｐ_Ｒが上昇して、設定圧力に達したならば、製品液の容器への充填を終了することができる。

また、本発明の第二充填ステップにおいて、第二圧力差を設けた後に、圧力調整室を通じてガス成分を系外に排出しながら、圧力調整室の室内圧力Ｐ_Ｆが低下して設定圧力に達したならば、ガス成分の系外への排出を停止し、次いで目標充填量に対する差分の製品液を容器に充填することもできる。

本発明の充填方法の差圧形成ステップにおいて、好ましくは、容器の内部と連通させることにより、液供給路の空隙からなる補室を容器と同じ容器圧力Ｐ_Ｂにして、カウンタ圧力Ｐ_Ｆとの間に圧力差を形成し、充填ステップにおいて、液供給路を開くことで、製品液が補室を通って、目標充填量を満たす製品液が容器に充填される。

この充填方法における補室は、好ましくは、一段階の充填ステップにより目標充填量を満たす製品液を容器に充填するのに必要な容積に設定される。

本発明の充填方法において、充填ステップを終了したときに容器の内部の圧力Ｐ_Ｂを維持したままで封緘できる。

本発明の充填方法において、差圧形成ステップの前に、製品液の特性維持に必要なガス成分で容器の内部を置換できる。このガス成分による置換は、ガス置換が既になされた容器を差圧形成ステップが行われる位置に供給する形態、及び、差圧形成ステップが行われる位置においてガス置換を行う形態の両者を包含する。

本発明の充填方法において、製品液は、炭酸入りの飲料に限るものではなく、炭酸を含まない飲料にも適用できる。

本発明の充填装置によれば、差圧形成ステップで容器圧力Ｐ_Ｂとカウンタ圧力Ｐ_Ｆの間に差圧（圧力Ｐ_Ｂ＜圧力Ｐ_Ｆ）が形成されている状態で、容器に製品液が充填されるので、高速な充填が実現される。しかも、製品液の充填前における差圧形成ステップにおける容器圧力Ｐ_Ｂおよびカウンタ圧力Ｐ_Ｆのいずれもが大気圧以上の正圧であるから、差圧形成ステップおよび充填ステップを通じて容器が潰れることがなくその形状を維持できる。

本発明の原理を示す図であり、（ａ）は一回の差圧形成ステップと充填ステップで充填を完了する一段充填の例を示し、（ｂ）は二回の差圧形成ステップと充填ステップで充填を完了する二段充填の例を示している。 本発明の第１実施形態に係る充填装置を実施する充填装置の主要な構成を示す図である。 図２の充填装置の充填動作の開始時を示す図である。 図３に引き続き、（ａ）は第一充填の開始時を示し、（ｂ）は第一充填の終了時を示す。 図４に引き続き、（ａ）は第二充填Ａの開始時を示し、（ｂ）は第二充填Ａの終了時を示す。 変形例に係る補室を使用する第二充填Ｂを示し、（ａ）は補室の容積を大きくした様子を示し、（ｂ）は補室の容積を小さくした様子を示す。 第１実施形態に係る充填方法の手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る充填装置の充填部分の一例を示す図である。 図８の充填装置を用いて製品液を充填する動作を示しており、（ａ）は製品液を充填する前を示し、（ｂ）は炭酸ガスを気密な密閉室に供給する様子を示し、（ｃ）は製品液の充填中を示し、（ｄ）はキャップを装着する様子を示す。 図４に引き続き、（ａ）は第二充填Ｃの開始時を示し、（ｂ）は第二充填Ｃの終了間際を示し、（ｃ）は第二充填Ｃの終了時を示す。 図４に引き続き、（ａ）は第二充填Ｄの開始時を示し、（ｂ）は第二充填Ｄにおける容器内と圧力調整室内の炭酸ガスの系外への排出状態を示し、（ｃ）は第二充填Ｄの終了間際を示す。 本発明の第２実施形態に係る充填方法を実施する充填装置の主要な構成を示す図である。 図１２の充填装置の動作を示し、（ａ）は差圧形成ステップであり、（ｂ）は充填ステップを示す。

［第１実施形態］

以下、図２〜図１１を参照して本発明の第１実施形態に係る充填方法を説明する。

第１実施形態に係る充填装置は、製品液Ｌが貯えられている貯留槽３と製品液Ｌが充填される容器１００との間の圧力差を利用することで、二段充填により容器１００に目標充填量だけ製品液Ｌを高速で充填する。この製品液Ｌは本発明の一例として炭酸飲料が適用される。第１実施形態の充填装置は、充填を開始する時点で、容器１００の内部は大気圧以上の正圧とされているために、プラスチック製の容器１００であってもその形状を維持したままで製品液Ｌの充填を終えることができる。この高速充填のことを、以下では第一機能という。

また、第１実施形態に係る充填装置は、高速で製品液Ｌが充填された容器１００の位置を実質的に変えることなく、即座にキャップ１０３を装着して封緘する。この充填位置におけるキャップ１０３の装着のことを、以下では第二機能という。

［第一機能の構成要素］

図２〜図６を参照して、第１実施形態に係る第一機能を説明する。

図２は充填装置１Ａの中で第一機能に関る最小単位の構成を示している。

充填装置１Ａは、図２に示すように、製品液Ｌが貯えられている貯留槽３と、貯留槽３に貯えられている製品液Ｌを容器１００に導く液供給路７と、を備える。貯留槽３の製品液Ｌよりも上方の空間であるガス相３Ｓには炭酸ガスＣＧが貯えられている。ガス相３Ｓにおける炭酸ガスＣＧの圧力Ｐ_Ｆは充填する製品液Ｌの特性に対応した大気圧を超える一定の圧力になるように制御されている。この圧力Ｐ_Ｆを制御するために第二圧力センサ１７が設けられている。また、製品液Ｌは、容器１００に充填される分が補充され、貯留槽３における液面が定位置になるように制御される。圧力Ｐ_Ｆを以下ではカウンタ圧力と称する。

液供給路７の一端側は貯留槽３の下端部に接続され、液供給路７の他端側は容器１００の口部１０１に対峙するように設けられている。液供給路７は、製品液Ｌが流れる流路を開閉する液弁ＶＬを備える。

なお、製品液Ｌを充填する際には、液供給路７の他端側は容器１００の口部とは気密に封止される。第一ガス排出路１１も同様である。また、図２は、一つの貯留槽３から一つの容器１００に製品液Ｌが充填される例を示しているが、これはあくまで充填装置１Ａの最小単位を示しているにすぎない。実際の生産に用いる充填装置においては、一つの貯留槽３から複数の容器１００に製品液Ｌが充填される。

充填装置１Ａは、図２に示すように、製品液Ｌを容器１００に充填している過程で容器１００の内部のガス成分が排出される補室槽５と、補室槽５と容器１００を接続する第一ガス排出路１１と、を備える。補室槽５は、容器１００の容器を補完するものであって、内部の空隙が圧力調整室６をなしており、後述する第二充填Ａにおいて容器１００のヘッドスペース１０５の炭酸ガスＣＧがこの圧力調整室６に排出される。この圧力調整室６の容積Ｖ_Ｒは、第二充填Ａにおいて容器１００に充填される量に対応した所定容積にされている。なお、第一ガス排出路１１が本発明の下流流路に該当する。

圧力調整室６は、同等の容積を有する第一ガス排出路１１および第二ガス排出路１３の一方または双方で代替できる。つまり、本発明における圧力調整室は、第一ガス排出路１１および第二ガス排出路１３のように所定の容積を有する配管を包含する概念を有している。

第一ガス排出路１１は、一端側が補室槽５に接続されるとともに、他端側が容器１００に対峙するように設けられている。第一ガス排出路１１は、容器１００から炭酸ガスＣＧが流れる流路を開閉する第一ガス弁ＶＧ１を備える。また、第一ガス排出路１１には、第一ガス弁ＶＧ１と補室槽５の間に絞りを設けてもよい。

充填装置１Ａは、補室槽５と系外を繋ぐ第二ガス排出路１３を備える。第二ガス排出路１３は、補室槽５から炭酸ガスＣＧが系外に流れる流路を開閉する第二ガス弁ＶＧ２を備える。

充填装置１Ａは、容器１００の内部の圧力Ｐ_Ｂを検知する第一圧力センサ１５と、貯留槽３のガス相３Ｓのカウンタ圧力Ｐ_Ｆを検知する第二圧力センサ１７と、圧力調整室６の圧力Ｐ_Ｒを検知する第三圧力センサ１９と、を備える。容器１００の内部の圧力Ｐ_Ｂは、製品液Ｌが充填される前の差圧形成時点においては容器１００の容積の全体の圧力であり、製品液Ｌが充填されると製品液Ｌの液面より上方に生じるヘッドスペース１０５の圧力である。なお、製品液Ｌが充填されだすと、圧力Ｐ_Ｂは上昇する。

第一圧力センサ１５は、第一ガス弁ＶＧ１と容器１００の間の第一ガス排出路１１に設けられる。第二圧力センサ１７は貯留槽３のガス相３Ｓに接続される。また、第三圧力センサ１９は補室槽５の圧力調整室６に接続される。

充填装置１Ａにおいて、図２に示すように、貯留槽３に付加される圧力をＰ_Ｆとし、容器内部の圧力をＰ_Ｂ、容器の容積をＶ_Ｂとする。また、圧力調整室６の内部の圧力（室内圧力）Ｐ_Ｒ、容積をＶ_Ｒとする。なお、以下では、貯留槽３に付加される圧力をカウンタ圧力Ｐ_Ｆと称し、容器の内部の圧力を容器圧力Ｐ_Ｂと称し、圧力調整室６の圧力を室内圧力Ｐ_Ｒと称する。

充填装置１Ａは、貯留槽３に付随して製品液の給液並びにガスの給排気を制御する給排機構４０を備える。

給排機構４０は、ポンプ４２および液制御弁４８が設けられている液供給路４１を備える。液供給路４１は、ポンプ４２および液制御弁４８の動作により図示を省略する供給源から製品液Ｌを、貯留槽３に補充する。

また、給排機構４０は、貯留槽３のガス相３Ｓに炭酸ガスＣＧを供給するガス供給路４３と、貯留槽３のガス相３Ｓから炭酸ガスＣＧを排出するガス排出路４５と、を備える。ガス供給路４３にはガス弁４４が、また、ガス排出路４５にはガス弁４６が設けられている。

充填装置１Ａは、液弁ＶＬ、第一ガス弁ＶＧ１および第二ガス弁ＶＧ２の開閉動作を制御する制御器２を備える。

制御器２は、第一圧力センサ１５、第二圧力センサ１７および第三圧力センサ１９で検知された容器圧力Ｐ_Ｂ，カウンタ圧力Ｐ_Ｆ，室内圧力Ｐ_Ｒを取得して、液弁ＶＬ〜第二ガス弁ＶＧ２の開閉動作を制御する。また、制御器２は、充填装置１Ａが製造する製品液Ｌに必要な設定条件に基づき、液弁ＶＬ〜第二ガス弁ＶＧ２の開閉動作を制御する。さらに、制御器２は、貯留槽３における製品液Ｌの液面が定位置になるように、液供給路４１のポンプ４２および液制御弁４８の動作を制御する。さらにまた、制御器２は、カウンタ圧力Ｐ_Ｆが一定になるように、ガス供給路４３のガス弁４４とガス排出路４５のガス弁４６の開閉を制御する。

なお、以下で説明する図３〜図７において、開いている液弁ＶＬ〜第二ガス弁ＶＧ２は白抜きで示し、閉じている液弁ＶＬ〜第二ガス弁ＶＧ２は黒塗りで示す。

［飲料充填の手順］

次に、充填装置１Ａを用いて容器１００に製品液Ｌを充填する方法を説明する。

第１実施形態による充填方法は、第一充填および第二充填Ａからなる。第一充填は、大気圧の炭酸ガスＣＧで容器１００内が置換された状態で閉塞されている容器１００へ圧力差により製品液Ｌを充填するが、目標充填量よりも少ない設定量の製品液Ｌを充填する。第二充填Ａは目標充填量と設定量との差分を補うように製品液Ｌを容器１００に充填する。一連の工程は、図３に示すように、液弁ＶＬ、第一ガス弁ＶＧ１および第二ガス弁ＶＧ２の全ての弁が閉じられている初期状態からはじまる。初期状態において、容器１００および圧力調整室６は、一例として炭酸ガスＣＧで満たされた大気圧（Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｒ＝大気圧）の雰囲気とされている。

一方で、貯留槽３の内部において、製品液Ｌにはガス相３Ｓから大気圧を超えるカウンタ圧力Ｐ_Ｆが加えられており、容器１００の内部と貯留槽３の内部との間には圧力差が形成されている（図７ 第一差圧形成ステップ Ｓ１０１）。

以下、各工程を順に説明する。ガス相３Ｓは、製品液Ｌの特性を維持するために必要なガス成分、例えば炭酸ガスからなる。

［第一充填（図４（ａ）、（ｂ）、図７）］

第一充填は、図４（ａ）に示すように、はじめに液弁ＶＬを開いて、貯留槽３と容器１００を連通させる。貯留槽３は大気圧を超えるカウンタ圧力Ｐ_Ｆが印加された加圧環境下であるのに対して、容器圧力Ｐ_Ｂは大気圧とされる。したがって、カウンタ圧力Ｐ_Ｆと容器圧力Ｐ_Ｂ（大気圧）の圧力差に対応する流量および流速で製品液Ｌが貯留槽３から容器１００に高速で充填され始める（図７ 第一充填ステップ Ｓ１０３）。充填が進むのにつれて容器圧力Ｐ_Ｂは上昇し、容器圧力Ｐ_Ｂに設定圧力を設けておけばこの設定圧力に対応する設定量だけ製品液Ｌが容器１００に充填される。

ここで、第一充填の間には、第一圧力センサ１５により第一ガス導出路１１の圧力が継続的に検知される。第一圧力センサ１５により検知される圧力は、容器１００のヘッドスペース１０５における容器圧力Ｐ_Ｂである。第一圧力センサ１５が検知する圧力が設定圧力Ｐ１に達したならば、図４（ｂ）に示すように、液弁ＶＬを閉じて製品液Ｌの充填を停止する。これで第一充填が終了し、設定量の製品液が充填される。この第一充填の間、容器１００に収容されていた炭酸ガスＣＧは、容器１００に閉じ込められたままで充填が進行するので、容器圧力Ｐ_Ｂが上昇する。この場合、設定圧力Ｐ１の最大限度は貯留槽３に付加されたカウンタ圧力Ｐ_Ｆと容器１００が平衡になる圧力である。従って設定圧力Ｐ１の最大圧力をカウンタ圧力Ｐ_Ｆとすることができる。ここで、第一充填の終了時には、容器圧力Ｐ_Ｂは大気圧よりも高いカウンタ圧力Ｐ_Ｆまで上昇するのに対して、圧力調整室６の室内圧力Ｐ_Ｒは大気圧のままである。

なお、ここでは圧力の設定圧力Ｐ１に基づいて液弁ＶＬを閉じるが、第１実施形態はこれに限らない。例えば、設定圧力Ｐ１に達する時間に関する設定時間Ｔ１を予め実験的に求めておき、この時間に関する設定時間Ｔ１に基づいて液弁ＶＬを閉じることもできる。ただし、設定時間Ｔ１は、実験的に求めた値と完全に一致する必要はない。充填時間を短縮することを目的として実験値より短い設定時間Ｔ１を設定できるし、製品液Ｌの状態を安定させることを目的として実験値より長い設定時間Ｔ１を設定できる。第二充填Ａにおいても同様である。

ここで、第一充填における容器１００への第一充填量Ｑ_１は以下の式（１）により求められる。なお、この第一充填量Ｑ_１は容器圧力Ｐ_Ｂが貯留槽３のカウンタ圧力Ｐ_Ｆと平衡になることを前提としている。また、第一充填量Ｑ_１だけ製品液Ｌが充填された後の容器１００のヘッドスペース１０５の容積Ｖ_Ｈは以下の式（２）により求められる。一例として補室槽５の圧力調整室６は、目標充填量Ｑと第一充填量Ｑ_１の差分とその容積Ｖ_Ｒとが一致するように作製されている。なお、式（１）および式（２）は、ボイルの法則に基づいており、後述する式（３）〜式（７）も同様である。また、目標充填量Ｑと第一充填量Ｑ_１の差分は、第二充填ステップにおける第二充填量Ｑ_２と一致する。

第一充填量Ｑ_１＝（１−Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ｆ）×Ｖ_Ｂ … 式（１）

ヘッドスペース容積Ｖ_Ｈ１＝Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ｆ×Ｖ_Ｂ … 式（２）

Ｐ_Ｂ：容器１００の圧力

Ｖ_Ｂ：容器１００の容積

Ｖ_Ｈ１：第一充填後のヘッドスペース１０５の容積

Ｐ_Ｆ：ガス相３Ｓの圧力（一定）

例えば、ガス相３Ｓのカウンタ圧力Ｐ_Ｆを５気圧（正圧）、容器圧力Ｐ_Ｂを１気圧（大気圧）とする。そうすると、第一充填量Ｑ_１およびヘッドスペース容積Ｖ_Ｈ１は以下の通りであり、製品液Ｌは第一充填において容器１００の容積Ｖ_Ｂの４／５に相当する量だけ充填されるので、残りのＱ−４／５×Ｖ_Ｂに相当する量を第二充填Ａにおいて充填する必要がある。この残りのＱ−４／５×Ｖ_Ｂに相当する量が、容器１００に予定されている目標充填量にするために必要な差分である第二充填量Ｑ_２に該当する。

第一充填量Ｑ_１＝４／５・Ｖ_Ｂ

ヘッドスペース容積Ｖ_Ｈ１＝１／５・Ｖ_Ｂ

ここで、第一充填の過程において、容器圧力Ｐ_Ｂは容器１００の耐圧力未満であることが必要である。これは、第二充填Ａ〜第二充填Ｄおよび第２実施形態の一段充填においても同様である。

容器１００の耐圧力をＰ_Ｐとし、製品液Ｌの第一充填後の容器圧力Ｐ_Ｂとすると、以下の式（３）を満たす必要がある。ガス相３Ｓのカウンタ圧力Ｐ_Ｆが５気圧（正圧）、容器１００の当初の容器圧力Ｐ_Ｂが１気圧（大気圧）とすると、容器１００の第一充填の終了後の容器圧力Ｐ_Ｂはカウンタ圧力Ｐ_Ｆと平衡となる５気圧である。したがって、この第一充填に対して要求される容器１００の耐圧力Ｐ_Ｐは５気圧である。

Ｐ_Ｐ＞Ｐ_Ｂ＝Ｖ_Ｂ／（Ｖ_Ｂ−Ｑ_１） … 式（３）

［第二充填Ａ（図５（ａ）、（ｂ）、図７）］

第一充填の後には第二充填Ａが行われる。第二充填Ａは目標充填量Ｑと第一充填量Ｑ_１の差分の量だけ製品液Ｌの充填を行う。

第二充填Ａは、図５（ａ）に示すように、第一ガス弁ＶＧ１を開く。なお、第一ガス弁ＶＧ１および液弁ＶＬを同時に開いてもよいし、第一ガス弁ＶＧ１を先行して開いてもよい。

第一ガス弁ＶＧ１を開くと、容器１００のヘッドスペース１０５と補室槽５の圧力調整室６が連通するが、ヘッドスペース１０５における容器圧力Ｐ_Ｂが圧力調整室６の室内圧力Ｐ_Ｒより高い。したがって、ヘッドスペース１０５を満たしている炭酸ガスＣＧの一部は補室槽５の圧力調整室６に排出される。これにより、容器圧力Ｐ_Ｂは貯留槽３のガス相３Ｓのカウンタ圧力Ｐ_Ｆよりも低くなり、容器圧力Ｐ_Ｂとカウンタ圧力Ｐ_Ｆには圧力差（第二差圧）が生じる（図７ 第二差圧形成ステップ Ｓ１０５）。

圧力調整室６は、ヘッドスペース１０５を満たしている炭酸ガスＣＧの排出を受けるが、これにより容器１００の容積が圧力調整室６の分だけ増えたものとみなすことができる。つまり、圧力調整室６は、第二差圧を形成するという観点からすると、容器１００の一部として機能する補室を構成している。

この圧力差が生じている状態で液弁ＶＬが開いていれば、貯留槽３から容器１００に圧力差に対応する流量および流速で製品液Ｌが充填される（図７ 第二充填ステップ Ｓ１０７）。このときに充填される量が差分に該当する。第二充填Ａを終えて充填された製品液Ｌの量、つまり目標充填量Ｑは、下記の式（４）により求められる。また、目標充填量Ｑを満たす製品液Ｌが充填された後の容器１００のヘッドスペース１０５のヘッドスペース容積Ｖ_Ｈ２は以下の式（５）により求められる。

目標充填量Ｑ＝（１−Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ｆ）×（Ｖ_Ｂ＋Ｖ_Ｒ） … 式（４）

ヘッドスペース容積Ｖ_Ｈ２＝Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ｆ×（Ｖ_Ｂ＋Ｖ_Ｒ）−Ｖ_Ｒ … 式（５）

式（４）と式（１）の比較、式（５）と式（２）の比較より、第二充填Ａにおいて、圧力調整室６の容積Ｖ_Ｒの分だけ貯留槽３から容器１００に製品液Ｌが充填されることがわかる。換言すれば、第二充填Ａにおいて充填したい量、つまり目標充填量Ｑと第一充填量Ｑ_１の差分である第二充填量Ｑ_２に一致するように補室槽５の容積Ｖ_Ｒが定められる。

第二充填Ａにおいても、第一圧力センサ１５により第一ガス排出路１１の圧力を継続的に検知する。第一圧力センサ１５が検知する圧力が設定圧力Ｐ１に達したならば、図５（ｂ）に示すように、液弁ＶＬおよび第一ガス弁ＶＧ１を閉じる。これで第二充填Ａが終了し、容器１００に目標充填量Ｑを満たす製品液Ｌが充填される。設定圧力Ｐ１は、差分を充填するのに必要な圧力となる。

以上では、圧力調整室６の容積が固定された例を示したが、第１実施形態は補室槽５の容積を任意に変えることもできる。例えば容積が異なる複数種類の容器１００を充填の対象とするときには、容器１００の種類に応じて第二充填Ａで充填する製品液Ｌの量を変える必要がある。そこで、補室槽５の内容積を任意に可変とすることにより、容器１００の種類に応じた充填量を実現できる。

例えば図６（ａ），（ｂ）に示すように、ピストン−シリンダ機構からなる補室槽５とすればよい。つまり、この補室槽５は、ピストン５Ａとピストン５Ａが進退するシリンダ５Ｂとから構成される。この補室槽５を用いて行う第二充填を第二充填Ｂと称する。

第二充填Ｂにおける第二充填量Ｑ_２が多いときは図６（ａ）に示すように、ピストン５Ａを後退させることでピストン５Ａとシリンダ５Ｂで形成される容積Ｖ_Ａを大きくする。第二充填Ｂにおける充填量Ｑ_２が少ないときには図６（ｂ）に示すように、ピストン５Ａを前進させることでピストン５Ａとシリンダ５Ｂで形成される容積Ｖ_Ａを小さくする。このように、シリンダ５Ｂに対するピストン５Ａの相対的な位置を変えることにより補室槽５の容積を任意に変更できる。

なお、容積が固定された補室槽５を用いる場合でも、容器１００の種類に応じた容積の異なる複数種類の補室槽５を用意しておき、容器１００の種類に応じて使用する補室槽５を交換することもできる。ただし、内容積が可変の補室槽５を用いる方が、補室槽５を交換するのに比べて格段に作業負担が小さい。

［第一機能の効果］

以上説明した第１実施形態の第一機能に関する奏する効果を説明する。

第１実施形態は、製品液Ｌの第一充填および第二充填Ａを開始するときに、容器圧力Ｐ_Ｂが大気圧である。よって、第１実施形態によれば、樹脂製で可撓性を有する容器１００を充填の対象としたとしても、容器１００が潰れることなくその形状を維持できる。

しかも、第１実施形態は、製品液Ｌの第一充填および第二充填Ａ，Ｂを開始するときに、貯留槽３のカウンタ圧力Ｐ_Ｆが容器圧力Ｐ_Ｂよりも高く設定されている。よって、第１実施形態によれば、この圧力差を利用して製品液Ｌが容器１００に送出されるので、製品液Ｌを高速で容器１００に充填することができる。

さらに、第１実施形態は、第一充填と第二充填Ａ，Ｂからなる二段充填を行うので、目標充填量Ｑを満たす量の製品液Ｌを容器１００に確実に充填できる。

さらに、第１実施形態の第一充填および第二充填Ａ，Ｂにおいて容器１００に充填された直後には瞬間的に圧力が開放されるために炭酸ガスＣＧが泡となって現れる。ところが、この泡は微細であるのに加えて充填終了時に容器圧力Ｐ_Ｂはカウンタ圧力Ｐ_Ｆであるから、泡はすぐに製品液に再溶解して消失する。よって、第１実施形態によれば、第一充填および第二充填Ａ，Ｂを経た後に、封緘材１０３を容器１００に装着する作業を迅速に始めることができる。これは、第１実施形態の第二機能として実現される。

第１実施形態において、第一充填に先立って容器１００の内部が所定濃度の炭酸ガスＣＧで置換されている。これにより、第１実施形態は、製品液Ｌに酸素が混入するのを避けつつ製品液Ｌに含まれる炭酸ガスの濃度を所定の値に保つことができる。

［第二機能］

以下、第１実施形態に係る第二機能を図８および図９を参照して説明する。

充填装置１Ａは、図８に示すように、外部に対して気密に保持される密閉室２１を有する密閉チャンバ２０を備える。

密閉チャンバ２０には、図示しないガス供給源とガス供給路２８が接続されるとともに、ガス排出路２９が接続されている。ガス供給路２８からのガス成分の供給およびガス排出路２９からのガス成分の排出を制御することにより、充填ステップの最中に、密閉チャンバ２０の内部が容器圧力Ｐ_Ｂにほぼ等しいガス成分と圧力に加圧、保持される。

図８および図９において、ガス供給路２８とガス排出路２９は、弁が白抜きであれば開いており、弁が黒塗りであれば閉じられている。

また、密閉チャンバ２０には、液供給路７と第一ガス排出路１１が同期して進退可能に接続されている。液供給路７と第一ガス導出路１１は、内側に液供給路７が設けられ、外側に第一ガス導出路１１が設けられる、二重管構造２２に組み込まれている。二重管構造２２は、図９（ｄ）に示す待機位置と図９（ａ）〜（ｃ）に示す動作位置との間を往復移動する。また、二重管構造２２の先端にはノズル２５が設けられている。ノズル２５は、製品液Ｌの充填の際に、図９（ｂ），（ｃ）に示すように、容器１００の口部１０１に押し付けられる。押し付けられた部分は口部１０１に密着されて、容器１００の内外を封止する。ノズル２５は、図８に実線で示す待機位置と仮想線で示す動作位置の間で昇降可能に設けられている。

第一充填、第二充填において、液弁ＶＬを開くと、貯留槽３の製品液Ｌが液供給路７を通って密閉チャンパ２０まで引き込まれ、容器１００に充填される。

また、第二充填において、第一ガス弁ＶＧ１を開くと、容器１００のヘッドスペース１０５の炭酸ガスＣＧが第一ガス排出路１１を通って補室槽５に向かう。

また、密閉チャンバ２０は、図８に示すように、容器１００に製品液Ｌを充填するときに、容器１００の口部１０１が挿入される容器保持開口２７を備える。容器保持開口２７は、密閉チャンバ２０を貫通し、密閉室２１と外部を連通する。

容器保持開口２７は、口部１０１に取り付けられる封緘材１０３の外径よりも大きな開口径を有する。容器１００の口部１０１に封緘材１０３を取り付けるときにも、容器１００の口部１０１は容器保持開口２７に保持されている。

口部１０１が容器保持開口２７に保持されている間に、密閉室２１が外部に対して気密な状態を保つために、容器保持開口２７の周りに図示を省略するシール部材が設けられる。

次に、密閉チャンバ２０には、図８に示すように、封緘機としての封緘ヘッド３０が昇降可能に設けられている。

封緘ヘッド３３０は、先端（図中の下端）で封緘材１０３を保持しながら、待機位置（図８、図９（ａ））と動作位置（図９（ｄ））の間を昇降する。封緘ヘッド３０は、口部１０１に封緘材１０３を装着した後には、新たな封緘材１０３が補充、保持されてから、動作位置から待機位置に移動する。

次に、密閉チャンバ２０、封緘ヘッド３０の動作を説明する。

［充填前準備］

はじめに、図９（ａ）に示すように、容器１００が容器保持開口２７の下方で位置合わせされる。二重管構造２２は動作位置まで移動するが、ノズル２５は待機位置に留まっている。

その後、図９（ｂ）に示すように、容器１００の口部１０１が容器保持開口２７に挿入されかつ容器保持開口２７の内側に保持される。また、ノズル２５は前進しかつ容器１００の口部１０１まで下降する。そうすると、密閉室２１及び容器１００が外部に対して気密に封止される。この後、ガス供給路２８からガス成分としての炭酸ガスを密閉室２１へ供給しつつ排気して密閉室のガス成分を炭酸ガスに置換する。この時置換された密閉室の炭酸ガスの圧力は、貯留槽３に付加されるカウンタ圧力Ｐ_Ｆ（容器圧力Ｐ_Ｂ）と一致するように供給される。

なお、ガス供給路２８から加えられるガス成分としての炭酸ガスは、貯留槽３以外のガス供給源から供給されるものであってもよい。

図示を省略するが、容器１００はグリッパと称される把持具により口部１０１で支持されており、グリッパに密閉チャンバ２０に向けて負荷を加えることにより、口部１０１を密閉チャンパ２０に気密に押し付けることができる。

［第一充填および第二充填Ａ］

第一充填および第二充填Ａは、図９（ｃ）に示すように、容器１００の口部１０１が容器保持開口２７に保持されるのを維持したままで、かつ、ノズル２５が動作位置に移動して行われる。封緘ヘッド３０は待機位置に置かれている。

前述した第一充填の手順に従って液弁ＶＬを開く。そうすると、液供給路７を通って充填量Ｑ_１だけ製品液Ｌが容器１００の内部に充填される。その後、第一ガス弁ＶＧ１を開くと、容器１００のヘッドスペース１０５を満たす炭酸ガスＣＧは第一ガス排出路１１を通って補室槽５に向けて排出される。

第一充填を終えると、前述した手順で第二差圧形成を行った後に、第二充填Ａが行われる。

また、第二充填Ａにおいても、二重管構造２２は第一充填のままの状態として、前述した第二充填Ａの手順に従って液弁ＶＬおよび第一ガス弁ＶＧ１を開く。そうすると、液供給路７を通って製品液Ｌが容器１００の内部に充填され、目標充填量Ｑを満たす量の製品液Ｌが１００に充填される。このとき、ヘッドスペース１０５を満たす炭酸ガスＣＧは第一ガス導出路１１を通って補室槽５に向かう。

［封緘］

第二充填Ａを終えると、図９（ｄ）に示すように、二重管構造２２およびノズル２５が待機位置に後退した後に、封緘ヘッド３０が動作位置まで前進する。封緘ヘッド３０を動作させることにより、キャップ１０３を口部１０１に装着する（図７ キャッピングステップ Ｓ１０９）。封緘材１０３を装着するまで、容器１００の口部１０１が容器保持開口２７に保持されている。これにより、容器圧力Ｐ_Ｂを維持したままで、封緘材１０３を装着できる。

封緘材１０３の装着後には、封緘ヘッド３０が待機位置まで後退する。また、封緘材１０３が装着された容器１００は容器保持開口２７から離脱するとともに、さらに下流の工程に向けて搬送される。さらに、後続の製品液Ｌの充填対象となる容器１００に装着される封緘材１０３が容器保持開口２７に装填され、待ち受けている封緘ヘッド３０に補充される。封緘材１０３が補充された封緘ヘッド３０は、次の充填作業のために、待機位置まで後退する。

［第二機能の効果］

以上説明した第１実施形態の第二機能に関する奏する効果を説明する。

第１実施形態は、製品液Ｌを充填する密閉チャンバ２０に封緘ヘッド３０が組み込まれており、製品液Ｌが充填された容器１００の移動を伴うことなく封緘材１０３を容器１００に装着できる。したがって、製品液Ｌが充填された容器１００に迅速に封緘材１０３を装着できるので、高速で行われる充填と相まって、飲料製品を短時間で製造することができる。

［第１実施形態の変形例］

以上、本発明の第１実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、第１実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に置き換えたりすることができる。

はじめに、第１実施形態は圧力調整室６の容積を第二充填Ａで差分の充填量に整合させる容積制御方式を採用しているが、これに限らず、第二充填Ａで差分の充填量を充填できる他の方式を採用できる。その一例として、圧力の変動に基づいて充填を制御する圧力制御方式がある。圧力制御方式は、第二充填Ｃと第二充填Ｄの二形態があり、いずれも補室槽５を用いるものの、圧力調整室６の容積を第二充填において容器１００に充填される量に予め特定する必要がない。

以下、図１０及び図１１を参照して第二充填Ｃ、第二充填Ｄの順に説明する。なお、第一充填は、第二充填Ａと同じ手順で行われ、また、ガス置換が始まる前の容器圧力Ｐ_Ｂおよび補室内圧力Ｐ_Ｒは大気圧とする。

［第二充填Ｃ］

第二充填Ｃは、図１０（ａ）に示すように、はじめに第一ガス弁ＶＧ１を開く。そうすると、容器１００のヘッドスペース１０５に充填されている炭酸ガスＣＧが補室槽５に導出されるので、ヘッドスペース１０５とガス相３Ｓとの間に圧力差が生じる。第一ガス弁ＶＧ１を開くと、容器圧力Ｐ_Ｂと室内圧力Ｐ_Ｒは容器ヘッドスペースと補室容量の合計による平均圧力になる。その結果、カウンタ圧力P_Ｆと圧力差が形成される。なお、第三圧力センサ１９は圧力調整室６の室内圧力Ｐ_Ｒを継続して検知している。

その後、図１０（ｂ）に示すように、液弁ＶＬを開く。そうすると、貯留槽３から容器１００に製品液Ｌが充填されるが、充填量が増えて入身線が上昇するのに伴って容器１００のヘッドスペース１０５を満たしていた炭酸ガスＣＧが次第に補室槽５に導出される。これにより、圧力調整室６の室内圧力Ｐ_Ｒが上昇する。

制御器２は、第一圧力センサ１５または第三圧力センサ１９が検知した室内圧力Ｐ_Ｒを取得するとともに予め定められた設定圧力Ｐ_Ｂ’と比較する。制御器２は、室内圧力Ｐ_Ｒが設定圧力Ｐ_Ｂ’まで上昇したならば、第一充填で不足した製品液Ｌの充填が終了したものと認定し、図１０（ｃ）に示すように、先に第一ガス弁ＶＧ１を閉じてからその後に液弁ＶＬを閉じる。これで圧力差に対応する製品液Ｌが目標充填量まで充填され、第二充填が終了する。

第二充填Ｃで充填される製品液Ｌの量は以下の式（６）および式（７）で特定される。

第二充填量Ｑ_２＝Ｖ_Ｈ１×（１−Ｐ_Ｒ／ＰＢ_Ｂ’）＋Ｖ_Ｒ×（１−Ｐ_Ｒ／ＰＢ_Ｂ’） … 式（６）

目標充填量Ｑ＝Ｑ_１＋Ｑ_２ … 式（７）

［第二充填Ｄ］

第二充填Ｄは、図１１（ａ）に示すように、はじめに第一ガス弁ＶＧ１を開く。そうすると、容器１００のヘッドスペース１０５に充填されている炭酸ガスＣＧが補室槽５に導出される。第三圧力センサ１９は、圧力調整室６の室内圧力Ｐ_Ｒを継続して検知している。なお、ここまでは第二充填Ｃと同じである。

その後、図１１（ｂ）に示すように、第一ガス弁ＶＧ１を開いたままで第二ガス弁ＶＧ２を開く。そうすると、補室槽５を満たしている炭酸ガスＣＧが第二ガス導出路１３を通って系外に導出されるので、室内圧力Ｐ_Ｒが低下する。なお、第二ガス弁ＶＧ２は、流路を全て開くのではなく部分的に開くことで、微量の炭酸ガスＣＧが導出されるようにする。絞りを介し一定流量で炭酸ガスＣＧを導出することで、容器１００のヘッドスペース１０５、補室槽５の室内圧力Ｐｒを一定に保持しながら目標量との差分が充填される時間まで継続した後に、液弁ＶＬと第２ガス弁ＧＶ２を閉止する。

第二ガス弁ＶＧ２を開いたままで、制御器２は、第三圧力センサ１９が検知した室内圧力Ｐ_Ｒを取得するとともに予め定められた設定圧力Ｐ_Ｂ’と比較する。制御器２は、室内圧力Ｐ_Ｒが設定圧力Ｐ_Ｂ’まで低下したならば、図１１（ｃ）に示すように、まず、第二ガス弁ＶＧ２を閉じる。これで、貯留槽３のガス相３Ｓと容器１００のヘッドスペース１０５の間に圧力差を設けることができる。

次いで、図１１（ｃ）に示すように、液弁ＶＬを開く。これで圧力差に対応する製品液Ｌが目標充填量Ｑまで充填され、第二充填Ｄが終了する。第二充填Ｄにおける製品液Ｌの充填量は、系外へ排出される炭酸ガスＣＧを加味することを除けば、第二充填Ｃと同様に算出できる。

以上の通りであり、第二充填Ｃおよび第二充填Ｄは、圧力調整室６で検知される圧力に基づいて、差分の充填量を補うので、圧力調整室６の容積を予め特定する必要がない。ただし、圧力調整室６は差分の充填量を超える容積を有している必要はある。

［第２実施形態］

次に、本発明の第２実施形態を説明する。

第２実施形態は、一回の充填サイクルにより目標充填量Ｑを満たす量の充填をする一段充填に関する。一段充填は、一度の圧力差の形成および製品液Ｌの充填により、容器１００に目標充填量の製品液Ｌを満たす。以下、図１２〜図１３を参照して、第２実施形態を説明する。なお、以下では第１実施形態と相違する部分を中心に説明する。

第２実施形態の充填装置１Ｂは、図１２に示すように、第１実施形態の充填装置１Ａが備えていた第一ガス排出路１１〜第二ガス排出路１３の代替として、第三ガス排出路１４を備えている。第三ガス排出路１４は、容器１００に対して気密に接続されている。第三ガス排出路１４には第三ガス弁ＶＧ３が設けられており、第１実施形態における第一ガス排出路１１から補室槽５（圧力調整室６）を除いた構成を有しているとみなすことができる。第三ガス排出路１４として、例えば飲料充填装置が備えるＣＩＰ（Cleaning In Place：定置洗浄）装置における洗浄液の戻り配管回路を用いることができる。

ただし、第一ガス排出路１１〜第二ガス弁ＶＧ２を備える充填装置１Ａで一段充填を実施することもできる。この場合、第一ガス排出路１１〜第二ガス弁ＶＧ２の機能を使用しないことになるが、この充填装置１Ａは一段充填と複数段充填の兼用の装置である。

充填装置１Ｂは、容器１００と第三ガス弁ＶＧ３を繋ぐ第三ガス排出路１４の内部の空隙を容器１００の容積の一部としての機能を積極的に持たせる。つまり、図１２において、第三ガス弁ＶＧ３を閉じると、容器１００よりも第三ガス弁ＶＧ３の側、つまり容器１００よりも下流側の第三ガス排出路１４の内部は補室容積Ｖ_Ｂ３を有する空隙となる。この空隙が、以下説明するように、本発明における第一補室容積に該当する。

ここで容器１００の容積をＶ_Ｂ１とおくと、連通したときの両者の合計の容積はＶ_Ｂ１＋Ｖ_Ｂ３（＝Ｖ_Ｂ）となり、容器１００の容積が見掛け上は増えることになる。したがって、下記の式（１ａ），（１ｂ）に示すように、補室容積Ｖ_Ｂ３を備える場合（式（１ｂ））と補室容積Ｖ_Ｂ３を備えない場合（式（１ａ））を比較すれば、前者による製品液Ｌの充填量が補室容積Ｖ_Ｂ３の分だけ増える。
充填量Ｑ１＝（１−Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ｆ）×Ｖ_Ｂ１ … 式（１ａ）
充填量Ｑ１＝（１−Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ｆ）×（Ｖ_Ｂ１＋Ｖ_Ｂ３） … 式（１ｂ）

下記式（１ｃ）に示すように、充填量Ｑ１が目標充填量Ｑに一致するように容器１００と第三ガス弁ＶＧ３との間の第三ガス排出路１４の補室容積Ｖ_Ｂ３を設定すれば、一段充填だけで製品液Ｌを容器１００に目標充填量Ｑだけ充填できることになる。さらに、下記式（１ｃ）に示すように、充填量Ｑ１が目標充填量Ｑを超えるように補室容積Ｖ_Ｂ３を設定して、液弁ＶＬの開閉を制御することによっても、一段充填だけで容器１００に目標充填量Ｑを満たす製品液Ｌを充填できる。
目標充填量Ｑ＝充填量Ｑ１＝（１−Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ｆ）×（Ｖ_Ｂ１＋Ｖ_Ｂ３） … 式（１ｃ）

［差圧形成ステップ］
第２実施形態においても、図１３（ａ）に示すように、液弁ＶＬを閉じることで、充填装置１Ｂは貯留槽３と容器１００の間にカウンタ圧力Ｐ_Ｆが容器圧力Ｐ_Ｂよりも大きい圧力差を形成する。カウンタ圧力Ｐ_Ｆおよび容器圧力Ｐ_Ｂがともに大気圧以上の正圧であることは第１実施形態と同じである。容器１００の内部には例えば大気圧の炭酸ガスＣＧが充填されている。この差圧形成ステップおよび次の充填ステップを通じて、第三ガス弁ＶＧ３は閉じられている。

［充填ステップ］
次に、図１３（ｂ）に示すように、液弁ＶＬを開くと、貯留槽３に貯えられている製品液Ｌは液供給路７を通って容器１００に充填される。この充填は、容器１００液供給路７との接続部分を除く部分は密閉して、炭酸ガスＣＧを容器１００の外部に逃がすことなく閉じ込めたままで圧力差により製品液Ｌを充填する。

この充填ステップにおいて、貯留槽３に付加されているカウンタ圧力Ｐ_Ｆに容器１００のヘッドスペース１０５における容器圧力Ｐ_Ｂが平衡になるまで充填が継続される。

ここで、容器１００への充填量Ｑ１は、以下に再掲する式（１ｃ）により求められる。
目標充填量Ｑ＝充填量Ｑ１＝（１−Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ｆ）×（Ｖ_Ｂ１＋Ｖ_Ｂ３） … 式（１ｃ）

カウンタ圧力Ｐ_Ｆおよび容器圧力Ｐ_Ｂを、第１実施形態と同様にそれぞれ５気圧（正圧）、１気圧（大気圧）とする。また、容器１００の容積Ｖ_Ｂ１を５２０ｍｌとし、目標充填量Ｑを５００ｍｌとする。
これらを式（１ｃ）に代入して、Ｖ_Ｂ３について解くと以下の通りである。つまり、１０５（ｍｌ）以上の補室容積Ｖ_Ｂ３が確保されれば、容積Ｖ_Ｂ１が５２０ｍｌの容器１００に対して、５００ｍｌの目標充填量Ｑを充填できる。これをケース１とする。
目標充填量Ｑ＝５００＝（１−１／５）×（５２０＋Ｖ_Ｂ３）
Ｖ_Ｂ２＝（５００−４１６）×４／５＝１０５（ｍｌ）

［第２実施形態の変形例］
また、第１実施形態は二段充填行う充填装置１Ａを説明し、第２実施形態は一段充填を行う充填装置１Ｂを説明した。ところが、充填装置１Ａは、一段充填と二段充填の兼用の充填装置として用いることができる。

ここで、一段充填で目標充填量を充填できるか否かは、容器１００の容積および目標充填流量によるところが大きい。そこで、一段充填で目標充填量を充填できる例である前述のケース１に対して二段充填が必要となるケース２を示す。なお、ケース２においても、補室容積Ｖ_Ｂ３はケース１と同じ（１０５ｍｌ）ものとする。

ケース１、ケース２について、差圧に基づいて製品液Ｌを充填した後の容器内の圧力と充填量を求めた。結果は以下の通りであり、容器の容積が５００ｍｌと小さいケース１であれば一段充填で目標充填量Ｑを満たすことができる。これに対して、容器の容量が１０００ｍｌと大きいケース２においては一段充填では目標充填量Ｑを満たすことができない。また、仮に一段充填で目標充填量Ｑを満たすように充填すると、充填後の容器圧力Ｐ_Ｂが容器１００の耐圧力Ｐ_Ｐを超えてしまう。したがって、ケース２については、複数段充填、例えば二段充填を採用することが必要である。

ケース１：
容器の容積Ｖ_Ｂ１：５２０ｍｌ 補室容積Ｖ_Ｂ３：１０５ｍｌ 目標充填量Ｑ：５００ｍｌ
カウンタ圧力Ｐ_Ｆ＝５気圧
充填前の容器の圧力Ｐ_Ｂ＝１気圧
容器の耐圧力Ｐ_Ｐ＝７気圧
充填後の容器の圧力Ｐ_Ｂ＝（Ｖ_Ｂ１＋Ｖ_Ｂ３）／（Ｖ_Ｂ１＋Ｖ_Ｂ３−Ｑ）
＝６２５／（６２５−５００）＝５気圧
充填量Ｑ１＝（１−Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ｆ）×（Ｖ_Ｂ１＋Ｖ_Ｂ３）＝４／５×６２５＝５００ｍｌ

ケース２：
容器の容積Ｖ_Ｂ１：１０４０ｍｌ 補室容積Ｖ_Ｂ３：１０５ｍｌ 目標充填量Ｑ：１０００ｍｌ
カウンタ圧力Ｐ_Ｆ＝５気圧
充填前の容器の圧力Ｐ_Ｂ＝１気圧
容器の耐圧力Ｐ_Ｐ＝７気圧
充填後の容器の圧力Ｐ_Ｂ＝（Ｖ_Ｂ１＋Ｖ_Ｂ３）／（Ｖ_Ｂ１＋Ｖ_Ｂ３−Ｑ）
＝１１４５／（１１４５−１０００）＝７．９気圧
充填量Ｑ１＝（１−Ｐ_Ｂ／Ｐ_Ｆ）×（Ｖ_Ｂ１＋Ｖ_Ｂ３）＝４／５×１１４５＝９１６ｍｌ

一段充填を行う専用の充填装置と複数段充填を行う専用の充填装置を揃えることもできる。しかしこれでは、一段充填専用の充填装置を使用しているときに複数段充填専用の充填装置が空いてしまうこともあり得る。したがって、飲料製造者にとって、一段充填と複数段充填を兼用できる充填装置が存在することが好ましい。第１実施形態で示した充填装置１Ａに必要な構成を加えれば、一段充填と複数段充填を個別に実現できる。

主に制御器２（図２）が加えることが必要な構成を備える。
制御器２は、生産の対象となる容器の種類を特定する。この種類は、容積を含む概念を有している。
一例として、容器を切り替えて生産する度に、制御器２が充填装置１Ａのオペレータに容器の種類を入力するように促す。制御器２は、オペレータの制御器２への入力を受けることで容器の種類を特定する。また他の例として、制御器２に所定の期間、例えば一週間の生産計画が入力される。この生産計画に容器の種類が含まれていれば、制御器２は一週間分の容器の種類を特定できる。

また、制御器２は、容器の種類（大きさ）に応じて一段充填と二段充填のいずれを行うかを判断する。そのためには、制御器２は、容器の種類と充填の段数とが対応付けられた容器−充填段数情報を備えることが好ましい。制御器２は、生産の開始にあたって容器の種類を特定すると、この容器−充填段数情報を参照して、一段充填か二段充填のいずれかを選択する。ここでは二段充填までしか説明しないが、三段、四段などのより多い段数の充填を選択できるようにしてもよい。

制御器２は、一段充填か二段充填が選択されると、一段充填または二段充填が実現できるように、第一ガス弁ＶＧ１、第二ガス弁ＶＧ２および液弁ＶＬの動作を制御する。一段充填の動作は第２実施形態で説明した通りであり、二段充填の動作は第１実施形態で説明した通りである。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、種々の変更を加えることができる。
例えば、第１実施形態および第２実施形態においては、製品液として炭酸入りの飲料の例を説明したが、本発明は炭酸が含まれていない飲料、その他の製品液にも適用できる。
また、以上で説明したガス置換は、炭酸入りの飲料を対象としているために、炭酸ガス用いる。ところが、本発明における置換ガスは炭酸ガスに限らず、容器に充填される製品液の特性維持に必要なガス成分、例えば窒素ガスなどの不活性ガスによりガス置換することができる。
また、本実施形態で説明した容器１００は樹脂製であるが、本発明において充填の対象は樹脂製の容器に限らず、可撓性を有する他の容器、例えば金属製の缶容器にも適用できる。また、本発明は可撓性を有しない例えばガラス製のびんを充填の対象から排除するものではない。

さらに、一段充填は第２実施形態の手法に限るものではない。例えば、容器１００の内部と貯留槽３のガス相３Ｓとの差圧が十分に大きく、かつ、製品液Ｌが目標充填量に達したときの容器１００のヘッドスペース１０５が大きいという条件を満足すれば、一段充填を実現できる場合がある。
また、貯留槽３と容器１００を繋ぐ液供給路７に容器１００の容積の一部としての機能を積極的に持たせることによっても一段充填は実現される。つまり、図１２において、液弁ＶＬを閉じると、貯留槽３と液弁ＶＬとの間は製品液Ｌが満たされるが、液弁ＶＬよりも容器１００の側の内部は容積Ｖ_Ｂ２を有する空隙をなす。この空隙は液弁ＶＬと容器１００の間に設けられる、本発明の第二補室容積に該当する。なお、上述した第１実施形態および第２実施形態においては、補室容積Ｖ_Ｂ２をゼロ、つまり第二補室容積は存在しないものとみなしている。

１Ａ，１Ｂ 充填装置
２ 制御器
３ 貯留槽
３Ｓ ガス相
５ 補室槽
６ 圧力調整室
５Ａ ピストン
５Ｂ シリンダ
７ 液供給路
１１ 第一ガス導出路
１３ 第二ガス導出路
１４ 第三ガス排出路
１５ 第一圧力センサ
１７ 第二圧力センサ
１９ 第三圧力センサ
２０ 密閉チャンバ
２１ 密閉室
２２ 二重管構造
２３ 内管
２４ 外管
２５ ノズル
２７ 容器保持開口
２８ ガス供給路
２９ ガス排出路
３０ 封緘材ヘッド
４０ 給排機構
４１ 液供給路
４３ ガス供給路
４４，４６ ガス弁
４５ ガス排出路
１００ 容器
１０１ 口部
１０３ 封緘材
１０５ ヘッドスペース
ＶＧ１ 第一ガス弁
ＶＧ２ 第二ガス弁
ＶＧ３ 第三ガス弁
ＶＬ 液弁

Claims (15)

1. 液供給路を介して貯留槽に貯えられる製品液を容器に充填する方法であって、
   前記液供給路を閉じた状態で、前記容器の内部の容器圧力Ｐ_Ｂと前記貯留槽に付加されるカウンタ圧力Ｐ_Ｆとの間に圧力差を設ける差圧形成ステップと、
   前記液供給路を開いた状態で、前記圧力差を利用して前記製品液を前記貯留槽から前記容器に充填する充填ステップと、を備え、
   前記差圧形成ステップにおいて、
   前記容器圧力Ｐ_Ｂが、大気圧以上の正圧であり、かつ、前記貯留槽における前記カウンタ圧力Ｐ_Ｆより低い圧力に保たれ、前記貯留槽の前記カウンタ圧力Ｐ_Ｆとの間に圧力差が形成された状態で、前記容器と前記充填ノズルとを密封状態に係合させる、
   ことを特徴とする充填方法。
2. 前記充填ステップにおいて、
   前記容器圧力Ｐ_Ｂが前記カウンタ圧力Ｐ_Ｆと平衡になるまで、または、前記カウンタ圧力Ｐ_Ｆ未満の所定の圧力の状態になるまで、前記製品液が充填される、
   請求項１に記載の充填方法。
3. 前記差圧形成ステップにおいて、
   前記容器の内部に前記容器圧力Ｐ_Ｂのガス成分を密閉し、
   前記充填ステップにおいて、
   前記容器の内部の前記ガス成分を外部に排出することなく、前記容器の内部の前記ガス成分を密閉したままで、前記圧力差により前記製品液を前記容器に充填する、
   請求項１または請求項２に記載の充填方法。
4. 前記差圧形成ステップにおいて、
   前記容器の内部に前記容器圧力Ｐ_Ｂのガス成分を密閉し、
   前記充填ステップにおいて、
   前記容器の内部の前記ガス成分の前記容器圧力Ｐ_Ｂが大気圧以上の圧力の場合に、前記ガス成分の一部を前記容器の外部へ排出した後にまたは排出しながら、前記圧力差により前記製品液を前記容器に充填する、
   請求項１または請求項２に記載の充填方法。
5. 前記差圧形成ステップと前記充填ステップを複数回繰り返すことで、前記容器に目標充填量を満たす前記製品液を充填する、
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の充填方法。
6. 前記容器圧力Ｐ_Ｂと前記カウンタ圧力Ｐ_Ｆとの間に第一圧力差を設ける第一差圧形成ステップと、
   前記第一圧力差を利用して前記製品液を前記貯留槽から前記容器に充填する第一充填ステップと、
   前記第一充填ステップの後に、前記容器圧力Ｐ_Ｂと前記カウンタ圧力Ｐ_Ｆの間に第二圧力差を設ける第二差圧形成ステップと、
   前記第二圧力差を利用して前記製品液を前記貯留槽から前記容器に充填する第二充填ステップと、を備え、
   前記第一充填ステップにおいて、所定の設定量の前記製品液を充填し、
   前記第二充填ステップにおいて、前記目標充填量と前記設定量との差分の前記製品液を充填する、
   請求項５に記載の充填方法。
7. 前記第二差圧形成ステップにおいて、
   前記容器のヘッドスペースに含まれるガス成分を前記容器の外部に排出する、
   請求項６に記載の充填方法。
8. 前記第二差圧形成ステップにおいて、
   前記差分に対応する量のガス成分を前記容器の外部に排出する、
   請求項７に記載の充填方法。
9. 前記第二差圧形成ステップにおいて、
   所定容積を有する圧力調整室に前記ガス成分を排出することで、前記ガス成分を前記容器の外部に排出する、
   請求項８に記載の充填方法。
10. 前記圧力調整室は、
    前記差分に対応する前記所定容積を有し、
    前記第二充填ステップにおいて、
    前記容器圧力Ｐ_Ｂが前記カウンタ圧力Ｐ_Ｆと平衡になるまで、または、前記容器圧力Ｐ_Ｂが設定圧力まで上昇するまで前記製品液を前記容器に充填する、
    請求項９に記載の充填方法。
11. 前記第二充填ステップにおいて、
    前記圧力調整室における室内圧力Ｐ_Ｒの上昇に基づいて、前記製品液の前記容器への充填を制御する、
    請求項９または請求項１０に記載の充填方法。
12. 前記第二充填ステップにおいて、
    前記第二圧力差を設けた後に、前記圧力調整室を通じて前記ガス成分を系外に排出しながら、前記圧力調整室の前記室内圧力Ｐ_Ｒが低下して設定圧力に達したならば、前記ガス成分の系外への排出を停止し、
    次いで前記目標充填量に対する前記差分の前記製品液を前記容器に充填する、
    請求項１１に記載の充填方法。
13. 前記圧力調整室は前記所定容積を任意に変更できる、
    請求項９〜請求項１２のいずれか一項に記載の充填方法。
14. 前記差圧形成ステップにおいて、
    前記容器の内部と連通させることにより、前記液供給路の空隙からなる補室を前記容器と同じ容器圧力Ｐ_Ｂにして、前記カウンタ圧力Ｐ_Ｆとの間に前記圧力差を形成し、
    前記充填ステップにおいて、
    前記液供給路を開くことで、前記製品液が前記補室を通って、目標充填量を満たす前記製品液が前記容器に充填される、
    請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の充填方法。
15. 前記補室は、
    一段階の前記充填ステップにより前記目標充填量を満たす前記製品液を前記容器に充填するのに必要な容積に設定されている、
    請求項１４に記載の充填方法。

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