KR20130116356A

KR20130116356A - 소포 방법 및 소포 장치

Info

Publication number: KR20130116356A
Application number: KR1020137022964A
Authority: KR
Inventors: 요시타카 타츠미; 요시히코 키무라; 유우야 나카네; 요시유키 모리타
Original assignee: 도요세이칸 그룹 홀딩스 가부시키가이샤
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2013-10-23
Also published as: JP2012183521A; EP2684586B1; KR101562843B1; CN103402597A; EP2684586A4; JP5679116B2; US20130327217A1; CN103402597B; WO2012120915A1; EP2684586A1

Abstract

레이저 유기 브레이크다운의 충격에 의해 발생하는 펄스 형상 음파를 음향 도파관을 이용해서 액체 표면 방향을 향하게 함으로써 효과적인 소포 효과를 얻는 것이다. 레이저 유기 브레이크다운의 충격에 의해 발생하는 펄스 형상 음파의 음향도파관의 내주면에 있어서의 반사파가 액체 표면에 대향하는 음향 도파관의 개구부 방향을 향하게 하여 진행하는 각 방향의 상기 반사파의 개구부에 도달하는 시간차를 적게 한 것이다.

Description

소포 방법 및 소포 장치{DEFOAMING METHOD AND DEFOAMING DEVICE}

본원 발명은 액체 표면 상의 거품의 소거, 특히 금속캔, 플라스틱제 컵, 트레이 형상 용기, PET 보틀, 보틀캔 또는 유리병 등의 각종 용기에 음료 등의 내용물을 충전할 때에 발생하는 거품을 소포하는데 적절한 소포 방법 및 소포 장치에 관한 것이다.

각종 용기에 주입된 음료(캔에 들은 음료, PET 보틀에 들은 음료, 병에 들은 음료 등)의 충전 공정은 일반적으로 충전기에 있어서 똑바로 세운 용기에 상방으로부터 음료를 충전하고, 이어서 밀봉 장치(권체기·캡퍼 등)로 뚜껑 또는 캡에 의해 밀봉한다. 그리고, 음료의 품질을 유지하고, 플레이버를 향상시키는 중요한 인자로서 밀봉 용기 내의 잔존 산소량의 저감이 있고, 특히 용기 내의 헤드 스페이스로부터 산소를 제거하는 것이 중요하다. 이를 실현하기 위해서 밀봉 직전의 언더 커버 가싱(under cover gassing) 등의 가스 치환에 의한 탈산소 기술이 개발되어 이용되고 있다. 한편, 용기에 주입된 음료는 대량으로 소비되는 제품이므로 충전 공정의 고속화가 추급되고, 캔에 들은 음료의 경우 매분 1000캔~2000캔을 제조하는 고속 라인이 실용화되어 있고, 이와 같은 고속 라인의 음료의 충전에 있어서 용기 내에 거품이 발생한다. 이 거품의 발생 거동, 및 발생한 거품의 소멸 거동은 각각의 음료의 성질이나 충전 조건에 따라 다르지만 일반적으로 생산 속도가 빨라질수록 거품이 많이 발생하고, 또한 거품이 소멸될 때까지 충분한 시간이 주어지지 않아 거품이 남은 상태로 밀봉이 행해지게 된다.

또한, 거품 내의 산소는 헤드 스페이스의 가스 치환으로는 제거할 수 없으므로 헤드 스페이스의 산소량 저감을 방해한다. 특히, 가스 치환에 의한 탈산소 기술이 향상한 현재에는 잔존 산소량의 주 원인으로 되고 있다. 현재 상태에서는 거품을 억제하기 위해서 음료 처방에 소포제를 혼합하는 방법이 이용되지만 음료 등의 내용물의 맛에 영향을 주는 경우가 있고, 이 때문에 충전으로부터 밀봉까지의 동안에 거품을 소멸시키는 유효한 소포 기술이 요구되고 있다.

그래서, 이 요구에 대한 해결책으로서 외부 에너지인 레이저광을 조사하는 소포 기술이 제안되고, 예를 들면 레이저광의 광 빔으로 거품막을 형성하고 있는 분자간 결합과 막 내의 물 분자 또는 유기 분자를 진동 여기시켜 분자간 결합을 절단해서 소포하는 소포 기술이 제안되어 있다(특허문헌 1).

또한, 본 출원인은 펄스 형상 레이저광의 레이저 유기 브레이크다운(Laser Induced Breakdown)의 충격에 의해 발생하는 펄스 형상 음파가 소포에 대하여 뛰어난 효과를 발휘하는 것을 발견하여 「펄스 형상 음파를 이용해 포말을 파괴해서 소포하는 소포 방법」을 제안했다(특허문헌 2).

일본 특허 공개 소 63-252509 호 공보 국제 공개 2007-086339 호 공보

그러나, 종래의 상기 특허문헌 1에 의한 소포 기술은 레이저광의 광빔으로 각 거품을 조사하기 때문에 소포에 장시간을 필요로 해서 고속으로 소포할 수 없고, 또한 용기 내주면 근방의 거품도 효과적으로 소포할 수 없다.

한편, 상기 특허문헌 2에 의한 소포 기술은 레이저 유기 브레이크다운의 충격에 의해 펄스 형상 음파를 발생시켜 음원으로부터 강한 압력 변화를 수반하는 펄스 형상 음파가 구면파로서 전파(傳播)되어 거품을 파괴해서 소포하기 때문에, 용기의 내주면까지 펄스 형상 음파가 전파되어 종래의 방법에서는 소포가 곤란했던 용기 내주면 근방의 거품도 효과적으로 소포할 수 있다.

그러나, 음료 등의 액체 표면의 충격이 커 액적이 비산해서 장치, 또는 집광 렌즈 등의 집광 광학계 등에 부착되어서 오염을 발생시킨다.

이 때문에, 레이저광 발진 장치, 집광 렌즈 등의 집광 광학계 등을 액체 표면으로부터의 증기나 파포(破泡)된 거품의 물방울 등에 의한 오염을 막기 위해서, 그 위치를 상기 액체 표면으로부터 이격시켜야만 하여 레이저광의 집광성이 저하해서 소포성을 높일 수 없다.

이와 같이, 본 출원인이 제안한 특허문헌 2의 소포 기술은 종래의 특허문헌 1 등의 소포 기술에 대하여 뛰어난 기술이지만 그 후의 연구에 의해 1. 펄스 형상의 레이저광이 액체 표면을 향해서 조사되어 렌즈 등의 광학 소자가 액체 표면으로부터의 증기나, 파포된 거품의 물방울 등에 의해 오염되는 것을 방지하기 위해서는 초점 거리를 길게 해야만 하고, 상기 초점 거리를 짧게 해서 레이저광의 집광성을 높이는 개량, 2. 펄스 형상 음파가 자유 공간에서 발생해서 구면파로 전파되어 상기 펄스 형상 음파의 일부밖에 소포에 관여하지 않으므로 소포 효율이 저하하기 때문에 상기 소포 효율을 향상시키는 개량과 같은 개량이 더욱 요망되고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 소포 기술에 있어서의 문제점을 해결하는 것이며, 펄스 형상 레이저광의 레이저 유기 브레이크다운의 충격에 의해 발생하는 펄스 형상 음파를 이용한 소포 기술에 있어서, 상기 펄스 형상 음파의 소포 시에 있어서의 이용 효율을 높이고, 집광 광학계 등의 오염을 방지하여 효과적인 소포 효과가 얻어지는 소포 방법 및 이것들을 구현화하는 소포 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 연구한 결과, 펄스 형상 레이저광의 레이저 유기 브레이크다운의 충격에 의해 발생하는 펄스 형상 음파를 음향 도파관을 이용해서 액체 표면 방향을 향하게 함으로써 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 도달한 것이다.

본 청구항 1에 의한 발명은 펄스 형상 레이저광에 의한 펄스 형상 음파로 액체 표면의 포말을 파괴시키는 소포 방법으로서, 상기 펄스 형상 음파의 음향 도파관의 내주면에 있어서의 반사파가 상기 액체 표면에 대향하는 음향 도파관의 개구부방향을 향하게 하여 진행하는 각 방향의 반사파의 상기 개구부에 도달하는 시간차를 적게 함으로써 상기 과제를 해결하는 것이다.

본 청구항 2에 의한 발명은 청구항 1에 의한 소포 방법의 구성에 추가해 상기 반사파의 진행 방향을 음향 도파관의 축심 방향에 대하여 40°이하로 함으로써 상기 과제를 해결하는 것이다.

본 청구항 3에 의한 발명은 펄스 형상 레이저광에 의한 펄스 형상 음파로 액체 표면의 포말을 파괴시키는 소포 장치로서, 펄스 형상 레이저광 발진 장치, 상기펄스 형상 레이저광 발진 장치로부터 발진된 펄스 형상 레이저광을 집광하는 집광 광학계, 집광된 레이저광의 초점이 내부 공간에 위치하고 개구부가 액체 표면에 대향하도록 배치된 음향 도파관을 구비하고, 상기 음향 도파관이 상기 펄스 형상 레이저광이 통과하는 레이저광 입사 구멍을 가짐과 아울러, 적어도 상기 초점 또는 그 근방으로부터 상기 개구부를 향해서 내주면의 내경이 증가하도록 형성되어 있는 것에 의해 상기 과제를 해결하는 것이다.

본 청구항 4에 의한 발명은 청구항 3에 의한 소포 장치의 구성에 추가해 상기 음향 도파관의 내주면이 개구부를 향해서 테이퍼부를 가짐으로써 상기 과제를 해결하는 것이다.

본 청구항 5에 의한 발명은 청구항 4에 의한 소포 장치의 구성에 추가해 상기 테이퍼부가 1단의 테이퍼부로 이루어지고, 테이퍼 각도가 축심 방향에 대하여 25° 내지 60°로 형성되어 있는 것에 의해 상기 과제를 해결하는 것이다.

본 청구항 6에 의한 발명은 청구항 4에 의한 소포 장치의 구성에 추가해 상기 테이퍼부가 상기 개구부를 향해서 서서히 테이퍼 각도가 작아지는 2단의 테이퍼부로 이루어지고, 각각의 테이퍼 각도가 축심 방향에 대하여 60° 내지 80°, 30° 내지 50°로 형성되어 있는 것에 의해 상기 과제를 해결하는 것이다.

본 청구항 7에 의한 발명은 청구항 4에 의한 소포 장치의 구성에 추가해 상기 테이퍼부가 상기 개구부를 향해서 서서히 테이퍼 각도가 작아지는 3단의 테이퍼부로 이루어지고, 각각의 테이퍼 각도가 축심 방향에 대하여 60° 내지 80°, 30° 내지 50°, 10° 내지 20°로 형성되어 있는 것에 의해 상기 과제를 해결하는 것이다.

본 청구항 8 내지 11에 의한 발명은 청구항 4 내지 7에 의한 소포 장치의 구성에 추가해 상기 테이퍼부의 하방에 상기 개구부를 향하는 스트레이트부를 갖는 것에 의해 상기 과제를 해결하는 것이다.

본 청구항 12에 의한 발명은 청구항 3에 의한 소포 장치의 구성에 추가해 상기 집광된 레이저광의 초점으로부터 개구부 반대측에는 상기 초점으로부터 개구부 반대 방향으로 진행하는 각 방향의 펄스 형상 음파를 개구부 방향으로 반사하는 후방 반사벽을 구비하고 있는 것에 의해 상기 과제를 해결하는 것이다.

[발명의 효과]

본 청구항 1에 의한 소포 방법에 의하면, 종래 자유 공간에 있어서의 펄스 형상 음파의 에너지를 음향 도파관의 개구부 방향에 집중시킬 수 있어, 음료 등의 액체 표면에 작용하는 펄스 형상 음파의 시간당 에너지의 감소를 작게 할 수 있다.

또한, 상기 펄스 형상 음파의 반사파가 음료 등의 내용액의 액체 표면에 도달할 때까지의 반사 횟수도 감소하기 때문에 이 반사에 의한 에너지의 감쇠도 감소해 보다 에너지의 이용 효율이 향상되어 낮은 레이저 출력으로 효과적으로 소포할 수 있다.

또한, 이 때문에 레이저광 발진 장치, 집광 광학계를 액체 표면으로부터 이격시키는 것이 가능해져 그 배치의 자유도가 높아지고, 상기 레이저광 발진 장치, 집광 광학계의 오염을 방지할 수 있고, 또한 효율적인 집광 광학계 등을 구축할 수 있다.

본 청구항 2에 기재된 구성에 의하면, 진행하는 각 방향의 펄스 형상 음파의 반사파가 개구부에 도달할 때까지의 시간차를 실질적으로 반사파가 동시에 개구부에 도달했을 경우와 마찬가지의 소포 효과를 얻는 레벨까지 적게 할 수 있어, 더욱 에너지의 이용 효율이 향상되어 낮은 레이저 출력으로도 효과적으로 소포할 수 있다.

본 청구항 3에 의한 소포 장치에 의하면, 청구항 1에 의한 소포 방법을 구현화하여 상술한 효과를 얻는 소포 장치로 할 수 있고, 레이저광로와 펄스 형상 음파의 진행로를 분리할 수 있기 때문에 레이저광 발진 장치나 집광 광학계 등의 배치의 자유도가 더욱 높아져 오염을 방지할 수 있음과 아울러 보다 효율적인 집광 광학계 등을 구축해서 소포할 수 있다.

본 청구항 4에 기재된 구성에 의하면, 음향 도파관의 내주면을 단순한 형상으로 해서 펄스 형상 음파의 음향 도파관의 내주면에 있어서의 반사파를 개구부 방향을 향하게 하는 것이 가능해 지고, 또한 음향 도파관의 구조가 단순해져 제조가 용이하고 비용이 저감됨과 아울러 설비에의 배치도 용이해져 자유도도 향상된다.

본 청구항 5에 기재된 구성에 의하면, 펄스 형상 음파의 반사파 진행 방향을 음향 도파관의 축심 방향에 대하여 40°이하로 되도록 설정할 수 있기 때문에 진행하는 각 방향의 상기 반사파의 개구부에 도달할 때까지의 시간차를 실질적으로 반사파가 동시에 개구부에 도달했을 경우와 마찬가지의 소포 효과를 얻는 레벨까지 적게 할 수 있고, 또한 에너지의 이용 효율이 향상되어 낮은 레이저 출력으로도 효과적으로 소포할 수 있다.

본 청구항 6에 기재된 구성에 의하면, 펄스 형상 음파의 반사파의 진행 방향을 음향 도파관의 축심 방향에 대하여 더욱 작게 하는 것이 가능해 지기 때문에 진행하는 각 방향의 상기 반사파의 개구부에 도달할 때까지의 시간차를 더욱 적게 할 수 있어 더욱 에너지의 이용 효율이 향상하여 낮은 레이저 출력으로도 효과적으로 소포할 수 있다.

본 청구항 7에 기재된 구성에 의하면 펄스 형상 음파의 반사파의 진행 방향을 음향 도파관의 축심 방향에 대하여 보다 더 작게 하는 것이 가능해지기 때문에 진행하는 각 방향의 상기 반사파의 개구부에 도달할 때까지의 시간차를 보다 더 적게 할 수 있어 보다 더 에너지의 이용 효율이 향상되어 보다 낮은 레이저 출력으로도 효과적으로 소포할 수 있다.

본 청구항 8 내지 청구항 11에 기재된 구성에 의하면, 스트레이트부를 형성함으로써 음향 도파관의 길이에 관계없이 개구부의 면적을 일정하게 해서 반사파를 일정한 면적의 개구부에 집중시킬 수 있기 때문에 레이저광의 초점과 액체 표면의 거리를 자유롭게 설정하는 것이 가능해지고, 레이저광 발진 장치나 집광 광학계의 배치의 자유도가 더욱 높아져 오염을 방지할 수 있음과 아울러 보다 효율적인 집광 광학계를 구축할 수 있다.

본 청구항 12에 기재된 구성에 의하면, 펄스 형상 음파를 개구부 방향으로 반사시켜서 이용할 수 있기 때문에 더욱 에너지의 이용 효율이 향상되어 낮은 레이저 출력으로도 효과적으로 소포할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 소포 장치의 단면 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 소포 장치의 단면 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 의한 소포 장치의 단면 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 소포 장치의 단면 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 소포 장치의 단면 개략도이다.
도 6은 소포의 각 실험의 비교 실험도이다.

본 발명의 소포 방법은 펄스 형상 레이저광에 의한 펄스 형상 음파로 액체 표면의 포말을 파괴시키는 소포 방법이며, 상기 펄스 형상 음파의 음향 도파관의 내주면에 있어서의 반사파가 상기 액체 표면에 대향하는 음향 도파관의 개구부 방향을 향하게 하여 진행하는 각 방향의 반사파의 상기 개구부에 도달하는 시간차를 적게 한 것이다.

또한, 본 발명의 소포 장치는 상기 소포 방법을 구체화하는 장치이며, 펄스 형상 레이저광 발진 장치, 상기 펄스 형상 레이저광 발진 장치로부터 발진된 펄스 형상 레이저광을 집광하는 집광 광학계, 집광된 레이저광의 초점이 내부 공간에 위치하고 개구부가 액체 표면에 대향하도록 배치된 음향 도파관을 구비하고, 상기 음향 도파관이 상기 펄스 형상 레이저광이 통과하는 레이저광 입사 구멍을 가짐과 아울러 적어도 상기 초점 근방으로부터 상기 개구부를 향해서 내주면의 내경이 증가하도록 형성되어 있다.

도 1은 그 기본적인 형태에 있어서의 소포 원리를 모식적으로 나타내고 있다.

도면 중 100은 소포 장치이며, 펄스 형상의 광(L)을 발생시키는 펄스 형상 레이저광 발진 장치(110), 상기 펄스 형상 레이저광 발진 장치(110)로부터 발진된 펄스 형상 레이저광(L)을 초점(S)에 집광하는 집광 광학계(120), 및 음향 도파관(130)으로 구성되고, 상기 음향 도파관(130)의 개구부(131)가 소포 대상물인 음료 등의 액체 표면에 대하여 연직 방향 상방에 면하도록 배치되어 있다.

도 1에 나타내는 실시형태에서는 용기(A)로의 내용물(C)의 밀봉 충전 라인에 있어서 내용물(C)이 충전된 용기(A)를 밀봉 장치에 반송하는 컨베이어의 상방, 또는 밀봉 장치 내의 밀봉 전의 용기 통과 위치의 상방에 음향 도파관(130)을 수직으로 배치하고, 상기 음향 도파관(130)의 축심 방향으로부터 펄스 형상 레이저광(L)을 조사하도록 펄스 형상 레이저광 발진 장치(110) 및 집광 광학계(120)가 배치되어 있다.

상기 펄스 형상 레이저광 발진 장치(110)로서는 레이저 매질에 축적되어 있던 에너지를 광 펄스로서 단숨에 방출시킬 수 있는 펄스 형상 레이저광을 발진하는 것이 적절하다. 펄스 형상 레이저로서는 Q 스위치 발진이 가능한 YAG 레이저, YVO4 레이저, YLF 레이저나, TiS 레이저 등의 펨토초 레이저를 들 수 있다. 이들 펄스 형상 레이저는 수 ㎐~수십 ㎑의 반복 주기를 갖지만, 이 반복 주기 동안 축적된 에너지를 수 펨토초(fs) 내지 수십 나노초(ns)라는 극히 짧은 시간폭으로 방출한다. 이 때문에, 적은 입력 에너지로부터 높은 피크 파워를 효율적으로 얻을 수 있다. 펄스 형상 레이저광 발진 장치로서는 이 이외에 CO2 레이저, 엑시머 레이저, 반도체 레이저 등 각종 레이저광을 발진하는 펄스 형상 레이저광 발진 장치를 이용할 수도 있다. 또한, 이들 레이저광의 기저파로부터 파장 변환 소자에 의해 생성한 고조 파광도 이용할 수 있다. 이들 펄스 형상 레이저광에는 연속 발진(CＷ) 펄스 형상 레이저광도 포함되지만 이 경우에 있어서도 셔터 등의 광 제어 부재를 이용하여 펄스 형상의 광을 생성할 수 있다.

본 실시형태에 있어서의 집광 광학계(120)는 펄스 형상 레이저광 발진 장치(110)와 음향 도파관(130) 사이에 배치되는 1개의 집광 렌즈(121)를 도시하고 있지만 반드시 그것에 한정되는 것은 아니다.

또한, 집광 광학계(120)는 펄스 형상 레이저광 발진 장치(110)와 별도로 형성해도 좋지만 펄스 형상 레이저광 발진 장치(110)에 일체로 형성하는 것도 가능하다. 또한, 도 2에 나타내는 바와 같이 집광 광학계(120)에 프리즘(122)이나 반사경 등을 설치해서 펄스 형상 레이저광(L)을 굴곡시켜서 집광하여, 펄스 형상 레이저광 발진 장치(110)의 조사 방향이 음향 도파관(130)의 축심 방향 이외의 방향이 되도록 배치해도 좋다.

음향 도파관(130)은 레이저광 입사 구멍(134)측의 테이퍼부(132)와 개구부(131)측의 스트레이트부(133)로 이루어지고, 상기 테이퍼부(132)는 펄스 형상 레이저광의 적어도 초점(S) 또는 그 근방으로부터 상기 개구부(131)를 향해서 내주면의 내경이 증가하도록 형성되어 있다. 그리고, 집광 광학계(120)에 의해 집광된 펄스 형상 레이저광(L)은 음향 도파관(130)의 상기 테이퍼부(132)의 내부 공간에 상기 초점(S)이 위치하도록 레이저광 입사 구멍(134)으로부터 내부에 조사된다.

초점(S)에는 레이저 유기 브레이크다운에 의해 펄스 형상 음파(P)가 발생하고, 그 강도는 초점(S)에 있어서의 단위 면적당 광 파워 밀도에 따라 변화한다. 따라서, 집광 광학계(120)를 최적화해서 집광성을 높임으로써 동일한 레이저 출력으로부터 효율적으로 레이저 유기 브레이크다운을 발생시킬 수 있다. 일반적으로, 집광성을 높이기 위해서는 렌즈의 개구수(NA)가 큰 편이 유리하다. 이것은 대구경이고 초점 거리가 짧은 렌즈일수록 집광성이 높아지는 것을 의미한다. 그러나, 집광 효율이 좋은 초점 거리가 짧은 렌즈를 사용하면 액체 표면과의 거리가 좁아져 액적의 비산 등에 의해 집광 광학계가 오염된다. 또한, 집광성을 높이기 위해서는 파면이 갖추어져 있는 편이 유리하다. 이 때문에, 복수 렌즈의 조합에 의해 수차(收差)를 보정한 조합 렌즈(애플러내틱 렌즈)나, 렌즈면의 형상을 파면의 상태에 맞춰서 설계한 비구면 렌즈 등을 이용하는 것이 바람직하다.

레이저 유기 브레이크다운의 충격에 의해 발생한 펄스 형상 음파(P)는 구면파로서 전파되므로 자유 공간에서 펄스 형상 음파(P)를 발생시키면 단위 면적당 음파 강도는 거리의 이승에 반비례해서 급격히 감쇠한다. 이 때문에, 종래는 레이저광의 초점(S)을, 액체 표면으로부터의 거리를 길게 할 수 없었다.

본 발명에서는 음향 도파관(130)을 채용하여, 펄스 형상 음파(P)의 음향 도파관(130)의 내주면에 있어서의 반사파가 액체 표면에 대향하는 음향 도파관(130)의 개구부(131) 방향을 향해 진행하는 각 방향의 반사파의 펄스 형상 음파(P)가 개구부(131)에 도달할 때까지의 시간차를 적게 한 것이다.

즉, 레이저광의 초점(S)측에 음향 도파관(130)의 테이퍼부(132)를 형성함으로써 음향 도파관(130)의 내주면을 향하는 펄스 형상 음파(P)는 음향 도파관(130)의 축심 방향과의 각도가 작아지도록 반사되어서 개구부(131)측을 향해서 진행하여, 펄스 형상 음파(P)가 진행하는 각 방향의 상기 반사파가 거의 시간차를 발생시키지 않고 개구부(131)를 향해서 진행한다. 이 때문에, 반사파의 개구부(131)에 도달하는 반사 횟수가 감소하여 반사에 의한 에너지의 감쇠도 저감할 수 있다. 또한, 음향 도파관(130)의 내주면을 향하는 펄스 형상 음파(P)는 일부가 직사파로 되어 음향 도파관(130)의 개구부(131)측을 향해서 직접 진행하지만 상기 반사파와 직사파에 있어서도 시간차가 적어진다.

이 때문에, 자유 공간에서 펄스 형상 음파(P)를 발생시켰을 경우와 비교하여 상대적으로 긴 거리를 음향 도파관(130)에 의해 상기 펄스 형상 음파(P)의 단위 면적당 에너지를 감쇠시키지 않고 전할 수 있고, 또한 진행하는 각 방향의 반사파의 개구부(131)에 도달할 때까지의 시간차를 적게 함으로써 액체 표면에 작용하는 펄스 형상 음파(P)의 시간당 에너지의 감소도 작아지게 된다. 그리고, 레이저광의 초점(S)의 액체 표면으로부터의 거리를 길게 하는 것이 가능하게 되고, 또한 상기 음향 도파관(130)을 이용함으로써 상술한 오염을 방지하고, 집광 효율이 좋고 초점 거리가 짧은 렌즈를 이용해서 집광성을 높이는 것이 가능해진다.

이론적으로는 직접 개구부(131)에 도달하는 직사파 이외의 펄스 형상 음파(P)가 음향 도파관(130)의 내주면에서 1회만 반사해서 개구부(131) 방향을 향하는 내주면 형상으로 하는 것이 이상적이다.

그러나, 실질적으로는 음향 도파관(130)의 내주면에서 수회 반사해도 근사적으로 충분한 효과를 얻는 것이 가능하고, 이 때문에 음향 도파관(130)이 적어도 초점(P) 근방에 있어서 개구부(131)를 향해서 내주면의 내경이 증가하도록 형성되어 있음으로써 충분히 효과를 얻는다. 구체적으로는 제작이 간단하고, 용이하게 효과가 얻어지는 형상으로서 음향 도파관(130)의 내주면이 개구부(131)를 향해서 테이퍼부(132)를 갖고 있으면 좋다.

특히, 반사파의 진행 방향을 음향 도파관(130)의 축심 방향에 대하여 40°이하로 함으로써 현저한 효과가 확인되고, 그것을 위해서는 상기 음향 도파관(130)의 내주면의 테이퍼부가 1단의 테이퍼부(132)로 이루어지고, 테이퍼 각도가 축심 방향에 대하여 25° 내지 60°로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

그리고, 음향 도파관(130)의 내주면을 전체 길이에 걸쳐 테이퍼로 하면 초점(P)으로부터 개구부(131)까지의 거리가 길어짐에 따라서 개구부(131)의 면적이 커지기 때문에, 개구부(131)를 용기(A)의 상면에만 펄스 형상 음파(P)의 에너지를 집중시키도록 스트레이트부(133)가 형성되는 것이 적절하다.

또한, 보다 이상적인 내주면 형상에 가까운 형상으로 하기 위해서는 상기 테이퍼부(132)가 음향 도파관(130)의 개구부를 향해서 서서히 테이퍼 각도가 작아지는 2단의 테이퍼부로 이루어지고, 각각의 테이퍼 각도가 축심 방향에 대하여 60° 내지 80°, 30° 내지 50°로 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다.

또한, 한층 더 이상적인 내주면 형상에 가까운 형상으로 하기 위해서 도 3에 나타내는 바와 같이 상기 테이퍼부(132)가 음향 도파관(130)의 개구부(131)를 향해서 서서히 테이퍼 각도가 작아지는 3단의 테이퍼부(132a, 132b, 132c)로 이루어지고, 각각의 테이퍼 각도가 축심 방향에 대하여 60° 내지 80°, 30° 내지 50°, 10° 내지 20°로 형성되어 있는 것이 한층 더 바람직하다.

다른 실시형태

도 4는 본 발명의 다른 실시형태를 나타내는 것이다.

본 실시형태에서는 음향 도파관(230)의 테이퍼부(232)의 측방에 레이저광 입사 구멍(234)을 형성하고, 펄스 형상 레이저광 발진 장치(210) 및 집광 광학계(220)를 측방에 설치하고, 펄스 형상 레이저광(L)을 측방으로부터 조사해서 초점(S)에 집광하도록 구성되어 있다.

그리고, 음향 도파관(230)의 초점(S)으로부터 개구부 반대측에 후방 반사벽(235)을 설치함으로써 초점(S)으로부터 개구부 반대 방향으로 진행하는 펄스 형상 음파(P)를 후방 반사벽(235)에 의해 개구부(231) 방향으로 반사시켜서 소포를 위한 에너지로서 이용한다.

이것에 의해, 더욱 에너지의 이용 효율이 향상되어 낮은 레이저 출력으로도 효과적으로 소포할 수 있고, 또한 레이저광로와 펄스 형상 음파(P)의 진로를 분리할 수 있으므로 집광 광학계(220)의 제약이 적고, 집광 효율이 높은 집광 광학계를 구축할 수 있다.

또한, 도 5에 나타내는 바와 같이 레이저광 입사 구멍(234)을 반대 측방에 레이저광 통과 구멍(236)을 형성하고, 상기 레이저광 통과 구멍(236)의 외측에 반사경(223)을 설치함으로써 반사경(223)에 의해 반사된 레이저광도 초점(S)을 향하기 때문에 초점(S)에서의 에너지 밀도가 향상되어 적은 레이저 출력으로 큰 펄스 형상 음파(P)를 발생시킬 수 있다.

또한, 음향 도파관(230)의 내부에 반사경을 설치할 경우는 상기 레이저광 통과 구멍(236)은 형성할 필요는 없다.

또한, 음향 도파관(230)의 둘레벽에 가스 도입구를 형성하고 외부로부터 음향 도파관(230) 내에 가스(예를 들면 질소 가스 등의 불활성 가스나 공기 등)를 도입해도 좋다.

이 경우, 예를 들면 내용물 충전 후 즉시 소포를 행할 시에 용기 내의 음료 등의 충전 내용액으로부터 발생하는 증기가 음향 도파관에 침입해서 오염되는 것을 방지할 수 있고, 브레이크다운에 의해 발생하는 오존이 개구부(231)로부터 유출되어 용기 내로 들어가는 것을 방지할 수 있다. 또한, 가스 도입구를 형성할 경우 레이저광의 초점(S)과 개구부(231) 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

또한, 음향 도파관의 개구부(231)는 개구부에 있어서의 펄스 형상 음파의 전파 손실을 억제하기 위해서 호른(horn) 형상으로 형성해도 좋다.

음향 도파관의 길이는 길어도 좋고 짧아도 좋으며, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 음향 도파관의 내부에 있어서 초점(S)의 위치는 펄스 형상 음파(P)의 파면을 균등하게 개구부에 전달하기 위해서 상기 음향 도파관의 중심축 상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 음향 도파관의 개구부 반대측에 후방 반사벽(235)을 형성할 경우는 도 5에 나타낸 테이퍼부(232)의 연장부를 폐쇄하는 평면 형상에 한정되지 않고, 상기 음향 도파관 내부의 펄스 형상 음파(P)의 진행 방향을 고려한 적절한 형상이면 좋다.

실험

1. 레이저광의 집광 조건

레이저 발진 장치 : Quantel사제 YAG 레이저 발진 장치(Brilliant B), (레이저광의 파장 : 1064㎚)

집광 렌즈 : 시그마 광 기제 집광 렌즈(NYTL-30-50PY1)

2. 음향 도파관

(1) 길이

레이저광 입사 구멍의 중심에 초점을 맺도록 길이 100㎜.

(2) 레이저광 입사 구멍 내경, 개구부 내경

실험 1 : 레이저광 입사 구멍 내경, 개구부 내경 Φ40㎜.

실험 2 내지 7 : 레이저광 입사 구멍 내경 Φ10㎜, 개구부의 내경 Φ40㎜.

(3) 내주면 형상

실험 1 : 스트레이트 관.

실험 2 : 레이저광 입사 구멍으로부터 테이퍼 각도 150°(높이 4㎜)의 테이퍼부를 형성한 테이퍼 관.

실험 3 : 레이저광 입사 구멍으로부터 테이퍼 각도 120°(높이 8.7㎜)의 테이퍼부를 형성한 테이퍼 관.

실험 4 : 레이저광 입사 구멍으로부터 테이퍼 각도 90°(높이 15㎜)의 테이퍼부를 형성한 테이퍼 관.

실험 5 : 레이저광 입사 구멍으로부터 테이퍼 각도 60°(높이 26㎜)의 1단의 테이퍼부를 갖는 테이퍼 관.

실험 6 : 레이저광 입사 구멍으로부터 테이퍼 각도 75°(높이 5.2㎜), 45°(높이 32㎜)의 2단의 테이퍼부를 갖는 테이퍼 관.

실험 7 : 레이저광 입사 구멍으로부터 테이퍼 각도 71°(높이 4.4㎜), 42°(높이 25㎜), 13°(높이 60㎜)의 3단의 테이퍼부를 갖는 테이퍼 관.

또한, 상기 테이퍼부의 테이퍼 각도, 높이는 상기 음향 도파관의 축심 방향에 대한 각도, 높이이며, 개구부를 향해서 나머지 부분은 스트레이트부이다.

3. 음료캔

내용량 200g 캔에 65℃의 밀크가 들어간 커피 190g을 깔때기에 의해 거품을 내면서 충전하고, 음향 도파관의 개구부로부터 10㎜ 떨어진 위치에 설치했다.

도 6에 각 실험의 결과를 나타낸다.

4. 음향 도파관의 내주면 형상

각 실험 1 내지 7에 있어서의 음향 도파관의 내주면 형상에 대해서 OPHIR사제 파워 미터 30A-P-17 및 VEGA를 이용해서 펄스 형상 레이저의 1펄스당 출력을 260mJ와 390mJ로 설정하고, 1회의 펄스 형상 음파를 발생시켰을 때의 소포 결과를 사진으로 확인했다.

그 결과, 레이저광 초점 근방으로부터 음향 도파관의 개구부를 향해서 내주면의 내경이 증가하는 테이퍼부가 1단의 테이퍼부로 이루어지고, 테이퍼 각도가 60°로 형성되어 있는 것(실험 5), 또한 상기 테이퍼부가 음향 도파관의 개구부를 향해서 서서히 테이퍼 각도가 작아지는 2단의 테이퍼부로 이루어지고, 각각의 테이퍼 각도가 75°, 45°로 형성되어 있는 것(실험 6), 또한 상기 테이퍼부가 음향 도파관의 개구부를 향해서 서서히 테이퍼 각도가 작아지는 3단의 테이퍼부로 이루어지고, 각각의 테이퍼 각도가 71°, 42°, 13°로 형성되어 있는 것(실험 7)에서 소포 효과가 향상되었다.

5. 음향 도파관에 있어서의 펄스 형상 음파의 전파 상태

상기 각 실험 1 내지 7에 있어서의 음향 도파관의 내주면 형상에 있어서 펄스 형상 음파가 발생 후 294마이크로초(㎲) 경과 후의 펄스 형상 음파의 전파 상태를 확인한 결과, 현저히 소포 효과가 상승하는 실험 5 내지 7에 있어서는 음향 도파관의 내주면을 진행하는 각 방향의 펄스 형상 음파의 반사파가 상기 음향 도파관의 축심 방향에 대하여 40° 이하의 각도 어긋남이 발생하고 있는 것이 판명됐다.

이와 같이, 이 40° 이하의 각도 어긋남에 의해 반사파가 음향 도파관의 개구부 방향을 향하게 하여 상기 개구부에 직접 향하는 직사파가 도달한 시점에 반사파도 개구부 부근에 도달하여 상기 반사파와 직사파의 상기 개구부에 도달하는 시간차가 적어져 현저히 소포 효과가 상승한다.

따라서, 이 결과로부터 음향 도파관의 내주면 형상을 상술한 40° 이하의 각도 어긋남이 발생하는 형상으로 하는 것, 구체적으로는 레이저광의 초점 또는 그 근방으로부터 상기 음향 도파관의 개구부를 향해서 내주면의 내경이 증가하는 형상으로 하는 것이 중요하다.

그리고, 음향 도파관의 내주면 형상은 상술한 실험 5의 음향 도파관의 개구부를 향해서 내경이 증가하는 1단의 테이퍼부, 특히 상기 개구부를 향해서 서서히 테이퍼 각도가 작아지는 실험 6의 2단의 테이퍼부, 또는 실험 7의 3단의 테이퍼부로 형성하는 것이 펄스 형상 음파의 음향 도파관의 내주면에 있어서의 반사파가 개구부 방향을 향해 진행하는 각 방향의 반사파의 상기 개구부에 도달하는 시간차가 순차적으로 적어진다.

이 때문에, 음향 도파관의 내주면의 형상은 상술한 테이퍼부로 하는 것이 적절하다.

이상, 본 발명의 소포 방법 및 소포 장치의 여러 가지의 실시형태를 나타냈지만 본 발명은 이들 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 음향 도파관 내에서 발생하는 펄스 형상 음파를 이용해서 포말을 순시에 파괴할 수 있는 것이면 그 구체적 수단은 특별히 한정되는 것이 아니고 여러 가지의 방법 및 장치가 채용 가능하다.

본 발명은 금속캔, 플라스틱제 컵, 트레이 형상 용기, PET 보틀, 보틀캔, 유리병 등의 각종 용기에 적용할 수 있다. 일반적으로 펄스 형상 레이저광의 반복 주기 및 펄스 폭은 짧으므로 용기가 반송(搬送)되고 있어도 실질적으로는 정지하고 있는 것으로서 취급할 수 있고, 하나의 용기에 대하여 1회만 펄스 형상 음파를 발생시켜도 좋고, 임의의 반복 주기로 복수회 발생시켜도 좋다. 또한, 단일의 광속을 조사해도 좋고, 복수의 광속을 조사해도 좋다. 또한, 갈바노 미러 등의 광학 소자를 이용해서 광속을 주사하면서 복수의 펄스 형상 음파를 발생시키는 것도 가능하다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명의 소포 방법 및 소포 장치는 각종 용기에 음료 등의 내용물을 충전할 때에 발생하는 거품의 소포에 적절하지만, 상기 각종 용기에 음료 등의 내용물을 충전하는 경우에 한하지 않고 예를 들면 두부 제조 공정 등의 다양한 식품 제조 공정 등에 있어서 발생하는 거품의 소포나 다양한 산업 분야에 있어서의 소포 수단에 이용 가능하다.

100, 200 : 소포 장치 110, 210 : 펄스 형상 레이저광 발진 장치
120, 220 : 집광 광학계 121, 221 : 렌즈
122 : 프리즘 223 : 반사경
130, 230 : 음향 도파관 131, 231 : 개구부
132, 232 : 테이퍼부 133, 233 : 스트레이트부
134, 234 : 레이저광 입사 구멍 235 : 후방 반사벽
236 : 레이저광 통과 구멍 A : 용기
B : 거품 C : 내용물
L : 레이저광 S : 초점
P : 펄스 형상 음파

Claims

펄스 형상 레이저광에 의한 펄스 형상 음파로 액체 표면의 포말을 파괴시키는 소포 방법으로서, 상기 펄스 형상 음파의 음향 도파관의 내주면에 있어서의 반사파가 상기 액체 표면에 대향하는 음향 도파관의 개구부 방향을 향하게 하여 진행하는 각 방향의 반사파의 상기 개구부에 도달하는 시간차를 적게 한 것을 특징으로 하는 소포 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 반사파의 진행 방향을 음향 도파관의 축심 방향에 대하여 40°이하로 하는 것을 특징으로 하는 소포 방법.
펄스 형상 레이저광에 의한 펄스 형상 음파로 액체 표면의 포말을 파괴시키는 소포 장치로서, 펄스 형상 레이저광 발진 장치, 상기 펄스 형상 레이저광 발진 장치로부터 발진된 펄스 형상 레이저광을 집광하는 집광 광학계, 집광된 레이저광의 초점이 내부 공간에 위치하고 개구부가 액체 표면에 대향하도록 배치된 음향 도파관을 구비하고,
상기 음향 도파관이 상기 펄스 형상 레이저광이 통과하는 레이저광 입사 구멍을 가짐과 아울러 적어도 상기 초점 또는 그 근방으로부터 상기 개구부를 향해서 내주면의 내경이 증가하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 소포 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 음향 도파관의 내주면은 개구부를 향해서 테이퍼부를 갖는 것을 특징으로 하는 소포 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 테이퍼부는 1단의 테이퍼부로 이루어지고, 테이퍼 각도가 축심 방향에 대하여 25° 내지 60°로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 소포 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 테이퍼부는 상기 개구부를 향해서 서서히 테이퍼 각도가 작아지는 2단의 테이퍼부로 이루어지고, 각각의 테이퍼 각도가 축심 방향에 대하여 60° 내지 80°, 30° 내지 50°로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 소포 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 테이퍼부는 상기 개구부를 향해서 서서히 테이퍼 각도가 작아지는 3단의 테이퍼부로 이루어지고, 각각의 테이퍼 각도가 축심 방향에 대하여 60° 내지 80°, 30° 내지 50°, 10° 내지 20°로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 소포 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 테이퍼부의 하방에 상기 개구부를 향하는 스트레이트부를 갖는 것을 특징으로 하는 소포 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 테이퍼부의 하방에 상기 개구부를 향하는 스트레이트부를 갖는 것을 특징으로 하는 소포 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 테이퍼부의 하방에 상기 개구부를 향하는 스트레이트부를 갖는 것을 특징으로 하는 소포 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 테이퍼부의 하방에 상기 개구부를 향하는 스트레이트부를 갖는 것을 특징으로 하는 소포 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 집광된 레이저광의 초점으로부터 개구부 반대측에는 상기 초점으로부터 개구부 반대 방향으로 진행하는 각 방향의 펄스 형상 음파를 개구부 방향으로 반사하는 후방 반사벽을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 소포 장치.