WO2012120915A1 - 消泡方法及び消泡装置 - Google Patents

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WO2012120915A1
WO2012120915A1 PCT/JP2012/050341 JP2012050341W WO2012120915A1 WO 2012120915 A1 WO2012120915 A1 WO 2012120915A1 JP 2012050341 W JP2012050341 W JP 2012050341W WO 2012120915 A1 WO2012120915 A1 WO 2012120915A1
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acoustic waveguide
pulsed
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栄隆 辰見
義彦 木村
佑也 中根
森田　佳之
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Toyo Seikan Group Holdings Ltd
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Toyo Seikan Kaisha Ltd
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    • B01D—SEPARATION
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D19/00—Degasification of liquids
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65B—MACHINES, APPARATUS OR DEVICES FOR, OR METHODS OF, PACKAGING ARTICLES OR MATERIALS; UNPACKING
    • B65B3/00—Packaging plastic material, semiliquids, liquids or mixed solids and liquids, in individual containers or receptacles, e.g. bags, sacks, boxes, cartons, cans, or jars
    • B65B3/22—Defoaming liquids in connection with filling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B67—OPENING, CLOSING OR CLEANING BOTTLES, JARS OR SIMILAR CONTAINERS; LIQUID HANDLING
    • B67C—CLEANING, FILLING WITH LIQUIDS OR SEMILIQUIDS, OR EMPTYING, OF BOTTLES, JARS, CANS, CASKS, BARRELS, OR SIMILAR CONTAINERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; FUNNELS
    • B67C3/00—Bottling liquids or semiliquids; Filling jars or cans with liquids or semiliquids using bottling or like apparatus; Filling casks or barrels with liquids or semiliquids
    • B67C3/02—Bottling liquids or semiliquids; Filling jars or cans with liquids or semiliquids using bottling or like apparatus
    • B67C3/22—Details
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/04—Sound-producing devices
    • G10K15/046—Sound-producing devices using optical excitation, e.g. laser bundle

Definitions

  • the present invention relates to the elimination of bubbles on the surface of a liquid, in particular, bubbles generated when filling a container such as a metal can, a plastic cup, a tray-like container, a PET bottle, a bottle can or a glass bottle with a content such as a beverage.
  • the present invention relates to a defoaming method and a defoaming apparatus suitable for defoaming.
  • the filling process of various beverages in cans is generally filled with beverages from above into an upright container in a filling machine, and then a sealing device (winding machine, capper, etc.) Seal with a lid or cap.
  • a sealing device Winding machine, capper, etc.
  • a deoxygenation technique by gas replacement such as undercover gassing immediately before sealing has been developed and used.
  • the oxygen in the bubbles cannot be removed by headspace gas replacement, which hinders the reduction of oxygen content in the headspace.
  • the deoxygenation technology by gas replacement is improved, it is the main cause of the residual oxygen amount.
  • a method of mixing an antifoaming agent is used in the beverage formulation, but it may affect the taste of the contents such as beverages. There is a need for an effective defoaming technique that eliminates odors.
  • a defoaming technique for irradiating laser light as external energy has been proposed.
  • an intermolecular bond forming a bubble film and a water molecule in the film by a light beam of laser light.
  • an antifoaming technique has been proposed in which organic molecules are vibrated and excited to cut off the intermolecular bond and defoam.
  • Patent Document 1 the present applicant has found that pulsed sound waves generated by the impact of laser-induced breakdown of pulsed laser light exert an excellent effect on defoaming. And a defoaming method for defoaming ”(Patent Document 2).
  • the conventional defoaming technique according to Patent Document 1 irradiates each bubble with a light beam of laser light, so it takes a long time for defoaming and cannot be defoamed at high speed.
  • the bubbles in the vicinity of the peripheral surface cannot be effectively removed.
  • the defoaming technique according to Patent Document 2 generates a pulsed sound wave by the impact of laser-induced breakdown, and the pulsed sound wave with a strong pressure change propagates as a spherical wave from the sound source to destroy the bubble and eliminate the bubble.
  • the pulsed sound wave propagates to the inner peripheral surface of the container, and the bubbles in the vicinity of the inner peripheral surface of the container, which are difficult to defoam by the conventional method, can be effectively defoamed.
  • the impact of a liquid surface such as a beverage is so great that the droplets are scattered and adhere to an apparatus or a condensing optical system such as a condensing lens to cause contamination.
  • the condensing optical system such as a laser light oscillation device and a condensing lens by vapor from the liquid surface or bubbles of broken bubbles, the position must be separated from the liquid surface. Therefore, the condensing property of the laser beam is lowered and the defoaming property cannot be improved.
  • the antifoaming technique of Patent Document 2 proposed by the present applicant is a technique superior to the conventional antifoaming technique of Patent Document 1 and the like.
  • the focal length must be increased to prevent the pulsed laser light from being directed toward the liquid surface and preventing the optical elements such as lenses from becoming contaminated with vapor from the liquid surface or bubbles of bubbles that have broken bubbles. 1. Improving the laser beam condensing performance by shortening the focal length. Further improvement such as improving the defoaming efficiency because the pulsed sound wave is generated in free space and propagated in a spherical wave, and only a part of the pulsed sound wave is involved in defoaming. Improvement is desired.
  • the present invention solves the problems in the defoaming technique described above, and in the defoaming technique using the pulsed sound wave generated by the laser-induced breakdown impact of the pulsed laser beam, the pulsed sound wave
  • An object of the present invention is to provide a defoaming method and a defoaming apparatus that embodies these methods to improve the utilization efficiency during defoaming, prevent contamination of the condensing optical system, etc., and obtain an effective defoaming effect. Is.
  • the present inventor has directed the pulsed sound wave generated by the impact of laser-induced breakdown of the pulsed laser beam toward the liquid surface using an acoustic waveguide.
  • the inventors have found that the above problems can be solved, and have reached the present invention.
  • the invention according to claim 1 is a defoaming method for destroying foam on a liquid surface with a pulsed sound wave generated by a pulsed laser beam, and a reflected wave of the pulsed sound wave on an inner peripheral surface of an acoustic waveguide is The problem is solved by reducing the time difference between the reflected waves traveling in the directions directed to the opening of the acoustic waveguide facing the liquid surface and reaching the opening.
  • the traveling direction of the reflected wave is set to 40 ° or less with respect to the axial direction of the acoustic waveguide. It solves the problem.
  • the invention according to claim 3 is a defoaming device for destroying foam on the liquid surface with a pulsed sound wave generated by a pulsed laser beam, which is oscillated from the pulsed laser beam oscillation device and the pulsed laser beam oscillation device.
  • the wave tube has a laser beam incident hole through which the pulsed laser beam passes, and is formed so that the inner diameter of the inner peripheral surface increases toward at least the opening from the focal point or the vicinity thereof. The problem is solved.
  • the invention according to claim 4 solves the above problem by having an inner peripheral surface of the acoustic waveguide has a tapered portion toward the opening.
  • the taper portion is composed of a single taper portion, and the taper angle is formed at 25 ° to 60 ° with respect to the axial direction. Therefore, the problem is solved.
  • the tapered portion is composed of a two-stage tapered portion in which the taper angle gradually decreases toward the opening.
  • the taper angle is 60 ° to 80 ° and 30 ° to 50 ° with respect to the axial direction, thereby solving the above-mentioned problem.
  • the invention according to claim 7 is composed of a three-stage taper portion in which the taper angle gradually decreases toward the opening.
  • the taper angle is 60 ° to 80 °, 30 ° to 50 °, 10 ° to 20 ° with respect to the axial direction.
  • the invention according to claim 12 includes, in addition to the configuration of the defoaming device according to claim 3, each of the light beams traveling from the focus toward the anti-opening portion on the side opposite to the opening from the focus of the focused laser beam.
  • the problem is solved by providing a rear reflecting wall that reflects the pulsating sound wave in the direction toward the opening.
  • the energy of pulsed sound waves in the conventional free space can be concentrated in the direction of the opening of the acoustic waveguide, and the pulsed sound waves acting on the liquid surface such as beverages.
  • the decrease in energy per hour can be reduced.
  • the attenuation of energy due to this reflection is also reduced, and the energy use efficiency is further improved. Effective defoaming with low laser power.
  • this makes it possible to separate the laser light oscillation device and the condensing optical system from the surface of the liquid, increasing the degree of freedom of the arrangement, and preventing contamination of the laser light oscillation device and the condensing optical system. And an efficient condensing optical system etc. can be constructed
  • the time difference until the reflected wave of the traveling pulsed sound wave in each direction reaches the opening is substantially the same as when the reflected wave reaches the opening at the same time. It can be reduced to a level where the foam effect is obtained, energy utilization efficiency is improved, and the foam can be effectively eliminated even with a low laser output.
  • the defoaming method according to claim 1 can be embodied to provide the defoaming apparatus having the above-mentioned effect, and the laser light path and the traveling path of the pulsed sound wave can be obtained. Since it can be separated, the degree of freedom of arrangement of the laser light oscillation device, the condensing optical system, etc. is further increased, contamination can be prevented, and a more efficient condensing optical system can be constructed and defoamed. .
  • the traveling direction of the reflected wave of the pulsed sound wave can be set to be 40 ° or less with respect to the axial center direction of the acoustic waveguide.
  • the time difference until the reflected wave reaches the opening can be reduced to a level where the defoaming effect is substantially the same as when the reflected wave reaches the opening at the same time, and the energy utilization efficiency is improved. It can effectively defoam even with low laser power.
  • the traveling direction of the reflected wave of the pulsed sound wave can be further reduced with respect to the axial direction of the acoustic waveguide.
  • the time difference until reaching the opening of the wave can be further reduced, the energy utilization efficiency can be further improved, and the bubbles can be effectively eliminated even at a low laser output.
  • the traveling direction of the reflected wave of the pulsed sound wave can be further reduced with respect to the axial direction of the acoustic waveguide.
  • the time difference until the reflected wave reaches the opening can be further reduced, the energy utilization efficiency can be further improved, and the bubbles can be effectively eliminated even at a lower laser output.
  • the area of the opening is made constant regardless of the length of the acoustic waveguide, and the reflected wave is opened with a constant area. Because it is possible to concentrate the laser beam on the liquid surface, it is possible to freely set the distance between the focal point of the laser beam and the liquid surface, further increasing the degree of freedom of arrangement of the laser beam oscillation device and the focusing optical system, and preventing contamination. And a more efficient condensing optical system can be constructed. According to the configuration of the twelfth aspect, since the pulsed sound wave can be reflected and used in the direction of the opening, the energy utilization efficiency is further improved, and the bubbles can be effectively eliminated even with a low laser output.
  • the cross-sectional schematic of the defoaming apparatus which concerns on embodiment of this invention.
  • the cross-sectional schematic of the defoaming apparatus which concerns on other embodiment of this invention.
  • the cross-sectional schematic of the defoaming apparatus which concerns on other embodiment of this invention.
  • the cross-sectional schematic of the defoaming apparatus which concerns on other embodiment of this invention.
  • the cross-sectional schematic of the defoaming apparatus which concerns on other embodiment of this invention. The comparative experiment figure of each experiment of defoaming.
  • the defoaming method of the present invention is a defoaming method for destroying foam on a liquid surface with a pulsed sound wave generated by a pulsed laser beam, and the reflected wave of the pulsed sound wave on the inner peripheral surface of the acoustic waveguide is The time difference of the reflected wave traveling in each direction toward the opening of the acoustic waveguide facing the liquid surface is reduced.
  • the defoaming apparatus of the present invention is an apparatus that embodies the defoaming method, and includes a pulsed laser beam oscillation device and a collector that collects the pulsed laser beam oscillated from the pulsed laser beam oscillation device.
  • FIG. 1 schematically shows the defoaming principle in its basic form.
  • reference numeral 100 denotes a defoaming device, which is a pulsed laser beam oscillation device 110 that generates pulsed light L, and the pulsed laser beam L oscillated from the pulsed laser beam oscillation device 110 is focused on a focal point S.
  • the condensing optical system 120 and the acoustic waveguide 130 are configured such that the opening 131 of the acoustic waveguide 130 faces upward in the vertical direction with respect to the liquid surface of the defoaming target beverage or the like. Is arranged.
  • FIG. 1 schematically shows the defoaming principle in its basic form.
  • reference numeral 100 denotes a defoaming device, which is a pulsed laser beam oscillation device 110 that generates pulsed light L, and the pulsed laser beam L oscillated from the pulsed laser beam oscillation device 110 is focused on a focal point S.
  • the acoustic waveguide 130 is vertically arranged above the passing position, and the pulsed laser light oscillation device 110 and the condensing optical system are so arranged as to irradiate the pulsed laser light L from the axial center direction of the acoustic waveguide 130. 120 is arranged.
  • the pulsed laser beam oscillation device 110 a device that oscillates a pulsed laser beam capable of emitting energy stored in the laser medium as a light pulse at a stretch is suitable.
  • the pulsed laser include femtosecond lasers such as a YAG laser capable of Q-switch oscillation, a YVO4 laser, a YLF laser, and a TiS laser. These pulsed lasers have a repetition period of several Hz to several tens of kHz, and the energy stored during this repetition period has a very short time width of several femtoseconds (fs) to several tens of nanoseconds (ns). discharge. Therefore, a high peak power can be efficiently obtained from a small input energy.
  • fs femtoseconds
  • a pulsed laser beam oscillator that oscillates various laser beams such as a CO2 laser, an excimer laser, and a semiconductor laser can also be used.
  • generated by the wavelength conversion element from the fundamental wave of these laser lights can also be used.
  • These pulsed laser beams include continuous wave (CW) pulsed laser beams.
  • pulsed light can be generated using a light control member such as a shutter.
  • the condensing optical system 120 in the present embodiment shows one condensing lens 121 disposed between the pulsed laser light oscillator 110 and the acoustic waveguide 130, but is not necessarily limited thereto. It is not a thing.
  • the condensing optical system 120 may be formed separately from the pulsed laser beam oscillation device 110, but may be provided integrally with the pulsed laser beam oscillation device 110. Further, as shown in FIG. 2, the condensing optical system 120 is provided with a prism 122, a reflecting mirror or the like to bend and condense the pulsed laser light L, and the irradiation direction of the pulsed laser light oscillator 110 is acoustically guided. You may arrange
  • the acoustic waveguide 130 includes a tapered portion 132 on the laser light incident hole 134 side and a straight portion 133 on the opening 131 side, and the tapered portion 132 is at least the focal point S of the pulsed laser light or the opening 131 from the vicinity thereof. It is formed so that the inner diameter of the inner peripheral surface increases toward.
  • the pulsed laser light L condensed by the condensing optical system 120 is irradiated from the laser light incident hole 134 so that the focal point S is located in the internal space of the tapered portion 132 of the acoustic waveguide 130. Is done.
  • a pulsed sound wave P is generated by laser-induced breakdown, and its intensity varies depending on the optical power density per unit area at the focal point S. Therefore, by optimizing the condensing optical system 120 and improving the condensing performance, it is possible to efficiently generate laser-induced breakdown from the same laser output.
  • NA numerical aperture
  • the wave fronts are aligned.
  • a combination lens aplanato lens
  • an aspheric lens designed in accordance with the state of the wavefront of the lens surface.
  • the pulsed sound wave P generated by the impact of the laser-induced breakdown propagates as a spherical wave
  • the sound intensity per unit area is rapidly attenuated in inverse proportion to the square of the distance. To do.
  • the focal point S of the laser beam cannot be increased from the liquid surface.
  • the acoustic waveguide 130 is employed, and the reflected wave of the pulsed sound wave P on the inner peripheral surface of the acoustic waveguide 130 is directed toward the opening 131 of the acoustic waveguide 130 facing the liquid surface and travels. The time difference until the pulsed sound wave P of the reflected wave in each direction reaches the opening 131 is reduced.
  • the pulsed sound wave P directed toward the inner peripheral surface of the acoustic waveguide 130 is in the axial direction of the acoustic waveguide 130. Is reflected so that the angle becomes smaller and travels toward the opening 131, and the reflected wave in each direction in which the pulsed sound wave P travels travels toward the opening 131 with almost no time difference. For this reason, the number of reflections of the reflected wave reaching the opening 131 is reduced, and attenuation of energy due to reflection can be reduced.
  • a part of the pulsed sound wave P directed to the inner peripheral surface of the acoustic waveguide 130 becomes a direct wave and travels directly toward the opening 131 side of the acoustic waveguide 130.
  • the time difference is reduced. Therefore, compared to the case where the pulsed sound wave P is generated in free space, the acoustic waveguide 130 transmits a relatively long distance without attenuating the energy per unit area of the pulsed sound wave P.
  • the time difference until the reflected wave traveling in each direction reaches the opening 131, the decrease in energy per time of the pulsed sound wave P acting on the liquid surface is reduced.
  • the pulsed sound wave P other than the direct wave that directly reaches the opening 131 is reflected by the inner peripheral surface of the acoustic waveguide 130 only once and has an inner peripheral surface shape toward the opening 131.
  • the acoustic waveguide 130 is at least near the focal point P.
  • the inner diameter of the inner peripheral surface increases toward the opening 131, and the effect is sufficiently obtained.
  • the inner peripheral surface of the acoustic waveguide 130 has a tapered portion 132 toward the opening 131 as a shape that can be easily manufactured and easily obtain an effect.
  • the traveling direction of the reflected wave is set to 40 ° or less with respect to the axial direction of the acoustic waveguide 130, a remarkable effect is recognized.
  • the taper of the inner peripheral surface of the acoustic waveguide 130 is achieved. It is desirable that the portion is composed of a single taper portion 132, and the taper angle is 25 ° to 60 ° with respect to the axial direction.
  • the tapered portion 132 is composed of a two-step tapered portion whose taper angle gradually decreases toward the opening of the acoustic waveguide 130. More preferably, the respective taper angles are formed at 60 ° to 80 ° and 30 ° to 50 ° with respect to the axial direction.
  • the taper portion 132 gradually has a taper angle toward the opening 131 of the acoustic waveguide 130.
  • the taper portions 132a, 132b and 132c are formed in three steps, and the respective taper angles are formed at 60 ° to 80 °, 30 ° to 50 °, 10 ° to 20 ° with respect to the axial direction. Even more desirable.
  • FIG. 4 shows another embodiment of the present invention.
  • a laser beam incident hole 234 is provided on the side of the tapered portion 232 of the acoustic waveguide 230, and the pulsed laser beam oscillation device 210 and the condensing optical system 220 are provided on the side to provide a pulsed laser beam.
  • L is irradiated from the side and condensed at the focal point S.
  • the pulsed sound wave P traveling from the focal point S toward the opposite opening is directed toward the opening 231 by the rear reflection wall 235. Reflected and used as energy for defoaming.
  • the laser beam passage hole 236 on the opposite side of the laser beam incident hole 234 and providing a reflection mirror 223 outside the laser beam passage hole 236, the laser beam is reflected by the reflection mirror 223. Since the laser light is also directed to the focal point S, the energy density at the focal point S is improved, and a large pulsed sound wave P can be generated with a small laser output. Note that when a reflecting mirror is provided inside the acoustic waveguide 230, the laser light passage hole 236 need not be formed.
  • a gas inlet may be provided in the peripheral wall of the acoustic waveguide 230, and a gas (for example, an inert gas such as nitrogen gas or air) may be introduced into the acoustic waveguide 230 from the outside.
  • a gas for example, an inert gas such as nitrogen gas or air
  • a gas inlet it is preferable to be located between the focus S of the laser beam and the opening 231.
  • the opening 231 of the acoustic waveguide may be formed in a horn shape in order to suppress the propagation loss of the pulsed sound wave in the opening.
  • the length of the acoustic waveguide may be long or short, and is not particularly limited.
  • the position of the focal point S is preferably on the central axis of the acoustic waveguide in order to transmit the wavefront of the pulsed sound wave P evenly to the opening.
  • the rear reflection wall 235 is provided on the side opposite to the opening of the acoustic waveguide, it is not limited to a planar shape that closes the extension of the tapered portion 232 shown in FIG. An appropriate shape may be used in consideration of the traveling direction of the sound wave P.
  • Condensing condition of laser light Laser oscillation device: Quantel YAG laser oscillation device (Brillant B), (Laser light wavelength: 1064 nm)
  • Condensing lens Condensing lens made by Sigma Kogyo (NYTL-30-50PY1) 2.
  • Acoustic waveguide (1) length 100 mm long so as to focus on the center of the laser light incident hole.
  • Laser beam incident hole inner diameter, opening inner diameter Experiment 1: Laser beam incident hole inner diameter, opening inner diameter ⁇ 40 mm.
  • Experiments 2 to 7 Laser light incident hole inner diameter ⁇ 10 mm, opening inner diameter ⁇ 40 mm.
  • Inner peripheral surface shape Experiment 1: Straight pipe.
  • Experiment 2 Tapered tube having a taper portion with a taper angle of 150 ° (height 4 mm) from the laser beam incident hole.
  • Experiment 3 A tapered tube in which a tapered portion having a taper angle of 120 ° (height 8.7 mm) is formed from the laser beam incident hole.
  • Experiment 4 Tapered tube in which a tapered portion having a taper angle of 90 ° (height of 15 mm) is formed from the laser beam incident hole.
  • Experiment 5 Tapered tube having a one-step tapered portion with a taper angle of 60 ° (height: 26 mm) from the laser beam incident hole.
  • Experiment 6 Tapered tube having a two-step tapered portion with a taper angle of 75 ° (height 5.2 mm) and 45 ° (height 32 mm) from the laser light incident hole.
  • Experiment 7 Tapered tube having a three-stage tapered portion with taper angles of 71 ° (height 4.4 mm), 42 ° (height 25 mm), and 13 ° (height 60 mm) from the laser light incident hole.
  • the taper angle and height of the taper portion are the angle and height with respect to the axial direction of the acoustic waveguide, and the remaining portion is a straight portion toward the opening.
  • Beverage can A 200 g can with a capacity of 200 g of milk containing coffee at 65 ° C. was filled with a funnel while foaming, and placed at a position 10 mm away from the opening of the acoustic waveguide.
  • FIG. 6 shows the results of each experiment.
  • Inner peripheral surface shape of acoustic waveguide For the inner peripheral surface shape of the acoustic waveguide in each experiment 1 to 7, the output per pulse of the pulsed laser using the power meter 30A-P-17 manufactured by OPHIR and VEGA was set to 260 mJ and 390 mJ, and the defoaming result when one pulsed sound wave was generated was confirmed with a photograph. As a result, the taper portion in which the inner diameter of the inner peripheral surface increases from the vicinity of the laser beam focus toward the opening of the acoustic waveguide is formed of a single taper portion, and the taper angle is formed at 60 ° (Experiment 5).
  • the taper portion is composed of a two-step taper portion whose taper angle gradually decreases toward the opening of the acoustic waveguide, and each taper angle is formed at 75 ° and 45 °.
  • the taper portion is composed of a three-stage taper portion whose taper angle gradually decreases toward the opening of the acoustic waveguide, and each taper angle is 71 °, 42 °, 13 °. The defoaming effect was improved by being formed (Experiment 7).
  • Propagation State of Pulsed Sound Wave in Acoustic Waveguide Propagation of pulsed sound wave after 294 microseconds ( ⁇ s) after generation of pulsed sound wave in the inner peripheral surface shape of acoustic waveguide in each of Experiments 1 to 7 As a result of confirming the state, in Experiments 5 to 7 in which the defoaming effect is remarkably increased, the reflected wave of the pulsed sound wave in each direction traveling on the inner peripheral surface of the acoustic waveguide is reflected on the axis of the acoustic waveguide. It was found that an angle deviation of 40 ° or less with respect to the central direction occurred.
  • the reflected wave is directed toward the opening of the acoustic waveguide, and when the direct wave directly reaching the opening reaches, the reflected wave also reaches the vicinity of the opening.
  • the time difference between the reflected wave and the direct wave reaching the opening is reduced, and the defoaming effect is significantly increased. Therefore, based on this result, the shape of the inner peripheral surface of the acoustic waveguide is set to a shape that causes the above-mentioned angle deviation of 40 ° or less, specifically, the acoustic waveguide from the focal point of laser light or the vicinity thereof. It is important that the inner diameter of the inner peripheral surface increases toward the opening.
  • the shape of the inner peripheral surface of the acoustic waveguide is a one-step tapered portion whose inner diameter increases toward the opening portion of the acoustic waveguide of Experiment 5 described above, in particular, the taper angle gradually toward the opening portion.
  • the reflection wave of the pulsed sound wave on the inner peripheral surface of the acoustic waveguide is directed toward the opening so as to be formed in the two-step taper portion of Experiment 6 or the three-step taper portion of Experiment 7.
  • the time difference between the reflected waves traveling in the respective directions reaching the opening is sequentially reduced.
  • the shape of the inner peripheral surface of the acoustic waveguide is preferably the aforementioned tapered portion.
  • the present invention is not limited to these embodiments, and foam is generated using pulsed sound waves generated in an acoustic waveguide.
  • the specific means is not particularly limited as long as it can be destroyed instantaneously, and various methods and apparatuses can be employed.
  • the present invention can be applied to various containers such as metal cans, plastic cups, tray-like containers, PET bottles, bottle cans, and glass bottles. In general, since the repetition period and pulse width of the pulsed laser beam are short, it can be treated as substantially stopped even if the container is transported, and the pulsed sound wave is applied only once to one container.
  • It may be generated or may be generated a plurality of times at an arbitrary repetition period. Moreover, a single light beam may be irradiated or a plurality of light beams may be irradiated. Furthermore, it is also possible to generate a plurality of pulsed sound waves while scanning the light beam using an optical element such as a galvanometer mirror.
  • the defoaming method and defoaming apparatus of the present invention are suitable for defoaming foam generated when filling various containers with contents such as beverages, but when filling various containers with contents such as beverages.
  • the present invention can be used for defoaming foam generated in various food production processes such as a tofu production process, and in various industrial fields.

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Abstract

　レーザー誘起ブレークダウンの衝撃によって発生するパルス状音波を、音響導波管を用いて液体表面方向に向けることにより、効果的な消泡効果が得ること。　レーザー誘起ブレークダウンの衝撃によって発生するパルス状音波の音響導波管の内周面における反射波が、液体表面に対向する音響導波管の開口部方向に向けられ、進行する各方向の前記反射波の開口部に達する時間差を少なくしたこと。

Description

消泡方法及び消泡装置
　本願発明は、液体表面上の泡の消去、特に、金属缶、プラスチック製カップ、トレー状容器、ＰＥＴボトル、ボトル缶或いはガラス瓶などの各種容器に飲料などの内容物を充填する際に発生する泡を消泡するのに好適な消泡方法及び消泡装置に関する。
　各種容器入り飲料（缶詰飲料、ＰＥＴボトル詰め飲料、瓶詰め飲料など）の充填工程は、一般に充填機において正立した容器に上方から飲料を充填し、次に密封装置(巻締機・キャッパーなど)で蓋、或いはキャップにより密封する。そして、飲料の品質を保持し、フレーバーを向上させる重要な因子として、密封容器内の残存酸素量の低減があり、特に、容器内のヘッドスペースから酸素を除去することが重要である。これを実現するため、密封直前のアンダーカバーガッシングなどのガス置換による脱酸素技術が開発され用いられている。一方、容器入り飲料は大量に消費される製品であることから充填工程の高速化が追及され、缶詰飲料の場合、毎分１０００缶～２０００缶を製造する高速ラインが実用化されており、このような高速ラインの飲料の充填において容器内に泡が発生する。この泡の発生挙動、及び発生した泡の消滅挙動は、個々の飲料の性質や充填条件によって異なるが、一般的に、生産速度が速くなるほど、泡が多く発生し、かつ、泡が消滅するまでに十分な時間がとれず、泡が残った状態で密封が行われることになる。
　また、泡内の酸素はヘッドスペースのガス置換では除去できないのでヘッドスペースの酸素量低減を妨げる。特に、ガス置換による脱酸素技術が向上した現在では、残存酸素量の主因となっている。現状では泡を抑制するために、飲料処方に消泡剤を混合する手法が用いられるが、飲料等の内容物の味に影響を与える場合があり、このため、充填から密封までの間に泡を消滅させる有効な消泡技術が求められている。
　そこで、この要求に対する解決策として、外部エネルギーであるレーザー光を照射する消泡技術が提案され、例えば、レーザー光の光ビームで、泡膜を形成している分子間結合と膜内の水分子或いは有機分子を振動励起させ、分子間結合を切断して消泡する消泡技術が提案されている。（特許文献１）
　また、本出願人は、パルス状レーザー光のレーザー誘起ブレークダウンの衝撃によって発生するパルス状音波が消泡に対して優れた効果を発揮することを見出し、「パルス状音波を用いて泡沫を破壊して消泡する消泡方法」を提案した（特許文献２)。
特開昭６３－２５２５０９号公報 国際公開２００７－０８６３３９号公報
　しかしながら、従来の前記特許文献１による消泡技術は、レーザー光の光ビームで各泡を照射するため、消泡に長時間を要して高速で消泡することができず、また、容器内周面近傍の泡も効果的に消泡することができない。
　一方、前記特許文献２による消泡技術は、レーザー誘起ブレークダウンの衝撃によってパルス状音波を発生させ、音源から強い圧力変化を伴うパルス状音波が球面波として伝播して泡を破壊して消泡するため、容器の内周面までパルス状音波が伝播し、従来の方法では消泡が困難であった容器内周面近傍の泡も効果的に消泡することができる。
　しかし、飲料等の液体表面の衝撃が大きく、液滴が飛散して装置、或いは集光レンズなどの集光光学系等に付着して汚染を生じる。
　このため、レーザー光発振装置、集光レンズなどの集光光学系等を液体表面からの蒸気や、破泡した泡の雫などによる汚染を防ぐため、その位置を前記液体表面から離さなければならず、レーザー光の集光性が低下して消泡性を高めることができない。
　このように、本出願人が提案した特許文献２の消泡技術は、従来の特許文献１等の消泡技術に対して優れた技術であるが、その後の研究により、１．パルス状のレーザー光が液体表面を向いて照射され、レンズなどの光学素子が液体表面からの蒸気や、破泡した泡の雫などで汚染するのを防ぐには焦点距離を長くしなければならず、前記焦点距離を短くしてレーザー光の集光性を高める改良、２．パルス状音波が自由空間で発生して球面波で伝播し、前記パルス状音波の一部しか消泡に関与しないことから消泡効率が低下するため、前記消泡効率を高める改良、といった更なる改良が望まれている。
　従って、本発明は、前記した消泡技術における問題点を解決するものであり、パルス状レーザー光のレーザー誘起ブレークダウンの衝撃によって発生するパルス状音波を利用した消泡技術において、前記パルス状音波の消泡時における利用効率を高め、集光光学系等の汚染を防止し、効果的な消泡効果が得られる消泡方法及びこれらを具現化する消泡装置を提供することを目的とするものである。
　本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、パルス状レーザー光のレーザー誘起ブレークダウンの衝撃によって発生するパルス状音波を、音響導波管を用いて液体表面方向に向けることにより、上記課題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。
　本請求項１に係る発明は、パルス状レーザー光によるパルス状音波で液体表面の泡沫を破壊させる消泡方法であって、前記パルス状音波の音響導波管の内周面における反射波が、前記液体表面に対向する音響導波管の開口部方向に向けられ、進行する各方向の反射波の前記開口部に達する時間差を少なくすることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項２に係る発明は、請求項１に係る消泡方法の構成に加え、前記反射波の進行方向を、音響導波管の軸心方向に対して４０°以下とすることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項３に係る発明は、パルス状レーザー光によるパルス状音波で液体表面の泡沫を破壊させる消泡装置であって、パルス状レーザー光発振装置、該パルス状レーザー光発振装置より発振されたパルス状レーザー光を集光する集光光学系、集光されたレーザー光の焦点が内部空間に位置し開口部が液体表面に対向するよう配置された音響導波管とを備え、前記音響導波管が、前記パルス状レーザー光の通過するレーザー光入射孔を有するとともに、少なくとも前記焦点或いはその近傍から前記開口部に向かって内周面の内径が増加するように形成されていることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項４に係る発明は、請求項３に係る消泡装置の構成に加え、前記音響導波管の内周面が、開口部に向かってテーパ部を有することにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項５に係る発明は、請求項４に係る消泡装置の構成に加え、前記テーパ部が一段のテーパ部から成り、テーパ角度が軸心方向に対して２５°乃至６０°に形成されていることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項６に係る発明は、請求項４に係る消泡装置の構成に加え、前記テーパ部が、前記開口部に向かって徐々にテーパ角度が小さくなる二段のテーパ部から成り、それぞれのテーパ角度が軸心方向に対して６０°乃至８０°、３０°乃至５０°に形成されていることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項７に係る発明は、請求項４に係る消泡装置の構成に加え、前記テーパ部が、前記開口部に向かって徐々にテーパ角度が小さくなる三段のテーパ部から成り、それぞれのテーパ角度が軸心方向に対して６０°乃至８０°、３０°乃至５０°、１０°乃至２０°に形成されていることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項８乃至１１に係る発明は、請求項４乃至７に係る消泡装置の構成に加え、前記テーパ部の下方に、前記開口部に向かうストレート部を有することにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項１２に係る発明は、請求項３に係る消泡装置の構成に加え、前記集光されたレーザー光の焦点より反開口部側には、前記焦点から反開口部方向に進行する各方向のパルス状音波を開口部方向に反射する後方反射壁を備えていることにより、前記課題を解決するものである。
　本請求項１に係る消泡方法によれば、従来自由空間におけるパルス状音波のエネルギーを、音響導波管の開口部方向に集中させることができ、飲料等の液体表面に作用するパルス状音波の時間あたりのエネルギーの減少を小さくできる。
　また、前記パルス状音波の反射波が、飲料等の内容液の液体表面に到達するまでの反射回数も減少するため、この反射によるエネルギーの減衰も減少し、よりエネルギーの利用効率が向上し、低いレーザー出力で効果的に消泡することができる。
　さらに、このため、レーザー光発振装置、集光光学系を液体表面から離すことが可能となり、その配置の自由度が高まり、前記レーザー光発振装置、集光光学系の汚染を防止することができ、且つ、効率的な集光光学系等を構築できる。
　本請求項２に記載の構成によれば、進行する各方向のパルス状音波の反射波が開口部に達するまでの時間差を、実質的に反射波が同時に開口部に達した場合と同様の消泡効果を得るレベルまで少なくすることができ、さらにエネルギーの利用効率が向上し、低いレーザー出力でも効果的に消泡することができる。
　本請求項３に係る消泡装置によれば、請求項１に係る消泡方法を具現化して、前述の効果を奏する消泡装置とすることができレーザー光路とパルス状音波の進行路とを分離できるため、レーザー光発振装置や集光光学系等の配置の自由度がさらに高まり、汚染を防止することができるとともに、より効率的な集光光学系等を構築して消泡することできる。
　本請求項４に記載の構成によれば、音響導波管の内周面を単純な形状として、パルス状音波の音響導波管の内周面における反射波を開口部方向に向けることが可能となり、また、音響導波管の構造が単純となり製造が容易でコストが低減されるとともに、設備への配置も容易となり自由度も向上する。
　本請求項５に記載の構成によれば、パルス状音波の反射波進行方向を、音響導波管の軸心方向に対して４０°以下となるように設定できるため、進行する各方向の前記反射波の開口部に達するまでの時間差を、実質的に反射波が同時に開口部に達した場合と同様の消泡効果を得るレベルまで少なくすることができ、また、エネルギーの利用効率が向上し、低いレーザー出力でも効果的に消泡することができる。
　本請求項６に記載の構成によれば、パルス状音波の反射波の進行方向を音響導波管の軸心方向に対してさらに小さくすることが可能となるため、進行する各方向の前記反射波の開口部に達するまでの時間差をさらに少なくすることができ、さらにエネルギーの利用効率が向上し、低いレーザー出力でも効果的に消泡することができる。
　本請求項７に記載の構成によれば、パルス状音波の反射波の進行方向を音響導波管の軸心方向に対してさらにより小さくすることが可能となるため、進行する各方向の前記反射波の開口部に達するまでの時間差をさらにより少なくすることができ、さらによりエネルギーの利用効率が向上し、より低いレーザー出力でも効果的に消泡することができる。
　本請求項８乃至請求項１１に記載の構成によれば、ストレート部を設けることによって、音響導波管の長さにかかわらず開口部の面積を一定とし、反射波を一定の面積の開口部に集中させることができるため、レーザー光の焦点と液体表面との距離を自由に設定することが可能となり、レーザー光発振装置や集光光学系の配置の自由度がさらに高まり、汚染を防止することができるとともに、より効率的な集光光学系を構築できる。
　本請求項１２に記載の構成によれば、パルス状音波を開口部方向に反射させて利用できるため、さらにエネルギーの利用効率が向上し、低いレーザー出力でも効果的に消泡することができる。
本発明の実施形態に係る消泡装置の断面概略図。 本発明の他の実施形態に係る消泡装置の断面概略図。 本発明の他の実施形態に係る消泡装置の断面概略図。 本発明の他の実施形態に係る消泡装置の断面概略図。 本発明の他の実施形態に係る消泡装置の断面概略図。 消泡の各実験の比較実験図。
１００、２００　・・・　消泡装置
１１０、２１０　・・・　パルス状レーザー光発振装置
１２０、２２０　・・・　集光光学系
１２１、２２１　・・・　レンズ
１２２　　　　　・・・　プリズム
　　　　２２３　・・・　反射鏡
１３０、２３０　・・・　音響導波管
１３１、２３１　・・・　開口部
１３２、２３２　・・・　テーパ部
１３３、２３３　・・・　ストレート部
１３４、２３４　・・・　レーザー光入射孔
　　　　２３５　・・・　後方反射壁
　　　　２３６　・・・　レーザー光通過孔
　Ａ　　　　　　・・・　容器
　Ｂ　　　　　　・・・　泡
　Ｃ　　　　　　・・・　内容物
　Ｌ　　　　　　・・・　レーザー光
　Ｓ　　　　　　・・・　焦点
　Ｐ　　　　　　・・・　パルス状音波
　本発明の消泡方法は、パルス状レーザー光によるパルス状音波で液体表面の泡沫を破壊させる消泡方法であって、前記パルス状音波の音響導波管の内周面における反射波が、前記液体表面に対向する音響導波管の開口部方向に向けられ、進行する各方向の反射波の前記開口部に達する時間差を少なくしたものである。
　また、本発明の消泡装置は、前記消泡方法を具現化する装置であって、パルス状レーザー光発振装置、該パルス状レーザー光発振装置より発振されたパルス状レーザー光を集光する集光光学系、集光されたレーザー光の焦点が内部空間に位置し開口部が液体表面に対向するよう配置された音響導波管とを備え、前記音響導波管が、前記パルス状レーザー光の通過するレーザー光入射孔を有するとともに、少なくとも前記焦点近傍から前記開口部に向かって内周面の内径が増加するように形成されているものである。
　図１はその基本的な形態における消泡原理を模式的に示している。
　図中、１００は消泡装置であり、パルス状の光Ｌを発生するパルス状レーザー光発振装置１１０、該パルス状レーザー光発振装置１１０より発振されたパルス状レーザー光Ｌを焦点Ｓに集光する集光光学系１２０、及び音響導波管１３０とから構成され、該音響導波管１３０の開口部１３１が消泡対象物の飲料等の液体表面に対して、鉛直方向上方に面するように配置されている。
　図１に示す実施形態では、容器Ａへの内容物Ｃの密封充填ラインにおいて、内容物Ｃが充填された容器Ａを密封装置に搬送するコンベヤの上方、または密封装置内の封止前の容器通過位置の上方に音響導波管１３０を垂直に配置し、該音響導波管１３０の軸心方向からパルス状レーザー光Ｌを照射するように、パルス状レーザー光発振装置１１０及び集光光学系１２０が配置されている。
　前記パルス状レーザー光発振装置１１０としては、レーザー媒質に蓄えられていたエネルギーを光パルスとして一気に放出させることができるパルス状レーザー光を発振するものが好適である。パルス状レーザーとしては、Ｑスイッチ発振が可能なＹＡＧレーザー、ＹＶＯ４レーザー、ＹＬＦレーザーや、ＴｉＳレーザーなどのフェムト秒レーザーが挙げられる。これらのパルス状レーザーは、数Ｈｚ～数十ｋＨｚの繰返し周期を持つが、この繰返し周期の間蓄えられたエネルギーを数フェムト秒（ｆｓ）乃至数十ナノ秒（ｎｓ）という極めて短い時間幅で放出する。そのため、少ない入力エネルギーから高いピークパワーを効率的に得ることができる。パルス状レーザー光発振装置としては、このほかに、ＣＯ２レーザー、エキシマレーザー、半導体レーザーなど、各種のレーザー光を発振するパルス状レーザー光発振装置を用いることもできる。また、これらのレーザー光の基底波から波長変換素子により生成した高調波光も用いることができる。これらのパルス状レーザー光には、連続発振（ＣＷ）パルス状レーザー光も含まれるが、この場合においても、シャッターなどの光制御部材を用いて、パルス状の光を生成することができる。
　本実施形態における集光光学系１２０は、パルス状レーザー光発振装置１１０と音響導波管１３０との間に配置される１枚の集光レンズ１２１を図示しているが、必ずしもそれに限定されるものではない。
　また、集光光学系１２０は、パルス状レーザー光発振装置１１０と別体に形成してもよいが、パルス状レーザー光発振装置１１０に一体に設けることも可能である。また、図２に示すように、集光光学系１２０にプリズム１２２や反射鏡等を設けてパルス状レーザー光Ｌを屈曲させて集光し、パルス状レーザー光発振装置１１０の照射方向が音響導波管１３０の軸心方向以外の方向となるように配置しても良い。
　音響導波管１３０は、レーザー光入射孔１３４側のテーパ部１３２と開口部１３１側のストレート部１３３からなり、前記テーパ部１３２はパルス状レーザー光の少なくとも焦点Ｓ或いはその近傍から前記開口部１３１に向かって内周面の内径が増加するように形成されている。そして、集光光学系１２０により集光されたパルス状レーザー光Ｌは、音響導波管１３０の前記テーパ部１３２の内部空間に前記焦点Ｓが位置するようにレーザー光入射孔１３４から内部に照射される。
　焦点Ｓでは、レーザー誘起ブレークダウンによりパルス状音波Ｐが発生し、その強さは、焦点Ｓにおける単位面積あたり光パワー密度により変化する。従って、集光光学系１２０を最適化して集光性を高めることによって、同じレーザー出力から効率よくレーザー誘起ブレークダウンを発生させることができる。一般に、集光性を高めるには、レンズの開口数(NA)が大きいほうが有利である。このことは、大口径で焦点距離の短いレンズほど集光性が高まることを意味する。しかしながら、集光効率の良い焦点距離の短いレンズを使用すると、液体表面との距離が狭まり、液滴の飛散などによって集光光学系が汚染される。また、集光性を高めるためには、波面が揃っているほうが有利である。このため、複数のレンズの組合せにより収差を補正した組合せレンズ(アプラナートレンズ)や、レンズ面の形状を波面の状態に合わせて設計した非球面レンズなどを用いるのが好ましい。
　レーザー誘起ブレークダウンの衝撃により発生したパルス状音波Ｐは球面波として伝播するので、自由空間でパルス状音波Ｐを発生させると、単位面積当たりの音波強度は距離の二乗に反比例して急激に減衰する。このため、従来は、レーザー光の焦点Ｓを、液体表面からの距離を長くすることができなかった。
　本発明では音響導波管１３０を採用し、パルス状音波Ｐの音響導波管１３０の内周面における反射波が、液体表面に対向する音響導波管１３０の開口部１３１方向に向けられ進行する各方向の反射波のパルス状音波Ｐが開口部１３１に達するまでの時間差を少なくしたものである。
　すなわち、レーザー光の焦点Ｓ側に音響導波管１３０のテーパ部１３２を設けることにより、音響導波管１３０の内周面に向かうパルス状音波Ｐは、音響導波管１３０の軸心方向との角度が小さくなるように反射されて開口部１３１側に向けて進行し、パルス状音波Ｐの進行する各方向の前記反射波がほとんど時間差を生じることなく開口部１３１向けて進行する。このため、反射波の開口部１３１に到達する反射回数が減少し、反射によるエネルギーの減衰も低減できる。また、音響導波管１３０の内周面に向かうパルス状音波Ｐは一部が直射波となり、音響導波管１３０の開口部１３１側に向けて直接進行するが、前記反射波と直射波とにおいても時間差が少なくなる。
　このため、自由空間でパルス状音波Ｐを発生させた場合と比較して、相対的に長い距離を音響導波管１３０により、前記パルス状音波Ｐの単位面積当たりのエネルギーを減衰させずに伝えることができ、かつ、進行する各方向の反射波の開口部１３１に達するまでの時間差を少なくすることによって、液体表面に作用するパルス状音波Ｐの時間あたりのエネルギーの減少も小さいものとなる。そして、レーザー光の焦点Ｓの液体表面からの距離を長くすることが可能になり、また、前記音響導波管１３０を用いることにより、前述した汚染を防止し、集光効率の良い焦点距離の短いレンズを用いて集光性を高めることが可能となる。
　理論的には、直接開口部１３１に達する直射波以外のパルス状音波Ｐが、音響導波管１３０の内周面で１回だけ反射して開口部１３１方向に向かう内周面形状とするのが理想的である。
　しかしながら、実質的には、音響導波管１３０の内周面で数回反射しても近似的に十分な効果を得ることが可能で、そのために、音響導波管１３０が、少なくとも焦点Ｐ近傍において開口部１３１に向かって内周面の内径が増加するように形成されていることで十分に効果を奏する。具体的には、製作が簡単で、容易に効果が得られる形状として、音響導波管１３０の内周面が、開口部１３１に向かってテーパ部１３２を有していれば良い。
　特に、反射波の進行方向を音響導波管１３０の軸心方向に対して４０°以下とすることで顕著な効果が認められ、そのためには、前記音響導波管１３０の内周面のテーパ部が一段のテーパ部１３２から成り、テーパ角度が軸心方向に対して２５°乃至６０°に形成されていることが望ましい。
　そして、音響導波管１３０の内周面を全長にわたってテーパとすると、焦点Ｐから開口部１３１までの距離が長くなるにつれて開口部１３１の面積が大きくなるため、開口部１３１を容器Ａの上面のみにパルス状音波Ｐのエネルギーを集中させるように、ストレート部１３３が設けられるのが好適である。
　また、より理想的な内周面形状に近い形状とするためには、前記テーパ部１３２が、音響導波管１３０の開口部に向かって徐々にテーパ角度が小さくなる二段のテーパ部から成り、それぞれのテーパ角度が軸心方向に対して６０°乃至８０°、３０°乃至５０°に形成されていることがより望ましい。
　さらに、より一層、理想的な内周面形状に近い形状とするために、図３に示すように、前記テーパ部１３２が、音響導波管１３０の開口部１３１に向かって徐々にテーパ角度が小さくなる三段のテーパ部１３２ａ、１３２ｂ及び１３２ｃから成り、それぞれのテーパ角度が軸心方向に対して６０°乃至８０°、３０°乃至５０°、１０°乃至２０°に形成されているのがより一層望ましい。
他の実施形態
　図４は、本発明の他の実施形態を示すものである。
　本実施形態では、音響導波管２３０のテーパ部２３２の側方にレーザー光入射孔２３４を設け、パルス状レーザー光発振装置２１０及び集光光学系２２０を側方に設けて、パルス状レーザー光Ｌを側方から照射して焦点Ｓに集光するように構成されている。
　そして、音響導波管２３０の焦点Ｓより反開口部側に後方反射壁２３５を設けることにより、焦点Ｓより反開口部方向に進行するパルス状音波Ｐを後方反射壁２３５によって開口部２３１方向に反射させて消泡のためのエネルギーとして利用する。
　このことにより、さらにエネルギーの利用効率が向上し、低いレーザー出力でも効果的に消泡することができる　また、レーザー光路とパルス状音波Ｐの進路とを分離できるので、集光光学系２２０の制約が少なく、集光効率の高い集光光学系を構築できる。
　さらに、図５に示すように、レーザー光入射孔２３４を反対側方にレーザー光通過孔２３６を設け、該レーザー光通過孔２３６の外側に反射鏡２２３を設けることにより、反射鏡２２３によって反射されたレーザー光も焦点Ｓに向かうため、焦点Ｓでのエネルギー密度が向上し、少ないレーザー出力で大きなパルス状音波Ｐを発生させることができる。
　なお、音響導波管２３０の内部に反射鏡を設ける場合は、該レーザー光通過孔２３６は形成する必要はない。
　また、音響導波管２３０の周壁にガス導入口を設け、外部より音響導波管２３０内にガス（例えば窒素ガス等の不活性ガスや空気等）を導入してもよい。
　この場合、例えば、内容物充填後、直ちに消泡を行う際に、容器内の飲料等の充填内容液から発する蒸気が音響導波管に侵入して汚染するのを防ぐことができ、ブレークダウンにより発生するオゾンが開口部２３１から流出して容器内に入ることを防ぐことができる。なお、ガス導入口を設ける場合、レーザー光の焦点Ｓと開口部２３１の間に位置するのが好ましい。
　また、音響導波管の開口部２３１は、開口部におけるパルス状音波の伝播損失を抑制するためにホーン形状に形成してもよい。
　音響導波管の長さは、長くても短くても良く、特に限定されない。また、音響導波管の内部において、焦点Ｓの位置は、パルス状音波Ｐの波面を均等に開口部に伝達するために、前記音響導波管の中心軸上とするのが好ましい。
　また、音響導波管の反開口部側に後方反射壁２３５を設ける場合は、図５に示したテーパ部２３２の延長部を閉塞する平面形状に限定されず、前記音響導波管内部のパルス状音波Ｐの進行方向を考慮した適宜の形状で良い。
実験
１．レーザー光の集光条件
　レーザー発振装置：Ｑｕａｎｔｅｌ社製ＹＡＧレーザー発振装置（Ｂｒｉｌｌｉａｎｔ　Ｂ）、（レーザー光の波長：１０６４ｎｍ）
　集光レンズ：シグマ光機製集光レンズ（ＮＹＴＬ－３０－５０ＰＹ１）
２．音響導波管
（１）長さ
　　レーザー光入射孔の中心に焦点を結ぶように長さ１００ｍｍ。
（２）レーザー光入射孔内径、開口部内径
　　実験１：レーザー光入射孔内径、開口部内径φ４０ｍｍ。
　　実験２乃至７：レーザー光入射孔内径φ１０ｍｍ、開口部の内径φ４０ｍｍ。
（３）内周面形状
　　実験１：ストレート管。
　　実験２：レーザー光入射孔からテーパ角度１５０°（高さ４ｍｍ）のテーパ部を形成したテーパ管。
　　実験３：レーザー光入射孔からテーパ角度１２０°（高さ８．７ｍｍ）のテーパ部を形成したテーパ管。
　　実験４：レーザー光入射孔からテーパ角度９０°（高さ１５ｍｍ）のテーパ部を形成したテーパ管。
　　実験５：レーザー光入射孔からテーパ角度６０°（高さ２６ｍｍ）の一段のテーパ部を有するテーパ管。
　　実験６：レーザー光入射孔からテーパ角度７５°（高さ５．２ｍｍ）、４５°（高さ３２ｍｍ）の二段のテーパ部を有するテーパ管。
　　実験７：レーザー光入射孔からテーパ角度７１°（高さ４．４ｍｍ）、４２°（高さ２５ｍｍ）、１３°（高さ６０ｍｍ）の三段のテーパ部を有するテーパ管。
　なお、前記テーパ部のテーパ角度、高さは、前記音響導波管の軸心方向に対する角度、高さであり、開口部に向かって残部はストレート部である。
３．飲料缶
　内容量２００ｇ缶に、６５℃のミルク入りコーヒー１９０ｇを漏斗により、泡立てながらに充填し、音響導波管の開口部より１０ｍｍ離した位置に設置した。
　図６に各実験の結果を示す。
４．音響導波管の内周面形状
　各実験１乃至７における音響導波管の内周面形状について、ＯＰＨＩＲ社製パワーメーター３０Ａ－Ｐ－１７及びＶＥＧＡを用いてパルス状レーザーの１パルスあたりの出力を２６０ｍＪと３９０ｍＪに設定し、１回のパルス状音波を発生させた時の消泡結果を写真で確認した。
　その結果、レーザー光焦点近傍から音響導波管の開口部に向かって内周面の内径が増加するテーパ部が一段のテーパ部から成り、テーパ角度が６０°に形成されていること（実験５）、また、前記テーパ部が、音響導波管の開口部に向かって徐々にテーパ角度が小さくなる二段のテーパ部から成り、それぞれのテーパ角度が７５°、４５°に形成されていること（実験６）、さらに、前記テーパ部が、音響導波管の開口部に向かって徐々にテーパ角度が小さくなる三段のテーパ部から成り、それぞれのテーパ角度が７１°、４２°、１３°に形成されていること（実験７）で消泡効果が向上した。
５．音響導波管におけるパルス状音波の伝播状態
　前記各実験１乃至７における音響導波管の内周面形状において、パルス状音波が発生後、２９４マイクロ秒（μｓ）経過後のパルス状音波の伝播状態を確認した結果、顕著に消泡効果が上昇する実験５乃至７においては、音響導波管の内周面を進行する各方向のパルス状音波の反射波が、前記音響導波管の軸心方向に対して４０°以下の角度ズレを生じていることが判明した。
　このように、この４０°以下の角度ズレによって、反射波が音響導波管の開口部方向に向かい、前記開口部に直接向かう直射波が到達した時点で反射波も開口部付近に達し、前記反射波と直射波との前記開口部に達する時間差が少なくなり、顕著に消泡効果が上昇する。
　従って、この結果から、音響導波管の内周面形状を、前述した４０°以下の角度ズレが生じる形状とすること、具体的には、レーザー光の焦点或いはその近傍から前記音響導波管の開口部に向かって内周面の内径が増加する形状とすることが重要である。
　そして、音響導波管の内周面の形状は、前述した実験５の音響導波管の開口部に向かって内径が増加する一段のテーパ部、特に、前記開口部に向かって徐々にテーパ角度が小さくなる実験６の二段のテーパ部、或いは実験７の三段のテーパ部に形成することが、パルス状音波の音響導波管の内周面における反射波が、開口部方向に向けられ、進行する各方向の反射波の前記開口部に達する時間差が順次少なくなる。
　このため、音響導波管の内周面の形状は、前述したテーパ部とするのが好適である。
　以上、本発明の消泡方法及び消泡装置の種々の実施形態を示したが、本発明はこれらの実施形態に限るものでなく、音響導波管内で発生するパルス状音波を用いて泡沫を瞬時に破壊することができるものであれば、その具体的手段は特に限定されるものでなく、種々の方法及び装置が採用可能である。
　本発明は、金属缶、プラスチック製カップ、トレー状容器、ＰＥＴボトル、ボトル缶、ガラス瓶などの各種容器に適用することができる。一般にパルス状レーザー光の繰返し周期及びパルス幅は短いので、容器が搬送されていても実質的には止まっているものとして扱うことができ、一つの容器に対して、１回だけパルス状音波を発生させてもよいし、任意の繰返し周期で複数回発生させてもよい。また、単一の光束を照射してもよいし、複数の光束を照射してもよい。さらに、ガルバノミラーなどの光学素子を用いて、光束を走査しながら複数のパルス状音波を発生させることも可能である。
　本発明の消泡方法及び消泡装置は、各種容器に飲料等の内容物を充填する際に発生する泡の消泡に好適であるが、前記各種容器に飲料等の内容物を充填する場合に限らず、例えば豆腐製造工程等の種々の食品製造工程等において発生する泡の消泡や、種々の産業分野における消泡手段に利用可能である。

Claims (12)

  1. 　パルス状レーザー光によるパルス状音波で液体表面の泡沫を破壊させる消泡方法であって、前記パルス状音波の音響導波管の内周面における反射波が、前記液体表面に対向する音響導波管の開口部方向に向けられ、進行する各方向の反射波の前記開口部に達する時間差を少なくしたことを特徴とする消泡方法。
  2. 　前記反射波の進行方向を、音響導波管の軸心方向に対して４０°以下とすることを特徴とする請求項１に記載の消泡方法。
  3. 　パルス状レーザー光によるパルス状音波で液体表面の泡沫を破壊させる消泡装置であって、パルス状レーザー光発振装置、該パルス状レーザー光発振装置より発振されたパルス状レーザー光を集光する集光光学系、集光されたレーザー光の焦点が内部空間に位置し開口部が液体表面に対向するよう配置された音響導波管とを備え、
    　前記音響導波管が、前記パルス状レーザー光の通過するレーザー光入射孔を有するとともに、少なくとも前記焦点或いはその近傍から前記開口部に向かって内周面の内径が増加するように形成されていることを特徴とする消泡装置。
  4. 　前記音響導波管の内周面が、開口部に向かってテーパ部を有することを特徴とする請求項３に記載の消泡装置。
  5. 　前記テーパ部が一段のテーパ部から成り、テーパ角度が軸心方向に対して２５°乃至６０°に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の消泡装置。
  6. 　前記テーパ部が、前記開口部に向かって徐々にテーパ角度が小さくなる二段のテーパ部から成り、それぞれのテーパ角度が軸心方向に対して６０°乃至８０°、３０°乃至５０°に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の消泡装置。
  7. 　前記テーパ部が、前記開口部に向かって徐々にテーパ角度が小さくなる三段のテーパ部から成り、それぞれのテーパ角度が軸心方向に対して６０°乃至８０°、３０°乃至５０°、１０°乃至２０°に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の消泡装置。
  8. 　前記テーパ部の下方に、前記開口部に向かうストレート部を有することを特徴とする請求項４に記載の消泡装置。
  9. 　前記テーパ部の下方に、前記開口部に向かうストレート部を有することを特徴とする請求項５に記載の消泡装置。
  10. 　前記テーパ部の下方に、前記開口部に向かうストレート部を有することを特徴とする請求項６に記載の消泡装置。
  11. 　前記テーパ部の下方に、前記開口部に向かうストレート部を有することを特徴とする請求項７に記載の消泡装置。
  12. 　前記集光されたレーザー光の焦点より反開口部側には、前記焦点から反開口部方向に進行する各方向のパルス状音波を開口部方向に反射する後方反射壁を備えていることを特徴とする請求項３に記載の消泡装置。
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