УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИНДУКТИВНОГО ЗАПЕЧАТЫВАНИЯ НЕСКОЛЬКИХ ЛИСТОВ МНОГОСЛОЙНОГО МАТЕРИАЛА
DEVICE AND METHOD OF INDUCTIVE SEALING OF SEVERAL SHEETS OF MULTILAYERED MATERIAL

Изобретение относится к устройству и способу индуктивного запечатывания нескольких листов многослойного материала. В качестве упаковочного материала для упаковок жидких продуктов питания зачастую используют многослойные материалы, которые содержат несущий слой, изготовленный из непроводящего электричество материала, прежде всего бумаги или картона, и запечатывающий слой, изготовленный из термопластического материала, прежде всего термопластического пластика, такого как, например, полиэтилен или полипропилен. Термопластический материал является непроницаемым для жидкости, а также стойким к жирным веществам и кислотам. Между запечатывающим слоем и несущим слоем расположен металлический слой, прежде всего алюминиевый слой. Термопластический материал запечатывают термическим способом путем прессования друг против друга взаимно обращенных друг к другу запечатывающих слоев нескольких листов многослойного материала и совместного их сваривания за счет приложения тепла. Тепло создают в рамках процесса индуктивного запечатывания путем монтажа по меньшей мере одной катушки (катушки индуктивности) в запечатывающих зажимах, выполненных для прижатия листов многослойного материала друг к другу, причем катушка вызывает вихревые токи в металлическом слое и нагревает ее. В результате теплопроводности это тепло оказывается переданным от горячего металлического слоя на смежные слои термопластического материала, которые при тепловом воздействии переходят в расплавленное состояние.
Из СН 676958 А5 уже известно устройство для термического запечатывания упаковочных материалов, которые в дополнение к термопластическому слою имеют металлический слой. Устройство содержит два сжимаемых запечатывающих зажима, причем оба из них оснащены катушкой индуктивности, которую используют для нагревания металлического слоя посредством индукции с целью сваривания термопластических слоев двух смежных листов упаковочного материала при прижимании запечатывающих зажимов друг к другу. Катушка индуктивности содержит по меньшей мере один удлиненный проводник тока, простирающийся в продольном направлении запечатывающих зажимов, который заделан либо непосредственно в непроводящем электричество блоке запечатывающего зажима, либо в изготовленной из феррита промежуточной части, причем эта промежуточная часть установлена в блоке, изготовленном из непроводящего электричество материала.
При запечатывании в фасовочной машине упаковок с остроконечным верхом для жидких продуктов питания требуются кратковременные этапы нагревания. Это обусловлено использованием длительной фазы прессования и охлаждения вследствие наличия в геометрии остроконечного верха высокой напряженности, которая придает остроконечному верху склонность к повторному открыванию по окончании этапа прессования. Этой тенденции может противостоять в достаточной мере длительное охлаждение расплавленного термопластического материала. Необходимой кратковременности этапов нагревания достигают подведением в катушку индуктивности большой энергии в единицу времени. В результате, однако, возникают повышенные потери, которые могут привести к недопустимому нагреванию катушки индуктивности и, факультативно, к местному перегреванию многослойного материала.
Хотя катушка индуктивности следует геометрии областей подлежащего запечатыванию упаковки с остроконечным верхом, на практике в некоторых случаях было обнаружено, что неоднородное нагревание запечатывающего слоя происходит с тем последствием, что запечатывание упаковки с остроконечным верхом не является безупречным.
Исходя из этого известного уровня техники, целью изобретения является обеспечение устройства для индуктивного запечатывания нескольких листов многослойного материала, которое, принимая во внимание требуемые кратковременные этапы нагревания и связанное с этим подведение большой энергии в единицу времени, предотвращают неоднородное нагревание запечатывающего слоя многослойного материала и, тем самым, небезупречное запечатывание.
Кроме того, необходимо предоставить способ индуктивного запечатывания, который, прежде всего, подходит для интеграции в систему заполнения для жидких продуктов питания со стерильной рабочей зоной.
Эта цель достигнута устройством первоначально упомянутого типа, в котором блок состоит из металлического материала, а концентратор составлен из нескольких частичных деталей, причем каждая частичная деталь состоит из материала, подходящего для концентрации магнитного поля, и все частичные детали электрически изолированы друг от друга и относительно блока.
Из признаков п. 15 формулы изобретения получен способ индуктивного запечатывания, который, прежде всего, подходит для интеграции в фасовочной установке для жидких продуктов питания со стерильной рабочей зоной.
Изготовление блока из металлического материала способствует тому, что созданное за счет мощностных потерь в катушке индуктивности тепло и подведенное в запечатывающие зажимы через контакт с подлежащим свариванию многослойным материалом тепло может быть отведено более эффективно. Изготовление блока из металлического материала в результате его высокой теплопроводности предотвращает какое-либо недопустимое нагревание катушки индуктивности.
На практике, при определенных условиях температуры и влажности, и в случае имеющих высокую магнитную проницаемость концентраторов, было замечено, что между верхним и нижним элементарными проводниками катушки индуктивности могут наблюдаться электрические пробои. Такие пробои являются ответственными за неравномерное нагревание запечатывающего слоя и за получение небезупречного запечатывания.
Неравномерное нагревание запечатывающего слоя предотвращают за счет того, что концентратор состоит из нескольких частичных деталей, все из которых изолированы друг от друга и относительно блока. Электрические пробои между элементарными проводниками катушки предотвращают путем разделения концентратора. Несмотря на подведение большой энергии, требуемой для быстрого нагревания, какие-либо временно неэффективные части катушки индуктивности отсутствуют.
С целью изоляции частичных деталей друг от друга, прежде всего, обеспечены зазоры между частичными деталями концентратора.
Предпочтительно, с целью дальнейшего улучшения электрической изоляции, в каждый зазор в качестве изоляционного материала введен полиимид, прежде всего в виде пленки. За счет его высокой теплостойкости и хороших электроизолирующих свойств, полиимид особо хорошо подходит для настоящего применения.
Обычно катушка индуктивности имеет верхний элементарный проводник, который в установленном положении простирается горизонтально, и нижний элементарный проводник, который в установленном положении простирается также горизонтально, причем верхний и нижний элементарные проводники соединены друг с другом посредством боковых колен. Верхний и нижний элементарные проводники в каждом случае размещены по меньшей мере в одной частичной детали концентратора. Частичные детали в горизонтальном направлении отделены посредством зазора. Электрические соединения катушки индуктивности, предпочтительно, расположены на верхнем элементарном проводнике. В этом случае верхний элементарный проводник, предпочтительно, размещен по меньшей мере в двух частичных деталях концентратора, которые электрически изолированы друг от друга посредством проходящего перпендикулярно между этими двумя присоединениями зазора. Обращенная в направлении запечатывающего зазора поверхность каждой катушки индуктивности, предпочтительно, соотнесена с геометрией области подлежащей свариванию запечатывающего слоя.
Частичные детали концентратора состоят из материала, который подходит для концентрации магнитного поля. Сюда относятся магнитодиэлектрические материалы (МДМ), которые имеют как ферромагнитные, так и диэлектрические свойства. Эти материалы, прежде всего, состоят из частиц мягкого железа, которые равномерно включены в термопластический материал.
Свойства магнитодиэлектрических материалов могут конкретным образом находиться в зависимости от фракционирования, формы и распределения частиц мягкого железа в пластике.
В случае запечатывания упаковки с остроконечным верхом, в различных местоположениях в зазоре запечатывания располагается различное число листов многослойного материала. Это требует принятия мер по управлению распределением энергии в зависимости от числа подлежащих запечатыванию листов.
Управление распределением энергии может быть особым образом осуществлено посредством переменного поперечного сечения каждой катушки индуктивности вдоль продольной протяженности катушки индуктивности.
Другая возможность для управления распределением энергии состоит в изменении расстояния от катушки индуктивности до подлежащего запечатыванию многослойного материала.
Кроме того, возможность особого воздействия на распределение энергии состоит в том, что по меньшей мере одна из частичных деталей концентратора имеет секции с различной магнитной проницаемостью, и/или по меньшей мере одна частичная деталь концентратора имеет отличную от других частичных деталей магнитную проницаемость. Частичные детали или секции, имеющие более высокую магнитную проницаемость, прежде всего, расположены в тех областях катушки индуктивности, в которых должно быть запечатано большее число листов многослойного материала.
На стороне запечатывающего зазора катушки индуктивности, предпочтительно, защищены от механического повреждения посредством крышки. Крышка изготовлена из защищенного от истирания материала, который, тем не менее, является прозрачным для индукции; материал может быть представлен, например, полиэфирэфиркетоном (ПЭЭК), являющимся стойким к высокой температуре термопластическим материалом, который принадлежит к группе пластиков с высокими характеристиками, и который характеризуется хорошими механическими и электрическими свойствами, а также сопротивляемостью к высокой температуре и исключительно хорошей химической стойкостью. Кроме того, для крышки могут быть использованы керамические или подобные керамике материалы. Предпочтительно, крышка плотно соединена с запечатывающим зажимом посредством клеящего вещества с целью обеспечения эффективной защиты от таких воздействий окружающей среды, как влага и химикаты.
Крышка пластинчатой формы может иметь различную толщину в различных ее областях. Крышка пластинчатой формы имеет меньшую толщину в тех областях, в которых подвергают запечатыванию большее число листов многослойного материала, и большую толщину - в тех областях, в которых подвергают запечатыванию меньшее число листов многослойного материала.
Эффект выполненной таким образом крышки состоит в том, что, ответственный в многослойном материале за нагревание металлический слой имеет в более тонких областях крышки меньшее расстояние до расположенного позади нее элементарного проводника катушки индуктивности. Таким образом, за счет воздействия на толщину крышки обеспечена возможность особого управления распределением энергии.
12
2
Между концентратором и блоком расположен изолятор, который электрически изолирует все частичные детали концентратора от металлического блока и в то же время является хорошим проводником тепла. Изолятор имеет высокую теплопроводность, величиной, предпочтительно, 100 Вт/м*K и высокое удельное электрическое сопротивление, величиной, по меньшей мере, 10 Ом*мм/м. Прежде всего, в качестве изолятора может быть применен керамический материал в виде нитрида алюминия (AlN), который имеет теплопроводность 200 Вт/м*K.
Кроме того, могут быть применены изоляторы, основанные на карбиде кремния (SiC) или изготовленные из теплопроводного пластика. Теплопроводности теплопроводного пластика достигают посредством введения в матрицу полимера металлических порошков или волокон. Прежде всего, изолятор пластинчатой формы между концентратором и блоком расположен таким образом, что концентратор не касается блока в какой-либо точке.
В одном варианте осуществления изобретения катушка индуктивности содержит полый проводник, который выполнен с возможностью прохождения через него хладагента. Полый проводник, прежде всего, является частью системы охлаждения. Предпочтительно, в качестве хладагента может быть применена вода. Присоединения для поставки и удаления хладагента расположены на тех же концах катушки индуктивности, на которых катушка индуктивности также соединена с источником высокочастотного напряжения.
Когда устройство для индуктивного запечатывания используют в стерильной фасовочной машине, просачивающаяся на присоединениях катушки индуктивности охлаждающая вода может попадать в стерильную рабочую зону фасовочной машины. Такой выход воды является нежелательным, и он может привести к прерываниям функционирования. В одном варианте осуществления изобретения катушку индуктивности подвергают охлаждению исключительно непрямым способом. В каждом из запечатывающих зажимов, предпочтительно, расположен по меньшей мере один охлаждающий канал таким образом, что хладагент протекает через блок параллельно элементарным проводникам.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для индуктивного запечатывания выполнено таким образом, что как индуктивное запечатывание, так также и охлаждение и последующее прессование могут быть выполнены с помощью первого и второго запечатывающих зажимов. С этой целью каждый запечатывающий зажим имеет первую секцию и вторую секцию, которые смещены друг относительно друга в продольном направлении запечатывающих зажимов, причем катушка индуктивности расположена исключительно в первой секции каждого запечатывающего зажима, а область последующего прессования и охлаждения расположена между противоположными вторыми секциями первого и второго запечатывающих зажимов. В запечатывающем зазоре между этими двумя запечатывающими зажимами запечатывающая область и область последующего прессования и охлаждения расположены друг рядом с другом.
Поскольку катушки индуктивности в этом варианте осуществления изобретения получают охлаждение непрямым способом, охлаждающий канал простирается через первую и вторую секцию каждого запечатывающего зажима таким образом, что хладагент может протекать через обе из числа первой и второй секций. Существенное преимущество состоит в том, что требуется только один охлаждающий контур для охлаждения областей как для запечатывания, так также и для последующего прессования и охлаждения. Это имеет результатом и то другое преимущество, что присоединения охлаждающего канала могут быть расположены исключительно во второй секции запечатывающих зажимов. Однако вторая секция запечатывающих зажимов устройства может быть расположена за пределами стерильной рабочей зоны фасовочной машины. Вследствие этого, может быть предотвращено загрязнение стерильной рабочей зоны фасовочной машины путем утечки охлаждающей воды на присоединениях катушки индуктивности.
Изобретение подробно объяснено ниже со ссылками на чертежи. На чертежах:
Фиг. 1 показывает схематический вид сбоку на устройство согласно изобретению для индуктивного запечатывания нескольких листов многослойного материала упаковки с остроконечным верхом,
Фиг. 2А, Б показывают подробные изображения многочастного концентратора устройства согласно фиг. 1,
Фиг. 3 показывает схематический вид в перспективе на запечатывающий зажим устройства согласно фиг. 1,
Фиг. 4 показывает вид спереди на запечатывающий зажим согласно фиг. 3 с сечениями вдоль линий А-А и В-В через первую и вторую секции запечатывающего зажима,
Фиг. 5 показывает схематический вид в перспективе другого варианта осуществления запечатывающего зажима и
Фиг. 6 показывает вид спереди на запечатывающий зажим согласно фиг. 5 с сечениями вдоль линий А-А и В-В.
Фиг. 1 показывает, что устройство 1 для индуктивного запечатывания нескольких листов многослойного материала 2 упаковки 6 с остроконечным верхом содержит первый запечатывающий зажим 3а и второй запечатывающий зажим 3b, запечатывающий зазор 4, расположенный между первым и вторым запечатывающими зажимами 3a, 3b для приема нескольких листов многослойного материала 2, а также непоказанный привод для обеспечения относительного перемещения запечатывающих зажимов 3a, 3b друг относительно друга и для создания усилия прессования на листах многослойного материала 2 в запечатывающем зазоре 4.
В показанном типовом варианте осуществления запечатывающий зажим 3а удерживается в неподвижном положении, тогда как запечатывающий зажим 3b при помощи привода является возвратно-поступательно подвижным в направлении запечатывающего зажима 3a. Направление 5 перемещения запечатывающего зажима 3a ориентировано под прямым углом к прессующим поверхностям этих двух запечатывающих зажимов 3a, 3b. В качестве привода может быть применен, например, модуль в составе поршня и цилиндра. Оба запечатывающих зажима 3а, 3b содержат блок 7 из металлического материала, который в показанном типовом варианте осуществления имеет квадратное поперечное сечение. Естественно, данный блок может иметь отличное поперечное сечение, когда этого требуют геометрические отношения и монтажная ситуация устройства. К блоку 7 прикреплен концентратор 8, в котором имеется углубление 9, имеющее обращенное в направлении запечатывающего зазора 4 углубленное отверстие 9а.
Катушка 10 индуктивности выполнена в виде индуктивного контура и размещена в углублении 9, причем катушка 10 индуктивности имеет верхний элементарный проводник 10а с присоединениями 10b для присоединения катушки индуктивности к высокочастотному переменному напряжению. Нижний элементарный проводник 10с соединен с верхним элементарным проводником 10а посредством боковых колен 10d. В варианте осуществления согласно фиг. 3, 4 катушка 10 индуктивности выполнена в виде сплошного проводника и получает непрямое охлаждение. В варианте осуществления согласно фиг. 5, 6 катушка 10 индуктивности выполнена в виде полого проводника, через который может протекать хладагент, который подводят к полому проводнику или удаляют из полого проводника на присоединениях 10b для электрического высокочастотного напряжения.
Фиг. 2А, Б показывают конструкцию концентратора 8. В показанном типовом варианте осуществления концентратор в общей сложности состоит из четырех частичных деталей 8а, b, с, d. Фиг. 2Б показывает отделенные частичные детали 8а, b, с, d, тогда как фиг. 2А показывает частичные детали 8а, b, с, d, которые объединены для создания концентратора 8.
Верхний элементарный проводник 10а, а также колена 10b катушки 10 индуктивности размещены в углублении 9 в частичных деталях 8с, d, а нижний элементарный проводник 10с катушки 10 индуктивности размещен в углублении 9 в частичных деталях 8а, b концентратора 8. Все частичные детали 8а, b, с, d электрически изолированы друг от друга с целью предотвращения электрических пробоев между верхним и нижним элементарными проводниками 10а, с, которые могут оказывать негативное влияние на структуру магнитного поля по всей длине катушки 10 индуктивности и поэтому подвергать опасности результат запечатывания. Частичные детали 8а, b, с, d электрически изолированы друг от друга горизонтальным зазором 11а и вертикальным зазором 11b. С целью улучшения изоляция между частичными деталями 8a-d, в горизонтальном и вертикальном зазорах 11а, 11b размещена полиимидная пленка 12. Полиимидная пленка 12 способна выдерживать при постоянном использовании температуры до 230°C, а кратковременно - до 400°C.
Как видно, прежде всего, на фиг. 3-6, каждый запечатывающий зажим 3a, 3b имеет первую секцию 13а и вторую секцию 13b, которые смещены друг относительно друга в продольном направлении 14 запечатывающих зажимов 3a, 3b. Катушка 10 индуктивности расположена исключительно в первой секции 13а. Между противоположными вторыми секциями 13b первого и второго запечатывающих зажимов 3а, 3b расположена область 15 последующего прессования и охлаждения для листов многослойного материала 2, запечатанных в первой секции 13а. По бокам каждого запечатывающего зажима 3a, 3b в области первой секции 13а расположена обращенная к запечатывающему зазору 4 крышка 16, которая защищает от механического повреждения катушку 10 индуктивности, открытую к запечатывающему зазору 4 в углублении 9. Крышка 16 пластинчатой формы выполнена в ее поперечном сечении ступенчатой. В области нижнего элементарного проводника 10с катушки 10 индуктивности крышка 16 пластинчатой формы является более тонкой, чем в ее секции 16b, покрывающей верхний элементарный проводник 10а. Распределение толщин крышки 16 соотнесено с различным числом листов многослойного материала 2, подлежащего запечатыванию в запечатывающем зазоре 4. в нижней секции 16а уплотняющего зазора 4 расположены четыре или пять листов многослойного материала 2, тогда как в верхней секции 16b расположены только два листа подлежащего запечатыванию многослойного материала 2. В нижней секции 16а крышки ответственный за нагревание металлический слой многослойного материала 2 расположен ближе к нижнему элементарному проводнику 10с таким образом, что в результате меньшего расстояния катушка 10 индуктивности подает большую энергию на четыре листа, чем на два листа в области верхней секции 16b.
Для предотвращения электрических пробоев между элементарными проводниками 10а, 10с катушки 10 индуктивности через блок 7 и их отрицательного воздействия на облучение энергией позади концентратора 8 расположен изготовленный из керамического материала изолятор 17 пластинчатой формы. Керамический материал содержит, прежде всего, нитрид алюминия, имеющий высокую теплопроводность и в то же время высокое удельное электрическое сопротивление. Высокая теплопроводность, прежде всего, имеет решающее значение в варианте осуществления устройства с непрямым охлаждением катушки 10 индуктивности согласно фиг. 3 и фиг. 4.
Для непрямого охлаждения в блоке 7 каждого запечатывающего зажима 3a, 3b расположен охлаждающий канал 18с подающей 18а и возвратной 18b ветвями.
Подающая и возвратная ветви простираются от присоединений 18с в продольном направлении 14 запечатывающих зажимов 3а, 3b. Присоединения 18с расположены на передней стороне запечатывающих зажимов 3a, b во второй секции 13b.
В типовом варианте осуществления согласно фиг. 5 и фиг. 6 с катушкой 10 индуктивности внутреннего охлаждения охлаждающий канал 18 расположен исключительно во второй секции 13b. Присоединения 18с для хладагента также расположены на передней стороне запечатывающих зажимов 3a, 3b во второй секции 13b. В принципе, однако, в одном варианте осуществления устройства с катушкой 10 индуктивности внутреннего охлаждения также является возможным размещение дополнительных охлаждающих каналов в первой секции 13а с целью повышения производительности охлаждения.
Ранее описанное устройство 1 для индуктивного запечатывания нескольких листов многослойного материала 2 упаковки 6 с остроконечным верхом работает следующим образом.
Подлежащие запечатыванию листы многослойного материала 2 упаковки 6 с остроконечным верхом передают посредством непоказанного транспортера, который работает с заданным тактом, в открытый запечатывающий зазор 4 между первыми секциями 13а двух запечатывающих зажимов 3а, b. Затем при помощи непоказанного привода запечатывающие зажимы 3a, b сдвигают друг к другу, и смежные термопластические слои нескольких листов многослойного материала 2 прижимаются и запечатываются друг с другом посредством индукции вихревого тока в металлическом слое многослойного материала 2.
Запечатывающий зазор 4 затем вновь открывают, и запечатанную упаковку 6 с остроконечным верхом передают в продольном направлении 14 в положение между вторыми секциями 13b запечатывающих зажимов 3a, b. Как только запечатанные листы многослойного материала 2 оказываются расположенными в области 15 последующего прессования и охлаждения, на уже запечатанных листах многослойного материала в запечатывающем зазоре 4 создают усилие прессования посредством перемещения запечатывающего зажима 3а. В то же время, запечатанные листы многослойного материала 2 подвергают охлаждению. Запечатывающий зазор 4 затем открывают, и упаковку 6 с остроконечным верхом передают в продольном направлении 14 за пределы запечатывающего зазора. Во время последующего прессования и охлаждения во второй секции 13b в первой секции 13а уже подвергают запечатыванию следующую упаковку 6 с остроконечным верхом, переданную посредством транспортера в открывшийся запечатывающий зазор 4.
В фасовочной установке для жидких продуктов питания со стерильной рабочей зоной запечатывающие зажимы 3a, 3b расположены параллельно направлению транспортировки упаковок 6 с остроконечным верхом через стерильную рабочую зону. В этом случае первая секция 13а расположена в стерильной рабочей зоне, тогда как вторая секция 13b расположена за пределами рабочей зоны. Присоединения 18с для хладагента на передней стороне второй секции 13b предотвращают возможность попадания каких-либо утечек хладагента в стерильную рабочую зону.
В другом варианте осуществления изобретения протяженность запечатывающих зажимов 3а, b, а также нижнего и верхнего элементарных проводников 10а, 10с катушки 10 индуктивности имеет такие размеры, что в каждом случае область запечатывания упаковки 6 с остроконечным верхом может быть одновременно запечатана с обеих сторон присоединений 10b.
Протяженность области 15 последующего прессования и охлаждения во второй секции также имеет такие размеры, что одновременному последующему прессованию и охлаждению могут быть подвергнуты области запечатывания двух упаковок 6 с остроконечным верхом.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
№ Обозначение
1 Устройство
2 Многослойный материал
3а Запечатывающий зажим
3b Запечатывающий зажим
4 Запечатывающий зазор
5 Направление перемещения
6 Упаковка с остроконечным верхом
7 Металлический блок
8 Концентратор
8а Частичная деталь
8b Частичная деталь
8с Частичная деталь
8d Частичная деталь
9 Углубление
9а Углубленное отверстие
10 Катушка индуктивности
10а Верхний элементарный проводник
10b Присоединения
10с Нижний элементарный проводник
10d Колено
11а Горизонтальный зазор
11b Вертикальный зазор
12 Полиимидная пленка
13а Первая секция
13b Вторая секция
14 Продольное направление
15 Область последующего прессования и охлаждения
16 Крышка
16а Нижняя секция
16b Верхняя секция
17 Изолятор
18 Охлаждающий канал
18а Подающая ветвь
18b Возвратная ветвь
18с Присоединения.