CN101327648B - 形成包装泡沫杯的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于将包装材料自动组装到截头圆锥形的泡沫杯上以形成包装泡沫杯的设备，所述设备包括：转台，其具有多个承载器，每个承载器的尺寸被设定为支承包装材料；加热器，其用于加热所述包装材料至粘接温度；旋转心轴装置，其包括多个可能够自由转动的心轴，每个心轴支承不同的杯；其中，所述转台和所述旋转心轴装置相对于彼此布置成使得当所述转台和所述旋转心轴装置它们发生相对转位旋转时，可能够自由转动的心轴与承载器的前缘接触，并且随着转台的继续转动，所述能够自由转动的心轴在承载器的表面上有效地滚动，以实现将所述承载器上的包装材料包装在所述心轴上的截头圆锥形的泡沫杯周围。

Description

形成包装泡沫杯的设备

本申请是名称为“纸包装泡沫杯及其组装方法”、国际申请日为2005年4月7日、国际申请号为PCT/US2005/011809、国家申请号为200580008077.2的发明专利申请的分案申请。 

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2004年4月8日提交的美国临时申请60/521,359的优先权。 

技术领域

本发明涉及一种用于将包装材料自动组装到截头圆锥形的泡沫杯上以形成包装泡沫杯的设备。 

背景技术

与只有泡沫的杯(foam only cup)相比，现有技术已知的纸包装泡沫杯目前只构成小部分的饮料杯市场，尽管这种纸包装泡沫杯具有与只有泡沫的杯类似的绝热性能并且更加适合在该杯的外部上印刷。 

现有的纸包装泡沫杯一般包括与纸层结合的传统制造的泡沫杯，该纸层卷绕且粘结在泡沫杯的外部。在将纸卷绕到泡沫杯的外部之前，该纸可以预印刷上任何预定的图像或者文字。与在泡沫杯的外部上相比，在纸上更易于印刷。在纸上印刷的质量优于在泡沫上印刷。 

除了优良的印刷性能以外，对于给定的总壁厚度，纸包装泡沫杯具有更好的周向强度，由此产生一种更好地抵抗径向偏斜且具有较大柱状强度的更加坚固的杯。较大的硬度和柱状强度减少了杯由于消费者挤压该杯而径向坍陷或者在给其装盖时压扁的可能性。 

许多消费者还发现，纸包装泡沫杯就审美观念而言在外观和触觉上比仅有泡沫的杯更令人喜受。他们还认为，纸包装泡沫杯具有更好的质量而且更气派。纸包装泡沫杯在某些情况下比只有泡沫的杯以及传统纸热杯和纸冷杯制造起来可更加节省成本。 

然而，尽管具备所有这些优点，纸包装泡沫杯也仅构成非常小部分的热冷饮料杯市场。因此，在饮料杯市场内仍然强烈地希望和需要一种有商业前途的纸包装泡沫杯。 

发明内容

在一方面，本发明涉及一种包装泡沫杯，该包装泡沫杯包括具有包装材料的多孔泡沫杯。该多孔泡沫杯具有底壁和离开该底壁延伸的周壁。底壁具有上表面和下表面。周壁具有内表面和外表面。上表面和内表面共同限定了饮料空腔。周壁终止于限定饮料空腔的开口的顶缘。包装材料卷绕并粘接在杯的外表面上，并且具有通过上缘和下缘连接的相对端部。上缘位于杯的顶缘附近。周壁包括具有第一锥度的第一部分和具有第二锥度的第二部分，该第二锥度大于第一锥度。 

在另一方面，本发明涉及一种包装泡沫杯，该包装泡沫杯包括具有包装材料的多孔泡沫杯。该多孔泡沫杯具有底壁和离开该底壁延伸的周壁。底壁具有上表面和下表面，而周壁具有内表面和外表面。上表面和内表面限定了饮料空腔，并且周壁终止于限定饮料空腔的开口的唇部。包装材料卷绕并粘接在杯的外表面上。该包装材料具有通过上缘和下缘连接的相对端部，并且上缘邻近杯的唇部。周壁具有延伸至唇部的上锥形部，并且该上锥形部呈锥形，使得多孔泡沫杯的收缩不会造成该唇部妨碍套装的类似包装泡沫杯的解除套装。 

在又一方面中，本发明涉及一种将包装材料自动组装到预制泡沫杯的外表面上以形成包装泡沫杯的方法。该方法包括： 

1)自动供应预制的多孔泡沫杯； 

2)自动供应包装材料，该包装材料的尺寸被设定为卷绕泡沫杯的外部； 

3)加热包装材料至该包装材料将粘接到泡沫杯的外部上的温度； 

4)将包装材料自动地卷绕在泡沫杯的外部，以实现将该包装材料粘接到泡沫杯的外部； 

5)重复步骤1-4多次，以形成多个包装杯；以及 

6)将多个包装杯中的至少一些自动组装成适于随后处理的一组。 

在另外又一方面中，本发明涉及一种用于将包装材料自动组装到截头圆锥形的泡沫杯上以形成包装泡沫杯的设备，所述设备包括：转台，其具有多个承载器，每个承载器的尺寸被设定为支承包装材料；加热器，其用于加热所述包装材料至粘接温度；旋转心轴装置，其包括多个能够自由转动的心轴，每个心轴支承不同的杯；其中，所述转台和所述旋转心轴装置相对于彼此布置成使得当所述转台和所述旋转心轴装置发生相对转位旋转时，能够自由转动的心轴与承载器的前缘接触，并且随着转台的继续转动，所述能够自由转动的心轴在承载器的表面上有效地滚动，以实现将所述承载器上的包装材料包装在所述心轴上的截头圆锥形的泡沫杯周围。 

附图说明

图1和2是一对堆置的纸包装泡沫杯的放大剖视图，表示利用本发明克服由收缩导致的堆置问题。图1表示包装后、收缩前状态下的堆置杯，图2表示收缩状态下的堆置杯。 

图3是依据本发明的纸包装泡沫杯的透视图，本发明克服了与纸包装泡沫杯有关的由收缩导致的堆置问题。 

图4是图3中纸包装泡沫杯的侧视图。 

图5是沿图4中线5-5剖取的剖视图。 

图6是图4中纸包装泡沫杯的顶视图。 

图7是图4中纸包装泡沫杯的底视图。 

图8是图4中一对堆置的纸包装泡沫杯在包装后、收缩前状态下的放大图。 

图9是图4中一对堆置的纸包装泡沫杯在收缩状态下的放大图。 

图10是一种适于组装任何纸包装泡沫杯、尤其是图4中纸包装泡沫杯的装配机的示意图。 

具体实施方式

应当注意的是，尽管以下说明提及纸包装泡沫杯的具体尺寸，但图中未必是按比例的。为清楚地表示纸包装泡沫杯的一些特征，图中的某些部分被放大。 

在对商业成功的纸包装杯进行研究时，本发明人遇到了先前未知的纸包装杯问题。该问题的解决办法需要制造一种商业成功杯。此问题源自于最通常用于纸包装泡沫杯的泡沫是多孔聚苯乙烯泡沫。在可能的模塑后膨胀之后，此泡沫已知在模塑过程结束后随着时间而收缩。对于现有的只有泡沫的杯，收缩从未造成问题，因为只泡沫杯在所有尺寸上都无限制且因而同时在所有尺寸上收缩。换句话说，只有泡沫的杯的所有部分基本收缩至相同程度，由此保持杯的比例基本不变。 

纸包装泡沫杯的情况就不是这样。图1和2表示一种包括泡沫杯12和纸包装材料14的纸包装泡沫杯10，该纸包装材料14从唇部16的正下方延伸几乎至支脚18的末端，该支脚18延伸离开杯的底部20。已经发现，附加此粘接到泡沫上的纸包装材料14限制了与该纸包装材料14接触的泡沫的收缩。不与纸接触的泡沫部分则总是相反趋向于收缩。由于泡沫除其与纸接触的地方以外在所有三维空间内都收缩，所以唇部16往往会从其收缩前状态(图1)朝内卷曲，以其收缩状态沿径向朝内突出(图2)。 

唇部16的卷曲非常不利于套装杯的分离。通常这样设计杯，使它们能够相互堆置或者套装，同时在堆置杯之间留有气隙24。该气隙24通过防止套装杯壁之间的相互摩擦作用以及防止在取出一个杯时在该套装杯的底部20之间形成低压区而有助于随后杯的分离。气隙24通常被设计成一旦倒置此杯，该套装杯将从外杯中落出。典型的气隙约0.015英寸。采用这种结构，套装杯能够容易地分离，这特别在大容量环境，例如快餐饭馆中或者在杯未正常分离可能造成卡塞的自动饮料分配系统中非常重要。 

唇部16的卷曲可以大到足以造成该唇部径向朝内突出大于气隙24的距离，使套装杯接触卷曲的唇部16，在该卷曲唇部16与套装杯的纸包装材料104之间产生摩擦阻力。如果用于套装此杯10的力大到 足以使外杯的卷曲唇部16和侧壁之一或两者偏斜，泡沫的固有弹性将从该卷曲唇部向外杯的侧壁施加压力。该摩擦阻力或压力任何一个大到足以在倒置时保持杯处于套装状态。 

卷曲还会负面地影响套装杯的堆置高度，这最终增大杯的装运成本。卷曲还会阻止套装杯完全插入另一杯中。这种情况提高了给定数量杯的堆置高度。堆置高度增加意味着给定数量杯需要更大的容积或“立方”，这减少了固定容积容器内可以装运的总杯数，导致装运成本增加。饮料杯的装运成本是杯总成本的重要部分。非常希望使装运成本最小化。因此，非常希望按照这样一种方式来堆置杯，即尽可能多地将杯装配在给定的立方体内。 

图3-9所示的纸包装泡沫杯100解决了与由收缩导致的纸包装杯唇部卷曲有关的问题。纸包装泡沫杯100包括利用纸包装材料104包装的泡沫杯102。该泡沫杯102包括从底壁108延伸并终止于径向突出唇部110的圆周侧壁106。底壁108、侧壁106和唇部110限定了敞口的饮料空腔112，可经由唇部110限定的敞口接近该饮料空腔112。 

支脚114从底壁108向下延伸。该支脚114可认为是侧壁106的延伸。凸肩116从侧壁106径向延伸到饮料空腔112内。该凸肩116与套装杯的支脚114配合，以限定该套装杯的插入范围。 

嵌条118在支脚114与底壁108之间延伸。如图所示，嵌条118与支脚114和底壁108形成一体，且沿着该支脚114和底壁108连续延伸而形成环形。该嵌条118限定了环形面119，所示环形面119相对于垂线具有45度角。其它角度均在本发明范围内。 

侧壁106具有外表面120，该外表面120优选从支脚114延伸至唇部110具有恒定锥度。如图所示，外表面120的恒定锥度相对于垂线限定了7.79度锐角。相反，侧壁106具有内表面122，该内表面122具有恒定锥度部124和可变锥度部126。如图所示，恒定锥度部124相对于垂线限定了同外表面120相同的角度(尽管恒定锥度部可以限定不同的角度)并且从凸肩116延伸至可变锥度部126，由此导致侧壁106沿着恒定锥度部124的范围具有恒定的厚度。 

可变锥度部126从唇部110下面向上延伸，并且优选但不是必须地包括该唇部110。如图所示，可变锥度部126一般相对于垂线形成9.64度锐角。出于制造目的，利用倒圆(radius)128而不是直线实现从恒定锥度部124至可变锥度部126的过渡，所示倒圆128具有用1.84度角限定的弧形。出于上述公开目的，该倒圆被视为可变锥度部124的部分。 

由于可变锥度部126的角度大于外表面120的相应部分的角度，因此沿着该可变锥度部至唇部110的范围，侧壁106的厚度恒定减小。优选的是，可变锥度部126沿着唇部110延伸至杯100的顶缘。 

可变锥度部126的好处在于与沿着恒定锥度部124的气隙相比，其增大了沿着该可变锥度部的堆置杯之间的气隙。这在图8中清楚地看到，该图示出限定气隙130的两个新包装堆置杯100。沿着可变锥度部126的气隙130相对于沿着恒定锥度部124的气隙130增大。沿着恒定锥度部124，气隙130大约0.015英寸。在沿着可变锥度部的杯顶缘处，气隙大约0.25英寸。参照图9，当杯100随着时间而收缩时，唇部110如前所述卷曲。这种卷曲减小可变锥度部124部分的气隙130。然而，与此卷曲有关的气隙130的减小不会大到足以封闭该气隙130，从而防止卷曲唇部130接触套装杯并且妨碍堆置杯的分离和/或杯的堆置。 

尽管可变锥度部126表示为相对于垂线具有恒定锐角的单个平面或者小平面(倒圆128忽略不计)，但在本发明范围内，可变锥度部包括多个小平面。每个小平面相对于垂线可形成不同的角度。可变锥度部126也可利用连续倒圆或者多个倒圆形成。另外，可变锥度部126可利用小平面与倒圆的组合形成。 

无论哪种结构用于产生可变锥度部126，重要的是所得到的可变锥度部126沿着该可变锥度部产生足够的气隙130，以致任何由收缩导致的唇部110卷曲不会阻塞该气隙130到达足以阻碍分离的程度。这将确保收缩不妨碍杯100的分离和堆置。 

尽管未对本发明做出限定，但优选这样选择可变锥度部126，使 唇部沿着上缘的宽度(尺寸A，图5)与发生在同样尺寸的仅有泡沫的杯上的尺寸相同，这将使当前用于此只有泡沫的杯的盖能用在纸包装泡沫杯100上。 

杯100的支脚114可能遭受与唇部110一样的由收缩导致的卷曲。如果支脚114卷曲足够量，使得当堆置时该支脚114不依靠在另一杯的凸肩116上，这将对杯的堆置和分离产生破坏性的影响。然而，利用嵌条118提供的额外强度和材料质量充分地控制了支脚114的任何卷曲。嵌条118还具有的好处是其为支脚114提供额外的结构支承，以抵抗在包装过程中施加给该支脚114的压力。不同于在包装过程中在内部用心轴支承的杯的侧壁，支脚114的内部未被支承。向支脚114施加压力且不担心该支脚114压扁的性能增强了纸包装材料104对支脚114的粘附性，这减少了纸在支脚114处将要翘曲或者起皱的可能性。 

出于参考目的，应当注意的是，该杯的尺寸涉及由具有大约3.28lb/ft³的密度的多孔聚苯乙烯泡沫制成的16盎司杯以及大约0.082英寸的沿着恒定锥度部124的侧壁厚度。这些杯的参数随着杯的尺寸可以改变。例如，侧壁厚度往往随着杯的容积而变。容积越大，壁厚也越大，以助于在结构上支承额外的饮料容积。因为纸提供的额外强度，纸包装泡沫杯的侧壁厚度小于只有泡沫的杯，其它一切都相同。 

在与控制由收缩导致的卷曲有关的泡沫杯结构极大地有助于产生商业成功纸包装泡沫杯的同时，纸包装材料104具有同样有助于商业成功纸包装杯的特征。优选的是，纸包装材料104基本上从唇部110延伸至支脚114的底部。为易于组装，纸包装材料104优选从唇部110起中断大约0.030英寸并从支脚114的底部起中断大约0.030英寸。即使纸与唇部110和支脚114之间具有0.030英寸的间隙，但当盖放在杯100上时，该杯100具有只纸杯的外观，因为几乎所有的泡沫杯消费者都无法看出。 

纸包装材料104完全外接杯110且具有相对端部140和142(图4)，该端部之一(所示为端部140)对接至与另一端部重叠。重叠的好处 在于确保不能看见泡沫杯102的任何部分，这对绝大多数消费者来说在审美观念上占有优势，人们认为它是一种较高质量的杯。优选的是，重叠不超过0.040英寸。低于此量的重叠已表现为最少有折皱的可能性。 

对于优选的纸，例如由Stora Enso制造且具有大约2密耳厚度的40lb Capri Gloss，重叠优选在从对接至小于大约40密耳的范围内。纸厚与重叠范围的组合使得消费者不能感觉到重叠部分，这也增强了杯100的美观性，增加了杯100的商业成功性。 

优选的是，纸包装材料104的重叠部分不粘接到该纸包装材料104的底层部分上，以防止该纸包装材料104内由于杯102的收缩而沿着该重叠部分形成任何折皱。更为优选的是，重叠要小于0.040英寸，以减小折皱的可能性。 

纸可以是任何适当类型的纸。例如，可以是涂布纸或者非涂布纸。可以是纤维基的或者是聚合物基的。也可以是单层或者多层。纸可以像Stora Enso制造的Capri Gloss那样具有包含在涂层内的适当粘接材料。另一方面，特别选择的粘接材料，例如粘合剂可作为纸包装到杯上的一部分加入纸内。具体的粘合剂与本发明没有密切关系。 

图10表示一种适于组装纸包装杯100的装配机200的示意图。通常，装配机200包括由纸幅204组成的卷筒纸202，该纸幅204上印制有多个纸包装材料104。进给的纸幅204经过从纸幅204中冲压出纸包装材料104的冲压装置206，经冲压的纸幅框架被输送至卷纸辊205。然后，冲压出的纸包装材料104被往复臂208拾取并放置在转台210上，该转台210将纸包装材料104运送至旋转心轴装置212，在这里，该纸包装材料104被卷绕在泡沫杯上。从擒纵机构216向心轴装置212输送预制的泡沫杯。杯送出器218接受并堆叠包装的杯100。 

更详细地观看装配机，冲压装置206优选是传统的冲头和压模。往复臂208包括拾取器222，该拾取器222被合适地成形为与纸包装材料104的形状一致。拾取器222还包括若干空气通道，加压空气或者真空经由该空气通道可施加到纸包装材料104上，以助于拾取和释 放纸包装材料104。 

转台210包括多个间隔的承载器226，每个承载器226的尺寸被设定为支承纸包装材料104。承载器226之间的间隔大到足以使心轴装置212能通过。优选的是，每个间隔承载器具有一系列空气通道228，以便可向纸包装材料104施加真空或加压空气，从而有助于将纸包装材料104固定在承载器226上或者将该纸包装材料104移离承载器。 

心轴装置212包括回转毂230，多个辐条232从该回转毂230延伸。心轴214可转动地安装在每根辐条上，使得该心轴214可以环绕相应辐条232的纵轴旋转。每个心轴214包括多个空气通道236，加压空气或者真空经由该空气通道236可施加到由心轴支承的泡沫杯102上，以助于将杯固定在心轴214上或者从其上释放。外部加压空气喷嘴238通过提供一股加压空气将杯100吹离心轴214以帮助除去包装的杯100。 

擒纵机构216在工业中人所共知，其包括滑道240，一堆泡沫杯102被接受于该滑道240内。若干众所周知的杯进给机构中的任何一个都可用于一次将一个杯102释放到位于滑道240下方的心轴214上。已知的杯进给机构包括旋转螺杆和凸轮。进给机构的型式与本发明没有密切关系。 

送出器218包括由一系列辊252和导板254部分限定的杯接受滑道250。辊252优选是刷辊且具有作为驱动辊的至少第一上下辊。驱动辊可以转动，以推动接受在该驱动辊之间的杯进一步进入滑道。 

尽管未示出，设置一控制器，以使装配机200的各个部件的运动同步，这种运动包括各个气压和真空源的致动。合适的控制器是可编程逻辑控制器。 

在运行时，纸幅204从卷筒纸202前进经过冲压装置206至卷纸辊205。当纸幅204经过冲压装置206时，单个纸包装材料104被从该纸幅204上冲出。 

往复臂208的拾取器222下降到冲出的纸包装材料104上，并且向该拾取器222施加真空，以将该纸包装材料104固定在拾取器222 上。然后，往复臂208移动，使得拾取器222位于承载器226的上方。接着，往复臂208下降，以使拾取器222与承载器226接触。停止向拾取器222施加真空，而后向承载器226施加真空，以将纸包装材料104传送给该承载器226。 

然后，在纸包装材料104位于承载器226上的同时，加热该纸包装材料104。这种加热可通过设置将热量辐射到纸包装材料104上的外部加热器实现。优选的是，通过例如电阻加热元件直接加热承载器226。由此，当承载器226旋转转位到心轴装置212时，便加热纸包装材料104。 

优选的是，承载板的温度在375°至400°F之间，并使纸包装材料104在承载器226上停留8至15秒。测试显示，此温度和时间的组合足以加热纸包装材料104，致使优选纸内的粘接材料适于粘接到泡沫杯102上。对于先前所述的优选纸，优选温度是400°F，卷绕纸包装材料的时间是1-3秒。在一些测试中，曾需要440°的板温，以获得预期的粘接度。 

当转动转台210时，最终使承载器226就位于其上支承杯102的心轴214其中之一的地方。转台210和心轴装置212转位，以使杯支承心轴214与承载器226的前缘接触。当杯支承心轴214保持在此位置时，转台210继续在该心轴214下方转动。由于心轴214的相对于辐条232自由转动，转台210的转动有效地沿着纸包装材料104滚动该心轴214及其支承的杯102。这样，纸包装材料104被卷绕在杯102上。一旦承载器226经过心轴214的下方，该心轴214就位于承载器226之间的空间上方。然后，心轴装置212转动下一心轴到包装另一杯的位置。 

随着杯的包装过程继续，包装的杯100最终转动至与送出器218的滑道250对准。这时，加压空气代替向心轴214的真空，并且外部空气喷嘴238用一股加压空气冲击杯100。来自心轴的加压空气和空气喷嘴238迫使杯100离开该心轴214并进入滑道250。驱动辊252被持续驱动，以进一步沿着滑道250推动排出的杯100，并把该杯100 堆叠在任何等待的杯内。 

随着杯的包装过程继续，先前排空的心轴转动到擒纵机构216的下方。在此位置，向心轴施加真空，并利用擒纵机构216将堆叠中最底下的杯102移到该心轴214上。 

重复此过程直至完成纸包装。 

尽管未示出，送出器218可与传统的包装流水线连接。在这种情况下，当滑道250内堆叠预定数量的杯100时，便会从滑道250内弹出该杯100。然后，自动地将弹出杯100的堆叠件装入袋内并放入适当的容器中以便装运。优选的是，送出器218在弹出杯之前将该杯堆置在保护套内。 

类似的，可直接从传统的杯制造流水线向擒纵机构216供给杯102。这种构造的好处是不需要在包装之前存储杯，从而减小了空间和投资要求。实际上，本发明理想地适用于立即包装新制造的泡沫杯。新制杯比包装前已稳定的杯遭受更大的卷曲。这是因为杯在它们被制成后立即开始收缩、受到一定的暂时模塑后膨胀所致。在包装前容许稳定的杯将较小地卷曲，因为该杯被允许在所有尺寸上收缩。如果在现代杯模制厂内采用大批量生产，尽管包装充分稳定的杯是一种使卷曲最小化的方法，但为稳定的杯提供所需的资金和存储空间是不节省成本的。 

Claims (9)

1.一种用于将包装材料自动组装到截头圆锥形的泡沫杯上以形成包装泡沫杯的设备，所述设备包括：

转台，其具有多个承载器，每个承载器的尺寸被设定为支承包装材料；

加热器，其用于加热所述包装材料至粘接温度；

旋转心轴装置，其包括多个能够自由转动的心轴，每个心轴支承不同的杯；

其中，所述转台和所述旋转心轴装置相对于彼此布置成使得当所述转台和所述旋转心轴装置发生相对转位旋转时，能够自由转动的心轴与承载器的前缘接触，并且随着转台的继续转动，所述能够自由转动的心轴在承载器的表面上有效地滚动，以实现将所述承载器上的包装材料包装在所述心轴上的截头圆锥形的泡沫杯周围。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述转台包括每个承载器之间的间隔，并且所述间隔的尺寸被设定为使所述心轴能通过。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述转台和所述心轴装置在基本相互垂直的平面内转动。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加热器加热所述承载器，并当所述包装材料被所述承载器支承时，所述承载器加热所述包装材料。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述加热器还包括与所述转台隔开且把热量直接辐射到所述承载器上的加热器。

6.根据权利要求1所述的设备，该设备还包括用于向所述承载器持续供应包装材料的包装材料供应装置。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述包装材料供应装置包括用于从纸幅中冲压出包装材料的冲压装置以及用于把所述冲压出的包装材料放置在所述承载器上的臂装置。

8.根据权利要求7所述的设备，该设备还包括用于向所述心轴自动供应杯的擒纵机构。

9.根据权利要求8所述的设备，该设备还包括用于接受并堆叠已包装的杯的送出器。

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