CN102307786B - 加压塑料容器的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于制造塑料容器(包括薄壁容器)的系统，所述系统包括致动器(20)和基础单元(30)。所述致动器包括主体部分(70)和支撑/固定部件(40)，所述部件经配置以支撑或固定容器(50)的一部分。所述基础单元包括加热表面，并且可以选择性地加入插入物。在一项实施例中，所述致动器可经配置以对容器施加力或压力以使其接触所述基础单元，所述基础单元可经配置以接纳所述容器的底座部分(52)，且所述加热表面可经配置以将能量或热量传递至所述容器的所述底座部分的一部分。本发明同时公开了用于供应塑料容器的方法的各项实施例。
Description
相关申请案资料
本申请案主张2009年2月10日提交的第61/151,363号美国临时专利申请案的权益。
技术领域
本发明涉及一种用于加压塑料容器的系统和方法。
背景技术
由于轻量化倡议使得容器壁更薄，制造商正致力于缓解与容器强度降低相关的问题。薄壁塑料容器更易变形或“椭圆化”，并且不适于用在售卖机中，因为此类下落力可能会导致所述容器破裂。此外，一段时间过后，薄壁容器中液体内容物的损失速度可能会比容器壁较厚的容器更快，从而导致所述容器的内部真空度提高或变形。
薄壁塑料容器可用于多种用途，包括贮存“过热”或“过冷”的内容物。对于“热灌装”工艺，容器内通常会灌满加热的或“滚烫”的液体产品并在容器内产品内容物的温度仍在高位时封盖。随着产品温度的逐渐降低，内容物体积也会随之减小，从而导致容器内可存在真空压力，即容器内压力低于周围的大气压力。如果容器是由模制塑料组成，则部分容器壁可能会在内容物的冷却过程中向内变形。
无论是针对“热灌装”还是“冷灌装”应用，为了解决这些涉及到容器(包括薄壁容器)的问题，某些常规容器会在封盖之前注入某种惰性气体(如氮气)。该方法可以同时增加容器的内压和表面硬度。此外，某些容器会在容器壁上添加肋材、沟槽、或相对较厚的器壁部分，以便加固器壁，从而减小因变形而造成的影响。同时，其他容器还会另外使用一个或多个真空板来帮助了解或控制与预期真空压力相关的变形程度。然而，除了会增加容器构造和制造工艺的复杂程度之外，上述方法的部分或全部也可能被视为没有美感，和/或可能因为需要额外材料而增加容器的重量和成本。
发明内容
本发明提供一种用于制造塑料容器(可能包括薄壁容器)的系统，所述系统包括致动器和基础单元。所述致动器可包括主体部分和支撑/固定部件，所述部件经配置以支撑或固定容器的一部分。所述基础单元包括加热表面，并且可以选择性地加入插入物。在一项实施例中，所述致动器可经配置以对容器施加力或压力以使其接触基础单元，所述基础单元可经配置以接纳容器的底座部分，且加热表面可经配置以将能量或热量传递至所述容器的底座部分的一部分。本发明同时公开了用于供应薄壁塑料容器的方法的各项实施例。
附图说明
将通过实例并参照附图的形式描述本发明的各项实施例，附图中：
图1为用于加压容器的系统的一项实施例的透视图；
图2a为可结合根据一项实施例的系统而使用的致动器的一部分的一般表示，所述致动器的支撑/固定部件显示在第一位置；
图2b为可结合根据一项实施例的系统而使用的致动器的一部分的一般表示，所述致动器的支撑/固定部件显示在第二位置；
图3为在图2a和图2b中描绘的类型的致动器的一般表示，所述致动器描绘为支撑/固定塑料容器；
图4为根据本发明的一项实施例的基础单元的一般表示；
图5a至图5c一般描绘涉及根据本发明的一项实施例的系统的流程阶段；
图6一般描绘可与本发明的各项实施例相结合而使用的类型的塑料容器的侧视图；
图7为根据本发明的一项实施例的容器底座部分的仰视图；
图8a为根据本发明的一项实施例的容器底座部分的侧视图，描绘引致内部真空压力之前的情况；
图8b为根据本发明的一项实施例的容器底座部分的侧视图，描绘受到内部真空压力影响之后的情况；
图9A为一图表，所述图表一般描绘涉及到根据本发明的一项实施例的流程的温度和压力分布；
图9B为一图表，所述图表一般描绘涉及到根据本发明的另一项实施例的流程的温度和压力分布；
图10为用于加压容器的系统的一项实施例的正视图；
图11为图10所示系统的俯视图；
图12为图10所示系统的截面图，其视角为12-12截面；
图13为图10所示系统的侧视图；
图14为系统的一项实施例的组装/分解透视图；以及
图15为图14所示系统的实施例的组装/分解透视图，但显示的视角不同。
具体实施方式
本部分将详细说明本发明的各项实施例，其实例将在此处描述并在附图中展示。尽管本发明会与各实施例一同说明，但应理解，其目的并不是要将本发明限制于这些实施例。相反，本发明旨在覆盖所附权利要求书中定义的本发明的精神和范围内的替代物、修改和等同物。
图1一般说明了根据本发明的一项实施例的加压系统10。系统10包括一个上层部件(即致动器20)和一个下层部件(即基础单元30)。致动器20可包括一个支撑/固定部件40以支撑和/或固定容器50的一部分，基础单元30可包括一个主加热表面32以及定心构造60，该构造可采用定心针等形式。此处公布的系统和方法的各实施例可用于与各种类型的塑料容器相结合而使用，包括薄壁塑料容器。例如，此类“薄壁”塑料容器可包括壁厚介于约0.12毫米(约4.724409密尔)至约0.31毫米(12.20472密尔)之间的容器，或壁厚更小的容器，包括壁厚在介于约0.17毫米(6.692913密尔)至约0.26毫米(10.23622密尔)之间的子范围内的容器。
在本发明的实施例中，致动器20可至少向一个方向移动(如直线上下移动)，并且可由多种已知的电力控制构造控制。例如(且非限制)，涉及到致动器20的移动可进行气动控制、液压控制、伺服控制，和/或由电机或驱动系统控制。如图1一般展示，并在图2a、图2b和图3中附加说明，致动器可包括支撑/固定部件40。例如，支撑/固定部件40可采用敞开式结构(如“C”形)，该部件经配置以支撑和/或固定容器的一部分，如容器的上部/颈部。
此外，根据由图2a和2b中显示的实施例所进行的一般说明，支撑/固定部件40可采用不同的构造，且如果要促进其支撑/固定功能，可进行相对于相关致动器主体(通常被指定为70)的可控平移或移动。在一项实施例中，支撑/固定部件40可至少沿着相对于致动器主体70的一个方向移动(如前后移动)。例如(且非限制)，支撑/固定部件40通常会显示在图2a的第一位置(相对“收缩”)，显示在图2a的第二位置(相对“扩展”)。这种“收缩”位置可能有助于在流程中进行支撑/固定，而这种相对“扩展”的位置则有助于获取或释放容器。
如图3中实施例的一般展示，可对致动器20进行配置，以便让支撑/固定部件40经配置以维持和/或支持容器50上部的支撑凸缘80。此外，如图3中的一般展示，支撑/固定部件40可与致动器主体70组成一个整体或以整体方式形成；支撑/固定部件40可经配置以在支撑凸缘80下滑动；和/或涉及到容器50的封闭元件90可在受到支撑/固定部件的维持和/或支持情况下，在以后的某一时刻与致动器主体70的下表面100接触(或有接触的趋势)。
图4一般说明了基础单元30的一项实施例。如所述实施例所示，基础单元30可包括定心构造60。在一项实施例中，定心构造60可以相对于基础单元30进行调节(如纵向调节)。例如(且非限制)，定心构造60可装载弹簧，或在纵向上向外偏移，以便在容器的底座与定心构造60接触时，定心构造60将会在保持与容器底座接触的情况下进行调节(即提供指向基础单元30的一定程度的“弯曲”)。在一项实施例中，定心构造可经配置(除其他因素之外)以通过操作啮合容器底座的一部分(如容器的底座半球)，从而防止或减少涉及到容器的水平位移或抖动。此外，对于某些实施例而言，定心构造60的顶部或末端62可经配置以便将与相关容器的一部分底座更紧密或坚固地啮合起来。
如图4中的一般说明，插入物110可包括在基础单元30中。例如，可选择性地加入插入物110，以配置相关系统，从而容纳垂直长度不同的容器。如果需要，可将插入物牢固但可移除地连接至基础单元30，例如通过一个或多个螺孔112。在一项实施例中，插入物110的至少一个部分可经配置以便将来自基础单元30的能量或热量提供(例如传导)至容器的底座部分，例如通过表面114的各个部分。在系统10的实施例中，能量或热量可以是来源于电力的热量，也可以包含其他形式的传导性能量或热量。
图6一般说明了塑料容器50的一项实施例，例如，该容器可能容纳于系统10的一项实施例中。塑料容器50包括一个底座部分52，如图7中的一般说明。但应注意，本发明并不限于所述实施例，多种其他底座构造也可用于本发明中。根据一般说明(且非限制)，底座部分52可包括一个环状支持表面54，该表面可经配置以在外表面上支撑塑料容器50。底座部分52还可能包括一个中心部件56，该部件可包括一个半球形或高架部件，包括与多种常规容器的底座设计相关的部件。此外，应注意，底座部分52可选择性地加入一个或多个其他类型的构造，例如结构性的加固构造58。
根据由图8a和图8b所示的底座部分52的实施例进行的一般说明，底座部分可在环形支撑表面54和中心部分56之间包括一个过渡段或过渡部分(通常指定为120)。根据一般说明，过渡段或过渡部分120可包括一个或多个台阶122，并且可包括一个或多个弹性或倒置段或部分124。图8a一般说明了根据为容器提供热灌装内容物的实施例的容器底座部分52的侧视图，显示的是引致内部真空压力之前的情况。图8b一般说明在引致内部真空压力之后的底座部分52，以便于所述倒置部分或部分124因至少一部分真空压力而向上移动(例如变得更凹)。
再次回到图4，在一项实施例中，基础单元的至少一部分，或插入物110(如果使用插入物)可经配置以将能量或热量传导至容器50的底座部分52的特定/所选部分。例如，与容器50的底座部分52相接触的传导表面(无论是基础单元还是插入物)可经配置以向部署在环形支撑表面54和中心部分56之间的全部或部分段提供能量或热量。在一项实施例中，上述基础单元(或插入物)的接触表面可与弹性或倒置段或部分(如图8a和图8b中的124)的大部分相接触。因此，系统允许可控地将能量或热量施加至底座部分52的所选部分或各个部分。
图5a至图5c一般表示了涉及本发明的一项实施例的方法或流程。如图5a中的一般表示，包括支撑/固定部件40的致动器可获取具有底座部分52的容器50。在流程中的该阶段中，容器50中已灌满内容物(例如在至少150华氏度至210华氏度(65℃至98.9℃)的高温下，对于某些实施例而言，在至少170华氏度至180华氏度(77℃至82℃)的高温下)，且容器已密封并已应用封闭元件(如封闭元件90)。容器50可冷却至一定温度，例如，某些实施例中冷却至约70华氏度(21.1℃)至约120华氏度(49℃)之间，在其他实施例中冷却至约80华氏度(27℃)至约120华氏度(49℃)之间，这可引起容器的轻微变形。应当注意，依据“阻力最小”的区域，因容器50中内容物的逐渐冷却而产生的内部真空压力可能会导致容器的侧壁的各部分产生相应的变形(例如向里凹陷)。容器50可随后移动至相对于基础单元30和定心构造60的适当位置。所述系统10使用了插入物110，某些应用可选择是否使用所述插入物。如图所示，插入物110环绕在基础单元30上的定心构造60周围。在所述系统的实施例中，容器50的底座部分52的最底部至基础单元30(或插入物110，如果其存在)的顶部的垂直距离(移距)可为，但不限于，3英寸或3英寸以下。对于某些实施例，可使用冲程较长的气缸。应注意，通过最小化或缩短容器底座52接触基础单元30或与其啮合所需移动的距离，循环时间可会相应缩短。
如图5b中的实施例所示，致动器20可将容器50向基础单元30和定心构造60移动。容器50的底座部分52最终将与定心构造60接触和/或啮合，所述定心构造可经配置以缩回(或在底座部分52返回与基础单元30和/或插入物110有效连通/接触之前提供一定程度的“弯曲”)(提供了插入物)。
如图5c中的一般表示，容器50的各部分可移动至与致动器20和基础单元30和/或插入物110有效接触或连通。致动器20可对容器50的一部分(如封闭元件90)施加一定程度的向下压力或力，使得所述容器的底座部分52的至少一部分可与基础单元30和/或插入物110的经配置以传导能量或热量的传导部分或区域接触。在一项实施例中，温度不低于约200华氏度的热量或能量会从基础单元30传递至容器底座部分52。在一项实施例中，例如但不限于，传导部分可对底座部分52的选定区域提供约450华氏度的热量或能量。基础单元30可在一段时间(约1至6秒)内将热量施加至容器底座，对某些实施例而言，这段时间约为1秒或1秒以下。例如，致动器20可施加约30磅力(133N)至约190磅力(845N)的向下顶部压力。非限制地，某些实施例通常会额定采用约125磅力(556N)。这种顶部压力/力可以，除了其它因素之外，帮助稳定内部压力并促使容器侧壁维持原有形状，并且有助于增加底座硬度(由于相关的塑性记忆，底座壁此时没有缩回的趋势)并大体上增加容器强度。因此，系统即提供一定程度的可控向下压力，且可单独或综合控制或调整对能量和/或热量的应用。在本发明的各项实施例中，在图5a至图5c中一般表示的流程的总循环时间可为2秒至8秒(可为3秒至4秒，或以下)，而容器50的底座部分52与基础单元30和/或插入物110接触的时间可为1秒或1秒以下。
图9A是一图表，该图表一般说明了涉及到根据本发明的“热灌装”实施例的流程的温度和压力分布。回到该图表，图中的A点表示塑料容器已到达灌装场所。例如，该灌装场所的大气压力可为979.056mbar(14.2psi)。在图中的B段中，容器可在高温下灌装内容物，然后密封/封盖(某些实施例的最高温度可为约80℃(176华氏度))。在阶段C的起点或起点附近，所述阶段可在达到热灌装的最高温度后立即开始，随着温度在5至6分钟或更短时间内从(例如)约80℃(176华氏度)下降至约30℃(86华氏度)，所述容器将会开始辅助冷却(例如与冷却隧道或冷浴相连)。随着温度的降低，内部压力也会开始变成负值，而随着压力(例如)降至786.002mbar(11.4psi)或786.002mbar(11.4psi)左右(D点附近)，所述容器内将会产生内部真空压力。接近所述压力时，所述实施例的温度为25℃(77华氏度)左右。处于或接近E点时，所述容器的底座部分会因为施加压力和/或热量而倒置，例如与此前所述的系统相结合。所述用图表表示的实施例显示，内部压力会在此“倒置时刻”到达(例如)约2220.112mbar(32.2psi)的峰值，随后迅速下降。应注意，依据容器的构造，可以无需使用这一过高压力来倒置底座部分。处于或接近F点时，压力开始正常化至约917.003mbar(13.3psi)。此外，由于涉及到容器底座的相应倒置情况，压力将会开始稳定接近大气压力。接近G点时，温度趋于进一步下降(例如)至约18℃(64.4华氏度)的读数以下，但是内部压力仍然维持在917.003mbar(13.3psi)的相对稳定水平，且除非环境条件突变，否则此后所述内部压力将不会进一步变动。图9B包括一图表，该图表一般描述了涉及根据所述系统的另一项实施例的流程的温度和压力分布。
图10一般说明了根据本发明的另一项实施例的加压系统10。系统10包括一个上层部件(致动器20)和一个下层部件(基础单元30)。致动器20可包括支撑/固定固件40，以支撑和/或固定容器50的一部分。图11描绘图10中所示的系统的俯视图。
图12提供图10中所示系统10的截面图，并通过额外详情展示基础单元30的各个方面。如图所示，基础单元的一项实施例可包括隔离物130、顶部绝缘装置132、加热器或加热元件(如陶瓷加热器)134，以及盖子136。应注意，所述系统的各项实施例可采用多种类型的加热器，包括但不限于电阻加热器、感应加热器或气体加热器(其形状可为杆状、线圈、带状或盘形)，加热器可包含多种材料(包括陶瓷、金属或复合材料)。图13从不同角度描绘系统10(侧视图)。所述系统10展示包括(尤其是)悬挂块料140、瓶颈隔离物142，以及用于支撑和/或固定瓶50的一部分的支撑/固定部件40(采用隔开的抓具的形式)的致动器20。隔离物142可经配置以提供用于接纳容器50的最上层部分的充足空间S。例如但不限于，结合500ml瓶而提供的空间S的尺寸可为大约0.880英寸。如图所示，所述实施例的基础单元30包括定心环150和套管152。如图中的一般表示，组装部件10的总高度H可为12英寸以下(对某些实施例而言)。然而，组装部件的高度并不固定，所述高度(以及系统的其他尺寸)可经配置/调整以适应计划容器尺寸。
图14和图15以两个不同透视图描绘所述系统10的一项实施例的组装/分解图。这两幅图通过额外详情描绘系统10的各元件，包括致动器20和基础单元30的各项实施例。如图14所示，致动器20可包括由多个部件组成的支撑/固定部件40(图中以左右部件显示)，支重轮/铰轴安装160，带肩螺钉162以及弹簧164(如压缩弹簧)。如图15所示，基础单元30的一项实施例可包括定位销170、螺钉172(如拇指螺钉)、基础单元隔离物174、螺钉头(如六角螺钉)176、绝缘装置178以及盖子180(所述盖子可由(例如)螺钉182固定)。就致动器20而言，图15还描绘带帽螺钉190和定位销192。
对于本发明的各项实施例，初始真空压力可为，例如但不限于，约-3psi。然而应注意，所述初始值会因各容器的抵抗力的不同而异，也就是说，结构更具刚性的容器可获得更高的初始内部真空压力。涉及本发明的流程的各项实施例有助于将遇到的压力维持在与大气压力相差+/-2psi之内。也就是说，最终灌装有内容物的容器的期望内部压力可介于大气压力+/-2.0psi之间。此外，对于某些实施例，最终灌装有内容物的容器内部压力可维持在大气压力+/-1psi之间。对于所述系统的许多实施例，正大气压力优于负大气压力。另外，例如但不限于，如果灌装场所的大气压力约为14.0psi，那么所述系统和流程可提供内部压力介于12.0psi至16.0psi之间的已灌装内容物且封盖的最终容器，并且可提供这种内部压力介于13.0psi至15.0psi之间的容器。
应注意，使用本发明的各项实施例有益于热灌装应用的塑料容器的轻量化。所述系统和流程的各项实施例可实现供应塑料容器，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)容器，因为通过容器底座部分处理内部压力可减少容器各部分所需的材料用量，和/或需要更少的结构或无需任何结构(如真空板)来适应预期的真空压力。
应注意，使用本发明的各项实施例有益于冷灌装应用的塑料容器的轻量化，包括倾向于改进可卖性的应用。所述系统和流程的各项实施例可供应塑料容器，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)容器，因为通过容器底座部分处理内部压力可减少容器各部分所需的材料用量，和/或需要更少的结构或无需任何结构或使用惰性气体的措施来适应预期的下降力。
此外，所述系统和流程的各项实施例可显著增加生产环境中的效能。尽管图1中仅描绘单个系统(可称为单元或站)，但本发明的各项实施例考虑的是可提供多个这种系统的设备。本发明的各项实施例可提供包括多个系统的一个系统或设备，多个致动器和基础单元可以围绕在转轮的外围等距间隔且呈径向延伸的成对组合的形式提供。在多组系统或设备的情况下，每一单个系统(例如可称为副系统或站)可包括关联基础单元和相应的致动器。所述环形系统可包括多达6至48个副系统或更多。此外，所述环形系统的循环时间可(例如)定为约4秒或每分钟15转。
上述本发明的特定实施例的说明用于图解或说明。但其目的不在于作彻底说明或将本发明限制在所公开的确切形式，多种修改和变体均有可能与上述指导相符。对实施例的选择和描述仅用于解释本发明的原理及其实际应用，以便所属领域的其他一般技术人员可使用本发明及适用于本发明所涵盖的各种特定用途的具有多种修改的实施例。本发明的范围将由权利要求书及其等同物定义。
Claims (18)
1.一种用于供应灌装有内容物的具有侧壁的薄壁的塑料容器的方法，所述方法包含：
供应封闭或密封的含内容物的塑料容器；
将所述塑料容器传递至基础单元，使得所述塑料容器的底座部分与所述基础单元的定心构造啮合,所述基础单元经配置以啮合或接触所述塑料容器的底座部分的至少一部分；
定向施加直线力或压力以促使所述塑料容器啮合或接触所述基础单元，因此对上述塑料容器适当加压使其内部压力稳定，以促使所述塑料容器的侧壁维持原有形状并且增加容器强度；以及
在所述底座部分与所述基础单元通过操作接触时将能量或热量传导至所述塑料容器的所述底座部分的倒置段或部分，所述倒置段或部分响应于施加的力或压力，和/或响应于能量或热量，而向内移动；
其中在将能量或热量传导至所述底座部分的一部分的过程中,所述基础单元在致动器所移动的方向上被固定。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基础单元包括插入物，所述插入物经配置以啮合或接触所述塑料容器的所述底座部分的至少一部分，且所述插入物经配置以将能量或热量传导至所述底座部分的至少一部分。
3.根据权利要求1所述的方法，其包括允许所述塑料容器的所述底座部分的一部分在施加所述能量或热量的过程中或之后倒置。
4.根据权利要求1所述的方法，其中施加到所述塑料容器的所述底座部分的至少一部分的所述能量或热量为400华氏度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在施加所述能量或热量后，所述容器的内部压力介于大气压力-2.0psi和+2.0psi之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在施加所述能量或热量后，所述容器的内部压力介于大气压力-1.0psi和+1.0psi之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述定向以促使所述塑料容器啮合或接触所述基础单元的力或压力介于1psi至50psi之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在高温下供应所述内容物。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在室温或低于室温下供应所述内容物。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在与所述基础单元啮合或放置成接触之前，所述容器至少稍微变形或呈椭圆形。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，在已经与所述基础单元啮合或接触之后，所述容器不再变形或呈椭圆形。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述定向以促使所述塑料容器啮合或接触所述基础单元的力或压力是大体向下施加的力。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述基础单元经配置以将能量或热量仅传导至所述容器的底座部分的选定区域中。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述塑料容器的所述底座部分包括倒置区段或部分，所述倒置区段或部分经配置以响应于力或压力和/或能量或热量的施加而向内移动。
15.一种用于制造灌装有内容物的具有侧壁的薄壁的塑料容器的系统，所述系统包含：
致动器，其包括主体部分和支撑/固定部件，所述部件经配置以支撑或固定所述容器的一部分,使得所述容器的底座部分与基础单元的定心构造啮合；
基础单元，其包括加热表面及经配置以接纳所述容器的所述底座部分的一部分；且
其中所述致动器经配置以对所述容器施加直线力或压力以使所述底座部分的所述一部分直接接触所述基础单元，因此对上述塑料容器适当加压使其内部压力稳定，以促使所述塑料容器的侧壁维持原有形状并且增加容器强度；
所述加热表面经配置以将能量或热量传递至所述容器的所述底座部分的所述一部分，且在将能量或热量传递至所述底座部分的所述一部分的过程中,所述基础单元在所述致动器所移动的方向上被固定；且倒置段或部分响应于施加的力或压力，和/或响应于能量或热量，而向内移动。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述基础单元包括定心构造，所述定心构造可以经配置以朝向和远离所述致动器线性移动，并且所述定心构造包括用于将所述定心构造在朝向所述致动器的方向上偏置的装置。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述基础单元包括插入物，所述插入物经配置以部署在所述基础单元与所述容器之间。
18.根据权利要求15所述系统，其中所述支撑/固定部件相对于所述致动器牢固固定并且可以经配置以在所述容器的上层部分的下方滑动并支撑所述容器的上层部分。
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