CN104228041B - 用于包装液体食品的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将预定体积(1)的饮料输送到由加热的预成型件形成的热塑容器中的方法和设备，所述预成型件定位在模具中，其特征在于，该方法包括将至少一些饮料喷射到预成型件的凹部中以便促进该预成型件在模具内部膨胀的喷射步骤，该模具限定容器的形状，在给定时段期间进行的拉伸杆(10)的纵向位移确保加热的预成型件的纵向拉长，该拉伸杆在该给定时段结束时固定不动，并且在所述给定时段结束时在凹部中存在体积大于该预定体积的预先限定部分、优选等于50％的一定体积的饮料。

Description

用于包装液体食品的方法和设备
本申请是申请日为2009年07月02日、名称为“用于包装液体食品的方法和设备”的专利申请No.200980126278.0的分案申请。
技术领域
本发明涉及制造由聚合物材料、尤其是聚酯制成的容器的领域。更特别地，本发明涉及制造容纳液体、优选水并且尤其是矿泉水的聚酯瓶、优选聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)瓶的领域。
背景技术
多年来，市场上通常见到的PET瓶是利用压缩空气通过对PET预成型件进行吹塑或拉伸吹塑制造而成的。
预成型件通常具有在其一端封闭而在其相对端开口的圆柱形管的形状。预成型件的开口端对应于容器的颈部。在由预成型件制造容器的常规过程期间，预成型件被滑动到连续输送链的圆柱形支架上，该连续输送链从而将该预成型件传输通过基本由在各侧由辐射加热装置限定边界的直线部分形成的烤炉，以便为随后的拉伸吹塑步骤调节塑料的温度。
热的预成型件然后被取下并被传输到吹塑机的模具中。例如由移送臂执行的传输运动与吹塑机的运动协调一致，该吹塑机通常以旋转式传送带的形式进行生产，该旋转式传送带围绕其竖直轴线连续旋转并且在其周边承载一系列的相同模具。因此，在模具被打开并且先前形成的容器被移除之后，预成型件被立即放置在该模具中。
该预成型件被预先加热，以便以高于玻璃化转变温度(大约100℃)的温度位于模具中，以使其能够通过拉伸吹塑而成形。在加热步骤结束时预成型件的温度稍高于吹塑机的模具内所需的温度，以便考虑到经过在加热点与吹塑点之间存在的距离发生的冷却。由于同时存在数个模具，这种吹塑机可以大约每小时数万单位、即大约每个模具每小时1000到2000个瓶的非常高的速率生产容器。
拉伸吹塑通过以下操作进行：使用金属杆进行拉伸并且喷射压强为3到40巴(3×105Pa到4×106Pa)的空气。该空气通过喷嘴被喷射，喷嘴的端部被引入预成型件的头部的开口中。
通过喷射加压空气制造的瓶具有令人比较满意的寿命。但是，PET的内在性能和特性、尤其是在被拉伸期间会结晶的独特性意味着可通过修改容器制造过程来获得更好的结果。特别地，已知高结晶度意味着更好的机械强度。
本发明使得可以在正常运输、分配和消费期间延长容器的平均寿命。还可通过优化生产步骤并且最小化生产线内损失使工业生产过程加速。
本发明优选一般应用于聚酯类别，并且尤其应用于PET。
发明内容
因此，鉴于上文提出的情况，申请人提出一种将预定体积的饮料输送到由加热的预成型件形成的热塑性容器中的方法，该预成型件例如大致为圆柱形并且被定位在模具中，该方法包括将至少一些饮料喷射到预成型件的凹部中以便促进该预成型件在模具内部膨胀的喷射步骤，该模具限定容器的形状，在给定时段期间进行的拉伸杆的纵向位移确保所述加热的预成型件纵向拉长，所述拉伸杆在该给定时段结束时固定不动，并且在所述给定时段结束时在所述凹部中存在体积大于所述预定体积的50％的一定体积的饮料。
此方法使得可以提高获得的容器的品质。一般地，当拉伸停止时瓶填充活塞已经到达其总行程的一半以上的条件是用于防止瓶在模具中爆裂的必要条件。
根据一个有利特征，在所述给定时段结束时在凹部中存在体积大于该预定体积的75％的一定体积的饮料。
与通过常规的拉伸吹塑方法使用气态流体来使容器膨胀而获得的容器相比，使用此方法获得的容器具有更好的特性。实际上，已发现，对于给定重量以及给定类型的材料，它们具有较长的寿命。通过根据本发明的方法获得的容器的结晶度、即结晶相的质量与聚合物的质量的比值可尤其高得多。
根据一个实施例，位移和喷射由计算机辅助制造设备控制。
可替换地或者任选地相组合地，位移和喷射由凸轮控制。
根据一个有利特征，在所述预先加热步骤期间，使得预成型件的温度在50℃和130℃之间，或甚至在75℃和100℃之间。
优选地，在所述位移期间达到的拉伸杆的速度在0.5和3.0m/s之间，或甚至在1和2.5m/s之间。
根据优选特征，在喷射步骤期间，一定体积的饮料具有在1℃和120℃之间的温度，或甚至在10℃和90℃之间的温度。
优选地，在喷射步骤开始和结束之间测量的预成型件的纵向拉伸比在2和5之间，或者在2.5和4之间。
此外，根据一个实施例，在喷射步骤开始和结束之间测量的预成型件的径向拉伸比在2和7之间，或甚至在3和4.5之间。
应强调，本发明尤其好地应用于如下情况，在该情况中，热塑性塑料选自包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乳酸、聚氯乙烯以及它们的组合的组。
优选地，所述方法还包括预先气体喷射步骤，以便促进所述预成型件膨胀，使得预成型件的体积达到预定体积的预先限定部分、有利地为70％。
有利地，在该预先气体喷射步骤之后为饮料喷射步骤，以便促进所述预成型件膨胀，直至该预成型件达到所述预定体积。
这是因为，空气不能像饮料那样能够冷却经受膨胀的热塑性塑料。因此，这些特性具有提供更稳定的方法以及实现该方法的更宽范围的优点。
根据一个有利特征，预先使得该模具达到比热塑性塑料的熔点低至少50℃的温度。
另外，根据本发明的方法还包括将封闭盖装配到容器上的随后步骤。
在此情况下，喷射至少一些饮料的步骤包括喷射已向其中预先引入气体的一定体积的饮料，以便在封闭盖被装配之后在容器的颈部中产生过压力。
最后，根据一个方面，杆的纵向位移以恒定速度进行。
另外，本发明通过具有钟形头的喷嘴进行，以便减少预成型件的颈部变形的危险。
本发明还提出一种将预定体积的饮料输送到由加热的预成型件形成的热塑性容器中的设备，该预成型件例如大致为圆柱形并且被定位在模具中，该设备包括用于将至少一些饮料喷射到预成型件的凹部中以便促进该预成型件在模具内部膨胀的装置，该模具限定容器的形状；用于使拉伸杆在给定时段内进行纵向位移并且用于纵向拉长该加热的预成型件的装置，该拉伸杆在该给定时段结束时固定不动；以及用于确保在所述给定时段结束时在所述凹部中存在体积大于所述预定体积的预先限定部分、优选50％的一定体积的饮料的装置。
有利地，此设备可包括适于以单独或相组合的方式执行该方法的各个预期步骤的装置。
附图说明
下面将参照涉及示例性实施例的附图详细描述本发明。
图1示出根据现有技术的一个示例的矿泉水瓶的形成的监视结果。
图2示出根据本发明的方法使用的结晶度等级。
图3示出所使用的设备的总体图。
图4示出根据本发明的优选实施例的矿泉水瓶的形成的监视结果。
图5示出本发明的另一方面。
具体实施方式
这里作为示例给出的实施例涉及用于由加热的预成型件制造PET矿泉水瓶的过程。该预成型件具有在其下端部封闭的圆柱形管的形状。该预成型件的开口头部对应于瓶的喉部或颈部，封闭盖旋拧在该喉部或颈部上。
图1示出根据现有技术的一个解决方案的拉伸杆的位置1以及经受膨胀的预成型件中的空气压力2随时间的变化。
在此图中，x轴代表时间，左侧的y轴代表拉伸凸轮的直线位置，右侧的y轴代表经受膨胀的预成型件中的空气压力。
在此过程的第一阶段4期间、尤其在50ms和275ms之间，拉伸杆以基本恒定的速度沿直线前进。
在该过程开始之后320ms处(附图标记3)，拉伸杆达到其最终位置Pf，该拉伸杆从该位置起不再移动。
在该过程的第一阶段的第一部分4a期间，预成型件中的空气压力2最初等于大气压力Pa并且一直保持到该过程开始之后150ms，在该过程开始之后200ms处该压力增大至大气压力的大约1.4倍。
在该过程的第一阶段的第二部分4b期间，再持续100ms，即直到该过程开始之后300ms，压力保持恒定。
在该过程的第二阶段5期间，压力以大致恒定的升高速率迅速升高，直至450ms，此时该压力等于大气压力的大约8倍。
从此时开始，膨胀预成型件中的压力稍微降低，但仍维持在大小为大气压力的8倍的量级。
此外，并且不希望受到任何科学理论的束缚，已知聚酯预成型件为非晶的，并且拉伸同时导致结晶化和放热反应。现在，放热对于结晶度的发展是有害的。
参照图2，因此通过拉伸杆执行第一拉伸，产生结晶化和放热，并且在不可压缩流体被引入时，该不可压缩流体吸收被放出的热并且使最终容器中获得的结晶度的平衡点朝优选在30％和35％之间的高的值偏移。
使用以下方法在Lloyd-Davenport密度柱中测量结晶度。该柱填充有具有密度梯度的含盐的(硝酸钙)溶液。用具有在1.335和1.455之间的已知密度的球校准此柱。接下来，将根据本发明的容器的小碎片浸入该柱，在经过一定时间之后，这些小碎片稳定在该柱的对应于一定密度的一定高度处。该测量在23℃进行。附图中的表给出了结晶度。
参照图3，拉伸杆10插入压缩空气致动器15中。拉伸杆10由拉伸马达控制，该拉伸马达使该拉伸杆进行纵向移动(由箭头示出)。
压缩空气致动器15包括用于控制喷射头18的缸17，拉伸杆10穿过该缸17。喷射头18连接到放置在模具(未示出)中的PET预成型件的颈部20上，该预成型件在膨胀之后具有矿泉水瓶的形状，此形状由模具的壁确定。
该致动器包括三个腔室，上部的两个腔室15a和15b填充有压缩空气。在这两个上部腔室之间，活塞壁19在平行于拉伸杆的方向上滑动(此位移由箭头表示)。拉伸杆10通过此壁19的中心。
压缩空气致动器还包括用于饮料、这里为矿泉水的横向入口30，该横向入口30连接到致动器的第三腔室15c，该第三腔室是底部腔室。饮料经由管路32被供给。
外部矿泉水入口经由此管路32的远端部将液体供给到第一阀34中，该第一阀34连接到单腔室填充缸40的开口，该缸40包括由填充马达控制的活塞42(活塞42的运动由箭头指示)。此马达使活塞在填充缸40的单个腔室中进行纵向移动。
在管路32上存在第二阀36，该第二阀36依次位于第一阀34以及填充缸40的开口之后。管路32然后达到压缩空气致动器15的底部腔室15c。
压缩空气致动器的底部腔室15c被用于控制填充头18的缸17穿透，缸17的内部体积通过压缩空气致动器15的下部出口出现在填充头18中。控制缸具有横向开口，该横向开口允许饮料在致动器的底部腔室和控制缸内部之间循环。
拉伸杆10本身穿过控制缸17，直至填充头18和瓶预成型件的颈部20。
图4示出拉伸杆的位置101以及用于控制矿泉水向膨胀的预成型件的流入的填充致动器的位置102随时间的变化。
水平轴代表时间，左手侧竖直轴代表拉伸杆的位置，右手侧竖直轴代表被引入膨胀的预成型件的水的体积，该体积与填充致动器的位置成比例。
根据优选实施例，在该过程的从0至250ms的第一部分期间，拉伸杆以基本恒定的速率前进。
但是，根据另一个实施例，在该过程的第一阶段110、尤其从0至150ms期间，拉伸杆由于正加速而以增加的速度前进。在该过程的从150ms至250ms的第二阶段115期间，拉伸杆以负加速前进，速度降低直至在250ms处变为零。但是，应理解，速度的改变必须足够缓和，以确保热塑性塑料的规则和可靠拉伸。
在该过程开始之后的250ms(附图标记103)，拉伸杆达到其最终位置Pf，从该位置起该拉伸杆不再移动。
在相同时刻，填充致动器已向膨胀的预成型件中引入体积为V1的矿泉水。从该过程的开始(因此在0ms至250ms之间)引入的体积逐渐增加，流率逐渐增加(填充致动器移位加速)。
在此后直至320ms的、构成该过程的第三阶段120的时段期间，被引入的水的总体积是恒定的，流率不变。接下来，在40ms的时段内该体积突然减小一小部分(大约4％)。
从此时刻起，被引入的总体积稳定于大约值V2，在经过数次振荡之后达到该值，被引入的液体的流率为零。
在该过程开始之后的450ms(附图标记104)起的很短时间之后，填充致动器到达最终位置，从该最终位置起该填充致动器不再移动。此时，已向膨胀的预成型件中引入体积为V2的矿泉水。体积V2大于体积V1，但是小于体积V1的两倍。
在使用所述设备的方法期间，预先使得预成型件的温度达到在50℃和130℃之间的或甚至在75℃和100℃之间的值。在优选实施例中，此值为85℃。
通常，基于瓶在模具中没有爆裂这一事实，瓶被限定为具有高品质。
所进行的测试显示，如果在主动拉伸结束时瓶在物理上还没达到其最终体积的50％，则不可能完整地形成瓶。
在使用所述设备的方法期间，预先使得预成型件的温度达到在50℃和130℃之间的或甚至在75℃和100℃之间的值。在优选实施例中，此值为95℃，使用的塑料为PET。
杆具有在0.5和3.0m/s之间的或甚至在1.0和5m/s之间的速度。在优选实施例中，此值为1.6m/s。
预先使得饮料的温度达到在1℃和120℃之间的、优选在10℃和90℃之间的值。在优选实施例中，此值为30℃。
热塑性塑料的纵向拉伸比在2和5之间或甚至在2.5和4之间。在优选实施例中，此值为3.5。
热塑性塑料的径向拉伸比在2和7之间或甚至在3和4.5之间。在优选实施例中，此值为4。
热塑性塑料选自包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乳酸、聚氯乙烯以及它们的组合的组。在优选实施例中，该热塑性塑料为PET。
模具的温度至少比热塑性塑料的熔点低50℃，在PET的情况下熔点为230℃。优选地，维持此温度低于100℃。在优选实施例中，模具的温度等于环境温度。
参照图5，示出根据优选实施例的钟形喷嘴尾端件500。由于喷嘴中存在连接预成型件的颈部的圆周的任一侧的体积的通路505，因此在该圆周的任一侧(即在颈部的外表面510上以及在颈部的内表面520上)的内部压力和外部压力相同。在填充期间，由在预成型件上的凸缘530提供密封。由于此设备，不存在当通过喷嘴喷射加压流体时预成型件的颈部发生变形的危险。
根据另一个实施例，喷嘴尾端件以如下方式保持预成型件的颈部的外表面510，即，当经由喷嘴顶部将加压流体喷射到预成型件的凹部中时，该流体施加在预成型件的颈部的内壁520上的压力通过钟形喷嘴尾端件的壁的保持被补偿。因此，尽管压力很高，但是预成型件的颈部不变形。
当然，本发明并不局限于所描述的并由附图示出的实施例；相反，其可延伸到在权利要求的范围中本领域技术人员可想到的所有变型。

Claims (8)

1.一种将预定体积的饮料输送到由加热的预成型件形成的热塑性容器中的设备，所述预成型件定位在模具中，其特征在于，所述设备包括：
喷射器，用于将至少一些饮料喷射到预成型件的凹部中以便促进所述预成型件在模具内部膨胀，所述模具限定所述容器的形状；
位移部件，用于使拉伸杆在给定时段内进行纵向位移并用于纵向拉长所述加热的预成型件，所述拉伸杆在所述给定时段结束时固定不动；
用于确保在所述给定时段结束时在所述凹部中存在的饮料的体积大于所述预定体积的50％的装置；以及
可编程计算机，配置成控制所述位移部件和所述喷射器，以使得所述拉伸杆在给定时间段内进行纵向位移并且在所述给定时段结束时固定不动，以及使得在所述给定时段结束时在所述凹部中存在的饮料的体积大于所述预定体积的50％。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括：
喷嘴尾端件，所述喷嘴尾端件设置并布置成围绕所述预成型件的颈部，以使得通路连接所述颈部的外圆周与所述喷嘴尾端件之间的体积和所述颈部的内圆周上的体积。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述预成型件的所述颈部的所述外圆周上的凸缘在所述颈部的所述外圆周与所述喷嘴尾端件之间提供密封。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括：
压缩空气致动器，所述压缩空气致动器包括三个腔室，所述三个腔室中的每个腔室均填充有压缩空气。
5.根据权利要求4所述的设备，还包括：
缸；以及
喷射头，
其中，所述拉伸杆穿过所述缸。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述喷射头配置成连接至所述预成型件的颈部。
7.根据权利要求4所述的设备，其中，
所述压缩空气致动器还包括横向入口，所述横向入口用于连接至所述压缩空气致动器的腔室的饮料。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，
所述横向入口经由管路和至少一个阀连接至所述用于确保在所述给定时段结束时在所述凹部中存在的饮料的体积大于所述预定体积的50％的装置。
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