CN106864881A - 包括热控制工序的利用容器形成包装体的成形方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用容器(1)形成包装体(2)的成形方法，容器包括主体(5)、颈部(8)和底部(6)，容器(1)具有能变形区(15)，能变形区从伸出构型转变到进入构型，在伸出构型中，能变形区(15)向容器(1)外突出，在进入构型中，能变形区(15)向容器(1)内突出，该成形方法包括以下操作：‑用热产品充填容器(1)；‑密封封闭如此充填的容器(1)；‑测量被封堵的容器(1)的温度；‑将测量的温度与预定的阈值进行比较；‑如果测量的温度低于或等于阈值，则使能变形区(15)向其进入位置逆转。

Description

包括热控制工序的利用容器形成包装体的成形方法
技术领域
本发明涉及利用塑料制的容器制造包装体的领域，给容器充填热的内容物(液体、膏体)，即内容物的温度高于制造容器的材料的玻璃转化温度。
背景技术
热充填通常用于某些特殊内容物，尤其是经过巴斯德灭菌的内容物(果汁或其它含果汁饮料、牛奶、调味品)或浸泡饮料(茶、咖啡)。
此类内容物的温度通常高于90℃，而涉及的容器一般由PET(聚对苯二酸酯乙烯)制成，PET的玻璃转化温度约为80℃。
由于暴露于容器的内容物的热量使其变软，热充填造成容器机械强度的问题。
可以增加容器机械强度的已知技术为热固定，该技术在于，在容器成形结束时，将容器临时保持在较高温度(例如通过保持该容器与模型的被加热壁接触)，以通过热途径增加材料的结晶度。
当然，该技术可以提高容器充填时的机械性能，赋予容器良好的机械耐受性，但该技术可能仍是不足的。实际上，即使经过热固定，容器一旦被封堵，可能不能耐受伴随冷却产生的收缩引起的应力。常常导致同时有损容器美观和其机械耐受性的变形(尤其是当容器应放在底托上时)。
为了控制伴随内容物冷却收缩的应力导致的变形，第一种方法在于使容器装配可变形板，例如由美国专利US 5 704 503(Continental PET)提出的。可变形板随容器中的压力产生变形。可变形板充填时膨胀，然后内容物冷却时凹下。该方法的主要缺点是存在板子对容器形状自由度的限制，影响容器的美观。
第二种方法在于使容器配有带有可反转膜的底部，例如美国专利US 8 671 653(Graham Packaging)提出的，在该专利中，薄膜通过机械推杆反转，以减小容器的内容积，以便使内容物重新处于压力下，并因此保持刚性。该第二种方法在容器结构的牢固性和容器形状的自由度方面优于第一种方法，但它导致制造约束。
实际上，会发生薄膜在其反转位置不稳定，并且在容器中的压力下回到其初始位置。一有价值的假设为容器没有足够冷却，因此反转的薄膜不能达到保证它的稳定锁定位置所需的位置。
让所有容器长时间自由冷却影响生产率(现在正常速度约为每小时50 000个容器)。
一替代方法为使所有容器经过强制冷却(例如通过喷雾)，但该方法能耗较大。
发明内容
第一目标是提高利用热充填的容器生产包装体的可靠性。
第二目标是更好地控制设在容器上的能变形区的反转操作。
第三目标是限制生产包装体时的能耗。
为此，提出一种利用容器形成包装体的成形方法，容器包括主体、颈部和底部，所述容器具有能变形区，该能变形区借助在缩回位置与展开位置之间活动的机械的推杆从伸出构型转变到进入构型，在伸出构型中，能变形区向容器外突出，在进入构型中，能变形区向容器内突出，所述成形方法包括以下操作：
-能变形区在其伸出位置中，用温度高于容器的材料的玻璃转化温度的产品充填容器；
-通过安装在颈部上的塞子密封封闭如此充填的容器；
-测量被封堵的容器的温度；
-将如此测量的温度与预定的阈值进行比较；
-如果测量的温度低于或等于阈值，则使推杆从其缩回位置开始向其展开位置移动，以使能变形区从其伸出构型转变到其进入构型；
-如果测量的温度高于阈值，则将推杆至少临时保持在其缩回位置。
可以设置单独或组合的各种附加特征：
-如果测量的温度高于阈值，则所述成形方法包括在于产生报警信号的操作；
-如果测量的温度高于阈值，则所述成形方法包括在于在预定的时间期间将推杆保持在其缩回位置的操作，然后是使推杆向其展开位置移动的操作。
-如果测量的温度高于阈值，则所述成形方法包括对容器进行强制冷却的操作，或使容器向储存缓冲区偏移的操作；
-所述成形方法包括将测量的温度与低于阈值的目标值进行比较的操作；
-如果测量的温度在阈值与目标值之间，则所述成形方法包括增加推杆对能变形区施加的力的操作，以及/或者增加推杆的移动速度的操作；
-如果测量的温度低于目标值，则所述成形方法包括减小推杆对能变形区施加的力的操作，以及/或者减小推杆的移动速度的操作；
-目标温度值约为30℃；
-阈值约为40℃；
-能变形区是连接底部的底座与底部的中心定位部的薄膜；
-通过由热摄影机或高温计构成的传感器测量温度；
-在容器的主体上测量温度；
附图说明
通过阅读以下参照附图对一实施方式的描述，本发明的其它目标和优点将显示出来，在附图中：
-图1是示出刚形成的容器的剖面图，该容器带有底部，其中的能变形区是可逆薄膜；
-图2是充填过程中的图1的容器的剖面图；
-图3是封堵并安置在装有机械的推杆的站上的图2中容器的剖面图，机械的推杆用于使薄膜逆转，一热摄影机安装在推杆对面；
-图4是容器的第一热图像，为了阅读该图像，该第一热图像伴随有与不同温度范围对应的色板；
-图5是容器的第二热图像；
-图6是示出薄膜反转的剖面图。
具体实施方式
图1示出塑性材料(例如PET)制成的容器1，利用该容器形成包装体2，除了容器1外，该包装体还包括倾倒在容器中的内容物3、将密封堵塞容器1的塞子4，并且必要时还包括附加标签，在附加标签上面印有各种告知消费者的信息。
容器1包括沿主轴线X延伸的大致柱形形状的主体5、在主体的下端封闭主体5的底部6、从主体5的与底部6相对的上端形成收缩部的肩部7，和延长肩部7的开放颈部8，容器1从颈部充填然后排空。
根据图中所示实施方式，主体5包括环形加固肋9，这些肋增加主体5的机械刚性，尤其是避免其椭圆化，即例如伴随内容物3冷却在容器1中产生的负压而变得径向(与轴线X垂直)扁平。
容器1的底部6具有环形圆周底座10，容器1通过该环形圆周底座置于平表面例如桌子上，底部还具有使底座10向轴线X延长并向底座内突起延伸的拱顶11。
拱顶11包括从底座10的内边缘13向容器1内突起延伸的截锥形侧壁12、向容器1内突起的中心定位部(pion)14、和由可逆膜15构成的截锥形能变形区，该截锥形能变形区从侧壁12的上边缘16倾斜延伸到中心定位部14的周边边缘17。
容器1一般在具有容器1型腔(具有除颈部8外的预型件的最终形状)的模型内利用预热毛坯通过吹制或拉伸吹制形成。容器1形成有位于伸出构型的薄膜15，在该伸出构型中，薄膜15向容器1外突出(图1)。
成形结束时，容器1有利地经受热固定，热固定在于保持容器与模型接触，模型的温度调节到比较高的值(高于大约120℃)。该热固定通过热途径增加材料的结晶度，这增加容器1的机械强度，有利于内容物3是热的时容器的耐热性。
成型后，容器1经受充填操作，该充填操作在于通过颈部8向容器中倾倒将形成内容物3的产品(尤其是液体)，如图2所示。产品的温度可以高于容器1的材料的玻璃转化温度。根据一实施例，其中容器1由PET(其玻璃转化温度约为80℃)制成，倾倒到容器1中的产品温度大于或等于约90℃。
由于经受的热固定，容器1可以机械耐受充填时经受的热冲击，而没有明显变形。
充填后，用塞子4封堵容器1，该塞子(通过卡紧和/或旋拧)附加并安装在颈部8上，如图3所示。则容器1被密封堵塞。
堵塞后，容器1被转运到逆转站18，逆转站包括容器1将嵌接在其中的环形支座19。更确切地说，支座19形成至少底座10和主体5下端的反型腔，该反型腔横向地(即与主轴线X垂直地)阻挡容器1。
逆转站18另外包括轴向地(即与主轴线X平行地)阻挡容器1的顶尖架(poupée)20。在图3所示例子中，顶尖架20包括将贴靠塞子4的锥形头部21。
因此容器1牢固地保持在支座19与顶尖架20之间。
逆转站18还包括相对支座19活动的机械的推杆22，推杆能够穿过支座与底部6接触，以便使薄膜15从其伸出位置逆转到其进入位置，而容器1保持在支座19与顶尖架20之间，不能轴向移动。
更确切地说，推杆22可以沿轴线X在缩回位置与展开位置之间移动，在缩回位置，推杆22离开容器1的底部6延伸，在展开位置，推杆从支座19向容器1内突起。在所示例子中，推杆22具有形状与定位部14的形状互补的自由端23，但该自由端23可以具有更简单的形状，例如柱形形状。
逆转站18还包括能够使推杆22移动的致动器24，致动器一方面使推杆22从其缩回位置向其展开位置移动，以实现薄膜15的逆转(即反转)，另一方面实现从展开位置向缩回位置的逆转，如此在该缩回位置准备下一个周期。
根据一实施方式，致动器24是一压缸(vérin)(电动压缸，或像所示例子中一样，是气动压缸或液压压缸)。
致动器24包括柱形主体25、活塞26以及与活塞26固连在一起的杆体27。推杆22固定在杆体27上，或者如所示例子中一样，与杆体一起一体成形。
致动器24包括两个封闭主体25的壁：后端壁28和相对的前端壁29，前端壁29开有杆体27延伸穿过的孔眼。活塞26在主体25中限定在活塞26与后端壁28之间的后腔室30，和在活塞26与前端壁29之间围绕杆体27的前腔室31。
后腔室30和前腔室31通过在后端壁28中形成的后入口32和在前端壁29中形成的前入口33分别与流体分配器36的第一出口34和第二出口35流体连通，流体分配器36另外与加压流体(例如空气或油)源37和排出口38连接。如图3中看到的，分配器36受信息化控制单元39如API(工业程控器)的操控。
后腔室30和前腔室31通过分配器36交替地与流体源37和排出口38流体连通，以便(通过活塞26)使推杆22相继从其缩回位置向其展开位置移动，在缩回位置，活塞26在后端壁28附近，在展开位置，活塞26在前端壁29附近。
但是，已经确定，如果实现薄膜15的逆转而容器1太热，容器的机械强度将不足以使薄膜15可靠地保持其进入位置。
这就是为什么在薄膜15的逆转操作与封堵操作之间设有控制容器1的温度的工序，该工序包括：
-测量被封堵容器1的温度的操作；
-将如此测量的温度与存储在控制单元39中的预定阈值Ts进行比较的操作。
通过传感器40实现温度测量，传感器优选呈可以在容器1的整个主体5上形成完整热型廓的热摄影机。例如摄影机40为FLIR公司销售的A315型摄影机，它可以在-20℃到120℃的范围内形成分辨率为320×240像素的图像。如图3所示，摄影机40与控制单元39连接，把摄影机的测量结果传送给控制单元。作为变型，传感器40是进行点状温度测量的高温计。如果观察到容器1的温度是均匀的则高温计可以是适宜的，并且可以从容器1的一单个点的温度测量结果外推。
根据一实施方式，摄影机40与多个(例如所有)逆转站18连通，与站18安装于其上的轮相对地固定地定位。根据另一实施方式，每个站18配有它自己的热摄影机40。
如图3所示，摄影机40优选地定位成它的视野囊括容器1的主体5，以便能够建立完整的温度图。
通过摄影机40将如此实现的温度测量结果传送给控制单元39。该控制单元将储存的温度与阈值Ts进行比较，并且：
-如果测量的温度低于或等于阈值Ts，控制单元39无延迟地控制推杆22从其缩回位置向其展开位置移动，以使薄膜15逆转，使薄膜从其伸出构型转变到其进入构型；
-如果测量的温度高于阈值Ts，控制单元39控制推杆22至少临时保持在其缩回位置。
在第一种情况下，由内容物3在容器1中施加在薄膜15上的压力被规定为足够小用以使推杆22移动(并因此使薄膜15反转)，而容器1(并特别是底部6)的机械刚性足以使薄膜15能够锁定在其进入构型(在反转后)，而无论内容物3施加的压力如何。
图4示出该第一种情况，其示出封堵后形成的容器1的温度图，如储存在包括成像程序的控制单元39中。为了便于理解控制单元39实施的操作模式，图4中示出了纯示意目的的图例。该图例包括四个通过不同图案表示的温度范围[Ti；Ti+1](其中i是正整数或零，温度随下标i的增加值增加)。如：
[T0；T1]通过之字形图案示出；
[T1；T2]通过三角形图案示出；
[T2；T3]通过矩形图案示出；
[T3；T4]通过点状图案示出。
例如温度Ti的值如下：
T0＝30℃；
T1＝35℃；
T2＝40℃；
T3＝45℃；
T4＝50℃；
注意到，根据图4所示的温度图，相应容器1具有两个温度区：温度在T0和T1之间(即上述例子中在30℃到35℃之间)的外部区，和温度在T1和T2之间(即上述例子中在35℃到40℃之间)的中心区。因此假设已经使Ts的值达到40℃，可以看到图4示出其温度图的容器1的温度低于Ts。
因此，规定(décréter)该容器1的薄膜15可以反转。在这种情况下，在控制单元39形成该状态之后，立即(通过分配器36)控制推杆22从其缩回位置向其展开位置移动，以使薄膜15向其进入构型逆转，因此使容器1处于压力之下。
相反，在第二种情况下，包装体2内的残余压力太高而不能使推杆22移动(并因此不能使薄膜15反转)，即假定推杆22的移动可能太大而不能使薄膜15锁定在其进入构型(逆转后)。换句话说，薄膜15在容器1中的压力下(机械逆转后)有从其进入构型意外反转到其伸出构型的危险。
图5示出第二种情况，其示出容器1封堵后的温度图，如在上述条件下储存在控制单元39中的关于图4所示的温度图。
根据图5所示的温度图，注意到相应容器1具有两个温度区：温度在T2和T3之间(即上述例子中在40℃到45℃之间)的外部区，和温度在T3和T4之间(即上述例子中在45℃到50℃之间)的中心区。假设已经使Ts的值达到40℃，可以看到其温度图示于图5的容器1的温度高于Ts。
因此，至少在其温度没有落到Ts之下(或至少达到Ts)之前，不应尝试使容器1的薄膜15反转。如果不是如此，假定薄膜能够反转，薄膜15可能不保持进入构型，并且在容器1中的压力的作用下自己向其伸出位置反转，该压力超过薄膜15耐受的机械强度。
这就是为什么在第二种情况下，控制单元39至少临时将推杆22保持在其缩回位置。可以产生报警信号，例如用于通知操作者容器1温度的不符合，以便例如促使验证充填操作时内容物3的温度。
根据第一实施方式，推杆22在一确定温度期间保持在其缩回位置中，然后按照控制单元39的控制(通过分配器36)向其展开位置移动，以便使薄膜15逆转。
为此，控制单元39可以集装有容器温度随时间变化的预测模型，该模型使控制单元可以计算上述延时。例如该延时等于预测模型中分开容器相应地具有测量的温度与温度Ts的时刻的时间间隔。
控制单元39可以编程为，如果测量的温度高于阈值Ts，并且如果计算的温度高于预定的温度阈值时，例如相当于充填的容器1在支座19上的驻留时间，控制容器1向缓冲区偏移。在缓冲区，可以让容器1在预定的持续时间期间冷却。一旦容器1的温度低于或等于阈值Ts(这可以测量出或利用容器1的初始温度通过外推计算出)，容器1重新转向生产线，以便可以使其薄膜15反转。如果测量的温度高于阈值Ts，还可使容器1经受强制冷却操作，例如通过在主体5上喷射冷的液体(一般通过雾化)。该操作可以沿生产线完成，或者在单独的线上进行，一旦容器的温度高于阈值Ts，则容器转向该线。
一旦完成容器1的(自然或强制)冷却，容器可以经受其薄膜15反转的操作。
已经确定，当容器1的测量的温度等于或基本等于预定的所述目标温度——下文标记为Tc——时，并且该温度对相同条件下充填的具有同一型号的所有容器是相同的，薄膜15可以逆反转，具有锁定在进入位置的最大可能。低于阈值温度Ts的目标温度一般约为30℃。
根据一特殊实施方式，除了与阈值温度Ts比较外，测量的温度还与储存在控制单元39中的目标温度Tc进行比较。如果测量的温度等于(或基本等于，有几度之差，一般为±2℃)目标温度Tc，薄膜15的反转操作条件不变。
可以看到，只要测量的温度低于或等于阈值温度Ts，即可进行薄膜15的反转。
相反，与目标温度Tc的比较结果确定反转的操作条件，控制单元39作用在推杆22施加在薄膜15的力上和/或推杆的移动速度上。
因此，如果测量的温度在阈值Ts与目标值Tc之间，控制单元39被编程用以增加推杆22施加在薄膜15上的力，以及/或者增加推杆22的移动速度。实际上，该温度条件意味着容器中的压力保持增加，并且保持由推杆22施加在薄膜15上的应力和/或速度条件，设置用于目标温度Tc的所述应力和/或速度条件可能不足以保证薄膜反转和/或不足以保证薄膜锁定在进入位置。
在第一种情况下，控制单元39可另外被编程，用以有利于降低容器1的温度，以使其趋向目标温度。为此，并假设包装体2在充填和封堵后(并且在它们的薄膜15反转前)作为系统强制冷却的目标，控制单元39可以控制增加施加给这样冷却的包装体2的调节温度，直至测量的温度等于或基本等于目标值Tc，这样可以达到最佳生产率。
相反，如果测量的温度低于目标值Tc，控制单元39被编程，用以减小推杆22施加给薄膜15的力，以及/或者降低推杆22的移动速度。实际上，该温度条件意味着容器1中的压力下降，并且既不需要在薄膜15上施加太大的应力也不需要使薄膜太快地移动以达到使薄膜反转的目的，并且这有益于节约能量。此外，施加在薄膜上的应力的限制避免薄膜经受大的(和无用的)机械撞击。
在该第二种情况下，控制单元39可以被编程，用以有利于增加容器1的温度，以使其趋向于目标温度。为此，并假设包装体2在充填和封堵后(并且在它们的薄膜15反转前)经过系统强制冷却，控制单元39可以控制改变施加在这样冷却的包装体2上的调节温度，直至测量的温度等于或基本等于目标值Tc，这样可以达到最佳生产率。
要指出的是，因为测量的温度在容器1的整个主体5上不一定是均匀的(如图4和5所示的例子中表明的)，为了进行比较和计算，控制单元39可以只考虑测量的温度的上边缘，或者考虑测量的温度的平均值、如有必要可通过在容器1的主体5上检测的相应表面面积的加权平均值。
同样，假设温度分布是围绕轴线X回转对称的，则可认为瞬时温度图(以单个温度测量的形式)是足够的。如果容器1本身是围绕轴线X回转对称的，则尤其可以考虑该假设。
但是，相反地可以认为，假定温度的分布不是围绕轴线X回转对称的，容器1的完整温度图(以同时或相继围绕容器1实现的多个温度测量的形式)也是必要的。如果容器1本身不是围绕轴线X回转对称的(例如如果容器1的横截面是矩形、方形或椭圆形轮廓)，则可考虑该假设。在这种情况下，可以通过多个分布在容器1周围的传感器(尤其是摄影机)，或者通过(容器1或传感器40)围绕轴线X的回转实现多个相继的温度测量(在摄影机的情况下取多个图像)的单个传感器(尤其是摄影机)形成温度图。
在这种情况下，可以对所有测量结果重复进行比较操作，或者进行平均，以便得到平均热剖面。
要指出的是，在前面的描述中，测量的温度是容器1的主体5的温度，而反转操作涉及底部6(并更确切的是涉及薄膜15)。实际上，由于内容物3相对等温，并且内容物3传递给底部6和主体5相同的热量，可以认为底部6(特别是薄膜15)的温度与主体5的温度基本没有不同。
但是，可以假设主体5和底部6的温度不同，和/或具有不同的热性能。在这种情况下，摄影机40的安装可以与底部6相对，而不是与主体5相对，以便实现直接的温度图。两种定位也可结合。
刚才描述的方法有以下优点。
首先，在控制推杆22移动前(并因此在薄膜15逆转前)(在主体5上和/或底部6上)测量容器1的温度可以验证是否可以以可靠方式实现逆转(即没有薄膜15处于容器1的压力下的初始位置的危险)。
第二，在最佳热条件下实现薄膜15的反转可以更好地控制该操作，尤其是降低通过推杆22变形的危险(如果容器1的温度太高)。
在前面的描述中，逆转操作涉及底部6(并更确切地涉及薄膜15)。但是，可能涉及容器1(尤其是主体5)上的某个区域的反转，该区域可在区域向容器1外突出的伸出位置与区域向容器1内突起的进入位置之间变形。例如该能变形区可以是在容器1的主体5上形成的隆起，除了通过反向使容器1加压外，隆起例如还可形成便于用手抓握容器1的把手。

Claims (13)

1.一种利用容器(1)形成包装体(2)的成形方法，容器包括主体(5)、颈部(8)和底部(6)，容器(1)具有能变形区(15)，能变形区借助在缩回位置与展开位置之间活动的机械的推杆(22)从伸出构型转变到进入构型，在伸出构型中，能变形区(15)向容器(1)外突出，在进入构型中，能变形区(15)向容器(1)内突出，所述成形方法包括以下操作：
-能变形区(15)在其伸出位置中，用温度高于容器(1)的材料的玻璃转化温度的产品充填容器(1)；
-通过安装在颈部(8)上的塞子(4)密封封闭如此充填的容器(1)；所述成形方法的特征在于，所述成形方法包括以下操作：
-测量被封堵的容器(1)的温度；
-将如此测量的温度与预定的阈值进行比较；
-如果测量的温度低于或等于阈值，则使推杆(22)从其缩回位置开始向其展开位置移动，以使能变形区(15)从其伸出构型转变到其进入构型；
-如果测量的温度高于阈值，则将推杆(22)至少临时保持在其缩回位置。
2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，如果测量的温度高于阈值，则所述成形方法包括在于产生报警信号的操作。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的成形方法，其特征在于，如果测量的温度高于阈值，则所述成形方法包括在于在预定的时间期间将推杆(22)保持在其缩回位置的操作，然后是使推杆(22)向其展开位置移动的操作。
4.根据上述权利要求中任一项所述的成形方法，其特征在于，如果测量的温度高于阈值，则所述成形方法包括对容器(1)进行强制冷却的操作。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的成形方法，其特征在于，如果测量的温度高于阈值，则所述成形方法包括使容器向储存缓冲区偏移的操作。
6.根据上述权利要求中任一项所述的成形方法，其特征在于，所述成形方法包括将测量的温度与低于阈值的目标值进行比较的操作。
7.根据权利要求6所述的成形方法，其特征在于，如果测量的温度在阈值与目标值之间，则所述成形方法包括增加推杆(22)对能变形区(15)施加的力的操作，以及/或者增加推杆(22)的移动速度的操作。
8.根据权利要求6所述的成形方法，其特征在于，如果测量的温度低于目标值，则所述成形方法包括减小推杆(22)对能变形区(15)施加的力的操作，以及/或者减小推杆(22)的移动速度的操作。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的成形方法，其特征在于，目标温度值约为30℃。
10.根据上述权利要求中任一项所述的成形方法，其特征在于，阈值约为40℃。
11.根据上述权利要求中任一项所述的成形方法，其特征在于，能变形区(15)是连接底部(6)的底座(10)与底部(6)的中心定位部(14)的薄膜。
12.根据上述权利要求中任一项所述的成形方法，其特征在于，通过由热摄影机或高温计构成的传感器(40)测量温度。
13.根据权利要求12所述的成形方法，其特征在于，在容器(1)的主体(5)上测量温度。
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