CN107454885A - 用于在填充及堵塞后，控制含有内容物的容器内的压力的方法，及相关设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在填充和阻塞之后控制含有内容物的容器中的压力的方法，特别涉及一种用于处理聚合材料瓶中的饮用液体或半液体的方法。所述方法的特征在于其包括以下步骤：填充容器，使用阻塞装置关闭所述容器，通过一个穿过阻塞装置的孔往顶部空间添加流体，以便获取比大气压大的剩余压力，并且通过熔化阻塞装置的材料来密封阻塞装置中的所述孔。本发明也包括相关装置。

Description

用于在填充及堵塞后，控制含有内容物的容器内的压力的方 法，及相关设备

本发明涉及一种用于在填充及堵塞后，控制含有内容物的容器内的压力的方法，即一种用于处理瓶装酸性饮用液体或类似果汁的半液体的方法，其中瓶子由聚合材料制成。

本发明还涉及一种相关装置，其允许实施该方法。

术语“内容物”在下文中指的是要在冷链外出售的装于容器内的饮用液体或半液体产品，根据本发明，

容器是由聚合材料制成的壳体，例如瓶子，其配有已知类型的塞子，用于在填充之后将瓶子密封住，通常用螺钉来密封。

由包括纸板，铝片和聚合物片材的复合物制成的包装，以及由玻璃，金属和层压塑料膜形成袋制成的包装均不构成本发明的一部分。

饮用液体或半液体内容物对微生物生长敏感，并且在不进行缺氧处理和/或灭菌处理的情况下，感官品质就可以被快速地修改。

以已知的方式，在约90℃的高温下进行几秒钟的热处理，也称为高温瞬间灭菌，也适用于pH值低于4.7的饮用液体或半液体，例如果汁。根据该方法，液体在填充前放于特定的容器中进行处理，填充应该以无菌方式进行操作。因此，必须确保加工链保持无菌。

这种填充方法包含在无菌冷填充过程中。将容器及其塞子通过灭菌液和冲洗进行冷灭菌，然后在无菌环境下将该内容物引入该容器中。其优点在于：由于必要的机械性能是有限的，使用的包装只需要用到有限数量的材料。该方法不会产生与温度变化相关的容积变化。此外，必要的机械性能是有限的，外部美观形状将变得更加多样化。然而，包含在顶部空间中的氧气会被消耗，并且瓶内会出现凹陷。因此，有必要提供一个瓶子，其可以承受该凹陷，或可以弥补这种凹陷。

这种“无菌”技术招致复杂且昂贵的设施的出现，其需要全面且昂贵的维护。此外，质量控制只能通过取样进行，因此对饮用液体或由此调节的半液体内容物的灭菌没有系统性的控制也不具有确定性。

另一种已知的解决方案是通过引入灭菌液来进行填充的同时进行灭菌。应当理解，添加一种化合物性质的灭菌产品不一定会被国家所有卫生法规所接受，用户自己也不愿意吸收，不仅包括他/她选择的饮用液体或半液体产品，还包括引入的残留的灭菌产品。此外，标签上应提及有添加灭菌产品，并且这些产品不在“有机”或“无防腐剂”类别中，即使这些产品在生产过程中确实含有不添加防腐剂或有机产品的产品品质。

这种防腐剂可以在储存期间以及在打开包装之后引发感官品质的改变。

现有技术中主要的已知解决方案中的最后一个在于包装的热填充，即将高温下的内容物直接引入容器中而不进行之后的灭菌处理。在这种情况下，内容物本身确保了容器的灭菌，因为其在允许杀死病原菌的温度下引入，因此温度高于73℃，通常为75℃。

合上包装，然后立即摇动，通常摇动的方式是翻转，以便热处理容器的所有内表面，包括塞子的内表面。

在热阻塞的情况下，塞子是一种单材料已知类型的塞子，通过模塑形成，在安装前就其为受控的，以便避免放置了一个有缺陷的塞子。这样的塞子相当便宜。

该解决方案很有趣，因为它确保每个包装必定要在内部进行灭菌，无需任何可能的监督。

如果塞子便宜，则热填充的缺点在于它需要一个包装，其一方面维持温度，另一方面，维持在冷却时与液体容积收缩相关的塌陷现象，由此在所述容器内形成凹陷。此外，经由饮用液体或半液体组合物冷却后，在填充时捕获的空气中的氧气也被“消耗”，从而引起延迟的凹陷，这也可能导致容器的附加变形。

因此，包装应该是机械耐久的和/或可变形的，这需要大量的材料，并且通常具有特定的结构，其带有板以承受该包装的变形和/或补偿适当变形的凹陷。因此，底部可以采用两个位置，其中之一是在凹陷的作用下向内变形，以补偿所述凹陷。底部的变形在瓶子下面，当瓶子倚靠在所述底部时，不会产生瓶子的稳定性问题，只有底部的凹处被加强，除非从下面看，不然是看不到的。可以理解，这样的底部必须被精细的复杂的生产，并且产生明显的额外成本。

应当注意，这与可持续发展的需要相背离，其中可持续发展旨在减少聚合物材料的使用量，这也会对生产成本和回收造成影响，从而对最终价格产生影响。

然而，这种方法需要最简单的调节生产线，无论是用于安装还是维护，由于主控制只有一个参数：内容物的温度，因此该调节生产线易于控制。

其它补偿方案已经实施，例如，一个解决方案在于在阻塞之前立即将液氮滴入到顶部空间中。液氮转变到气态的过程，伴随着容积的剧增，从而对瓶的容积加压，并允许随着冷却补偿液体收缩的容积。在最终状态下，在环境温度下，创建平衡，并且氮气只能引起额外的惰化。这种方法控制起来相对复杂，且很难再现。

对方法和容器材料的改进可以提高性能。数十亿瓶的市场前景是非常激励人的。

然而，该目的，也是本发明的目标，是相对于在无菌环境中用于冷填充的容器，通过具有最低可能的材料重量的瓶子来操作热填充。

能够补偿冷填充容器中的凹陷也是有用的，其也可以通过凹陷而发生变形，或者提高其机械强度，特别是如果容器本身具有低的机械强度，这也是本发明的一个目标。

因此，需要提供一种用于补偿容器中的凹陷的方法，这是最低要求，其更通常地用于控制超压，特别是在热填充的情况下。冷却后的这种超压可以补偿顶部空间减小的容积，其在冷却时降几个百分点。这种超压还允许最终补偿与氧消耗相关的压力降低。

当不提供补偿或甚至没有超压时，这些不同来源的压力的降低造成瓶子变形，使其不适合销售。

这些降压也会带给消费者不良的抓握体验，以及在托盘运输过程中容器的较差机械强度，即使是薄膜包装时也是如此。

提供补偿方法的专利是已知的，例如专利申请FR 2 322 062 A1，其建议通过特定的塞子构件将气态流体注入到顶部空间中。这种装置包括将针穿过塞子构件，将气体通过针注入顶部空间，并且移除所述针，从而塞子构件确保其自身的密封性。看来，需要具有特定装置的塞子构件，但是就包装价格而言，又是完全不能接受的。除了价格，作为补充，这产生了与多种材料的存在有关，与质量控制的复杂性有关，与回收的困难有关，以及与塞子质量的确定性缺乏有关的复杂问题。在这种情况下，提供了一种用于热填充的薄膜，其只能作为液体的障碍物，因为该液体不会流到薄膜后面，然后塞子构件是穿孔的，从而引发了位于薄膜后面的潜在微生物会转移入容器中。

另一种装置还使用更特别的塞子，其在专利申请WO 2009142510 A1中有说明。塞子被制造成带有一个开口。在填充之后，顶部空间被布置在加压的外壳中，将阻塞件引入为此设置的孔中，所述塞子通过机械装置固定在孔中。

在工业上完全不能考虑这种方法，无论就等级，价格和控制困难而言，甚至是实施方面。

本发明涉及一种用于在容器充满及封闭的状态下，控制在含有内容物的容器的顶部空间中产生的压力的方法，特别是在热填充一个瓶子时，特别是在冷却期间具有至少一个凹陷补偿，或者甚至与氧气消耗有关。

现在将说明与概述相关的方法，如附图1A-1D所示。该装置，以及获得的结果也被示意性地描述。根据非限制性的具体实施例，这个说明是针对瓶子类容器。还提供了对设备及其不同实施例的描述。

该方法和装置在附图中示出，其中不同的图示出：

图1A：用于给塞子装置灭菌的初始步骤的视图；

图1B：一种组合装置视图，用于在冲孔步骤中通过熔化实现冲孔/密封；

图1C：一种组合装置视图，用于在注射步骤中通过熔化实现冲孔/密封；

图1D：一种组合装置视图，用于通过熔化步骤在密封期间通过熔化实现冲孔/密封；

图2A：与图一所示的设置相比，一种装置的不同实施例，其允许限制运动；

图2B：一种装置的另一种不同的实施例，其也允许限制运动；

图3A：已知类型的塞子在冲孔之前的横截面视图；

图3B：图3A的塞子在冲孔后的横截面视图；

图3C：通过熔化密封后的塞子的横截面视图；

图4：根据本发明，用于图3C的熔化插管的横截面视图。

在本说明书的情况下，用于控制在含有内容物的容器的顶部空间中的压力的方法在涉及结合了所有问题的复杂实施例下操作的。这种方法是一种用于热填充容器的方法，特别适用于由PET,聚乙烯制成的容器，其基本重量低，且内容物，例如果汁，在适于杀死病原菌的温度下加热，即温度高于73℃，特别是75℃。

一旦容器充满热的内容物，容器就会被已知类型的塞子装置所塞住，例如注射成型的整体式螺旋塞，并且没有任何附加的密封部件。

这是为以下描述所保留的定义。阻塞装置由单一材料制成的整体式塞子构成。

密封是通过接触塞子材料的机械压力而获得的，即其内表面，在颈部的外周边缘的材料上，螺纹接合允许施加所述需要的机械压力。

当关闭时，所述塞子留出顶部空间。这个空间首先是由于填充而没有溢出，因为内容物在任何情况下都不应该溢出，并且在关闭之前，内容物在颈部的边缘上，因为内容物在塞子下方将是一条敞开的门，并且该容器将不适于销售。

塞子装置没有用于补偿压力的任何机制或任何其它附件。被困在顶部空间的空气很热，但是处于大气压下。

容器适合于在保留的灭菌温度下接收内容物而没有任何降解，但是没有用于补偿压力的装置。

该方法用于在填充内容物之后立即移动容器，以使容器的所有内表面与在灭菌温度下加热的内容物接触。

然后通过喷水将容器及其液体冷却至冷却通道，例如使组件接近环境温度。

当容器达到低于75℃的温度时，由于其构成材料，所述容器塌陷，因为气体和液体的容积在容器内部减少至多3-5％。这种减少随着冷却继续而增加。在低于或等于45℃的温度下，塌陷现象接近其最大值。

根据本发明，在冷却期间的任何时间，但更特别地当温度低于或等于45℃时，该方法通过穿过塞子装置的通道将气体，尤其是惰性气体，注入容器的顶部空间。

以下步骤包括通过熔化通道来密封，其中通过进入塞子装置的注射操作产生了上述通道，所述密封在0至5秒的持续时间内进行。

将注射压力和阻塞持续时间组合，使得容器中的剩余压力高于大气压力，更特别地在1.01bar和2.5bar之间，更特别地在1.01bar和1.4bar之间。

根据本发明的改进，通过一次性加热或化学灭菌，在冲孔之前对塞子装置进行外部灭菌。

优选地，在无菌环境中使用针进行注射。针也可以自己加热，其不是在其穿过的塞子的熔化温度下加热，而只是灭菌温度下加热，例如90℃。

注入的气体优选为惰性气体，以便防止内容物在装瓶后随即氧化，惰性气体例如氮气，即液体形式。这可以防止由于随后的氧气消耗而导致的过度塌陷，因为只有很少甚至没有氧气，在很大程度上替代了空气的惰性气体一开始就被限制。通过设有加热装置来熔化阻塞装置的材料，确保了通道阻塞，从而在用热插管移除针的同时进行冲孔，更具体地，在挤压材料时通过在移除针之后熔化由针产生的所述通道边缘上的材料来确保通道阻塞。

因此，容器内容物具有平衡的压力，优选地在轻微的压力下，使得瓶子的内部压力与外部压力具有差，以避免产生任何塌陷。

优选地，提供轻微的超压，因为当在冰箱的冷藏温度下冷却时，新的气体收缩被引入顶部空间，其也容易引起某种塌陷。

当填充和加压时，压力可以在填充期间改变。

例如，可以在冲孔之后的初始阶段立即高度的加压，并且具有次要压力的最后阶段，以便在通过焊接闭合之前调节最终压力。

在附图中，该方法的步骤被示意性地示出，其带有可以实现上述方法的装置。

在图1A中，建议在填充后，例如通过投射灭菌液体对带有内容物的容器内的阻塞装置10进行灭菌。这些阻塞装置包括塞子12。灭菌液体确保彻底消灭塞子外表面上的病原菌。

在图1B中，灭菌后，，使用组合装置16，其包括冲孔装置18，注射装置20和密封装置22，密封装置通过熔化构成所述塞子的材料密封，这些部件布置在在盖子24上，该盖子具有塞子的形状。有利地，冲孔装置18和密封装置22相对于盖子沿径向布置。在该步骤期间，盖子24紧靠塞子密封。通过将惰性气体，如氮气，扫除以低于盖下方的压力，来实现紧靠盖24的这一步骤。穿孔装置18通过穿透塑料材料，使材料变形和挤压材料来实现穿孔的目的，这过程不需要去除任何材料。金刚石针尖可以是有利的形状，以避免任何材料的去除，因此材料仅被挤压到孔的周边。

在图1C中，可以注意到，冲压装置18包括一个节流阀，以允许冲一个孔，其中孔的直径大于节流阀的直径。因此，通过对包含在盖子中的内部容积进行加压，就有可能通过节流阀和冲孔之间的直径差来注入气体。顶部空间的压力和盖子的容量容积的压力将变得平衡。

因此，容器的顶部容积被加压，其压力与盖子24下面产生的压力相同。

在图1D中，旋转盖子24以将密封装置22定位在穿孔的正上方。密封装置22由热插管23构成，热插管23熔化塞子的塑料材料，以便通过熔化所述塞子的材料来密封孔。具有一个基本上球形端的热插管23可以适应并用于所示的示意实施例中。

应当理解，如此加压或在轻微压力下的容器不会导致稳定性的问题，因为压力低于例如会引起底部变形的压力。即使所述容器不具有足够的初始机械强度，该超压也增强了所述容器的刚性。

这种方法允许在容器中进行热填充，例如由PET，聚乙烯制成的容器，相对于1升的容积，其带有约10克材料重的减少的基本重量，考虑到所生产的容器数量的放大系数，这一点明显减少了材料的使用。

不应该为容器壁提供特殊的结构，任何复杂的花瓣底和/或技术面板都变得多余。

因此，因为减少了所用材料的数量，容器的形状更加自由和简单，且回收也变得更便宜。

在大气压力或轻微压力下布置容器，使得容器可以堆叠在一起和用托盘装载。

根据本发明，这种用于控制含有内容物且被密封的容器中的压力的方法可以应用于所有填充模式，甚至可用于在无菌环境下给冷填充容器加压，以补偿由于氧气消耗而出现的顶部空间容积的潜在减小，并且还可以施加轻微的超压以增强机械强度，或者甚至注入惰性气体来替换顶部空间中包含的空气，以保持产品的所有感官品质，其中这些感官品质会受氧化的影响。

氧气存在的问题也是由于氧气穿过容器壁。实际上，在任何情况下，氧气随周围空气以约0.06ppm/天的量通过所述容器的壁向容器内部转移。

每升空气含有约20％的氧气，使得含有25ml容积的顶部空间含有5ml的氧气。如果这种氧气被惰性气体代替，那么保持感官品质的保存期限就会增加100天，以保持其质量。

在图2A中，根据不同的实施例示出了一种装置，其中相同的参照物的参考号码增大了100。

该装置130具有与上述相同的部件，即组合装置116，包括冲压装置118，注射装置120和通过熔化的密封装置122，这些部件被布置在具有塞子形状的盖子124上。

在该实施例中，结构设置有冲孔装置118和通过熔化实现的密封装置122，这两者是组合在一起的。

在这种情况下，冲孔装置118处于中心位置，通过熔化的密封装置122，形成热插管123，通过内在变形或花瓣状连接来调整直径，使得冲压装置118可以穿过，其中的结构是本领域技术人员所了解的。

这种布置避免了盖子24的旋转，其由此被抑制，同时这个阶段的时间也被压缩。

实际上，圆盘传送带上的速度大约是几秒钟，低于5秒钟，以避免使用太多站的圆盘传送带。

此外，叠加的中心位置允许在具有凹口的塞子的区域中操作，其中该凹口是通过注射一体形成的，其留下注射迹线，即在下表面上的圆顶D。这在图3A中是可见的。

根据另一实施例，在图2B中，相同的参考物有相同的参考号码，但是参考号码增加了200。

该装置230具有与上述相同的部件，即组合装置216，包括冲压装置218，注射装置220和通过熔化的密封装置222，这些部件被布置在具有塞子形状的盖子224上。

在该实施例中，提供了一种结构，其具有冲孔装置218和通过熔化的密封222装置，其相对于彼此倾斜，位移纵向轴线XX'和YY'在同一点P处相交，其在该塞子的表面。

优选地，点P直接布置在圆顶D的上方，更特别地在该位置处的塞子的厚度内。

通过进一步推进材料来冲孔，并且如图3B所示，形成材料焊道，特别是使用金刚石型尖端。

在同一幅图中，通过熔化的密封装置222包括一根插管，它也具有特定端部轮廓，也就是凹形碗的形状。取代凸出的半球形端，碗状端部是优选的，因为它通过熔化将材料积聚在碗中，并允许在中间区域集中加热。考虑到熔化时间几乎是瞬间的，这一点是有用的。

当空气或惰性气体没有通过任何室，自己通过冲孔装置注入时，这种形状是有用的。然后给顶部空间加压，并且空气或惰性气体被加压并且将通过形成的孔离开。在压力恢复到环境压力之前进行熔化时，仍然存在内部超压。

然而，离开的空气或惰性气体导致热套管223被冷却。

然而，图3C中的热插管的形状在图4中被放大，其一方面限制压力排出，另一方面限制冷却。

这种插管形状适用于上述所有布置。

装置的不同实施例表明了布置，相关冲孔和通过熔化密封的可能性，这期间不需要提供任何材料，几秒内就可完成测试，该测试使得完整循环的操作时间为2-3秒，例如，其低于圆盘传送带上的停留时间，其中该圆盘传送带上只设置有12个站台。

Claims (13)

1.一种用于在填充和阻塞之后控制含有内容物的容器中的压力的方法，特别是一种用于处理聚合物材料瓶中的饮用液体或半液体物质的方法，其特征在于，包括以下步骤：

-填充容器，

-使用塞子装置关闭所述容器，

-穿过塞子装置冲出一孔，

-穿过所述孔，其中孔从塞子装置中通过，将液体引入顶部空间，以便获得至少等于大气压的剩余压力，以及

-通过熔化塞子装置的材料来密封塞子装置中的所述孔。

2.根据权利要求1所述的一种用于在填充和阻塞后控制含有内容物的容器内的压力的方法，其特征在于，在热填充的情况下，当液体在低于45℃的温度下冷却后，液体被引入顶部空间。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于在填充和阻塞后控制含有内容物的容器内的压力的方法，其特征在于，流体引入压力适用于在容器内产生在1.01bar与2.5bar之间的，更特别地在1.01bar和1.4bar之间的剩余压力。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于在填充和阻塞后控制含有内容物的容器内的压力的方法，其特征在于，所述流体是一种惰性和无菌气体。

5.根据前面任一项权利要求所述的一种用于在填充和阻塞后控制含有内容物的容器内的压力的一种方法，其特征在于，引入流体和密封的步骤均在无菌环境中进行。

6.根据前面任一项权利要求所述的一种用于在填充和阻塞后控制含有内容物的容器内的压力的方法，其特征在于，使用针进行流体引入，在用所述针引入前，使用化学灭菌或从塞子装置的外表面加热。

7.根据前面任一项权利要求所述的一种用于在填充和阻塞后控制含有内容物的容器内的压力的方法，其特征在于，通过冲孔装置添加流体。

8.一种装置，用于实施前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，其包括组合装置(16、116、216)，包括：

-用于冲孔的装置(18、118、218)

-用于通过所述孔注入流体的装置(20、120、220)，和

-用于通过熔化孔来密封的装置(22、122、222)。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述冲孔装置(18)和所述密封装置(22)沿直径布置并安装在可旋转地移动的盖子(24)上。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述冲孔装置(118)和所述密封装置(122)被同轴设，并相对于彼此横向移动。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述冲孔装置(118)和所述密封装置(122)被布置成使得它们的位移轴线XX'和YY'在点P处相交，其中点P布置在所述塞子的材料内。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的装置，其特征在于，通过所述密封装置(22、122、222)的熔化包括一根热插管(23、123、223)。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述热插管(23、123、223)具有一端部，端部具有凹碗形状。