CN109689972A - 分配胶囊以及其形成的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于将纸浆材料高速连续热成型为基于纸浆的制品的装置，其包括饮料分配胶囊，所述饮料分配胶囊包括具有完全由模制的纸浆纤维形成的侧壁和基部的本体，所述装置包括用于水和悬浮的纸浆纤维的保持槽，铰接网状工具组的连续供给带，其轮廓与所述制品的预制形状相符，所述带倾斜以允许通过所述带的连续旋转部分浸入和从所述悬浮液部分取出，真空装置，其施加到所述网状工具组以抽吸所述纸浆纤维到浸入所述悬浮液中的该网状工具组，以形成所述制品的预制纸浆垫。

Description

分配胶囊以及其形成的方法和装置

相关申请的交叉引用

本发明参考美国专利8,062,477B2，该专利以引入方式并入本申请。

技术领域

本发明涉及使用植物纤维生产改进的胶囊的制品、方法和装置，所述胶囊适用于容纳研磨饮料和可煮泡制品，包括咖啡。这种胶囊的一个示例可以成形为使得适合到胶囊进给的咖啡机。进给的咖啡机和咖啡胶囊被设计成一致地工作，其中，胶囊的功能是保持正确的体积或一份剂量的咖啡、充当过滤器、和容纳用过的咖啡粒。胶囊经常设计成提供为单剂量的足够的咖啡，并且这又需要每份单剂量的成比例的大量的包装材料。胶囊设计成保持咖啡的风味(其可能受到氧气的有害影响)。胶囊设计成旨在持续且容易地提供方便并简单地在家中煮泡优质咖啡饮料的过程。

背景技术

普遍使用的胶囊技术经常使用塑料或铝来形成这种包装，这限制了回收。塑料和铝是最常用的，因为它们易于制造、相对便宜并且能够产生良好的氧气屏障以保持咖啡的味道。

本文将具体参考胶囊和生产方法以及适用于咖啡的装置来进一步描述本发明。然而，应理解，本发明不限于咖啡胶囊，并且延伸到一系列饮料胶囊和由纸浆形成的其他大规模生产的制品。

胶囊包含咖啡并且被设计成使得当其被插入到咖啡机中时，胶囊顶部和底部被穿刺。当穿刺时，可以从胶囊顶部注入加压的热水，并且煮泡好的咖啡可以从底部流出。

咖啡胶囊或“咖啡包”是可丢弃制品、单次使用并且经常是单份的。咖啡胶囊的消费者益处在于，它们将每份咖啡中的咖啡量作为预先测量的一份剂量管理，并且废咖啡渣保留在胶囊内并且可以容易地处理而不需要清洁机器。胶囊的消极方面是咖啡废物和胶囊材料经常不再回收。回收率低是由于所涉及的混合材料，因为回收过程要求分离这些材料然后材料适合于回收。目前用于胶囊的材料各不相同，但最广泛使用的胶囊由铝制成。铝胶囊经常由铝盘形成，其被冲击模塑成胶囊本体形式。胶囊上的封闭件或盖也由铝形成，其中部件被铆接在一起以密封胶囊。或者，胶囊可以由塑料形成，并且还存在由生物塑料或生物聚合物材料形成的胶囊，其将以加速的速率分解。生物塑料的使用存在挑战，尽管它具有与标准塑料相同的视觉外观，因此需要标签来传达其性质。生物塑料也被批评为难以回收和污染标准塑料的回收流。制造生物塑料所需的过程也存在局限性，因为它们缺乏标准塑料的性能，而且在“整个生命周期”分析中，由于生产过程中所需的资源，它们是不可持续的。

期望提供这些当前胶囊形式的替代方案，其提供所有消费者益处，但没有管理由使用有限材料(诸如石化聚合物和铝)引起的回收的挑战，并且没有丢弃这些资源丰富的制品进入主流废物系统的消费者挑战。还非常希望生产一种胶囊形式，其可以被消费者容易地识别为差异化解决方案，其提供当前胶囊制品的所有益处而没有任何负面问题。识别本发明的新胶囊制品的能力将要求该材料可识别为与目前市场上的塑料和铝胶囊不同。此外，使用美国专利8,062,477中详述的Varden装饰方法，可以容易地装饰本发明的制品。

用于形成铝和塑料胶囊的生产过程是高度发展的，并且生产线速度足以每年提供数亿个这些胶囊。然而，这些过程不适用于基于纸浆纤维的制品。本发明允许改进的胶囊制品和大批量生产方法和过程，其可以将任何纤维，特别是可持续和可再循环的植物基纤维，成形为先决条件形状，以类似的速度使其成为如现有解决方案经济上可行。然后，所得到的胶囊将具有必要的物理属性，以允许其用于代替现有的铝或塑料胶囊而不会降低性能，但具有增加的可持续性的附加益处。现有的铝或塑料胶囊具有截头圆锥形状。该形状的深度和倾斜度，经常被称为拔模度和拔模角，如图1C中示出，不允许该形状可以从纸浆纤维的平坦垫变形成，如PCT/AU2013/000853(WO/2014/019027)和US2015/0204020所述。PCT/AU2013/000853中详述的过程用于高速纸浆模塑过程，该过程可以产生从纸浆的平坦垫变形的一系列形状，然后可以随后将这些形状装饰并变形成成品纸浆纤维制品。这些形状的范围限于相对于拔模角较浅的那些。增加拔模角的垂直度会减小可达到的深度。超过这些限制导致纸浆制品的壁首先变薄然后分离，因为纤维的非弹性性质阻止它们拉伸，这使得先前公开的过程不适于生产本文所述类型的胶囊。

同样地，现有的纸浆形成技术在速度和体积上，以及因此经济上，产生胶囊的截头圆锥形状太慢且昂贵。还希望本发明的新胶囊制品能够以高速制造，使得本发明的新胶囊制品可以以足以影响和满足当前市场并以低成本的体积递送。

对于可在现有咖啡机范围内使用的纸浆纤维胶囊，纸浆纤维胶囊必须保持与铝和塑料咖啡胶囊相似的尺寸。这些尺寸如图1c所示。此外，本发明的基于纸浆的新胶囊制品适配为特别地符合现有塑料和铝胶囊的现有制品和性能特征，从而允许本发明的胶囊在现有机器中完全起作用。特别地，本发明的基于纸浆的胶囊适配为精确地适合入到现有机器中、接收现有机器的穿刺装置、承受加热的加压水的施加、从机器中排出煮泡的饮料并且能够经受机器的排出而没有故障。

为了提供具有合适规格的纸浆纤维胶囊以用作现有铝或塑料咖啡胶囊的替代品，需要完全不同的制造方法，使纸浆纤维在高速过程中符合这些尺寸，从而克服先前技术的限制。

以上对先前方案或制品的引用和描述并非旨在且不应被解释为对澳大利亚领域的公知常识的陈述或承认。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种用于一份剂量的研磨可煮泡饮料的分配胶囊，所述胶囊由模制的纸浆纤维形成。

胶囊可包括：本体，其具有完全由模制的纸浆纤维形成的侧壁和基部，其中，所述本体的侧壁和基部形成为一体集成构造，和盖，其可固定到所述本体以密封所述胶囊。

胶囊盖可主要由模制的纸浆纤维形成。胶囊本体可包括截头圆锥形侧面和与其集成形成的基部。胶囊侧壁可包括更高密度纸浆的纵向肋。

在另一或第二方面，本发明提供了一种制造如前所述的胶囊的过程，所述过程包括以下步骤：

a)提供多个铰接网状工具组的连续进给带，所述多个铰接网状工具组成型为所述胶囊的预制形状，并且适配为不间断地通过水和悬浮的纸浆纤维的槽被抽取。

b)使所述带倾斜以允许所述带连续地部分浸入和从所述悬浮液部分取出。

c)对所述连续移动或进给的工具组施加真空，以便将所述纸浆纤维抽取到浸入所述悬浮液的所述多个网状工具组上，以形成预制垫。

可以通过根据该第二方面的过程形成第一方面的胶囊。

如前所述的过程，其中，所述工具组的轮廓包括具有多个所述预制胶囊的纸浆纤维垫。

轮廓可以是所述胶囊的阴或阳预制外廓。

该过程还可包括提供移动工具组的步骤，该移动工具组适配为从所述连续移动带提升所述预制垫的区段。

该工具组可包括所述预制胶囊的阳或阴外廓，并且适配为与将成为所述胶囊的内部或外部的部分接合。

该过程还可包括使用二次加工使纸浆纤维变形成最终的纸浆纤维部件，其将成为胶囊的本体或盖。

该过程还可包括对预制垫施加热和压力以干燥或部分干燥纸浆并限定所述胶囊部件的最终尺寸和构造的多个步骤。这可以在一个过程中或在多个分开的过程中完成，其中，压力和变形在一个阶段中发生而不施加热量，而加热和干燥在分开的阶段施加，该分开阶段潜在具有施加压力的能力。

所述部件可以是胶囊的本体或胶囊的盖。胶囊的盖也可以由高速平坦带进给纸浆过程形成，如PCT/U2013/000853中详述。

形成纸浆纤维的预制垫的过程还可包括将特定量的纸浆纤维抽取到成型网带上的能力，使得纸浆垫具有不同密度的区域。

在另一或第三方面，本发明提供了一种用于将纸浆纤维材料高速连续热成型为基于纸浆纤维的制品的装置，该装置包括：用于水和悬浮的纸浆纤维的保持槽，成型为所述制品的形状的铰接网状工具组的连续进给带，所述带倾斜以允许通过所述带的连续旋转部分浸入和从所述悬浮液部分取出，真空装置，其施加到所述带以将所述纸浆纤维抽取到浸入所述悬浮液中的所述网状工具组上，以形成所述制品的纸浆垫。

可以使用根据该第三方面的装置形成第一方面的胶囊。

在第三方面的装置中，所述网状工具组轮廓可以代表所述制品的预制件的阴或阳外廓。

该装置可包括连续移动工具组，其适配为从所述连续移动的铰接网状工具组提升所述纤维预制件的区段。

如前所述的装置可包括所述制品的阳或阴外廓的所述后续工具组，并且适配为与将成为所述制品的内部或外部的部分接合。

如前所述的装置可以生产作为咖啡胶囊和/或盖的制品。

附图说明

现在将参照优选实施方式和图1至图9以及图例仅作为示例描述本发明，并且不应将其视为限于优选实施方式。这些图的简要描述如下：

图1A、图1B和图1C示出了胶囊和盖；

图2A至图2D示出了胶囊本体的壁厚度变化；

图3A和图3B示出了如何在胶囊的形成内使用特定的通气孔；

图4示出了预制形状和最终胶囊的轮廓；

图5A至图5D示出了纸浆成形垫；

图6示出了用于制造胶囊的装置；

图7示出了该装置的示意图；

图8示出了该装置的工具组带和槽部件；

图9示出了装置的网状工具组上的铰接。

图例

1 胶囊的盖

2 胶囊上的凸缘

3 穿刺区

4 穿刺通道

5 预制形状和厚度

6 最终形成形状

7 用于装饰的平面区

8 铰接网状工具组

9 二级成形工具组

10 传递工具组

11 带返回上的抽吸区

12 带上升上的抽吸区

13 带上的用于转移的非抽吸区

14 网状工具组之间的铰接点

具体实施方式

胶囊

现在将参考图1、图2和图3描述胶囊。

本发明提供了一种由一个或多个模制纤维源制成的盒或胶囊制品，其为现有胶囊提供相同或改进的特性，并且能够配置成符合现有的塑料和铝制品和性能特征。

用于本发明胶囊的主要材料是纸浆纤维。纸浆纤维制品目前由许多纤维来源形成，包括树木纤维、甘蔗渣(甘蔗)纤维、棕榈纤维和大麻纤维。该过程所需的纤维存在于大量植物来源中，并且其中许多是大规模商业生产。

纸浆咖啡胶囊可以设计成使得它们与现有的咖啡胶囊系统尺寸兼容并且过程相容。这将使得纸浆咖啡胶囊能够容易地被消费者在现有机器中使用，而无需改变分配系统或现有机器的任何其他方面。这在图1A中示出，为带有盖的胶囊，并且图1B和图1C中为相同胶囊的不同视图。

本发明的纸浆咖啡胶囊可以制造成所需的容差，使得它们的尺寸在分配系统的容差范围内。这示出在图1C中。纸浆咖啡胶囊还必须在胶囊内提供足够的内部体积以包含与现有咖啡胶囊类似体积的咖啡颗粒，从而确保咖啡味道或强度不受损害。壁厚度要求需要纸浆咖啡胶囊的壁厚度从一个咖啡胶囊到下一咖啡胶囊是一致的，并且壁厚度在现有咖啡胶囊技术的容差范围内。铝胶囊具有约100微米的壁厚度，并且注射的模塑塑料咖啡胶囊的壁厚度为600至800微米。纸浆模制的咖啡胶囊壁厚度可以设计成使得壁厚度可以变化以允许增加强度的区域，并且咖啡胶囊可以设计成使得壁厚度的范围可以在500至900微米之间。该范围的厚度可以在胶囊上平均，以确保内部体积没有减小，使得它将变得小于注射模塑的塑料咖啡胶囊的体积。

通过最终模具组的设计(与预成型模具组相反)改变壁厚度的能力提供了额外的益处，在于壁的密度也可以变化。这些变化的产生提供了局部强化咖啡胶囊以改善性能的能力。这在图2A和图2B和图2C中示出。

除了在模具内产生的不同厚度之外，可以控制胶囊的不同区的密度，并且改变以最佳地与使用中的包或胶囊的功能对准。特别地，定制形状的蒸汽抽取通孔的使用允许在垂直肋条处具有更密集的纸浆区，使得在煮泡和咖啡提取阶段期间保持结构完整性，如图3A所示。图3B中示出了定制成形的建立以及特别地放置的蒸汽提取通孔，这与标准纸浆热成型不同，后者使用标准的统一蒸汽提取通孔，很少或根本不考虑制品的最终用途。本发明的另一实施方式是能够避免在模具的那些区中放置蒸汽抽取通孔，所述区成为最终将被提取装置穿刺的胶囊的部分。

封闭件

咖啡胶囊的封闭件可以来自现有的过程，诸如层压到塑料薄膜的金属箔，或者也可以由纸浆纤维制成，可选择将生物塑料薄膜层压到纤维以改善阻隔性能并有助于与纸浆胶囊粘合。所述封闭件由纸浆纤维制成的益处在于它不会向制品中引入另一材料，也因此所述纸浆纤维制品的再循环或降解过程保持简单。本发明的过程能够使纸浆形成的本体与纸浆成形的封闭件或盖相匹配。纸浆形成的盖将使用与本体相同的可变密度区的组合，以确保精确的性能。盖如图1A(1)中所示。盖需要足够刚性以在穿刺过程中不会塌陷，但也足够薄以允许穿刺和热液体的流出而不会损失纤维进入液体(其会污染饮料)。这是通过建立更薄更密压实的区实现的，所述区将会被穿刺、以及在其他处形成肋状和加强区。在本发明的一个实施方式中，如本文所述，通过结合不同的阳模和阴模以及蒸汽抽取通孔以特定区和形状的位置来完成，从而形成可变密度区。蒸汽抽取通孔不放置在发生穿刺的区，而是光滑的阳模和阴模确保内表面和外表面上的光滑表面，并且在煮泡过程中液体的任何纤维污染的可能性最小。

可以通过多种方法实现将封闭件密封到咖啡胶囊的纸浆纤维本体上，诸如：-

-使用淀粉基粘合剂粘合纸浆纤维

-使用冷密封粘合剂，将其施加到两个表面的接触区，然后通过自接触粘合(如用于糖果等的流动包裹包装)

-使用层压到纸浆封闭件的塑料，其可用于将封闭件热密封到咖啡胶囊的本体。层压可以专门应用于接触区，并且塑料层压可以由生物聚合物制成。

-在纤维之间使用机械粘合，这也可以补充先前列出的方法的粘合。

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因此，本发明的纸浆胶囊满足所有标准，以在现有机器中充分发挥作用，包括装配到现有机器中、接收现有机器的穿刺机构、承受施加承压的热水以在胶囊内煮泡且提取研磨饮料并允许流出或者从机器中弹出胶囊而不会发生故障或崩解。纸浆胶囊还可以在使用后长时间存放在机器中而不会膨胀或堵塞。

纸浆垫和预制

图5A和图5B示出了由铰接成型网状工具组产生的成型的预制纸浆垫区段(上方和下方)的一次迭代。该网状工具组不是用任何平坦部分建立的，因此纸浆垫不适合于如美国专利8,062,477B2中详述的预变形印刷，而不使用特定的辅助工具组来形成所述平面表面。

成型垫在湿润的同时进一步变形入到胶囊阵列。然后可以将这些胶囊修剪成单独的单元以便单独填充和加盖，或者分段填充和加盖然后修整成单个单元。

图5C和图5D示出了由成型网状工具组建立的成型预制纸浆垫区段(上方和下方)的一次迭代。该网具有平坦区段，以黑色示出并用数字(7)表示，也因此该纸浆垫适用于预变形印刷，如美国专利8,062,477B2中所详述。

穿刺

现有胶囊技术使用铝和塑料作为胶囊材料。穿刺胶囊的过程要求胶囊材料足够硬，使得材料被穿刺并且不会简单地变形以及被咖啡机内的穿刺工具移位。所使用的铝的等级和其变形为最终胶囊形状的过程提供足够的硬度和刚度以允许穿刺。选择塑料咖啡胶囊的材料使其具有正确的性质。塑料胶囊的设计还确保塑料不会从穿刺头变形。

本发明的过程提供了一种纸浆纤维胶囊，其以与铝和塑料咖啡胶囊相同的方式被穿刺，并且利用相同的现有机器。纸浆纤维胶囊需要足够的压缩强度以抵抗变形并且壁厚度薄到足以被穿刺。纸浆纤维的材料特性也是重要的，因为纤维需要耐吸收水分，因为这会降低纤维的压缩强度，使其更容易变形，从而使其远离穿刺头移动。用于纤维的现有技术添加剂可以增加纤维的耐湿性，并且存在许多这些纤维也是可持续的和可降解的。

纸浆纤维胶囊也可以设计成使得穿刺区具有改进的性能。这种改进可以通过诸如具有增加的纤维压缩区以及更薄的壁区段的方法来实现。这如图2D(3)所示。这也可以设计成为穿刺头提供引导通道以改善接触点处的接合。这如图2D(4)所示。通道也可以设计成使得穿刺头结构在穿刺过程中支撑通道壁，也因此提高胶囊在穿刺过程中抵抗变形的能力。

本发明方法的一个优选实施方式将具有内部生物聚合物衬里以改善胶囊的阻隔性能。使用这种内部生物聚合物可以在穿刺方面提供额外的益处。目前由铝制成的咖啡胶囊在穿刺区添加了额外的材料，这似乎有助于紧固被穿刺的铝并防止铝颗粒进入咖啡制品。在本发明方法的一个优选实施方式中，内部生物聚合物衬里将与纸浆纤维粘合并降低纸浆纤维进入咖啡制品的可能性。

现存机器的现有技术

目前的咖啡胶囊经常设计成使得在咖啡提取循环完成后，胶囊可以被排出到收集盘中。从系统中移除胶囊并使其落入收集盘的方法经常通过使用胶囊的较宽的凸缘区来实现，这在图1A(2)中示出。在插入期间，将胶囊放入打开的机器中使得凸缘保持在部分封闭的环形配件内。胶囊被保持成使得其定向成允许其被推入机器主体内的腔体中。胶囊本体和胶囊盖经常在关闭机器的过程中被穿刺。完成咖啡制作过程后，胶囊从腔体中抽出。从腔体中抽取出胶囊的过程经常通过使用与胶囊凸缘下侧接合的耳状物来完成。在胶囊凸缘的小区域上使用这些耳状物在凸缘上施加相对高的压力。现有的塑料和铝制胶囊经过精心设计可承受这种压力，并提供平稳一致的排出。本发明提供了具有足够刚性的模制纤维胶囊，以允许胶囊通过所述耳状物在所述凸缘上拉动被抽出并被弹出入到收集盘中。

专门围绕铝咖啡胶囊设计的商业系统仅用于专有胶囊。这对于使用纤维纸浆的胶囊提出了独特的挑战，因为纸浆材料具有与铝或塑料不同的物理性质。必要时，纸浆胶囊的形状必须在狭窄的尺寸范围内，以允许其在现有机器中以与现有专有胶囊相同的方式使用。

机器被设计成使得在胶囊装载、一份剂量咖啡或饮料的煮泡、从煮泡腔体抽取出胶囊并最终在出口阶段(其中胶囊经常被弹射到收集盘中)期间，胶囊需要处于尺寸范围内。这些阶段以及胶囊设计的影响将在下面进一步详述：

-胶囊的装载需要胶囊外廓可以插入通过机器中的开口

-胶囊凸缘由内部流道捕获，所述内部流道的尺寸使得它们仅允许窄范围的凸缘尺寸

-流道用于改变胶囊的角度，使得它以特定角度提供上到煮泡腔体

-胶囊角度的变化要求胶囊通过弧形旋转，内部空间设计成使得如果胶囊比专用胶囊长，则不通过机器的内表面并且胶囊会卡住

-腔体空间设计为接受有限的尺寸变化

-腔体包括多个刀片，所述刀片定位成使得它们穿刺胶囊，并且这些刀片的尺寸使得如果它超出容差范围，它们将不会穿刺胶囊

-在“煮泡”之后，通过相邻的一组较小的流道从腔体抽出胶囊，当操作者打开系统时，这些较小的流道或耳状物将力施加到胶囊的凸缘。耳状物在凸缘上施加集中的压力。如果在此过程中凸缘弯曲、撕裂或以其他方式变形，则胶囊可能留在机器中或无法合适地排出

-一旦‘耳状物’将胶囊从腔体抽取出，它会随重力下落到收集盘中。在此过程中，胶囊必须通过有意的狭窄间隙，这进一步限制所述胶囊的尺寸容差。

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本发明的纸浆胶囊完全符合并在上述操作阶段中起作用。

过程

现在将描述本发明的过程。

在该实施方式中，本发明涉及将热成型纸浆纤维材料高速成型和装饰成单份研磨咖啡胶囊，用于专用煮泡机器。

目前的纸浆纤维热成型方法通过使用真空将水抽吸通过网筛来产生纸浆纤维制品。网筛作为模具，并且被下降入水和悬浮的纸浆纤维的槽中。通过真空过程将纸浆纤维抽取到网筛模具上。纤维聚集在筛上，直到它们形成纤维垫。筛网可以成形为对于阳或阴制品的阳或阴工具，也因此垫符合最终制品的形状。将网从槽中提起。然后通过施加热和压力将垫干燥成其最终形式。这经常在机器的分开工作站上进行，并且使用不同的工具，非网状或用于内表面的网状工具和用于外表面的抛光工具，以便在制品的外表面上提供更美观的饰面。压力还设定成品部件的密度和壁厚度。该过程的速度和生产率由压板大小和停留时间驱动，使得制造所述胶囊太慢且成本太高，其中，所述胶囊既需要低生产成本又需要精确的生产尺寸。

整个过程的其他方面类似于现有技术中引用的过程，即从网状工具中提取的水经常是再循环的，以便减少水的消耗。测量系统控制从储备槽到主槽的液体流动，以保持正确的纤维相对于液体的比率。连续补充的过程与目前可用的系统一致，对我们的过程来说并不新颖。

对于本发明，抽取深度、胶囊的拔模角和所需的生产速度将排除使用常规方法和常规装置。胶囊本身一般为26mm深，如图1C所示，胶囊的深度类似于胶囊的上直径，并且在水平方向上具有97.2度的陡峭拔模角。部件的深度和拔模角的严重程度意味着使用传统的单模制浆过程难以制造形状，并且如前所述缓慢且不经济。此外，由于纸浆纤维的非弹性性质和如前所述的纸浆纤维的物理限制，所述胶囊不可能使用PCT/AU2013/000853中限定的平坦垫变形过程制造。所述胶囊的独特形状可以在纸浆纤维初始形成预制形状中最佳地获得。术语“预制”在本文中应理解为意味着基本上符合胶囊形状的中间形式。特定的预制件的外廓是圆形的，如图4中所示，这允许对其上聚集的纤维量进行更大程度的控制，并且具有足够的深度和拔模角以允许在其上聚集的纤维被抽吸到最终形状中，同时保持一致的成品壁厚度和密度。此外，这种圆形预制形状独特地适合于本发明的成形过程的连续并倾斜性质。

传统方法在尝试制造尺寸一致的纸浆纤维部件时将面对进一步的挑战，这是一个关键方面，考虑到在现有咖啡系统内使用纸浆纤维胶囊以及胶囊的内部体积与现有技术保持一致，而不对现有机器的规格进行任何修改或改变的需要。此外，体积必须保持在一致的容差范围内，使得咖啡的体积不会超出可接受的范围，因为这可能会对味道产生不利影响，并且对于使用体积填充的过程产生生产挑战，因为该过程将填充每个胶囊，无论内部体积如何，使用相同量的咖啡，这可能导致过度填充，这会污染生产线和胶囊本体的密封区。密封区的污染可能导致密封不良，从而导致氧气阻隔性差。

本发明通过使用两阶段或多阶段纸浆热成型过程克服了这些挑战，其中，连续纤维垫是最终形状的部分成形版本(预制件)，借助于网状工具组的连续带供应。这如图6中所示。第一工具组是网状物，它形成了一种纤维聚集的形状，使得纤维能够重新分布成最终形状的元件，并且足够的纸浆纤维被放置在关键区中以进一步变形和浓缩，以便装配实际的扭曲范围。该过程还允许产生平坦的平面区，其可以采用预扭曲的装饰，如美国专利8,062,477B2中所述。后续工具组如图6(9)所示，然后在适当的区域产生纸浆纤维的最终形状和最终密度。后续工具组的数量将由后续的成形动作组合或分开的程度决定。在本发明的一个优选实施方式中，将存在二级和三级工具组。第二工具组将使纸浆纤维在压力下变形，第三工具组施加热以干燥制品。第三工具组还可以施加压力以加速干燥并且还进一步限定制品形状。可以对工具组进行精加工以提供纹理，或者进行抛光以使纸浆纤维具有光滑的抛面。将纹理施加到胶囊外部可能是优选的，因为它可以明显地区分纸浆胶囊与现有的胶囊制品。内部胶囊可以被高度抛光，以便呈现更有柔性和更光滑的表面，以便更容易地填充咖啡粒。光滑的内部装饰也会降低纸浆纤维与咖啡粒相互作用的可能性。

在干燥过程中产生蒸汽，并且需要从工具中抽出该蒸汽。在传统的热成型过程中存在用于此的许多方法，这些方法可以包括为网状物的阳工具，以便允许蒸汽逸出，或者可以将特定的通气孔放置在一个或两个工具内。用于蒸汽去除的传统过程是一种通用过程，可应用于大多数纸浆制品，但不适合单独制品。对于本发明，通气孔的放置可以特定于咖啡胶囊的生产，也因此可以优化位置。这是通过使用成形蒸汽抽取通孔完成的。这些如图3A所示。它们与胶囊外部上的肋状区对齐，以便产生更致密和更强的抗压缩区，以便转而允许在煮泡过程期间成功地穿刺胶囊的顶部和底部。此外，使用所述特定的定制蒸汽提取通孔可加速蒸汽提取过程，进一步减少循环时间并降低生产成本。此外，本发明的过程允许生产具有足够尺寸容差的胶囊，以允许在使用后可靠地从机器中排出胶囊。

装置

现在将参考图6描述本发明的装置，其示出了该装置的透视图，并且图7示出了该装置的示意图，并且图9示出了该装置的网状工具组上的铰接。

目前的纸浆热成型过程相对较慢，特别是当与用于生产铝或塑料咖啡包或胶囊的现有过程相比，并且需要一种功能在另一功能开始之前完成。当前的过程经常是阶梯式的，使得形成的或预制纸浆部件被交到第二精加工工具，并且网状工具降回到槽中以开始形成下一制品。

为了增加制造制品的体积，现有机器的机器大小已经按比例放大，以允许在每个阶段期间制造多个制品。这在灵活性方面具有优势，因为机器可以生产更少更大部件或更多更小的部件。缺点是系统的规模要求更高的体积以节省成本，并且这会因加工成本和加热系统以使其干燥纸浆部件所需的能量而加剧。

因此，优选提供克服体积和线速度挑战的过程。本发明通过创造一种不分阶段的纸浆形成过程，而是通过连续进给和通过建立开发以提供更窄范围的制品的过程来实现这一点。这在图6中示出。为了使纤维能够连续形成，使用成型网带，其中，轮廓构成预制的胶囊形状，其中带包括多个铰接网状工具组，其连续地通过水和悬浮的纸浆纤维的槽抽取。这在图8中示出。网带是铰接的并且由多个预制的金属网状工具组构成，所述金属网状工具组可枢转地结合以构成连续带。铰接网状工具组如图9中所示。铰接点如9(14)所示。网带不断移动并成角度，使得带逐渐从水中上升，然后降回到槽中。带由真空床支撑，所述真空床将纤维连续地抽取到带的水下区。这如图8(11)所示。当带离开水时保持吸力，以将纤维保持在网状工具组上。这如图8(12)所示。当网状工具组进入水平面并且准备将纸浆垫的区段交到辅助工具组时，关闭吸力。这如图8(13)所示。铰接网状工具组的轮廓为非平面形状，以提供为阳或阴锥形的纸浆纤维部件相对应的阳或阴配对物。网状工具组的轮廓用于产生纸浆纤维咖啡胶囊或其它具有显着深度和拔模角的制品，它们不能如专利申请PCT/AU2013/000853中所详述从平坦的纸浆垫变形，因为材料变形的局限性。拔模角如图1C所示。网状工具组符合最终胶囊形状的程度取决于特定纸浆纤维的变形能力、纸浆纤维变形的拔模角的陡峭程度、垂直壁区段的最终密度、垂直壁区段的机械性能以及是否要装饰纸浆纤维部件。预制形状和最终胶囊形状之间的差异如图4中所示。将纸浆纤维抽取到成型网上并聚集纤维。聚集的纤维量对应于所用的真空水平和带速度。在这个阶段，纸浆也可以用染料着色。

由移动工具组拾取垫的没有水并且已经通过真空除去了更多水的区段，该移动工具组提升纸浆区段离开网状工具组。该工具组称为“传递预制件”工具组，如图6(10)中所示。该工具组的外廓可以是阳的或阴的，并且与将成为胶囊的内表面的部分接合。在这个阶段，阳和阴工具组的形状都是“预制件”，也就是说，不是完全形成的形状，如前所述。

如果该部件需要装饰并且装饰需要符合胶囊的最终轮廓，那么移动工具组将纸浆部分呈现给装饰站，该装饰站将按照美国专利8,062,477B2中详述的方法装饰纸浆，该专利在此引入作为参考。

然后，传递预制件工具组将预制纸浆垫传递到二级工具组。二级工具组如图6(9)所示。第二工具组成形为反映纸浆胶囊的最终形状和尺寸。第二阳或阴工具组与纸浆垫接合，并且施加压力和热以限定部件的最终尺寸和构造。纸浆纤维部件内的高水分含量允许纸浆纤维在部件内移动并在由阳或阴工具施加的压力下滑动，然后热干燥纤维并将其锁定就位。部件内的水分含量、纤维的类型、蒸汽抽取通孔的位置和形状以及增加滑动的化学品的添加将决定纤维的流动性。

在允许更快的线速度的替代方法中，存在第三或三级模具组。在该替代方法中，二级工具组仅施加压力，并将部件形成为其成品形状，或者形成更接近成品部件的第二预制件。然后将纸浆垫传送到第三模具，在其中加热并干燥部件。该方法具有更快的线速度的优点，尽管在该过程中有额外的站，因为每个站仅具有一个任务。二级工具组阶段处的纤维能够精确地滑动和模制到可变密度的区域，因为它们在成型时不经受干燥，使得在最终干燥之前正确量的纤维就位。三级模具不必允许滑动和重大变形，但可以工程设计成仅优化干燥和蒸汽抽取。三级模具也可用于插入阻隔膜，该阻隔膜可由生物聚合物形成，以改善纸浆的氧气阻隔性。阻隔膜将由纸浆纤维部件物理支撑，也因此膜厚度将受限于提供所需阻隔性能所需的厚度。另外，内部薄膜可被利用以充当用于纸浆封闭的热封区。或者，也可以在此处或通过诸如喷射涂覆的附加过程施加精加工涂层。薄膜和/或喷射涂覆的特定性能可以根据所含制品定制，因此易于依照顾客具体要求而制造。

然后可以将干燥纸浆的部件从模制和成形生产线移开，并且可以根据需要进行修整和精加工。

传统的印刷方法也可以在这个阶段应用。现在可以进一步处理胶囊以允许集成到填充和密封过程中。

封闭粘合过程

密封封闭件也可以由具有淀粉基接触粘合剂的纤维片材或者由使用生物聚合物薄膜制成，其允许通过使用热密封来粘合封闭件或盖。通过设计接触表面以增加表面积和/或使区段成形可以改善粘合，使得纤维也以卷曲连接的方式机械粘合，该卷曲连接可以形成为模制过程的一部分。另外，如果生物塑料用作胶囊内的阻隔膜，则所述膜可用于通过使用热封来粘合盖。需要特别考虑要被穿刺的盖的区域以允许进行干脆并精确的刺穿以及承压热水的通过。为了做到这一点，这些区被识别出来，并在其内外表面上光滑模制。相反，蒸汽抽取通孔围绕周边放置，并且可以成形为特定形状以进一步促进这一点。这具有在周边周围产生纹理化表面的第二好处，这又为前面提到的粘合技术之一的应用提供了更大的表面积，该粘合技术将模制的纸浆纤维盖粘合到模制的纸浆纤维胶囊。纸浆形成的盖可以使用PCT/AU2013/000853中详述的现有已知方法制造。

当在本说明书和权利要求书中被使用时，术语“包括”和“包含”及其变形意味着包括指定的特征、步骤或部分。这些术语不应被解释为排除其他特征、步骤或部分的存在。

Claims (25)

1.一种用于一份剂量的研磨可煮泡的饮料的分配胶囊，所述胶囊由模制的纸浆纤维形成。

2.根据权利要求1所述的胶囊，包括：具有完全由模制的纸浆纤维形成的侧壁和基部的本体，其中所述本体的侧壁和基部形成为一件式集成构造，以及可固定到所述本体用于密封所述胶囊的盖。

3.根据权利要求2所述的胶囊，其中，所述盖主要由模制的纸浆纤维形成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的胶囊，其中，所述本体包括截头圆锥形侧壁和同时形成并与其集成的基部。

5.根据权利要求4所述的胶囊，其中，所述侧壁包括更高密度纸浆的纵向肋。

6.根据前述权利要求中任一项所述的胶囊，其中，所述胶囊由包括以下步骤的过程形成：

a)提供多个铰接网状工具组的连续进给带，所述多个铰接网状工具组成型为所述胶囊形状的预制形状，并且适配为不间断地通过水和悬浮的纸浆纤维的槽被抽取；

b)使所述带倾斜以允许所述带连续地部分浸入和从所述悬浮液部分取出；

c)对所述连续进给的网状工具组施加真空，以便将所述纸浆纤维抽取到浸入所述悬浮液中的所述多个网状工具组上，以形成预制纸浆纤维。

7.根据权利要求6所述的胶囊，其中，所述工具组成型为包括多个所述预制胶囊。

8.根据权利要求7所述的胶囊，其中，所述轮廓是所述预制胶囊的预制阳或阴外廓。

9.根据权利要求8所述的胶囊，其由所述过程形成，其中，所述过程还包括提供连续移动工具组的步骤，所述连续移动工具组适配为从所述连续移动带提升所述预制垫的区段。

10.根据权利要求9所述的胶囊，其中，所述工具组包括所述胶囊的阳或阴外廓，并适配为与将成为所述胶囊的内部或外部的部分接合。

11.根据权利要求10所述的胶囊，其中，后续不同的阳和阴工具组还包括向预制垫施加热和压力以干燥纸浆并限定所述胶囊部件的最终尺寸和构造的多个步骤。

12.根据权利要求11所述的胶囊，其中，所述部件是所述胶囊的本体或所述胶囊的盖。

13.根据前述权利要求中任一项所述的胶囊，其使用装置形成，所述装置包括：用于水和悬浮的纸浆纤维的保持槽，成型为所述胶囊的预制形状的铰接网状工具组的连续进给带，所述带倾斜以通过所述带的连续旋转允许所述带部分浸入和从所述悬浮液部分取出，真空装置，其被施加到所述网状工具组以将所述纸浆纤维抽取到浸入所述悬浮液中的所述网状工具组上，以形成所述胶囊的预制纸浆垫。

14.根据权利要求13所述的胶囊，其中，所述成型网状工具组代表所述制品的阴或阳预制外廓。

15.根据权利要求14所述的胶囊，其中，所述装置还包括连续移动工具组，其适配为从所述连续移动工具组提升所述纤维预制件的区段。

16.根据权利要求15所述的胶囊，其中，所述工具组包括所述制品的阳或阴外廓，并适配为与将成为所述制品的内部或外部的预制外廓接合。

17.一种用于制造分配胶囊的过程，包括以下步骤：

a)提供多个铰接网状工具组的连续进给带，所述多个铰接网状工具组成型为所述胶囊形状的预制形状，并且适配为不间断地通过水和悬浮的纸浆纤维的槽被抽取；

b)使所述带倾斜以允许所述带连续地部分浸入和从所述悬浮液部分取出；

c)对所述连续进给的网状工具组施加真空，以便将所述纸浆纤维抽取到浸入所述悬浮液中的所述多个网状工具组上，以形成预制纸浆纤维。

18.根据权利要求17所述的过程，其中，所述工具组的轮廓成型为包括多个所述预制胶囊，其中，所述轮廓是所述预制胶囊的预制阳或阴外廓，并且该过程还包括提供连续移动工具组的步骤，所述工具组适配为从所述连续移动带提升所述预制垫的区段。

19.根据权利要求18所述的过程，其中，所述工具组包括所述胶囊的阳或阴外廓，并适配为与将成为所述胶囊的内部或外部的部分接合。

20.根据权利要求19所述的过程，其中，后续不同的阳和阴工具组还包括向预制垫施加热和压力以干燥纸浆并限定所述胶囊部件的最终尺寸和构造的多个步骤。

21.根据权利要求21所述的过程，其中，所述部件是所述胶囊的本体或所述胶囊的盖。

22.一种用于将纸浆材料高速连续热成型为基于纸浆的制品的装置，包括：用于水和悬浮的纸浆纤维的保持槽，成型为所述制品的预制形状的铰接网状工具组的连续进给带，所述带倾斜以通过所述带的连续旋转允许所述带部分浸入和从所述悬浮液部分取出，真空装置，其被施加到所述网状工具组以将所述纸浆纤维抽取到浸入所述悬浮液中的所述网状工具组上，以形成所述制品的预制纸浆垫。

23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述成型网状工具组可代表所述制品的阴或阳预制外廓。

24.根据权利要求23所述的装置，还包括连续移动工具组，其适配为从所述连续移动工具组提升所述纤维预制件的区段。

25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述工具组包括所述制品的阳或阴外廓，并适配为与将成为所述制品的内部或外部的预制外廓接合。