DE3040028C2

DE3040028C2 - HF-Siegeleinrichtung zum Versiegeln von Verpackungsmaterial

Info

Publication number: DE3040028C2
Application number: DE3040028A
Authority: DE
Inventors: Laszlo Malmö Pozna
Original assignee: Tetra Pak International AB
Current assignee: Tetra Pak AB
Priority date: 1979-10-23
Filing date: 1980-10-23
Publication date: 1984-11-29
Also published as: GB2062427B; DE3040028A1; SE7908752L; FR2468274B1; US4371768A; JPH0225326B2; GB2062427A; SE422136B; JPS5746844A; FR2468274A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine HF-Siegeleinrichtung zum Versiegein bzw. Verschließen von Verpakkungsmaterial der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung.

Versiegelungen bzw. verschweißte Verschlüsse von Verpackungen werden häufig in einer solchen Weise durchgeführt, daß das Verpackungsmaterial, das mit einer thermoplastischen Schicht, z. B. Polyäthylen, versehen ist, mit einer entsprechenden Materialschicht versiegelt bzw. verschweißt wird, indem die Schichten innerhalb des beabsichtigten Siegelungsbereiches gegeneinander gepreßt werden, während sie gleichzeitig erhitzt sind, so daß die thermoplastischen Schichten schmelzen und in dauerhafter, mechanisch fester und flüssigkeitsdichter Siegelung bzw. Verschweißung miteinander verbunden werden.

Falls das Verpackungsmaterial aus einem Laminat besteht, das auch eine elektrisch !eitfähige Schicht, beispielsweise eine aus Aluminiumfolie bestehende Schicht, aufweist, die in Nachbarschaft der thermoplastischen Siegelungsschicht angeordnet ist, kann das Erhitzen des thermoplastischen Materials im Siegelungsbereich rasch und wirksam mit Hilfe des sogenannten Hochfrequenz-Erhitzens durchgeführt werden. Dies erfolgt dadurch, daß ein magnetisches Feld hoher Frequenz mit Hilfe einer speziell angeordneten Erregerwicklung erzeugt wird. Wenn die Erregerwicklung ein starkes magnetisches Hochfrequenzfeld überträgt, werden sogenannte Wirbelstrome in der elektrisch leitfähigen Schicht des Verpackungsmaterials erzeugt, das dann an denjenigen Stellen lokal erhitzt wird, an denen die leitfähige Schicht dem Magnetfeld ausgesetzt ist. Da die elektrisch leitfähige Schicht so angeordnet ist. daß sie sich in Nachbarschaft der thermoplastischen Siegelungsschicht befindet, wird die in der leitfähigen Schicht erzeugte Hitze durch Konvektion auf die thermoplastische Schicht übertragen, die hierdurch auf Siegelungstemperatur erhitzt wird.

Ene HF-Siegelcinrichtung der oben genannten Ciai tung ist bereits bekannt (CH-PS 4 63 088). Dabei ist die Erregerwicklung in die vom ferromagnetischen Kern gebildete Aussparung, die sogenannte »Spulenkammer«, eingesetzt. Von einem externen Hochfrequenzgenerator werden hochfrequente Wechselspannungen einer Frequenz im Bereich von insbesondere 1 —1OkHz an die Erregerwicklung herangeführt. Insbesondere bei sich im Betrieb bewegenden Kernen, welche gleichzeitig die Siegelungsbacken zum Versiegeln bzw. Verschließen des Verpackungsmaterials bilden, müssen relativ lange Leitungen zwischen dem Hochfrequenzgenerator bzw. Oszillator und der Wicklung gelegt werden, was oft höchst problematisch ist. Sofern Konlaktbürslen an elektrisch lcitfähigen Schienen enilangglci-

i^r> ten, um die »Schleifenbildung« von sich mitbewegenden Leitungen zu vermeiden, entstehen oft Kontaktfeder, was dazu führt, daß die Erregerwicklung während solcher Kontaktfehler kein elektromagnetisches Feld erzeugt und daher auch keine Wirbelströme in der elektrisch leitfähigen Schicht erzeugt werden können, so daß die betreffenden Stellen der thermoplastischen Schichten nicht erwärmt werden. Der mindestens teilweise Ausfall einer Versiegelung ist die Folge.

Darüber hinaus ist es bekannt (DE-OS 23 26 633), Oszillatorkrcise zur Erzeugung einer Wechselspannung zwischen 5 und 20 kHz unter Verwendung von Transistoren, Wicklungen, Kondensatoren und Widerständen aufzubauen und dabei auch eine induktive Kopplung von Oszillatorwicklungen durchzuführen. Die Ausgänge dieses Oszillators werden an eine Erregerwicklung, gegebenenfalls parallel zu einer Kapazität, gelegt, welche unterhalb eines Warmhaltegerätes angeordnet ist, so daß das von der Erregerwicklung erzeugte elektromagnetische Wechselfeld in einer elektrisch leitfähigen Platte des Warmhaltegerälcs zu einer Erwärmung führt. Diese Einrichtung ist im Bereich höherer Frequenzen wegen der auftretenden Eigenverluste ungeeignet; außerdem treten dabei Störfelder auf, sofern nicht spezielle HF-Entstörmittel verwendet weiden, und zwar selbst dann, wenn der Oszillator zusammen mit der davon getrennten Erregerwicklung innerhalb einer Tischplatte eingebaut ist. Die Anwendung dieser Einrichtung zum Hochfrequenzversiegeln insbesondere mit höheren Frequenzen als 20 kHz verbietet sich daher wegen der zu erwartenden Schwierigkeiten.

Die eingangs genannte Siegelcinrichtung zur Herstellung einer Versiegelung mit Hilfe eines hochfrequenten magnetischen Wechselfcldcs bei Verpackungsmaterial, das eine elektrisch leitfähige Schicht, wie eine Aluminiumfolie, enthält, hat sich — falls keine Störungen auftreten — als sehr wirksam und schnell durchführbar erwiesen und führte auch zu sehr dauerhaften Siegelungsverbindungen. Ein Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß es bisher einen relativ teueren und energieverbrauchenden Hochfrequenzgenerator erfordert, der in der Regel mit Elektronenröhren ausgerüstet ist. Das eigentliche Magnetfeld wird mit speziellen Erregerwicklungen erzeugt, die in den Siegeldruckbacken angeordnet und an den Hochfrequenzgenerator angeschlossen sind.

to Diese Verbindung zu dem Hochfrequenzgenerator ist jedoch wegen der Hochfrequenz von angenähert 1 bis 2 MHz nachteilig: Es treten erhebliche thermische Verluste in den Verbindungslciiungen auf. Es wurde berechnet, daß in den meisten Fällen nur etwa 10% der vom

b^r> Hochfrequenzgenerator zugeführten Energie zum Siegeln benutzt wird, und daß große Wärmeverluste wegen der Hochfrequenz in den Übertragungskabeln auftreten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verminderung solcher Verluste und von eventuellen Störeffekten bei möglichst einfachem Aufbau der HF-Siegeleinrichlung.

Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet Die oben erwähnten Nachteile werden bei der Erfindung dadurch vermieden, daß zwei induktiv gekoppelte Windungen des HF-Generators mit dem Kern integriert sind. Diese Teile eines Oszillatorkreiscs sind in die Kernaussparung eingesetzt, so daß die Wicklungen auf der Kerninnenseite, aber in der Nähe der Öffnung der Aussparung in Richtung zum Verpackungsmaterial angeordnet sind.

Eine beispielsweise Ausbildung der Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Zeichnung erläutert Dabei zeigt

F i g. 1 — ein schematisches Schaltbild eines Oszillators;

F i g. 2 — einen langgestreckten Siegelbai-kcn;

F i g. 3 — einen runden Siegelbacken; und

Fig.4 — das einen Siegelbacken umgebende Magnetfeld.

Zum besseren Verständnis wird der elektrische Oszillatorkreis beschrieben und zuerst mit Hilfe des in I·' i g. 1 gc/.eiglcn Schaltbildes erläutert, worauf die praktische Ausbildung der Siegeleinrichtung diskutiert wird.

Aufbau des Oszillators

Der in Fi g. 1 gezeigte Oszillator weist zwei Wicklungen L 1 und L 2 auf, die induktiv miteinander gekoppelt sind. Die Mittelabgriffe 1 und 2 der Wicklungen L 1 und L 2 sind miteinander über einen Widerstand R verbunden, dessen Größe nicht kritisch ist, aber auf ungefähr 5 Ohm dimensioniert sein sollte. Die Enden 10 und 11 der Wicklung L 1 sind an die Kollektoranschlüsse 12 bzw. 13 der Transistoren 7*1 und 7*2 angeschlossen, die in dem hier beschriebenen Fall zwei Transistoren bilden, die paarweise parallel gekoppelt sind, während die Enden 14 und 15 der Wicklung L 2 an die Basisanschlüsse 16 und 17 der Transistoren 7*1 und 7*2 angeschlossen sind. Die Emitteranschlüsse 18 und 19 der Transistoren Ti und 7"2 sind miteinander im Verbindungspunkt 3 verbunden, der ebenfalls an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle B angeschlossen ist. Darüber hinaus verbindet eine Kapazität Cdie Enden 10,11 der Wicklung L 1. um die Oszillatorfrcqucn/. des Oszillators zu bestimmen. Der Mittelabgriff 1 der Wicklung L 1 ist über einen Stromunterbrecher bzw. Schalter S an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle B angeschlossen. Die Spannung derselben wird nach dem Strom gewählt, der durch die Wicklung L 1 fließen soll, und dieser nach dem erwünschten Erhitzungseffekt der Siegelungseinrichtung. Wenn die Spannung der Gleichspannungsquelle B ansteigt, bedeutet dies auch ein Anwachsen des Stroms durch die Wicklung L 1 und deshalb der Feldstärke des erzeugten Magnetfeldes.

Funktion des Oszillators

Wenn der Schalter S geschlossen wird, erhalten die Basisanschlüsse 16 und 17 der zwei Transistoren 7*1 und T2 eine Spannung im Moment des Schließens, die der Spannung am positiven Pol der Gleichspanniingsqucllc 0 entspricht: dies sei in diesem Fall +3OVoIt. Da die Transistoren 7*1 und 7"2 bei positiver Basis.spannung »leitend« sind, wird der eine oder andere Transistor leitfähig. Das bedeutet, dall der Kollcktorwidcrstand zwischen den Punkten 12 und 18 absinkt Wenn angenommen wird, daß der Transistor Tl zuerst auf das Schließen des Schalters S reagiert, d h. daß der Kollektorwiderstand schneller als am Transistor 7*2 abfällt, fließi ein Strom von der Gleichspannungsquelle B über den oberen Teil der Spule L 1 und durch den Transistor 7*1 zwischen den Punkten 12 und 18, um anschließend über die Verbindung 3 zur Gleichspa«nungsquelle B zurückzufließen. Dieser Strom /_c durch den Transistor T wird als Kollektorstrom bezeichnet und hängt selbstverständlich von der Spannung und vom inherenten Widerstand der Gleichspannungsquelle B und vom Widerstand der Wicklung L1 ab. Im vorliegenden Fall wird der Kollektorstrom l_c zwischen 10 und 20 A sein. Bei der Aufnahme des gewünschten Stromes soll sichergestellt sein, daß die einbezogenen Komponenten für den fraglichen Strom geeignet dimensioniert sind, d.h. daß die Transistoren einer Strombelastung von 10 bis 20A standhalten müssen. Die Wicklung L 1 sollte daher mit ausreichend dickem Wicklungsdraht gewickelt sein, um der Belastung standzuhalten.

Der starke Strom durch den oberen Teil der Wicklung L 1 zwischen den Stellen 1 und 10 induziert einen entgegengesetzten Strom in der Wicklung L 2. Das be-

2^r> deutet, daß der ßasisanschluß 16 des Transistors 7*1 ein negatives Potential erhält, während der Basisanschluß 17 des Transistors T2 ein positives Potential aufnimmt, was umgekehrt bedeutet, daß der Strom-Durchgang durch den Transistor 7*1 abgeschaltet wird, und zwar wegen des Kollektorwiderstands zwischen den Stellen 12 und 18, der plötzlich zunimmt, während umgekehrt der Kollektorwiderstand zwischen den Stellen 13 und 18 des Transistors 7*2 plötzlich auf einen im allgemeinen vernachlässigbaren Wert abfällt. Wenn dies der Fall ist, fließt ein starker Kollektorstrom durch den Transistor Γ2, und zwar über den unteren Teil der Spule L 1, wodurch in der Wicklung L 2 eine Spannung induziert wird, die den Transistor 7*2 abschaltet, »drosselt« bzw. unterdrückt, da der Kollektorwiderstand zwischen den Stellen 13 und 19 zunimmt, und daß gleichzeitig der Transistor T1 »öffnet«, da der Kollektorwiderstand zwischen den Stellen 12 und 18 wieder auf einen vernachlässigbaren Wert abfällt.
Auf diese Weise werden die Transistoren 7*1 und T2

4ϊ leitend und fließt ein starker Strom (im vorliegenden Fall 10 bis 20 A) entweder zwischen den Stellen 1 und 10 der Wicklung Li oder zwischen den Stellen I und 11 derselben Wicklung. Dies führt zu einem Anstieg des alternierenden Wechselfeldes von der Wicklung L 1, dessen Größe von der Windungszahl und der Stromstärke des durch die Wicklung fließenden Stromes abhängt.

Die Frequenz des oszillierenden HF-Feldes wird einerseits durch die Induktivität der Wicklung L 1 und andererseits von der Kapazität Cbestimmt, die Teil des Stromkreises bildet, und die im selben Rhythmus geladen und entladen wird, in der die Transistoren 7*1 und Tl leitend werden. Weil der Kondensator Cparallel mit der Wicklung L 1 geschaltet ist, wird ein sogenannter

bo Parallelresonanzkreis gebildet, der eine definierte Resonanzfrequenz aufweist. Beim Anschließen der Stromversorgungsquelle B an den in F i g. 1 gezeigten Kreis stellt sich die Oszillatorfrequenz automatisch selbst auf die wirksame Resonanzfrequenz ein. Bei höheren Kapa-

f>^r> zitälswcrten des Kondensators Cdauern die Lade- und Entladevorgänge längere Zeit, so daß die Resonanzfrequenz vermindert wird, während in der gleichen Weise die Rcsonan/fieciuenz zunimmt, wenn ein Kondensator

Cmit niedrigerer Kapazität verwendet wird. Im vorliegenden Fall wird eine Resonanzfrequenz von etwa 50 bis 6OkHz verwendet. Es ist aber auch möglich, gute Siegelungsergebnisse auch mit stark verminderten Frequenzen von beispielsweise 30 bis 40 kHz zu erzielen.

Der Vorteil der beschriebenen Ausbildung bcstehi darin, daß die Wicklungen /. I und L 2 als integraler Teil des Siegelungsbackens, und zwar des Kerns 4. ausgebildet sind, was im folgenden in detaillierter Form beschrieben wird. Die übrigen Komponenten bilden einen Teil des Stromkreises, wonach die Transistoren Ti und 7"2, die Kapazität C und der Widerstand R von so kleinen Abmessungen sind, daß sie leicht zusammen mit dem Siegelbacken zusammengefaßt werden können.

Wegen der hohen Ströme sollten die Transistoren Γι und 7"2 im allgemeinen mit Kühlrippen versehen sein. Es könnte gelegentlich auch erforderlich werden, den Siegelbacken selbst und dessen Windungen mit Kühllcitungen zu versehen. Dies ist jedoch kein Problem, da die Siegeleinrichtung auch mit beigefügten Kühlrippen noch vertretbare Abmessungen aufweist.

Falls die Segeleinrichtung von der Niederspannungsquelle B versorgt wird, bleiben irgendwelche Verluste in den Versorgungsleitungen zum Oszillator sehr klein und im wesentlichen vernachlässigbar im Vergleich mit den thermischen Verlusten, die in der bekannten Einrichtung auftreten, bei der eine Hochfrequenzspannung, die von einem externen Spezialgenerator erzeugt ist, zu einer Spule geleitet wird, die im Kern des Sicgelbackcns angeordnet ist und folglich keinen Teil des Oszillatorkreises des Oszillators bildet, sondern nur eine externe Last, welche das Magnetfeld erzeugt.

In der Praxis kann die Siegeleinrichtung in der in Fig. 2 dargestellten Weise realisiert sein, d.h. daß die Wicklungen L 1 und L 2 auf dem Mittelstcg eines langgestreckten Kernes 4 von Ε-Querschnitts aufgewickelt sind. Dieser magnetische Kern 4 sollte aus Ferrit-Material bestehen, so daß eine bessere Konzentration des elektromagnetischen Feldes erreichbar ist. Die Wicklungen /. 1 und L 2 sollten in einer solchen Weise angeordnet sein, daß sie vollständig in dem Raum der Aussparung 9 aufgenommen sind, der mit einem geeigneten wärmehärtbaren Kunststoff oder einem keramischen Material gefüllt sein kann, um die Wicklungen /. 1 und L 2 festzuhalten. Die Wicklung L 1. durch die der hauptsächliche Magnetisierungsstrom (im vorliegenden Fall 10 bis 20 A) fließt, sollte nahe dem »offenen Teil« 21 des Kernes 4 angeordnet sein, so daß das Magnetfeld 22 die gewünschte Konzentrierung und Stärke im Bereich knapp außerhalb der Öffnung des als Siegelungsbackcn dienenden Kerns 4 erreichen kann, d. h. in dem Bereich, in dem das Verpackungsmaterial 23 während des Siegelungsvorganges angeordnet ist. Gemäß F i g. 2 ist der Kern 4 langgestreckt (ein solcher Kern wird in denjenigen Fällen verwendet, in denen langgestreckte Versiegelungen, beispielsweise quer über einen Schlauch des Verpackungsmaterials durchzuführen sind, um den Schlauch in einzelne Verpackungseinheiten aufzuteilen). Die Transistoren Tt und 7"2 sollten in Kühlrippen 20 eingesetzt sein, die längs des Kernes 4 angeordnet sind Die .verbleibenden Komponenten des Oszillatorkreises sollten im Raum 6 angeordnet sein, der unterhalb des Kernes 4 und zwischen den Kühlrippen 20 gebildet ist.

In Fig.3 ist eine andere Ausbildung einer Siegeleinrichtung gezeigt Bei dieser Ausbildung ist der magnetische Kern 4 in Form eines kurzen Zylinders als Topfkern mit einem mittleren Kernsteg 8 und mit einem äußeren Mantelabschnitt 7 ausgebildet, die zusammen /wischen sich einen ringförmigen Raum als Aussparung 9 bilden. Darin sind die Wicklungen L 1 und L 2 angeordnet. In der gleichen Weise, wie oben beschrieben, kann die Aussparung 9 mil den Wicklungen /, i, L 2 mit ^r> einem keramischen Material ausgefüllt werden, um die Wicklungen /. 1, 1.2 zu befestigen. An der Unterseite des iiKignctisicrbiiivn Kerns 4 können andere Komponenten ties Os/illaiorkreiscs zusammen mit Kühlrippen angeordnet sein.

tu In F i g. 4 ist ein UiId des Magnetfeldes 22 gezeigt, das rings um ilie Wicklungen /. I, 1.2 eines Sicgclbuckuiis gemäß der Erfindung gebildet ist; dabei sind zwei konzentrierte Magnetfelder 22 nebeneinander ausgebildet, d. h. daß beispielsweise gemäß der Siegeleinrichtung

I¹I nach Fig. 2 zwei schmale parallele Siegelzonen innerhalb der Bereiche des Verpackungsmaterials 23 gebildet sind, die nahe der Wicklung /. 1 angeordnet sind. Innerhalb der Zonen wird die elektrisch leitfähige Schicht des Verpackungsmaterials 23 stark erhitzt, während das Erhitzen des anschließenden Bereichs ungenügend bleibt, so daß sehr wohldefinierte Siegelzonen erzielbar sind. Das bedeutet, daß bei der Ausbildung gemäß der F i g. 3 eine ringförmige Siegelung erzielt werden kann.

Natürlich ist es auch möglich, Siegelungskonfigura-(ionen zu erzielen, die anders als geradlinig oder rund verlaufen; winklige oder ovale Sicgelzonen können durch eine geeignete Ausbildung des magnetischen Kernes 4 erzielt werden. Wie oben bereits erwähnt, besteht einer der wichtigsten Vorteile der Einrichtung der Erfindung darin, daß keine großen Verluste in den Verbindungsleilungen auftreten.

Es kann aber auch auf einen weiteren Vorteil hingewiesen werden: Gerade wegen der hohen Verluste konventioneller Hochfrequenzgeneratoren war es erforderlich, mit sehr großen Spannungen zu arbeiten, so daß die Ströme nicht zu groß werden und die Spannung an der Spule, die das magnetische Feld erzeugt, nicht zu klein wird, und zwar wegen eines Spannungsabfalls, der im Versorgungskreis auftritt. Nun wurde festgestellt, daß die Ausbildung der Erfindung nicht nur exzellent und störungsfrei funktioniert, sondern auch nur einen Bruchteil dessen kostet, was Hochfrequenzgeneratoren der bisher benutzten Art verlangen. Auch die Störabstrahlung wird geringer. Daraus ist klar, daß die Einrichlung einen bedeutenden Fortschritt in der Technik des Hochfrcqucnzsiegelns darstellt.

I⁷.s isi natürlich möglich, die Ausbildung des Oszillalorkrcises und der Siegelungsbackcn zu modifizieren. Das fundamentale Konzept besieht aber darin, daß die

".o Wicklungen des Oszillalorkrcises in einem ferromagnetischen Kern angeordnet sind, der gleichzeitig als Siegelungsbackcn wirkt, und daß eine der Oszillatorspulen gleichz.eitig eine Versorgungsspule bzw, Erregerwicklung für den Siegelbacken bildet

Es ist auch möglich, anstelle von Transistoren andere steuerbare Halbleiterelemente, beispielsweise Thyristoren, zu verwenden. Wie schon beschrieben können auch verschiedene Halbleiter parallel geschaltet sein, um die Leistung der Siegeleinrichtung zu vergrößern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. HF-Siegeleinrichtung zum Versiegeln von Verpackungsmaterial, das mit thermoplastischem Material überzogen ist und mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist, mit einem zwei induktive gekoppelte Wicklungen aufweisenden Oszillator, der mittels einer elektrischen Erregerwicklung einen ferromagnetischen Kern mit HF-Energie versorgt, wobei der Kern mindestens eine Ausspai-ung aufweist, in welcher die Spule angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei induktiv gekoppelten Oszillator-Wicklungen (L 1, L 2) in der Aussparung (9) des Kerns (4) angeordnet sind und eine davon als Erregerwicklung dient.

2. HF-Siegeleinrichtung nach Anspruch 1, mit einem langgestreckten, im Querschnitt E-förmigen Kern, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Kernes (4) Kühlrippen (20) angeordnet sind, in welche Transistoren (Ti, 7*2) des Oszillators eingesetzt sind.

3. HF-Siegeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (4) als Topfkern ausgebildet ist.