DE3215866A1 - Gestaltung von kunststoffbehaeltern zum ausgleich von druckaenderungen unter beibehaltung hoher stabilitaet - Google Patents

Description

• Gestaltung von Kunststoffbehältern zum Ausgleich
• von Druckänderungen unter Beibehaltung hoher Stabilität.
• Gegenstand dieser Erfindung ist die Beseitigung von Spannungszuständen in meist Kunststoffbehältern, insbesondere Flaschen,die mit Füllgütern ausgleichsdicht verschlossen sind,sofern sich zu. diesen die Temperatur- und Luftdruckbedingungen ändern.
• Dabei soll keine Beeinträchtigung der sonst an die Behälter gestellten Anforderungen an axialer wie radialer Festigkeit erfolgen,die ja für die Handhabung,Lagerung und den Transport von grosser Wichtigkeit sind.
• Diese fast selbstverständlichen Forderungen haben in der Praxis noch keine angemessene Lösung gefunden.Auch ist es hinreichend bekannt,dass mit erheblichen Unterschieden an Temperaturen beim Füllvorgang und bei denjenigen Stufen bis zum Öffnen beim Verbrauch gerechnet werden muss,wobei sich insbesondere bei der Lagerung an der Umgebung orientiert werden muss.
• Da praktisch alle Verbrauchsgüter unbeheizt im Winter eingelagert oder transportiert werden, bedeutet dies gegen eine übliche Sommertemperatur leicht Unterschiede von ca. 40 Co.
• Wenn auch von geringerem Einfluss,soll auch der jeweils unterschiedliche Luftdruck erwähnt werden, der selten der gleiche am Füllort,wie später auf dem Verteilerweg sein kann.
• Auch ist es für viele Herstellverfahren von Füllgütern üblich,dass eine Wärmezufuhr oine Rolle gespielt hat,die total abzuführen zusätzliche Fertigungskosten bzw. Verzögerungen bedeuten würde und es dem Abpacker entgegenkommt,zumindestens einen Teil im Produkt zu belassen.
• Diese Temperaturangleichungen resultieren in Volumenänderungen,die ohne Anpassung 9der Ausgleichsmöglichkeit in Behältern zu Spannungen mit Druckdifferenzen führen.
• Da meist eine Abkühlung des Füllgutes erfolgt,ergibt sich konsequent ein Unterdruck in den Behältern.
• Im Extremfall,und bei starren Behältern nähert sich die Belastung schnell einem Wert von 1 ata oder 2 1 Kg/cm2 was z.B. für eine normale 1 1 Flasche in üblicher Form eine Druckbelastung von 50 kg auf Boden und Kopf bedeuten.
• Erwähnt werden muss auch noch der bei einigen Herstellverfahren verwendete Einsatz von Lösungsmitteln,deren nachträgliches Austreten durch die natürlich dafür geeigneten Wandungen die Bildung eines Unterdruckes verstärken würde.
• Insbesondere bei dem heutigen Stand der Fertigungstechnik von Kunststoffflaschen und den aus Kostengründen üblichen Wandstärken ist eine derartige Belastung nicht vertretbar,die in der Regel auch noch zu Bruch führt.
• Ziel einer jeden konstruktiven Auslegung von derartigen Kunststoffbehältern ist durch Rillung, radiale und axiale Versteifung zu erreichen.
• Diese wird auch ohne Zweifel für die Gebrauchsphase der Handhabung wirksam,wenn der Behälter drucklos ist,also nach Öffnung.
• Für einen Druckausgleich jedoch sind diese Rillungen völlig ungeeignet und erhöhen positiv die Bruoh gefahr besonders bei Unterdruck.
• Das wird ja auch leicht verständlich,da eine Versteiffung exact so angeordnet wird,dass sie einer Elastizität oder Verformungsmöglichkeit entgegen wirkt.Anderseits entspricht diese Art der Auslegung durchaus einer der vielen Anforderungen.
• Es muss also Zielsetzung sein,einen möglichst weitgehend versteiften Behälter dennoch mit einer Ausgleichsmöglichkeit zu versehen.
• Dies wird nun durch die Anwendung erfindungserheblicher Gedanken dieser Anmeldung erreicht,indem mindestens eine dieser Rillen so gestaltet ist, dass eine Ausgleichsmöglichkeit wirksam werden kann,die dennoch dem Behälterkörper ihre radial, wie axial wirksamen Versteifungen belässt.
• Hinsichtlich der axialen Festigkeit sei noch hinzugefügt,dass diese eine erhebliche Rolle bei der Lagerung spielt,ist doch die resultierende Stauchfestigkeit das Kriterium der Stapelbelastung sowohl beim Transport als auch im Lagerbereich.
• Bekannt sind nun heute Ausbildungen von gleichmässig-geformten, auch elastisch verformbaren Rillen,an den Behälterkörpern.Diese haben jedoch den Nachteil entweder starr oder übermässig elastisch zu wirken,was eben dann zu Bruch oder fehlender Stauchfestigkeit führt.Beide negativen Merkmale führen zu einer Einschränkung des Verwendungsbereiches.
• Zum Erreichen nun der maximalen Stauchfestigkeit dürfen die radialen Versteifungen nur soweit ausgebildet werden,um eine radiale Stabilisierung der Wandungen zu gewährleisten,d.h. dass axialen Kräften keine Verformung der ursprünglichen Lastrichtung erlaubt wird, es sei denn an der Bruchgrenze.
• Um nun trotzdem den gewünschten Volumenausgleich zu erreichen und auf die erstere Stauchfestigkeit nicht verzichten zu müssen,wird vorzugsweise eine einzige der Rillen derartig gestaltet,dass bei dieser eine rein elastische Verformung möglich wird und dass nach Durchschreiten des Bereiches der Elastizität der Stauchdruck wieder voll auf die Wandung übergeht,indem nämlich die Rille an ihren Wandungen,auch Tangenten aufliegt.
• Dabei ist es ebenso erfindungserheblich,dass bei der rein elastischen Verformung des Materials keinerlei Kräfte bedingt werden,die etwa an einer anderen Wandpartie zu Verformungen oder gar Bruch führen könnten.
• Die Gestaltung dieser Rille erfolgt indem ein Halbkreis mit schenkelförmigen Tangenten verlängert wird,deren Elastizität bruchfrei dem vorgegebenen Bereich entspricht.Das Ausschalten erfolgt dann durch Auflage dieser Tangenten.
• Da nun die tolumenveränderung übersehbar und kalkulierbar ist,lässt sich auch eine Vorausberechung und entsprechende Auslegung planen.
• In diesem Zusammenhang sollte auch schon auf die erfindungserhebliche Lokalisation dieser Rille angesprochen werden.Diese befindet sich innerhalb des Etikettenfeldes um eine Beeinflussung der Esthetik oder Formgebung zu vermeiden, und gleichzeitig Kontrolle ausüben zu können, die sich nämlich durch eine Lageveränderung der starr auf den Behälterkörper verklebten Etikette dann ergibt,wenn sich darunter die Rille in ihrer Breite verändert.
• Diese Aufwölbung lässt den Volumenverlust erkennbar und einschätzbar gestalten.
• Zur besseren Vorstellung sei dargelegt,dass axial versteifende Rillen,Teilkreisen entsprechen deren Sehnen,die aus der Mitte die Endpunkte schneiden, Winkel einschliessen,die zwischen 135 und 180 Grad liegen,radial versteifende Rillen immer optimal 90 Grad einschliessen sollten,dann aber auf jegliche axiale Versteifung aufheben und zusätzlich noch elastisch wirken.
• Zur Optimierung der Gesamtstabilität lässt sich nun die Art der Rillung und deren anteiliges Verhältnis ermitteln.Um einen Volumen-Druck-Ausgleich sinnvoll zu ermöglichen,ist es notwendig das Volumen des Behälterinhaltes an das Volumen des Füllgutes und des eventuellen Luft-und Lösungsmittelanteils anzupassen und zwar auf der Basis der Temperaturen zum Abfüllzustand und zu dem wahrscheinlich niedrigsten Erlebenszeitpunkt,wobei eventuelle Luftdruckunterschiede eine geringere Rolle spielen.
• Eine praktische Auslegung mag für das bessere Verständnis dargelegt werden:bei z.B. einem flüssigen Füllgut wie Speiseöl liegt die thermische Ausdehnung bei ca. o,8 x 10 3 pro CO, d.h. dass bei einer Temperaturdifferenz von ca.
• 40 CO sich eine Volumenänderung von ca. 4 % bei einem 1 1 Behälter alsn 40 cm3 ergibt,wobei die Anpassung des Luftanteils im Kopfraum eingeschlossen wurde.
• Wenn man nun von einer üblichen Kunststoffflasche mit einem Körperdurchmesser von ca. 80 mm ausgeht,bedeutet dies eine Höhenanpassung oder Verlust von ca. 8 mm.Da in den heutigen Formgebungen keine Art von Ausgleich wirksam wird, bedeutet dies eine Entdichtung von ca. 200 % oder nur eine 1/3 Füllung.Bei einer üblichen Grösse des Kopfraumes von ca. 20 cm3 muss man mit einem Kopf- und Bodendruck von ca. 30 kg rechnen,was die anwendbare Stauchfestigkeit von ca. 15 kg mit 100 % übersteigt.
• Nur beiläufig soll die Wichtigkeit der angemessenen Grösse des Luft-Kopfraumes erwähnt werden,die bei Verkleinerung den Wert leicht auf das Doppelte steigen lassen kann Eine Verringerung der Temperaturdifferenz von z.B. 30 Co auf 10 Co,also 20 Co und eine Bemessung des Füllspiegels auf den Halsansatz ergäbe immer noch die gleiche Stauchbelastung von 30 kg,wie oben errechnet, durch Unterdruck allerdings.
• Angesichts dieser Fakten,wird die Bedeutung dieser vorliegenden Erfindung deutlich,für die es derzeit noch keine anderweitige Lösung gibt.
• Meist kommt nun noch ein weiterer erschwerender Umstand dazu,dass es sich nämlich bei Kunststoffflaschen mit abnehmender Temperatur ergibt,dass das Material verspröden und eine sich vergrössernde Belastung auf geringere Stauchfestigkeit stösst.
• Somit wird ersichtlich,dass die Kräfte einer Volumenänderung durch Temperaturangleich erheblich sind und m.E. die Kräfte übersteigen,denen z.B.
• Kunststoffflaschen durch Transport,Lagerung und Handhabung überhaupt unterworfen sind.
• Da weiterhin Kunststoffflaschen üblicherweise im sog. Blasverfahren hergestellt werden,ist keine absolute Gewähr gegeben,mit einer vollständig gleichmässigen Wanddicke rechnen zu können.
• Dies fordert umsomehr eine Anpassungsmöglichkeit, deren Aktivierung keine Gefahr für die dünnsten Wandpartien bilden darf,weil sie sonst zu Beeinträchtigungen führen kann.
• Würde man mit derzeitigen Konzeptionen eine Elastizität für die gleichmässig geformten und verteilten Rillen schaffen,und somit für Ausgleich durchaus sorgen,wäre die Stabilität des Behälters weitgehend abgebaut und die Ablehnung des Verbrauchers herausgefordert,der ja erst durch eben diese konstruktiven Versteifungen Zutrauen zu den Kunststoffflaschen m.E. gewonnen hat.
• Erst mit Anwendung des Gedankengutes dieser Erfindung wird es möglich sein,Kunststoffbehälter auch in einem erweiterten Temperaturbereich einsetzen zu können.
• Ein Ausführungsbeispiel erläutert die Zeichnung.
• In dieser ist die Flasche (1) mit ihrem Hals(2) der Flaschenschulter (3) dem oberen und unteren Körperteil (4) der Griffmulde (5) und dem Boden (6) dargestellt.Dabei ist der der Flaschen- körper mit einer angemessen grossen Menge von Rillen versehen,die im Kreis (7) ersichtlich sind.
• Deren Wirkung ist radial bedingt axial schliessen jedoch beabsichtigt eine Elastizität aus um bei Stauchbelastung höchstmöglichen Widerstand bruchfrei auszuhalten.
• Im Kreis (8) ist nun eine Rille ausgeführt,die der temperaturbedingten Volumenänderung dient, wobei sich allerdings nach erfolgter Anpassung diese schliesst,um obige Stauchfestigkeit nicht negativ zu beeinflussen,womit dann die erheblichen Kontraktionskräfte belastungs- und zerstörungsfrei kompensiert werden.
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Claims (6)

1. Patentansprüche -1) Anordnung von radialen rillenförmigen Versteifungen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Kunststoffbehältern,wie Flaschen, dadurch gekennzeichnet,dass vorzugsweise nur eine der Rillen durch Gestaltung rein axial elastisch verformbar ist.
2. 2) Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Verformung begrenzt ist.
3. 3) Anordnung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenänderung bei der Verformung nach den Erfordernissen des Füllgutes ausgelegt wird.
4. 4) Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft zur elastischen Verformung der vorzugsweise einen Rille geringist,als zur Verformung jeder anderen sonstigen Wandung.
5. 5) Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise eine Rille im Bereich eines Etikettenfeldes liegt und bei Verformung gegen die verklebte Etikette einen Hinweis auf den Grad der Volumenänderung zulässt,und durch Abdeckung dieser keine Beeinflussung der Esthetik des Behälters erfolgt.
6. 6) Anordnung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Etikette auch durch eine sonstwie geartete aufzuklebende Bahn ersetzt werden kann.