DE69216160T2

DE69216160T2 - Verfahren zum Füllen von Blechdosen und Blechdose dafür

Info

Publication number: DE69216160T2
Application number: DE69216160T
Authority: DE
Inventors: John Edwin Divall; John Alfred Perigo
Original assignee: Metal Box PLC
Current assignee: Crown Packaging UK Ltd
Priority date: 1991-07-04
Filing date: 1992-06-22
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2012-06-23
Also published as: DE69216160D1; SG47745A1; MY108295A; AU649847B2; NZ243374A; ES2095407T3; ATE146737T1; EP0521642B1; GB9114503D0; EP0521642A1; AU1852292A; JPH05193694A

Description

Die Erfindung betrifft das Füllen von Dosen und insbesondere das Füllen von Dosen mit einem Nahrungsmittel oder mit einem nicht mit Kohlensäure angereicherten Getränk.
Es ist allgemein bekannt, leichtgewichtige gezogene und abgestreckte (DWI) Feinstblechdosen für die Verpackung von kohlensäurehaltigen Getränken zu verwenden. Solche Dosen bestehen aus einem einteiligen Dosenkörper mit einer Bodenwand und einer zylindrischen Seitenwand und einem oberen Deckel, der an den Dosenkörper nach dem Abfüllen angefalzt ist. Bei dieser Anwendung kann der innere Druck, der von dem Kohlendioxidgehalt des Produkts erzeugt wird, bei Umgebungstemperatur in der Größenordnung von 2 bar oberhalb des Atmosphärendrucks liegen. Dieser innere Druck trägt durch In-Spannung-bringen der Dosenwand erhebliche Festigkeit zu der sehr dünnen Seitenwand solcher Dosen bei, wodurch diese vor Beschädigung durch Verbeulen während der Verbreitung geschützt werden und ihre Kopfdruckfestigkeit maximiert wird. Während solche Dosen in der Lage sind, einen inneren Druck größer als 7 bar oberhalb des Atmosphärendrucks zu beinhalten, werden sie sehr leicht beschädigt, wenn der innere Druck auf unter 0,4 bar oberhalb des Atmosphärendrucks fällt.
Nicht mit Kohlensäure angereicherte Produkte werden häufig in Dosen heiß abgefüllt, und wenn solche Dosen abgekühlt sind, hat sich ein inneres Vakuum gebildet, welches fordert, daß die Dosenwandungen relativ dick sein sollten, um dem Vakuum ohne Einbeulen oder Einziehen zu widerstehen.
Um diesen Effekt zu illustrieren, mag der Fall einer Dose betrachtet werden, die mit 300 ml Wasser bei einer Temperatur von 85º C gefüllt wird und dann durch Anfalzung eines Deckels geschlossen wird, um ein Gesamtvolumen von 380 ml einzuschließen.
Wenn der Deckel an dieser Dose angebracht wird, wird der 50 ml-Kopfraum mit einer Mischung eines Permanentgases und kondensierbarem Dampf gefüllt sein. Das Permanentgas wird im wesentlichen Sauerstoff und Stickstoff aus der Atmosphäre und der kondensierbare Dampf wird im wesentlichen Wasserdampf sein, der von dem heißen Produkt herrührt. In dem Moment, in dem die Dose geschlossen wird, werden die zusammengefaßten Partialdriicke der Kopfraumkomponenten dem herrschenden Atmosphärendruck gleich sein, also 1,0 bar absolut, und die Temperatur der Mischung wird wegen des konvektiven Wärmeübergangs von dem Produkt zu den Komponenten des von den Seitenwandungen der Dose eingeschlossenen Kopfraums nahe der des Produkts sein. Bei 85º C wird der Wasserdampf etwa 58 % der Mischung umfassen und das Permanentgas wird die verbleibenden 42 % bilden. Mit anderen Worten, der Partialdruck des Wasserdampfes wird 0,58 bar absolut und der Partialdruck des Permanentgases wird 0,42 bar absolut betragen.
Diese Bedingungen werden vorherrschen, solange die Dose auf 85º C gehalten wird; wenn jedoch die Dose auf 5º abgekühlt ist, wie wenn sie in einen Kühlschrank gestellt wird, wird uns die Berücksichtigung der Gasgesetze dazu führen, zu erwarten, daß sich die Komponenten des Kopfraums anders verhalten werden. Wir erwarten, daß die Permanentgase den kombinierten Boyle-Mariotteschen und Charles-Gesetzen gehorchen werden und ihr Partialdruck auf ungefähr 0,33 bar absolut fallen wird. Wir erwarten, daß der Wasserdampf in dem Kopfraum in die flüssige Phase kondensieren wird, bis sein Druck in dem Kopfraum den Gleichgewichtspunkt gesättigten Wasserdampfdruckes bei der geringeren Temperatur erreicht. Bei 5º C ist dieser tatsächlich so niedrig, daß er ignoriert werden kann, wie auch das kleine zusätzliche Flüssigkeitsvolumen, das durch die Kondensation erzeugt wurde, ignoriert werden kann. Daher erwarten wir, daß der Gesamtdruck in dem Kopfraum bei 5º C auf 0,33 bar absolut fällt. Da der umgebende Atmosphärendruck bei 1,0 bar absolut verbleibt, sind die Wandungen der Dose einem Differenzdruck von 0,67 bar ausgesetzt und müssen daher relativ dick sein, wenn Kollabieren verhindert werden soll. In der Realität wird das Problem weiter erschwert, da der flüssige Inhalt sich hinsichtlich des Volumens wesentlich zusammenzieht, wenn die Temperatur fällt, was zu einem noch niedrigeren Druck führt.
Viele Bemühungen waren Methoden gewidmet, die darauf abzielten sicherzustellen, daß der Druck in dem Kopfraum einer ein nicht mit Kohlensäure angereichertes Produkt enthaltenden Dose auf einem Druck deutlich oberhalb des Atmosphärendrucks über die Lagerzeit gehalten wird, wodurch der Gebrauch von Feinstblech (DWI)-Dosen für solche Produkte erleichtert wurde.
Eine solche Methode, die in der GB-A-2089191 beschrieben ist, umfaßt das Injizieren einer kleinen Menge flüssigen Stickstoffs in den Kopfraum einer Dose unmittelbar vor der Aufbringung und dem Doppelfalzen des Deckels. Dieser Flüssigstickstoffinjektionsprozeß hat mehrere Nachteile. Die Menge flüssigen Stickstoffs, die in jede Dose injiziert werden muß, ist klein und wegen ihrer extrem niedrigen Temperatur schwierig zu handhaben und präzise zu messen. Daher bestehen erheblich Variationen hinsichtlich der in aufeinanderfolgende Dosen injizierten Mengen. Der flüssige Stickstoff beginnt sofort zu kochen, wenn er in das wärmere Produkt injiziert wird, insbesondere, wenn die Flüssigkeit in kleine Tropfen zerfällt, und Gas entweicht aus der Dose, bevor der Deckel aufgebracht und die Doppelfalzbildung abgeschlossen ist. Dies führt zu erheblichen und manchmal unakzeptablen Variationen in dem resultierenden inneren Dosendruck zwischen benachbarten Dosen.
Ein weiterer mechanischer Druckerhöhungsprozeß ist beispielsweise in der GB-A-1 235 060 und der US-A-4 836 398 vorgeschlagen worden. Gemäß diesen früheren Vorschlägen ist die Dose mit mindestens einem verformbaren Wandelement versehen, üblicherweise im Deckel oder Boden der Dose, der nach dem Füllen und Falzen verformt wird, um das innere Volumen der Dose zu reduzieren und damit den inneren Druck zu erhöhen.
Es wurde nicht festgestellt, daß dieser mechanische Druckerhöhungsprozeß erfolgreich ist, wenn mit heiß abgefüllten Produkten verwendet, da die Bildung eines Vakuums bei der Abkühlung der Dosen auf eine niedrige Temperatur nicht verhindert werden konnte. Wir wissen nun, daß dieses Versagen von dem Verhalten des Wasserdampfes in dem Kopfraum, wenn die Dose mechanisch verformt wird, verursacht wird.
Gemäß Anspruch 1 stellt die Erfindung ein Verfahren zum Füllen und Schließen eines Dosenkörpers mit einem offenen oberen Ende und einer Bodenwand, die dicker ist als dessen Seitenwandung, mit einem nicht mit Kohlensäure angereicherten Produkt zur Verfügung, wobei das Verfahren nacheinander folgende Schritte umfaßt:
a) Füllen des Dosenkörpers mit dem Produkt bei erhöhter Temperatur, wobei oberhalb des Produkts ein Kopfraum verbleibt;
b) Doppelfalzung eines Deckel an den Dosenkörper, um die Dose zu schließen;
c) Verformen der Dose, bevor die Dose auf eine Temperatur abgekühlt ist, bei der Vakuum gebildet wird, dadurch gekennzeichnet,
d) daß zwischen den Schritten a) und b) ein Permanentgas in den Kopfraum geblasen wird, um den Kopfraum im wesentlichen mit dem Permanentgas zu füllen und dadurch den Wasserdampfgehalt in dem Kopfraum zu reduzieren; und
e) daß in Schritt c) ein Teil der Dose von einer ersten stabilen Form in eine zweite stabile Form deformiert wird, um das Kopfraumvolumen der Dose zu reduzieren und sicherzustellen, daß der Kopfraumdruck oberhalb einer Atmosphäre liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Verfahrensschritt d) das Deformieren der Bodenwand des Dosenkörpers oder alternativ das Deformieren des Deckels, der das obere Ende der Dose verschließt, umfassen oder, wenn gewünscht, das Deformieren beider, der Bodenwand und des Deckels.
Zur Illustration betrachte man nochmals das frühere Beispiel einer 330 ml eines Produkts bei 85º C enthaltenden 380 ml-Dose . Wie vorher enthält der 50-ml Kopfraum im Augenblick des Verschließens Permanentgas bei einem Partialdruck von 0,42 bar absolut und Wasserdampf bei einem Partialdruck von 0,58 bar absolut. Wenn an diesem Punkt die Dose durch Eindrücken eines oder beider Enden verformt wird, um das gesamte innere Volumen um 35 ml zu reduzieren, wird der Kopfraum auf 15 ml reduziert, da die 330 ml Wasser nahezu inkompressibel sind. Wir erwarten, daß der Permanentgasgehalt dem Boyle-Mariotteschen Gesetz gehorchen und sein Partialdruck auf 1,4 bar absolut steigen wird. Wir erwarten jedoch, daß der Wasserdampf die Ausübung von 0,58 bar absolut beibehält, den Gleichgewichtspunkt gesättigten Wasserdampfdruckes bei 85º C, wobei überschüssiger Dampf zu Wasser kondensieren wird. Daher erwarten wir, daß der Gesamtdruck in dem Kopfraum nahezu 2 bar absolut werden wird, bei 85º C.
Wenn diese Dose nun auf 5º C abgekühlt wird, wird erwartet, daß der Partialdruck des Permanentgases auf 1,09 bar absolut fallen wird, und von dem Partialdruck des Wasserdampfes wird erwartet, daß er vernachlässigbar wird. Daher erwarten wir, den gesamten inneren Druck auf 1,09 bar absolut fallen zu sehen, nur 0,09 bar oberhalb des Atmosphärendrucks und nicht ausreichend, um die Wandung einer DWI-Dose zu unterstützen.
Die zitierten Drücke in den obengenannten Beispielen sind theoretisch und basieren auf der einfachen Beachtung der Gasgesetze. Wenn in der Realität Experimente durchgeführt werden, weichen die beobachteten Drücke von diesen theoretisch errechneten Werten ab, wobei sie dazu tendieren, geringer zu sein als die theoretischen Voraussagen. Diese Abweichungen entstehen, weil das Dosenvolumen und das Volumen der Inhalte sich mit der Temperatur unterschiedlich ändern und weil die Dose sich mit zunehmendem Druck elastisch ausdehnt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist ein Dosenkörper mit einer Bodenwand versehen, die einen konvexen Basisbereich mit einem Ring aufweist, der einen nach außen konkaven zentralen Spiegel umschließt, wobei in Schritt d) Druck auf den zentralen Spiegel ausgeübt wird, um den konvexen Bereich innerhalb der Seitenwand in die Form der zweiten stabilen Form zu deformieren.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens umfaßt der Deckel einen Umfangs-Doppelfalzabschnitt, eine Deckelkernwand, die vom inneren Rand des Falzabschnittes abragt, eine ringförmige Sicke, die sich radial einwärts von der Deckelkernwand erstreckt, eine innere Wand, die sich von der ringförmigen Sicke in Richtung des Niveaus des Falzabschnitts zu einem mit einem Radius versehenen Ring erstreckt, der einen zentralen Spiegel abstützt, wobei in Schritt d) Druck auf den zentralen Spiegel ausgeübt wird, um die ringförmigen Sicke und die innere Wand zu deformieren, bis der zentrale Spiegel durch die ringförmige Sicke hindurchgetreten ist und der mit einem Radius versehene Ring umgekehrt ist, um mit der inneren Wand die zweite stabile Form zu definieren.
Vorzugsweise ist das Permanentgas Stickstoff, da dieses ohne weiteres verfügbar ist.
Verschiedene Ausführungsformen werden nachfolgend als Beispiele im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Dose, die gerade konventionell mit einem heißen, nicht mit Kohlensäure angereicherten flüssigen Produkt gefüllt worden ist und mit einem Deckel verschlossen worden ist, ohne den Kopfraum mit einem Permanentgas zu spülen;
Fig. 2 eine schematische Ansicht der Dose in Fig. 1 nach dem Abkühlen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer verformbaren Dose, die gerade mit einem heißen, nicht mit Kohlensäure angereicherten Produkt gefüllt worden ist und nach einem Spülen des Kopfraumes mit einem Permanentgas durch einen Deckel verschlossen worden ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Dose in Fig. 3 nach dem Abkühlen und nach dem Verformen des Dosenbodens;
Fig. 5 eine Einrichtung zur Verformung der Bodenwand eines Dosenkörpers mit einem deformierbaren Abschnitt;
Fig. 6 Einrichtungen zur Deformierung der Bodenwand eines Dosenkörpers;
Fig. 7 das obere Ende einer Dose mit einem darauf angeordneten Deckel und Einrichtungen zur Deformation des Deckels;
Fig. 8 eine Fig. 7 entsprechende Ansicht, die die Einrichtungen jedoch nach Falzung und Deformation des Deckels zeigt;
Fig. 9 eine geschnittene perspektivische Darstellung des Deckels in den Fig. 7 und 8;
Fig. 10 eine geschnittene Seitenansicht einer gefüllten Dose mit einem alternativen Deckel, der auf dem oberen Randflansch ruht; und
Fig. 11 eine geschnittene Seitenansicht der Dose in Fig. 10 nach Doppelfalzung und Deformation des Deckels.
Fig. 1 zeigt eine Dose, enthaltend 330 ml eines heißen flüssigen Produkts 1 bei 85º C mit einem Kopfraum 2 von 50 ml, bestehend aus 58 % Wasserdampf und 42 % Luft. Die Dose wurde bei Umgebungsdruck verschlossen, so daß der Druck in dem Kopfraum atmosphärisch ist (1 bar absolut). Fig. 2 zeigt die gleiche Dose nach Abkühlung auf 5º C. Das Volumen der Flüssigkeit hat sich um etwa 10 ml verringert, wodurch der Kopfraum auf ungefähr 60 ml zugenommen hat. Der Partialdruck des Wasserdampfs wird bei dieser Temperatur minimal, und der Partialdruck der Luft ist durch das Abkühlen, welches sie erfahren hat, und durch Zunahme des Volumens des Kopfraums durch die Abkühlung des Produkts im Grunde genommen reduziert. Daher ist der Druck in dem Kopfraum der Dose, wie in Fig. 2 gezeigt, etwa 0,4 bar absolut, also wesentlich geringer als der Atmosphärendruck Eine Feinstblech (DWI)-Dose ist nicht in der Lage, einem signifikanten äußeren Druck standzuhalten und wird kollabieren, was zu einem Einbeulen der Seitenwand führt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen den Fig. 1 und 2 ähnliche Ansichten einer Dose mit einer verformbaren Bodenwand. Wenn diese Dose in gleicher Weise gefüllt wird, jedoch ohne die Unter-Deckel-Begasung, und dann entsprechend dem Stand der Technik behandelt wird durch Reduzierung des Volumens um 35 ml durch Deformation des Dosenbodens vor einer Abkühlung auf 5º C, wird der Druck immer noch unter 0,9 bar absolut fallen. Dies ist ausreichend niedrig, um ein Kollabieren der Dosenwand zu verursachen.
Wenn jedoch, wie jetzt vorgeschlagen, der Dosenkopfraum mit Stickstoff gespült wird, wenn der Deckel aufgebracht wird, dann wird im Augenblick des Schließens der Partialdruck des Stickstoffs in dem Kopfraum nahe bei 1,0 liegen, und der Partialdruck des Wasserdampfs wird nahe bei 0 liegen. Sehr schnell danach wird der Wasserdampfdruck sich auf 0,58 bar absolut regenerieren, und die Dose wird auf 1,58 bar absolut druckbelastet sein. Wenn diese Dose hinsichtlich des Volumens um 35 ml durch Umformung des Bodens reduziert und dann auf 5º C abgekühlt wird, wird der Druck nur auf 1,5 bar absolut abfallen. Dies ist ausreichend hoch, um in den Dosenwänden eine Spannung aufrechtzuerhalten und dadurch die erforderliche Festigkeit zur Verfügung zu stellen, um eine Beschädigung während der Verbreitung zu vermeiden.
In der Praxis wird es nicht möglich sein, den Kopfraum 2 vor dem Schließen der Dose vollständig mit Stickstoff zu füllen. Übliche, in der Praxis erreichte Resultate zeigen, daß etwa 80 % der Kopfraumgase ersetzt werden, wenn eine moderne Unter-Deckel-Begasungs-Getränkedosenverschließmaschine verwendet wird.
Für Testzwecke waren unsere Testdosen aus gezogenen und abgestreckten Weißblech-Dosenkörpern 65 mm x 115 mm hoch, mit einer Bodenwanddicke von 0,3 mm (0,012") und einer Seitenwanddicke von 0,13 mm (0,005") und einem Gesamtvolumen von normalerweise 380 cl, die verwendet werden, um 330 cl eines flüssigen Produkts zu verpacken und einen Kopfraum zum Füllen freilassen.
Fig. 5 zeigt einen Dosenkörper auf einer Einrichtung, welche einen verformbaren Abschnitt in dessen Bodenwand formt. Ein Standarddosenkörper mit einer zylindrischen Seitenwand 5, einem Falzflansch 6 und einer Bodenabschlußwand 3 mit einem gewölbten Zentralbereich 7 und einer Stapelsicke 8 ist gezeigt. Die Einrichtung umfaßt ein oberes Stempelwerkzeug 10, ein unteres Stempelwerkzeug 11 und einen Ziehring 12. Eine Abwärtsbewegung des oberen Stempelwerkzeugs 10 verformt den gewölbten zentralen Spiegel 7 der Bodenwand 3 durch Biegen über den Ziehring 12 in eine im wesentlichen konvexe Form, die in Fig. 5 strichpunktiert dargestellt ist. Das untere Stempelwerkzeug 11 stützt Teile des Bereichs 7 während dieser Deformation ab, die eine erste stabile Form des Bodens erzeugt, der eine ringförmige Sicke mit gekrümmtem Querschnitt, die Seitenwand mit der Bodenwand verbindet, und einen verjüngenden, sich axial und einwärts von der ringförmigen Sicke erstreckenden Ring 13 aufweist, um einen auswärts konkaven zentralen Spiegel, der den Ring überspannt, abzustützen.
Fig. 6 zeigt eine gefalzte Dose auf einer Einrichtung, die die Bodenwand zurück in ihre ursprüngliche Form verformt. Die Einrichtung umfaßt ein oberes Teil 15, welches auf dem Deckel 16 ruht, und das untere Stempelwerkzeug 11 innerhalb des Ziehrings 12, wie zuvor. Eine Aufwärtsbewegung des Stempelwerkzeugs 11 verformt den Dosenboden, um das innere Volumen der Dose durch Bildung einer zweiten stabilen Form zu reduzieren, wobei die zweite stabile Form die ringförmige Sicke, den konvergierenden Bereich, der verformt ist, um sich axial und radial im Hinblick auf die Seitenwand zu erstrecken, und den zentralen Spiegel umfaßt, der so innerhalb der Seitenwand gehalten ist.
Fig. 7 zeigt das obere Ende eines Dosenkörpers mit einem darauf angeordneten und von einem Verschließkopf 20 in Position gehaltenen Deckel 16. Ein Stempel 21 ist innerhalb des Verschließkopfes angeordnet, um auf den zentralen Spiegel 22 des Dosenabschlusses einzuwirken. Wie in den Fig. 7 und 9 gezeigt, kann der Deckel eine erste stabile Form besitzen, die einen Falz-Randflansch 23, eine von dem Inneren des Falz- Randflansches abragende Deckelkernwand 24, eine sich radial von der Deckelkernwand erstreckende ringförmige Sicke 25 und eine sich von der Sicke 25 durch die Ebene des Falz-Randflansches hindurcherstreckende innere Wand 26, die den zentralen Spiegel 22 trägt.
Fig. 8 zeigt die Anordnung in Fig. 5 nach Doppelfalzung des Deckels an den Dosenkörper. Der Stempel 21 wurde außerdem abwärts bewegt, um den Deckel zu verformen und dadurch das innere Volumen der Dose durch Bildung einer zweiten stabilen Form zu reduzieren, wobei die zweite stabile Form den Falz-Randflansch und Deckelkernwand, die ringförmige Sicke und wenigstens einen Teil der inneren Wand umfaßt, die so verformt ist, daß sie eine Fortsetzung der Deckelkernwand bildet, wobei der zentrale Spiegel nun eine auswärts konkave Oberfläche definiert.
Wenn erforderlich, kann der zentrale Spiegel des Deckels mit einem Abschnitt versehen sein, der sich öffnen läßt, durch eine Ritzlinie bestimmt ist und mittels eines Hebels (in Fig. 9 nicht gezeigt) geöffnet werden kann. Eine der vielen bekannten Ritz- und Aufreißverschluß- oder Hebelkombinationen kann verwendet werden.
Üblicherweise ist der geritzte Deckel aus Aluminium mit einer Dicke von 0,18 mm (0,011") hergestellt. Jedoch kann ein ungeritzter Deckel aus Aluminium, Weißblech oder kaltgewalztem, elektrolytisch spezialverchromtem Blech (TFS) hergestellt sein.
Auf der Grundlage einer langen Reihe praktischer Versuche haben wir ein auf einer Polynomgleichung zweiter Ordnung basierendes mathematisches Modell entwickelt, welches diese Störungen berücksichtigt und die theoretischen Ansätze in Übereinstimmung mit tatsächlichen Beobachtungen bringt. Anhand von Vergleichsbeispielen zeigt TABELLE 1 die absoluten Drücke, deren Entstehung man erwartet, wenn eine 380 ml- Dose, enthaltend 330 ml eines Produkts, verformt wird, um ihr Volumen auf 345 ml zu reduzieren. Der Einfluß veränderlicher Einfülltemperaturen zwischen 5º C und 100º C ist in jeder Spalte vertikal wiedergegeben, und der Einfluß von Temperaturänderungen nach dem Schließen der Dose ist horizontal entlang jeder Reihe wiedergegeben.
Aus dem schattierten Bereich im unteren linken Viertel der TABELLE 1 ist ersichtlich, daß der Stand der Technik eines einfachen Reduzierens des Volumens einer Dose, die heiß gefüllt und dann bei einer niedrigen Temperatur gelagert wird, bei der Verhinderung eines Druckabfalls unter das kritische 1,4 bar-Niveau, bei dem eine DWI-Dose zerbrechlich wird, versagt, und daß Dosen, die bei Temperaturen über 75º C gefüllt worden sind, bei Kühltemperaturen, die in Haushaltskühlschränken oder Verkaufsautomaten auftreten, ein inneres Vakuum entwickeln. Der schattierte Bereich in dem oberen rechten Abschnitt der TABELLE 1 erläutert einen Bereich, in welchem Dosen, die kalt gefüllt und dann auf eine Temperatur oberhalb 100º C zu ihrer Sterilisierung erhitzt worden sind, innere Drücke oberhalb 8,2 bar absolut entwickeln können, wobei die Dosenenden permanent verformt werden. Dieser Bereich ist von geringer praktischer Bedeutung, da Dosen, die sterilisiert werden sollen, ausschließlich heiß gefüllt werden.
Unsere Einschätzung der Unvollkommenheit des Standes der Technik hat uns zu der gegenwärtig vorgeschlagenen Lösung geführt. Wenn in dem Moment des Anbringens des Deckels vor dem Doppelfalzen der Kopfraum mit einem Permanentgas, wie Stickstoff, gespült wird, wird der Anteil von TABELLE 1 330 ml Produkt in einer 380 ml-Dose reduziert auf 345 ml.
Wasserdampf in dem Kopfraum zeitweise und deutlich reduziert. Eine für die Erreichung dieser als Unter-Deckel-Begasung bekannten Behandlung geeignete Vorrichtung ist in der GB 1 263 820 beschrieben und wird allgemein verwendet, um Sauerstoff aus dem Kopfraum kalt gefüllter Bierdosen zu spülen, diesen mit Kohlendioxid zu ersetzen und dadurch eine Oxidation des Bieres zu vermeiden.
Wenn, zurückkommend zu dem vorherigen Beispiel, eine Dose mit 380 ml Gesamtkapazität bei 85º C mit einer Flüssigkeit gefüllt und auf einer mit einer solchen Unter-Deckel-Begasungsvorrichtung versehenen Doppelfalzmaschine geschlossen wird, wobei die Unter-Deckel-Begasungseinrichtung an eine Stickstoffversorgung angeschlossen ist und im Augenblick des Schließens der Partialdruck von Stickstoff in dem Kopfraum nahe bei 1 bar ist und der Partialdruck des Wasserdampfes in dem Kopfraum zeitweise gegen 0 heruntergedrückt ist. Unmittelbar, nachdem die Dose verschlossen worden ist, wird der Wasserdampfdruck in dem Kopfraum von der heißen Flüssigkeit regeneriert und steigt zu dem Gleichgewichtspunkt gesättigten Wasserdampfdruckes bei 85º C, das sind 0,85 bar absolut, an. Daher steigt der Druck innerhalb der Dose innerhalb von wenigen Sekunden nach dem Doppelfalzen von 1 bar auf 1,58 bar an. Wenn der injizierte Stickstoff kalt ist, wird der Effekt noch weiter verstärkt.
Wenn diese Dose nun verformt wird, um ihr Volumen wie zuvor auf 345 ml zu reduzieren, wird auf der Basis einfacher Theorie es erwartet, daß der Partialdruck des Stickstoffs von 1 bar absolut auf 3,3 bar absolut ansteigen wird, während von dem Partialdruck des Wasserdampfs ein unverändertes Verbleiben auf 0,5 bar absolut erwartet wird, was den Gesamtdruck auf nahezu 3,9 bar absolut bringt. Wenn eine solche Dose auf 5º C abgekühlt wird, erwarten wir, daß der Partialdruck des Stickstoffs auf 2,56 bar absolut sinkt und der des Wasserdampfs auf 0. Daher erwarten wir einen inneren Druck 1,56 bar, also deutlich oberhalb des Atmosphärendrucks, der erforderlich ist, um die Wände einer Feinstblech-DWI-Dose abzustützen.
In der Praxis waren wiederum die beobachteten Drücke geringer als gemäß der Theorie vorhergesagt. Darüber hinaus ist es nicht praktisch, eine 100%ige Effizienz einer Unter-Deckel-Begasung zu erreichen. Bei Verwendung einer modernen Getränkedosenverschließmaschine haben wir es als praktisch gefunden, 80 % Unter-Deckel-Begasungseffizienz zu erreichen, und wir haben die in TABELLE 2 wiedergegebenen Drücke nachgebildet und durch praktische Versuche bestätigt. TABELLE 2 zeigt, daß es durch Verwendung dieser Erfindung nun möglich ist sicherzustellen, daß bei bis zu 85º C Temperatur gefüllte und mechanisch zusammengepreßte Dosen einen Druck oberhalb 1,4 bar absolut, selbst wenn auf 5º C abgekühlt, aufrechterhalten, und daß ein Vakuum nicht entsteht, selbst wenn höhere Fülltemperaturen versucht werden. Man sieht außerdem, daß dieses Unter-Deckel-Begasen den Druck, der entsteht, wenn kalt gefüllte Produkte nach der mechanischen Kompression auf Retortentemperaturen angehoben werden, nicht schwerwiegend erhöht.
Daher erleichtert die Erfindung die Verwendung von Feinstblech DWI Dosen für alle Verpackungsvorgänge. Diese Vorgänge umfassen in Reihenfolge einer zunehmenden Herausforderung:
A) Dosen, die kalt gefüllt und bei niedriger Temperatur gelagert werden, wie aseptisch gefüllte Dosen.
B) Dosen, die heiß gefüllt und sofort abgekühlt werden, wie z.B. pasteurisierte Säureprodukte.
C) Dosen, die warm gefüllt und dann bei Temperaturen oberhalb 100º C sterilisiert werden, wie z.B. gering saure Nahrungsmittel und Getränke. TABELLE 2 330 ml Produkt in einer 380 ml-Dose reduziert auf 345 ml. Unter-Deckel-Begasung @ 80 % Effizienz
Während einzelne beschriebene Ausführungsformen Dosenkörper betreffen, die aus einem einzigen Zuschnitt gezogen sind und eine Bodenwand und eine integrale Seitenwand aufweisen (zweiteilige Dose), versteht es sich, daß die Erfindung gleich gut auf Dosenkörper angewendet werden kann, die eine mit Naht versehene Seitenwand aufweisen, die mit einem Doppelfalz an der Bodenwand befestigt ist, so daß die Seitenwand aus dünnem Metall hergestellt sein kann (dreiteilige Dose).
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Deckels bei dem der Deckels 30 einen ringförmigen Deckelhaken 31, eine kegelstumpfförmige Deckelkernwand 32, die von dem inneren Rand des Deckelhakens unter einem Neigungswinkel von etwa 5º zu einer Senkrechten zu der Ebene des Deckels hinabhängt, eine ringförmige Verstärkungssicke 33 mit gebogenern Querschnitt, die sich radial einwärts von der Deckelkernwand erstreckt, eine sich aufwärts und einwärts vom inneren Rand der Verstärkungssicke erstreckende Innenwand 34 und einen gekrümmten Ring 35 aufweist, der die Innenwand 34 mit einem zentralen Spiegel 36 verbindet, der die Innenwand unmittelbar unterhalb der höchsten Spitze des Deckelhakens 31 überspannt.
Die Neigung der Innenwand ist nicht kritisch und kann zwischen nahezu vertikal, was ein Rückfedern des Metalls erlaubt, bis zu 30º betragen.
In Fig. 10 ruht der Deckel 30 auf dem Flansch einer gefüllten und Unter-Deckel-begasten Dose, wobei der Deckel 30 die gleiche Form aufweist wie ein Boden 30A, der bereits an dem anderen Ende der Seitenwand 37 durch einen Doppelfalz 38 befestigt ist. Da der zentrale Spiegel 36A axial innerhalb der axial äußeren Begrenzungsebene des Doppelfalzes 38 liegt, hat dieser Dosenkörper den Vorteil, daß er auf dem Doppelfalz 38 ruht und nicht auf dem zentralen Spiegel 36A, welcher während thermischer Behandlung ausbeulen und dadurch für Belastungen verletzlich werden und verhindern kann, daß die Dose aufrecht steht.
Da das durch das axiale Schieben dieses "fluchtenden" zentralen Spiegels 36 von seiner ersten stabilen Form (wie in Fig. 10 gezeigt) in seine zweite stabile Form, wie in Fig. 11 gezeigt, verdrängte Volumen nicht so groß ist wie das, das durch die axial auswärts vorspringenden Spiegel gemäß den Fig. 7 bis 9 erreicht wird, kann dieser Nachteil, wenn notwendig, durch Verformung von Boden 30 A und Deckel 30 der Dose ausgeglichen werden. In Abhängigkeit von der Temperatur, bei der der Doseninhalt verpackt wurde, und der Effizienz der Unter-Deckel-Begasung kann die Verformung entweder des Bodens 30A oder des Deckels 30 ausreichen.
Gemäß Fig. 11 ist nach Bildung des oberen Doppelfalzes 39 nur der Dekkel 30 in seine zweite stabile Form verformt worden, die den Doppelfalz 39 beinhaltet, wobei aus der Deckelkernwand 32, der Verstärkungssicke 33 und der umgestülpten Innenwand 34 ein Kontinuum 40 mit einem Kehlungsring 35A entstanden ist. Das Kontinuum 40 ist von im wesentlichen kegelstumpfförmiger Form und erstreckt sich radial und axial in den Dosenkörper hinein, um den zentralen Spiegel 36 innerhalb der Seitenwand 37 der Dose gegen den inneren Druck abzustützen, der in der Dose entsteht.
Der zentrale Spiegel kann, wie dargestellt, eben oder, um seine Streifigkeit zu erhöhen, gewölbt (nicht gezeigt) sein. Darüber hinaus kann der Deckel der Dose mit einer Ritzlinie versehen sein, die einen zu öffnenden Abschnitt begrenzt. Der zu öffnende Abschnitt kann, wenn gewünscht, mit einer Aufreißlasche bekannter Form oder mit einem an dem Deckel mittels eines integrierten Niets oder einer Klebeverbindung befestigten Hebel versehen sein. Eine Klebeverbindung ist insbesondere dann geeignet, wenn der Deckel aus einem Laminat von Blech/Polymerfilm ausgestanzt ist, beispielsweise PET/Metall/Polypropylen, und die Aufreißlasche aus gleichem Material hergestellt ist, so daß der gleiche Polymerfilm des Deckels mit dem gleichen Film der Aufreißlasche oder des Hebels verschweißt werden kann.
Vorteile des Aufteilens der Deformation auf Deckel und Boden des Dosenkörpers sind, daß dabei Boden und Deckel eine geringere Verformung erfahren, und daß der Hub der den Ausgangs-Deckel und -Boden formenden Presse und der Deckel und Boden verformenden Presse, die nach dem Füllen verwendet wird, geringer sein können, so daß diese Pressen mit höheren Geschwindigkeiten arbeiten können. Wie bereits mit Bezug auf die Fig. 7 und 8 beschrieben, kann der Deckel und/oder Boden in der Doppelfalzverschließmaschine verformt werden. Alternativ dazu kann der Deckel und/oder Boden in einer nachfolgenden Maschine verformt werden, die einen rotierenden Drehtisch mit gegenüberliegenden Druckköpfen 41 aufweist, die durch Zusammenwirken der Drehtischrotation zwischen festen Dosenprofilen oder einem Dosenprofil und einer Abstützung betätigt werden, wenn nur entweder der Deckel oder der Boden verformt werden soll. Fig. 11 zeigt mit strichpunktierten Linien einen Druckkopf 41 und eine flache Abstützung 42 nach Verformung des Deckels.

Claims

1. Verfahren zum Füllen und Schließen eines Dosenkörpers (1) mit einem offenen oberen Ende und einer Bodenwand (3), die dicker ist als dessen Seitenwandung (5), mit einem nicht mit Kohlensäure angereicherten Produkt, wobei das Verfahren nacheinander folgende Schritte umfaßt:

a) Füllen des Dosenkörpers mit dem Produkt bei erhöhter Temperatur, wobei oberhalb des Produkts ein Kopfraum (2) verbleibt;

b) Doppelfalzung eines Deckels (16, 30) an den Dosenkörper (4), um die Dose zu schließen;

c) Verformen der Dose, bevor die Dose auf eine Temperatur abgekühlt ist, bei der ein Vakuum gebildet wird,

dadurch gekennzeichnet

d) daß zwischen den Schritten a) und b) ein Permanentgas in den Kopfraum (2) geblasen wird, um den Kopfraum im wesentlichen mit dem Permanentgas zu füllen, und dadurch den Wasserdampfgehalt in dem Kopfraum zu reduzieren; und

e) daß in Schritt c) ein Teil der Dose von einer ersten stabilen Form (13/7, 30A) in eine zweite stabile Form (7, 30) deformiert wird, um das Kopfraumvolumen der Dose zu reduzieren und sicherzustellen, daß der Kopfraumdruck oberhalb 1 Atmosphäre liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt d) eine Verformung der Bodenwand des Dosenkörpers (7, 30) umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bodenwand (7, 30) einen konvexen Basisbereich (7) aufweist, der einen Ring (13) aufweist, der einen nach außen konkaven zentralen Spiegel umschließt, und wobei im Schritt d) Druck auf den zentralen Spiegel (7) ausgeübt wird, um den konvexen Bereich in eine konkave Form zu deformieren, die den zentralen Spiegel innerhalb der Seitenwandung in dem Zustand der zweiten stabilen Form unterstützt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Dosenkörper (1) im Schritt a) eine erste stabile Bodenform aufweist, mit

einer ringförmigen Sicke (8) mit bogenförmigem Querschnitt, um die Bodenwand (3) mit der Seitenwandung (5) zu verbinden,

einem sich verjüngenden Ring, der sich axial und nach innen von der ringförmigen Sicke (8) und der Seitenwandung (5) erstreckt,

und einem nach außen konkaven zentralen Spiegel, der den sich verjüngenden Ring iiberspannt,

wobei in Schritt d) die zweite stabile Form (7, 30) die ringförmige Sicke (8), den sich verjüngenden Bereich und den zentralen Spiegel umfaßt, wobei der sich verjüngende Bereich deformiert ist, um sich in Bezug auf die Seitenwandung (5) axial und radial nach innen zu erstrecken, und der zentrale Spiegel innerhalb des Umfangs der Seitenwandung (5) gehalten ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt d) das Deformieren eines Endes (3) der Dose (1) von einer ersten stabilen Form in eine zweite stabile Form umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das in Schritt c) deformierte Dosenende umfaßt:

Einen äußeren Doppelfalz-Randflansch (23),

eine Kernwand (24), die von dem inneren Rand des Randflansches (23) herabhängt,

eine ringförmige Sicke (25), die sich radial nach innen von der Kernwand (24) erstreckt,

eine Innenwandung (26), die sich von der ringförmigen Sicke (25) in Richtung des Niveaus des Randflansches (23) zu einem mit einem Radius versehenen Ring erstreckt, der einen zentralen Spiegel (7) trägt,

wobei in Schritt d) ein Druck auf den zentralen Spiegel (7) ausgeübt wird, um die ringförmige Sicke (25) und die Innenwandung (26) zu verformen, bis der zentrale Spiegel (7) durch die ringförmige Sicke (25) hindurchgetreten ist und der mit einem Radius versehene Ring umgestülpt ist, um mit der Innenwandung (26) die zweite stabile Form zu bilden.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Verformung von der ersten stabilen Form (13/7, 30A) zu der zweiten stabilen Form (7, 30) durch einen Stempel in der Verschließmaschine unmittelbar nach Bildung des Doppelfalzes (23) bewirkt wird.