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Diese Erfindung betrifft eine Maschine zum Befüllen und
Abdichten von Kartons mit Nahrungsmittelprodukten, und insbesondere
eine Maschine zum Sterilisieren des Innern von Kartons vor dem
Befüllen.
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Milch oder Fruchtsaft wird typischerweise in Kartons verpackt,
die sterilisiert wurden, um die Haltbarkeit des jeweiligen
Inhalts unter Kühlung zu verlängern. Wenn Milch oder Fruchtsaft
unter aseptischen Verpackungsbedingungen verpackt wird, ist der
Inhalt in der Lage, für eine lange Zeitdauer bei
Raumtemperatur, ohne zu verderben, gelagert zu werden. Beide dieser
Verpackungsprozesse erfordern eine effektive Sterilisation des
Innern des Kartons, bevor er befüllt wird.
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Milch oder Fruchtsaft enthaltende aseptische Verpackungen
können bei Raumtemperatur für lange Zeitperioden deshalb gelagert
werden, weil die Bakterien, die zum Verderben des Produkts
führen würden, im Verpackungsprozeß abgetötet wurden. Verschiedene
Verfahren und Vorrichtungen sind entwickelt worden, um Milch
oder Fruchtsaft unter aseptischen Bedingungen zu verpacken.
Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 4 375 145 eine
aseptische Verpackungsmaschine mit einem Förderer, auf welchem
vorgeformte Kartons unter Ultraviolett-Keimabtötungslampen
vorrücken, um das Innere der Kartons der Ultraviolett(UV)strahlung
auszusetzen. Außerdem kann das Innere der Kartons mit einer
keimabtötenden Lösung ausgespritzt werden, wie etwa
Wasserstoffperoxid, bevor sie unter den Ultraviolettlampen
hindurchgeschickt werden.
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Die Verwendung von Lampen hoher Intensität erfordert das
Bereitstellen eines schnellen Abblend- bzw. Verschlußsystems
aus Sicherheitsgründen sowie um eine Überhitzung der Kartons zu
vermeiden. Während des normalen Betriebs ist die UV-Lampe in
der Füllmaschine eingeschlossen, wodurch verhindert wird, daß
die Bedienperson Uv-Lichtstrahlen ausgesetzt wird. Wenn die
Füllmaschine klemmt bzw. einen Stau aufweist, oder wenn aus
demselben Grund die Bedienperson die Türen zur Fülleinrichtung
öffnen muß, müssen bestimmte Mechanismen vorgesehen sein, um
die Belastung durch das UV-Licht zu minimieren. Das UV-Licht
kann entweder ausgeschaltet bzw. abgeblendet werden.
Ausschalten des Lichts erfordert eine lange Startzeit, während das
Abblenden einen Schutz für die Bedienperson ohne Zeitverlust
beim Wiederstarten bereitstellt.
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Das US-Patent Nr. 4 289 728 offenbart ein Verfahren zur
Sterilisation der Oberflächen von Lebensmittelbehältern und anderen
Materialien durch Auftragen einer Wasserstoffperoxidlösung,
gefolgt durch Ultraviolettbestrahlung. Dieses Patent erläutert,
daß die Spitzenwertintensität der Ultraviolettstrahlung bei
einer Wellenlänge von 254 Nanometer auftritt. Die Konzentration
der Wasserstoffperoxidlösung beträgt weniger als 10 Gew.-%, und
außerdem wird die Wasserstoffperoxidlösung während oder folgend
auf die Bestrahlung erwärmt.
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Die aktuelle Technologie unter Verwendung von
Ultraviolett(UV)sterilisation von Kartons ist durch die geringe
Intensität der UV-Lampen beschränkt, die verwendet werden können.
Die UV-Ausgangsleistung im Bereich von 0,1 bis 1 W/cm² ist
bislang als "Hochintensitätstäts"-Quelle zur Sterilisation von
Verpackungen angesehen worden (Maunder, 1977). Niederenergielampen
von 0,1 bis 1,0 W/cm² können konvektionsgekühlt werden und sind
bei der Sterilisation flacher Oberflächen in unmittelbarer
Umgebung der Lampe wirksam.
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Jüngste Entwicklungen auf dem Gebiet von
Mitteldruck-Quecksilber-UV-Lampen mit hoher Ausgangsleistung haben zu einer
erhöhten Lichtausgangsleistung von 50 bis 250 Watt pro Inch bzw.
Zoll Röhren- bzw. Kolbenlänge geführt (17-85 Watt/cm²). Dieser
Lampentyp hat eine lange zylindrische Quarzglasröhre, die einen
Mitteldruckquecksilberdampf mit Elektroden an den
gegenüberliegenden Enden der Röhre enthält. Der hohe Energieverbrauch
dieser Lampen erfordert die Verwendung eines aktiven Kühlsystems,
um eine Überhitzung der Lampe zu verhindern, und um die Lampe
wieder starten zu können, nachdem sie vorübergehend
abgeschaltet wurde. Kühlsysteme bestehen üblicherweise aus einem
Quarzring, welcher die Lampe umgibt und durch den Luft oder Wasser
umgewälzt wird.
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UV-Sterilisation hat sich als geeignet zur Sterilisation
flacher Filme bzw. dünner Schichten erwiesen, sie hat jedoch eine
begrenzte Anwendbarkeit auf vorgeformte winkelige Behälter
(Maunder, 1977) aufgrund geometrischer und physikalischer
Beschränkungen, die mit dem UV-Licht verbunden sind. Wenn eine
einfache UV-Lampe in ummittelbarer Umgebung oberhalb eines
vorbestimmten Behälters angeordnet wird, wie etwa einem Karton mit
Giebeloberteil, wird der Sterilisationswirkungsgrad aufgrund
verschiedener Gründe ernsthaft eingeschränkt. Der gesamte
Lichtfluß, der in den Karton eintritt, ist auf Licht
beschränkt, das durch die Kartonöffnung gerichtet werden kann,
die im Fall typischer Kartons mit Giebeloberteil 55 x 55 mm, 70
x 70 mm oder 95 x 95 mm groß ist. Von einer Linienstrahler-UV-
Lampe emittiertes Licht weist einen Intensitätsverlust auf, der
quadratisch zum Abstand von der Lichtquelle verläuft. Wenn die
Tiefe des Kartons zunimmt, nimmt deshalb die Lichtintensität
dramatisch ab.
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Ein weiteres Problem beim Sterilisieren dieser Kartons mit UV-
Licht besteht darin, daß das Licht in den Giebel des Kartons
eintritt und in Richtung auf den Boden im wesentlichen parallel
zu den Seiten des Kartons ausstrahlt. Die keimabtötende Wirkung
des Lichts, das auf die Seiten auftrifft, ist aufgrund des
kleinen Einfallswinkels sehr niedrig. Die Seiten der Kartons
stellen deshalb die Oberflächen dar, die am schwierigsten zu
sterilisieren sind, insbesondere bei großen Kartons. Wenn die
Kartons auf dem Förderer positioniert sind, liegen zwei Seiten
des Kartons in einer Ebene, die parallel zur Lampenachse
verläuft, während die anderen zwei Seiten quer zur Lampenachse
verlaufen. Da die Lampe länglich ist, trifft Strahlung auf die
Querseiten des Kartons mit einem größeren Einfallswinkel auf
als auf die parallelen Seiten des Kartons. Im Fall einer
einzigen UV-Lampenquelle über dem Zentrum eines rechteckigen Kartons
von 70 x 70 x 250 mm würde die effektive bzw. wirksame
Lichtintensität am Boden des Kartons auf 13,9% der maximalen
Intensität bei diesem Abstand von der Quelle verringert werden. Die
Kartonseiten quer zur Lampenachse empfangen Licht von der
gesamten Länge der Röhre. Von dem Lampenreflektor auf der Seite
in Gegenüberlage zu der parallelen Kartonwand herrührendes
Licht hat einen maximalen Einfallswinkel und dadurch eine
Intensität gleich 27,0% der Lampenintensität.
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Eine typische Anordnung für ein zylindrisches UV-Lichtsystem
weist eine einfach gespiegelte Lampe in einer wassergekühlten
Hülle auf, die in einem abgeblendeten Reflexionsgehäuse
angeordnet ist. Diese Anordnung ist zur Sterilisation von flachen
Oberflächen und einigen kleinen bzw. schmalen Kartons geeignet;
die Intensität des Lichts fällt jedoch rasch mit zunehmender
Entfernung von der Röhre ab, so daß es nicht zum Sterilisieren
großer Kartons geeignet ist.
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Die EP-A-0 065 380 offenbart eine Maschine zum Befüllen,
Verschließen und Abdichten von Behältern, wobei die Behälter durch
die Maschine auf dem Förderer getragen und vorgerückt werden,
wobei die Maschine eine Ultraviolett(UV)-Sterilisationslampe
oberhalb des Förderers sowie derart positioniert aufweist, daß
UV-Licht in das Innere der Behälter auf dem Förderer gerichtet
wird, bevor sie befüllt werden, mit einem länglichen Gehäuse,
das mit dem Förderer ausgerichtet ist, einem Reflektor und
einer röhrenförmigen UV-Lampe, die zumindest teilweise durch
den Reflektor umschlossen ist, und einer Kühleinrichtung im
Gehäuse zum Kühlen des Reflektors zur Erzielung einer optimalen
Lichtemission von der Lampe.
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Obwohl diese Verfahren und Vorrichtungen gemäß dem Stand der
Technik zufriedenstellende Ergebnisse für flache Filme bzw.
Dünnschichten bereitstellen, sind sie weder wirksam noch
effizient, wenn sie zum Sterilisieren vorgeformter Kartons
verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von der
Offenbarung der EP-A-0 065 380 dadurch, daß es sich bei den
Behältern um Pappekartons handelt, und daß der Reflektor eine
parabolische Form zum Richten von Licht von der Lampe in Richtung
auf den Boden der Kartons auf dem Förderer aufweist, mit ersten
und zweiten parabolischen Reflektoroberflächen, wobei die
ersten und zweiten Oberflächen jeweils eine Mittenachse und
einen Brennpunkt aufweisen, wobei die Mittenachse der ersten
Oberfläche die Mittenachse der zweiten Oberfläche unter einem
spitzen Winkel (α) schneidet und der Brennpunkt der ersten und
zweiten Oberflächen mit dem Lichtbogen in der röhrenförmigen
UV-Lampe zusammenfällt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet eine
Ultraviolettlampe, die durch Wärmestrahlung auf die gekühlte
Oberfläche des länglichen halbparabolischen Reflektors gekühlt
wird. Die Gestalt des halbparabolischen Reflektors und die
Anordnung der UV-Lampe in bezug auf die Brennpunkte der zwei
Teile des parabolischen Reflektors stellen eine UV-Strahlung am
Boden des Kartons bereit, die wesentlich größer ist als die
bislang durch die Verfahren und Vorrichtungen gemäß dem Stand
der Technik erzielten. Die Position der UV-Lampe relativ zu dem
Reflektor und die Strömung der Kühlluft über die Rückseite des
Reflektors steuert die Betriebstemperatur der Lampe, so daß
eine effektivere Oberflächensterilisation erzielt wird.
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Ein Merkmal dieser Erfindung ist die Verwendung von zwei
halbparabolischen Reflektoren zum Richten des Ultaviolettlichts auf
die Seiten der Kartons. Das Positionieren des
Ultraviolettlichtbogens der Lampe im Brennpunkt der halbparabolischen
Reflektoren erzeugt UV-Licht, das einen größeren Einfallswinkel
auf den Seiten des Kartons und eine größere UV-Lichtintensität
auf den Seiten und am Boden des Kartons hat.
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Die UV-Lampe wird mit Strahlungskühlung unter Verwendung des
Aluminiumreflektors als Wärmeableitelement für die Lampe
gekühlt. Umgewälzte Luft wird verwendet, um die Rückseite des
Reflektors zu kühlen, um eine gleichmäßige Reflektortemperatur
aufrechtzuerhalten, die ihrerseits die Temperatur der Lampe
aufrechterhält. Die Aluminiumoberfläche reflektiert Licht der
keimabtötenden Wellenlänge in effizienter Wirkungsweise und
absorbiert außerdem effektiv ausreichend Strahlungswärme, um
die Lampe zu kühlen. Das Kühlsystem stellt ein gleichmäßiges
Temperaturableitelement bereit, um die Lampentemperatur im
wesentlichen konstant zu halten. Das Aufrechterhalten einer
konstanten Lampentemperatur ist für eine maximale
UV-Lichtausgangsleistung erforderlich, um die Wiederstartzeit nach einer
Produktionsunterbrechung zu minimieren und die Standzeit der
Lampe zu verlängern.
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Eine wassergekühlte Blende bzw. ein wassergekühlter Verschluß
wird verwendet, um den UV-Lichtfluß von dem Lampenaufbau immer
dann zu beschränken, wenn der Förderer einen Stau hat, oder
wenn die Bedienperson die Türen zu der Fülleinrichtung öffnet.
Die Blende bzw. die Blendeneinrichtung ist aus
Sicherheitsgründen erforderlich, um zu verhindern, daß die Bedienperson UV-
Licht ausgesetzt wird, und um eine Überhitzung der Kartons zu
verhindern, die direkt unter der Lampe zum Stehen kommen. Das
Abblenden bzw. Ausblenden des Lichts erhöht die Wärmemenge, die
durch das Kühlsystem abgeführt werden muß, um ein Überhitzen
der Lampe zu verhindern.
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Die übermäßige Wärme wird durch das Luftkühlsystem und die
Wasserkühlung der Blende abgeführt. Wenn die Unterbrechung eine
lange Dauer hat, kann die Lampe auf halbe Leistung
zurückgefahren werden, um den Wärmeaufbau zu minimieren. Ausgehend von der
Einstellung mit halber Leistung, kann das Licht in die
Produktion ohne eine lange Startperiode zurückgeführt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den
beiliegenden Zeichnungen dargestellt; es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Füllmaschine mit dem
erfindungsgemäßen UV-Sterilisator,
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Fig. 2 eine Endaufrißansicht des UV-Sterilisators,
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht des UV-Sterilisators entlang
der Linie 3-3 in Fig. 2,
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Fig. 4 eine Querschnittsansicht des UV-Sterilisators entlang
der Linie 4-4 in Fig. 3,
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Fig. 5 eine teilweise geschnittene Draufsicht des
UV-Sterilisators,
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Fig. 6 eine Querschnittsansicht des UV-Sterilisators entlang
der Linie 6-6 in Fig. 5,
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Fig. 7 eine detaillierte perspektivische Ansicht der Endplatte
und des Reflektoraufbaus, und
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Fig. 8 eine schematische Ansicht der Lampe und des Reflektors
in Beziehung zu einem Karton.
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Eine verbreitete Behälterform für Milch und Fruchtsaft ist als
Behälter mit Giebeloberteil bekannt. Der Behälter weist ein
Pappesubstrat mit einer Kunststoffbeschichtung auf der
Innenseite und der Außenseite auf, welches es dem Oberteil des
Kartons erlaubt, in Form eines Giebeloberteils geschlossen und
abgedichtet zu werden. Wie in Fig. 1 gezeigt, weisen die
Kartons 2 typischerweise einen quadratischen Boden auf, der
wärmeabgedichtet und auf einem Förderer 4 angeordnet ist, der in der
Ansicht von Fig. 1 einen schrittweisen Vorschub nach rechts
ausführt. Die Kartons 2 sind unter gleichem Abstand voneinander
angeordnet, und die Kartons rücken während jedes
Vorschubschritts des Förderers um zwei Positionen vor. Zwischen jedem
Vorschubschritt bleiben die Kartons zu Verarbeitungszwecken
stationär.
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Die Kartons laufen zunächst unter einem
Ultraviolett(UV)-Lampenaufbau 6 durch, der die Seiten und den Boden des Innern der
Kartons 2 Ultraviolettlicht aussetzt. In der nächsten Station
werden die Kartons durch den Füllmechanismus 8 befüllt. Die
Kartons durchlaufen daraufhin die Verschließ- und
Abdichtstation 10, wo das Oberteil des Kartons geschlossen wird. Wärme
wird um das Oberteil des Kartons angelegt und die Oberseite
läuft daraufhin zwischen zwei Klemmklauen hindurch, die die
Wärmeabdichtung des Oberteils bewirken. Die abgedichteten
Kartons verlassen daraufhin den Förderer 4.
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Bei der UV-Lampe handelt es sich bevorzugt um eine Mitteldruck-
Quecksilberdampflampe. Der Lampenkörper hat die Form einer
Quarzröhre. Die Elektroden sind in dem Glas an jedem Ende der
Röhre abgedichtet. Die Röhre ist mit einem inerten Gas, wie
etwa Argon, gefüllt. Eine kleine Quecksilbermenge ist in dem
Rohr vorgesehen. Der Betriebsdruck einer
Mitteldrucklichtbogenröhre beträgt bevorzugt zwischen 100 und 10.000 Torr. Die Lampe
arbeitet bei einer Temperatur von 1100º bis 1500ºF. Wenn ein
hohes elektrisches Potential zwischen den Elektroden angelegt
wird, wird das gesamte Quecksilber verdampft und ein Lichtbogen
wird zwischen den Elektroden gebildet, der
Ultraviolettstrahlung mit Wellenlängen größer als 220 Nanometer und bevorzugt
zwischen etwa 240 Nanometer bis 370 Nanometer erzeugt. Durch
Begrenzen der Strahlung von der Lampe auf Wellenlängen größer
als 220 Nanometer wird die Bildung von Ozon vermieden.
Geeignete Lampen zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
stehen kommerziell von Aquionics Inc. of Erlanger, Kentucky,
zur Verfügung.
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Der Lampenaufbau 6 weist ein Gehäuse 12 (Fig. 2) auf, in
welchem die UV-Lampe angebracht ist. Das Gehäuse weist ein
Einlaßrohr 14 und ein Auslaßrohr 16 auf, die mit dem Innern des
Gehäuses 12 in Verbindung stehen. Eine Luftpumpe 18 führt Luft
durch ein Ventil 20 dem Einlaßrohr 14 zu, welches die Luft dazu
veranlaßt, durch das Gehäuse 12 und durch das Auslaßrohr 16 und
ein Auslaßventil 22 auszuströmen. Die Luftpumpe 18 enthält
bevorzugt einen Filter und eine Temperatursteuerung, die die
Temperatur der Luft reguliert, die in das Einlaßrohr 14
eintritt. Eine geeignete Energieversorgung 24 ist zum Zuführen von
Energie zu der UV-Lampe durch ein Kabel 26 vorgesehen.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, weist das Gehäuse 12 ein Außengehäuse 28
mit gegenüberliegenden Endwänden 30 und 32 auf. Das Außlaßrohr
16 ist in einer Öffnung in der Mitte des Gehäuses 28 befestigt.
Ein Innengehäuse 34 mit Endwänden 36 und 38 ist im Innern des
Außengehäuses 28 angebracht. Das Einlaßrohr 14 durchsetzt eine
Öffnung im Außengehäuse 28 und ist in einer Öffnung im
Innengehäuse
34 befestigt, um Luft direkt von der Luftpumpe 18 in
das Innere des Innengehäuses 34 zu leiten. Das Einlaßrohr 14
dient außerdem als Abstandhalter für das Gehäuse 34, um einen
geeigneten Abstand zwischen dem Innengehäuse 34 und dem
Außengehäuse 28 bereitzustellen. Mehrere Rippenplatten 40 sind im
Innengehäuse 34 und an jedem Ende des Gehäuses angebracht.
Endteile 42 und 44 stellen eine Befestigung für die UV-Lampenröhre
46 bereit, die sich zwischen den zwei Endteilen erstreckt. Wie
vorstehend erläutert, weist die Lampe 46 Elektroden an jedem
Ende auf, denen elektrischer Strom von der Energieversorgung 24
durch isolierte Drähte 48 an jedem Ende zugeführt werden.
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Die Rippenplatten 40 und die Endteile 42 und 44 weisen eine
konkave Vertiefung bzw. Ausnehmung 50 auf, die einen
beschichteten Reflektor 52 trägt. Die gegenüberliegenden Enden des
Reflektors 52 sind in den Endteilen 42 und 44 aufgenommen. Die
Rippenplatten 40 erstrecken sich auswärts durch Schlitze in den
Seiten des Gehäuses 34 so, daß die gegenüberliegenden Enden der
Rippenplatten 40 in Eingriff mit den Innenwänden des
Außengehäuses 28 stehen. Eine Ablenkplatte 54 ist an den Rippenplatten
40 und an den Endplatten 42 und 44 befestigt. Die Ablenkplatte
54 weist mehrere Schlitze 56 entlang der Mittenlinie auf, um
Luft vom Einlaßrohr 14 in den Raum zwischen dem Reflektor 52
und der Ablenkplatte 54 strömen zu lassen.
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Das Untere Ende des Gehäuses 28 ist durch eine Halterungsplatte
58 verschlossen, in welcher eine transparente Quarzplatte 60
befestigt ist. Die Platte 60 ist für Uv-Licht im Bereich von
220 Nanometern und höher durchlässig bzw. transparent. Dieses
spektrale Transmissionsband verhindert die Ozonbildung durch
das Licht. Die Halterungsplatte 58 weist eine zentrale Öffnung
so auf, daß Strahlung von der Lampe 46 in der Lage ist, durch
die Quarzplatte 60 und in die Kartons 2 hinein sich
auszubreiten, die unterhalb der Platte 60 angeordnet sind (Fig. 3).
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Die UV-Lampe 46 ist in den Endteilen 42, 44 in einer Position
relativ zu dem Reflektor 52 angebracht, um eine optimale
Konzentration des UV-Lichts auf das Innere der Kartons 2
bereitzustellen. Wie in Fig. 5 gezeigt, sind die Enden der Röhre 46 in
Keramikhüllen 52 angebracht, die sich durch Löcher in den
Endteilen 42, 44 erstrecken.
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Die Beziehung des Reflektors 52 zu der Uv-Lampe 46 stellt einen
wesentlichen Teil dieser Erfindung dar. Halbparabolische
zylindische Reflektoren mit der Lichtquelle im Brennpunkt erzeugen
ein Lichtband, das parallel zur Achse der Parabel verläuft. Für
eine zylindrische Röhre würde ein parabolischer zylindrischer
Reflektor das Licht in einem Band parallel zur Achse der
Parabel fokussieren. Die Lichtintensität würde linear zum Abstand
abnehmen, wodurch keine zufriedenstellende Sterilisation unter
einem Abstand von der Röhre erhalten werden würde. Parabolische
zylindrische Reflektoren müssen mit der Lampe im oder in der
Nähe des Brennpunkts der Parabel konstruiert werden, um den
Lichtstrahl zu optimieren. Die Auslegung eines derartigen
Reflektors muß die geometrischen Beschränkungen aufgrund der
Größe der Röhre, der Anordnung der Röhre im Brennpunkt der
Parabel und der Form der Giebeloberteil-Kartons
berücksichtigen. Die Form des parabolischen zylindrischen Reflektors ist
durch eine Parabel mit der Lampe im Brennpunkt festgelegt. Die
Gleichung für die Parabel lautet y = x²/4a, wobei "a" der
Abstand vom Scheitel der Parabel zum Brennpunkt ist. Der
Röhrenradius stellt den minimalen Wert für a dar. Die herkömmliche
Mitteldrucklampe mit einem Kühlring mit einem Durchmesser von
50 mm würde im Minimum einen Reflektor erfordern, wie in Fig. 3
gezeigt. Die Brennweite diktiert die Größe der Parabel und
führt zu einer Form, die für die Sterilisation nicht optimal
ist, weil das Licht parallel zu den Seiten des Behälters
verläuft, wobei der größte Teil des Lichts nicht auf den Karton
herunterfokussiert wird und der Strahl verzerrt wird, indem er
durch den Quarzkühlring hindurchtritt, der als Linse wirkt. Um
diese Probleme zu überwinden, ist es in Übereinstimmung mit
dieser Erfindung bevorzugt, die Brennweite zu verringern und
den das Licht umschließenden Kühlring wegzulassen.
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Wie in Fig. 7 gezeigt, ist der Reflektor 52 in einer Ausnehmung
bzw. Vertiefung 64 aufgenommen, die einen gekrümmten Rand 66
aufweist, gegen welchen die Außenfläche des Reflektors im Sitz
angeordnet ist. Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der
Beziehung zwischen der Lampe, dem Reflektor und dem Karton,
der sterilisiert werden soll. Die UV-Lampe 46 weist, wenn sie
mit Energie versorgt wird, einen Lichtbogen auf, der sich
zwischen den gegenüberliegenden Enden der Röhre 46 erstreckt.
Aufgrund der durch den Lichtbogen erzeugten Hitze ist die Mitte
des Lichtbogens ungefähr 3 mm vertikal aufwärts relativ zum
Zentrum der Röhre versetzt bzw. verschoben. In Fig. 8 ist das
Zentrum des Lichtbogens mit 68 bezeichnet. Der Reflektor 52 hat
die in Fig. 8 in durchgezogenen Linien gezeigte Gestalt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand
zwischen dem Scheitel des Reflektors 52 und dem Zentrum des
Lichtbogens 68 15,5 mm. Der Reflektor 52 hat eine parabolische Form,
die durch die Formel y x²/4a festgelegt ist, wobei a der
Abstand zwischen dem Brennpunkt 68 und dem Scheitelpunkt der
Parabel ist. Der Reflektor 52 weist tatsächlich zwei
parabolische Kurven auf, die einen gemeinsamen Scheitel 70 aufweisen.
Die rechte Seite des Reflektors 52, die in Fig. 8 mit 72
bezeichnet ist, weist eine strichliert gezeigte virtuelle Form
74 auf und eine Mittenachse 76. Die linke Seite 78 des
Reflektors 52 weist eine parabolische Form mit einer Mittenachse 80
auf. Die virtuelle Fortsetzung 82 der Oberfläche 78 ist in Fig.
8 strichliert gezeigt. Die parabolische Form des Reflektors 52
ist deshalb ein Verbund aus den zwei Seiten 72 und 78, die im
Fall eines Imperial Quart-Kartons (70 mm x 70 mm x 240 mm) um
13 Grad ausgehend von der Vertikalen so gedreht sind, daß der
Winkel α zwischen den Achsen 76 und 80 26 Grad beträgt. Der
Drehwinkel für die parabolischen Reflektoren würde für jede
Kartongröße durch den maximalen Einfallswinkel bestimmt sein,
der durch die Geometrie der Kartons in Bezug auf die Lampe
festgelegt ist. Der Scheitel 70 des Reflektors 52 ist so
geformt, daß die zwei Seiten 72 und 78 in einer
kontinuierlichen Kurve in einander übergehen. Beim Drehen der Seiten 72 und
78 ist es wesentlich, daß der Brennpunkt beider Seiten in
derselben Position 68 verbleibt.
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Die Charakteristik einer Parabel besteht darin, daß vom
Brennpunkt 68 aus emittiertes Licht, das auf die Parabeloberfläche
bzw. die parabolische Oberfläche auftrifft, in einer Richtung
reflektiert wird, die parallel zur Mittenachse verläuft. Wie
aus Fig. 8 hervorgeht, stellen die Linien 84 und 86 die
reflektierte Strahlung ausgehend vom Brennpunkt 68 dar, welche den
Boden des Kartons 2 erreicht. Die Linien 84 und 86 verlaufen
parallel zu den Mittenachsen 80 und 76. Die Höhe des Kartons,
der mit einer bestimmten Füllmaschine verwendet werden kann,
kann entsprechend dem Volumen der zu befüllenden Kartons
variieren. Die größeren Kartons, wie etwa der 1-Quart-,
1-Liter- oder 1/2-Gallonen-Behälter, haben eine ausreichende Höhe, daß
die UV-Lichtsterilisation kein Problem darstellt. Insbesondere
ist wesentlich, daß das UV-Licht auf die Seitenwände des
Kartons unter einem maximalen Winkel, der durch die Geometrie des
Kartons und des Reflektors festgelegt ist, auftrifft. Es wurde
herausgefunden, daß für einen Imperial-Quart-Karton (70 mm x 70
mm x 240 mm) der Einfallswinkel 13 Grad oder mehr betragen
sollte, um von dem UV-Licht eine optimale Wirkung zu erreichen.
Für Behälter mit einem Höhen/Breiten-Verhältnis gleich oder
größer als 2,0 erzielt die Anordnung gemäß dieser Erfindung
eine deutliche Verbesserung bei der Sterilisation.
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Ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung stellt die Anordnung
des parabolischen Reflektors um die UV-Lampenröhre herum dar.
Bei einer herkömmlichen Anordnung arbeitet die Röhre
normalerweise mit einer Temperatur von 11000 bis 1500ºF, und um die
Röhre und den Reflektor zu schützen, ist die UV-Lampe in einer
Quarzschutzhülle eingeschlossen, und Kühlmedium, wie etwa
Wasser oder Luft, wird durch die Schutzhülle umgewälzt. Es wurde
entdeckt, daß dann, wenn die Schutzhülle entfernt bzw.
weggelassen wird, die durch den parabolischen Reflektor eingefangene
Lichtmenge vergrößert und das Streuen des Lichts durch die
Schutzhülle ausgeschlossen werden kann. Durch Entfernen der
Hülle kann der parabolische Reflektor so ausgelegt werden, daß
die größte Lichtmenge von der Röhre gesammelt wird, indem der
Brennpunkt näher an dem Reflektor angeordnet wird, was zu einer
tiefen Parabel führt. Die tiefe Parabel fängt etwa 270 Grad des
abgegebenen Lichts ein und richtet es gleichzeitig in die
Bereiche des Kartons, die am schwierigsten zu sterilisieren
sind. In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform wird die
UV-Lampe durch Strahlungswärmeübertragung unter Verwendung
eines luftgekühlten Reflektors bei 75ºC als Wärmekühlelement
gekühlt. Wenn Wasserstoffperoxid im Karton vorhanden ist,
erzeugt das UV-Licht Wasserstoffperoxid-Radikale, die die
Abtötungswirkung des UV-Lichts verstärken. Wenn
Wasserstoffperoxid nicht vorhanden ist, erzeugt UV-Licht mit einer
Wellenlänge im Bereich von 220 bis 300 Nanometer eine wirksame
keimabtötende Wirkung.
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Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung ist die Verwendung einer
Strahlungswärmeübertragung, um die Lampe auf der geeigneten
Temperatur zu halten. Der Aluminiumreflektor wird verwendet, um
sowohl das UV-Wellenlängenlicht zu reflektieren, wie
gleichzeitig Wärme anderer Wellenlängen zu absorbieren, um die
geeigneten Lampentemperatur aufrechtzuerhalten. Die
Reflektortemperatur
kann durch Steuern der Luftmenge geregelt werden, die über
den Reflektor geleitet wird, und sie wird durch ein
Thermoelementpaar am Luftauslaß überwacht. Die Reflektortemperatur wird
durch Zuleiten von kalter Luft in die heißeste Position
gleichmäßig gehalten, bei der es sich um den Punkt direkt oberhalb
der Lampe handelt. Die Luft strömt daraufhin über den Rest des
Reflektors, was dazu beiträgt, eine gleichmäßige Verteilung
über die gesamte Oberfläche des Reflektors aufrechtzuerhalten.
Durch Aufrechterhalten einer konstanten Temperatur des Gehäuses
im Bereich von 50 bis 100ºC kann die Lampe kontinuierlich
brennen und ihre Überhitzung wird verhindert. Die Sterilisation
kann außerdem unterbrochen werden, indem die Lampe abgeblendet
oder ausgeschaltet wird. Wenn die Lampe ausgeschaltet wird,
kann sie leicht wieder gestartet werden, weil die
Strahlungskühlung die Quecksilbertröpfchen über die gesamte Länge der
Röhre gleichmäßig verteilt. Normales Kühlen unter Verwendung
eines Kühlrings führt zur Konzentration von Quecksilber dort,
wo das Kühlmedium in den Kühlring zuströmt. Diese
ungleichmäßige Verteilung von Quecksilber verzögert die Startzeit
deutlich, die erforderlich ist, um das Licht zur vollen UV-Leistung
zu bringen.
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Um die Arbeiter zu schützen, und um eine Beschädigung der
Kartons in dem Fall zu verhindern, daß es erforderlich ist, den
Sterilisationsprozeß vorübergehend zu stoppen, ist ein
Blendenaufbau vorgesehen. Wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, weist das
Gehäuse 12 einen Querschlitz 88 zum Aufnehmen einer
Blendenplatte 90 auf. Die Blendenplatte 90 ist zur hin- und
hergehenden Bewegung mittels eines Kraftzylinders 52 vorgesehen, der
auf dem Maschinenrahmen angebracht ist. Mittels geeigneter
Steuerungen kann der Zylinder 92 betätigt werden, um die Platte
90 in der Ansicht von Fig. 6 nach links zu bewegen, um
Strahlung vom Gehäuse 12 abzublocken. Als weitere
Sicherheitsmaßnahme können Platten 94 auf entgegengesetzten Seiten des
Gehäuses
angebracht sein. Wenn der Verschluß bzw. die Blende
geschlossen ist, steigt die Wärme im Gehäuse, und es ist
erforderlich, den Luftstrom durch die Einlaß- und Auslaßröhren 14
und 16 zu erhöhen, um eine Überhitzung der Lampe zu verhindern.
Die Wärmeerzeugung kann auch durch Verringern der Energie für
die Lampe selbst auf die Hälfte reduziert werden. Dies
ermöglicht es, daß die Lampe ohne eine langwierige Startperiode
erneut in die Produktion überführt wird.
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Während dieser Erfindung in Übereinstimmung mit einer
bevorzugten Ausführungsform dargestellt und erläutert wurde, können
offensichtlich Abwandlungen und Anderungen vorgenommen werden,
ohne von der Erfindung abzuweichen, die in den Ansprüchen
ausgeführt ist.