DE69609023T3

DE69609023T3 - Turbo-laminares Spülsystem für Verpackungsmaschine

Info

Publication number: DE69609023T3
Application number: DE69609023T
Authority: DE
Inventors: Mark Stephen Stanford Nowotarski; Jana Sue Haisley
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1996-08-24
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2016-08-25
Also published as: US5682723A; DE69609023T2; ES2147333T3; DE69609023D1; EP0761541B2; ES2147333T5; EP0761541B1; EP0761541A1; BR9603541A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein System, in dem Behälter, die verschiedene Produkttypen aufbewahren, zum Ausspülen von restlicher Luft und anderen Gasen verarbeitet werden, und genauer auf ein Spülsystem, in dem Spülgas sowohl in turbulenten wie in laminaren Strömungsmustern zugeführt wird.
Hintergrund der Erfindung.
Bei der Verarbeitung von Behältern wie z. B. Taschen, Konservenbüchsen und Schläuchen, die verschiedene Produkttypen wie z. B. Nahrungsmittel und Kosmetika aufbewahren, wird der Behälter oft ausgespült, um Restgase wie z. B. sauerstoffhaltige Luft vor dem letztlichen Verschließen des Behälters zu entfernen. Das Entfernen von Luft von dem Behälter senkt seinen Restsauerstoffgehalt. Dies reduziert das Auftreten nachteiliger Wechselwirkungen mit den Behälterinhalten, nachdem der Behälter zwecks Versand und Lagerung verschlossen wird, erhöht die Integrität der Behälterinhalte und erhöht die Haltbarkeitsdauer der verschiedenen Produkte. In den meisten Anwendungen ist es erwünscht, den Sauerstoffgehalt in dem Behälter vor dem letztlichen Verschließen auf etwa 1% oder weniger zu reduzieren.
Es sind verschiedene Verfahren und Systeme zum Ausspülen von Luft aus Behältern bekannt. Eines dieser Verfahren ist das sogenannte "Vakuum- und Backflush-Verfahren". Hier wird die Luft in dem Behälter, welcher das Produkt aufbewahrt, zuerst mittels Vakuum entlüftet. Dann wird der entlüftete Behälter mit einem Inertgas wie z. B. Stickstoff gefüllt und verschlossen. Obgleich dieses Verfahren effektiv ist, ist die hierfür erforderliche Ausrüstung relativ kompliziert und teuer. Weiterhin sind getrennte Entlüftungs- und Auffüllverarbeitungsschritte notwendig. Dies senkt die Verpackungsgeschwindigkeit und erhöht die Gesamtkosten des zu verpackenden Produkts.
In einem weiteren Verfahren werden die Behälter durch einen Tunnel geführt, der mit einem Inertgas wie z. B. Stickstoff oder Kohlendioxid aufgefüllt ist. Das Behälterinnere wird in dem Tunnel einem turbulenten Hochgeschwindigkeitsgasstrom ausgesetzt, um die darin befindliche Luft auszuspülen. Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass der turbulente Gasstrom ein Eindringen von sauerstoffhaltiger Luft in den Tunnel bewirkt, die an dem Tunneleintritt und -austritt vorhanden ist. Dies führt zu einer Verunreinigung des Spülgases in dem Tunnel mit Luft und begrenzt somit den niedrigsten Sauerstoffpegel, der nach dem Spülen in dem Behälter vorhanden sein kann.
Ein weiteres Verfahren leitet Spülgas durch ein poröses Bauteil bei einer niedrigen Geschwindigkeit in einem laminaren Strömungsmuster in den Tunnel ein. Der laminare Spülgasstrom unterstützt die Blockierung des Eintritts von Luft in den Tunnel. Allerdings zeigt sich dieses Verfahren bei der Entfernung von Luft von den Inhalten der zu spülenden Behälter als nicht effektiv. Für einen Behälter ist eine lange Verweildauer in dem Tunnel notwendig, um die darin befindliche Luft auszuspülen, und es ist eine große Menge an Spülgas erforderlich, um den Sauerstoffgehalt des Behälters auf einen akzeptablen niedrigen Pegel zu reduzieren. Beides ist zeitraubend und teuer.
Im allgemeinen ist die Bereitstellung eines Systems erwünscht, bei welchem sich der Spülgassauerstoffgehalt unter etwa 1,0% befindet, um sicherzustellen, dass der Sauerstoffgehalt in dem Behälter ebenfalls unter 1,0% liegt. Dies ermöglicht das Spülen der Behälter in kontinuierlicher Basis ohne die Erfordernis eines weiteren getrennten Behältervakuum-Entlüftungsschrittes.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Systems zum Verarbeiten von Behältern, in welchen turbulent strömendes Hochgeschwindigkeitsspülgas zum Ausspülen der Behälter zugeführt und ein laminarer Niedergeschwindigkeitsstrom des Spülgases verwendet wird, um ein Eindringen von Luft in den Tunnel zu reduzieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Die obigen und weitere Aufgaben, die für den Fachmann anhand dieser Beschreibung offenbar werden, werden durch die vorliegende Erfindung bewerkstelligt, wobei ein Erfindungsaspekt in einem Verfahren zum Spülen von Luft aus einem Behälter gemäß Anspruch 1 besteht.
Ein weiterer Erfindungsaspekt besteht in einer Vorrichtung zum Spülen von Luft aus einem Behälter gemäß Anspruch 6.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verarbeitungszone, in der sich die turbolaminare Spülung vollzieht, ein Tunnel. Gemäß dieser Ausführungsform ist ein Tunnel bereitgestellt, durch welchen Behälter zum Ausspülen der Behälterluft geführt werden. Die Behälter können entweder mit ihren Inhalten aufgefüllt werden, während sie sich in dem Tunnel befinden, und danach wird die Luft aus diesen Behältern ausgespült, oder es können bereits mit Inhalten aufgefüllte Behälter ausgespült werden. In dem Tunnel werden offene Behälter einem injizierten turbulenten Hochgeschwindigkeitsstrom an Spülgas ausgesetzt, der die Luft schnell aus dem Inneren der Behälter ausspült. Ein laminarer Niedergeschwindigkeits-Spülgasstrom wird in die Kammer eingeleitet, um eine volumetrische Stromrate auszubilden, so dass das Spülgas vorzugsweise sowohl am Eintritt wie am Austritt aus dem Tunnel herausströmt. Dies reduziert die Menge an sauerstoffhaltiger Luft, die von der Umgebung in den Tunnel eindringen kann und es hält das im Tunnel befindliche Spülgas bei einer Konzentration höherer Reinheit. Das laminar strömende Spülgas kann von jedem Ort innerhalb des Tunnels und vorzugsweise von einer Quelle nahe des Tunnelaustritts eingeleitet werden.
Bei der Erzeugung der turbo-laminaren Spülgasströme befindet sich die Turbulenzgasquelle vorzugsweise innerhalb des Tunnels mit einem Abstand von nicht weniger als dem Zweifachen der kleinsten Abmessung des jeweiligen Tunneleintritts oder -austritts, in dessen Nähe der turbulent strömende Gasinjektor angeordnet ist. Dies minimiert das Vermischen und Eindringen von Luft von außerhalb des Tunnels, was die Tunnelspülatmosphäre mit Sauerstoff verunreinigen würde. Am bevorzugtesten weist die laminare Strömungsquelle einen minimalen Abstand von der benachbarten Tunnelöffnung in der Höhe der Hälfte der kleinsten Abmessung der Öffnung auf.
Die Kombination von turbulenten und laminaren Spülgasströmen stellt ein schnelles und effektives Spülen der Behälter bereit und hält ebenfalls die Tunnelspülgasatmosphäre bei einem niedrigen Sauerstoffpegel aufrecht. Somit werden die Behälter vollständiger von Sauerstoff ausgespült, und die Verar beitung vollzieht sich schnell und effizient bei relativ geringen Kosten.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der turbulente Spülgasstrom innerhalb des Tunnels durch zwei getrennte Injektoren zugeführt. Dies gleicht den injizierten turbulenten Gasstrom besser aus, so dass keine einseitige Ausrichtung des Gasstroms zu dem Tunneleintritt oder zu dem Tunnelaustritt hin vorliegt.
Die definierte minimale turbulente Spülzeit, d. h. mindestens 50% der Verweildauer, ermöglicht es, dass die Erfindung ein signifikant verbessertes Ausspülen an unerwünschtem Gas aus dem Behälter im Vergleich zur konventionellen Praxis bewerkstelligt, die eine turbulente Spülgasinjektion in einen offenen Behälter während einer kurzen oder diskreten Zeitdauer bereitstellt, während sich der Behälter innerhalb der Verarbeitungszone befindet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht eines Spültunnels entlang seiner Länge;
2 ist eine Endansicht des Tunnels der 1;
3 ist eine diagrammartige Ansicht eines Füllverpackungssystems in waagrechter Form mit Luftspülung;
4 ist eine diagrammartige Ansicht eines Füllverpackungssystems in senkrechter Form mit Luftspülung;
5 ist eine diagrammartige Ansicht eines Systems zum Verpacken von Massenprodukten und zum Ausspülen der Luft aus den Verpackungen; und
6 ist eine diagrammartige Ansicht eines Systems zum Ausspülen der Luft aus Behältern, das einen turbo-laminaren Spülgasstrom verwendet.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Bezugnehmend auf die 1 und 2 besteht ein aus jedem geeigneten Werkstoff wie z. B. Metall, Kunststoff usw. gefertigter Tunnel 10. Der Tunnel kann jede erwünschte Form aufweisen und ist hier mit einem im allgemeinen rechteckigen Querschnitt dargestellt. Der Querschnitt des Tunnels ist im allgemeinen gerade so groß gehalten, dass er Platz für die verarbeitende Behälter 12 und die damit assoziierte Spülgasinjektorvonichtung lässt. Dies minimiert die Spülgasmenge, die zugeführt werden muss, und reduziert somit die Betriebskosten.
Offene Behälter 12 werden durch die gesamte Länge des Tunnels 10 von einer Eintrittsstelle bei einer Öffnung 14 zu einer Austrittsstelle bei einer Öffnung 16 befördert. Die Zeit, während der sich ein Behälter bei dessen Durchgang von der Eintrittsstelle 14 zu der Austrittsstelle 16 in dem Tunnel oder der Verarbeitungszone befindet, wird als Verweildauer bezeichnet. Die Beförderung erfolgt durch ein (nicht dargestelltes) Beförderungsmittel, auf dem die Behälter entweder stehen oder von dem sie herabhängen. Die Beförderungsvorrichtung ist eine gemäß dem Stand der Technik konventionelle Vorrichtung und es kann jedes geeignete Beförderungsmittel verwendet werden. Die Behälter 12 können von jedem geeigneten Typ sein, so zum Beispiel metallische Konservenbüchsen, mit Karton oder Karton/Kunststoff laminierte Verpackungen, in welche oft Imbissnahrungsmittel verpackt sind, offene Folien- oder Zellophantaschen, Kunststoffbehälter, Schläuche mit einem offenen Ende an der Unterseite usw.. Ebenfalls können die Behälter 12 jede geeignete Größe und Form annehmen, die entsprechend den Tunnelabmessungen bemessen ist, und sie können eine Vielzahl von Produkttypen wie z. B. Nahrungsmittel, Kosmetika, usw. enthalten.
Die bei dem Eintritt 14 in den Tunnel 10 eintretenden offenen Behälter 12 können bereits mit Produkten aufgefüllt sein, oder das Produkt kann beim Behältereintritt in den Tunnel in die Behälter verbracht werden. Das Auffüllen der Behälter kann durch jede geeignete (nicht dargestellte) Abgabevorrichtung erfolgen. Die offenen Behälter 12 werden während der Verweildauer im Tunnel durch die Länge des Tunnels 10 hinweg bewegt, um die im Behälterinneren verbleibende Luft vor dem Verschließen der Behälter auszuspülen. Das Verschließen kann in einer (nicht dargestellten) Maschine erfolgen, die in unmittelbarer Nähe zu dem Tunnelaustritt 16 oder an einer anderen Stelle in dem Tunnel selbst angeordnet ist.
Innerhalb des Tunnels 10 etwas unterhalb des Tunneldaches ist ein turbulenter Spülgasinjektor 20 angeordnet, der hier in zwei getrennten Abschnitten 20-1 und 20-2 dargestellt ist. Die Gasinjektoren 20 werden aus einer geeigneten Quelle mit dem Spülgas, z. B. Argon oder Stickstoff, versorgt, damit dieses direkt in die offenen Oberseiten der Behälter 12 bei ihrem unterhalb des Injektors 20 stattfindenden Durchlaufen injiziert wird. Die Injektorauslässe liegen vorzugsweise relativ nahe an den offenen Behälteroberseiten vor. Ein einfacher effizienter Injektor zum Erzeugen eines turbulenten Gasstroms ist ein Rohr mit einer Reihe an Löchern. Die Löcher sind in Abhängigkeit von einer einfachen Herstellung so klein wie möglich angefertigt, um die Anforderungen an einen turbulenten Spülgasstrom zu minimieren. Aus dem gleichen Grund sollten die Löcher so weit wie möglich entfernt voneinander entfernt angeordnet werden. Allerdings sollten die Löcher nicht weiter als die Breite der offenen Oberseiten der auszuspülenden Behälter auseinander liegen. Dies gestattet eine kontinuierliche Verbindung zwischen dem turbulent strömenden Spülgas und dem Behälterinneren. Erfolgt dies nicht, werden die Behälter Zeiträumen ausgesetzt, in denen keine zu dem Behälterinneren ausgerichtete turbulente Spülung erfolgt, wodurch die Effizienz des Tunnels hinsichtlich der Behälterspülzeit gering ausfällt. Der offene Bereich der Behälter wird dem turbulenten Spülgasstrom für mindestens 50% der Verweildauer und vorzugsweise für mindestens 70% der Verweildauer ausgesetzt.
Der Durchmesser des Rohrs für den Turbulenzinjektor 20 sollte groß genug ausfallen, um sicherzustellen, dass das Spülgas gleichförmig zu sämtlichen Injektorlöchern hin verteilt wird. Weiterhin sollten die Löcher so ausgerichtet sein, dass die turbulente Strömung in die auszuspülenden Behälter geführt wird. In Abhängigkeit von der Form der Behälter und der Weise, wie sie durch den Tunnel befördert werden, können die Gasinjektorlöcher in mehreren Reihen vorliegen, um einen turbulenten Spülgasstrom über die gesamten offenen Oberseiten der Behälter sicherzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sollte kein Loch des turbulenten Spülgasinjektors 20, d. h. keine Austrittsöffnung des turbulenten Gasstroms in einem Abstand zu der entweder benachbarten Tunneleintritts- oder Tunnelaustrittsöffnung 14 bzw. 16 vorliegen, der kleiner als die kleinste Abmessung (Länge oder Breite) einer solchen Öffnung ist, und der vorzugsweise kleiner als das Doppelte der kleinsten Abmessung einer derartigen Öffnung ist. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass Luft der Turbulenz wegen entweder durch den Eintritt 14 oder den Austritt 16 in den Tunnel hinein bewegt wird.
Der Turbulenzinjektor 20 liegt in Abschnitten 20-1 und 20-2 vor, die vorzugsweise als zwei unabhängig voneinander gesteuerte und entlang der Tunnellängenrichtung in Reihe angeordnete Turbulenzinjektoren vorliegen. Für Tunnel mit größerer Länge können mehr als zwei Turbulenzinjektorabschnitte bereitgestellt werden. Der Grund der Verwendung von unabhängig voneinander gesteuerten Abschnitten für den Turbulenzinjektor 20 besteht darin, dass ein einzelner Injektor dazu tendiert, die Gasströmung leicht zu einer der beiden Öffnungen eines Tunnelendes hin auszurichten, da kleine Variationen in der Strömungsverteilung der Injektionslöcher oder leichte Abweichungen in der Richtung der Gasströmung vorhanden sind. Der aus mindestens zwei unabhängig voneinander gesteuerten Injektoren stammende Spülgasstrom kann eingestellt werden, um die Injektorströmungseffekte auszugleichen und eine derartige einseitige Gasströmungsausrichtung zu minimieren.
In der nicht maßstabsgetreuen 1 weisen die zwei Turbulenzinjektorabschnitte 20-1 und 20-2 jeweils eine einzelne Reihe an Gasaustrittslöchern auf. Die Löcher sind mit einem Abstand von der Hälfte der Öffnungsbreite des auszuspülenden Behältertyps angeordnet. Sämtliche Löcher eines Injektors liegen mit einem Mindestabstand von zwei Tunnelöffnungshöhen zu jeder Tunnelöffnung vor (die Höhe ist die in 1 dargestellte Kleinstabmessung). Wie oben beschrieben beträgt der bevorzugte Abstand nicht weniger als das Doppelte der kleinsten Abmessung der nächsten Tunnelöffnung.
Ein Injektor 26 mit laminarem Gasstrom ist auch innerhalb des Tunnels in der Nachbarschaft des Tunneldachs angeordnet. Laminarer Strom bezieht sich dabei auf einen Strom, der sanft beschaffen ist und nur wenig oder keine Turbulenzen aufweist. Der laminare Injektor 26 kann durch jede bekannte Technik zum Erzeugen eines laminaren Stroms aufgebaut werden. Eine derartige Technik besteht in der Einleitung von Gas durch einen porösen Zylinder. Der Zylinder kann dabei jeden gebräuchlichen Durchmesser aufweisen.
Der laminare Injektor 26 kann irgendwo innerhalb des Tunnels angeordnet sein. Er kann eine Tunneleintritts- oder Tunnelaustrittsöffnung im Querschnitt überspannen. Der laminare Injektor ist vorzugsweise nahe der Tunnelaustrittsöffnung angeordnet. Die Gaskonzentration mit höchster Reinheit ist nahe der Tunnelaustrittsöffnung erforderlich, wo die Sauerstoffkonzentration innerhalb eines austretenden Behälters 12 am niedrigsten ausfällt, das heißt, dass der größte Anteil an Luft bereits aus einem austretenden Behälter ausgespült worden ist. In dem in den 1 und 2 dargestellten Tunnel ist ein einziger laminarer Injektor 26 in Richtung der Tunnellänge nahe des Tunnelaustritts 16 angeordnet. Der Abstand des Endes des laminaren Injektors 26 von der nächsten benachbarten Tunnelöffnung beträgt vorzugsweise mindestens die Hälfte der kleinsten Abmessung dieser am nächsten liegenden Tunnelöffnung. Die Länge des laminaren Injektors beträgt vorzugsweise das Doppelte der Höhe der Tunnelaustrittsöffnung 16.
Die gesamte Spülgasstromrate zum Spülen des Tunnels 10 ist gleich zu der Summe des laminaren Stroms plus den turbulent strömenden Gasen. Der laminare Strom beträgt typischerweise etwa 90% des gesamten Stroms und der turbulente Strom beträgt typischerweise etwa 10%.
Die minimale gesamte Spülgasstromrate für den Tunnel ist diejenige, die notwendig ist, um ein Eindringen von Luft durch die Tunneleintritts- und Tunnelaustrittsöffnungen 14 bzw. 16 zu verhindern. Diese Rate wird am einfachsten mittels Überwachen des Sauerstoffpegels nahe dem Tunneleintritt und -austritt bestimmt, während die laminare Stromrate variiert und die turbulente Stromrate auf Null gesetzt wird.
Zur Demonstration der Erfindung wurde ein Tunnel mit Eintritts- und Austrittsöffnungen, die 10,2 cm (4'') breit, 17,8 cm (7'') hoch und 2,41 m (95'') lang waren, mittels bei Raumtemperatur vorliegendem Stickstoff durch einen laminaren Injektor ausgespült. Der turbulente Spülgasstrom betrug Null. Der laminare Spülgasstrom wurde entlang der Tunnellänge gleichförmig injiziert. Die Strömung war an jeder Öffnung in etwa die Gleiche. Die an den Eintritts- und Austrittsöffnungen des Tunnels gemessenen Sauerstoffpegel in Bezug zu der laminaren Spülgasstromrate sind in der nachstehenden Tabelle I angegeben.
Tabelle I
Ein Minimum von 42,5 m³/h (1500 ft³/h (cfh)) von dem laminaren Strom war an jeder Öffnung erforderlich, um ein Eindringen von Luft zu vermeiden, so dass der Tunnelsauerstoffgehalt weniger als 1% betrug. Die gesamte minimale Spülgasstromrate beträgt daher in diesem Beispiel 85 m³/h (3000 cfh).
Der gesamte zu der Eintrittsöffnung hin gerichtete laminare Spülgasstrom muss gegebenenfalls größer als die minimale Rate sein, um den Sauerstoffgehalt der von den Behältern mitgetragenen Luft zu verdünnen. Der zum Verdünnen der eintretenden Luft notwendige Strom auf einen gegebenen Pegel ist durch die folgende Gleichung gegeben:
Der Eintrittsstrom ist der gesamte aus der Eintrittsöffnung des Tunnels austretende Spülgasstrom, C ist die prozentuale Sauerstoffkonzentration in Luft, z. B. 20,9 Vol.%, O₂ ist der erwünschte Sauerstoffpegel am Eintritt, und Dosenluftdurchfluss ist die von den Behältern in den Tunnel mitgeführte Luftstromrate. Es ist erwünscht, dass die Sauerstoffkonzentration am Eintritt in den Tunnel weniger als C, vorzugsweise weniger als 10% und am bevorzugtesten weniger als 2% betragen sollte.
In dem oben angeführten Beispiel für einen Tunnel sind 277 m³/h (8000 cfh) an N₂ für die Tunneleintrittsöffnung erforderlich, um die von den in Behältern mitgeführte eintretende Luft auf 2% zu verdünnen, wenn 600 Behälter pro Minute in den Tunnel eintreten und jeder Behälter 7,1 dm³ (0,25 ft³) Luft enthält. Der gesamte für den Tunnel notwendige Spülgasstrom nimmt dann Werte von 269 m³/h (9500 cfh) oder 227 m³/h (8000 cfh) für den Eintritt plus 42,5 m³/h (1500 cfh) für den Austritt an.
Es ist bevorzugt, in dem turbo-laminaren Strömungstunnel über eine aktive Strömungsausrichtung zu verfügen, um sicherzustellen, dass die geeignete Strömungsmenge zu jeder Tunnelöffnung geführt wird.
Hierfür sind verschiedene bekannte Techniken zur Strömungsausrichtung geeignet. Ein bevorzugtes Verfahren ist in US-A-4 920 998, Method und Apparatus for Controlling Flow Bias in a Multiple Zone Process, Deitrick, et al., beschrieben, auf die vorliegend Bezug genommen wird. Bei diesem Verfahren wird die einseitige Ausrichtung gemessen, indem ein Spürgas in den zu einer bestimmten Tunnelöffnung hin geführten Strom eingeleitet wird. Die Stromrate zu der Öffnung hin wird aus der Konzentration des Spürgases stromab der Injektionsstelle entsprechend der folgenden Gleichung bestimmt:
wobei die Öffnungsströmung die zu einer gegebenen Tunnelöffnung hin geführte Spülgasstromrate ist, Spürgas% ist die als% ausgedrückte Konzentration des Spürgases, und Spürgasdurchfluss ist die Stromrate des Spürgases.
Die zu einer gegebenen Tunnelöffnung hin gerichtete Stromrate kann gesteuert werden, indem ein Richtungsstrahl an Spülgas zu der Öffnung hin oder weg von dieser gesteuert wird, um eine erwünschte Spürgaskonzentration aufrechtzuerhalten. Ein derartiger Richtungsgasstrahl 38 ist in 1 nahe der Mitte des Tunnels dargestellt. Er wird vorzugsweise von einer separaten Gasquelle gesteuert, damit seine Stromrate gesteuert werden kann.
Es wurde ermittelt, dass ein bevorzugtes Verfahren zur Steuerung der Strömungsausrichtung in einem Spültunnel, in welchem signifikante Luftmengen von den Behältern mitgeführt werden, darin besteht, den Sauerstoffpegel sowohl am Tunneleintritt wie am Tunnelaustritt zu überwachen. Der Richtungsstrahl 38 wird durch den gemessenen Sauerstoffpegelunterschied zwischen den Eintritts- und Austrittsauslesewerten gesteuert. Fällt der Unterschied zu hoch aus, besteht ein unzureichender Spülgasstrom zum Eintritt hin, und die Gasströmungsausrichtung zum Eintritt hin wird erhöht, indem der Strom von der Düse 38 zum Eintritt hin geführt wird. Ist der Unterschied zu niedrig, liegt ein überschüssiger Strom zum Eintritt hin vor, und die einseitige Ausrichtung zum Eintritt hin wird abgesenkt, indem der Spülgasstrom aus dem Strahl 38 zum Tunnelaustritt hin ausgerichtet bzw. der zum Eintritt hin ausgerichtete Gasstrom reduziert wird. Im allgemeinen ist eine höhere Strömungsausrichtung zu dem Eintritt als zu dem Austritt hin notwendig, da die eintretenden Behälter eine signifikante Sauerstoffmenge mit sich führen und die Bewegung der Behälter dazu tendiert, die Strömung zu dem Austritt hin einseitig auszurichten. Das beschriebene System spricht in geeigneter Weise auf den extremen Fall an, wenn signifikante Luftmengen in die Austrittsöffnung eintreten und zum Eintritt strömen. Der Sauerstoffpegel am Austritt wird hier wesentlich größer als der Sauerstoffpegel am Eintritt sein, und die einseitige Ausrichtung zum Eintritt hin wird auf geeignete Weise abgesenkt. Dieses Verfahren kann auch in Verarbeitungssystemen angewendet werden, die nicht die turbo-laminare Spülung dieser Erfindung verwenden.
Darüber hinaus wurde ermittelt, dass ein weiteres Verfahren zur Steuerung des gesamten Stroms zu jedem ausgespülten Tunnel, in welchem signifikante Luftmengen von den Behältern mitgeführt werden, darin besteht, den Sauerstoffpegel sowohl am Tunneleintritt wie am Tunnelaustritt zu überwachen. Die laminare Strömung zu dem Tunnel wird durch die Summe des Sauerstoffpegels am Eintritt und am Austritt gesteuert. Fällt die Summe zu hoch aus, liegt eine inadäquate gesamte Strömung vor, und die laminare Strömung wird erhöht. Ist die Summe zu niedrig, liegt eine überschüssige Strömung vor und die gesamte Strömung wird abgesenkt.
Ein bevorzugtes Steuersystem kombiniert die Strömungsausrichtung und die Gesamtströmungssteuerung wie oben beschrieben. Dieses Steuersystem kann auch in Verarbeitungssystemen verwendet werden, die nicht die turbo-laminare Spülung dieser Erfindung verwenden.
Die Turbulenzströmung sollte ausreichend hoch ausfallen, um die Luft aus den auszuspülenden Behältern während der Zeit auszuspülen, in der sich die Behälter in dem Tunnel befinden. Eine zu geringe turbulente Spülgasstromrate ergibt eine inadäquate Behälterspülung, während eine zu hohe turbulente Stromrate ein Eindringen von Luft in die Tunnelöffnungen oder Produktstörungen bewirkt.
Zur Bestimmung der Turbulenzströmungsparameter wurde der oben genannte Spültunnel mit 10,2 cm (4'') breiten, 17,8 cm (7'') hohen und 2,41 m (95'') langen Öffnungen verwendet. Ein poröser laminarer Metallinjektor wurde entlang der gesamten Tunnellänge in der Nähe des Tunneldachs angeordnet. Gleichfalls wurde ein Turbulenzinjektor in zwei Abschnitten, die jeweils 85,1 cm (33,5'') lang und an den jeweiligen Tunnelenden angeordnet waren, entlang der Tunnellänge installiert. Jeder Abschnitt verfügte über eine einzelne Reihe an Löchern mit einem Durchmesser von 0,8 mm (1/32'') und einem Lochabstand von 13 mm (1/2''). Zwischen jeder Tunnelöffnung und dem nächsten Loch in einem Turbulenzinjektorabschnitt lag ein Abstand von 35,6 cm (14'') vor. Dies war das 3,5-Fache der minimalen Abmessung der kleinsten Abmessung der Öffnung mit einer Breite von 10,2 cm (4''). Sowohl für den turbulent wie für den laminar strömenden Spülstrom wurde hochreiner Stickstoff (<10 PPM O₂) verwendet.
Zylindrisch geformte Konservenbüchsen mit Kartoffelchips mit einem Durchmesser von 7,6 cm (3'') und einer Höhe von 7,6, 10,2, 12,7 oder 15,2 cm (3, 4, 5 oder 6''), wurden durch den Tunnel geleitet. Die Verweildauer (gesamter Durchlauf jeder Büchse durch den Tunnel) betrug 10 Sekunden. Nachdem die Konservenbüchsen den Tunnel durchlaufen hatten, wurden sie verschlossen und es wurde der Restsauerstoff in den Konservenbüchsen gemessen. Bezüglich dieser Anwendung war es erwünscht, den Sauerstoffgehalt in den Behältern auf 1,5% oder weniger zu reduzieren. Die Ergebnisse sind in der Tabelle II aufgeführt.
Tabelle II
Bei Nichtvorhandensein einer Turbulenzströmung, und selbst in dem Fall, wenn der laminare Spülgasstrom in einer Höhe von bis zu etwa 396 m³/h (14000 cfh) vorliegt, können die größeren Behälter nicht adäquat ausgespült werden. Beträgt der turbulente Gasstrom jedoch 17 m³/h (600 cfh), sind nur etwa 102 m³/h (3600 cfh) des gesamten Spülgasstroms erforderlich, um den Sauerstoffpegel in allen Behältern auf weniger als 1,5% abzusenken. Überraschenderweise vollzog sich sogar das Ausspülen für die größeren Behälter effizienter als für die kleineren Behälter. Eine höhere Turbulenzströmung ist bei einer kürzeren Verweildauer der Konservenbüchsen im Tunnel notwendig. Ebenfalls wäre eine größere Turbulenzströmung notwendig, wenn die Turbulenzinjektorlöcher größer wären oder zahlreicher vorlagen.
Es muss mindestens eine ausreichend hohe laminare Strömung vorliegen, um ein Eindringen von Luft in den Tunneleintritt und -austritt zu vermeiden, wenn keine Turbulenzströmung besteht und um die von den Behältern mitgeführte Luft zu verdünnen. Höhere Pegel an laminarem Spülgasstrom können bei der Verwendung von hoch turbulenten Stromraten erforderlich sein. Hoch turbulente Stromraten bewirken trotz ihres Abstandes von den Tunnelöffnungen ein Eindringen von etwas Luft in diese Öffnungen. Die für ein Vermeiden des Lufteindringens notwendige Gesamtmenge an laminarem Durchfluss ist dann proportional zur Turbulenzströmung.
Das notwendige Verhältnis von laminarer zu turbulenter Strömung wird für eine bestimmte Anwendung durch Experimentieren im Betrieb bestimmt. Hohe Verhältnisse sind erforderlich, wenn der Turbulenzinjektor kleine oder wenige Löcher aufweist. Die Gesamtmenge an notwendigem laminarem Durchfluss ist jedoch von der Größe oder der Anzahl der Turbulenzinjektorlöcher unabhängig. Das durch kleine Turbulenzinjektorlöcher bewirkte erhöhte Verhältnis wird durch das kleinere Turbulenzströmungsvolumen aufgrund der kleinen Löcher ausgeglichen.
Sowohl das Verhältnis von laminarem zu turbulentem Spülgasstrom wie die Gesamtmenge an laminarem Durchfluss erhöhen sich, wenn der Turbulenzinjektor näher zu einer gegebenen Tunnelöffnung bewegt wird. Bei einer höheren turbulenten Stromrate sollten die Turbulenzinjektorlöcher weiter entfernt von der benachbarten Tunnelöffnung angeordnet werden.
In dem in der Tabelle II dargestellten Tunnel wurden die laminaren und turbulenten Strömungen variiert. Die Sauerstoffpegel wurden am Tunneleintritt und -austritt gemessen. Die nachstehende Tabelle III gibt die Ergebnisse wieder. Es befanden sich keine Behälter im Tunnel.
Tabelle III
Es war ein Verhältnis von laminarer zu turbulenter Strömung von mindestens 6 : 1 erforderlich, um Sauerstoffpegel von weniger als 2% für diesen Tunnel- und Turbulenzinjektorentwurf aufrechtzuerhalten.
Das Konzept des turbo-laminaren Spülgasstroms kann dazu verwendet werden, die Luft aus den Abständen zwischen benachbarten Produkten in einem Fließband auszuspülen, bevor diese in einer Verpackungsmaschine wie z. B. einer in waagrechter Form befüllenden Versiegelungsmaschine einzeln umhüllt werden. Dies erweist dort als besonders vorteilhaft, wo die Umhüllung fest um das Produkt herum anliegt. In bestehenden Systemen wird die zwischen dem Produkt vorliegende Luft ausgespült, indem turbulent strömendes Spülgas zwischen den Verpackungsfilm und das Produkt injiziert wird. Bei einer eng anliegenden Umhüllung besteht jedoch keine Platz für den turbulent strömenden Gasinjektor. Eine in waagrechter Form befüllende Versiegelungsmaschine umhüllt das Produkt mit Verpackungsfilm, versiegelt den Film um das Produkt und versiegelt anschließend die Filmenden und schneidet diese ab, um einzelne Verpackungen zu erzeugen.
In der 3 ist in diagrammartiger Form eine in waagrechter Form befüllende Verpackungsmaschine 40 und ein Spültunnel 41 dargestellt, der eine turbo-laminare Gasspülung verwendet. Verpackungen 32, die von einem von einer Rolle stammendem Film 42 umhüllt werden sollen, werden in einen Eintritt 43 des einen Turbulenzinjektor und einen laminaren Injektor aufweisenden Spültunnels 41 eingespeist. Der Spültunnel 41 entfernt jegliche von dem Produkt mitgeführte Luft. Die Produkte 32 verlassen den Tunnel und werden durch den Verpackungsfilm umhüllt, um umhüllte Produkte 45 auszubilden.
Zusätzliches Spülgas kann zwischen das Produkt und den Film 42 injiziert werden, wenn Platz für einen Gasinjektor wie z. B. einen Injektor 44 besteht, wobei dieser am Tunnelaustritt entweder vom turbulenten oder vom laminaren Strömungstyp ist. Beispielsweise kann ein laminarer Gasstrom durch einen für den Injektor 44 verwendeten porösen Zylinder bewirkt werden. Ein Injektor dieses Typs weist den Vorteil eines reduzierten Schräglaufens oder Hin- und Herflatterns des Films auf. Dies ermöglicht ein glätteres Verpacken des Films und eine Reduzierung von Taschen aus zwischen dem Film und den Verpackungen eingefangenem Gas sowie reduzierte Kräuselungen in dem verpackten Film und eine Durchführung von Anwendungen unabhängig von dem vorhandenen Spültunnel, d. h. dass Anwendungen sogar in konventionellen Tunneln möglich sind, in welchen derartige Filme verwendet werden.
Das turbo-laminare Konzept kann für eine Gasinjektion in das Wickelrohr einer Vertikalform-Befüllungs-Versiegelungsmaschine verwendet werden. Eine Vertikalform-Befüllungs-Versiegelungsmaschine fällt mit der Ausnahme ähnlich wie eine Horizontalform-Befiillungs-Versiegelungsmaschine aus, dass ein Massenprodukt wie z. B. Kartoffelchips durch ein senkrechtes Herabfallen zugeführt wird. In dieser Ausführungsform weist die Form-Befüllungs-Versiegelungsmaschine die Verarbeitungszone auf und die Verweildauer ist derjenige Zeitraum, den das Massenprodukt für den Durchlauf durch diese Verarbeitungszone benötigt. Wie in der 4 dargestellt weist eine derartige Maschine ein normalerweise zylindrisches Wickelrohr 52 auf, das der Verpackungsfilm 46 bei der Ausformung in eine Tasche umwickelt. Das Produkt wird in die Oberseite eines Rohrs 52 in eine offene Verpackung fallen gelassen, die von dem zu umhüllendem Film ausgebildet wird. Innerhalb des Wickelrohrs 52 befindet sich ein Turbulenzinjektor 54, der Spülgas entlang der Länge der Verarbeitungszone, d. h. des Wickelrohrs 52 injiziert. Ein innerhalb des Wickelrohrs angeordneter laminarer Injektor 56 injiziert Spülgas nahe der Unterseite des Wickelrohrs 52. Gleichfalls kann hier für den laminaren Durchflussinjektor ein Prozesszylinder verwendet werden. Dies gestattet die Verwendung eines hohen Gasstroms, ohne dass durch den senkrechten Tunnel fallende leichtgewichtige Produkte angehoben werden, d. h. dass sie zu der Oberseite des Tunnels hochgeblasen werden. Nachdem das Produkt auf die Unterseite des Wickelrohrs 52 gefallen ist, wird das versiegelte Produkt 47 ausgebildet, der Film wird herunter gezogen und es wird eine Versiegelung erstellt, z. B. durch eine Heiß- oder Ultraschall-Siegelung, um die Oberseite der Verpackung auszubilden. Ebenfalls bildet die Siegelung die Unterseite der nächsten Verpackung aus.
Sowohl die turbo-laminare Spülung wie die nur laminate Spülung sind für Verpackungsmaschinen vorteilhaft, die Produkte senkrecht in entweder steife oder flexible offene Behälter verbringen. Senkrechte Befüllungsmaschinen lassen das Produkt durch ein Befüllungsrohr in einen offenen Behälter herabfallen. Dann wird der Behälter waagrecht zu einer Versiegelungsstation weiterbewegt. Die Befüllungs- und Versiegelungsstation kann sich in einem Tunnel wie z. B. dem Tunnel 69 befinden, aber sie muss nicht in einem Tunnel vorhanden sein. Die 5 zeigt eine senkrechte Befüllungsmaschine für ein Massenprodukt 60 wie z. B. Erdnüsse, Süßigkeiten usw., das durch ein Befüllungsrohr 62 in einen offenen Behälter 64 unterhalb des Rohraustritts 66 abgegeben wird.
Gas wird laminar in das Einsatzrohr 60 mittels eines Injektors 68 injiziert, der entlang der Länge des Einsatzrohrs 60 näher an dessen Eintrittsende 67 angeordnet ist, um ein Eindringen von Luft in das Rohr 62 zu verhindern. Die Kombination der Verwendung einer laminaren Gasspülströmung in das Einsatzrohr und die Durchleitung des Produkts durch einen Spültunnel ist einer alleinigen Spülung des Tunnels überlegen. Der laminare Spülinjektor 68 innerhalb des Einsatzrohrs 62 ist vorzugsweise ein ringförmiger Kranz aus porösem Metall. Der Kranz ist etwas größer als das Einsatzrohr, um das Produkt daran zu hindern, bei dessen Herabfallen an das poröse Metall anzuschlagen.
Ein in dem Befüllungsrohr 62 angeordneter turbulent strömender Spülinjektor 70 weist einen Auslassstrahl auf, der direkt in die offene Verpackung 64 gerichtet ist. In dieser Ausführungsform weist die Verarbeitungszone das Befüllungsrohr und die Befüllungsstation auf, und die Verweildauer ist derjenige Zeitraum, indem der Behälter die Befüllungsstation durchquert. Die Kombination aus einer laminaren Spülung 68 innerhalb des Rohrs und einer turbulenten Spülung 70 am Auslass gemäß der Darstellung in der 5 erwies sich in einer Testanwendung als effizient, und bei welcher das Massenprodukt 60 getrocknete Früchte waren und die Verpackung 64 flexibel war. Die Erfindung wird mit zwei unterschiedlichen Spülgasen angewendet, wobei ein Spülgas über eine größere Dichte oder ein spezifisches Gewicht verfügt, d. h. dass es schwerer als das andere Spülgas ist. Wenn ein schweres Gas (z. B. Argon) laminar über ein turbulentes leichtes Gas (z. B. N₂) injiziert wurde, konnten in dem Behälter 64 niedrigere Sauerstoffpegel erreicht werden als in dem Fall, wenn entweder nur Argon oder nur N₂ für sowohl das laminare wie das turbulente Gas verwendet wurden. Der Nutzen der Schichtenbildung der zwei Spülgase mit unterschiedlicher Dichte wurde ebenfalls beobachtet, wenn ein leichtes Gas (N₂) laminar unterhalb eines laminaren schweren Gases injiziert wurde. Die Erfindung verwendet eine laminare Injektion für das schwere Gas und eine turbulente Injektion für das leichte Gas.
Die 6 stellt ein die Erfordernis beseitigendes System dar, dass sich die ausgespülten Behälter bei ihrem Durchlauf von einer Befüllungsstation zu der Versiegelungsstation in einem Tunnel befinden müssen. In der in der 6 dargestellten Anordnung wird ein Cremeprodukt 71 (z. B. Haarcreme) in einer Befüllungsstation durch jede geeignete (nicht dargestellte) Vorrichtung in einen offenen Behälter 72 (ähnlich einer Zahnpastatube) verbracht. Dann wird der Behälter 72 zu einer Spülstation 73 weiterbewegt, in der die in dem Behälterkopfraum über dem Cremeprodukt verbleibende Luft durch eine von einem Injektor 74 bereitgestellte turbulente Spülung beim Durchlaufen durch die Spülstation ausgespült wird. Dann wird der Behälter zu einer Versiegelungsstation weiterbewegt, wo das Ende durch jede geeignete (nicht dargestellte) Vorrichtung pressverschlossen wird. In dieser Ausführungsform weist die Verarbeitungszone die Spülstation auf und die Verweildauer ist derjenige Zeitraum, den der Behälter zum Durchqueren der Spülstation benötigt.
Der Kopfraum des Produktbehälters 72 wird vor einem Eindringen von Luft geschützt, wenn er in der Station 73 durch eine laminare Spülung mit Gas ausgespült wird, welches von einer Quellenleitung 76 bereitgestellt ist und in die Spülstation 73 strömt. Inertgas wird in ein Plenum 78 in der Spülstation eingeleitet und durch eine Platte aus porösem Metall 77 gleichförmig als ein laminarer Strom verteilt. Die poröse Metallplatte 77 ist vorzugsweise breiter als die offenen Behälter, aber sie kann auch eine Breite bis zur Hälfte der Breite der offenen Behälter aufweisen.
Sowohl der laminare Durchfluss wie der turbulente Strom sind notwendig. Bekannte Systeme verwenden eine von der Auffüllstation zur Verschließstation verlaufende turbulente Gasströmung, um den Kopfraum des Produktbehälters zu schützen. Die Turbulenzströmung wurde erzeugt, indem Gas durch eine Reihe von Löchern geströmt wurde, die in eine feste Metallplatte an der Unterseite des Plenums gebohrt waren. Bekannte Systeme verwenden an der Spülstation ebenfalls keine Turbulenzspülung, und mit konventionellen bekannten Systemen wurden Sauerstoffpegel von 10% bewerkstelligt. Für eine Befüllungsstation mit der turbo-laminaren Spülung dieser Erfindung sind Sauerstoffpegel in einer Höhe von weniger als 2% selbst in dem Fall erreichbar, wenn kein umschlossener Tunnel verwendet wird.
Spezifische Merkmale der Erfindung sind in einer oder mehreren Zeichnungen) nur einer besseren Annehmlichkeit halber dargestellt, da jedes Merkmal mit weiteren Merkmalen gemäß der Erfindung kombiniert werden kann. Für den Fachmann versteht sich, dass alternative Ausführungsformen vorliegen und dass beabsichtigt ist, dass diese in den Rahmen der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Spülen von Luft aus einem Behälter, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) ein Behälter, der einen offenen Bereich aufweist, während einer Verweildauer durch eine Verarbeitungszone geführt wird; (B) ein laminarer Spülgasstrom durch die Verarbeitungszone geleitet wird, während sich der Behälter in der Verarbeitungszone befindet; (C) ein turbulenter Spülgasstrom in die Verarbeitungszone injiziert wird; und (D) der offene Bereich des Behälters dem turbulenten Spülgasstrom in der Verarbeitungszone für mindestens 50% der Verweildauer ausgesetzt wird, wobei das Spülgas, welches laminar strömt, schwerer ist als das Spülgas, welches turbulent strömt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Verarbeitungszone einen Tunnel umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Sauerstoffkonzentration an dem Eintritt und dem Austritt des Tunnels gemessen und der Gasstrom in Abhängigkeit von der Differenz der beiden gemessenen Sauerstoffkonzentrationen gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Spülgas, welches laminar strömt, Argon aufweist, während das turbulent strömende Spülgas Stickstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das laminar strömende Spülgas und das turbulent strömende Spülgas zwei in Schichten angeordnete Gaslagen innerhalb der Verarbeitungszone bilden.
Vorrichtung zum Spülen von Luft aus einem Behälter mit: (A) einer Verarbeitungszone mit einer Eintrittsstelle und einer Austrittsstelle; (B) einer Anordnung zum Durchführen eines Behälters, der einen offenen Bereich umfaßt, während einer Verweildauer durch die Verarbeitungszone von der Eintrittsstelle zu der Austrittsstelle; (C) einer Anordnung zum Bereitstellen eines laminaren Spülgasstroms durch die Verarbeitungszone; und (D) einer Anordnung zum Injizieren eines turbulenten Spülgasstromes in die Verarbeitungszone, so daß der offene Bereich des Behälters dem turbulenten Spülgasstrom in der Verarbeitungszone für mindestens 50% der Verweildauer ausgesetzt ist, wobei das Spülgas, welches laminar strömt, schwerer ist als das Spülgas, welches turbulent strömt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Verarbeitungszone einen Tunnel aufweist.