JP2013522086A - 改良型の共射出成形 - Google Patents

Abstract

本発明は、射出成形における進歩、特に、複雑で非対称である表面形状の物品を共射出成形するための方法および装置に関する。この方法は、第１の材料の外側外皮と、外側外皮によって包封された第２の材料の中央コアとを備える多層の射出成形品を形成する。第１および第２の材料は、単一のストリームで射出型の空洞内に射出され、このとき第２の材料は第１の材料内に包み込まれている。ストリームの流れは、型空洞内の流路によって、第１および第２の材料の両方が型空洞の少なくとも１つの第１の領域内に存在し、第１の材料だけが型空洞の少なくとも１つの第２の領域内に存在するように制御される。流路は、第１の型空洞領域内に、少なくとも２つの二次流路に分かれる少なくとも１つの一次流路を含む。少なくとも１つの第１の型空洞領域内の二次流路の第１の流路の抵抗は、少なくとも第２の型空洞領域内にある２つの二次流路の第２の流路のものに対して低減される。

Description

本発明は、改良型の射出成形に関し、詳細には複雑な表面形状の物品を共射出成形するための方法および装置に関する。

飲料調製原料を個別の空気不浸透性パッケージ内に密封することが以前から提案されている。たとえば、一般には「エスプレッソ」機械と呼ばれる特定のコーヒー調製機械で使用するための、挽きコーヒーを含有するカートリッジまたはカプセルなどが知られている。これらの調製機械を用いるコーヒーの生成では、コーヒーカートリッジが抽出室内に置かれ、高温水が比較的高い圧力でカートリッジを通過し、それによって挽きコーヒーから香りの良いコーヒー成分が引き出されてコーヒー飲料が生成される。

特許文献１では、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエステルまたはこれらの材料の２つまたはそれ以上の積層体から形成されたカートリッジが、説明されている。カートリッジは、その中に水を導入するための入口と、前記飲料原料から生成された飲料のための出口とを有する。カートリッジは、外側部材と、外側部材に挿入された内側部材と、飲料の噴出を生成するために入口を出口に連結する飲料流路内の開口とを備える。カートリッジは飲料の噴出を生成し、この噴出は、たとえば飲料の噴出内に空気を取り込んで、分配された飲料内に大量の小さい空気泡を生成することによって、分配された飲料の外観および特性を変更するために使用することができる。

特にコーヒーなどの多くの飲料原料の品質は、空気にさらされたとき、たとえば脂肪酸の酸化および飲料の風味に寄与する揮発性油の蒸発によって劣化が始まる。このため、コーヒーの風味の劣化現象が引き起こされる。したがって、飲料原料の品質を維持し、カートリッジに合理的な保存期間与えるために、空気および水分の浸入を防止することが重要である。そのため、カートリッジの製造で使用される材料は、一般的には、これらを空気透過から保護するために液体に対して不浸透性であるが、そのようなカートリッジは、しばしば、プラスチック包装紙または金属ホイルなどのガス不浸透性の二次パッケージング内にパッケージ化される。そのようなパッケージングに使用される適切な材料は、たとえばポリアミドでコーティングされたセルロース膜、エチレン−ビニルアルコールポリマー（ＥＶＯＨ）または他のビニルアルコールポリマー（ＰＶＯＨ）である。

しかし、二次パッケージングの使用は、一度開封されると、カートリッジは、製品の劣化現象を引き起こす空気の浸入を受けやすいという欠点を有する。加えて、破棄される必要がある無駄な製品を低減し、パッケージングコストを低減するという両方の点から、使用されるパッケージング量を低減することが極めて望ましい。さらに、各々のカートリッジを別個に包装することはコスト効果が良くなく、または環境に優しくない。

特に食料品向けの、ガスおよび水不浸透性である多くの従来技術の容器およびパッケージが存在している。たとえば特許文献２は、ポリプロピレンおよびエチレン−ビニルアルコールポリマー、ポリスチレンおよびエチレン−ビニルアルコールポリマー、ポリエチレン、ならびにポリスチレンなどの多層樹脂シートから形成された、流動食に使用されるパッケージング容器を説明している。このシートは、共押出し成形によって形成され、または別個に形成されたスリーブまたは発泡ポリプロピレンもしくは樹脂シートよりも大きい剛性を有する別の材料に結合される円筒状容器になるように変形されるインフレーションフィルム成形によって形成される。

特許文献３で説明されているように、たとえば、ポリプロピレンおよびエチレン−ビニルアルコールポリマーの複合シートを事前形成し、食品をそのシート内に包装し、ヒートシールすることができる。

上記で説明したパッケージング材料は、その複雑な形状により、上記で説明したカートリッジ内に含有された飲料原料を保護するには極めて適しているが、カートリッジの構成要素部分の形成は、これらの材料をどのように使用できるかに関して限定を加える。上述したカートリッジは、シート材料から形成された部分では可能ではないさまざまな特徴を組み込むように設計される。

したがって、特許文献１で説明されているカートリッジの現在の一般的な構造を保持しながら、これらを実質的にガスおよび水不浸透性にすることが望ましい。

そのようなカートリッジは、好都合には、幅広い種類の用途のプラスチック品および構成要素を製造するのに使用される最も一般的な方法の１つである射出成形プロセスによって形成される。工具類は費用がかかるが、部品当たりのコストは低く、このプロセスは、高い耐性を求める部品を正確に大量に生産するのに特に適している。

カートリッジの外側部材が、その形状を維持し、使用時に変形しないように十分な強度および剛性を有し、射出成形することができるためには、ポリプロピレン、ポリエチレン、またはポリスチレンなどの適切なポリマーを使用することが必要である。しかし、これらの材料は液体に対して不浸透性であるが、ガスに対する不浸透性は十分でなく、エチレン−ビニルアルコール（ＥＶＯＨ）ポリマーなどのガス不浸透障壁層を含むことが望ましい。

異なる材料の多層積層体を、熱成形および他のプロセスを用いて形成することが可能であるが、その選択肢は、これまで射出成形によって幾分限定されてきた。共射出成形は、ポリマーなどの２つの異なる材料が、射出成形中に層構造になるように形成されるプロセスである。これによって、外皮および内側コアのサンドイッチ構造が作り出される。しかし、最近まで、使用されるポリマーは、同じ温度で溶融し互いに結合する限りにおいて、適合性でなければならなかった。層が結合されない場合、サンドイッチは剥離しやすく、すなわち層は、収縮差により物理的に分離する。

しかし、共射出技術の最近の進歩により、コアおよび内側／外側層で使用される材料が異なる、内側層および外側層によって封入されたコアからなるサンドイッチを用いて、多層ポリマー品を成形することが可能になってきている。これは、コアをＥＶＯＨなどのガス不浸透性材料から形成することができ、一方で内側／外側層を、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのよりコスト効果が高い材料から形成することができることを意味している。多層ポリマー品を共射出成形する方法が、特許文献４に説明されている。

射出成形の欠点の１つは、型を適正に充填できること、完成品を抜き出すことができること、ならびに歪み、応力不全、および割れなどの無数の他の問題が回避されることを確実にするように、成形される部分（したがって射出型それ自体）が、慎重に設計されなければならないことである。これは、これらのカートリッジの構成要素部分に必要とされるような複雑な表面形状、および剛性だけでなく不浸透性に対する要求事項を有する物品では、これまで達成することができなかった。

しかし、カートリッジ構成要素部分の設計の複雑性は、一般にはカップおよびタブなどの簡単な軸方向に対称な形状を有する製造品に対してのみ現在は使用されている、共射出成形にさらに大きな課題をもたらす。より複雑な物品の構造、たとえば非対称であり、前述のカートリッジ構成要素部分のようにリブおよび断面変化を有するものは、射出プロセス中、プラスチックの流れに乱流を引き起こし、連続的なコア層を維持するのに必要とされる層流を妨害する。その結果、コア層の均一性を損なう不制御の層構造が生じる。したがって、その結果生じた成形品は、意図されたように機能するように信頼され得ない構造および層厚さを有し、これは、コア層が障壁層または一様な色付け層になるように意図されている場合は特に欠点となる。これはまた、共射出された部分の面に対して封止するときにも問題を引き起こし得る。内側材料が、任意の補助的封止プロセスまたは溶接プロセスの物理的強度がその機能には不十分になるほどその部分の外側に近付く可能性がある。

特許文献５は、型空洞を、その中の流路すべてが実質的に同じ水圧耐性を有するように設計することによって、複雑な形状を有する共射出成型品の問題に対処する。加えて、射出された材料の異なる流れが所定の地点において流体状態で互いに交わるように、射出点が選択され、射出温度、圧力、および流量が制御される。

欧州特許出願公開第１４４０９０３号明細書 米国特許第５，８１９，５０７号明細書 米国特許第６，３８７，４２３号明細書 国際公開第０２／０８１１７２号パンフレット 欧州特許出願公開第０７３５９４３号明細書

本開示の目的は、複雑な形状を有する多層品を共射出成形するための方法および装置をさらに改良することである。

したがって、本開示は、第１の材料の外側外皮と、外側外皮によって包封された第２の材料の中央コアとを備える多層の射出成形品を形成する方法であって、
第１および第２の材料を１つのストリームで射出成形型の空洞内に射出するステップであって、このとき第２の材料は第１の材料内に包み込まれる、ステップと、
第１および第２の材料の両方が型空洞の少なくとも１つの第１の領域内に存在し、第１の材料だけが型空洞の少なくとも１つの第２の領域内に存在するように、型空洞内の流路によってストリームの流れを制御するステップであって、流路が、第１の型空洞領域内に少なくとも１つの一次流路を含み、一次流路は少なくとも２つの二次流路に分かれる、ステップと
を含み、
第１の型空洞領域内の二次流路の第１の流路の抵抗が、第２の型空洞領域内にある２つの二次流路の第２の流路のものに対して低減される、方法を提供する。

好ましくは、第１の材料は、実質的に液体不浸透性である。

好ましくは、第２の材料は、実質的にガス耐性である。

好ましくは、第１および第２の材料は、異なるポリマー材料である。

好ましくは、二次流路の第１の流路の抵抗は、二次流路の以下の要素、すなわち
二次流路の断面積、
二次流路の長さ、
一次流路と、第２の二次流路ではなく第１の二次流路との間の半径、
一次流路と二次流路の一方または両方との間の角度（１つまたは複数）
の１つまたは複数を、互いに対して変化させることによって二次流路の第２の流路のものに対して低減される。

好ましくは、二次流路の１つまたは複数は、再度分かれて別の二次流路を形成する一次流路になる。

好ましくは、一次流路は、複数の二次流路に分かれる。

第２の態様によれば、第１の材料の外側外皮と、外側外皮によって包封された第２の材料の中央コアとを備える多層の射出成形品を形成するための装置であって、
成形品の形状を画定する空洞を有する射出型と、
第１および第２の材料を単一のストリームとして空洞内に共射出する手段であって、このとき第２の材料は第１の材料によって包み込まれる、手段とを備え、
前記型空洞が、第１および第２の材料の両方が型空洞の少なくとも１つの第１の領域内に存在し、第１の材料だけが型空洞の少なくとも１つの第２の領域内に存在するように、材料の流れを制御する流路を備え、
流路が、第１の型空洞領域内に少なくとも１つの一次流路を含み、一次流路は少なくとも２つの二次流路に分かれ、二次流路の一方は、第１の型空洞領域内にあり、第２の型空洞領域内にある二次流路の他方のものに対してより低い抵抗を有する、装置が提供される。

好ましくは、二次流路の第１の流路の抵抗は、二次流路の以下の要素、すなわち
二次流路の断面積、
二次流路の長さ、
一次流路と、第２の二次流路ではなく第１の二次流路との間の半径、
一次流路と二次流路の一方または両方との間の角度（１つまたは複数）
の１つまたは複数を、互いに対して変化させることによって二次流路の第２の流路のものに対して低減される。

好ましくは、二次流路の１つまたは複数は、再度分かれて別の二次流路を形成する一次流路になる。

好ましくは、一次流路は複数の二次流路に分かれる。

本開示はまた、本発明の方法によって形成された外側部材を備え、封止領域において外側部材に対して封止される封止部材を含む、食品または飲料のカートリッジまで拡張する。

したがって、本開示は、これまで可能であったものよりさらに複雑な表面形状の共射出成形の多層品を可能にし、この多層品においては、層の存在が慎重に計画され制御される。

方法は、圧力、温度などの射出プロセスパラメータを制御することによって射出された材料の流れを単一の流れで制御することに集中していた従来技術の方法とは異なる。さらに流れは、異なる水圧抵抗の流路を利用してコアおよび外皮材料の両方をどこに流すか、また外皮材料のみをどこに流すかを決定することによって制御される。

次に、実施形態をほんの一例として添付の図を参照して説明する。

特許文献１で説明されたタイプの従来技術の飲料カートリッジの平面図である。 図１のカートリッジの側部断面図である。 図１のカートリッジの外側部材の側部断面図である。 内向きに向けられた円筒状の延長部を示す、図３の外側部材の詳細の側部断面図である。 長穴を示す図３の外側部材の詳細の側部断面図である。 図３の外側部材の上方からの斜視図である。 逆向きの図３の外側部材の上方からの斜視図である。 図３の外側部材の上方からの平面図である。 カートリッジの内側部材の断面図である。 開口を示す図９の内側部材の詳細の断面図である。 図９の内側部材の上方からの斜視図である。 逆向きの図９の内側部材の上方からの斜視図である。 図９の内側部材の別の断面図である。 空気入口を示す図９の内側部材の別の詳細の断面図である。 カートリッジの別のバージョンの側部断面図である。 図１および２で示したものに類似するカートリッジ用の外側部材の形態である、簡単な共射出成形された本体の側部断面図である。 図１４の成形された本体の製造で使用される共射出プロセスの概略図である。 複雑な構成要素の２つに分けられたセクションへの２つの共射出された材料の層流の分解を示す概略図である。 複雑な構成要素の２つに分けられたセクションへの２つの共射出された材料の層流の分解を示す概略図である。 複雑な構成要素の２つに分けられたセクションへの２つの共射出された材料の層流の分解を示す概略図である。 複雑な構成要素の２つに分けられたセクションへの２つの共射出された材料の層流の分解を示す概略図である。 複雑な構成要素の２つに分けられたセクションへの２つの共射出された材料の制御された流れを示す概略図である。 複雑な構成要素の２つに分けられたセクションへの２つの共射出された材料の制御された流れを示す概略図である。 複雑な構成要素の２つに分けられたセクションへの２つの共射出された材料の制御された流れを示す概略図である。

本開示の方法および装置を使用して飲料調製カートリッジの外側部材を作り出すことにより、カートリッジを実質的にガスおよび液体不浸透性にすることができる。背景として、構成要素部分、特に外側部材の表面形状の複雑性を示すために、従来技術の飲料調製カートリッジを最初に説明する。しかし、これは、複雑な表面形状を有する任意の成形品を形成するために使用することができる１つの用途にすぎないことに留意されたい。

図１から１３に示すように、従来技術の飲料調製カートリッジ１００は、通常、外側部材１０２（成形品）、内側部材１０３、および積層体１０５を備える。外側部材１０２、内側部材１０３、および積層体１０５はカートリッジ１００を形成するように組み立てられ、カートリッジ１００は、１つまたは複数の飲料原料を含有する内部１０６と、入口１０７と、出口１０８と、入口１０７と出口１０８を連結し、内部１０６を通り抜ける飲料流路とを有する。入口１０７および出口１０８は、最初、積層体１０５によって封止され、積層体１０５を穿孔または切断することによって使用時に開封される。飲料流路は、以下で論じるように、外側部材１０２と内側部材１０３と積層体１０５との間の空間上の相互関係によって画定される。任意選択で、以下でさらに説明するように、フィルタ１０４などの他の構成要素がカートリッジ１００内に含まれてよい。

図示するカートリッジ１００は、クレマを生成することが望ましい、焙煎した挽きコーヒーなどのエスプレッソスタイル製品を分配するのに使用するように特に設計される。しかし、ココア、コーヒー、紅茶、甘味料、コーディアル、香味料、アルコール飲料、フレーバーミルク、フルーツジュース、スカッシュ飲料、ソースおよびデザートなどの他の製品で使用されてもよい。

図７から見ることができるように、カートリッジ１００の全体形状は、一般には、円形またはディスク形状のものであり、カートリッジ１００の直径は、その高さよりもかなり大きい。図３に示すように、主要軸Ｘが外側部材の中心を通り抜ける。通常、外側部材１０２の全径は７４．５ｍｍ±６ｍｍであり、全高さは１６ｍｍ±３ｍｍである。通常、組み立てられたときのカートリッジ１００の体積は３０．２ｍｌ±２０％である。

外側部材１０２は、一般に、湾曲した環状壁１１３と、閉じた上部１１１と、開いた底部１１２とを有するボウル形状のシェル１１０を備える。外側部材１０２の直径は、その上部１１１では、底部１１２のところの直径と比べて小さく、それは、閉じた上部１１１から開放底部１１２に進むにつれて環状壁１１３の広がりから生じる。環状壁１１３および閉じた底部１１２は、一緒になって内部１３４を有する容器を画定する。

中空の内向きに向けられた円筒状の延長部１１８が、主要軸Ｘ上に中心揃えされた閉じた上部１１１内に設けられる。図８により明確に示すように、円筒状の延長部１８は、第１、第２、および第３の部分、１１９、１２０および１２１を有する階段状のプロファイルを含む。第１の部分１１９は、直円柱である。第２の部分１２０は、円錐台の形状であり、内向きに先細にされている。第３の部分１２１は、別の直円柱であり、下側の面１３１によって閉じられている。第１、第２の、および第３の部分１１９、１２０および１２１の直径は、円筒状の延長部１１８の直径が、上部１１１から円筒状の延長部１１８の閉じた下側の面１３１に進むにつれて低減するように増分的に低減している。略水平のショルダ１３２が、円筒状の延長部１１８上の、第２の部分１２０と第３の部分１２１の間の接合部に形成される。

外向きに延びるショルダ１３３が、外側部材１０２内に底部１１２に向けて形成される。外向きに延びるショルダ１３３は、環状壁１１３と同軸の二次壁１１５を形成し、その結果、二次壁１１５と環状壁１１３の間にマニホールド１１６を形成する環状トラックを画定する。マニホールド１１６は、外側部材１０２の円周の周りを通る。一揃えの長穴１１７が、環状壁１１３内にマニホールド１１６と同じ高さで設けられ、マニホールド１１６と外側部材１０２の内部１３４との間のガスおよび液体の連通をもたらす。図５に示すように、長穴１１７は、環状壁１１３内に垂直のスリットを含む。２０個から４０個の間の長穴が設けられる。図示する実施形態では、３７個の長穴１１７が、マニホールド１６の円周の周りにほぼ等間隔で離間されて設けられる。長穴１１７は、好ましくは１．４から１．８ｍｍの間の長さである。通常、各長穴１１７の長さは、外側部材１０２の全高さの１０％を表す１．６ｍｍである。各長穴１１７の幅は、０．２５から０．３５ｍｍの間である。通常、各長穴１１７の幅は０．３ｍｍである。長穴１１７の幅は、保管または使用時、飲料原料がそこを通ってマニホールド１１６内に入ることを防止するのに十分な狭さである。

入口室１２６が、外側部材１０２の外周に形成される。図７で最も明確に示すように、円筒状の壁１２７が設けられ、この円筒状の壁は、入口室１２６をその中に画定し、入口室１２６を、外側部材１０２の内部１３４から隔てる。円筒状の壁１２７は、主要軸Ｘに対して垂直な平面上に形成された閉じた上側の面１２８と、外側部材１０２の底部１２と同一平面上にある開放下側端部１２９とを有する。入口室２６は、図３に示すように、２つの長穴１３０を介してマニホールド１１６と連通する。あるいは、１個から４個の間の長穴が、マニホールド１１６と入口室１２６の間で連通させるために使用されてもよい。

外向きに延びるショルダ１３３の下側端部には、主要軸Ｘに対して垂直に延びる、外向きに延びるフランジ１３５が設けられる。通常、フランジ１３５は、２から４ｍｍの間の幅を有する。フランジ１３５の一部分は、外側部材１０２をそれによって保持することができるハンドル１２４を形成するように拡張される。ハンドル１２４には、握りを向上させるために上向きのリム１２５が設けられる。

図９から１３に示すように、内側部材１０３は、環状フレーム１４１と、下向きに延びる円筒状の漏斗体１４０とを備える。主要軸Ｘは、図９に示すように、内部部材１０３の中心を通り抜ける。

図１０および１１に最適に示すように、環状フレーム１４１は、１０個の等間隔で離間された径方向スポーク１５３によって接合された、外側リム１５１および内側ハブ１５２を備える。内側ハブ１５２は、円筒状の漏斗体１４０と一体的であり、そこから延びている。ろ過開口１５５が、環状フレーム１４１内の径方向スポーク１５３間に形成される。フィルタ１０４が、ろ過開口１５５を覆うように環状フレーム１４１上に配設される。フィルタ１０４は、好ましくは、たとえばポリエステルの不織繊維材料などの高い湿潤強度を有する材料から作製される。使用され得る他の材料は、織紙繊維を含むセルロース材料などの水不浸透性のセルロース材料を含む。織紙繊維は、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、および／またはポリエチレンの繊維と混ぜられてよい。これらのプラスチック材料をセルロース材料に組み込みことで、セルロース材料は、ヒートシール可能になる。フィルタ１０４はまた、熱および／または圧力によって活性化される材料で処理またはコーティングされてもよく、それにより、このようにして環状フレーム１４１に封止することができる。

図９の断面プロファイルで示すように、内側ハブ１５２は、外側リム１５１より低い位置に配置され、その結果、環状フレーム１４１は下側に傾斜するプロファイルを有するようになる。

各々のスポーク１５３の上面には、環状フレーム１４１の上方の空隙空間を複数の通路１５７に分ける直立ウエブ１５４が設けられる。各通路１５７は、両側がウエブ１５４によって、下側の面がフィルタ１０４によって結合される。通路１５７は、外側リム１５１から下向きに、ウエブ１５４の内側先端部によって画定される開口部１５６のところの円筒状の漏斗体１４０に向かって延び、かつその中に開口する。

円筒状の漏斗体１４０は、内側の排出口１４３を取り囲む外側チューブ１４２を備える。外側チューブ１４２は、円筒状の漏斗体１４０の外部を形成する。排出口１４３は、環状フランジ１４７によって、排出口１４３の上側端部において外側チューブ１４２に接合される。排出口１４３は、通路１５７の開口部１５６および出口と連通する入口１４５を上側端部に、調製された飲料がそこを通ってカップまたは他の容器内に排出される出口１４４を下側端部に備える。排出口４３のプロファイルは、チューブ１４３の上側端部近くに明確なくの字１６６を有する階段状のプロファイルを含む。

図９に示すように、排出口１４３には、出口１４４から排出口１４３の一部上がったところまで延びるパーティション１６５が設けられる。パーティション１６５は、飲料が排出口１４３を出るときのその噴射および／または飛び散りを防止することを助ける。

リム１６７が、外側チューブ１４２と排出口１４３を接合する環状フランジ１４７から直立に設けられる。リム１６７は、排出口１４３の入口１４５を取り囲み、リム１６７と外側チューブ１４２の上側部分の間に環状チャネル１６９を画定する。リム１６７には、内向きに向けられたショルダ１６８が設けられる。リム１６７の円周の周りの１つの地点には、図９および９ａに最も明確に示すように、リム１６７の上縁からショルダ１６８の高さの僅かに下方の地点まで延びる長穴の形態の開口部１７０が設けられる。長穴は、０．６４ｍｍの幅を有する。

図１６および１６ａに示すように、空気入口１７１が、開口部１７０と円周方向に位置合わせされた環状フランジ１４７内に設けられる。空気入口１７１は、フランジ１４７上方の地点と、外側チューブ１４２と排出口１４３の間のフランジ１４７の下方の空隙空間との間に連通をもたらすようにフランジ１４７を通り抜ける開口を備える。好ましくは、また図示するように、空気入口１７１は、上側の円錐台部分１７４および下側の円筒状部分１７２を備える。空気入口１７１は、通常、ピンなどの成形工具によって形成される。空気入口１７１の先細にされたプロファイルは、成形された構成要素から成形工具をより容易に取り外すことを可能にする。空気入口１７１の近傍の外側チューブ１４２の壁は、空気入口１７１から排出口１４３の入口１４５に至るシュートを形成するように成形される。図１６ａに示すように、斜めのショルダ１７４が、空気入口１７１とシュートの間に形成され、長穴１７０から生じる飲料の噴出が、空気入口１７１のすぐ近傍のフランジ１４７の上側表面にすぐに付着しないことを確実にする。

内側部材１０３は、単一の一体品として、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエステル、またはこれらの材料の２つまたはそれ以上の積層体から形成されてよい。内側部材１０３は、好ましくは射出成形を用いて作製される。

あるいは、内側部材１０３は、生分解性ポリマーから作製されてよい。適切な材料の例は、分解性ポリエチレン、生分解性ポリエステルアミド、ポリ乳酸、デンプンベースのポリマー、セルロース誘導体およびポリペプチドを含む。

積層体１０５は、ガスおよび水に対して不浸透性であり、好ましくは２つの層、すなわちアルミニウムの第１の層およびキャストポリプロピレンの第２の層から形成される。アルミニウム層は、０．０２から０．０７ｍｍの間の厚さである。キャストポリプロピレン層は、０．０２５から０．０６５ｍｍの間の厚さである。１つの実施形態では、アルミニウム層は０．０６ｍｍの厚さであり、ポリプロピレン層は０．０２５ｍｍの厚さである。この積層体１０５は、組み立て中、巻きあがりに対して高い耐性を有するため特に有利である。その結果、積層体１０５は、正しいサイズおよび形状に事前切断され、その後、歪みを受けることなく生産ラインの組み立てステーションまで移送され得る。結果として、この積層体１０８は、溶接に特に良好に適合される。

ポリエチレン／アルミニウム／ポリプロピレン、ポリエチレン／エチレン−ビニルアルコールポリマー／ポリプロピレン、ポリエチレン／メタライズド／ポリプロピレン、およびアルミニウム／ポリプロピレン積層体を含む他の積層材料が使用されてもよい。ロール型の積層ストックが、ダイカットストックの代わりに使用されてよい。

カートリッジ１００の組み立ては、以下のステップを伴う：
ａ）内側部材１０３が外側部材１０２内に挿入される。

ｂ）フィルタ１０４が切断成形され、円筒状の漏斗体１４０を覆って受け入れられ、環状フレーム１４１に押し付けるように内側部材１０３上に置かれる。

ｃ）内側部材１０３、外側部材１０２、およびフィルタ１０４が、超音波溶接によって接合される。

ｄ）カートリッジ１００に、１つまたは複数の飲料原料が充填される。

ｅ）積層体１０５が、外側部材１０２に固着される。

これらのステップを以下でより詳細に論じる。

外側部材１０３が、開放底部１１２を上向きに向けて配向される。内側部材１０３が次いで、外側部材１０２内に挿入され、このとき外側リム１５１は、カートリッジ１００の上部１１１において軸方向延長部１１４内にすきまばめとして受け入れられる。それと同時に、外側部材１０２の円筒状の延長部１１８は、内側部材１０３の円筒状の漏斗体１４０の上側部分内に受け入れられる。

円筒状の延長部１１８の第３の部分１２１が、支持リム１６７の内側に着座する。第２の部分１２０と第３の部分１２１の間の円筒状の延長部１１８のショルダ１３２は、内側部材１０３の支持リム１６７の上縁に押し付けられる。したがって、内側部材１０３と外側部材１０２の間には、円筒状の延長部１１８と支持リム１６７の間の面封止を含む、カートリッジ１００のほぼすべての円周の周りを延びる接触ゾーンが、形成される。円筒状の延長部１１８と支持リム１６７間の封止は、支持リム１６７内の長穴１７０が支持リム１６７を通り抜け、ショルダ１６８の僅かに下方の地点に向けて下向きに延びるため、流体密封ではない。その結果、円筒状の延長部１１８と支持リム１６７の間の接触嵌合は、長穴１７０を、環状チャネル１６９と排出口１４３の間のガスおよび流体連通をもたらす開口に変換する。開口は、通常、０．６４ｍｍ幅×０．６９ｍｍ長さである。

フィルタ１０４が、次いで、そのフィルタ材料が環状リム１５１と接触するように内側部材１０３を覆って置かれる。次いで超音波溶接プロセスが、フィルタ１０４を内側部材１０３に接合し、それと同時に、同じプロセスにおいて、内側部材１０３を外側部材１０２に接合するために使用される。内側部材１０３およびフィルタ１０４は、外側リム１５１の周りで溶接される。内側部材１０３および外側部材１０２は、外側リム１５１の周り、さらにはウエブ１５４の上縁の周りでも溶接線によって接合される。

図２に最も明確に示すように、外側部材１０２および内側部材１０３は、互いに接合されたとき、環状フランジ１４１の下方の内部１０６およびろ過室を形成する円筒状の漏斗体１４０の外部内に空隙空間を画定する。環状フレーム１４１の上方のろ過室１６０および通路１５７は、フィルタ紙１０４によって分離される。

ろ過室１６０は、１つまたは複数の飲料原料２００を含む。１つまたは複数の飲料原料２００が、フィルタ室１６０内に詰められる。エスプレッソスタイルの飲料に関しては、原料は通常、焙煎した挽きコーヒーである。飲料原料をろ過室１３０内に詰める密度は、所望に応じて変更することができる。通常、ろ過式コーヒー製品の場合、ろ過室は、通常５から１４ｍｍの厚さのろ過床内に５．０から１０．２グラムの間の焙煎した挽きコーヒーを含む。

次いで積層体１０５が、積層体１０５の外周の周りに溶接部１６１を形成して積層体１０５を外向きに延びるフランジ１３５の下側表面に接合することによって、外側部材１０２に固着される。溶接部１６１は、積層体１０５を入口室１２６の円筒状の壁１２７の下縁に対して封止するように延ばされる。さらに、溶接部１６２は、積層体１０５と円筒状の漏斗体１４０の外側チューブ１４２の下縁との間に形成される。積層体１０５は、ろ過室１６０の下壁を形成し、さらに入口室１２６および円筒状の漏斗体１４０を封止する。しかし、分配の前には、積層体１０５と排出口４３の下縁の間に小さい隙間１６３が存在する。積層体１０５の材料特性に応じて、熱および超音波溶接などのさまざまな溶接方法が使用されてよい。

有利には、内側部材１０３は、外側部材１０２と積層体１０５の間に広がる。内側部材１０３は、ポリプロピレンなどの比較的剛性の材料から形成される。したがって、内側部材１０３は、カートリッジ１００が圧縮されるとき、積層体１０５および外側部材１０２を離間した状態に保つように作用する荷重支持部材を形成する。カートリッジ１００は、使用時、１３０Ｎから２８０Ｎの間の圧縮負荷にさらされることが好ましい。この圧縮力は、内部加圧下でカートリッジが機能しなくなることを防止するように作用し、さらに、内側部材１０３および外側部材１０２を一緒に圧迫するように働く。これは、カートリッジ１００内の通路および開口の内部寸法が、カートリッジ１００の加圧中、固定され、変更できないことを確実にする。

使用時、圧力下の水は、入口１０７からカートリッジ１００に入り、入口室１２６内に入る。ここから、水は、長穴１１７を通って流れ、マニホールド１１６を周り、複数の長穴１１７を通ってカートリッジ１００のろ過室１６０内に入るように向けられる。水は、径方向に内向きにろ過室１６０を通って押し出され、その中に含まれる飲料原料２００と混ざる。それと同時に水は、上向きに飲料原料２００を通って押し出される。水が飲料原料２００内を通過することによって形成された飲料は、フィルタ１０４およびろ過開口１５５を通り抜け、環状フレーム１４１の上方に位置する通路１５７に入る。

径方向の通路１５７内の飲料は、ウエブ１５４間に形成された通路１５７に沿って下向きに流れ、開口部１５６を通り、円筒状の漏斗体１４０の環状チャネル１６９内に入る。環状チャネル１６９から、飲料が、ろ過室１６０および通路１５７内に集まる飲料の背圧によって、圧力下で開口１２８を通って押し出される。したがって、飲料は、噴出として開口を通って押し出され、排出口１４３の上側端部によって形成された膨張室内に入る。図８に示すように、飲料の噴出は、空気入口１７１のすぐ上を通る。開口の制限部を飲料が通過することにより、飲料の圧力の低下が引き起こされる。飲料が排出口１４３に入るとき、飲料の圧力は比較的低いままである。その結果、空気が、空気入口１７１を通って上方に引き出されながら、多量の小さい空気泡の形態で飲料ストリーム内に取り込まれる。開口から生じる飲料の噴出は、飲料がカップなどの容器内に排出されるところの出口１４４に向けて下向きに注がれ、カップのところで空気泡が所望のクレマを形成する。したがって、開口および空気入口１７１は一緒になって、空気を飲料内に取り込むように作用するエダクタを形成する。エダクタ内への飲料の流れは、圧力損失を低減するためにできるだけ円滑に保たれなければならない。しかし、高圧状態では、空気排出のこの機構は作動されないことに留意されたい。

フィルタ１０４をスポーク上１５３上に封止し、リム１５１を外側部材１０２に溶接することにより、短絡が生じず、すべての飲料がフィルタ１０４を通り抜けなければならないことが確実にされる。

上記で説明したカートリッジ１００の第１の構造は、カートリッジの「エダクタ」タイプの例として与えられる。しかし、本開示は、「エダクタではない」タイプのカートリッジにも同様に適用可能であり、これを以下で説明する。

図１３は、飲料カートリッジ１００の第２の構造を示している。第１と第２の実施形態間の同じ構成要素は、同じ番号で参照される。カートリッジ１００の第２の構造の構成要素および機能の多くは、第１の構造のものと同じである。しかし、カートリッジ１００は、図９に示すカートリッジ１００に比べて全高さが大きいことを図１３から見ることができる。外側部材１０２はより高いものであるため、より多くの量の飲料原料２００を貯蔵することができるより大きい空隙空間を画定する。したがってカートリッジ１００の第２の構造は、より多くの体積の飲料を分配するのに適している。外側部材１０２およびカートリッジ１００の直径は、第１の構造のものと同じである。通常、組み立てられたときのカートリッジ１００の貯蔵体積は、５０から５８ｍｌ±２０％である。第１の構造と同様に、外側部材１０２の上面には、締め付け面１１８がその底部に配置されたくぼみが設けられる。表面１１８ａと積層体１０５の下面の間の分離Ｄは、第１の構造のものと同じである。その結果、縦長のくぼみが、その距離の約６０％を積層体１０５に向かって延びる。これは、有利には、簡易化された締め付け構成を以下で説明するように使用することを可能にする。この構造では、エダクタ１７１は存在しない。

図１４および１５に示すように、簡単な対称的に成形された物品は、外側外皮２１０を形成するためのポリプロピレンなどの外皮材料２２２と、外側外皮２１０によって完全に包封された連続の中央コア２１１を形成するためのＥＶＯＨなどのコア材料２２３とを共射出することによって生成され得る。

これは、図１５に概略的に示す共射出プロセスを用いて達成可能である。簡単に言うと、プロセスは、２つの材料２２２、２２３の顆粒がそれぞれ供給される加熱されたバレル２２１ａ、２２１ｂを各々が備える２つの射出ユニット２２０ａ、２２０ｂを備える射出装置を利用する。外皮材料２２２は一方のバレル２２１ａに供給され、コア材料２２３は他方のバレル２２１ｂに供給される。各バレル２２１ａ、２２１ｂからのプラスチック溶融ストリームが、１つまたは複数の射出ステーションにある、単一の射出ノズル２２４ａ、２２４ｂ内にこれらを通すマニホールドを通って押し出され、そのノズルの各々は、２つの材料の流れを導くための機構針を備える。装置は、材料２２２、２２３の別個のストリームの組み合わせを制御して、マニホールドを通って型に入る外皮−コア−外皮の流れのシーケンスを達成する。結果として生じた単一のストリームでは、第２の材料２２３は、第１の材料２２２によって包み込まれる。

型（またはダイ）は、通常、硬化されたまたは予硬化された鋼から作製され、射出プロセス中一緒に係止され、成形品を放出するために大きく開かれるプレートを備える。型マニホールド内には、溶融された材料２２２、２２３をバレルから射出ポートに送出し、所望の物品の形態に合わせて成形された型空洞に到達させるためにチャネルが形成される。型は、射出された材料２２２／２２３が空洞を完全に充填することができ、最終物品を取り出すことを可能にするように設計されなければならない。

図１から１３から理解されるように、外側部材１０２、したがって型空洞の設計は、簡単でも対称的もない。特に、環状壁１１３と同軸である二次壁１１５を形成する外向きに延びるショルダ１３３は、２つの材料２２２、２３３を共射出するにあたって問題を生じさせる表面形状の複雑性を示している。

これは、図１６ａから１６ｄで示されており、これらの図は、外皮材料２２２およびコア材料２２３を組み合わせたストリームが、二次流路２３１ａおよび２３１ｂに分岐する一次流路２３０に沿って流れることを示す概略図であり、この図では、すべての流路２３０、２３１ａおよび２３１ｂは、一定の断面積を有し、半径は有さない。ストリームは、二次流路が等しい抵抗を有するとき、二次流路２３１ａおよび２３１ｂに沿って均一に分割する。しかし、コア材料２３３は、分割後、ストリームに対して中心に留まるのではなく外皮２２２の外側に片寄る。この部分の領域では、流れは層流でなく、分岐によって引き起こされた乱流が層構造を破壊し、それによって内側材料がその部分の表面を汚染し、または保護されないようになる可能性がある。

これは、コア材料２２３が障壁材料である場合、外皮材料２２２によって十分に保護されないことがあり、環状壁１１３の不浸透性が損なわれるということを意味する。構成要素の強度はまた、分裂によってコア材料２２３が折り重ねられ、層の数の増大をもたらす場合もまた損なわれ得る。外側部材１０２の例では、ショルダ１３３および二次壁１１５は、フランジ１３５に対して強度をもたらすため、図１４に示す簡易化された設計のように、簡単に除去することはできない。

本開示では、材料２２２、２２３のストリームの流れは、型空洞内に流路を設けることによって制御され、この流路は、コア材料２２３が外皮材料２２２と共に、コア材料２２３が必要とされない他の領域（型空洞の第２の領域内に形成された領域）を捨て、それが、最終品の対応する部分（型空洞の第１の領域内に形成された部分）内に存在することが必要とされる空洞の領域まで流れることができることを確実にする。さらに、コア材料２２３は、好ましくは、他の構成要素を取り付けようとしたときに脆弱になり得る部分の領域から除去される。これは、コア材料が、接触表面において露出される、または必要な強度を提供できないほど薄い厚さの層を生み出す汚染物質として作用し得るときに起こる可能性がある。カートリッジ外側部材１０２の本例では、フランジ１３５の外側端部は、飲料原料のための密封部を形成しないので十分に不浸透性である必要はなく、そのためこれらは、第２の型空洞領域内に形成される。一方で環状壁１１３および二次壁１１５は、飲料原料の密封部分を形成するため、十分に不浸透性でなければならず、したがって第１の型空洞領域によって形成される。結果として、障壁材料であるコア材料２２３は、フランジ１３５の端部まですべて延びる必要はないが、壁１１３、１１５に沿って全長延びる必要がある。

これは、第１および第２の型空洞領域内に流路を設けることによって達成され、この流路は、単一の流路が分割するところで互いに対して高い抵抗および低い抵抗を有する。これは、図１７ａから１７ｃを参照して説明される。この例では、２つの二次流路２３１ａおよび２３１ｂを形成するように分岐する単一の一次流路２３０が存在する。二次流路の一方２３１ｂの設計は、他方の二次流路２３１ａに対して流路内の流れ抵抗を低減することによって、流路に沿って選択流を促進するように改変される。

材料２２２／２２３のストリームは、抵抗が最も小さいルートをとる傾向があり、そのため、二次流路２３１ｂに沿って流れて空洞のその部分を充填してから、他方の二次流路２３１ａを辿る。したがって一次流路２３０および一方の二次流路２３１ｂは、第１の型空洞領域内に存在し、両方の材料２２２／２２３によって実質的に充填され、このときコア材料２２３の先端部は、流路２３１ｂの端部で終端している。したがって、コア材料２２３が、第２の型空洞領域内に存在する他方の二次流路２３１ａ内に流れることはなく、そのため、外皮材料だけが、その部分のそのセクション内に存在する。正味の影響は、一方の流路２３１ａ内のコア材料２２３を、他方の流路２３１ｂ内にそれが完全に存在することを確実にしながら除去できることである。これは、半径を含む、断面積を増大させる、（背圧に影響する）流路の長さを変更する、および二次流路の一方または両方の一次流路に対する角度を変更するなど、数多くの方法によって達成することができる。有利な粘度を有する材料の選択は、所望の流れ状態を与えるためにその材料の最も小さい抵抗を有する流路に影響を与えるように選択することも可能である。

簡単な例のみを、２つの二次流路２３１ａおよび２３１ｂに分かれる単一の一次流路２３０を用いて図示してきたが、多くの成形品は、かなり複雑なものである。たとえば、一次流路は、３つ以上の流路に分かれることができ、その場合、これらの１つは、他のものより小さい抵抗を有するように設計される。終端しない二次流路が、２つまたそれ以上の別の二次流路に再度分割する一次流路であると考えられてもよい。

障壁材料であるコア材料２２３を参照して本開示を説明してきたが、当然ながら、これは、最終製品の特定の部分内に存在することが求められ、他の部分から無くすことができる色付き層などの非障壁材料になり得る。

Claims (13)

1. 第１の材料の外側外皮と、前記外側外皮によって包封された第２の材料の中央コアとを備える多層の射出成形品を形成する方法であって、
   前記第１の材料および第２の材料を１つのストリームで射出成形型の空洞内に射出するステップであって、前記第２の材料が前記第１の材料内に包み込まれる、ステップと、
   前記第１の材料および第２の材料の両方が前記型空洞の少なくとも１つの第１の領域内に存在し、前記第１の材料だけが前記型空洞の少なくとも１つの第２の領域内に存在するように、前記型空洞内の流路によって前記ストリームの流れを制御するステップであって、前記流路が、前記第１の型空洞領域内に少なくとも１つの一次流路を含み、前記一次流路は少なくとも２つの二次流路に分かれる、ステップと
   を含み、
   前記第１の型空洞領域内の前記二次流路の第１の流路の抵抗が、前記第２の型空洞領域内にある前記２つの二次流路の第２の流路のものに対して低減されることを特徴とする方法。
2. 前記第１の材料は、実質的に液体不浸透性であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の材料は、実質的にガス耐性であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の材料および第２の材料は、異なるポリマー材料であることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記二次流路の前記第１の流路の前記抵抗は、前記二次流路の以下の要素、すなわち
   前記二次流路の断面積、
   前記二次流路の長さ、
   前記一次流路と、前記第２の二次流路ではなく前記第１の二次流路との間の半径、
   前記一次流路と前記二次流路の一方または両方との間の角度（１つまたは複数）
   の１つまたは複数を、互いに対して変化させることによって前記二次流路の前記第２の流路のものに対して低減されることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記二次流路の１つまたは複数は、再度分かれて別の二次流路を形成する一次流路になることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記一次流路は、複数の二次流路に分かれることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
8. 第１の材料の外側外皮と、前記外側外皮によって包封された第２の材料の中央コアとを備える多層の射出成形品を形成するための装置であって、
   前記成形品の形状を画定する空洞を有する射出成形型と、
   前記第１の材料および第２の材料を単一のストリームとして前記空洞内に共射出する手段であって、このとき前記第２の材料は前記第１の材料によって包み込まれる、手段とを備え、
   前記型空洞が、前記第１の材料および第２の材料の両方が前記型空洞の少なくとも１つの第１の領域内に存在し、前記第１の材料だけが前記型空洞の少なくとも１つの第２の領域内に存在するように、前記材料の流れを制御する流路を備え、
   前記流路が、前記第１の型空洞領域内に少なくとも１つの一次流路を含み、前記一次流路は少なくとも２つの二次流路に分かれ、前記二次流路の一方は、前記第１の型空洞領域内にあり、前記第２の型空洞領域内にある前記二次流路の他方のものに対してより低い抵抗を有することを特徴とする装置。
9. 前記二次流路の前記第１の流路の前記抵抗は、前記二次流路の以下の要素、すなわち
   前記二次流路の断面積、
   前記二次流路の長さ、
   前記一次流路と、前記第２の二次流路ではなく前記第１の二次流路との間の半径、
   前記一次流路と前記二次流路の一方または両方との間の角度（１つまたは複数）
   の１つまたは複数を、互いに対して変化させることによって前記二次流路の前記第２の流路のものに対して低減されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記二次流路の１つまたは複数は、再度分かれて別の二次流路を形成する一次流路になることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の装置。
11. 前記一次流路は、複数の二次流路に分かれることを特徴とする請求項８から１０までのいずれか一項に記載の装置。
12. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法によって形成された外側部材と、封止領域において前記外側部材に対して封止される封止部材とを備えることを特徴とする食品または飲料のカートリッジ。
13. 前記コア材料は、前記封止領域内に存在しないことを特徴とする請求項１２に記載の食品または飲料のカートリッジ。

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