KR101152474B1 - 유동성 식품의 패키지를 제조하기 위한 유도 시일링 장치및 방법 - Google Patents

유동성 식품의 패키지를 제조하기 위한 유도 시일링 장치및 방법 Download PDF

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클라우디오 페라리
안토니오 멜란드리
사퀴브 야베드
기오르지오 갈라보티
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테트라 라발 홀딩스 앤드 피낭스 소시에떼아노님
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Abstract

플라스틱 재료(16)로 커버되는 유도 발열 재료의 하나 이상의 층(12)을 갖는 시트 포장 재료의 튜브(13)를 횡으로 시일링함으로써 유동성 식품의 패키지를 제조하는데 사용될 수 있는 유도 시일링 장치가 개시된다. 상기 시일링 장치는 교호 전력 신호(s(ω))를 발생시키는 발생기(3), 상기 층(12)에서 기생 전류를 유도하고 상기 플라스틱 재료를 국부적으로 용해하여 횡의 시일을 형성하도록 하기 위하여 상기 교호 전력 신호(s(ω))를 수신하는 인덕터(4), 및 상기 발생기(3)와 상기 인덕터(4) 사이에서 최적의 전력 전달을 달성하는 정합 회로(7)를 갖는다. 상기 정합 회로(7)는 유도성-용량성 회로를 포함하고, 가변-커패시턴스 용량성 소자(20, 24, 25, 26, 27)의 커패시턴스는 전류-전압 위상 각도가 0에 가깝게 되도록 조정 가능하다.
유도 시일링 장치, 교호 전력 신호, 기생 전류, 가변-커패시턴스 용량성 소자, 포장 재료.

Description

유동성 식품의 패키지를 제조하기 위한 유도 시일링 장치 및 방법{INDUCTION SEALING DEVICE AND CORRESPONDING METHOD FOR PRODUCING PACKAGES OF POURABLE FOOD PRODUCT}
본 발명은 유동성 식품(pourable food product)의 패키지를 제조하는데 사용될 수 있는 유도 시일링 장치 및 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 유동성 제품으로 연속적으로 충전된 시트 포장 재료의 튜브로부터 패키지를 성형하고 시일링하는 성형-및-시일 유닛에서만 사용되는 것이 아닐지라도, 바람직하게는 이 성형-및-시일 유닛에서 사용될 수 있다.
공지된 바와 같이, 많은 유동성 식품(예를 들어, 과일 또는 야채 주스), 저온살균 또는 UHT(초-고온 처리된) 우유, 와인 등)이 살균된 포장 재료로 이루어진 패키지에서 판매된다.
이 유형의 패키지의 전형적인 예는 적층된 포장 재료의 웹을 폴딩하고 시일링함으로써 제조되는 Tetra Bric Aseptic ⓡ로서 공지된 유동성 식품용의 평행육면체-형 패키지이다.
적층된 포장 재료는 양측 상에서 열-시일 플라스틱 재료, 예를 들어, 폴리에틸렌으로 커버된 섬유 재료, 예를 들어, 종이의 층을 포함하며, 장기-보관 제품, 예를 들어, UHT 우유용 무균 패키지의 경우에, 결국 패키지 내의 식품과 접촉하는 측 상에서, 산소-배리어 재료, 예를 들어, 차례로 열-시일 플라스틱 재료의 하나 이상의 층으로 커버되는 한 시트의 알루미늄 또는 에틸렌비닐알코올(EVOH)를 또한 포함한다.
공지된 바와 같이, 이와 같은 패키지는 연속적인 튜브가 웹-공급 포장 재료로부터 성형되고, 포장 재료의 웹이 예를 들어, 일단 살균이 완료되면, 포장 재료의 표면으로부터 제거되는, 예를 들어, 가열에 의해 기화되는 과산화수소 용액과 같은 화학적인 살균제를 인가함으로써 포장 기계 자체에서 살균되며, 이와 같이 살균된 포장 재료의 웹이 밀폐된, 무균 환경에서 유지되고, 수직 튜브를 형성하기 위하여 세로로 폴딩되고 시일링되는 완전 자동 포장 기계에서 제조된다.
그리고 나서, 상기 튜브는 살균되거나 살균-처리된 유동성 식품으로 상부로부터 충전되고, 두 쌍의 죠우(jaw)에 의하여 동일하게 이격된 횡단면에서 그립된다. 특히, 죠우 쌍은 튜브에 순환적으로 연속적으로 동작하여 튜브의 포장 재료를 시일링하고 각각의 횡의 시일링 밴드에 의해 서로 연결된 필로우 팩(pillow pack)의 연속적인 스트립을 형성하도록 한다.
필로우 팩은 각각의 시일링 밴드를 절단함으로써 분리되고 나서, 상기 팩이 마무리된 평행육면체 형태로 기계적으로 폴딩되는 최종 폴딩 스테이션으로 전달된다.
배리어 재료로서 알루미늄 층을 갖는 무균 패키지의 경우에, 튜브의 횡단면은 통상적으로 열-시일 플라스틱 재료를 국부적으로 용해하기 위하여 알루미늄층에서 기생 전류를 유도하는 시일링 장치를 사용하여 시일링된다.
특히, 각 쌍에서의 죠우들 중 하나는 비-도전성 재료로 이루어진 주 몸체, 및 상기 주 몸체상의 정면 위치에서 하우징된 인덕터를 포함하며, 다른 죠우는 고무와 같은 탄력적인 유연한 재료로 이루어진 압력 패드를 갖는다.
인덕터는 플라스틱 재료 커버링을 시일링함으로써 튜브의 횡단면을 시일링하기 위하여 죠우의 관련 쌍이 튜브 상으로 그립될 때, 전력이 공급된다.
특히, 인덕터 이외에도, 시일링 장치는 또한 교호 전력 신호 발생기, 및 상기 발생기와 인덕터 사이에서 전력 전달을 최적화하는 정합 회로를 포함한다. 상기 발생기는 실제로 전류=전압 위상 각도가 0에 가까울 때, 최대 전력을 공급한다.
공지된 정합 회로는 통상적으로 유도성-용량성 회로에 의해 규정되는데, 여기서, 용량성 소자(통상적으로 다수의 병렬 커패시터에 의해 규정됨)는 유도성 소자(통상적으로 변압기에 의해 규정됨)에 병렬로 접속되며, 용량성 소자의 커패시턴스 값, 및 유도성 소자의 인덕턴스 값은 페이싱(phasing)을 발생시킴으로써 전류-전압 위상 각도가 0에 가깝도록 선택된다. 그러나, 이와 같은 페이싱은 미리 결정된 동작 조건(예를 들어, 패키지 양, 충전 기계 출력 레이트 및 동작 속도, 인덕터의 유형 등)과 관련된 소정 전기 부하에 가장 적합하다.
결과적으로, 동작 조건을 변화시키는 것에 기인한 전기 부하의 변화 이외에, 최적의 페이싱 조건을 현저하게 벗어나는 것이 존재하므로, 인덕터로의 전력 전달을 감소시킨다.
본 발명의 목적은 공지된 장치의 단점을 제거하도록 설계된 시일링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 플라스틱 재료로 커버된 유도-발열 재료(induction-heatable material)의 하나 이상의 층을 포함하는 시트 포장 재료의 튜브를 횡으로 시일링함으로써 유동성 식품의 패키지를 제조하는데 사용될 수 있는 유도 시일링 장치가 제공되는데, 상기 시일링 장치는, 교호 전력 신호(s(ω))를 발생시키는 발생 수단, 상기 층에서 기생 전류를 유도하고 상기 플라스틱 재료를 국부적으로 용해하여 횡의 시일을 형성하도록 하기 위하여 상기 교호 전력 신호(s(ω))를 수신하는 하나 이상의 인덕터, 및 상기 발생기와 상기 인덕터 사이에서 최적의 전력 전달을 달성하는 정합 회로를 포함하며, 상기 정합 회로는 유도성-용량성 회로를 포함하고, 하나 이상의 유도성 소자가 하나 이상의 가변-커패시턴스 용량성 소자에 접속되며, 상기 용량성 소자의 커패시턴스는 전류-전압 위상 각도가 0에 가깝게 되도록 조정 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 플라스틱 재료로 커버된 유도-발열 재료의 하나 이상의 층을 포함하는 시트 포장 재료의 튜브를 횡으로 시일링함으로써 유동성 식품의 패키지를 제조하는데 사용될 수 있는 유도 시일링 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 교호 전력 신호(s(ω))를 발생시키는 단계, 상기 층에서 기생 전류를 유도하고 상기 플라스틱 재료를 국부적으로 용해하여 횡의 시일을 형성하도록 하기 위하여 상기 교호 전력 신호(s(ω))를 하나 이상의 인덕터에 제공하는 단계, 및 상기 발생기와 상기 인덕터 사이에서 전력 전달을 정합 회로에 의해 최적화하는 단계를 포함하며, 상기 최적화 단계는 전류-전압 위상 각도가 0에 가깝도록 하기 위하여 하나 이상의 유도성 소자에 접속된 하나 이상의 용량성 소자의 커패시턴스를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직하고, 국한되지 않는 실시예가 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
도1은 유동성 식품의 패키지를 제조하는데 사용될 수 있는 유도 시일링 장치의 간소화된 전기도를 도시한 도면.
도2는 도1의 장치의 일부를 보다 상세히 도시한 도면.
도3은 도1의 장치의 변형을 도시한 도면.
도1의 번호 1은 유동성 식품의 패키지를 제조하는데 사용될 수 있는 유도 시일링 장치를 전체적으로 나타낸 것이다.
특히, 시일링 장치(1)는 교호 전력 신호(s(ω))를 발생시키는 발생기(3), 교호 전력 신호(s(ω))를 수신하는 인덕터(4), 및 발생기(3)와 인덕터(4) 사이에서 전력 전달을 최적화하는 정합 회로(7)를 포함한다.
특히, 발생기(3)는 편리하게도, 대략 몇 백(예를 들어, 540) 볼트의 피크 전압을 갖는 중간 주파수(예를 들어, 530kHz)의 가변-전압(예를 들어, 정현파) 신호를 발생시킬 수 있고, 연속적이거나 펄스화된 교호 전력 신호(s(ω))를 발생시킬 수 있으며, 전류와 전압(둘 모두 발생기(3)의 출력에서 측정됨) 사이의 위상 각도가 0에 가까울 때 최대 전력(예를 들어, 2500 와트)을 제공한다.
인덕터(4)는 편리하게도, 적층된 포장 재료의 적절하게 형상화된 웹으로부터 형성된 (부분적으로 도시되고 스케일링되지 않은) 수직 튜브(13)의 부분을 형성하는 알루미늄 시트(12)에서 차례로 기생 전류를 발생시키는 맥동 자계(pulsating magnetic field)를 발생시키기 위하여 교호 전력 신호(s(ω))를 수신하는 권선(10)에 의해 규정된다.
적층된 포장 재료는 양측 상에서 열-시일 플라스틱 재료(16), 예를 들어, 폴리에틸렌으로 커버되는 섬유 재료(예를 들어, 종이)의 중앙 층(15)을 포함하며, 알루미늄 시트(12)는 섬유 재료의 중간 층(15)과 플라스틱 재료(16)의 층들 중 하나 사이에 삽입되며, 기생 전류는 수직 튜브(13)의 두 접촉 부의 플라스틱 재료(16)를 용해하여 튜브(13)를 횡으로 시일링한다.
정합 회로(7)는 제 1과 제 2 전기 라인(21, 22) 사이에 삽입된 적어도 하나의 제 1 커패시터(20), 각각의 스위치(24a, 25a, 26a, 27a)에 동작하는 제어 신호에 기초하여 전기 라인(21, 22)으로/으로부터 접속 가능한/접속해제 가능한 다수의 커패시터(24, 25, 26, 27)(도시된 예에서는 네 개이지만, 분명하게 임의의 다른 수로 이루어질 수 있음)를 포함한다. 커패시터(20)는 편리하게도, 다수의 병렬 커패시터들로 규정될 수 있고, 대략 14-40nF의 커패시턴스를 가질 수 있다.
특히, 전기 라인(21, 22)의 제 1 단부(21a, 22a)는 정합 회로(7)의 입력을 규정하고, 전기 라인(21, 22)의 제 2 단부(21b, 22b)는 정합 회로(7)의 출력을 규정하는 2차 권선(23b)을 갖는 변압기(23)의 1차 권선(23a)의 단부 단자에 접속된다. 변압기(23)는 바람직하게는, 페라이트 코어(ferrite core), 및 내부 손실을 매우 감소시키기 위하여 릿쯔 컨덕터(Litz conductor)로 이루어진 권선(23a, 23b)을 갖는다.
따라서, 정합 회로(7)는 커패시터(20)에 병렬로 하나 이상의 커패시터(24, 25, 27)를 접속시킴으로써 변경되는 가변 커패시턴스의 용량성 소자에 병렬인 유도성 소자(변압기(23)의 권선(23a)에 의해 규정됨)를 포함하는 유도성-용량성 회로를 규정한다.
본 발명에 따르면, 용량성 소자의 커패시턴스 값은 전류-전압 위상 각도가 0에 가깝게 되도록 조정된다.
커패시턴스는 편리하게도, 패키지 제조 공정 동안 파라미터(예를 들어, 발생기(3)의 출력에서의 전류-전압 위상 각도(φ)의 순시값 및/또는 발생기(3)의 출력에서의 임피던스, 즉, 정합 회로(7)의 입력 임피던스)를 측정하고, 커패시턴스 소자가 0에 가까운 전류-전압 위상 각도를 달성해야만 하는 목표 커패시턴스(Ctarg)를 결정하는 제어 회로에 의해 조정된다. 전류 및 전압은 전압(V), 전류(I), 및 위상 각도(φ)의 순시값을 측정하는 공지된 도구(도시되지 않음)에 의해 발생기(3)의 출력에서 측정된다.
따라서, 제어 신호가 하나 이상의 스위치(24a, 25a, 26a, 27a)로 송신되어, 하나 이상의 커패시터(24, 25, 26, 27)를 커패시터(20)에 병렬로 접속시켜서 결정된 목표 커패시턴스(Ctarg)를 달성한다. 따라서, 동작 조건의 변화는 제어 회로(30)에 제공된 파라미터를 변화시키고, 이것은 스위치(24a, 25a, 26a, 27a)의 소정 조합을 개방/폐쇄하여, 전체 커패시턴스를 상기 조건을 만족시키도록 한다.
도2는 스위치(24a-27a) 중 하나의 예시적인 실시예를 도시한 것이다. 특히, 스위치(24a-27a) 각각은 서로 접속된 이미터(E), 및 각각의 커패시터(24-27)의 단부 단자와 전기 라인(21)에 각각 접속된 컬렉터(C)를 갖는 제 1 및 제 2 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)(40a, 40b)를 포함한다. 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(40a, 40b)의 게이트(G)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(40a, 40b)를 턴 온/턴 오프하기 위한 제어 신호를 규정하는 명령을 저항기(44)를 통하여 전압(V dc)(예를 들어, 24 볼트)으로 수신하는 전기 라인(42)에 의해 서로 접속된다. 저항기(46)가 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(40a, 40b)의 게이트(G)와 이미터(E) 사이에 삽입되어, 이 트랜지스터들이 오프될 때, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 내부 커패시터에 저장된 전류를 방전하도록 한다. 제너 다이오드(48)가 또한 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(40a, 40b)의 게이트(G)와 이미터(E) 사이에 삽입되어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 전압(V ge)을 미리 결정된 최대값(예를 들어, 16 볼트)으로 제한하도록 한다.
재순환 다이오드가 각각의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터(C)와 이미터(E) 사이에 삽입되어, (단-방향 장치인) 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 통한 직류와 반대의 반파 동안 전류 흐름을 허용하도록 한다.
대안으로, 소스(S)가 서로 접속되고, 드레인(D)이 각각의 커패시터(24-27)의 단부 단자 및 전기 라인(21)에 각각 접속된 제 1 및 제 2 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)(도시되지 않음)가 사용될 수 있다.
도3의 변형에서, 장치(1)는 또한 가변-커패시턴스 용량성 소자에 병렬인 가변-인덕턴스 유도성 소자를 규정한다.
도3의 국한되지 않는 실시예에서, 가변 인덕턴스는 다수의 입력(50)이 각각의 권선과 관련되는 1차 권선(23a)을 가져서, 선택될 때, 변압기(23)의 상이한 변압비를 생성하는 변압기(23)에 의해 규정된다. 입력(50)은 제어 회로(30)로부터의 제어 신호에 기초하여 라인(21 및 22)에 선택적으로 접속된다. 특히, 입력(50)은 정합 회로의 인덕턴스를 변경하도록 선택되어서, 정합 회로(7)의 입력 임피던스(즉, 신호 발생기(3)에서 "본(바라본)" 임피던스)가 발생기(3)로부터 인덕터(4)로의 전력 전달을 최대화하기 위하여 최적 임피던스 값(Zott)(예를 들어, 50 옴)에 가까운 값으로 조정된다.

Claims (13)

  1. 플라스틱 재료(16)로 커버된 유도-발열 재료의 하나 이상의 층(12)을 포함하는 시트 포장 재료의 튜브(13)를 횡으로 시일링함으로써 유동성 식품의 패키지를 제조하는데 사용될 수 있는 유도 시일링 장치로서,
    교호 전력 신호(s(ω))를 발생시키는 발생 수단(3),
    상기 교호 전력 신호(s(ω))를 수신하여 상기 층(12)에서 기생 전류를 유도하고 상기 플라스틱 재료(16)를 국부적으로 용해하여 횡의 시일을 형성하는 하나 이상의 인덕터(4), 및
    상기 발생 수단(3)과 상기 인덕터(4) 사이에서 최적의 전력 전달을 달성하는 정합 회로(7)를 포함하는 상기 유도 시일링 장치에 있어서,
    상기 정합 회로(7)는 유도성-용량성 회로를 포함하고, 하나 이상의 유도성 소자(23a, 23)는 하나 이상의 가변-커패시턴스 용량성 소자(20, 24, 25, 26, 27)에 접속되고, 상기 용량성 소자의 커패시턴스는 전류-전압 위상 각도가 0에 가깝게 되도록 조정 가능한 것을 특징으로 하는, 유도 시일링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유도성 소자(23)와 상기 용량성 소자(20, 24, 25, 26, 27)는 서로 병렬인, 유도 시일링 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 용량성 소자(20, 24, 25, 26, 27)는 하나 이상의 주 커패시터(20)와, 상기 주 커패시터(20)에 병렬로 선택적으로 접속 가능한/접속해제 가능한 다수의 보조 커패시터(24, 25, 26, 27)를 포함하는, 유도 시일링 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 스위칭 장치(24a, 25a, 26a, 27a)가 각각의 보조 커패시터(24, 25, 26, 27)에 접속되어, 각각의 보조 커패시터(24, 25, 26, 27)를 스위칭하는, 유도 시일링 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 각각의 스위칭 장치(24a, 25a, 26a, 27a)는 서로 접속된 이미터(E), 및 주 커패시터(20)와 통신하는 전기 라인(21)과 각각의 보조 커패시터(24-27)의 단부 단자와 각각 통신하는 컬렉터(C)를 갖는 제 1 및 제 2 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)(40a, 40b)를 포함하고, 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(40a, 40b)의 게이트(G)는 서로 접속되고, 전압 명령(V dc)을 수신하여 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(40a, 40b)를 턴 온/턴 오프하는, 유도 시일링 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 하나 이상의 저항기(46)가 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(40a, 40b)의 게이트(G)와 이미터(E) 사이에 삽입되고, 상기 저항기(46)는 트랜지스터들이 오프될 때, 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 내부 커패시터에 저장된 전류의 방전을 보장하는, 유도 시일링 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 하나 이상의 제너 다이오드(48)가 각각의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(40a, 40b)의 게이트(G)와 이미터(E) 사이에 삽입되고, 상기 제너 다이오드(48)는 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 전압(V ge)을 미리 결정된 최대값으로 제한하는, 유도 시일링 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 유도성 소자(23a, 23)는 가변 인덕턴스 값을 가지며, 상기 인덕턴스 값은 상기 정합 회로의 임피던스가 상기 발생 수단(3)으로부터 상기 인덕터(4)로의 전력 전달을 최대화하도록 최적 임피던스 값(Z ott)에 가까운 값으로서 조정되는, 유도 시일링 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 유도성 소자(23a, 23)는 각각의 턴(turn)과 관련된 다수의 입력(50)을 갖고, 선택될 때, 변압기의 상이한 변압비를 생성하는 1차 권선(23a)를 구비한 변압기(23)를 포함하는, 유도 시일링 장치.
  10. 플라스틱 재료(16)로 커버된 유도-발열 재료의 하나 이상의 층(12)을 포함하는 시트 포장 재료의 튜브(13)를 횡으로 시일링함으로써 유동성 식품의 패키지를 제조하는데 사용될 수 있는 유도 시일링 방법으로서,
    교호 전력 신호(s(ω))를 발생기(3)에 의하여 발생시키는 단계(3),
    상기 층(12)에서 기생 전류를 유도하고 상기 플라스틱 재료(16)를 국부적으로 용해하여 횡의 시일을 형성하도록 하기 위하여 상기 교호 전력 신호(s(ω))를 하나 이상의 인덕터(4)에 제공하는 단계, 및
    상기 발생기(3)와 상기 인덕터(4) 사이에서 전력 전달을 정합 회로(7)에 의해 최적화하는 단계를 포함하는 상기 유도 시일링 방법에 있어서,
    상기 최적화 단계는 전류-전압 위상 각도가 0에 가깝도록 하기 위하여 하나 이상의 유도성 소자(23a, 23)에 접속된 하나 이상의 용량성 소자(20, 24, 25, 26, 27)의 커패시턴스를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유도 시일링 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 발생기에서 바라본 임피던스가 상기 발생기(3)로부터 상기 인덕터(4)로의 전력 전달을 최대화하도록 최적 임피던스 값(Z ott)에 가까운 값으로서 상기 유도성 소자의 인덕턴스 값을 조정하는 단계를 포함하는, 유도 시일링 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 최적 임피던스 값(Z ott)은 50 오옴(ohms)인, 유도 시일링 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 최적 임피던스 값(Z ott)은 50 오옴인, 유도 시일링 방법.
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