SE422136B - Anordning for forsegling av termoplastbelagt forpackningsmaterial - Google Patents

Description

7908752-4 2 frekvensuppvärmning. Denna består i att ett magnetiskt fält med hög frekvens genereras med hjälp av en särskilt anordnade spole, vars utseende motsvarar det tilltänkta förseglingsområdet, varvid nämnda spole anbringas mot de sammanförda skikten. Genom att spolen avger ett starkt, högfrekvent magnetiskt fält kommer s.k. virvelströmmar att induceras i förpackningsmaterialets elektriskt ledande skikt, som då kommer att lokalt uppvärmas på de ställen där det ledande skiktet är utsatt för det magnetiska fältet. Eftersom det ledande skiktet är anordnat intill det termoplastiska förseglingsskiktet kommer den i det ledande skiktet genererade värmen att genom konvek- tion överföras till det termoplastiska skiktet, vilket uppvärmes till förseglingstemperatur.

Denna metod att åstadkomma försegling med hjälp av ett högfrekvent magnetiskt fält i det fall då förpackningsmaterialet innefattar ett elektriskt ledande material, t.ex. aluminiumfolie' har visat sig vara mycket effektivt och snabbt och ger dessutom mycket hållbara förseglingsskarvar. En olägenhet med metoden är att den hittills fordrat en relativt dyr och energikrävande högfrekvens- generator, som.i regel är rörbestyckad. Själva magnetfältet alstras i särskilda, i förseglingspressbacken anordnade spolar eller lind- ningar, vilka anslutas till högfrekvensgeneratorn. Denna anslutning till högfrekvensgeneratorn är emellertid besvärlig på grund av mat- ningsspänningens höga frekvens (ungefär l-2 MHz), och väsentliga värmeförluster uppstår_i tilledningarna. Man beräknar att i de flesta fall endast ca 10% av den till högfrekvensgeneratorn tillförda ener- gin nyttiggöres vid förseglingen, och som nämnts uppstår stora värme- förluster i överföringskablarna pâ grund av.den höga frekvensen.

Ovan nämnda olägenheter undvikes med en anordning i enlig- het med den föreliggande uppfinningen, som kännetecknas av dels en kärna av magnetiskt ledande material, dels två på nämnda kärna anord- nade, induktivt kopplade lindningar, nämligen en första lindning och en andra lindning, vilka lindningar ingår i svängningskretsen till en oscillator, varvid den nämnda kärnans öppna del mynnar i ett och samma plan, samt att de nämnda lindningarna är lokaliserade på kärnan innanför, men i närheten av nämnda öppningsplan,och i övrigt helt omgivna av kärnan. _ __-,_.._,____r_,_l En utföringsform av uppfinningen kommer i det foljande att beskrivas med hänvisning till bifogade schematiska ritning, i vilken Fig. l visar ett principkopplingsschema för en oscillator, Fig. 2 visar en långsträokt förseglingsback, Fig. 3 visar en rund förseqlinqsback, 0¿h Fig. 4 visar magnetfältet kring en förseglingsback.

För bättre förståelse av uppfinningen kommer först den 7908752-4 elektriska svängningskretsen att beskrivas och förklaras med hjälp av principschemat enligt Fig. l, varefter förseglingsanordningens praktiska uppbyggnad diskuteras.

Den i Fig. 1 visade svängningskretsen innefattar en i och för sig känd oscillatorkoppling bestående av två spolar eller lind- ningar Ll och L2, vilka är induktivt kopplade till varandra. Mitt- punkterna 1 och 2 av lindningarna Ll och L2 är förenade med var- andra via ett motstånd R, vars storlek inte är kritisk men som kan dimensioneras till ca 5 ohm. Lindningens L1 ändpunkter 10 och 11 är anslutna till kollektoranslutningarna 12 respektive 13 hos trans- sistorerna Tl och T2, som i det här beskrivna fallet består av två parvis parallellkopplade transistorer med beteckningen TIP 35 (TEXAS fabrikat), medan ändpunkterna 14 och 15 hos lindningen L2 är anslutna till transistorernas Tl och T2 basanslutningar 16 och 17, Transistorernas Tl och T2 emitteranslutningar 18 och 19 är förenade med varandra i förbindningspunkten 3, som även är ansluten till en likströmskällas B minuspol. över lindningens L1 ändpunkter 10 och ll är vidare kopplad en kondensator C för bestämning av oscillatorns svängningsfrekvens, och mittpunkten l hos lindningen Ll är via en strömbrytare S ansluten till likströmskällans B plus- pol. Spänningen hos likströmskällan väljes med hänsyn tagen till den ström man önskar genom lindningen Ll och därmed den uppvärmnings- effekt man önskar hos förseglingsanordningen. Vid en förhöjning av likströmskällans B spänning ökas även strömmen genom spolen Ll och därmed fältstyrkan hos det genererade magnetfältet.

Funktionen hos svängningskretsen är följande. Då ström- brytaren S slutes komer de båda transistorernasTl och T2 basan- slutningar 16 och 17 i slutningsögonblicket att få en spänning, som överensstämmer med spänningen hos likströmskällans B pluspol, dvs i det aktuella fallet +30 V. Eftersom transistorerna Tl och T2 "leder" vid positiv basspänning, kommer endera av transistorerna att leda, dvs kollektormotstândet mellan punkterna 12 och 18 mins- kar. Om man förutsätter att transistorn Tl vid strömbrytarens S slutning reagerar först, dvs kollektormotståndet minskar snabbare än hos transistorn T2, kommer en ström att gå från likströmskällan B via spolens Ll övre del och genom transistorn Tl mellan punkterna 12 och 18 för att sedan via anslutningspunkten 3 âterföras till lik- strömskällan B. Denna ström genom transistorn Tl betecknas Ic eller kollektorström och är givetvis beroende av den matande strömkällans B spänning och inre motstånd samt lindningens Ll motstånd. I det aktuella fallet blir kollektorströmmen mellan 10 och 20 Ampere, 7908752-4 och man måste vid uttag av önskad ström se till att ingående kompo- nenter är dimensionerade för strömmen ifråga, dvs att transistorn bör klara av en strömbelastning på l0-20 Ampere och att lindningen L1 är lindad med tillräckligt grov lindningstråd för att tåla be- lastningen.

Den starka strömmen genom lindningens Ll övre del mellan punkterna l och 10 kommer att inducera en motriktad ström i lind- ningen L2, vilket innebär att transistorns T1 basanslutning 16 får en negativ potential, medan transistorns T2 basanslutning 17 får en positiv potential, och detta i sin tur innebär att strömgenm- gången hos transistorn Tl spärras genom att kollektormotståndet mellan punkterna 12 och 18 momentant ökas, medan däremot kollektor- motståndet mellan punkterna 13 och 19 hos transistorn T2 momentant minskar till ett närmast försumbart värde. Härvid kommer en stark kollektorström att gå genom transistorn T2 via nedre delen av spo- len Ll, varvid det induceras en spänning hos lindningen L2, som spärrar eller "stryper" transistorn T2 genom att kollektormotståndet mellan punkterna 13 och 19 ökar och samtidigt "öppnar" transistorn Tl genom att kollektormotståndet mellan punkterna 12 och 18 ånyo minskar till ett försumbart värde.

På så sätt skiftar transistorerna Tl och T2 att leda, och en stark ström (i det aktuella fallet 10-20 Ampere) går endera mellan punkterna l och 10 hos lindningen Ll eller mellan punkterna 1 och ll hos samma lindning. Detta ger upphov till ett magnetiskt växelfält från lindningen Ll, vars storlek beror på antalet lindningsvarv samt strömstyrkan hos den ström som går genom lindningen. Frekvensen hos det oscillerande magnetfältet bestäms av dels lindningens Ll induk- tans, dels den i kretsen inkopplade kondensatorn C, som uppladdas och urladdas i takt med att transistorerna T1 och T2 blir 1edande.' Genom att kondensatorn C är kopplad parallellt över lindningen Ll uppstår en s.k. parallellresonanskrets, som har en bestämd resonans- frekvens och vid anslutningen av strömkällan B till den i Fig. 1 visade kopplingen kommer automatiskt svängningsfrekvensen att ställa in sig på den aktuella resonansfrekvensen. Vid högre värde på kapa- citansen hos kondensatorn C tar uppladdningarna och urladdningarna av denna längre tid, varför resonansfrekvensen minskar, medan på samma sätt resonansfrekvensen ökar om en kondensator C med mindre kapacitans väljes. I det aktuella fallet användes en resonatorfrek- vens på ca 50-60 kHz, och man kan ofta med gott förseglingsresultat gå väsentligt ned i frekvens, t.ex. till 30-40 kHz.

Fördelen med anordningen enligt uppfinningen är att lind- 7908752-4 ningarna Ll och L2 ingår som en integrerad del av förseglingsbacken som i det följande närmare skall beskrivas, samt att de övriga, i kretsen ingående komponenterna, dvs transistorerna Tl och T2, kon- densatorn C och motståndet R, har så små dimensioner att de lätt kan sammanbyggas med förseglingsbacken. På grund av de betydande strömmarna måste i allmänhet transistorerna Tl och T2 förses med kylflänsar, och det kan även vara nödvändigt att ibland förse själva förseglingsbacken och dess lindningar med kylkanaler. Detta är emel- lertid inget problem, utan förseglingsanordningen får även med pâ- byggda kylflänsar rimliga dimensioner. Eftersom förseglingsanord- ningen matas från en likströmskälla B med låg spänning kommer för- lusterna i tilledningarna till oscillatorn att bli mycket låga och helt försumbara i jämförelse med de värmeförluster som uppkommer i de nu kända anordningarna, där en i en särskild generator genererad högfrekvent spänning ledes till en i förseglingsbacken anordnad spole, som alltså inte ingår som en del i oscillatorns svängningskrets utan endast som en yttre belastning, i vilken det magnetiska fältet gene- reras.

Rent praktiskt kan förseglingsanordningen i enlighet med uppfinningen utföras på sätt som visas i Pig. 2, dvs lindningarna L1 och L2 lindas på mittbenet hos en långsträckt magnetkärna 4 med E-profil. Denna magnetkärna bör vara av ferritmaterial för att få en bättre koncentration av magnetfältet, och lindningarna Ll och L2 anordnas på så sätt att de helt inrymmes i utrymmet 9, vilket för att fixera lindningarna Ll och L2 kan fyllas med en lämplig värme- härdig plast eller ett keramiskt material. Lindningen Ll, genom vilken den huvudsakliga magnetiseringsströmmen går (10-20 Ampere i det aktuella fallet), bör anordnas nära kärnans 4 "öppna del" 21 för att magnetfältet 22 (Fig. 4) skall få önskad koncentration och' styrka i området just utanför förseglingsbackens 4 öppning, dvs i det område där förpackningsmaterialet 23 är lokaliserat under för- seglingsoperationen. I det i Fig. 2 visade fallet består magnet- kärnan 4 av en långsträckt kärna, vars längd väsentligen överstiger dess bredd, och en sådan magnetkärna användes i de fall då man önskar utföra långsträckta förseglingar, t.ex. tvärs över en tub av förpack- ningsmaterial för att avdela tuben till individuella förpackningsen- heter. Som visas i Fig. 2 kan transistorerna Tl och T2 anordnas i längs magnetkärnan 4 anordnade kylflänsar 20, medan resterande kom- ponenter i svängningskretsen kan anordnas i det utrymme 6 som bildas under magnetkärnan 4 och mellan kylflänsarna 20.

I Fig. 3 visas en annan utföringsform av förseglingsanord- 7908752-4 ningen enligt uppfinningen. I denna utföringsform är magnetkärnan 4 utformad som en kort cylinder med ett mittben 8 och en yttre kant 7 samt ett däremellan anordnat ringformigt utrymme 9. I det nämnda ringformiga utrymmet 9 är lindningarna Ll och L2 anordnade. På samma sätt som i det tidigare beskrivna fallet kan utrymmet 9 med lindningarna fyllas med ett keramiskt material för att fixera lind- ningarna, och vid magnetkärnans 4 undersida kan övriga komponenter i oscillatorkretsen jämte tillhörande kylflänsar anordnas.

I Fig. 4 visas en bild av magnetfältet 22 som uppstår kring lindningarna hos en förseglingsback i enlighet med uppfinningen, och som synes bildas två koncentrerade, bredvid varandra liggande magnetfält 22, vilket innebär att man t.ex. med förseglingsanord- ningen i enlighet med Fig. 2 erhåller två smala, parallella förseg- lingszoner inom de områden av förpackningsmaterialet 23 som befin- ner sig intill lindningen Ll, inom vilka zoner det elektriskt ledande skiktet hos förpackningsmaterialet 23 starkt uppvärmes. Uppvärmningen av angränsande områden blir obetydlig och man får mycket väl definie- rade förseglingszoner, vilket innebär att man med anordningen enligt Fig. 3 kommer att få en ringformad försegling.

Det är givetvis möjligt att med anordningen enligt uppfin- ningen skapa andra förseglingskonfigurationer är raka och runda, och man kan genom att anordna magnetkärnan 4 på lämpligt sätt få vinkel- formade eller ovala förseglingszoner. Som tidigare nämnts är en av de avgörande fördelarna med anordningen enligt uppfinningen att man inte erhåller stora förluster i anslutningskablarna, och som ytter- ligare fördel kan framhållas att man just på grund av de stora för- lusterna vid konventionella högfrekvensgeneratorer måste arbeta med mycket höga spänningar för att inte strömmarna skall bli alltför stora och för att spänningen över den magnetfältalstrande spolen inte skall bli för låg på grund av uppkomna spänningsfall i matnings- kretsen.

Det har visat sig att anordningen enligt uppfinningen funge- rar utmärkt, och eftersom den dessutom endast kostar en bråkdel av de nu använda högfrekvensgeneratorerna, samt har väsentligen lägre förluster, är det uppenbart att anordningen enligt uppfinningen med- för ett avgörande framsteg inom högfrekvensförseglingstekniken. Man kan givetvis inom ramen för uppfinningens idé modifiera såväl sväng- ningskrets som förseglingsbackarnas utseende, men uppfinningens bärande idé är att de i svängningskretsen ingående spolarna är an- ordnade i en magnetkärna som samtidigt fungerar som förseglingsback, och att en av oscillatorspolarna samtidigt är matningsspole till 7908752-4 ningarna Ll och L2 ingår som en integrerad del av förseglingsbacken som i det följande närmare skall beskrivas, samt att de övriga, i kretsen ingående komponenterna, dvs transistorerna Tl och T2, kon- densatorn C och motståndet R, har så små dimensioner att de lätt kan sammanbyggas med förseglingsbacken. På grund av de betydande strömmarna måste i allmänhet transistorerna Tl och T2 förses med kylflänsar, och det kan även vara nödvändigt att ibland förse själva förseglingsbacken och dess lindningar med kylkanaler. Detta är emel- lertid inget problem, utan förseglingsanordningen får även med på- byggda kylflänsar rimliga dimensioner. Eftersom förseglinqsanord- ningen matas från en likströmskälla B med låg spänning kommer för- lusterna i tilledningarna till oscillatorn att bli mycket låga och helt försumbara i jämförelse med de värmeförluster som uppkommer i de nu kända anordningarna, där en i en särskild generator genererad högfrekvent spänning ledes till en i förseglingsbacken anordnad spole, som alltså inte ingår som en del i oscillatorns svängningskrets utan endast som en yttre belastning, i vilken det magnetiska fältet gene- reras.

Rent praktiskt kan förseglingsanordningen i enlighet med uppfinningen utföras på sätt som visas i Fig. 2, dvs lindningarna Ll och L2 lindas på mittbenet hos en långsträckt magnetkärna 4 med E-profil. Denna magnetkärna bör vara av ferritmaterial för att få en bättre koncentration av magnetfältet, och lindningarna Ll och L2 anordnas på så sätt att de helt inrymmes i utrymmet 9, vilket för att fixera lindningarna Ll och L2 kan fyllas med en lämplig värme- härdig plast eller ett keramiskt material. Lindningen Ll, genom vilken den huvudsakliga magnetiseringsströmmen går (10-20 Ampere 1 det aktuella fallet), bör anordnas nära kärnans 4 "öppna del" 2l för att magnetfältet 22 (Fig. 4) skall få önskad koncentration och' styrka i området just utanför förseglingsbackens 4 öppning, dvs i det område'där förpackningsmaterialet 23 är lokaliserat under för- seglingsoperationen. I det i Fig. 2 visade fallet består magnet- kärnan 4 av en lângsträckt kärna, vars längd väsentligen överstiger dess bredd, och en sådan magnetkärna användes i de fall då man önskar utföra långsträckta förseglingar, t.ex. tvärs över en tub av förpack- ningsmaterial för att avdela tuben till individuella förpackningsen- heter. Som visas i Fig. 2 kan transistorerna Tl och T2 anordnas i längs magnetkärnan 4 anordnade kylflänsar 20, medan resterande kom- ponenter i svängningskretsen kan anordnas i det utrymme 6 som bildas under magnetkärnan 4 och mellan kylflänsarna 20.

I Fig. 3 visas en annan utföringsform av förseglingsanord- 7908752-4 ningen enligt uppfinningen. I denna utföringsform är magnetkärnan 4 utformad som en kort cylinder med ett mittben 8 och en yttre kant 7 samt ett däremellan anordnat ringformigt utrymme 9. I det nämnda ringformiga utrymmet 9 är lindningarna Ll och L2 anordnade. På samma sätt som i det tidigare beskrivna fallet kan utrymmet 9 med lindningarna fyllas med ett keramiskt material för att fixera lind- ningarna, och vid magnetkärnans 4 undersida kan övriga komponenter i oscillatorkretsen jämte tillhörande kylflänsar anordnas.

I Fig. 4 visas en bild av magnetfältet 22 som uppstår kring lindningarna hos en förseglingsback i enlighet med uppfinningen, och som synes bildas två koncentrerade, bredvid varandra liggande magnetfält 22, vilket innebär att man t.ex. med förseglingsanord- ningen i enlighet med Fig. 2 erhåller två smala, parallella förseg- lingszoner inom de områden av förpackningsmaterialet 23 som befin- ner sig intill lindningen Ll, inom vilka zoner det elektriskt ledande skiktet hos förpackningsmaterialet 23 starkt uppvärmes. Uppvärmningen av angränsande områden blir obetydlig och man får mycket väl definie- rade förseglingszoner, vilket innebär att man med anordningen enligt Fig. 3 kommer att få en ringformad försegling.

Det är givetvis möjligt att med anordningen enligt uppfin- ningen skapa andra förseglingskonfigurationer är raka och runda, och man kan genom att anordna magnetkärnan 4 på lämpligt sätt få vinkel- formade eller ovala förseglingszoner. Som tidigare nämnts är en av de avgörande fördelarna med anordningen enligt uppfinningen att man inte erhåller stora förluster i anslutningskablarna, och som ytter- ligare fördel kan framhållas att man just på grund av de stora för- lusterna vid konventionella högfrekvensgeneratorer måste arbeta med mycket höga spänningar för att inte strömarna skall bli alltför stora och för att spänningen över den magnetfältalstrande spolen inte skall bli för låg på grund av uppkomna spänningsfall i matnings- kretsen.

Det har visat sig att anordningen enligt uppfinningen funge- rar utmärkt, och eftersom den dessutom endast kostar en bråkdel av de nu använda högfrekvensgeneratorerna, samt har väsentligen lägre förluster, är det uppenbart att anordningen enligt uppfinningen med- för ett avgörande framsteg inom högfrekvensförseglingstekniken. Man kan givetvis inom ramen för uppfinningens idé modifiera såväl sväng- ningskrets som förseglingsbackarnas utseende, men uppfinningens bärande idé är att de i svängningskretsen ingående spolarna är an- ordnade i en magnetkärna som samtidigt fungerar som förseglingsback, och att en av oscillatorspolarna samtidigt är matningsspole till 7908752-4 förseglingsbacken. Det är bl.a. möjligt att i stället för transis- torer använda andra typer av styrda halvledare, t.ex. tyristorer, och man kan som nämnts ofta parallellkoppla flera halvledare för att öka effekten hos förseglinäsanordningen.

Claims (8)

1. d79os7s2-4 H-XTENTKRAV l. Anordning för försegling av termoplastbelagt förpackningsmaterial (23) innefattande ett skikt elektriskt ledande material, k ä n n e- t e c k n a d a v dels en kärna (4) av magnetiskt ledande material, dels två på nämnda kärna (4) anordnade, induktivt kopplade lind- ningar, nämligen en första lindning (L2) och en andra lindning (Ll), vilka lindningar ingår i svängningskretsen till en oscillator, var- vid den nämnda kärnans (4) öppna del (21) mynnar_i ett och samma plan, samt att de nämnda lindningarna (Ll, L2) är lokaliserade på kärnan (4) innanför, men i närheten av nämnda öppningsplan, och i övrigt helt omgivna av kärnan (4). _
2. 2. Anordning i enlighet med patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att de nämnda lindningarna (L1, L2) är motkopplade.
3. 3. Anordning i enlighet med patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v 'att oscillatorn är halvledarbestyckad. _
4. 4. Anordning i enlighet med patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d a v en oscillator uppvisande dels tvâ, på en magnetkärna lindade motkopplade lindningar (Ll, L2) vars mittpunkter är elektriskt före- nade med varandra via en resistans (R), dels två styrbara halvledare, företrädesvis transistorer (Tl, T2) vars basanslutningar (16, 17) vardera är förenade med en av den första lindningens (L2) ändpunkter och vars kollektoranslutningar (12, 13) vardera är förenade med en av den andra lindningens (Ll) ändpunkter, samt vars emitteranslut- ningar (18, 19) är förenade med varandra, dels en kondensator (C), som är ansluten över den andra lindningens (Ll) ändpunkter, samt dels en likströmskälla (13), som är ansluten till den andra lind- ningens (Ll) mittpunkt, och till transistorernas (Tl, T2) Samman- kopplade emitteranslutningar (18, 19).
5. 5. Anordning i enlighet med patentkravet l, k ä n n e t e c k n a'd d ä r a v att den magnetiska kärnan (4) har en längd som väsent- ligen överstiger dess bredd, samt har en E-formad tvärsnittsyta, varvid lindningarna (L1, L2) är anordnade på E-kärnans (4) mittben (5)
6. 6. Anordning i enlighet med patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den magnetiska kärnan (4) är utformad som en rund bricka eller kort cylinder med ett centralt mittben (8) och ett mittbenet omgivande spår (9), i vilket lindningarna (Ll, L2) är anordnade.
7. 7. Anordning i enlighet med patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d d äfr a v att den magnetiska kärnan (4) är tillverkad av ferrit- material. 7
8. 8. Anordning i enlighet med patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d v 9 7908752-4 d ä r a v att den första lindningen (L2) har färre lindningsvarv än den andra lindningen (Ll) , och att den andra lindningen (Ll) är lindad med en tråd med större ledningsarea än den första lind- ningen (L2) .