DE3040028A1 - Siegelungs- bzw. schweisseinrichtung zum siegeln bzw. schweissen von thermoplaste enthaltendem verpackungsmaterial - Google Patents

Siegelungs- bzw. schweisseinrichtung zum siegeln bzw. schweissen von thermoplaste enthaltendem verpackungsmaterial

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DE3040028A1
DE3040028A1 DE19803040028 DE3040028A DE3040028A1 DE 3040028 A1 DE3040028 A1 DE 3040028A1 DE 19803040028 DE19803040028 DE 19803040028 DE 3040028 A DE3040028 A DE 3040028A DE 3040028 A1 DE3040028 A1 DE 3040028A1
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Description

Patentanwälte
Dipl. Jug. Fans -Jürgen Müller Dr. »ei. iiii;, I-IiOKS-S Eereadt Dr. - hiä. Ban.5 Leyh
Lucile-Grahn-iitaüt 3ö O 8 München 80
TP 529-125 H«JM/he
Tetra Pak International AB S-221 01 Lund 1, Schweden
SIEGELUNGS- BZW. SCHWEISSEINRICHTUNG ZUM SIEGELN BZW. SCHWEISSEN VON THERMOPLASTE ENTHALTENDEM VERPACKUNGSMATERIAL
130020/0699
B E .S C. H .R E I ,B. U. N .G .
Die Erfindung bezieht sich auf eine Siegelungseinrichtung zum Versiegeln bzw. Verschließen von Verpackungsmaterial mit Hilfe eines magnetischen Hochfrequenzfeldes. Die Einrichtung weist einen durch Gleichstrom erregten Oszillator und Siegelungsbacken auf3 die aus einem Ferrit-Kern bestehen, der zur Aufnahme der Oszillatorwicklungen des Oszillators mit einer bzw. mehreren Aussparungen versehen ist.
Versiegelungen bzw. verschweißte Verschlüsse von Verpackungen werden häufig in einer solchen Weise durchgeführt, daß das Verpackungsmaterial, das mit einer thermoplastischen Schicht, z.B, Polyäthylen, versehen ist. mit einer entsprechenden Materialschicht versiegelt bzw. verschweißt wird, indem die Schichten innerhalb des beabsichtigten Siegelungs- . bereiches gegeneinander gepresst werden, während sie gleichzeitig erhitzt sind, so daß die thermoplastischen Schichten schmelzen und in dauerhafter, mechanisch fester und flüssigkeitsdichter Siegelung bzw. Verschweißung miteinander verbunden werden.
Falls das Verpackungsmaterial aus einem Laminat besteht, das auch eine elektrisch leitfähige Schicht; beispielsweise eine aus Aluminiumfolie bestehende Schicht, aufweist, die in Nachbarschaft der thermoplastischen Siegelungsschicht angeordnet ist, kann das Erhitzen des thermoplas'tischen Materials im Siegelungsbereich rasch und wirksam mit Hilfe des sogenannten Hochfrequenz-Erhitzens durchgeführt werden. Dies erfolgt dadurch, daß ein magnetisches Feld hoher Frequenz mit Hilfe einer speziell angeordneter Spule erzeugt wird, deren Erscheinung bzw. Anordnung dem beabsichtigten Siegelungsbereich entspricht; dabei wird die Spule an die Schichtenkombination angelegt. Wenn die Spule ein starkes magnetisches Hochfrequenz-
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feld überträgt, werden sogenannte Wirbelströme in der elektrischleitfähigen Schicht des Verpackungsmaterials erzeugt, das dann an denjenigen Stellen lokal erhitzt wird, an denen die leitfähige Schicht dem Magnetfeld ausgesetzt ist. Da die leitfähige Schicht so angeordnet ist, daß sie sich in Nachbarschaft der thermoplastesehen Siegelungsschicht befindet, wird die in der leitfähigen Schicht erzeugte Hitze durch Konvektion auf die thermoplastische Schicht übertragen, die hierdurch auf Siegelungstemperatur erhitzt wird.
Dieses Verfahren zur Herstellung einer Versiegelung mit Hilfe eines hochfrequenten magnetischen Feldes bei Verpackungsmaterial, das eine elektrisch-leiffähige Schicht,wie eine Aluminiumfolie, enthält, hat sich als sehr wirksam und schnell durchführbar erwiesen und führte darüber hinaus zu sehr dauerhaften Siegelungsverbindungen. Ein Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß es bisher einen relativ teueren und energieverbrauchenden Hochfrequenzgenerator erfordert, der in der Regel mit Elektronenröhren ausgerüstet ist. Das wirkliche Magnetfeld wird mit speziellen Spulen oder Wicklungen erzeugt, die in den Siegeldruckbacken angeordnet und an den Hochfrequenzgenerator angeschlossen sind. Diese Verbindung zu dem Hochfrequenzgenerator ist jedoch wegen der Hochfrequenz von angenähert 1 bis 2 MHr. der Versorgungs- . spannung nachteilig und es treten erhebliche thermische Verlu- . ste in den Verbindungsleitungen auf. Es wurde berechnet, daß in den meisten Fällen nur etwa 10 % der vom Hochfrequenzgenerator zugeführten Energie zum Siegeln benutzt wird, und daß« wie oben schon erwähnt, große Wärmeverluste wegen der Hoch- .· frequenz in den Übertragungskabeln auftreten.
Die oben erwähnten Nachteile werden bei einer Einrichtung gemäß der Erfindung vermieden, die darin besteht, daß einer- . seits ein Kern aus magnetisch leitfähigem Material . und an- .· dererseits zwei induktiv gekoppelte Windung, die auf dem Kern angeordnet sind, Tei] eines Oszillatorkreises eines Oszillators bilden, daß der offene Teil des Kernes in ein und derselben Ebene endet, und daß die Wicklungen auf der Kerninnenseite, aber in der Nähe der Öffnungsebene angeordnet und zum
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Rest vollständig vom Kern umgeben sind.
Eine Ausbildung der Erfindung wird im folgenden, anhand der schematischen Zeichnung, erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 - ein schematisches Schaltbild eines Oszillators
Fig. 2 - einen langgestreckten Siegelbacken
Fig. 3 - einen runden Siegelbacken, und
Fig. 4 - das einen Siegelbacken umgebende Magnetfeld.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird der elektrische Oszillatorkreis beschrieben und zuerst mit Hilfe des in Figur 1 gezeigten Schaltbildes erläutert, worauf die praktische Ausbildung der Siegeleinrichtung diskutiert wird.
Der in Figur 1 gezeigte Oszillatorkreis weist einen Oszillatorkreis auf, der aus zwei Spulen oder Wicklungen L1 und L2 besteht, die induktiv miteinander gekoppelt sind. Die Mittelpunkte bzw. Mittelabgriffe 1 und 2 der Wicklungen L1 und L2 sind miteinander über einen Widerstand R verbunden, dessen Grosse nicht kritisch ist, aber auf ungefähr 5 Ohm dimensioniert sein sollte. Die Enden 10 und 11 der Wicklung L1 sind an die Kollektoranschlüsse 12 bzw. 13 der Transistoren T1 und T2 angeschlossen, die in dem hier beschriebenen Fall zwei Transistoren bilden, die paarweise mit der Bezeichnung TIP35 (Texas-Erzeugnis) parallel gekoppelt sind, während die Enden 14 und 15 der Wicklung L2 an die Basisanschlüsse 16 und 17 der Transistoren T1 und T2 angeschlossen sind. Die Emitteranschlüsse 18 und 19 der Transistoren T1 und T2 sind miteinander im Verbindungspunkt 3 verbunden, der ebenfalls an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle B angeschlossen ist. Darüber hinaus verbindet eine Kapazität bzw. ein Kondensator C die Enden 10,11 der Wicklung L1, um die Oszillatorfrequenz des Oszillators zu bestimmen; der Mittelabgriff 1 der Wicklung L1 ist über einen Stromunterbrecher bzw. Schalter S an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle B angeschlossen.
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Die Spannung derselben wird nach dem Strom gewählt, der durch die Wicklung L1 fliessen soll,und nach dem erwünschten Erhitzungseffekt der Siegelungseinrichtung. Wenn die Spannung der Gleichspannungsquelle B ...nsteigt, bedeutet dies auch ein Anwachsen des Stromes durch die Wicklung L1 und deshalb der Feldstärke des erzeugten Magnetfeldes.
Die Funktion des Oszillatorkreises ist die folgende: Wenn der Schalter S geschlossen wird,erhalten die Basisanschlüsse 16 und 17 der zwei Transistoren T1 und T2 eine Spannung im Moment des Schliessens, die der Spannung am positiven Pol der Gleichspannungsquelle B entspricht; dies sei in diesem Fall +30 Volt. Da die Transistoren T1 und T2 bei positiver Basisspannung "leitend" sind, wird der eine oder andere Transistor leitfähig; das bedeutet, daß der Kollektorwiderstand zwischen den Punkten 12 und 18 absinkt. Wenn angenommen wird, daß der Transistor T1 zuerst auf das Schließen des Schalters S reagiert, d.h. daß der Kollektorwiderstand schneller als am Transistor T2 abfällt, fließt ein Strom von der Gleichspannungsquelle B über den oberen Teil der Spule L1 und durch den Transistor T1 zwischen den Punkten 12 und 18, um anschließend über die Verbindung 3 zur Gleichspannungsquelle B zurückzufliessen. Dieser Strom durch den Transistor T wird als Ic oder Kollektorstrom bezeichnet und hängt selbstverständlich von der Spannung und vom inherenten Widerstand der Erregungsstromquelle B und vom Widerstand der Wicklung L1 ab. Im vorliegenden Fall wird der Kollektorstrom zwischen 10 und 20 A sein und bei der Aufnahme des gewünschten Stromes soll sichergestellt sein, daß die einbezogenen Komponenten für den fraglichen Strom geeignet dimensioniert sind, d.h. daß die Transistoren einer Strombelastung von 10 bis 20 A standhalten müssen, und daß die Wicklung L1 mit ausreichend dickem Wicklungsdraht gewickelt sein muß, um die Belastung zu gestatten.
Der starke Strom durch den oberen Teil der Wicklung L1 zwischen den Stellen 1 und 10 induziert einen entgegengesetzten Strom in der Wicklung L2; dies bedeutet, daß der
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Basisanschluß 16 des Transistors T1 ein negatives Potential erhält, während der Basisanschluß 17 des Transistors T2 ein positives Potential aufnimmt, was umgekehrt bedeutet, daß der Strom-Durchgang durch den Transistor T1 abgeschaltet wird, und zwar wegen des Kollektorwiderstands zwischen den Stellen 12 und 18 , der plötzlich zunimmt, während umgekehrt der Kollektorwiderstand zwischen den Stellen 13 und 18 des Transistors T2 plötzlich auf einen im allgemeinen vernachlässigbaren Wert abfällt. Wenn dies der Fall ist, fließt ein starker Kollektorstrom durch den Transistor T2, und zwar über den unteren Teil der Spule L1, wodurch in der Wicklung L2 eine Spannung induziert wird, die den Transistor T2 abschaltet, "drosselt" bzw. unterdrückt, da der Kollektorwiderstand zwischen den Stellen 13 und 19 zunimmt, und daß gleichzeitig der Transistor T1 "öffnet", da der Kollektorwiderstand zwischen den Stellen 12 und 18 wieder auf einen vernachlässigbaren Wert abfällt.
Auf diese Weise werden die Transistoren T1 und T2 leitend und fließt ein starker Strom (im vorliegenden Fall 10 bis 20 A) entweder zwischen den Stellen 1 und 10 der Wicklung L1 oder zwischen den Stellen 1 und 11 der-selben Wicklung. Dies führt zu einem Anstieg des alternierenden Wechselfeldes von der Wicklung L1, dessen Grosse von der Windungszahl und der Stromstärke des durch die Wicklung fliessenden Stromes abhängt. Die Frequenz des oszillierenden Magnetfeldes wird andererseits durch die Induktanz bzw. Induktivität der Wicklung L1 und andererseits von der Kapazität C bestimmt, die Teil des Stromkreises bildet, und die im selben Rhytmus geladen und entladen wird, in der die Transistoren T1 und T2 leitend werden. Weil der Kondensator C parallel mit der Wicklung L1 geschaltet ist, wird ein sogenannter Parallelresonanzkreis gebildet, der eine definierte Resonanzfrequenz aufweist. Beim Anschliessen der Stromversorgungsquelle B an den in Figur 1 gezeigten Kreis stellt sich die Oszillatorfrequenz automatisch selbst auf die wirksame Resonanzfrequenz ein. Bei höheren Kapazitätswerten des Kondensators C dauern die Lade- und Entladevorgänge längere Zeit, so daß die Resonanzfrequenz vermindert wird, während in der
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gleichen Weise die Resonanzfrequenz zunimmt, wenn ein Kondensator C mit niedrigerer Kapazität verwendet wird. Im vorliegenden Fall wird eine Resonanzfrequenz von etwa 50 bis 60 kHz verwendet und es ist oft möglich,gute Siegelungsergebnisse auch mit stark verminderten Frequenzen von beispielsweise 30 bis 40 kHz zu erzielen.
Der Vorteil der Ausbildung gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Wicklungen L1 und L2 als integraler Teil des Siegelungsbackens ausgebildet sind, was im folgenden in detaillierter Form beschrieben wird, und daß die übrigen Komponenten einen Teil des Stromkreises bilden, d.h. daß die Transistoren T1 und T2, die Kapazität C und der Widerstand R von so kleinen Abmessungen sind, daß sie leicht zusammen mit dem Siegelbacken zusammengefaßt werden können. Wegen der hohen Ströme sollten die Transistoren T1 und T2 im allgemeinen mit Kühlrippen versehen sein, und es könnte gelegentlich auch erforderlich werden, den Siegelbacken selbst und dessen Windungen mit Kühlleitungen zu versehen. Dies ist jedoch kein Problem, da die Siegeleinrichtung auch mit beigefügten Kühlrippen noch vertretbare Abmessungen aufweist. Falls die Siegeleinrichtung von der Gleichstromquelle B mit niedriger Spannung versorgt wird, bleiben irgendwelche Verluste in den Versorgungsleitungen zum Oszillator sehr klein und im wesentlichen vernachlässigbar im Vergleich mit den thermischen Verlusten, die in der bekannten Einrichtung auftreten, bei der eine Hochfrequenzspannung, die von einem Spezialgenerator erzeugt ist, zu einer Spule geleitet wird, die in dem Siegelbacken angeordnet ist und folglich keinen Teil des Oszillatorkreises des Oszillators bildet, sondern nur eine externe Last,bei der das Magnetfeld erzeugt wird.
In der Praxis kann die Siegeleinrichtung gemäß der Erfindung in der in Figur 2 dargestellten Weise realisiert sein, d.h. daß die Wicklungen L1 und L2 auf dem Mittelsteg eines langgestreckten Magnetkernes 4 von E-Querschnitts aufgewickelt sein. Dieser magnetische Kern sollte aus Ferrit-Material bestehen, so daß eine bessere Konzentration des
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Magnetfeldes erreichbar ist; die Wicklungen L1 und L2 sollten in einer solchen Weise angeordnet sein, daß sie vollständig in dem Raum 9 aufgenommen sind, der mit einem geeigneten wärmehärtbaren Kunststoff oder einem keramischen Material gefüllt sein kann, um die Wicklungen L1 und l_2 festzusetzen. Die Wicklung L1,durch die der hauptsächliche Magnetisierungsstrom (im vorliegenden Fall 10 bis 20 A) fliesst, sollte nahe dem "offenen Teil" 21 des Kernes 4 angeordnet sein, so daß das Magnetfeld 22 (Figur 4) die gewünschte Konzentrierung
und Stärke im Bereich knapp außerhalb der Öffnung des Siegelungsbacken 4 erreichen kann, d.h. in dem Bereich, in dem das Verpackungsmaterial 23 während des Siegelungsvorganges angeordnet ist. Wie in Figur 2 gezeigt, bei der der Magnetkern aus einem langgestreckten Kern besteht,dessen Länge dessen Weite wesentlich überschreitet, und ein solcher Kern wird
in denjenigen Fällen verwendet, in denen erwünscht ist,
langgestreckte Versiegelungen durchzuführen, beispielsweise quer über einen Schlauch des Verpackungsmaterials, um
den Schlauch in einzelne Verpackungseinheiten aufzuteilen. Wie in Figur 2 gezeigt ist, können die Transistoren T1 und T2 in Kühlrippen 20 eingesetzt sein, die längs des Magnetkernes 4 angeordnet sind, während die verbleibenden Komponenten des Oszillatorkreises im Raum 6 angeordnet werden
können, der unterhalb des Magnetkernes 4 und zwischen den
Kühlrippen 20 gebildet ist.
In Figur 3 ist eine andere Ausbildung einer Siegeleinrichtung gemäß der Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausbildung ist der magnetische Kern 4 in Form eines kurzen Zylinders mit
einem mittleren Abschnitt oder mittleren Kernsteg 8 und mit einem äußeren Rand bzw. Mantelabschnitt 7 ausgebildet, die zusammen zwischen sich einen ringförmigen Raum 9 bilden. In dem Ringraum 9 sind die Wicklungen L1 und l_2 angeordnet. In der gleichen Weise, wie oben beschrieben, kann der Raum 9
mit den Wicklungen mit einem keramischen Material ausgefüllt werden, um die Wicklungen zu befestigen. An der Unterseite des magnetisierbaren Kerns 4 können andere Komponenten des Oszillatorkreises zusammen mit Kühlrippen angeordnet sein.
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In Figur 4 ist ein Bild des Magnetfeldes 22 gezeigt, das rings um die Wicklungen eines Siegelbacken gemäß der Erfindung gebildet ist; dabei sind zwei konzentrierte Magnetfelder 22 nebeneinander ausgebildet, d.h. daß beispielsweise gemäß der Siegeleinrichtung nach Figur 2 zwei schmale parallele Siegelzonen innerhalb der Bereiche des Verpackungsmaterials 23 gebildet sind, die nahe der Wicklung L1 angeordnet sind; innerhalb der Zonen wird die elektrisch leitfähige Schicht des Verpackungsmaterials 23 stark erhitzt. Das Erhitzen des anschließenden Bereichs ist jedoch ungenügend, so daß sehr wohl definierte Siegelzonen erzielbar sind. Das bedeutet, daß bei der Ausbildung gemäß der Figur 3 eine ringförmige Siegelung erzielt werden kann.
Natürlich ist es auch möglich mit einer Ausbildung gemäß der Erfindung Siegelungskonfigurationen zu erzielen, die anders als geradlinig oder rund verlaufen; winklige oder ovale Siegelzonen können durch eine geeignete Ausbildung des magnetischen Kernes 4 erzielt werden. Wie oben bereits erwähnt, besteht einer der wichtigsten Vorteile der Einrichtung der Erfindung darin, daß keine großen Verluste
in den Verbindungsleitungen auftreten; es kann aber auch auf einen weiteren Vorteil hingewiesen werden: Gerade wegen der hohen Verluste konventioneller Hochfrequenzgeneratoren war es erforderlich mit sehr großen Spannungen
zu arbeiten, so daß die Ströme nicht zu groß werden und
so daß die Spannung an der Spule, die das magnetische
Feld erzeugt, nicht zu klein wird, und zwar wegen eines
Spannungsabfalls, der im Versorgungskreis auftritt.
Es wurde festgestellt, daß die Ausbildung der Erfindung
exzellent funktioniert und darüber hinaus einen Bruchteil dessen kostet, was Hochfrequenzgeneratoren der bisher benutzten Art verlangen, und daß wesentlich geringere Verluste auftreten. Daraus ist klar, daß die Einrichtung
gemäß der Erfindung einen bedeutenden Fortschritt in der Technik des Hochfrequenzsiegeins darstellt. Es ist natürlich möglich, innerhalb der erfindungsgemäßen Idee die
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Ausbildung des Oszillatorkreises und der Siegelungsbacken zu modifizieren. Das fundamentale Konzept der Erfindung besteht aber darin, daß die Spulen, die im Oszillatorkreis eingeschlossen sind, in einem Magnetkern angeordnet sind, der gleichzeitig als Siegelungsbacken wirkt, und daß eine der Oszillatorspulen gleichzeitig eine Versorgungsspule für den Siegelbacken bildet. Es ist unter anderem möglich, anstelle von Transistoren andere steuerbare Halbleiterelemente, beispielsweise Thyristoren, zu verwenden und, wie schon beschrieben, können verschiedene Halbleiter parallel geschaltet sein, um die Leistung der Siegeleinrichtung zu vergrößern.
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Claims (8)

  1. PATENTANSPRUCH.E
    1J Versiegelungseinrichtung zum Versiegeln von mit ^-' thermoplastischem Material überzogenen Verpackungsmaterial, das eine Schicht elektrisch-leitfähigen Materials aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits ein Kern (4) aus magnetisch-leitfähigem Material und andererseits zwei induktiv gekoppelte, am Kern (4) angeordnete Wicklungen (L.1, L2) Teil eines Oszillatorkreises eines Oszillators bilden, daß der offene Teil (21) des Kens (4) in einer einzigen Ebene endet, und daß die Wicklungen (L1, L2) an der Kerninnenseite aber in der Nähe der Öffnungsebene angeordnet sind und zum Rest vollständig vom Kern (4) umgeben sind.
  2. 2. Siegelungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (L1, L2) in einen Rückkoppelungskreis einbezogen sind.
  3. 3. Siegelungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator mit Halbleitern ausgerüstet ist.
  4. 4. Siegelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator 1 .* zwei Wicklungen (L1, L2), die auf einem magnetischen Kern in einem Rückkoppelungskreis aufgewickelt sind, dessen Mittelpunkte elektrisch miteinander über einen Widerstand (R) verbunden sind,
    2. zwei steuerbare Halbleiterbauelemente, vorzugsweise Transistoren (T1, T2), deren Basisanschlüsse (16, 17) jeweils an eine der Enden der Wicklung (L2) und dessen
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    Kollektoranschlüsse (12, 13) jeweils an ein Ende der Wicklung (L1) und dessen Emitteranschlüsse (18, 19) jeweils miteinander verbunden sind,
    3. einen Kondensator (C), der an die Enden der Wicklung (L1) angeschlossen ist, und
    4. eine Gleichspannungsquelle (B) aufweist, die einerseits an den Mittelpunkt der Wicklung (L1) und ande- . rerseits an die Verbindung der Emitteranschlüsse (18. 19) der Transistoren (TI, T2) angeschlossen ist, aufweist.
  5. 5. Siegelungseinrichtung nach einem der Vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kern (4) eine Länge aufweist, die dessen Breite wesent- . lieh überschreitet, und daß er einen E-förmigen Querschnittsbereich besitzt und die Wicklungen (L1 , L2) auf dem mittleren Joch (5) des Ε-Kernes angeordnet sind.
  6. 6. Siegelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kern (4) in Form einer runden Platte oder eines kurzen Zylinders mit einem zentralen mittleren Joch (8) und einer Aussparung (9) ausgebildet ist, die den mittleren Teil bzw. das Joch (8) umgibt, und in der die Wicklun- . gen (L1, L2) angeordnet sind.
  7. 7. Siegelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kern (4) aus Ferrt-Material besteht.
  8. 8. Siegelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (L2) weniger Windungen, als die Wicklung (L1) aufweist, und daß die letztgenannte Wicklung (L1) mit einem Draht größeren Querschnitts als die Wicklung (L2) ausgebildet ist.
    MCOlO/ObW
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