CN101629922A - 用于浓度测量的设备以及包括所述设备的灭菌室和填充机 - Google Patents

Abstract

用于浓度测量的设备以及包括所述设备的灭菌室和填充机。公开一种用于测量可氧化气体浓度的设备(36、38、100)，其包括在外壳(101)内的催化剂(102)。该催化剂由该外壳内的绝缘体(105)包围。该设备(100)进一步包括至少两个温度计，其中一个位于该设备的入口，另一个位于该催化剂(102)内。该设备还具有用于根据温度测量值计算浓度的装置。还公开具有如该主权利要求所述的装置的加热室和填充机。

Description

用于浓度测量的设备以及包括所述设备的灭菌室和填充机

技术领域

本发明涉及用于浓度测量的设备，以及用于制造食品包装件的填充机的灭菌室。本发明还涉及包括这种设备的用于制造包装件的机器。

背景技术

在食品工业中，饮料和其他产品往往包装在由纸或者纸板制成的包装件中。用于液体食品的包装件通常由包装层压板制成，层压板包括纸或者纸板芯层和在该芯层外部至少一侧的、热塑性材料不透液层，该外层形成该包装件的内侧。对于对氧特别敏感的食品产品，如果汁和食用油，包装层压板通常进一步包括气体阻隔材料层。在大多数情况中，这个层是铝箔，其也能够感应密封该包装层压板。

这些包装件通常在包装机中制造，其中包装层压板卷材形成为管，通过将卷材的纵边密封为重叠的状况而封闭该管。该纵边密封的管被一产品连续地填充，然后横向密封，其中形成填满的“枕”。该横向密封是沿着窄的、横向的、彼此隔开的密封区域进行。横向密封后，通过在密封区域切割而将该“枕”与该管其余部分分开，并且最终形成所需的形状。

当今，也称为纸瓶(carton bottle)的是经常出现的包装件。实质上，它们是由如上所述的包装层压板套管形式的下部，和提供有打开装置(如盖子)的塑料顶部形式的上部组成。这些纸瓶通常在包装机中制造，其中包装层压板片(所谓的坯材)形成管，该管是通过将每片的两个相对的边在重叠状态下密封而封闭。然后，将每个管在各自的塑料顶部上滑动，并且以这样的方式布置，即该塑料顶部的主要部分从该管突出。在沿该顶部和该管的接触表面密封之后，填充该包装件，并在该管的开口端密封，用来得到套管并且封闭该包装件，并最终形成所需的形状。

上面的制作过程是公知的，将不再详细描述。

为了延长所包装的产品的保质期，在填充操作以及有时在成形操作之前对包装材料灭菌是已知的。根据所需的保质期以及这些包装件分送和存储是在冷藏环境还是在室温，可以选择不同灭菌程度。

一种已知的灭菌包装材料的方法是化学灭菌。例如，化学灭菌可以将包装材料通过过氧化氢溶液浴然后通过加热室来进行。在该加热室中，引入热无菌空气用以将包装材料加热到这样的程度，即过氧化氢被蒸发掉，并因此从包装材料的表面去除。

上面的方法对于包装层压板的连续卷材的灭菌是出色的，但是明显不适于填充之前开口纸瓶的灭菌。

关于纸瓶，可以使用所谓的气相灭菌来代替上述方法。这种灭菌可将这些纸瓶通过用于预热的预热室，包含气态过氧化氢的气体处理室，然后通过排气室而进行。在该排气室中，这些纸瓶暴露于热无菌空气流中，用于去除剩余的过氧化氢。一种适于灭菌纸瓶的气相灭菌设备可以从瑞典专利0203692-9得到，其在此通过引用结合在这里。

为了正确灭菌包装材料，在过氧化物浴的情况中，对于在加热室内部气体混合物中过氧化氢浓度的精确控制是决定性的。如果浓度太低，应用于包装材料的过氧化氢蒸发得太快，存在未充分灭菌的风险。另一方面，如果浓度过高，应用于包装材料的过氧化氢蒸发得太快，存在过多的过氧化物残留在离开加热室的包装材料上的风险。类似地，在气相灭菌情况中，对于在气体处理室内部气体混合物中过氧化氢浓度的精确控制是决定性的。如果浓度过低，就存在不充分灭菌的风险。此外，如果浓度过高，就存在离开气体处理室的纸瓶上有过多过氧化物的风险，并因此，存在离开排气室的纸瓶上有过多过氧化物的风险。在任何情况中，如果过氧化物的浓度不在某个限度内，就应当改变包装机的设置。

有许多确定过氧化氢浓度的方法。在已知的具有上述过氧化氢浴的包装机中，加热室内的气体混合物中过氧化氢浓度是由机器控制系统基于溶液中过氧化氢的浓度、过氧化氢溶液的消耗和加热室内空气质量流量估算的。因此，这里过氧化氢浓度是由已知的外部参数理论上计算的。这是一种多少不确定的测定方法，它包含了错误浓度测定的风险，以及由此错误报警的风险，或者包装材料不充分灭菌的风险或者过高程度的过氧化氢残留在包装材料上的风险。

在已知的具有上述气体处理室的包装机中，气体处理室内的气体混合物中过氧化氢浓度是由IR传感器或UV传感器测量的。然而，这种传感器庞大、易碎而且昂贵。

发明内容

本发明的目的是至少部分克服或者缓解一些现有技术的问题。这是通过如权利要求1所述的设备完成的，另外的实施方式由从属权利要求给出。

附图说明

下面将参考所附示意图更详细描述本发明，所附示意图示出本发明目前的优选实施方式，但并非用于限制本发明，其中

图1是填充机中加热室的示意图，具有本发明的浓度测定设备，

图2是图1所示设备的剖视图，以及

图3是填充机中加热室的另一示意图，具有按照本发明的设备。

具体实施方式

图1中，示出了机器10按照预先确定的过程由包装层压板的管(未示)制造包装件。该包装层压板是先前所述的类型，即，其包括纸的芯层、铝质气体阻挡层和热塑性材料的外层，并且也可以是类似的包装材料，例如，具有额外的层或者没有铝层。如先前所述，该管是通过在重叠状态密封包装层压板卷材12的纵边而形成。在成形后，将管填充所需产品，并且以有规律的间隔横向密封。因此所形成的“枕”从该管的剩余部分分开并最终形成所需的形状。管的连续成形、填充和密封是公知的，在这里将不再详细描述。

在管成形之前，灭菌包装材料卷材12。为此，由引导辊14和16将卷材12引导通过包含过氧化氢溶液的浴18。例如，该浴可以是在申请人的中国专利申请200510069635.8和200510133873.0中描述的任何类型，其可应用于此。

离开该浴18后，卷材12在两个橡胶刮板辊20之间通过，用于均匀地将过氧化氢溶液散开在整个卷材12的宽度并且去除多余的过氧化物。然后，带有过氧化氢溶液液滴的卷材12，借助引导辊22、24引导通过加热室26，用于通过蒸发进一步去除过氧化氢。卷材12通过入口开口28进入加热室26并经过出口开口30离开加热室。

灭菌或加热室26包括使应用在该卷材12上的过氧化氢溶液蒸发的加热装置，在图1中用虚线的方框和标号32示意性地说明。该加热装置32，可为如申请人的中国专利申请200510069630.5所述的类型，用于将热无菌空气引入该加热室。热空气意味着空气的温度足够高以完成所用灭菌剂(这里是过氧化氢)的蒸发。离开加热室26后，卷材12在管成形、填充和密封之前经过中间室34。该加热装置因此包括用于向该加热室26提供空气的方式，如风扇等(未示)。

为了实现对卷材12的正确灭菌，仔细地控制该加热室内的环境是非常重要的。具体地，需要频繁测量该加热室26内气体混合物中过氧化氢浓度，该气体混合物包括空气和通过加热室26时从包装层压板蒸发出来的气态过氧化氢。加热室内的过氧化氢浓度取决于许多不同的参数，如浴18的溶液中的过氧化氢浓度，浴中溶液的消耗量和进入该室的热无菌空气流量。如果该加热室内过氧化氢浓度过高，就存在当卷材离开该加热室时在卷材上有超过允许量的过氧化氢剩余的风险。另一方面，如果该加热室内过氧化氢浓度过低，就存在当卷材离开该室时不能充分灭菌的风险。如果过氧化氢浓度不在预定的限度内，最好调整机器的设置。

据此，该加热室26进一步具有设备36、68、100，用于确定该加热室26内气体混合物中过氧化氢的浓度，所述设备在图2中详细描述。该设备100包括壳体101，容纳测量催化剂的装置或浸入贵金属溶液(如铂溶液)的陶瓷材料体形式存在的催化剂102。该催化剂体可具有矩形平行六面体的外部形状。具有大体方形截面的、在矩形平行六面体的纵向并排排列的通道填满整个催化剂102内部。这个结构赋予该催化剂102在横向具有类似格子的截面。环形或其他类似截面的催化剂体也是可能的，同样其中的通道具有环形等截面。在一个实施例中，该催化剂体102是由具有良好导热性的材料如金属等制成的。这减少了X方向的热辐射并且提高了测量的可靠性。

该催化剂102被由例如不锈钢等制成的外壳101围绕。在该外壳101的上游端，安装第一端片103。在一个实施例中，该第一端片103是由绝缘材料制成的，如聚合体等。在图2中，该催化剂102通过收缩软管104固定于该第一端片103，该软管包围该催化剂体102并且终止于该催化剂体的出口。该收缩软管104将围绕的绝缘体105与该催化剂体102隔开，避免它们接触，并且还允许该催化剂体102固定在距该第一端片103一定距离处。该外壳101在下游端连接到第二端片106，该第二端片106转而连接到将废气排出设备100的管道110。为了绝缘的目的，在外部外壳101和该催化剂102之间也可能存在空气间隙。

第一温度计107位于距离该催化剂体102入口的上游一定距离处。第二温度计108位于进入该催化剂体102一定距离处，并且，在一个实施例中，从该催化剂的上游或者下游插入该催化剂102的一个通道内。在所示的实施方式中，该第一端片103、该外壳101和该第二端片106通过螺杆和螺母109连接在一起，在图2中由虚线指明。在一个实施方式中，风扇等(未示)安装在该设备100的上游端或者下游端，用于驱使气流通过该设备100。在另一个实施方式中，该气流是由该入口和出口之间的压力差驱动的。

在所示的实施方式中，该第一温度计107位于该设备100的入口120，并因此测量进入该设备的气体的温度。因此，这个温度计还可以位于该设备100的外侧，但是优选地十分靠近该设备100。该第二温度计108位于总长度L的催化剂体102内一定距离λ。该特定的距离λ应当在某个范围内，由最初的校准测量给出。在一个实施方式中，该距离λ大约是总长L的15-45％，在另一个实施方式中，该距离λ大约是总长L的20-40％，以及在又一个实施方式中，该距离λ大约是总长L的30％。在一个实施方式中，该催化剂体102的总长是100mm。

第二温度计108的最佳位置取决于质量流量，并且如果基本上全部所进入的可氧化物质(例如，过氧化氢)在测量点被氧化是有利的。选择最佳点位置的步骤如下：a)引入具有平均浓度的可氧化物质流(例如，过氧化氢)以允许的最小质量流量通过催化剂(102)，b)测量催化剂(102)中最高温度的纵向位置，沿该催化剂(102)的中心轴测量，c)将通过催化剂(102)的可氧化物质的质量流量增加到允许的最大的程度，而不改变该浓度，d)测量催化剂(102)中最高温度的纵向位置，沿该催化剂(102)的中心轴测量，e)将最佳纵向位置预测为上面两个纵向位置的平均。

该设备100具体布置为，该收缩软管104维持该催化剂体102几乎在该外壳101内浮动，减少损失到周围的热量。该第二温度计108在该催化剂体102内的位置去除了该测量点周围大量的渐变热辐射。这提高了精确度。

所选择的用于第二温度计108的点可以在进入的过氧化氢(在最小和最大质量流量)完全分解的区域的中心。为找到该点，可进行顺次的校准测量。在这个区域内，对于最小和最大程度内的质量流量，浓度测量设备100是十分精确的。当催化剂102老化，测量该第二温度的最佳位置向该出口移动。出于这个原因，如果第二温度计108的位置向出口130稍微偏移，对于找到补偿质量流量的最佳位置是有利的。

该设备36、68、100进一步具有基于该至少两个温度计即107、108的温度测量值计算浓度的装置50。这个装置还可以包括用于存储校准值，或者查询表的存储装置。这个装置可以是简单的处理器或者类似的装置，其能够计算该第一和第二温度之差，然后使用存储的值计算浓度。

在一个实施方式中，该加热室26内较高的压力(见图1)迫使过氧化氢和空气的混合物通过该出口开口30并通过该外壳40，并由此通过该催化剂38、100。由于该浴18的结构，大体上没有气体混合物通过入口开口28离开该加热室26。当该气体混合物经过该催化剂38，过氧化氢按照下面的方程式在发热反应中自然分解成水和氧气：

H₂O₂→H₂O(g)+1/2O₂(g)    ΔH_Dec＝23.44kcal/mol

该浓度测量装置装备有至少两个温度计，距该入口一定距离的第一温度计和进入该催化剂一定距离的第二温度计。在一个实施方式中，该第二温度计非常薄并且可以插入该催化剂体102中的一个通道中。

穿过该催化剂的流动一般是由位于该加热室26内的入口和位于该填充剂的出口内的出口之间的压力差驱动的，其中该出口的压力大大低于该加热室内部的压力。穿过该催化剂的流动还可以由风扇43提供，见图1，其可以电动驱动，或者由等同的方式提供。

由于该催化剂102布置在具有绝缘层105的外壳101内部并且在加热室26内，大部分产生的热量保持在该催化剂102内，导致其中的温度升高。

支配该催化剂内部反应的方程是 $\stackrel{\·}{m}\·c\·h=\stackrel{\·}{m}\·c_p\·\mathrm{\ΔT}+Q_{\mathrm{hl}},$ 其中

是质量流量，c是浓度，h是焓，c_p是具体的热量，以及Q_hl是热量损失。如果催化剂大，那么过氧化氢下降的程度就高。通过使用适当的绝缘体使热量损失最小，该方程变成 $\stackrel{\·}{m}\·c\·h=\stackrel{\·}{m}\·c_p\·\mathrm{\ΔT},$ 其可以化简为c.h＝c_p.ΔT，其中质量流量不再影响该浓度。实验表明，这仅在该催化剂内某个长度区间上是正确的，即在基本上全部的过氧化氢被分解，并且热量损失没有大大降低温度的区域。温度差和浓度之间的准确关系必需通过校准得到。例如，这样的基准测量可以利用质量流量计、量热质量流量计或者类似的精确基准质量流量计，以及UV浓度传感器或者类似的精确浓度测量装置进行。

出于显而易见的原因，不希望将气态的过氧化氢释放出来。出于这个原因，中间室34的出口管52连接到主催化剂54(示意性地说明)，用于过氧化氢在释放之前的分解，见图3。通过在该中间室34内保持比外部更高的压力而驱使该中间室34内的气体混合物通过该出口管52和该主催化剂54，或者通过风扇等。该主催化剂54是催化剂38较大的版本，在这里不再进一步描述。

在图3中，示出机器56，其按照预先确定的工艺工作以由包装层压板管制造包装件。该机器56很大程度上与图1所示及上述的机器完全相同。在下面，尽可能只描述该机器56与该机器10对应部分不同的部分。

该机器56包括加热室58，凭借引导辊62、64将包装层压板卷材60引导通过该加热室，用于通过蒸发去除过氧化氢。该加热室58具有用于引起蒸发的加热装置66，以及用于确定该加热室58内混合气体中过氧化氢浓度的设备68。该设备68包括与上述催化剂38同样类型的催化剂70。该催化剂70由绝缘外壳72包围，该绝缘外壳72由，例如，玻璃和Teflon的混合物、泡沫硅树脂或泡沫Teflon

等制成，在该外壳的径向和纵向具有不良导热性。从图中明显看出，该催化剂以及该绝缘外壳在图1中大体上垂直布置而在图2中大体上水平布置。两种布置均运行良好，并且可以根据该机器区域部分的实体属性而选择。该设备68还可以具有与该设备100完全相同的结构。

该催化剂70和该绝缘外壳72布置在该加热室58内。该外壳72具有出口74，其连接到管道76，该管道76最好是不锈钢的并且导出该加热室58，从而该催化剂70的出口78直接连接到该加热室58的外部，而该催化剂70的入口80直接连接到该加热室58的内部。该机器56进一步包括中间室82，其类似于上述机器10的中间室34。该管道76穿过该中间室82并且恰好进入同样材料的出口管道84。

正如上面所描述的，迫使该加热室内的气体混合物不仅通过该外壳72和该催化剂70，还通过该加热室58的出口开口86。该气体混合物中的过氧化氢至少部分在催化剂70内分解为水和氧气，借此，产生热量而导致这里的温度上升。进一步，如上所述，在整个外壳72存在压降。如果在催化剂上不存在压力差，可以布置单独的装置用于驱动经过该催化剂体(未示)的气流。

如果已知该催化剂70内的温度上升，就能利用上面的方程很容易计算该加热室58内的气体混合物中的过氧化氢浓度。据此，该设备68进一步包括用温度计88，用于测量在该外壳内的该催化剂70的入口80的第一温度，以及该催化剂体70内的第二温度。为了获得该第一和第二温度之间增加的压力差，并最终获得更大的质量流量，管道76可位于该中间室82的出口管道84中。

上面描述的实施方式应当仅仅视作示例。本领域的技术人员认识到所讨论的实施方式可以多种方式进行修改和变化而不偏离本发明的概念。

例如，本发明不限于借助包含过氧化氢的浴灭菌，还可以结合其他用于过氧化氢施加的技术使用，如气体处理、冷凝或喷雾。

上文进一步描述了对连续的包装层压板卷材的灭菌，其具有改进的加热室内过氧化氢浓度控制。当然，本发明可以同等应用于部分成形的包装件的灭菌，比如，如先前描述的具有开口端的纸瓶或者不同类型的塑料瓶，其具有改进的气体处理室内过氧化氢浓度控制。在这样的实施方式中，该气体处理室应当最好包括传送装置，如传送带，用于将该部分成型包装件传送通过该气体处理室。

在本申请中所陈述的温度计可以是任何用来测量温度的设备，如热电偶、热敏电阻、双金属温度计、电阻温度计、红外温度计等。

当然，本发明可以与任何适合的灭菌剂相结合使用，过氧化氢只是例子。同样，取决于所使用的灭菌剂，催化剂可以有任何适合的材料制成，并且可以具有任何合适的设计，上面的组分和结构只是示例。当然，对于外壳也一样，其可以许多不同的方式构造。例如，管状绝缘外壳可以由两个不同直径的同轴塑料管组成，步骤为具有中间空气间隙。

应当强调的是省略了对与本发明无关的细节的描述，并且附图不是按照比例绘制的。

进一步，应当指出这里所使用的词语包装材料是对形成具体包装件所需要的全部材料的一般称谓，例如包装层压板、塑料盖等。

Claims (13)

1.一种用于测量可氧化物质浓度的设备(36、68、100)，所述设备包括具有入口(120)和出口(130)的催化剂(102)，布置为测量邻近该入口(120)的环境温度的温度计(107)，用于驱使该物质流经过该催化剂(43)的方式，其特征在于，具有安装在该催化剂(102)内的第二温度计(108)，以及用于从分别由所述第一(107)和第二温度计(108)测得的第一和第二温度的差计算浓度的装置(50)。

2.根据权利要求1所述的设备(36、68、100)，进一步包括围绕该催化剂(102)的外壳(101)，其引导该物质流朝向该入口(120)和/或离开该出口(130)。

3.根据权利要求1所述的设备(36、68、100)，其中该用于驱使该物质流的方式是在该催化剂(102)的入口(120)和出口(130)之间的压力差。

4.根据权利要求2所述的设备(36、68、100)，进一步在该外壳(101)和该催化剂(102)之间具有绝缘体(105)。

5.根据权利要求2所述的设备(36、68、100)，进一步在该外壳(101)和该催化剂(102)之间具有空气间隙用于绝缘。

6.根据权利要求2所述的设备(36、68、100)，包括位于该入口(120)的由绝缘材料制成的第一端片(103)，该催化剂(102)和/或该外壳(101)固定在该第一端片上。

7.根据权利要求6所述的设备(36、68、100)，其中该催化剂(102)通过收缩软管(104)连接到该第一端片(103)，所述催化剂(102)布置为距该第一端片(103)些许距离。

8.根据权利要求6所述的设备(36、68、100)，其中整个催化剂(102)由该收缩软管(104)覆盖，所述收缩软管(104)从该催化剂(102)的出口(130)朝向该外壳(101)的末端延伸。

9.根据权利要求1所述的设备(36、68、100)，其中用于驱使该物质流经过该催化剂(102)的方式是风扇(43)或其类似物。

10.根据权利要求1所述的设备(36、68、100)，其中该第二温度计(108)安装在距该催化剂(102)的入口一定距离，该距离在该催化剂(102)总长的20％-40％的范围内。

11.根据权利要求1所述的设备(36、68、100)，其中该第二温度计(108)的位置选择为：对于平均浓度，沿该催化剂(102)的中心轴测得的，允许的最小质量流量和允许的最大质量流量的催化剂(102)内最大温度的纵向位置的平均值。

12.用于制造食品包装件的填充机的灭菌室(26、58)，包括按照权利要求1的设备(36、68、100)。

13.用于制造食品包装件的填充机，包括具有按照权利要求1的设备(36、68、100)的灭菌室(26、58)。

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