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Verfahren und Vorrichtung zur Hochfrequenz-Erwärmung und Sterilisierung
von Erzeugnissen in nichtmetallischen Verpackungen Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren zur dielektrischen Erwärmung und Sterilisierung von Erzeugnissen in
nichtmetallischen Verpackungen in einem Hochfrequenzfeld unter Anwendung von äußerem
Druck und auf eine zur Verwirklichung des Verfahrens dienende Anlage, bestehend
aus einem automatischen, stetig wirkenden Fließband zur Erwärmung der vollen Verpackungen
im Hochfrequenzfeld und einem darauffolgenden Fließband zur stufenweisen Abkühlung
derselben. Diese Anlage befindet sich unter Luftdruck in einer luftdicht ábgeschlossenen
Kammer.
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Die bekannten Verfahren und Anlagen zur Er-Erwärmung und Sterilisierung
vom Erzeugnissen in nichtmetallischen Verpackungen dreh dielektrische Hochfrequenswärme
sehen keinen Gegendruck vor, weswegen ihre Anwendung nur auf solche Erzeugnisse
beschränkt bleibt, die bei ihrer Erwärmung in der Verpackung keinen den atmosphärischen
übertreffenden Gegendruck erzeugen. Das sind normalerweise Erzeugnisse, die Flüssigkeit
enthalten und daher ohne äußeren Gegendruck nur bis Temperaturen unter 1000 C erwärmt
werden können. Wenn solche Erzeugnisse auf Temperaturen über 1000 C, beispielsweise
auf 130° C erwärmt werden sollen, ist zum Ausgleich des in der Verpackung entstehenden
Überdrucks ein äußerer Gegendruck aufzuwenden.
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Es ist zwar ein Sterilisierverfahren für verformbare gefüllte und
verschlossene Gefäße bei Gegendruck im Wasserbad in einem Behälter mit unter Druck
befindlichem heizbarem Mantel bekannt. Die gefüllten Gefäße sind dabei im Sterilisierbad
so lange zu halten, bis die von außen zugeführte Wärme die inneren Schichten des
Sterilisiergutes in den Gefäßen erreicht und ein völliger Temperaturausgleich eing
treten ist. Die Gefäße dürfen außerdem erst aus dem Bad genommen werden, wenn sich
Bad und Sterilisiergut auf eine Temperatur abgekühlt haben, bei der die Festigkeit
der Plastikgefäße wieder hergestellt ist.
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Dieser Vorgang ist aber sehr zeitraubend - er dauert über 1 Stunde.
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Gegenstand der Erfindung ist einmal ein Verfahren zur Sterilisierung
von Erzeugnissen in nichtmetallischen Verpackungen mittels dielektrischer Hochfrequenzerwärmung,
bei dem die gefüllten und hermetisch verschlossenen Verpackungen kontinuierlich
unter äußerem Überdruck durch eine luftdicht abgeschlossene Überdruckkammer durchgeführt
werden, in der Erwärmung, Abkühlung und Prüfung der Verpackungen stetig und folgerich,tig
vor sich gehen.
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Zu dem Zweck sind die Hauptbestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
- die Aufnahme-
scbleuse, das sterilisierende Fließband, die Kühleinrichtung, die
Verpackungsprüfeinrichtung und die Ausgangsschleuse - in einer luftdicht abgeschlossenen
Kammer untergebracht.
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Unter nichtmetallischer Verpackung ist eine solche, zu verstehen,
deren Wände (d. h. der sich zwischen den Hochfrequenzelektroden befindende Teil
der Verpackung) aus einem Werkstoff bestehen, der gerisse Isolationseigenschaften
besitzt und in einem Hochfrequenzfeld nur einen kleinen dielektrischen Verlustfaktor
aufweist. Deckel und Boden der Verpackung, d. h. die in unmittelbarer Verbidung
mit den Elektroden stehenden Teile, können sowohl aus einem Isolator als auch teilweise
oder ganz aus Me talll gefertigt sein.
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Das angewandte Verfahren besteht im wesentlichen aus folgendem: Die
mit Erzeugnissen gefüllten und hermetisch verschlossenen, beispielsweise zylindrischen
Verpakzunge mit Wänden ulld; Böden aus Glas oder geeigneter Plaste und mit metallischen
Deckeln gelangen; in das Hochfrequenzfeld, weber der Inhalt auf Temperaturen zwischen
60 und 150° C, vorzugsweise auf 85 bis 1250 C, erwärmt und die Verpakkungen einem
äußeren Druck von 1 bis 5 kg/cm2,
vorzugsweise zwischen 1 und 3
kg/cm2, ausgesetzt werden.
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Solange die Erwärmung bzw. Sterilisierung dauert, erfahren die Verpackungen
durch die sie einzeln umfassenden Elektroden zweierlei Bewegungen: eine geradlinig
fortschreitende und eine erzwungene axiale Drehbewegung.- Die erzwungene Drehbewegung
bezweckt, eine gleichmäßige Erwärmung des Verpackungsinhalts iu begünstigen. Nach
erfolgter Erwärmung bzw. Sterilisierung werden die hermetisch verschlossenen Verpackungen
auf einem in der gegen die Außenluft abgedichteten Kammer sich befindenden Fließband
stufenweise abgekühlt.
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Die hochfrequente Spannung liegt innerhalb des Bereichs von 1 bis
300 MHz, vorzugsweise zwischen 10 und 60 MHz.
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Eine beispielsweise Ausführung der Vorrichtung zur Verwirklichung
des- erfindungsgemäßen Verfahreis ist an Hand der'Figuren-näher erläutert, die im
einzelnen darstellen in F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt durch die ganze
Vorrichtung, F i g. 2 einen schematischen Querschnitt durch die Aufnahmeschleuse,
Fig.3 einen schematischen Längsschnitt durch den Sterilisator, F i g. 3 a die Verwirklichung
der erzwungenen Drehbewegung der Elektroden, F i g. 4 einen grundsätilichen Aufbau
eines Elektrodenpaares, F i g. 5 einen grundsätzlichen Aufbau einer Steuerung, Fig.
6 einen grundsätzlichen Aufbau einer Verpackungsprüfeinrichtung.
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Die erfindungsgemäße Erwärmungs- und Sterilisierungsvorrichtung stellt
eine luftdicht verschlossene, unter ständigem Überdruck sich befindende Kammer I
dar, die nach dem technologischen Fertigungsgang folgende Einrichtungen enthält:
Aufnahmeschleuse II, Sterilisator III, dreiteilige Kühleinrichtung IV1, IV2 und
IV3, VerpackungsprüfeinrichtungV und AusgangsschleuseVI (Fig. 1). Dieser Aufbau
ermöglicht es, die Erwärmung und Abkühlung in einem vollkommen automatisierten,
stetigen, in einem Aggregat zusammengefaßten Arbeitsgang durchzuführen.
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Die gefüllten und hermetisch verschlossenen Verpackungen werden .
vom Förderband in die Aufnahmeschleuse II gegeben. Die in Trommelbauweise ausgeführte
Aufuahmeschleuse besteht aus dem Rotor (die Trommel) (Fig.2), an dessen Umfang einige
halbzylindrische Aussparungen 2 zur Aufnahme der Verpackungen vorgesehen sind Der
Rotor 1 befindet sich in dem mit den Deckeln 4 verschlossenen Gehäuse 3. Der auf
der Welle 7 aufgekeilte Rotor ist in bezug auf das Gehäuse radial mit zwischen den
Aussparungen angeordneten, von Fe dern nach außen gedrückten Schiebern 5 und axial
mit flachen Ringen 6 abgedichtet. Das Gehäuse 3 hat zwei Öffnungen - eine Eingangs-
8 und eine Ausgangsöffnung9. Die Aufuahmeschleuse ist gänzlich in der Kammer 1 .
angeordnet, so daß der in der Kammer herrschende Druck die die seitliche (axiale)
Abdichtung des Rotors 1 unterstützt. Analog ist auch der Aufbau der Ausgangsschleuse
VI. Die Schleusen sind dazu bestimmt, die Verpackungen in den Raum mit höherem Druck
einzuführen und aus diesem heraus in dem Raum mit niedrigerem Druck heran-
zuführen,
ohne den in der Kammer herrschenden Druck wesentlich zu beeinträchtigen.
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Von der Aufnahmeschleuse II fallen die Verpakkungen auf die Aufhahmeplatfform
10, wo sie von den Elektroden II des Sterilisators III erfaßt werden.
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Der Sterilisator. (F i g. 3) besteht aus - endlosen Bändern 12, die
in an sich bekannter Weise vom Elektromotor 13 über das stufenlos regelbare Drehzahlgetriebe
14 in Bewegung gesetzt werden. Auf der ganzen Länge eines jeden Bandes sind eine
ganze Anzahl Elektroden 11 und 11 a (F i g. 4) angeordnet, die sich mit dem Band
bewegen. Jedes Elektrodenpaar besteht aus einer axial beweglichen, 11, und einer
axial unbeweglichen Elektrode ills. Die zentrale, durch die rotierende Abdichteinrichtung
52 führende Druckluftleitung speist den Druckluftzylinder 16, dessen Kolben 15 die
axial verschiebbare Elektrode 11 bewegt (F i g. 3). An der Kolbenstange 17 ist die
durch den Hochfrequenzisolator23 von der Kolbenstange 17 isolierte Konfaktscheibe
befestigt. Im Zylinder 16 befindet sich die Rückführfeder 19, deren Wirkung die
Rückwärtsbewegung der axial verschiebbaren Elektrode bedingt. An der rechten Stirnseite
des Zylinders 16 ist der Druckluftverteilkopf 20 mit dem Verteiler 21 befestigt.
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Wenn der Verteiler 21 die in Fig.4 angedeutete Stellung einnimmt,
verschiebt die in den Zylinder einströmende Druckluft den Kolben 15 nach links,
und die Kontaktscheibe 18, drückt die.Verpackung gegen die unbewegliche Elektrode
11 a Die axial unbewegliche Elektrode 1Pa besteht aus der Kontaktscheibe 22, die
=mittels des Hochfrequenzisolators 23 auf der Welle 24 befestigt ist. Auf der Welle
24 (F i g. 3 a) ist das Zahnrad 25 befestigt, das bei seiner Bewegung,- entlang
der Zahnstange26 die Kontaktscheibe2Z~dreht, welche ihrerseits die von den Elektroden
umfaßte Verpackung in Drehung versetzt. Die Hochfrequenzspannung wird von der Stromschiene
27 über den federnden Gleitkolben 28 und den Kontaktfinger 29 dem an der Scheibe
22 bzw. 18 unbeweglich befestigten Kontaktzylinder 30 zugeführt. Durch, die beschriebene
Anordnung der Elektroden bekomst - die zwischen ihnen eingeklemmte Verpackung zu
ihrer geradlinigen auch eine Drehbewegung um ihre eigene Achse. Der vom Hochfrequenzgenerator
31 (F i g. 1) kommende Hochfrequenzstrom wird der Stromschiene 27 durch den Stromleiter
32, der ein koaxiales Kabel, eine Speiseleitung od. dgl. sein kann, zugeführt. Die
Stromschienen 27 können aber eine - uon ihnen und die mit ihr verbundene Elektrode
geerdet sein. In diesem Fall erübrigten sich die Kontakteinrichtungen 28, 29 und
30 für diese Elektrode.
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Um das Feuern bei der Berührung und Trennung der Schienen 27 von
den Gleitkolben 28 zu vermeiden, werden die Gleitkolben 28 von den Schienen schnell
getrennt; der Trennung geht ein elektrischer Steuerimpuls vom Steuergerät 34 zum
Generator zur Einstellung der Hochfrequenzschwingung voraus.
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Die auf die beschriebene Weise den Elektroden zugeführte Hochfrequenzspannung
baut in den zwischen denselben eingefaßten Verpackungen ein Hochfrequenzfeld auf.
Der Inhalt der sich im Hochfrequenzfeld befindenden Verpackungen erwärmt sich je
nach seinen elektrischen Eigenschaften und erreicht die erforderliche Temperatur.
Die erforderliche Erwärmungstemperatur und -dauer- lassen sich sowohl mit Hilfe
des stufenlosen Drehzahlgetriebes
14 als auch mittels der Frequenz
und Spannung des Hochfrequenzstroms ändern, wodurch die Leistungsfähigkeit der Anlage
in weiten Grenzen zu variieren ist. Um eine unterbrochene (intennittierende) Erwärmung
zu erhalten, können die Schwingungen des Hochfrequenzgenerators mittels Impulse
vom Steuergerät 34 periodisch unterbrochen werden. Das Verhältnis der Zeitdauer,
während der al den Schienen 27 die Hochfrequenzspannung fehlt, zur Zeitdauer, während
der ein Elektrodenpaar den ganzen Weg dhtlang den Schienen 27 passiert, läßt sich
ändern, wobei der günstigste Wert zwischen 0 und 0,5 liegt.
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Dieses Verhältnis ist am Steuergerät 34 einstellbar.
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Das an der Vorderseite des Sterilisators befindliche Steuergerät
33 (F i g. 5) besorgt die axiale Verschiebung der beweglichen Elektrode 11. Ein
gleiches Steuergerät 34 befindet sich auch am Ausgang des Sterilisators. Das Steuergerät
am Eingang des Sterilisators hat die Aufgabe, elektrische Steuerimpulse zu liefern,
die vom elektropneumatischen Verteiler 35 mit bekannter Konstruktion (F i g. 3)
in pneumatische Steuerimpulse verwandelt und dem Nocken 36 mitgeteilt werden. Der
Nocken 36 betätigt das Druckluftventil 21 der beweglichen Elektrode i1, die die
entsprechende Verpackung hält. Mit Hilfe von Steuerimpulsen aus dem Steuergerät
34 werden die Verpackungen von den Elektroden befreit, wobei nach Auslassen der
Druckluft aus dem Zylinder 16 die Rückführfeder 19 die Elektrode in die Ausgangsstellung
zurückschiebt.
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Das Steuergerät (Fig.5) ist ein Bestandteil der Programmfernsteuerung.
Es bestimmt die Reihenfolge und Dauer der einzelnen Arbeitstakte während der Erwärmung
bzw. Sterilisierung durch Steuerimpulse mit verschiedener Dauer und Reihenfolge
nach vorher aufgestelltem Programm. Das Gerät besteht aus zwei Scheiben 37 und 38,
an deren Umfang Nocken angeordnet sind. Die Nocken der Scheibe 37 haben eine, diejenigen
der Scheibe 38 andere Form und gegenseitige Lage. Die Scheibe 37 bekommt ihre Bewegung
vom treibenden Zahnrad 39, während die Scheibe 38 über die Zahnräder 40 und 41 angetrieben
wird. Die Nocken haben folgende Form: Sie beginnen mit einer geneigten aufsteigenden
Ebene, die nach Erreichen des Höhepunktes in einen Kreisbogen übergeht, dessen Mittelpunkt
in der Rotationsachse der entsprechenden Scheibe liegt. Bei der Drehung einer jeden
Scheibe um ihre Achse gleitet der federnde Stößel 42 entlang eines Nockens bis zur
Erreichung des Höhepunkts.
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Hier schaltet der Stößel das Steuerorgan - einen Mikroschalter 43
- ein, das die Stirn des elektrischen Steuerimpulses liefert. Solange der Stößel
auf dem Kreisbogen des Nockens gleitet, ändert der Stößel nicht mehr seine axiale
Lage, und der Mikroschalter bleibt eingeschaltet. Sobald der Stößel über den Kreisbogen
hinweggeglitten ist und unter der Wirkung seiner Feder am abfallenden Hang des Nockens
hinuntergleitet, schaltet der Mikroschalter aus, womit der Steuerimpuls beendet
ist.
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Nach Passieren des Sterilisators gelangen die Verpackungen auf das
Förderband 44 (F i g. 1), das sich in Kühleinrichtung befindet. Die Kühleinrichtung
mit an sich bekannter Konstruktion besteht aus einem Umlaufdüsensystem mit den drei
Abschnitten IVt, 1V2 und 1V3 zur stufenweisen Abkühlung der Verpackungen mittels
Wasser von beispielsweise 80, 45 und 150 C.
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Die Verpackungsprüfeinrichtung (F i g. 6) ist eine vollautomatische
Einrichtung zur Ausscheidung der zerbrochenen Verpackungen von den ganzen, wenn
die Sortierung an einer Stelle vor sich geht, zu der das bedienende Personal keinen
Zutritt håt.
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Das Merkmal, das die ganzen von den beschädigten Verpackungen unterscheidet,
ist ihre Länge. Es kommt darauf an, daß kleine Stücke der Verpackung nicht in die
auf die Verpackungsprüfeinrichtung folgenden Einrichtungen gelangen.
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Die Sortierung der Verpackungen erfolgt von mehreren Backenpaaren,
die auf dem sich drehenden Rotor 45 montiert sind. Jedes Backenpaar besteht aus
der beweglichen, 46, und der unbeweglichen Backe 47. Die bewegliche Backe 46 ist
unter der Wirkung der in den Zylinder 48 eintretenden Druckluft axial verschiebbar.
Wenn das entsprechende Backenpaar den Eingang der Verpackungsprüfeinrichtung erreicht
und eine zur aufzunehmenden Verpackung koaxiale Lage einnimmt, wird vom Druckluftverteiler
49 ein Steuerimpuls gegeben, unter dessen Wirkung die verschiebbare Backe 46 sich
axial bewegt, die Verpackung gegen die unbewegliche Backe 47 drückt und infolge
deren Drehung um die Achse der Prüfeinrichtung die Verpackung mitnimmt. Am Ausgang
der Prüfeinrichtung unterbricht der Verteiler den Luftzutritt und verbindet gleichzeitig
den Zylinderraum mit der Atmosphäre der Kammer. Unter der Wirkung der Rückführfeder
rückt die verschiebbare Backe in ihre Ausgangsstellung und gibt die ganze Verpackung
frei. Schadhafte Verpackungen können nicht von den Backen erfaßt werden, da der
Mindestabstand zwischen der verschiebbaren und festen Backe nur wenig kleiner als
die Höhe der Verpackung ist; sie bleiben vielmehr am Eingang liegen. Der Eingang
ist als eine bewegliche Plattform 50 ausgebildet, die die schadhaften Verpackungen
ausscheidet. Wenn das Backenpaar den Eingang der Prüfeinrichtung um beispielsweise
450 passiert hat, erhält die Plattform ein Steuerimpuls vom Druckluftverteiler 49
und kippt um ihre horizontale Achse 50a beispielsweise um 900, wobei die schadhafte
Verpackung in den Ausschußbunker fällt.
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Das ganze von der Prüfeinrichtung ausgeführte Programm wird von einem
selbsttätig wirkenden, ausgeglichenen, in der Prüfeinrichtung eingebauten Druckluftverteiler
49 gesteuert.
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Die ganze Anlage besitzt selbsttätige Zentralschmierung von einer
Druckluftsteuertafel 51 (F i g. 1) aus.