УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОСВАРКИ УПАКОВОЧНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2007 года по МПК B23K13/02 B29C65/04 B65B51/22 

Настоящее изобретение относится к устройству для сварки движущегося упаковочного материала. Упаковочный материал состоит из по меньшей мере одного термопластичного слоя и слоя (например, на основе полимера или выполненного из металла), который может быть нагрет за счет электромагнитной индукции. Устройство содержит генератор переменного тока и обмотку для преобразования переменного тока в магнитное поле. Силовые линии магнитного поля ориентированы таким образом, чтобы пересекать упаковочный материал, в результате чего возбуждаются вихревые токи в металлическом слое, и теплота, получаемая за счет этого явления, используется для плавления участка (сварочной зоны) термопластичного слоя.

В заявке на патент Франции №2073137 фирмы Tetra Pak предложена катушка индуктивности (индуктор) для сварки труб, содержащая ферритовый стержень, чтобы повысить индуктивность в катушке.

В заявке на патент Франции №2429657 фирмы American Can Company предложена катушка индуктивности для сварки труб, отличающаяся тем, что внутренний сердечник, который действует в качестве направляющей при движении труб, содержит расположенный вдоль его длины стержень ферритового типа для того, чтобы обеспечивать локализацию сварки в узкой полосе, ориентированной в направлении движения труб.

Катушка во время формования располагается вокруг трубы.

В патенте США №3242300 фирмы Ohio Crankshaft Company описана катушка индуктивности для спиральной сварки труб. Элементы ферритового типа помещены на каждой стороне свариваемой поверхности так, чтобы обеспечивать сварку по непрерывной кривой.

В этих известных из уровня техники устройствах петли генерируемого катушкой магнитного поля только частично канализируются при помощи ферромагнитных элементов. В результате этого некоторые силовые линии магнитного поля проходят через упаковочный материал в местах, которые не соответствуют сварочной зоне. Неконтролируемый нагрев этих областей может вызывать деформацию упаковочного материала, например создавать волнистость.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка за счет обеспечения нагревания, точно направленного в сварочную зону. В соответствии с настоящим изобретением предлагается устройство для сварки движущегося упаковочного материала, содержащего слой (например, на основе полимера или выполненный из металла), который может быть нагрет за счет электромагнитной индукции, и термопластичный слой, имеющий сварочную зону, которая лежит в направлении движения упаковочного материала, содержащее генератор переменного тока, обмотку (катушку) для преобразования переменного тока в магнитное поле, ферромагнитный элемент для канализирования силовых линий магнитного поля в определенном направлении, причем магнитное поле ориентировано таким образом, чтобы пересекать упаковочный материал для обеспечения нагревания слоя, который может быть нагрет за счет электромагнитной индукции, отличающееся тем, что оно содержит набор ферромагнитных элементов, которые расположены таким образом, что силовые линии магнитного поля пересекают упаковочный материал в по меньшей мере двух отдельных областях, расположенных вдоль сварочной зоны.

Как это обсуждается далее более подробно, нагрев, локализованный в двух отдельных областях, является особенно предпочтительным.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения первый ферромагнитный элемент помещен на одной стороне упаковочного материала, например на внутренней стороне упаковки в ходе формования. Первый ферромагнитный элемент установлен таким образом, что два его конца расположены в непосредственной близости от двух областей нагрева. В продолжение этих концов, но с другой стороны упаковочного материала предусмотрены соответственно второй и третий ферромагнитные элементы, один из концов которых находится в непосредственной близости от областей нагрева. В результате этого силовые линии магнитного поля вокруг областей нагрева являются канализированными.

В соответствии с наиболее предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения второй и третий ферромагнитные элементы соединены вместе при помощи четвертого ферромагнитного элемента, причем обмотка охватывает либо второй, либо третий, либо четвертый ферромагнитный элемент. Полученный таким образом набор элементов образует ферромагнитный контур, который канализирует петли магнитного поля, наведенного обмоткой.

Следует отметить, что в отличие от известного устройства, описанного в патенте США №3242300, в котором области нагрева идут по кривой, устройство в соответствии с настоящим изобретением предназначено для нагревания двух отдельных областей. Это означает, что при движении упаковочный материал будет подвергаться в его сварочной зоне первому нагреванию, за которым следует после прерывания второе нагревание.

Для того чтобы показать пользу зоны "релаксации", было проведено сравнение двух конструкций устройств нагрева, а именно первого устройства в соответствии с патентом США №3242300, имеющего единственную область нагрева, идущую вдоль длины L, и второго устройства в соответствии с настоящим изобретением, имеющего первую (по длине) область L1 нагрева, за которой следует область L2 прерывания и вторая (по длине) область L3 нагрева.

В первом устройстве:

- L=60 мм.

- Температуру алюминиевого листа устанавливают равной 140°C на выходе индуктора. Экспериментально это осуществляют путем регулировки мощности, подводимой к индуктору.

Во втором устройстве:

- L1=30 мм

- L2=30 мм

- L3=30 мм

- Мощность, подводимая ко второму устройству, равна мощности, подводимой к первому устройству (при одинаковой линейной скорости).

Свариваемый лист главным образом содержит 3 слоя:

- полиэтилен/алюминий/полиэтилен

- 150 мкм / 12 мкм / 75 мкм

Скорость (м/мин)Температура (°C) свариваемого стыка на выходе первого устройстваТемпература (°C) свариваемого стыка на выходе второго устройства20138139401261356011112480103117

Чем выше скорость движения, тем быстрее должна подводиться тепловая энергия. Алюминиевый лист нагревается практически мгновенно. С другой стороны, полимерный слой не нагревается однородно по всей его толщине, когда скорость высока (рассеивание теплоты в полимере является более медленным). Переходная зона "релаксации" (L2) позволяет тепловой энергии от алюминиевого слоя рассеиваться в полимере и, следовательно, снижать температурный градиент между алюминиевыми слоями и свариваемым стыком.

Краткое описание чертежей

Некоторые не имеющие ограничительного характера примеры осуществления изобретения описаны далее со ссылкой на следующие чертежи.

На фиг.1 показан вид спереди первого варианта устройства в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 показан вид спереди второго варианта устройства в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показано поперечное сечение по линии А-А варианта устройства, показанного на фиг.2.

На фиг.4 показан вид спереди третьего варианта устройства в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.5 показано поперечное сечение сварочного стержня в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения.

Аналогичные элементы на всех фигурах имеют одинаковые позиционные обозначения.

На фиг.1 показана труба 1, которая перемещается в нагревательном устройстве. Труба 1 изготовлена из листа, обмотанного вокруг сварочного стержня 23, причем кромки листа наложены друг на друга и свариваются за счет нагревания при их прохождении через нагревательное устройство. Стенка трубы 1 состоит из по меньшей мере одного металлического слоя и одного термопластичного слоя. Как уже было упомянуто здесь ранее, наличие металлического слоя необходимо для того, чтобы возбуждать тепловыделяющие вихревые токи, которые используются для расплавления участка термопластичного слоя и в результате создают сварное соединение.

В данном примере сварочная зона 2 вытянута в направлении движения трубы 1.

Нагревательное устройство содержит первый ферромагнитный стержень 7, например изготовленный из феррита, встроенный в сварочный стержень 23 и расположенный внутри трубы 1 в непосредственной близости от сварочной зоны 2. Второй 8 и третий 10 ферромагнитные стержни расположены над первым стержнем 7 таким образом, что один конец второго стержня 8 расположен напротив одного конца первого стержня 7 и служит его продолжением, а один конец третьего стержня 10 расположен напротив другого конца первого стержня 7 и служит его продолжением. Второй 8 и третий 10 стержни охвачены соответствующими обмотками 3, 5.

Расположение трех стержней 7, 8, 10 в виде буквы U позволяет обеспечить по существу локализованный нагрев областей 14 и 16, причем первая область 14 образована между одним концом первого стержня 7 и одним концом второго стержня 8, а вторая область 16 образована между другим концом первого стержня 7 и одним концом третьего стержня 10. Расстояние, образовавшееся между двумя парами концов, может варьироваться в диапазоне, превышающем толщину свариваемого листа упаковки в 2-200 раз, а преимущественно - в 2-50 раз.

Таким образом, для любой точки, расположенной на трубе 1 в ее сварочной зоне 2, первый нагрев имеет место в области 14, расположенной между одним концом первого стержня 7 и одним концом второго стержня 8. За этим следует период отсутствия нагревания, после чего имеет место новый нагрев в области 16, расположенной между другим концом первого стержня 7 и одним концом третьего стержня 10.

Устройства, показанные на фиг.2-4, подобны устройству, показанному на фиг.1. Однако они отличаются тем, что набор ферромагнитных элементов образует замкнутый контур, вследствие чего канализируются все петли силовых линий магнитного поля.

Второй 11 и третий 12 ферромагнитные стержни соединены вместе при помощи четвертого стержня 13, расположенного параллельно направлению движения трубы 1. Четвертый стержень охвачен обмоткой 6.

Обмотка 6 может быть также расположена вокруг второго 11 или третьего 12 ферромагнитного стержня.

Устройство, показанное на фиг.4, отличается от устройства, показанного на фиг.2, только тем, что первый стержень 7 заменен группой из трех стержней 19-21, установленных поочередно на каждой стороне стенки трубы 1, причем концы стержней 19-21 попарно перекрыты друг с другом в зонах 22.

Известные сварочные стержни чаще всего состоят из стального сердечника, охваченного пластиковой втулкой.

Наличие ферромагнитных стержней (7, 19, 20) в сварочном стержне 23, вне всякого сомнения, позволяет канализировать большую часть силовых линий магнитного поля внутри стержней.

Однако может случиться так, что некоторые силовые линии магнитного поля проходят также через пластиковую втулку, в результате чего нагрев в сварочных зонах ухудшается.

Для того чтобы снизить до минимума или даже устранить этот недостаток, сварочный стержень 23 может состоять исключительно из материала, образующего экран, такого как медь или алюминий.

Альтернативно (см. фиг.5), сварочный стержень может иметь стальной сердечник 26, охваченный пластиковой втулкой 25, которая сама охвачена оболочкой 24, изготовленной из меди или из алюминия, причем ферромагнитные стержни (7, 19, 20) расположены исключительно во внешней оболочке 24 и в пластиковой втулке 25. Конечный результат аналогичен предыдущему сценарию, а именно, медный или алюминиевый элемент действует как экран для силовых линий магнитного поля.

Следует отметить, что настоящее изобретение может быть применено для любого слоистого материала, который содержит по меньшей мере один металлический лист (например, изготовленный из алюминия) и один термопластичный лист.

В качестве не ограничительного примера слоистых материалов, которые могут быть использованы, можно упомянуть следующие комбинации (описанные в направлении снаружи внутрь трубы).

1) (Белая) полиэтиленовая пленка толщиной 130 мкм - (белый) полиэтилен толщиной 27 мкм - (белый) сополимер толщиной 16 мкм - алюминиевый лист толщиной 12 мкм - (прозрачный) сополимер толщиной 30 мкм - специальная (прозрачная) полиэтиленовая пленка толщиной 60 мкм.

2) (Белый) полиэтилен толщиной 90 мкм - (белый) сополимер толщиной 65 мкм - алюминиевый лист толщиной 40 мкм - (прозрачный) сополимер толщиной 40 мкм - специальный (прозрачный) полиэтилен толщиной 75 мкм.

3) (Белый) полиэтилен толщиной 110 мкм - (белый) сополимер толщиной 45 мкм - алюминиевый лист толщиной 40 мкм - (прозрачный) сополимер толщиной 40 мкм - специальный (coex) полиэтилен толщиной 75 мкм.

Устройство может быть использовано для сварки движущегося упаковочного материала, содержащего слой, который может быть нагрет за счет электромагнитной индукции, например металлический, а также термопластичный слой. Устройство содержит генератор переменного тока и обмотку для преобразования переменного тока в магнитное поле, пересекающее упаковочный материал. Ферромагнитные элементы канализируют силовые линии магнитного поля в определенном направлении и расположены так, что силовые линии магнитного поля пересекают упаковочный материал в по меньшей мере, двух отдельных областях вдоль сварочной зоны. Устройство обеспечивает контролируемое направление нагрева точно в сварочную зону без образования деформации упаковочного материала. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для сварки движущегося упаковочного материала (1), содержащего слой, который может быть нагрет за счет электромагнитной индукции, и термопластичный слой, имеющий сварочную зону (2), которая простирается в направлении движения упаковочного материала, содержащее генератор переменного тока, обмотку (3, 5, 6) для преобразования переменного тока в магнитное поле, ферромагнитные элементы для канализирования силовых линий магнитного поля в определенном направлении, причем магнитное поле ориентировано таким образом, чтобы пересекать упаковочный материал (1), для обеспечения нагревания слоя за счет электромагнитной индукции, отличающееся тем, что ферромагнитные элементы (7, 8, 10-13, 19-21) расположены таким образом, что силовые линии магнитного поля пересекают упаковочный материал (1) в, по меньшей мере, двух отдельных областях (14, 16-18), расположенных вдоль сварочной зоны (2).2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый ферромагнитный элемент (7) расположен с одной стороны упаковочного материала (1), так что каждый из его концов расположен в непосредственной близости от одной или другой из указанных отдельных областей (14, 16-18), а второй и третий ферромагнитные элементы (8, 10-12) расположены с другой стороны упаковочного материала (1), так что один из концов второго элемента расположен в непосредственной близости от одной из указанных отдельных областей (14, 16-18), а один из концов третьего элемента расположен в непосредственной близости от другой из указанных отдельных областей (14, 16-18).3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что концы трех ферромагнитных элементов (7, 8, 10), расположенные в непосредственной близости друг от друга с двух сторон свариваемого слоя, разделены расстоянием, которое в 2-200 раз, а преимущественно в 2-50 раз превышает толщину свариваемого слоя.4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что второй (8, 10-12) и третий (8, 10-12) ферромагнитные элементы охвачены обмотками (3, 5, 6).5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ферромагнитные элементы (19-21) расположены поочередно с одной и другой стороны упаковочного материала в непосредственной близости от него таким образом, что один конец одного ферромагнитного элемента расположен над или под концом другого ферромагнитного элемента.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ферромагнитные элементы (7, 8, 10, 11, 19-21) образуют ферромагнитный контур, причем обмотка (6) охватывает ферромагнитный элемент.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит один или несколько магнитных экранов, расположенных между несмежными ферромагнитными элементами (7, 8, 10, 11, 19-21).8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть ферромагнитных элементов (7, 19, 20) введена в сварочный стержень 23, который содержит экранирующий элемент, изготовленный, например, из меди или алюминия и расположенный таким образом, чтобы удерживать силовые линии поля в ферромагнитных элементах (7, 19, 20).