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Dokumentenidentifikation DE69315527T2 02.04.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0591001
Titel Vorrichtung zur Sterilisation von Kartonverpackungen
Anmelder Tetra Laval Holdings & Finance S.A., Pully, CH
Erfinder Sizer, Charles E., Hawthorn Woods Illinois, US;
Erickson, Terry D., St. Paul Minnesota 55108, US;
Manley, Terrence F., St. Paul Minnesota 55102, US
Vertreter Zumstein & Klingseisen, 80331 München
DE-Aktenzeichen 69315527
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 01.10.1993
EP-Aktenzeichen 933078222
EP-Offenlegungsdatum 06.04.1994
EP date of grant 03.12.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.04.1998
IPC-Hauptklasse B65B 55/08

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft eine Maschine zum Befüllen und Abdichten von Kartons mit Nahrungsmittelprodukten, und insbesondere eine Maschine zum Sterilisieren des Innern von Kartons vor dem Befüllen.

Milch oder Fruchtsaft wird typischerweise in Kartons verpackt, die sterilisiert wurden, um die Haltbarkeit des jeweiligen Inhalts unter Kühlung zu verlängern. Wenn Milch oder Fruchtsaft unter aseptischen Verpackungsbedingungen verpackt wird, ist der Inhalt in der Lage, für eine lange Zeitdauer bei Raumtemperatur, ohne zu verderben, gelagert zu werden. Beide dieser Verpackungsprozesse erfordern eine effektive Sterilisation des Innern des Kartons, bevor er befüllt wird.

Milch oder Fruchtsaft enthaltende aseptische Verpackungen können bei Raumtemperatur für lange Zeitperioden deshalb gelagert werden, weil die Bakterien, die zum Verderben des Produkts führen würden, im Verpackungsprozeß abgetötet wurden. Verschiedene Verfahren und Vorrichtungen sind entwickelt worden, um Milch oder Fruchtsaft unter aseptischen Bedingungen zu verpacken. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 4 375 145 eine aseptische Verpackungsmaschine mit einem Förderer, auf welchem vorgeformte Kartons unter Ultraviolett-Keimabtötungslampen vorrücken, um das Innere der Kartons der Ultraviolett(UV)strahlung auszusetzen. Außerdem kann das Innere der Kartons mit einer keimabtötenden Lösung ausgespritzt werden, wie etwa Wasserstoffperoxid, bevor sie unter den Ultraviolettlampen hindurchgeschickt werden.

Die Verwendung von Lampen hoher Intensität erfordert das Bereitstellen eines schnellen Abblend- bzw. Verschlußsystems aus Sicherheitsgründen sowie um eine Überhitzung der Kartons zu vermeiden. Während des normalen Betriebs ist die UV-Lampe in der Füllmaschine eingeschlossen, wodurch verhindert wird, daß die Bedienperson Uv-Lichtstrahlen ausgesetzt wird. Wenn die Füllmaschine klemmt bzw. einen Stau aufweist, oder wenn aus demselben Grund die Bedienperson die Türen zur Fülleinrichtung öffnen muß, müssen bestimmte Mechanismen vorgesehen sein, um die Belastung durch das UV-Licht zu minimieren. Das UV-Licht kann entweder ausgeschaltet bzw. abgeblendet werden. Ausschalten des Lichts erfordert eine lange Startzeit, während das Abblenden einen Schutz für die Bedienperson ohne Zeitverlust beim Wiederstarten bereitstellt.

Das US-Patent Nr. 4 289 728 offenbart ein Verfahren zur Sterilisation der Oberflächen von Lebensmittelbehältern und anderen Materialien durch Auftragen einer Wasserstoffperoxidlösung, gefolgt durch Ultraviolettbestrahlung. Dieses Patent erläutert, daß die Spitzenwertintensität der Ultraviolettstrahlung bei einer Wellenlänge von 254 Nanometer auftritt. Die Konzentration der Wasserstoffperoxidlösung beträgt weniger als 10 Gew.-%, und außerdem wird die Wasserstoffperoxidlösung während oder folgend auf die Bestrahlung erwärmt.

Die aktuelle Technologie unter Verwendung von Ultraviolett(UV)sterilisation von Kartons ist durch die geringe Intensität der UV-Lampen beschränkt, die verwendet werden können. Die UV-Ausgangsleistung im Bereich von 0,1 bis 1 W/cm² ist bislang als "Hochintensitätstäts"-Quelle zur Sterilisation von Verpackungen angesehen worden (Maunder, 1977). Niederenergielampen von 0,1 bis 1,0 W/cm² können konvektionsgekühlt werden und sind bei der Sterilisation flacher Oberflächen in unmittelbarer Umgebung der Lampe wirksam.

Jüngste Entwicklungen auf dem Gebiet von Mitteldruck-Quecksilber-UV-Lampen mit hoher Ausgangsleistung haben zu einer erhöhten Lichtausgangsleistung von 50 bis 250 Watt pro Inch bzw. Zoll Röhren- bzw. Kolbenlänge geführt (17-85 Watt/cm²). Dieser Lampentyp hat eine lange zylindrische Quarzglasröhre, die einen Mitteldruckquecksilberdampf mit Elektroden an den gegenüberliegenden Enden der Röhre enthält. Der hohe Energieverbrauch dieser Lampen erfordert die Verwendung eines aktiven Kühlsystems, um eine Überhitzung der Lampe zu verhindern, und um die Lampe wieder starten zu können, nachdem sie vorübergehend abgeschaltet wurde. Kühlsysteme bestehen üblicherweise aus einem Quarzring, welcher die Lampe umgibt und durch den Luft oder Wasser umgewälzt wird.

UV-Sterilisation hat sich als geeignet zur Sterilisation flacher Filme bzw. dünner Schichten erwiesen, sie hat jedoch eine begrenzte Anwendbarkeit auf vorgeformte winkelige Behälter (Maunder, 1977) aufgrund geometrischer und physikalischer Beschränkungen, die mit dem UV-Licht verbunden sind. Wenn eine einfache UV-Lampe in ummittelbarer Umgebung oberhalb eines vorbestimmten Behälters angeordnet wird, wie etwa einem Karton mit Giebeloberteil, wird der Sterilisationswirkungsgrad aufgrund verschiedener Gründe ernsthaft eingeschränkt. Der gesamte Lichtfluß, der in den Karton eintritt, ist auf Licht beschränkt, das durch die Kartonöffnung gerichtet werden kann, die im Fall typischer Kartons mit Giebeloberteil 55 x 55 mm, 70 x 70 mm oder 95 x 95 mm groß ist. Von einer Linienstrahler-UV- Lampe emittiertes Licht weist einen Intensitätsverlust auf, der quadratisch zum Abstand von der Lichtquelle verläuft. Wenn die Tiefe des Kartons zunimmt, nimmt deshalb die Lichtintensität dramatisch ab.

Ein weiteres Problem beim Sterilisieren dieser Kartons mit UV- Licht besteht darin, daß das Licht in den Giebel des Kartons eintritt und in Richtung auf den Boden im wesentlichen parallel zu den Seiten des Kartons ausstrahlt. Die keimabtötende Wirkung des Lichts, das auf die Seiten auftrifft, ist aufgrund des kleinen Einfallswinkels sehr niedrig. Die Seiten der Kartons stellen deshalb die Oberflächen dar, die am schwierigsten zu sterilisieren sind, insbesondere bei großen Kartons. Wenn die Kartons auf dem Förderer positioniert sind, liegen zwei Seiten des Kartons in einer Ebene, die parallel zur Lampenachse verläuft, während die anderen zwei Seiten quer zur Lampenachse verlaufen. Da die Lampe länglich ist, trifft Strahlung auf die Querseiten des Kartons mit einem größeren Einfallswinkel auf als auf die parallelen Seiten des Kartons. Im Fall einer einzigen UV-Lampenquelle über dem Zentrum eines rechteckigen Kartons von 70 x 70 x 250 mm würde die effektive bzw. wirksame Lichtintensität am Boden des Kartons auf 13,9% der maximalen Intensität bei diesem Abstand von der Quelle verringert werden. Die Kartonseiten quer zur Lampenachse empfangen Licht von der gesamten Länge der Röhre. Von dem Lampenreflektor auf der Seite in Gegenüberlage zu der parallelen Kartonwand herrührendes Licht hat einen maximalen Einfallswinkel und dadurch eine Intensität gleich 27,0% der Lampenintensität.

Eine typische Anordnung für ein zylindrisches UV-Lichtsystem weist eine einfach gespiegelte Lampe in einer wassergekühlten Hülle auf, die in einem abgeblendeten Reflexionsgehäuse angeordnet ist. Diese Anordnung ist zur Sterilisation von flachen Oberflächen und einigen kleinen bzw. schmalen Kartons geeignet; die Intensität des Lichts fällt jedoch rasch mit zunehmender Entfernung von der Röhre ab, so daß es nicht zum Sterilisieren großer Kartons geeignet ist.

Die EP-A-0 065 380 offenbart eine Maschine zum Befüllen, Verschließen und Abdichten von Behältern, wobei die Behälter durch die Maschine auf dem Förderer getragen und vorgerückt werden, wobei die Maschine eine Ultraviolett(UV)-Sterilisationslampe oberhalb des Förderers sowie derart positioniert aufweist, daß UV-Licht in das Innere der Behälter auf dem Förderer gerichtet wird, bevor sie befüllt werden, mit einem länglichen Gehäuse, das mit dem Förderer ausgerichtet ist, einem Reflektor und einer röhrenförmigen UV-Lampe, die zumindest teilweise durch den Reflektor umschlossen ist, und einer Kühleinrichtung im Gehäuse zum Kühlen des Reflektors zur Erzielung einer optimalen Lichtemission von der Lampe.

Obwohl diese Verfahren und Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik zufriedenstellende Ergebnisse für flache Filme bzw. Dünnschichten bereitstellen, sind sie weder wirksam noch effizient, wenn sie zum Sterilisieren vorgeformter Kartons verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von der Offenbarung der EP-A-0 065 380 dadurch, daß es sich bei den Behältern um Pappekartons handelt, und daß der Reflektor eine parabolische Form zum Richten von Licht von der Lampe in Richtung auf den Boden der Kartons auf dem Förderer aufweist, mit ersten und zweiten parabolischen Reflektoroberflächen, wobei die ersten und zweiten Oberflächen jeweils eine Mittenachse und einen Brennpunkt aufweisen, wobei die Mittenachse der ersten Oberfläche die Mittenachse der zweiten Oberfläche unter einem spitzen Winkel (α) schneidet und der Brennpunkt der ersten und zweiten Oberflächen mit dem Lichtbogen in der röhrenförmigen UV-Lampe zusammenfällt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet eine Ultraviolettlampe, die durch Wärmestrahlung auf die gekühlte Oberfläche des länglichen halbparabolischen Reflektors gekühlt wird. Die Gestalt des halbparabolischen Reflektors und die Anordnung der UV-Lampe in bezug auf die Brennpunkte der zwei Teile des parabolischen Reflektors stellen eine UV-Strahlung am Boden des Kartons bereit, die wesentlich größer ist als die bislang durch die Verfahren und Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik erzielten. Die Position der UV-Lampe relativ zu dem Reflektor und die Strömung der Kühlluft über die Rückseite des Reflektors steuert die Betriebstemperatur der Lampe, so daß eine effektivere Oberflächensterilisation erzielt wird.

Ein Merkmal dieser Erfindung ist die Verwendung von zwei halbparabolischen Reflektoren zum Richten des Ultaviolettlichts auf die Seiten der Kartons. Das Positionieren des Ultraviolettlichtbogens der Lampe im Brennpunkt der halbparabolischen Reflektoren erzeugt UV-Licht, das einen größeren Einfallswinkel auf den Seiten des Kartons und eine größere UV-Lichtintensität auf den Seiten und am Boden des Kartons hat.

Die UV-Lampe wird mit Strahlungskühlung unter Verwendung des Aluminiumreflektors als Wärmeableitelement für die Lampe gekühlt. Umgewälzte Luft wird verwendet, um die Rückseite des Reflektors zu kühlen, um eine gleichmäßige Reflektortemperatur aufrechtzuerhalten, die ihrerseits die Temperatur der Lampe aufrechterhält. Die Aluminiumoberfläche reflektiert Licht der keimabtötenden Wellenlänge in effizienter Wirkungsweise und absorbiert außerdem effektiv ausreichend Strahlungswärme, um die Lampe zu kühlen. Das Kühlsystem stellt ein gleichmäßiges Temperaturableitelement bereit, um die Lampentemperatur im wesentlichen konstant zu halten. Das Aufrechterhalten einer konstanten Lampentemperatur ist für eine maximale UV-Lichtausgangsleistung erforderlich, um die Wiederstartzeit nach einer Produktionsunterbrechung zu minimieren und die Standzeit der Lampe zu verlängern.

Eine wassergekühlte Blende bzw. ein wassergekühlter Verschluß wird verwendet, um den UV-Lichtfluß von dem Lampenaufbau immer dann zu beschränken, wenn der Förderer einen Stau hat, oder wenn die Bedienperson die Türen zu der Fülleinrichtung öffnet. Die Blende bzw. die Blendeneinrichtung ist aus Sicherheitsgründen erforderlich, um zu verhindern, daß die Bedienperson UV- Licht ausgesetzt wird, und um eine Überhitzung der Kartons zu verhindern, die direkt unter der Lampe zum Stehen kommen. Das Abblenden bzw. Ausblenden des Lichts erhöht die Wärmemenge, die durch das Kühlsystem abgeführt werden muß, um ein Überhitzen der Lampe zu verhindern.

Die übermäßige Wärme wird durch das Luftkühlsystem und die Wasserkühlung der Blende abgeführt. Wenn die Unterbrechung eine lange Dauer hat, kann die Lampe auf halbe Leistung zurückgefahren werden, um den Wärmeaufbau zu minimieren. Ausgehend von der Einstellung mit halber Leistung, kann das Licht in die Produktion ohne eine lange Startperiode zurückgeführt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Füllmaschine mit dem erfindungsgemäßen UV-Sterilisator,

Fig. 2 eine Endaufrißansicht des UV-Sterilisators,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des UV-Sterilisators entlang der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine Querschnittsansicht des UV-Sterilisators entlang der Linie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Draufsicht des UV-Sterilisators,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht des UV-Sterilisators entlang der Linie 6-6 in Fig. 5,

Fig. 7 eine detaillierte perspektivische Ansicht der Endplatte und des Reflektoraufbaus, und

Fig. 8 eine schematische Ansicht der Lampe und des Reflektors in Beziehung zu einem Karton.

Eine verbreitete Behälterform für Milch und Fruchtsaft ist als Behälter mit Giebeloberteil bekannt. Der Behälter weist ein Pappesubstrat mit einer Kunststoffbeschichtung auf der Innenseite und der Außenseite auf, welches es dem Oberteil des Kartons erlaubt, in Form eines Giebeloberteils geschlossen und abgedichtet zu werden. Wie in Fig. 1 gezeigt, weisen die Kartons 2 typischerweise einen quadratischen Boden auf, der wärmeabgedichtet und auf einem Förderer 4 angeordnet ist, der in der Ansicht von Fig. 1 einen schrittweisen Vorschub nach rechts ausführt. Die Kartons 2 sind unter gleichem Abstand voneinander angeordnet, und die Kartons rücken während jedes Vorschubschritts des Förderers um zwei Positionen vor. Zwischen jedem Vorschubschritt bleiben die Kartons zu Verarbeitungszwecken stationär.

Die Kartons laufen zunächst unter einem Ultraviolett(UV)-Lampenaufbau 6 durch, der die Seiten und den Boden des Innern der Kartons 2 Ultraviolettlicht aussetzt. In der nächsten Station werden die Kartons durch den Füllmechanismus 8 befüllt. Die Kartons durchlaufen daraufhin die Verschließ- und Abdichtstation 10, wo das Oberteil des Kartons geschlossen wird. Wärme wird um das Oberteil des Kartons angelegt und die Oberseite läuft daraufhin zwischen zwei Klemmklauen hindurch, die die Wärmeabdichtung des Oberteils bewirken. Die abgedichteten Kartons verlassen daraufhin den Förderer 4.

Bei der UV-Lampe handelt es sich bevorzugt um eine Mitteldruck- Quecksilberdampflampe. Der Lampenkörper hat die Form einer Quarzröhre. Die Elektroden sind in dem Glas an jedem Ende der Röhre abgedichtet. Die Röhre ist mit einem inerten Gas, wie etwa Argon, gefüllt. Eine kleine Quecksilbermenge ist in dem Rohr vorgesehen. Der Betriebsdruck einer Mitteldrucklichtbogenröhre beträgt bevorzugt zwischen 100 und 10.000 Torr. Die Lampe arbeitet bei einer Temperatur von 1100º bis 1500ºF. Wenn ein hohes elektrisches Potential zwischen den Elektroden angelegt wird, wird das gesamte Quecksilber verdampft und ein Lichtbogen wird zwischen den Elektroden gebildet, der Ultraviolettstrahlung mit Wellenlängen größer als 220 Nanometer und bevorzugt zwischen etwa 240 Nanometer bis 370 Nanometer erzeugt. Durch Begrenzen der Strahlung von der Lampe auf Wellenlängen größer als 220 Nanometer wird die Bildung von Ozon vermieden. Geeignete Lampen zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung stehen kommerziell von Aquionics Inc. of Erlanger, Kentucky, zur Verfügung.

Der Lampenaufbau 6 weist ein Gehäuse 12 (Fig. 2) auf, in welchem die UV-Lampe angebracht ist. Das Gehäuse weist ein Einlaßrohr 14 und ein Auslaßrohr 16 auf, die mit dem Innern des Gehäuses 12 in Verbindung stehen. Eine Luftpumpe 18 führt Luft durch ein Ventil 20 dem Einlaßrohr 14 zu, welches die Luft dazu veranlaßt, durch das Gehäuse 12 und durch das Auslaßrohr 16 und ein Auslaßventil 22 auszuströmen. Die Luftpumpe 18 enthält bevorzugt einen Filter und eine Temperatursteuerung, die die Temperatur der Luft reguliert, die in das Einlaßrohr 14 eintritt. Eine geeignete Energieversorgung 24 ist zum Zuführen von Energie zu der UV-Lampe durch ein Kabel 26 vorgesehen.

Wie in Fig. 3 gezeigt, weist das Gehäuse 12 ein Außengehäuse 28 mit gegenüberliegenden Endwänden 30 und 32 auf. Das Außlaßrohr 16 ist in einer Öffnung in der Mitte des Gehäuses 28 befestigt. Ein Innengehäuse 34 mit Endwänden 36 und 38 ist im Innern des Außengehäuses 28 angebracht. Das Einlaßrohr 14 durchsetzt eine Öffnung im Außengehäuse 28 und ist in einer Öffnung im Innengehäuse 34 befestigt, um Luft direkt von der Luftpumpe 18 in das Innere des Innengehäuses 34 zu leiten. Das Einlaßrohr 14 dient außerdem als Abstandhalter für das Gehäuse 34, um einen geeigneten Abstand zwischen dem Innengehäuse 34 und dem Außengehäuse 28 bereitzustellen. Mehrere Rippenplatten 40 sind im Innengehäuse 34 und an jedem Ende des Gehäuses angebracht. Endteile 42 und 44 stellen eine Befestigung für die UV-Lampenröhre 46 bereit, die sich zwischen den zwei Endteilen erstreckt. Wie vorstehend erläutert, weist die Lampe 46 Elektroden an jedem Ende auf, denen elektrischer Strom von der Energieversorgung 24 durch isolierte Drähte 48 an jedem Ende zugeführt werden.

Die Rippenplatten 40 und die Endteile 42 und 44 weisen eine konkave Vertiefung bzw. Ausnehmung 50 auf, die einen beschichteten Reflektor 52 trägt. Die gegenüberliegenden Enden des Reflektors 52 sind in den Endteilen 42 und 44 aufgenommen. Die Rippenplatten 40 erstrecken sich auswärts durch Schlitze in den Seiten des Gehäuses 34 so, daß die gegenüberliegenden Enden der Rippenplatten 40 in Eingriff mit den Innenwänden des Außengehäuses 28 stehen. Eine Ablenkplatte 54 ist an den Rippenplatten 40 und an den Endplatten 42 und 44 befestigt. Die Ablenkplatte 54 weist mehrere Schlitze 56 entlang der Mittenlinie auf, um Luft vom Einlaßrohr 14 in den Raum zwischen dem Reflektor 52 und der Ablenkplatte 54 strömen zu lassen.

Das Untere Ende des Gehäuses 28 ist durch eine Halterungsplatte 58 verschlossen, in welcher eine transparente Quarzplatte 60 befestigt ist. Die Platte 60 ist für Uv-Licht im Bereich von 220 Nanometern und höher durchlässig bzw. transparent. Dieses spektrale Transmissionsband verhindert die Ozonbildung durch das Licht. Die Halterungsplatte 58 weist eine zentrale Öffnung so auf, daß Strahlung von der Lampe 46 in der Lage ist, durch die Quarzplatte 60 und in die Kartons 2 hinein sich auszubreiten, die unterhalb der Platte 60 angeordnet sind (Fig. 3).

Die UV-Lampe 46 ist in den Endteilen 42, 44 in einer Position relativ zu dem Reflektor 52 angebracht, um eine optimale Konzentration des UV-Lichts auf das Innere der Kartons 2 bereitzustellen. Wie in Fig. 5 gezeigt, sind die Enden der Röhre 46 in Keramikhüllen 52 angebracht, die sich durch Löcher in den Endteilen 42, 44 erstrecken.

Die Beziehung des Reflektors 52 zu der Uv-Lampe 46 stellt einen wesentlichen Teil dieser Erfindung dar. Halbparabolische zylindische Reflektoren mit der Lichtquelle im Brennpunkt erzeugen ein Lichtband, das parallel zur Achse der Parabel verläuft. Für eine zylindrische Röhre würde ein parabolischer zylindrischer Reflektor das Licht in einem Band parallel zur Achse der Parabel fokussieren. Die Lichtintensität würde linear zum Abstand abnehmen, wodurch keine zufriedenstellende Sterilisation unter einem Abstand von der Röhre erhalten werden würde. Parabolische zylindrische Reflektoren müssen mit der Lampe im oder in der Nähe des Brennpunkts der Parabel konstruiert werden, um den Lichtstrahl zu optimieren. Die Auslegung eines derartigen Reflektors muß die geometrischen Beschränkungen aufgrund der Größe der Röhre, der Anordnung der Röhre im Brennpunkt der Parabel und der Form der Giebeloberteil-Kartons berücksichtigen. Die Form des parabolischen zylindrischen Reflektors ist durch eine Parabel mit der Lampe im Brennpunkt festgelegt. Die Gleichung für die Parabel lautet y = x²/4a, wobei "a" der Abstand vom Scheitel der Parabel zum Brennpunkt ist. Der Röhrenradius stellt den minimalen Wert für a dar. Die herkömmliche Mitteldrucklampe mit einem Kühlring mit einem Durchmesser von 50 mm würde im Minimum einen Reflektor erfordern, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Brennweite diktiert die Größe der Parabel und führt zu einer Form, die für die Sterilisation nicht optimal ist, weil das Licht parallel zu den Seiten des Behälters verläuft, wobei der größte Teil des Lichts nicht auf den Karton herunterfokussiert wird und der Strahl verzerrt wird, indem er durch den Quarzkühlring hindurchtritt, der als Linse wirkt. Um diese Probleme zu überwinden, ist es in Übereinstimmung mit dieser Erfindung bevorzugt, die Brennweite zu verringern und den das Licht umschließenden Kühlring wegzulassen.

Wie in Fig. 7 gezeigt, ist der Reflektor 52 in einer Ausnehmung bzw. Vertiefung 64 aufgenommen, die einen gekrümmten Rand 66 aufweist, gegen welchen die Außenfläche des Reflektors im Sitz angeordnet ist. Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Lampe, dem Reflektor und dem Karton, der sterilisiert werden soll. Die UV-Lampe 46 weist, wenn sie mit Energie versorgt wird, einen Lichtbogen auf, der sich zwischen den gegenüberliegenden Enden der Röhre 46 erstreckt. Aufgrund der durch den Lichtbogen erzeugten Hitze ist die Mitte des Lichtbogens ungefähr 3 mm vertikal aufwärts relativ zum Zentrum der Röhre versetzt bzw. verschoben. In Fig. 8 ist das Zentrum des Lichtbogens mit 68 bezeichnet. Der Reflektor 52 hat die in Fig. 8 in durchgezogenen Linien gezeigte Gestalt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen dem Scheitel des Reflektors 52 und dem Zentrum des Lichtbogens 68 15,5 mm. Der Reflektor 52 hat eine parabolische Form, die durch die Formel y x²/4a festgelegt ist, wobei a der Abstand zwischen dem Brennpunkt 68 und dem Scheitelpunkt der Parabel ist. Der Reflektor 52 weist tatsächlich zwei parabolische Kurven auf, die einen gemeinsamen Scheitel 70 aufweisen. Die rechte Seite des Reflektors 52, die in Fig. 8 mit 72 bezeichnet ist, weist eine strichliert gezeigte virtuelle Form 74 auf und eine Mittenachse 76. Die linke Seite 78 des Reflektors 52 weist eine parabolische Form mit einer Mittenachse 80 auf. Die virtuelle Fortsetzung 82 der Oberfläche 78 ist in Fig. 8 strichliert gezeigt. Die parabolische Form des Reflektors 52 ist deshalb ein Verbund aus den zwei Seiten 72 und 78, die im Fall eines Imperial Quart-Kartons (70 mm x 70 mm x 240 mm) um 13 Grad ausgehend von der Vertikalen so gedreht sind, daß der Winkel α zwischen den Achsen 76 und 80 26 Grad beträgt. Der Drehwinkel für die parabolischen Reflektoren würde für jede Kartongröße durch den maximalen Einfallswinkel bestimmt sein, der durch die Geometrie der Kartons in Bezug auf die Lampe festgelegt ist. Der Scheitel 70 des Reflektors 52 ist so geformt, daß die zwei Seiten 72 und 78 in einer kontinuierlichen Kurve in einander übergehen. Beim Drehen der Seiten 72 und 78 ist es wesentlich, daß der Brennpunkt beider Seiten in derselben Position 68 verbleibt.

Die Charakteristik einer Parabel besteht darin, daß vom Brennpunkt 68 aus emittiertes Licht, das auf die Parabeloberfläche bzw. die parabolische Oberfläche auftrifft, in einer Richtung reflektiert wird, die parallel zur Mittenachse verläuft. Wie aus Fig. 8 hervorgeht, stellen die Linien 84 und 86 die reflektierte Strahlung ausgehend vom Brennpunkt 68 dar, welche den Boden des Kartons 2 erreicht. Die Linien 84 und 86 verlaufen parallel zu den Mittenachsen 80 und 76. Die Höhe des Kartons, der mit einer bestimmten Füllmaschine verwendet werden kann, kann entsprechend dem Volumen der zu befüllenden Kartons variieren. Die größeren Kartons, wie etwa der 1-Quart-, 1-Liter- oder 1/2-Gallonen-Behälter, haben eine ausreichende Höhe, daß die UV-Lichtsterilisation kein Problem darstellt. Insbesondere ist wesentlich, daß das UV-Licht auf die Seitenwände des Kartons unter einem maximalen Winkel, der durch die Geometrie des Kartons und des Reflektors festgelegt ist, auftrifft. Es wurde herausgefunden, daß für einen Imperial-Quart-Karton (70 mm x 70 mm x 240 mm) der Einfallswinkel 13 Grad oder mehr betragen sollte, um von dem UV-Licht eine optimale Wirkung zu erreichen. Für Behälter mit einem Höhen/Breiten-Verhältnis gleich oder größer als 2,0 erzielt die Anordnung gemäß dieser Erfindung eine deutliche Verbesserung bei der Sterilisation.

Ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung stellt die Anordnung des parabolischen Reflektors um die UV-Lampenröhre herum dar. Bei einer herkömmlichen Anordnung arbeitet die Röhre normalerweise mit einer Temperatur von 11000 bis 1500ºF, und um die Röhre und den Reflektor zu schützen, ist die UV-Lampe in einer Quarzschutzhülle eingeschlossen, und Kühlmedium, wie etwa Wasser oder Luft, wird durch die Schutzhülle umgewälzt. Es wurde entdeckt, daß dann, wenn die Schutzhülle entfernt bzw. weggelassen wird, die durch den parabolischen Reflektor eingefangene Lichtmenge vergrößert und das Streuen des Lichts durch die Schutzhülle ausgeschlossen werden kann. Durch Entfernen der Hülle kann der parabolische Reflektor so ausgelegt werden, daß die größte Lichtmenge von der Röhre gesammelt wird, indem der Brennpunkt näher an dem Reflektor angeordnet wird, was zu einer tiefen Parabel führt. Die tiefe Parabel fängt etwa 270 Grad des abgegebenen Lichts ein und richtet es gleichzeitig in die Bereiche des Kartons, die am schwierigsten zu sterilisieren sind. In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform wird die UV-Lampe durch Strahlungswärmeübertragung unter Verwendung eines luftgekühlten Reflektors bei 75ºC als Wärmekühlelement gekühlt. Wenn Wasserstoffperoxid im Karton vorhanden ist, erzeugt das UV-Licht Wasserstoffperoxid-Radikale, die die Abtötungswirkung des UV-Lichts verstärken. Wenn Wasserstoffperoxid nicht vorhanden ist, erzeugt UV-Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 220 bis 300 Nanometer eine wirksame keimabtötende Wirkung.

Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung ist die Verwendung einer Strahlungswärmeübertragung, um die Lampe auf der geeigneten Temperatur zu halten. Der Aluminiumreflektor wird verwendet, um sowohl das UV-Wellenlängenlicht zu reflektieren, wie gleichzeitig Wärme anderer Wellenlängen zu absorbieren, um die geeigneten Lampentemperatur aufrechtzuerhalten. Die Reflektortemperatur kann durch Steuern der Luftmenge geregelt werden, die über den Reflektor geleitet wird, und sie wird durch ein Thermoelementpaar am Luftauslaß überwacht. Die Reflektortemperatur wird durch Zuleiten von kalter Luft in die heißeste Position gleichmäßig gehalten, bei der es sich um den Punkt direkt oberhalb der Lampe handelt. Die Luft strömt daraufhin über den Rest des Reflektors, was dazu beiträgt, eine gleichmäßige Verteilung über die gesamte Oberfläche des Reflektors aufrechtzuerhalten. Durch Aufrechterhalten einer konstanten Temperatur des Gehäuses im Bereich von 50 bis 100ºC kann die Lampe kontinuierlich brennen und ihre Überhitzung wird verhindert. Die Sterilisation kann außerdem unterbrochen werden, indem die Lampe abgeblendet oder ausgeschaltet wird. Wenn die Lampe ausgeschaltet wird, kann sie leicht wieder gestartet werden, weil die Strahlungskühlung die Quecksilbertröpfchen über die gesamte Länge der Röhre gleichmäßig verteilt. Normales Kühlen unter Verwendung eines Kühlrings führt zur Konzentration von Quecksilber dort, wo das Kühlmedium in den Kühlring zuströmt. Diese ungleichmäßige Verteilung von Quecksilber verzögert die Startzeit deutlich, die erforderlich ist, um das Licht zur vollen UV-Leistung zu bringen.

Um die Arbeiter zu schützen, und um eine Beschädigung der Kartons in dem Fall zu verhindern, daß es erforderlich ist, den Sterilisationsprozeß vorübergehend zu stoppen, ist ein Blendenaufbau vorgesehen. Wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, weist das Gehäuse 12 einen Querschlitz 88 zum Aufnehmen einer Blendenplatte 90 auf. Die Blendenplatte 90 ist zur hin- und hergehenden Bewegung mittels eines Kraftzylinders 52 vorgesehen, der auf dem Maschinenrahmen angebracht ist. Mittels geeigneter Steuerungen kann der Zylinder 92 betätigt werden, um die Platte 90 in der Ansicht von Fig. 6 nach links zu bewegen, um Strahlung vom Gehäuse 12 abzublocken. Als weitere Sicherheitsmaßnahme können Platten 94 auf entgegengesetzten Seiten des Gehäuses angebracht sein. Wenn der Verschluß bzw. die Blende geschlossen ist, steigt die Wärme im Gehäuse, und es ist erforderlich, den Luftstrom durch die Einlaß- und Auslaßröhren 14 und 16 zu erhöhen, um eine Überhitzung der Lampe zu verhindern. Die Wärmeerzeugung kann auch durch Verringern der Energie für die Lampe selbst auf die Hälfte reduziert werden. Dies ermöglicht es, daß die Lampe ohne eine langwierige Startperiode erneut in die Produktion überführt wird.

Während dieser Erfindung in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt und erläutert wurde, können offensichtlich Abwandlungen und Anderungen vorgenommen werden, ohne von der Erfindung abzuweichen, die in den Ansprüchen ausgeführt ist.


Anspruch[de]

1. Maschine zum Befüllen, Verschließen und Abdichten von Behältern (2), wobei die Behälter durch die Maschine auf einem Förderer (4) getragen und vorgerückt werden, wobei die Maschine eine Ultraviolett(UV)-Sterilisationslampe (6) oberhalb des Förderers sowie derart positioniert aufweist, daß UV-Licht in das Innere der Behälter auf dem Förderer gerichtet wird, bevor sie befüllt werden, mit einem länglichen Gehäuse (12), das mit dem Förderer ausgerichtet ist, einem Reflektor (52) und einer röhrenförmigen UV- Lampe (46), die zumindest teilweise durch den Reflektor umschlossen ist, und einer Kühleinrichtung (14, 16) im Gehäuse zum Kühlen des Reflektors zur Erzielung einer optimalen Lichtemission von der Lampe, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Behältern um Pappekartons handelt, und daß der Reflektor eine parabolische Form zum Richten von Licht von der Lampe in Richtung auf den Boden der Kartons auf dem Förderer aufweist, mit ersten und zweiten parabolischen Reflektoroberflächen (72, 78), wobei die ersten und zweiten Oberflächen jeweils eine Mittenachse (76, 80) und einen Brennpunkt (68) aufweisen, wobei die Mittenachse (76) der ersten Oberfläche (72) die Mittenachse (80) der zweiten Oberfläche (78) unter einem Spitzenwinkel (α) schneidet und der Brennpunkt (68) der ersten und zweiten Oberflächen mit dem Lichtbogen der röhrenförmigen UV-Lampe (46) zusammenfällt.

2. Maschine nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten parabolischen Oberflächen (72, 78) miteinander entlang einem Scheitel (70) vereinigt sind.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der spitze Winkel etwa 26 Grad beträgt.

4. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Reflektor (52) aus einem Blechmaterial gebildet ist, wobei die Innenseite der Lampe (46) ausgesetzt ist und wobei die Außenseite dem Innern des Gehäuses (12) ausgesetzt ist, und wobei die Kühleinrichtung eine Anordnung zum Leiten von Kühlfluid über die Außenseite des Reflektors aufweist.

5. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Reflektor aus Aluminiumblech gebildet ist.

6. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die röhrenförmige UV-Lampe (46) im Gehäuse (12) angebracht ist, wobei der Lichtbogen sich in Längsrichtung der Lampe sowie im wesentlichen parallel zum Pfad des Förderers (4) erstreckt, auf welchen die Kartons (2) angeordnet sind.

7. Maschine nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (12) ein Außengehäuse (28) und ein Innengehäuse (34) aufweist, wobei das Außengehäuse gegenüberliegende Endwände (30, 32) aufweist, und wobei das Innengehäuse gegenüberliegende Endwände (36, 38) aufweist, wobei der Reflektor (52) im Innengehäuse angebracht ist, und wobei die Kühleinrichtung so angeordnet ist, daß sie Kühlfluid in das Innengehäuse in Kontakt mit dem Reflektor und von dem Innengehäuse zum Außengehäuse leitet.

8. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die UV-Lampe (46) eine Mitteldruck-Quecksilberdampflampe ist.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
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