用于将密封构件施用到饮料胶囊上的方法和设备与流程

技术领域：

本发明整体涉及制造包含用于制备饮料诸如咖啡的饮料成分的饮料胶囊的领域。更具体地讲，本发明涉及用于将密封构件施用到饮料胶囊上的方法和设备。

背景技术：
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某些饮料制备机器，诸如咖啡机，被设计成用于接纳具有其自身的密封构件的饮料胶囊。该密封构件被布置成与机器的胶囊保持架精确地匹配以确保在冲煮期间具有耐压防水的接合。该密封构件避免水绕过胶囊的风险并确保胶囊成分室中压力的控制，从而保证咖啡提取的性能。通常，胶囊包括杯形容器，该杯形容器具有底壁、带外表面的侧壁、开口端以及在开口端处从容器的侧壁延伸的环形凸缘。该凸缘包括：凸缘外表面，该凸缘外表面在过渡区域处与侧壁的外表面合并；与内表面相对的凸缘内表面，该凸缘内表面被饮料递送壁密封，诸如旨在机器的压力下撕裂的铝箔。

如ep1654966中所述，密封构件被施用到胶囊的凸缘上，具体地讲是施用到凸缘的外表面上和具有侧壁的过渡区域上。密封构件可与胶囊成一整体或为单独的件。在后一种情况下，密封构件可通过焊接或借助粘合剂可释放地安装到基座容器或固定到其上，或以流体或粘稠的形式施用，然后一旦施用到胶囊的外表面上就硬化(例如，聚合)，施用有机硅时就是这种情况。

ep2012994涉及通过注塑成型生产包含饮料成分的胶囊的方法。此过程相对复杂并且实施成本较高。此外，此过程不太适合优化胶囊上的密封材料的量。

ep2151313描述了用于将橡胶弹性密封构件提供到刚性胶囊的容器上的方法，该方法包括以下步骤：将液体或粘稠状态的未固化密封组合物施用到边缘部分上，加热密封组合物，使得密封组合物至少部分地朝向侧壁迁移直至其到达侧壁，并且在朝向侧壁迁移之后固化密封组合物。

然而，此方法相对复杂、耗时且执行成本较高，因为它需要在若干分钟内在烘箱中进行加热操作并随后固化。此外，不能完全控制密封构件的形状、尺寸和施用面积，因为这取决于诸如密封材料的粘度和表面张力的参数。

因此，本发明的目的在于提出一种解决方案，以改善密封构件在饮料胶囊上的施用，具体地讲是改善对密封构件在胶囊上的布置结构的控制，诸如其形状、位置、大小和/或施用材料的量。其目的还在于提供一种更简单和更快捷的施用流程。

该目的借助独立权利要求的特征来实现。从属权利要求进一步开发本发明并且可为中心概念提供附加的优点。

技术实现要素：
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在一个方面，本发明涉及一种用于将密封构件施用到旨在用于在饮料生产设备中生产饮料的胶囊的杯形容器上的方法，其中容器具有底壁、带外表面的侧壁、开口端以及在开口端处从容器的侧壁延伸的环形凸缘；该凸缘包括：凸缘外表面，该凸缘外表面在过渡区域处与侧壁的外表面合并；以及与外表面相对的凸缘内表面，该凸缘内表面被饮料递送壁密封，

该方法包括以下步骤：

-通过沉积装置将熔融的热塑性聚合物材料沉积在环形凸缘的外表面上和/或沉积在过渡区域上，

-随后通过冲模压制热塑性聚合物材料，同时该材料仍为可塑性变形的，以便使该材料优选地使其最终形状适形于环形凸缘的外表面和/或适形于过渡区域，从而使其成形为附接到容器的环形密封构件。

因此，与现有的密封构件施用流程相反，在流程保持简单的同时，密封构件的最终构型得到了更好的控制。具体地讲，极少量的密封材料可被处理并成功地适形为胶囊的密封构件。

压制步骤可包括将具有连续环形压制表面的周向冲模抵靠热塑性聚合物材料的料团进行压制来将热塑性聚合物材料压制成其最终形状。冲模可具有接触热塑性材料的平坦、倾斜或凸形的压制表面。压制表面的形式可适于胶囊的容器的几何形状和所需的成形结果。密封构件在容器表面上的最终形状、厚度、表面结构化和/或覆盖的表面积可得到更准确的控制。

在一种模式中，沉积步骤包括将熔融的热塑性聚合物材料沉积成熔融材料的单个周向打开部分或闭合部分。冲模的压制步骤随后确保当该部分打开时密封构件沿凸缘圆周的尺寸一致性和连续性。

在第二模式中，沉积步骤包括将熔融的热塑性聚合物材料沉积成两个或多个单独部分的周向布置结构。在该模式中，冲模的压制步骤优选地通过将这些部分的材料铺展成变为在凸缘上周向地接合来确保密封构件沿凸缘圆周的尺寸一致性和连续性。

在一个方面，沉积步骤包括通过沉积装置来沉积熔融的热塑性聚合物材料，沉积装置包括下列中的任一者：

-周向分配喷嘴，该周向分配喷嘴尺寸被设定成适合于凸缘的圆周，

-移动喷嘴，该移动喷嘴沿着凸缘的圆周被移位，

-多个喷嘴，该多个喷嘴沿着凸缘的圆周设置。

因此，可使用不同种类的喷嘴来执行本发明的方法，并且喷嘴的种类可能未必是实现令人满意的沉积结果的关键因素。

在一个优选模式中，沉积步骤包括通过沉积装置来沉积熔融的热塑性聚合物材料，沉积装置包括周向分配喷嘴和被布置成用于至少部分地容纳胶囊的容器的中心凹陷部。优点实质上在于减少部件的数量，更简单和准确地沉积在预成形的杯形容器上，以及有利于密封构件的后续连续压制。具体地讲，流控制更容易，并且不需要在沉积期间根据旋转速度(例如，胶囊或喷嘴)来控制流量，因为这两者在沉积时是静止的。

熔融的热塑性聚合物材料的沉积量可根据喷嘴的构型以不同方式控制。具体地讲，材料的沉积量可至少部分地通过出口喷嘴的打开时间来控制。另选地，材料的沉积量可通过施加到喷嘴的单向定量给料阀的压力时间来控制。

根据本发明，热塑性聚合物材料优选地为热塑性弹性体(“tpe”)或其它软热塑性聚合物(例如，软聚丙烯)。

热塑性弹性体可选自以下：

-苯乙烯系(s-tpe或tpe-s或tps；tps的重要示例是sbs和sebs)，

-共聚酯(cope或tpe-e或tpc)，

-共聚多酰胺(copa)，

-聚氨酯(tpu或tpe-u)，

-聚酰胺(peba或tpe-a或tpa)，

-聚烯烃共混物(tpo或tpe-o)，

-聚烯烃合金(tpv或tpe-v)，

-反应器tpo(r-tpo)，

-聚烯烃塑性体(pop)，

-聚烯烃弹性体(poe)

以及它们的组合。

聚合物材料一般可在固化并变成容器上的密封构件之后发泡或不发泡。一般来讲，选择在环境温度(20℃)下比容器的材料更软的材料。胶囊的容器的材料一般为铝合金或一种或多种食品级热塑性聚合物或两者的组合。在胶囊由热塑性聚合物制成的情况下，胶囊容器的聚合物比密封构件的聚合物硬。

熔融温度取决于热塑性聚合物材料和沉积装置中的压力，但一般来讲可在150℃至260℃、更优选地在170℃至245℃的范围内变化。

本发明还涉及一种用于将密封构件施用到旨在用于在饮料生产设备中生产饮料的胶囊的杯形容器上的设备，其中容器具有底壁、带外表面的侧壁、开口端以及在开口端处从容器的侧壁延伸的环形凸缘；该凸缘包括：凸缘外表面，该凸缘外表面在过渡区域处与侧壁的外表面合并；以及与外表面相对的凸缘内表面，该凸缘内表面被饮料递送壁密封；该设备包括：

-沉积装置，该沉积装置用于将熔融的热塑性聚合物材料沉积在环形凸缘的外表面上和/或沉积在过渡区域上，和

-压制装置，该压制装置用于压制熔融的热塑性聚合物材料，以便使该材料优选地使其最终形状适形于环形凸缘的外表面和/或适形于过渡区域，从而使其成形为附接到容器的环形密封构件。

优选地，压制装置包括周向冲模，该周向冲模包括用于抵靠热塑性材料的料团进行压制的连续环形压制表面。压制表面优选地具有大致平坦、倾斜、凸形或凹形的形状。大致凸形的压制表面，其优点是提供一种密封构件，该密封构件很好地补偿了饮料机器的胶囊保持架的闭合表面的表面或几何不规则性。大致凹形的或平坦的压制表面能够产生可准确地适于胶囊保持架的闭合表面的一种或多种周向密封脊。大致倾斜的表面可朝向胶囊(如ep2151313中所述的胶囊)容器的过渡区域适形材料，其中密封材料的存在对于密封功能可最有效。除一般形状之外，压制表面还可包括较小的结构，诸如脊和/或狭缝和/或滴状物。脊和/或狭缝和/或滴状物可周向地、径向地或在其它方向上进行取向。这可进一步改善密封构件的密封性能。

优选地，压制装置通过冷却装置冷却。冷却装置可包括嵌入或关联到压制装置的冷却流体护套。优点是通过更快地固化密封构件并帮助胶囊抓握以及降低密封构件被粉尘污染的风险来提高生产率。

沉积装置包括周向分配喷嘴和用于至少部分地容纳胶囊的容器的中心凹陷部。该装置更简单，并且提供少量聚合物材料(例如少于100mg)的准确沉积，并且有利于密封构件的后续连续压制。

周向分配喷嘴布置有环形定量给料出口或沿一圆圈周向地布置的多个环形出口或圆柱形分配出口，该圆圈具有基本上等于或略大于胶囊的容器的过渡区域的直径的直径。

具体地讲，沉积装置可包括内部部件、外部部件和位于内部部件和外部部件之间的分配通道。这两个部件是同轴的，并且内部部件和外部部件被布置成相对于彼此在闭合位置与打开沉积位置之间轴向地移动。

内部部件可为往复式移动部件，而外部部件为静态部件以打开和闭合至少一个分配出口。相反地，外部部件可为往复式移动部件，而内部部件为静态部件以打开和闭合至少一个分配出口。内部部件和外部部件也可同时往复地移动以打开和闭合至少一个分配出口。

沉积装置还可在内部部件和/或外部部件中包括加热装置。加热装置可包括至少一个电阻或受热流体通道。

附图说明：

图1是本发明的可行方法的流程图；

图2是沉积装置的透视示意图；

图3是沉积装置和沉积步骤在沉积之前的示意性剖视图；

图4是沉积装置和沉积步骤在沉积期间的示意性剖视图；

图5是当熔融的热塑性材料沉积在胶囊的容器上时，喷嘴打开的沉积装置的放大视图；

图6是胶囊的容器的顶视图，其中在密封构件成形之前连续沉积熔融的热塑性材料；

图7是胶囊的容器的顶视图，其中在密封构件成形之前不连续沉积熔融的热塑性材料；

图8是胶囊的容器的顶视图，具有成形之后的密封构件；

图9是冲模装置的示意性剖视图；

图10和图11是具有凸形冲模的成形步骤的示意图；

图12和图13是具有平坦冲模的成形步骤的示意图；

图14和图15是具有凹形冲模的成形步骤的示意图；

图16和图17是具有倾斜冲模的成形步骤的示意图；

图18和图19是具有波纹形冲模的成形步骤的示意图；

图20是形成有结构化(例如尖钉形)冲模之后所形成的密封件的示意图。

具体实施方案：

首先，可结合图1至图9描述本发明的方法和装置的示例。

本发明的施用方法包括将密封构件2施用到饮料胶囊的杯形容器1上。如图1所示，该方法通常包括：熔融热塑性材料3的步骤100、将熔融的材料沉积在杯形容器1上的步骤200、将沉积的热塑性材料塑性变形的步骤300，以及任选地冷却成形的热塑性材料以产生硬化的密封构件的步骤400。冷却后的后续成形不是优选的，但也不被完全排除。

一般来讲(图3)，杯形容器1具有底壁6、带外表面8的侧壁7、开口端9以及在开口端处从容器的侧壁延伸的环形凸缘10。环形凸缘10包括在过渡区域12处与侧壁的外表面8合并的凸缘外表面11。凸缘还包括与外表面11相对的凸缘内表面13，该凸缘内表面被饮料递送壁密封(在用饮料成分填充容器之后)。

在图2和图3的模式中，沉积装置4被示出为具有周向沉积喷嘴5，该周向沉积喷嘴可打开以分配熔融的材料并关闭以停止分配熔融的材料，但其它变型也是可行的，诸如当沿着环形凸缘的圆周沉积时被移位的移动喷嘴或分布在胶囊凸缘10的圆周处的多个独立的沉积喷嘴。

沉积装置4包括支撑子组件14，其被构造为用于接纳处于限定位置的胶囊的容器，尤其是具有穿过开口端贴合在容器腔体中的形式。该装置可包括具有沉积喷嘴5的沉积子组件15。沉积子组件可包括内部部件16和外部部件17，这两个部件是同轴的并且一起限定与周向喷嘴5连通的熔融材料流动通道18。这两个部件可相对于彼此轴向地移动(沿着也表示容器纵向轴线的轴线i)，以确保打开喷嘴用于沉积以及闭合喷嘴用于停止沉积。

在该示例中，内部部件在沉积喷嘴的打开位置与闭合位置之间轴向地往复。外部部件保持静止。内部部件可安装有在外部部件的孔21中轴向地移动的中心轴20。

内部部件优选地包括中心凹陷部19，该中心凹陷部被布置成用于容纳胶囊的容器，使得沉积喷嘴可尽可能接近容器的沉积区域。喷嘴相对于凸缘的位置和凹陷部的几何形状可根据密封构件所需的最终位置和/或形状进行调整。

熔融的热塑性材料可通过加热装置以熔融状态保持在沉积装置中。加热装置可位于外部部件和/或内部部件中。在该示例中，加热装置可为嵌入在外部部件中的至少一个电阻和/或至少一个受热流体导管23。

熔融的材料可诸如借助机械和/或液压设备在沉积装置中保持加压。压力设备也可位于装置外部，诸如布置在熔融的材料的远程熔融贮存器中。其可例如为被布置成经由导管25、26向流动通道18供应熔融的材料的活塞或螺杆设备。材料的熔融也可远程发起并通过流动通道18供应给沉积装置。聚合物材料可以粉末或粒料的形式进料到熔融贮存器或装置中。

图4和图5示出了沉积操作。当内部部件16回缩时，周向沉积出口24打开，从而允许熔融的材料流出喷嘴并沉积在凸缘的外表面11上。例如，产生熔融材料的环形帘线27并将其沉积在表面上，直至喷嘴被内部部件关闭，从而返回到与外部部件密封接触的初始位置。

材料的流动通过打开出口(大小和打开时间)来控制。此控制使得能够沉积少至几十毫克的熔融材料的量。通常，打开时间为约数毫秒，并且出口宽度为约十分之几毫米。

容器上的沉积区域可通过改变内部部件16或凹陷部19的直径而改变，并且材料的沉积可发生在例如凸缘的过渡区域12和胶囊的容器的侧壁处。

图6示出了沉积之后和成形之前热塑性材料的连续沉积料团27。料团通过沉积喷嘴沉积，从而形成环形出口24，该环形出口在打开位置沿着喷嘴的整个圆周由内部部件和外部部件连续地打开并界定。

图7示出了在成形之前由密封聚合物材料的多个沉积部分27a至27i的周向布置结构形成的料团。这些部分可为弧形的或多个间隔开短距离的聚合物的微小点。这些部分通过沉积喷嘴沉积，从而形成由内部部件和外部部件界定的多个环形出口。例如，出口间距可通过由内部部件16和/或外部部件17形成的喷嘴的凸纹和/或凹陷部中的特定结构来获得。

图8示出了在成形之后施用到胶囊的容器上的密封构件2。成形可将部分27a至27i铺展至相邻部分在凸缘的周向方向上相遇或重叠的此程度，以提供密封构件的最终连续形式。

成形操作可由如图9所示的压制装置28来执行。压制装置可包括冲模29，该冲模具有被布置成面向沉积的聚合物料团27的连续环形压制表面30。压制装置也被构造为具有中心凹陷部31的倒置杯，以允许在没有压力或变形的情况下容纳容器的杯形主体1。因此，冲模施加的压力仅集中在待成形为密封构件的最终形状或至少半最终形状的热塑性材料上。在热塑性聚合物仍是热的且可塑性变形的同时施加压制，而不会例如在其玻璃化转变温度之上或处于其玻璃化转变温度时产生破口或裂缝。该装置可包括例如连接到液压或电动撞锤(未示出)的一部分的杆33。冷却装置可嵌入或关联到压制装置。例如，可在冲模内管理流体冷却电路32。

图10至图20示出了用于将热塑性材料成形为密封构件的压制设备的冲模的成形表面30的各种布置结构。成形表面可被布置成用于使材料变形、设定尺寸和/或移位，使得作为成形操作的结果从而获得密封构件的最佳构型。

在图10和图11的示例中，成形表面30为大致凸形的，以便提供具有凹形密封表面的密封构件。密封材料的一部分可移动到容器的过渡区域12，其中一些材料覆盖侧壁的环形部分34。

在图12和图13的示例中，成形表面30为大致平坦的，以便将密封材料平坦地铺展在凸缘上，使得其覆盖较大表面，同时略微减小其厚度。

在图14和图15的示例中，成形表面30为大致凹形的，以便形成大致凸形的密封构件。成形表面还可包括表面的两个凹面部分35、36，从而形成密封构件2的两个周向脊37、38。两个周向脊37、38可在成形之后保持连接(如图所示)，或者另选地，可在由成形表面30的分离突出部39形成期间分离成两个独立的密封部分。

在图16和图17的示例中，成形表面30以将大量密封材料朝向侧壁移动的此方式倾斜。取决于成形最佳密封设计的需要，成形表面还可为平坦的、凸形的或凹形的。在该示例中，倾斜表面略微凸形，以便使密封构件移动和变形，使得其定位自身并且在凸缘外表面11和侧壁外表面8之间的过渡区域12处存在较大厚度。

在图18和图19的示例中，成形表面具有一般形状(例如，平坦的、凸形的或凹形的)和结构化修整面。该结构化修整面可为例如一系列小的周向平行沟槽40。许多其它结构化表面也是可能的。

例如，在图20中，冲模的成形表面被构造成在凸纹或凹陷部中形成多个滴状物41。