카운터 엘리멘트 및 그의 제조 방법 document_id A220623020367

오늘날의 식품포장 프로세스(여기서, 어휘 "식품"은 주스, 우유 및 다른 음료뿐만 아니라 페이스트(paste), 수프, 젤리 및 치즈와 같은 고형 및 액형 식품의 모든 종류를 의미한다)는 흔히 "성형-충진-밀봉(form-fill-seal)" 유형인데, 연성 라미네이트로 만들어진 연속적으로 이동하는 웹(web) 형태의 포장재를 연속적으로 움직이는 튜브로 성형하고, 튜브를 포장될 희망하는 식품으로 충진하고, 밀봉하며, 마침내 튜브로부터 밀봉된 포장체를 절단함으로써 수행될 수 있다. 연속적인 웹의 포장재로부터 튜브를 성형하고 포장 용기의 부가적인 성형에 대한 예가 도1a에 개략적으로 도시된다. 포장 프로세스는 흔히 고속 연속 프로세스인데, 웹(10)의 형태인 포장재가 연속적으로 기계를 통해 공급되며, 예컨대, 액체 상태의 급속 살균 매체 또는 기체 상태의 급속 살균 매체를 통과함으로써 살균되고, 포장될 식품으로 충진하기 위해서 필요로 되는 튜브 형태로 성형되어 밀봉되며 마침내 수평으로 밀봉된다. 연속적인 웹 형태의 포장재는 포장재 제조 기계로 제조되며, 릴(1) 상에 위치된다. 포장재는 흔히 종이 또는 판지로 구성된 코어 층, 상기 코어 층의 각 측 상에 (예컨대, 폴리에틸렌과 같은) 열가소성 폴리머로 구성된 열-밀봉 층, 및 필요로 된다면, 종이 코어 층 및 필름 사이에 삽입된 알루미늄 호일 가스 장벽 층을 포함하는 라미네이트된 구조를 갖는다. 선택적으로, 플라스틱으로 구성된 가스 장벽 층 또는 예컨대, 폴리아마이드, 폴리에틸렌 비닐 알콜(EVOH) 또는 실리콘 산화물과 같은 무기물이 알루미늄 호일 대신 사용될 수 있다. 포장재를 갖는 릴(1)이 포장 기계에 설치되는데, 이는 기계의 몇몇 위치에 배치된 구동 메커니즘을 사용하여 포장 기계 내에서 풀리면서 경로가 결정된다. 포장재 웹은 튜브로 성형되고 포장 기계 내에서 종방향으로 밀봉된다. 튜브가 포장 기계 내에서 아래로 이동되는 반면, 액형 또는 유동성 식품이 튜브형 포장재의 안에 충진하기 위해서 위에서부터 제공된다. 다음, 포장재 튜브는 양 측면으로부터 측(방향)으로 압착되고, 상호 연결되고, 충진되며 밀봉된 포장 용기를 성형하기 위해서 일정 간격으로 측방향으로 밀봉된다. 다음, 밀봉된 포장 용기는 측방향으로 신장하는 밀봉된 부분 사이를 절단함으로써 튜브로부터 분리되므로, 분리된 포장 용기는 예컨대, 포장재에서 이미 형성된 주름선을 따라 접거나 구부림으로써 특정한, 희망하는 형태를 가져오고, 필요로 된다면 결국 상기 형태를 유지하기 위해서 밀봉된다. 종방향 또는 측방향으로 튜브형 포장재를 밀봉하는 것은 가열 밀봉하는 열가소성 물질로 구성된 포장재의 외부 표면을 서로 가열 밀봉함으로써 수행된다. 이는 예컨대, 가열 밀봉, 무선 주파수(RF) 또는 마이크로 파장 가열 밀봉, 열 전달 밀봉 또는 울트라-음속 진동 가열 밀봉과 같이 공지된 가열 밀봉 방법으로 수행될 수 있다. 무균 포장의 경우에 횡 가열 밀봉을 위한 오늘날의 매우 일반적인 가열 밀봉 기술은 인덕션 가열 밀봉(induction heat sealing)인데, 포장 라미네이트에서 알루미늄 호일이 열을 발생하기 위해서 인덕터와 함께 동작하다. 열가소성 표면은 인덕션 전류 및 압력에 대한 동시 애플리케이션에 의한 열 융해(heat fusion)로 서로 결합된다. 포장재의 이미 절단된 블랭크(blanks)는 포장 기계로 공급되고, 접히고, 종방향으로 밀봉되며, 오픈 포장 캡슐을 제공하기 위해서 하부에서 접혀서-성형되어 밀봉될 수 있다. 캡슐은 충진되고, 이어서 상부에서 밀봉되므로, 충진된 포장체(11")가 제공된다. 그러므로 전형적인 포장 기계는 열-밀봉 장치를 사용하여 포장재를 밀봉한다. 밀봉 장치는 일반적으로 서로에 대해 대향하여 위치되고 동작하는 소위 카운터 조(counter jaws) 및 가열 밀봉 조(heat seal jaws)를 갖는다. 이런 가열 밀봉 장치의 예가 도4에 개략적으로 도시되고, 전형적인 카운터 조(20) 및 열-밀봉 조(30)의 횡단면도가 도5에 개략적으로 도시된다. 전형적으로, 횡 가열 밀봉을 위해서, 각각의 카운터 조는 한 쌍의 카운터 레일(21)을 갖지만, 각각의 가열 밀봉 조는 밀봉 블록(31)을 갖는다. 각각의 카운터 레일(21) 및 대향하여 마주하는 밀봉 블록(31)은 포장재를 가로질러 하나의 횡 가열 밀봉(S)을 생성할 수 있다. 커터(cutter)(40)는 두 개의 카운터 레일(21) 사이에 형성된 갭에 배치될 수 있다. 각각의 카운터 레일(21)은 소위 "돌리(dolly)" 또는 "압력 패드"라 칭해지는 카운터 엘리멘트(22)를 갖는데, 이는 카운터 레일을 따라 신장하는 반면, 인덕션 밀봉의 경우에 밀봉 블록(31)은 돌리(22)에 대향하여 배치된 인덕터 코일(33)을 갖는다. 가장 흔히, 연속적인 튜브형 포장재로 포장하는 경우에, 밀봉 및 절단 동작은 포장 프로세스의 동일한 부분에서 수행된다. 그러나 예를 들어, 분리된 절단 유닛에서 충진되어 밀봉된 튜브를 계속 절단함으로써 또한 밀봉 동작 및 절단 동작을 서로 완전히 분리할 수 있다. 도2 및 도3은 밀봉(S)이 행해지기 전이나 이후에, 가열 밀봉될 포장재의 대향하는 측에 배치된, 인덕션 밀봉을 위한 통상적인 카운터 레일 및 밀봉 블록의 측면도를 개략적으로 도시한다. 도2 및 도3에 도시된 바와 같이, 튜브 또는 캡슐의 포장재 벽(12,13)은 예시적인 튜브형 포장재(11)의 횡 인덕션 밀봉을 위해서, 밀봉 존에서 서로에 대해 마주보게 위치될 수 있다. 각각의 포장재 벽(12,13)은 일반적으로 예컨대, 알루미늄 호일 층(15)의 내부 표면상에 위치된 폴리에틸렌으로 된 필름 층(16) 및 종이 기반 층(13)으로 구성된 라미네이트 구조로 구성된다. 명확하게 도시되지 않을지라도, 종이 기반 층(14)의 외부 표면은 또한 폴리에틸렌과 같은 플라스틱 물질 층으로 코팅된다. 두 개의 포장재 벽(12,13)의 폴리에틸렌 부분은 열 융해에 의해서 함께 결합된다. 고주파수 밀봉 또는 열 전도 밀봉과 같은 다른 가열 밀봉 방법에서, 알루미늄 호일 층은 열을 발생시킬 필요가 없다. 카운터 레일(21)은 일반적으로 스틸로 만들어지고, 평면도 및 평행도에 대한 요구 조건을 이행한다. 즉, 스틸 품질에 대한 요구 조건에 따라, 포장재의 유형, 포장 규격 및 포장될 제품의 유형, 돌리(22)의 형태 및 기계적인 특성이 최상의 환경에 적합하도록 바뀔 수 있다. 소위 "저장 수명이 증가된(extended shelf-life)" 포장이라 불리는, 예컨대 무균 또는 장기간 저장과 같은, 본 발명의 경우에서와 같이 고품질 밀봉의 경우에, 돌리가 밀봉 존(S)에서 층(16)으로부터 가열된 열가소성 물질의 흐름을 제어하기 위해서 어느 정도의 연성 및 압축성을 가질 필요가 있다. 인덕터 코일(33)은 밀봉 블록(31)을 따라 신장하고, 일반적으로 카운터 조를 향하여 신장하는 돌출부(35)를 갖는다. 냉각제 통로(36)는 인덕터 코일(33)을 통과하여 성형되어 냉각제 통로(36)를 통해 유동성 냉각제에 의해서 인덕터 코일(33)의 온도를 제어한다. 도2에 도시된 밀봉 프로세스의 개시 단계에서, 포장재(11:튜브형 포장재)는 밀봉 블록(31) 및 돌리(22)를 갖는 카운터 레일(21) 사이에 위치되고, 그 결과 카운터 조 및 가열 밀봉 조는 이동되어 그들이 서로 접근한다. 따라서, 카운터 조 및 열 밀봉 조는 서로를 향해 더 이동되고, 포장재(11)의 밀봉부는 인덕터 코일(33) 및 카운터 엘리멘트(22:돌리) 내에서 매우 가압되어 변형된다. 고주파수 전압이 전압원(도시되지 않음)에 인가되어 알루미늄 호일(15)이 인덕션 전류를 갖는 열을 발생하도록 한다. 결과적으로, 도3에 도시된 바와 같이, 서로 마주하는 포장재의 쌍으로된 폴리에틸렌 부분이 가열되고, 밀봉 존(S)에서 폴리에틸렌 층(16)의 부분이 녹는다. 따라서, 튜브형 포장재(11)는 열 융해로 인해 서로 결합된다. 도3에 도시된 바와 같이, 압축할 수 있는 카운터 엘리멘트(22)는 밀봉 단계 동안에 변형된다. 밀봉 블록 및 카운터 레일로부터의 압력이 해제될 때, 카운터 엘리멘트는 그의 원래 형태를 되찾고, 다음 밀봉 및 압력 동작을 준비한다. 이런 압축할 수 있는 카운터 엘리멘트는 전형적으로 적합한 기계적이고 화학적인 특성을 갖는 플라스틱 물질로 만들어진다. 오늘날, 가장 일반적으로 가교 폴리우리텐(cross-linked PUR)이 이런 목적으로 사용된다. 돌리의 희망하는 형태 및 구성은 항상 가교 폴리우레탄 물질로부터 잘려진다. 가교 PUR의 돌리는 카운터 레일(21)을 따라 신장하는 글로브(27)에 삽입됨으로써 스테인리스, 내화학성 스틸의 절단 레일에 고정된다. 돌리의 구성, 경도, 및 압축률이 실의 품질에서 가장 중요한 요소이고, 목록으로된 다양한 요소, 즉 상기 필요로 되는 밀봉 품질, 포장재의 종류, 포장 크기 및 충진될 제품에 따라 바뀔 수 있다. 돌리의 여러 형태 및 굳기/압축률 특성은 별도의 열 융해 동안에 밀봉 존(S)에서 열 가소성 물질의 흐름에 영향을 미칠 것이다. 게다가, 튜브에 충진된 제품이 밀봉 존(S)으로부터 떨어져 압착되는 방법에 영향을 미치는 중요한 요소가 있다. 그러므로 여러 형태는 충진될 제품 및 포장 크기의 여러 조합에 대해 최적으로 제공되었다. 게다가, 돌리에 사용되는 플라스틱 물질은 예컨대, 알칼리 크리닝제, 다양한 충진 제품의 젖산 및 다른 기질과 같은 화학 성분에 강하고, 예컨대 하이드로겐 퍼옥사이드(H2O2)와 같은 살균제에 강해야만 한다. 공지된 카운터 레일 및 돌리가 매우 적절하게 기능을 할지라도, 이는 여러 단점을 갖는다. 이런 공지된 구조가 갖는 주요 단점은 돌리가 절단 레일 및 밀봉 블록에 관련된 더 소프트한 물질로 구성된다는 것이고, 다소 시간이 흐른 후에 마모될 것이기 때문에 규칙적인 간격으로 새로운 것으로 교체되어야만 한다. 돌리가 교환될 때마다, 포장 기계는 전체적으로 정지되어야만 한다. 먼저, 카운터 레일은, 동작 동안 부착되는 카운터 조로부터 제거되어야만 한다. 그 다음, 카운터 레일 내의 글로브에 고정되어 있던 낡은 돌리가 제거된다. 삭제 낡은 돌리가 제거되면, 새로운 돌리가 카운터 레일의 좁은 글로브에 삽입되어야만 하고, 그 후에 카운터 레일을 카운터 조에 부착해서, 다시 움직이도록 해야 한다. 돌리 뿐만 아니라 글로브는 항상 비대칭의 횡단면 구성을 갖고, 돌리는 글로브에 조심스럽게 고정되어, 그 정 위치에 삽입되는데, 즉 적당한 방법으로 방향 지어지는 것이 중요하다. 돌리가 글로브에 매우 강하게 고정되어 있기 때문에 돌리를 바꾸는 단계는 약간의 시간이 걸리므로, 글로브보다 약간 큰 횡 단면을 갖는다. 따라서 돌리는 약간의 힘으로 각각 가압되어 글로브 밖으로 뽑히게 되어야만 한다. 이는 수동으로 행해지는데, 이는 매우 복잡한 동작이기 때문이다. 기계가 완전히 정지해야만 하는 시간은 거의 10분에 이르는데, 기계가 일반적인 동작 속도로부터/로 조정되는 동안에, 포장 기계의 유형에 따라, 최소한 600-1300 개의 포장체가 일반적인 제조 속도로 제조될 수 있는 시간 동안에 감속 시간 및 시동 시간을 포함한다. 유동성 식품으로 충진된 튜브형의 시트 포장재를 가열 밀봉하기 위한 장치는 EP 1 300 340 A1로 설명된다. 장치는 각각 밀봉 수단 및 가압 수단을 갖는 제1 조 및 제2 조를 갖는다. 조들은 어떤 위치에서 튜브를 잡기 위해서 그리고 상기 위치에서 튜브를 밀봉하기 위해서 튜브의 공급 경로에 수평 방향으로 서로 향하게 이동할 수 있다. 제1 조(항상 밀봉 조라 칭해짐)는 튜브형의 포장재와 함께 동작하는 제1 접촉 표면을 한정하고, 하나 이상의 돌출부를 가지며; 제2 조(항상 카운터 조라 칭해짐)는 제2 접촉 표면을 한정하는데, 이는 최소한 제1 접촉 표면의 돌출부에서 볼록(凸)하다. 가열 밀봉하는 유사 장치는 US 6,216,420 B1으로 개시된다. 튜브형 시트 포장재를 가열 밀봉하는 장치는 압력하에 튜브를 잡고 상기 튜브를 가열 밀봉하기 위해 서로를 향해 움직일 수 있는 제1 조 및 제2 조를 포함한다. 제1 조는 한 쌍의 실질적으로 직선인 활성 표면을 갖는 가열 엘리멘트를 갖는데, 이는 중앙 평면의 대향하는 측면 상에서 신장하고, 중앙 평면에 평행하다. 제2 조는 한 쌍의 압력 패드를 갖는데, 이는 각각의 시트(seats)에서 수용되고 가열 엘리멘트의 활성 표면과 함께 동작한다. WO 00/44625는 액체 또는 유형 또는 유동성 식품의 포장을 위해서 라미네이트된 포장재를 가열 밀봉하는 장치에서 사용하기에 적합한, 카운터 레일 및 돌리에 관한 것인데, 여기서 상기 카운터 레일 및 돌리는 각각 실질적으로 플라스틱 물질로 만들어졌다. 문서는 또한 가열 밀봉 장치 및 상기 카운터 레일 및 돌리를 포함하는 밀봉/절단 장치에 관한 것이다. 게다가, 문서는 공동-사출 성형(co-injection molding)에 의해서 상기 카운터 레일 및 돌리를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상술된 가열 밀봉 장치를 디자인할 때, 중요한 요소는 카운터 조의 접촉 표면을 형성하는 고무 부분의 수명이다. 가열 밀봉 장치의 이 부분은 현재 상업적인 애플리케이션에서 원하지 않는 흠집 또는 당접면(abutment surface) 상의 절단의 발생으로 인해, 거의 40시간 미만의 제조시간마다 자주 교체된다. 게다가, 종종 발생하는 문제점은 고무 돌리가 포장재에 들러붙는 경향이 있다는 것인데 이는 문제를 발생할 수 있고, 포장재 및 고무 돌리에 손상을 입힐 수 있다. 종래 기술에 따른 밀봉 시스템의 다른 문제점은 밀봉 윈도우, 즉 중요한 밀봉 파라미터들 사이에 간격이 선택될 수 있고, 기계 동작에 최적의 밀봉 및 충분하지 않은 밀봉 사이에 충분한 안전 마진을 제공하는 것을 한정한다는 것이다.