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Die Erfindung betrifft ein Füllorgan für
Behälterfüllmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Füllorgane werden unter anderem zum Füllen von
Getränkeflaschen verwendet und sind in verschiedenen
Bauformen bekannt. Der Ventilkörper wird durch doppelt
wirkende Pneumatikzylinder, einfach wirkende
Pneumatikzylinder in Verbindung mit Kraftspeichern,
Elektromagneten oder dgl. betätigt, die z. B. durch
Durchflussmesser in der Produktzuleitung oder durch
Füllhöhensonden in den Behältern oder in Dosierkammern
gesteuert werden. Insbesondere der Schließhub der
Ventilkörper wird mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt, um
den unkontrollierten Nachlauf zwischen dem Einsetzen der
Schließbewegung und dem endgültigen Absperren des Produkts
möglichst gering zu halten. Bei einfach wirkenden
Pneumatikzylindern wird die hohe Schließgeschwindigkeit durch
eine entsprechend hohe Druckbeaufschlagung erzielt, die
außerdem der zuverlässigen Zuhaltung entgegen der vom
Kraftspeicher erzeugten Öffnungskraft dient.
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Das schnelle Schließen des Produktventils führt allerdings
häufig dazu, dass am Ende des Schließvorgangs aus dem
Produktauslauf unkontrollierte Spritzer austreten. Diese
können die Behälter bzw. die Füllmaschine verunreinigen, die
Füllgenauigkeit verringern und ein unerwünschtes Aufschäumen
des Produkts im Behälter verursachen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Füllorgan
der eingangs genannten Art ein unkontrolliertes Verspritzen
des Produkts bei Beendigung des Füllvorgangs mit einfachen
Mitteln zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Bei einem erfindungsgemäßen Füllorgan kann das Annähern des
Ventilkörpers an den Ventilsitz zunächst mit der aus Gründen
der Füllgenauigkeit erwünscht hohen Geschwindigkeit erfolgen.
Erst in der Endphase des Schließhubs erfolgt dann ein
gezieltes Abbremsen durch die Dämpfungseinrichtung. Es hat
sich gezeigt, dass dies ausreicht, um die unkontrollierten
Spritzer weitgehend zu vermeiden. So ist es bei einem
Schließhub von 5 bis 6 Millimeter, wie er bei
Flaschenfüllmaschinen häufig vorliegt, ausreichend, die
Schließbewegung auf den letzten 2 Millimetern um ca. 50% zu
verringern. Mit dieser verringerten Geschwindigkeit trifft
dann der Ventilkörper auf den Ventilsitz. Dies führt außerdem
zu einer verringerten mechanischen Beanspruchung des
Füllorgans. Auch eine stufenlose Verringerung der
Schließgeschwindigkeit, ggf. über den gesamten Schließhub,
bringt gute Ergebnisse.
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Die Dämpfungseinrichtung kann aus separaten, üblichen
Dämpfungselementen wie z. B. ölgefüllten Stoßdämpfern mit
Federrückstellung aufgebaut werden. Aufgrund des kurzen Hubs
und der geringen Kräfte sind die hierfür aufzuwendenden
Kosten gering. Derartige Dämpfungselemente können auch
nachträglich an vorhandenen Behälterfüllmaschinen problemlos
nachgerüstet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Dämpfungseinrichtung
in das Stellorgan integriert ist, z. B. in Form einer
Endlagendämpfung bei einem Pneumatikzylinder. Dies führt zu
einer geschlossenen, hygienischen und betriebssicheren
Bauweise. Wichtig ist in jedem Falle, dass die
Dämpfungseinrichtung eine exakte, reproduzierbare
Bremswirkung ausübt, um den während des Schließvorgangs
entstehenden Nachlauf konstant zu halten.
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Vorteilhafte Weiterbildungen hierzu sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Im Nachstehenden werden zwei Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 den senkrechten Schnitt durch ein Füllorgan mit
separater Dämpfungseinrichtung
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Fig. 2 den senkrechten Schnitt durch ein abgewandeltes
Stellorgan des Füllorgans nach Fig. 1 mit
integrierter Dämpfungseinrichtung bei Beginn
des Schließhubs
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Fig. 3 das Stellorgan nach Fig. 2 am Ende des Schließhubs.
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Das Füllorgan 1 nach Fig. 1 ist zum Befüllen von Flaschen 27
unter Atmosphärendruck mit einem stillen Getränk, z. B. Wasser
oder Eistee, eingerichtet. Es ist zusammen mit einer Anzahl
identischer Füllorgane gleichmäßig verteilt auf einem
ringförmigen Rotor 8 befestigt, der um eine senkrechte
Drehachse 9 kontinuierlich antreibbar ist. Der Rotor 8 gehört
zu einer nur teilweise dargestellten Flaschenfüllmaschine,
die ferner einen konzentrisch zur Drehachse 9 angeordneten,
mitumlaufenden Produktbehälter 10 sowie unterhalb der
Füllorgane 1 angeordnete, am Rotor 8 befestigte Huborgane 11
zum Anheben der zu befüllenden Flaschen 27 an die Füllorgane
1 aufweist.
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Das Füllorgan 1 weist ein rohrartiges, mehrteiliges Gehäuse
12 auf, das mit einem seitlichen Ansatz auf dem Rotor 8
aufliegt und dort mittels Schrauben befestigt ist. Im Inneren
des Gehäuses 12 ist ein senkrechter, im wesentlichen
rotationssymmetrischer Produktkanal 13 ausgebildet, an dessen
unterem Ende ein sich verjüngender Ventilsitz 4 ausgeformt
ist. An diesen schließt sich ein rohrartiger Auslauf 2 für
das Produkt an, der im unteren Stirnbereich mehrere Öffnungen
14 aufweist, aus denen das Produkt in die durch das Huborgan
11 über den Auslauf 2 gehobene, jedoch keinen Kontakt mit dem
Füllorgan 1 aufweisende Flasche 27 einläuft.
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In der Ventilkammer 13 ist ein Ventilkörper 5, der sich am
unteren Ende konisch verjüngt, höhenbeweglich gelagert. Der
Ventilkörper 5 ist auf einem rohrförmigen Ventilstößel 15
befestigt, der nach oben hin aus dem Ventilgehäuse 12
herausgeführt und mittels eines im Inneren des Produktkanals
13 angeordneten flexiblen Balgs 15 gas- und flüssigkeitsdicht
abgedichtet ist. Ferner ist im Ventilkörper 5 ein nach unten
hin herausragendes Rückgasrohr 17 befestigt, das in die
Bohrung des Ventilstößels 15 einmündet. Außerdem ist das
Rückgasrohr 17 im unteren Stirnbereich des Auslaufs 2
beweglich geführt. Es ragt zusammen mit dem unteren, mit den
Öffnungen 14 versehenen Bereich des Auslaufs 2 in die Mündung
der zu befüllenden Flasche 27 hinein und führt das während
des Füllens aus der Flasche 27 verdrängte Gas über den
Ventilstößel 15 und eine außerhalb der Ventilkammer 12 an
diesen angeschlossene Rückgasleitung 18 zurück in den
Produktbehälter 10.
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Der Ventilsitz 4 und der höhenbewegliche Ventilkörper 5
bilden zusammen ein Ventil 3 zur Steuerung des in die Flasche
27 einlaufenden Produktstroms. In Fig. 1 ist dieses Ventil 3
in seiner geöffneten Stellung dargestellt. Diese wird durch
einen Kraftspeicher in Form einer Druckfeder 19 realisiert,
die zwischen der Oberseite des Gehäuses 12 und einem am
daraus herausragenden oberen Ende des Ventilstößels 15
befestigten Anschlussstück 20 eingesetzt ist.
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Das Schließen des Ventils 3 wird durch ein Stellorgan 6a in
Form eines einfach wirkenden Pneumatikzylinders realisiert,
der bei einer Beaufschlagung mit Druckluft über seine
Kolbenstange 21, das als Anschlag wirkende Anschlussstück 20
und den Ventilstößel 15 den Ventilkörper 5 nach unten bewegt,
bis dieser auf dem Ventilsitz 4 anschlägt. Der
Pneumatikzylinder 6a wird durch eine elektropneumatische
Steuereinrichtung 22 angesteuert, an die ein Durchflussmesser
23 angeschlossen ist. Dieser ist in die Produktleitung 24
eingeschaltet, welche den Produktbehälter 10 mit dem oberen
Ende des Produktkanals 13 verbindet.
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Das am oberen Ende des Ventilstößels 15 starr befestigte
Anschlussstück 20 weist einen seitlich zur Drehachse 9
weisenden Ansatz 25 mit einer horizontalen unteren
Anschlagfläche auf. Unter dieser ist an der Oberseite des
Gehäuses 12 eine Dämpfungseinrichtung 7a befestigt. Diese
umfasst einen mit Öl gefüllten Zylinder, dessen beide
Zylinderkammern über eine einstellbare Drossel und ein
Rückschlagventil verbunden sind. Durch eine integrierte
Druckfeder wird der Kolben in seine obere Endposition
gedrängt, die in Fig. 1 gezeigt ist. Hierbei liegt zwischen
der Anschlagfläche des Ansatzes 25 und dem oberen Ende der
nach oben aus dem Zylinder herausragenden Kolbenstange der
Dämpfungseinrichtung 7a ein Abstand "a" von 4 Millimetern
vor.
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Das vorbeschriebene Füllorgan 1 funktioniert folgendermaßen:
Nachdem bei kontinuierlich umlaufendem Rotor 8 und
geschlossenem Produktventil 3 durch das Huborgan 11 eine
leere Flasche 27 in die in Fig. 1 dargestellte Füllposition
angehoben worden ist, wird durch die Steuereinrichtung 22 der
zuvor mit Druckluft beaufschlagte Pneumatikzylinder 6a
entlüftet. Die Druckfeder 19 hebt nun über das Anschlussstück
20 und den Ventilstößel 15 den Ventilkörper 5 an, so dass das
Produktventil 3 umgehend geöffnet wird. Nunmehr läuft
aufgrund des Höhenunterschieds das Produkt aus dem
Produktbehälter 10 über die Produktleitung 24, den
Produktkanal 13, das Produktventil 3 und den Auslauf 2 und
die Öffnungen 14 in die Flasche 27 ein. Dabei wird die zuvor
in der Flasche 27 befindliche Umgebungsluft durch das
Rückgasrohr 17, den hohlen Ventilstößel 15, das durchbohrte
Anschlussstück 20 und die Rückgasleitung 18 in den
Produktkessel 10 verdrängt und von dort ins Freie abgeblasen.
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Dabei registriert der Durchflussmesser 23 das abgefüllte
Produktvolumen und meldet dieses an die Steuereinrichtung 22.
Sobald ein vorgegebenes Volumen erreicht worden ist, löst die
Steuereinrichtung 22 die Druckbeaufschlagung des
Pneumatikzylinders 6a aus. Dessen Kolbenstange 21 bewegt dann
über das Anschlussstück 20 und den Ventilstößel 15 den
Ventilkörper 5 des Produktventils 3 nach unten in Richtung
Schließposition, entgegen der Kraft der Druckfeder 19.
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Während der ersten vier Millimeter entsprechend dem Abstand a
des insgesamt sechs Millimeter langen Schließhubs wird der
Ventilkörper 5 mit der gewünscht hohen Schließgeschwindigkeit
ungedämpft in Richtung Ventilsitz 4 bewegt. Dadurch wird der
Nachlauf während der Schließbewegung minimiert. Sobald der
Ansatz 25 auf die ausgefahrene Kolbenstange der
Dämpfungseinrichtung 7a auftrifft, wird die
Schließgeschwindigkeit verlangsamt und die letzten zwei
Millimeter entsprechend dem Abstand b des Schließhubs
verlaufen gebremst, in etwa mit 50% der ursprünglichen oder
Anfangsschließgeschwindigkeit. Mit dieser gebremsten
Geschwindigkeit trifft der Ventilkörper 5 dann auf den
Ventilsitz 4 auf. Hierbei strömt das Öl in der
Dämpfungseinrichtung 7a aus der unteren Zylinderkammer über
die Drossel in die obere Zylinderkammer.
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Der Schlag beim Auftreffen des Ventilkörpers 5 auf den
Ventilsitz 4 wird so stark entschärft und die Bauteile des
Füllorgans 1 werden geschont. Außerdem wird hierdurch die
Beschleunigungs- oder Verdrängungswirkung der während der
Schließbewegung in den Produktkanal 13 eintretenden Bereiche
des Ventilstößels 15 sowie des sich erweiternden Balges 15
einerseits sowie der Querschnittsverengung zwischen
Ventilkörper 5 und Ventilsitz 4 andererseits so weit
entschärft, dass an den Öffnungen 14 keine die
Flaschenfüllmaschine oder die Flasche 27 verschmutzenden oder
das Füllergebnis beeinträchtigenden Produktspritzer entstehen
können.
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Wird beim anschließenden Füllvorgang das Flüssigkeitsventil 3
durch Entlüften des Pneumatikzylinders 6a erneut geöffnet, so
wird der Kolben der Dämpfungseinrichtung 7a durch die
Druckfeder rasch zurück in seine obere Ausgangslage
verfahren, wobei das Öl aus der oberen Zylinderkammer über
das Rückschlagventil in die untere Zylinderkammer strömt.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3 ist die
Dämpfungseinrichtung 7b in das wiederum als Pneumatikzylinder
6b ausgebildete Stellorgan des ansonsten unveränderten
Füllorgans 1 integriert. Zu diesem Zweck ist auf der mit dem
Anschlussstück 20 zusammenwirkenden Kolbenstange 21 unter dem
eigentlichen Arbeitskolben 26 ein Dämpfungskolben 28
befestigt. Zwischen dem Arbeitskolben 26 und dem
Dämpungskolben 28 ist eine Ringkammer 29 ausgebildet, die
über eine erste Bohrung 30 in der Zylinderwand mit der
Atmosphäre verbunden ist. Über eine zweite Bohrung 31 in der
Kolbenstange 21 ist die Ringkammer 29 mit einer in der
Kolbenstange 21 ausgebildeten Steuerkammer 32 verbunden. In
dieser ist ein Steuerschieber 33 beweglich gelagert, der
durch eine Druckfeder 34 in seine in Fig. 2 gezeigte obere
Endposition gedrängt wird.
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Im Steuerschieber 33 und in der Steuerkammer 32 sowie in der
Kolbenstange 21 sind Steuerkanäle 35 ausgebildet, welche bei
der in Fig. 2 gezeigten oberen Position des Steuerschiebers
33 den über dem Arbeitskolben 26 ausgebildeten Arbeitsraum
mit dem unter dem Dämpfungskolben 28 ausgebildeten
Dämpfungsraum verbinden. Letzterer steht über eine
Drosselbohrung 37 mit der Umgebung in Verbindung. Außerdem
ist über der oberen Stirnseite des Steuerschiebers 33 eine
elastische Manschette 36 angeordnet, deren Dichtlippen ein
Durchströmen der Druckluft von oben nach unten freigeben und
von unten nach oben verhindern.
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Nimmt der Steuerschieber 33 unter dem Einfluß der Druckfeder
34 seine durch Anschläge in der Kolbenstange 21 definierte
obere Endstellung ein (Fig. 2), so verbinden die Steuerkanäle
35 die über dem Arbeitskolben 26 ausgebildete Arbeitskammer
38 mit der unter dem Dämpfungskolben 28 ausgebildeten
Dämpfungskammer 39. Diese ist durch die Drosselbohrung 37
permanent mit der Umgebung verbunden. Nimmt dagegen der
Steuerschieber 33 unter dem Einfluß des in der Arbeitskammer
38 herrschende Überdrucks seine untere Endposition ein (Fig.
3) so legt sich die Manschette 36 an die Einmündung des
Steuerkanals 35 in die Arbeitskammer 38 abdichtend an,
wodurch die Verbindung zwischen Arbeitskammer 38 und
Dämpfungskammer 39 unterbrochen ist.
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Der Steuerschieber 33 und die Druckfeder 34 sind im
vorliegenden Fall derart ausgebildet, dass sich, ausgehend
von der Position in Fig. 2, beim Zuführen von Druckluft von
6 bar in die Arbeitskammer 38 über eine Anschlußleitung 40
die Steuerkanäle 35 gerade so lange geöffnet bleiben, bis
sich in der Dämpfungskammer 39 ein Druck von 3 bar aufgebaut
hat. Hierbei bewegt sich der Steuerschieber 33 relativ zur
Kolbenstange 21 in seine untere Endposition nach Fig. 3,
während die Kolbenstange 21 mit dem Arbeitskolben 26 und dem
Dämpfungskolben 28 sich noch nicht nennenswert bewegt.
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Nunmehr wird die Kolbenstange 21 auf Grund des voll auf den
Arbeitskolben 26 einwirkenden Drucks von 6 bar rasch nach
unten bewegt. Dabei baut sich in der Dämpfungskammer 39 durch
das dort eingeschlossene Luftpolster eine immer stärker
werdende Gegenkraft auf, die ihr Maximum erreicht, wenn sich
die Kolbenstange 21 ihrer unteren Endposition nach Fig. 3
annähert. Das Auftreffen des Ventilkörpers 5 auf den
Ventilsitz 4 wird hierdurch optimal gedämpft.
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Während der Schließbewegung beginnt auch sofort die
Entlüftung der Dämpfungskammer 39 über die Drosselbohrung 37,
so dass auch durch die Größe der Drosselbohrung die
Dämpfungskraft eingestellt werden kann. Die Entlüftung der
Dämpfungskammer 39 ist beim Erreichen der unteren Endposition
der Kolbenstange 21 nach Fig. 3 noch nicht abgeschlossen
sondern geht noch eine kurze Zeit weiter, bis in der
Dämpfungskammer 39 der normale Luftdruck herrscht. Dies hat
den Vorzug, dass die volle Schließkraft entsprechend dem
Arbeitsdruck von 6 bar auf die Kolbenstange 21 und damit auf
den Ventilkörper 5 einwirkt. Die Zuhaltung des Ventils 3 wird
somit durch die Dämpfungseinrichtung 6b in keiner Weise
behindert.