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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Überdruckventil für
einen Verpackungsbehälter mit signifikant verbesserten
Dichtungseigenschaften.
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Überdruckventile
für Verpackungsbehälter sind aus dem Stand der
Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Die Verwendung
von Ventilen, insbesondere an flexiblen Verpackungen für
Lebensmittel, ist bereits durch eine Vielzahl von technischen Varianten
realisiert. Eine Hauptanforderung an derartige Ventile ist, dass
sie durch entsprechendes öffnen nur geringe Überdrücke
in der Verpackung zulassen und ansonsten das Eindringen von Umgebungsluft
sicher verhindern. Das Eindringen von Umgebungsluft muss dabei auch
bei sehr geringen Drücken, die deutlich unter dem Umgebungsdruck
liegen, in der Verpackung verhindert werden. In der Praxis sind
die beiden oben genannten Ziele jedoch zueinander gegenläufig,
da einerseits ein nur kleiner Öffnungsdruck zum öffnen
des Ventils vorhanden sein soll und andererseits eine hohe Vakuumfestigkeit
bereitgestellt werden soll. Daher haben Ventile, die eine hohe Vakuumfestigkeit
aufweisen, auch einen sehr hohen Öffnungsdruck. Im Gegensatz
dazu haben Ventile mit nur geringem Öffnungsdruck nicht die
notwendige Vakuumfestigkeit.
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Aus
der
EP 1 802 537 B1 ist
ein Überdruckventil bekannt, welches in einer Vertiefung
in einem Grundkörper teilweise unplan ausgebildet ist.
Hierdurch ergeben sich Zonen unterschiedlichen Abstands zwischen
der Vertiefung und einer Ventilmembran. Dieses Ventil hat sich grundsätzlich
bewährt, allerdings gibt es in jüngster Zeit verstärkt
Anwendungsfälle, welche eine verbesserte Öffnungscharakteristik
und Vakuumfestigkeit erfordern.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Überdruckventil mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil
auf, dass es schon bei sehr kleinen Überdrücken über
dem Umgebungsdruck von kleiner als 1000 Pa (10 mbar), insbesondere
kleiner als 500 Pa (5 mbar) öffnet und eine sehr hohe Vakuumfestigkeit
bei einem Druckunterschied von über 60000 Pa (600 mbar)
aufweist. Somit können die Drücke auch deutlich
unter dem Umgebungsdruck liegen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass das Überdruckventil einen Grundkörper
mit einer Durchgangsöffnung und einer Dichtfläche
sowie eine an der Dichtfläche aufliegende Membran umfasst.
Die Dichtfläche weist eine sich nach innen verjüngende Form
auf und zwischen der Membran und der Dichtfläche ist eine
dünne Fluidschicht, insbesondere Silikonöl, angeordnet.
Die Membran ist dabei flexibel und weist eine zur Dichtfläche
gerichtete, verformbare, d. h., weiche, Oberfläche auf.
Diese weiche Oberfläche der Membran ermöglicht
es, dass bei der Abdichtung sich die Oberfläche der Membran
verformt und so zu einer verbesserten Abdichtung an der Dichtfläche
beiträgt. Ferner fördert die sich verjüngende
Dichtfläche die Ausbildung eines Fluidfilms unterschiedlicher
Dicke, derart, dass an einer radial äußeren Seite
der Dichtfläche der Fluidfilm dünner ist als an
einer radial inneren Seite. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche
Adhäsionskräfte und kapillare Kräfte,
welche an der radial inneren Seite ein leichteres Öffnen
bei Überdruck ermöglichen (kleinere Kräfte
durch größere Fluidfilmdicke) und an der radial äußeren
Seite für eine verbesserte Vakuumfestigkeit sorgen (größere
Kräfte durch kleinere Fluidfilmdicke). Somit wird einerseits
das Dichtverhalten bei einem sehr tiefen Vakuum in der Verpackung
verbessert und gleichzeitig wird die Öffnungsfähigkeit
bei einem Vorliegen eines sehr kleinen Überdrucks von kleiner
500 Pa nicht verschlechtert.
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Die
Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
ist die an der Membran angeordnete verformbare Oberfläche
durch eine separate Schicht auf einem flexiblen Membranmaterial
gebildet. Hierdurch kann eine weiche Oberfläche durch die
separate Schicht erreicht werden und das weitere Membranmaterial
kann flexibel ausgestaltet werden und trotzdem eine gewisse Steifigkeit
und Elastizität aufweisen. Alternativ kann auch die gesamte
Membran aus einem Material hergestellt sein, welches eine weiche
Oberfläche der Membran sicherstellt.
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Weiter
bevorzugt ist am Grundkörper eine Vielzahl von radial nach
innen vorstehenden Nasen angeordnet, wobei die Nasen die Membran
zwischen sich zentrieren. Dadurch kann einerseits eine gute und
sichere Positionierung der Membran während des Betriebs
erhalten werden und ferner verbleiben zwischen der Membran und einem
Randbereich des Grundkörpers mehrere Spaltabschnitte, über
welche ein aus der Verpackung ausgasendes Medium abgeführt
werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Grundkörper
eine Vielzahl von Haltevorsprüngen, welche integral am Grundkörper
gebildet sind. Die Haltevorsprünge verhindern dabei ein
Herausfallen der Membran. Hierdurch kann insbesondere auf ein separates
Niederhalteteil für die Membran verzichtet werden.
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Weiter
bevorzugt ist radial innerhalb des Dichtbereichs eine umlaufende
Nut im Grundkörper angeordnet. Hierdurch wird erreicht,
dass die Dichtfläche mit einer Innenkante abschließt,
an welchem die weiche Oberfläche der Membran besonders
gut zusammengedrückt werden kann. Hierdurch können noch
bessere Abdichtungseigenschaften erhalten werden.
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Weiter
bevorzugt ist radial außerhalb der Dichtfläche
eine umlaufende Nut im Grundkörper vorgesehen, so dass
eine Außenkante der Dichtfläche gebildet wird,
an dem die weiche Membranoberfläche sicher abdichtet.
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Weiter
bevorzugt ist die verformbare Oberfläche der Membran oder
die gesamte Membran aus EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) oder NBR
(Nitril-Butadien-Kautschuk) oder Silikon-Kautschuk hergestellt.
Hierbei sind auch verschiedene Kombinationen der Materialien möglich,
beispielsweise ist die verformbare Oberfläche aus EPDM
hergestellt und die restliche Membran aus NBR oder Silikon-Kautschuk.
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Weiter
bevorzugt umfasst das Überdruckventil ferner ein Filterelement,
welches an der Durchgangsöffnung angeordnet ist. Vorzugsweise
ist das Filterelement dabei an einer zur Innenseite der Verpackung
gerichteten Seite des Grundkörpers angeordnet. Alternativ
kann statt des Filterelements auch eine Vielzahl von Mikroperforationen
vorgesehen werden, welche gemeinsam die Durchgangsöffnung bilden.
Hierbei muss jedoch ein Durchmesser der Mikroperforation kleiner
sein als ein durchschnittlicher Durchmesser des in der Verpackung
verpackten Gutes, um zu verhindern, dass das verpackte Gut durch die
Mikroperforationen in das Überdruckventil gelangt.
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Weiter
bevorzugt weist der Grundkörper einen Randbereich auf,
welcher ausgelegt ist, um das Überdruckventil an einer
Innenseite einer Verpackung zu fixieren. Der Randbereich umfasst
einen Innenring, einen Außenring und einen Mittelring,
wobei der Mittelring von einer Basisfläche weiter vorsteht, als
der Innenring und der Außenring. Dadurch wird während
eines Siegelvorgangs zur Fixierung des Überdruckventils
an der Innenseite der Verpackung erreicht, dass während
des Siegelvorgangs erzeugte Partikel in die ringförmigen
Zwischenräume zwischen dem Innenring und dem Mittelring
bzw. dem Mittelring und dem Außenring aufgenommen werden
können und so nicht zu einer unvollständigen Ansiegelung des Überdruckventils
führen können oder in das Überdruckventil
gelangen können.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben.
In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Überdruckventils gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel im montierten Zustand, das an
der Innenseite eines Verpackungsbehälters angesiegelt ist,
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2 eine
schematische Schnittansicht eines Grundkörpers des Überdruckventils
von 1,
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3 eine
vergrößerte Teilauschnittdarstellung von 2,
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4 eine
Draufsicht des Grundkörpers von 2,
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5 eine
schematische, vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs
des Überdruckventils gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel,
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6 eine
Draufsicht eines Grundkörpers eines Überdruckventils
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und
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7 eine
Draufsicht eines Grundkörpers eines Überdruckventils
gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Ausführungsform der
Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 ein Überdruckventil 1 gemäß einem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail
beschrieben.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst das erfindungsgemäße Überdruckventil 1 einen
Grundkörper 4 und eine Membran 6. Das Überdruckventil 1 ist dabei
an eine Innenseite 3a einer Verpackung 3 fixiert.
In der Verpackung 3 sind Öffnungen 3b vorgesehen,
unter welchen das Überdruckventil 1 befestigt ist.
In 1 ist ein Innenraum der Verpackung 3 mit dem
Bezugszeichen 2 gekennzeichnet und eine Außenseite
der Verpackung (Umgebung) mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet.
Das Überdruckventil 1 hat die Aufgabe, einen gegebenenfalls
in der Verpackung 3 entstehenden Überdruck zur
Außenseite 11 abzugeben und ein gegebenenfalls
in der Verpackung 3 herrschendes Vakuum gegenüber
der Außenseite 11 abzudichten. Derartige Verpackungen mit Überdruckventil
werden beispielsweise für Kaffee verwendet.
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Wie
aus 4 ersichtlich, ist der Grundkörper 4 zylindrisch
mit relativ kleiner Höhe ausgebildet und umfasst einen
Randbereich 18 sowie eine vom Randbereich umschlossene
Vertiefung 23. In der Vertiefung 23 weist der
Grundkörper 4 eine Dichtfläche 14 sowie
einen mittleren Grundbereich 24 auf. Ferner sind im Grundkörper 4 mehrere
Durchgangsöffnungen 9 vorgesehen, durch welche
ein Gas aus dem Innenraum 2 zur Außenseite 11 strömen
kann. Die Dichtfläche 14 am Grundkörper
ist dabei derart gebildet, dass sie sich zur Innenseite hin verjüngt. Diese
Verjüngung kann konisch sein oder alternativ auch gewölbt
bzw. kalottenförmig. Durch die nach innen gerichtete Verjüngung
der Dichtfläche 14 liegt eine Außenkante 15 der
Dichtfläche immer auf einem etwas höheren Niveau
als eine Innenkante 16 der Dichtfläche. Mit dem
Begriff ”höheren Niveau” ist dabei gemeint,
dass die Außenkante 15 in einer Ebene senkrecht
zur Mittelachse X-X des Überdruckventils 1 liegt,
welche in Richtung zur Verpackungswand näher an der Verpackungswand
liegt, als eine Ebene senkrecht zur Mittelachse X-X durch die Innenkante 16.
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Der
mittlere Grundbereich 24 liegt dabei ebenfalls auf einem
etwas tieferen Niveau als die Innenkante 16. Ferner ist
radial außerhalb der Dichtfläche 14 eine äußere
Ringnut 13 vorgesehen und radial innerhalb der Dichtfläche 14 eine
innere Ringnut 12. Die beiden Ringnuten 12, 13 sind
umlaufend gebildet, wobei die äußere Ringnut 13 etwas
tiefer ist als die innere Ringnut 12.
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Ferner
sind an einem Absatz des Grundkörpers mehrere radial nach
innen gerichtete Nasen 17 vorgesehen. Wie insbesondere
aus 1 ersichtlich ist, sind die Nasen 17 dabei
derart gebildet, dass sie die Membran 6 zwischen sich zentrieren.
Weiter sind integral am Grundkörper 4 noch drei
Niederhalter 22 gebildet, welche verhindern, dass die Membran 6 aus Versehen
vom Grundkörper 4 gelöst werden kann. Dies
ist insbesondere bei der Montage des Überdruckventils 1 wichtig
bzw. wenn ein hoher Druck vom Innenraum 2 zur Außenseite
abgegeben wird und die Membran 6 eine relativ große
Bewegung ausführt.
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Wie
weiter aus 3 ersichtlich ist, ist der Randbereich 18 für
einen einfachen Siegelvorgang mittels Ultraschall ausgebildet. Hierzu
umfasst der Randbereich 18 einen Außenring 20,
einen Mittelring 19 und einen Innenring 21. Hierbei
steht der Mittelring 19 von einer Basisfläche 25 weiter
vor als der Außenring 20 und der Innenring 21.
Durch diese Ausbildung des Randbereichs 18 kann ein verbessertes Siegelverhalten
erreicht werden, da eventuell beim Siegeln erzeugte Partikel in
die Zwischenräume zwischen dem Außenring und dem
Mittelring bzw. dem Mittelring und dem Innenring fallen können.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, sind in diesem Ausführungsbeispiel
drei Durchgangsöffnungen 9 im mittleren Grundbereich 24 vorgesehen,
welche gleich verteilt in Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Durchgangsöffnungen 9 weisen
dabei eine gleiche Form auf und sind voneinander durch Stege 10 getrennt.
Weiterhin ist an einer zum Innenraum 2 gerichteten Seite 7 des
Grundkörpers 4 eine flache Ausnehmung 26 vorgesehen,
in welche ein Filterelement 8 aufgenommen ist (vgl. 1).
Das Filterelement 8 wird vorzugsweise ebenfalls mittels
Ultraschallschweißen am Grundkörper 4 befestigt,
wobei in der Ausnehmung ein ringförmiger Vorsprung 8a (bzw.
ein Energierichtungsgeber) vorgesehen ist. Dieser ermöglicht
eine schnelle, saubere Ultraschallsiegelung mit hoher Festigkeit.
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Ferner
ist zwischen der Dichtfläche 14 am Grundkörper 4 und
der Membran 6 eine dünne Fluidschicht 5 vorgesehen.
Wenn ein Druck in der Verpackung 3 über einem
Umgebungsdruck an der Außenseite 11 liegt, so
wirkt eine von der Summe der Querschnitte der Durchgangsöffnungen 9 abhängige
Kraft gegen die Membran 6. Dieser Kraft wirken kapillare und
adhäsive Kräfte der Fluidschicht entgegen, die insbesondere
von einer Dicke der Fluidschicht abhängig sind. Diese Kräfte
nehmen mit zunehmender Fluidschichtdicke ab. Das Überdruckventil 1 öffnet dann,
wenn die resultierenden Druckkräfte auf die Membran 6 größer
sind als die kapillaren bzw. adhäsiven Kräfte,
die die Membran auf dem Grundkörper 4 halten.
Durch die sich verjüngende Ausgestaltung der Dichtfläche 14 wird
nun bewirkt, dass eine Fluidschichtdicke im Bereich der Innenkante 16 am
größten ist und die kapillaren Kräfte
in diesem Bereich hierdurch am kleinsten sind. Damit sind vergleichsweise
kleine Druckkräfte erforderlich, um die kapillaren Kräfte
in diesem Bereich zu überwinden. Infolge der Flexibilität
der Membrane vergrößert sich dabei die Angriffsfläche,
auf die der innere Überdruck wirkt, so dass die kapillaren
Kräfte auf den radial weiter außen liegenden Bereichen
in der Nähe der Außenkante 15 leichter überwunden
werden kann, bis das Ventil öffnet. Somit ermöglicht
das erfindungsgemäße Überdruckventil 1,
dass ein öffnen bei vergleichsweise geringen Überdrücken
von ≤ 500 Pa über dem Druck an der Außenseite 11 ermöglicht
wird.
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5 zeigt
einen Zustand, in welchem die Membran 6 gerade von dem
mittleren Grundbereich 24 abgehoben ist, jedoch noch an
der Dichtfläche 14 anliegt. In diesem Zustand
kann der innere Überdruck auf die entsprechend der Innenkante 16 frei
liegende Kreisquerschnittsfläche der Membran 6 drücken,
so dass im Vergleich zum Anfangszustand, in welchem der innere Druck
nur über die drei Durchgangsöffnungen 9 auf
die Membran 6 wirkt, eine deutlich größere
Fläche vorhanden ist. Hierdurch wird ein Öffnungsvorgang
der Membran weiter unterstützt. Wie aus 1 und 5 ersichtlich
ist, ist am radial äußeren Bereich der Membran 6 ein
kleiner Spalt zum Grundkörper 4 vorhanden, über
den dann der Überdruck in den Raum zwischen dem Überdruckventil 1 und
der Verpackung 3 und von dort über die Öffnungen 3b zur
Außenseite 11 strömen kann.
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Wenn
die Drücke im Inneren der Verpackung kleiner sind als an
der Außenseite 11, so wird die Membran 6 sowohl
auf die Dichtfläche 14 als auch auf den mittleren
Grundbereich 24 gedrückt. Hierdurch dichtet die
Membran 6 neben der Abdichtung an der eigentlichen Dichtfläche 14 zusätzlich
auch auf dem mittleren Grundbereich 24 ab. Ferner wird durch
die weiche bzw. verformbare Oberfläche 6a der Membran 6 in
diesem Fall erreicht, dass eine Verformung der Oberfläche 6a insbesondere
im Bereich der Dichtfläche 14 auftritt (vgl. 5).
Hierbei wird die Membran 6 insbesondere im Bereich der
Außenkante 15 durch die nach Innen konische Form
der Dichtfläche 14 verstärkt an der Oberfläche
verformt, so dass im Bereich der Außenkante 15 nur
eine sehr geringe Fluidfilmdicke vorhanden ist. Durch die sich verjüngende
Ausbildung der Dichtfläche 14 ist das Fluid somit
an der Außenkante 15 mit nur geringer Fluiddicke
und an der Innenkante 16 mit einer etwas größeren
Fluiddicke vorhanden. Die sehr geringe Fluiddicke im Bereich der
Außenkante 15 bewirkt somit eine sehr hohe Vakuumfestigkeit
des Überdruckventils 1.
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Somit
unterstützt die erfindungsgemäße weiche
bzw. verformbare Oberfläche der Membran 6 zusätzlich
die Vakuumfestigkeit des Ventils, ohne dass hierdurch eine Öffnungscharakteristik
bei nur geringen Druckunterschieden zwischen dem Innenraum 2 und
der Außenseite 11 negativ beeinträchtigt
würde. Durch die sich verjüngende Anordnung der
Dichtfläche 14 wird zudem noch eine stärkere
Verformung an der Außenkante 15 als an der Innenkante 16 unterstützt,
was zusätzlich die Vakuumfestigkeit erhöht.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 6 ein Überdruckventil 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen
wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Wie
aus 6 ersichtlich ist, entspricht das Überdruckventil 1 des
zweiten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen dem des ersten
Ausführungsbeispiels, wobei beim zweiten Ausführungsbeispiel
die Durchgangsöffnungen verschieden vom ersten Ausführungsbeispiel
ausgeführt sind. Wie in 6 gezeigt,
sind statt kompletter Durchgangsöffnungen 9 eine
Vielzahl kleiner Perforationen 29 vorgesehen, welche jeweils
in Grundflächen 27 in drei Vertiefungen 28 ausgebildet
sind. Jede der Perforationen 29 weist dabei einen Durchmesser
von ca. 60 bis 120 μm auf. Durch diese Maßnahme
kann insbesondere das Filterelement des ersten Ausführungsbeispiels eingespart
werden, so dass sich der Aufbau des Überdruckventils des
zweiten Ausführungsbeispiels weiter vereinfacht. Ansonsten
entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden
Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung
verwiesen werden kann.
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7 zeigt
ein Überdruckventil 1 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche
bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie
in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet
sind. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist
beim dritten Ausführungsbeispiel eine zentrale Vertiefung 30 vorgesehen
und die Vielzahl der Perforationen 29 sind in einer Grundfläche 31 der
zentralen Vertiefung 30 gebildet. Wie aus 7 ersichtlich
ist, sind die Perforationen 29 dabei auf verschiedenen
Radien gleich verteilt entlang der Umfangsrichtung angeordnet. Es
sei jedoch angemerkt, dass es auch möglich ist, dass die
Perforationen unregelmäßig vorgesehen sind. Somit
weist das dritte Ausführungsbeispiel nur eine Ringfläche 32 auf,
welche die zentrale Vertiefung 30 von der inneren Ringnut 12 trennt.
Diese Ringfläche 32 entspricht somit dem mittleren
Grundbereich 24 in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung
verwiesen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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