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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf eine Füllmaschine gemäß Oberbegriff Patentanspruch 6.
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Verfahren zum Füllen von Flaschen oder anderen Behältern sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Nachteilig ist vielfach, dass es während des Füllens (Füllphase) oder aber nach Beendigung des Füllens zu einem Aufschäumen des Füllgutes im Behälter kommt und das Füllgut hierbei durch Überschäumen aus dem Behälter austritt, was u. a. zu Füllgutverlusten sowie Verschmutzungen des jeweiligen Behälters, aber auch der Füllmaschine führt. Dieses unerwünschte Aufschäumen hat unterschiedliche Ursachen. So kommt es bei vielen Füllverfahren während des Füllens unweigerlich dazu, dass das Füllgut mehr oder weniger turbulent auf den Boden des zu füllenden Behälters oder aber auf bereits in den Behälter eingebrachtes Füllgut auftrifft, wobei Anteile des im Inneren des Behälters befindlichen gas- oder dampfförmigen Mediums als Mikrobläschen in das Füllgut eingetragen oder eingeschlagen werden, insbesondere auch Anteile eines beispielsweise beim Druckfüllen für das Vorspannen des jeweiligen Behälters verwendeten Vorspann- oder Inertgases. Beim Druckfüllen kommt es dann spätestens beim Entlasten des Behälters auf einen niedrigeren Druck sowie auch beim Abziehen des Behälters vom Füllelement zu einem Aufschäumen des Füllgutes. Unabhängig hiervon sowie gegebenenfalls auch zusätzlich hierzu ist die unerwünschte Schaumbildung auch durch die Art des jeweiligen Füllgutes bedingt. Beispielsweise bei einem CO2-haltigen Füllgut, welches unter Druck in die Behälter eingebracht wird, ist vielfach eine unerwünschte Schaumbildung nach Beendigung des Füllens und bei der Entlastung der gefüllten Behälter auf Atmosphärendruck durch im Füllgut gebundenes oder aber auch nicht gebundenes und bei der Entlastung austretendes CO2-Gas verursacht, und zwar insbesondere dann, wenn zur Erhöhung der Leistung einer Füllmaschine (Anzahl der gefüllten Behälter je Zeiteinheit) nach Beendigung des Füllens eine übermäßig lange Beruhigungs- und Entlastungsphase nicht erwünscht ist.
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Auch beim Füllen von Behältern unter Normaldruck oder in einem Freistrahl-Füllverfahren, bei dem die Behälter mit ihrer Behälteröffnung vom Füllelement beabstandet sind und das Füllgut somit im freien Strahl den Behältern zufließt (beispielsweise beim Abfüllen von stillen Getränken oder Saftgetränken), kommt es vielfach bedingt durch die Eigenschaft des Füllgutes, beispielsweise durch Fruchtfleisch oder Fruchtfasern und/oder durch an diesen anhaftenden Gasblasen, die in das Füllgut eingetragen werden, zu einer unerwünschten Schaumbildung.
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Die Druckschrift
DE 29 26 955 C2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung von Schaum über einem Flüssigkeitsspiegel, insbesondere über flüssigem Füllgut. Dabei wird ein beim Abfüllen entstehender Schaum durch hochfrequente Wellenstrahlung mit einer Frequenz von mindestens 20000 Hz reduziert. Dabei können neben elektromagnetischen Wellen auch Ultraschallwellen verwendet werden. Beispielsweise ist eine Schaumbeseitigungseinrichtung zum Aussenden der hochfrequenten Wellen oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Füllguts angeordnet, um die Schaumbildung zu unterdrücken bzw. zu reduzieren.
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Die Druckschrift
JP 63252509 A offenbart eine Unterdrückung von Schaum beim Abfüllen von flüssigen Füllgütern in Behälter mittels optischer Strahlung. Dabei wird die optische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung oberseitig in den Mündungsbereich des zu befüllenden Behälters eingebracht und damit eine Reduzierung der Schaumbildung bewirkt.
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Die Druckschrift
JP 63104620 A offenbart ebenfalls die Schaumunterdrückung durch Einbringung von Laserstrahlung oder Mikrowellen. Dabei wird ein zu befüllender Behälter im Bereich der Schaumoberfläche mit Laserstrahlen beaufschlagt, um dadurch die Schaumbildung zu reduzieren.
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Die Druckschrift
US 5,038,548 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schaumreduzierung durch Einsprühen von Partikeln in den Schaum.
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Zuletzt offenbart die Druckschrift
DE 32 26 172 C2 ein Verfahren zur Schaumreduzierung in mit einem Füllgut befüllten Behälter durch Einleiten von Warmluft.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit welchen die Nachteile einer unerwünschten Schaumbildung wirksam vermieden werden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Eine Füllmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 6.
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Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass die Reduzierung und/oder Unterdrückung des Schaums, bzw. der Schaumbildung durch entsprechende Behandlung oder Einflussnahme bereits während der Entstehung des Schaums, also bereits während der Schaumbildung erfolgt. Eine weitere Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass die Behandlung oder Einflussnahme bereits zu dem Zeitpunkt und an dem Ort erfolgt, wenn bzw. Schaum entstehen, bzw. eine Schaumbildung erfolgen könnte.
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Also erfolgt eine Behandlung oder Einflussnahme insbesondere während des Einlaufens des flüssigen Füllgutes in einen Behälter bzw. während des Füllens (Füllphase) und/oder im Anschluss an das Füllen, beispielsweise während der Zeitdauer, in der sich der jeweilige Behälter nach der Beendigung des Füllens noch an der Füllposition befindet, oder aber während eines Teils dieser Zeitdauer, beispielsweise während einer sich an das Füllen anschließenden Beruhigungs- und/oder Entlastungsphase.
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Die die Schaumbildung reduzierende oder unterdrückende Behandlung oder Einflussnahme erfolgt an der jeweiligen Füllposition, d. h. solange sich der betreffende Behälter noch innerhalb der Füllmaschine befindet. Die Behandlung oder Einflussnahme erfolgt bevorzugt im Bereich des Füllgutspiegels im jeweiligen Behälter, d. h. dort, wo eine unerwünschte Schaumbildung entsteht oder entstehen könnte. Die Behandlung oder Einflussnahme erfolgt bevorzugt durch Energieeintrag, beispielsweise durch Ultraschall- und/oder Infraschall-Energie, durch Energieeintrag mit Hilfe eines gas- und/oder dampfförmigen Druckmediums, beispielsweise durch Beaufschlagung eines am Füllgutspiegel gebildeten oder in Bildung befindlichen Schaumteppichs mit dem Druck des Druckmediums und/oder mit Lichtenergie, beispielsweise mit wenigstens einem Laserstrahl.
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Die Quelle zur Erzeugung des Energieeintrags ist beispielsweise für jede Füllposition der für das Füllen verwendeten Füllmaschine gesondert oder aber für sämtliche Füllpositionen oder aber für Gruppen mehrerer Füllposition jeweils gemeinsam vorgesehen.
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Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Reduzierung und/oder Unterdrückung der Schaumbildung in der vorbeschriebenen Weise, d. h. während des Füllens und/oder nach dem Füllen durch entsprechende Behandlung oder Einflussnahme. Im Anschluss daran erfolgt dann vor dem Verschließen des jeweiligen Behälters ein kontrolliertes Aufschäumen des Füllgutes, um hiermit aus dem vom Füllgut nicht eingenommen Teil des Behälterinnenraumes oberhalb des Füllgutspiegels, d. h. aus dem Kopfraum des jeweiligen Behälters Luft und damit auch Luft-Sauerstoff mit dem aufgeschäumten Füllgut zu verdrängen und dadurch die Haltbarkeit insbesondere auch eines sauerstoffempfindlichen Füllgutes, beispielsweise die Haltbarkeit von Bier zu verbessern. Dieses gesteuerte Aufschäumen kann kontrolliert oder reproduzierbar so durchgeführt werden, dass es zu einem Überschäumen und damit zu einem Austreten von Füllgut aus dem jeweiligen Behälter nicht kommt.
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Anlagen zum gesteuerten Aufschäumen eines Füllgutes sind dem Fachmann bekannt, so dass es an dieser Stelle diesbezüglich keiner weiteren Erläuterungen bedarf.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 und 2, die in vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein Füllelement eines Füllsystems einer Füllmaschine gemäß der Erfindung in unterschiedlichen Betriebszuständen zeigen, naher erläutert.
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Das in den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete Füllsystem dient zum Druckfüllen von Behältern in Form von Flaschen 2 mit einem flüssigen Füllgut. Das Füllsystem 1 ist Bestandteil einer Füllmaschine umlaufender Bauart mit einem um eine vertikale Maschinenachse umlaufend antreibbaren Rotor 3 an dessen Umfang eine Vielzahl von Füllpositionen 4 vorgesehen sind, und zwar jeweils bestehend aus einem Füllelement 5 und einem Behälterträger 6, mit dem die jeweilige Flasche 2 während des Füllprozesses an einem Behälter- oder Flaschenflansch 2.1 hängend mit ihrer Flaschenöffnung 2.2 in Dichtlage gegen das Füllelement 5 bzw. gegen eine eine Abgabeöffnung 7 umschließende Dichtung 8 eines Zentrierkonus angehoben ist.
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In einem Füllelementgehäuse 9 sind u. a. ein Flüssigkeitskanal 10 sowie auch durch wenigstens ein Steuerventil 11 gesteuerte Gaswege 12 ausgebildet. Der Flüssigkeitskanal 10, der die Abgabeöffnung 7 bildet und in dem das die Abgabe des flüssigen Füllgutes in die Flasche 2 steuernde Flüssigkeitsventil 13 vorgesehen ist, ist über eine Füllgutleitung 14 mit Durchflussmesser 15 an einen Kessel 16 angeschlossen, der für sämtliche Füllelemente 5 der Füllmaschine gemeinsam an dem Rotor 3 vorgesehen ist. Während des Füllbetriebes ist der Kessel 16 mit dem flüssigen Füllgut teilgefüllt, und zwar unter Bildung eines von dem Füllgut eingenommenen Flüssigkeitsraums 16.1 und eines darüber liegenden, mit einem Inert-Gas, beispielsweise CO2-Gas unter Druck gefüllten Gasraums 16.2.
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Achsgleich mit einer Füllelementachse FA ist im Gehäuse 9 ein Rückgasrohr 17 vorgesehen, welches zugleich den von einer Betätigungseinrichtung 18 betätigten Ventilstößel des Flüssigkeitsventils bildet und an seinem oberen Ende in eine Kammer 19 mündet, die Bestandteil der Gaswege 12 innerhalb des Füllelementgehäuses 9 ist.
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Das Füllen der Flaschen 2 mit dem Füllsystem erfolgt in der dem Fachmann bekannten Weise derart, dass die jeweilige, in Dichtlage mit dem Füllelement 5 befindliche Flasche 2 vorzugsweise nach einem vorausgehenden Spülen und/oder Evakuieren mit dem Inert-Gas (CO2-Gas) unter Druck vorgespannt und dann bei geöffnetem Flüssigkeitsventil 13 das flüssige Füllgut volumengesteuert, d. h. in Abhängigkeit vom Signal des Durchflussmessers 15 in die Flasche 2 eingeleitet wird. Im Anschluss daran erfolgt eventuell nach Ablauf einer Beruhigungsphase das Druckentlasten der Flasche 2, und zwar zunächst ein Vorentlasten auf eine reduzierten Vorentlastungsdruck über den Rückgaskanal 17, über die Kammer 19 und über das geöffnete Steuer- oder Entlastungsventils 11 in den Ringkammer 20, der für sämtliche Füllelemente 5 gemeinsam am Rotor 3 vorgesehen ist. Im Anschluss daran erfolgen das Entlasten auf Atmosphärendruck und das Abziehen bzw. Absenken der jeweiligen Flasche 2 vom Füllelement 5. Die 1 zeigt das Füllelement 5 im Vorentlastungszustand. Die 2 zeigt das Füllelement 5 mit abgesenkter Flasche 2.
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Bereits bei der Vorentlastung (1) kommt es am Füllgutspiegel innerhalb der Flasche 2 zu einer gewissen „Entgasung”, d. h. zum Austreten von Mikrobläschen, und zwar mit der Folge einer unerwünschten Schaumbildung 21 im Kopfraum 2.3 der jeweiligen Flasche 2. Die Ursache dieser Schaumbildung sind beispielsweise Mikrobläschen des zum Vorspannen verwendetes Inert-Gases, die aufgrund einer nicht vollständig laminaren Füllgutströmung während des Füllens in das Füllgut eingetragen und/oder eingeschlagen wurden, oder aber bei einem CO2-haltigem Füllgut überschüssiges CO2-Gas, welches während des Füllens und/oder während der Teil- oder Vorentlastung freigesetzt wird.
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Um diese Schaumbildung 21 zu vermeiden, die sich mit zunehmender Entlastung der Flasche 2 auf Atmosphärendruck und beim Abziehen der Flasche 2 vom Füllelement 5 noch verstärken würde und möglicherweise zu ein Überschäumen, d. h. zu einem Austritt von aufgeschäumtem Füllgutes aus der jeweiligen Flasche 2 und damit verbunden zu Füllgutverlusten und/oder zu einem Verschmutzen der jeweiligen Flasche 2 und/oder der Füllmaschine führen würde, erfolgt nach Beendigung des Füllens, d. h. nach dem Schließen des Flüssigkeitsventils 13 und zumindest während der Druckentlastung ein die Schaumbildung vermeidender oder zumindest reduzierender Energieeintrag in den Kopfraum 2.3, und zwar bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform in Form von Ultraschallenergie. Hierfür ist an der Oberseite jedes Füllelementgehäuses 9 ein elektroakustischer Wandler bzw. ein elektrischer Ultraschallenergie erzeugender Ultraschallwellengenerator 22 vorgesehen, der gesteuert durch die zentrale Steuereinrichtung der Füllmaschine eine auf dem Füllgutspiegel gerichtete Ultraschallwelle 23 erzeugt, die die Schaumbildung 21 reduziert, auflöst oder von vorne herein unterbindet. Der Ultraschallwellengenerator 22 ist so angeordnet, dass die von ihm erzeugte Ultraschallwelle 23 durch die Kammer 19 und das beidendig offene Rückgasrohr 17 in den Kopfraum 2.3 und damit auf den Füllgutspiegel innerhalb der jeweiligen Flasche 2 gerichtet ist. Der Ultraschallwellengenerator 22 wird beispielsweise am Ende des Füllens, d. h. nach den Schließen des Flüssigkeitsventils 13 und während der anschließenden Druckentlastung der jeweiligen Flasche 2 aktiviert, d. h. während der Vorentlastung (1), während der endgültigen Entlastung auf Atmosphärendruck und während des Absenkens der gefüllten Flasche 2 vom Füllelement 5. Der Ultraschallwellengenerator 22 ist auch noch bei vom Füllelement 5 abgesenkter Flasche (2) aktiviert.
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Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform beginnt der Energieeintrag durch das Aktivieren des Ultraschallgenerators 22 also zumindest oder spätestens mit dem Schließen des Flüssigkeitsventils 13 und erstreckt sich über die gesamte Beruhigungs- und Entlastungsphase, und zwar beispielsweise solange, bis die jeweilige, vom Füllelement 5 abgesenkte Flasche 2 an einem Flaschenauslauf der betreffenden Füllposition 4 entnommen wird.
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Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, dass der Ultraschallgenerator 22 zur Abgabe der Ultraschallwelle 23 zusätzlich auch während des Füllens, d. h. vor dem Schließen des Flüssigkeitsventils 13 aktiviert wird, um eine Schaumbildung bereits zu diesem Zeitpunkt zu vermeiden.
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Der die Schaumbildung unterdrückende, zumindest aber ein Überschäumen vermeidende Energieeintrag kann auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise durch einen Infraschallsender oder -generator, durch ein gas- und/oder dampfförmiges Druckmedium, beispielsweise durch impulsförmige Abgabe eines gas- oder dampfförmige Medium, durch eine Lichtquelle, beispielsweise durch einen Laserstrahl usw. Auch Kombinationen unterschiedlicher Energieeinträge sind möglich. Allen Ausführungen ist aber gemeinsam, dass der Energieeintrag erfolgt, solange sich die jeweilige Flasche 2 oder ein anderer Behälter an der jeweiligen Füllposition 4 oder noch innerhalb des Füllsystems befindet, d. h. während des Füllvorgangs und/oder nach dem Schließen des Flüssigkeitsventils 13 und während der Beruhigungs- und/oder Entlastungsphase.
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Insbesondere bei einem Füllen unter Normaldruck oder aber bei einem Freistrahlfüllen z. B. von stillen Getränken, beispielsweise Saftgetränken, erfolgt der Energieeintrag bereits während des Füllens, sodass die Schaumbildung bereits in der Entstehungsphase unterdrückt wird.
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Das erfindungsgemäße Füllsystem 1 sowie Verfahren zum Füllen von Flaschen oder anderen Behältern ermöglichen im Vergleich zu bekannten Füllsystemen oder Füllverfahren eine erhebliche Steigerung der Leistung einer Füllmaschine (Anzahl der gefüllten Flaschen 2 oder Behälter je Zeiteinheit), und zwar insbesondere auch bei einem CO2-haltigem Füllgut oder einem anderen zur Schaumbildung neigenden Füllgut, da die Zeitdauer der Beruhigungs- und Entlastungsphase, die bei dem bekannten Füllsystemen oder Verfahren einen erheblichen Anteil der Gesamtfüllzeit ausmacht, mit der Erfindung erheblich reduziert werden kann.
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Insbesondere bei einem sauerstoffempfindlichen Füllgut erfolgt bevorzugt vor dem Verschließen ein zusätzliches gesteuertes Aufschäumen des Füllgutes in der jeweiligen Flasche 2, um im Kopfraum 2.3 vorhandene Luft zu verdrängen. Auch bei einem solchen Verfahren bietet die Erfindung erhebliche Vorteile, da eine unkontrollierte Schaumbildung während des Füllens vermieden ist und dadurch eine kontrollierte Beaufschlagung des Füllgutes mit einem schaumbildenden Energieeintrag für eine kontrollierte und reproduzierbare Schaumbildung vor dem Verschließen der betreffenden Flasche 2 möglich ist.
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Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung tragende Gedanke verlassen wird. So wurde vorstehend bereits erwähnt, dass der Energieeintrag beispielsweise durch Ultraschall oder auf andere Weise zur Unterdrückung oder zur Reduzierung der Schaumbildung nicht. nur bei dem Füllsystem 1 für ein Druckfüllen, sondern auch bei anderen Füllsystemen, z. B. zum Füllen von Flaschen 2 oder anderen Behältern unter Normaldruck oder zum Freistrahlfüllen ebenfalls in vorteilhafter Weise verwendet werden kann.
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Weiterhin wurde vorstehend davon ausgegangen, dass jedes Füllelement 5 des Füllsystems 1 oder der Füllmaschine mit einem eigenständigen, den Energieeintrag erzeugenden Generator, beispielsweise in Form des Ultraschallwellengenerators 22 versehen ist. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, für sämtliche Füllelemente 5 der Füllmaschine oder aber für jeweils eine Gruppe von mehreren Füllelementen 5 einen gemeinsamen Generator für den Energieeintrag zur Unterdrückung oder Reduzierung der Schaumbildung vorzusehen. Dieser Generator ist dann über entsprechende Verbindungen mit einem an der jeweiligen Füllposition 4 zur Abgabe der Energie, beispielsweise der Ultraschallwelle vorgesehenen Abstrahlelement ständig verbunden oder aber über eine Koppelstelle jeweils nur mit den Abstrahlelementen derjenigen Füllpositionen 4 verbunden, die sich während der Drehbewegung des Rotors 3 in einem Winkelbereich dieser Drehbewegung befinden, der der Beruhigungs- und Entlastungsphase oder ggs. auch einer vorausgehenden Füllphase zugeordnet ist.
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Weiterhin wurde vorstehend davon ausgegangen, dass die zur Behandlung oder Einflussnahme auf den Schaum, bzw. die Schaumbildung vorgeschlagenen Methoden als Alternativlösungen anzusehen sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird allerdings ebenfalls vorgeschlagen, mindestens zwei der vorgeschlagenen Methoden ergänzend zueinander einzusetzen. Dabei kann der ergänzende Einsatz zeitgleich oder aber auch zeitlich versetzt zueinander erfolgen.
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Beispielsweise lässt sich die Schaumbildung durch die Kombination des Einsatzes von Ultraschall und Laserstrahl besonders effektiv verhindern, da sich diese Methoden in ihren Wirkungen gegenseitig nicht negativ beeinflussen, sondern ausschließlich positiv ergänzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Füllsystem
- 2
- Flasche
- 2.1
- Flaschenflansch
- 2.2
- Flaschenmündung
- 2.3
- Kopfraum
- 3
- Rotor
- 4
- Füllposition
- 5
- Füllelement
- 6
- Behälterträger
- 7
- Abgabeöffnung
- 8
- Dichtung
- 9
- Füllelementgehäuse
- 10
- Flüssigkeitskanal
- 11
- Steuerventil
- 12
- Gasweg
- 13
- Flüssigkeitsventil
- 14
- Leitung
- 15
- Durchflussmesser
- 16
- Kessel
- 16.1
- Flüssigkeitsraum
- 16.2
- Gasraum
- 17
- Rückgaskanal
- 18
- Betätigungselement
- 19
- Kammer
- 20
- Ringkanal
- 21
- Schaum oder Schaumteppich
- 22
- Ultraschallgenerator
- 23
- Ultraschallwelle
- FA
- Füllelementachse
