DE102011112925A1

DE102011112925A1 - Verfahren, Füllsystem und Füllelement zum Füllen von Behältern

Info

Publication number: DE102011112925A1
Application number: DE102011112925A
Authority: DE
Inventors: Jonathan Lorenz; Ludwig Clüsserath; Andreas FAHLDIECK; Dieter-Rudolf Krulitsch
Original assignee: KHS GmbH
Current assignee: KHS GmbH
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-03-14
Also published as: WO2013037441A3; US9637254B2; EP2755908A2; US20140345745A1; WO2013037441A2

Abstract

Verfahren zum Füllen von Behältern mit feststoffhaltigen flüssigen Füllgütern in Form von Nahrungsmitteln, insbesondere Getränken, wobei das Befüllen des jeweiligen Behälters volumen- oder mengengesteuert durch wenigstens einen magnetisch induktiven Durchflussmesser erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1, auf ein Füllsystem gemäß Patentanspruch 5 sowie auf ein Füllelement gemäß Patentanspruch 7.
In der Getränkeindustrie ist es bekannt, das Volumen bzw. die Menge des in einen Behälter abzufüllenden Füllgutes mit Hilfe von magnetisch induktiven Durchflussmessern (MIDs) zu bestimmen, wobei die entsprechenden Verfahren mit hinreichender Genauigkeit und mit ausreichender Schnelligkeit arbeiten. Nach herrschender Meinung ist die Volumenbestimmung mittels MID allerdings nur mit der erforderlichen Genauigkeit bei Füllgütern möglich, die elektrisch leitfähig sind und keine oder im Wesentlichen keine Feststoffe enthalten. Hierbei ist insbesondere auch zu beachten, dass beim Füllen von Behältern im Getränke- und/oder Lebensmittelbereich eine hohe Füll-Genauigkeit gefordert wird, und darüber hinaus ein kontinuierlicher Volumenstrom über einen längeren Zeitraum, beispielsweise über einen Zeitraum von mehreren Minuten oder Stunden nicht vorliegt, sondern der jeweilige Füllvorgang zur Erzielung der notwendigen Leistung eines Füllsystems oder einer Füllmaschine (Anzahl der gefüllten Behälter je Zeiteinheit) in der Regel nur fünfzehn Sekunden oder weniger beträgt und daher ein ständiges Unterbrechen mit ständigem An- und Abfahren des Volumenstromes erfolgt, wobei gerade am Beginn sowie am Ende des jeweiligen Füllprozesses die größeren Messungenauigkeiten auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es zunächst, ein Verfahren sowie ein Füllsystem aufzuzeigen, mit dem das Befüllen von Behältern auch mit feststoffhaltigen Füllgütern in Form von Getränken oder Nahrungsmitteln problemlos und mit hoher Betriebssicherheit möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein Füllsystem zum Durchführen dieses Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 5.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass selbst bei einem Füllgut mit einem hohen Feststoffanteil im Bereich zwischen 30 Gewichts% und 60 Gewichts% ein volumen- und/oder mengengesteuertes Füllen unter Verwendung von MIDs insbesondere dann möglich ist, wenn das Füllgut den betreffenden MID mit ausreichend hoher Geschwindigkeit oder mit einem ausreichend hohen Volumenstrom durchströmt, beispielsweise mit einer Strömungsgeschwindigkeit größer einen Meter/Sekunde oder mit einem Volumenstrom um 500 ml, beispielsweise mit einem Volumenstrom von 50 ml bis 150 ml in einer Zeitspanne kleiner als zehn Sekunden, vorzugsweise kleiner als fünf Sekunden oder zwei Sekunden. Die Erfindung hat u. a. folgende Vorteile:

– Eine Vereinfachung des Füllsystems
– Ein einfach reinigbares Füllsystem
– Vermeidung von aufwändigen Arbeiten, beispielsweise eines Auseinanderbauens von Elementen des Füllsystems beim Reinigen
– Genaue Dosierung des Füllgutes und auch des Feststoffes
– Problemlose Umstellung des Füllbetriebes von der Verarbeitung eines Füllgutes mit einem Feststoffanteil auf die Verarbeitung eines Füllgutes mit einem anderen Feststoffanteil

Die Arbeitsweise eines MIDs beruht darauf, dass das elektrisch leitende Füllgut ein Magnetfeld durchströmt und hierdurch eine messbare und als Messsignal auswertbare Spannung erzeugt wird, die gemessen wird – beispielsweise dadurch, dass diese Spannung durch Elektroden abgegriffen wird – und von der Bewegung des Füllgutes relativ zum Magnetfeld abhängig ist. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, insbesondere auch bei Füllgütern mit hohem Feststoffanteil, wird erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen, das von dem Füllgut durchströmte Magnetfeld als magnetisches Drehfeld auszubilden, wodurch eine zusätzliche relative Geschwindigkeit zwischen dem Füllgut und dem Magnetfeld erzeugt wird. Insbesondere wirkt sich das magnetische Drehfeld in den kritischen Bereichen am Beginn der Füllung, d. h. unmittelbar nach dem Öffnen des Flüssigkeitsventils eines Füllelementes und am Ende des Füllprozesses, d. h. beim Schließen des Flüssigkeitsventils aus, also in Bereichen, in denen die Strömungsgeschwindigkeit des Füllgutes reduziert ist und/oder sich zusätzlich noch permanent verändert. Durch das magnetische Drehfeld wird die Messgenauigkeit signifikant erhöht.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Füllelement zum Füllen von Behältern mit einem flüssigen Füllgut, insbesondere mit einem einen hohen Anteil an Feststoffen aufweisenden Füllgut aufzuzeigen, welche sich durch verbesserte Eigenschaften insbesondere hinsichtlich der Strömungsverhältnisse innerhalb des Füllelementes sowohl beim Füllen von Behältern als auch bei einem Heißumlauf, beim Spülen des Füllelements und/oder bei einer CIP-Reinigung und/oder CIP-Desinfektion auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Füllelement entsprechend dem Patentanspruch 7 ausgebildet. Die Abmessungen des Füllelementes, insbesondere der dortigen Ventilkammer, der Querschnitt des Zulaufs bzw. Einlasses und des Ablaufs bzw. des Auslasses sind so gewählt, dass Toträume, Hinterschneidungen usw. sicher vermieden sind. Die gesamte Ventilkammer des Füllelementes wird somit zumindest während des Spülens und/oder während der CIP-Reinigung und/oder Desinfektion und/oder während der Heißhaltung ständig vom Füllgut oder dem Behandlungsmedium durchströmt. Hierdurch wird bei der Heißhaltung das gesamte Füllelement auf der Solltemperatur gehalten sowie im Falle des Spülens und/oder der CIP-Reinigung und/oder CIP-Desinfektion werden alle Innenflächen des Füllelementes von dem Behandlungsmedium zuverlässig angeströmt, sodass eine einwandfreie Reinigung und/oder Desinfektion sämtlicher Oberflächen des Füllelementes sichergestellt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die axiale Länge der an den Ventilsitz anschließenden und/oder die Abgabeöffnung bildenden oder aufweisenden Auslaufstrecke extrem kurz gewählt und entspricht im Wesentlichen der fertigungstechnisch und/oder aus Gründen der Festigkeit bedingten Wandstärke des Füllelementes im Bereich der Abgabeöffnung. Hierdurch wird erreicht, dass bei der CIP-Reinigung und/oder CIP-Desinfektion auch der von einem CIP-Verschluss abgeschlossene Raum zwischen Ventilsitz und diesem Verschluss von dem Behandlungsmedium intensiv durchströmt wird, und zwar in Verbindung mit der die Anordnung des Einlasses und des Auslasses in der Ventilkammer erzeugten Strömungsrichtung. Ohne zusätzliche Anschlüsse an dem CIP-Verschluss oder im Bereich des CIP-Verschlusses sich in dem Raum zwischen dem Ventilsitz und dem CIP-Verschluss ergibt sich dort eine besonders intensive Durchmischung und Strömung des Behandlungsmediums und damit eine intensive Reinigung.
„Behälter” sind im Sinne der Erfindung insbesondere Dosen, Flaschen, Tuben, Pouches, jeweils aus Metall, Glas und/oder Kunststoff, aber auch andere Packmittel, die zum Abfüllen von flüssigen oder viskosen Produkten geeignet sind.
Unter Freistrahlfüllen ist im Sinne der Erfindung ein Verfahren zu verstehen, bei dem das flüssige Füllgut dem zu befüllenden Behälter in einem freien Füllstrahl zuströmt, wobei der Behälter mit seiner Behältermündung oder -öffnung nicht am Füllelement anliegt, sondern von dem Füllelement bzw. von einem dortigen Füllgutauslass beabstandet ist. Wesentliches Merkmal des Freistrahlfüllens ist auch, dass die aus dem Behälter während des Füllprozesses vom flüssigen Füllgut verdrängte Luft nicht in das Füllelement bzw. in einen dort ausgebildeten Gas führenden Bereich oder Kanal gelangt, sondern frei in die Umgebung strömt.
Der Ausdruck „im Wesentlichen” bzw. „etwa” bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/– 10%, bevorzugt um +/– 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
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.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein Füllelement eines Füllsystems zum Füllen von Behältern in Form von Flaschen mit einem flüssigen Füllgut, vorzugsweise mit einem einen nicht unerheblichen Feststoffteil enthaltenden Füllgut;
2 das Füllelement der 1 in vergrößerter Schnittdarstellung;
3 in vergrößerter Teildarstellung den Ventilraum des Füllelementes der 1 und 2, bei mit einem Verschluss (Spülkappe) verschlossener Abgabeöffnung;
4 und 5 in schematischen Funktions- oder Prinzipdarstellungen einen magnetisch induktiver Durchflussmesser (MID) zur Verwendung bei dem Füllsystem der 1 in Seitenansicht und im Schnitt;
5 in Teildarstellung und im Schnitt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllelementes;
Das in der 1 allgemein mit 1 bezeichnete Füllsystem ist Bestandteil einer nicht näher dargestellten Füllmaschine, beispielsweise einer Füllmaschine umlaufender Bauart zum volumen- oder mengengesteuerten Füllen von Behältern 2 in Form von Flaschen mit einem flüssigen Füllgut. Im Detail eignet sich das Füllsystem 1 u. a. zum Füllen der Behälter 2 mit einem flüssigen Füllgut, z. B. Getränk oder Fruchtsaft, welches Feststoffe, beispielsweise Fruchtfasern, Fruchtfleisch usw., in einem relativ hohen Anteil, z. B. in einem Anteil von 30 Gewichts%–60 Gewichts% bezogen auf das Gesamtgewicht des Füllgutes enthält.
Das Füllsystem 1 umfasst u. a. ein Füllelement 3, welches bei einer Füllmaschine umlaufender Bauart in der dem Fachmann bekannten Weise mit einer Vielzahl gleichartiger Füllelemente am Umfang eines um eine vertikale Maschinenachse umlaufend antreibbaren Rotors vorgesehen ist und welches eine Füllposition bildet, an der der jeweils zu füllende Behälter 2 mit einem Behälterträger 4 gehalten ist, und zwar mit seiner Behälterachse in vertikaler Richtung oder im Wesentlichen vertikaler Richtung orientiert. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Behälter 2 für ein Freistrahlfüllen mit seiner Behälteröffnung 2.1 im Abstand unterhalb des Füllelementes 3 bzw. unterhalb einer Abgabeöffnung 5 des Füllelementes 3 mit Abstand angeordnet. Es versteht sich jedoch von selbst, dass der Schutzbereicht der vorliegenden Erfindung nicht auf das Freistahlfüllen beschränkt ist. Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, dass sich die vorliegende Erfindung auch auf solche Füllverfahren und Füllventile erstreckt, die für Behälterfüllungen unter Gegendruck, bei denen sich der Behälter zumindest während des eigentlichen Befüllens in Dichtlage mit dem Füllventil befindet. Da die dazu eventuell notwendigen konstruktiven Anpassungen für den Fachmann platt selbstverständlich sind, sind an dieser Stelle nähere Erläuterungen dazu nicht erforderlich.
In einem mehrteiligen Gehäuse 3.1 des Füllelementes 3 ist u. a. ein Flüssigkeitsventil 6 für eine gesteuerte Abgabe des Füllgutes an den jeweiligen Behälter 2 ausgebildet. Das Flüssigkeitsventil 6 besteht bei der dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen aus einem in einer Ventilkammer 7 angeordneten Ventilkörper 8, der bei geschlossenem Flüssigkeitsventil 6 gegen einen an der Innenfläche der Ventilkammer 7 ausgebildeten und die Abgabeöffnung 5 dort ringförmig umschließenden Ventilsitz 9 anliegt und bei geöffnetem, in den 1–3 dargestellten Flüssigkeitsventil 6 von dem Ventilsitz 9 und der Abgabeöffnung 5 in vertikaler Richtung, d. h. in Richtung einer Füllelementachse FA beabstandet ist.
Der Ventilkörper 8 ist bei der dargestellten Ausführungsform Bestandteil einer gummielastischen Membrane 10, die die Ventilkammer 7 an der der Abgabeöffnung 5 gegenüberliegenden Oberseite dicht verschließt. Im Detail ist der Ventilkörper 8 von einem mittigen Vorsprung der an ihrem eingespannten Umfang kreisförmigen und an der der Ventilkammer 7 zugewandten Seite im Wesentlichen konkav gewölbten Membrane 10 ausgebildet. Zum Betätigen des Flüssigkeitsventils 6 bzw. des Ventilkörpers 8 ist ein Ventilstößel 11 vorgesehen, der an seinem unteren Ende von einem den Ventilkörper 8 bildenden Abschnitt der Membrane 10 umschlossen und mit diesem Abschnitt in geeigneter Weise verbunden ist. Die vertikale oder im Wesentlichen vertikale Achse des Ventilstößels 11 ist achsgleich mit der Achse FA, der Achse der bei der dargestellten Ausführungsform kreisförmigen Abgabeöffnung 5 sowie auch achsgleich mit derjenigen Achse angeordnet, die von dem kreisringförmigen Ventilsitz 9 konzentrisch umschlossen wird. Der Ventilstößel 11 ist Bestandteil einer Betätigungseinrichtung 12, beispielsweise einer pneumatischen Betätigungseinrichtung, mit der der Ventilstößel 11 zum gesteuerten Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsventils 6 axial auf- bzw. abbewegt wird (Doppelfeil A der 2).
Das Füllelement 3 ist über eine Leitung 13 mit einem nicht dargestellten Behälter oder Kessel des Füllsystems 1 bzw. der Füllmaschine oder direkt mit dem Produktverteilerzulauf verbunden, der während des Füllbetriebes mit dem flüssigen Füllgut gefüllt ist und für sämtliche Füllelemente 3 vorgesehen ist. Die Leitung 13 ist bei der dargestellten Ausführungsform für jedes Füllelemente 3 eigenständig vorgesehen. Die Leitung 13 mündet über einen seitlichen Einlass 14 in die Ventilkammer 7, sodass die Strömungsrichtung des über diesen Einlass in die Ventilkammer 7 eintretenden Fluids (Füllgut oder Behandlungsmedium) horizontal oder im Wesentlichen horizontal und damit bei der dargestellten Ausführungsform senkrecht zur Achse FA und der Achse der Abgabeöffnung 5 sowie des Ventilstößels 11 bzw. der Hubbewegung des Ventilkörpers 8 orientiert ist. Der Einlass 14 besitzt eine Querschnittsfläche F14.
Im Gehäuse 3.1 des Füllelementes 3 ist ein weiteres Ventil 6a vorgesehen, welches bei der dargestellten Ausführungsform ähnlich dem Flüssigkeitsventil 6 ausgebildet ist und welches dementsprechend die Ventilkammer 7a, den von einer Membrane 10a gebildeten und den mit dem kreisringförmigen Ventilsitz 9a zusammenwirkenden Ventilkörper 8a, den Ventilstößel 11a und die zum gesteuerten Öffnen und Schließen des Ventils 6a dienende Betätigungseinrichtung 12a aufweist, die beispielsweise wiederum eine pneumatische betätigbare Betätigungseinrichtung ist. In den Figuren ist das zusätzliche Ventil 6a in seinem geschlossenen Zustand wiedergegeben, in dem der Ventilkörper 8a gegen den Ventilsitz 9a anliegt, der in der Ventilkammer 7a im Bereich der Einmündung eines Verbindungskanals 15 gebildet ist. Der Verbindungskanal 15 ist Bestandteil eines Auslasses 16 mit der Querschnittsfläche F16, der seitlich in die Ventilkammer 7 mündet, und zwar bei der dargestellten Ausführungsform bezogen auf die Füllelementachse FA dem Einlass 14 diametral gegenüberliegend, wobei diese Anordnung des Auslasses 16 im Bezug auf den Einlass 14 zwar vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig ist. Bevorzugt sind der Einlass 14 und der Auslass 16 mit ihren Achsen in einer gemeinsamen Höhenebene angeordnet, die senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Füllelementachse FA oder zur Achse der Abgabeöffnung 5 orientiert ist. Grundsätzlich sind auch Ausführungen möglich, bei denen die Achsen des Einlasses 14 und des Auslasses 16 einen Winkel, vorzugsweise einen Winkel größer als 90° mit einander einschließen, und/oder bei denen der Einlass 14 und der Auslass 16 in Richtung der Füllelementachse FA oder in Richtung der Achse der Abgabeöffnung 5 gegen einander höhenversetzt sind, wobei dieser Versatz höchsten gleich dem Zweifachen der Querschnittsabmessung des Einlasses 14 und/oder des Auslasses 16 ist, vorzugsweise aber gleich der Querschnittsabmessung des Einlasses 14 und/oder des Auslasses 16 ist. Bei der dargestellten Ausführungsform münden der Einlass 14 und der Auslass 16 am Ventilsitz 9.
Durch das seitliche Einmünden des Auslasses 16 in die Ventilkammer 7 ergibt sich im Bereich des Auslasses 16, selbstverständlich bei geöffnetem Ventil 6a ebenfalls ein horizontaler oder im Wesentlichen horizontaler Fluidstrom, d. h. ein Fluidstrom senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Füllelementachse FA (Pfeil C) sowie auch ein horizontaler oder im Wesentlichen horizontaler Fluidstrom im der Ventilkammer 7 (Pfeil D).
Bei der dargestellten Ausführungsform besteht die Abgabeöffnung 5 aus einer kreisförmigen Teilöffnung 5.1, die einen kleineren Querschnitt aufweist und an deren Öffnungsrand der Ventilsitz 9 gebildet ist, sowie aus der ebenfalls kreisförmigen Teilöffnung 5.2, die einen größeren Querschnitt besitzt. Beide ineinander übergehende Teilöffnungen 5.1 und 5.2 sind achsgleich miteinander sowie achsgleich mit der Füllelementachse FA vorgesehen. In die Ventilkammer 7a mündet seitlich ein Auslass 17 zum Anschluss eines Fluidkanals, beispielsweise eines Rücklaufkanals.
Eine Besonderheit des Füllelementes 3 besteht auch darin, dass der Auslaufkanal oder -weg 18, der sich an den Ventilsitz 9 anschließt und bei der dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen von den Teilöffnung 5.1 und 5.2 gebildet ist, eine sehr kurze axiale Länge aufweist, und zwar im Vergleich zu dem wirksamen Querschnitt der Abgabeöffnung 5. Dieser wirksame Querschnitt der Abgabeöffnung 5 ist bei der dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen von dem Strömungsquerschnitt der Teilöffnung 5.1 gebildet. Die axiale Länge des Auslaufkanals oder -weges 18 ist im Wesentlichen durch die Wandstärke bestimmt, die das Gehäuse 3.1 an seiner Unterseite im Bereich der Abgabeöffnung 5 aufweist. Bei der dargestellten Ausführungsform betragen die axiale Länge dieses Auslasskanals 18 oder der Abstand zwischen dem Ventilsitz 9 oder der Innenfläche der Ventilkammer 7 und dem Öffnungsrand der Abgabeöffnung 5 an der Außenseite des Gehäuses 3.1 nur etwa 30%–50% des Querschnittes der Teilöffnung 5.1, bevorzugt nur etwa 40% dieses Querschnittes.
In der Leitung 13 ist ein magnetisch induktiver Durchflussmesser 19 vorgesehen, mit dem während des Füllens des jeweiligen Behälters 2 bei geöffnetem Flüssigkeitsventil 6 und geschlossenem Ventil 6a die die Leitung 13 durchströmende und damit dem Behälter 2 zufließende Füllgutmenge erfasst und ein das Flüssigkeitsventil 6 steuerndes Messsignal erzeugt wird, und zwar zum Schließen des Flüssigkeitsventils 6 nach Erreichen der vorgegebenen Füllgutmenge.
Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt die Querschnittsfläche F16 des Auslasses 16 etwa das 0,7-Fache bis 1,3-Fache der Querschnittsfläche F14 des Einlasses 14. Weiterhin sind der Einlass 14 und der Auslass 16 sowie deren Querschnittsflächen F14 und F16 sowie auch die Ventilkammer 7 und deren Querschnitt so ausgeführt, dass sich insbesondere auch unter Berücksichtigung des seitlichen Einmündung des Einlasses 14 und des Auslasses 16 in die Ventilkammer 7 bei geöffnetem Ventil 6a und bei verschlossener Abgabeöffnung 5 innerhalb der Ventilkammer 7 zwischen dem Einlass 14 und dem Auslass 7 eine im Wesentlichen geradlinige, senkrecht zur Füllelementachse FA orientierte Fluidströmung (Pfeile D) ohne Bereiche ergibt, in denen keine oder nur eine unzureichende Fluidströmung vorliegt. Bedingt ist dies u. a. auch dadurch, dass die Querschnittsabmessung, die der Einlass 14 bzw. der Auslass 16 in der Achsrichtung parallel zur Füllelementachse FA aufweisen, bei geschlossenem Flüssigkeitsventil 6 gleich oder im Wesentlichen gleich der maximalen Querschnittsabmessung ist, die die Ventilkammer 7 in der Achsrichtung parallel zur Füllelementachse FA besitzt, und die maximale Querschnittsabmessung der Ventilkammer 7 in Richtung der Füllelementachse FA bei geöffnetem Flüssigkeitsventil 6 nur geringfügig größer ist als die Querschnittsabmessung des Einlasses 14 und des Auslasses 16 in Richtung der Füllelementachse FA.
An der der Membrane 10 gegenüberliegenden Seite ist die Ventilkammer 7 an ihrer Innenfläche konkav, beispielsweise kugelkalottenartig oder im Wesentlichen kugelkalottenartig ausgebildet, sodass sich der Querschnitt der Ventilkammer 7 in Querschnittsebenen senkrecht zur Füllelementachse FA mit zunehmendem Abstand von der Membrane 10 verkleinert und die Abgabeöffnung 5 sowie der ringförmige Ventilsitz 9 an dem unteren Bereich mit dem kleinsten Querschnitt vorgesehen sind.
Mit dem Füllelement 3 sind unterschiedlichste Betriebsweisen möglich, beispielsweise:
Vorheizen des Füllelementes 3
Beim Heißfüllen oder heißaseptischen Abfüllen des Füllgutes in die Behälter 2 erfolgt vorzugsweise zunächst ein Vorheizen des Füllelementes 3 mit dem heißen Füllgut in einem Heißumlauf. Hierfür ist das Flüssigkeitsventil 6 geschlossen und das Ventil 6a geöffnet, sodass das über die Leitung 13 zugeführte heiße Füllgut das Füllelement 3 und dabei insbesondere den Einlass 14, die Ventilkammer 7, den Auslass 16, die Verbindung 15, die Ventilkammer 7a durchströmt und über den Auslass 17 zurückgeführt wird.
Füllen
Zum Füllen der Behälter 2 ist das Ventil 6a geschlossen und bei am Füllelement 3 angeordneten Behälter 2 wird das Flüssigkeitsventil 6 solange geöffnet, bis die erforderliche Menge an Füllgut in den zu befüllenden Behälter 2 eingebracht ist. Das Schließen des Flüssigkeitsventils 6 erfolgt bei der dargestellten Ausführungsform durch den in der Leitung 13 angeordneten magnetisch induktiven Durchflussmesser bzw. MID 19 bzw. durch das von diesem MID 19 gelieferte Messsignal.
Entsprechend der Erfindung ist durch besondere verfahrenstechnische Maßnahmen mit dem MID 19 ein füllmengengesteuertes Füllen der Behälter 2 auch mit einem Füllgut möglich, welches einen hohen Feststoffanteil, beispielsweise einen Feststoffanteil zwischen 30 Gewichts% und 60 Gewichts% enthält, und zwar mit hoher Füllgenauigkeit. Nach einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis ist dies dadurch möglich, dass das den hohen Feststoffanteil enthaltende Füllgut mit ausreichend hoher Strömungsgeschwindigkeit bzw. mit einem ausreichend hohen Volumenstrom den MID 19 durchströmt, d. h. bei einem in den jeweiligen Behälter 2 eingebrachten Füllgutvolumen bis zu 500 ml, vorzugsweise zwischen 50 ml und 150 ml, die Füllzeit weniger als zehn Sekunden, vorzugsweise weniger als fünf Sekunden oder weniger als zwei Sekunden beträgt.
Durch die hohe Füllgeschwindigkeit, die größer als 1 Meter/Sekunde beträgt, werden allein schon durch den flüssigen Anteil des Füllgutes mit dem MID 19 Messwerte oder -signale mit hoher Genauigkeit erreicht. Mit diesen Signalen, beispielsweise auch unter Berücksichtigung eines Korrekturfaktors, der von der Höhe des Feststoffanteils im Füllgut abhängig ist, wird dann in einem Rechner des Füllsystems 1 ein Steuersignal zum Schließen des Flüssigkeitskanals 6 derart gebildet, dass die in den jeweiligen Behälter 2 eingebrachte Füllgutmenge exakt und mit hoher Genauigkeit einer Sollfüllmenge entspricht.
Selbstverständlich können anstelle des MIDs 19 auch andere Einrichtungen zum volumen- oder füllmengengesteuerten Füllen Verwendung finden, beispielsweise Wageeinrichtungen oder Wägezellen usw.
Heißhaltung
Speziell bei der Heißabfüllung wird nach Beendigung des Befüllens eines Behälters 2 und nach dem Schließen des Flüssigkeitsventils 6 das Ventil 6a geöffnet, sodass das heiße Füllgut das Füllelement 3 wiederum in der vorbeschriebenen Weise zum Beheizen bzw. zur Aufrechterhaltung des heißen Zustandes oder der Solltemperatur durchströmen und über die an den Auslass 17 angeschlossene Leitung zurückgeführt werden kann.
Spülen des Füllelementes 3
Zum Spülen des Füllelementes 3 wird das Flüssigkeitsventil 6 geschlossen und das Ventil 6a geöffnet, sodass das gesamte Flüssigkeitsventil 3, d. h. insbesondere Einlass 14, Ventilkammer 7, Auslass 16, Verbindungsleitung 15, Ventilkammer 7a und Auslass 17, von einem Spül- oder Reinigungsmedium durchströmt und gespült werden kann, welches wieder über die an den Auslass 17 angeschlossene Leitung abgeleitet bzw. zurückgeführt wird. Optional kann am Ende des Spülens kurz das Flüssigkeitsventil 6 geöffnet und dabei beispielsweise das Ventil 6a geschlossen werden, sodass auch der Ventilsitz 9 und die Abgabeöffnung 5 ebenfalls gespült werden.
CIP-Reinigung und/oder Desinfektion
Für die CIP-Reinigung und/oder CIP-Desinfektion wird zunächst die Abgabeöffnung 5 durch einen CIP-Verschluss 20, beispielsweise in Form einer Kappe verschlossen. Weiterhin werden das Flüssigkeitsventil 6 und das Ventil 6a geöffnet, sodass das über die Leitung 13 zugeführte Reinigungs- und/oder Desinfektionsmedium das gesamte Füllelement 3 bzw. den gesamten in diesem Füllelement ausgebildeten Strömungsweg (Einlass 14, Ventilkammer 7, Auslass 16, Verbindungsleitung 15, Ventilkammer 7a und Auslass 17) durchströmt und über die an diesen Auslass angeschlossene Leitung zurückgeführt wird.
Durch die vorbeschriebene Ausbildung des Auslaufkanals 18 mit seiner im Vergleich zum Querschnitt der Abgabeöffnung 5 kurzen axialen Länge und durch die horizontale oder im Wesentlichen horizontale Strömungsrichtung (Pfeile B, C und D) innerhalb der Ventilkammer 7 wird auch in dem von dem CIP-Verschluss 20 verschlossenen Teil des Auslaufkanals 18, d. h. in dem von dem CIP-Verschluss 20 verschlossenen Raum unterhalb des Ventilsitzes 9 eine Strömung des bei der CIP-Reinigung und CIP-Desinfektion verwendeten flüssigen Reinigungs- und/oder Desinfektionsmediums derart erreicht, dass auch dieser Bereich zuverlässig gereinigt und/oder desinfiziert wird, ohne dass es erforderlich wäre, an dem CIP-Verschluss 20 oder an dem von dem CIP-Verschluss 20 unterhalb des Ventilsitzes 9 verschlossenen Raumes einen zusätzlichen Auslass und/oder Einlass für das Reinigungs- und/oder Desinfektionsmedium vorzusehen.
Die 4 und 5 zeigen in einer sehr schematischen Darstellung eine Seitenansicht und einen Schnitt durch eine Ausführungsform des MIDs 19. Die Besonderheit dieser Ausführung besteht darin, dass um den von dem Füllgut durchströmten und im MID 19 ausgebildeten Kanal 21 eine Elektromagnetanordnung 22 vorgesehen ist, die von mehreren Magnetspulen 23 gebildet ist, die jeweils das für die Messung notwendige Magnetfeld innerhalb des Kanals 21 erzeugen. Die Besonderheit besteht hierbei darin, dass die Magnetspulen 23, die beispielsweise Bestandteil einer entsprechenden Wicklung sind, phasenversetzt, beispielsweise mit um 120° phasenversetzt angesteuert werden, sodass sich innerhalb des Kanals 21 ein magnetisches Drehfeld ergibt. Durch dieses magnetische Drehfeld wird die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Füllgut und dem das jeweilige Messsignal erzeugende Magnetfeld zusätzlich erhöht, was insbesondere bei einem Füllgut mit hohem Feststoffanteil zur Erhöhung der Messgenauigkeit und damit zur Erhöhung der Füllgenauigkeit beiträgt.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass insbesondere die Ventilkammer 7 des Flüssigkeitsventils speziell auch beim Spülen und/oder während der CIP-Reinigung und/oder CIP-Desinfektion horizontal oder im Wesentlichen horizontal durchströmt wird.
Selbstverständlich ist auch eine andere Anordnung möglich, beispielsweise in der Form, dass die entsprechende Strömungsrichtung in der Ventilkammer des Flüssigkeitsventils vertikal oder im Wesentlichen vertikal ist.
Die 6 zeigt in einer sehr vereinfachten schematischen Darstellung ein Füllelement 24 mit einer der Ventilkammer 7 von der Funktion her entsprechenden Ventilkammer 25 für das dem Flüssigkeitsventil 6 entsprechende Flüssigkeitsventil 26 und mit einem zusätzlichen, dem Ventil 6a entsprechenden Ventil 27. Das Füllelement 24 unterscheidet sich von den Füllelementen 3 im Wesentlichen nur dadurch, dass sich der dem Einlass 14 entsprechende Einlass 28 oberhalb des den Auslass 16 entsprechenden Auslasses 29 befindet, an dem das zusätzliche Ventil 27 angeschlossen ist. Die wiederum mit den Pfeilen B und C angegebene Strömungsrichtung am Einlass 28 bzw. Auslass 29 und damit bei geöffnetem Ventil 27 auch die Strömungsrichtung in der Ventilkammer 25 sind vertikal oder im Wesentlichen vertikal und bei dieser Ausführungsform wiederum senkrecht zur Achse des Bewegungshubes A CIP- des den Ventilkörper 8 entsprechenden Ventilkörpers 30 orientiert. Die in der Abgabeöffnung 5 entsprechende Abgabeöffnung 31 ist von einem Auslasskanal größerer Menge gebildet.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Füllsystem
2: Behälter
2.1: Behälteröffnung
3: Füllelement
3.1: Füllelementgehäuse
4: Behälterträger
5: Abgabeöffnung
5.1, 5.2: Teilöffnung
6: Flüssigkeitsventil
6a: zusätzliches Ventil
7, 7a: Ventilkammer
8, 8a: Ventilkörper
9, 9a: Ventilsitz
10, 10a: Membrane
11, 11a: Ventilstößel
12, 12a: Betätigungseinrichtung
13: Leitung
14: Einlass
15: Verbindungskanal
16, 17: Auslass
18: Auslaufkanal
19: MID
20: CIP Verschluss oder CIP-Kappe
21: Kanal
22: Elektromagnetanordnung
23: Magnetspule
24: Füllelement
25: Ventilkammer
26: Flüssigkeitsventil
27: Ventil
28: Einlass
29: Auslass
30: Ventilkörper
31: Abgabeöffnung
A: Hub des Ventilkörpers 8, 8a, 30 beim Öffnen und Schließen des Ventils
B, C, D: Strömungsrichtung
FA: Füllelementachse

Claims

Verfahren zum Füllen von Behältern (2) mit feststoffhaltigen flüssigen Füllgütern in Form von Nahrungsmitteln, insbesondere Getränken, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllen des jeweiligen Behälters (2) volumen- oder mengengesteuert durch wenigstens einen magnetisch induktiven Durchflussmesser (19) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgut einen Feststoffanteil zwischen 10 Gewichts% und 60 Gewichts% bezogen auf das Gesamtgewicht des Füllgutes aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllen des jeweiligen Behälters (2) derart erfolgt, dass der wenigstens eine magnetisch, induktive Durchflussmesser (19) mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit oder mit einem erhöhten Volumenstrom durchströmt wird, beispielsweise mit einer Strömungsgeschwindigkeit größer ein Meter/Sekunde oder mit einem Volumenstrom entsprechend einem Volumen bis zu 500 ml, vorzugsweise einem Volumen zwischen 50 ml und 150 ml in einer Zeitspanne kleiner als zehn Sekunden, vorzugsweise kleiner als fünf Sekunden oder zwei Sekunden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einen magnetisch induktiven Durchflussmesser (19) das volumen- und/oder mengenabhängige Messsignal unter Verwendung eines magnetischen Drehfeldes erzeugt wird.
Füllsystem zum Füllen von Behältern mit feststoffhaltigen flüssigen Füllgütern in Form von Nahrungsmitteln, insbesondere Getränken, mit wenigstens einem Füllelement (3, 24) mit Flüssigkeitsventil (6, 26) zur gesteuerten Abgabe des Füllgutes an den jeweils zu befüllenden Behälter (2), dadurch gekennzeichnet, dass für ein volumen- und/oder mengengesteuertes ein vom Füllgut durchströmter magnetisch induktiver Durchflussmesser (19) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisch induktive Durchflussmesser (19) mit einer Elektromagnetanordnung (22) zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes innerhalb eines von dem Füllgut oder einer Teilmenge des Füllgutes durchströmten Messkanal ausgebildet ist.
Füllelement für ein Füllsystem zum Füllen von Behältern mit flüssigen Füllgütern, mit einer in einem Füllelementgehäuse (3.1) ausgebildeten Ventilkammer (7, 25) eines Flüssigkeitsventils (6, 26), mit einem in der Ventilkammer (7, 25) angeordneten und mit einem Ventilsitz (9) zusammenwirkenden Ventilkörper (8, 30), der zum Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsventils (6, 26) durch eine Betätigungseinrichtung (12) in einem Bewegungshub (A) zwischen einer den Ventilsitz (9) freigebenden Position und einer gegen den Ventilsitz anliegenden Position bewegbar ist, und mit wenigstens einem in die Ventilkammer (7, 25) mündenden Einlass (14, 28) und mit wenigstens einem in die Ventilkammer (7) mündenden Auslass mit zusätzlichem Ventil (6a, 27), dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einlass (14, 28) und der wenigstens eine Auslass (16, 29) derart in die Ventilkammer (7, 25) münden, dass sich zumindest bei geöffnetem zusätzlichem Ventil (6a, 27) ein geradliniger und/oder Bereiche ohne Strömung vermeidender Strömungsweg ergibt.
Füllelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einlass (14, 28) und/oder der wenigstens eine Auslass (16) am Ventilsitz (9) oder in einem Abstand vom Ventilsitz (9) in die Ventilkammer (7, 25) münden, der kleiner ist als der Bewegungshub (A) des Ventilkörpers (8), und/oder dass der wenigstens eine Einlass (14, 28) und/oder der wenigstens eine Auslass (16) in die Ventilkammer (7, 25) radial oder im Wesentlichen radial im Bezug auf die Achse des Bewegungshubes (A) des Ventilkörpers (8, 30) münden.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des wenigstens einen Auslasses (16) das 0,7-fache bis 1,3-fache des wenigstens einen Einlasses (14, 28) beträgt.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge eines die Abgabeöffnung aufweisenden oder bildenden und an den Ventilsitz (9) in Strömungsrichtung des Füllgutes anschließenden Auslaufkanals oder -weges (18) wesentlich kleiner ist als die Querschnittsabmessung der Abgabeöffnung (5) oder einer in die Ventilkammer (7) mündenden Teilöffnung (5.1) dieser Abgabeöffnung (5).
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (8, 30) von einem Abschnitt einer Membrane (10) aus einem gummielastischen Material gebildet ist.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einlass (14, 28) und der wenigstens eine Auslass (16, 29) für eine horizontale oder im Wesentlichen horizontale oder für eine vertikale oder im Wesentlichen vertikale Strömungsrichtung innerhalb der Ventilkammer (7, 28) angeordnet sind.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einlass (14) und der wenigstens eine Auslass (16) mit ihren Achsen achsgleich angeordnet sind oder die Achsen des wenigstens einen Einlasses (14) und des wenigstens einen Auslasses (16) einen Winkel, vorzugsweise einen Winkel größer als 90° mit einander einschließen.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen des wenigstens einen Einlasses (14, 28) und des wenigstens einen Auslasses (16, 29) in einer gemeinsamen Höhenebene angeordnet sind, die senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu einer Füllelementachse (FA) oder zur Achse der Abgabeöffnung (5) orientiert ist.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einlass (14) und der wenigstens eine Auslass (16) in Richtung der Füllelementachse (FA) oder der Achse der Abgabeöffnung (5) gegen einander höhenversetzt versetzt sind, und dass dieser Versatz höchsten gleich dem Zweifachen der Querschnittsabmessung des wenigstens einen Einlasses (14) und/oder des wenigstens einen Auslasses (16), vorzugsweise gleich der Querschnittsabmessung des wenigstens einen Einlasses (14) und/oder des wenigstens einen Auslasses (16) ist.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Ventil (6a) gleich oder ähnlich dem Flüssigkeitsventil (6) ausgebildet ist.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkammer (7) sowie ein das weitere Ventil (6a) aufweisender Strömungsweg bei geöffnetem weiteren Ventil (6a, 27) und geschlossenem Flüssigkeitsventil (6, 26) in einem Heißumlauf des Füllgutes von diesem zum Beheizen des Füllelementes (3, 24) durchströmt werden.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkammer (7, 25) bei geschlossenem Flüssigkeitsventil (6, 26) oder bei mit einem Verschluss (20) oder CIP-Verschluss, beispielsweise mit einer Verschlusskappe verschlossener Abgabeöffnung (5) sowie der das geöffnete zusätzliche Ventil (6a, 27) aufweisende Strömungsweg beim Befüllen des Ventils vor dem ersten Füllvorgang, beim Spülen und/oder beim Reinigen und/oder Desinfizieren von einem Spül- und/oder Reinigungs- und/oder Desinfektionsmittel durchströmt werden.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsweg des flüssigen Füllgutes wenigstens ein magnetisch induktiver Durchflussmesser (19) vorgesehen ist.
Füllelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisch induktive Durchflussmesser (19) mit einer Elektromagnetanordnung (22) zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes innerhalb eines von dem Füllgut oder einer Teilmenge des Füllgutes durchströmten Messkanal ausgebildet ist.