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Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Füllmengenkontrolle und/oder -steuerung bei der Abfüllung insbesondere flüssiger oder pastöser Materialien
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Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen und Verfahren zum Befüllen von Behältnissen bekannt. Die Füllhöhen der jeweils eingefüllten Füllgüter, wie z.B. Flüssigkeiten, müssen dabei kontrolliert werden. Falls die Behältnisse generell mit zu wenig Flüssigkeit befüllt würden, würde dies zur Unzufriedenheit des Endverbrauchers führen. Überfüllte Behältnisse, d.h. Behältnisse die mehr Flüssigkeit beinhalten als vorgesehen, würden auf Dauer zu hohen Verlusten des Abfüllers führen. Eine Überfüllung birgt auch die Gefahr des Platzens der befüllten Behältnisse. Daher ist man bestrebt, die Soll-Füllhöhe in engen Grenzen zu erreichen. So ist es beispielsweise bekannt, für die Füllhöhe einen fest eingestellten unteren und oberen Begrenzungswert zugrunde zu legen. Wenn die Untergrenze unterschritten wird gilt der Behälter als unterfüllt, wird die Obergrenze überschritten ist der Behälter überfüllt.
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Aus dem Stand der Technik sind viele unterschiedliche Füllstandmesseinrichtungen bekannt. So ist es beispielsweise bekannt, vor dem Abfüllvorgang das Gewicht des leeren Behältnisses und nach dem Abfüllgang das Gewicht des befüllten Behältnisses zu messen. Aus der Gewichtsdifferenz kann auf die Menge der eingefüllten Flüssigkeit geschlossen werden.
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In der
DE 10301844 A1 wird vorgeschlagen mittels Wiegezellen oder Waagen außerhalb der Füllanlage Messwerte zu ermitteln und die dort gewonnen Werte für die Steuerung der einzelnen Füllstellen zu nutzen.
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Um eine 100% Kontrolle des abgefüllten Füllgutes zu gewährleisten, werden typischerweise Bandwaagen nach der Fülleinheit installiert, welche alle abgefüllten Endprodukte überprüfen. Diese Waagen sind jedoch den hohen Taktleistungen (>250 abgefüllte Einheiten/Minute) der heutigen Füllanlagen nicht mehr gewachsen, welches in Messungenauigkeiten resultiert.
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Der Einsatz von Rundläuferwaagen oder zweigleisige Waagen ist technisch sehr aufwendig und sie durchmischen die Reihenfolge der Behältnisse nach der Abfüllung. Zudem sind sie platz- und kostenaufwendig.
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Bei einem weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird mit Hilfe von Messsonden, die in das Behältnis hineingeführt werden, der Füllstand ermittelt. Diese Sonden sind jedoch relativ empfindlich und müssen daher vergleichsweise oft ausgetauscht werden.
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Es gibt auch berührungsfreie Füllstandsmessungen, wie z.B. über Ultraschall, Radar oder Oberflächenreflektion.
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Für geschlossene Behältnisse sind auch Röntgenfüllstandskontrollen bekannt, mit Hilfe dessen der Füllgrad in der Verpackungseinheit, z.B. in Aerosolbehältnissen, ermittelt werden kann. Über die Füllstandshöhe kann das Volumen und somit auch bei Kenntnis der Dichte indirekt die Masse berechnet und kontrolliert werden kann. Diese Technik wird vermehrt in der Getränkeindustrie eingesetzt, welche ebenso hohe Taktleistungen (> 1000 Stk./Minute) umsetzten. Nachteil einer Röntgenfüllstandskontrolle ist ein zusätzlicher Aufwand aufgrund der Erfüllung von Auflagen des Strahlungsschutzes.
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Der Transport der Materialien aus den Vorratsbehältern zu den zu befüllenden Behältnissen erfolgt über geeignete Leitungen, Rohrleitungen. Bei Füllgütern, welche zum Seditmentieren neigen, ist eine Ringleitung vorteilhaft, um das Füllgut in Bewegung zu halten und ein Sedimentieren in der Leitung zu verhindern.
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Bei vielen Füllanlagen erfolgt die Dosierung in die zu befüllenden Behältnisse direkt über Dosierkolben volumetrisch, wobei die Anzahl der Dosierkolben abhängig von der zu erreichenden Taktleistung ist. Standardmäßig wird die Füllung bzgl. Füllmenge über Musterentnahme und anschließender Messung auf geeichten Waagen verifiziert, wie zuvor dargelegt.
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Bekannt ist weiterhin bei der Einzelabfüllung der Einsatz von Durchflussmessern.
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In der
DE 10 2006 029 490 A1 wird ein Verfahren zur Steuerung einer Füllanlage beschrieben, in der eine Mehrzahl von steuerbaren Füllelementen (innerhalb eines Dosiersystems) mit Durchflussmesseinrichtungen kombiniert werden. Bei Einsatz eines Durchflussmessers wird über die Dosiereinheit, auch Füllelement oder Füllkopf genannt, solange das Behältnis gefüllt, bis sich das vorgegebene Volumen des entsprechenden Produktes in dem Behältnis befindet. So wird beim Abfüllen von Flüssigkeiten auf einer Füllmaschine mit Durchflussmessung die Produktmenge, die über das Füllrohr in das Behältnis fließt, vom im Rohrleitungssystem eingebauten Durchflussmesser erfasst, digitalisiert und in Form von Impulsen an die Maschinensteuerung mitgeteilt. Die Maschinensteuerung verarbeitet die empfangenen Impulse und vergleicht kontinuierlich den vorgegebenen Sollwert (eingestellte Füllmenge) und den momentanen Istwert (vom Durchflussmesser mitgeteilte Füllmenge). Bei Erreichen der einstellten Füllmenge wird die entsprechende Dosiereinheit automatisch geschlossen. Dieses Füllverfahren benötigt vor jeder Dosiereinheit einen Durchflussmesser. D.h. bei 20 oder mehreren Füllköpfen pro Dosiersystem sind 20 und mehr Durchflussmesser notwendig, was dieses Verfahren kostenträchtig macht.
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Nachteile der Durchflussmessungen pro Dosiereinheit sind der erhöhte technische Aufwand, wenn entzündliche Medien abgefüllt werden, und die Umsetzung eines geforderten Ex-Schutzes. In bestehenden Anlagen sind die Durchflussmesser zudem nur schwer nachrüstbar für einzelne Dosiereinheiten.
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Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Durchflussmessung, die induktive Durchflussmessung und die Massedurchflussmessung. Das Messprinzip der induktiven Durchflussmessung basiert auf dem Induktionsgesetz nach Faraday. Hierfür muss das zu messende Produkt eine Mindestleitfähigkeit von 50 µS/cm haben. Hat das Produkt keinen ausreichend großen Leitwert kann mit dem Prinzip der Massendurchflussmessung oder über den Wirkdruck gemessen werden. Die Massendurchflussmessung basiert auf dem Prinzip der Corioliskraft. Hierfür muss das Produkt nicht elektrisch leitfähig sein.
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Bekannt sind Abfüllanlagen sog. Rundlauffüller oder Linearfüller mit mehreren Durchflussmessern.
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Die Erfindung ist eine Füllmengenkontroll- oder steuerungseinheit und ein Verfahren zur Füllmengenkontrolle oder -steuerung in Abfüllanlagen.
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Die erfindungsgemäße Füllmengenkontroll- und/oder steuerungseinheit ist für Abfüllanlagen geeignet, in denen mehrere Behältnisse mit einem Fluid über Dosiereinheiten befüllt werden können, wobei das Fluid über eine Stichleitungen den Dosiereinheiten zugeführt wird. Die Einheit umfasst in der Leitung in Richtung des Fluidstroms vor der ersten Dosiereinheit ein Masse- oder Volumendurchflussmessgerät.
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Das Fluid wird bevorzugt aus einem Vorratsbehältnis über die Stichleitung zu den Dosiereinheiten geführt, wie es in dargestellt ist. In der Stichleitung in Richtung des Fluidstroms ist vor der ersten Dosiereinheit und damit nach dem Vorratsbehältnis ein Masse- und/oder Volumendurchflussmessgerät integriert.
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Das Fluid kann aus Vorratsbehältern, Vorlagebehältern aber auch aus Zwischenspeichern, Ringleitungen etc. abgeleitet werden.
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Das entsprechende Verfahren zur Füllmengenkontrolle und/oder -steuerung in Abfüllanlagen umfasst die erfindungsgemäße Einheit. Die Messdaten des Durchflussmessers geben die Menge (Volumen, Masse) des Fluids vor der ersten Dosiereinheit. Diese Menge ist die Gesamtmenge an Fluid, die in den zu befüllenden Behältnissen ist. Dividiert man diese Gesamtmenge durch die Anzahl der befüllten Behältnisse ergibt sich die Füllmenge eines Behältnisses. Es kann somit die Abfüllung kontrolliert und gesteuert werden. Die Kontrolle der Messwerte der Durchflussmesser kann manuell oder elektronisch erfolgen, wie ebenso die aus den Messwerten abgeleiteten Folgerungen, Steuerimpulse etc.
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Weitere für die Abfüllung erforderlichen und/oder optionalen Anlagenbauteile, wie Pumpen, elektrische Anschlüsse, Steuerungsanlagen etc. sind in der Abfüllanlage mitumfasst. Ebenso können Kontroll- und/oder Steuerungsgeräte, die automatisch die Anlage steueren, Bestandteil der Anlage sein.
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Die erfindungsgemäße Einheit umfasst dabei ledigleich ein Durchflussmessgerät, das in Abfüllanlagen vor der ersten Dosiereinheiten vorgesehen ist.
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Auf Durchflussmessgeräte vor jeder Dosiereinheit kann erfindungsgemäß verzichtet werden.
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Eine Einheit kann mehrere Dosiereinheiten umfassen, die in einem Dosiersystem oder auch Füllaggregat zusammengefasst sind. Umfasst ein Füllaggregat beispielsweise 20 Dosiereinheiten, so lassen sich von den 20 Durchflusmessern, je ein Durchflussmesser je Dosiereinheit, 19 Durchflussmesser mit Hilfe der erfindunsgemäßen Einheit einsparen.
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Umfasst die Abfüllanlage mehrere Füllaggregate so können die jeweiligen Füllaggregate so mit jeweils einer erfindungsgemäßen Einheit bestückt werden.
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Das abzufüllende Fluid kann jede Art von Fluid sein, wobei beim Abfüllprozess ohne Vorlagebehälter oder Zwischenspeicher direkt proportional dosiert wird. Bei nicht sedimentierenden Fluiden empfiehlt sich die erfindungsgemäße Einheit mit einem Massedurchflussmesser vor den Dosiereinheiten in die Stichleitung zu integrieren.
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Das Fluid umfasst alle Materialien, die in Rohrleitungen mittels Pumpen gefördert werden können. Bevorzugt sind die Fluide flüssige, pastöse oder gasförmige Materialien. Der Aggregatzustand des Fluids kann durch Temperierung der Anlage entsprechend variiert werden um eine Förderung zu gewährleisten.
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Das Fluid kann aus einem oder mehrerern Bestandteilen bestehen, die homogen oder heterogen gemischt sein können. Bevorzugt sind sämtliche fluide Massen, beispielsweise Cremes, Lotionen, Emulsionen, Suspensionen, Aerosole, alkoholische Wirkstoffe, Parfums, wässrigen Lösungen oder Öle zu wählen.
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Das oder die Fluide werden beispielsweise aus einem oder mehreren Vorratsbehältern über ein Stichleitungssystem beispielsweise mittels einer Pumpe zum Dosiersystem geführt.
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Das Dosiersystem umfasst mehrere Dosiereinheiten. Diese Dosiereinheiten werden auch als Fülleinheiten, Füllköpfe bezeichnet. Diese Dosiereinheiten führen das Fluid aus der Stichleitung in die Behältnisse durch beispielsweise Kolben- bzw. Volumenfüllung ein. Die Dosiereinheiten eines Füllaggregates, eines Dosiersystems, umfassen vorteilhaft gleiche Füllmengeneinstellungen aufgrund der dementsprechend gleichvolumigen Behälltnissen, die mit einem Fülltakt/umdrehung zu befüllen sind.
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Es lassen sich aber auch unterschiedliche Einzeldosierungen pro Dosiersystem kontrollieren, indem dann in der Füllmengenberechnung die Dosiermengen der einzelnen Einheiten berücksichtigt werden.
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Bevorzugt ist für je ein zu befüllendes Behältnis ein Füllkopf/Dosiereinheit vorgesehen.
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Das Fluid strömt, beispielsweise vom Vorratsbehälter, über die Stichleitung durch den Durchflussmesser, der den Masse- oder Volumenstrom (Masse/Zeit) misst. Die gemessene Menge ist als Vorlauf des Fluids zu bezeichnen und gibt die den Dosiereinheiten ingesamt zugeführte Fluidmenge an.
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Anschließend wird das Fluid über die Zuleitung zu den einzelnen Dosiereinheiten geführt und über diese den Behältnissen zudosiert. Die Dosiereinheiten und Zuleitungen können dabei in Reihe oder parallel geschaltet werden, über Rundläufer oder Linearfüller.
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Die anhand der Durchflussmessung des Vorlaufs ermittelten Messdaten können über Kontroll- und/oder Steuereinheiten direkt verarbeitet werden. Aus der gemessenen Massen bzw. Volumina dividiert durch die Anzahl der befüllten Behältnisse und deren Füllvolumen lassen sich Mengen pro Behältnis ermitteln und die Gesamtabfüllung kontrollieren und steuern.
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Die durchschnittliche Füllmenge D pro Behältnis ermittelt sich aus
mit
- m .
- = Massestrom des Vorlauf [kg/s]
- t
- = Zeit eines Dosierlaufs [s]
- a
- = Anzahl befüllter Behältnisse
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In geicher Weise lässt sich mittels Volumendurchstrommessern das befüllte Volumen je Behältnis ermitteln oder über die Dichte des Fluids dann die Masse.
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Füllaggregate sowohl als Rundläufer als auch als Linearfüller haben eine genau abzufragende Anzahl von Dosiereinheiten pro Takt oder Umdrehung.
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Erfindungsgemäß wird in den Vorlauf, die Zulaufleitung, also vor der ersten Dosiereinheit, des Füllaggregates ein Massedurchflussmesser integriert. Bei den Rundläuferfüllsystemen ermittelt sich die befüllte Masse nach obiger Gleichung und über die Anzahl der Umdrehung n und der Anzahl der gefüllten Behälntnisse X pro Umdrehung nach a = n·X
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Ist eine kontinuierliche Prozesskontrolle in einer Zeiteinheit, nicht aber eine 100% Kontrolle des Endproduktes erforderlich, kann das erfindungsgemäße Messverfahren implementiert werden. Dieses Verfahren setzt als erfindungsgemäße Kerntechnologie bevorzugt Massedurchflussmesser ein.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren wird pro Füllzyklus umgesetzt und kann aber auch auf mehrere Füllzyklen erweitert werden. Hierdurch wird das Füllaggregat bzgl. Füllgenauigkeit sehr gut charakterisiert. Durch Überprüfung der Masse pro Einheit kann bei Nichteinhaltung der vorgegebenen Toleranzen eine Warnung, Anlagenstopp oder Ausgleisung des betroffenen Zyklus eingeleitet werden.
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Es kann erfindungsgemäß die befüllte Menge eines Füllaggregates in einem Füllzyklus gemessen werden oder in mehreren Füllzyklen, wobei nach jedem Füllschritt die befüllten Behältnise durch zu befüllende Behältnisse ausgetauscht werden. Die Gesamtzahl der befüllten Behältnisse a ergibt sich dann synonym aus der Anzahl der Füllzyklen n multipliziert mit der Anzahl an befüllten Behältnissen pro Füllschritt X.
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Ist eine kontinuierliche Prozesskontrolle in einer Zeiteinheit, nicht aber eine 100% Kontrolle des Endproduktes erforderlich, kann das erfindungsgemäße Messverfahren implementiert werden..
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Die Anzahl der gefüllten Einheiten lässt sich am Füller per Initiator oder ähnlichem Messaufnehmer erfassen. Massedurchflussmesser haben eine Genauigkeit von bis zu 0,5%. Da eine Anzahl von mehreren Füllzyklen zur Berechnung herangezogen wird, kann eine Unterfüllung – Masse Vorlauf / Anzahl Fülleinheiten – somit sehr genau ermittelt werden.
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Erfindungsgemäß können die Nachteile der bekannten Füllstandkontrollen vermieden werden. Insbesondere werden Masse-Durchflussmessungen pro Füllkopf überflüssig.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Gesamtmenge aller Füllköpfe gleichzeitig überprüft wird. Des Weiteren werden die einzelnen Fülltypen (Wirkstoff und Flüssiggas) separat überprüft und die nicht Gesamtmenge aus mehreren Komponenten bestehend in der Endverpackung. Die Kosten als auch der Wartungsaufwand des hier vorgeschlagenen Masse-Durchfluss-Verfahrens werden als sehr gering eingestuft.
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In ist eine erfindungsgemäße Einheit näher erläutert. Das Fluid (1) befindet sich im Vorratsbehältnis (2), umfassend ein Rührwerk (M). Mittels einer Pumpe (3) wird das Fluid (1) aus dem Vorratsbehältnis (2) in Strömungsrichtung in einer Stichleitung (4) geführt. Vor den Dosiereinheiten wird das Fluid (1) durch einen Massedurchflussmesser (5) geführt und anschließend in das als Rundlauffüller bezeichnete Füllaggregat (6). Das Füllaggregat umfasst X Behältnisse (7), die pro Umdrehung n mit einer bestimmten Menge an Fluid (1) über Dosiereinheiten befüllt werden. Die Messwertaufnahme und Steuerung des Rundläufers ist mit einem Steuerungsgerät (9) (SPS) charakterisiert.
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In ist eine erfindungsgemäße Einheit ohne Vorratsbehältnis dargestellt. Vor den Dosiereinheiten wird das Fluid durch einen Massedurchflussmesser (5) geführt und anschließend in das als Rundlauffüller bezeichnete Füllaggregat (6). Das Füllaggregat umfasst X Behältnisse (7), die pro Umdrehung n mit einer bestimmten Menge an Fluid über Dosiereinheiten befüllt werden. Die Messwertaufnahme und Steuerung des Rundläufers ist mit einem Steuerungsgerät (9) (SPS) charakterisiert.
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Als zu befüllende Behältnisse können alle Arten verwendet werden, beispielsweise Kunststoffflaschen, Glasflaschen, Cremetiegel, Aerosoldosen, Tetrapack etc. Sie unterliegen keiner Restriktion bezüglich Stabilität, Formgebung und Material. Füllaggregate sind Volumenfüller, die in der Regel ein mechanisches definiertes Volumen durch Verdrängung bei jedem Maschinentakt abfüllen, sog. Kolbenfüller. Das zu befüllende Volumen ist einstellbar. Eine Ringleitung ist bevorzugt in DN40 ausgelegt. Es können Fließgeschwindigkeiten des Fluids von 0,8 bis 1,5 m/s erreicht werden. Das Dosiersystem sollte dabei keine Lufteinschlüssse zulassen. Dieses wird erreicht durch z.B. geeignet positionierte und geformte Absaugstellen von Produktbehältern.
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Beispielsweise erfolgt eine Befüllung des Fluides in der Ringleitung während eines kontiunierlichen Fluidstroms, wobei pro Abfüllvorgang 120° der Machinendrehung für den Füllvorgang verwendet werden und die restlichen 240° zur Spülung der Leitung (Vermeidung der Sedimentation). Bei einem 18 stelligen Füllaggregat werden somit 6 Dosen befüllt und somit 6 Dosiereinheiten gleichzeitig betätigt.
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Vorteilhaft erfolgt eine Befüllung des Fluides in einer Stichleitung während eines kontinuierleichen Fluidstroms, wobei pro Abfüllung 120° der Maschinendrehung für den Füllvorgang verwendet wird und die restlichen 240° die Dosierenheiten geschlossen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10301844 A1 [0004]
- DE 102006029490 A1 [0013]
