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Die Erfindung bezieht sich auf ein Füllsystem gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf eine Füllmaschine gemäß Oberbegriff Patentanspruch 11.
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Füllsysteme mit einer Vielzahl von Füllstellen, die jeweils wenigstens ein Füllelement sowie einen Behälterträger zum Halten des jeweiligen Behälters in Dichtlage gegen das Füllelement beim Füllen sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt, auch für unterschiedliche Füllverfahren (z. B. Freistrahlfüllen, Vakuumfüllen, Druckfüllen usw.). Es ist hierbei auch bekannt, in den Füllelementen oder deren Füllelementgehäuse gesteuerte Gaswege vorzusehen, insbesondere für beim Füllen verwendete Prozessgase und/oder für Vakuum.
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Speziell beim Druckfüllen ist es erforderlich, die Behälter nicht nur während einer Füllphase, in der das flüssige Füllgut dem betreffenden Behälter zufließt, sondern auch in wenigstens einer dieser Füllphase vorausgehenden Prozessphase, beispielsweise zum Vorspannen des Behälterinnenraumes mit Druck, in Dichtlage am Füllelement zu halten, und zwar angepresst mit dem von einer Hubeinrichtung angehobenen Behälterträger.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Füllsystem aufzuzeigen, welches sich durch einen reduzierten konstruktiven und steuerungstechnischen Aufwand auszeichnet, und zwar bei hoher Betriebssicherheit. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Füllsystem entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Eine Füllmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 11.
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Bei dem erfindungsgemäßen Füllsystem bilden die Füllstellen nicht nur Füllstellenpaare mit für die Füllelemente jedes Füllstellenpaares gemeinsamen Gaswegsteuerventilen in Prozessgas und/oder Vakuum führenden Gaswegen, sondern dass wenigstens eine für die beiden Füllstellen jedes Füllstellenpaares gemeinsame Gaswegsteuerventil ist Teil einer eigenständigen Baueinheit, d. h. eines Steuermoduls mit wenigstens einem äußeren gesteuerten Gasweg für jedes Füllstellenpaar, der mit jeweils wenigstens einem in jedem Füllelement des betreffenden Füllstellenpaares ausgebildeten inneren Gasweg verbunden ist. Diese inneren Gaswege der Füllelemente sind nicht gesteuert, d. h. die Füllelemente selbst besitzen keine Gaswegsteuerventile. Jeweils ein Steuermodul ist für jedes Füllstellenpaar vorgesehen. Die äußeren Gaswege können auch jeweils zum Teil oder in Teilabschnitten in einem für sämtliche Füllestellen gemeinsamen Rotorelement oder Ring ausgebildet sein, der achsgleich mit der Maschinenachse einer das Füllsystem aufweisenden Füllmaschine angeordnet ist.
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Dieser modulare Aufbau hat erhebliche Vorteile. So kann mit ihm auf verkürzten Gaswegen die jeweils erforderliche Verbindung zwischen den Füllstellen und einem für sämtliche Füllelemente oder eine Gruppe von Füllelementen eines Füllsystems gemeinsamen Ringkanal geschaltet werden, der beispielsweise zum Zuführen und/oder Abführen von Prozessgasen oder Vakuum dient. Weiterhin ermöglicht der modulare Aufbau, die Steuer- und/oder Betätigungsmodule und dabei insbesondere die Gaswegsteuerventile und/oder die Betätigungselemente außerhalb eines Hygiene- oder Aseptikbereichs oder -raumes anzuordnen, in welchem lediglich die Füllelemente mit einer die Abgabeöffnung aufweisenden Teillänge sowie auch die Behälterträger angeordnet sind.
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Der modulare Aufbau ermöglicht es weiterhin, unterschiedliche Füllergrößen oder Füllerteilungen, d. h. eine unterschiedliche Anzahl von Füllstellenpaaren an Rotoren mit jeweils den selben Füllelementen und den selben Gaswegsteuerventilen und/oder pneumatischen Betätigungselementen zu realisieren. Die Anpassung an die jeweilige Füllerteilung bzw. an den Teilungsabstand erfolgt dann beispielsweise allein über das Rotorelement, in dem die äußeren Gaswege sämtlicher Füllstellenpaare jeweils zum Teil ausgebildet sind.
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In jedem Fall sind aber die Füllelemente und das Steuermodul bevorzugt so ausgeführt, dass mit der mechanischen Befestigung der Füllelemente zugleich auch die Verbindung zwischen den inneren und den äußeren Gaskanälen hergestellt wird.
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Unter „Druckfüllen” ist im Sinne der Erfindung allgemein ein Füllverfahren zu verstehen, bei dem der jeweils zu füllende Behälter in Dichtlage gegen das Füllelement anliegt und in der Regel vor der eigentlichen Füllphase, d. h. vor dem Öffnen des Flüssigkeitsventils über wenigstens einen gesteuerten, im Füllelement ausgebildeten Gasweg mit einem unter Druck stehenden Spanngas (Inertgas bzw. CO2-Gas) vorgespannt wird, welches dann während des Füllens von dem dem Behälter zufließenden Füllgut zunehmend als Rückgas aus den Behälterinnenraum verdrängt wird, und zwar ebenfalls über wenigstens einen gesteuerten, im Füllelement ausgebildeten Gasweg. Dieser Vorspannphase können weitere Behandlungsphasen vorausgehen, beispielsweise ein Evakuieren und/oder ein Spülen des Behälterinnenraums mit einem Inertgas, z. B. CO2-Gas usw., und zwar ebenfalls über die im Füllelement ausgebildeten Gaswege.
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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 dieses Verfahrens 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.
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„Teilkreis” bedeutet im Sinne der Erfindung ein eine vertikale Maschinenachse umschließender Kreis, auf dem die Füllelemente des Füllsystems oder der Füllmaschine mit den vertikalen Achsen ihrer Abgabeöffnungen oder mit ihren Füllelementachsen angeordnet sind.
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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.
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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 Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 in schematischer Funktionsdarstellung und in Draufsicht eine Füllmaschine umlaufender Bauart zum Füllen von Behältern in Form von Flaschen mit einem flüssigen Füllgut (z. B. Getränk);
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2 in schematischer Funktionsdarstellung zwei ein Füllstellenpaar bildende Füllstellen der Füllmaschine der 1;
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3 in schematischer Funktionsdarstellung und in Draufsicht parallel zu einer vertikalen Maschinenachse zwei Füllelemente eines Füllstellenpaares;
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4 in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch einen Rotor sowie durch eines der Füllelemente eines Füllstellenpaares der 3;
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5 und 6 jeweils in vereinfachter schematischer Darstellung und in Draufsicht bzw. in vereinfachter Seitenansicht zwei ein Füllstellenpaar bildende Füllstellen bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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7 und 8 Darstellungen wie 5 und 6 bei einer weiteren Ausführungsform;
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9 den von einer Dichtung gebildeten Anschluss oder Übergang zwischen einem äußeren Gasweg oder Teilabschnitt eines äußeren Gasweges bzw. einem für die Füllstellen eines Füllstellenpaares gemeinsamen Steuermodul und einem inneren Gasweg eines Füllelementes des Füllstellenpaares bei der Ausführung der 5–8.
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In den 1–4 ist 1 eine Füllmaschine umlaufender Bauart zum Füllen von Behältern in Form von Flaschen 2 mit einem flüssigen Füllgut. Die Füllmaschine 1 besitzt u. a. einen um eine vertikale Maschinenachse umlaufend angetriebenen Rotor 3 mit einem Rotorelement 3.1, an dessen Umfang eine Vielzahl von Füllstellen 4.1 und 4.2 gebildet sind, und zwar in der Weise, dass in Drehrichtung (Pfeil A) des Rotors 3 auf jede Füllstelle 4.1 eine Füllstelle 42 und auf diese wiederum eine Füllstelle 4.1 folgen. Die Füllstellen 4.1 und 4.2 sind in gleichen Achsabständen (Teilungsabstand) auf einem die Maschinenachse umschließenden Teilkreis TK vorgesehen. Die leeren, zu füllenden Flaschen 2 werden der Füllmaschine bzw. den Füllstellen 4.1 und 4.2 über einen Behältereinlauf 5 zugeführt. Die gefüllten Flaschen werden den Füllstellen 4.1 und 4.2 an einem Behälterauslauf 6 entnommen.
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Die Füllstellen 4.1 und 4.2 sind für unterschiedliche Füllverfahren ausgebildet, insbesondere auch für ein Druckfüllen der Flaschen 2, und zwar nicht nur mit einem Vorspannen des Innenraums dieser Flaschen mit einem unter Druck stehenden Prozessgas bzw. Inertgas (z. B. CO2-Gas), sondern beispielsweise auch mit einem vorausgehenden einfachen oder mehrfachen Spülen des Flascheninnenraums mit Prozessgas bzw. Inertgas und/oder Evakuieren des Flascheninnenraumes und/oder mit einem Schnellfüllen und Langsamfüllen und/oder mit einem Vorentlasten des Flascheninnenraums nach Beendigung des Füllens usw. Diese dem Fachmann bekannten Verfahrensschritte werden u. a. durch Gaswegsteuerventile in Gaswegen der Füllstellen 4.1 und 4.2 gesteuert.
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Die Füllstellen 4.1 und 4.2 weisen entsprechend den 2–4 jeweils ein Füllelement 7 sowie einen nicht dargestellten, jedem Füllelement 7 zugeordneten Behälterträger auf, der in der dem Fachmann bekannten Weise zum hängenden Halten der jeweiligen Flasche 2 an ihrem Mündungsflansch 2.1 ausgebildet ist und mit dem die Flasche 2 während des Füllprozesses mit ihrer oberen Flaschenöffnung oder -mündung beispielsweise in Dichtlange gegen die Unterseite des Füllelementes 7 angepresst anliegt. Dargestellt ist lediglich eine Kurvenrolle 8, die mit einer mit dem Rotor 3 nicht umlaufenden Steuerkurve zusammenwirkt und Teil einer Hubeinrichtung zum Anheben des jeweiligen Behälterträgers ist. Die Kurvenrolle 8 bzw. die zugehörige Hubeinrichtung ist bei der dargestellten Ausführungsform für die beiden Behälterträger jedes Füllstellenpaares 4 gemeinsam vorgesehen.
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Eine Besonderheit der Füllmaschine 1 besteht darin, dass jede Füllstelle 4.1 mit einer Füllstelle 4.2 ein Füllstellenpaar 4 mit zwei Füllelementen 7 und zugehörigen Behälterträgern bildet.
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Wie insbesondere die 4 zeigt, besteht jedes Füllelement 7 aus einem Füllelementgehäuse 9, in welchem ein Flüssigkeitskanal 10 ausgebildet ist, in den oben eine Produktleitung mündet, die zu einem am Rotor 3 für sämtliche Füllstellen 4.1 und 4.2 gemeinsamen Füllgutkessel 12 führt, der während des Füllprozesses mit dem flüssigen Füllgut zumindest teilgefüllt ist. An der Unterseite jedes Füllelementgehäuses 9 bildet der Flüssigkeitskanal 10 eine beispielsweise ringförmige und achsgleich mit einer Füllelementachse FA angeordnete Abgabeöffnung 13 für das flüssige Füllgut. Im Inneren des Flüssigkeitskanals 10 ist weiterhin ein Flüssigkeitsventil 14 mit einem Ventilkörper vorgesehen, der zum Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsventils 14 sowie zur Steuerung der Abgabe des flüssigen Füllgutes über die Abgabeöffnung an die jeweilige Flasche 2 in einer vertikalen Füllelementachse FA axial bewegbar ist, und zwar gesteuert durch eine beispielsweise pneumatische Betätigungseinrichtung 15.
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Montiert sind die Füllelemente jeweils an der die Maschinenachse kreiszylinderförmig umschließenden Außenfläche des Rotorelementes 3.1, und zwar bei Ausbildung der Füllmaschine 1 zum aseptischen Abfüllen des Füllgutes auch derart, dass die Füllelemente 7 lediglich mit ihrer die Abgabeöffnung 13 aufweisenden unteren Teillänge oder Unterseite in einen oben verschlossenen Rein- oder Sterilraum oder Aseptikraum 16 hineinreichen, in dem sich die Flaschen 2 während des Füllens zumindest mit ihrem oberen, die jeweilige Flaschenöffnung bildenden Flaschenbereich bewegen. Der Aseptikraum 16 ist beispielsweise durch ein das ringförmige Rotorelement 3.1 tragendes scheibenartiges Rohrelement 3.2 sowie durch weitere nicht dargestellte Wandelemente zur Umgebung hin verschlossen. Außerhalb des Aseptikraums 16 und oberhalb des Rotorelementes 3.2 sind an der Innenseite des Rotorelementes 3.1 auch mehrere für sämtliche Füllstellen 4.1 und 4.2 gemeinsame Ringkammern oder -kanäle 17 vorgesehen, die während des Füllprozesses Prozessgase und/oder Vakuum führen.
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Eine weitere Besonderheit der Füllmaschine 1 besteht darin, dass die Gaswegsteuerventile 18, die zur Steuerung der Gaswege und damit zur Steuerung der verschiedenen Phasen des jeweiligen Füllprozesses dienen, für die beiden Füllelemente 7 jedes Füllstellenpaares 4 gemeinsam vorgesehen sind und auch gemeinsam gesteuert werden, während in den Füllelementen 7 bzw. in den Füllelementgehäusen 9 selbst lediglich ungesteuerte innere Gaswege 19, d. h. Gaswege ohne Gaswegsteuerventile ausgebildet sind.
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Wenigstens ein äußerer Gasweg 20 steht jeweils mit den zugehörigen inneren Gaswegen 19 der beiden Füllelemente 7 jedes Füllstellenpaares 4 in Verbindung. In dem äußeren Gasweg ist das Gaswegsteuerventil 18 angeordnet, so dass durch dessen Ansteuerung eine zeitgleiche Steuerung beider Füllelemente 7 des jeweiligen Füllstellenpaares 4 erfolgt. Die für jeweils ein Füllstellenpaar 4 gemeinsamen Gaswegsteuerventile 18 sind bei der dargestellten Ausführungsform vorzugsweise pneumatisch betätigbare Ventile, die über einen mehrere elektrische gesteuerte Pneumatikventile aufweisenden Ventilblock 21 gesteuert werden, der seinerseits von der zentralen Maschinensteuerung 22 der Füllmaschine 1 betätigt wird. Über den Ventilblock 21 werden auch die Flüssigkeitsventile 14 zum Öffnen und Schließen der Füllelemente 7 betätigt, und zwar bei der dargestellten Ausführungsform in Abhängigkeit von der den Flaschen 2 während der Füllphase zufließenden Füllgutmenge. Diese wird von einem Durchflussmesser 23 (z. B. MID-Durchflussmesser) erfasst. Da bei präziser Ausbildung der Füllelemente deren Füllverhalten identisch ist, ist es möglich, für jedes Füllstellenpaar 4 nur einen einzigen Durchflussmesser 23 in der an eines der Füllelemente 7 führenden Produktleitung 11 vorzusehen.
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Die Gaswegsteuerventile 18 und ein Teilabschnitt 20.1 jedes äußeren Gasweges 20 des jeweiligen Füllstellenpaares sind Bestandteil eines Steuermoduls 24, welches bei der dargestellten Ausführungsform auf der Oberseite bzw. oberen Stirnseite des Rotorelementes 3.1 für jedes Füllstellenpaar 4 jeweils gesondert vorgesehen ist. Wie insbesondere die 4 zeigt, bestehen Steuermodule 24 u. a. aus jeweils einem Block oder Modulgehäuse 25, in welchem der Teilabschnitt 20.1 des wenigstens einen äußeren Gaswegs 20 ausgebildet und an welchem auch das diesen äußeren Gasweg 20 steuernde Gaswegsteuerventil 18 vorgesehen ist. Teilabschnitte 20.2 der äußeren Gaswege 20 sind in dem Rotorelement 3.1 ausgebildet, und zwar insbesondere solche Teilabschnitte 202, die in die Ringkammern 17 sowie auch in einen inneren Gasweg 19 der Füllelemente 7 münden. Teilabschnitte 20.2 der äußeren Gaswege 20 sind bei der dargestellten Ausführungsform nicht gesteuert, d. h. in diesen Teilabschnitten sind keine Gaswegsteuerventile vorgesehen.
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Wie den 3 und 4 zu entnehmen, sind die Steuermodule 24 bezogen auf die Maschinenachse MA gegenüber den Füllelementen 7 bzw. gegenüber den Füllelementachsen FA radial nach innen versetzt angeordnet, so dass der radiale Abstand der Steuermodule 24 von der Maschinenachse MA kleiner ist als der entsprechende radiale Abstand der Füllelemente 7 bzw. der Füllelementachsen FA von der Maschinenachse MA. Die Steuermodule 24 befinden sich als innerhalb des Teilkreises TK bzw. innerhalb der Bewegungsbahn der Füllelemente 7.
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Durch die beschriebene Ausbildung ergibt sich für jedes Füllstellenpaar 4 ein modularer Aufbau aus jeweils zwei Füllelementen 7 und einem Steuermodul 24. Dieser modulare Aufbau gestattet u. a. einen einfachen Austausch von defekten Komponenten (Füllelement 7 oder Steuermodulen 24). Weiterhin ermöglicht der modulare Aufbau auch für spezielle Füllprozesse speziell ausgeführte Füllelemente 7 mit einem Standardsteuermodul 24 oder aber unterschiedlich ausgeführte Steuermodule 24 mit standardmäßigen Füllelementen 7 usw. zu verbauen.
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Die 5–9 zeigen in sehr vereinfachter schematischer Darstellung denn Rotor 3 einer Füllmaschine 1a zusammen mit zwei Füllstellen 4.1 und 4.2, die ein Füllstellenpaar 4a bilden, und zwar in den 5 und 7 jeweils in Draufsicht und in den 6 und 8 jeweils in Seitenansicht, wobei in den 6 und 8 die Füllelemente 7a der Füllstellen 4.1 und 4.2 nur teilweise angedeutet sind. Die Füllelemente 7a sind mit ihren Füllelementachsen FA in einem Teilungsabstand TA auf einem Teilkreis TK angeordnet, und zwar bei gleich großem Teilungsabstand TA in den 5 und 6 auf einem kleineren Teilkreis TK und in den 7 und 8 auf einem größeren Teilkreis TK.
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Abweichend von dem Füllelement 1 der 1–4 sind die Steuermodule 24a der Füllmaschine 1a so vorgesehen, dass sie bzw. deren Modulgehäuse 25 jeweils mit einer vorzugsweise ebenen Unterseite gegen einen Bereich der Füllelemente 7a anliegen, der wiederum bezogen auf die Maschinenachse MA gegenüber den Füllelementachsen FA radial nach innen versetzt und mit einer Fläche ausgebildet ist, die in einer Ebene senkrecht zur Maschinenachse MA orientiert ist. An dieser Fläche ist der jeweilige, in dem Modulgehäuse 25 ausgebildete Teiabschnitt 20.1 des äußeren Gasweges 20 bzw. dessen Mündungsöffnung 20.1.1 mit einem inneren Gasweg 19 eines Füllelementes 7 bzw. mit der Mündungsöffnung 19.1 dieses inneren Gasweges 19 über eine Dichtung 26 verbunden.
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Die 5–8 verdeutlichen, dass durch den modularen Aufbau der Füllstellenpaare 4a die Möglichkeit besteht, bei ein und demselben Teilungsabstand TA mit denselben Füllelementen 7a und denselben Steuermodulen 24a Füllmaschinen mit unterschiedlichem Rotordurchmesser und unterschiedlichen Teilkreisgrößen zu realisieren. Ein sich dabei wegen unterschiedlicher Teilkreisgröße ändernder Achsabstand X zwischen den Anschlussöffnungen 19.1 wird dadurch ausgeglichen, dass die Dichtungen 26 jeweils eine innere Öffnung 26.1 aufweisen, die wesentlich größer ist als der Querschnitt zumindest der Anschlussöffnungen 19.1 (9). Hierdurch ist ein Ausgleich des Achsabstandes X bis zu einem Maß möglich, das gleich der doppelten Differenz der Querschnittsabmessungen der Dichtungsöffnung 26.1 und der Mündungsöffnung 19.1 ist.
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Für unterschiedliche Teilungsabstände TA der Füllstellen 4.1 und 4.2, d. h. für unterschiedliche Achsabstände der diese Füllstellen bildenden Füllelemente 7a am Umfang des Rotors 3 sind dann allerdings Steuermodule 24a erforderlich, bei denen der Achsabstand der Anschlussöffnungen 20.1.1 an den jeweiligen Teilungsabstand angepasst ist.
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Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a
- Füllmaschine
- 2
- Flasche
- 2.1
- Mündungsflansch
- 3
- Rotor
- 3.1, 3.2
- Rotorelemente
- 4, 4a
- Füllstellenpaare
- 4.1, 4.2
- Füllstelle
- 5
- Behältereinlauf
- 6
- Behälterauslauf
- 7, 7a
- Füllelemente
- 8
- Kurvenrolle
- 9
- Füllelementgehäuse
- 10
- Flüssigkeitskanal
- 11
- Produktleitung
- 12
- Füllgutkessel
- 13
- Abgabeöffnung
- 14
- Flüssigkeitsventil
- 15
- Betätigungselement
- 16
- Aseptikraum oder Rein- bzw. Sterilraum
- 17
- Ringkammer
- 18
- Gaswegsteuerventil
- 19
- innerer Gasweg
- 19.1
- Mündungs- oder Anschlussöffnung
- 20
- äußerer Gasweg
- 20.1, 20.2
- Teilabschnitt des äußeren Gasweges
- 20.1.1
- Mündungs- oder Anschlussöffnung
- 21
- Ventilanordnung
- 22
- Maschinensteuerung
- 23
- Durchflussmesser
- 24, 24a
- Steuermodul
- 25
- Modulgehäuse
- 26
- Dichtung
- 26.1
- Dichtungsöffnung
- A
- Drehrichtung des Rotors 3
- FA
- Füllelementachse
- MA
- vertikale Maschinenachse
- TK
- Teilkreis
- TA
- Teilungsabstand
- X
- Achsabstand der Mündungs- oder Anschlussöffnungen 19.1
