DE102013107256A1

DE102013107256A1 - Füllsystem sowie Verfahren zum Behandeln von Behältern mit einem Prozessgas

Info

Publication number: DE102013107256A1
Application number: DE102013107256.9A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Clüsserath
Original assignee: KHS GmbH
Current assignee: KHS GmbH
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-01-15
Also published as: EP3019436A1; WO2015004001A1; US9809436B2; SI3019436T1; EP3019436B1; US20160152458A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Füllsystem zum Füllen von Flaschen oder dergleichen Behältern (2) mit einem flüssigen Füllgut, mit einem Füllgutkessel (1), in welchem während des Füllens ein unterer, vom Füllgut eingenommener Flüssigkeitsraum (1.1) und darüber ein Gasraum (1.2) gebildet sind, mit wenigstens einem unterhalb des Füllgutkessels (1) angeordneten Füllelement (4) mit Füllelementgehäuse (7), in welchem ein mit dem Flüssigkeitsraum (1.1) in Verbindung stehender Flüssigkeitskanal (8) ausgebildet ist, der an einer dem Füllgutkessel (1) abgewandten Unterseite des Füllelementgehäuses (7) eine Füllgutabgabeöffnung (10) bildet, mit einem im Flüssigkeitskanal (8) angeordneten Flüssigkeitsventil (11) mit Ventilkörper (12), der an einem achsgleich mit einer Füllelementachse (FA) angeordneten Ventilstößel (13) vorgesehen und zum Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsventils sowie für eine gesteuerte Abgabe des Füllgutes in den am Füllelement (4) angeordneten Behälter (2) axial bewegbar ist, mit einem im Ventilstößel (13) ausgebildeten ersten Gaskanal (14), der an einem oberen Ende in den Gasraum (1.2) des Füllgutkessels (1) und am unteren Ende in einem Kopfraum des am Füllelement (4) angeordneten Behälters (2) mündet, mit einem im ersten Gaskanal (14) vorgesehenen ersten Gasventil (16) mit einem zum Öffnen und Schließen des ersten Gasventils (16) bewegbaren Gasventilkörper (17), sowie mit zumindest einem mit dem Gasventilkörper (17) des ersten Gasventils (16) zusammenwirkenden Betätigungselement (18).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Füllsystem gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Verfahren zum Behandeln von Behältern mit einem Prozessgas gemäß Patentanspruch 19.
Gattungsgemäße Füllsysteme sind bereits bekannt, beispielsweise aus der EP0953542B1 .
Ferner ist es bekannt, den jeweiligen Behälter bzw. dessen Behälterinnenraum vor dem Füllen zu evakuieren und anschließend mit einem von einem Inertgas (zum Beispiel CO2-Gas oder Sterilluft) gebildeten Spülgas zu spülen, um vorhandene Umgebungsluft oder ein anderes gas- und/oder dampfförmiges Medium aus dem Behälterinnenraum zu entfernen. Ein Spülen des Behälterinnenraums erfolgt insbesondere deshalb, dass der in der Umgebungsluft enthaltene Sauerstoff aus dem Behälterinnenraum verdrängt wird, da dieser auf das in den Behälter aufzunehmende Füllgut negative Auswirkungen in Bezug auf den Geschmack, die Farbe o. ä. haben kann.
Nachteilig an bisher bekannt gewordenen Füllsystemen bzw. Verfahren zum Behandeln von Behältern ist dabei, dass beim Spülen zur Erreichung einer möglichst hohen Umgebungsluftverdrängung eine relativ hohe Menge an Spülgas verbraucht wird. Dadurch wird das Befüllen der Behälter wesentlich verteuert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Füllsystem sowie ein Verfahren zum Behandeln von Behältern mit einem Prozessgas aufzuzeigen, welches ein besonders effektives Spülen des jeweiligen Behälterinnenraums bei geringem Verbrauch an Spülgas ermöglicht. Die Aufgabe wird ausgehend von den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 19 jeweils durch deren kennzeichnenden Merkmale gelöst.
Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Füllsystem zum Füllen von Flaschen oder dergleichen Behältern mit einem flüssigen Füllgut, mit einem Füllgutkessel, in welchem während des Füllens ein unterer, vom Füllgut eingenommener Flüssigkeitsraum und darüber ein Gasraum gebildet sind, mit wenigstens einem unterhalb des Füllgutkessels angeordneten Füllelement mit einem Füllelementgehäuse, in welchem ein mit dem Flüssigkeitsraum in Verbindung stehender Flüssigkeitskanal ausgebildet ist, der an einer dem Füllgutkessel abgewandten Unterseite des Füllelementgehäuses eine Füllgutabgabeöffnung bildet, mit einem im Flüssigkeitskanal angeordneten Flüssigkeitsventil mit Ventilkörper, der an einem achsgleich mit einer Füllelementachse angeordneten Ventilstößel vorgesehen und zum Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsventils sowie für eine gesteuerte Abgabe des Füllgutes in den am Füllelement angeordneten Behälter axial bewegbar ist, mit einem im Ventilstößel ausgebildeten ersten Gaskanal, der an einem oberen Ende in den Gasraum des Füllgutkessels und am unteren Ende in einem Kopfraum des am Füllelement angeordneten Behälters mündet, mit einem im ersten Gaskanal vorgesehenen ersten Gasventil mit einem zum Öffnen und Schließen des ersten Gasventils bewegbaren Gasventilkörper, sowie mit zumindest einem mit dem Gasventilkörper des ersten Gasventils zusammenwirkenden Betätigungselement.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Füllsystems besteht darin, dass im Gasventilkörper ein zweiter Gaskanal ausgebildet ist, der zumindest zeitweise mit dem ersten Gaskanal fluiddicht verbindbar ausgebildet ist. Dadurch kann mittels des Gasventilkörpers ein weiteres, zweites Gasventil geschaffen werden, über das eine Beaufschlagung des Behälterinnenraums mit einem Prozessgas mit einem geringeren Volumenstrom im Vergleich zum Öffnen des ersten Gasventils ermöglicht wird. In anderen Worten, durch den im Gasventilkörper ausgebildeten zweiten Gaskanal kann eine mehrstufige Beaufschlagung des Behälters mit einem Prozessgas erreicht werden, wobei der Volumenstrom des in den Behälterinnenraum zugeführten Gases bei den jeweiligen Stufen unterschiedlich ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der zweite Gaskanal einen im Vergleich zum ersten Gaskanal reduzierten Querschnitt aufweist. Dadurch wird der Volumenstrom des Prozessgases durch den im zweiten Gaskanal verringerten Querschnitt gedrosselt.
Bevorzugt kann im zweiten Gaskanal eine Drossel zur Reduzierung des Gasdurchflusses durch den zweiten Gaskanal vorgesehen sein. Dadurch kann der Volumenstrom durch den zweiten Gaskanal und damit der in den Behälter eingebrachte Volumenstrom des Prozessgases weiterhin reduziert werden. Die Drossel hat dabei vorzugsweise eine Bohrung mit einem Durchmesser von 0,5–2,0 mm bei einer Dicke der Drossel in Flussrichtung des Gases von 0,3 mm–1,0 mm.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Gasventilkörper eine im Gasraum angeordnete, ein zweites Gasventil bildende Öffnung auf, über die im geöffneten Zustand ein Gasfluss durch den ersten und zweiten Gaskanal in den am Füllelement angeordneten Behälter ermöglicht wird. Dabei ist vorzugsweise der zweite Gaskanal mit dem im Ventilstößel ausgebildeten ersten Gaskanal fluiddicht verbunden. Durch das Öffnen bzw. Schließen des zweiten Gasventils lässt sich damit ein gesteuertes Zuführen des im Gasraum enthaltenen Prozessgases über den zweiten Gaskanal, den ersten Gaskanal und ein in den Kopfraum des Behälters hineinreichendes Gasrohr erreichen. Dadurch kann ein Spülvorgang des Behälters mit einer gedrosselten Zuführung des Prozessgases aus dem Gasraum des Füllgutbehälters erreicht werden.
Vorzugsweise wird der Spülvorgang in zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten vollzogen, und zwar in einem ersten Verfahrensschritt, in dem der Behälterinnenraum durch Verbinden mit einer Vakuumquelle evakuiert wird und dann in einem zweiten, darauffolgenden Verfahrensschritt das eigentliche Spülen des Behälters durch Einblasen des Spülgases erfolgt. Dabei bleibt der Behälterinnenraum vorzugsweise weiterhin mit der Vakuumquelle verbunden, so dass das Einblasen des Spülgases in ein Vakuum oder Hochvakuum im Behälterinnenraum erfolgt. Das Evakuieren des Behälters im ersten Verfahrensschritt des Spülens erfolgt beispielsweise so, dass sich im Behälter ein Druck von etwa 0,05–0,4 bar, bevorzugt ein Druck von etwa 0,05–0,25 bar einstellt, das heißt ein Unterdruck von etwa 0,6 bar bis 0,95 bar, bevorzugt 0,75–0,95 bar gegenüber dem Umgebungsdruck. Das Einleiten oder Einblasen des Spülgases erfolgt anhand der Drosselung des Volumenstroms im zweiten Gaskanal bzw. aufgrund des im Gasraum enthaltenen Drucks derart, dass sich hierbei allenfalls ein geringer Druckanstieg im Behälterinnenraum ergibt, beispielsweise ein Druckanstieg von höchstens 0,05 bar bis 0,2 bar. Von besonderem Vorteil kann dabei sein, dass nach dem Schließen der Spülgaszufuhr die Verbindung mit der Vakuumquelle noch für einen gewissen Zeitraum geöffnet bleibt, so dass im Behälter der ursprüngliche Unterdruck wiederhergestellt werden kann. Dies ist aber keinesfalls zwingend nötig.
Bevorzugt ist die Öffnung über einen ersten Teilhub des Betätigungselements öffenbar bzw. verschließbar. Vorzugsweise wird dabei lediglich das zweite Gasventil geöffnet, wobei das erste Gasventil weiterhin geschlossen ist, d. h. der zweite Gaskanal ist fluiddicht mit dem ersten Gaskanal verbunden. Somit kann durch einen ersten Teilhub des Betätigungselements die Spülung des Behälterinnenraumes mit einem Prozessgases mit einem gedrosselten Volumenstrom bewirkt werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Gasventilkörper zum Öffnen und Schließen des ersten Gasventils in der Füllelementachse bewegbar und wirkt dabei mit einer im ersten Gaskanal ausgebildeten Ventilfläche zusammen. D. h., der Gasventilkörper wird zum Öffnen des ersten Gasventils entlang der Füllelementachse angehoben, so dass der Dichtsitz des Gasventilkörpers in der im Ventilstößel vorgesehenen Bohrung bzw. dem dort vorgesehenen Ventilsitz gelöst wird. In umgekehrter Richtung wird der Gasventilkörper zum Schließen des ersten Gasventils entlang der Füllelementachse abgesenkt, so dass ein Dichtsitz zwischen dem Gasventilkörper und dem im Ventilstößel ausgebildeten Ventilsitz erreicht wird.
Vorzugsweise erfolgt die Bewegung des Gasventilkörpers mittels des Betätigungselements, und zwar über einen zweiten Teilhub, wobei die Hubwege der ersten und zweiten Teilhübe achsgleich verlaufen. Damit kann durch ein und dasselbe Betätigungselement, das zur Bewirkung einer zweistufigen Hubbewegung ausgebildet ist, sowohl das erste Gasventil als auch das zweite Gasventil betätigt werden.
Bevorzugt ist das erste Gasventil zur Bewirkung eines größeren Gasdurchflusses pro Zeiteinheit als das zweite Gasventil ausgebildet. Dadurch kann bei Öffnung des zweiten Gasventils ein gedrosselter Volumenstrom an Prozessgas in den Behälterinnenraum im Vergleich zur Öffnung des ersten Gasventils erreicht werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Gasventilkörper des ersten Gasventils mit einer Teillänge im ersten Gaskanal aufgenommen und steht mit einem oberen Ende aus dem ersten Gaskanal vor. Weiterhin bevorzugt wirkt er mit diesem Ende mit dem Betätigungselement zusammen. Der erste Gaskanal kann dabei gestuft ausgebildet sein, wobei sich der erste Gaskanal durch die Stufung nach oben hin stufenförmig erweitert. Der Gasventilkörper kann dabei in einen oberen Bereich des ersten Gaskanals teilweise aufgenommen sein.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die das zweite Gasventil bildende Öffnung des Gasventilkörpers auf einer über den ersten Gaskanal vorstehenden Teillänge vorgesehen, insbesondere an der oberen Stirnseite des Gasventilkörpers. Das zuvor beschriebene Zusammenwirken des Betätigungselements mit dem Gasventilkörper besteht dabei insbesondere darin, dass durch ein am Betätigungselement vorgesehenes Element oder einen Abschnitt des Betätigungselements selbst die das zweite Gasventil bildende Öffnung geöffnet bzw. geschlossen wird.
Vorzugsweise ist das Betätigungselement durch zwei achsgleich miteinander und vorzugsweise auch achsgleich mit der Füllelementachse angeordnete Hubelemente, im Folgenden auch Kolben-Zylinder-Anordnungen genannt, gebildet, von denen ein erstes Hubelement über einen Stößel und einen Adapter auf den Gasventilkörper einwirkt und von denen ein zweites Hubelement einen Anschlag für die Hubbewegung des ersten Hubelementes in der Weise bildet, dass in einem ersten Zustand des zweiten Hubelementes der Hub des ersten Hubelementes auf einen ersten Teilhub begrenzt ist und in einem zweiten Zustand des zweiten Hubelementes das zweite Hubelement um einen zweiten Teilhub angehoben ist, so dass der Hubweg des ersten Hubelementes auf die Summe aus den beiden Teilhüben vergrößert ist. Dadurch kann eine zweistufige Hubbewegung des Stößels realisiert werden, wobei beim ersten Teilhub lediglich das zweite Gasventil geöffnet wird und beim Vollziehen des Weiteren, zweiten Teilhubs im Anschluss an den ersten Teilhub auch das erste Gasventil geöffnet wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bewirkt der Adapter im abgesenkten, unteren Zustand des ersten Hubelements eine Abdichtung der Öffnung und damit ein Verschließen des zweiten Gasventils. Vorzugsweise weist der Adapter hierbei einen Flächenabschnitt auf, der im abgesenkten Zustand des ersten Hubelements auf eine an der Öffnung vorgesehene Dichtung bzw. Dichtfläche drückt, um damit den Verschluss des zweiten Gasventils zu bewirken.
Bevorzugt ist im um den ersten Teilhub angehobenen Zustand des Hubelements der Adapter, insbesondere der den Verschluss bewirkende Flächenabschnitt des Adapters von der Öffnung abgehoben und damit das zweite Gasventil geöffnet. Das erste Gasventil hingegen verbleibt aufgrund des weiterhin abgesenkten Gasventilkörpers verschlossen. Somit kann durch die mehrstufige Hubbewegung des Betätigungselements nach Vollziehen des ersten Teilhubs durch Lösen des Dichtsitzes des Adapters vom Gasventilkörper das zweite Gasventil geöffnet werden.
Weiterhin vorzugsweise weist der Adapter eine erste Steuerfläche auf, die während des ersten Teilhubs nicht gegenüber dem Gasventilkörper zur Anlage kommt, und gegen die der Gasventilkörper während des zweiten Teilhubs des Hubelements teilweise anliegt, um den Gasventilkörper aus der Dichtlage der im ersten Gaskanal ausgebildeten Ventilfläche abzuheben. Insbesondere weist der Adapter einen hakenförmig ausgebildeten Abschnitt auf, der zum Hintergreifen eines Vorsprungs des Gasventilkörpers, nachfolgend auf Steuerabschnitt genannt, ausgebildet ist. An diesem hakenförmigen Abschnitt ist die erste Steuerfläche vorgesehen, die gegenüber dem Vorsprung des Gasventilkörpers während des zweiten Teilhubs anliegt und damit bei einer Aufwärtsbewegung des Stößels den Gasventilkörper nach oben anhebt. Durch die fehlende Anlage der ersten Steuerfläche gegenüber dem Gasventilkörper beim ersten Teilhub wird erreicht, dass zwar der Flächenabschnitt des Adapters, der einen Verschluss der Öffnung des zweiten Gasventils bewirkt, von der Öffnung des Gasventilkörpers abgehoben wird, jedoch während dieses ersten Teilhubs noch kein Anheben des Gasventilkörpers und eine damit verbundene Öffnung des ersten Gasventils erfolgt.
Bevorzugt weist der Adapter eine zweite Steuerfläche auf, die mit dem Ventilstößel zum Schließen des Flüssigkeitsventils zusammenwirkt. Die zweite Steuerfläche ist insbesondere eine der ersten Steuerfläche gegenüberliegende Fläche, die beispielsweise an dem hakenförmigen Abschnitt des Adapters vorgesehen ist. Mittels dieser zweiten Steuerfläche wirkt der Adapter vorzugsweise oberseitig auf den Ventilstößel ein, beispielsweise an einem flanschartigen Vorsprung, so dass durch das Betätigungselement beim Zurückstellen in die Ausgangslage, in der der Stößel maximal in den Füllgutbehälter vorgeschoben ist, ein Schließen des Flüssigkeitsventils durch Anpressen des Ventilkörpers an den Ventilsitz erreicht wird. Vorteilhafterweise bewirkt damit das Betätigungselement nicht nur eine Betätigung des ersten bzw. zweiten Gasventils sondern zudem ein aktives Schließen des Flüssigkeitsventils.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Flüssigkeitsventil eine Öffnungsfeder auf, die das Flüssigkeitsventil in seinen Öffnungszustand vorspannt. Diese Öffnungsfeder, die insbesondere als Druckfeder ausgebildet ist, weist dabei eine Federkraft auf, die derart bemessen ist, dass bei Erreichen eines gewissen Vorspanndrucks innerhalb des Behälters die Federkraft der Öffnungsfeder gegenüber der Schwerkraft des Ventilkörpers bzw. des Ventilstößels und der auf dem Ventilkörper lastenden Flüssigkeitssäule überwiegt (Reibungskräfte vernachlässigend), so dass das Flüssigkeitsventil automatisiert durch die Öffnungsfeder geöffnet wird, d. h. ohne Einwirken eines weiteren, aktiv betätigten Antriebsmittels.
Der zweite Gaskanal kann zumindest zeitweise mit einem vom Gasraum des Füllgutkessels unabhängigen, weiteren Gasraum verbunden werden. Dies erfolgt beispielsweise über eine im Stößel der Betätigungseinrichtung vorgesehenen Gaskanal, der beispielsweise über zumindest eine weitere Leitung und ggf. zumindest ein Ventil eine Verbindung zu dem weiteren Gasraum herstellt.
Insbesondere kann der zweite Gaskanal zum Spülen des zu befüllenden Behälters mit dem Gasraum und zum Vorspannen des Behälters mit dem weiteren Gasraum verbindbar ausgebildet sein. Dadurch ist es möglich, dass insbesondere der Vorspannprozess durch Beaufschlagung des Behälterinnenraumes mit einem Prozessgas erfolgt, das unterschiedlich zu dem im Gasraum des Füllgutbehälters enthaltenen Gas ist. Dadurch kann der Vorspannprozess mit einem günstigeren Prozessgas erfolgen.
Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren zum Behandeln von Behältern mit einem Prozessgas vor ihrem Füllen unter Verwendung eines Füllelements, an dem der jeweilige Behälter während der Behandlung in Dichtlage angeordnet ist und über das ein Prozessgas in den Behälter eingeleitet und ein Prozessgas sowie ein von diesem verdrängtes gas- und/oder dampfförmiges Medium, beispielsweise Luft aus dem Behälter abgeführt wird, und wobei der Behälter vor dem Einleiten eines Prozessgases evakuiert bzw. mit dem Vakuum einer Vakuumquelle beaufschlagt wird, wobei das Füllelement einen ersten Gaskanal aufweist, der an einem oberen Ende in den Gasraum des Füllgutkessels und am unteren Ende in einem Kopfraum des am Füllelement angeordneten Behälters mündet, wobei im ersten Gaskanal ein erstes Gasventil mit einem zum Öffnen und Schließen des ersten Gasventils bewegbaren Gasventilkörper vorgesehen ist. Über einen im Gasventilkörper ausgebildeten und zumindest zeitweise mit dem ersten Gaskanal fluiddicht verbundenen zweiten Gaskanal mit einem zweiten Gasventil erfolgt nach der Beaufschlagung des Behälters mit dem Vakuum eine Einleitung eines ersten Prozessgases zur Spülung des Behälters durch Öffnen des zweiten Gasventils, wobei der Behälter während der Spülung weiterhin mit der Vakuumquelle verbunden ist. Weiterhin erfolgt nach der Spülung des Behälters durch Öffnen des ersten Gasventils ein Vorspannen des Behälters mit einem zweiten Prozessgas, wobei der Volumenstrom des zweiten Prozessgases durch das erste Gasventil beim Vorspannen des Behälters größer ist als der Volumenstrom des ersten Prozessgases durch das zweite Gasventil beim Spülen des Behälters.
Das erste Prozessgas kann hierbei gleich dem zweiten Prozessgas sein, bevorzugt jedoch ist die Verwendung von unterschiedlichen Prozessgasen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Volumenstrom des in den Behälter beim Spülen eingeleiteten ersten Prozessgases sowie der Unterdruck der Vakuumquelle derart eingestellt, dass sich bei dem den Behälterinnenraum durchströmendem ersten Prozessgas im Behälter ein Spüldruck einstellt, der gleich dem Umgebungsdruck ist oder geringfügig über oder unter dem Umgebungsdruck liegt. Damit wird ein effektives Spülen des Flascheninnenraums bei einer erheblichen Reduzierung des Verbrauchs an Spülgas und damit keine erhebliche Kosteneinsparung erreicht.
Insbesondere können der Druck und/oder Volumenstrom des ersten Prozessgases sowie der Druck der Vakuumquelle so eingestellt sein, dass sich ein Spüldruck zwischen 0,05 bar und 0,45 bar ergibt, wobei diese Werte Absolutwerte sind. Bei einem derart eingestellten Spüldruck wird ein besonders effektiver Spülprozess erreicht.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird in einem ersten Verfahrensschritt der Behälter auf einen Druck im Bereich zwischen 0,05 bar und 0,2 bar evakuiert, und in einem zweiten, zeitlich folgenden Verfahrensschritt erfolgt das Einleiten oder Einblasen des ersten Prozessgases in den Behälter, und zwar vorzugsweise derart, dass der Druck im Behälter durch das Einleiten oder Einblasen des ersten Prozessgases nicht oder nur geringfügig, beispielsweise um 0,05 bar–0,2 bar ansteigt.
Besonders bevorzugt erfolgt das Einleiten des ersten Prozessgases zur Spülung des Behälters über eine im zweiten Gaskanal vorgesehene Drossel. Die Drossel hat dabei vorzugsweise eine Bohrung mit einem Durchmesser von 0,5–2,0 mm bei einer Dicke der Drossel in Flussrichtung des Gases von 0,3 mm–1 mm.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt das Öffnen bzw. Schließen des zweiten Gasventils durch einen ersten Teilhub eines mit dem Gasventilkörper zusammenwirkenden Betätigungselements, wobei weiterhin vorzugsweise das Öffnen bzw. Schließen des ersten Gasventils durch Anheben bzw. Absenken des Gasventilkörpers durch das Betätigungselement erfolgt.
In Dichtlage mit dem Füllelement befindlicher Behälter bedeutet im Sinne der Erfindung, dass der jeweilige Behälter in der dem Fachmann bekannten Weise mit seiner Behältermündung dicht an das Füllelement bzw. an eine dortige Dichtung angepresst anliegt.
Behälter sind im Sinne der Erfindung sind hierbei insbesondere Dosen und Flaschen, jeweils beispielweise aus Metall, Glas und/oder Kunststoff.
Der Ausdruck „im Wesentlichen” bzw. „etwa” bzw. „ca.” 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 Vertikalschnitt ein in einem Füllgutbehälter zumindest teilweise aufgenommenes Füllelement eines Füllsystems gemäß der Erfindung;
2 in vereinfachter Darstellung und im Vertikalschnitt das erfindungsgemäße Füllsystem während des Spülvorgangs;
3 das zweite Gasventil des erfindungsgemäßen Füllsystems in einer Detailansicht;
4 in vereinfachter Darstellung und im Vertikalschnitt das erfindungsgemäße Füllsystem während des Vakuumierens des Behälters;
5 in vereinfachter Darstellung und im Vertikalschnitt das erfindungsgemäße Füllsystem während des Vorspannens des Behälters;
6 in vereinfachter Darstellung und im Vertikalschnitt das erfindungsgemäße Füllsystem während des Befüllens des Behälters;
7 in vereinfachter Darstellung und im Vertikalschnitt das erfindungsgemäße Füllsystem beim Ende des Füllvorgangs;
8 in vereinfachter Darstellung und im Vertikalschnitt das erfindungsgemäße Füllsystem mit geschlossenen Flüssigkeitsventil;
9 in vereinfachter Darstellung und im Vertikalschnitt das erfindungsgemäße Füllsystem beim Entlasten des Behälters;
10 in vereinfachter Darstellung und im Vertikalschnitt eine erste alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllsystems; und
11 in vereinfachter Darstellung und im Vertikalschnitt eine zweite alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllsystems.
In den Figuren ist 1 ein als Ringkessel ausgebildeter Füllgutkessel eines Einkammer-Füllsystems bzw. einer Einkammer-Füllmaschine umlaufender Bauart zum Füllen von Behältern 2, die als Flaschen dargestellt sind, mit einem flüssigen Füllgut. Der Füllgutkessel 1 ist Bestandteil eines um eine vertikale Maschinenachse umlaufend antreibbaren Rotors. Während des Füllbetriebes ist der Füllgutkessel 1 mit dem Füllgut niveaugesteuert teilgefüllt, sodass sich im Innenraum des Füllgutkessels 1 ein unterer, vom Füllgut eingenommener Flüssigkeitsraum 1.1 und darüber ein Gasraum 1.2 ausbilden, der beispielsweise mit einem Inertgas, z. B. CO2-Gas oder Stickstoff oder steriler Luft gefüllt ist.
An der Unterseite des Füllgutkessels 1 sind vorzugsweise in gleichmäßigen Winkelabständen um die vertikale Maschinenachse versetzt, Füllpositionen 3 gebildet, die jeweils ein Füllelement 4 sowie einen Behälterträger 5 aufweisen, auf dem die Behälter 2 mit ihrem Boden aufstehen und mit dem die Behälter 2 während des Füllens mit ihrer Behälteröffnung über eine Ringdichtung einer Zentriertulpe 6 in Dichtlage am Füllelement 4 angepresst angeordnet sind. Jedes Füllelement 4 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel ein flaches plattenartiges Füllelementgehäuse 7, in welchem u. a. ein Flüssigkeitskanal 8 ausgebildet ist, der über eine Öffnung 9 im Boden des Füllgutkessels 1 mit dem dortigen Flüssigkeitsraum 1.1 in Verbindung steht und an der Unterseite des Füllelementgehäuses 7 eine von der Ringdichtung umschlossene Füllgutabgabeöffnung 10 bildet, über die das Füllgut beim Füllen dem jeweiligen Behälter 2 zufließt.
Innerhalb des Flüssigkeitskanals 8 ist ein die Abgabe des flüssigen Füllgutes an den jeweiligen Behälter 2 steuerndes Flüssigkeitsventil 11 vorgesehen. Dieses besteht im Wesentlichen aus einem Ventilkörper 12, der bei geschlossenem Flüssigkeitsventil 11 gegen einen im Flüssigkeitskanal 8 ausgebildeten Ventilsitz anliegt und der an einem rohrförmigen und achsgleich mit einer vertikalen Füllelementachse FA angeordneten Ventilstößel 13 vorgesehen ist. Zum Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsventils wird der Ventilkörper 12 in der nachstehend noch näher beschriebenen Weise in der Füllelementachse FA auf und ab bewegt.
Im Ventilstößel 13 ist ein erster Gaskanal 14 ausgebildet, der sich in einem Gasrohr 15 fortsetzt, das bei in Dichtlage am Befüllelement 4 angeordnetem Behälter 2 durch die Behälteröffnung in den Kopfraum des Behälters 2 hineinreicht und dort an seinem unteren Ende die untere Öffnung des ersten Gaskanals 14 bildet. Im ersten Gaskanal 14 ist ein erstes Gasventil 16 vorgesehen, welches von einem in einer oberen Teillänge des Gaskanals 14 teilweise aufgenommenen und achsgleich mit der Füllelementachse FA angeordneten, hohlnadelförmigen Gasventilkörper 17 gebildet ist, der zum Öffnen des ersten Gasventils 16 relativ zum Ventilstößel 13 angehoben und zum Schließen des ersten Gasventils 16 relativ zum Ventilstößel 13 abgesenkt wird, sodass eine vorzugsweise am unteren Ende des Gasventilkörpers 17 angeordnete Ventilfläche gegen einen im ersten Gaskanal 14 gebildeten Ventilsitz anliegt und dadurch das erste Gasventil 16 sperrt. Der hohlnadelartige Gasventilkörper 17 besitzt einen äußeren Querschnitt, der so gewählt ist, dass sich der Gaskanal 14 diesen Ventilkörper 17 beabstandet umschließend bis an das obere, offene Ende des Ventilstößels 13 fortsetzt.
Im Inneren des Gasventilkörpers 17 ist ein zweiter Gaskanal 21 ausgebildet, der achsgleich mit dem ersten Gaskanal 14 verläuft und vorzugsweise den Gasventilkörper 17 auf ein seiner gesamten Länge durchzieht. Der Gasventilkörper 17 bildet demnach einen rohrförmigen Ventilkörper, der an einem ersten, unteren freien Ende bei geschlossenem ersten Gasventil 16 in den ersten Gaskanal fluiddicht mündet und an seinem zweiten, oberen freien Ende eine Öffnung 24 aufweist, die ein zweites Gasventil 23 ausbildet, das in der nachfolgend näher beschriebenen Weise geöffnet bzw. geschlossen werden kann.
Zum Steuern der ersten und zweiten Gasventile 16, 23 ist vorzugsweise an der Oberseite des Füllgutkessels 1 und weiterhin vorzugsweise außerhalb dieses Füllgutkessels 1 ein Betätigungselement 18 vorgesehen, das vorzugsweise ein pneumatisches Betätigungselement 18 ist. Das Betätigungselement 18 wirkt über einen achsgleich mit der Füllelementachse FA angeordneten Stößel 19 und einen Adapter 20 auf das obere Ende des Gasventilkörpers 17 ein. Insbesondere ist an diesem oberen Ende des Gasventilkörpers 17 ein Steuerabschnitt 17.1 vorgesehen, der den Gasventilkörper 17 freiendseitig radial nach außen erweitert, so dass sich eine außenseitige Stufung des Gasventilkörpers 17 ergibt.
Das Betätigungselement 18 ist gesteuert beispielsweise durch nicht dargestellte elektro-pneumatische Steuerventile für eine gesteuerte, zweistufige axiale Bewegung des Stößels 19 und damit des Adapters 20 in der Füllelementachse FA ausgebildet und besteht hierfür aus zwei Steuerkammern bildenden pneumatischen Hubelementen, die bei der dargestellten Ausführungsform als Kolben-Zylinder-Anordnungen 18a und 18b ausgebildet sind. Der Kolben 18.1 der Kolben-Zylinderanordnung 18a ist direkt am Stößel 19 vorgesehen, d. h. letzterer bildet die Kolbenstange dieser Kolben-Zylinder-Anordnung 18a. Der Kolben 18.2 der oberen Kolben-Zylinder-Anordnung 18b ist an einer weiteren Kolbenstange vorgesehen, die ebenfalls achsgleich mit der Füllelementachse FA angeordnet ist. Eine Faltenbalgdichtung dichtet den Durchtrittsbereich des Stößels 19 durch die Oberseite des Füllgutkessels 1 ab.
Die Kolbenstange der oberen Kolben-Zylinder-Anordnung 18b bildet ein Anschlagselement für die Kolbenstange der unteren Kolben-Zylinder-Anordnung 18a, so dass durch die obere Kolben-Zylinder-Anordnung 18b der Hub der unteren Kolben-Zylinder-Anordnung 18a begrenzt wird. Für den Fall, dass die obere Kolben-Zylinder-Anordnung 18b eine untere Position einnimmt, wird der Hub der Kolbenstange der unteren Kolben-Zylinder-Anordnung 18a auf den Teilhub H1 begrenzt. Wird die obere Kolben-Zylinder-Anordnung 18b derart angesteuert, dass diese eine obere Position einnimmt, d. h. die obere Kolben-Zylinder-Anordnung 18b ist um einen Teilhub H2 angehoben, kann die untere Kolben-Zylinder-Anordnung 18a einen vergrößerten Hub vollziehen, und zwar einen Hub, der der Summe der Teilhübe H1, H2 (H1 + H2) entspricht.
Der an dem Stößel 19 angeordnete Adapter 20 weist einen hakenförmigen Abschnitt 20a mit einer Steuerfläche 20.1 auf, die zum Hintergreifen des Steuerabschnitts 17.1 des Gasventilkörpers 17 ausgebildet ist. Ferner weist der Adapter 20 einen Flächenabschnitt 20.2 auf, der mit der oberseitig am Gasventilkörper vorgesehenen Öffnung 24 bzw. einer dort vorgesehenen Dichtfläche zur Ausbildung des zweiten Gasventils 23 zusammenwirkt. Beim Anliegen des Flächenabschnitts 20.2 an der Dichtfläche der Öffnung 24 ist die den Steuerabschnitt 17.1 des Gasventilkörpers 17 hintergreifende Steuerfläche 20.1 in axialer Richtung zu dem Steuerabschnitt 17.1 beabstandet. Dadurch ergibt sich beim Anheben des Stößels 19 ein axiales Spiel, bei dem der Flächenabschnitt 20.2 bereits von der Dichtfläche der Öffnung 24 abgehoben ist (d. h. das zweite Gasventil 23 bereits geöffnet ist), jedoch die Steuerfläche 20.1 zu dem Steuerabschnitt 17.1 noch beabstandet ist oder gerade gegenüber diesem anliegt, so dass durch den Stößel 19 kein Anheben des Gasventilkörpers 17 und damit keine Öffnung des ersten Gasventils 16 erfolgt. Der axiale Abstand zwischen der Steuerfläche 20.1 und dem Flächenabschnitt 20.2 des Adapters 20 entlang der vertikalen Füllelementachse FA ist vorzugsweise gleich oder größer dem Teilhub H1.
Für den Fall, dass der Stößel 19 mittels der unteren Kolben-Zylinder-Anordnung 18a in eine untere Position vorgeschoben ist, d. h. mit einer maximalen Teillänge in den Füllgutbehälter 1 hineinreicht, liegt der Flächenabschnitt 20.2 des Adapters 2 gegenüber der an der Öffnung 24 vorgesehenen Dichtung an, so dass das zweite Gasventil 23 geschlossen ist. Der Gasventilkörper 17 ist dabei vollständig in den ersten Gaskanal 14 eingeschoben, so dass auch das erste Gasventil 16 geschlossen ist, d. h. der zweite Gaskanal 21 fluiddicht mit dem ersten Gaskanal 14 verbunden ist.
Bei Positionierung der Kolbenstange der oberen Kolben-Zylinder-Anordnung 18b in der unteren Stellung wird der Stößel 19 bei Betätigung der unteren Kolben-Zylinder-Anordnung 18a und damit der Adapter 20 um den Teilhub H1 angehoben. Dabei hebt sich der Flächenabschnitt 202 des Adapters 20 von der an der Öffnung 24 vorgesehenen Dichtung ab und das zweite Gasventil 23 wird geöffnet. Durch die Anordnung der Öffnung 24 im Gasraum 1.2 des Füllgutbehälters 1 kann das dort befindliche Gas über die Öffnung 24, den zweiten Gaskanal 21, den ersten Gaskanal 14 sowie das Gasrohr 15 in den Kopfbereich des am Füllelement 4 angeordneten Behälters 2 eindringen.
Vorzugsweise weist der zweite Gaskanal 21 einen reduzierten Kanalquerschnitt im Vergleich zum ersten Gaskanal 14 auf. Dadurch wird eine gedrosselte Zuführung des Gases aus dem Gasraum 1.2 in den Behälter 2 erreicht. Des Weiteren kann im Bereich der Öffnung 24 zusätzlich eine Drossel vorgesehen sein, die ebenfalls eine Drosselung der Gaszuführung aus dem Gasraum 1.2 in den Behälter 2 bewirkt.
Nach einer Positionierung der Kolbenstange der oberen Kolben-Zylinder-Anordnung 18b in der oberen Position kann der Stößel 19 durch die untere Kolben-Zylinder-Anordnung 18a um den Hub, der der Summe der Teilhübe H1 und H2 entspricht, angehoben werden, wobei bei Vollzug dieses Hubs der Gasventilkörper 17 durch das Hintergreifen des Steuerabschnitts 17.1 durch die Steuerfläche 20.1 zumindest teilweise aus dem ersten Gaskanal 14 nach oben herausgezogen und damit das erste Gasventil 16 geöffnet wird.
Weiterhin ist eine zwischen dem oberen Ende des Ventilstößels 13 und einem rohrförmig und beabstandet um den Ventilstößel 13 verlaufenden, einen Füllguteinlauf bildenden Element 27 wirkende Öffnungsfeder 24 vorgesehen, die innerhalb des Füllgutkessels 1 aufgenommen ist und als Druckfeder ausgebildet in der nachfolgend beschriebenen Weise ein Öffnen des Flüssigkeitsventil 11 bewirkt.
Die 1 zeigt das Füllelement 4 und das Betätigungselement 18 in einem ersten Betriebszustand, d. h. in einem Zustand, in dem sowohl das Flüssigkeitsventil 11 als auch die Gasventile 16 und 23 geschlossen sind. Der Behälter 2 wird mittels des Behälterträgers 5 von unten her an die Ringdichtung im Bereich der Zentriertulpe 6 angedrückt, so dass sich der Behälter 2 in Dichtlage am Füllelement 4 befindet.
Anschließend erfolgt durch Öffnen eines Steuerventils 28 eine Verbindung zwischen einer Vakuumquelle 30 mit dem Behälterinnenraum über den im Füllelementgehäuse 7 vorgesehenen Kanal 29. Die Vakuumquelle 30 bzw. das Steuerventil 28 sind hierbei vorzugsweise derart angesteuert, dass sich im Innenraum des Behälters 2 ein Druck von 0,05–0,25 bar einstellt. Beispielsweise wird der Behälter 2 auf ein 95%iges Vakuum evakuiert.
Darauf folgend wird, wie in 2 und insbesondere in 3 gezeigt, das zweite Gasventil 23 in der zuvor beschriebenen Weise geöffnet, d. h. durch Anheben des Stößels 19 durch das Betätigungselement 18 um den Teilhub H1, so dass der Flächenabschnitt 20.2 von der Dichtung im Bereich der Öffnung 24 abgehoben ist. Dadurch wird zwischen dem Gasraum 1.2 und dem Behälterinnenraum ein durchgehender Gaskanal freigegeben, und zwar über die Öffnung 24, den zweiten Gaskanal 21, den fluiddicht mit dem zweiten Gaskanal 21 verbundenen ersten Gaskanal 14 und dem Gasrohr 15. Durch das Einbringen des im Gasraum 1.2 enthaltenen Inertgases, vorzugsweise CO2, in den Behälterinnenraum wird eine Spülung des Behälters 2 bewirkt. Dabei bleibt der Behälterinnenraum über den Kanal 29 mit der Vakuumquelle 30 verbunden, so dass die durch das eintretende Spülgas verdrängte Luft abgesaugt wird. Dadurch ergibt sich eine besonders intensive bzw. effektive Spülung des Innenraums des Behälters 2.
Da sich das Gasrohr 15 weit in den Innenraum des Behälters 2 nach unten erstreckt, gelangt das aus dem Gasrohr 15 austretende Spülgas u. a. auch bis an den Boden des Behälters 2. Mithilfe der Querschnittsbemessung des zweiten Gaskanal 21 im Gasventilkörper 17 und/oder mithilfe der im Bereich der Öffnung 24 angeordneten Drossel sind der Spülgasstrom bzw. der Volumenstrom des Spülgases soweit gedrosselt, dass der Unterdruck, der sich beim dem Vakuumieren vor Einbringen des Spülgases eingestellt hat, durch den Spülvorgang nur leicht ansteigt, beispielsweise um etwa 0,05 bar–0,2 bar. Dadurch ergibt sich während des Spülvorgangs ein Innendruck oder Spüldruck in dem Behälter 2, der immer noch erheblich unter dem Umgebungsdruck liegt, beispielsweise etwa 0,15 bar bis 0,45 bar beträgt. Zur Intensivierung der Spülung kann die Zuführung des Spülgases zeitgesteuert und ohne Unterbrechungen erfolgen. Alternativ kann die Zuführung des Spülgases aber auch intervallmäßig, also in mehreren Teilschritten erfolgen.
Wie in 4 gezeigt, kann nach Beendigung des Spülvorgangs durch Schließen des zweiten Gasventils 23, d. h. durch ein Vorschieben des Stößels 19 in eine untere Position, der Behälterinnenraum weiterhin mit der Vakuumquelle 30 über den Kanal 29 und das Steuerventil 28 verbunden bleiben, so dass der Behälter 2 vorzugsweise auf den ursprünglichen Unterdruck vor Beginn des Spülvorgangs vakuumiert wird. Dadurch wird die Effizienz des Spülvorgangs weiterhin gesteigert.
Um ein möglichst schnelles Vorspannen des anschließend zu befüllenden Behälters 2 auf den Fülldruck zu erreichen, wird, wie in 5 gezeigt, die Kolbenstange der oberen Kolben-Zylinder-Anordnung 18b in eine obere Position verfahren, so dass die Kolbenstange der unteren Kolben-Zylinder-Anordnung 18b den maximalen Hubweg, der gleich der Teilsumme der Teilhübe H1 + H2 ist, vollziehen kann und dabei das 1. Gasventil 16 geöffnet wird, das einen erheblich größeren Volumenstrom aus dem Gasraum 1.2 in den Behälterinnenraum freigibt.
Die Federkraft der als Druckfeder ausgebildeten Öffnungsfeder 25 ist derart bemessen, dass die Federkraft geringfügig größer ist als die auf den Ventilkörper 12 bzw. den Ventilstößel 13 wirkende Schwerkraft bzw. die auf den Ventilkörper 12 einwirkende Flüssigkeitssäule des im Füllgutbehälter 1 enthaltenen Füllguts (unter Vernachlässigung von Reibungseffekten). Dadurch wird bei Druckgleichheit zwischen dem Druck im Behälterinnenraum und dem im Füllgutbehälter 1 vorherrschenden Druck durch die Öffnungsfeder 25 der Ventilkörper 12 von seinem Ventilsitz im Füllelementgehäuse 7 abgehoben, so dass das im Füllgutbehälter 1 enthaltene Füllgut über den Flüssigkeitskanal 8 und die Füllgutabgabeöffnung 10 in den Behälterinnenraum einlaufen kann. Das zum Vorspannen des Behälters 2 verwendete in Inertgas kann dabei über das Gasrohr 15, den ersten Gaskanal 14 sowie das geöffnete erste Gasventil 16 in den Gasraum 1.2 des Füllgutbehälters 1 zurückströmen.
Der Ventilkörper 12 weist vorzugsweise in dem Bereich unmittelbar über dem Ventilkegel eine Gassperre 12.1 auf, mittels der nach dem Eintauchen des Gasrohres 15 in den im Behälter 2 befindlichen Füllgutspiegel eine automatische Beendigung des Füllvorgangs bewirkt wird. Die Gassperre 12.1 bewirkt dabei, dass ein Aufsteigen des Gases aus dem Kopfraum des Behälters 2 über den Ventilkörper 12 hinweg in den Flüssigkeitsraum 1.1 des Füllgutbehälters 1 verhindert wird.
Das Verschließen des Flüssigkeitsventils 11 des Füllelements 4 erfolgt aktiv durch Einwirken des Betätigungselements 18 auf den Ventilstößel 13. Das Einwirken des Betätigungselements 18 auf den Ventilstößel 13 erfolgt dabei mittels des Adapters 20 und zwar mit einer an dem hakenförmigen Abschnitt 20a des Adapters 20 vorgesehenen Steuerfläche 20.3, die beispielsweise parallel zur Steuerfläche 20.1 verläuft und dieser gegenüberliegt. Die Steuerfläche 20.3 wirkt dabei mit einem flanschartigen oberseitigen Abschnitt des Ventilstößels 13 zusammen. Beim Rückbewegen der Kolbenstange der unteren Kolben-Zylinder-Anordnung 18a in die untere Ausgangsstellung und damit dem Rückstellen des Stößels 19 kommt die Steuerfläche 20.3 gegenüber dem flanschartigen Abschnitt des Ventilstößels 13 zur Anlage und bewirkt damit ein Einschieben des Ventilkörpers 12 entgegen der Federkraft der Öffnungsfeder 25, so dass der Ventilkörper 12 fluiddicht gegenüber dem Füllelementgehäuses 7 anliegt. Beim Rückstellen des Stößels 19 wird zudem sowohl das erste als auch das zweite Gasventil 16, 23 wieder geschlossen, so dass die Gaskanäle 14, 21 von dem Gasraum 1.2 getrennt sind.
Nach dem Schließen des Flüssigkeitsventils 11 und der Gasventile 16, 23 erfolgt, wie in 9 gezeigt, ein Entlasten des Behälterinnenraums auf Umgebungsdruck, und zwar beispielsweise durch Verbindung des Behälterinnenraums über den Kanal 29 und das Steuerventil 31 mit der Umgebungsluft. Das Entlasten kann hierbei vorzugsweise stufenweise über mehrere Entspannungsschritte und/oder unter Verwendung einer Drossel in dem Kanal 29 erfolgen.
Nach erfolgter Entlastung kann der Behälter 2 aus der Dichtlage des Füllelements 4 beispielsweise durch Absenken des Behälterträgers 5 abgezogen werden.
10 zeigt eine erste alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllsystems. Der grundsätzliche Aufbau des Füllsystems ist dabei identisch zu dem zuvor beschriebenen Aufbau des Füllsystems, so dass nachfolgendend lediglich die Unterschiede der alternativen Ausführungsform zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform erläutert werden.
Das Füllsystem weist einen weiteren Gasraum 26 auf, indem vorzugsweise ein im Vergleich zu dem im Gasraum 1.2 enthaltenen Gas unterschiedliches Gas, beispielsweise Stickstoff (N₂), ein dampfförmiges Medium o. ä. enthalten ist. Alternativ kann im Gasraum 26 ebenfalls CO₂ enthalten sein. Der Gasraum 26 ist über ein Steuerventil 32 und über eine vorzugsweise flexible Leitung 33 mit der Kolbenstange des Betätigungselements 18 verbunden, in der ein axial verlaufender dritter Gaskanal 34 eingebracht ist, d. h. der dritte Gaskanal 34 durchzieht die Kolbenstange in Längsrichtung, vorzugsweise entlang der Füllelementachse FA. Der dritte Gaskanal 34 ist an seinem unteren Ende über die Öffnung 24 mit dem zweiten Gaskanal 21 verbunden, und zwar bei geschlossenem zweiten Gasventil 23, bei dem der Flächenabschnitt 20.2 des Adapters 20 gegenüber der Öffnung 24 anliegt. In dieser Stellung des Adapters 20 ist ebenfalls das erste Gasventil 16 geschlossen, so dass ein durchgehender Gaskanal von dem weiteren Gasraum 26 über die Leitung 33, den dritten Gaskanal 34, den zweiten Gaskanal 21, den ersten Gaskanal 14 und das Gasrohr 15 in den Behälterinnenraum besteht.
Der wesentliche Vorteil dieser alternativen Ausführungsform besteht darin, dass in dem weiteren Gasraum 26 einen im Vergleich zu CO2 günstigeres Prozessgas bzw. Inertgas bevorratet werden kann, das insbesondere zum Vorspannen des Behälters 2 verwendet wird. Das Betätigungselement 18 kann hierbei insbesondere zur Bewirkung eines lediglich einstufigen Hubs ausgebildet sein, wobei der Hub derart bemessen ist, dass durch das Betätigungselement 18 lediglich eine Öffnung des zweiten Gasventils 23 bewirkt wird, so dass beim Anheben des Stößels 19 und der damit verbundenen Öffnung des zweiten Gasventils 23 das im Gasraum 1.2 enthaltene Gas, wie zuvor beschrieben, bei geschlossenem Steuerventil 32 gedrosselt dem Behälterinnenraum zum Spülen zugeführt wird, beim Vorspannen des Behälters 2 jedoch bei geschlossenem ersten bzw. zweiten Gasventil 16, 23 durch Öffnen des Steuerventils 32 das im weiteren Gasraum 26 enthaltene Prozessgas dem Behälterinnenraum zugeführt wird. Dadurch kann eine kostengünstigere Befüllung der Behälter 2 erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Füllsystem kann zudem eine Trinox-Funktionalität aufweisen, wobei über einen mit dem Kanal 29 gekoppelten Trinox-Kanal 35 aus einem Trinox-Gasraum 36 dem Kopfraum des Behälters 2 ein Trinox-Gas zugeführt wird, um damit eine Füllhöheneinstellung innerhalb des Behälters 2 zu erreichen, und zwar derart, dass der Füllgutspiegel innerhalb des Behälters 2 der Unterkante des Gasrohres 15 entspricht. Durch die Zuführung des Trinox-Gases wird das Füllgut, das sich oberhalb der Unterkante des Gasrohres 15 befindet, über das Gasrohr 15, den ersten Gaskanal 14, den zweiten Gaskanal 21 sowie den dritten Gaskanal 34 und die Leitung 33 in Richtung des Verbindungskanals 37 gefördert, der die Leitung 33 über ein Steuerventil gesteuert mit dem Innenraum des Füllgutbehälters 1 verbindet. Dadurch kann das den Behälter 2 überfüllende Füllgut über diesen Weg dem Füllgutbehälter 1 zugeführt werden.
11 zeigt eine zweite alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllsystems ähnlich der Ausführungsform gemäß 10.
Der wesentliche Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 10 besteht zum einen darin, dass im Bereich des zweiten Gaskanals 21 des Gasventilkörpers 17 keine Drossel zur Reduzierung des Gasdurchflusses durch den hohlnadelförmigen Gasventilkörper 17 vorgesehen ist sondern die Drossel nach außen verlegt ist, und zwar im Bereich der Leitung 33, die den dritten Gaskanal 34 mit dem weiteren Gasraum 26 verbindet. Des Weiteren weist die Leitung 33 zwischen dem dritten Gaskanal 34 und dem weiteren Gasraum 26 zumindest eine Verzweigungsstelle 38 auf, mittels der der in der Leitung 33 ausgebildete Kanal in zwei oder mehrere zueinander parallel verlaufende Kanäle 39, 40 verzweigt, wobei sämtliche dieser parallel verlaufenden Kanäle 39, 40 in den weiteren Gasraum 26 münden. In jedem dieser zueinander parallel verlaufenden Kanäle 39, 40 ist jeweils ein Steuerventil 32a, 32b vorgesehen, mittels denen die einzelnen Kanäle 39, 40 jeweils unabhängig voneinander öffenbar bzw. verschließbar sind, um eine Verbindung zwischen dem dritten Gaskanal 34 und dem weiteren Gasraum 26 herstellen zu können. In den zueinander parallel verlaufenden Kanäle 39, 40 sind jeweils Drosseln 41, 42 vorgesehen, mittels denen der Volumenstrom durch die jeweiligen Kanäle 39, 40 begrenzt wird. Vorzugsweise sind die Drosseln 41, 42 der Kanäle 39, 40 unterschiedlich dimensioniert, so dass in den Kanälen 39, 40 ein unterschiedlich großer Volumenstrom bewirkt werden kann. Beispielsweise weist die Drossel 39 eine kleinere Bohrung auf als die Drossel 40, so dass die Drossel 39 einen geringeren Volumenstrom zulässt als die Drossel 40 (jeweils bei einem konstanten Druck innerhalb des weiteren Gasraums 26). Dadurch kann abhängig von der Art des Spülverfahrens der Volumenstrom durch den dritten Gaskanal 34 bzw. die Leitung 33 durch die Auswahl des geöffneten Kanals 39 bzw. 40 verändert werden. Dies ist insbesondere dann von erheblichem Vorteil, wenn an dem Füllelement sowohl eine Füllung der Behälter mit Vakuumunterstützung (z. B. Glasflaschen) bzw. ohne Vakuumunterstützung (z. B. PET-Flaschen) erfolgen kann, da abhängig von dem in dem zu befüllenden Behälter vorherrschenden Spüldruck der Volumenstrom in den weiteren Gasraum 26 verändert werden kann.
Die Erfindung wurde voranstehend an mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Füllgutbehälter oder Ringkessel
1.1: Flüssigkeitsraum
1.2: Gasraum
2: Behälter
3: Füllposition
4: Füllelement
5: Behälterträger
6: Zentriertulpe
7: Füllelementgehäuse
8: Flüssigkeitskanal
9: Öffnung
10: Füllgutabgabeöffnung
11: Flüssigkeitsventil
12: Ventilkörper
12.1: Gassperre
13: Ventilstößel
13.1: oberer, flanschartiger Abschnitt des Stößels 13
14: erster Gaskanal
15: Gasrohr
16: erstes Gasventil
17: Gasventilkörper
17.1: Steuerabschnitt
18: Betätigungselement
18a, 18b: Kolben-Zylinder-Anordnung
18.1, 18.2: Kolben
19: Stößel
20: Adapter
20a: hakenförmiger Abschnitt
20.1, 20.3: Steuerfläche
20.2: Flächenabschnitt
21: zweiter Gaskanal
22: Drossel
23: zweites Gasventil
24: Öffnung
25: Öffnungsfeder
26: weiterer Gasraum
27: Element
28: Steuerventil
29: Kanal
30: Vakuumquelle
31: Steuerventil
32, 32a, 32b: Steuerventil
33: Leitung
34: dritter Gaskanal
35: Trinox-Kanal
36: Trinox-Gasraum
37: Verbindungskanal
38: Verzweigungsstelle
39: Kanal
40: Kanal
41: Drossel
42: Drossel
FA: vertikale Füllelementachse
H1, H2: Teilhub

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0953542 B1 [0002]

Claims

Füllsystem zum Füllen von Flaschen oder dergleichen Behältern (2) mit einem flüssigen Füllgut, mit einem Füllgutkessel (1), in welchem während des Füllens ein unterer, vom Füllgut eingenommener Flüssigkeitsraum (1.1) und darüber ein Gasraum (1.2) gebildet sind, mit wenigstens einem unterhalb des Füllgutkessels (1) angeordneten Füllelement (4) mit Füllelementgehäuse (7), in welchem ein mit dem Flüssigkeitsraum (1.1) in Verbindung stehender Flüssigkeitskanal (8) ausgebildet ist, der an einer dem Füllgutkessel (1) abgewandten Unterseite des Füllelementgehäuses (7) eine Füllgutabgabeöffnung (10) bildet, mit einem im Flüssigkeitskanal (8) angeordneten Flüssigkeitsventil (11) mit Ventilkörper (12), der an einem achsgleich mit einer Füllelementachse (FA) angeordneten Ventilstößel (13) vorgesehen und zum Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsventils sowie für eine gesteuerte Abgabe des Füllgutes in den am Füllelement (4) angeordneten Behälter (2) axial bewegbar ist, mit einem im Ventilstößel (13) ausgebildeten ersten Gaskanal (14), der an einem oberen Ende in den Gasraum (1.2) des Füllgutkessels (1) und am unteren Ende in einem Kopfraum des am Füllelement (4) angeordneten Behälters (2) mündet, mit einem im ersten Gaskanal (14) vorgesehenen ersten Gasventil (16) mit einem zum Öffnen und Schließen des ersten Gasventils (16) bewegbaren Gasventilkörper (17), sowie mit zumindest einem mit dem Gasventilkörper (17) des ersten Gasventils (16) zusammenwirkenden Betätigungselement (18), dadurch gekennzeichnet, dass im Gasventilkörper (17) ein zweiter Gaskanal (21) ausgebildet ist, der zumindest zeitweise mit dem ersten Gaskanal (14) fluiddicht verbindbar ausgebildet ist.
Füllsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gaskanal (21) einen im Vergleich zum ersten Gaskanal (14) reduzierten Querschnitt aufweist.
Füllsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Gaskanal (21) eine Drossel (22) zur Reduzierung des Gasdurchflusses durch den zweiten Gaskanal (21) vorgesehen ist.
Füllsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasventilkörper (17) eine im Gasraum (1.2) angeordnete, ein zweites Gasventil (23) bildende Öffnung (24) aufweist, über die im geöffneten Zustand ein Gasfluss durch den ersten und zweiten Gaskanal (14, 21) in den am Füllelement (4) angeordneten Behälter (2) ermöglicht wird.
Füllsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (24) über einen ersten Teilhub (H1) des Betätigungselements (18) öffenbar bzw. verschließbar ist.
Füllsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasventilkörper (17) zum Öffnen und Schließen des ersten Gasventils (16) in der Füllelementachse (FA) bewegbar ist und mit einer im ersten Gaskanal (14) ausgebildeten Ventilfläche zusammenwirkt.
Füllsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Gasventilkörpers (17) mittels des Betätigungselements (18) erfolgt, und zwar über einen zweiten Teilhub (H2), wobei die Hubwege der ersten und zweiten Teilhübe (H1, H2) achsgleich verlaufen.
Füllsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gasventil (17) zur Bewirkung eines größeren Gasdurchflusses pro Zeiteinheit als das zweite Gasventil (23) ausgebildet ist.
Füllsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasventilkörper (17) des ersten Gasventils (16) mit einer Teillänge im ersten Gaskanal (14) aufgenommen und mit einem oberen Ende aus dem ersten Gaskanal (14) vorsteht und mit diesem Ende mit dem Betätigungselement (18) zusammenwirkt.
Füllsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die das zweite Gasventil (23) bildende Öffnung (24) des Gasventilkörpers (17) auf einer über den ersten Gaskanal (14) vorstehenden Teillänge vorgesehen ist, insbesondere an der oberen Stirnseite des Gasventilkörpers (17).
Füllsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (18) durch zwei achsgleich miteinander und vorzugsweise auch achsgleich mit der Füllelementachse (FA) angeordnete Hubelementen (18.1, 18.2) gebildet ist, von denen ein erstes Hubelement (18.1) über einen Stößel (19) und einen Adapter (20) auf den Gasventilkörper (17) einwirkt und von denen ein zweites Hubelement (18.2) einen Anschlag für die Hubbewegung des ersten Hubelementes (18.1) in der Weise bildet, dass in einem ersten Zustand des zweiten Hubelementes (18.2) der Hub des ersten Hubelementes (18.1) auf einen ersten Teilhub (H1) begrenzt ist und in einem zweiten Zustand des zweiten Hubelementes (18.2) das zweite Hubelement (18.2) um einen zweiten Teilhub (H2) angehoben ist, so dass der Hubweg des ersten Hubelementes (18.1) auf die Summe aus den beiden Teilhüben (H1, H2) vergrößert ist.
Füllsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (20) im abgesenkten, unteren Zustand des ersten Hubelements (18.1) eine Abdichtung der Öffnung (24) und damit ein Verschließen des zweiten Gasventils (23) bewirkt.
Füllsystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im um den ersten Teilhub (H1) angehobenen Zustand des Hubelements (18.1) der Adapter (20) von der Öffnung (24) abgehoben ist und damit das zweite Gasventil (23) geöffnet ist.
Füllsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (20) eine erste Steuerfläche (20.1) aufweist, die während des ersten Teilhubs (H1) nicht gegenüber dem Gasventilkörper (17) zur Anlage kommt, und gegen die der Gasventilkörper (17) während des zweiten Teilhubs (H2) des Hubelements (18.1) teilweise anliegt, um den Gasventilkörper (17) aus der Dichtlage der im ersten Gaskanal (16) ausgebildeten Ventilfläche abzuheben.
Füllsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (20) eine zweite Steuerfläche (20.2) aufweist, die mit dem Ventilstößel (13) zum Schließen des Flüssigkeitsventils (11) zusammenwirkt.
Füllsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine das Flüssigkeitsventil (11) in seinen Öffnungszustand vorspannende Öffnungsfeder (25).
Füllsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gaskanal (21) zumindest zeitweise mit einem vom Gasraum (1.2) des Füllgutkessels (1) unabhängigen, weiteren Gasraum (26) verbunden ist.
Füllsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gaskanal (21) zum Spülen des zu befüllenden Behälters (2) mit dem Gasraum (1.2) und zum Vorspannen des Behälters (2) mit dem weiteren Gasraum (26) verbindbar ausgebildet ist.
Verfahren zum Behandeln von Behältern (2) mit einem Prozessgas vor ihrem Füllen unter Verwendung eines Füllelements (4), an dem der jeweilige Behälter (2) während der Behandlung in Dichtlage angeordnet ist und über das ein Prozessgas in den Behälter (2) eingeleitet und ein Prozessgas sowie ein von diesem verdrängtes gas- und/oder dampfförmiges Medium, beispielsweise Luft aus dem Behälter (2) abgeführt wird, und wobei der Behälter (2) vor dem Einleiten eines Prozessgases evakuiert bzw. mit dem Vakuum einer Vakuumquelle (30) beaufschlagt wird, wobei das Füllelement (4) einen ersten Gaskanal (14) aufweist, der an einem oberen Ende in den Gasraum (1.2) des Füllgutkessels (1) und am unteren Ende in einem Kopfraum des am Füllelement angeordneten Behälters (2) mündet, wobei im ersten Gaskanal (14) ein erstes Gasventil (16) mit einem zum Öffnen und Schließen des ersten Gasventils (16) bewegbaren Gasventilkörper (17) vorgesehen ist, wobei über einen im Gasventilkörper (17) ausgebildeten und zumindest zeitweise mit dem ersten Gaskanal (14) fluiddicht verbundenen zweiten Gaskanal (21) mit einem zweiten Gasventil (23) nach der Beaufschlagung des Behälters (2) mit dem Vakuum eine Einleitung eines ersten Prozessgases zur Spülung des Behälters (2) durch Öffnen des zweiten Gasventils (23) erfolgt, wobei der Behälter (2) während der Spülung weiterhin mit der Vakuumquelle (30) verbunden ist und wobei nach der Spülung des Behälters (2) durch Öffnen des ersten Gasventils (16) ein Vorspannen des Behälters (2) mit einem zweiten Prozessgas erfolgt, wobei der Volumenstrom des zweiten Prozessgases durch das erste Gasventil (16) beim Vorspannen des Behälters (2) größer ist als der Volumenstrom des ersten Prozessgases durch das zweite Gasventil (23) beim Spülen des Behälters (2).
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Prozessgas gleich oder unterschiedlich zum zweiten Prozessgas ist.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass Volumenstrom des in den Behälter (2) beim Spülen eingeleiteten ersten Prozessgases sowie der Unterdruck der Vakuumquelle (30) derart eingestellt sind, dass sich bei dem den Behälterinnenraum durchströmendem ersten Prozessgas im Behälter (2) ein Spüldruck einstellt, der gleich dem Umgebungsdruck ist oder geringfügig über oder unter dem Umgebungsdruck liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–21, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck und/oder Volumenstrom des ersten Prozessgases sowie der Druck der Vakuumquelle (30) so eingestellt sind, dass sich ein Spüldruck zwischen 0,1 bar und 0,45 bar ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–22, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt der Behälter (2) auf einen Druck im Bereich zwischen 0,05 bar und 0,2 bar evakuiert wird, und dass in einem zweiten, zeitlich folgenden Verfahrensschritt das Einleiten oder Einblasen des ersten Prozessgases in den Behälter (2) erfolgt und zwar vorzugsweise derart, dass der Druck im Behälter (2) durch das Einleiten oder Einblasen des ersten Prozessgases nicht oder nur geringfügig, beispielsweise um 0,05 bar–0,2 bar ansteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–23, dadurch gekennzeichnet, dass das Einleiten des ersten Prozessgases zur Spülung des Behälters (2) über eine im zweiten Gaskanal (21) vorgesehene Drossel erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel eine Bohrung mit einem Durchmesser von 0,3–1 mm bei einer Dicke der Drossel in Flussrichtung des Gases von 0,5 mm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–25, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen bzw. Schließen des zweiten Gasventils (23) durch einen ersten Teilhub (H1) eines mit dem Gasventilkörper (17) zusammenwirkenden Betätigungselements (18) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–26, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen bzw. Schließen des ersten Gasventils (16) durch Anheben bzw. Absenken des Gasventilkörpers (17) durch das Betätigungselement (18) erfolgt.