DE102014014317A1

DE102014014317A1 - Vorrichtung und Verfahren zum messmittellosen Befüllen eines Behältnisses

Info

Publication number: DE102014014317A1
Application number: DE102014014317.1A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Leibinger
Original assignee: Leibinger GmbH
Current assignee: Leibinger GmbH
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2034-10-02
Also published as: EP3201119B1; US10023453B2; EP3201119A1; WO2016050350A1; US20170297883A1; DE102014014317B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum messmittellosen Befüllen eines Fluids in ein Behältnis und eine Abfüllvorrichtung hierfür bereit, die einen Aufsatz mit einem vorbestimmten Volumen VA aufweist, der einen Ventilaufsatz umfasst, der in einem Gehäuse ein Gasventil und ein Flüssigkeitsventil mit Ventilsitz hat. Dieser umgibt unter Ausbildung eines Ringspaltes ein Verdrängungselement, das relativ zu dem Gehäuse längsaxial verschoben werden kann. Das Verfahren sieht vor, dass, nachdem der Aufsatz dicht auf ein Behältnis (1) aufgesetzt wurde, das Verdrängungselement in das Behältnis (1) eingeführt ist. Durch Öffnen des Flüssigkeitsventils (5) strömt Füllfluid in das Nennvolumen VN des Behältnisses (1), das mit Füllfluid geflutet wird; dann wird das Flüssigkeitsventil geschlossen. Das Verdrängungselement wird aus dem Behältnis (1) herausgezogen und die gefluteten Restvolumina laufen in das Behältnis (1) nach, wobei die Volumina VVA und VFV genau so groß sind wie das Volumen VRohr eines Abschnitts des Verdrängungselement in dem gefluteten Abschnitt, so dass gleiche Behältnisse (1) mit gleich hohen Füllständen befüllt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abfüllvorrichtung, die ohne Messmittel arbeitet, sowie ein Verfahren zum messmittellosen Befüllen eines Behältnisses mit Fluid unter Verwendung der Abfüllvorrichtung.
Abfüllvorrichtungen und Verfahren zum Befüllen von Behältnissen sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Bei Flüssigkeiten wie Wein oder auch bei Chemikalien ist es dabei oft zu verhindern, dass die Flüssigkeit der Umgebungsluft ausgesetzt wird und es zu unerwünschter Gasbindung, Gasaustausch oder Gaseintrag kommt, was eine Qualitätsänderung der Flüssigkeit zur Folge haben kann.
Im Stand der Technik sind dazu Verfahren wie das in der DE 10 2011 1005 60 B3 offenbarte bekannt, in dem zur Verfahrensausführung eine Vorrichtung zum effektiven gaskontaktlosen Befüllen eines Behältnisses mit einer zum Verzehr bestimmten Flüssigkeit beschrieben wird. Die Durchführung des Verfahrens dort sieht vor, dass in das Behältnis zunächst wenigstens ein ballonartiger, ausdehnbarer Körper eingeführt wird, der an einem Rohr angeordnet ist und dieses Rohr umhüllt. Indem dieser ballonartige Körper nach dem Einführen in das Behältnis expandieren gelassen wird, füllt er den Innenraum des Behältnisses vollständig aus und verdrängt dabei Umgebungsluft aus dem Behältnis. Dann wird Flüssigkeit in das Behältnis einströmen gelassen und zugleich das Expansionsmedium über das Rohr aus dem ballonartigen Körper verdrängt. Nach dem vollständigen Befüllen des Behältnisses wird der ballonartige Körper wieder aus dem Behältnis herausgenommen und für den nächsten Befüllvorgang bereitgestellt.
Um dabei stets die gleiche Füllmenge in die Behältnisse einfüllen zu können, wird bei Verfahren wie dem Vorstehenden, zur Befüllung des Behältnisses mit einem gewünschten Füllvolumen bzw. Nennvolumen die Flüssigkeit mittels eines Steuerungsinstruments, in der Regel eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers (MID-Sensor), sensorgesteuert vordosiert oder mittels eines Kolbensystems in das jeweilige Behältnis eingefüllt.
Fertigungsbedingt können Behältnisse, wie Flaschen, für die Aufnahme gleicher Volumina vorgesehen sein, dabei aber unterschiedlich dicke Böden oder Wandungen aufweisen, so dass das tatsächliche Fassungsvolumen geringfügig schwankt, bei Glasflaschen üblicher Fassungsvermögen für Wein etc. im Bereich um bis zu 10 ml, was bewirkt, dass das mittels eines MID stets korrekt dosierte Volumen zu unterschiedlichen Füllhöhen führt, was gerade im Bereich des Flaschenhalses optisch sehr deutlich wird – und so etwa das Käuferverhalten beeinflusst.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zum Befüllen von Behältnissen zu schaffen, bei dem eine konstante Füllhöhe auch bei unterschiedlichen Behältnisformen erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die weitere Aufgabe, eine einfache und zuverlässige Abfüllvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen, wird durch die Abfüllvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Abfüllvorrichtung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum messmittellosen Befüllen eines Behältnisses mit einem Fluid wird nach einer ersten Ausführungsform mit einer Abfüllvorrichtung ausgeführt, die einen Aufsatz mit einem vorbestimmten Volumen V_A umfasst. Dabei hat der Aufsatz einen Ventilaufsatz, der in einem Gehäuse ein Gasventil und ein Flüssigkeitsventil mit Ventilsitz aufweist. Der Ventilsitz umgibt unter Ausbildung eines Ringspaltes ein Verdrängungselement, das relativ zu dem Gehäuse längsaxial verschoben werden kann.
Das Verfahren umfasst erfindungsgemäß die folgenden Schritte:

a) dicht Aufsetzen des Aufsatzes mit seiner Unterseite auf ein Behältnis, dabei Einführen des Verdrängungselements in das Behältnis.
b) Öffnen des Flüssigkeitsventils und einströmen Lassen von Füllfluid in ein Nennvolumen V_Nenn des Behältnisses, das durch das Volumen V_A des Aufsatzes und ein Volumen V_B des Behältnisses gebildet wird, bis das Nennvolumen V_Nenn mit Füllfluid geflutet ist, danach Schließen des Flüssigkeitsventils.

Generell wird dabei sogar auch das Volumen V_FV des Flüssigkeitsventils geflutet, aber dieses Volumen wird beim Schließen des Flüsigkeitsventils aus diesem wieder herausgedrückt und ist daher bei der allgemein bekannten Ventilhandhabung nicht zu berücksichtigen, da es nicht nachläuft. Sollte dieses Volumen auf Grund der entsprechenden Ventilgestaltung und Handhabung im Aufsatz verbleiben und nicht beim Schließen Richtung Fluidquelle zurückgedrückt werden, so kann es ebenfalls nachfließen und ist rechnerisch zu berücksichtigen. Dann erfolgt in Schritt c) das Herausziehen des Verdrängungselements aus dem Behältnis, und nachlaufen Lassen des Volumens V_VA (und nur im Sonderfall auch des Volumens V_FV) in das Behältnis, wobei das Volumen V_VA oder im Sonderfall die Volumina V_VA und V_FV genau so groß ist/sind wie das Volumen V_Ballon eines Abschnitts des Verdrängungselements in dem gefluteten Abschnitt, so dass gleiche Behältnisse mit gleich hohen Füllständen befüllt werden.
Hiernach kann das Behältnis von dem Aufsatz abgekoppelt und verschlossen werden. Das Verfahren kann von vorne wiederholt werden.
Das Verfahren ist damit „messmittellos”, was im Sinne der Erfindung heißt, dass eine gewünschte Fluidmenge nur durch Bildung von definierten Volumina einzelner Komponenten, die zusammengenommen das Nennvolumen V_Nenn bilden, bereitgestellt wird, wie im Folgenden noch weiter erläutert wird. Dabei entspricht dieses Nennvolumen V_Nenn dem in das jeweilige Behältnis einzufüllende Volumen einer vorbestimmten zu erreichenden Nennhöhe.
„Gleiche Behältnisse” meint hierbei Gefäße, die abgesehen eben von fertigungsbedingten Abweichungen der Wandungs- und Bodendicke identisch sind.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann den Schritt a') umfassen, wonach nach Einführen des Verdrängungselements ein ballonartiger Körper, der über ein Rohr gestülpt ist, durch Zuführen eines Expansionsmediums, expandiert werden kann, bis das zu füllende Behältnis und insbesondere das Nennvolumen V_Nenn ausgekleidet ist.
„Bis das zu befüllende Behältnis ausgekleidet ist” meint hierbei, dass der ballonartige Körper die genannten Volumina derart auskleidet, dass ein Spalt zwischen Innenwandung und Oberfläche des ballonartigen Körpers verbleibt, der den Fluidfluss, resp., die Luftverdrängung entlang des ballonartigen Körpers beim Expandieren vor dem Befüllen erlaubt, auch wenn dieser sich beim Expandieren an die Wandung anlegt. Gaseinschlüsse im Behältnis werden so vermieden. Es muss aber nicht in jedem Fall vorgesehen sein, dass ein Spalt zwischen Ballon und Behälterwandung verbleibt.
„Fluide” können Flüssigkeiten wie Getränke oder Chemikalien sein; „Expansionsmedien” wiederum Gase wie Luft oder auch Inertgase oder Flüssigkeiten sein, die geeignet sind, den jeweiligen ballonartigen Körper zu befüllen.
Ferner kann in einem weiteren Schritt b') nach Öffnen des Flüssigkeitsventils der ballonartige Körper zusammenfallen gelassen werden, was durch Abbau eines an das Behältnis angelegten Vakuums, das den Ballon an die Innenwand gesaugt hat, oder indem das Expansionsmedium aus dem ballonartigen Körper wieder entweichen gelassen wird, geschieht; dabei weiter das Fluid in das Behältnis einströmen Lassen.
Durch die beiden zusätzlichen Schritte ermöglicht das Verfahren, dass sensible Flüssigkeiten eingefüllt werden können, da durch das Aufblasen des ballonartigen Körpers oder Ballons die im Behältnis befindliche Luft ausgepresst werden kann und so das Füllfluid nur wenig mit Luft in Kontakt kommt. Ferner können durch den Ballon auch andere Fluide, wie Restwasser aus einem Spülvorgang o. ä. aus dem Behältnis entfernt werden, bevor das eigentliche Füllfluid eingefüllt wird.
Es seien insbesondere die Patentanmeldungen DE 10 2014 008 234 sowie DE 10 2012 021 775 A1 explizit mit einbezogen und auf deren Inhalt verwiesen, worin Abfüllvorrichtungen offenbart sind, die mit dem Ballon-Stab-Prinzip befüllt bzw. entleert werden.
In Schritt b) schließt sich das Flüssigkeitsventil, nachdem das Fluid, das eingefüllt wird, das Behältnis und auch das Ventil vollständig gefüllt hat (passive Steuerung). Alternativ kann die Flüssigkeit auch einen Ventilmechanismus auslösen, wenn eine aktive Steuerung vorgesehen ist. Dazu kann das Flüssigkeitsventil ein Druckventil sein. Um zu verhindern, dass zuviel Fluid eingefüllt wird oder ein zu hoher Druck innerhalb der Abfüllvorrichtung entsteht, kann ferner vorgesehen sein, dass in einem Schritt b'') das Flüssigkeitsventil bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks im Füllfluidkreis geschlossen wird. Hierzu kann in einem geeigneten Abschnitt des Flüssigkeitsventils oder einer Fluidzuleitung eine Drucksensorik eingebaut sein. Auch kann zu diesem Zweck ein passives Bauteil wie ein Überdruckventil an eine Flüssigkeitszuleitung angeschlossen sein.
Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform ist es möglich, eine konstante Nennhöhe h_Nenn dadurch zu erreichen, dass ein Nennvolumen V_Nenn behälterspezifisch variiert bzw. angepasst wird. Eine zu erreichende Nennhöhe in jedem Behälter entspricht einem Nennvolumen V_Nenn, das für jede Behälterform spezifisch ist.
Das Nennvolumen bestimmt sich im Wesentlichen aus der Nennhöhe h_Nenn, bis wohin das Behältnis gefüllt werden soll. Wichtig für die Einhaltung der Nennhöhe h_Nenn bei jeder Befüllung ist nun, dass das Verdrängungselement eine bestimmte Länge h_Ballon in das Behältnis hineinragt und eben ein dadurch gebildetes Volumen entsprechend verdrängt. Um das Nennvolumen also zu erreichen, ist es notwendig das durch das Verdrängungselement verdrängte Volumen im Behältnis wieder aufzufüllen. Dies kann erfindungsgemäß erreicht werden, indem dieses Volumen sich in den Komponenten des Aufsatzes widerspiegelt. Kurz gesagt: Das Verdrängungsvolumen des Verdrängungselements im Behältnis entspricht den Restvolumina im Aufsatz abzüglich des Verdrängungselements.
Dabei setzen sich die Leervolumina aus verschiedenen Volumina der Komponenten der Abfüllvorrichtung zusammen:
So geht in das zu erreichende Nennvolumen V_Nenn ein Volumen V_B des Behältnisses ein. Ferner kann im Aufsatz durch eine Durchgangsbohrung und verschiedene Ausnehmungen ein Volumen V_A des Aufsatzes gebildet werden. Auch innerhalb des Flüssigkeitsventils kann ein Volumen V_FV gebildet werden. Das Verdrängungselement zusammen mit dem ballonartigen Körper in seiner nicht expandierten Form nimmt in dem Behältnis und den restlichen Komponenten der Abfüllanlage ein Volumen V_Ballon ein, wobei dieses Volumen nicht zu den vorgenannten Volumina zu zählen ist, sondern als Verdrängungsvolumen abzuziehen ist. Wenn der ballonartige Körper dickwandig ist, ergibt sich ein entsprechend größeres Verdrängungsvolumen als bei einem dünnwandigen Material. Es ergibt sich die Formel: V_Nenn = V_B + V_A – V_Ballon,
Bzw. im oben ausgeführten Sonderfall, wenn die Flüssigkeit beim Schließen des Ventils durch eine entsprechende Gestaltung des Ventilaufsatzes nicht zurück in die Fluidquelle gedrückt wird: V_Nenn = V_B + V_A + V_FV – V_Ballon
Das Gesamtvolumen der verschiedenen Aufsatzkomponenten exklusive des Behältervolumens entspricht dabei dem durch das Rohr inklusive ballonartigem Körper im Gesamten verdrängte Volumen innerhalb der Abfüllvorrichtung. Anders ausgedrückt, hat das Volumen, das durch das Verdrängungselement inklusive ballonartigem Körper innerhalb des Behältnisses verdrängt wird, die gleiche Größe, wie die Restvolumina, die durch die Aufsatzkomponenten ohne dem Verdrängungselement gebildet werden. Bei Herausziehen des Verdrängungselements, und damit ggf. auch des ballonartigen Körpers, kann genau dieses Restvolumen nachrutschen und das Behältnis auffüllen.
Die genannten Volumina innerhalb des Aufsatzes können ferner behälterspezifisch angepasst werden, indem in dem Ventilaufsatz bzw. in anderen geeigneten Bereichen der Abfüllvorrichtung Ausgleichsvolumina vorgesehen werden. So können mehrere oder auch nur ein Volumenausgleichselement im Füll- bzw. Flüssigkeitsventil unterhalb oder oberhalb dieses angebracht werden. Das Nennvolumen kann somit auf jede Behälterform abgestimmt werden, wodurch ermöglicht wird, unterschiedliche Behältnisformen gleicher Füllmenge mit dem erforderlichen Nennvolumen so zu befüllen, dass stets die gleiche Füllhöhe in den unterschiedlichen Behältnissen erreicht wird.
Um ein weiteres Volumenausgleichselement behälterspezifisch und einfach im Verfahren zu nutzen, kann vorgesehen sein, dass der Aufsatz ferner einen Volumenkompensator umfasst, der mit dem Ventilaufsatz fluidisch gekoppelt ist, wobei der Volumenkompensator in Schritt a) mit seiner Unterseite auf das leere oder volle Behältnis dicht aufgesetzt werden kann. Generell kann der Volumenkompensator auch oberhalb des Ventilaufsatzes angeordnet sein. Der Volumenkompensator oberhalb des Füllventils ist im Prinzip gleich gestaltet wie unterhalb des Füllventils. Er wäre dann als „Zwischenstück” zwischen Ballonaufnahme und dem Füllventil angeordnet. Die Ballonaufnahme ist in diesem Fall dann immer noch die oberste Stelle und hält den Ballon konzentrisch in dem Volumenkompensator und dem Füllventil. Somit verdrängt der Ballon dann immer noch sämtliche Luft aus dem Volumenkompensator und das Befüllprinzip wird erhalten wie in der Variante, in der der Volumenkompensator auf dem Gefäß direkt sitzt.
Der Innenraum des Volumenkompensators bildet dabei ein vorbestimmtes Volumen VVK, das in einer Ausführungsform fest vorgegeben sein kann. Dadurch kann sich das Volumen des Aufsatzes VA aus einem durch den Ventilaufsatz gebildete Volumen VVA und dem Volumen VVK des Volumenkompensators zusammensetzen: V_A = V_VA + V_VK
Das Volumen des Volumenkompensators kann in einer weiteren Ausführungsform durch geeignete Volumenänderungseinrichtungen für unterschiedliche Behältergrößen eingestellt werden und damit variabel sein. „Variabel” meint hierbei, dass durch die unterschiedlichen Hohlräume in der Abfüllvorrichtung nicht nur ein festes, unveränderliches Volumen gebildet wird, und damit eine Befüllung nur auf eine Möglichkeit beschränkt ist, sondern die jeweiligen Volumina auf die zu befüllenden Behältnisse bzw. die Eintauchtiefe des Verdrängungselements abgestimmt werden können. Dazu kann der Volumenkompensator auch mehrteilig, insbesondere zweiteilig sein und je nach Wahl der zusammengefügten Elemente unterschiedliche Volumengrößen bilden.
Auch das Aktivvolumen des jeweiligen Ausgleichselements kann veränderlich sein, wenn die Vorrichtung für die Befüllung unterschiedlicher Behältnisse umgerüstet werden soll. Eine variable Verdrängung kann zum Beispiel über Einrichtungen mit Schiebern, einer Führungsrolle bzw. veränderlicher/unterschiedlicher Wandstärke, der Kontur eines Stoppers sowie einer angepassten Form des ballonartigen Körpers erreicht werden. Damit können auch CO₂-haltige Flüssigkeiten eingefüllt werden, ohne dass es zu dem so genannten „gushing” (Aufschäumen aufgrund schlagartiger Druckentlastung) kommt.
Eine konstante Füllstandshöhe, d. h. ein bestimmtes Füllvolumen pro Behälter kann somit für unterschiedliche Behältnisse erreicht werden, indem bestimmte Volumina innerhalb des Aufsatzes gebildet werden. So kann das einzufüllende Volumen durch den Volumenkompensator je nach zu befüllendem Behältnis angepasst werden. Auch können innerhalb des Ventilaufsatzes noch weitere Ausgleichsvolumina vorgesehen sein, die beispielsweise durch Ausnehmungen oder auch Nuten in einer Durchgangsbohrung des Ventilaufsatzes gebildet werden können.
Die Erfindung sieht in einer weiteren Ausführungsform vor, dass in Schritt a') der expandierende ballonartige Körper entlang seines Umfangs einen Längssteg aufweist. Dieser erstreckt sich in Längsrichtung des ballonartigen Körpers, so dass im expandierten Zustand des ballonartigen Körpers zwischen Oberfläche des ballonartigen Körper und einer Innenfläche des Aufsatzes ein Spalt entlang der Ballonlänge ausgebildet wird. Auch könnte der ballonartige Körper hinsichtlich seiner Stegeanzahl deutlich mehr Stege als der zur Erfüllung mindestens notwendige eine Steg aufweisen, um weniger Flüssigkeit in die Flasche fließen zu lassen bzw. die Verdrängung von in dem Behältnis befindliche Luft oder einer Flüssigkeit zu erhöhen. Auch können dafür Nuten oder andere Einrichtungen vorgesehen sein. Zu den möglichen Ausführungsformen dieses Körpers wird auf die DE 10 2014 008 234 verwiesen.
Der Beitrag des ballonartigen Körpers zu dem Volumen V_Ballon ist wesentlich durch seine Wandungsdicke gegeben. Je nachdem, welche Art von Behältnis zu füllen ist oder wie groß das zu füllende Volumen ist, kann der ballonartige Körper eine Wandungsdicke von einigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern haben.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen messmittellosen Abfüllvorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens zur Erreichung eines gleichen Füllstandes bei gleichen Behältnissen weist die folgenden Komponenten auf:
Die Abfüllvorrichtung hat einen Aufsatz mit einem vorbestimmten Volumen V_A, der dicht auf das Behältnis aufsitzt und einen Ventilaufsatz umfasst. Der Ventilaufsatz selbst weist in einem Gehäuse ein Gasventil und ein Flüssigkeitsventil auf, die jeweils einen Ventilsitz haben. Die Ventilsitze umgeben ein Verdrängungselement unter Ausbildung eines Ringspaltes, wobei das Verdrängungselement relativ zu dem Gehäuse längsaxial verschoben werden kann. Mit dem Flüssigkeitsventil ist ferner eine Fluidzuleitung verbunden, die mit einem zu befüllenden Fluid gefüllt sein kann. Erfindungsgemäß weist die Abfüllvorrichtung in der Fluidzuleitung keine Volumenmessvorrichtung auf und hat keine Füllstandshöhenmessvorrichtung.
Die vorgenannte Abfülleinrichtung ist damit „messmittellos”, was im Sinne der Erfindung heißt, dass Fluid nur durch Bereitstellung von definierten Volumina einzelner Komponenten, die zusammengenommen das Nennvolumen V_Nenn bilden, dosiert werden kann, wie bereits oben erläutert. Dabei entspricht dieses Nennvolumen V_Nenn dem in dem jeweiligen Behältnis einzufüllende Volumen einer vorbestimmten zu erreichenden Nennhöhe.
Es kann erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen sein, dass der Aufsatz einen Volumenkompensator mit einem vorbestimmten Volumen V_VK hat, der mit dem Ventilaufsatz fluidisch gekoppelt ist und auf das Behältnis fluiddicht aufsetzbar ist. Der Volumenkompensator kann als Volumenausgleichselement dienen, dessen inneres Volumen fest oder variabel sein kann.
Das Verdrängungselement kann unterschiedliche geeignete Ausführungsformen haben. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung zum Befüllen eines Behältnisses mit einer Flüssigkeit ist vorgesehen, dass das Verdrängungselement ein Rohr mit einem ballonartigen Körper sein kann, wobei der ballonartige Körper das Rohr teilweise oder vollständig umhüllen kann. Das erfindungsgemäße Prinzip funktioniert aber grundsätzlich auch ohne Ballon, so dass bspw. auch vorgesehen sein kann, dass das Verdrängungselement ein einfaches Rohr ist. Damit muss die Flüssigkeit nicht unmittelbar mittels eines Ventil aus dem Behältnis abgezogen bzw. in dieses gefüllt werden, sondern kann über folgende erfindungsgemäße Ausgestaltung auf verbesserte Weise gehandhabt werden: Dazu kann das Rohr an einem Halteabschnitt des Ventilaufsatzes angeordnet sein und sich konzentrisch positioniert durch eine Durchlassöffnung des Halteabschnitts und weiter durch die Durchlässe der Ventilsitze erstrecken. Das Rohr kann in einer Benutzungsanordnung bis nahe an einen Boden eines vorgegebenen Behältnisses ragen, so dass weder der Boden noch der ballonartige Körper beschädigt werden. Der ballonartige Körper ist mit seinem geschlossenen Ende über das freie Ende des Rohres gezogen und erstreckt sich durch den Ventilaufsatz bis in den Halteabschnitt, in dem er festgelegt ist.
In einer Ausführungsform ist der ballonartige Körper in der Durchlassöffnung des Halteabschnitts mittels eines Klemmkörpers, der bevorzugt über eine Feder gegen den oberen Abschnitt des Halteabschnitts abgestützt ist, fluiddicht befestigt. Durch diese Anordnung sitzt der ballonartige Körper auch dann sicher auf dem Rohr, wenn Druck auf den Ballon wirkt und ihn expandieren oder auffalten lässt. Das Rohr kann sich durch eine Bohrung nach oben erstrecken und in einem Befestigungsstutzen unlösbar aufgenommen sein, das wiederum lösbar mit einer Fluidquelle, etwa einer Gasquelle, gekoppelt sein kann.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass das Gasventil und das Flüssigkeitsventil neben dem Ventilsitz ein ringförmiges Verschlussteil umfassen, wobei Ventilsitz und Verschlussteil relativ zueinander bewegbar und koaxial zueinander angeordnet sind. Damit der Ventilaufsatz bzw. der Volumenkompensator fluiddicht auf das Behältnis aufgesetzt werden kann, kann eine Dichtung an der behälterseitigen Öffnung des der jeweiligen zu dichteren Komponente vorgesehen sein.
Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung von Ausführungsformen der Erfindung.
Dabei zeigen:
1 eine Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Abfüllvorrichtung, und
2 eine Längsschnittansicht einer alternativen Abfüllvorrichtung mit einem Volumenkompensator.
Die erfindungsgemäße Abfüllvorrichtung 10, die in 1 dargestellt ist, wird hier zum Befüllen einer Flasche 1 eingesetzt, kann aber grundsätzlich auch für jedes andere Behältnis eingesetzt werden.
Dabei weist die Abfüllvorrichtung 10 einen Aufsatz auf, der einen Ventilaufsatz 2 umfasst. Durch den Ventilaufsatz 2 ist hier als Verdrängungselement ein Rohr 3 hindurchgeführt, über das ein Ballon 4 gestülpt ist. Der Ballon 4 ist dabei so beschaffen, dass er in einem expandierten Zustand zwischen seiner Oberfläche und einer Innenwandung des Ventilaufsatzes 2 ein Spalt verbleibt. In 1 ist der Ballon 4 nicht expandiert dargestellt.
Dabei ragt das Rohr 3 unterseitig aus dem Ventilaufsatz 2 heraus. Der Ventilaufsatz 2 ist so beschaffen, dass er mit seiner Unterseite dicht auf der Flasche 1 sitzt (siehe 1). In 2 ist dargestellt, dass zwischen Flasche 1 und Ventilaufsatz 2 ein Volumenkompensator 2' dicht auf der Flasche 1 aufgesetzt ist. Dies wird vor allem genutzt, um unterschiedliche Volumina unterschiedlicher Behälterarten ausgleichen zu können. In den 1 und 2 ist jeweils ein Verfahrensschritt dargestellt, bei dem das Behältnis 1 gerade fluiddicht an den Ventilaufsatz 2 angeschlossen wurde, und der Ballon 4 kurz davor steht, expandiert zu werden.
Der Ballon 4 ist in einem oberen Ende Bereich des Rohrs 3 fluiddicht mit diesem verbunden. Dort ist eine Kugel 16 auf das Rohr 3 aufgeschoben, wobei der Ballon 4 über diese Kugel 16 gezogen ist. Die Kugel 16 sitzt in einer Durchtrittsöffnung 18 eines Halteabschnitts 17, wobei der Ballon 4 zwischen der Kugel 16 und dem oberen Rand dieser Durchtrittsöffnung 18 eingeklemmt ist. Durch die Kugel 16 verläuft eine Durchgangsbohrung 19, durch die das Expansionsmedium durch das Rohr 3 in den Ballon 4 strömt.
Bei dem ballonartigen Körper 4 kann es sich um einen aus einem thermoplastischen, elastomeren Material gebildeten Schlauch handeln, der an seinem unteren Ende, also dem Ende das zur Positionierung in dem zu befüllenden oder leerenden Behältnis 1 vorgesehen ist, verschlossen ist. Er bildet damit eine Art expandierenden Körper, der mittels eines Expansionsmediums, zum Beispiel Luft, aufgeblasen werden kann. Der Schlauch hat in seiner nicht expandierten Form einen Innendurchmesser, der dem Außendurchmesser des Rohres 3 entspricht, um ein möglichst kleines Volumen zu verdrängen. Die Materialbeschaffenheit ist hinsichtlich Wandungsstärke und Elastizität so gewählt, dass der durch Aufblasen expandierte Schlauch eine Ballonform einnimmt, die das Innenvolumen des zu befüllenden Behältnisses 1, respektive den Innenraum der davor geschalteten Komponenten, insbesondere des Volumenkompensators 2' und des Ventilaufsatzes 2 ausfüllt.
Wenn der Ballon 4 expandiert ist, kleidet er nicht nur das Behältnis 1 aus, sondern auch den Innenraum des Ventilaufsatzes 2, d. h. er legt sich von innen an eine Durchgangsbohrung 11 bzw. und der Ventilsitze 7, 8 an. Hierdurch kann auch der Ventilaufsatz 2 vor dem Befüllen vollständig von Umgebungsluft oder anderem, bereits eingefüllten Fluid im Falle eines Umfüllens, befreit werden, so dass auch hier das Füllfluid nicht in Kontakt mit Umgebungsluft kommt.
Der Ventilaufsatz 2 weist ein Flüssigkeitsventil 5 und ein Gasventil 6 mit jeweils einem ringförmigen Ventilsitz 7, 8 und dazu korrespondierenden ringförmigen Verschlussteilen auf. Der Ventilsitz 7 ist feststehend bezüglich eines zu befüllenden Behältnisses 1 ausgebildet, wobei der Ventilsitz 8 im Bezug zu einer Ventillängsachse verschieblich ausgebildet ist. Die beiden Verschlussteile fluchten miteinander und umgeben das Rohr 3 unter Ausbildung jeweils eines Ringsspalts 7', 8'. Die Verschlussteile der beiden Ventile 5, 6 sind in einem gemeinsamen, längst der Ventillängsachse verschiebbaren Träger 12 angeordnet. Der Ventilaufsatz 2 kann mehrteilig sein und dazu in verschiedene Baueinheiten geteilt werden. Die Baueinheiten sind dabei von Gehäuseteilen 21, 22, 23, 24 umgeben. Dabei können die unterschiedlichen Baueinheiten in den Gehäuseteilen 21, 22, 23, 24 relativ zueinander entlang der Ventillängsachse bewegt werden, um einzelne Ventile 5, 6 oder beide zu öffnen. Ferner ist eine Flüssigkeitszuleitung 15 (figurativ nur schematisch dargestellt) an den Ventilaufsatz 2 angeschlossen.
Am freien Ende des Rohres 3, aber noch von dem ballonartigen Körper 4 umgeben ist ein Stopper 13, der dazu dient, den empfindlichen Boden 14 des Behältnisses 1 zu schützen, und zu verhindern, dass das freie Ende des Rohres 3 auf diesen Boden 14 prallt. Der Stopper 13 ist aus einem flexiblen Material, wie zum Beispiel Gummi.
Der Volumenkondensator 2' aus 2 ist ein im Wesentlichen zylindrisch aufgebauter Körper, der in seinem Innenraum ein vordefiniertes Volumen V_VK aufweist. Dieses Volumen dient dazu, einen Teil einer definierten Füllmenge aufzunehmen, die durch das zur Befüllung erforderliche Rohr 3 samt ballonartigen Körper 4 aus dem eigentlich zu befüllenden Behältnis 1 verdrängt. Entsprechend kann diese in dem Volumenkondensator 2' aufgenommene Flüssigkeitsmenge nach dem Herausziehen des Rohres 3 nachlaufen.
Durch die unterschiedlichen Komponenten werden nun Volumina unterschiedlicher Größe gebildet:
Das Behältnis 1 umschließt ein Volumen V_B. Die Innenbohrung 11 des Ventilaufsatzes 2 bildet ein Volumen V_VA ab. Ferner wird durch das Flüssigkeitsventil 5 ein Volumen V_VF und, falls wie in 2 ein Volumenkondensator 2' Verwendung findet, durch diesen ein Volumen V_VK gebildet. Alle diese Volumina sind zu summieren, um ein Gesamtvolumen zu erhalten.
Das durch das Rohr 3 inklusive dem ballonartigen Körper 4 gebildete Volumen V_Ballon ist von der Summe aller anderen Volumina abzuziehen, da dieses Volumen ja Fluid innerhalb aller Komponenten inklusive Behälter verdrängt. Dadurch ergibt sich ein Nennvolumen V_Nenn = V_B + V_VA + V_VK + V_FV – V_Ballon, dessen Volumengröße der des tatsächlich einzufüllenden Fluids entspricht. Die Summe der Volumina der verschiedenen Aufsatzkomponenten entspricht dabei dem durch das Rohr 3 im Gesamten verdrängte Volumen V_Ballon innerhalb der Abfüllvorrichtung. Das Nennvolumen V_Nenn wird durch die zu erreichende Nennhöhe h_Nenn erreicht, wie in 1 beispielhaft gezeigt. Das durch den ballonartigen Körper 4 verdrängte Volumen im Behältnis 1 wird durch die Länge h_Ballon bestimmt, wie weit das Rohr 3 mit dem ballonartigen Körper 4 in das Behältnis 1 hineinragt. Das Verdrängungsvolumen der im Behältnis 1 hineinragenden Komponenten entspricht dabei den Restvolumina im Aufsatz abzüglich des Verdrängungselements. Es ergibt sich damit pro Behältnis 1 stets die gleiche Füllstandshöhe bei (minimal) variierender Füllmenge.
Das vorgenannte Verfahren läuft also beispielhaft wie folgt ab, wobei der Ablauf mit jeder Ausführungsform, sei es mit oder ohne Volumenkondensator 2', gleich ist:
Eine Unterseite des Aufsatzes wird fluiddicht auf das jeweilige Behältnis 1 aufgesetzt. Hiernach wird das Verdrängungselement, d. h. das Rohr 3 mit dem ballonartigen Körper 4 eingeführt, wobei dieses so weit eingeführt wird, dass der Stopper 13 einen Boden des Behältnisses 1 nicht touchiert oder darauf aufsetzt. Ferner wird das Gasventil 6 geöffnet, sodass das Expansionsmedium in den ballonartigen Körper 4 eindringen kann und ihn expandiert, wodurch er einen Großteil der Umgebungsluft aus dem Behältnis 1 entfernt. Der ballonartige Körper 4 liegt dabei an der Innenwandung des Behälters 1 derart an, dass entlang seiner Länge dort, wo Stege sind, ein Spalt verbleibt, der einen Fluid- bzw. Luftpfad bereitstellt.
Sobald der ballonartige Körper 4 das innere Volumen, das durch die einzelnen Hohlräume der Komponenten gebildet wird, ausfüllt, wird das Flüssigkeitsventil 5 geöffnet. Aufgrund des vorliegenden Spalts kann Fluid in diesen eindringen. Währenddessen wird das Expansionsmedium aus dem ballonartigen Körper 4 wieder abgelassen, sodass er sich zusammenzieht und an dem Rohr 3 anliegt. Die verbleibenden Volumina, die sich im Aufsatz, insbesondere im Ventilaufsatz 2 und einem eventuell verwendeten Volumenkompensator 2' entstehen, füllen sich mit Fluid, so dass das Behältnis 1 bis auf den Abschnitt des Rohres 3 zusammen mit dem ballonartigen Körper 4, der in die Flüssigkeit hineinragt, befüllt ist. Dabei entspricht das Volumen, das das Rohr 3 zusammen mit dem ballonartigen Körper 4 in seinem unexpandierten Zustand innerhalb des Behältnis 1 einnimmt, genau dem Volumen, das durch die oben genannten Restvolumina in den Aufsätzen, dem Flüssigkeitsventil 5, etc. gebildet wird.
Sobald diese Volumina geflutet sind, wird das Flüssigkeitsventil 5 geschlossen und das Rohr 3 herausgezogen. Dabei „rutschen” die vorgenannten fluidgefüllten Volumina nach und fließen in das Behältnis 1. Dabei wird erreicht, dass genau der vorgenannte Abschnitt nun ebenfalls mit Fluid gefüllt und pro Befüllung ein stetes Nennvolumen V_Nenn und damit eine korrelierende stete Nennhöhe h_Nenn erreicht werden kann. Die vorgenannte Aussage bezieht sich jedoch nur auf ein und dasselbe Behältnis, nämlich in dem Sinne, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gut wiederholbare Befüllgenauigkeiten erzielt werden können. Bei unterschiedlichen Behältnissen erfolgt erfindungsgemäß aber gerade eine automatische und messmittellose Anpassung, sodass diese mit unterschiedlichen Volumina gefüllt werden, um stets den gleichen Füllstand zu erhalten.
Bezugszeichenliste

1: Behältnis
2: Ventilaufsatz
2': Volumenkompensator
3: Rohr
4: Ballonartiger Körper; Ballon
5: Flüssigkeitsventil
6: Gasventil
7: Ventilsitz
7': Ringspalt
8: Ventilsitz
8': Ringspalt
10: Abfüllvorrichtung
11: Durchgangsbohrung
12: Träger
13: Stopper
14: Boden
15: Fluidzuleitung
16: Kugel
17: Halteabschnitt
18: Durchtrittsöffnung
19: Durchlassbohrung
21: Erster Gehäuseteil
22: Zweiter Gehäuseteil
23: Dritter Gehäuseteil
24: Vierter Gehäuseteil
V_Nenn: Nennvolumen
V_B: Volumen Behältnis
V_VA: Volumen Ventilaufsatz
V_FV: Volumen Flüssigkeitsventil
V_VK: Volumen Volumenkompensator
V_Ballon: Volumen Rohr inklusive ballonartigem Körper
h_Ballon: Höhe Ballon
h_Nenn: Nennfüllhöhe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011100560 B3 [0003]
DE 102014008234 [0021, 0034]
DE 102012021775 A1 [0021]

Claims

Verfahren zum messmittellosen Befüllen eines Behältnisses (1) unter Verwendung einer Abfüllvorrichtung (10), die einen Aufsatz mit einem vorbestimmten Volumen umfasst, wobei der Aufsatz – einen Ventilaufsatz (2) aufweist, der in einem Gehäuse (21, 22, 23, 24) ein Gasventil (6) und ein Flüssigkeitsventil (5) mit Ventilsitz (7, 8) aufweist, – wobei der Ventilsitz (7, 8) ein Verdrängungselement, das relativ zu dem Gehäuse längsaxial verschiebbar ist, unter Ausbildung eines Ringspaltes (7', 8') umgibt, umfassend die Schritte: a) dicht Aufsetzen des Aufsatzes mit seiner Unterseite auf ein Behältnis (1), dabei Einführen des Verdrängungselements in das Behältnis (1) b) Öffnen des Flüssigkeitsventils (5) und einströmen Lassen von Füllfluid in ein Nennvolumen V_Nenn des Behältnisses, das durch das Volumen V_A des Aufsatzes und ein Volumen V_B des Behältnisses gebildet wird, bis das Nennvolumen V_Nenn mit Füllfluid geflutet ist, danach Schließen des Flüssigkeitsventils (5), und c) Herausziehen des Verdrängungselements aus dem Behältnis (1), und nachlaufen Lassen des Volumens V_A in das Behältnis (1), wobei das Volumen V_A genau so groß ist wie das Volumen V_Ballon eines Abschnitts des Verdrängungselements in dem gefluteten Abschnitt, so dass gleiche Behältnisse (1) mit gleich hohen Füllständen befüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Aufsatz ferner einen Volumenkompensator (2') umfasst, der mit dem Ventilaufsatz (2) fluidisch gekoppelt ist, wobei bevorzugt der Volumenkompensator (2') in Schritt a) mit seiner Unterseite auf das Behältnis (1) dicht aufgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend den Schritt: a') nach Einführen des Verdrängungselements expandieren Lassen eines ballonartigen Körpers (4), der über ein Rohr (3) gestülpt ist, bis das zu befüllende Behältnis (1) ausgekleidet ist, wobei das expandieren Lassen des ballonartigen Körpers (4) durch Zuführen eines Expansionsmediums oder durch Anlegen eines Vakuums an dem Behältnis (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, umfassend den Schritt: b') nach dem Öffnen des Flüssigkeitsventils (5) weiter einströmen Lassen des Füllfluids und zusammenziehen Lassen des ballonartigen Körpers (4), bevorzugt ausströmen Lassen des Expansionsmediums aus dem ballonartigen Körper (4).
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der expandierende ballonartige Körper (4) entlang seines Umfangs zumindest einen Längssteg aufweist, der sich in Längsrichtung des ballonartigen Körpers (4) erstreckt, so dass im expandierten Zustand des ballonartigen Körpers (4) zwischen Oberfläche des ballonartigen Körpers (4) und einer Innenfläche des Aufsatzes in Schritt a) zumindest ein längs des ballonartigen Körpers (4) verlaufender Fluid-, bevorzugt Gasströmungspfad ausgebildet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend den Schritt: b'') Schließen des Flüssigkeitsventils (5) bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks im Füllfluidkreis.
Messmittellose Abfüllvorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Aufsatz mit einem vorbestimmten Volumen V_A, der dicht auf das Behältnis (1) aufsetzbar ist und einen Ventilaufsatz (2) hat, der – ein Gehäuse (21, 22, 23, 24) sowie – ein Gasventil (6) und ein Flüssigkeitsventil (5) aufweist, die jeweils einen Ventilsitz (7, 8) aufweisen und – wobei die Ventilsitze (7, 8) ein Verdrängungselement unter Ausbildung eines Ringspaltes (7', 8') umgeben, das relativ zu dem Gehäuse (21, 22, 23, 24) längsaxial verschiebbar ist, – und wobei mit dem Flüssigkeitsventil (5) eine Fluidzuleitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfüllvorrichtung (10) in der Fluidzuleitung keine Volumenmessvorrichtung aufweist und keine Füllstandshöhenmessvorrichtung hat.
Abfüllvorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufsatz einen Volumenkompensator (2') mit einem vorbestimmten Volumen VVK hat, der mit dem Ventilaufsatz (2) fluidisch gekoppelt ist und auf das Behältnis (1) fluiddicht aufsetzbar ist.
Abfüllvorrichtung (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement ein Rohr (3) mit einen ballonförmigen Körper (4) ist, wobei der ballonartige Körper (4) das Rohr (3) zumindest teilweise umhüllt, wobei das Rohr (3) an einem Halteabschnitt (17) des Ventilaufsatzes (2) angeordnet ist und sich konzentrisch positioniert durch eine Durchlassöffnung (19) des Halteabschnitts (17) und weiter durch Ventilsitze (7, 8) und deren ringförmige Verschlussteile erstreckt und dazu ausgebildet ist, in einer Benutzungsanordnung bis nahe an einen Boden (14) eines vorgegebenen Behältnisses (1) zu ragen, und und wobei der ballonartige Körper (4) mit seinem geschlossenen Ende über das freie Ende des Rohres (3) gezogen ist und sich durch den Ventilaufsatz (2) bis in den Halteabschnitt (17) erstreckt und in diesem festgelegt ist.
Abfüllvorrichtung (10) nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der ballonartige Körper (4) – durch einen aus einem thermoplastischen elastomeren Material, bevorzugt einem TPE-Extrudat, gebildeten, einenends verschlossenen Schlauch, gebildet ist, wobei der Verschluss des Schlauches bevorzugt durch ein mit dem Schlauchmaterial verschweißtes in das Schlauchende eingeführtes Endstück, bevorzugt ein zylindrisches Endstück, besonders bevorzugt ein zylindrisches PE-Endstück ausgebildet ist, und wobei der Schlauch zumindest einen Längssteg und/oder zumindest eine Längsnut, bevorzugt zwei oder mehr Längsstege oder -nuten entlang seiner Länge aufweist oder – ein aus einem nicht-elastomeren Material gebildeter, an seinem unteren Ende nicht-offener Körper ist, der zumindest einen Längssteg und/oder zumindest eine Längsnut, bevorzugt zwei oder mehr Längsstege oder -nuten entlang seiner Länge aufweist und/oder – einen schlauchförmigen Abschnitt hat, dessen Innendurchmesser und Länge einem Außendurchmesser eines zur Verwendung in der Abfüllvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9 vorbestimmten Verdrängungselement entspricht, so dass der schlauchförmige Abschnitt spielfrei auf das Verdrängungselement ziehbar ist, und – einen auffaltbaren Abschnitt mit einer Form hat, die dazu ausgebildet ist, in einem aufgefalteten Zustand an einer Innenwandung des Behältnisses (1) anzuliegen.
Abfüllvorrichtung (10) nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasventil (6) und ein Flüssigkeitsventil (5) neben dem Ventilsitz (7, 8) ein ringförmiges Verschlussteil umfassen, wobei Ventilsitz (7, 8) und Verschlussteil relativ zueinander bewegbar und koaxial zueinander angeordnet sind.