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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Füllvorrichtung, insbesondere zum Befüllen von Behältern mit einem flüssigen, festen oder viskosen Füllgut. Zu diesen Füllgütern gehören zunehmend auch Flüssigkeiten, die Fasern oder Feststoffe wie Fruchtstücke oder Cerealien enthalten.
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Bei der Abfüllung von derartigen Flüssigkeiten wird in einem ersten Schritt in der Regel eine festgelegte Feststoffmenge in das Behältnis vordosiert und anschließend die Flüssigphase aufgefüllt. Dies geschieht meist in zwei unabhängig voneinander arbeitenden Füllmaschinen. Zur Vordosierung der Feststoffe verwendet man heute meist mechanische Kolbenfüller. Diese haben durch die Kolben-Zylinder-Bauweise und ihre mechanisch sehr hohe Komplexität den Nachteil einer weniger guten Reinigungs- und Sterilisationsfähigkeit. Insbesondere liegt dem Kolben-Zylinder-Problem der Nachteil zugrunde, dass sie Gleitflächen aufweisen, die nur sehr aufwändig zu reinigen sind, indem der Kolben ganz herausgefahren werden muss. Eine CIP oder eine Dampfsterilisation ist so nicht möglich, weil das System zum Reinigen offen ist, also kein Druck aufgebaut werden kann, der zum Erreichen der Sterilisationstemperatur nötig ist.
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Ein Problem bei derartigen Füllvorrichtungen besteht darin, dass sich gleitende Dichtflächen nur schlecht, zum Beispiel durch ein CIP (cleaning in place), reinigen lassen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Füllvorrichtung zu schaffen, die eine einfache und effektive Reinigung und/oder Sterilisierung der Füllvorrichtung, insbesondere im Rahmen von CIP oder SIP (sterilisation in place) erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Füllvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß hat die Füllvorrichtung eine Produktzufuhr, zum Beispiel einen Produktbehälter, einen Vorfüllraum und einen steuerbaren Auslauf. Der Auslauf ist in der Regel durch ein elektrisch oder pneumatisch gesteuertes Ventil gebildet, welches zwei relativ zueinander bewegbare Teile aufweist, die eine Auslauföffnung freigeben oder verschließen.
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Die Füllvorrichtung weist fernerhin eine, zum Beispiel linear, bewegbare Dichtanordnung auf, zum Beispiel eine Kolbenanordnung, die in einer Öffnungsstellung die Produktzufuhr mit dem Vorfüllraum verbindet und in einer Schließstellung die Produktzufuhr vom Vorfüllraum trennt. Wenn die Dichtanordnung vorzugsweise als Kolbenanordnung ausgebildet ist, die in Richtung auf den Vorfüllraum betätigbar ist, hat dies den Vorteil, dass sich der Kolben der Kolbenanordnung gegen einen Dichtsitz des Vorfüllraum drücken lässt, womit der Vorfüllraum von der Produktzufuhr getrennt wird. Hierbei tritt keine relative Gleitbewegung zwischen den Dichtflächen auf, sondern lediglich eine Andruckbewegung. Daher lassen sich die entsprechenden Dichtflächen in einem CIP und SIP-Prozess leicht reinigen. Selbstverständlich lässt sich die Dichtanordnung auf beliebigen Bahnen bewegen, so z.B. linear oder auf einer Kreisbahn oder schraubenartig.
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Weiterhin hat die Füllvorrichtung eine flexible Verdrängeranordnung, deren Volumen in dem Vorfüllraum einstellbar ist. Eine derartige Verdrängeranordnung kann z.B. durch einen Faltenbalg oder durch einen expandierbaren elastischen Körper, z.B. eine Gummiblase, gebildet sein. Die Volumenänderung des Faltenbalgs oder elastischen Körpers kann beispielsweise durch eine mechanische Anordnung, z.B. Kolbenanordnung oder hydraulisch oder pneumatisch erfolgen.
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Der wesentlicher Aspekt bei der Verdrängeranordnung besteht darin, dass sie zum Vorfüllraum hin eine Oberflächenschicht hat, die konstant bzw. unverändert ist, weil sie mind. eine elastisch verformbare Wand oder mind. einen verformbaren Wandabschnitt aufweist. Die Größe der Wand bzw. Oberflächenschicht ändert sich allenfalls durch ihre elastische Materialverformung (z.B: bei einer Gummiblase, -ballon) oder Flexibilität der Wand (z.B. bei einem Faltenbalg), d.h. Veränderung der Lage von Abschnitten der Wand- oder Oberflächenschicht zueinander, wie z.B. bei einem Faltenbalg.
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Auf diese Weise wird das Reinigungsproblem bekannter Kolbenanordnungen vermieden, bei welchen ein Kolben aus einem Zylinder in den Vorfüllraum hineinfährt. Diese mit einem Zylinder zusammenwirkende äußere Gleitfläche des Kolbens und des Zylinders ist im Normalbetrieb nicht vollständig reinigbar und kann nur durch vollständiges Ausfahren des Kolbens hygienisch sicher erfolgen. Dies ist bei Kolbenfüllern sehr aufwändig. Durch diese besondere Anordnung "sieht" der Vorfüllraum unabhängig von dem in den Vorfüllraum hineinragenden Volumen der Verdrängeranordnung immer die gleiche Oberfläche, nämlich die der flexiblen bzw. elastischen verformbaren Wand oder Wandabschnitte und es sind somit keine aneinander gleitenden oder reibenden Oberflächen bzw. Dichtflächen in Kontakt mit dem Produkt vorhanden.
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Im Innenraum der Verdrängeranordnung, d.h. auf der dem Vorfüllraum abgewandten Seite, kann ein geeignetes Steuer- oder Antriebsmittel angreifen, wie beispielsweise ein inkompressibles Fluid, eine mechanische Anordnung, z.B. Kolbenanordnung oder eine Kombination aus hydraulischem und mechanischem Antrieb.
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Ein elastisches Material wird als Material mit einer reversiblen Verformbarkeit von wenigstens 10 bis 20% definiert. Der Begriff "flexibel" kann auch dahingehend interpretiert werden, dass feste Bestandteile beweglich zueinander angeordnet sind, wie z.B. bei einem Plattenfaltenbalg.
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Gemeinsam ist dabei allerdings immer, dass keine Reibung eines produktberührenden Dichtelementes entlang einer Wand erfolgt, wie dies bspw. bei üblichen Zylinder-Kolbenanordnungen der Fall ist, bei welchen die Kolbendichtung bekanntermaßen an der Innenwand des Zylinders bei der Volumenänderungen entlang schleift.
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Der Vorteil hierbei besteht ebenfalls darin, dass nach dem Abtrennen des Vorfüllraums von der Produktzufuhr ein definiertes Volumen allein durch die Volumenzunahme der Verdrängeranordnung im Vorfüllraum (bei geöffnetem Auslass) ausgestoßen werden kann, ohne dass hierbei Flächen einer mit dem Produkt in Kontakt kommenden Dosieranordnung aneinander gleiten. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung liegt darin, dass die Abgabe des Füllgutes nicht mehr durch die Bewegung eines Kolbens in einem Zylinder erfolgt, in welchem Fall gleitende Dichtflächen vorhanden sind, die mit dem Produkt in Kontakt kommen, sondern durch eine flexible Verdrängeranordnung, deren Volumen in dem Vorfüllraum einstellbar ist.
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Die Verdrängeranordnung wird zum Abfüllen des Füllgutes von einem ersten kleineren Volumen auf ein größeres erstes Volumen expandiert und die abgegebene Füllmenge entspricht genau dem durch die Expansion verdrängten Volumen. Eine Verdrängung kann zum Beispiel über einen Kolben erfolgen, der mittels eines Faltenbalgs gegenüber dem Vorfüllraum abgedichtet ist, in welchem Fall der sich erweiterte Faltenbalg das Verdrängungsvolumen definiert. Das Verdrängungsvolumen kann auch durch eine elastische geometrische Form, zum Beispiel durch eine elastische Blase zum Beispiel aus Gummi oder dergleichen, gebildet sein, in welchem Fall das Volumen dieses elastischen Körpers durch die Beaufschlagung des Innenraums des elastischen Körpers mit einem Gas oder einem Fluid eingestellt werden kann. Es sind somit unterschiedliche Verdrängeranordnungen möglich, die zu einer Verdrängung eines definierten Volumens im Vorfüllraum führen können, ohne dass hierbei zwei relativ zueinander bewegte Teile entlang einer mit dem Produkt in Kontakt kommenden Dichtfläche bewegt werden.
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Eine derartige Vorrichtung lässt sich somit äußerst einfach reinigen. Die einzigen Dichtflächen, die miteinander in Kontakt kommen, sind die Dichtflächen der Dichtanordnung zur Abdichtung der Produktzufuhr vom Vorfüllraum. Wenn zum Beispiel in einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorfüllraum einen Raum darstellt, der sich an einen Produktbehälter anschließt, kann die Dichtanordnung lediglich als Kolben oder Stempel ausgebildet sein, der die Verbindung zwischen Produktbehälter und Vorfüllraum abdeckt. Dies kann eine Dichtlippe sein, die zum Beispiel an dem Produktbehälter zu liegen kommt. Eine Abdichtung der Dichtanordnung kann somit ohne eine gleitende Relativbewegung zweier abdichtender Komponenten erfolgen, womit auch hier eine leichte Reinigung möglich ist.
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Das Füllgut ist insbesondere ein Feststoff, eine Feststoff enthaltende Flüssigkeit oder eine Flüssigkeit beliebiger Viskosität, sollte allerdings fließfähig oder schüttfähig sein.
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Vorzugsweise ist die Dichtanordnung als insbesondere linear bewegbare Kolbenanordnung ausgebildet, auf welche Weise diese zum Abdichten des Vorfüllraums gegenüber der Produktzufuhr bewegt werden kann, um zwischen der Schließstellung und Öffnungsstellung bewegt zu werden. Eine derartige Ausführungsform lässt sich technisch leicht realisieren.
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Vorzugsweise ist die Kolbenanordnung als Doppelkolbenanordnung mit einem äußeren und einem inneren Kolben ausgebildet, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und teleskopartig zusammenwirken. Hierbei kann der äußere Kolben die Dichtanordnung bilden und der innere Kolben die Verdrängeranordnung. Die Abfüllung erfolgt dann so, dass zuerst der äußere Kolben in Richtung auf den Vorfüllraum in die Schließstellung bewegt wird, so dass die Produktzufuhr vom Vorfüllraum getrennt ist. Anschließend wird der Auslauf des Vorfüllraums geöffnet und der innere Kolben, der zum Beispiel bei einem Faltenbalg gegenüber dem äußeren Kolben abgedichtet ist, wird in den Vorfüllraum hineinbewegt, wobei er dort ein definiertes Volumen verdrängt, welches durch den Auslauf ausgestoßen und somit abgefüllt wird.
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Durch eine derartige Doppelkolbenanordnung lässt sich somit die Abdichtfunktion des Vorfüllraums als auch die Verdrängerfunktion technisch einfach in einer Funktionseinheit realisieren, wobei sowohl der innere als auch der äußere Kolben durch ein gemeinsames Betätigungselement und oder durch separate Betätigungselemente betätigbar sein können.
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Wenn mit einem auf den inneren Kolben wirkenden Betätigungselement auch der äußere Kolben mitbewegt werden soll, so sind die Kräfte zur Relativbewegung des inneren und äußeren Kolbens zueinander und als auch zum Produktbehälter vorzugsweise so abgestimmt, dass bei einer Auslenkung des Betätigungselements zuerst der äußere Kolben bewegt wird, und erst wenn dieser seine Dichtposition erreicht hat, der innere Kolben. Die Produktzufuhr, insbesondere der Produktbehälter, als auch der Vorfüllraum können somit technisch einfach gestaltet werden, weil sowohl die Dichtfunktion zum Trennen von Produktzufuhr und Vorfüllraum als auch die Verdrängungsfunktion im Vorfüllraum allein durch die Doppelkolbenanordnung übernommen werden.
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Vorzugsweise ist der äußere Kolben durch eine Aktuator betätigbar, so dass dieser gesteuert von der Schließstellung in die Öffnungsstellung bewegbar ist
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Vorzugsweise ist der äußere Kolben mit einem Faltenbalg gegen die Produktzufuhr, zum Beispiel den Produktbehälter, abgedichtet, auf welche Weise auch zwischen der Produktzufuhr und dem äußeren Kolben keine bewegten Dichtflächen auftreten, die mit dem Produkt in Berührung kommen. Die Relativbewegungen der Doppelkolbenanordnung erfolgen aufgrund der elastischen Verformung des Faltenbalges bei der Betätigung des inneren und äußeren Kolbens gegenüber dem Produkt abgedichtet.
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Vorzugsweise ist das Betätigungselement zum Betätigen des inneren Kolbens vorzugsweise eine Stößelstange, die über eine Laufrolle oder einen Gleitschuh mit einer Steuerfläche zusammenwirkt. Die Stößelstange kann jedoch auch durch einen eigenen Antrieb, z.B. einen Hydraulikzylinder oder elektrischen Schrittmotor betätigt sein.
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Vorzugsweise ist die Stößelstange mit einem Kolbenelement verbunden und der äußere Kolben hat eine axiale Bohrung, in welcher das Kolbenelement bewegbar ist. Der innere Kolben samt Faltenbalg ist vorzugsweise an einem Ende des äußeren Kolbens angebracht und steht mit der Bohrung in Verbindung, wobei zwischen dem Kolbenelement und dem inneren Kolben, d.h. dem Faltenbalg ein Fluid angeordnet ist. Der Vorteil hierbei liegt darin, dass über die lineare Verstellung der Stößelstange und damit des Kolbenelements, das heißt den Hub des Kolbenelements das verdrängte Volumen der Verdrängeranordnung exakt eingestellt werden kann, ohne dass die geometrischen Volumen Konditionen für einen geometrischen komplexen Körper wie einen Faltenbalg genau eruiert werden müssen. Darüber hinaus werden hier die Drücke von dem Betätigungselement auf den inneren Kolben nahezu reibungsfrei und verschleißarm übertragen.
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Vorzugsweise ist der Auslauf als steuerbares Ventil angeordnet, womit der Füllvorgang einfach durch eine elektronische Steuerung der Füllanlage, z.B. eine Mikroprozessorsteuerung steuerbar/regelbar ist.
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Vorzugsweise hat das Ventil eine elastische Membran, die eine Auslauföffnung umgibt, welche mit einem Schließelement zusammenwirkt. Das Öffnen des Vorfüllraums mittels des steuerbaren Auslaufs geschieht hier durch eine Relativbewegung der elastischen Membran relativ zu dem zentralen Dichtelement, welche Relativbewegung ebenfalls ohne gleitende Flächen realisiert werden kann, die mit dem Produkt in Berührung kommen könnten. Somit wird durch die elastische Membran im Auslauf bzw. Ventil ein bewegtes Schließelement geschaffen, welches ohne gleitende Dichtflächen auskommt.
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Weiterhin ist eine alternative Verfahrensvariante mit dieser Vorrichtung möglich, indem das maximale Vorfüllvolumen in dem Vorfüllraum mittels der Verdrängeranordnung gesteuert wird. Dazu wird anfänglich das Volumen im Vorfüllraum durch eine teilweise expandierte Verdrängeranordnung bereits im anfänglichen Befüllungsschritt begrenzt oder ein Teilvolumen durch die teilexpandierte Verdrängeranordnung im Verschlussschritt des Vorfüllraumes aus diesem und in den Vorlagebehälter zurück verdrängt. Nachfolgend wird dann wie vorstehend beschrieben das Entlassventil der Auslauföffnung geöffnet und der Vorfüllraum durch eine weiter Volumenvergrößerung der Verdrängeranordnung zum Füllen des Behälters ganz oder teilweise entleert.
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Diese Verfahrensvarianten stellt eine weitere Beschleunigung dar, da die Wiederbefüllzeit der Dosierkammer verkürzt wird.
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Es ist zusammenzufassen, dass sich die erfindungsgemäße Füllvorrichtung aufgrund ihrer guten Reinigungsmöglichkeit, insbesondere CIP und SIP, insbesondere beim Abfüllen von Feststoffen oder Flüssigkeiten mit Feststoffanteilen hervorragend verwenden lässt. Die Erfindung erlaubt eine geschlossene CIP und SIP. Dies ist relevant vor dem Hintergrund, dass der Verbrauch von Frucht-, Wellness- und Sportgetränken, die auch kleinere Fruchtstücke, Fruchtfasern oder Cerealien enthalten, heute immer verbreiterter wird. Die Füllvorrichtung kann jedoch auch allein zum Abfüllen von Feststoffen oder Flüssigkeiten verwendet werden.
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Aufgrund der vorliegenden Erfindung ist es möglich, in der Füllvorrichtung ohne gleitende Dichtungen im Produktbereich auszukommen. Es gibt nur zwei Sitzventile, eines im Bereich der Dichtanordnung zwischen Produktzulauf und Vorfüllraum und eines im Auslauf mit dem steuerbaren Ventil. Beide weisen keine aufeinander gleitenden Flächen auf.
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Optional kann in dem Vorfüllraum eine Wägezelle zum Einsatz kommen, wobei die Gewichtsbestimmung erst nach Abschluss der Füllung stattfindet. Auf diese Weise kann mittels der Wägezelle die eingefüllte Masse bzw. das Gewicht exakt ermittelt werden.
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Vorzugsweise werden der innere und der äußere Kolben der Doppelkolbenanordnung mechanisch angetrieben, insbesondere durch ein Betätigungselement, wie zum Beispiel eine Stößelstange.
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Es sind auch alternative Betätigungsformen möglich, wie zum Beispiel ein rechner-gesteuerter Linearmotor oder eine hydraulische oder pneumatische Steuerung. Im Falle des Linearmotors kann das Volumen als Funktion des Hubs genau bestimmt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung besteht darin, dass das auszuleitende Füllvolumen mittelbar hydraulisch über eine Kopplungsflüssigkeit (Fluid) bestimmt wird, die sich im inneren Volumen des zweiten Faltenbalges, dem Dosierfaltenbalg befindet. Diese Kopplungsflüssigkeit kann entweder in einem mittels eines Zylinders veränderlichen Innenvolumen vorliegen und mittels eines verschieblichen Zylinders in den Dosierfaltenbalg (zweiter Faltenbalg) ein und ausgeleitet werden, oder es ist ein festes Innenvolumen vorgesehen, das mit mindestens einem Ausgleichsbehälter in Verbindung steht, wobei die Kopplungsflüssigkeit mittels Pumpen ein und ausgeleitet werden und die Flüssigkeitsmenge der Kopplungsflüssigkeit mittels geeigneter Volumenmesssysteme erfasst und gesteuert wird.
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Liegt ein geschlossenes Innenvolumen vor, das mittels einer Kolbenanordnung oder eines Zylinders ein und ausgeleitet wird, ist eine Zuleitung vorgesehen, die das anfängliche Befüllen und Bestimmen des Volumens der Kopplungsflüssigkeit ermöglicht. Fluidisch verbundene Ausgleichsbehälter können bedarfsweise für einen oder mehrere solcher Füllelemente bzw. die Kopplungsflüssigkeiten vorgesehen werden.
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Bei dem Vorliegen der Kopplungsflüssigkeit im Innenraum des Dosierfaltenbalgs kann auch ein weicheres Material für den Faltenbalg gewählt werden.
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Der Faltenbalg, welcher den inneren Kolben gegenüber dem äußeren Kolben abdichtet, besteht vorzugsweise aus Teflon oder Weichmetall oder einem recht steifen Kunststoff, also einem Material das radiale Einschnürungen bei den aufgebrachten Drücken verhindert.
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Die Erfindung realisiert eine mechanisch sehr einfache Konstruktion, die durch eine Minimierung von Berührungsflächen sehr gut zu reinigen ist. Eine sehr gute Reinigung ist besonders deswegen möglich, weil bei CIP alle Berührungsflächen voneinander getrennt werden können und keinerlei Gleitflächen vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße Füllvorrichtung erlaubt so eine kaltaseptische Abfüllung.
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Statt in Form eines Produktbehälters kann die Produktzufuhr in beliebiger anderer Weise, z.B. als Zufuhrkanal ausgebildet sein.
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Es soll weiterhin klargestellt sein, dass die Komponenten der Erfindung gemäß den Ansprüchen einzeln oder mehrfach vorgesehen sein können, ohne die Grundidee der Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:
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1 bis 8 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer erste Ausführungsform einer Füllvorrichtung mit einer Doppelkolbenanordnung in verschiedenen Phasen eines Füllvorgangs,
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9 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Füllvorrichtung mit einer fluidbetätigten Verdrängeranordnung,
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10 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer motorbetätigten Füllvorrichtung mit zusätzlich angeordneter Wägezelle zur Kontrolle und Regelung der Vorfüllung,
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11 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer motorbetätigten Füllvorrichtung mit einem aseptischen Vorfüllraum,
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12 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer motorbetätigten Füllvorrichtung gemäß 10 während einer geschlossenen CIP,
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13 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Ballon als Teil der Verdrängeranordnung, und
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14 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Faltenbalg als Teil der Verdrängeranordnung.
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Die 1 bis 8 zeigen den chronischen Ablauf eines Füllvorgangs einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Füllvorrichtung. In den Zeichnungen sind identische oder funktionsgleiche Teile mit den identischen Bezugszeichen versehen.
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Die Füllvorrichtung 10 enthält einen Produktbehälter 12, der als Produktzufuhr agiert. Unten an dem Produktbehälter 12 schließt sich ein Vorfüllraum 14 an. Die Füllvorrichtung enthält weiterhin eine Doppelkolbenanordnung 16 mit zwei zueinander konzentrischen Kolben 18, 36, nämlich einem inneren Kolben 36 und einem äußeren Kolben 18, die relativ zu der Produktzufuhr 12 und relativ zueinander axial bewegbar sind. Hierfür ist die Doppelkolbenanordnung 16 mittels einer Führung 15 an dem Produktbehälter 12 oder einem mit diesem verbundenen Konstruktionselement gehalten. Weiterhin ist der äußere Kolben 18 der Doppelkolbenanordnung 16 mittels eines Aktuators 17, z.B. eines Hydraulik- oder Pneumatikzylinders oder eines elektrischen Motors relativ zum Produktbehälter 12 axial verstellbar. Der äußere Kolben 18 ist von einem ersten Faltenbalg 24 aus einem elastischen Material umgeben, womit dieser gegen den Produktbehälter 12 abgedichtet ist. Der Vorfüllraum 14 ist gegen den Produktbehälter 12 durch den äußeren Kolben 18 abdichtbar, indem das dem Vorfüllraum zugewandte untere Ende 20 des äußeren Kolbens 18 gegen den Boden 22 des Produktbehälters 12 drückt. Somit kann der äußere Kolben 18 als Dichtanordnung ohne gleitende Dichtflächen den Vorfüllraum 14 vom Produktbehälter 12 abtrennen, wodurch im gesamten Produktbereich keine gleitenden Dichtflächen vorgesehen sind.
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Der innere Kolben 36 ist mit einem zweiten Faltenbalg 38 gegen den äußeren Kolben 18 abgedichtet und agiert als Verdrängeranordnung, sobald der äußere Kolben 18 den Vorfüllraum 14 gegen den Produktbehälter 12 abgedichtet hat. An der Unterseite des Vorfüllraums 14 ist ein Auslauf 28 angeordnet, der durch ein elektrisch oder pneumatisch steuerbares Ventil gebildet ist. Das Ventil 28 enthält ein fest angeordnetes beispielsweise kugelförmiges Dichtelement 32, welches über einer Auslauföffnung 34 in der Mitte einer elastischen Membran 30 angeordnet ist. Die Membran 30 ist von einem axial verstellbaren Stellzylinder 31 umfasst oder gehalten, mittels dessen die Membran 30 gegen das Dichtelement 32 zum Verschließen der Auslauföffnung 34 gedrückt oder zum Öffnen von ihm weg bewegt werden kann.
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Der innere Kolben 36 ist mittels einer Stößelstange 40 gegenüber dem Produktbehälter 12 bewegbar. Der innere Kolben kann hierbei den äußeren Kolben 18 mitnehmen, sofern die Bewegung durch den Aktuator 17 freigegeben ist, oder beide Kolben bewegen sich gemeinsam. Die Stößelstange 40 trägt an ihrem oberen Ende eine Laufrolle 42, die eine Führungsfläche 44 eines Steuerelements 45 entlangfährt. Die Stößelstange 40 ist mit dem Ende des inneren Kolbens 36 verbunden. Die Auslenkung der Stößelstange 40 entspricht dem vertikalen Verlauf der Führungsfläche. Über den zweiten kleineren Faltenbalg 38, dem Dosierfaltenbalg, wird die Bewegung der Stößelstange 40 vom inneren Kolben 36 auf den äußeren Kolben 18 übertragen. Da der Verformungswiderstand des zweiten Faltenbalgs 38 größer ist als der des ersten Faltenbalgs 24, wird bei einer Bewegung der Stößelstange 40 zuerst mittels des inneren Kolbens 36 und dessen Faltenbalg 38 der äußere Kolben 18 bewegt, bis dieser mit seinem unteren Ende 20 an dem Boden 22 des Produktbehälters 12 anliegt. In diesem Zustand ist der Vorfüllraum 14 gegenüber dem Produktbehälter 12 abgedichtet.
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Besonders vorteilhaft ist eine Alternative, bei welcher der äußere Kolben 18 mittels des Aktuators 17 bewegt wird, und wobei der innere Kolben 36 bzw. der Faltenbalg 38 durch die Stößelstange 40 angesteuert wird.
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Bei dieser Variante stellt das Element 16 nur eine Führungshülse dar, die nicht bewegt wird. Sinnvolle Dichtelemente zwischen der feststehenden Hülse 16 und dem äußeren, bewegten Kolben 18 sind nicht dargestellt. Dabei kann der Raum zwischen Element 16 und dem Kolben 18 auch mit einer Flüssigkeit oder einem Gas gespült werden oder zumindest mit einem Reinigungskreislauf über entsprechende Anschlüsse verbindbar sein.
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Bei einer weiteren Betätigung der Stößelstange 40 fährt der innere Kolben 36 aus dem unteren Ende 20 des äußeren Kolbens 18 hervor, wobei er eine entsprechende Verdrängung an Produkt in dem Vorfüllraum 14 bewirkt, der zu einer volumenmäßig entsprechenden Produktabgabe durch das Ventil 28 in einen zu füllenden Behälter, z.B. eine Dose, Flasche oder Keg führt. Die Stellung der einzelnen Komponenten der Füllvorrichtung 10 wird in der in den 1 bis 8 dargestellten chronologischen Abfolge eines Füllvorganges ersichtlich.
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1 zeigt den äußeren Kolben 18 in Öffnungsstellung zu Beginn des Füllvorganges, bei dem zwischen dem unteren Ende 20 des äußeren Kolbens 18 und dem Boden 22 des Produktbehälters 12 ein Zulauf 26 gebildet ist, durch den das Produkt von dem Produktbehälter 12 in den Vorfüllraum 14 gelangen kann. Die bewegbare Membran 30 ist durch den Stellzylinder 31 gegen das Abdichtelement 32 gedrückt, so dass die Auslauföffnung 34 in der Mitte der Membran durch das Abdichtelement 32 verschlossen ist. Auf diese Weise wird der Vorfüllraum 14 vollständig mit Produkt gefüllt.
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In 2 ist die Laufrolle 42 bereits einen Teil der Führungsfläche 44 entlang gerollt wodurch die Stößelstange 40 nach unten ausgelenkt wurde. Da der zweite Faltenbalg 38 in der Regel steifer als der erste Faltenbalg 24 ist, wird bei einer Bewegung der Stößelstange 40 über den inneren Kolben 36 und dessen zweiten Faltenbalg 38 zuerst der äußere Kolben 18 nach unten bewegt, bis sein Ende 20 an dem Boden 22 des Produktbehälters anliegt, wodurch der Vorfüllraum 14 vom Produktbehälter 12 getrennt ist. Der Auslauf bzw. das diesen bildende Ventil 28 ist noch geschlossen.
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Alternativ wird die Gesamtbewegung durch den Aktuator 17 veranlasst, insb. die Abwärtsbewegung. Dabei wandert der innere Kolben durch geeignete Anschläge mit. Die Steuerkurve ist in geeigneter Weise an die Bewegungsabläufe angepasst.
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Im nächsten Schritt gemäß 3 wird der Stellzylinder 31 mittels eines nicht dargestellten Antriebs, gesteuert durch eine Steuerung der Füllvorrichtung nach unten bewegt, wodurch die Auslauföffnung 34 für eine Produktabgabe freigegeben wird.
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4 zeigt, dass die Laufrolle 42 am oberen Ende der Stößelstange 40 an das untere Ende der Führungsfläche 44 gefahren ist, in welcher Stellung der innere Kolben als Verdrängeranordnung in den Vorfüllraum hineingedrückt wird, in welchem er eine definierte Produktmenge verdrängt, die durch die offene Auslassöffnung 34 ausgestoßen wird. Hierbei wird der zweite Faltenbalg 38 gedehnt.
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Am Ende der Produktabgabevorganges gemäß 4 wird die Auslassöffnung 34 wieder geschlossen, indem der Stellzylinder 31 wieder nach oben bewegt wird, wobei die Membran 30 an dem Dichtelement 32 zu liegen kommt und der Auslauf 28 geschlossen ist. Dies ist in 5 dargestellt.
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Gemäß den 6 und 7 wird nun der Aktuator 17 betätigt, um den äußeren Kolben 18 von seiner Schließstellung nach oben in die Öffnungsstellung zu bewegen, wobei das untere Ende 20 des äußeren Kolbens 18 von dem Boden 22 des Produktbehälters abhebt und der Zulauf 26 von dem Produktbehälter 12 in den Vorfüllraum 14 wieder geöffnet wird. Da gemäß 7 auch die Laufrolle 42 der Stößelstange an der Führungsfläche wieder nach oben gleitet, fährt auch der innere Kolben 36 wieder in seine zurückgezogene Stellung zurück, wie es in 8 dargestellt ist. Dies ist wiederum die Ausgangsstellung für einen neuen Befüllungsvorgang wie sie in 1 dargestellt ist.
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Hierbei ist besonders vorteilhaft, wenn der innere Kolben 36 vor oder bei dem Abheben des äußeren Kolbens 18 noch etwas weiter nach unten gefahren wird, um einen Gleich- oder Überdruck zu schaffen bzw. einen Unterdruck zu verhindern, welcher ein Abheben des äußeren Kolbens 18 erschweren oder sogar verhindern würde. Zudem würde ein solcher Druckunterschied an dieser Stelle zum Einsaugen des Produktes in den Vorfüllraum und somit zu einer Produktschädigung führen.
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9 zeigt eine zu den 1 bis 8 weitgehend analoge Ausführungsform einer Füllvorrichtung 60. Bei dieser Ausführungsform der Füllvorrichtung 60 hat die Stößelstange 62 an ihrer Unterseite ein Kolbenelement 64, welches in einer zentralen Bohrung 65 des äußeren Kolbens 18 axial gleiten kann. Zwischen dem Kolbenelement 64 und dem zweiten Faltenbalg 38, der den inneren Kolben 36 bildet, ist ein inkompressibles Fluid 66, zum Beispiel Wasser oder ein Öl, angeordnet, so dass die Auslenkung des Faltenbalgs 38 in den Vorfüllraum 14 über das Kolbenelement 64 mittels des Fluides 66 und damit verschleißfrei und weitgehend reibungsarm erfolgt. Bei dieser Lösung drückt das Fluid 66 gegen die gesamte Innenfläche des Faltenbalgs 38, so dass dieser nicht einschnürt.
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10 zeigt eine weitere Ausführungsform 50 einer erfindungsgemäßen Füllvorrichtung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 bis 8 dadurch, dass die Stößelstange 40 hier nicht durch eine Führungsfläche, sondern durch einen Einzelantrieb 52, z.B. einen Linearmotor oder Stellzylinder ausgelenkt wird, wodurch sich das verdrängte Volumen mittels exakter Steuerung des Linearmotors einstellen lässt. Diese Ausführungsform der Erfindung hat noch zusätzlich eine optionale Wägezelle 56, um die Richtigkeit des abgefüllten Volumens zu überprüfen und/oder einen Regelkreis aufzubauen. Zudem wird die Stößelstange 40 optional durch einen Einzelantrieb 52, z.B. einen Linearmotor oder Stellzylinder angetrieben.
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11 zeigt eine Ausführungsform wie in 10 dargestellt, aber in aseptischer Bauweise. Die Membran erstreckt sich in ein Einlaufrohr, welches in die Behältermündung eines zu befüllenden Behälters, z.B. einer Flasche eingefüllt. Da die Membran 30 an der Unterkante des Vorfüllraums dicht befestigt ist, ist eine Trennung zwischen Sterilraum und sonstigen Füllelementen sichergestellt. Optional kann auch in dieser Ausführungsform eine Wägezelle 56 angeordnet sein.
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Idealerweise wird unterhalb des Füllventils ein Sterilraum vorgesehen, in welchem die Behälter ganz oder teilweise während des Füllens angeordnet und geführt sind, wobei innerhalb dieses Sterilraumes im Wesentlichen nur die Behälterträger als Manipulationselemente vorgesehen sind. Die Füllelemente sowie alle übrigen, zum Füller gehörenden Elemente befinden sich oberhalb bzw. außerhalb des Sterilraumes.
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12 zeigt die Ausführungsform analog der 10 bei der Durchführung einer geschlossenen CIP (cleaning in place). Hierbei befinden sich sowohl der äußere Kolben 16 gegenüber dem Produktbehälter 12 in Öffnungsstellung, als auch das Abdichtelement 32 gegenüber der elastischen Membran 30 in zueinander beabstandeter Öffnungsstellung. Hierbei können somit alle mit dem Produkt in Berührung kommenden Teile unter Druck gereinigt werden, wobei aufgrund der beiden Faltenbälge keine gleitenden Dichtflächen in Verbindung mit dem Produkt kommen. Die Stößelstange 40 wird wie in den Ausführungsformen der 9 bis 11 durch einen Einzelantrieb 52 betätigt, kann jedoch auch durch einen Antrieb 42, 44, 45 wie in den 1 bis 8 betätigbar sein.
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Die Erfindung ist innerhalb des Schutzbereichs der nachfolgenden Ansprüche variierbar. Der besondere Vorteil besteht bei allen beschriebenen Varianten darin, dass die Verdrängeranordnung 36 (zweiter Faltenbalg) frei hängend oder kragend in das Vorfüllvolumen 14 hineinragt und durch Volumenexpansion mehrseitig das Füllvolumen im Füllschritt aus dem Vorfüllvolumen verdrängt. Dabei wird die Verdrängeranordnung 36 idealerweise nur an einer Fläche oder Raumseite des Vorfüllvolumens gehalten oder gelagert.
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13 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Füllvorrichtung 70 mit einem Vorfüllraum 72, einer Produktzufuhr 74, einem Produktbehälter 75 und einem zwischen der Produktzufuhr 74 und dem Vorfüllraum 72 angeordneten Sperrventil 76. Das im Produktbehälter 75 befindliche Produkt kann insbesondere eine Produktstücke enthaltende und/oder höher viskose Flüssigkeit sein. In den Vorfüllraum 72 ragt von oben eine Verdrängeranordnung 78, enthaltend ein Auslass- oder Zufuhrrohr 80 und eine diesen im Vorfüllraum 72 umgebende Gummischicht bzw. elastische Polymerschicht 82 in Art eines Ballons. Die Polymerschicht 82 liegt an dem Zufuhrrohr 80 an, wenn der Druck im Fluidbehälter 88 kleiner als der Druck im Produktbehälter 75 ist. Die Polymerschicht 82 ist an der Oberseite des Vorfüllraums 72 befestigt und abgedichtet. In dem Zufuhrrohr 80 ist oberhalb des Vorfüllraums 72 ein Dosierventil 84 und oberhalb des Dosierventils ein Durchflussmesser 86 (z.B. MID) angeordnet. Dabei kann der Durchflussmesser 86 idealerweise für beide Fließrichtungen den Volumenstrom erfassen. Das obere Ende des Zufuhrrohrs 80 endet in einem Fluidbehälter 88, welcher das Druckfluid zum Expandieren des Raums innerhalb der Polymerschicht 82 bezieht. Am unteren Ende des Vorfüllraums 72 ist ein Füllventil 89 angeordnet. Die Steuerung der Füllvorrichtung 70 erfolgt durch einfaches wechselweises Schalten der Ventile 76, 84 und 89 und die Tatsache, dass 3 unterschiedliche Druckniveaus genutzt werden: p1 (Produkt) > p2 (Druckfluid) > p0 (atmosphärisch).
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Weiterhin sinnvolle oder nötige Ventile, Drosseln oder Pumpen sind nicht dargestellt. Insb. kann bei allen hydraulischen Antrieben der Verdrängervorrichtungen mittels Kopplungsflüssigkeit, die Kopplungsflüssigkeit über einen Fluidbehälter 88 mit geeigneten Stell- und Steuergliedern ein- und ausgeleitet werden. Dabei ist idealer Weise nur jeweils ein zentraler Fluidbehälter pro Druckniveau bzw. Fluid (Kopplungsfluid, Produkt) vorgesehen, mit welchem alle Füllelemente bzw. deren jeweilige Verdrängerelemente verbunden sind. Diese zentralen Fluidbehälter sind insb. als Ringkanäle oder -behälter ausgeführt. Zur Einstellung des gewünschten Druckniveaus in dem jeweiligen Fluidbehälter ist jeweils nur eine zentrale Einheit, wie eine Pumpe oder Einspeisung erforderlich. Beim Füllvorgang wird das Sperrventil 76 geschlossen und Dosierventil 84 und Füllventil 89 werden geöffnet, um eine durch den Durchflussmesser 86 abgemessene, definierte Menge an Druckfluid, z.B. Öl oder Wasser, in den Innenraum innerhalb der Polymerschicht 82 zu drücken. Die Polymerschicht 82 dehnt sich dabei auf die gestrichelt dargestellte ballonartige Form aus, womit ein definiertes Produktvolumen aus dem Vorfüllraum 72 über das Füllventil 89 in einen Behälter 96, z.B. eine Flasche, abgegeben wird.
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Nach dem Füllvorgang wird das Füllventil 89 geschlossen und das Sperrventil 76 geöffnet. Nun wird die in den Innenraum innerhalb der Polymerschicht 82 gedrückte Druckfluidmenge durch den höheren Druck im Produktbehälter 75 gegenüber des Drucks im Fluidbehälter 88 oder mittels einer Pumpe wieder in den Fluidbehälter 88 zurückgedrückt, womit die Polymerschicht 82 wieder an dem Zufuhrrohr 80 anliegt.
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Bei Einsatz einer Pumpe oder von geeigneten Druckverhältnissen in den entsprechenden Behältern, wird die definierte Produktmenge aus dem Produktbehälter 75 in den Vorfüllraum 72 eingeleitet, womit die Füllvorrichtung 70 fertig für den nächsten Füllvorgang ist.
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14 zeigt eine zu 13 weitgehend identische Ausführungsform einer Füllvorrichtung 90, bei der identische und funktionsgleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu der Ausführungsform 70 der 13 ist in dieser Ausführungsform anstatt einer ballonartigen Polymerschicht 82 ein Faltenbalg 92 Bestandteil der Verdrängeranordnung 94, der die gleiche Funktion wie die Polymerschicht 82 in 13 hat. Der Faltenbalg 92 kann aus einem relativ unelastischen Material bestehen, denn die Volumenänderung kann hier durch die Relativbewegung der Teile des Faltenbalgs relativ zueinander realisiert werden. Wie in 13 wird der Faltenbalg 92 mit einem Druckfluid beaufschlagt. Die Steuerung erfolgt dabei wie in Zusammenhang mit 13 erläutert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Füllvorrichtung (erste Ausführungsform)
- 12
- Produktbehälter
- 14
- Vorfüllraum
- 16
- Doppelkolbenanordnung
- 18
- äußerer Kolben
- 20
- unteres Ende des äußeren Kolbens
- 22
- Boden des Produktbehälters
- 24
- erster Faltenbalg
- 26
- Zulauf
- 28
- Auslauf (Ventil)
- 30
- elastische Membran
- 32
- Dichtelement
- 34
- Auslauföffnung
- 36
- innerer Kolben
- 38
- zweiter Faltenbalg
- 40
- Stößelstange
- 42
- Laufrolle
- 44
- Führungsfläche
- 45
- Steuerelement
- 50
- Füllvorrichtung (dritte Ausführungsform)
- 52
- Einzelantrieb
- 56
- Wägezelle
- 60
- Füllvorrichtung (zweite Ausführungsform)
- 62
- Stößelstange
- 64
- Kolbenelement
- 66
- Fluid
- 70
- Füllvorrichtung (vierte Ausführungsform)
- 72
- Vorfüllraum
- 74
- Produktzufuhr
- 75
- Produktbehälter
- 76
- Sperrventil
- 78
- Verdrängeranordnung
- 80
- Zufuhrrohr
- 82
- Polymerschicht (Ballon)
- 84
- Dosierventil
- 86
- Durchflussmesser
- 88
- Fluidbehälter
- 89
- Füllventil
- 90
- Füllvorrichtung (fünfte Ausführungsform)
- 92
- Faltenbalg
- 94
- Verdrängeranordnung
- 96
- Behälter
