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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt, bevorzugt zum Befüllen eines Behälters mit einem Getränk in einer Getränkeabfüllanlage, wobei die Vorrichtung eine Hubvorrichtung zum Aufbringen einer Relativbewegung zwischen einer Behälterhalterung zum Halten des zu befüllenden Behälters und einem Füllventil zum Befüllen des zu befüllenden Behälters aufweist.
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Stand der Technik
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Beim Abfüllen von Behältern mit einem flüssigen Füllprodukt kann es erforderlich sein, eine dichte Verbindung, insbesondere sowohl eine flüssigkeitsdichte als auch gasdichte Verbindung, zwischen dem Behälter und dem Füllventil, über welches das Füllprodukt in den Behälter eingebracht werden soll, zu schaffen. Dies trifft nicht nur, aber insbesondere bei der Abfüllung karbonisierter Getränke zu. Zu diesem Zweck sind widerstandsfähige, technisch recht aufwendige Antriebe zur Realisierung der Anpressbewegung und zum Aufrechterhalten des Anpressdrucks zwischen Füllventil und Behälter während des Füllvorgangs erforderlich. Verkompliziert wird die technische Lösung, wenn die Abfüllung unter Druck stattfindet, denn in diesem Fall muss über die eigentliche Anpresskraft hinaus auch der Innendruck des Behälters gestützt und diesem während des Füllvorgangs standgehalten werden.
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Herkömmlich werden zur Realisierung der Hubbewegung des Füllventils oder des Behälters Pneumatikantriebe, elektromotorische Antriebe oder andere mechanische Aktoren verwendet. Gemäß einem konkreten Beispiel wird, nachdem der erste Kontakt zwischen Füllventil und Behälter hergestellt ist, der Behälter mit einem Gas gespült und dann unter Druck gesetzt, um den Behälter für das nachfolgende Befüllen mit einem karbonisierten Füllprodukt vorzuspannen. Durch den Innendruck des Behälters, verstärkt durch einen etwaigen kleinen Öffnungsquerschnitt der Behältermündung, wirkt eine der Anpressbewegung entgegengesetzte Kraft, die sich direkt am Antrieb bemerkbar macht. Diese Kraft muss vom Antrieb aufgenommen werden, ohne dass eine unerwünschte Relativbewegung zwischen Füllventil und Behälter stattfindet, da andernfalls die Dichtigkeit zwischen Füllventil und Behälter nicht sichergestellt werden kann und somit Gas entweichen könnte.
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Aus diesem Grund werden, zumindest in den Fällen, in denen mittels eines Antriebs eine automatisierte Hubbewegung realisiert wird, große und widerstandsfähige Antriebe benötigt. Beispielsweise werden vergleichsweise große und energieintensive Pneumatikzylinder oder starke Elektromotoren benötigt, die sich wiederrum negativ auf Herstellungs-, Betriebs- und Wartungskosten auswirken. In Abfüllanlangen, die mit einem Füllerkarussell ausgestattet sind, kommt erschwerend hinzu, dass mehrere oder alle Füllventile mit entsprechenden Antrieben vorgesehen sind. Ein weiteres Problem besteht darin, dass große Anpresskräfte und/oder hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Behälter und Füllventil zu Beschädigungen an der Behältermündung führen können. Das Problem hoher Relativgeschwindigkeiten tritt insbesondere in Fällen auf, in denen der Antrieb mittels eines Pneumatikzylinders realisiert ist.
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Darstellung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt anzugeben, die wenigstens eines der oben genannten technischen Probleme löst, insbesondere ein zuverlässiges, wartungsarmes und energieeffizientes Abfüllen bei einem zwischen Füllorgan und Behälter abgedichteten Zustand ermöglicht.
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Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.
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Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt, bevorzugt zum Befüllen des Behälters mit einem Getränk in einer Getränkeabfüllanlage, vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung eine Hubvorrichtung zum Aufbringen einer Relativbewegung zwischen einer Behälterhalterung zum Halten des zu befüllenden Behälters und einem Füllventil zum Befüllen des zu befüllenden Behälters aufweist, wobei die Hubvorrichtung einen Antrieb zum Bewirken der Relativbewegung aufweist. Erfindungsgemäß weist die Hubvorrichtung ferner einen Kniehebelmechanismus auf, der den Antrieb und das Füllventil miteinander koppelt.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung ist zum Befüllen eines Behälters mit einem Füllprodukt, vorzugsweise zum Befüllen des Behälters mit einem Getränk in einer Getränkeabfüllanlage, vorgesehen. Das Füllprodukt ist vorzugsweise ein karbonisiertes Getränk. Für diesen Anwendungsfall ist die Erfindung besonders geeignet, da sie bei ausgezeichneter Zuverlässigkeit einen hohen Grad der Abdichtung realisiert.
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Der Antrieb selbst ist vorzugsweise ein Pneumatikantrieb, da dieser ausgezeichnet mit dem Kniehebelmechanismus zusammenarbeitet, wie es weiter unten genauer erläutert wird.
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Durch die Kraftübertragung mittels des Kniehebelmechanismus werden in der Anpressphase, das heißt, der Phase, in der die Hubvorrichtung das Füllventil und den Behälter aufeinander zu bewegt, bis diese in Kontakt geraten, wesentliche Kräfte von dem Kniehebelmechanismus aufgenommen. Zum einen führt dies dazu, dass der Antrieb im Vergleich zu einem Direktantrieb erheblich weniger Kraft zum Anpressen bereitstellen muss. Zum anderen nimmt der Kniehebelmechanismus im vollständig angepressten Zustand während des Füllvorgangs große Teile oder sogar im Wesentlichen die gesamte Anpresskraft, die sich etwa aus der Druckkraft und der Vorspannkraft zusammensetzt, auf, so dass der Antrieb dadurch erheblich entlastet wird. Der Antrieb kann somit kleiner und leistungsärmer ausgeführt werden. Außerdem müssen keine weiteren technischen Maßnahmen vorgesehen sein, um den Antrieb gegen etwaige andauernde Druckbelastungen zu schützen.
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All diese technischen Vereinfachungen wirken sich vorteilhaft auf die Zuverlässigkeit der Anlage aus. Es lassen sich unter anderem Herstellungs-, Betriebs- und Wartungskosten einsparen. Darüber hinaus definiert der Kniehebelmechanismus eine exakte Endposition, so dass kein Überhub möglich ist, der zu Beschädigungen des Behälters führen könnte. Vorzugsweise wird die Anpressung durch ein dämpfendes Dichtelement aufgefangen. Ein weiterer Nutzen durch den Kniehebelmechanismus besteht darin, dass der bewegte Teil, also das Füllventil und/oder der Behälter, sich der Endposition asymptotisch annähert, wodurch sich die Relativgeschwindigkeit entlang der Behälterhauptachse gegen Null annähert, was im Vergleich zu einem automatischen Direktantrieb ein sehr sanftes Aufsetzen ermöglicht. Auch aus diesem Grund werden Mündungsbeschädigungen des Behälters mittels des hier dargestellten Mechanismus vermindert.
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Vorzugsweise wirkt der Kniehebelmechanismus auf das Füllventil, noch bevorzugter auf eine höhenverstellbare Mündungsglocke, die in diesem Fall Bestandteil des Füllventils ist. Im Falle der Hubbewegung des Füllventils beziehungsweise der Mündungsglocke kann gegebenenfalls auf eine Bewegung des Behälters in Hubrichtung verzichtet werden. Dies wiederum vermindert die Wahrscheinlichkeit, dass Füllprodukt während oder nach dem Befüllen verschüttet wird. Wenn das Füllventil beziehungsweise dessen Mündungsglocke im Vergleich zum zu befüllenden Behälter leichter ist, kann darüber hinaus der Antrieb noch kleiner vorgesehen sein. In bestimmten Fällen kann es allerdings von Vorteil sein, den Kniehebelmechanismus auf die Behälterhalterung wirken zu lassen. Die Behälterhalterung kann etwa als Hubteller und/oder verstellbare Halsklammer ausgeführt sein. Das Füllventil ist beispielweise mit Schläuchen oder anderen Mitteln zur Verbindung mit einer Füllproduktzufuhreinrichtung und/oder Gaszufuhreinrichtung verbunden. Insofern ist eine technische Umsetzung, bei der die Behälterhalterung die Hubbewegung ausführt, vor allen Dingen dann wünschenswert, wenn eine Verfahrbarkeit des Füllventils entlang der Hubrichtung technisch nur vergleichsweise aufwendig umsetzbar ist.
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Bevorzugt wirkt der Kniehebelmechanismus auf das Füllventil, bevorzugt auf eine höhenverstellbare Mündungsglocke des Füllventils. Weiterhin bevorzugt wirkt der Kniehebelmechanismus auf die Behälterhalterung, bevorzugt einen Hubteller oder eine Halsklammer der Behälterhalterung, wobei dies auch indirekt über einen Klammerträger erfolgen kann.
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Vorzugsweise ist der Kniehebelmechanismus so ausgelegt, dass im Kontaktzustand des Füllventils mit dem zu befüllenden Behälter eine durch den Kontakt resultierende Kraft entlang der Richtung der Hubbewegung im Wesentlichen nicht auf den Antrieb wirkt. Dies ist insbesondere im vollständig gestreckten Zustand oder in einem überstreckten Zustand des Kniehebelmechanismus, wenn dieser mit einem Anschlag ausgestattet ist, realisierbar. Somit wirkt während des gesamten Füllvorgangs keine signifikante Last auf den Antrieb, was zu einer Verbesserung der Langlebigkeit, einer weiteren Verkleinerung des Antriebs und Verringerung des Wartungsaufwands beiträgt.
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Gemäß einer einfachen Konstruktion weist der Kniehebelmechanismus ein Gelenk und einen ersten und einen zweiten Hebelarm auf, wobei das Gelenk die beiden Hebelarme schwenkbar miteinander verbindet. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der erste Hebelarm drehbar mit dem Füllventil verbunden, ist der zweite Hebelarm drehbar an einer bezüglich der Hubbewegung ortsfesten Position angeordnet und ist das Gelenk oder einer der beiden Hebelarme in der Umgebung des Gelenks mit dem Antrieb verbunden. Dies stellt eine technisch einfache Realisierung dar, welche nichtsdestotrotz die beschriebenen vorteilhaften technischen Wirkungen, insbesondere die Entlastung des Antriebs, leistet.
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Vorzugsweise ist der Kniehebelmechanismus so ausgelegt, dass dieser im Kontaktzustand zwischen Füllventil und Behälter im Wesentlichen gestreckt und entlang einer Linie, die parallel zur Richtung der Höhenverstellung liegt, ausgerichtet ist. In diesem Fall ist die Entlastung des Antriebs während des Füllvorgangs optimal, da die wirkenden Kräfte weitgehend oder völlig vom Antrieb entkoppelt sind.
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Die Zuverlässigkeit des Mechanismus lässt sich dadurch erhöhen, dass der Kniehebelmechanismus im Kontaktzustand nicht exakt gestreckt ist, sondern minimal überstreckt ist und ein weiteres Überstrecken mittels eines Anschlags verhindert wird. In diesem Fall rastet der Kniehebelmechanismus am Anschlag gewissermaßen in ein lokales energetisches Minimum ein, so dass der Zustand während des Füllvorgangs zuverlässig gehalten wird. Besonders bei dieser technischen Realisierung, aber auch in anderen Ausführungsbeispielen, ist ein flexibles Dämpfungselement am Füllventil nutzbringend, da beim Anpressvorgang kurzzeitig ein maximaler Anpressdruck (gestreckter Zustand des Kniehebels) erreicht wird und anschließend eine minimale Lockerung stattfindet. Der Ausgleich zwischen dem maximalen Anpressdruck und dem überstreckten Zustand, in dem das Füllen des Behälters stattfindet, kann über ein solches flexibles Dämpfungselement, das beispielsweise mittels einer Feder, eines Faltenbalgs oder als Gummielement ausgeführt sein kann, geschaffen werden.
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Um eine Relativbewegung beziehungsweise ein Verrutschen zwischen Behälter und Füllventil in einer Richtung senkrecht zur Hubrichtung zuverlässig zu vermeiden, erfolgt die Kraftübertragung entlang der Hubrichtung vorzugsweise entlang der Behälterhauptachse. Ferner wird die Antriebskraft vorzugsweise senkrecht zur Richtung der Hubbewegung auf den Kniehebelmechanismus aufgebracht, um eine bestmögliche Kraftübertragung zu schaffen.
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Der vorliegende Mechanismus ist robust und zuverlässig und insofern besonders in einer solchen Vorrichtung geeignet, bei der sich das Füllventil und der Behälter während des Befüllens entlang eines Transportwegs, der sich von der Richtung der Hubbewegung unterscheidet, bewegen. Insbesondere kommen hier kreisbogenförmige Transportwege in Frage, etwa wenn ein Füllerkarussell Anwendung findet. In diesem Fall wird der Behälter bei Eintritt in die Vorrichtung der Behälterhalterung, beispielsweise einem Hubteller oder einer Halsklammer des Füllerkarussells, übergeben, es findet ein definierter kreisbogenförmiger Transport statt, währenddessen der Behälter befüllt wird. Anschließend wird der Behälter beispielsweise von einem Füllerauslaufstern gegriffen und abtransportiert. Das Füllerkarussell weist mehrere Hubvorrichtungen mit jeweils eigenem Antrieb auf. Da bei derartigen Vorrichtungen der Antrieb (sogar mehrere Antriebe) entlang der Transportrichtung mitbewegt werden muss, liefert eine Verkleinerung des Antriebs und eine Verbesserung der Zuverlässigkeit gerade für derartige Vorrichtungen einen vorteilhaften Beitrag.
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Wenngleich die vorliegende Erfindung im technischen Umfeld von Getränkeabfüllanlagen zum Einsatz kommt, kann die Erfindung gegebenenfalls auch in anderen Bereichen umgesetzt werden, beispielsweise bei Abfüllanlagen außerhalb des Lebensmittelbereichs oder bei Behälterschließanlagen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 schematisch einen Ausschnitt einer Vorrichtung zum Befüllen eines Behälters im Querschnitt senkrecht zu einem Füllerkarussell, und
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2 einen Kniehebelmechanismus im gestreckten Zustand.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Um Redundanzen zu vermeiden, wird auf die wiederholte Beschreibung dieser Elemente in der nachfolgenden Beschreibung teilweise verzichtet.
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In der 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein Füllorgan und das Bezugszeichen 30 einen mit einem Füllprodukt zu befüllenden Behälter 30, der über eine nicht dargestellte Behälterhalterung gehalten wird. Das Füllorgan 10 hat ein in einer Hubrichtung bewegliches Füllventil 15 und einen ortsfesten Teil 16. Das Füllventil 15 ist mit einem Kniehebelmechanismus 20, dessen technische Funktion weiter unten erläutert wird, verbunden. Darüber hinaus weist das Füllorgan 10 Mittel zum Zuführen des Füllprodukts 11 auf.
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Das Füllventil 15 weist eine Mündungsglocke 16 auf, die so ausgelegt ist, dass sie mit einem Mündungsabschnitt 31 des Behälters 30 dichtend in Kontakt gebracht werden kann. Die Mündungsglocke 16 kann dazu angehoben oder abgesenkt werden, um entsprechend einen Spalt zwischen der Mündungsglocke 16 und der Behältermündung im angehobenen Zustand zu überwinden. Die Mündungsglocke 16 wird gegenüber dem restlichen Füllventil 15 mittels eines Faltenbalgs 17 abgedichtet, um eine hygienisch einwandfreie Ausbildung des Füllventils 15 zu erreichen.
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Die Hubbewegung, die in der 1 der Auf- und Abrichtung entspricht, wird durch einen Antrieb 12 in Zusammenwirkung mit dem Kniehebelmechanismus 20 vermittelt. Der Antrieb 12 und der Kniehebelmechanismus 20 sind beide Bestandteil der Hubvorrichtung. Der Antrieb 12 ist im vorliegenden Beispiel als Hydraulikantrieb mit Zylinder und Kolben und einem Arbeitsfluid, das den Zylinder im Kolben verschiebt, ausgebildet und ist so vorgesehen, dass dieser eine Kraft im Wesentlichen senkrecht zur Hubrichtung, also im Beispiel der 1 in der Links/Rechtsrichtung, aufbringen kann. Die Übertragung der Kraft erfolgt direkt auf das Gelenk 21 des Kniehebelmechanismus 20.
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Im Zustand, der in der 1 abgebildet ist, sind der Behälter 30 und das Füllventil 15 getrennt, der Kniehebelmechanismus befindet sich in einer abgewinkelten Stellung. Ausgehend von diesem Zustand wird zur Herstellung des abgedichteten Zustands zwischen Behälter 30 und Füllventil 15 der Pneumatikantrieb 12 betätigt, so dass dieser eine Kraft auf das Gelenk 21 des Kniehebelmechanismus 20 aufbringt. Mit dem Gelenk 21 sind ein erster Hebelarm 22 und ein zweiter Hebelarm 23 schwenkbar verbunden. Der erste Hebelarm 22 ist auf der dem Gelenk 21 abgewandten Seite drehbar mit dem Füllventil 15 verbunden. Der zweite Hebelarm 23 ist auf der dem Gelenk 21 abgewandten Seite an einer wenigstens bezüglich der Hubrichtung ortsfesten Position der Vorrichtung drehbar angebracht. Indem durch den Antrieb 12 in der zur Hubrichtung senkrechten Richtung eine Kraft auf das Gelenk 21 aufgebracht wird, streckt sich der Kniehebelmechanismus 20, bis er einen im Wesentlichen gestreckten Zustand erreicht, der in der 2 dargestellt ist. Durch die Streckbewegung wird die Mündungsglocke 16 nach unten bewegt und mit der Mündung 31 des Behälters 30 in Kontakt gebracht. Auf diese Weise ist ein abgedichteter Zustand zwischen Behälter 30 und Füllventil 15 hergestellt. Der eigentliche Füllvorgang kann dann beginnen.
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Um ein übermäßiges Überstrecken des Kniehebelmechanismus 20 zu vermeiden, ist ein Anschlag 24 vorgesehen, der ein Überstrecken des Kniehebelmechanismus 20 bei der Anpressbewegung verhindert. Der Anschlag 24 kann so positioniert sein, dass der Kniehebelmechanismus 20 im Kontaktzustand nicht exakt gestreckt ist, sondern minimal überstreckt ist und ein weiteres Überstrecken mittels eines Anschlags 24 verhindert wird. In diesem Fall rastet der Kniehebelmechanismus 20 am Anschlag ein, wodurch der Zustand während des Füllvorgangs zuverlässig gehalten wird.
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Oben war von einem ortsfesten Teil 16 des Füllorgans 10 die Rede. Diese "Ortsfestigkeit" bezieht sich auf die Richtung der Hubbewegung. Denn im Beispiel der 1 bewegen sich das Füllorgan 10 sowie der Behälter 30 während des Anpressvorgangs und während des Füllvorgangs auf einem Transportweg, der sich in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der Hubbewegung befindet. Diese Transportbewegung senkrecht zur Hubrichtung wird durch ein Füllerkarussell vermittelt, dessen Teilquerschnitt im Bereich des Füllorgans 10 mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet ist. Das Füllerkarussell 40 ist um eine nicht dargestellte Achse drehbar, wodurch das Füllorgan 10, der Antrieb 12, der Kniehebelmechanismus 20 entlang einer kreisförmigen Trajektorie verlaufen. Den gleichen Weg nimmt der Behälter 30, so dass während des Füllvorgangs der abgedichtete Zustand zwischen der Mündungsglocke 16 und dem Mündungsbereich 31 beibehalten wird.
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Durch die Kraftübertragung mittels des Kniehebelmechanismus 20 werden in der Anpressphase, das heißt, der Phase, in der die Hubvorrichtung das Füllventil 15 und den Behälter 30 aufeinander zu bewegt, bis diese in Kontakt geraten, wesentliche Kräfte von dem Kniehebelmechanismus 20 aufgenommen. Zum einen führt dies dazu, dass der Antrieb 12 im Vergleich zu einem Direktantrieb erheblich weniger Kraft zum Anpressen bereitstellen muss. Zum anderen nimmt der Kniehebelmechanismus 20 im vollständig angepressten Zustand während des Füllvorgangs im Wesentlichen die gesamte Anpresskraft auf, so dass der Antrieb 12 dadurch erheblich entlastet wird. Der Antrieb 12 kann somit kleiner und leistungsärmer ausgeführt werden. Außerdem müssen keine weiteren technischen Maßnahmen vorgesehen sein, um den Antrieb 12 gegen etwaige andauernde Druckbelastungen zu schützen. Darüber hinaus definiert der Kniehebelmechanismus 20 eine exakte Endposition, so dass kein Überhub möglich ist, der zu Beschädigungen des Behälters 30 beziehungsweise dessen Mündung 31 führen könnte.
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Das Lösen der Anpressung der Mündungsglocke 16 an die Mündung des dann befüllten Behälters findet in der umgekehrten Richtung statt. Insbesondere wird über den Antrieb 12 der Kniehebelmechanismus 20 wieder in die gebeugte Position gebracht, so dass die Mündungsglocke 12 angehoben wird und in die Ausgangsstellung verfahren wird. Dann kann der befüllte Behälter entnommen werden und ein neuer zu befüllender Behälter eingebracht werden.
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Obwohl in dem gezeigten Ausführungsbeispiel stets die Mündungsglocke 16 und damit das Füllventil 15 über den Kniehebelmechanismus 20 bewegt wurde, kann selbstverständlich auch eine Behälteraufnahme über den Kniehebelmechanismus 20 bewegt werden, um den zu befüllenden Behälter an einer feststehenden Mündungsglocke 20 anzupressen. Um einen größeren Hub bereit zu stellen können auch Mündungsglocke 16 und Behälteraufnahme jeweils über einen Kniehebelmechanismus 20 angehoben und abgesenkt werden.
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Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Füllorgan
- 11
- Mittel zum Zuführen des Füllprodukts
- 12
- Antrieb
- 15
- Füllventil
- 16
- Mündungsglocke
- 17
- Faltenbalg
- 20
- Kniehebelmechanismus
- 21
- Gelenk
- 22
- erster Hebelarm
- 23
- zweiter Hebelarm
- 24
- Anschlag
- 30
- Behälter
- 31
- Behältermündung
- 40
- Füllerkarussell
