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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Befüllen von Behältern mit einem flüssigen Füllgut gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und auf ein Verfahren zum Befüllen von Behältern mit einem flüssigen Füllgut gemäß Patentanspruch 15.
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Die Erfindung betrifft Behälterbehandlungsmaschinen in der Getränkeindustrie, insbesondere Behälterbehandlungsmaschinen mit Leistungen von mehr als 10000 Behältern pro Stunde, insbesondere Behälterbehandlungsmaschinen mit einer Leistung von mehr als 50000 Behältern pro Stunde. Insbesondere betrifft die Erfindung Behälterbehandlungsmaschinen, welche als so genannte Füllmaschinen oder Füller für die Befüllung der Behälter mit flüssigem Füllgut, insbesondere mit Getränken ausgebildet und eingerichtet sind. Derartige Vorrichtungen und Verfahren zum Befüllen von Behältern mit einem flüssigen Füllgut, insbesondere auch zum Druckfüllen, sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt.
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Unter „Freistrahlfüllen“ oder „Freistrahlbefüllung“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Füllsystem bzw. ein Füllverfahren verstanden, bei dem das flüssige Füllgut dem zu befüllenden Behälter ab dem Flüssigkeitsventil in einem freien Füllstrahl oder Füllgutstrahl zuströmt, wobei die Strömung des Füllgutes nicht durch Leitelemente wie z.B. Ableitschirme, Drallkörper, kurze oder lange Füllrohre beeinflusst oder verändert wird.
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Freistrahlfüllen kann sowohl drucklos, als auch unter Druck erfolgen. Bei der drucklosen Freistrahlfüllung weist der Behälter Umgebungsdruck auf, wobei der Behälter in der Regel mit seiner Behältermündung oder -öffnung nicht am Füllelement anliegt, sondern von dem Füllelement bzw. von einer vorgesehenen Abgabeöffnung beabstandet ist. Liegt der Behälter bei der drucklosen Freistrahlfüllung doch mit seiner Behältermündung am Füllelement an, so stellt ein Gasweg eine Verbindung zwischen dem Innenraum des Behälters und der Umgebung her, wodurch eine drucklose Füllung ermöglicht wird. Bevorzugt entweicht über diesen Gasweg auch das im Behälter enthaltene und durch das in den Behälter einströmende Getränk verdrängte Gas in die Umgebung.
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Erfolgt die Freistrahlfüllung unter einem vom Umgebungsdruck abweichenden Druck, so wird der Behälter mit seiner Mündung gegen das Füllelement angepresst und abgedichtet, der Druck im Innenraum des Behälters wird durch Beaufschlagung mit einem Spanngas (Inertgas bzw. CO2-Gas) oder durch Beaufschlagung mit einem Unterdruck auf diesen, vom Umgebungsdruck abweichenden Druck eingestellt, welcher sowohl über, als auch unter dem Umgebungsdruck liegen kann.
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In Dichtlage mit dem Füllelement befindlicher Behälter bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass der jeweils zu füllende Behälter in der dem Fachmann bekannten Art und Weise mit seiner Behältermündung dicht an das Füllelement bzw. an eine dortige, die wenigstens eine Abgabeöffnung umgebende Dichtung angepresst liegt.
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Auch ist das „Blitzbefüllen“ bekannt, unter dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Füllsystem bzw. ein Füllverfahren verstanden wird, bei dem das Produkt zur Füllung mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, nämlich insbesondere blitzartig oder blitzschnell, in den zu befüllenden Behälter, in der Regel eine Flasche, abgegeben wird. Dies wird durch den „Blitzfüllmechanismus“ verwirklicht, bei dem das Füllgut blitzartig oder blitzschnell aus dem Vorlagegefäß in die Flasche gedrückt wird, wobei Dampfatmosphäre in der Flasche sowie ein Überdruck im Vorlagegefäß und Unterdruck in der Flasche herrscht und wobei der Dampf in der Flasche durch den ersten Kontakt mit dem Füllgut zu Wasser kondensiert. Problematisch bei der Blitzfüllung ist die Bestimmung der Füllmenge bzw. Füllhöhe, da die Füllgeschwindigkeit so hoch ist und damit die Füllzeit gering ist. Die reine Füllzeit beträgt bei der Blitzfüllung von Flaschen mit einem Fassungsvolumen von 0,33 oder 0,5 Litern beispielsweise lediglich 300-800 ms.
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Ähnlich schnell laufen auch so genannte Form-Fill-Prozesse ab. Bei derartigen Form-Fill-Prozessen werden aus den vorgelegten bzw. bereitgestellten Preforms die fertigen Behälter nicht mittels Streckblasen unter der Verwendung von Druckluft hergestellt, sondern direkt unter Verwendung und Einbringen des abzufüllenden Füllguts.
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Es ist bekannt, zur Bestimmung des in den jeweiligen Behälter abgefüllten Flüssigkeitsvolumens oder der Flüssigkeitsmenge so genannte Massendurchflussmesser oder MIDs (Magnetisch-induktive Durchflussmesser) zu verwenden, wobei diese eine Messstrecke aufweisen, welche stets vollständig mit Füllgut befüllt ist.
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Innerhalb der sehr kurzen Füllzeit muss die zur Füllung anstehende Flüssigkeitssäule von der Geschwindigkeit „Null“ auf eine Maximalgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend auch wieder abgebremst werden. Dies führt mitunter zu Turbulenzen, Querströmungen, ausgasendes CO2-Gas oder dergleichen.
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Nachteilig ist bei diesen bekannten Verfahrensweisen u.a., dass diese Beschleunigungen auch für die in der Messstrecke befindliche Füllgutmenge gelten. So kann daher nicht garantiert werden, dass bei einer Messung mittels MIDs oder Massendurchflussmesser innerhalb der nur sehr kurzen, für die Messung zur Verfügung stehenden Zeitspanne bzw. Messfrequenz, eine ausreichende Messgenauigkeit erzielt werden kann. Eine Gewährleistung, dass die befüllten Behälter somit ihr gefordertes Nenn- bzw. Soll-Volumen sicher aufweisen, kann folglich nicht gegeben werden.
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Auch ist es bekannt, unter Verwendung von Dosierkammern oder Mischkammern ein abzufüllendes Volumen zu bestimmen, allerdings wird hierzu bei den aus dem Stand der Technik belkannten Lösungen die tatsächlich abgefüllte Menge des Füllgutes mit Hilfe von Füllstandssensoren bzw. niveaugesteuert während der eigentlichen Abgabe des Füllgutes in die Behälter bestimmt und kontrolliert. Für ein so genanntes „Blitzfüllen“ sind diese Lösungen daher nicht geeignet. Beispielsweise beschreibt die
DE 43 12 367 A1 eine Vorrichtung zum portionsweisen Abfüllen von Flüssigkeiten aus einem Vorratsbehälter bei der das Füllgut über ein Steuerventil in eine Dosierkammer einströmen und über ein Schaltventil wieder aus dieser ausströmen kann, um schließlich für den eigentlichen Füllvorgang zu einem Behälter zu gelangen. Zur Überwachung der Menge des in die Dosierkammer einströmenden und aus dieser wieder ausströmenden Füllguts sind meherere Füllstandsensoren vorgesehen, wobei in der Dosierkammer ein größeres Volumen vorgehalten wird als die maximal abzufüllende Füllgutmenge einer Portion beträgt. Gemäß der
DE 43 12 367 A1 bestimmt sich das aus der Dosierkammer abzugebende und in eine entsprechende Flasche abzufüllende Volumen mithilfe der Füllstandsensoren während des eigentlichen Füllvorganges als errechnetes Differenzvolumen zwischen einem oberen und einem untersten Füllstand in der Dosierkammer.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2006 045 987 A1 eine Vorrichtung zum Befüllen von Behältern mit einem aus zumindest zwei Komponenten bestehenden Flüssigkeitsgemisch bekannt, bei der zwei Kessel als Vorratsbehälter für die jeweiligen Komponenten des abzufüllenden Flüssigkeitsgemisches sowie eine Mischkammer zum Mischen der Komponenten vorgesehen sind. Jede Komponente strömt über ein jeweiliges, mit dem entsprechenden Kessel verbundenes Steuerventil in die Mischkammer ein und das Gemisch strömt mittels eines Schaltventils wieder aus der Mischkammer aus und weiter in Richtung des Behälters. Das Befüllen der Behälter, nämlich die Abgabe des Füllgutes an den Behälter, erfolgt dabei füllhöhengesteuert während des eigentlichen Füllvorganges. Ferner beschreibt die
DE 10 2014 104 873 A1 eine Vorrichtung zum Befüllen von mit Unterdruck beaufschlagten Behältern mit einem unter Überdruck stehenden karbonisierten Füllgut, wobei die Vorrichtung ebenfalls eine Dosierkammer aufweisen kann. Die Kontrolle und Überwachung der in den Behälter abgegebenen Füllgutmenge erfolgt auch gemäß der
DE 10 2014 104 873 A1 niveaugesteuert während des eigentlichen Abgebens des Füllgutes in den Behälter.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Befüllen von Behältern mit einem flüssigen Füllgut bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet und mit der insbesondere beim Freistrahlfüllen, Blitzbefüllen oder bei Form-Fill-Prozessen die Behälter exakt mit ihrem geforderten Nenn- bzw. Sollvolumen befüllt werden können und die damit eine sichere und präzise Messgenauigkeit des abgefüllten Füllgutes in den Behältern ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Befüllen von Behältern mit einem flüssigen Füllgut gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Ein entsprechendes Verfahren zum Befüllen von Behältern mit einem flüssigen Füllgut ist Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 15. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen dabei besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung.
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Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Befüllen von Behältern mit einem flüssigen Füllgut, umfassend zumindest ein Füllelement zum Befüllen des Behälters, eine Produktzuführleitung zum Zuführen des Füllgutes, wenigstens ein Schaltventil zum Schalten des Füllgutstromes zu dem zumindest einen Füllelement und wenigstens ein dem Schaltventil vorgeordnetes Steuerventil zum Steuern des das Schaltventil durchströmenden Füllgutstromes. Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Teil einer Anlage bzw. genauer gesagt, ein Teil einer Abfüllanlage ist. Diese Anlage und ihr Aufbau wird im weiteren Verlauf der Beschreibung vernachlässigt, da der allgemeine Aufbau dieser Anlagen bzw. Abfüllanlagen hinlänglich bekannt ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens ein zwischen dem Schaltventil und dem Steuerventil angeordnetes Füllgefäß und mindestens eine zwischen dem Schaltventil und dem Steuerventil angeordnete Volumenmesseinrichtung auf. Das mindestens eine Füllgefäß stellt dabei eine mittels der Volumenmesseinrichtung per Volumenmessung vordosierte Füllgutmenge des Füllgutes zur Abgabe über das Schaltventil an das Füllelement bereit. Dabei ist die Vorrichtung derart ausgelegt und eingerichtet, dass die Zuführung des Füllgutes in das zumindest eine Füllgefäß mit einer ersten Füllgeschwindigkeit gemessen als Volumen pro Zeit erfolgt und die Abgabe des Füllgutes aus dem zumindest einen Füllgefäß über das Schaltventil und Füllelement in den Behälter mit einer zweiten Füllgeschwindigkeit gemessen als Volumen pro Zeit erfolgt. Die zweite Geschwindigkeit ist dabei höher als die erste Geschwindigkeit. Anders gesagt, wird die in den zu befüllenden Behälter abzufüllende Menge bereits vor der „eigentlichen“ Abfüllung abgemessen und separat bereitgestellt bzw. einfach zwischengelagert. Dies hat den Vorteil, dass während der zu befüllende Behälter durch Evakuieren, Vorspannen, Verschließen, Transfer für die Befüllung, etc. vorbereitet wird, ein ausreichend langer Zeitraum für die Bereitstellung und das Abmessen des Füllgutes zur Verfügung steht. Dadurch wird eine exakte Messgenauigkeit der Füllgutmenge erreicht. Anschließend kann dann die vordosierte Füllgutmenge aus dem Füllgefäß mit dem an den Behälter geforderten Nenn- bzw. Sollvolumen in den Behälter abgefüllt werden, und zwar vorteilhaft in einer sehr hohen Geschwindigkeit. Durch eine Geschwindigkeitsbeaufschlagung der zweiten Füllgeschwindigkeit gegenüber der ersten Füllgeschwindigkeit wird insbesondere ein schnelles Abfüllen des Füllgutes aus dem mindestens einen Füllgefäß in den Behälter ermöglicht. Die Geschwindigkeitsbeaufschlagung wird beispielsweise durch eine Druckbeaufschlagung des Füllgutes in der Produktabführleitung hergestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Produktzuführleitung ein erster Regelkreis zugeordnet, der einen ersten Drucksensor zur Erfassung des Drucks in der Produktzuführleitung, wenigstens ein erstes Regel- und Steuerventil und eine erste Regel- und Steuereinheit umfasst.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dem ersten Regelkreis eine Verteilereinrichtung nachgeordnet, die das Füllgut zu dem mindestens einen Füllelement führt. Somit wird die Füllgeschwindigkeit, d.h. die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Füllgut der Verteilereinrichtung beim Füllen des Füllgefäßes zufließt, unter Verwendung des ersten Regelkreises geregelt.
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Besonders bevorzugt ist die Verteilereinrichtung als ein Füllgutkessel ausgebildet, der während des Füllbetriebes mit dem flüssigen Füllgut teilgefüllt ist und zwar unter Ausbildung eines unteren Flüssigkeitsraumes und eines oberen Gasraumes, der mit einem unter Fülldruck stehenden Spanngas gefüllt ist. Das Spanngas, das vorzugsweise als CO2-Gas ausgebildet ist, kann dem Füllgutkessel beispielsweise über eine nicht weiter erläuterte Zuleitung zugeführt werden.
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Gemäß einer nochmals vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das mindestens eine Füllgefäß als ein Vorlagegefäß oder als ein Mess- und/oder Dosiergefäß ausgebildet, das die mittels der Volumenmesseinrichtung per Volumenmessung vordosierte Füllgutmenge des Füllgutes zur Abgabe über das Schaltventil an das Füllelement bereitstellt.
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Besonders vorteilhaft ist die Volumenmesseinrichtung dem mindestens einem Vorlagegefäß vorgeordnet und als ein Durchflussmesser ausgebildet. Als Durchflussmesser können beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Durchflussgeräte bei der Erfindung Anwendung finden, wie beispielsweise Volumendurchflussmesser oder Massendurchflussmesser. Bevorzugt wird hier ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser (MID) als Volumenmesseinrichtung ausgebildet, der die Volumenmessung für die Vordosierung des Füllgutes für das mindestens eine Vorlagegefäß vornimmt, sprich die Durchflussmenge der Füllgutmenge bestimmt.
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Gemäß einer nochmals vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dem mindestens einem Vorlagegefäß ein zweiter Regelkreis zugeordnet, der zumindest einen zweiten Drucksensor zur Erfassung des Drucks in dem mindestens einen Vorlagegefäß, wenigstens ein zweites Regel- und Steuerventil und eine zweite Regel- und Steuereinheit umfasst.
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Besonders bevorzugt ist dem zweiten Regelkreis des mindestens eines Vorlagegefäßes eine Druckregeleinrichtung zur gesteuerten und/oder geregelten Zuführung eines Spanngases an das mindestens eine Vorlagegefäß zugeordnet. Der zweite Regelkreis kann somit beispielsweise als ein Druckregelkreis ausgebildet sein.
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Gemäß einer nochmals vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Vorlagegefäßen. Dabei sind jedem Vorlagegefäß jeweilige entsprechende weitere Regelkreise zugeordnet und ferner Schieberventile zwischen dem Schaltventil und dem Steuerventil vorgesehen, mittels denen der Füllgutstrom in und aus den jeweiligen Vorlagegefäßen mittels der Schieberventile schaltbar ist.
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Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als Füllmaschine umlaufender Bauart mit einer Vielzahl von Füllelementen an einem um eine vertikale Maschinenachse umlaufend antreibbaren Rotor ausgebildet, wobei das Füllgut für die Füllelemente in dem ebenfalls am Rotor vorgesehenen und mit dem Füllgut teilgefüllten Füllgutkessel bereitgestellt ist, wobei aber auch alle anderen aus dem Stand der Technik bekannten Bauarten von Füllmaschinen bei der Erfindung Anwendung finden können, ohne dass hierdurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung fungiert das mindestens eine Mess- und/oder Dosiergefäß selbst als Volumenmesseinrichtung. Besonders vorteilhaft ist zum Befüllen des mindestens einen Mess- und/oder Dosiergefäßes ein mit einem gesteuerten Antrieb angetriebenes Kolben-Zylinder-System vorgesehen. Dabei ist der Antrieb vorteilhaft als ein Linearantrieb ausgebildet. Bei derartigen Mess- und/oder Dosiergefäß ist durch die Geometrie des Kolben-Zylinder-Paares und die Hubstrecke des Kolbens im Zylinder das Volumen, sprich die Füllgutmenge vorgegeben. So dient bei derartigen Mess- und/oder Dosiergefäßen das Kolben-Zylinder-Paar sowohl als Pumpe als auch als Messeinrichtung.
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Gemäß einer nochmals vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Querschnitt einer Produktabführleitung nach dem wenigstens einen Schaltventilgrößer größer als ein Querschnitt der Produktzuführleitung, so dass dadurch das Füllgut noch schneller aus dem mindestens einen Füllgefäß in den Behälter abgefüllt werden kann. Insbesondere ist durch eine derartige Kombination - größerer Querschnitt der Produktabführleitung als auch eine zweite höhere Füllgeschwindigkeit - eine schnelle, wenn nicht sogar blitzschnelle, Befüllung des Behälters möglich.
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Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein Verfahren zum Befüllen von Behältern mit einem flüssigen Füllgut. Das Füllgut wird dabei über eine Produktzuführleitung, über wenigstens ein Schaltventil zum Schalten des Füllgutstromes zu dem zumindest einen Füllelement und über wenigstens ein dem Schaltventil vorgeordnetes Steuerventil zum Steuern des das Schaltventil durchströmenden Füllgutstromes bis hin zu zumindest einem Füllelement zum Befüllen des Behälters geführt. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass ein zwischen dem Schaltventil und dem Steuerventil angeordnetes Füllgefäß und eine zwischen dem Schaltventil und dem Steuerventil angeordnete Volumenmesseinrichtung vorgesehen wird. Das Füllgut wird mittels der Volumenmesseinrichtung per Volumenmessung in das mindestens eine Füllgefäß vordosiert. Durch das mindestens eine Füllgefäß wird dann die mittels der Volumenmesseinrichtung per Volumenmessung vordosierte Füllgutmenge des Füllgutes zur Abgabe über das Schaltventil an das Füllelement bereitgestellt. Das Füllgut wird in das zumindest eine Füllgefäß mit einer ersten Füllgeschwindigkeit gemessen als Volumen pro Zeit zugeführt und aus dem zumindest einen Füllgefäß über das Schaltventil und Füllelement in den Behälter mit einer zweiten Füllgeschwindigkeit gemessen als Volumen pro Zeit abgegeben. Dabei ist die zweite Geschwindigkeit höher als die erste Geschwindigkeit.
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Der Kern des die Erfindung tragenden Gedankens ist im Wesentlichen darin zu sehen, dass durch das Vordosieren der Füllgutmenge bzw. durch das Bereitstellen einer vordosierten Füllgutmenge des Füllgutes in dem mindestens einen Füllgefäß eine sichere und genaue Messgenauigkeit des abgefüllten Füllgutes in den Behältern ermöglicht ist. Gerade durch dieses Vordosieren mittels des mindestens einen Füllgefäßes steht nämlich erheblich mehr Zeit für die Abmessung des Füllgutes zur Verfügung, was genau diese exakten Messgenauigkeiten ermöglicht. Daher eignet sich die Erfindung insbesondere auch für Vorrichtungen und Verfahren, bei denen das Füllgut schnell in die Behälter abgefüllt wird, bei denen insbesondere das Füllgut auf eine maximale Geschwindigkeit beim Befüllen beschleunigt wird - wie beim Blitzbefüllen oder Form-Fill-Füllen. Selbst hier kann durch die Vordosierung der Füllgutmenge das an die Behälter geforderte Nenn- bzw. Sollvolumen des Füllgutes präzise bestimmt und die Abfüllung mit ausgesprochen hoher Genauigkeit gewährleistet werden.
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Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bzw. „etwa“ bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, so dass ein Block- oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparates) wie z. B. einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Funktionsdarstellung einer beispielhaften Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Befüllen von Behältern mit einem flüssigen Füllgut;
- 2 beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Funktionsdarstellung;
- 3 beispielhaft eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Funktionsdarstellung; und
- 4 beispielhaft eine alternative Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Funktionsdarstellung.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden in den Figuren identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersichtlichkeit halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Auch ist die Erfindung in den Figuren nur als Schemataansicht zur Erläuterung der Arbeitsweise dargestellt. Insbesondere dienen die Darstellungen in den Figuren nur der Erläuterung des grundlegenden Prinzips der Erfindung. Es wurde bewusst aus Übersichtlichkeitsgründen darauf verzichtet, alle Bestandteile der Vorrichtung zu zeigen, da diese aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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1 zeigt eine schematische Funktionsdarstellung einer beispielhaften Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Befüllen von Behältern 2 mit einem flüssigen Füllgut 3, wie beispielsweise beim Freistrahlfüllen.
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Die Vorrichtung 1 umfasst in der hier gezeigten Ausführungsvariante sowie in den dargestellten Beispielen gemäß den 2, 3 und 4 stets ein Füllelement 22 zum Befüllen des Behälters 2, eine Produktzuführleitung 4 zum Zuführen des Füllgutes 3, ein Schaltventil 6 zum Schalten des Füllgutstromes zu dem Füllelement 22 und ein dem Schaltventil 6 vorgeordnetes Steuerventil 7 zum Steuern des das Schaltventil 6 durchströmenden Füllgutstromes. Selbstverständlich ist, dass die Vorrichtung 1 als Teil einer Abfüllanlage mehr als nur ein Füllelement 22, Schaltventil 6 und Steuerventil 7 aufweisen kann und dass das Füllelement 22 der Vorrichtung 1 ebenso ein Bestandteil einer Füll- und Verschließeinrichtung 23 sein kann. Die Vorrichtung 1 kann somit nicht nur als Füllanlage, sondern auch als eine Füll- und Verschließanlage verstanden werden, ohne dass hierdurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Die Vorrichtung 1 weist erfindungsgemäß in allen dargestellten Ausführungsvarianten stets ein bzw. in 3 zwei zwischen dem Schaltventil 6 und dem Steuerventil 7 angeordnete/s Füllgefäß/e 8, 9 und eine zwischen dem Schaltventil 6 und dem Steuerventil 7 angeordnete Volumenmesseinrichtung 5 auf. Selbstverständlich können weitere Ausführungsvarianten auch mehr als zwei Füllgefäß/e 8, 9 und/oder mehr als eine Volumenmesseinrichtung 5 vorsehen.
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Das Füllgefäß 8, 9 bzw. die zwei Füllgefäße 8, 9 stellt/stellen dabei eine mittels der Volumenmesseinrichtung 5 per Volumenmessung vordosierte Füllgutmenge 10 des Füllgutes 3 zur Abgabe über das Schaltventil 6 an das Füllelement 22 bereit, so dass während der zu befüllende Behälter 2 beispielsweise durch ein Evakuieren, Vorspannen, Verschließen, Transfer für die Befüllung, etc. vorbereitet wird, ein ausreichend langer Zeitraum für das Vordosieren der Füllgutmenge 10 zur Verfügung steht. Anschließend kann dann die vordosierte Füllgutmenge 10 aus dem Füllgefäß 8, 9 bzw. aus den Füllgefäßen 8, 9 an den Behälter 2 mit einer exakten Messgenauigkeit abgefüllt werden. Daher eignet sich die Erfindung insbesondere auch für Vorrichtungen 1 und Verfahren, bei denen das Füllgut 3 schnell in die Behälter 2 abgefüllt werden muss, wie beispielsweise beim Blitzbefüllen oder Form-Fill-Füllen.
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Um das Füllgut 3 besonders schnell aus dem Füllgefäß 8, 9 bzw. aus den Füllgefäßen 8, 9 in den Behälter 2 abzufüllen, ist beispielsweise vorgesehen, dass ein Querschnitt eines nach dem Schaltventil 6 angeordneten Produktleitungsabschnittes 20 größer ist als ein Querschnitt der vor dem Schaltventil 6 angeordneten Produktzuführleitung 4.
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Ebenso ist die Vorrichtung 1 derart ausgelegt und eingerichtet, dass die Zuführung des Füllgutes 3 in das Füllgefäß 8, 9 bzw. die Füllgefäße 8, 9 mit einer ersten Füllgeschwindigkeit V1 gemessen als Volumen pro Zeit erfolgt und die Abgabe des Füllgutes 3 aus dem Füllgefäß 8, 9 bzw. den Füllgefäßen 8, 9 über das Schaltventil 6 und Füllelement 22 in den Behälter 2 mit einer zweiten Füllgeschwindigkeit V2 gemessen als Volumen pro Zeit erfolgt, wobei die zweite Geschwindigkeit V2 höher ist als die erste Geschwindigkeit V1. Die Füllgeschwindigkeit gemessen als Volumen pro Zeit ist vorliegend auch als Produktstrom oder Füllstrom zu verstehen. Beispielsweise kann die zweite Füllgeschwindigkeit V2 dabei in einem Bereich von 0,5 l/s (Liter pro Sekunde) bis 2 l/s, insbesondere bei rund 1 l/s oder 1,5 l/s liegen und damit die übliche Füllgeschwindigkeit einer Blitzbefüllung erreichen. Entsprechend kann die erste Füllgeschwindigkeit V1 deutlich geringer sein als 1 l/s, insbesondere deutlich geringer als 0,5 l/s, so dass eine Volumenbestimmung mittels Durchflussmessung in präziser Art und Weise ermöglicht ist. Dadurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass dadurch ein schnelles Abfüllen des Füllgutes 3 aus dem Füllgefäß 8, 9 bzw. den Füllgefäßen 8, 9 in den Behälter 2 ermöglich ist.
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In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer schematischen Funktionsdarstellung dargestellt. Wie schon zu 1 beschrieben, weist die Vorrichtung 1 in dieser Ausführungsvariante ein zwischen dem Schaltventil 6 und dem Steuerventil 7 angeordnetes Füllgefäß 8 und eine zwischen dem Schaltventil 6 und dem Steuerventil 7 angeordnete Volumenmesseinrichtung 5 auf.
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Das Füllgefäß ist hier beispielsweise als ein Vorlagegefäß 8 ausgebildet, das die mittels der Volumenmesseinrichtung 5 per Volumenmessung vordosierte Füllgutmenge 10 des Füllgutes 3 zur Abgabe über das Schaltventil 6 an das Füllelement 22 bereitstellt. Zudem ist die Volumenmesseinrichtung in dieser Ausführungsvariante als ein Durchflussmesser 5 ausgebildet, mittels dem das der Vorrichtung 1 über eine Produktzuführleitung 4 dem Vorlagegefäß 8 zugeführte flüssige Füllgut 3, also die Füllgutmenge 10, erfassbar ist. Insbesondere ist der Durchflussmesser 5 als magnetisch-induktiver Durchflussmesser, kurz MID, ausgebildet.
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Für eine gesteuerte und geregelte Zuführung des Füllgutes 3 ist der Produktzuführleitung 4 der Vorrichtung 1 ein erster Regelkreis RK1 zugeordnet. Der erste Regekreis RK1 umfasst in dem hier gezeigten Beispiel einen ersten Drucksensor 13 zur Erfassung des Drucks in der Produktzuführleitung 4, ein erstes Regel- und Steuerventil 11 und eine erste Regel- und Steuereinheit 12. Ebenso ist dem ersten Regelkreis RK1 in diesem Beispiel eine Verteilereinrichtung 24 nachgeordnet, die das Füllgut 3 zu dem Füllelement 22 führt. Somit wird die Füllgeschwindigkeit, d.h. die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Füllgut 3 der Verteilereinrichtung 24 beim Füllen des Vorlagegefäßes 8 zufließt, unter Verwendung des ersten Regelkreises RK1 geregelt.
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Wie hier ebenfalls gezeigt, ist die Verteilereinrichtung beispielsweise als ein Füllgutkessel 24 ausgebildet, der während des Füllbetriebes mit dem flüssigen Füllgut 3 teilgefüllt ist und zwar unter Ausbildung eines unteren Flüssigkeitsraumes 24.1 und eines oberen Gasraumes 24.2, der mit einem unter Fülldruck stehenden Spanngas gefüllt ist. Das Spanngas, das vorzugsweise als CO2-Gas ausgebildet ist, kann dem Füllgutkessel 24 dabei beispielsweise über eine nicht dargestellte Zuleitung zugeführt werden.
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Dem Vorlagegefäß 8 ist zudem ein zweiter Regelkreis RK2 zugeordnet, der zumindest einen zweiten Drucksensor 18 zur Erfassung des Drucks in dem Vorlagegefäß 8, wenigstens ein zweites Regel- und Steuerventil 15 und eine zweite Regel- und Steuereinheit 17 umfasst. Vorzugsweise ist dem zweiten Regelkreis RK2 des Vorlagegefäßes 8 eine Druckregeleinrichtung 14 samt wenigstens einem zweiten Schaltventil 16 zur gesteuerten und/oder geregelten Zuführung eines Spanngases an das Vorlagegefäß 8 zugeordnet. Der zweite Regelkreis RK2 kann somit als ein Druckregelkreis ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der zweite Regelkreis RK2 dann dazu ausgebildet, in dem Behälter 2 während der Vorspannphase zumindest vor Beginn der nachfolgenden Abfüllung der vordosierten Füllgutmenge 10 in den Behälter 2 einen Vorspanndruck zu erzeugen, der auf einem Druckniveau unterhalb eines Überdrucks des Gasraumes 24.2 des Füllgutkessels 24 liegt bzw. ungefähr dem Druck im Füllgutkessel 24 entspricht, damit abzufüllendes CO2-haltiges Füllgut 3 nicht in dem Behälter 2 schäumt.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer schematischen Funktionsdarstellung. Die in dieser Ausführungsvariante dargestellte Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der Ausführungsvariante nach 2 im Wesentlichen dadurch, dass nicht ein, sondern zwei Füllgefäße in Form von Vorlagegefäßen 8 vorgesehen sind. Denkbar ist aber auch, dass andere Ausführungsvarianten mehr als zwei Vorlagegefäße 8 vorsehen können.
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Jedem Vorlagegefäß 8 sind dabei jeweilige entsprechende weitere Regelkreise RK2, RK3, ... mit entsprechenden zu 2 beschriebenen Ventilen 15, 16, 25, 26, Drucksensoren 18, 28 und Regel- und Steuereinheiten 17, 27 zugeordnet. Ferner sind jeweilige Schieberventile 19 zwischen dem Schaltventil 6 und dem Steuerventil 7 vorgesehen, wobei der Füllgutstrom in und aus den jeweiligen Vorlagegefäßen 8 mittels der Schieberventile 19 schaltbar ist. Die hier dargestellte Ausführungsvariante ist besonders bei Blitzfüllungen und auch bei Form-Fill-Prozessen von Vorteil, da diese Füllungen sehr schnell ablaufen (in der Regel ca. 300ms für 500ml Füllgut). So ist die verfügbare Zeit zum Auffüllen eines einzigen Vorlaufgefäßes 8 unter bestimmten Bedingungen eventuell nicht ausreichend, um auch bei der Verwendung eines Vorlagegefäßes 8 eine exakte Volumenmessung über den Durchflussmesser 5 zu ermöglichen. Werden aber für jeden zu befüllenden Behälter 2 bzw. beispielsweise für jede Form-Fill-Station mindestens zwei Vorlagegefäße 8 vorgesehen, so kann man dem entgegenwirken, da während ein Behälter 2 mit einer vordefinierten Füllgutmenge 10 aus dem Vorlagegefäß 8 mit Füllgut 3 befüllt wird, parallel dazu das zweite Vorlagegefäß 8 mit der gewünschten Füllgutmenge 10 befüllt wird.
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Alle weiteren in den Ausführungsvarianten der 2 und 3 dargestellten Bezugszeichen sind bereits zu der vorherigen 1 beschrieben worden und sind diesen daher zu entnehmen.
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Die in 4 dargestellte Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 gemäß den 2 und 3 im Wesentlichen dadurch, dass das Füllgefäß als ein Mess- und/oder Dosiergefäß 9 ausgebildet ist, das die mittels der Volumenmesseinrichtung 5 per Volumenmessung vordosierte Füllgutmenge 10 des Füllgutes 3 zur Abgabe über das Schaltventil 6 an das Füllelement 22 bereitstellt.
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Das Mess- und/oder Dosiergefäß 9 fungiert in dieser gezeigten Ausführungsvariante beispielsweise selbst als Volumenmesseinrichtung 5. Zum Befüllen des Mess- und/oder Dosiergefäßes 9 ist ein mit einem gesteuerten Antrieb 21 angetriebenes Kolben-Zylinder-System 9.1 vorgesehen. Dabei ist der Antrieb vorteilhaft als ein Linearantrieb 21 ausgebildet und dient insbesondere zur Steuerung der Füllmenge 10 und der Füllgeschwindigkeit. Bei derartigen Mess- und/oder Dosiergefäß ist durch die Geometrie des Kolben-Zylinder-Paares 9.1 und die Hubstrecke des Kolbens 9.2 im Zylinder 9.3 das Volumen, sprich die Füllgutmenge 10 vorgegeben.
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Alle weiteren hier dargestellten Bezugszeichen sind bereits zu den vorherigen 1 bis 3 beschrieben worden und sind diesen daher zu entnehmen.
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Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Behälter
- 3
- Füllgut
- 4
- Produktzuführleitung
- 5
- Volumenmesseinrichtung (Massendurchflussmesser oder MID)
- 6
- Schaltventil
- 7
- Steuerventil
- 8
- Füllgefäß, Vorlagegefäß
- 9
- Füllgefäß, Mess- und/oder Dosiergefäß
- 9.1
- Kolben-Zylinder-System
- 9.2
- Kolben
- 9.3
- Zylinder
- 10
- Füllgutmenge
- 11
- erstes Regel- und Steuerventil
- 12
- erste Regel- und Steuereinheit
- 13
- erster Drucksensor
- 14
- Druckregeleinrichtung
- 15
- zweites Regel- und Steuerventil
- 16
- zweites Schaltventil
- 17
- zweite Regel- und Steuereinheit
- 18
- zweiter Drucksensor
- 19
- Schieberventil
- 20
- Produktabführleitung
- 21
- Antrieb, Linearantrieb
- 22
- Füllelement
- 23
- Füll- und Verschließeinrichtung
- 24
- Verteilereinrichtung
- 24.1
- unterer Flüssigkeitsraum
- 24.2
- oberer Gasraum
- 25
- dritte Regel- und Steuerventil
- 26
- drittes Schaltventil
- 27
- dritte Regel- und Steuereinheit
- 28
- dritter Drucksensor
- V1
- erster Volumenstrom
- V2
- zweiter Volumenstrom
- RK1
- erster Regelkreis
- RK2
- zweiter Regelkreis
- RK3
- dritter Regelkreis
