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Vorrichtung zum Füllen einer Druckgaspackung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Füllen einer eine
Produkt-Flüssigkeit enthaltenden Druckgaspackung mit einem Treibgas, mit einem Füllventil
und einem unterhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordneten Treibgas-Austritt, insbesondere
zum Einfüllen eines abgemessenen Treibgas-Volumens.
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Üblicherweise besitzen Druckgaspackungen ein Füllventil, über das
das Treibmittel zugeführt wird. Dieses Füllventil kann allein dem Füllen dienen
und beispielsweise im Boden der Druckpackung angebracht sein; häufiger ist es jedoch
mit einem Entnahmeventil vereinigt, im Deckel der Druckgaspackung untergebracht
und mit einem in das Produkt reichenden Tauchrohr versehen, das während der Entnahme
als Steigrohr dient.
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Die letztgenannten Füllventile haben manchmal noch einen zweiten Ausgang,
über den das Treibmittel unmittelbar in den oberhalb des Produkts befindlichen Raum
geleitet werden kann.
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Über derartige Füllventile wird eine abgemessene Treibmittelmenge
unter so hohem Druck zugeführt, daß der Füllvorgang nach höchstens ein bis zwei
Sekunden abgeschlossen ist und somit auf einer rasch arbeitenden automatischen Füllstation
erfolgen kann.
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Derartige Füllvorrichtungen arbeiten zufriedenstellend, wenn das bei
atmosphärischem Druck gasförmige Treibmittel unter den im Inneren der Druckgaspackung
herrschenden Druckverhältnissen
flüssig ist und auch in verflüssigter
Form eingefüllt werden kann. Schwierigkeiten ergeben sich aber, wenn ein Treibgas
wie CO2 oder N20, verwendet wird, das in Gasform abgefüllt und von der Produkt-Flüssigkeit
absorbiert werden muß. Erfolgt das Füllen ohne Sonderaggregate mit Drücken, für
die die Druckgaspackung ausgelegt ist, also etwa 5 bis 12 bar, so dauert der Füllvorgang
viel zu lange, nämlich mindestens etwa 10 Sekunden, eine Zeitspanne, die für die
Absorption benötigt wird. Wählt man dagegen einen höheren Fülldruck, ergibt sich
zwar ein rascherer Füllvorgang. Die Produkt-Flüssigkeit absorbiert aber das zugeführte
Treibgas nicht so schnell und es entstehen unzulässige Überdrücke im Inneren der
Druckgaspackung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Füllvorrichtung der
eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit der Treibgase, wie CO2 oder N20, die von
der Produkt-Flüssigkeit absorbiert werden müssen, schneller eingefüllt werden können,
ohne daß im Inneren der Druckgaspackung ein unzulässiger Überdruck entsteht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine am Treibgas-Austritt
angeordnete Verteilervorrichtung, welche einen Spalt oder mehrere Einzelöffnungen
für das austretende Treibgas aufweist.
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Durch diese Konstruktion wird das Treibgas in der Form eines breit
gefächerten Sprühstrahls oder in der Form vieler Einzelstrahlen in die Flüssigkeit
eingeleitet. Diese Strahlen sind verhältnismäßig energiereich und dringen über eine
bestimmte Strecke in die Flüssigkeit ein. Dabei rufen sie eine starke Turbulenz
hervor. Schließlich zerfallen sie in eine Vielzahl kleiner Gasbläschen. All dies
zusammen ergibt zwischen Flüssigkeit und Treibgas eine außerordentlich große Austauschfläche,
an der die Absorption stattfinden kann. Da sich dieser Vorgang über ein großes Flüssigkeitsvolumen
erstreckt und da infolge der Turbulenz immer wieder ungesättigte Flüssigkeitsteilchen
mit dem verbleibenden Treibgas in Berührung kommen, ergibt sich eine außerordentlich
rasche Absorption. Es wurde festgestellt, daß man auf diese Weise Fülldrücke zwischen
40 und 55 bar, also
nahe dem kritischen Druck der Gase, verwenden
kann und damit Füllzeiten zwischen 0,5 und 1,4 Sekunden erreicht, ohne daß innerhalb
der Druckgaspackung unzulässige Überdrücke auftreten.
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Wenn das Gasvolumen zuvor abgemessen worden ist, ergeben sich von
Druckgaspackung zu Druckgaspackung gleiche Sprühverhältnisse.
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Besonders günstig ist es, wenn die Abschnitte des Spaltes oder die
Einzelöffnungen in mehr als eine Richtung weisen. Auf diese Weise wird das Treibgas
in ein verhältnismäßig großes Flüssigkeitsvolumen eingeschossen.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich die Verteilervorrichtung
im unteren Teil der Druckgaspackung und die Spaltabschnitte oder Einzelöffnungen
stehen, bezogen auf die Horizontale, in einem Winkel von 0° bis 900 nach oben. Insbesondere
beträgt der Winkel 300 bis 600. Auf diese Weise gelingt es, praktisch das gesamte
Flüssigkeitsvolumen großflächig mit dem Treibgas in Berührung zu bringen.
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Wenn die Einzelöffnungen zu klein sind, ergibt sich eine zu starke
Drosselung des austretenden Gasstrahls. Sind sie zu groß, ist der Strahl zur Erzielung
der großen Austauschfläche nicht mehr fein genug. Optimale Ergebnisse erhält man
bei Querschnitten zwischen 0,08 und 0,8 mm2.
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Bezüglich des Gesamtquerschnitts ist zu beachten, daß mit abnehmendem
Gesamtquerschnitt die Füllzeit anwächst und daß mit steigendem Gesamtquerschnitt
der innerhalb der Verteilervorrichtung auftretende und für die Schärfe des Strahls
verantwortliche Druck abnimmt. Als günstig hat es sich erwiesen, daß der Gesamtquerschnitt
des Spalts oder der Einzelöffnungen 20 bis 150 %, vorzugsweise etwa 80 % bis 110
%, des Querschnitts eines vorgeschalteten Füllkanals beträgt.
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Der Spalt ist vorzugsweise ein Ringspalt. Dieser kann zylindrisch,
konisch oder eben ausgebildet werden. In allen Fällen läßt sich auf einfache Weise
ein großes Flüssigkeitsvolumen
mit dem entsprechend gefächerten
Strahl erreichen.
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Die Einzelöffnungen können gerichtete Einzelkanäle sein. Diese können
beispielsweise gebohrt werden. Besonders günstig ist es jedoch, die Einzelöffnungen
oder den Ringspalt durch zwei ineinander gesteckte Teile zu begrenzen.
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Bei einer Ausführungsform ist die Verteilervorrichtung mit einem am
Boden der Druckgaspackung angeordneten Füllventil vereinigt. Beispielsweise bildet
die Verteilervorrichtung einen Aufsatz an diesem Füllventil. Eine sehr einfache
Konstruktion ergibt sich in diesem Zusammenhang, wenn das Füllventil einen Konuskörper
und einen daran anliegenden elastischen Ringkörper, der gleichzeitig die Einsatzöffnung
im Boden abdichtet, aufweist.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß
die Verteilervorrichtung am unteren, im übrigen beim Füllen im wesentlichen verschlossenen
Ende eines Tauchrohrs angeordnet ist, das mit dem Ausgang eines am Deckel der Druckgaspackung
angebrachten Füllventils verbunden ist, das insbesondere einen zweiten, in den Raum
über dem Flüssigkeitsspiegel führenden Ausgang besitzt. Das Treibgas tritt dann,
da das untere Ende des Tauchrohrs verschlossen ist, durch die Verteilervorrichtung
aus.
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Wenn das Füllventil auch noch den erwähnten zweiten Ausgang hat, kann
man die Bemessung so wählen, daß von dem unten zugeführten Treibgas Flüssigkeitsteilchen
über den Flüssigkeitsspiegel nach oben geschleudert werden und dort ebenfalls mit
Treibgas in Berührung kommen. Hierdurch wird die Absorptionsgeschwindigkeit noch
weiter erhöht.
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Das Tauchrohr kann unten eine Verschweißung und in seiner Wand die
Einzelöffnungen aufweisen. Statt der Verschweißung kann auch ein Verschlußeinsatz
verwendet werden. Das Lochen und Verschließen des Tauchrohrs macht wenig Schwierigkeiten.
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Noch günstiger ist es allerdings, wenn die Verteilervorrichtung als
Ein- ender Aufsatz an das untere Ende des Tauchrohres angefügt ist.Disd kann dann
für sämtliche Anwendungsformen einer Druckgaspackung unverändert bleiben. Die Verteilervorrichtung
läßt sich genau herstellen und kann leicht den jeweiligen Gegebenheiten angepaßt
werden.
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Einen ähnlichen Effekt erreicht man dadurch, daß die Verteilervorrichtung
einen in das untere Ende des Tauchrohrs eingefügten Einsatz mit einer Stufe aufweist,
die zusammen mit dem unteren Rand des Tauchrohrs den Spalt oder die Einzelöffnungen
begrenzt. Hierbei ergibt sich der weitere Vorteil, daß im Einsatz selbst keine feinen
Spalt- oder Einzelöffnungen ausgebildet sein müssen.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Verteilervorrichtung
einen Einsatz mit einer zylindrischen Ringnut aufweist, in die das untere Ende des
Tauchrohrs greift, und daß zu beiden Seiten der Ringnut und an deren Grund wenigstens
teilweise als Nuten ausgebildete Strömungskanäle angeordnet sind. Auch hierbei ergibt
sich durch das Zusammenstecken von Tauchrohr und Einsatz eine Vielzahl von Einzelkanälen.
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Wenn das Tauchrohr bei der Entnahme auch als Steigrohr dienen soll,
reichen in vielen Fällen der Spalt oder die Einzelöffnungen de r der Verteilervorrichtung
aus, um die Produkt-Flüssigkeit in das Steigrohr eintreten zu lassen. Es gibt aber
Fälle, in denen der Spalt oder die Einzelöffnungen der Flüssigkeit einen zu großen
Widerstand darbieten. In diesem Fall empfiehlt es sich. . Längskanal hat. wenn der
Ein- oder Aufsatz einen < der mittels eines beim Füllen schließenden Ventils
verschließbar ist. Dieser Längskanal kann dann einen für den Anwendungsfall ausreichend
großen Querschnitt haben.
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Umgekehrte Verhältnisse ergeben sich, wenn der Gesamtquerschnitt der
Öffnungen der Verteilervorrichtung für das Eintreten der Flüssigkeit zu groß wäre.
Dann kann man die Einzelöffnungen durch Schlitze o. dgl. in einer elastischen Wand
bilden und
daher selbstschließend ausführen. Es weqbleibt dann
nur ein konstruktiv fest vorgegebener Eintrittsquerschnitt. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, daß der Ew oder Aufsatz einen Längskanal aufweist, von dem die Einzelkanäle
atjRehen und in dem ein hohlzylindrischer Schieber vorgesei-n ist, der in einer
Ruhelage die Einzelkanäle innen abdeckt und beim Füllen gegen die Kraft einer Feder
in eine Freigabestellung verschiebbar ist.
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Auch hierbei sind die Längskanäle nur beim Füllen wirksam. Dort wo
es auf hohe Dosiergenauigkeit ankommt, knn der Schieber eine axiale Dosierbohrung
aufweisen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispielse näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt
durch eine Druckgaspackung mit kombiniertem Füll- und Entnahmeventil und einer erfindungsgemäßen
Verteilervorrichtung, Fig. 2 die Verteilervorrichtung der Fig. 1 in Ansicht, Fig.
3 eine zweite Ausführungsform der Verteilervorrichtung, Fig. 4 eine dritte Ausführungsform
der Verteilervorrichtung, Fig. 5 eine vierte Ausführungsform der Verteilervorrichtung,
Fig. 6 eine fünfte Ausführungsform der Verteilervorrichtung, Fig. 7 einen Querschnitt
längs der Linie A-A in Fig. 6, Fig. 8 einen schematischen Teillängsschnitt durch
eine Druckgaspackung mit einem im Boden angeordneten Füllventil und einer erfindungsgemäßen
Verteilervorrichtung und Fig. 9 eine andere Ausführungsform, eine Kombination von
Boden-Füllventil und Verteilervorrichtung.
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Eine Druckgaspackung 1 weist einen Behalter 2 auf, in dem sich flüssiges
Produkt 3 befindet. Der Behälter ist durch einen Deckel 4 abgeschlossen, der einen
Ventilträger 5 aufweist. Von ihm wird ein Ventilgehäuse 6 gehalten, das eine Dichtscheibe
7 gegen die Stirnwand des Ventilträgers 5 drückt. Ein hohler Ventilschaft 8 greift
durch ein Loch der Dichtscheibe 7 und ist dazu bestimmt, einen Betätigungskopf mit
Sprühdose aufzunehmen.
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Der Ventilschaft wird durch eine Feder 9 nach oben gedrückt.
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Das Ventilgehäuse weist unten einen Austrittsstutzen 10 auf, auf welchen
ein Tauchrohr 11 aufgesetzt ist. Das so gebildete Ventil 12 dient als Entnahme-
und Füllventil, wie es beispielsweise in DT-PS 21 62 762 beschrieben ist. Das Ventil
hat zwei Ausgänge. Der eine wird durch den Austrittsstutzen 10 gebildet und entläßt
Treibgas durch das Tauchrohr 11 in die Flüssigkeit 3. Der andere Ausgang befindet
sich zwischen Ventilgehäuse 6 und Ventilträger 5 und entläßt Treibgas in den Raum
13 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 14. Die bis hierher beschriebene Anordnung
ist bekannt.
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Gemäß der Erfindung wird am unteren Ende des Tauchrohrs 11 eine Verteilervorrichtung
V angebracht. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 entsteht sie dadurch, daß
das untere Ende 15 des Tauchrohrs 11 im Bereich 17 verschweißt und darüber in der
Umfangswand mit Löchern 18 versehen ist. Beim Füllen wird daher das über das Tauchrohr
11 zuströmende Treibgas in eine Vielzahl feiner Strahlen aufgeteilt, die jeweils
mit einer gewissen Energie in die Flüssigkeit 3 hineinschießen, dabei ein verhältnismäßig
großes Volumen der Flüssigkeit erreichen, diese in Turbulenz versetzen, schließlich
in feine Gasbläschen zerrissen werden und auf diese Weise eine äußerst großflächige
Berührung mit der Flüssigkeit erreichen, so daß sich bei der Zufuhr von CO2 oder
N20 eine hohe Absorptionsgeschwindigkeit ergibt.
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Gemäß Fig. 3 besteht die Verteilervorrichtung V aus einem in
das
Tauchrohr 11 eingeschobenen Einsatz 19, der eine zentrische Zufuhrbohrung 20 und
davon ausgehend mehrere schräg nach oben weisende Einzelkanäle 21 aufweist. Durch
diese werden die Treibgasstrahlen in einem Winkel zwischen 300 und 600 in die Flüssigkeit
gerichtet.
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In Fig. 4 gehört zur Verteilervorrichtung V wiederum ein Einsatz 22,
der in das untere Ende des Tauchrohres 11 eingeschoben ist.
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Er besitzt eine Stufe 23, die mit mehreren radialen Rippen 24 versehen
ist. Infolgedessen bildet sich zwischen der Stufe 23 und der unteren Stirnwand 25
des Tauchrohres 11 ein ebener Ringspalt 26, der an einzelnen Stellen durch Rippen
24 unterbrochen ist. Dieser Ringspalt steht mit einem zentrischen Kanal 27 über
am Umfang verteilte Wandöffnungen 28 in Verbindung. Hier wird das Treibgas als scheibenförmig
aufgefächerter Rundstrahl in die Flüssigkeit 3 eingeleitet.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 hat die Verteilervorrichtung V
die Form eines Aufsatzes 29, der, ausgehend von einem zentrischen Kanal 30, Seitenkanäle
31 und einen zentrischen Austritt 32 aufweist. Im zentrischen Kanal 30 ist ein Schieber
33 bewegbar, der eine Dosierbohrung 34 aufweist und durch eine Feder 35 in die veranschaulichte
Ruhelage gedrückt ist. Beim Füllen wird dieser Schieber nach unten geschoben und
gibt dabei die Seitenöffnungen 31 frei. Treibgas strömt dann radial in verschiedene
Richtungen und mit einem Strahl auch durch die Dosierbohrung 34 und den mittleren
Austritt 32 nach unten. Bei der Entnahme dagegen kann die Flüssigkeit lediglich
durch den zentrischen Austritt 32 und die Dosierbohrung 34 in das Tauchrohr 11 gelangen,
während die Seitenkanäle 31 verschlossen sind.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 ist die Verteilervorrichtung
als Einsatz 37 ausgebildet, der eine zylindrische Ringnut 38 aufweist, in die das
untere Ende des Tauchrohres 11 greift. Zu beiden Seiten der Ringnut und an deren
Grund befinden sich als Nuten ausgebildete Strömungskanäle 39, 40 und 41, über die
das Treibgas so geführt wird, daß es in einer Vielzahl von Einzelstrahlen etwa parallel
zum Tauchrohr 11 nach oben austritt.
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Ferner befindet sich im Einsatz 37 ein Ventilsitz 42, der mit einer
Kugel 43 zusammenwirkt und einen Längskanal 44 beim Füllen verschließt. Bei der
Entnahme jedoch öffnet sich dieses Verschlußventil, so daß Flüssigkeit 3 unter Umgehung
der Strömungskanäle 39, 40, 41 in das Tauchrohr 11 gelangen kann.
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In Fig. 8 ist eine andere Druckgaspackung 51 veranschaulicht, deren
Behälter 52 wiederum Flüssigkeit 53 aufweist. In eine Öffnung 54 im Boden 55 ist
ein Füllventil eingesetzt. Dieses weist ein Ventilgehäuse 57, eine Außendichtung
58, einen Ventilsitz 59, eine Ventilkugel 60 und eine Ventilfeder 61 auf.
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Als Verteilervorrichtung V dient ein Aufsatz 62, der fest auf die
Innenseite des Ventilgehäuses 57 aufgesezt ist und eine Anzahl schräg nach oben
gerichteter Kanäle 68 aufweist. Wird über das Füllventil 56 Treibgas zugeführt,
so schießt es in einer Anzahl von feinen Strahlen in die Flüssigkeit 53 und wird
dort rasch absorbiert.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 hat das Füllventil eine abgewandelte
Form, bei der es gleichzeitig die Funktion der Verteilervorrichtung V übernimmt.
Links ist das Ventil in seiner Verschlußlage, rechts in seiner Füllstellung veranschaulicht.
Das Ventilgehäuse 63 weist einen Kopf 64 mit einer Konusfläche 65 auf, an der ein
ringförmiger Dichtkörper 66, der auch die Außendichtung bildet, dichtend anliegt.
Unter dem Einfluß des Fülldrucks wird dieser Dichtkörper 66 von der Konusfläche
65 abgehoben, so daß sich ein Ringspalt 67 bildet, durch den das Treibgas als konusförmiger
Strahl in die Flüssigkeit 53 eintritt.
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Die Querschnittsform der Einzelöffnungen muß nicht immer kreisrund
sein. Es kommen auch mehreckige, sternförmige oder andere Querschnitte in Betracht.
Der Spalt muß nicht immer durch zwei parallele Flächen begrenzt sein. Eine oder
beide dieser Flächen können auch Profilierungen aufweisen, so daß sich beispielsweise
ein wellenförmiger Spalt ergibt.
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Wenn in Fig. 2 die Löcher 18 nicht ausgestanzt, sondern lediglich
eingeschnitten sind und das Tauchrohr 11 aus einem elastischen Material besteht,
schließen sich die Einzelöffnungen automatisch. In diesem Eall sollte das Tauchrohr
unten nicht verschweißt werden, sondern einen Einsatz mit einem Verschlußventil
ähnlich dem Ventil 42, 7 tragen.