DE4324592C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einfüllen einer Flüssigkeit in Gefäße - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Einfüllen einer Flüssigkeit in GefäßeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zu dessen
Durchführung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Die Ableitung des Rückgases beim Füllen von Gefäßen wie z. B.
Flaschen mit einer Flüssigkeit wie z. B. einem Getränk über
eine Drossel hat den Vorzug, daß die Füllgeschwindigkeit
durch den Drosselquerschnitt genau bestimmt und auch bei
größeren Druckschwankungen gut eingehalten wird.
Voraussetzung hierfür ist ein bestimmter
Mindestdifferenzdruck zwischen den beiden Seiten der
Drossel, d. h. zwischen dem Gefäßinneren einerseits und der
Kammer andererseits. Wird dieser kritische Differenzdruck
unterschritten, so wird die Durchflußgeschwindigkeit in der
Drossel stark druckabhängig und es entstehen entsprechende
Schwankungen in der Füllgeschwindigkeit. Dieser kritische
Differenzdruck beträgt z. B. bei einer in
Flaschenfüllmaschinen üblichen Drossel mit einem Durchmesser
von 0,7 mm ca. 0,5 bar.
Durch die DE-OS 15 32 578 ist bereits ein gattungsgemäßes
Verfahren bekannt, bei dem in der Kammer ein atmosphärischer
Druck aufrechterhalten wird. Die Gefäße werden vor dem
Einleiten der Flüssigkeit mit einem relativ hohen Druck
vorgespannt, der mit dem Flüssigkeitsdruck übereinstimmt.
Dies hat zur Folge, daß nur stabile Gefäße, wie z. B.
dickwandige Glasflaschen, gefüllt werden können. Gefäße, die
nur einen Abfülldruck von beispielsweise 0,5 bar über
Atmosphärendruck oder weniger zulassen, können so nicht
gefüllt werden.
Dies gilt erst recht für ein anderes Verfahren, wie es aus
der DE 37 17 256 A1 bekannt ist. Hier wird in der Kammer, in
welche die Drossel einmündet, ein Überdruck eingeregelt, der
zwischen dem Fülldruck und dem kritischen Druck der Drossel
liegt. Entsprechend hoch muß der Abfülldruck sein. Konkret
wird beim Abfüllen von Bier ein Fülldruck, d. h. ein
Flüssigkeits- und Spanngasdruck, von 2 bar und ein
Kammerdruck von 1,25 bar eingeregelt, jeweils über dem
Atmosphärendruck.
Noch höher ist die Druckdifferenz bei dem Verfahren nach der
DE 38 07 046 A1, das speziell zum Abfüllen von Sekt in
entsprechend dickwandige Flaschen ausgelegt ist. Hier
beträgt der Flüssigkeits- und Spanngasüberdruck 6,5 bar und
der Überdruck in der Rückgaskammer 0,8 bar.
Andererseits ist durch die US-PS 2 660 357 bereits ein
Verfahren zum Einfüllen einer Flüssigkeit in Flaschen
bekannt, bei dem durch gleichzeitige Beaufschlagung der
Flüssigkeit mit Überdruck und des Flascheninneren mit
Unterdruck die Füllgeschwindigkeit erhöht werden soll. Der
Abfluß des Gases aus der Flasche während des Einlaufens der
Flüssigkeit erfolgt vollkommen ungedrosselt. Die Regelung
der Füllgeschwindigkeit erfolgt allein durch die
Druckverhältnisse in der Flüssigkeit und in der
Rückgaskammer. Außerdem ist dieses bekannte Verfahren nicht
für gashaltige Flüssigkeiten geeignet, da das Flascheninnere
während des gesamten Füllvorgangs unter Vakuum steht,
wodurch eine Gasentbindung begünstigt würde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem
Verfahren der eingangs genannten Art auch bei niedrigen
Abfülldrücken die Vorteile des Ableitens des Rückgases über
eine Drossel nutzbar zu machen. Außerdem soll eine einfach
aufgebaute und betriebssicher arbeitende Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die im
Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann der Abfülldruck, d. h.
der Druck der Flüssigkeit und evtl. des Spanngases,
gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich abgesenkt
werden, so daß auch dünnwandige, instabile Gefäße
zuverlässig mit konstanter Füllgeschwindigkeit gefüllt
werden können. Dabei wird durch die Wirkung der Drossel eine
besonders gleichmäßige Füllgeschwindigkeit ermöglicht und
unnötiger Energieaufwand verhindert. Entsprechendes gilt
auch für die in den Ansprüchen 2 und 3 angegebenen
Weiterbildungen der Erfindung.
Eine besonders gefäßschonende Abfüllung ist möglich, wenn
gemäß den in den Ansprüchen 4 und 5 angegebenen
Weiterbildungen der Erfindung der Fülldruck gleich dem
Atmosphärendruck oder max. 0,5 bar größer ist.
Der in der Kammer enthaltene Unterdruck wird gemäß besonders
vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung, wie sie in den
Ansprüchen 6 bis 8 angegeben sind, zusätzlich zum Evakuieren
des Gefäßes vor dem Flüssigkeitseinlauf und zum Entspannen
des Gefäßinhalts auf Atmosphärendruck nach Beendigung des
Flüssigkeitseinlaufs herangezogen. Der Unterdruck wird so
mehrfach ausgenutzt.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die der Erfindung
zugrundeliegende Aufgabe durch die im Anspruch 9 angegebenen
Merkmale gelöst.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist äußerst einfach und
betriebssicher aufgebaut. Im Normalfall ist nicht einmal
eine Regeleinrichtung für den Druck im Rückgasbehälter
erforderlich. Es genügt, wenn die Leistung der Vakuumpumpe
ausreicht, um bei allen vorkommenden Betriebsbedingungen den
Druck im Rückgasbehälter unter dem kritischen Wert zu
halten.
Im einfachsten Falle, wenn der Fülldruck gleich dem
Atmosphärendruck ist, sind keine weiteren Leitungen im
Füllorgan erforderlich. Um jedoch auch ein Füllen bei
leichtem Überdruck und weitere günstige Verfahrensschritte
durchführen zu können, wird gemäß den in den Ansprüchen 10
bis 13 enthaltenen Weiterbildungen der Erfindung die
Anbringung zusätzlicher Leitungen und steuerbarer Ventile
vorgesehen. Auf diese Weise wird ein mehrfacher Nutzen des
Unterdrucks im Rückgasbehälter ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß Anspruch 14 das
Füllorgan eine Füllstandssonde zur Steuerung des
Füllvorgangs aufweist. Hierbei können bei Erreichen des
vorbestimmten Füllstandes das Flüssigkeitsventil und
erforderlichenfalls das Rückgasventil sofort geschlossen
werden, so daß der Abfülldruck durch den Unterdruck im
Rückgasbehälter nicht beeinträchtigt wird.
Beim Abfüllen unter Atmosphärendruck oder mit leichtem
Überdruck ist im Normalfall eine dem Abziehen des Gefäßes
vom Füllorgan vorausgehende zusätzliche Entlastung auf
Atmosphärendruck nicht erforderlich. Falls doch, so wird
gemäß der im Anspruch 15 angegebenen Weiterbildung der
Erfindung das Füllorgan mit einer eigenen
Entlastungseinrichtung versehen.
Das gasdichte Verbinden des Füllorgans mit dem Gefäß erfolgt
entsprechend der im Anspruch 16 angegebenen Weiterbildung
der Erfindung vorteilhafterweise durch einen Dichtring und
ein Huborgan.
Im Nachstehenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt die
schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Füllen von
Gefäßen, teilweise im Schnitt.
Diese Vorrichtung ist zum Einfüllen eines natürlichen bzw.
stillen Mineralwassers in Flaschen 22 aus Kunststoff unter
einem leichten Überdruck von 0,5 bar eingerichtet. Sie weist
einen nicht gezeigten Rotor mit senkrechter Drehachse 23
auf, an dessen Umfang gleichmäßig verteilt mehrere
gleichartige Füllorgane 1 mit je einem zugeordneten Huborgan
21 angeordnet sind.
Jedes Füllorgan 1 weist einen Ventilblock 24 auf, an dessen
unterem Ende ein zylindrischer Auslauf 2 für die Flüssigkeit
ausgebildet ist. Der Auslauf 2 steht über eine senkrechte
Ventilkammer 26 und eine horizontale Flüssigkeitsleitung 25
mit einem ringförmigen Flüssigkeitsbehälter 4 in Verbindung.
Dieser ist konzentrisch zur Drehachse 23 angeordnet und wird
über einen Drehverteiler 29 mit der unter einem Überdruck
von 0,5 bar stehenden Flüssigkeit versorgt. In der
Ventilkammer 26 ist ein höhenbeweglicher Ventilkörper 27
angeordnet, der zusammen mit einer sich an den Auslauf 2
anschließenden konischen Verengung der Ventilkammer 26 das
Flüssigkeitsventil 3 bildet. Der Ventilkörper 27 ist auf
einem zylindrischen Rückgasrohr 15 befestigt, das
konzentrisch zum Auslauf 2 angeordnet ist und nach unten hin
aus diesem herausragt. Nach oben hin ist das Rückgasrohr 15
unter Bildung einer Gleitdichtung beweglich aus der
Ventilkammer 26 herausgeführt, durchdringt eine Gaskammer
28, und ist schließlich wiederum beweglich und abgedichtet
aus dem Ventilblock 24 herausgeführt. Das Rückgasrohr 15
steht durch mehrere Querbohrungen mit der Gaskammer 28 in
Verbindung und ist am oberen Ende abgeschlossen. Die
Höhenbewegung des Rückgasrohres 15 mit dem Ventilkörper 27
wird nach oben hin durch eine Feder 19 und nach unten hin
durch einen pneumatischen Stellmotor 30 bewirkt, der das
obere Ende des Rückgasrohres 15 beaufschlagt.
Im Inneren des Rückgasrohres 15 ist eine elektrische
Füllstandssonde 16 befestigt, die am oberen Ende dicht aus
dem Rückgasrohr 15 herausgeführt und mittels einer Leitung
an eine elektronische Steuereinrichtung 31 angeschlossen
ist. Die Sonde 16 erzeugt ein elektrisches Steuersignal,
sobald ihr unteres Ende einen bestimmten Betrag in die in
der Flasche 22 ansteigende Flüssigkeit eintaucht. Dieses
Signal wird an die elektronische Steuereinrichtung 31
weitergegeben und steuert die Endphase des Füllvorgangs, wie
weiter unten näher beschrieben ist.
Weiter ist im Ventilblock 24 eine Spanngasleitung 10
ausgebildet, die einerseits an einen ringförmigen
Spanngasbehälter 12 und andererseits über ein steuerbares
Spanngasventil 11 an die Gaskammer 28 und damit an das
Rückgasrohr 15 angeschlossen ist. Im Spanngasbehälter 12,
der über den Drehverteiler 29 mit CO₂ versorgt wird, ist wie
im Flüssigkeitsbehälter 4 ein Überdruck von 0,5 bar
eingeregelt. Der Fülldruck beträgt somit absolut gerechnet
1,5 bar.
Ferner ist im Ventilblock 24 eine Rückgasleitung 5
ausgebildet, in die eine Drossel 6 mit einer Bohrung von 0,7
mm Durchmesser eingesetzt ist. Die Rückgasleitung 5 ist
einerseits über ein steuerbares Rückgasventil 9 an die
Gaskammer 28 und damit an das Rückgasrohr 15 und
andererseits an einen ringförmigen Rückgasbehälter 7
angeschlossen. Dieser liegt wie auch der Spanngasbehälter 12
konzentrisch zur Drehachse 23 und ist über den Drehverteiler
29 an eine Vakuumpumpe 8 angeschlossen. Diese erzeugt im
Rückgasbehälter 7 ein ca. 90%iges Vakuum entsprechend einem
absoluten Druck von ca. 0,1 bar. Die Druckdifferenz zwischen
der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter 4 und zwischen dem
Rückgas im Rückgasbehälter 7 beträgt somit ca. 1,4 bar.
Diese Druckdifferenz liegt weit über der kritischen
Druckdifferenz der Drossel 6 von 0,5 bar, so daß
Druckschwankungen im Rückgasbehälter 7 und/oder im
Flüssigkeitsbehälter 4 keine spürbare Veränderung der
Durchflußgeschwindigkeit in der Drossel 6 bewirken. Eine
Regelung des Druckes im Rückgasbehälter 7 ist daher nicht
erforderlich.
Schließlich ist im Ventilblock 24 noch eine
Evakuierungsleitung 14 ausgebildet, die einerseits über ein
steuerbares Evakuierungsventil 13 an die Gaskammer 28 und
damit an das Rückgasrohr 15 und andererseits hinter der
Drossel 6 an die Rückgasleitung 5 und damit an den
Rückgasbehälter 7 angeschlossen ist.
Das mit der vorbeschriebenen Vorrichtung durchführbare
Füllverfahren läuft folgendermaßen ab:
Als erstes wird eine leere Flasche 22 durch das Huborgan 21,
geführt durch eine nicht gezeigte Zentrierglocke, die auch
den Dichtring 20 tragen kann, mit der Mündung über das
Rückgasrohr 15 und die Sonde 16 hinweg gegen das Füllorgan 1
angehoben und an den Dichtring 20 angepreßt. Hierdurch wird
eine gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen
Füllorgan 1 und Flasche 22 erzeugt. Die Ventile 9, 11 und 13
sind hierbei geschlossen; das Flüssigkeitsventil 3 wird
durch den Stellmotor 30 entgegen der Kraft der Feder 19
zwangsläufig zugehalten.
Dann wird durch die elektrische Steuereinrichtung 31, die
auch alle weiteren Vorgänge steuert, das Evakuierungsventil
13 kurz geöffnet und wieder geschlossen. Hierbei wird das
Rückgasrohr 15 über die Evakuierungsleitung 14 direkt mit
dem Rückgasbehälter 7 verbunden. Aufgrund des darin mit
Hilfe der Vakuumpumpe 8 aufrechterhaltenen Unterdrucks wird
die Flasche 22 bis auf einen Restdruck von 0,1 bar evakuiert
und somit die Luft größtenteils entfernt.
Nunmehr wird das Spanngasventil 11 geöffnet und gleichzeitig
der Ventilkörper 27 durch den Stellmotor 30 zur Öffnung
freigegeben. Jetzt strömt Spanngas aus dem Spanngasbehälter
12 über die Spanngasleitung 10 und das Rückgasrohr 15 in die
Flasche 22 ein, bis in dieser gleichfalls ein Überdruck von
0,5 bar herrscht. Nun wird der Ventilkörper 27 automatisch
durch die Feder 19 angehoben und der Flüssigkeitseinlauf aus
dem Flüssigkeitsbehälter 4 über die Flüssigkeitsleitung 25,
die Ventilkammer 26 und den Auslauf 2 beginnt. Gleichzeitig
mit dem Öffnen des Flüssigkeitsventils 3 wird das
Spanngasventil 11 wieder geschlossen und das Rückgasventil 9
geöffnet. Das durch das Einlaufen der Flüssigkeit ins
Flascheninnere aus diesem verdrängte Rückgas, bestehend aus
einem überwiegend CO₂ enthaltenden Luft-CO₂-Gemisch, wird
nunmehr über das Rückgasrohr 15, die Gaskammer 28 und die
Rückgasleitung 5 in den Rückgasbehälter 7 verdrängt. Dabei
muß es die Drossel 6 passieren, die für einen gleichmäßigen
Abfluß des Rückgases und damit für ein gleichmäßiges
Einströmen der Flüssigkeit mit der gewünschten
Geschwindigkeit sorgt.
Sobald der Flüssigkeitsspiegel in der Flasche 22 die
Füllstandssonde 16 bzw. deren gewünschten Schaltpunkt
erreicht, wird über die Steuereinrichtung 31 und den
Stellmotor 30 das Flüssigkeitsventil 3 und das Rückgasventil
9 umgehend geschlossen. Die Flasche 22 ist dann bis zur
gewünschten Höhe mit der Flüssigkeit gefüllt und es herrscht
in ihrem Kopfraum ein Überdruck von 0,5 bar. Nunmehr wird
die Flasche 22 durch Absenken des Huborgans 21 vom Füllorgan
1 abgezogen. Dabei entspannt sich gleichzeitig das
Flascheninnere auf den atmosphärischen Umgebungsdruck.
Statt dessen ist es auch möglich, z. B. bei stärker
schäumenden Flüssigkeiten, nach Schließen des
Flüssigkeitsventils 3 das Rückgasventil 9 noch für eine
bestimmte Zeitspanne offen zu halten bzw. nochmals zu
öffnen, so daß sich der Druck in der Flasche 22 über die
Drossel 6 allmählich auf den atmosphärischen Druck abbauen
kann.
Falls auch diese Art der Entspannung nicht ausreicht, kann
im Ventilblock 24 eine in den Auslauf 2 einmündende
Entlastungsleitung 17 angebracht werden, die zu einem
üblichen Entlastungsventil 18 führt, welches mit einer nicht
gezeigten Drossel versehen ist und bei Betätigung das
Flascheninnere mit der Atmosphäre verbindet. Dies ist in der
Zeichnung strichpunktiert angedeutet.
Weiterhin ist es möglich, anstelle eines getrennten
Flüssigkeitsbehälters 4 und Spanngasbehälters 2 einen
einzigen Ringkessel anzubringen, der teilweise mit
Flüssigkeit und teilweise mit Spanngas gefüllt ist.
Soll unter normalem Atmosphärendruck abgefüllt werden und
ist keine Vorevakuierung erforderlich, so können die
Einrichtungen für Spanngas, Evakuierung und Entlastung
vollständig entfallen. Auch ein Rückgasventil 9 ist in
diesem Falle nicht unbedingt erforderlich. Nach Öffnen des
Flüssigkeitsventils 3 wird dann automatisch das Rückgas über
die Drossel 6 und die Rückgasleitung 5 in den unter
Unterdruck stehenden Rückgasbehälter 7 eingeleitet.
Auch ist es möglich, z. B. beim Füllen besonders
empfindlicher Gefäße, den Druck im Rückgasbehälter 7 durch
einen Sensor 32 zu überwachen und durch eine angeschlossene
Regeleinrichtung 33 die Vakuumpumpe 8 und/oder ein nicht
gezeigtes Ansaugventil zu steuern.
Claims (16)
1. Verfahren zum Einfüllen einer Flüssigkeit in ein
gasdicht mit einem Füllorgan verbundenes Gefäß, wobei
das während des Einlaufens der Flüssigkeit aus dem Gefäß
verdrängte Gas zumindest zeitweise über eine mit einer
Drossel versehene Leitung in eine Kammer geleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer ein Unterdruck
aufrechterhalten wird, der derart bemessen ist, daß die
Druckdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsdruck und dem
Unterdruck größer ist als die kritische Druckdifferenz
der Drossel.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Druckdifferenz bei einer Drossel mit einem
Durchmesser von 0,5 bis 1 mm größer ist als 0,5 bar.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Unterdruck in Abhängigkeit vom
Flüssigkeitsdruck geregelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsdruck maximal 0,5
bar größer ist als der Atmosphärendruck.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsdruck gleich dem
Atmosphärendruck ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das gasdicht mit dem Füllorgan
verbundene Gefäß vor dem Einlaufen der Flüssigkeit
vorzugsweise unter Umgehung der Drossel mindestens
einmal mit der Kammer verbunden und so die im Gefäß
enthaltene Luft teilweise abgesaugt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das gasdicht mit dem Füllorgan
verbundene Gefäß nach Beendigung des
Flüssigkeitseinlaufs für eine bestimmte Zeitspanne mit
der Kammer verbunden wird oder verbunden bleibt und
dadurch ein im Gefäß enthaltener Überdruck auf
Atmosphärendruck abgebaut wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Kammer ein absoluter Druck
von ca. 0,1 bar aufrechterhalten wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, mit mindestens einem Füllorgan, dessen
Auslauf über ein steuerbares Flüssigkeitsventil mit
einem Flüssigkeitsbehälter und dessen Rückgasleitung
über eine Drossel mit einem separaten Rückgasbehälter
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den
Rückgasbehälter (7) eine Vakuumpumpe (8) angeschlossen
ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
in die Rückgasleitung (5) ein steuerbares Rückgasventil
(9) eingeschaltet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das Füllorgan (1) eine
Spanngasleitung (10) aufweist, die über ein steuerbares
Spanngasventil (11) mit einem Spanngasbehälter (12)
verbunden ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das Füllorgan (1) eine
Evakuierungsleitung (14) aufweist, die über ein
steuerbares Evakuierungsventil (13) unter Umgehung der
Drossel (6) an den Rückgasbehälter (7) angeschlossen
ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rückgasleitung (5), die
Spanngasleitung (10) und ggf. die Evakuierungsleitung
(14) in ein gemeinsames Rückgasrohr (15) einmünden,
welches den Auslauf (2) des Füllorgans (1) durchdringt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das Füllorgan (1) eine
Füllstandssonde (16) aufweist, die bei Erreichen einer
bestimmten Füllhöhe im Gefäß ein Schließen des
Flüssigkeitsventils (3) und ggf. des Rückgasventils (9)
auslöst.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß das Füllorgan (1) eine
Entlastungsleitung (17) aufweist, die über ein
steuerbares Entlastungsventil (18) mit der Atmosphäre
verbunden ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes Füllorgan (1) einen
konzentrisch zum Auslauf (2) angeordneten Dichtring (20)
aufweist und jedem Füllorgan (1) ein das zu füllende
Gefäß an den Dichtring (20) andrückendes Huborgan (21)
zugeordnet ist.
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