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Die
Erfindung betrifft das Gebiet von Füllmundstücken, insbesondere solchen,
die für
Flaschenfüllmaschinen
bestimmt sind.
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Es
ist bekannt, Füllmundstücke herzustellen, die
einen konischen oder "schirmartigen" Produktstrahl formen.
Sie werden zur Füllung
von Flaschen verwendet und gestatten es insbesondere, das Produkt
sehr rasch vom Ausgang des Mundstücks gegen die seitliche Innenwand
der Flasche auszustoßen.
Das Produkt wird auf diese Weise in die Flasche so eingeführt, dass
es entlang der Innenwand fließt und
nicht direkt zum Boden der Flasche hin ausgestoßen wird. Auf diese Weise erfolgt
die Füllung
der Flasche mit geringst möglicher
Schaumbildung, wodurch es möglich
wird, den Fülldurchsatz
zu erhöhen und
die zur Füllung
einer Flasche notwendige Zeit zu vermindern.
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Es
ist zudem bekannt, bei dieser Art von Mundstück eine axiale Kanüle anzuordnen,
die es gestattet, die anfangs in der Flasche enthaltene Luft abzuleiten,
ohne dadurch den konischen Strahl zu stören.
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Zwei
solchermaßen
bekannte Beispiele von Mundstücken
finden sich in den Dokumenten US-A-4.156.444 und US-A-5.125.441. Diese
Mundstücke
gestatten es, die Füllzeit
für eine
Flasche signifikant zu vermindern, selbst wenn das abgefüllte Produkt
eine kohlensäurehaltige
Flüssigkeit
ist, wie beispielsweise Softdrinks und Bier, oder eine Flüssigkeit,
die eine Neigung zur Schaumbildung aufweist, wie zum Beispiel Milch
oder Fruchtsäfte.
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Ein
weiteres Problem, das man beim Füllen einer
Flasche antreffen kann, besteht im Kontakt des Produkts mit der
Umgebungsluft. Zahlreiche Produkte, insbesondere Bier und Fruchtsäfte können nämlich durch
Sauerstoff beeinträchtigt
werden. Bei der Füllung
mit einem herkömmlichen
Mundstück
wird das Produkt nun aber stark der Luft ausgesetzt. Der Sauerstoff
neigt dann dazu, sich in dem Produkt einzulagern, wodurch dessen
Haltbarkeitsdauer begrenzt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein neues Konzept für ein Füllmundstück vorzuschlagen, das es gestattet,
die Eigenschaften der oben beschriebenen Mundstücke beizubehalten, während gleichzeitig
der Kontakt des abgefüllten
Produkts mit Luft stark eingeschränkt oder gar vermieden wird.
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Die
Erfindung schlägt
hierzu ein Füllmundstück zum Ausgeben
einer Flüssigkeit
in einen Behälter
von der Art vor, bei der das Mundstück eine Ausgabeöffnung für Flüssigkeit
umfasst, die einen schirmartigen Strahl formt, und von der Art,
bei der das Mundstück
eine axiale Kanüle
umfasst, die mit einer Gasabfuhrleitung versehen ist, die im Inneren
des Raums mündet,
der durch den schirmartigen Strahl begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kanüle
eine Gasmitnahmeleitung umfasst, die im Inneren des Raums mündet, der
durch den schirmartigen Strahl begrenzt wird, und die einen Gasstrom
ausstößt, der
im Wesentlichen parallel zu dem schirmartigen Strahl auf dessen
Innenseite strömt.
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Weitere
Merkmale der Erfindung sind folgende:
- – die Gasmitnahmeleitung
mündet
im Inneren des Raums, der durch den schirmartigen Strahl in Form
einer ringförmigen Öffnung begrenzt
wird;
- – die
Gasmitnahmeleitung umfasst auf Höhe
ihres Mündungsendes
eine im Wesentlichen konische Ablenkfläche;
- – die
Abführleitung
mündet
axial in der Mitte der ringförmigen Öffnung der
Gasmitnahmeleitung, die axial in der Mitte der Produktausgabeöffnung mündet, die
im Wesentlichen ringförmig
ist;
- – die
Gasmitnahmeleitung wird mit einem gegenüber dem auszugebenden Produkt
neutralen Gas versorgt;
- – der
Produktstrahl weist eine axiale Drehkomponente auf;
- – das
Mundstück
umfasst eine ringförmige
Kammer zum in Drehung Versetzen, in die das Produkt mit einer tangentialen
Geschwindigkeitskomponente injiziert wird, wobei die Kammer zum
in Drehung Versetzen axial durch einen ringförmigen Kanal verlängert wird,
dessen Mündungsende
die Produktausgabeöffnung
bildet;
- – die
Kammer zum in Drehung Versetzen ist durch eine trichterförmige Fläche an den
ringförmigen Kanal
angeschlossen;
- – die
axiale Kanüle
durchquert die Kammer zum in Drehung Versetzen in axialer Richtung.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Maschine zum Füllen von Behältern, die
dadurch gekennzeichnet ist, dass sie zumindest eine Füllstation
umfasst, die mit einem Füllmundstück nach
einem der vorhergehenden Ansprüche
versehen ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei Studium der folgenden
ausführlichen
Beschreibung und bei Betrachten der folgenden Zeichnngen offenbar:
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1 ist eine schematische
axiale Schnittansicht eines Füllmundstücks entsprechend
der Lehre der Erfindung, wobei das Mundstück im Betrieb während der
Füllung
einer Flasche gezeigt ist,
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2 ist eine Querschnittsansicht
entlang der Linie 2-2 der 1 im
verkleinerten Maßstab.
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Das
in den Figuren dargestellte Füllmundstück 10 ist
insbesondere zum Füllen
von Flaschen 12 mit engem Hals bestimmt. Sie kann zum Beispiel sowohl
für Glasflaschen
als auch Kunststoffflaschen wie beispielsweise solchen aus Polyethylenterephtalat
(PET) verwendet werden. Ein derartiges Mundstück wird vorzugsweise für die Herstellng
von Füllmaschinen
mit mehreren Mundstücken
zum Beispiel der Art mit einem Drehkarussell verwendet.
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Die
Orientierungsbezeichnungen wie "hoch", "tief", "oben", "unten", etc.., die für die Beschreibung der
Figuren verwendet werden werden, betreffen das dargestellte Beispiel
und dürfen
nicht als Einschränkungen
des Umfangs der Erfindung interpretiert werden.
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Das
in den Figuren dargestellte Mundstück 10 umfasst im Wesentlichen
einen hohlen, zu einer Achse A1 im Wesentlichen drehsymmetrischen Hauptkörper 14,
der axial von einer zur anderen Seite von zwei koaxialen Rohren
durchquert wird: einem inneren Rohr 16 und einem äußeren Rohr 18.
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Der
Hauptkörper 14 begrenzt
somit ein Volumen, das axial von Rohren 16, 18 durchquert
wird. Der Hauptkörper 14,
der hier einteilig dargestellt ist, kann auch aus mehreren Teilen
hergestellt werde, um die Fertigung zu erleichtern. Er wird von
einem oberen Deckel 20 abgedeckt, der das Innenvolumen dicht
nach oben abschließt
und der die Rohre 16, 18 trägt.
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Der
Deckel 20 umfasst eine gestufte innere Bohrung, die ihn
von einer zur anderen Seite durchquert. Die obere Stufe 22 der
Bohrung, die oben vom Hauptkörper
nach außen
mündet,
ist zylindrisch mit einer Achse A1 und hat im mit Wesentlichen den
gleichen Durchmesser wie der Außendurchmesser
des Innenrohrs 16.
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Die
untere Stufe 24, die unten ins Innenvolumen mündet, ist
zylindrisch mit einer Achse A1 und hat im Wesentlichen den gleichen
Durchmesser wie der Außendurchmesser
des Außenrohrs 18.
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Die
mittlere Stufe 26, die sich axial zwischen der oberen 22 und
unteren 24 Stufe erstreckt, ist zylindrisch mit einer Achse
A1 und hat im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Innendurchmesser
des Außenrohrs 18.
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Das
obere Ende des Außenrohrs 18 ist
axial von unten nach oben in die untere Stufe 26 der Bohrung
des Deckels eingeführt,
bis sie an einer ringförmigen
Anschlagsfläche
zur Anlage kommt, die die untere Stufe 24 von der mittleren
Stufe 26 abgrenzt. Das Rohr 18 ist unter Vorhandensein
einer ringförmigen
Dichtung durch Presspassung montiert, um einerseits für die Befestigung
des Außenrohrs 18 an dem
Deckel 20 und andererseits die Dichtheit dieser Montage
zu sorgen.
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Das
Innenrohr 16 ist axial in die Mitte des Außenrohrs 18 eingeführt, um
den Deckel 20 ganz zu durchdringen. Das Innenrohr 16 wird
durch die obere Stufe 22 der Bohrung des Deckels hindurch
durch Presspassung gehalten, die auch hier für die Befestigung des Innenrohrs 16 sorgt.
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Wie
man in den Figuren sehen kann, ist der Innendurchmesser des Außenrohrs 18 größer als
der Außendurchmesser
des Innenrohrs 16, so dass, wenn die zwei Rohre 16, 18 koaxial
an dem Deckel 20 angebracht sind, ein ringförmiger Raum
zwischen ihnen verbleibt, der einen Kanal 28 bildet. Wie
man in 1 sieht, ist
das obere Ende dieses Kanals 28, das durch die mittlere
Stufe 26 der Bohrung des Deckels 20 gebildet wird,
wegen der dichten Montage des Innenrohrs 16 in der oberen
Stufe 22 der Bohrung geschlossen.
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Eine
Eingangsöffnung 30 durchquert
indessen den Deckel radial, um in der mittleren Stufe 24 der
Bohrung zu münden
und so die Verbindung des Kanals 28 mit einer Fluidquelle
zu gestatten.
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Das
durch den Hauptkörper 14 umgrenzte Innenvolumen
umfasst im Wesentlichen drei Teile: eine obere Kammer zum in Drehung
Versetzen 32, einen Beschleunigungskegel 34 und
einen ringförmigen
Verteilungskanal 36. Die obere Kammer zum in Drehung Versetzen 32 weist
hier die einfache Form eines Rings auf, der um das Außenrohr 18 angeordnet
ist. Ein Speiseeingang 38 gestattet es, dass das abzufüllende Produkt
in die Kammer 32 entlang einer Orientierung einzuführen, die
nicht rein radial ist, sondern im Gegenteil eine tangentiale Komponente
aufweist. Da das Produkt in die Kammer mit einem gewissen Druck
eingeführt
wird, wird das Produkt in der Kammer in eine spiralförmige Strömung versetzt, selbst
wenn dieser Druck nur aus dem durch die Schwerkraft des Produkts
bedingten Strömen
folgt. Eventuell kann es auch vorgesehen werden, dem Speiseeingang 38 eine
geringfügige
Neigung zur vertikalen Rictung zu verleihen.
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Der
ringförmige
Verteilungskanal 36, durch den das abzufüllende Produkt
in den Behälter 12 fließt, ist
um den Innenteil des Außenrohrs 18 ausgebildet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist es vorgesehen, dass dieser Teil des Mundstücks 10 ins Innere
des Halses des zu füllenden
Behälters
eindringt, so dass der Kanal 36 einen Innendurchmesser aufweist,
der kleiner als derjenige des Rests des Hauptkörpers 14 ist. Der
Kanal 36 wird durch ein rohrförmiges Element mit zylindrischer
Wand begrenzt. Um die Kammer 32 an den Kanal 36 anzuschließen, ist
eine Anschlußfläche 34 vorgesehen, die
aus Gründen
der Einfachheit kegelstumpfförmig gewählt wird.
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Die
inneren Formen des Hauptkörpers 14 des
Mundstücks 10 können natürlich optimiert
werden, wie es zum Beispiel in dem Dokument US-A-5.125.441 dargestellt
ist, ohne dadurch von der Lehre der Erfindung abzuweichen.
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Wie
in 1 zu sehen ist, senkt
sich das untere Ende des Außenrohrs 18 unter
das Niveau des unteren Endes des Kanals 36, wodurch eine
ringförmige
Austrittsöffung 40 für das Produkt
abgegrenzt wird. Das untere Ende des Außenrohrs 18 erweitert sich
zudem radial nach außen,
so dass die Außenfläche des
Außenrohrs
auf diese Weise einen Deflektor 44 bildet, der darauf zielt,
das Produkt radial nach außen
zu schleudern, so dass es Kontakt mit der Innenwand des Behälters kommt,
wobei es einen schirmartigen Strahl bildet.
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Die
Abmessungen und die entsprechende Position des Endes des Außenrohrs 18 und
des Endes des Kanals 36 werden so gewählt, dass der Durchtrittsquerschnitt
der Austrittsöffnung 40 vergleichsweise
reduziert ist, um die in dem Mundstück enthaltene Flüssigkeit
zurückhalten
zu können,
wenn die Produktzufuhr abgeschnitten wird. Der maximale Durchtrittsquerschnitt,
der akzeptabel ist, um zu vermeiden, dass das Produkt abtropft,
wird insbesondere in Abhängigkeit
von der intrinsischen Oberflächenspannung
des Produkts bestimmt.
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Auf
vergleichbare Weise verläuft
das untere Ende des Innenrohrs 16 axial bis unter dasjenige
des Außenrohrs 18 und
die Außenfläche des
Endes des Innenrohrs 16 erweitert sich radial nach außen, um eine Deflektorfläche 46 zu
bilden. Das untere Ende des Kanals 28 ist daher ringförmig und
erweitert sich radial nach außen.
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Im
Betrieb ist der Speiseeingang 38 der Kammer 32 unter
Zwischenschaltung eines Steuerventils mit einem Behälter zur
Speicherung des abzufüllenden
Produkts verbunden. Das Öffnen
und Schließen
des Ventils kann in Abhängigkeit
von verschiedenen Parametern gesteuert werden. Es kann sich um eine
Zeitsteuerng handeln, die eine feste Fülldauer bestimmt, die auf alle
Behälter
angewandt wird. Die Steuerung kann von wiegender Art sein, wobei
die Produktabgabe unterbrochen wird, wenn der Behälter ein
vorbestimmtes Gewicht erreicht. Es kann sich auch um eine Durchflusssteuerung
handeln, bei der der von dem Mundstück abgegebene Durchfluss integriert
wird, um über
einen Schätzwert für das in
den Behälter
abgegebene Produktvolumen zu verfügen. Im Falle einer volumetrischen
Maschine wird die Menge des abzugebenden Produkts in ein Zwischenvolumen
dosiert, das zwischen dem Speichervolumen und dem Füllmundstück liegt.
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Die
Zugangsöffnung 30 des
Gasmitnahmekanals 28 wird vorzugsweise mit einer Qelle
für ein für das betreffende
Produkt neutrales Gas verbunden. Dieses Neutralgas kann zum Beispiel
Kohlendioxid (CO2) oder Stickstoff (N2) sein.
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Die
im Inneren des Mittelrohrs 16 begrenzte Mittelleitung 42 wird
mit einer Gasabfuhrvorrichtung oder einfach mit der Umgebungsluft
verbunden.
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Im
Betrieb wird der Produktstrom, der in den Mundstückkörper injiziert wird, daher
in der Kammer 32 in Drehung versetzt, wodurch in Verbindung
mit der ringförmigen
Form der Austrittsöffnung 40 und mit
der Form der Deflektorfläche 44 sichergestellt wird,
dass das Produkt durch das Mundstück in Form eines schirmförmigen Strahls
abgegeben wird. Da der untere Teil des Mundstücks in den Behälter eingeführt ist
oder sich in dessen unmittelbarar Nähe befindet bekommt das Produkt
daher Kontakt mit der Innenwand des Behälters und strömt an ihr
entlang, um den Behälter
zu füllen.
Man erhält
ein Fließen,
das selbst bei sehr hohen Durchsätzen
sehr wenig Schaum erzeugt.
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Die
Leitung 28 wird erfindungsgemäß mit einem Neutralgas gespeist,
so dass der Gasstrom, der durch das untere Ende der Leitung 28 ausströmt, "unter" dem schirmförmigen Produktfluß mündet. Wegen der
erweiterten Form der Deflektorfläche 46 fließt der Gasstrom
im Wesentlichen parallel zu dem Produktstrom in die Flasche.
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Mittels
der Erfindung wird der Produktstrom in gewisser Weise zwischen der
Wand des Behälters auf
der Außenseite
und dem Neutralgasstrom auf der Innenseite eingeschlossen. Ruf diese
Weise wird der Kontakt des Produkts mit der Umgebungslft sehr eingeschränkt oder
sogar aufgehoben.
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Die
Abführleitung 42 gestattet
es natürlich, dass
das Gas aus dem Behälter
in dem Maße
entweicht, wie der Produktpegel in dem Behälter zunimmt. Dieses Entweichen
erfolgt vorzugsweise durch die Mitte des Behälters entlang der Achse A1 nach
oben. Die abgeführten
Gase können
entweder Teil des anfänglich
in dem Behälter
vor der Füllung enthaltenen
Gases oder ein Teil des durch die Leitung 36 mitgenommenen
Neutralgases sein.
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Um
die Möglichkeit
eines Kontakts des Produkts mit Umgebungsluft zu begrenzen, kann
es vorgesehen werden, den Füllvorganng
durch einen vorhergehenden Schritt des Spülens des Behälters mit einem
Neutralgas einzuleiten. Die Wirksamkeit einer derartigen Spülung mit
dem erfindungsgemäßen Mundstück wird
insbesondere durch das besondere Fließen aufgrund des Mundstücks verbessert.
Der durch die Gasmitnahmeleitung 28 injizierte Fluss strömt entlang
der Wände
des Behälters
nach unten und steigt entlang der Achse A1 in Richtung des Abführleitung 42 wieder
auf. Dieses Fließen
gestattet es, in sehr geringer Zeit und auf sehr wirksame Weise die
zuvor in dem Behälter
enthaltene Luft auszutreiben. Auf diese Weise wird der Kontakt des
Produkts mit Luft stark vermindert, ohne die zur Füllung eines Behälters notwendige
Zeit zu sehr zu erhöhen.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Mundstücks kann
die Injektion von Neutralgas über
die zur Füllung
des Produkts notwendige Zeit verlängert werden, um das Spülen des
Kopfraums des Behälters mit
einem Neutralgas zu vervollkommnen und so den Einschluss von Luft
in der Flasche und damit in Kontakt mit dem Produkt im Moment des
Verschlusses der Flasche zu vermeiden.