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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
gleichzeitigen Füllen mehrerer Verpackungsbehälter mit flüssigen
Inhaltsstoffen, die einen mit einem Pegelmesser versehenen
Haltetank mit Füllrohren und einem jedemn Füllrohr zugeordneten
Füllventil aufweisen, wobei ein Durchflußmesser zwischen dem
Haltetank und dem Füllventil in einem der Durchflußpfade
angeordnet ist, der mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, um
alle Füllventile wirksam zu steuern.
STAND DER TECHNIK
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Bei Füllmaschinen, die in der Brauerei- und Molkereiindustrie
verwendet werden, sind die Anforderungen an eine hohe
Füllkapazität, eine präzise Füllgenauigkeit, eine annehmbare Spül- und
Sterilisierungsfähigkeit sowie ingesamt an ökonomische
Gesichtspunkte von entscheidender Bedeutung. Füllmaschinen z.B.
für Flaschen füllen häufig eine große Anzahl von Flaschen
gleichzeitig, wobei jede Flasche mittels einer
Fördereinrichtung zu einer Füllstation unter einem Füllrohr vorgeschoben
wird, durch die eine abgemessene Menge der gewünschten
Inhaltsstoffe zugeführt wird. Jedes Füllrohr ist deshalb über eine
Meß oder Abgabeeinrichtung mit einem Haltetank für die
gewünschten Inhaltsstoffe, z.B. einer Kolbenpumpe verbunden, die
bei jedem Arbeitshub das erwünschte Volumen der Inhaltsstoffe
mißt und aus dem Haltetank zu der Flasche überträgt. Bei
Inhaltsstoffen mit niedriger Viskosität, z.B. frei fließenden
Flüssigkeiten wie Milch und Saft, kann jedes Füllrohr anstelle
der relativ teuren und komplizierten Kolbenpumpe mit einem
Durchflußmesser und einem von dem Durchflußmesser gesteuerten
Ventil versehen werden, wobei sich das Ventil öffnet, wenn die
Flasche in der richtigen Füllposition unter dem Füllrohr
angeordnet ist, und sich schließt, wenn der Durchflußmesser den
Durchlauf des gewünschten Volumens von Inhaltsstoffen gemessen
hat.
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Beide oben umrissenen Auslegungs- und Konstruktionsprinzipien
werden allgemein angewendet und haben sich als ausreichend für
die üblichen Anforderungen an die Wirksamkeit, Genauigkeit und
Spülfähigkeit erwiesen. Allerdings sind (besonders bei großen
Füllanlagen) die Kosten relativ hoch, da jedes Füllrohr mit
einer eigenen Kolbenpumpe oder einem Durchflußmesser ausgestattet
werden muß. Da große Füllanlagen mit 8, 16 oder 32 Füllrohren
nicht unüblich sind, ergibt sich eine beträchtliche
Kapitalinvestition. Außerdem erfordert die große Zahl von Kolbenpumpen
oder Durchflußmessern eine sorgfältige individuelle Einstellung
und Steuerung, wodurch die Betriebskosten entsprechend erhöht
werden.
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Eine Füllvorrichtung ist bekannt (EP-A-0 515 960), die einen
einzigen Durchflußmesser verwendet, der zwischen dem Fülltank
und einem Hauptfüllventil angeordnet ist. Der Messer ermittelt
einen Wert, der der Füllzeit entspricht, die zum Erreichen
einer voreingestellten Füllmenge an dem Hauptfüllort erforderlich
ist. Eine Anzahl von Nebenfüllplätzen werden durch eine
Steueranlage geregelt, die jedes Nebenventil einzeln während eines
Zeitraums öffnet, der von dem Steuerwert abgeleitet ist. Die
Ventile werden also nicht gleichzeitig geöffnet, wodurch die
Gesamtfüllzeit für eine gegebenen Anzahl von Behältern
verlängert wird.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der
Realisierung einer Vorrichtung zum Füllen mehrerer Verpackungsbehälter,
die nicht an den obengenannten Nachteilen leidet, sondern eine
deutlich einfachere Auslegung und Konstruktion aufweist.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der
Realisierung einer Vorrichtung zum Füllen von
Verpackungsbehältern, die eine minimale Anzahl von Bauteilen aufweist und
einfach ausgelegt und konstruiert ist.
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Darüber hinaus liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in
der Realisierung einer Vorrichtung zum Füllen von
Verpackungsbehältern, die niedrige Betriebskosten ergibt und leicht auf
ein genaues, stabiles Präzisionsniveau einzustellen ist.
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Außerdem liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der
Realisierung einer Vorrichtung zum Füllen von
Verpackungsbehältern, die leicht zu spülen ist und für ein hohes Hygieneniveau
sorgt.
LÖSUNG
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Die obengenannten und weitere Aufgaben wurden nach der
vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung des in
der Einführung beschriebenen Typs das kennzeichnende Merkmal
erhielt, daß die Steuervorrichtung einer Antriebsmaschine
zugeordnet ist, die allen Ventilen gemeinsam ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung nach der
vorliegenden Erfindung erhielten ferner die in den beigefügten
Unteransprüchen dargelegten kennzeichnenden Merkmale.
VORTEILE
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Da ein einziger Durchflußmessers angewendet und veranlaßt wird,
die Versorgung mit Inhaltsstoffen über alle Durchflußpfade zu
steuern, ist die Vorrichtung nach der Erfindung ökonomisch
ausgelegt und konstruiert, und es hat sich herausgestellt, daß sie
trotz ihrer einfachen Beschaffenheit vollständig den
Anforderungen
genügt, die an die gewünschte Volumenpräzision
insbesondere während eines langen Betriebs gestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
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Im folgenden wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der
Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung im einzelnen unter
speziellem Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen
beschrieben, die nur diejenigen Einzelheiten zeigen, die zum
Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlich sind. In den
beigefügten Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 schematisch die Vorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung von der Seite und teilweise im Schnitt;
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Fig. 2 einen Teil der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung
teilweise im Schnitt; und
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Fig. 3 einen Schnitt durch einen Reduzierer nach Fig. 2.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSFORN
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Die in den Zeichnungen gezeigte Version der Vorrichtung nach
der vorliegenden Erfindung ist zum gleichzeitigen Füllen von
acht Verpackungsbehältern oder Flaschen gedacht, die mittels
(nicht gezeigter) Fördereinrichtungen in eine Füllposition
unter der Vorrichtung gebracht werden. Die Vorrichtung kann in
eine größere Packmaschine integriert sein, die Vorrichtung nach
der vorliegenden Erfindung kann aber auch zum Füllen von
Verpackungsbehältern verwendet werden, die schrittweise auf einer
Fördereinrichtung vorgeschoben werden. Die praktische Auslegung
der Vorrichtung kann selbstverständlich innerhalb weiter
Grenzen modifiziert werden, solange die grundsätzliche Konstruktion
der Vorrichtung unverändert bleibt und unter den Geist und
Umfang der beigefügten Ansprüche fällt.
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Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum
gleichzeitigen Füllen mehrerer Verpackungsbehälter weist einen
länglichen Haltetank 1 auf, der konvexe Endwände aufweist und als
Drucktank ausgelegt ist, so daß er einem bestimmten inneren
Überdruck standhält. Das Volumen des Tanks sollte wenigstens so
hoch wie das zweifache Gesamtvolumen der Verpackungsbehälter
sein, die gleichzeitig gefüllt werden. Ein höheres Tankvolumen
ist zu bevorzugen, da der Pegel bei der intermittierenden
Entnahme von Inhaltsstoffen dann weniger stark schwankt, als dies
der Fall wäre, wenn ein kleiner Tank verwendet wird. An einer
Endwand des Haltetanks 1 erstreckt sich ein Einlaßrohr 2, das
axial entlang dem Boden des Tanks angeordnet ist und zwei
Auslaßlöcher 3 aufweist, die entlang der Länge des Tanks im
Abstand angeordnet sind. Das gegenüberliegende Ende des
Einlaßrohrs 2 steht mit einem Durchflußregler 4 in Form einer Pumpe
oder eines Ventils in Verbindung, der über ein weiteres Rohr 5,
ein Spülventil 6 und ein Einlaßventil 7 mit einem Einlauf 8 für
die gewünschten Inhaltsstoffe verbunden ist. Der Einlauf 8 kann
mit einem (nicht gezeigten) Haupttank oder einem anderen Typ
einer Quelle für die gewünschten Inhaltsstoffe verbunden sein.
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Bei Verwendung des Einlaßventils 7 kann der Einlauf 8 beim
Spülen des Systems über ein weiteres Spülventil 9 mit einer
Spülleitung verbunden werden, die an zwei voneinander
beabstandeten Punkten im oberen Bereich des Haltetanks 1 abgibt, wobei
die Spülleitung mit 10 mit zwei sogenannten Brauseköpfen 11
verbunden ist, d.h. kugelförmigen Auslaßdüsen, die an ihrer
Oberfläche perforiert und von dem Typ sind, der normalerweise
zum Spritzen einer Spül- und Reinigungsflüssigkeit zur
Reinigung von Tanks verwendet wird (CIP-Verfahren).
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Im Haltetank 1 ist auch zentral ein Pegelmesser 12 angeordnet,
der beispielsweise mit einem Schwimmer 13 zusammenwirken kann,
dessen Position elektrisch zu einem außerhalb angeordneten
Pegelregler 14 des bekannten Typs übertragen wird, der zum
Steuern eines Ventus oder einer Pumpe in Reaktion auf ein Signal
verwendet wird, d.h. im vorliegenden Fall des Durchflußreglers
4. Natürlich können auch andere Typen von Pegelmessern 12
verwendet werden, z.B. Pegelsonden oder andere Typen von
Signalsendern und Signalempfängern.
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Der Haltetank 1 weist auch eine Ablaufleitung 15 auf, die aus
dem unteren Bereich des Tanks abgibt und mittels eines
Bodenventus 16 zu verschließen ist.
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Im unteren Bereich des Haltetanks 1 sind eine Anzahl von
ausgerichteten Auslässen zu Durchflußpfaden 17 vorgesehen, die sich
im wesentlichen vertikal nach unten zu Füllventilen 18
erstrekken, die an den unteren Enden der Durchflußpfade angeordnet
sind. Das Gehäuse jedes Füllventils enthält einen vertikal
verschiebbaren Ventilkörper 19, einen am unteren Ende des
Ventilkörpers angeordneten Ventilsitz 20 sowie eine sich im
wesentlichen vertikal nach oben erstreckende Spindel 21, die den
Ventilkörper trägt. Die Spindel 21 oder ihre Verlängerung steht
über Dichtungselemente 22 am oberen Ende des Füllventils mit
einem Kurbelgetriebe 23 in Verbindung, dessen oberes Ende
seinerseits mit einem Übertragungsträger 24 schwenkbar verbunden
ist. Der Übertragungsträger erstreckt sich horizontal über alle
Ventile 18 und ist über entsprechende Kurbelgetriebe 23 mit
einem der Ventile verbunden, um für einen gemeinsamen Betrieb
durch die vertikale Verschiebung des Trägers 24 zu sorgen. Der
Träger 24, der auf bekannte Weise (was nicht in den Zeichnungen
gezeigt ist) zur Ermöglichung des Betriebs über Zapfen gelagert
ist, wird von einer Antriebsmaschine 25 in Form einer
Kolbenund Zylindereinheit betätigt, die mit dem Träger 24 verbunden
ist, um den Träger zwischen einer unteren Position, in der alle
Ventilkörper 19 gegen ihren Ventilsitz 20 anliegen, so daß die
Füllventile 18 geschlossen sind, und einer oberen Position zu
verschieben, in der die Ventilkörper 19 von ihrem jeweilige
Ventilsitz 20 im Abstand angeordnet sind, so daß die
Inhaltsstoffe frei aus dem Haltetank 1 über die Strömungspfade 17 und
durch jedes Füllventil 18 zu (nicht dargestellten)
Verpackungsbehältern strömen können, die unter den Ventilen angeordnet
sind.
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Um die Steuerung der Füllventile 18 derart zu ermöglichen, daß
eine geeignete, gleichmäßige Dosierung der Inhaltsstoffe
sichergestellt werden kann, ist in einem der Strömungspfade 17'
ein Durchflußmesser 26 angeordnet, der von einem herkömmlichen
Typ ist und elektrisch das Volumen der Flüssigkeit mißt, die in
dem Strömungspfad 17' fließt. Der Durchflußmesser 26 ist
elektrisch mit einer Steuereinrichtung 27 verbunden, die von dem
bekannten Typ sein kann, der beispielsweise zum Betrieb einer
Kolben- und Zylindereinheit des Typs verwendet wird, die die
Antriebsmaschine 25 bildet.
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Jeder Strömungspfad 17 umfaßt ferner einen Reduzierer 28, der
in dem Strömungspfad zwischen dem Haltetank 1 und dem
Füllventil 18 angebracht ist. In dem mit dem Durchflußmesser 26
ausgestatteten Strömungspfad 17' ist der Reduzierer 28 aus der Sicht
in Strömungsrichtung der Inhaltsstoffe unterhalb des
Durchflußmessers 26 angebracht.
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Der Reduzierer 28, der in Fig. 3 in gr:ßerem Maßstab gezeigt
ist, liegt in Form einer Scheibe oder einer Drossel mit einem
Kanal 29 mit einem Flächeninhalt vor, der bezüglich des
Flächeninhalts des Strömungspfades 17 reduziert ist, wobei im
Ergebnis der Durchflußbereich des Reduzierers 28 weniger als 50 %
des durchschnittlichen Flächeninhalts des Strömungspfades 17
beträgt. Aus der Sicht in Strömungsrichtung der Inhaltsstoffe
weist der Reduzierer 28 einen Einlaßkonus 30 auf, der einen
übergang zwischen dem größeren Durchflußbereich in dem
Strömungspfad 17 und dem reduzierten Flächeninhalt des Kanals 29
bildet. Der Reduzierer 28 ist auch mit einem Auslaßkonus 31
versehen, der unterhalb des Kanals 29 angeordnet ist und einen
übergang zu dem größeren Durchflußbereich im Abschnitt des
Strömungspfades 17 bildet, der hinter dem Reduzierer 28
angeordnet ist. Der Einlaßkonus 30 weist einen Eintrittswinkel
zwischen 5 und 20º auf, während der Auslaßkonus 31 einen
Aufweitungswinkel zwischen 60 und 180º aufweist. Natürlich sind diese
Werte an den einzufüllenden Typ von Inhaltsstoffen sowie die
Menge an Inhaltsstoffen angepaßt, die jedesmal eingesetzt
werden sollen, wenn die Füllventile 18 geöffnet werden. Beim
Füllen von frei fließenden Inhaltsstoffen, z.B. Milch in
Einliterpackungen hat es sich als angemessen erwiesen, einen
Einlaßkonus 30 zu verwenden, der einen oberen oder einen
Eintrittswinkel von etwa 10º aufweist, während der Auslaßkonus 31 unter
ähnlichen Bedingungen einen Aufweitungswinkel von etwa 90º
aufweisen sollte.
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Da der Reduzierer 28 vorgesehen ist, was für den
Strömungswiderstand in den Strömungspfaden 17 von entscheidender Bedeutung
ist, können alle Strimungspfade derart ausgeglichen werden, daß
ein im wesentlichen vollständig gleichmäßiger
Strömungswiderstand vorliegt, wodurch trotz der Tatsache eine gleichmäßige
Füllung gewährleistet wird, daß nur ein einziger Strömungspfad
17' mit einem Durchflußmesser 26 versehen und über die
Steuereinrichtung 27 wirksam ist, um gleichzeitig und gleichmäßig
alle Füllventile 18 zu steuern. Ein möglicherweise
ungleichmäßiger Strömungswiderstand in Abhängigkeit von der
unterschiedlichen Anordnung der Strömungspfade bezüglich des Zentrums des
Haltetanks, Ungenauigkeiten in der Auslegung der Strömungspfade
und ihren Innenseiten, der Anwesenheit eines Durchflußmessers
26 nur in einem einzigen Strömungspfad sowie andere denkbare
Einflußfaktoren können durch die individuelle Auslegung der
verschiedenen Reduzierer 28 vollständig aufgehoben werden.
Wurden diese also derart ausgelegt, daß in allen Strömungspfaden
ein gleichmäßiger Durchfluß erhalten wird, dann kann die
Kontrolle des Inhaltsvolumens über eine sehr lange Betriebszeit
mit einem ausreichenden Genauigkeitsgrad gewährleistet werden
(ca. ± 2 % Volumengenauigkeit).
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Ist die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung in die
Praxis umgesetzt, dann werden die Inhaltsstoffe über den Einlaß 8
zugeführt, wobei das Spülventil 9 derart geschlossen wird, daß
die Inhaltsstoffe den Durchflußregler 4 über das Rohr 5 und das
offene Spülventil 6 erreichen. In Abhängigkeit von der Position
des Reglers 4 können die Inhaltsstoffe über beide Auslaßlöcher
3 des Einlaßrohrs 2 in den Haltetank fließen, wo die
Flüssigkeitsoberf läche den Schwimmer 13 anhebt, bis der Pegelmesser 12
über den Pegelregler 14 ein Signal zu dem Durchflußregler 4
aussendet, um das Einströmen von Inhaltsstoffen in den
Haltetank 1 zu unterbrechen oder zu drosseln.
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Hat die (nicht gezeigte) Fördereinrichtung acht oben offene,
vorgeformte Verpackungsbehälter unter den Füllventilen 18
angeordnet, dann empfängt die Steuereinrichtung 27 ein Signal, so
daß die Antriebsmaschine 25 betätigt wird, um den Träger 24 in
seine obere Position anzuheben, wobei die Kurbelgetriebe 23 die
Ventilkörper 19 in die obere, geöffnete Position aktivieren.
Hierdurch können die Inhaltsetoffe über die Durchflußpfade 17
und die Füllventile 18 strömen, so daß mit dem Füllen der
Verpackungsbehälter begonen wird. Hat der Durchflußmesser 26
registriert, daß das gewünschte Volumen von Inhaltstoffen in dem
Strömungspfad 17' vorbeigeströmt ist, dann wird wieder ein
Signal an die Steuereinrichtung 27 ausgesendet, um die
Füllventile 18 zu schließen, wobei alle Verpackungsbehälter aufgrund der
symmetrischen Strömung in den verschiedenen Strömungspfaden 17
bei hohem Genauigkeitsgrad das vorbestimmte Volumen an
Inhaltsstoffen erhielten. Der Ausfluß von Inhaltsstoffen über die
Strömungspfade 17 beeinflußt den Pegel in dem Haltetank 1, der
von dem Pegelmesser 12 registriert wird, so daß der
Durchflußregler 4 angewiesen wird, den Einlaß des Defizits an
Volumeninhaltsstoffen in den Haltetank zuzulassen. Hierdurch wird
gewährleistet, daß der Flüssigkeitsdruck in den verschiedenen
Strömungspfaden 17 stets innerhalb bestimmter Grenzen gehalten
wird, wobei gleichzeitig stets eine ausreichende Menge an
Inhaltsstoffen für folgende Füllzyklen im Haltetank verfügbar
ist. Der Haltetank 1 umfaßt selbstverständlich auch eine (nicht
gezeigte) Entlüftungsöffnung, so daß sein Innenvolumen über
einen geeigneten Filter mit der Umgebungsatmosphäre in Kontakt
steht, der Haltetank kann aber auch über die Entlüftungsöffnung
derart unter Druck gesetzt werden, so daß eine Steigerung der
Durchflußrate in den Strömungspfaden 17 möglich wird, wenn die
Füllventile 18 offen sind. Ebenso kann ein leichter Überdruck
in dem Haltetank 1 verwendet werden, wenn Inhaltsstoffe mit
höherer Viskosität, z.B. Saft oder Fruchtgetränke mit dickerer
Konsistenz eingefüllt werden sollen. Dadurch kann die
Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung nicht nur für frei
fließende, wasserartige Inhaltsstoffe, sondern auch für eine große
Zahl der meisten üblicherweise vorkommenden verpackten Getränke
verwendet werden.
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Es hat sich herausgestellt, daß die Vorrichtung nach der
vorliegenden Erfindung in der Praxis gut funktioniert und
erhebliche Kosteneinsparungen mit sich bringt, da eine große Zahl von
Strömungspfaden ausgehend von einem einzigen Durchflußmesser
gesteuert werden kann und nicht wie früher die gleiche Zahl von
Durchflußmessern wie Strömungspfaden oder alternativ eine
entsprechende Anzahl aktiver Abgabevorrichtungen wie Kolbenpumpen
oder ähnliches verwendet werden muß. Aus dieser Vereinfachung
ergibt sich nicht nur eine beträchliche Kosteneinsparung,
sondem auch eine Vereinfachung und ökonomischere Gestaltung der
Wartung und Überwachung, da die Vorrichtung sehr wenige
bewegliche oder verstellbare Teile aufweist.
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Die vorliegende Erfindung sollte nicht auf das oben
Beschriebene und in den Zeichnungen Gezeigte begrenzt gelten, wobei viele
Modifizierunge denkbar sind, ohne vom Umfang der beigefügten
Ansprüche abzuweichen.