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Hintergrund
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Hochgeschwindigkeitsfüllmaschine
zum Befüllen
von Behältern
mit einer Flüssigkeit,
wie beispielsweise Saft oder Milch bei einer hohen Geschwindigkeit.
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Flüssigkeitsabfüllmaschinen,
welche einen Maschinenrahmen mit einer Befüllungsstation, einen Förderer zum
transportieren von Behältern,
welche diese an der Befüllungsstation
nacheinander anhält, eine
an der Station angeordnete Befüllungsvorrichtung
und Mittel zur Zuführung
der abzufüllenden Flüssigkeit
in die Vorrichtung umfassen, sind bereits bekannt.
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Auch als solche Maschinen bekannt
sind eine Verpackungsmaschine mit zwei Befüllungsstationen entlang eines
Behältertransportweges
(ungeprüftes
japanisches Gebrauchsmuster mit der Publikationsnummer 10108/1994)
und eine Vorrichtung zur Durchführung
eines Verfahrens, um eine hochviskose Flüssigkeit wie beispielsweise
Klebemittel oder Dichtungsmaterial in Behälter mit einer hohen Genau igkeit
abzufüllen,
ohne mehr Zeit zu benötigen, indem
zwei Befüllungsstationen
eingesetzt werden (JP-A-48393/1996).
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Es erscheint möglich, Befüllungsmaschinen bezüglich der
Füllungskapazität zu verbessern,
indem man die Maschine mit einer höheren Geschwindigkeit betriebsfähig macht.
Die höhere
Geschwindigkeit verkürzt
den Betriebszyklus der Maschine durch Reduktion der Befüllungszeit
pro Behälter,
so daß ein
Bedarf, die Flüssigkeit
in die Behälter
innerhalb der reduzierten Zeit in einer Menge, die der Kapazität des Behälters entspricht,
zu befüllen,
konsequenterweise steigt. Es wird dann notwendig, die Flüssigkeit
mit einer gesteigerten Flußrate
einzufüllen,
was das Problem mit sich bringt, daß die Flüssigkeit Blasen oder eine gestörte Oberfläche innerhalb des
Behälters
bildet. Deshalb war es schwierig, die Maschine mit einer gesteigerten
Geschwindigkeit zu betreiben.
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Die in der vorhergehenden Publikationsnummer
10108/1994 offenbarte Flüssigkeitsbefüllungs-Verpackungsmaschine
ist, obwohl sie die erste und die zweite Befüllungsvorrichtung aufweist,
weder mit Zuführmitteln
zur Zuführung
der gleichen, einzufüllenden
Flüssigkeit
in die beiden Befüllungsvorrichtungen
ausgestattet, noch hat die Maschine Steuermittel zur Steuerung der
durch die erste Vorrichtung einzufüllenden Menge und der durch
die zweite Vorrichtung einzufüllenden
Menge, so daß die
Summe der einzufüllenden
Mengen durch beide Vorrichtungen gleich der Kapazität des Behälters ist.
Die Maschine ist daher brauchbar, wenn zwei Arten von Flüssigkeiten
separat in die jeweiligen Behälter
gefüllt
werden müssen,
wobei die Maschine bei einem Betrieb mit einer höheren Geschwindigkeit nicht brauchbar
ist.
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Bei der Vorrichtung der JP-A-48393,
die zum Einfüllen
einer hochviskosen Flüssigkeit
in Behälter mit
hoher Genauigkeit angepaßt
ist, werden ein Hauptkanal und ein Nebenkanal zur Zuführung der Flüssigkeit
jeweils zu der Hauptbefüllungsstation
und der Nebenbefüllungsstation
mit einem Durchflußratenverhältnis von
90 zu 10 bis 99,5 zu 0,5, vorzugsweise 99 zu 1, gesetzt, so daß eine sehr
kleine Menge der Flüssigkeit
langsam durch die Nebenstation gefüllt wird, um zuverlässig den
Mindergehalt des Behälters,
welcher an der Hauptstation mit einer vorgegebenen Menge nährungsweise
gefüllt
wurde, genau auszugleichen. Die Vorrichtung benötigt jedoch Mittel zur Detektion
der eingefüllten
Menge, um genau die Mindermenge des Behälters, welcher an der Hauptstation
mit einer vorgegebenen Menge angenährt befüllt wurde, auszugleichen.
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Weiterhin ist es erforderlich, daß der Behälter, welcher
mittels eines intermittierend angetriebenen Förderers angehalten wurde, in
dieser Halteposition komplett gehalten wird, um die Störung auf
der Flüssigkeitsoberfläche zur
genauen Ermittlung der den Behälter
füllenden
Flüssigkeitsmenge
zu eliminieren. Obwohl die Vorrichtung daran angepaßt ist, die
Behälter
mit der vorgegebenen Inhaltsmenge genau zu befüllen, ist sie nicht in der
Lage, die vorgegebene Menge an Flüssigkeit mit einer höheren Geschwindigkeit
in die Behälter
zu füllen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist, eine Maschine zur genauen Befüllung von Behältern mit
einer vorgegebenen Flüssigkeitsmenge
mit einer hohen Geschwindigkeit und ohne die Problematik der Blasenbildung
oder der Störung
der Flüssigkeitsoberfläche innerhalb
des Behälters
bereitzustellen.
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Wir haben intensive Recherchen durchgeführt, um
die vorhergehenden Probleme zu überwinden,
und haben die vorliegende Erfindung verwirklicht.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Hochgeschwindigkeitsfüllmaschine
für Flüssigkeiten,
welche einen Maschinenrahmen mit einer Hauptbefüllungsstation und einer Nebenbefüllungsstation,
einen Förderer
zum transportieren von Behältern
derart, daß er
die Behälter
nacheinander an der Hauptbefüllungsstation
und an der Nebenbefüllungsstation
anhält,
eine Hauptbefüllungsvorrichtung
und eine Nebenbefüllungsvorrichtung,
welche an der Haupt- und an der Nebenbefüllungsstation jeweils angeordnet sind,
Zuführmittel,
um dieselbe Art von einzufüllender Flüssigkeit
der Haupt- und Nebenbefülllungsvorrichtung
zuzuführen,
und Steuermittel zur Steuerung der durch die Hauptbefüllungsvorrichtung
einzufüllenden Menge
und der durch die Nebenbefüllungsvorrichtung
einzufüllenden
Menge, so daß die
Summe der durch die Vorrichtungen einzufüllenden Mengen gleich der Kapazität jedes
der Behälter
ist, ausweist.
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Aus der GB-A-1.140.888 ist eine Flüssigkeitsabfüllmaschine
bekannt, in der die Flüssigkeit nur
durch Gravitationseinwirkung aus einem Reservoir durch Ventilmittel
in die Behälter
fließt.
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Die Erfindung sieht eine Hochgeschwindigkeitsfüllmaschine
für Flüssigkeiten
des oben beschriebenen Typs vor, worin jede der Haupt- und Nebenbefüllungsvorrichtungen
eine Befüllungsdüse, welche
oberhalb eines Transportweges des Behälters angeordnet ist, einen
Dosierungszylinder, der einen Kolben aufnimmt zur Zuführung der
Flüssigkeit zu
der Befüllungsdüse durch
die Hin- und Herbewegung des Kolbens und eine unabhängige Antriebsvorrichtung
für die
Hin- und Herbewegung des Kolbens über eine gewünschte Hublänge und/oder
mit einer gewünschten
Geschwindigkeit umfaßt,
worin die Antriebsvorrichtung einen Motor und einen Betätigungseinrichtung
um die Rotation einer Abtriebswelle des Motors auf den Kolben durch
Umwandlung der Rotation in eine lineare Hin- und Herbewegung zu übertragen,
umfaßt,
wobei die Steuermittel die Steuerung durch Variationen des vorgegebenen Pulswertes
der Motoren der jeweiligen Befüllungsvorrichtungen
verwirklichen.
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Die Erfindung sieht weiterhin eine
Hochgeschwindigkeitsfüllmaschine
für Flüssigkeiten
des oben beschriebenen Typs vor, in der die durch die Hauptbefüllungsvorrichtung einzufüllende Menge 50%–80% der
Kapazität
des Behälters
beträgt,
und die durch die Nebenbefüllungsvorrichtung
einzufüllende
Menge 50%–20%
der Behälterkapazität beträgt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitsfüllmaschine für Flüssigkeiten;
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2 ist
eine Darstellung eines vertikalen Längsschnitts einer in der Maschine
enthaltene Befüllungsdüse; und
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3 ist
eine Vertikalschnittansicht eines in der Maschine enthaltenen Dosierungszylinders.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführung
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Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird im Detail mit Bezugnahme auf die Zeichnungen unten
beschrieben.
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Die gezeigte Hochgeschwindigkeitsfüllmaschine
für Flüssigkeiten
umfaßt
einen intermittierend angetriebenen Förderer 11, der einen
Transportweg aufweist, welcher sich durch eine Hauptbefüllungsstation
S1 und dann durch eine Nebenbefüllungsstation
S2 erstreckt, und eine Hauptbefüllungsvorrichtung 21 und
eine Nebenbefüllungsvorrichtung
22, welche
jeweils an den Stationen S1 und S2 angeordnet sind.
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Rohrförmige Papierbehälter mit
einer Bodenfläche
und einem quadratischen Querschnitt werden in einer Reihe angeordnet
auf dem Förderer 11 gleichzeitig
bei jedem Arbeitszyklus, von diesem um eine Strecke transportiert,
wobei die Strecke zwei Behälterzwischenräumen entspricht,
wodurch zwei Behälter
zu jeder der Stationen S1, S2 gleichzeitig gebracht und angehalten
werden.
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Die Haupt- und Nebenbefüllungsvorrichtungen 21, 22 haben
den gleichen Aufbau. Die Hauptbefüllungsvorrichtung 21 wird
nachfolgend beschrieben.
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Die Hauptbefüllungsvorrichtung 21 umfaßt zwei
Befüllungsdüsen 31,
die oberhalb des Behältertransportweges
an der Hauptbefüllungsstation
S1 angeordnet sind, zwei Dosierungszylinder 32 zur Zuführung einer
vorbestimmten, einzufüllenden
Flüssigkeitsmenge
in die jeweiligen Düsen 31,
und zwei Betätitungseinrichtungen 33,
welche für
die jeweiligen Zylinder 32 vorgesehen sind. Die beiden
Düsen 31, die
Dosierungszylinder 32 oder die Betätigungseinrichtungen 32 sind
identisch ausgebildet.
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Die Befüllungsdüse 31 umfaßt einen
vertikalen tubularen Düsenkörper 41,
ein Metallgewebe 42, welches an einem offenen unteren Ende
des Düsenkörpers 41 befestigt
ist, um einem Herunterfließen der
Flüssigkeit
durch Gravitätseinwirkung
entgegenzuwirken, ein Auslaßventil 43,
welches in den Düsenkörpern 41 in
einem Zwischenabschnitt seiner Höhe vorgesehen
ist, und einen Flüssigkeitsdruckzylinder 45,
welcher an dem oberen Ende des Düsenkörpers 41 angeordnet
ist, vertikal abwärts
ausgerichtet ist und eine Kolbenstange 44 aufweist, welche
in Druckkontakt mit dem Ventilschaft des Absperrventils 43 bewegbar
ist, um das Ventil 43 beispielsweise zu Reinigungszwecken
zu öffnen.
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Der Dosierungszylinder 32 umfaßt einen
horizontalen Zylinderkörper 52,
welcher mit dem Düsenkörper 41 durch
ein Verbindungsrohr 51 verbunden ist und ein geschlossenes
rechtes Ende aufweist, sowie einen Kolben 53, welcher in
den Zylinderkörper 52 eingelassen
ist.
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Der Zylinderkörper 52 hat ein vertikales
Einlaßrohr 61,
welches mit einem oberen Ende davon verbunden ist. Ein Einlaßabsperrventil 62 ist
in das Einlaßrohr 61 eingelassen.
An dem oberen Ende des Einlaßrohrs 61 ist
ein Flüssigkeitsdruckzylinder 63 montiert,
der vertikal abwärts
zur Öffnung
des Ventils 62 ausgerichtet ist. Der Zylinder 63 hat
eine Kolbenstange 64, die mit einer Blende an ihrem unteren Ende
ausgestattet ist und in Druckkontakt mit dem Ventilschaft des Absperrventils 62 zum Öffnen des Absperrventils 62 bewegbar
ist. Ein Zuführrohr 65 hat ein
Auslassende, welches mit dem Einlaßrohr 61 in einem
Zwischenabschnitt seiner Höhe
verbunden ist, und ein Einlaßende,
welches mit einem Flüssigkeitstank 66 verbunden
ist.
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Ein Paar rechter und linker Blenden 71 und 72 schließen einen
Spalt, welcher innerhalb des Zylinderkörpers 52 um den Kolben 53 ausgebildet
ist.
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Der Kolben 53 hat einen
Deckel, der mit dem rechten Ende einer horizontalen Kolbenstange 73 verbunden
ist, welche mit einer axialen Bohrung 74 ausgebildet ist,
die ein offenes linkes Ende aufweist. Eine Führungshülse 75 ist um die
Kolbenstange 73 mit einer zwischen ihnen aufgeschobenen
Gleithülse 76 ausgestattet.
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Die Betätigungseinrichtung 33 umfaßt einen Servomotor 82,
welcher links weist, und an dem linken Ende des Zylinderkörpers 52 mittels
eines Halters 81 angebracht ist, und eine Kugelumlaufspindel 83 zur Übertragung
der Rotation des Servomotors 82 auf die Kolbenstange 73 durch
Umwandlung der Rotation zu einer linearen Hin und Herbewegung. Die Kugelumlaufspindel 83 umfaßt eine
Gewindestange 86, die mit der Abtriebswelle des Servomotors 82 mittels
eines Riemens 84 verbunden ist und durch Lager 85 an
der Führungshülse 75 abgestützt wird,
und eine Schraubenmutter 87, welche an dem offenen Ende
der axialen Bohrung 74 der Kolbenstange 73 fixiert
ist.
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Die gleiche einzufüllende Flüssigkeit
wird zu den Flüssigkeitstanks 66 der
Haupt- und Nebenbefüllungsvorrichtungen 21, 22 durch
eine nicht dargestellte Rohrleitung gefördert. Eine Reinigungsflüssigkeit
wird durch die Rohrleitungen zu den Befüllungsvorrichtungen 21, 22 gefördert. In
diesem Fall werden die Flüssigkeitsdruckzy inder 45, 63 angetrieben, durch
Druck die jeweiligen Auslaß-
und Einlaßabsperrvenitle 43, 62 zu öffnen.
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Wenn der Servomotor 82 vorwärts oder
rückwärts dreht,
bewegt er den Kolben 53 nach links und nach rechts. Wenn
der Kolben 53 nach links bewegt wird, wird das Einlaßabsperrventil 62 geöffnet, wodurch
die Flüssigkeit
vom Tank 66 in den Dosierungszylinder 32 fließen kann.
Die Bewegung des Kolbens 53 nach rechts öffnet dann
das Auslaßabsperrventil 43,
was die Flüssigkeit
in die Düse 31 aus
dem Dosierungszylinder 32 drückt und die Flüssigkeit
aus der Düse 31 in
einer Menge, die der gedrückten
Menge entspricht, entlädt.
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Die während eines Zyklusses eingefüllte Menge
ist proportional zu der Hublänge
des Kolbens 31. Die Flußrate zur Befüllung ist
proportional zur Hublänge
und/oder der Geschwindigkeit des Hubes des Kolbens 53.
Die gewünschte
Hublänge
und die Geschwindigkeit des Kolbens 53 werden durch Variation
des vorgegebenen Pulswertes des Servomotors 82 erreicht.
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Obwohl der Servomotor zum Antrieb
der Haupt- und Nebenbefüllungsrichtung
eingesetzt wird, ist die Antriebswelle nicht auf diesen Motortyp
beschränkt,
sondern kann ein Motor sein, wie beispielsweise ein Schrittmotor,
welcher durch Impulse von einer Steuervorrichtung betreibbar ist.
Ein anderer Motor ist auch einsetzbar, wenn er mit Mitteln beispielsweise
zur Detektion des Rotationswinkels des Motors oder der Bewegungsmenge
des Kolbens ausgestattet ist.
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Wie oben beschrieben, ist es wünschenswert,
daß die
Haupt- und Nebenbefüllungsvorrichtungen
für den
erfindungsgemäßen Gebrauch
jeweils eine Befüllungsdüse, welche
oberhalb des Behältertransportwegs
angeordnet ist, einen Dosierungszylinder, in welchem ein Kolben
untergebracht ist, zur Zuführung
der in die Düse
zu füllenden
Flüssigkeit durch
Hin- und Herbewegung des Kolbens, und eine unabhängige Antriebsvorrichtung zur
Ein- und Herbewegung des Kolbens über eine optionale Hublänge und/oder
eine optionale Hubgeschwindigkeit umfaßt.
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Weiter umfaßt die zum Einsatz in den jeweiligen
Hauptund Nebenbefüllungsvorrichtungen
eingesetzte, erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung
einen Motor und eine Betätigungseinrichtung
zur Übertragung
der Rotation der Abtriebswelle des Motors zum Kolben durch Umwandlung
der Rotation in eine lineare Hin- und Herbewegung. Vorzugsweise
sehen die Steuerungsmittel zur Steuerung der Befüllungsvorrichtungen eine Variation
des vorgegebenen Pulswertes des Motors zur Steuerung der jeweiligen
Befüllungsvorrichtungen
vor.
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In dem Fall, in dem der Motor als
eine Antriebsvorrichtung dient, ist der Motor mit einem festgesetzten
Pulswert ausgestattet, wobei die gewünschten Werte einfach als durch
die Befüllungsvorrichtung
einzufüllende
Menge, Füllzeit
und Füllmengenverhältnis zwischen
der Haupt- und der Nebenbefüllungsvorrichtung
bestimmt werden. Weiterhin kann das Füllmengenverhältnis innerhalb
einer kurzen Zeit bestimmt werden. Die Maschine kann entsprechend
mit einer hohen Geschwindigkeit optimal in Übereinstimmung mit den Eigenschaften
der einzufüllenden
Flüssigkeit
betrieben werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitfüllmaschine
für Flüssigkeiten
wird die gleiche Flüssigkeit
in einen einzelnen Behälter
mit den Haupt- und Nebenbefüllungsvorrichtungen
individuell durch die jeweiligen Vorrichtungen jeweils mit einer Menge
befällt,
die geringer ist als die Kapazität
des Behälters.
Folglich kann die Einfüllzeit
ohne die Notwendigkeit, die Einfüllflußrate zu
steigern, verkürzt werden,
so daß die
Maschine mit einer hohen Geschwindigkeit, beispielsweise zur Befüllung von
mindestens 12.000 Behältern
pro Stunde betrieben werden kann, ohne die Gefahr der Blasenbildung
oder der Störung
der Flüssigkeitsoberfläche innerhalb
des Behälters
mit sich zu bringen.
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In dem Fall, in dem das Verhältnis zwischen den
Mengen der durch die Haupt- und Nebenbefüllungvorrichtungen einzufüllenden
Mengen mittels erfindungsgemäßen Steuermittel
gesteuert werden soll, kann die durch die Hauptvorrichtung einzuführende Menge
50%–80%
der Kapazität
des Behälters, und
die durch die Nebenvorrichtung einzufüllende Menge 50%–20% der
Behälterkapazität betragen, wobei
die Mengen in Anlehnung an die Eigenschaften der Flüssigkeit
festgelegt werden.
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Wenn die Flüssigkeit beispielsweise eine
geringe Viskosität
wie ein Erfrischungsgetränk
hat, muß die
Flußrate
der durch die Nebenvorrichtung einzufüllenden Flüssigkeit höher sein als die Flußrate der durch
die Hauptvorrichtung zu behandelnden Flüssigkeit und dient dann wahrscheinlich
zur Unterbindung der Blasenbildung der Flüssigkeit oder zur Unterbindung
der Bildung einer gestörten
Oberfläche
in der Nähe
der Behälteröffnung,
wenn die durch die Hauptvorrichtung einzufüllende Menge kleiner ist als die
der Nebenvorrichtung. Wenn weiterhin die durch die Hauptvorrichtung
einzufüllende
Menge mehr als 80% beträgt,
kann die Maschine nicht mit einer höheren Geschwindigkeit betrieben
werden, selbst wenn die Flußrate
durch die Hauptvorrichtung bis zu dem größtmöglichen Maß gesteigert wird. Daher ist
es gewünscht,
daß die
durch die Hauptvorrichtung einzufüllende Menge 50%–80% der
Kapazität
des Behälters
beträgt,
und daß die
durch die Nebenvorrichtung einzufüllende Menge 50%–20% der
Behälterkapazität beträgt.
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Für
den Fall, daß die
Flüssigkeit
stärker
dazu neigt, Blasen zu bilden oder eine gestörte Oberfläche zu erhalten als bei Erfrischungsgetränken wie
Milch, muß die
Flußrate
der durch die Nebenvorrichtung einzufüllenden Flüssigkeit geringer sein als
die Flußrate
der durch die Hauptvorrichtung zu behandelnden Flüssigkeit,
während
die Flußrate
durch die Hauptvorrichtung nicht groß gesteigert werden kann. Es
ist dafür
wünschenswert,
daß die
durch die Hauptvorrichtung einzufüllende Menge 60%–70% der
Ka pazität
des Behälters
beträgt,
und daß die
durch die Nebenvorrichtung einzufüllende Menge 40%–30% der
Behälterkapazität beträgt.
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Eine wirkliche Maschine wurde mit
den folgenden Ergebnis getestet. Die Maschine war ausgelegt, die
Behälter
in zwei Reihen (eine einzige Reihe im Fall der dargestellten Maschine)
mit einem zwei Behälterzwischenräumen entsprechenden
Abstand zu transportieren. Die eingesetzten Behälter hatten eine Querschnittfläche von
70 mm2 und eine Kapazität von 100 ccm. Die eingefüllte Flüssigkeit
war Milch.
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Die Hauptbefüllungsvorrichtung 21 füllte 670 ccm
Milch in jeden Behälter,
und die Nebenfüllungsvorrichtung 22 befüllte den
Rest, d. h. 330 ccm. Die Maschine befüllte 16.000 Behälter pro
Stunde. Wenn eine konventionelle Maschine mit einer einzigen Befüllungsvorrichtung
unter den gleichen wie oben beschriebenen Bedingungen eingesetzt
wurde, war die Befüllungskapazität auf 12.000
Behälter
pro Stunde begrenzt. Die dafür
durchgeführten
Haupt- und Nebenbefüllungsverfahren
erreichten eine Steigerung von ungefähr 33% der Befüllungskapazität.