EP2528851A1 - Dosiervorrichtung und dosierverfahren für flüssigkeiten - Google Patents

Dosiervorrichtung und dosierverfahren für flüssigkeiten

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EP2528851A1
EP2528851A1 EP11703626A EP11703626A EP2528851A1 EP 2528851 A1 EP2528851 A1 EP 2528851A1 EP 11703626 A EP11703626 A EP 11703626A EP 11703626 A EP11703626 A EP 11703626A EP 2528851 A1 EP2528851 A1 EP 2528851A1
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EP
European Patent Office
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liquid
outlet
opening
valve
closure element
Prior art date
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EP11703626A
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EP2528851B1 (de
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Dirk Auer
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Elopak AS
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Elopak Systems AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2528851B1 publication Critical patent/EP2528851B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B67—OPENING, CLOSING OR CLEANING BOTTLES, JARS OR SIMILAR CONTAINERS; LIQUID HANDLING
    • B67C—CLEANING, FILLING WITH LIQUIDS OR SEMILIQUIDS, OR EMPTYING, OF BOTTLES, JARS, CANS, CASKS, BARRELS, OR SIMILAR CONTAINERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; FUNNELS
    • B67C3/00—Bottling liquids or semiliquids; Filling jars or cans with liquids or semiliquids using bottling or like apparatus; Filling casks or barrels with liquids or semiliquids
    • B67C3/02—Bottling liquids or semiliquids; Filling jars or cans with liquids or semiliquids using bottling or like apparatus
    • B67C3/22—Details
    • B67C3/28—Flow-control devices, e.g. using valves
    • B67C3/286—Flow-control devices, e.g. using valves related to flow rate control, i.e. controlling slow and fast filling phases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
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    • B65B3/00—Packaging plastic material, semiliquids, liquids or mixed solids and liquids, in individual containers or receptacles, e.g. bags, sacks, boxes, cartons, cans, or jars
    • B65B3/22—Defoaming liquids in connection with filling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B65B—MACHINES, APPARATUS OR DEVICES FOR, OR METHODS OF, PACKAGING ARTICLES OR MATERIALS; UNPACKING
    • B65B39/00—Nozzles, funnels or guides for introducing articles or materials into containers or wrappers
    • B65B39/001—Nozzles, funnels or guides for introducing articles or materials into containers or wrappers with flow cut-off means, e.g. valves
    • B65B39/004—Nozzles, funnels or guides for introducing articles or materials into containers or wrappers with flow cut-off means, e.g. valves moving linearly
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65B—MACHINES, APPARATUS OR DEVICES FOR, OR METHODS OF, PACKAGING ARTICLES OR MATERIALS; UNPACKING
    • B65B39/00—Nozzles, funnels or guides for introducing articles or materials into containers or wrappers
    • B65B2039/009—Multiple outlets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B67—OPENING, CLOSING OR CLEANING BOTTLES, JARS OR SIMILAR CONTAINERS; LIQUID HANDLING
    • B67C—CLEANING, FILLING WITH LIQUIDS OR SEMILIQUIDS, OR EMPTYING, OF BOTTLES, JARS, CANS, CASKS, BARRELS, OR SIMILAR CONTAINERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; FUNNELS
    • B67C3/00—Bottling liquids or semiliquids; Filling jars or cans with liquids or semiliquids using bottling or like apparatus; Filling casks or barrels with liquids or semiliquids
    • B67C3/02—Bottling liquids or semiliquids; Filling jars or cans with liquids or semiliquids using bottling or like apparatus
    • B67C3/22—Details
    • B67C3/26—Filling-heads; Means for engaging filling-heads with bottle necks
    • B67C2003/2671—Means for preventing foaming of the liquid
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/87917—Flow path with serial valves and/or closures
    • Y10T137/88038—One valve head carries other valve head

Definitions

  • the invention relates to a liquid flow control device, in particular a metering device, with an inlet for a liquid to be dispensed,
  • the invention in particular as a dose comprising a valve seat, a closure member cooperating with the valve seat, and an outlet for the fluid.
  • the invention relates to a method, in particular dosing, for dispensing the liquid.
  • Such metering devices and metering methods are used, for example, for quickly filling containers.
  • packagings of composite material cardboard and PE coating
  • a liquid milk and juices
  • Leakages occur because the wetted areas prevent a proper connection of the PE coating.
  • Foam formation should be avoided if possible.
  • the outlets include several thin tubes through which the liquid is passed into the pack.
  • a valve body Above the outlet, a valve body is arranged, which can interrupt or release the supply of liquid from a storage tank and thus the filling jet.
  • the individual rays were still too restless due to the friction of the liquid on the inner walls of the tubes.
  • a further development is that a cylindrical body with fine axially parallel bores is arranged at the outlet of a generic metering device. In the confined space of the holes hardly form
  • EP 1588948 A2 discloses a liquid filling nozzle with an inlet for a liquid, which has a valve seat and a conical, which cooperates with the valve seat, in order to prevent foaming in a liquid to be filled
  • closure element and an outlet for the liquid.
  • the closure element can be brought into a first and a second open position, wherein the
  • GB 2308174 A discloses a liquid dispensing valve for quantitatively exact filling of liquids in containers.
  • a cylindrical housing with an inlet for the liquid are concentric from outside to inside
  • Drip is via a piston rod with a
  • Compressed air cylinder connected as a drive. Between the
  • Droplet is arranged a first spring. Between the trickle piston and the surrounding flooding piston, a second spring is arranged. Finally, the relies
  • the outer flooding flask is first filled together with the dropping flasks and drip flasks arranged therein
  • Residual liquid quantity drips or trickles into the container.
  • DE 22 09 772 A discloses a liquid flow control device having an inlet for a liquid, such as paint.
  • the liquid flow control device comprises one in a filling head
  • Valve tappet with a conical peripheral surface on the
  • Outlet of the filling head can be brought to bear. Inside the closure piece there is a valve stem, which can be brought into contact with the valve seat of a central outlet opening at the bottom of the closure piece.
  • Valve stem is reciprocated in the closure piece by means of a spring-loaded from above and temporarily acted upon by pressure medium piston plate back and forth.
  • the closure piece initially releases the outlet of the outlet nozzle maximally.
  • the valve tappet is ready lowered, that the closure piece with his
  • Peripheral surface is located at a small distance from the valve seat of the outlet, so that the liquid to be filled can only leak through an annular gap between the closure piece and the valve seat. Then it will
  • Valve seat moves, reducing the fluid intake
  • the invention is based on the object, a liquid flow control device, in particular metering device and a liquid flow control method, in particular
  • Foaming is caused by the dosage itself.
  • the opening and closing of the valve takes place in the prior art abruptly. The sudden delivery or tearing off the
  • Liquid flow control method in particular
  • closure element By the closure element can first be brought into a first and then into a second open position with different sized flow cross-sectional area, first a small amount of the liquid flows into the container and covers its bottom. Only when the container bottom is covered with the first amount of liquid flows in the second
  • Inlet of the liquid is the Sprit zeraise in the discharge of the liquid and thus reduces the formation of foam.
  • the closure element with a first and second
  • Opening position has a first and second, independently movable part, wherein in the direction of flow of the liquid through the metering device, the first part is surrounded by the second part and the parts in such a way
  • Closing element facing, preferably flat end face of the outlet at the same time forms at least a part of the valve seat, wherein the first and second part of the
  • Sealing element each sealingly rest on several mouths of the passages in the outlet.
  • Closure element wherein first the first part in the center of the outlet each releases a plurality of passages and
  • the second part a plurality of openings concentric with the centrally arranged openings of the outlet
  • either the first or the second part is sealingly engageable.
  • the avoidance of foaming is achieved by the lowest possible flow velocity of the liquid at the outlet of the outlet in conjunction with a splash-free starting and stopping the filling.
  • the invention makes use of the flow behavior of the liquid in the passages of the spout for preventing foam. Essentially, a distinction is made in flow-through pipes between laminar and turbulent flows. In laminar flow, the velocity distribution follows a parabola with the maximum velocity in the tube axis. In the turbulent flow is the Velocity distribution much smoother. Whether a laminar or a turbulent flow prevails can be determined by the "Reynolds number". Re ⁇ 2000 corresponds to a laminar flow, Re> 3000 corresponds to a turbulent flow. The formula for determining the Reynolds number is:
  • the mean velocity results from dividing the volume flow of the liquid by the cross-sectional area of the tube.
  • a given volume flow of the liquid can be carried out at the same average speed either by a single large-sized tube, or at the same cross-sectional area through several small-sized tubes. However, if the liquid is passed through several tubes, the result for the individual tubes after the
  • Passages in the outlet specifically affect the flow profile during filling.
  • a laminar flow profile is aimed at the exit of the passages of the outlet.
  • the jet begins very soft in the characteristic of a laminar flow parabolic shape, which has a soft impact on the bottom surface result.
  • not all passages of the outlet are opened at the same time in the start phase, but only the central passages on the mouths of the first part of the closure element can be brought to bear.
  • Closure element can be brought to bear, released.
  • Closure element is effectively prevented by the capillary action within the passages in the outlet and the sealingly resting closure element.
  • the outlet is preferably releasably attached to the outlet of the metering device.
  • a first surface of the first part and a second surface of the second part of the closure element are opposite each other and the surfaces are arranged in such a way that when opening the first part, a small annular gap between the first and second part is formed.
  • Flow cross-sectional area which is released by the relatively narrow annular gap, is significantly smaller than the flow cross-sectional area between the valve seat and the closure element in the second open position.
  • a gradual swelling of the filling jet between the first and second open position can be achieved in that the distance between the first surface of the first part and the second surface of the second part decreases in the direction of flow of the liquid through the device such that during the opening of the first Part of the released through the annular gap flow cross section continuously increased.
  • the two-piece closure element can be actuated with only one drive, if the first part with a Power transmission means is connected for opening the closure element and the second part is coupled to the first part such that the second part of the closure element until reaching the first open position on the
  • Valve seat rests.
  • Force transmission means to set a pressure profile of the filling jet, which optimally to each admirdite
  • Liquid is tuned.
  • the invention is based on a
  • Figure 1 is a sectional side view of a
  • FIGS. 2-5 show the metering device according to FIG.
  • a metering device 1 comprises, inter alia
  • Valve housing 2 which is arranged on a cover plate 3 of a filling space.
  • containers in particular packaging
  • the outlet 6 is functionally divided into a central outlet 7 and an edge outlet 8 surrounding it. Both the central outlet 7 and the edge outlet 8 is of
  • a two-part closure element is displaceably guided, which as a first part of a central punch 10 and the second part of a punch 10th
  • annular valve body 11 has.
  • the punch 10 and the valve body 11 each have a central sealing plate 12 or a front side
  • annular sealing plate 13 which together in the closed state of the closure element sealingly rest on the top 14 of the outlet 6.
  • the top 14 thus also forms the valve seat for the closure element.
  • valve seat As
  • the central punch 10 is provided with a control rod 15 for
  • the control rod 15 is connected to a not shown Linear drive connected.
  • the annular valve body 11 is coupled to the punch 10.
  • the punch 10 has above the central sealing plate 12 a designed as a driver 16 section whose transition to the overlying portion of the punch 10 with a smaller diameter forms a circumferential shoulder 17.
  • the annular valve body 11 has around its center opening 18 around an around the punch 10 arranged, upwardly extending driving sleeve 19 which has at its upper end a cooperating with the shoulder 17 stop 20. In this way, the driving sleeve 19 couples the valve body 11 to the punch 10.
  • the driving sleeve 19 is provided at its periphery with a plurality of passages 21.
  • the punch 10 is connected to the control rod 15, which by a housing cover 29 with a
  • a membrane 31 which is a hermetic seal of the valve chamber with respect to the
  • FIGS. 2 to 5 The mode of operation of the metering device 1 is shown in FIGS. 2 to 5:
  • Stamp 10 and the valve body 11 are both in their lower closed position and thus form with their sealing plates 12, 13 a sealing unit by the Cover the central and the edge outlet 7,8.
  • the liquid in the valve chamber can not be filled in the
  • Lifting element can be raised and then lowered back into the closed position is preferably variable, whereby, in conjunction with the inclined at the angle (a) surface 23 of the valve body 11 a
  • Container bottom is minimized.
  • Container bottom covered with a first liquid layer and the driver 16 of the punch 10 hits with his

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung mit einem Einlass (28) für eine als Dosis in einen Behälter abzugebende Flüssigkeit, insbesondere ein Getränk. Die Vorrichtung umfasst einem Ventilsitz (14), ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes Verschlusselement (10, 11) und einem Auslass (4) für die Dosis der Flüssigkeit. Um die Schaumbildung beim Abgeben der Flüssigkeit in den Behälter zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass das Verschlusselement in eine erste und eine zweite Öffnungsstellung bringbar ist, wobei in der zweiten Öffnungsstellung die Durchf lussquerschnittsf lache zwischen dem Ventilsitz und dem Verschlusselement größer als in der ersten Öffnungsstellung ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Dosierverfahren umfassend das Zuführen einer Flüssigkeit zu einem Ventil, das in eine erste und zweite Öffnungsstellung gebracht wird.

Description

Dosiervorrichtung und Dosierverfahren für Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsstrom- Steuerungsvorrichtung, insbesondere eine Dosiervorrichtung, mit einem Einlass für eine abzugebende Flüssigkeit,
insbesondere als Dosis, umfassend einen Ventilsitz, ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes Verschlusselement und einen Auslass für die Flüssigkeit. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren, insbesondere Dosierverfahren, zur Abgabe der Flüssigkeit .
Derartige Dosiervorrichtungen und Dosierverfahren kommen beispielsweise zum schnellen Füllen von Behältern,
insbesondere Verpackungen aus Verbundmaterial (Karton und PE- Beschichtung) , mit einer Flüssigkeit (Milch u. Säfte) zum Einsatz. Beim Befüllen mit dieser einen Flüssigkeit ist darauf zu achten, dass möglichst kein Schaum entsteht. Dies ist deshalb wichtig, weil die Verpackungen aus
Verbundmaterial nach dem Füllen an ihrem oberen Ende
zusammengefaltet und durch Verschweißen verschlossen werden. Sollte sich Schaum gebildet haben, werden die Innenflächen des oberen Packungsrandes, die später die Schweißnaht bilden, benetzt. Hierdurch kann es beim Verschweißen des
Packungsrandes zu Undichtigkeiten kommen, weil die benetzten Stellen eine ordnungsgemäße Verbindung der PE-Beschichtung verhindern .
Soll eine Vitamin C haltige Flüssigkeit abgefüllt werden, darf sich im Kopfraum der gefüllten Packung möglichst keine Luft befinden. Die Luft würde mit dem Vitamin C reagieren und eine unbeschadete, längerfristige Lagerung der Flüssigkeit in der verschlossenen Verpackung verhindern. Bei einer Schaumbildung wäre es jedoch nicht möglich, den Kopfraum ohne weiteres luftfrei zu bekommen.
Aus den vorgenannten Gründen besteht somit die Forderung, beim Abfüllen bestimmter Flüssigkeiten in Behälter eine
Schaumbildung nach Möglichkeit zu vermeiden.
Sofern die Flüssigkeit unmittelbar in einen Behälter im freien Fall eingefüllt wird, ist durch den Aufprall der
Flüssigkeit auf den Behälterboden eine starke Schaumbildung unvermeidbar. Bereits im Füllstrom bilden sich
Strömungswirbel bzw. -Einschnürungen, die keinen ruhigen Füllstrom der Flüssigkeit zulassen. Um die Schaumbildung zur reduzieren, wurden Röhrchenauslässe entwickelt, die eine möglichst laminare Strömung im
Füllstrahl erzeugen. Die Ausläufe umfassen mehrere dünne Rohre, durch die die Flüssigkeit in die Packung geleitet wird. Oberhalb des Auslaufs ist ein Ventilkörper angeordnet, der den Zulauf der Flüssigkeit aus einem Vorratstank und damit den Füllstrahl unterbrechen bzw. freigeben kann. Es hat sich jedoch gezeigt, dass durch die Reibung der Flüssigkeit an den Innenwänden der Röhrchen die einzelnen Strahlen noch zu unruhig waren.
Eine Weiterentwicklung besteht darin, dass am Auslass einer gattungsgemäßen Dosiervorrichtung ein zylindrischer Körper mit feinen achsparallelen Bohrungen angeordnet wird. In dem eingeengten Raum der Bohrungen bilden sich kaum
Verwirbelungen aus, so dass die Flüssigkeit weitestgehend beruhigt fließen kann. Eine Dosiervorrichtung mit einem derartigen zylindrischen Körper wird beispielsweise in der EP 0754 144 Bl gezeigt. Gleichwohl kann beim Dosieren von
Flüssigkeiten in Packungen eine Schaumbildung mit den bekannten Maßnahmen vielfach nicht ausreichend unterbunden werden .
Die EP 1588948 A2 offenbart zur Vermeidung von Schaumbildung in einer abzufüllenden Flüssigkeit eine Flüssigkeitsfülldüse mit einem Einlass für eine Flüssigkeit, die einen Ventilsitz und ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes konisches
Verschlusselement sowie einen Auslass für die Flüssigkeit umfasst. Das Verschlusselement ist in eine erste und eine zweite Öffnungsstellung bringbar, wobei die
Durchflussquerschnittsfläche zwischen dem Ventilsitz und dem Verschlusselement und der Abgabewinkel der Flüssigkeit in Bezug zu dem zu befüllenden Behälter in den beiden
Öffnungsstellungen unterschiedlich sind.
Die GB 2308174 A offenbart ein Flüssigkeitsabgabeventil zum mengenmäßig exakten Abfüllen von Flüssigkeiten in Behälter. In einem zylindrischen Gehäuse mit einem Einlass für die Flüssigkeit sind konzentrisch von außen nach innen ein
Flutungskolben, ein Tröpfelkolben sowie ein Tropfkolben angeordnet, die eine Auslassöffnung des
Flüssigkeitsabgabeventils verschließen. Der innere
Tropfkolben ist über eine Kolbenstange mit einem
Druckluft zylinder als Antrieb verbunden. Zwischen dem
Tropfkolben und dem konzentrisch dazu angeordneten
Tröpfelkolben ist eine erste Feder angeordnet. Zwischen dem Tröpfelkolben und dem diesen umgebenden Flutungskolben ist eine zweite Feder angeordnet. Schließlich stützt sich der
Flutungskolben über eine dritte Feder gegenüber dem Gehäuse des Flüssigkeitsabgabeventils ab. Die Kolben haben im Bereich der Auslassöffnung übereinstimmend geneigte Wandabschnitte. Mit Hilfe der Kolbenstange lassen sich die untereinander über die Federn gekoppelten Kolben abhängig vom Hub der
Kolbenstange öffnen und schließen. Um Flüssigkeit abzufüllen, wird zunächst der äußere Flutungskolben zusammen mit den darin angeordneten Tröpfelkolben sowie Tropfkolben
vollständig geöffnet, so dass der größte Teil der Flüssigkeit über den Ringspalt zwischen dem äußeren Flutungskolben und der als Ventilsitz dienenden Auslassöffnung abgefüllt wird (etwa 95 %) . Um den Rest der Flüssigkeit abzufüllen, wird nach dem Schließen des Flüssigkeitsabgabeventil die
Kolbenstange soweit angehoben, dass entweder nur der zentrale Tropfkolben oder der Tropfkolben sowie der ihn umgebende Tröpfelkolben angehoben werden, so dass die
Restflüssigkeitsmenge in den Behälter tropft bzw. tröpfelt.
Die DE 22 09 772 A offenbart eine Flüssigkeitsstrom- Steuerungsvorrichtung mit einem Einlass für eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Lack. Die Flüssigkeitsstrom- Steuerungsvorrichtung umfasst einen in einem Füllkopf
beweglich angeordnetes Verschlussstück mit einem
Ventilstößel, das mit einer konischen Umfangsfläche am
Auslaufstutzen des Füllkopfs zur Anlage bringbar ist. Im Inneren des Verschlussstücks befindet sich ein Ventilstempel, der an dem Ventilsitz einer zentralen AuslaufÖffnung am Boden des Verschlussstücks zur Anlage bringbar ist. Der
Ventilstempel ist in dem Verschlussstück mit Hilfe einer von oben federbelasteten und von unten zeitweilig mit Druckmittel beaufschlagbaren Kolbenplatte hin- und her beweglich. Das Verschlussstück gibt zunächst den Auslass des AuslaufStutzens maximal frei. Sobald der größte Teil der Füllmenge in das zu füllende Gefäß eingelaufen ist, wird der Ventilstößel soweit abgesenkt, dass sich das Verschlussstück mit seiner
Umfangsfläche in geringem Abstand von dem Ventilsitz des Auslasses befindet, so dass die abzufüllende Flüssigkeit nur noch durch einen Ringspalt zwischen dem Verschlussstück und dem Ventilsitz auslaufen kann. Sodann wird das
Verschlussstück fest auf den Ventilsitz gepresst. Zugleich wird jedoch mittels Druckluft der Ventilstempel weiterhin entgegen der Wirkung der Feder in seiner Offenstellung gehalten. Die abzufüllende Flüssigkeit kann jetzt nur noch in geringer Menge durch die zentrale AuslaufÖffnung in das zu füllende Gefäß fließen. Sobald das richtige Gewicht in dem Gefäß erreicht ist, wird der Ventilstempel mit Hilfe der Druckfeder schlagartig nach unten in Richtung des
Ventilsitzes bewegt, wodurch die Flüssigkeitszufuhr
vollständig unterbrochen wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Flüssigkeitsstrom- Steuerungsvorrichtung, insbesondere Dosiervorrichtung und ein Flüssigkeitsstrom-Steuerungsverfahren, insbesondere
Dosierverfahren zu schaffen, das beim Abgeben, insbesondere Dosieren von Flüssigkeiten, in Packungen eine Schaumbildung wirksamer reduziert. Nach Beendigung der Abgabe soll bei der Flüssigkeitsstrom-Steuerungsvorrichtung ein Nachtropfen der Flüssigkeit mit einfachen Mitteln verhindert werden.
Die Lösung beruht u. a. auf der Erkenntnis, dass ein
unruhiger Füllstrahl und damit einhergehend eine
Schaumbildung durch die Dosierung selbst hervorgerufen wird. Um stets die gleiche Füllmenge zu gewährleisten, erfolgt das Öffnen und Verschließen des Ventils im Stand der Technik schlagartig. Das schlagartige Abgeben bzw. Abreißen des
Füllstrahls führt zu einem unruhigen Füllstrahl.
Im Einzelnen wird die Aufgabe bei einer Flüssigkeit sstrom- Steuerungsvorrichtung, insbesondere Dosiervorrichtung der eingangs erwähnten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst .
In verfahrensmäßiger Sicht wird die Aufgabe durch ein
Flüssigkeitsstrom-Steuerungsverfahren, insbesondere
Dosierverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Indem das Verschlusselement zunächst in eine erste und sodann in eine zweite Öffnungsstellung mit unterschiedlich großer Durchflussquerschnittsfläche bringbar ist, fließt zunächst eine kleine Menge der Flüssigkeit in den Behälter und bedeckt dessen Boden. Erst wenn der Behälterboden mit der ersten Menge an Flüssigkeit bedeckt ist, fließt in der zweiten
Öffnungsstellung des Verschlusselementes der volle Füllstrahl der Flüssigkeit in den Behälter. Durch den gestaffelten
Einlass der Flüssigkeit wird die Sprit zerbildung bei der Abgabe der Flüssigkeit und damit die Schaumbildung reduziert.
Das Verschlusselement mit einer ersten und zweiten
Öffnungsstellung weist ein erstes und zweites, unabhängig voneinander bewegliches Teil auf, wobei in Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch die Dosiervorrichtung das erste Teil von dem zweiten Teil umgeben ist und die Teile derart
angeordnet sind, dass das Öffnen des ersten Teils das
Verschlusselement in die erste Öffnungsstellung und das
Öffnen des zweiten Teils das Verschlusselement in die zweite Öffnungsstellung bringt. Zur weiteren Strahlberuhigung ist gemäß der Erfindung an dem Auslass der Dosiervorrichtung ein an sich bekannter,
beispielsweise aus der EP 0278560 AI bekannter zylindrischer Auslauf mit mehreren in Achsrichtung nebeneinander
angeordneten Durchgängen angeordnet . Die dem
Verschlusselement zugewandte, vorzugsweise ebene Stirnseite des Auslaufs bildet zugleich zumindest einen Bestandteil des Ventilsitzes aus, wobei der erste und zweite Teil des
Verschlusselementes jeweils dichtend auf mehreren Mündungen der Durchgänge in dem Auslauf aufliegen.
Das zweistufige Öffnen bzw. Schließen des
Verschlusselementes, wobei zunächst das erste Teil im Zentrum des Auslaufs jeweils mehrere Durchgänge freigibt und
anschließend das zweite Teil mehrere Öffnungen konzentrisch zu den zentrisch angeordneten Öffnungen des Auslaufs
freigibt, bewirkt die besonders schaumarme und spritzerfreie Dosierung der Flüssigkeit. Auf sämtlichen Mündungen in dem Auslauf ist entweder der erste oder der zweite Teil dichtend zur Anlage bringbar.
Die Vermeidung von Schaumbildung wird durch eine möglichst geringe Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit am Austritt des Auslaufs in Verbindung mit einem spritzfreien Starten und Beenden der Befüllung erreicht. Die Erfindung macht sich zur Schaumvermeidung das Strömungsverhalten der Flüssigkeit in den Durchgängen des Auslaufs zu nutze: Im wesentlichen unterscheidet man in durchströmten Rohren zwischen laminaren und turbulenten Strömungen. Bei der laminaren Strömung verläuft die Geschwindigkeitsverteilung nach einer Parabel, wobei die maximale Geschwindigkeit in der Rohrachse liegt. Bei der turbulenten Strömung ist die Geschwindigkeitsverteilung viel gleichmäßiger. Ob eine laminare oder eine turbulente Strömung vorherrscht, kann durch die "Reynoldsche Zahl" festgestellt werden. Re < 2000 entspricht einer laminaren Strömung, Re > 3000 entspricht einer turbulenten Strömung. Die Formel zur Ermittlung der Reynoldschen Zahl lautet:
Re = vm x d / v
vm : Mittlere Geschwindigkeit
d : Lichter Rohrdurchmesser
v : Dynamische Viskosität
Die mittlere Geschwindigkeit ergibt sich aus der Division des Volumenstroms der Flüssigkeit durch die Querschnittsfläche des Rohres. Einen gegebenen Volumenstrom der Flüssigkeit kann man bei gleicher mittlerer Geschwindigkeit entweder durch einen einziges großdimensioniertes Rohr, oder bei gleichem Querschnittsflächenbetrag durch mehrere kleindimensionierte Rohre führen. Wird die Flüssigkeit jedoch durch mehrere Rohre geführt, ergibt sich für die einzelnen Rohre nach der
vorgenannten Formel eine kleinere Reynoldsche Zahl als bei Verwendung eines einzigen großdimensionierten Rohres.
Insoweit lässt sich mit der Anzahl und dem
Strömungsquerschnitt, insbesondere dem Durchmesser der
Durchgänge in dem Auslauf das Strömungsprofil beim Abfüllen gezielt beeinflussen.
Insbesondere in der Startphase des Füllvorgangs wird ein laminares Strömungsprofil an dem Austritt der Durchgänge des Auslaufs angestrebt. Der Strahl beginnt sehr weich in der für eine laminare Strömung charakteristischen Parabelform, die ein weiches Auftreffen auf die Bodenfläche zur Folge hat. Um den Vorteil der laminaren Strömung nicht zunichte zu machen, werden in der Startphase zunächst nicht alle Durchgänge des Auslaufs gleichzeitig geöffnet, sondern lediglich die zentralen Durchgänge auf deren Mündungen der erste Teil des Verschlusselementes zur Anlage bringbar ist.
Anschließend werden die die zentralen Durchgänge umgebenden Durchgänge, auf deren Mündungen der zweite Teil des
Verschlusselements zur Anlage bringbar ist, freigegeben.
Beim Schließen der Durchgänge erfolgt in umgekehrter
Reihenfolge . Die Strömungsquerschnitte der Durchgänge in dem Auslauf sind so dimensioniert, dass ein Leerlaufen der einzelnen
Durchgänge nach dem dichtenden Aufsetzen der Teile des
Verschlusselementes auf die Mündungen bedingt durch die
Kapillarwirkung der Flüssigkeit vermieden wird. In der
Startphase des Füllvorgangs wird hierdurch nochmals eine weichere Strömung erreicht. Beim Abheben des ersten Teils von dem Ventilsitz und dem Öffnen der Durchgänge wird zunächst die Kapillarwirkung aufgehoben. Die Restflüssigkeit in den Durchgängen beginnt sich, nur durch die Schwerkraft
beschleunigt, zu leeren. Gleichzeitig strömt die Flüssigkeit oberhalb des Verschlusselements über die nun freigegebenen Durchgänge zunehmend nach. Werden die Durchgänge durch die auf deren Mündungen zur Anlage bringbaren Teile des
Verschlusselementes wieder verschlossen, wird die Versorgung der Durchgänge mit Flüssigkeit unterbrochen. Sobald danach das Kräftegleichgewicht zwischen den Kapillarkräften und dem atmosphärischen Aussendruck wieder ausgeglichen ist, wird der Füllstrahl gestoppt. Ein Nachtropfen oder unkontrolliertes Leerlaufen der Flüssigkeit nach dem Schließen des
Verschlusselementes wird durch die Kappilarwirkung innerhalb der Durchgänge in dem Auslauf und das dichtend aufliegende Verschlusselement wirksam verhindert.
Um den Durchmesser der Durchgänge an unterschiedlich
Füllaufgaben, insbesondere unterschiedlich viskose
Flüssigkeiten sowie unterschiedliche Füllgeschwindigkeiten anpassen zu können, ist der Auslauf vorzugsweise lösbar an dem Auslass der Dosiervorrichtung befestigt.
Um zunächst auf dem Behälterboden eine geringe Menge der Flüssigkeit möglichst gleichmäßig zu verteilen, ist es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Dosiervorrichtung vorgesehen, dass sich eine erste Fläche des ersten Teils und eine zweite Fläche des zweiten Teils des Verschlusselementes gegenüberliegen und die Flächen derart angeordnet sind, dass sich beim Öffnen des ersten Teils ein kleiner Ringspalt zwischen dem ersten und zweiten Teil ausbildet. Die
Durchflussquerschnittsfläche, die durch den relativ schmalen Ringspalt freigegeben wird, ist deutlich kleiner als die Durchflussquerschnittsfläche zwischen dem Ventilsitz und dem Verschlusselement in der zweiten Öffnungsstellung. In Folge dessen trifft mit relativ geringer Energie lediglich eine kleine Flüssigkeitsmenge gleichmäßig auf den Behälterboden auf, wodurch die Spritzer - und Schaumbildung reduziert wird. Ein allmähliches Anschwellen des Füllstrahls zwischen der ersten und zweiten Öffnungsstellung lässt sich dadurch erzielen, dass in Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch die Vorrichtung der Abstand zwischen der ersten Fläche des ersten Teils und der zweiten Fläche des zweiten Teils derart abnimmt, dass sich während des Öffnens des ersten Teils der durch den Ringspalt freigegebene Durchflussquerschnitt kontinuierlich vergrößert. Der hierdurch allmählich
anschwellende Füllstrom verhindert noch wirksamer eine
Spritzer- und Schaumbildung.
Das zweiteilige Verschlusselement lässt sich mit nur einem Antrieb betätigen, wenn das erste Teil mit einem Kraftübertragungsmittel zum Öffnen des Verschlusselementes verbunden ist und das zweite Teil derart an das erste Teil gekoppelt ist, dass das zweite Teil des Verschlusselementes bis zum Erreichen der ersten Öffnungsstellung auf dem
Ventilsitz ruht.
In Verbindung mit einem sich beim Öffnen des ersten Teils kontinuierlich vergrößernden Durchflussquerschnitt lässt sich durch Steuerung der Geschwindigkeit des
Kraftübertragungsmittels ein Druckprofil des Füllstrahls einstellen, das optimal auf die jeweils einzufüllende
Flüssigkeit abgestimmt ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine geschnittene Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung sowie
Figuren 2-5 die Dosiervorrichtung nach Figur 1 mit
unterschiedlichen Positionen des zweiteiligen Verschlusselementes . Eine Dosiervorrichtung 1 umfasst unter anderem ein
Ventilgehäuse 2, welches auf einer Abdeckplatte 3 eines Füllraums angeordnet ist. In dem nicht dargestellten Füllraum werden Behälter, insbesondere Verpackungen aus
Verbundmaterial, mit einer Flüssigkeit, z.B. Saft, befüllt. Der Auslass 4 der Dosiervorrichtung 1 fluchtet mit einem dessen Auslassquerschnitt entsprechenden Durchgang 5 in der Abdeckplatte 3. Unterhalb der Abdeckplatte 3 ist konzentrisch zum Auslass 4 der Dosiervorrichtung 1 ein an sich bekannter zylindrischer Auslauf 6 angeordnet. Der Auslauf 6 kann selbstverständlich auch unmittelbar an der Dosiervorrichtung 1 befestigt sein.
Der Auslauf 6 ist funktional in einen Zentralauslauf 7 und einen diesen umgebenden Randauslauf 8 unterteilt. Sowohl der Zentralauslauf 7 als auch der Randauslauf 8 wird von
mehreren, nebeneinander in Achsrichtung des Auslaufs 6 verlaufenden zylindrischen, vorzugsweise kreiszylindrischen Durchgängen 9 gebildet.
In dem Ventilgehäuse 2 ist ein zweiteiliges Verschlusselement verschieblich geführt, das als erstes Teil einen zentralen Stempel 10 und als zweites Teil einen den Stempel 10
umgebenden, ringförmigen Ventilkörper 11 aufweist.
Der Stempel 10 und der Ventilkörper 11 weisen jeweils stirnseitig eine zentrale Dichtplatte 12 bzw. eine
ringförmige Dichtplatte 13 auf, die im geschlossenen Zustand des Verschlusselementes gemeinsam auf der Oberseite 14 des Auslaufs 6 dichtend aufliegen. Die Oberseite 14 bildet damit zugleich den Ventilsitz für das Verschlusselement.
Selbstverständlich kann der Ventilsitz jedoch auch als
Bestandteil des Ventilgehäuses 2, beispielsweise als an dessen Auslass 4 umlaufender nach innen weisender Steg ausgebildet sein, auf dem der äußere Rand der ringförmigen Dichtplatte 13 aufsetzt. Der zentrale Stempel 10 ist mit einer Steuerstange 15 zum
Öffnen und Schließen des Verschlusselementes verbunden. Die Steuerstange 15 ist mit einem nicht dargestellten Linearantrieb verbunden. Der ringförmige Ventilkörper 11 ist an den Stempel 10 gekoppelt.
Der Stempel 10 weist oberhalb der zentralen Dichtplatte 12 einen als Mitnehmer 16 ausgeführten Abschnitt auf, dessen Übergang zu dem darüber befindlichen Abschnitt des Stempels 10 mit geringerem Durchmesser eine umlaufende Schulter 17 bildet . Der ringförmige Ventilkörper 11 weist um seine Mittenöffnung 18 herum eine um den Stempel 10 angeordnete, sich nach oben erstreckende Mitnahmehülse 19 auf, die an ihrem oberen Ende einen mit der Schulter 17 zusammenwirkenden Anschlag 20 aufweist. Auf diese Weise koppelt die Mitnahmehülse 19 den Ventilkörper 11 an den Stempel 10 an. Die Mitnahmehülse 19 ist an ihrem Umfang mit mehreren Durchlässen 21 versehen.
Gegenüber der sich im wesentlichen senkrecht erstreckenden zylindrischen, vorzugsweise kreiszylindrischen Oberfläche des Mitnehmers 16 an dem Stempel 10 liegt eine aufwärts
gerichtete, divergierende, vorzugsweise kegelstumpfartige Oberfläche 23 des Ventilkörpers 11. Der im wesentlich
senkrecht verlaufenden Oberfläche des Mitnehmers 16 an dem Stempel 10 liegt die in einem spitzen Winkel gegenüber der Senkrechten geneigte Oberfläche 23 des Ventilkörpers 11 gegenüber, so dass sich beim Öffnen des Stempels 10 ein kleiner Ringspalt 24 zwischen Stempel 10 und Ventilkörper 11 ausbildet. Außerdem wird in der in Figur 1 dargestellten zweiten Öffnungsstellung der Dosiervorrichtung 1 ein größerer Ringspalt 25 zwischen der ringförmigen Dichtplatte 13 des Ventilkörpers 11 und der Oberseite 14 des Auslaufs 6
freigegeben . Damit der Stempel 10 und der Ventilkörper 11 in jeder
Stellung des Verschlusselementes eine definierte Position zueinander haben und die ringförmige Dichtplatte 13 die
Durchgänge 9 in dem Auslauf 6 hinreichend abdichtet, ist eine Druckfeder 26 vorgesehen, die sich einerseits auf der
Oberseite des Ventilkörpers 11 und andererseits an einem im oberen Abschnitt des Stempels 10 angeordneten Federteller 27 abstützt .
Schließlich ist der durch das Ventilgehäuse 2 gebildete
Ventilraum mit einem Einlass 28 für die abzugebende
Flüssigkeit versehen, der mit einem nicht dargestellten
Vorratstank verbunden ist.
Zur Betätigung des Stempels 10 und des daran gekoppelten Ventilkörpers 11 ist der Stempel 10 mit der Steuerstange 15 verbunden, die durch einen Gehäusedeckel 29 mit einer
Gleitführung 30 geführt ist. Um den Eintritt von
Verschmutzung und den Austritt von Flüssigkeit durch die
Gleitführung 30 auszuschließen, erstreckt sich zwischen dem Ventilgehäuse 2 und dem Stempel 10 eine Membran 31, die eine hermetische Abdichtung des Ventilraumes gegenüber der
Gleitführung 30 sicherstellt.
Der Betriebsweise der Dosiervorrichtung 1 ist in den Figuren 2 bis 5 dargestellt:
In Fig. 2 ist die Dosiervorrichtung 1 geschlossen. Der
Stempel 10 und der Ventilkörper 11 befinden sich beide in ihrer unteren Schließstellung und bilden somit mit ihren Dichtplatten 12, 13 eine dichtende Einheit, indem sie den Zentral- und den Randauslauf 7,8 abdecken. Die im Ventilraum befindliche Flüssigkeit kann nicht in den zu füllenden
Behälter fließen. In Fig. 3 wird der Stempel 10 angehoben. Jetzt kann eine erste, kleine Menge der Flüssigkeit, die durch die Durchlässe 21 der Mitnahmehülse 19 am Stempel 10 ansteht, durch den kleinen Ringspalt 24 und durch den Zentralauslauf 7 in den Behälter fließen.
Die Geschwindigkeit mit welcher der Stempel 10 in die erste, in Figur 4 dargestellte Öffnungsstellung des
Verschlusselementes angehoben und anschließend wieder in die Schließstellung abgesenkt werden kann, ist vorzugsweise variabel, wodurch, in Verbindung mit der unter dem Winkel ( a ) geneigten Oberfläche 23 des Ventilkörpers 11 ein
geregeltes, Druck reduzierendes Öffnen realisiert werden kann. Hierdurch wird erreicht, dass zu Beginn des
Füllvorgangs der Aufprall der Flüssigkeit auf den
Behälterboden minimiert wird.
Mit dem Erreichen der ersten Öffnungsstellung ist der
Behälterboden mit einer ersten Flüssigkeitsschicht bedeckt und der Mitnehmer 16 des Stempels 10 trifft mit seiner
Schulter 17 auf den Anschlag 20 der Mitnahmehülse 19 des Ventilkörpers 11 auf.
Bei der weiteren Aufwärtsbewegung nimmt die Schulter 17 des Stempels 10 den Ventilkörper 11 aus der unteren
Schließstellung mit nach oben in die zweite, in Figur 5 dargestellte Öffnungsstellung des Verschlusselementes.
Hierdurch wird die Oberseite 14 des Auslaufs 6 in der gesamten Ausdehnung freigegeben, so dass jetzt die Flüssigkeit allmählich in ihrer Stärke bis zum Maximum anschwellen und so lange durch den kleinen und auch durch den großen Ringspalt 24, 25 in den Behälter fließen kann, bis die Steuerstange 15 den Stempel 10 wieder abwärts bewegt.
Bei der Abwärtsbewegung wird der Ventilkörper 11 durch die Druckfeder 26 zuerst auf die Oberseite 14 des Auslaufs 6 gedrückt (Fig. 4), wodurch der Füllstrom nun in umgekehrter Reihenfolge wieder verringert wird. Bei der danach folgenden weiteren Abwärtsbewegung des Stempels 10 in die
Schließstellung (Fig. 2), wird die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch den in die Mittenöffnung 18 eintauchenden Stempel 10 kontinuierlich verringert, weil die die
Mittenöffnung 18 begrenzende, unter dem Winkel (a) geneigte Oberfläche 23 den kleinen Ringspalt 24 mit dem Eintauchen des Stempels 10 fortlaufend verkleinert. In Folge dessen wird der Füllvorgang sanft und ohne Spritzer abgeschlossen.
Bezugszeichenliste
Nr. Bezeichnung Nr. Bezeichnung
1 DosierVorrichtung 29 Gehäusedeckel
2 Ventilgehäuse 30 Gleitführung
3 Abdeckplatte 31
4 Auslass 32
5 Durchgang 33
6 Auslauf 34
7 Zentralaus lauf 35
8 Randauslauf 36
9 Durchgang 37
10 Stempel 38
11 Ventilkörper 39
12 zentrale Dichtplatte 40
13 ringförmige Dichtplatte 41
14 Oberseite 42
15 Steuerstange 43
16 Mitnehmer 44
17 Schulter 45
18 Mittenöffnung 46
19 Mitnahmehülse 47
20 Anschlag 48
21 Durchläse 49
22 erste Fläche 50
23 geneigte Oberfläche 51
24 kleiner Ringspalt 52
25 großer Ringspalt 53
26 Druckfeder 54
27 Federteller 55
28 Einlass 56

Claims

Patentansprüche :
Flüssigkeitsstrom-Steuerungsvorrichtung mit einem Einlass (28) für Flüssigkeit umfassend einem Ventilsitz (14), ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes Verschlusselement (10,11) und einen Auslass (4) für die Flüssigkeit, wobei das Verschlusselement (10,11) in eine erste und eine zweite Öffnungsstellung bringbar ist,
in der zweiten Öffnungsstellung die
Durchflussquerschnittsfläche zwischen dem Ventilsitz (14) und dem Verschlusselement (10,11) größer als in der ersten Öffnungsstellung ist,
das Verschlusselement (10,11) ein erstes und ein zweites, unabhängig voneinander bewegliches Teil (10,11) aufweisen, wobei in Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsstrom- Steuerungsvorrichtung (1) das erste Teil (10) von dem zweiten Teil (11) umgeben ist und die Teile derart angeordnet sind, dass das Öffnen des ersten Teils
(10) das Verschlusselement in die erste
Öffnungsstellung und das Öffnen des zweiten Teils
(11) das Verschlusselement in die zweite
Öffnungsstellung bringt,
an dem Auslass (4) ein zylindrischer Auslauf (6) mit mehreren in Achsrichtung nebeneinander angeordneten Durchgängen (9) angeordnet ist und
die dem Verschlusselement (10,11) zugewandte Stirnseite des Auslaufs (6) zumindest einen
Bestandteil des Ventilsitzes (14) ausbildet, wobei der erste und zweite Teil (10, 11) des
Verschlusselementes (10,11) dichtend auf den Mündungen der Durchgänge (9) in dem Auslauf (6) zur Anlage bringbar sind.
2. Flüssigkeitsstrom-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine erste Fläche (16) des ersten Teils (10) und eine zweite Fläche (23) des zweiten Teils (11) des Verschlusselementes (10,11) gegenüberliegen und die Flächen derart angeordnet sind, dass sich beim Öffnen des ersten Teils (10) ein Ringspalt (24) zwischen dem ersten und zweiten Teil (10,11) ausbildet .
3. Flüssigkeitsstrom-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch die Vorrichtung (1) der Abstand
zwischen den Flächen (16,23) derart abnimmt, dass sich beim Öffnen des ersten Teils (10) der durch den Ringspalt (24) freigegebene Durchflussquerschnitt kontinuierlich vergrößert .
4. Flüssigkeitsstrom-Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (10) mit einem Kraftübertragungsmittel (15) zum Öffnen des Verschlusselementes (10,11) verbunden ist und das zweite Teil (11) derart an das erste Teil (10) gekoppelt ist, dass das zweite Teil (11) des
Verschlusselementes bis zum Erreichen der ersten
Öffnungsstellung auf dem Ventilsitz (14) ruht.
5. Flüssigkeitsstrom-Steuerungsverfahren umfassend das
Zuführen einer Flüssigkeit zu einem Ventil, das zunächst in einer erste und sodann in eine zweite Öffnungsstellung gebracht wird, wobei in der zweiten Öffnungsstellung die Durchflussquerschnittsfläche des Ventils größer als in der ersten Öffnungsstellung ist und das Öffnen des
Ventils eine Abgabe der Flüssigkeit bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass in Durchflussrichtung der
Flüssigkeit durch das Ventil die
Durchflussquerschnittsfläche in der ersten
Öffnungsstellung von der zusätzlichen
Durchflussquerschnittsfläche in der zweiten
Öffnungsstellung umgeben wird.
6. Flüssigkeitsstrom-Steuerungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich beim Öffnen des Ventils in die erste Öffnungsstellung die freigegebene
Durchflussquerschnittsfläche kontinuierlich vergrößert.
7. Flüssigkeitsstrom-Steuerungsverfahren nach einem der
Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Ventil abgegebene Flüssigkeit durch einen Auslauf mit mehreren in Achsrichtung nebeneinander angeordneten
Durchgängen geleitet wird.
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