EP3313775B1

EP3313775B1 - Füllsystem zum befüllen von packmitteln

Info

Publication number: EP3313775B1
Application number: EP16728340.7A
Authority: EP
Inventors: Dieter-Rudolf Krulitsch
Original assignee: KHS GmbH
Current assignee: KHS GmbH
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2020-01-08
Anticipated expiration: 2036-06-13
Also published as: DE102015110067A1; US20180170741A1; SI3313775T1; EP3313775A1; WO2016207006A1; US10589976B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Füllelemente gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf Füllmaschinen gemäß Oberbegriff Patentanspruch 10.
Füllelemente zur gesteuerten Abgabe, beispielsweise zur füllhöhen- und/oder volumen- und/oder mengengesteuerten Abgabe, von flüssigen Produkten oder Füllgütern in Packmittel sind in zahlreichen Ausführungen bekannt, wobei diese Füllelemente grundsätzlich jeweils wenigstens einen an mindestens einer Abgabeöffnung für das Füllgut mündenden Flüssigkeitskanal und wenigstens ein in diesem Flüssigkeitskanal angeordnetes Flüssigkeitsventil aufweisen, welches beim Befüllen gesteuert geöffnet und geschlossen wird. Das Flüssigkeitsventil umfasst dabei in der Regel einen Ventilkörper, der zumindest teilweise im Flüssigkeitskanal angeordnet ist und beim Füllen vom Füllgut umströmt mit einem ebenfalls im Flüssigkeitskanal vorgesehenen Ventilsitz zusammenwirkt. Gegen diesen liegt der Ventilkörper bei geschlossenem Flüssigkeitsventil an und von diesem ist der Ventilkörper bei geöffnetem Flüssigkeitsventil unter Freigabe wenigstens einer Ventilöffnung beabstandet. Bei einer Vielzahl bekannter Füllelemente wird beim Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsventils der Ventilkörper, der dann beispielsweise an einem ebenfalls zumindest mit einer Teillänge im Flüssigkeitskanal aufgenommenen ventilstößelartigen Bauteil vorgesehen ist, durch eine Betätigungseinrichtung in einer Ventil- oder Hub-Achse bewegt.
Ein derartiges Füllelement mit einem Stromregelventil und einem Sperrventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US 2013/0112719 A1 bekannt.
Die DE 10 2012 211 926 A1 beschreibt ein druckentlastetes Proportionalventil mit bewegtem Ventilstempel welcher mit Faltenbalgen abgedichtet ist.
Bekannt ist weiterhin ein Füllelement ( DE 10 2013 106 927 A1 ), bei dem das Flüssigkeitsventil im Wesentlichen aus einem im Füllelementkanal angeordneten und von dem Füllgut umströmten Ventilkörper, der beim Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsventils in der Ventil- oder Hub-Achse nicht bewegt wird, und aus einem als Mantelrohr ausgebildeten Ventilelement besteht, welches den Ventilkörper auf einer Teillänge mit Abstand umschließt und an welchem ein mit dem Ventilkörper zusammenwirkender und von einer Dichtungsmembrane gebildeter Ventilsitz vorgesehen ist. Zum Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsventils wird der Ventilkörper, der an einem Gehäuseabschnitt des Füllelementes axial geführt ist, in der Ventil- und Hub-Achse zwischen einer Fließposition, in der zum Schließen des Flüssigkeitsventils der Ventilsitz gegen den Ventilkörper anliegt, und einer Position bewegt, in der der Ventilsitz zum Öffnen des Flüssigkeitsventils und zur Freigabe einer zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkörper gebildeten Ventilöffnung vom Ventilkörper beabstandet ist. Die Bewegung des Ventilelementes erfolgt beispielsweise pneumatisch durch Beaufschlagung von Steuerkammern mit Druckluft, die zwischen einer Innenfläche des Ventilkörpers und einer Außenfläche eines Gehäuseabschnitts des Füllelementes gebildet sind. Nachteilig ist hierbei zunächst, dass für das Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsventils eine zusätzliche Pneumatik erforderlich ist, so u.a. eine Druckluftquelle, Pneumatikleitungen, elektropneumatische Steuerventile usw. Insbesondere nachteilig ist bei dem durch die DE 10 2013 106 927 A1 vorgestellten Füllventil ist vor allem aber auch, dass für das Schließen und Geschlossen-Halten des Flüssigkeitsventils insbesondere bei einem unter Fülldruck stehenden Füllgut eine nicht unerhebliche Schließkraft aufgebracht werden muss, um so eine aus dem Druck des Füllgutes resultierenden und im Sinne eines Öffnens des Flüssigkeitsventils wirkende Kraft zu kompensieren. Besonders nachteilig wäre dies, wenn die Steuerung des Flüssigkeitsventils durch einen elektromagnetischen Stellantrieb erfolgen soll, da dann der Stellantrieb für das Schließen und Geschlossen-Halten mit einem hohen Dauer-Strom angesteuert werden müsste.
Gleiches gilt analog, wenn das Flüssigkeitsventil gegen eine, durch den Druck des Füllgutes erzeugte Kraft geöffnet werden muss.
Sind Füllelemente mit jeweils einem Stromregelventil ausgebildet, welches den Volumenstrom des Füllgutes während der Füllphase steuert, so könnten diese Ventile grundsätzlich auch das vollständige Öffnen und vollständige Schließen des Füllelementes übernehmen. Bei geschlossenem Stromregelventil liegen dann an dessen der Abgabeöffnung abgewandten Innenseite der Fülldruck und an einer der Abgabeöffnung zugewandten Außenseite des geschlossenen Stromregelventils der Umgebungsdruck an. Hierbei ist es zumindest sinnvoll, das Stromregelventil so auszugestalten, dass es allein oder unterstützt durch den Fülldruck im geschlossenen Zustand gehalten wird, allerdings mit dem Nachteil, dass die zum Öffnen des Stromregelventils erforderliche Kraft sich aus dem Fülldruck und dem "Öffnungsquerschnitt" des Stromregelventils ergibt, was bedeutet, dass in der Regel erhebliche Kräfte erforderlich wären, um das Stromregelventil am Beginn eines Füllprozesses zu öffnen. Derartige Ausbildungen eines Füllelementes erfordern somit einen massiven Aufbau u.a. auch des Stromregelventils sowie erhebliche Antriebskräfte für das Öffnen dieses Ventils, was sich letztlich ungünstig auf die Eigenschaften des betreffenden Ventils als Stromregelventils auswirken muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, Füllelemente aufzuzeigen, die diesen Nachteil vermeiden und in vorteilhafter Weise eine Steuerung oder Regelung des Volumenstroms des Füllgutes während der Füllphase ermöglichen, und zwar bei reduzierten Steuerkräften für das Öffnen, Verstellen und Schließen des jeweiligen Stromregelventils eines erfindungsgemäßen Füllelementes. Vorzugsweise sind diese Füllelemente derart ausgebildet, dass die Steuerkräfte für das Öffnen, Verstellen und Schließen des jeweiligen Stromregelventils eines erfindungsgemäßen Füllelementes nicht durch die Wirkung des Druckes des Füllgutes beeinflusst werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind Füllelemente entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Eine Füllmaschine ist Gegenstand des Patentanspruches 10.
Bei dem erfindungsgemäßen Füllelement erfolgt die gesteuerte Abgabe des Füllgutes in den jeweiligen Behälter durch eine Flüssigkeitsventilanordnung, die in Serie und in Strömungsrichtung des Füllgutes beim Füllen aufeinanderfolgend zumindest ein Stromregelventil und ein Sperrventil aufweist, wobei letzteres vorzugsweise als reines Sperrventil ausgebildet und lediglich zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand steuerbar ist. Das Sperrventil kann vorliegend auch allgemein als Flüssigkeitsventil verstanden werden, durch welches insbesondere in der Füllphase keine Regelung des Volumenstroms oder der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der mengen- oder volumenmäßigen Abgabe des Füllgutes erfolgt, sondern im Wesentlichen das Öffnen und Sperren der Abgabe des Füllgutes. Mit dem Stromregelventil können die Größe des Füllgutstromes bzw. der Volumenstrom des Füllgutes und damit die Füllgeschwindigkeit während des Füllens zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert problemlos geregelt und/oder gesteuert werden. Das eigentliche Öffnen und Schließen des Füllelementes erfolgt über das separate Sperrventil bzw. Flüssigkeitsventil. Da für das Öffnen und Schließen des Füllelementes das separate Sperrventil vorgesehen ist, herrscht auch bei geschlossenem Stromregelventil an beiden Seiten dieses Ventils derselbe oder im Wesentlichen derselbe Druck. Die zum Schließen oder Öffnen des Stromregelventils benötigte Kraft ist nicht mehr vom Druck des Füllgutes abhängig. Insbesondere bei einer Steuerung des Stromregelventils durch einen elektrischen Stellantrieb und dabei speziell durch einen elektromagnetischen Stellantrieb ist nur ein stark reduzierter Strombedarf zum Schließen und Geschlossen-Halten des Stromregelventils und/oder zum Öffnen und Geöffnet-Halten dieses Ventils erforderlich. Dies ist sehr wesentlich in Bezug auf die Auslegung des Stellantriebs und die elektrische Versorgung dieses Antriebs, speziell auch bei Füllsystemen oder Füllmaschinen umlaufender Bauart, bei denen die Füllelemente an einem um eine vertikale Maschinenachse umlaufenden Rotor vorgesehen sind, an dem nur eine begrenzte elektrische Leistung zu Verfügung steht und insbesondere auch die Ableitung von Abwärme eines mit hoher Leistung anzutreibenden Stellantriebs äußerst problematisch ist.
"Behälter" sind im Sinne der Erfindung insbesondere Dosen, Flaschen, Tuben, Pourches, jeweils aus Metall, Glas und/oder Kunststoff, aber auch andere Packmittel, die zum Abfüllen von flüssigen oder viskosen Produkten geeignet sind.
Unter Freistrahlfüllen ist im Sinne der Erfindung ein Verfahren zu verstehen, bei dem das flüssige Füllgut dem zu befüllenden Behälter in einem freien Füllstrahl zuströmt, wobei der Füllgutstrahl auf seinem Weg in den Behälter nicht durch zusätzliche Elemente wie beispielsweise Drallkörper, Gassperren usw. beeinflusst wird. Dabei kann die Behältermündung oder -Öffnung in Dichtlage am Füllelement anliegen, oder alternativ auch von diesem beabstandet sein.
Der Ausdruck "im Wesentlichen" bzw. "etwa" bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2: in vereinfachter Darstellung und im Schnitt jeweils zwei Füllelemente gemäß der Erfindung im geschlossenen Zustand (Fig. 1) und im geöffneten Zustand (Fig. 2);
Fig. 3 und 4: in vereinfachter Darstellung und im Schnitt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllelementes im geschlossenen Zustand (Fig. 3) und im geöffneten Zustand (Fig. 4);
Fig. 5 und 6: in Darstellungen ähnlich den Fig. 1 und 2 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllelementes;
Fig. 7 und 8: in Darstellungen ähnlich den Fig. 3 und 4 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllelementes.

Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils zwei identisch ausgebildete Füllelemente 1 zum gesteuerten Befüllen von Behältern 2 mit einem flüssigen Produkt oder Füllgut. Die Behälter 2 sind beispielhaft als Dosen dargestellt, können aber auch ein anderes zum Abfüllen von flüssigen Produkten geeignetes Packmittel sein.
Die beiden Füllelemente 1 sind im Verwendungsfall Bestandteil eines Füllsystems, welches vorzugsweise weitere gleichartige Füllelemente 1 aufweist. Beispielsweise sind die Füllelemente 1 Bestandteil einer Füllmaschine umlaufender Bauart, bei der sie in der dem Fachmann bekannten Weise zusammen mit einer Vielzahl gleichartiger Füllelemente 1 am Umfang eines um eine vertikale Maschinenachse umlaufend antreibbaren Rotors vorgesehen sind. Die Füllelemente 1 sind beispielsweise für ein Freistrahlfüllen der Behälter 2 ausgebildet, sind aber grundsätzlich, insbesondere bei entsprechender Anpassung, auch für andere Füllverfahren geeignet.
In jedem Füllelement 1 ist ein Flüssigkeitskanal 3 ausgebildet, der bei der dargestellten Ausführungsform mit seinem oberen Ende bzw. mit einem dortigen Anschluss 3.1 mit einem nicht dargestellten, das Füllgut bereitstellenden Füllgutkessel verbunden ist. An der Unterseite jedes Füllelementes 1 bildet der Flüssigkeitskanal 3 eine Abgabeöffnung 4, über die beim Füllen das Füllgut dem unter dem Füllelement 1 angeordneten Behälter 2 zufließt. Im Flüssigkeitskanal 3 sind in der Strömungsrichtung (Pfeil A), in der das Füllgut den Flüssigkeitskanal 3 beim Füllen durchströmt, zwischen dem Anschluss 3.1 und der Abgabeöffnung 4 aufeinanderfolgend ein insbesondere den Volumenstrom oder die Strömung des flüssigen Füllgutes beim Füllen steuerndes Strömungsventil 5 und anschließend zwischen diesem Ventil und der Abgabeöffnung 4 ein Sperrventil 6 vorgesehen.
Das Stromregelventil 5 umfasst bei der dargestellten Ausführungsform einen im Flüssigkeitskanal 3 achsgleich mit einer einer Füllelementachse entsprechenden Ventil- oder Hubachse FA angeordneten Ventilkörper 7, der mit einem bei der dargestellten Ausführungsform ringförmigen oder von einem Ringkörper gebildeten Ventilsitz 8 zusammenwirkt, und zwar derart, dass bei geschlossenem Stromregelventil der Ventilkörper 7 und der Ventilsitz 8 gegeneinander anliegen (Fig. 1) und bei geöffnetem Stromregelventil 5 voneinander beabstandet sind (Fig. 2). Der Ventilsitz 8 bildet mit seiner Öffnung einen Teil des Flüssigkeitskanals 3.
Bei den Füllelementen 1 ist der jeweilige Ventilkörper 7 fest, d.h. axial nicht beweglich in dem Flüssigkeitskanal 3 angeordnet, während der Ventilsitz 8 in Richtung der Ventil- oder Hubachse FA relativ zum Ventilkörper 7 axial gesteuert und/oder geregelt bewegbar ist (Doppelpfeil B), und zwar über einen jedem Füllelement 1 eigenständig zugeordneten Stellantrieb 9, der bei der dargestellten Ausführungsform als elektromagnetischer Stell- und/oder Linearantrieb ausgebildet ist und mit dem der Ventilsitz 8 über einen stegartigen Mitnehmer 10 antriebsmäßig verbunden ist. Das gesteuerte Öffnen des Stromregelventils 5 erfolgt bei den Füllelementen 1 jeweils durch Anheben des Ventilsitzes 8 entgegen der Strömungsrichtung A.
Der jeweilige Stellantrieb 9 umfasst u.a. ein erstes Antriebselement in Form eines Stators 9.1, der wenigstens eine Statorwicklung und in einer Achsrichtung parallel zur Ventil- oder Hubachse FA aufeinander folgend mehrere Magnetpole aufweist, die über einen Magnetspalt mit einem zweiten Antriebselement in Form eines Läufers 9.2 zusammenwirken, der am Mitnehmer 10 vorgesehen ist und wenigstens einen Permanentmagneten besitzt. Der zwischen dem Stator 9.1 und dem Läufer 9.2 gebildete Magnetspalt des Stellantriebs 9 befindet sich seitlich vom Ventilsitz 8 und damit auf jeden Fall außerhalb des Flüssigkeitskanals 3.
Mehr im Detail besteht jedes Füllelement 1 aus einem in den Fig. 1 und 2 oberen Gehäuseteil 12, an dem auch achsgleich mit der Ventil- oder Hubachse FA ein den Anschluss 3.1 bildender rohrförmiger Abschnitt 11 vorgesehen ist, sowie aus einem unteren Gehäuseteil 13, in welchem eine in das Flüssigkeitsventil 6 mündende Teillänge des Flüssigkeitskanals 3 ausgebildet und an welchem über Stege 7.1 der Ventilkörper 7 gehalten ist. Die beiden in Richtung der Ventil- oder Hubachse FA voneinander beabstandeten Gehäuseteile 12 und 13 sind durch mehrere bei der dargestellten Ausführungsform als Stangen ausgebildete Verbindungselemente 14 miteinander verbunden. An einem dieser stangenartigen Verbindungselemente 14 ist der Mitnehmer 10 in einer Achsrichtung parallel zur Ventil- oder Hubachse FA verschiebbar geführt. Der Stator 9.1 des Stellantriebes ist an einer sich zwischen den Gehäuseteilen 12 und 13 erstreckenden und an diesen Gehäuseteilen befestigten Platine 15 gehalten.
Der an dem stangenförmigen Verbindungselement 14 axial bewegliche Mitnehmer 10 bildet zugleich eine axiale Führung für den Ventilsitz 8. Es versteht sich, dass der Mitnehmer 10 bevorzugt an mehreren stangenförmigen Verbindungselementen 14 geführt sein kann, um so ein unerwünschtes Schwenken oder Verdrehen des Mitnehmers 10 zu vermeiden und eine exakte Führung des Ventilsitzes 8 in der Ventil- oder Hubachse FA sicherzustellen.
Um die gesteuerte Bewegung des Ventilsitzes 8 mit dem Stellantrieb 9 in Richtung der Ventil- oder Hubachse FA zu ermöglichen, ist der Flüssigkeitskanal 3 in einem Abschnitt 3.2 zwischen dem Anschluss 3.1 und dem Ventilsitz 8 innerhalb einer flexiblen Dichtung 16 und in einem Abschnitt 3.3 zwischen dem Ventilsitz 8 und dem Gehäuseteil 13 innerhalb einer flexiblen Dichtung 17 ausgebildet. Beide Dichtungen sind bei der dargestellten Ausführungsform jeweils von einem Faltenbalg gebildet.
Die beiden Füllelemente 1 bilden beispielsweise eine Baueinheit in Form eines Mehrfach-Füllelementes mit zwei getrennten Flüssigkeitskanälen 3 mit Abgabeöffnung 4 und mit der in den Flüssigkeitskanälen 3 vorgesehenen Flüssigkeitsventilanordnung, die jeweils aus dem Stromregelventil 5 und dem Sperrventil 6 besteht.
Das jeweilige Füllelement 1 wird beispielsweise wie folgt betrieben:
Vor dem Beginn eines Füllprozesses sind das Sperrventil 6 und das Stromregelventil 5 geschlossen. Da der Flüssigkeitskanal 3 durch das Sperrventil 6 dicht gesperrt ist, ergibt sich auch bei einem unter einem Fülldruck stehenden und dem Füllelement 1 zugeführten Füllgut ein Druckausgleich oder im Wesentlichen ein Druckausgleich in den beiden Abschnitten 3.2 und 3.3 vor bzw. nach dem Stromregelventil 5. Für das Einleiten der Füllphase, d.h. für das Einbringen des Füllgutes in den Behälter 2 erfolgt zunächst ein zumindest teilweises Öffnen des Stromregelventils 5, und zwar durch gesteuertes Anheben des Ventilsitzes 8 vom Ventilkörper 7 mit dem Stellantrieb 9. Durch den bestehenden Druckausgleich in den Abschnitten 3.2 und 3.3 kann dieses Öffnen des Stromregelventils 5 mit reduzierter Kraft und damit mit einem reduzierten, den Stellantrieb 9 betätigenden Steuerstrom erfolgen. Eine aus dem Druck des Füllgutes resultierende und den Ventilsitz 8 in seiner Schließstellung haltende Kraft, die in etwa dem Öffnungsquerschnitt des Stromregelventils 5 multipliziert mit dem Fülldruck des Füllgutes entsprechend-würde, muss beim Öffnen des Stromregelventils 5 nicht überwunden werden. Erst nach dem Öffnen des Stromregelventils 5 wird auch das Sperrventil 6 geöffnet, so dass dann das flüssige Füllgut über die Abgabeöffnung 4 dem Behälter 2 zufließen kann. Während dieser Füllphase wird der Volumenstrom des den Behälter 2 zufließenden Füllgutes über das von dem Stellantrieb 9 betätigte Stromregelventil 5 gesteuert und/oder geregelt, beispielsweise in der Form, dass zu Beginn und/oder am Ende der Füllphase der Volumenstrom durch Verkleinerung des Öffnungsquerschnittes des Stromregelventils 5 für ein langsames Anfüllen und/oder Restfüllen reduziert wird. Am Ende der Füllphase und des Füllprozesses werden beispielsweise zunächst das Sperrventil 6 und anschließend das Stromregelventil 5 geschlossen, und zwar z.B. in Abhängigkeit von einem Signal eines die Füllmenge und/oder das Füllgewicht und/oder die Füllhöhe im Behälter 2 bestimmenden Sensor- oder Messelementes, z.B. in Form eines Durchflussmessers, einer Wägeeinrichtung, einer in den Behälter 2 hineinreichende Sonde usw.. Das Schließen des Stromregelventils 5 erfolgt mit dem Stellantrieb 9 durch Bewegen des Ventilsitzes 8 auf den Ventilkörper 7, beispielsweise zeitgesteuert.
Weiterhin kann das Füllelement 1 auch so betrieben werden, dass das Schließen dieses Füllelementes, d.h. die Beendigung der Füllphase zunächst durch gesteuertes und/oder geregeltes Schließen des Stromregelventils 5 erfolgt, und zwar z.B. durch entsprechende Ansteuerung des elektrischen Stellantriebes 9 in Abhängigkeit von dem Signal des die Füllmenge und/oder das Füllgewicht und/oder die Füllhöhe im Behälter bestimmenden Sensor- oder Messelementes, und dass das Schließen des Sperrventil 6 erst danach zeitgesteuert erfolgt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen als weitere Ausführungsform ein Füllelement 1a, wobei in diesen Figuren für solche Elemente, die zumindest von ihrer Funktion her den Elementen des Füllelementes 1 entsprechen, dieselben Bezugsziffern wie in den Fig. 1 und 2 verwendet sind. Das Füllelement 1a unterscheidet sich von dem Füllelement 1 im Wesentlichen nur dadurch, dass der mit 9a bezeichnete und wiederum als elektromagnetischer Antrieb ausgebildete Stellantrieb ein erstes Antriebselement in Form eines ringförmigen Stators 9a.1 mit wenigstens einer Statorwicklung aufweist, der achsgleich mit der Ventil- oder Hubachse FA angeordnet den Ventilsitz 8 an einer vorzugsweise kreiszylinderförmigen Umfangsfläche umschließt, und zwar unter Ausbildung des wiederum außerhalb des Flüssigkeitskanals 3 angeordneten Magnetspalts zwischen einem zweiten Antriebselement in Form eines Läufers 9a.2, der an der Außenfläche des Ventilsitzes 8 vorgesehen und beispielsweise von einer Permanentmagnetanordnung gebildet ist. Die Funktionsweise des Füllelementes 1 ist identisch mit der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise des Füllelementes 1. Der Stator 9a.1 ist an der Innenfläche eines beispielsweise ringförmig ausgeführten Gehäuseteils 18 vorgesehen, welches an den Verbindungselementen 14 gehalten den Ventilsitz 8 zumindest auf einer Teillänge umschließt und zusammen mit dem Stator 9a.1 auch eine axiale Führung für den Ventilsitz 8 bildet. Der Mitnehmer 10 des Füllelementes 1 wird bei dem Füllelement 1a aufgrund der speziellen Ausbildung und Anordnung des Stellantriebes 9a nicht benötigt.
Die Fig. 5 und 6 zeigen in einer Darstellung ähnlich den Fig. 1 und 2 zwei Füllelemente 1b eines Füllsystems bzw. einer Füllmaschine im geschlossenen Zustand (Fig. 5) und im geöffneten Zustand (Fig. 6), wobei in den Fig. 5 und 6 wiederum für solche Elemente, die zumindest hinsichtlich ihrer Funktion den Elementen der Fig. 1 und 2 entsprechen, mit den Bezugsziffern der Fig. 1 und 2 bezeichnet sind. Die Füllelemente 1b unterscheiden sich von dem Füllelement 1 im Wesentlichen nur dadurch, dass das jeweilige Stromregelventil 5 durch axiales Absenken des Ventilsitzes 8 in Strömungsrichtung A gesteuert durch den Stellantrieb 9 geöffnet wird, d.h. durch Bewegen des Ventilkörpers 8 in der Ventil- oder Hubachse FA in Richtung auf die Abgabeöffnung 4, und dass das Schließen des Stromregelventils 5 durch Anheben des Ventilsitzes 8 entgegen der Strömungsrichtung A erfolgt. Hierfür ist der Ventilkörper 7 über die Stege 7.1 an dem Gehäuseteil 12 gehalten zumindest teilweise innerhalb des oberen Abschnittes 3.2 des Flüssigkeitskanals 3 angeordnet.
Auch die Füllelemente 1b werden beispielsweise so verwendet, dass am Beginn des jeweiligen Füllprozesses und nach Anordnung eines Behälters 2 unter dem jeweiligen Füllelement 1b sowohl das Stromregelventil 5 durch den gegen den Ventilkörper 7 anliegenden Ventilsitz 8, als auch das Sperrventil 6 geschlossen sind. Für das Einleiten der Füllphase, d.h. für das Zuführen des flüssigen Füllgutes in den Behälter 2 werden das Stromregelventil 5 und das Sperrventil 6 geöffnet, wobei dieses Öffnen zeitgleich oder aber zeitlich versetzt oder zeitlich überlappend erfolgen kann, beispielsweise durch Öffnen des Stromregelventils 5 und anschließendes Öffnen des Sperrventil 6 oder umgekehrt. Während der Füllphase kann dann wiederum der dem Behälter 2 zufließende Volumenstrom des Füllgutes durch eine entsprechende Ansteuerung des Stellantriebes 9 mit dem Stromregelventil 5 gesteuert bzw. geregelt werden. Die Füllphase wird durch Schließen des Sperrventil 6 beendet. Anschließend wird beispielsweise auch das Stromregelventil 5 mit dem Stellantrieb 9 in seine Schließstellung zurückbewegt, wobei es aber auch möglich ist, das Stromregelventil 5 nach Beendigung der Füllphase, d.h. nach dem Schließen des Sperrventils 6 zur Vorbereitung eines weiteren, zeitlich folgenden Füllens in einem geöffneten oder teilweise geöffneten Zustand zu halten. Ein besonderer Vorteil des Füllelementes 1b besteht darin, dass zumindest bei geöffnetem Sperrventil 6 das Öffnen des Stromregelventils 5 durch das den Flüssigkeitskanal 3 durchströmende Füllgut und/oder den Füllgutdruck unterstützt wird und dass das Schließen und Geschlossen-Halten des Füllelementes 1b nicht durch das Stromregelventil 5, sondern durch das Sperrventil 6 erfolgt, ggf. nur unterstützt durch das Stromregelventil 5, so dass im geschlossenen Zustand des Füllelementes 1b für den Stellantrieb 9 kein oder aber nur ein sehr reduzierter Steuerstrom erforderlich ist.
Die Fig. 7 und 8 zeigen als weitere Ausführungsform ein Füllelement 1c im geschlossenen Zustand (Fig. 7) und im geöffneten Zustand (Fig. 8). In den Fig. 7 und 8 sind wiederum für solche Elemente, die zumindest hinsichtlich ihrer Funktion den Elementen der Fig. 1 und 2 entsprechen, dieselben Bezugsziffern wie in den Fig. 1 und 2 verwendet. Das Füllelement 1c unterscheidet sich von dem Füllelement 1b lediglich dadurch, dass anstelle des Stellantriebes 9 der Stellantrieb 9a verwendet ist, und zwar mit dem ringförmigen, achsgleich mit der Ventil- oder Hubachse FA angeordneten und den Ventilsitz 8 umschließenden Stator 9a.1 und dem Läufer 9a.2 (z.B. Permanentmagnetanordnung) an der vorzugsweise kreiszylinderförmigen Außenfläche des Ventilsitzes 8. Die Funktion des Füllelementes 1c entspricht der Funktion des Füllelementes 1b.
Wie bereits dargestellt, ist es von besonderem Vorteil, wenn das Füllelement 1, so ausgebildet ist, dass die Steuerkräfte für das Öffnen, Verstellen und Schließen des jeweiligen Stromregelventils 5 eines erfindungsgemäßen Füllelementes nicht durch die Wirkung des Druckes des Füllgutes beeinflusst werden.
Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in dem Flüssigkeitskanal 3 eine Flüssigkeitsventilanordnung vorzusehen, die zumindest ein Stromregelventil 5 sowie ein Sperrventil 6 umfasst, wobei das Sperrventil 6 bezogen auf die Strömungsrichtung des Füllgutes hinter dem Stromregelventil 5 angeordnet ist. Dabei sind das Stromregelventil 5, zumindest beinhaltend Ventilkörper 7 und Ventilsitz 8, und mindestens ein Abschnitt des Flüssigkeitskanals 3.2, 3.3 entsprechend ausgebildet.
Weiterhin wird dazu vorgeschlagen, den mindestens einen Abschnitt des Flüssigkeitskanals 3.2, 3.3 aus einem flexiblen, verformbaren Element auszubilden.
Beispielsweise aus einer Membran, Rollmembran oder, besonders bevorzugt aus einem Faltenbalg.
Besonders bevorzugt werden zwei Abschnitte 3.2, 3.3 des Flüssigkeitskanals 3 vorgesehen, wobei beide Abschnitte 3.2, 3.3 unter Verwendung jeweils eines flexiblen, verformbaren Elementes ausgebildet sind. Bevorzugt werden diese beiden Abschnitte 3.2, 3.3 des Flüssigkeitskanals 3 durch jeweils mindestens einen Faltenbalg gebildet.
Dabei werden die jeweiligen äußeren und/oder inneren Abmessungen des mindestens einen Faltenbalges des ersten Abschnittes 3.2 des Flüssigkeitskanals 3 und die entsprechenden Abmessungen des mindestens einen Faltenbalges des zweiten Abschnittes 3.3 des Flüssigkeitskanals 3 so gewählt, dass die Summe der Wirkungen des Drucks des Füllgutes und/oder die Summe der Wirkungen der Strömung des Füllgutes auf beide Abschnitte 3.2, 3.3 des Flüssigkeitskanals 3 null oder im Wesentlichen null ist.
Die durch den Druck des Füllgutes erzeugte Anpresskraft wird dabei im Wesentlichen durch den Wirkdurchmesser des Faltenbalgs bestimmt.
Der Wirkdurchmesser eines Faltenbalges, der für die aus dem Druck des Füllgutes resultierende Kraft in Richtung der Hauptachse des Ventilsitzes 8 des Stromregelventils 5 maßgeblich ist, ist abhängig von dem kleinen inneren Faltenbalgdurchmesser di und dem größerem äußeren Faltenbalgdurchmesser da und entspricht der Wurzel aus ((di²+ da²)/2).
Durch entsprechende Wahl des Wirkdurchmessers der Faltenbälge können die jeweils in den einzelnen Abschnitten 3.2, 3.3 der Flüssigkeitskanäle 3 durch den Druck des Füllgutes in Richtung des Ventilsitzes 8 des Stromregelventils 5 wirkenden Kräfte so eingestellt werden, dass sich diese derart ausgleichen oder im Wesentlichen ausgleichen, dass die aus dem Druck des Füllgutes resultierende Kraft den Ventilsitz 8 des Stromregelventils 5 nicht oder im Wesentlichen nicht belasten. Durch diese Vorgehensweise kann eine deutliche Verminderung der erforderlichen Betätigungskräfte des Stromregelventils erzielt werden.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich sind. So können anstelle der als elektromagnetische Antriebe ausgebildeten Stellantriebe 9 und 9a auch andere elektrische Stellantriebe, wie beispielsweise Servomotoren, Schrittmotoren etc. vorgesehen sein, oder aber die gesteuerte axiale Bewegung des jeweiligen Ventilsitzes 8 erfolgt über eine mechanische Steuerung, beispielsweise über jeweils eine mit wenigstens einer Kurvenbahn zusammenwirkende Laufrolle.

Bezugszeichenliste

1, 1a-1c: Füllelement
2: Behälter
3: Flüssigkeitskanal
3.1: Anschluss des Flüssigkeitskanals
3.2, 3.3: Abschnitt des Flüssigkeitskanals
4: Abgabeöffnung
5: Stromregelventil
6: Sperrventil
7: Ventilkörper
7.1: Steg
8: Ventilsitz
9, 9a: Stellantrieb
9.1, 9a.1: Stator
9.2, 9a.2: Läufer des Stellantriebs 9, 9a
10: Mitnehmer
11: rohrförmiger Abschnitt
12, 13: Gehäuseteil
14: Verbindungselement
15: Platine
16, 17: Dichtung
18: Gehäuseteil
A: Strömungsrichtung des Füllgutes beim Füllen
B: Bewegungshub des Ventilsitzes 8
FA: Ventil- oder Hubachse

Claims

Füllelement zur gesteuerten Abgabe eines flüssigen Füllgutes oder Produktes in Packmittel (2), mit wenigstens einem Flüssigkeitskanal (3), in welchem wenigstens eine Flüssigkeitsventilanordnung vorgesehen ist,
wobei die Flüssigkeitsventilanordnung zumindest zwischen einem Zustand, der in einer Füllphase die Abgabe des Füllgutes über wenigstens eine Abgabeöffnung (4) des Flüssigkeitskanals (3) an die Packmittel (2) ermöglicht, und einem Zustand steuerbar ist, der den Flüssigkeitskanal (3) und damit die Abgabe des Füllgutes sperrt, wobei die Flüssigkeitsventilanordnung zumindest ein durch einen Stellantrieb (9, 9a) Steuer- und regelbares Stromregelventil (5) aufweist mit welchem während der Füllphase der Volumenstrom des dem Packmittel (2) zufließenden Füllgutes regel- oder steuerbar ist,
und wobei die Flüssigkeitsventilanordnung zumindest ein zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand steuerbares Sperrventil (6) aufweist, wobei das Sperrventil (6) in dem Flüssigkeitskanal (3) zwischen dem Stromregelventil (5) und der wenigstens einen Abgabeöffnung (4) vorgesehen ist, wobei das Stromregelventil (5) einen im Flüssigkeitskanal (3) angeordneten Ventilkörper (7) und einen diesem Ventilkörper (7) zugeordneten und beispielsweise von einem Ringkörper gebildeten Ventilsitz (8) aufweist, und dass der Ventilkörper (7) und der Ventilsitz (8) durch den Stellantrieb (9, 9a) entlang einer Ventil- oder Hubachse (FA) relativ zueinander bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (8) zum Öffnen und Schließen des Stromregelventils (5) durch den Stellantrieb (9, 9a) in einer Achsrichtung der Ventil- oder Hubachse (FA) bewegbar ist, die der Strömungsrichtung (A), in der das Füllgut den Flüssigkeitskanal (3) während der Füllphase durchströmt, entgegengesetzt ist oder aber in dieser Strömungsrichtung (A) orientiert ist, wobei bezogen auf die Strömungsrichtung (A) des Füllgutes ein dem Ventilsitz (8) vorausgehender Teilabschnitt (3.2) und ein auf den Ventilsitz (8) folgender Teilabschnitt (3.3) des Flüssigkeitskanals (3) jeweils von einer flexiblen, eine axiale Längenänderung ermöglichenden Dichtung (16, 17), vorzugsweise in Form eines Faltenbalgs gebildet ist.
Füllelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den beweglichen Ventilsitz (8) des Stromregelventils (5) eine axiale Führung vorgesehen ist, wobei die axiale Führung durch ein Gehäuseteil (18) und/oder durch Verbindungselemente (14) eines Gehäuses gebildet ist.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (9, 9a) eine mechanische Steuerung mit wenigstens einer Laufrolle (20), die mit wenigstens einer Kurvenbahn (21) zusammenwirkt, oder ein elektrischer Stellantrieb in Form eines Servo- oder Schrittschaltmotors oder ein Stellantrieb (9, 9a) in Form eines magnetischen oder elektromagnetischen Antriebs oder Linearantriebs ist.
Füllelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische oder elektromagnetische Steuerantrieb (9, 9a) ein vorzugsweise als Stator (9.1, 9a.1) ausgebildetes erstes Antriebselement aufweist, welches über einen Magnetspalt auf ein zweites, beispielsweise als Läufer (9.2, 9a.2) ausgebildetes Antriebselement einwirkt, und dass der Magnetspalt außerhalb des Flüssigkeitskanals (3), beispielsweise an einem seitlich von dem bewegbaren Ventilsitz (8) wegstehenden Mitnehmer (10) oder an einer Außenfläche des bewegbaren Ventilsitzes (8) vorgesehen ist.
Füllelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Stellantrieb (9, 9a) eine vorzugsweise den Stator (9.1, 9a.1) bildende Magnetspulenanordnung mit mehreren in Richtung der Ventil- oder Hubachse (FA) gegeneinander versetzten Magnetspulen oder Magnetpolen aufweist, die auf das vorzugsweise als Läufer ausgebildete und beispielsweise von wenigstens einem Permanentmagneten gebildete zweite Antriebselement (9.2, 9a.2) einwirken.
Füllelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Antriebselement (9.2, 9a.2) an einem seitlich vom Ventilsitz (8) wegstehenden Mitnehmer (10) oder an dem Ventilsitz(8) vorgesehen ist.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Einfach- oder Mehrfach-Füllelement ausgebildet ist.
Füllelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1- 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der flexiblen, eine axiale Längenänderung ermöglichenden Dichtung (16, 17) so gewählt sind, dass die Summe der Wirkungen des Drucks des Füllgutes und/oder die Summe der Wirkungen der Strömung des Füllgutes auf beide Abschnitte (3.2, 3.3) des Flüssigkeitskanals (3) null oder im Wesentlichen null ist.
Füllelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkdurchmesser der verwendeten Faltenbälge, so gewählt sind, dass sich die jeweils in den einzelnen Abschnitten der Flüssigkeitskanäle (3.2, 3.3) durch den Druck des Füllgutes in Richtung des Ventilsitzes (8) des Stromregelventils (5) wirkenden Kräfte ausgleichen oder im Wesentlichen ausgleichen, so dass die aus dem Druck des Füllgutes resultierende Kraft den Ventilsitz (8) des Stromregelventils (5) nicht oder im Wesentlichen nicht belasten.
Füllmaschine zum Befüllen von Packmitteln mit einem Füllgut, mit einem wenigstens ein Füllelement (1, 1a - 1c) aufweisenden Füllsystem, dadurch gekennzeichnet, das die Füllelemente (1, 1a - 1c) nach einem der Ansprüche 1- 7 ausgebildet sind.