EP3539921B1

EP3539921B1 - Verfahren und vorrichtung zum befüllen eines zu befüllenden behälters mit einem füllprodukt

Info

Publication number: EP3539921B1
Application number: EP19169483.5A
Authority: EP
Inventors: Rupert Meinzinger
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2023-09-06
Anticipated expiration: 2035-04-02
Also published as: CN105174166B; CN105174166A; US10836621B2; DE102014104872A1; EP2927189A1; EP2927189B1; EP3539921A1; US20150284233A1; JP6581380B2; SI3539921T1; JP2015199545A; SI2927189T1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters mit einem Füllprodukt, insbesondere zum Befüllen eines Behälters mit einem Getränk in einer Getränkeabfüllanlage.

Stand der Technik

In Getränkeabfüllanlagen ist es bekannt, Behälter mittels Füllorganen mit einem Füllprodukt zu befüllen. Die Füllorgane weisen dabei jeweils eine Füllproduktleitung auf, welche mit dem zu befüllenden Behälter verbindbar ist und welche über ein Füllventil mit dem Füllprodukt beaufschlagt werden kann, um das Füllprodukt in den Behälter zu leiten. Durch das Öffnen und Schließen des Füllventils wird der Füllproduktstrom in den zu befüllenden Behälter gesteuert und entsprechend auch das in den zu befüllenden Behälter eingebrachte Füllproduktvolumen bestimmt.
Besonders wenn ein karbonisiertes Füllprodukt abgefüllt werden soll, beispielsweise ein karbonisiertes Getränk wie beispielsweise Bier, Mineralwässer oder Softdrinks, ist die Füllproduktleitung mit dem zu befüllenden Behälter druckdicht verbunden. Der zu befüllende Behälter wird vor dem Befüllen mit dem jeweiligen karbonisierten Füllprodukt mit einem Spanngas auf einen Überdruck vorgespannt und erst dann wird das Füllprodukt in den derart vorgespannten Behälter eingefüllt. Als Spanngas wird beispielsweise CO₂ verwendet. Entsprechend wird das in dem karbonisierten Füllprodukt gebundene CO₂ beim Einfüllen in den zu befüllenden Behälter gegen den erhöhten CO₂-Druck eingefüllt, so dass ein Entbinden des CO₂ aus dem Füllprodukt verringert beziehungsweise ganz verhindert werden kann. Auf diese Weise kann das Aufschäumen des Füllproduktes in dem zu befüllenden Behälter reduziert werden beziehungsweise vermieden werden, so dass auf diese Weise der Füllvorgang insgesamt beschleunigt wird. Dieses Verfahren wird auch als Gegendruckfüllverfahren bezeichnet.
Das Schließen des Füllventils kann mittels eines Durchflussmessers gesteuert werden, mittels welchem ein vorbestimmtes Füllproduktvolumen abgemessen werden kann und bei Erreichen des vorbestimmten Füllproduktvolumens das Schließen des Füllorganes veranlasst werden kann.
Weiterhin ist es bekannt, das Füllproduktvolumen, welches in den zu befüllenden Behälter eingebracht werden soll, mittels einer Dosierkammer vorzudosieren, wobei die Dosierkammer typischer Weise ein geeichtes Volumen aufweist. Zum Befüllen des zu befüllenden Behälters wird das in der Dosierkammer aufgenommene Füllproduktvolumen vollständig in den zu befüllenden Behälter eingeleitet. Das Füllventil schließt entsprechend, wenn das Füllprodukt vollständig aus der Dosierkammer ausgelaufen ist.
Neben den oben beschriebenen Verfahren zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters mit einem vorgegebenen Füllvolumen ist es weiterhin bekannt, den zu befüllenden Behälter bis zu einer vorgegebenen Füllhöhe zu befüllen. Hierzu sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Beispielsweise ist das Einführen einer Höhensonde in den zu befüllenden Behälter bekannt, welche bei Erreichen eines vorgegebenen Füllproduktniveaus, beispielsweise durch einen elektrischen Kurzschluss, das Füllventil schließt.
Weiterhin ist ein sogenanntes Vakuumfüllverfahren bekannt, bei welchem stille Flüssigkeiten in einen vorevakuierten zu befüllenden Behälter eingebracht werden. Eine solche Vorrichtung ist in der US 2,124,581 A beschrieben. Eine exakte Füllhöhenkorrektur kann darüber stattfinden, dass ein Saugrohr in den mit dem Füllprodukt befüllten Behälter eintaucht und das Füllprodukt durch einen am Saugrohr angelegten Unterdruck so lange wieder aus dem Behälter abgezogen wird, bis das gewünschte Füllniveau, welches durch die Unterkante des Saugrohrs definiert ist, erreicht ist. Das Saugrohr steht dabei mit dem über dem Füllprodukt im Füllproduktreservoir anliegenden Unterdruck in Fluidverbindung, so dass ein schnelles Absaugen der Flüssigkeit sowie ein tropffreies Halten des Füllprodukts im Saugrohr erreicht werden kann. Beispiele für solche Vakuumfüller finden sich in der DE 83 08 618 U1 und der DE 83 08 806 U1 .
Die Vakuumfüllvorrichtungen beziehungsweise Vakuumfüllverfahren wurden nicht zum Abfüllen von karbonisierten Getränken verwendet, da durch den angelegten Unterdruck beziehungsweise das angelegte Vakuum das CO₂ in den jeweiligen karbonisierten Getränken sofort entbinden würde und entsprechend ein Füllvorgang mit einer sehr hohen Aufschäumneigung und damit einer langen Füllzeit resultieren würde. Entsprechend wurde im Stand der Technik das Füllen karbonisierter Füllprodukte mit Vakuumfüllverfahren ausgeschlossen.
Weiterhin ist es bekannt, das Befüllen eines zu befüllenden Behälters über die Bestimmung des Füllgewichtes zu steuern. Hierzu ist der zu befüllende Behälter mit einer Wiegezelle verbunden, welche das in den zu befüllenden Behälter eingeleitete Füllgewicht ermittelt. Bei Erreichen eines vorgegebenen Füllgewichts wird entsprechend das Füllventil geschlossen. Ist die Dichte des Füllprodukts bekannt, kann aus dem Füllgewicht auch auf das abgefüllte Volumen geschlossen werden und beim Erreichen eines vorgegebenen Füllvolumens kann dann das Füllventil geschlossen werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters benötigen zusätzliche Bauteile (Durchflussmesser, Dosierkammer, Höhensonde, Rückluftrohr, Wiegezelle), welche die Gesamtvorrichtung komplexer machen und welche zusätzlich zu reinigen und zu warten sind.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters mit einem Getränk anzugeben, welches ein alternatives Verfahren zum Bestimmen des Füllendes bereitstellt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das vorgeschlagene Verfahren zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters mit einem Füllprodukt das ein Getränk ist, in einer Getränkeabfüllanlage umfasst entsprechend die Schritte des druckdichten Verbindens des zu befüllenden Behälters mit einer Füllproduktleitung, des Ermittelns des Ausgangsdruckes in dem zu befüllenden Behälter, des Befüllens des zu befüllenden Behälters mit dem Füllprodukt, und des Beendens der Befüllung des zu befüllenden Behälters beim Erreichen eines vorbestimmten Abschaltdruckes im Behälter. Das Füllprodukt wird mit dem vorbestimmten Abschaltdruck zugeführt und der Ausgangsdruck im zu befüllenden Behälter anhand des Abschaltdruckes eingestellt. Der Behälter wird vor dem Befüllen mit dem Füllprodukt evakuiert.
Somit kann bei variierendem Druck des Füllprodukts, wobei dieser Druck als Abschaltdruck vorgesehen ist, durch variierendes Evakuieren des Behälters das gewünschte Füllproduktvolumen erreicht werden.
Dadurch, dass das Beenden der Befüllung des zu befüllenden Behälters bei Erreichen eines vorbestimmten Abschaltdruckes im Behälter erreicht wird, kann eine gute Dosiergenauigkeit erreicht werden. Die Dosiergenauigkeit ist dabei unabhängig von der Fließgeschwindigkeit des Füllproduktes sowie von der Füllzeit, da zunächst nur der Ausgangsdruck betrachtet wird. Die Dosiergenauigkeit ist auch unabhängig von dem abzufüllenden Volumen und insbesondere auch zur Befüllung von Behältern mit kleinen Volumina von 0,2 I bis 5 I anwendbar. Auf diese Weise kann insbesondere auch ein schlagartiges Befüllen des zu befüllenden Behälters mit dem Füllprodukt zuverlässig beim Erreichen des gewünschten Füllvolumens beendet werden.
Zur Durchführung des Verfahrens ist lediglich eine Bestimmung des Druckes des zu befüllenden Behälters notwendig, so dass der bauliche Aufwand gering ist. In bevorzugten Ausbildungen kann beispielsweise ein zentraler Druckmesser oder ein Druckmesser an jedem Füllorgan einer Getränkeabfüllanlage, beispielsweise eines Rundläuferfüllers, vorgesehen sein.
Ist der zu befüllende Behälter vor dem Befüllen mit dem Füllprodukt evakuiert beziehungsweise steht er unter einem Unterdruck gegenüber dem in einer Füllproduktzufuhr bereitgestellten Füllprodukt, so findet ein schlagartiges Einleiten des Füllproduktes in den zu befüllenden Behälter statt, sobald das Füllventil geöffnet wird. Damit steigt der Druck während des Befüllens des Behälters mit dem Füllprodukt entsprechend an.
War der zu befüllende Behälter vor dem Befüllen so auf einen Unterdruck evakuiert, beispielsweise auf einen Absolutdruck von 0,5 bis 0,05 bar, bevorzugt 0,3 bis 0,1 bar, besonders bevorzugt von 0,1 bar, wird durch das Einfüllen des Füllprodukts zunächst der neben dem Restgas verbleibende Raum des Behälters bis auf Atmosphärendruck (1 bar Absolutdruck) mit dem Füllprodukt aufgefüllt.
Da der Ausgangsdruck in dem zu befüllenden Behälter ebenso wie das Volumen des zu befüllenden Behälters bekannt sind, kann aus diesen Angaben einfach bestimmt werden, wie hoch das Volumen des Füllproduktes ist, das in den zu befüllenden Behälter einströmt, bis der Atmosphärendruck erreicht ist. Bereits auf diese Weise kann ein Füllvolumen in dem Behälter nur aufgrund des in dem Behälter vorliegenden Ausgangsdruckes bestimmt werden. Eine besonders einfache Bestimmung des Füllvolumens ergibt sich, wenn das Füllprodukt unter Atmosphärendruck bereitgestellt wird, denn dann kann über den Ausgangsdruck des zu befüllenden Behälters einfach und unmittelbar auf das Füllvolumen geschlossen werden beziehungsweise über eine Variation des Ausgangsdrucks in dem zu befüllenden Behälter das Füllvolumen variiert werden.
Wird beispielsweise ein Kopfraumvolumen von 5% des Gesamtvolumens des zu befüllenden Behälters gefordert, kann durch eine Evakuierung des zu befüllenden Behälters auf 0,05 bar und einem anschließenden Befüllen mit dem Füllprodukt bis auf Atmosphärendruck genau dieses Ziel erreicht werden. Der Abschaltdruck ist der Atmosphärendruck, der sich dann im Gleichgewicht in Füllproduktzufuhr und Behälter einstellt. Bei dieser Betrachtung ist allerdings das Volumen der Füllproduktleitung nicht berücksichtigt, welches für eine noch exaktere Bestimmung des Füllvolumens mit einbezogen werden müsste.
Ist das auf diese Weise erreichte Füllvolumen noch nicht das gewünschte Füllvolumen, so kann aufgrund der Kenntnis des Ausgangsdrucks in dem zu befüllenden Behälter bestimmt werden, bis zu welchem Abschaltdruck der Druck im Behälter noch ansteigen muss, um das zusätzlich benötigte Volumen in den Behälter unter Kompression des Restgases einzubringen.
In einem Fall, in welchem das Füllprodukt mit dem Abschaltdruck bereitgestellt wird, um beim Erreichen des Abschaltdruckes ein Druckgleichgewicht zu erreichen, kann es notwendig sein, den Druck des Füllproduktes über die Zeit hinweg zu variieren. Der Druck, mit dem das Füllprodukt auf die Behälter wirkt, hängt nämlich nicht nur von dem Druck ab, unter welchem das Füllprodukt bereitgestellt wird, sondern auch von dem hydrostatischen Druck des Füllprodukts, also der Flüssigkeitssäule, welche über dem Behälter lastet. Diese Flüssigkeitssäule kann jedoch insbesondere dann variieren, wenn die Füllproduktzufuhr über ein Füllproduktreservoir, beispielsweise einen Ringkessel oder einen Zentralkessel, stattfindet.
Der Abschaltdruck wird bevorzugt auf Grundlage des ermittelten Ausgangsdruckes unter Berücksichtigung des gewünschten Füllvolumens, des Volumens des Behälters und des durch die Füllproduktleitung bereitgestellten Volumens bestimmt.
Bevorzugt wird das Füllprodukt zum Befüllen des zu befüllenden Behälters dabei unter einem Absolutdruck von 1 bar bis 9 bar, bevorzugt unter einem Absolutdruck von 2,5 bar bis 6 bar, besonders bevorzugt unter einem Absolutdruck von 2,8 bar bis 3,3 bar bereitgestellt, so dass das Druckgefälle zwischen dem Füllprodukt und dem im zu befüllenden Behälter vorliegenden Ausgangsdruck dazu führt, dass ein schnelles und besonders bevorzugt ein schlagartiges Befüllen des zu befüllenden Behälters erreicht wird.
In einer Ausbildungsform, in welcher der Abschaltdruck dem Druck des zugeführten Füllprodukts entspricht, kann auch bei einer solchen schlagartigen Abfüllung ein besonders exaktes Dosieren erreicht werden. Insbesondere findet der Abfüllvorgang dann in einer ersten Phase sehr schnell, also schlagartig statt, und reduziert sich dann nach und nach bis er unter Ausbildung eines Druckgleichgewichts zwischen dem Druck im Behälter und dem Druck in der Füllproduktzufuhr vollständig zum Erliegen kommt. Entsprechend endet der Befüllvorgang beim Erreichen des Abschaltdruckes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Druckverlauf im Behälter gemessen und bei Erreichen einer vorbestimmten Steigung des Druckverlaufes und/oder eines vorbestimmten Differentials des Druckverlaufs wird die Befüllung beendet und insbesondere das Füllventil geschlossen. Damit kann, wenn der Druck beispielsweise nur noch langsam ansteigt und der Befüllvorgang nicht mehr effizient durchgeführt werden kann, die Befüllung beendet. Die Steigung wird auf Grundlage des Ausgangsdrucks und des gewünschten Füllvolumens bestimmt und entspricht einem vorbestimmten Abschaltdruck.
Die oben beschriebene Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich auch hier aus den Unteransprüchen.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters mit einem Füllprodukt vorgeschlagen, umfassend eine Füllproduktleitung zur druckdichten Verbindung mit dem zu befüllenden Behälter, wobei die Füllproduktleitung über ein Füllventil mit einer Füllproduktzufuhr in Kommunikation bringbar ist, weiterhin umfassend einen Druckmesser zum Bestimmen des Ausgangsdruckes in dem Behälter, sowie eine Steuervorrichtung, welche zum Öffnen des Füllventils nach der Bestimmung des Ausgangsdruckes und zum Schließen des Füllventils beim Erreichen eines vorbestimmten Abschaltdruckes in dem Behälter eingerichtet ist. Die Steuervorrichtung ist ferner so eingerichtet, dass das Füllprodukt mit dem vorbestimmten Abschaltdruck zugeführt wird und der Ausgangsdruck im zu befüllenden Behälter anhand des Abschaltdruckes eingestellt wird
Dadurch, dass die Vorrichtung lediglich einen Druckmesser zum Ermitteln des Ausgangsdruckes in dem zu befüllenden Behälter benötigt, kann der gesamte Anlagenaufbau und insbesondere die Komponenten, welche zum Erreichen einer gewünschten Füllmenge beziehungsweise eines gewünschten Füllvolumens in dem zu befüllenden Behälter dienen, deutlich vereinfacht werden. Der Druckmesser kann dabei entweder an der Füllproduktleitung jedes Füllorganes so angeordnet sein, dass er den Druck in dem zu befüllenden Behälter sowie den Druck während der Befüllung des Behälters ermitteln kann, oder aber mehrere Füllorgane, oder besonders bevorzugt sämtliche Füllorgane, können zusammen mittels eines einzigen Druckmessers bezüglich der Ermittlung des im zu befüllenden Behälter und im befüllt werdenden Behälter vorliegenden Druckes betrieben werden.
Beispielsweise kann die Füllproduktleitung mit einer Vakuumvorrichtung verbindbar sein, welche einen Unterdruck für den zu befüllenden Behälter vor dessen eigentlicher Befüllung bereitstellt. Diese Vakuumvorrichtung kann als zentrale Vorrichtung für sämtliche Füllorgane bereitgestellt werden. Entsprechend kann die Vakuumleitung, welche sämtliche Füllorgane mit dem Unterdruck versorgt, mittels eines einzigen Druckmessers überwacht werden, wobei der dort gemessene Druck dann dem in dem einzelnen Behälter vorgesehenen Druck entsprechend angesehen wird.

Kurze Beschreibung der Figuren

Bevorzugte weitere Ausführungsformen und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: eine Vorrichtung zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters mit dem zu befüllenden Behälter in einem ersten Zustand;
Figur 2: die Vorrichtung aus Figur 1 in einem zweiten Zustand;
Figur 3: die Vorrichtung der vorhergehenden Figuren in einem dritten Zustand; und
Figur 4: ein schematisches Diagramm des Verlaufs des Volumenstromes des Füllprodukts sowie des Drucks im Behälter über den Befüllvorgang hinweg.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen bezeichnet und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird in der nachfolgenden Beschreibung teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In Figur 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters 100 mit einem Füllprodukt gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Füllproduktleitung 2, welche eine Aufnahmeglocke 20 aufweist, in welcher eine Mündung 110 des zu befüllenden Behälters 100 druckdicht aufgenommen werden kann. Entsprechend ist der Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100 druckdicht mit der Füllproduktleitung 2 kommunizierend verbunden.
Eine Vakuumleitung 3 ist vorgesehen, welche über ein Vakuumventil 30 mit der Füllproduktleitung 2 und damit auch mit dem Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100 in Verbindung bringbar ist. Die Vakuumleitung 3 stellt einen Unterdruck im Bereich eines Absolutdrucks von 0,5 bar bis 0,05 bar, bevorzugt 0,3 bis 0,1 bar, besonders bevorzugt von 0,1 bar, bereit, so dass sich im Innenraum 112 des Behälters 100 nach einer gewissen Zeit ein dazu korrespondierender Unterdruck mit einem Absolutdruck von 0,5 bar bis 0,05 bar, bevorzugt 0,3 bis 0,1 bar, besonders bevorzugt von 0,1 bar, einstellt.
Entsprechend kann der zu befüllende Behälter 100 in dem in Figur 1 schematisch gezeigten Zustand, in welchem das Vakuumventil 30 geöffnet ist, auf einen vorbestimmten Unterdruck gebracht werden, welcher beispielsweise über einen nur schematisch angedeuteten Druckmesser 4 als Ausgangsdruck PAU bestimmt wird. Der Druckmesser 4 kommuniziert mit der Füllproduktleitung 2 und entsprechend auch mit dem Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100. Über den Druckmesser 4 kann entsprechend auch nach Verschließen des Vakuumventils 30 der sich im Behälter 112 befindliche Druck ermittelt werden.
Alternativ kann der Druckmesser 4 auch in der Vakuumleitung 3 oder bei der hier nicht gezeigten Vakuumquelle selbst, beispielsweise einer Vakuumpumpe, vorgesehen sein. Der Druckmesser 4 ermöglicht zunächst lediglich, dass der Ausgangsdruck PAU in dem zu befüllenden Behälter 100 ermittelt werden kann. Ist der Druckmesser 4 in der Vakuumleitung 3 oder bei der Vakuumquelle selbst angeordnet, so ist die Annahme zulässig, dass sich der in der Vakuumleitung 3 beziehungsweise der durch die Vakuumquelle bereitgestellte Druck nach einer kurzen Zeit auch im Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100 einstellt. Damit kann auch mit einem in der Vakuumleitung 3 oder an der Vakuumquelle angeordneten Druckmesser 4 der Druck im Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100 zuverlässig ermittelt werden.
In Figur 2 ist die Vorrichtung 1 zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters 100 in einem zweiten Verfahrenszustand gezeigt. Das Vakuumventil 30 ist geschlossen und ein Füllventil 50 ist geöffnet und stellt entsprechend eine Verbindung zwischen einer Füllproduktzufuhr 5 und dem Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100 über die Füllproduktleitung 2 bereit. Entsprechend kann das in der Füllproduktzufuhr 5 vorliegende Füllprodukt in den Behälter 100 eintreten.
Das Füllprodukt in der Füllproduktzufuhr 5 steht besonders bevorzugt unter einem Überdruck gegenüber dem im zu befüllenden Behälter 100 vorliegenden Ausgangsdruck PAU, beispielsweise unter einem Absolutdruck von 1 bis 9 bar.
Dabei kann das Füllprodukt unter einem Überdruck, der dem Atmosphärendruck entspricht, bereitgestellt werden, beispielsweise unter einem Absolutdruck von 1 bar. Der Überdruck ist entsprechend gegenüber dem sich im zu befüllenden Behälter 100 ausgebildeten befindlichen Unterdruck als Überdruck anzusehen, so dass ein Druckgradient zwischen dem bereitgestellten Füllprodukt und dem Behälter 100 vorliegt.
Der Überdruck des Füllprodukts kann auch dem Sättigungsdruck des Füllprodukts entsprechen und bevorzugt bei einem Absolutdruck von 1,1 bar bis 6 bar liegen. Durch das Vorliegen des Überdrucks beim jeweiligen Sättigungsdruck kann einem Entbinden des CO₂ bei einem karbonisierten Füllprodukt entgegengewirkt werden.
In einer Weiterbildung liegt der Überdruck des Füllprodukts über dem Sättigungsdruck des Füllprodukts und liegt bevorzugt unter einem Absolutdruck von 1,6 bar bis 9 bar vor. Durch einen hohen Überdruck, der insbesondere über dem Sättigungsdruck des Füllprodukts liegt, kann erreicht werden, dass das CO₂ im Füllprodukt in Sättigung vorliegt und gleichzeitig der Druckgradient zwischen dem bereitgestellten Füllprodukt und dem zu befüllenden Behälter 100 größer ist, um den Füllvorgang noch weiter zu beschleunigen.
Dadurch, dass in dem Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100 ein Unterdruck bereitgestellt wird und das Füllprodukt in der Füllproduktzufuhr 5 unter einem Überdruck bereitgestellt wird, wird eine schlagartige Befüllung des zu befüllenden Behälters 100 ermöglicht. Das Füllventil 50 wird geschlossen, sobald in dem zu befüllenden Behälter 100 der vorbestimmte Abschaltdruck PAB und damit das gewünschte Volumen an Füllprodukt vorliegt.
Um zu bestimmen, wann die Befüllung beendet ist, ermittelt eine hier nicht gezeigte Steuerung auf Grundlage des vor dem Öffnen des Füllventils 50 ermittelten Ausgangsdruckes PAU in dem zu befüllenden Behälter 100 den Anteil an Füllprodukt, welcher in den zu befüllenden Behälter 100 eingebracht werden kann, bis sich ein Druckgleichgewicht einstellt oder ein vorbestimmter Abschaltdruck PAB erreicht wird.
Mit anderen Worten ist der Druckverlauf in dem zu befüllenden Behälter 100 während der Befüllung abhängig von dem sich in dem zu befüllenden Behälter 100 zu Beginn des Befüllvorgangs befindlichen Ausgangsdruck PAU und damit auch von dem im Behälter 100 befindlichen Restgas. Durch das Füllprodukt wird der Behälter 100 so gefüllt, dass das Füllprodukt sich mit dem Restgas den verbleibenden Raum teilt. Entsprechend steigt der Druck im Behälter 100 an. Durch die entstehende Druckkurve kann daher auch der jeweilige Befüllzustand des Behälters 100 bestimmt werden und beispielsweise auch das zu erreichende Füllende ausgehend von dem Ausgangsdruck PAU des nicht befüllten Behälters 100 auf dieser Grundlage bestimmt werden.
Beispielsweise ist bei einer Evakuierung eines zu befüllenden Behälters 100, welcher ein nominales Volumen von einem halben Liter aufweist, bei einem angenommenen Kopfraum der Flasche von 20 ml und einem angenommenen Bauraum der Füllproduktleitung 2 unterhalb der Ventile 30, 50, 60 von 5 ml ein Gesamtvolumen von 525 ml vorliegend, welches zunächst durch Öffnen des Vakuumventils 30 evakuiert wird.
Wird dann das Vakuumventil 30 geschlossen und das Füllventil 50 geöffnet, so wie in Figur 2 gezeigt, wird das Gesamtvolumen von 525 ml mit Füllprodukt aus der Füllproduktzufuhr 5 beaufschlagt. Da in dem zu befüllenden Behälter 100 gegenüber dem in der Füllproduktzufuhr 5 anstehenden Füllprodukt in dem beschriebenen Beispiel ein Unterdruck vorliegt, schießt das Füllprodukt in den zu befüllenden Behälter 100 hinein. Handelt es sich bei dem Füllprodukt um ein karbonisiertes Füllprodukt, so ist aufgrund der Druckdifferenz eine hohe Aufschäumneigung zu erwarten. Damit liegt in dem Gesamtvolumen aus dem Bauraum in der Füllproduktleitung 2, Kopfraum K und Behälterinnenraum 112 ein Füllproduktschaum vor.
Wird dieses Gesamtvolumen beispielsweise auf einen Absolutdruck von 0,1 bar evakuiert, so verbleibt noch Restgas mit einem Volumen von 52,5 ml, welches sich in dem zu befüllenden Behälter 100 vor der Befüllung befand. Je nach Vorbehandlung des zu befüllenden Behälters 100 ist das Restgas CO₂, ein anderes Inertgas, Luft oder ein anderes Gasgemisch.
Entsprechend kann dem Behälter 100 Füllprodukt, welches über die Füllproduktzufuhr 5 zugeführt wird, zunächst bis zum Normaldruck, also dem Atmosphärendruck, zugeführt werden, was in einer Füllmenge von 472,5 ml resultiert.
Um nun das Nennfüllvolumen von beispielsweise 510 ml zu erreichen, muss das Füllprodukt weiter über die Füllproduktzufuhr 5 in den zu befüllenden Behälter einströmen und dabei das restliche Gas, welches bei Atmosphärendruck ein Volumen von 52,5 ml verdrängt, so komprimieren, dass die fehlende Füllmenge von 37,5 ml zum Erreichen des gewünschten Nennfüllvolumens von 510 ml noch hereingedrückt werden kann.
Hieraus ergibt sich, dass das Füllprodukt über die Füllproduktzufuhr 5 mindestens unter einem Absolutdruck von 1,4 bar eingefüllt werden muss, um die entsprechende Kompression des Restgases zu ermöglichen. Liegt das Füllprodukt in der Füllproduktzufuhr 5 bei diesem genannten Druck vor, so kommt es zu einem Angleichen der Drücke in der Füllproduktzufuhr 5, der Füllproduktleitung 2 und dem Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100 derart, dass 1,4 bar Absolutdruck vorliegen und in dem zu befüllenden Behälter 100 eine gesamte Füllmenge von 510 ml vorliegt.
Entsprechend kann die Vorrichtung 1 zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters 100 mit einem Füllprodukt über die Ermittlung des Druckes des zu befüllenden Behälters 100 vor dem Befüllen des zu befüllenden Behälters 100 mit dem Füllprodukt erreichen, dass die Befüllung beim Erreichen eines vorbestimmten Abschaltdrucks PAB im Behälter 100 beendet wird. In dem oben genannten Ausführungsbeispiel wird der vorbestimmte Abschaltdruck PAB dadurch im Behälter 100 erreicht, dass das Füllprodukt in der Füllproduktzufuhr 5 bereits mit dem Abschaltdruck PAB bereitgestellt wird. Entsprechend findet eine Befüllung des zu befüllenden Behälters 100 mit dem Füllprodukt nur so lange statt, bis sich ein Gleichgewicht des in dem Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100 vorliegenden Drucks und des in der Füllproduktleitung 5 vorliegenden Drucks einstellt.
Die Ermittlung beziehungsweise Bereitstellung des Füllproduktdrucks bestimmt damit in Kombination mit dem Abschaltdruck PAB das in den zu befüllenden Behälter einzubringende Füllvolumen bereits vor Beginn der Befüllung.
Um eine exakte Befüllung des zu befüllenden Behälters 100 mit dem Füllprodukt zu ermöglichen, kann es in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel notwendig sein, eine Gassperre in der Füllproduktleitung 2 oder der Füllproduktzufuhr 5 einzubringen, um zu verhindern, dass beim Angleichen der Drücke in dem dann beinahe vollständig befüllten Behälter 100 und der Füllproduktzufuhr 5 ein Rückströmen des Restgases aus dem Behälter 100 in die Füllproduktzufuhr 5 stattfindet. Würde ein solches Rückströmen von Restgas in die Füllproduktzufuhr 5 gestattet werden, so würde der Behälter 100 mit dem Füllprodukt überfüllt werden. Das Rückströmen von Restgas aus dem Behälter 100 muss daher zur Erreichung von noch exakteren Füllergebnissen unterbunden werden.
Bei der Gleichgewichtsmethode, bei welcher sich zum Füllende hin ein Gleichgewicht zwischen dem im Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100 vorliegenden Druck und dem in der Füllproduktzufuhr 5 vorliegenden Druck einstellt, ist der anfängliche Befüllvorgang zügig, zum Ende, vor dem Einstellen des eigentlichen Gleichgewichtes, verlangsamt sich jedoch die Befüllung und kommt dann schließlich unter Ausbildung des Druckgleichgewichts zum Erliegen.
In einer Variante wird der Abschaltdruck PAB, so wie oben beschrieben, wiederum aus dem ermittelten Ausgangsdruck PAU des zu befüllenden Behälters 100 bestimmt, beispielsweise wiederum zu einem Abschaltdruck PAB von 1,4 bar Absolutdruck ausgehend von einem Ausgangsdruck PAU von 0,1 bar Absolutdruck. Das Füllprodukt in der Füllproduktzufuhr 5 steht in dieser Variante aber unter einem wesentlich höheren Druck, bevorzugt unter einem Absolutdruck von 1,5 bar bis 9 bar.
Über den Druckmesser 4 kann dann beim Einströmen des Füllproduktes über die Füllproduktzufuhr 5 in den zu befüllenden Behälter der Druckverlauf in dem Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100 nachverfolgt werden und beim Erreichen des vorbestimmten Abschaltdruckes PAB, im beschriebenen Beispiel 1,4 bar, das Füllventil 50 geschlossen werden. Damit wird das Füllventil 50 geschlossen während in der Füllproduktzufuhr 5 noch ein gegenüber dem Druck im dann befüllten Behälter 100 erhöhter Druck vorliegt. Durch das Bereitstellen des Füllprodukts unter einem über dem vorbestimmten Abschaltdruck PAB liegenden Druck in der Füllproduktzufuhr 5 kann ein schnelles beziehungsweise schlagartiges Befüllen des Behälters 100 erreicht werden und der Befüllvorgang kann schnell beendet werden.
Entsprechend steht das Füllprodukt bis zum Schließen des Füllventils 50 unter einem Überdruck gegenüber dem Druck in dem zu befüllenden Behälter 100, so dass ein schnelles Einströmen des Füllprodukts möglich ist. Weiterhin kann durch die Druckdifferenz und den damit einhergehenden und in den Behälter 100 hinein gerichteten Füllproduktstrom ein Rückströmen von Restgas aus dem Behälter 100 in die Füllproduktzufuhr 5 vermieden werden. Damit kann die Befüllung des Behälters 100 unter den der Bestimmung des Abschaltdrucks PAB zugrunde gelegten Druckverhältnissen durchgeführt werden, so dass das vorbestimmte Füllvolumen exakt erreicht werden kann. Entsprechend kann auch auf die oben angeführte Gassperre verzichtet werden, da Restgas aufgrund stets vorliegenden Druckunterschieds und des ausschließlich in den Behälter 100 gerichteten Füllproduktstroms nicht zurück strömen kann.
In Figur 3 ist ein weiterer Schritt des Verfahrens gezeigt, in welchem die Vorrichtung 1 zum Befüllen des zu befüllenden Behälters 100 mit dem Füllprodukt über eine Spanngasvorrichtung 6, welche ein Spanngasventil 60 aufweist, auf die Füllproduktleitung 2 aufgeschaltet wird, um das restliche Füllprodukt aus der Füllproduktleitung 2 herauszudrücken und das aufgeschäumte Füllprodukt in den Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100 hereinzudrücken. Auf diese Weise kann die Füllproduktleitung 2 im Wesentlichen von noch in Schaumform vorliegendem Füllprodukt geleert werden. Weiterhin kann das Füllprodukt derart in den Innenraum 112 des zu befüllenden Behälters 100 eingebracht werden, dass auch der Kopfraum K im Wesentlichen von Füllproduktschaum frei bleibt.
Die Zusammenhänge beim Befüllvorgang sind noch einmal in Figur 4 schematisch dargestellt, wobei auf der X-Achse die Zeit "t" dargestellt ist und auf der Y-Achse der Volumenstrom V̇. Die mit "V̇" bezeichnete Kurve stellt dabei den Volumenstrom des Füllprodukts in den Behälter 100 über die Zeit dar.
In dem Diagramm der Figur 4 ist eine zweite, mit "P" bezeichnete Kurve gezeigt, welche den Druck P in der Füllproduktleitung 2 und damit auch den Druck im Innenraum 112 des Behälters über die Zeit darstellt. Die Druckkurve P und die Kurve des Volumenstroms V̇ sind miteinander korreliert, so dass der zu einem Zeitpunkt dargestellte Volumenstrom V̇ in den Behälter 100 dem zu diesem Zeitpunkt dargestellten Druck P im Behälter 100 entspricht.
Der Volumenstrom V ist in einem ersten anfänglichen Bereich, welcher in der Figur 4 mit "Unterdruck" bezeichnet ist, sehr hoch. Wenn das unter Überdruck stehende Füllprodukt in den relativ dazu unter Unterdruck stehenden zu befüllenden Behälter 100 eingebracht wird, findet eine im Wesentlichen schlagartige Befüllung insbesondere in dem Druckbereich statt, in welchem sich noch ein Unterdruck in dem zu befüllenden Behälter befindet. Entsprechend ist der Volumenstrom, der sich aus dieser Druckdifferenz ergibt, sehr hoch.
Gleichzeitigt kann auf diese Weise auch das Füllproduktvolumen, welches beim Erreichen des Atmosphärendruckes, also 1 bar Absolutdruck, in den Behälter bereits eingebracht wurde, einfach berechnet werden. Da der Ausgangsdruck PAU in dem zu befüllenden Behälter vor dem Öffnen des Produktventils ermittelt wurde, kann entsprechend aus der Differenz zu dem in dem Behälter verbleibenden Gasvolumen das Flüssigkeitsvolumen ermittelt werden, welches in den Behälter bis zum Erreichen des Atmosphärendruckes eingebracht wird.
Ausgehend von dem Schnittpunkt des Volumenstroms V mit der Achse des Normaldrucks (1 bar) findet dann eine weitere Befüllung des Behälters 100 in dem mit "Überdruck" bezeichneten Bereich der Figur 4 statt, welche dann in einem Druck P im Behälter 100 resultiert, der über dem Normaldruck (1 bar) liegt. Die Füllproduktzufuhr 5 steht, wie bereits erwähnt, bevorzugt unter einem Überdruck beziehungsweise stellt das Füllprodukt unter einem Überdruck gegenüber dem im Behälter 100 vorliegenden Druck bereit. Dieser an der Aufnahmeglocke 20 der Füllproduktleitung anliegende Überdruck setzt sich aus dem eigentlichen Druck des Füllproduktes in der Füllproduktzufuhr 5 und dem hydrostatischen Druck zusammen, welcher durch die Geometrie der jeweiligen Vorrichtung 1 zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters 100 vorgegeben ist.
Das gesamte in den zu befüllenden Behälter 100 einzufüllende Füllproduktvolumen entspricht der unter der Kurve des Volumenstroms V̇ aufgenommenen Fläche, also dem Integral des Volumenstroms V̇ über die zwischen Füllbeginn und Füllende liegende Zeit. Das gesamte Füllvolumen teilt sich auf in ein erstes, mit I bezeichnetes Füllvolumen, bei welchem in dem zu befüllenden Behälter 100 ein Druck bis zum Normaldruck vorliegt, und in ein zweites, mit II bezeichnetes Füllvolumen, bei welchem im Behälter 100 der Druck über den Normaldruck ansteigt.
Der Überdruck des Füllproduktes komprimiert entsprechend, ausgehend von dem Normaldruck, das in dem Behälter 100 verbleibende Restgas, bis die gewünschte Füllproduktmenge in dem Behälter 100 eingebracht ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der Abschaltdruck PAB und damit das Füllende erreicht und das Füllventil 50 schließt.
Das Ende des Befüllvorgangs kann entsprechend bevorzugt auf zwei Arten erreicht werden:
Entweder wird das Füllprodukt, welches über die Füllproduktleitung bereitgestellt wird, bereits mit dem Abschaltdruck PAB bereitgestellt, dann findet ein Befüllen solange statt, bis sich ein Gleichgewicht der Drücke im Behälter 100 und der Füllproduktzufuhr 5 einstellt. Das tatsächlich in den Behälter eingegebene Füllvolumen reagiert dabei empfindlich auf den Ausgangsdruck PAU des zu befüllenden Behälters 100. Bei Erreichen des Druckgleichgewichts kann das Füllventil 50 dann auch geschlossen werden. Dieses Schließen des Füllventils 50 ist aber nicht zeitkritisch sondern kann zu einem beliebigen Zeitpunkt nach dem Erreichen des Druckgleichgewichts durchgeführt werden, da sich das Füllvolumen in dem Behälter 100 aufgrund des erreichten Druckgleichgewichts nicht mehr ändert.
Oder der Druck des Füllproduktes in der Füllproduktzufuhr ist höher als der vorbestimmte Abschaltdruck PAB, dann wird entsprechend über den Druckmesser 4 nicht nur der Ausgangsdruck PAU bestimmt, sondern es wird auch während der Befüllung der Druckverlauf in dem zu befüllenden Behälter 100 ermittelt und beim Erreichen des vorgegebenen Abschaltdrucks PAB wird das Füllventil 50 geschlossen. Der Druck im Behälter 100 wird dabei über den Druckmesser 4 so nachverfolgt, dass der Abschaltdruck PAB zuverlässig bestimmt werden kann und damit eine exakte Befüllung erfolgen kann.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann, ausgehend vom Ausgangsdruck PAU, der Druckverlauf im Behälter 100 während der Befüllung analysiert werden und beispielsweise beim Unterschreiten einer vorbestimmten Steigung beziehungsweise eines vorbestimmten Differentials dP/dt des Druckes P das Füllventil 50 geschlossen werden.
Besonders bevorzugt wird der Ausgangsdruck PAU im Behälter 100 und der sich daraus ergebende Abschaltdruck PAB beziehungsweise die sich daraus ergebende Abschaltsteigung oder das Abschaltdifferential für jeden Befüllvorgang und für jedes Füllorgan erneut bestimmt. Bei einer zentralen Anordnung des Druckmessers 4 an einer Vakuumvorrichtung kann der Ausgangsdruck PAU auch für alle Füllorgane oder Gruppen von Füllorganen eines Füllerkarussells gemeinsam bestimmt werden oder es kann von einem gleichen Ausgangsdruck PAU für alle Befüllvorgänge ausgegangen werden.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den einzelnen Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters
100: zu befüllender Behälter
110: Mündung
112: Innenraum des Behälters
2: Füllproduktleitung
20: Aufnahmeglocke
3: Vakuumleitung
30: Vakuumventil
4: Druckmesser
5: Füllproduktzufuhr
50: Füllventil
6: Spanngasvorrichtung
60: Spanngasventil
K: Kopfraum

PAU: Ausgangsdruck
PAB: Abschaltdruck

Claims

Verfahren zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters (100) mit einem Füllprodukt, das ein Getränk ist, in einer Getränkeabfüllanlage, mit den Schritten:
• druckdichtes Verbinden des zu befüllenden Behälters mit einer Füllproduktleitung (2);

• Ermitteln des Ausgangsdruckes (PAU) in dem zu befüllenden Behälter (100);

• Befüllen des zu befüllenden Behälters (100) mit dem Füllprodukt; und

• Beenden der Befüllung des zu befüllenden Behälters (100) beim Erreichen eines vorbestimmten Abschaltdruckes (PAB) im Behälter (100), wobei
der Behälter (100) vor dem Befüllen mit dem Füllprodukt evakuiert wird, und das Füllprodukt mit dem vorbestimmten Abschaltdruck (PAB) zugeführt wird und der Ausgangsdruck (PAU) im zu befüllenden Behälter (100) anhand des Abschaltdruckes (PAB) eingestellt wird, so dass bei variierendem Abschaltdruck (PAB) des Füllprodukts durch variierendes Evakuieren des Behälters (100) ein gewünschtes Füllproduktvolumen erreicht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (100) vor dem Befüllen mit dem Füllprodukt auf einen Absolutdruck von 0,5 bis 0,05 bar, bevorzugt 0,3 bis 0,1 bar, besonders bevorzugt von 0,1 bar, evakuiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllprodukt zum Befüllen des zu befüllenden Behälters (100) unter einem Absolutdruck von 1 bar bis 9 bar, bevorzugt unter einem Absolutdruck von 2,5 bar bis 6 bar, besonders bevorzugt unter einem Absolutdruck von 2,8 bar bis 3,3 bar, vorliegt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschaltdruck (PAB) auf Grundlage des ermittelten Ausgangsdruckes (PAU) unter Berücksichtigung des gewünschten Füllvolumens, des Volumens des Innenraums (112) des Behälters (100) und des durch die Füllproduktleitung (2) bereitgestellten Volumens bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllprodukt mit dem vorbestimmten Abschaltdruck (PAB) zugeführt wird, bevorzugt unter Berücksichtigung des Überdruckes des Füllprodukts in einer Füllproduktzufuhr (5) und des hydrostatischen Druckes des Füllprodukts.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf im Behälter (100) gemessen wird und bei Erreichen des vorbestimmten Abschaltdruckes (PAB) die Befüllung beendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf im Behälter (100) gemessen wird und bei Erreichen einer vorbestimmten Steigung und/oder eines vorbestimmten Differentials (dp/dt) des Drucks die Befüllung beendet wird und bevorzugt das Füllventil (50) geschlossen wird.
Vorrichtung (1) zum Befüllen eines zu befüllenden Behälters (100) mit einem Füllprodukt, das ein Getränk ist, umfassend
eine Füllproduktleitung (2) zur druckdichten Verbindung mit dem zu befüllenden Behälter (100), wobei die Füllproduktleitung (2) über ein Füllventil (50) mit einer Füllproduktzufuhr (5) in Kommunikation bringbar ist,

einen Druckmesser (4) zum Bestimmen des Ausgangsdruckes (PAU) in dem Behälter (100),

sowie eine Steuervorrichtung, welche zum Öffnen des Füllventils (50) nach der Bestimmung des Ausgangsdruckes (PAU) und zum Schließen des Füllventils (50) beim Erreichen eines vorbestimmten Abschaltdruckes (PAB) in dem Behälter (100) eingerichtet ist, wobei

die Steuervorrichtung ferner so eingerichtet ist, dass der Behälter (100) vor dem Befüllen mit dem Füllprodukt evakuiert wird, und das Füllprodukt mit dem vorbestimmten Abschaltdruck (PAB) zugeführt wird und der Ausgangsdruck (PAU) im zu befüllenden Behälter (100) anhand des Abschaltdruckes (PAB) eingestellt wird, so dass bei variierendem Abschaltdruck (PAB) des Füllprodukts durch variierendes Evakuieren des Behälters (100) ein gewünschtes Füllproduktvolumen erreicht wird.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Füllproduktleitungen (2) vorgesehen sind und jede Füllproduktleitung (2) einen Druckmesser (4) aufweist.