EP4695540A1

EP4695540A1 - Vorrichtung zum eindosieren eines kryogenen mediums

Info

Publication number: EP4695540A1
Application number: EP24719483.0A
Authority: EP
Inventors: Denis Beil; Frank Gockel; Emir Tebib
Original assignee: Messer SE and Co KGaA; Messer France SAS
Current assignee: Messer SE and Co KGaA; Messer France SAS
Priority date: 2023-04-14
Filing date: 2024-04-04
Publication date: 2026-02-18
Also published as: WO2024213462A1; DE102023109505A1

Abstract

Zur Kühlung von Produkten ist es bekannt, ein kryogenes Medium, beispielsweise Flüssigstickstoff, Flüssigsauerstoff oder flüssiges Kohlendioxid, in ein das Produkt enthaltendes Behältnis einzudosieren. Die Einspeisung des kryogenen Mediums erfolgt dabei mittels einer Vorrichtung, die ein in der Wandung des Behältnisses montiertes und an einer Zuführleitung für das kryogene Medium angeschlossenes Ventil aufweist. Das Ventil ist mit einem sich in einem Ventilgehäuse aufgenommenen Absperrglied ausgerüstet, das in axialer Richtung gegen die Wirkung einer rückstellenden Feder aus einem Schließzustand in einen Öffnungszustand gebracht werden kann, in der an einer Düsenöffnung das kryogene Medium in das Behältnis einströmen kann. Erfindungsgemäß ist dabei das Absperrglied zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material gefertigt und wirkt zum Bewegen in seine Öffnungsposition mit einem außenseitig am Ventilgehäuse angeordneten Elektromagneten zusammen.

Description

Vorrichtung zum Eindosieren eines kryogenen Mediums

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Eindosieren eines kryogenen Mediums in ein Behältnis, mit einem Ventil, das ein in der Wand des Behältnisses befestigbares Ventilgehäuse aufweist, welches mit einem Anschluss zum Anschließen einer Zuführleitung für das kryogene Medium sowie mit einer in einem Wandabschnitt des Ventilgehäuses angeordneten Düsenöffnung zum Einleiten des kryogenen Mediums in das Behältnis ausgerüstet und in dem ein Absperrglied derart axial beweglich aufgenommen ist, dass es aus einem Schließzustand, bei dem das Absperrglied mit einem Schließabschnitt die Düsenöffnung verschließt, in einen Öffnungszustand bringbar ist, in dem der Schließabschnitt beanstandet von der Düsenöffnung angeordnet ist und diese somit freigibt, und bei dem die axiale Bewegung des Absperrglieds aus seinem Schließzustand in den Öffnungszustand gegen die Wirkung eines rücktreibenden Federelements erfolgt.

In vielen industriellen Anwendungen werden kryogene Medien, insbesondere tiefkalte Flüssigkeiten oder Gase zum Kühlen oder Frosten von flüssigen, pastösen oder festen Produkten eingesetzt. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei entweder indirekt, also ohne stofflichen Kontakt zwischen dem zu kühlenden Produkt und dem kryogenen Medium über Wärmetauscherflächen, oder durch eine direkte Kontaktierung des Produkts mit dem kryogenen Medium, bei der üblicherweise das zu kühlende Produkt durch eine Leitung geführt oder in einem Behälter gesammelt und das kryogene Medium über geeignete Düsen, Ventile oder sonstige Dosierorgane in die Leitung oder in den Behälter eingebracht wird. Im Folgenden werden die Begriffe „Leitung“ und „Behälter“ unter dem Begriff „Behältnis“ subsumiert.

Befindet sich das zu kühlende Produkt in einem Behälter, beispielsweise in einem Mischer, so stehen verschiedene Möglichkeiten zum Einspeisen des kryogenen Mediums zur Verfügung: Bei der Einbringung im Kopfraum des Behälters haben die Eintrittstellen für das kryogene Medium keinen oder nur einen geringen Kontakt mit dem zu kühlenden Produkt. Da zwischen dem Produkt und den Eintrittsstellen ein gewisser Abstand besteht, ist die Gefahr der Vereisung der Eintrittstellen gering. Es können daher einfach aufgebaute Ventile oder Düsen, verwendet werden - beispielsweise Sprühdüsen oder Kapillardüsen, die gegenüber dem Behälterinnern stets geöffnet sind. Nachteilig bei diesen Systemen ist jedoch, dass immer nur ein Teil des kryogenen Mediums mit dem Produkt in Kontakt kommt und diesem Wärme entziehen kann, während der übrige, oft größere Teil ungenutzt in die Atmosphäre entweicht oder über eine Ableitung weggeführt wird. Ein weiterer Nachteil von gegenüber dem Behälterinneren stets geöffneten Düsen ist, dass dort Reinigungsmittel oder Wasser eindringen können. Neben der Möglichkeit der Bildung von bakteriellen Nestern besteht so die Gefahr, dass bei Einleitung eines kryogenen Mediums die eingedrungene Flüssigkeit auskristallisiert und das Dosierorgan verstopft.

Um die Wärmeenergie besser auf das kryogene Medium übertragen zu können, wird alternativ das kryogene Medium unmittelbar in das Produkt eingebracht. Dazu befinden sich die Eintrittstellen für das kryogene Medium nicht im Kopfraum, sondern in einem unteren Teil des Behälters, also in jenem Bereich, der während der Behandlung mit dem zu kühlenden Produkt gefüllt ist. Bei dieser, im Fachjargon auch als „Bottom-Injection“ bezeichneten Vorgehensweise ist jedoch darauf zu achten, dass das Ventil stets verschließbar ist, um zu verhindern, dass die Eintrittstellen während der Behandlung durch gefrierendes Produkt vereisen und somit blockiert oder in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt werden. Weiterhin muss verhindert werden, dass Produkt in das Innere der Düse eindringt und sich dort dauerhaft anlagert, wodurch die Gefahr einer Kontamination gegeben wäre. Die hier angesprochene Problematik gilt sinngemäß auch bei der Injektion eines Kühlmittels in eine von einem flüssigen, oder allgemein fließfähigen, Produkt durchströmten Leitung.

Ein für den Einsatz im Rahmen der „bottom injection“ geeignetes Ventil zum Einträgen eines kryogenen Mediums wird in der DE 101 52 764 A1 beschrieben. Das Ventil umfasst ein Ventilgehäuse, das in der Wand eines Behältnisses, beispielsweise eines Mischers, integriert ist. Im Ventilgehäuse ist eine Ventilöffnung mit geringem Öffnungsquerschnitt angeordnet, die mittels einer Ventilnadel derart verschließbar ist, dass bei geschlossenem Ventil die Vorderfläche der Ventilnadel mit dem Ventilgehäuse bzw. der Innenoberfläche des Behälters im Wesentlichen bündig abschließt. Nachteilig ist diese Anordnung insofern, als bei plötzlichem Druckabfall in der Kühlmittelzuleitung Produkt aus dem Behälter in das Innere des Ventils eindringen kann.

In der WO 2008/007000 A2 wird eine andere Einrichtung zum Eindosieren eines kryogenen Mediums beschrieben. Diese Einrichtung umfasst ein Ventil mit einem kolbenförmigen Absperrglied, der in einem rohrförmigen Führungskanal gegen den Widerstand einer Feder axial beweglich aufgenommen und stirnseitig mit einem Schließteller ausgerüstet ist. Seitlich zu diesem Führungskanal sind mehrere Durchführungen zum Einbringen eines kryogenen Mediums vorgesehen, die mit einer Zuführleitung für das kryogene Medium strömungsverbunden sind. Die Mündungsöffnungen der Durchführungen sind derart angeordnet, dass sie mit dem Schließteller des Absperrglieds unter der Wirkung der Feder geschlossen werden können. Überschreitet der Druck in der Kühlmittelzuleitung, und damit in den Durchführungen, einen gewissen, durch die Federkraft bestimmten Grenzwert, öffnet sich das Ventil. Bei Nachlassen des Druckes in der Kühlmittelzuleitung bewegen sich Kolben und Schließteller unter der Wirkung der Feder automatisch in den Schließzustand.

Aus der EP 1 867 902 A2 und der EP 2 309 160 A1 sind gleichfalls Vorrichtungen zum Eindosieren eines kryogenen Mediums in einen Behandlungsraum bekannt, bei dem ein mit einem Schließteller ausgerüstetes Absperrglied in einem Führungskanal axial begrenzt beweglich gegen die Wirkung einer Feder angeordnet ist. Der Führungskanal des Absperrglieds dient dabei zugleich als Strömungskanal für das kryogene Medium, wodurch der Aufbau des Ventils vereinfacht und die Gefahr eines Einfrierens vermindert wird.

Problematisch bei den vorgenannten Gegenständen, bei denen das Ventil aufgrund des Überdrucks des einzudosierenden Kühlmittels gegen die Wirkung einer Feder bewegt wird ist jedoch, dass bei nur geringen Druckunterschieden die Funktionsfähigkeit des Ventils nicht ohne weiteres gegeben ist. Der Druck des einzudosierenden kryogenen Mediums muss daher stets einen gewissen Wert überschreiten, was zu einem zusätzlichen apparativen Aufwand führt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Vorrichtung zum Eindosieren eines kryogenen Mediums zu schaffen, die einfach in Aufbau und mit hoher Zuverlässigkeit auch für die Injektion des kryogenen Kühlmediums in einen unteren Bereich eines mit zu kühlendem Produkt befüllten oder von diesem durchströmten Behältnisses geeignet und auch bei geringen Druckunterschieden zwischen dem einzudosierenden kryogenen Medium und dem Umgebungsdruck störungsfrei einsetzbar ist.

Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung ist erfindungsgemäß also dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrglied zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material besteht und zum Bewegen in seine Öffnungsposition mit einem außenseitig am Ventilgehäuse angeordneten Elektromagneten zusammenwirkt.

Erfindungsgemäß wird also die axiale Bewegung des Absperrglieds in seinen Öffnungszustand entgegen der Kraftwirkung des Federelements durch die Betätigung eines Elektromagneten bewirkt, der außenseitig am Ventilgehäuse, also ohne direkten Kontakt mit dem kryogenen Medium, angeordnet ist. Dazu ist das Absperrglied insgesamt, oder zumindest ein Teil davon, aus einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise ferromagnetischer, kälteresistenter Stahl, aufgebaut. Nach Verbringen des Absperrglieds in seine Öffnungsposition wird die Düsenöffnung freigegeben und das über die Zuführung herangeführte kryogene Medium kann in das Behältnis einströmen. Nach Abschalten des Magnetfeldes bewegt sich das Absperrglied unter der Wirkung des rücktreibenden Federelements selbsttätig in seine Schließposition. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verhindert selbst im Falle von Druckschwankungen in der Zuführleitung für das kryogene Medium zuverlässig das Eindringen von Produkt in das Ventilinnere und sorgt auch bei geringen Druckunterschieden zwischen Zuführleitung und Behältnis zuverlässig für eine Zuführung des kryogenen Mediums in das Behältnis. Als „Behältnis“ soll im Rahmen der Erfindung ein mit einem zu kühlenden Produkt gefüllter Behälter oder eine von einem solchen Produkt durchströmte Rohrleitung verstanden werden. Behälter dieser Art finden beispielsweise in der Lebensmittelindustrie oder in der pharmazeutischen Industrie für die chargenweise Herstellung eines Produkts oder Vorprodukts Verwendung; zur Durchführung der eingangs erwähnten „bottom injection“ ist das Ventil dabei bevorzugt in einem Bereich des Behälters angeordnet, der beim bestimmungsgemäßen Einsatz von einem im Behälter aufgenommenen Produkt benetzt wird, sodass das Kühlmedium direkt in das Produkt eingetragen und somit innig mit diesem durchmischt wird. Als Rohrleitung kann das Behältnis auch eine Druckleitung sein, durch die eine zu behandelnde Flüssigkeit strömt.

Beispielsweise kommt die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einleiten von Kohlendioxid oder Flüssigstickstoff zum Einsatz, beispielsweise in der Umwelttechnik zur Behandlung von Abwasser oder zum Auffrischen oder Entkeimen flüssiger Nahrungsmittel wie Wein, Säfte oder Milch.

Es ist im Rahmen der Erfindung im Übrigen nicht erforderlich, wenngleich nicht ausgeschlossen, dass beim Betätigen des Ventils zugleich auch die Zuführung von kryogenem Medium zum Ventilgehäuse gesperrt oder geöffnet wird. Bevorzugt ist das Ventilgehäuse auch im Schließzustand des Ventils mit kryogenem Medium gefüllt, das unter einem gewissen Überdruck gegenüber dem Druck im Behältnis steht. Beispielsweise beträgt der Differenzdruck gegenüber dem Druck im Behältnis bei Flüssigstickstoff oder Flüssigsauerstoff zwischen 0,1 bar und 6 bar, bevorzugt zwischen 1 ,5 und 4 bar, bei Kohlendioxid entspricht der Druck in der Zuführleitung für das kryogene Medium mindestens dem Druck des Tripelpunkts (5,18 bar), bevorzugt 8 bis 20 bar, um das Kohlendioxid im flüssigen Zustand zu halten. Das Behältnis selbst wird dabei häufig drucklos betrieben, d.h. im Innern herrscht Umgebungsdruck, kann jedoch auch bei einem Druck betrieben werden, der nur wenig, beispielsweise zwischen 0,01 und 0,1 bar, geringer ist als der Druck des kryogenen Mediums im Ventilgehäuse selbst. Bevorzugt ist das Absperrglied so im Ventilgehäuse eingebaut, dass der Schließabschnitt des Absperrglieds im Schließzustand des Ventils durch einen im Innern des Ventilgehäuses wirkenden Druck des kryogenen Mediums gegen den die Düsenöffnung aufweisenden Wandabschnitt des Ventilgehäuses gepresst und zum Öffnen des Ventils gegen diesen Druck in das Innere des Ventilgehäuses bewegt wird. Zu Überwindung des im Innern des Ventilgehäuses herrschenden Drucks des kryogenen Mediums, der das Ventil zusätzlich zur Kraft des Federmittels in seinem Schließzustand hält, ist der Elektromagnet daher bevorzugt überspannungsfähig ausgebildet, d.h. er kann, ohne Schaden zu nehmen, kurzzeitig mit einem kurzen starken Strompuls betrieben werden, der die zum Öffnen des Absperrglieds entgegen dem Überdruck des kryogenen Mediums erforderliche magnetische Kraftwirkung entfaltet. Ist das Ventil erst geöffnet, genügt ein geringerer elektrischer Strom, der ausreicht, um eine die Federkraft kompensierende magnetische Kraftwirkung zu erzeugen und das Ventil in Offenstellung zu halten. Die Stärke dieser beiden elektrischen Ströme hängt von der jeweiligen Situation, insbesondere vom Druck des zugeführten kryogenen Mediums und von der Rückstellkraft des Federmittels ab.

Die Düsenöffnung bildet bevorzugt die direkte Strömungsverbindung zwischen dem Innern des Ventilgehäuses und dem Innern des Behältnisses; der die Düsenöffnung aufweisende Wandabschnitt des Ventilgehäuses bildet also zugleich einen Wandabschnitt des Behältnisses. In diesem Fall sind keine längeren Leitungsstrecken vorhanden, in denen sich während der Schließphase des Ventils Produkt aus dem Behältnis anlagern kann. Die Düsenöffnung weist bevorzugt einen Öffnungsquerschnitt auf, der so bemessen ist, dass während des normalen Betriebsablaufs im Öffnungszustand stets ein vorgegebener minimaler Überdruck im Ventilgehäuse gegenüber dem Behältnis verbleibt, der somit wiederum das Eindringen von Produkt in das Ventilgehäuse unterbindet.

In einer besonders kompakten Bauweise der Vorrichtung ist der Elektromagnet als röhrenförmiger Hubmagnet ausgebildet, in dessen röhrenförmigem Innenraum zumindest ein Teil des Ventilgehäuses aufgenommen ist. Das Federelement ist aus einem kältefesten Material gefertigt, das auch bei den im Ventilkörper herrschenden kryogenen Temperaturen eine gewisse Elastizität behält, um im Einsatz des Ventils die rückstellende Kraftwirkung aufrecht erhalten zu können, etwa Edelstahl. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Federelement eine Spiralfeder aufweist, die sich im Ventilgehäuse, zwischen einem Federsitz, der in einer dem Wandabschnitt mit der Düsenöffnung abgewandten Seite des Ventilgehäuses angeordnet ist, und einem hinteren, d.h. einem dem Schließabschnitt abgewandten Abschnitt des Absperrglieds erstreckt. Bevorzugt ist das Federelement lösbar im Ventilgehäuse aufgenommen, um im Falle einer Beschädigung oder im Falle einer geforderten anderen Rückstellkraft leicht ausgetauscht werden zu können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Düsenöffnung um eine zylindrische Bohrung, die zum Schließen des Ventils mit einem gleichfalls zylindrisch geformten Schließabschnitt des Absperrglieds zusammenwirkt, der zu diesem Zweck in die Düsenöffnung eingeführt wird. Auf diese Weise wird ein Zufrieren der Düsenöffnung wirkungsvoll verhindert.

Eine gleichfalls vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der die Düsenöffnung aufweisende Wandabschnitt des Ventilgehäuses auf seiner dem Innern des Ventilgehäuses zugewandten Innenseite konisch, sich zur Düsenöffnung hin verengend, zugeformt ist und zum Schließen des Ventils mit einer entsprechenden konischen Zuformung des Schließabschnitts des Absperrglieds zusammenwirkt. Bei dieser Ausgestaltung kann der Strömungsquerschnitt eines sich zwischen den beiden konischen Begrenzungen bestehenden Ringkanals durch eine Änderung des Abstandes des Absperrglieds von der Düsenöffnung variiert und somit der Strom des dem Behältnis zugeführten kryogenen Mediums eingestellt werden. Im Übrigen sind auch andere Ausgestaltungen des Schließabschnitts des Absperrglieds oder des Absperrglieds insgesamt vorstellbar, wie beispielsweise ein kugelförmiges Absperrglied, das selbst durch den Elektromagneten bewegt wird.

Bevorzugt ist das Ventilgehäuse lösbar mit der Wand des Behältnisses verbunden. Dies kann beispielsweise durch Einschrauben in ein in einer Öffnung der Wand des Behältnisses angeordnete Gewinde erfolgen. Insbesondere im Lebensmittelbereich sieht eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Ventilgehäuse über einen Anschlussstutzen mit den Behältnis verbunden ist, der seinerseits fest, beispielsweise durch Verschweißen, mit der Wand des Behältnisses verbunden ist. Das Ventilgehäuse wird mit seinem die Düsenöffnung aufweisenden Vorderabschnitt in den Anschlussstutzen eingeführt und an der vom Behältnis abgewandten Ende des Anschlussstutzens lösbar mit diesem verbunden, beispielsweise mittels einer Klemmflanschverbindung oder nach Art eines Ingoldstutzens mittels einer Überwurfmutter. Bevorzugt sorgt dabei ein geeignetes, zwischen der Innenfläche des Anschlussstutzens und dem eingeführten Vorderabschnitt angeordnetes Dichtelement, etwa ein Dichtring, dafür, dass möglichst kein Produkt aus dem Innern des Behältnisses in den Ringspalt zwischen Anschlussstutzen und Vorderabschnitt eindringen kann. Bei dieser Ausgestaltung besteht eine besonders geringe Gefahr, dass sich Produktreste aus dem Behältnis dauerhaft in Spalten und Öffnungen der Ventilbefestigung anlagert.

Eine abermals vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Ventil mit Mitteln zum Regeln des dem Behältnis zugeführten Mengenstroms an kryogenem Medium ausgerüstet ist. Mittels einer Steuereinheit kann so in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Programm und/oder von gemessenen Parametern, wie beispielsweise einer Temperatur im Behältnis, die Zufuhr an kryogenem Medium geregelt werden.

Um im Schließzustand des Ventils ein Eindringen von Produkt aus dem Behältnis in das Ventilgehäuses zuverlässig zu unterbinden, ist zweckmäßigerweise ein Dichtelement vorgesehen, das in dem die Düsenöffnung aufweisenden Wandabschnitt des Ventilgehäuses und/oder im Schließabschnitt des Absperrglieds angeordnet ist. Das Dichtelement ist aus einem tieftemperaturbeständigen Material, wie Teflon, gefertigt. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen in einer rundum laufenden Nut des Wandabschnitts oder des Schließabschnitts aufgenommenen Dichtring, oder der Schließabschnitt des Absperrglieds kann selbst aus Teflon aufgebaut sein und wird im Schließzustand als Ganzes gegen den die Düsenöffnung aufweisenden Wandabschnitt gepresst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt für den Einsatz eines verflüssigten Gases, wie Flüssigstickstoff, Flüssigsauerstoff oder flüssiges Kohlendioxid oder auch eines kalten Gases, wie tiefkalter gasförmiger Stickstoff, Lachgas (NO2) oder Argon bestimmt und geeignet. Generell kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu genutzt werden, Gas oder eine Flüssigkeit in ein Gas, eine Flüssigkeit oder in einen pastösen, pulverförmigen oder stückigen Stoff einzudosieren. Tiefkalt verflüssigter Stickstoff ist ein effizientes und in der Regel inertes Kühlmedium. Lachgas wird als sterilisierend wirkendes Gas häufig in Lebensmittelanwendungen eingesetzt. Der Einsatz von kaltem Sauerstoff bei der Kühlung insbesondere von Fleisch oder Fleischmasse führt nicht nur zu einer guten Kühlwirkung, sondern trägt zugleich zum Erhalt der roten Fleischfarbe bei. Ein gleichfalls vorteilhaftes kryogenes Medium ist Kohlendioxid, das flüssig über die Zuführleitung herangeführt und beim Eintritt in das Behältnis unter Erzeugung von Kohlendioxidschnee und kohlendioxidgas entspannt.

Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1 : Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Eindosieren eines kryogenen Mediums in einen Behälter im Längsschnitt in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Eindosieren eines kryogenen Mediums in einen Behälter in einem ausschnittsweise dargestellten Längsschnitt in einer zweiten Ausführungsform.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 umfasst ein Ventil 2, das an einem Behältnis 3, etwa einem für die Aufnahme eines zu kühlenden Produkts bestimmten Behälters oder einer fluidführenden Rohrleitung, montiert ist. Das Ventil 2 weist ein aus zwei Gehäuseteilen, einem Vorderabschnitt 4 und einem Hinterabschnitt 5 aufgebautes Ventilgehäuse 6 auf.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist das Ventil 2 durch Verschrauben mit dem Behältnis 3 verbunden, nämlich durch Einschrauben des Vorderabschnitts 4 in einer mit einem Gewinde 7 versehenen Öffnung in einer Wand 8 des Behältnisses 3. Der Vorderabschnitt 4 sollte dabei in seinem Einbauzustand derart in der Wand 8 aufgenommen sein, dass er, wie hier gezeigt, bündig mit einer Innenoberfläche 10 der Wand 8 abschließt. Eine alternative Befestigungsmöglichkeit mittels eines Anschlussstutzens mit Klemmverbindung ist in Fig. 2 gezeigt, die unten näher erläutert wird.

Der Vorderabschnitt 4 des Ventilgehäuses 6 ist im wesentlichen rohrzylinderförmig ausgebildet und an seinem im Einbauzustand dem Innen des Behältnisses 3 zugewandten Wandabschnitt - hier Vorderfläche 9 genannt - mit Ausnahme einer Düsenöffnung 11 geschlossen. Weiterhin ist der Vorderabschnitt 4 mit einem Gewinde 12 zum lösbaren Befestigen des Hinterabschnitts 5 ausgerüstet.

Beabstandet von der Vorderfläche 9 ist in einer Seitenwand des Vorderabschnitts 4 eine - im hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem Gewinde ausgerüstete - Anschlussbohrung 13 zum Anschließen einer Zuführleitung 14 für ein kryogenes Medium angeordnet. Anstelle eines Gewindes können im Übrigen auch andere Befestigungsmittel zum Verbinden der Zuführleitung 14 mit dem Vorderabschnitt 4 vorgesehen sein, beispielsweise eine Flanschverbindung; die Art des Anschlusses ist dabei dem eingesetzten kryogenen Medium angepasst und fallweise druck- und/oder tieftemperaturfest ausgelegt.

Als kryogenes Medium kommt beispielsweise ein verflüssigtes Gas wie Flüssigstickstoff, Flüssigsauerstoff oder flüssiges Kohlendioxid oder auch ein kaltes Gas, beispielsweise tiefkalter gasförmiger Stickstoff, Lachgas oder Argon, zum Einsatz. Generell kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu genutzt werden, Gas oder eine Flüssigkeit in ein Gas, eine Flüssigkeit oder in einen pastösen, pulverförmigen oder stückigen Stoff einzudosieren.

Der gleichfalls rohrförmige Hinterabschnitt 5 des Ventilgehäuses 6 ist mit einem Befestigungsabschnitt 15 gasdicht und druckfest am Vorderabschnitt 4 montiert, im hier gezeigten Beispiel im Gewinde 12 eingeschraubt, und an seinen vom Befestigungsabschnitt 15 entgegengesetztem Stirnseite unter Ausbildung eines Federsitzes 16 geschlossen ausgebildet. Der Hinterabschnitt 5 besteht bevorzugt aus einem unmagnetischen oder paramagnetischem Material, beispielsweise aus einem unmagnetischen Edelstahl.

Im Innern des Ventilgehäuses 6 ist ein Absperrglied 18 axial beweglich aufgenommen, mittels dessen das Ventil 2 geschlossen und geöffnet werden kann. Das Absperrglied 18 besteht im hier gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Schließkörper aus einem ferromagnetischen Material, auf dessen der Vorderfläche 9 zugewandten Seite ein zylindrischer Schließabschnitt 19 angeordnet ist, der dem Innenquerschnitt der gleichfalls zylindrischen Düsenöffnung 11 derart angepasst ist, dass er im Schließzustand des Ventils 2 dichtend oder nahezu dichtend in dieser aufgenommen ist.

Zwischen einer vom Schließabschnitt 19 entgegengesetzten Stirnseite 20 des Absperrglieds 18 und dem Federsitz 16 des Hinterabschnitts 5 ist ein Federmittel 21 , hier eine Spiralfeder, angeordnet. Das Federmittel 21 steht unter Vorspannung und presst im Schließzustand des Ventils 2 das Absperrglied 18 gegen die Vorderfläche 9 des Vorderabschnitts 4. Um die Dichtigkeit weiter zu verbessern, ist ein Dichtmittel aus einem flexiblen und kältebeständigen Material, wie Teflon, vorgesehen, beispielsweise ein Dichtung 22, der in einer in der Vorderfläche 9 rund umlaufenden Nut aufgenommen ist.

Radial außenseitig am Hinterabschnitt 5 befindet sich ein rohrförmiger Elektromagnet 23, der den gesamten Hinterabschnitt 5, zumindest unterhalb des Befestigungsabschnitts 15, umschließt. Der Elektromagnet 23 dient in der im Folgenden beschriebenen Weise zum Betätigen des Ventils 2.

Ohne Betätigung des Elektromagneten 23, d.h. ohne wirkendes magnetisches Feld, befindet sich das Ventil 2 in seinem Schließzustand, d.h. das Absperrglied 18 wird aufgrund der Kraft des Federmittels 21 gegen die Vorderfläche 9 gepresst. Der Schließabschnitt 19 erstreckt sich in diesem Zustand durch die Düsenöffnung 11 hindurch und schließt zur Innenseite des Behältnisses 3 hin bündig mit der Innenwand 10 ab. Durch Öffnen eines Ventils 25 in der Zuführleitung 14 strömt kroygenes Medium über die Zuführleitung 14 in das Innere des Ventilgehäuses 6 ein und trägt aufgrund seines Überdrucks gegenüber dem Druck im Behältnis 3 zum Anpressen des Absperrglieds 18 gegen die Vorderfläche 9 bei.

Zum Öffnen des Ventils 2 wird der Elektromagnet 23 betätigt. Dieser erzeugt im Innern des Ventilgehäuses 6 ein magnetisches Feld, das auf das ferromagnetische Absperrglied 18 eine Kraft ausübt, die der Kraft des Federmittels 21 entgegengesetzt ist. Übersteigt die magnetische Kraft des Elektromagneten 23 die vereinigte Kraft von Federmittel 21 und der durch den Überdruck des kryogenen Mediums erzeugten Kraft auf das Absperrglied 18, verschiebt sich das Absperrglied in Richtung auf den Federsitz 16 und gibt somit die Düsenöffnung 11 frei (Öffnungszustand des Ventils 2). In diesem Öffnungszustand kann das über die Zuführleitung 14 herangeführte kryogene Medium in das Innere des Behältnisses 3 einströmen. Da im Öffnungszustand des Ventils 2 kein Überdruck mehr besteht, der das Absperrglied 18 gegen die Vorderfläche 9 presst, genügt zur Aufrechterhaltung des Öffnungszustandes ein geringeres magnetisches Kraftfeld. Demzufolge wird der Elektromagnet 23 bevorzugt so betrieben, dass zu Beginn ein kurzer, starker Strompuls gegeben wird, der das Absperrglied 18 in seine Öffnungsposition bewegt. Im Anschluss daran genügt ein geringerer Dauerstrom zur Erzeugung eines Magnetfelds, das ausreicht, um das Absperrglied 18 in seiner Öffnungsposition zu halten. Nach Abstellen des Elektromagneten 23 gelangt das Absperrglied 18 aufgrund der Wirkung des Federmittels 21 selbststätig in seine Schließposition zurück.

Aufgrund des ständigen Überdrucks des kryogenen Mediums in der Zuführleitung 14 bzw. im Innern des Ventilgehäuses 6 gegenüber dem Innendruck im Behältnis 3 wird gewährleistet, dass kein Material aus dem Behältnis 3 in die Zuführleitung 14 eindringen kann. Mithilfe einer hier nicht gezeigten automatischen Regelung kann sichergestellt werden, dass der Elektromagnet 23 automatisch abgestellt und das Ventil somit geschlossen wird, sobald ein gewisser Druckwert in der Zuführleitung 14 unterschritten wird, sodass auch in diesem Falle kein Material aus dem Behältnis 3 in die Zuführleitung 14 eindringen kann.

Das Ventilgehäuse 6, das Absperrglied 19 und das Federmittel 22 sind aus einem Material gefertigt, das den tiefen Temperaturen und/oder den hohen Drücken des jeweils zum Einsatz kommenden kryogenen Mediums Rechnung trägt, beispielsweise aus einem geeigneten, tieftemperaturfesten Edelstahl. Des weiteren sind die Teile 4, 5, 18, 21 , 22 vorzugsweise lösbar im Ventil 2 montiert, wodurch nicht nur eine etwaige Wartung erleichtert wird, sondern auch das Ventil 2 an das jeweils eingesetzte kryogene Medium und/oder die Behandlungsaufgabe angepasst werden kann.

Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 25 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 in Fig. 1 lediglich durch die andere Gestaltung im Bereich der Düsenöffnung und ist daher nur in einem Ausschnitt gezeigt. Im Übrigen gleich wirkende Bestandteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wie bei der Vorrichtung 1.

Die Vorrichtung 25 weist ein Ventil 26 mit Absperrglied 28 auf, bei dem ein Schließabschnitt 27 des Absperrglieds 28 konisch zugeformt ist und zum Schließen einer Düsenöffnung 31 des Ventils 26 mit einer ebenfalls konisch zugeformten Innenfläche einer Vorderfläche 29 des Ventilgehäuses 30 zusammenwirkt. Im Unterschied zur Vorrichtung 1 ist hier eine Dichtung nicht in Form eines in einer Nut der Vorderfläche 9 angeordneten Dichtrings vorgesehen, sondern in Gestalt eines über den Schließabschnitt 27 gezogenen Dichtringes 32. Im Übrigen können jedoch auch andere geeignete Möglichkeiten zur Abdichtung eingesetzt werden.

Die konische Zuformung von Vorderfläche 29 und Schließabschnitt 27 führt dazu, dass die Breite des Ringspalts 33 zwischen Vorderfläche 29 und Schließabschnitt 27 durch die Änderung der axialen Position des Absperrglieds 28 verändert werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, den aus der Düsenöffnung 32 austretenden Strom an kryogenem Medium in Abhängigkeit von der Position des Absperrglieds 28, d.h. des an den Elektromagneten 23 angelegten Stroms, zu variieren. Mittels einer geeigneten Steuereinrichtung (hier nicht gezeigt) kann in diesem Fall der Zufluss von kryogenem Medium in Abhängigkeit von einem gemessenen Parameter, beispielsweise der Temperatur im Behältnis 3, variiert werden. Um die hygienischen Verhältnisse zu verbessern, ist das Ventil 26 mit einem Vorderabschnitt des Ventilgehäuses 30 in einem Anschlussstutzen 34, der in der Wand 8 des Behältnisses 3 eingeschweißt ist, aufgenommen und mittels einer Flanschverbindung mit Klemmring 35 lösbar mit dem Anschlussstutzen 34 verbunden. Auch hier schließt die Vorderfläche behälterseitig bündig mit der Innenoberfläche 10 der Wand 8 ab. Zwischen der Außenwand des Vorderabschnitts des Ventilgehäuses 30 und der Innenfläche des Anschlussstutzens 34 ist ein Dichtelement, beispielsweise ein Dichtung 36 aus Teflon in entsprechenden Nuten des Ventilgehäuses 30 bzw. des Anschlussstutzens 34 angeordnet, um das Eindringen von Produkt aus dem Innern des Behältnisses 3 in den Ringspalt zwischen Ventilgehäuse 30 und Anschlussstutzen 34 zu vermeiden. Anstelle des hier gezeigten Anschlussstutzens 34 mit Klemmring 35 kann im Übrigen auch ein (hier nicht gezeigter) Ingoldstutzen zum Einsatz kommen, der in an sich bekannter Weise mit einer Überwurfmutter zum Befestigen des Ventils 26 ausgerüstet ist.

Die Vorrichtungen 1 , 25 genügen insbesondere den gehobenen hygienischen Anforderungen bei der Behandlung von Lebensmitteln wie Teig, Mehl, Maische oder Fleischmasse zur Wurstherstellung, oder bei der Herstellung pharmazeutischer Produkte, Vorprodukte oder Inhaltsstoffe. Ein weiteres Anwendungsgebiet betrifft die Eindosierung eines kryogenen Mediums in eine von einem Gas oder einer Flüssigkeit durchströmten Leitung, beispielsweise bei der Abwasserbehandlung oder der Behandlung von Wein, Säften oder Milch.

Bezuqszeichenliste

1. Vorrichtung 19. Schließabschnitt

2. Ventil 20. Stirnseite

3. Behältnis 21. Federmittel

4. Vorderabschnitt 22. Dichtring

5. Hinterabschnitt 23. Elektromagnet

6. Ventilgehäuse 24. Ventil

7. Gewinde 25. Vorrichtung

8. Wand 26. Ventil

9. Vorderfläche 27. Schließabschnitt

10. Innenoberfläche 28. Absperrglied

11 . Düsenöffnung 29. Vorderfläche

12. Gewinde 30. Ventilgehäuse

13. Anschlussbohrung 31 . Düsenöffnung

14. Zuführleitung 32. Dichtung

15. Befestigungsabschnitt 33. Ringspalt

16. Federsitz 34. Anschlussstutzen

35. Klemmring

18. Absperrglied 36. Dichtung

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Eindosieren eines kryogenen Mediums in ein Behältnis (3), mit einem Ventil (2, 25), das ein in der Wand (8) des Behältnisses (3) befestigbares Ventilgehäuse (6, 30) aufweist, welches mit einem Anschluss (13) zum Anschließen einer Zuführleitung (14) für das kryogene Medium sowie mit einer in einem Wandabschnitt (9, 29) des Ventilgehäuses (6, 30) angeordneten Düsenöffnung (11 , 31 ) zum Einleiten des kryogenen Mediums in das Behältnis (3) ausgerüstet ist und in dem ein Absperrglied (18, 28) derart axial beweglich aufgenommen ist, dass es aus einem Schließzustand, bei dem das Absperrglied (18, 28) mit einem Schließabschnitt (19, 27) die Düsenöffnung verschließt, in einen Öffnungszustand bringbar ist, in dem der Schließabschnitt (19, 27) beanstandet von der Düsenöffnung (11 , 31 ) angeordnet ist und diese somit freigibt, und bei dem die axiale Bewegung des Absperrglieds (18, 28) aus seinem Schließzustand in den Öffnungszustand gegen die Wirkung eines rücktreibenden Federelements (22) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrglied (18, 28) zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material besteht und zum Bewegen in seine Öffnungsposition mit einem außenseitig am Ventilgehäuse (6; 30) angeordneten Elektromagneten (23) zusammenwirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrglied (18, 28) so im Ventilgehäuse (6, 30) eingebaut ist, dass der Schließabschnitt (19, 27) des Absperrglieds (18, 28) im Schließzustand des Ventils (2, 25) durch einen im Innern des Ventilgehäuses (6, 30) wirkenden Druck des kryogenen Mediums von Innen gegen den die Düsenöffnung (11 , 31 ) aufweisenden Wandabschnitt (9, 29) des Ventilgehäuses (6, 30) gepresst wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (23) rohrförmig ausgebildet ist und das Ventilgehäuse (6, 30) zumindest abschnittsweise umschließt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (22) eine Spiralfeder aufweist, die sich im Ventilgehäuse (6, 30), zwischen einer vom Behältnis (2) abgewandten Stirnseite (20) des Absperrglieds (18, 28) und einem Federsitz (16) des Ventilgehäuses (6, 30) erstreckt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung (11 , 31 ) als sich durch den Wandabschnitt (9, 29) des Ventilgehäuses (6, 30) hindurcherstreckende zylindrische Bohrung ausgebildet ist, die zum Schließen des Ventils (2, 25) mit einem zylindrisch geformten Schließabschnitt (19, 27) des Absperrglieds (18) zusammenwirkt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Düsenöffnung (11 , 31 ) aufweisende Wandabschnitt (9, 29) des Ventilgehäuses (6, 30) innenseitig konisch, sich zur Düsenöffnung (11 , 31 ) hin verengend, zugeformt ist, und zum Schließen des Ventils (2, 25) mit einer entsprechenden konischen Zuformung des Schließabschnitts (19, 27) des Absperrglieds (28) zusammenwirkt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass das Ventilgehäuse (6, 30) lösbar mit der Wand (8) oder mit einem fest an der Wand (8) des Behältnisses (3) montierten Anschlussstutzen (34), beispielsweise einem Ingoldstutzen, verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (2, 25) mit Mitteln zum Regeln des dem Behältnis (3) zugeführten Mengenstroms an kryogenem Medium ausgerüstet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorderfläche (9, 29) des Ventilgehäuses (6,30) und/oder im Schließabschnitt (19, 27) des Absperrglieds (18, 28) ein rundum laufendes Dichtelement, etwa ein in einer rundum laufenden Nut aufgenommener Dichtung (19), vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als kryogenes Medium flüssiger oder gasförmiger Stickstoff, flüssiges oder gasförmiges Kohlendioxid, flüssiges oder gasförmiges Argon oder flüssiges oder gasförmiges Lachgas zum Einsatz kommt.