18. Mai 2005
Verschluss für Flüssigkeitsbehälter
Die Erfindung betrifft einen Verschluss für Flüssigkeitsbehälter, insbesondere Trinkflaschen und Behälter aus Karton/Kunststoff-Verbundmaterial, mit einem einen Entnahmestutzen aufweisenden Verschlusskörper und mit einer im Verschlusskörper angeordneten Membraneinheit, wobei die Membraneinheit ein ringförmiges Fassungselement und eine darin eingesetzte flexible, wenigstens einen aufweitbaren Durchbruch aufweisende Verschlussmembran umfasst.
Derartige Verschlüsse sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bekannt ist insbesondere ihre Verwendung in der Lebensmittelindustrie als Verschluss von Behältern, welche hoehviskose Flüssigkeiten, wie z.B. Honig oder •Tomatenketchup, enthalten. Solche Verschlüsse sind auch für Waschmittel, Duschbadezusätze od. dgl. auf dem Markt , erhältlich (DE 196 46 060 AI) .
Das Wirkprinzip eines solchen Verschlusses beruht auf einer Druckdifferenz zwischen den Medien beiderseits der Verschlussmembran, die eine Öffnung der den Entnahmestutzen verschließenden Membran bewirkt. So führt eine Erhöhung des Behälterinnendrucks, beispielsweise hervorgerufen durch ein Eindrücken einer flexiblen Behälterwand, dazu, dass sich die flexible Membran aufwölbt, wodurch wiederum der in der Membran vorgesehene Durchbruch aufgeweitet wird und somit ein Ausfließen der Flüssigkeit durch die Membran ermöglicht. Ebenso kann sich die Membran auch durch Erzeugen eines Unterdrucks an
TH/hs 040388 O
der behälterabgewandten Seite der Membraneinheit bei unverändertem Behälterdruck öffnen.
In der DE 196 12 561 AI ist ein weiterer Verschluss für einen Behälter zur Ausgabe von fluiden, insbesondere fließfähigen Produkten, wie beispielsweise Spülmittel, beschrieben. Der Verschluss umfasst ein zylindrisches Verschlussteil mit einem rohrförmigen Aufsatz, in der eine Austrittsöffnung für das Fluid angeordnet ist. Im Verschlussteil ist unterhalb der Austrittsöffnung eine selbstschließende, hochflexible Verschlussmembran angeordnet. Diese ist im wesentlichen hutförmig ausgebildet und umfasst entsprechend eine Verschlussdecke mit eingeformten Radialschnitten, welche sich bei druckinduzierter Aufwölbung der Verschlussdecke aufweiten, eine zylindrische Verbindungswand sowie mehrere die Unterkante der zylindrischen Verbindungswand umgebende Verstärkungsringe als Stützauflage und zur Erhöhung der Formstabilität. Um einen festen Sitz der Verschlussmembran im Verschlussteil zu erreichen, ist die Membran zusätzlich durch einen aus einem harten Kunststoff bestehenden Einbauring eingefasst. Die Membran selbst ist aus einem weichen Silikonmaterial oder einem elasto eren Kunststoffmaterial gefertigt. Mittels dieses Verschlusses lässt sich das in dem Behälter enthaltene Fluid präzise portionieren. Nachteilig ist jedoch sein komplizierter Aufbau. Dies gilt insbesondere auch für die aufwendig gestaltete Verschlussmembran, so dass der Verschluss insgesamt nur unter hohen Kosten zu fertigen ist.
Bei einem weiteren aus der DE 696 24 552 T2 bekannten Verschluss besteht die Verschlussmembran aus einem hochelastischen Material mit einem zentralen
TH/hs 040388WO
Kreuzschlitz. Die Membran ist in ein ringförmiges formsteifes Fassungselement eingesetzt, welches seinerseits mit dem Verschlusskörper verbunden ist. Aufgrund der hohen Elastizität des Membranmaterials wird bei entspannter Membran, d.h. bei Gleichheit der Drücke beiderseits der Membraneinheit, eine hohe Dichtigkeit erzielt, da der Kreuzschlitz in diesem Falle vollständig geschlossen ist. Nachteilig auch an diesem Verschlusstyp ist sein komplizierter Aufbau in bezug auf die Membraneinheit, welcher zu hohen Material- und Produktionskosten führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verschluss für Flüssigkeitsbehälter, insbesondere Trinkflaschen und Behälter aus Karton/Kunststoff- Verbundmaterial zu schaffen, welcher einfach aufgebaut ist und eine besonders kostengünstige Fertigung ermöglicht.
Die erfindungsgemäß Aufgabe wird bei einem Verschluss nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass der Verschlusskörper und die Membraneinheit als spritzgegossenes Kunststoffteil einstückig ausgeführt sind und dass die Membraneinheit als flexible Scheibe ausgebildet ist.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verschlusses liegt darin, dass er infolge der einstückigen Ausführung der Membraneinheit einen im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verschlüssen besonders einfachen Aufbau aufweist. Daneben bestehen sämtliche Komponenten des Verschlusses aus ein und demselben Material, was eine deutliche Senkung der Fertigungskosten ermöglicht. Das Gehäuse des Verschlusses ist vorzugsweise
TH/hs 040388WO
aus Kunststoff gefertigt. Dabei sollte der Verschlusskörper eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Gleichzeitig muss die erfindungsgemäß aus demselben Werkstoff gefertigte Membraneinheit hinreichend flexibel ausgeführt sein, so dass sich der in ihr vorgesehene Durchbruch bei Druckbeaufschlagung ausreichend stark aufweitet. Dies ist problemlos durch eine entsprechende Einstellung der Dicke der Membraneinheit erreichbar.
Weil der Verschlusskörper und die Membraneinheit als einstückiges spritzgegossenes Kunststoffteil ausgeführt sind, sind solche Fertigungsschritte, welche im Anschluss an die Einzelteilfertigung das Zusammensetzen und anschließende Fügen der unterschiedlichen Komponenten umfassen, nicht mehr erforderlich, wodurch sich die Fertigungskosten weiter senken lassen. Das Einbringen des Durchbruches in die Membran kann dann im Anschluss an die Herstellung des Verschlusses beispielsweise durch einen in-situ-Stanzschritt erfolgen. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verschlüssen ist eine derartige Vereinfachung der Fertigung schon deshalb nicht möglich, da hierbei beispielsweise Verschlusskörper und Membraneinheit aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind der wenigstens eine Durchbruch in Länge und Breite und die Stärke und/oder Flexibilität der Verschlussmembran so ausgelegt, dass bei normalem atmosphärischem Druck die Oberflächenspannung der Flüssigkeit im Bereich des Durchbruchs der Verschlussmembran den Druck der Flüssigkeit kompensiert und auf diese Weise keine Flüssigkeit austritt. Durch die spezielle Geometrie der
TH/hs 040388 O
Form und Breite des Durchbruches sowie der Materialwahl und Materialstärke der Membraneinheit lässt sich die erfindungsgemäße Konstruktion den unterschiedlichen Druckbedingungen leicht anpassen. So können beispielsweise unterschiedliche Verschlüsse denselben Schließeffekt bei gleichen Produkten dann erreichen, wenn unterschiedliche Behälterformate vorliegen. Das Öffnen der Membraneinheit zur Entnahme des Produktes kann dabei entweder durch Erhöhung des Innendruckes durch Zusammenpressen der Behälterwandung erfolgen, oder aber durch Aufbringen eines entsprechenden Unterdruckes, wie dies beispielsweise bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verschlusses für Trinkflaschen erfolgen kann.
Erfindungsgemäß sind der Verschlusskörper und die Membraneinheit aus demselben Werkstoff gefertigt. Dies hat zwangsläufig auch zur Folge, dass die Flexibilität der Membraneinheit eines erfindungsgemäßen Verschlusses prinzipiell etwas geringer ist als die der Membran eines aus dem Stand der Technik bekannten Verschlusses. Um gleichwohl eine große Aufweitung des in der Membran vorgesehenen Durchbruches zu erreichen, ist insbesondere die Geometrie des Durchbruches zu optimieren.
Experimentelle Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass neben der bereits aus dem Stand der Technik bekannten Kreuzschlitzform solche Geometrien besonders zweckmäßig sind, bei denen der Durchbruch der Membraneinheit als wenigstens ein geschlossener Kurvenzug unter Bildung wenigstens eines inneren Flächenabschnitts und eines umgebenden äußeren Flächenabschnitts ausgebildet ist, wobei die Flächenabschnitte jeweils über wenigstens einen Verbindungssteg miteinander verbunden
TH/hs 040388WO
sind. Dies kann wiederum auf verschiedene Weise praktisch realisiert sein. So haben sich eine Kreisschlitzform ebenso wie eine Rosetten- oder Sternform als vorteilhaft erwiesen. Je nach Zahl und Anordnung der Verbindungsstege kann dann eine AufWeitung des Durchbruches bzw. eine Öffnung der Membraneinheit durch ein Verbiegen des inneren Flächenabschnitts bewirkt werden. Als vorteilhaft hat sich ebenfalls eine Geometrie erwiesen, bei der der Durchbruch durch mehrere konzentrische Kreisschlitze gebildet ist.
In der Regel wird ein Behälter, welcher durch einen erfindungsgemäßen Verschluss verschlossen ist, durch diesen entweder ausschließlich befüllt oder entleert, so dass im Verschluss eine einheitliche Fließrichtung definiert ist. Vor diesem Hintergrund kann die Geometrie des in der Membraneinheit vorgesehenen Durchbruchs weiter optimiert werden. So kann der innere Flächenabschnitt der Membraneinheit gegenüber dem äußeren Flächenabschnitt in Ausfließrichtung der den Verschluss durchfließenden Flüssigkeit versetzt angeordnet sein. Dadurch wird eine größere Aufweitung des Durchbruchs und damit ein höherer Ausflussvolumenstrom erzielt.
Der erfindungsgemäße Verschluss eignet sich für Flüssigkeitsbehälter aller Art, insbesondere auch für Getränkeflaschen. Hierbei ist es sinnvoll, dass der Verschlusskörper ein Innengewinde zum Aufschrauben auf den Gewindestutzen des Flüssigkeitsbehälters aufweist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Entnahmestutzen des Verschlusskörpers mit einer Kappe verschließbar ist. Ist der Behälter mit einer besonders dünnflüssigen
TH/hs 040388WO
Flüssigkeit gefüllt, ist es möglich, dass der Verschluss durch die Membraneinheit insbesondere dann nicht vollständig abgedichtet ist, wenn die Membraneinheit dauerhaft durch die Flüssigkeit druckbeaufschlagt wird, der Verschluss also an der Behälterunterseite angeordnet ist. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn das freie Ende des Entnahmestutzens einen äußeren Kragen und die Innenfläche der Kappe eine korrespondierende Ausnehmung als umlaufende Dichtung aufweist, in die der Kragen im verschlossenen Zustand der Entnahmestutzen eingreift. Durch die Verschlusskappe wird somit eine vollständige Abdichtung des Verschlusses ermöglicht. Der Verschlusskörper und die Verschlusskappe können wiederum einstückig ausgebildet und mit einem Filmscharnier miteinander verbunden sein.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Durchbruch in der Verschlussmembran nach dem Herstellen der Membraneinheit durch mechanische Bearbeitung hergestellt werden kann. Hierbei ist es beispielsweise möglich, dass der Durchbruch ausgestanzt oder aber mittels Laserstrahl hergestellt wird.
Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Verschlusses einerseits für Hohlbehälter, wobei der Verschluss mittels eines Gewindes oder Schnappverschlusses auf den Hohlbehälter aufgebracht wird oder für Verbundpackungen, wobei der Verschluss auf die Verbundpackung aufgebracht oder in eine entsprechende Öffnung der Verbundpackung eingebracht wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
TH/hs 040388WO
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verschlusses im Vertikalschnitt,
Fig. 2 den Verschluss aus Fig. 1 ohne Verschlusskappe in Draufsicht,
Fig. 3 den Verschluss aus Fig. 1 in einer einstückigen (Schraub-) Ausführung im Vertikalschnitt,
Fig. 4 den Verschluss aus Fig. 3 in geöffneter Stellung mit druckbeaufschlagter Membraneinheit im Vertikalschnitt,
Fig. 5A-C den Entnahmestutzen des Verschlusses aus Fig. 3 mit einer Membraneinheit mit Kreisschlitz im Vertikalschnitt mit geschlossener und mit geöffneter Membraneinheit sowie mit geschlossener Membraneinheit in Draufsicht,
Fig. 6A-C den Gegenstand aus Fig. 3 mit einer anders ausgestalteten Geometrie des Kreisschlitzes in der Membraneinheit,
Fig. 7A-C den Entnahmestutzen des Verschlusses aus Fig. 3 mit einer Membraneinheit mit Rosettenschlitz im Vertikalschnitt mit geschlossener und mit geöffneter Membraneinheit sowie mit geschlossener Membraneinheit in Draufsicht und
TH/hs 040388WO
Fig. 8A, B den Entnahmestutzen des Verschlusses aus Fig. 3 mit einer Membraneinheit mit konzentrischen Kreisschlitzen im Vertikalschnitt sowie in Draufsicht.
Der erfindungsgemäße Verschluss umfasst in einem ersten Ausführungsbeispiel zur Applikation auf eine (nicht dargestellte) Verbundpackung einen Verschlusskörper 1 mit einem zylindrischen Entnahmestutzen 2 und einer Membraneinheit. Der Verschlusskörper 1 ist mit einem nach außen abstehenden umlaufenden Flansch la versehen, über welchen er von innen in eine Öffnung der Verbundpackung eingesetzt ist, wobei bevorzugt ein Energierichtungsgeber lb verwendet wird. Die Membraneinheit 3 ist scheibenförmig ausgeführt, wobei der Verschlusskörper und die Membraneinheit 3 aus demselben Material, vorzugsweise einem Kunststoff, gefertigt sind. Die Membraneinheit 3 ist in eine in dem Verschlusskörper 1 vorgesehene ringförmige Ausnehmung lc derart eingesetzt, dass sie im geschlossenen Zustand einen Durchfluss durch den Verschlusskörper verhindert. Wie in Fig. 2 erkennbar, weist die Membraneinheit 3 einen Durchbruch in Form eines Kreuzschlitzes 3a auf.
Wie in der Fig. 1 weiter dargestellt, umfasst der Verschluss zudem eine Verschlusskappe 4, welche über einen Steg 4b mit dem Verschlusskörper 1 gelenkig verbunden ist. Die Verschlusskappe 4 ist mit dem äußeren Rand des Entnahmestutzens 2 verrastbar. Dazu weist der Entnahmestutzen 2 an seinem freie Ende einen äußeren Kragen 2a auf. Dieser greift bei aufgesetzter Verschlusskappe 4 in eine in der Innenfläche der Verschlusskappe 4 vorgesehene ringförmige Ausnehmung 4a ein und dichtet somit zusätzlich zu der Membraneinheit 3
TH/hs 040388 O
den Verschluss flüssigkeitsdicht ab. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Membraneinheit 3 dauerhaft druckbeaufschlagt ist, der Verschluss also an der Unterseite eines Flüssigkeitsbehälters angeordnet ist, so dass eine Flüssigkeitssäule dauerhaft auf der Membraneinheit 3 lastet.
Der Verschluss gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von dem aus Fig. 1 dadurch, dass die Membraneinheit 3 und der in diesem Fall mit einem Schraubstutzen la' mit Innengewinde lb' versehene Verschlusskörper 1 mit dem Entnahmestutzen 2 und der Verschlusskappe 4 als einstückiges, spritzgegossenes Kunststoffteil ausgeführt sind. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung.
In Fig. 4 ist der erfindungsgemäße Verschluss in geöffnetem Zustand dargestellt. Hierbei wird durch die in dem nicht dargestellten Behälter enthaltene Flüssigkeit in Richtung des Pfeiles F Druck auf die flexible Membraneinheit 3 ausgeübt. Dies führt zu einem Aufwölben der Membraneinheit 3, wodurch der in die Membraneinheit 3 eingeformte Kreuzschlitz 3a aufgeweitet wird und eine Öffnung freigibt, durch welche die Flüssigkeit ausströmen kann. Wie ausgeführt, kann der Druckunterschied zur Flüssigkeitsentnahme auch durch Saugen von außen erfolgen.
In den Fig. 5 bis 8 sind weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Membraneinheit 3 dargestellt. Ihnen ist gemein, dass der Durchbruch der wiederum scheibenförmig ausgeführten Membraneinheit als geschlossener Kurvenzug unter Bildung wenigstens eines inneren Flächenabschnitts und eines umgebenden äußeren Flächenabschnitts ausgebildet ist. Dabei sind die
TH/hs 040388WO
Flächenabschnitte jeweils über Verbindungsstege miteinander verbunden.
Bei dem in Fig. 5C in Draufsicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Membraneinheit 31 vorgesehen, bei der der Durchbruch als Kreisschlitz 31a ausgebildet ist, wodurch ein kreisförmiger innerer Flächenabschnitt 31c und ein äußerer ringförmiger Flächenabschnitt 31b definiert werden. Die Flächenabschnitte 31b, 31c sind über zwei sich diametral gegenüberstehende Verbindungsstege 31d verbunden. Zudem ist der innere Flächenabschnitt 31c gegenüber dem äußeren Flächenabschnitt 31b in Ausfließrichtung der im Behälter enthaltenen Flüssigkeit versetzt angeordnet. In Fig. 5B ist die Membraneinheit 31 in geöffnetem, d.h. druckbeaufschlagtem Zustand dargestellt. Dabei wölben sich die beiden Hälften des kreisförmigen inneren Flächenabschnitts 31c nach oben, wodurch der Kreisschlitz 31a stark aufgeweitet wird, so dass Flüssigkeit in der Fließrichtung F durch den Verschluss hindurchtreten kann. Eine nicht näher bezeichnete Verstärkungssicke im Inneren des Flächenabschnitts 31c sorgt für eine möglichst gleichmäßige Aufweitung des Kreisschlitzes 31a.
Die Fig. 6A bis 6C zeigen eine alternative Ausgestaltung einer Membraneinheit 31', bei der der Durchbruch als Kreisschlitz 31a' ausgebildet ist. Dabei sind zwei etwa halbkreisförmig verlaufende 'Kreisschlitze 31a' vorhanden, die von jeweils einem äußeren ringförmigen Flächenabschnitt 31b' umgeben sind. Das eigentliche "Ventil" besteht hierbei aus zwei Flächenabschnitten 31c' , welche eine halbmondförmige Form besitzen. Getrennt werden die beiden Flächenabschnitte 31c' durch einen Verbindungssteg 31d' , der mit dem äußeren ringförmigen
TH/hs 040388 O
Flächenabschnitt 31b' in Verbindung steht. Nicht näher bezeichnet sind kerbenartige Ausnehmungen parallel zum Verbindungssteg 31d' , die nach Aufbringen einer Kraft F ein Aufklappen der beiden Flächenabschnitte 31c' ermöglichen, wie dies in der Seitenansicht gemäß Fig. 6B dargestellt ist.
Die Membraneinheit 32 gemäß den Fig. 7A bis 7C weist einen rosettenförmigen Schlitz 32a auf. Im einzelnen besitzt er die Form einer sechsblättrigen Rosette, wobei er an im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel den Spitzen dreier im 120°-Winkel zueinander stehender Rosettenblätter durch drei Verbindungsstege 32d unterbrochen ist. Während somit drei der Rosettenblätter in ihrer Position fixiert sind, werden die anderen drei bei druckbeaufschlagter Membraneinheit 32 aus der Ebene der Membraneinheit in Fließrichtung F herausgebogen. Die Erfindung umfasst jedoch auch jede mögliche andere Anzahl von Membran- bzw. Verbindungskonstruktionen. Wiederum ist der innere Flächenabschnitt 32c gegenüber dem äußeren ■ Flächenabschnitt 32b in Ausfließrichtung versetzt angeordnet, so dass ein größerer freier Ausflussquerschnitt erzielt wird.
In den Fig. ' 8A und 8B ist eine weitere Ausführungsform der Membraneinheit dargestellt. Bei dieser ist der Durchbruch durch drei konzentrische Kreisschlitze 33a gebildet. Der äußere ringförmige Flächenabschnitt 33b umgibt dabei zwei entsprechend konzentrische Ringflächen 33a' , 33a' ' und einen mittleren kreisförmigen Abschnitt 33a'''. Wie in Fig. 8A erkennbar, sind diese Flächenabschnitte 33b, 33a', 33a", 33a''' von innen nach außen terrassenförmig angeordnet, wobei jeder
TH/hs 040388 O
Flächenabschnitt zu seinem jeweils benachbart liegenden Flächenabschnitt über drei im 120°-Winkel zueinander stehende Verbindungsstege 33d verbunden ist. Im Falle der Druckbeaufschlagung (durch inneren Überdruck bzw. äußeren Unterdruck) weiten sich die konzentrischen Schlitze 33a auf, wobei der Grad der Aufweitung geringer ist als im Falle der einfach kreisgeschlitzten Membraneinheit 31 gemäß den Fig. 5A bis 50 bzw. 6A bis 60, da die einzelnen Flächenabschnitte 33a' , 33a'', 33a''' durch jeweils drei Verbindungsstege 33d fixiert sind. In der Summe wird bei der Membraneinheit 33 jedoch ein ausreichend großer freier Querschnitt erzeugt.
TH/hs 040388 O