Füllventil zum Abfüllen von Flüssigkeiten

Abstract

 Bei den bekannten Normaldruckfüllsystemen läuft das Füllgut mit nur einer einzigen Einstromgeschwindigkeit in die Flasche. Um unter diesen Bedingungen hohe spezifische Ventilleistungen zu erreichen, wird meist eine Füllgeschwindigkeit über die statische Druckhöhe zwischen der Flasche und dem Füllgutniveau im Vorratskessel eingestellt, die während der An- und Endfüllphase des Füllprozesses bereits zu erheblichen qualitativen Einbußen im Füllbild führt. Beim Anfüllen werden massiv Gasblasen eingeschlagen, was bei bestimmten Getränken (z. B. Fruchtsäfte) zur Bildung eines Schaumteppichs führen kann. In der Endphase steigt der Füllgutspiegel in der Flasche derart rasant an, daß Genauigkeitsabweichungen bei der Bestimmung der Füllhöhe über eine Sonde eintreten.
Mit der Erfindung wird bei diesem Füllverfahren eine Verbesserung erzielt und eine ruhigere Befüllung der Flasche ermöglicht.
Hierzu ist ein Füllventil zum Abfüllen von Flüssigkeiten in Flaschen und dgl. mit einem durch eine Kolben-/Zylindereinheit (1) ansteuerbaren heb- und senkbaren Ventilschließkörper (3) für den oberhalb des Austrittskanals (5) angeordneten Ventilsitz (5), wobei der Ventilschließkörper (3) in Öffnungs- und/oder in Schließrichtung in unterschiedliche Öffnungsabstände zum Ventilsitz (5) ansteuerbar ist und mit einer ersten Kolbenzylindereinheit (1) für den ersten Öffnungshub und einer zweiten Anschlag- und/oder Kolbenzylindereinheit (2) für den zweiten und/oder weiteren Öffnungshub in Verbindung steht, vorgesehen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Füllventil zum Abfüllen von Flüssigkeiten gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Bei den bekannten Normaldruckfüllsystemen läuft das Füllgut mit nur einer einzigen Einströmgeschwindigkeit in die Flasche. Um unter diesen Bedingungen hohe spezifische Ventilleistungen zu erreichen, wird meist eine Füllgeschwindigkeit über die statische Druckhöhe zwischen der Flasche und dem Füllgutniveau im Vorratskessel eingestellt, die während der An- und Endfüllphase des Füllprozesses bereits zu erheblichen qualitativen Einbußen im Füllbild führt. Beim Anfüllen werden massiv Gasblasen eingeschlagen, was bei bestimmten Getränken (z. B. Fruchtsäfte) zur Bildung eines Schaumteppichs führen kann. In der Endphase steigt der Füllgutspiegel in der Flasche derart rasant an, daß Genauigkeitsabweichungen bei der Bestimmung der Füllhöhe über eine Sonde eintreten.

[0003] Dem starken Blaseneinschlag bei Füllbeginn versucht man dadurch entgegenzuwirken, indem man unmittelbar nach Eintauchen des Füllrohres in den Füllgutspiegel die Füllung für eine kurze Zeit unterbricht. Auf diese Weise wird den Blasen Gelegenheit gegeben, an die Oberfläche aufzusteigen.

[0004] Nimmt man die Einströmgeschwindigkeit zur Verbesserung der Situation in diesen Phasen zurück, so ist zwangsläufig auch der meist fülltechnisch unkritische Mittelbereich der Flasche mit dieser langsamen Strömungsgeschwindigkeit zu bedienen. Dies verringert automatisch die Ausbringleistung der Füllmaschine.

[0005] Bei Druckfüllsystemen mit unterschiedlichen Füllgeschwindigkeiten wird die Geschwindigkeitssteuerung meist über Drosseln oder Düsen in den Rückgaswegen vorgenommen. Für diese Art der Steuerung sind jedoch signifikante Druckgefälle an den Drosselorganen erforderlich. Hinzu kommt noch, daß die Flasche am Füllorgan angepreßt und abgedichtet werden muß.
Bei Füllverfahren, die unter Atmosphärendruck arbeiten, scheidet diese Art der Geschwindigkeitsregelung praktisch aus.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei beiden Füllverfahren eine Verbesserung zu erzielen und eine ruhigere Befüllung der Flasche zuzulassen, wobei auf die sonst übliche Geschwindigkeitssteuerung über Drosseln oder Düsen insbesondere bei Druckfüllsystemen verzichtet werden soll.

[0007] Diese Aufgabe wird bei einem Füllventil gelöst durch die Merkmale der selbständigen Ansprüche 1 bis 4. Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0008] Demnach erfolgt bei der vorliegenden Erfindung die Beeinflussung des in die Flasche einfließenden Flüssigkeitsstromes bei dem nachfolgend beschriebenen Füllsystem über den Hub des Ventilsitzes und somit über eine im Ventilsitz vorgenommene Drosselung durch Reduzierung der in die Flasche führenden Austrittsquerschnitte.

[0009] Gemäß dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht dies durch zwei übereinander angeordnete und unabhängig voneinander arbeitende Pneumatikzylinder 1 und 2. Der erste Zylinder 1 wirkt dabei direkt auf den Ventilschließkörper 3, wobei der Flüssigkeitsbereich 4 um den Ventilsatz 5 herum über eine Membran 6 gegenüber dem Betätigungselement abgedichtet und mikrobiologisch abgesichert ist.
Dieser Zylinder 1 öffnet und schließt den Füllventilsitz und gibt für sich alleine gesehen beim Öffnen den maximal möglichen Ventilhub frei.

[0010] Der oberhalb des ersten Zylinders 1 angeordnete zweite Pneumatikzylinder 2 begrenzt im druckbeaufschlagten Zustand den Hub des Zylinders 1 und verengt damit über den Ventilhub den Ausströmquerschnitt 6', den das Getränk auf dem Weg in die Flasche 7 durchfließen muß.

[0011] Die Verstellkraft dieses Zylinders 2 muß größer sein als die zum Öffnen des Ventilsitzes 5 über die Kolbenfläche des ersten Zylinders 1 erzeugte Gegenkraft. Erreicht wird dies bei einem für beide Systeme gleich eingestellten Pneumatikdruck durch eine gegenüber dem Öffnungs- und Schließzylinder 1 größer gewählte Kolbenfläche am Begrenzungszylinder 2.
Die Hubbegrenzung ist über einen Stellring 8 individuell bezogen auf Getränk und Flasche einstellbar.

[0012] Das Füllgut läuft unter diesen Bedingungen gegenüber dem voll ausgefahrenen Ventilhub mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit in die Flasche 7 ein.

[0013] Mit Hilfe einer elektronischen Rechnersteuerung 17 können somit durch entsprechende Ansteuerung der beiden pneumatischen Betätigungselemente Füllphasen mit unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten realisiert werden.
Neben den beiden Zylindern zum Öffnen und Schließen des Ventilsitzes 5 verfügt das Füllventil noch über einen weiteren Zylinder 9, der die Belüftung des Füllrohres 10 bei dessen Entleerung vornimmt.
Alle drei angesprochenen Zylinder werden von nur zwei Magnetventilen 11, 12 aus der elektronischen Steuerung heraus angesteuert.
Mit der gewählten Anordnung der beiden Magnetventile 11, 12 in Kombination mit einem selbstschaltenden Wechselventil 13 können alle Verfahrensschritte des gesamten Füllprozesses bedient werden.
Die so ausgeführte Konfiguration der pneumatischen Anschlüsse für die im Füllventil integrierten Betätigungselemente spart ein ansonsten notwendiges drittes Magnetventil inkl. seiner elektrischen Anteuerelemente.

Ablauf des Füllprozesses

Langsames Anfüllen A

[0014] Die Flasche 7 wird über ein Hubelement 14 an das Füllorgan angehoben. Eine Abdichtung der Flaschenmündung gegenüber dem Füllorgan ist bei einem Langrohr-Normaldruckfüllsystem nicht erforderlich.
Unmittelbar danach betätigt die Steuerung Magnetventil 11 und öffnet den Ventilsitz.
Parallel hierzu wird das Magnetventil 12 angesteuert, so daß auch der obere Begrenzungszylinder 2 in seine untere Endlage fährt und den Öffnungshub des Ventilschließkörpers 3 einschränkt und damit sofort bei Füllbeginn den Austrittsquerschnitt drosselt.
Das erste Füllgut strömt jetzt mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit über das Füllrohr 10 in die Flasche blasen- und turbulenzarm ein. Die schonende Anfüllphase wird bis zum Eintauchen des Füllrohres in den Flüssigkeitsspiegel fortgesetzt.
In dieser langsamen Phase bleibt auch der Zylinder 15 für die Füllrohrentleerung über beide Anschlüsse des Wechselventils 13 unter Druck und damit geschlossen.

Schnellfüllphase B

[0015] Die elektronische Steuerung 17 entlastet nach Ablauf der in der Elektronik für die Anfüllphase vorgewählten Zeit über Magnetventil 12 den Druckluftraum des Begrenzungszylinders 2, so daß dieser sich mittels Federkraft in seine obere Endlage begibt. Die Hubbegrenzung für den Ventilschließkörper 3 ist dadurch aufgehoben. Der volle Strömungsquerschnitt steht jetzt für das ins Füllrohr 10 einfließende Getränk zur Verfügung. Mit hohem Füllgutdurchsatz erfolgt nun die Befüllung des meist fülltechnisch unkritischen zylindrischen Mittelteils der Flasche. Die Dauer der Schnellfüllphase ist flaschen- und getränkespezifisch über die Rechnersteuerung frei einstellbar. Um hohe spezifische Füllventilleistungen zu erreichen, wird diese Füllphase bis möglichst weit in den Flaschenhals hinein fortgesetzt.

[0016] Bei der über Magnetventil 12 vorgenommene Druckentlastung des Begrenzungszylinders 2 wurde auch ein Anschluß des Wechselventils 16 in der Verbindung zum Füllrohrentleerungszylinder 15 mit auf atomosphärischen Druck entlastet.
Da jedoch der zweite Anschluß über Magnetventil 11 noch immer unter Druck steht, bleibt das Füllrohrentleerungsventil weiter geschlossen.

Bremsfüllphase C

[0017] Durch erneute Aktivierung von Magnetventil 12 drückt der obere Pneumatikzylinder 2 den Ventilschließkörper abermals in seine Drosselstellung. Die Füllgeschwindigkeit geht wieder auf den Wert der Anfüllphase zurück.
Der Füllgutspiegel steigt jetzt blasenfrei im Flaschenhals auf und belegt sauber die Signalhülse 18 am Füllrohr 10, so daß ein entsprechendes Füllhöhensignal an die Elektronik geht.

Korrekturfüllen und Füllende

[0018] In Abhängigkeit vom Sondensignal entlastet Magnetventil 11 den unteren Pneumatikzylinder 1. Der Zylinderkolben schließt mittels Federkraft den Ventilsitz und beendet die Füllung. Unmittelbar nach Schalten von Magnetventil 11 wird auch der von dort weitergeführte Anschluß Wechselventil 13 drucklos. Der nach wie vor über Magnetventil 12 anstehende Druck hält auch in dieser Phase weiter den Füllrohrentleerungszylinder 15 geschlossen. Auch der obere Begrenzungszylinder 2 verbleibt druckbeaufschlagt in seiner unteren Endlage, in der er jedoch keinen Funktionseinfluß mehr auf den geschlossenen Ventilsitz hat. Über einen frei wählbaren Zeitversatz zwischen Sondensignal und Schließen des Ventilkegels kann die Füllhöhe auf das gewünschte Füllmengenmaß korrigiert werden.

Füllrohrentleerung

[0019] Unmittelbar dann wenn das Hubelement die Flasche vom Füllventil löst, fällt auch Magnetventil 12 ab und entlastet den zweiten Anschluß am Wechselventil 13. Der Füllrohrentleerungszylinder 9 öffnet über Federkraft und entlüftet das Füllrohr 10. Das im Füllrohr 10 verbliebene Getränk kann nun in die sich abwärts bewegende Flasche abfließen. Auch der Begrenzungszylinder 2 am Ventilsitz wird jetzt druckentlastet und begibt sich in seine obere Endstellung. Nach Belegung der Füllstelle mit der nächsten Flasche wiederholt sich die gleiche Prozedur.

Membranventil 16 zum Gasspülen der Flasche

[0020] Das zusätzlich noch am Füllelement angeordnete pneumatisch betätigte Membranventil 16 wird zum Spülen der Flasche mit Inertgas vor der eigentlichen Füllung und zum Umspülen der Flaschenmündung mit Schutzgas (Mikrobiologie) benutzt. Auf den eigentlichen Füllprozeß hat es keinen Einfluß.

Ansprüche

1. Füllventil zum Abfüllen von Flüssigkeiten in Flaschen und dgl. mit einem durch eine Kolben-/Zylindereinheit (1) ansteuerbaren heb- und senkbaren Ventilschließkörper (3) für den oberhalb des Austrittskanals (6') angeordneten Ventilsitz (5), wobei der Ventilschließkörper (3) in Öffnungs- und/oder in Schließrichtung in unterschiedliche Öffnungsabstände zum Ventilsitz (5) ansteuerbar ist und mit einer ersten Kolbenzylindereinheit (1) für den ersten Öffnungshub und einer zweiten Anschlags- und/oder Kolbenzylindereinheit (2) für den zweiten und/oder weiteren Öffnungshub in Verbindung steht.

2. Füllventil gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der ersten Kolbenzylindereinheit (1) der erste und weitere Öffnungshub und mit der zweiten Anschlags- und/oder Kolbenzylindereinheit (2) ein Zwischenhub einstellbar ist.

3. Füllventil gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der ersten Kolbenzylindereinheit (1) der gesamte Öffnungshub und mit der zweiten Anschlags- und/oder Kolbenzylindereinheit (2) ein Zwischenhub einstellbar ist.

4. Füllventil gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung zweiter Kolbenzylindereinheiten der erste Zylinder (1) einen geringeren Querschnitt als der zweite Zylinder (2) aufweist und beide Zylinder (1, 2) mit einem gemeinsamen Druck beaufschlagbar sind.

5. Füllventil nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kolbenzylindereinheit (1) federschließend und die zweite (2) federöffnend ausgebildet ist.

6. Füllventil nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung des einen Kolbens gegen Teile und/oder den Kolben der anderen Kolbenzylindereinheit (1, 2) anlegbar ist.

7. Füllventil nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub der zweiten Kolbenzylindereinheit (2) einstellbar ist.

8. Füllventil nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft mittels einer im Flüssigkeitskanal angeordneten Membran (6) gegenüber dem ersten Zylinderraum abgedichtet ist.

9. Füllventil nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubbewegungen in Schließrichtung des Ventilschließkörpers (3) in umgekehrter Weise erfolgen.

10. Füllventil gemäß Anspruch 1 mit einem dritten Zylinder (9) zur Belüftung des Füllrohres, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (1, 2, 9) über zwei Magnetventile (11, 12) in Verbindung mit einem selbstschaltenden Wechselventil (13) ansteuerbar sind.

11. Füllventil gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Druckfüllsystems die gleichen Bauteile genäß den Ansprüchen 1 bis 10 einsetzbar sind.

12. Füllventil nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllventil eine zusätzliche Entlastungsdüse aufweist.

Zeichnung