Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 14.
In der Getränkeindustrie ist bekannt, Flaschen, Fässer oder dergleichen Behälter, die in einer Füllmaschine mit einem flüssigen Füllgut, vorzugsweise mit einem Kohlesäure enthaltenden Füllgut gefüllt wurden, vor dem Verschließen mit einem unter Druck stehenden flüssigen Aufschäummedium zu beaufschlagen. Angestrebt ist ein Aufschäumen des Füllgutes in dem jeweiligen Behälter, um hierdurch über dem Füllgutspiegel im Behälter vorhandene Luft bzw. vorhandenen Luftsauerstoff zu verdrängen und die Beeinträchtigung des Füllgutes bzw. dessen Haltbarkeit und Geschmack durch Sauerstoff zu vermeiden. Als flüssiges Aufschäummedium wird dabei beispielsweise Wasser verwendet, und zwar beispielsweise jeweils im erhitzten Zustand. Zum Einbringen des Aufschäummediums dient wenigstens eine Einspritzdüse, der das Aufschäummedium unter Druck zugeführt wird und unter der die mit dem Füllgut gefüllten Behälter auf einer Transportstrecke zwischen einer Füllmaschine und einer auf diese Füllmaschine in der Produktionslinie folgenden Verschließmaschine hindurchgeführt werden. Das Einbringen bzw. Einspritzen der Aufschäumflüssigkeit sollte auch unter Berücksichtigung produktspezifischer Parameter sowie auch in Abhängigkeit von der Leistung der Produktionslinie, d.h. in Abhängigkeit von der Anzahl der je Zeiteinheit mit dem Aufschäummedium behandelten Behälter so erfolgen, dass einerseits ein ausreichend starkes Aufschäumen erreicht wird, andererseits aber ein Überschäumen vermieden ist. Weiterhin ist es erforderlich, das Einbringen des Aufschäummediums keimfrei durchzuführen.
Der in die Behälter zum Aufschäumen eingebrachte Energieeintrag ist von verschiedenen Parametern abhängig, so u.a. von der Temperatur und Menge des in den jeweiligen Behälter eingebrachten Aufschäummediums sowie auch vom Einspritzdruck, mit dem dieses Medium in die Behälter eingespritzt wird. Ebenfalls ist auch die Einspritzzeit zu berücksichtigen.
Bei bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen zum Aufschäumen werden der Einspritzdruck und der Volumenstrom des Aufschäummediums für das jeweilige Füllgut und für eine bestimmte Sollleistung der Füllmaschine bzw. der Produktionslinie fest eingestellt. Schwankungen in der Leistung der Produktionslinie führen dann aber zwangsläufig zu einem fehlerhaften Aufschäumen des Füllgutes in den Behältern, d.h. entweder zu einem nur unzureichenden Aufschäumen oder aber zu einem Überschäumen.
Bekannt ist weiterhin auch eine Vorrichtung zum gesteuerten Zuführen eines InertGases, beispielsweise CO2-Gases an Getränkedosen während des Verschließvorgangs, um durch Verdrängen von Luft und Luftsauerstoff oberhalb des Füllgutspiegels die Haltbarkeit des Produktes zu verbessern (
Ebenfalls bekannt wurde eine Aufschäumvorrichtung zum Verdrängen des Restluftvolumens aus mit einem aufschäumbaren flüssigen Füllgut gefüllten Behälter nach der
Ebenfalls bekannt wurde eine Vorrichtung zum Erzeugen von Schaum im Hals von mit kohlensäurehaltigen Getränken gefüllten Flaschen nach der
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem ein verbessertes Aufschäumen eines in Flaschen oder dergleichen Behälter abgefüllten Füllgutes erzielt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 14.
Nach einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis eignet sich von diesen Parametern im Wesentlichen nur der Einspritzdruck für eine Regelung des Energieeintrages bzw. des Aufschäumprozesses in Abhängigkeit von der Leistung der Produktionslinie bzw. in Abhängigkeit von der Leistung der Füllmaschine und der nachfolgenden Verschließmaschine. Der Erfindung liegt aber weiterhin die Erkenntnis zugrunde, dass eine Regelung des Aufschäumprozesses und dabei insbesondere des Einspritzdruckes in Anhängigkeit von der Leistung der Produktionslinie bzw. des Füllers und damit auch von der Anzahl der je Zeiteinheit mit dem Aufschäummedium behandelten Behälter nur dann möglich ist, wenn der Einspritzdruck in einem weiten Bereich regelbar ist, beispielsweise in einem Bereich zwischen wenigstens 1 bar und 8 bar, vorzugsweise in einem Bereich zwischen wenigstens etwa 1 bar und 15 bar, und zwar bei entsprechend geringem Volumenstrom des flüssigen Aufschäummediums, beispielsweise bei einem Volumenstrom von maximal 2 l/min, vorzugsweise von maximal 1,5 l/min für die den Einspritzdruck erzeugende Pumpe. Bei der Erfindung erfolgt in dieser Weise eine echte Regelung des Energieeintrags bzw. des Aufschäumprozesses in Abhängigkeit von der Leistung der Produktionsanlage. Durch Auswahl der produktspezifischen Parameter, nämlich der Art des Füllgutes, der Fülltemperatur, der Art der Behälter bzw. Flaschen usw. an der Steuereinrichtung bzw. an einer dort vorgesehenen Eingabevorrichtung wird durch diese Steuereinrichtung für die jeweilige Leistung der Produktionslinie der Sollwert für den Einspritzdruck ermittelt, und zwar beispielsweise durch Entnahme aus einer im Speicher elektronisch abgelegten Liste oder Tabelle. Durch Messung des Einspritzdruckes an der Einspritzdüse mit einem dort vorgesehenen Drucksensor wird dieser tatsächliche Einspritzdruck als Istwert mit dem Sollwert verglichen und die Drehzahl und/oder Leistung der Pumpe derart nachgeregelt, dass der Istwert dem Sollwert entspricht.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur, die in vereinfachter Darstellung eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Hochdruckeinspritzung zeigt, näher erläutert.
Die in der Figur allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung ist Bestandteil einer Produktionslinie zum Füllen von Flaschen 2 oder dergleichen Behälter mit einem flüssigen Füllgut sowie zum Verschließen der gefüllten Flaschen 2 und dient dazu, das in die Flaschen 2 abgefüllte Füllgut, insbesondere kohlesäurehaltiges Füllgut durch einen gesteuerten Energieeintrag derart aufzuschäumen, dass durch den sich bildenden Schaum Luft und insbesondere Luftsauerstoff oberhalb des Füllgutspiegels aus der Flasche 2 verdrängt wird, ohne das es zu einem Überschäumen kommt. Der Energieeintrag erfolgt gesteuert durch wenigstens eine Einspritzdüse 3, die oberhalb der Bewegungsbahn der aufrecht stehenden Flaschen 2 zwischen einer nicht dargestellten Füllmaschine und einer ebenfalls nicht dargestellten Verschließmaschine vorgesehen ist. Für das Aufschäumen wird in jede sich unter der Einspritzdüse 3 vorbeibewegende Flasche eine bestimmte Menge an einem flüssigen, das Aufschäumen bewirkenden ggf. erwärmten Medium mit einem bestimmten Einspritzdruck eingebracht. Das Aufschäummedium ist dabei beispielsweise Wasser- oder aber Füllgut.
Der jeweilige Energieeintrag setzt sich insbesondere aus der kinetischen Energie, d. h. aus der Menge und aus dem Einspritzdruck des eingebrachten Aufschäummediums sowie aus der Wärmeenergie, d. h. aus der Temperatur des Aufschäummediums zusammen. Um auch bei unterschiedlicher Leistung der Produktionsanlage, d. h. bei unterschiedlicher Anzahl der je Zeiteinheit gefüllten und verschlossenen Flaschen 2 bzw. bei unterschiedlicher Anzahl der je Zeiteinheit die Einspritzdüse 3 passierenden Flaschen 2 den Energieeintrag in jede Flasche 2 möglichst konstant zu halten, wird bei der Vorrichtung 1 in der nachstehend noch näher beschriebenen Weise bei konstanter oder im Wesentlichen konstanter Temperatur des Aufschäummediums die kinetische Energie des Energieeintrags durch Änderungen des Einspritzdruckes in Abhängigkeit von der Leistung geregelt, wobei während des Betriebes der Vorrichtung 1 das Aufschäummedium ständig aus der Einspritzdüse 3 mit der an die Leistung der Produktionslinie angepassten Menge und dem angepassten Einspritzdruck aus der Einspritzdüse 3 austritt.
Im Einzelnen besteht die Vorrichtung 1 u.a. aus einem Pumpenkreis 4, dessen wesentlicher Bestandteil eine Hochdruckpumpe 5 mit einem frequenzgeregeltem Antriebsmotor ist. Der Eingang der Pumpe 5 steht über einen Durchflussmesser 6 und eine Leitung 7 mit einer Quelle 8 in Verbindung, die das flüssige Aufschäummedium zur Verfügung stellt. Diese Quelle 8 ist beispielsweise das jeweilige Versorgungsnetz für Frischwasser, wobei dann in der Leitung 7 noch weitere Elemente, wie z. B. Steuer- und/oder Sperrventile, Filter usw. vorgesehen sind. Mit 9 ist ein in der Leitung 7 vorgesehener Temperatursensor bezeichnet, mit der die Temperatur des von der Quelle 8 zur Verfügung gestellten Aufschäummediums ermittelt wird.
Parallel zu der Serienanordnung aus der Pumpe 5 und dem Durchflussmesser 6 ist ein Bypass, der im Wesentlichen von einer Leitung 10 gebildet ist, die den Ausgang der Pumpe 5 mit dem in Strömungsrichtung des Aufschäummediums vor der Pumpe 5 angeordneten Einlass des Durchflussmessers 6 verbindet. In der Leitung 10 sind u.a. eine Drossel 11 sowie ein den Druck am Ausgang der Pumpe 5 messender Drucksensor 12 und ein weiterer Temperatursensor 13 angeordnet. Der von dieser Drossel 11 gebildete Strömungsquerschnitt ist so gewählt, dass auch bei einem geringen Volumenstrom oder bei Fehlen eines Volumenstroms am Ausgang des Pumpenkreises 4 ein für das Schmieren und Kühlen der Pumpe 5 ausreichender Mindestdurchfluss durch die Pumpe 5 gewährleistet ist.
Der Ausgang des Pumpenkreises 4 ist über eine Leitung 14 mit dem Eingang eines beispielsweise elektrisch betriebenen Heizkessels 15 verbunden, der wesentlicher Bestandteil eines Heizkreises 16 ist und an dem bei der dargestellten Ausführungsform u. a. ein Drucksensor 17, ein Füllstandsensor 18 und ein Temperatursensor 19 vorgesehen sind. Der Ausgang des Heizkessels 15 ist über eine Leitung 20 mit der Einspritzdüse 3 verbunden, die beispielsweise einen definierten, allerdings auf das jeweilige Füllgut einstellbaren Düsen- oder Strömungsquerschnitt aufweist. In der Leitung befindet sich vor der Einspritzdüse 3 ein elektrisch steuerbares Sperrventil 21 und in Strömungsrichtung vor diesem Sperrventil ein weiterer Temperatursensor 22.
Zwischen dem Temperatursensor 22 und dem Sperrventil 21 zweigt von der Leitung 20 eine Bypass-Leitung 23 ab, in der ein elektrisch steuerbares Sperrventil 24 vorgesehen ist und die zu einem Ablauf 25 führt. Eine ähnliche Bypass-Leitung 26, in der ein elektrisch betätigbares Sperrventil 27 vorgesehen ist und die zu einem Ablauf 28 führt, zweigt am Einlass des Heizkessels 15 ab.
Gesteuert durch eine zentrale Steuereinheit 29, der u.a. die Signale der verschiedenen Temperatursensoren und Drucksensoren zugeführt werden, sind zunächst folgende grundsätzliche Arbeitsweisen möglich:
Wie oben ausgeführt, erfolgt die Regelung des Energieeintrages bei der Hochdruckeinspritzung durch Steuerung des Druckes am Ausgang der Pumpe 5 und damit des Einspritzdruckes des Aufschäummediums an der Einspritzdüse 3 in Abhängigkeit von einem für das jeweilige Füllgut typischen leistungsabhängigen Sollwert. Dieser produkttypische Sollwert ist beispielsweise als Datensatz in einem Speicher 30 der rechnergestützten Steuereinrichtung 29 abgelegt, sodass die Steuereinrichtung 29 die Pumpe 5 dann produkt- und leistungsabhängig (Behälter/Stunde) regeln kann, und zwar unter Berücksichtigung eines der Leistung der Produktionslinie (gefüllte und verschlossene Flaschen 2 je Zeiteinheit) entsprechenden und beispielsweise an der Füllmaschine abgeleiteten Steuersignals und unter Berücksichtigung des an der Einspritzdüse 3 anliegenden und z.B. von dem Drucksensor 17 ermittelten Drucks, jeweils als Istwerte.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Pumpe 5 bzw. der Pumpenkreis 4 so ausgebildet, dass eine Regelung des Pumpendruckes im Bereich zwischen wenigstens 2 bar und 16 bar möglich ist, und zwar bei einem relativ kleinen Förderstrom im Bereich von etwa 0,7 - 1,5 l/min.
Da mit zunehmender Leistung der Produktionsanlage die Zeitdauer, in der sich jede Flasche 2 unter der Einspritzdüse 3 befindet und damit auch die eingebrachte Menge an Aufschäummedium abnehmen, wird mit zunehmender Leistung der Produktionsanlage der Einspritzdruck erhöht.
Abhängig von dem jeweiligen Füllgut wird bei der dargestellten Ausführungsform auch der Durchmesser der Einspritzdüse 3 verändert, d.h. bei einem Füllgut, welches leicht zum Aufschäumen neigt, wie z.B. Weißbier, wird eine Einspritzdüse 3 mit reduziertem Düsendurchmesser verwendet. Umgekehrt kommt bei einem Produkt oder Füllgut, welches nur schwer zur Schaumbildung neigt, eine Einspritzdüse 3 mit einem größeren Düsendurchmesser zur Anwendung.
In der nachstehenden Tabelle sind für drei unterschiedliche Produkte typische Verfahrensparameter wiedergegeben, und zwar unter Berücksichtigung von Flaschen 2, die an ihrer Flaschenmündung einen Innendurchmesser von 22 mm aufweisen.
2) ist dabei das minimale in die jeweilige Flasche 2 eingebrachte Volumen Vmin an Aufschäummedium und steht jeweils für eine maximale Leistung von etwa 29 000 Flaschen je Stunde, bei einem Einspritzdruck von 15 bar.
Für die Pumpe 5 ergeben sich dabei die in der nachfolgenden Tabelle zusammengefassten Arbeitspunkte:
Generell ist aus den vorstehenden Tabellen u.a. ersichtlich, dass unabhängig von dem jeweiligen Produkt das Verhältnis Vmax/Vmin etwa 3 - 4 beträgt, der Pumpendruck bei hoher Leistung deutlich über 8 bar liegt und die maximale eingespritzte Menge Vmax an Aufschäummedium selbst bei dem schwer aufschäumbaren Produkt 3 und bei niedriger Leistung der Produktionsanlage deutlich unter 0,05 ml je Flasche liegt.
Die geringe Menge an in die Flaschen 2 einzubringendem Aufschäummedium hat u.a. auch den Vorteil, dass bei Verwendung von Wasser als Aufschäummedium keine oder im Wesentlichen keine Verdünnung des Produktes eintritt und dass insbesondere auch der Verbrauch an Aufschäummedium wesentlich reduziert wird.
Durch den von der Leitung 10 gebildeten Pumpen-Bypass ist es möglich, die aus der Einspritzdüse 3 austretende Menge an Aufschäummedium in der erwünschten Weise klein zu halten und dennoch eine ausreichende Mindestfördermenge für die Pumpe 5 sicherzustellen, insbesondere auch zur Schmierung und/oder Kühlung der Pumpe 5. Weiterhin ist durch den Pumpen-Bypass ein Überschwingen beim Regeln des Pumpendruckes in Abhängigkeit von der Leistung der Produktionsanlage vermieden, d.h. bei nur extrem kleinen Druckschwankungen beispielsweise im Bereich von maximal +/- 0,3 bar ist ein Nachregeln des Pumpendruckes in extrem kurzer Zeit, beispielsweise in 0,5 Sek. erreichbar, und zwar selbst bei einer extremen Änderungen der Anlagenleistung.
So ist es beispielsweise möglich, mit einem im Transportweg der Flaschen 2 auf die Einspritzdüse 3 folgenden Sensor, z.B. mit einem optoelektrischen Sensor 31 beispielsweise in Form einer Kamera das mit der Hochdruckeinspritzung erzeugte Aufschäumen als Ist-Aufschäumung zu erfassen und mit einer zugeordneten Soll-Aufschäumung zu vergleichen, sodass dann auf relevante Parameter des Einspritzprozesses, insbesondere Einspritzdruck usw. regelnd oder steuernd eingewirkt werden kann.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass der Einspritzdruck durch den Druck der Pumpe 5 geregelt wird. Auch andere Maßnahmen sind denkbar, beispielsweise eine Regelung durch gesteuertes Öffnen und Schließen einer Bypass-Leitung, beispielsweise der Bypass-Leitung 26 und/oder durch gesteuertes Öffnen und Schließen der dem Pumpen-Bypass bildenden Leitung 10. Auch verschiedene Kombinationen zur Regelung des Einspritzdruckes an der Einspritzdüse 3 sind denkbar.
Weiterhin ist es auch möglich, mehrere Einspritzdüsen 3 mit jeweils einem Sperrventil 21 und einer zugehörigen steuerbaren Bypassleitung 23 vorzusehen, und zwar beispielsweise derart, dass jede Flasche 2 für das Aufschäumen mehrere Einspritzdüsen 3 passiert.
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