DE4324592C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einfüllen einer Flüssigkeit in Gefäße - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Die Ableitung des Rückgases beim Füllen von Gefäßen wie z. B. Flaschen mit einer Flüssigkeit wie z. B. einem Getränk über eine Drossel hat den Vorzug, daß die Füllgeschwindigkeit durch den Drosselquerschnitt genau bestimmt und auch bei größeren Druckschwankungen gut eingehalten wird. Voraussetzung hierfür ist ein bestimmter Mindestdifferenzdruck zwischen den beiden Seiten der Drossel, d. h. zwischen dem Gefäßinneren einerseits und der Kammer andererseits. Wird dieser kritische Differenzdruck unterschritten, so wird die Durchflußgeschwindigkeit in der Drossel stark druckabhängig und es entstehen entsprechende Schwankungen in der Füllgeschwindigkeit. Dieser kritische Differenzdruck beträgt z. B. bei einer in Flaschenfüllmaschinen üblichen Drossel mit einem Durchmesser von 0,7 mm ca. 0,5 bar.

Durch die DE-OS 15 32 578 ist bereits ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei dem in der Kammer ein atmosphärischer Druck aufrechterhalten wird. Die Gefäße werden vor dem Einleiten der Flüssigkeit mit einem relativ hohen Druck vorgespannt, der mit dem Flüssigkeitsdruck übereinstimmt. Dies hat zur Folge, daß nur stabile Gefäße, wie z. B. dickwandige Glasflaschen, gefüllt werden können. Gefäße, die nur einen Abfülldruck von beispielsweise 0,5 bar über Atmosphärendruck oder weniger zulassen, können so nicht gefüllt werden.

Dies gilt erst recht für ein anderes Verfahren, wie es aus der DE 37 17 256 A1 bekannt ist. Hier wird in der Kammer, in welche die Drossel einmündet, ein Überdruck eingeregelt, der zwischen dem Fülldruck und dem kritischen Druck der Drossel liegt. Entsprechend hoch muß der Abfülldruck sein. Konkret wird beim Abfüllen von Bier ein Fülldruck, d. h. ein Flüssigkeits- und Spanngasdruck, von 2 bar und ein Kammerdruck von 1,25 bar eingeregelt, jeweils über dem Atmosphärendruck.

Noch höher ist die Druckdifferenz bei dem Verfahren nach der DE 38 07 046 A1, das speziell zum Abfüllen von Sekt in entsprechend dickwandige Flaschen ausgelegt ist. Hier beträgt der Flüssigkeits- und Spanngasüberdruck 6,5 bar und der Überdruck in der Rückgaskammer 0,8 bar.

Andererseits ist durch die US-PS 2 660 357 bereits ein Verfahren zum Einfüllen einer Flüssigkeit in Flaschen bekannt, bei dem durch gleichzeitige Beaufschlagung der Flüssigkeit mit Überdruck und des Flascheninneren mit Unterdruck die Füllgeschwindigkeit erhöht werden soll. Der Abfluß des Gases aus der Flasche während des Einlaufens der Flüssigkeit erfolgt vollkommen ungedrosselt. Die Regelung der Füllgeschwindigkeit erfolgt allein durch die Druckverhältnisse in der Flüssigkeit und in der Rückgaskammer. Außerdem ist dieses bekannte Verfahren nicht für gashaltige Flüssigkeiten geeignet, da das Flascheninnere während des gesamten Füllvorgangs unter Vakuum steht, wodurch eine Gasentbindung begünstigt würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art auch bei niedrigen Abfülldrücken die Vorteile des Ableitens des Rückgases über eine Drossel nutzbar zu machen. Außerdem soll eine einfach aufgebaute und betriebssicher arbeitende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann der Abfülldruck, d. h. der Druck der Flüssigkeit und evtl. des Spanngases, gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich abgesenkt werden, so daß auch dünnwandige, instabile Gefäße zuverlässig mit konstanter Füllgeschwindigkeit gefüllt werden können. Dabei wird durch die Wirkung der Drossel eine besonders gleichmäßige Füllgeschwindigkeit ermöglicht und unnötiger Energieaufwand verhindert. Entsprechendes gilt auch für die in den Ansprüchen 2 und 3 angegebenen Weiterbildungen der Erfindung.

Eine besonders gefäßschonende Abfüllung ist möglich, wenn gemäß den in den Ansprüchen 4 und 5 angegebenen Weiterbildungen der Erfindung der Fülldruck gleich dem Atmosphärendruck oder max. 0,5 bar größer ist.

Der in der Kammer enthaltene Unterdruck wird gemäß besonders vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen 6 bis 8 angegeben sind, zusätzlich zum Evakuieren des Gefäßes vor dem Flüssigkeitseinlauf und zum Entspannen des Gefäßinhalts auf Atmosphärendruck nach Beendigung des Flüssigkeitseinlaufs herangezogen. Der Unterdruck wird so mehrfach ausgenutzt.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist äußerst einfach und betriebssicher aufgebaut. Im Normalfall ist nicht einmal eine Regeleinrichtung für den Druck im Rückgasbehälter erforderlich. Es genügt, wenn die Leistung der Vakuumpumpe ausreicht, um bei allen vorkommenden Betriebsbedingungen den Druck im Rückgasbehälter unter dem kritischen Wert zu halten.

Im einfachsten Falle, wenn der Fülldruck gleich dem Atmosphärendruck ist, sind keine weiteren Leitungen im Füllorgan erforderlich. Um jedoch auch ein Füllen bei leichtem Überdruck und weitere günstige Verfahrensschritte durchführen zu können, wird gemäß den in den Ansprüchen 10 bis 13 enthaltenen Weiterbildungen der Erfindung die Anbringung zusätzlicher Leitungen und steuerbarer Ventile vorgesehen. Auf diese Weise wird ein mehrfacher Nutzen des Unterdrucks im Rückgasbehälter ermöglicht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß Anspruch 14 das Füllorgan eine Füllstandssonde zur Steuerung des Füllvorgangs aufweist. Hierbei können bei Erreichen des vorbestimmten Füllstandes das Flüssigkeitsventil und erforderlichenfalls das Rückgasventil sofort geschlossen werden, so daß der Abfülldruck durch den Unterdruck im Rückgasbehälter nicht beeinträchtigt wird.

Beim Abfüllen unter Atmosphärendruck oder mit leichtem Überdruck ist im Normalfall eine dem Abziehen des Gefäßes vom Füllorgan vorausgehende zusätzliche Entlastung auf Atmosphärendruck nicht erforderlich. Falls doch, so wird gemäß der im Anspruch 15 angegebenen Weiterbildung der Erfindung das Füllorgan mit einer eigenen Entlastungseinrichtung versehen.

Das gasdichte Verbinden des Füllorgans mit dem Gefäß erfolgt entsprechend der im Anspruch 16 angegebenen Weiterbildung der Erfindung vorteilhafterweise durch einen Dichtring und ein Huborgan.

Im Nachstehenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt die schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Füllen von Gefäßen, teilweise im Schnitt.

Diese Vorrichtung ist zum Einfüllen eines natürlichen bzw. stillen Mineralwassers in Flaschen 22 aus Kunststoff unter einem leichten Überdruck von 0,5 bar eingerichtet. Sie weist einen nicht gezeigten Rotor mit senkrechter Drehachse 23 auf, an dessen Umfang gleichmäßig verteilt mehrere gleichartige Füllorgane 1 mit je einem zugeordneten Huborgan 21 angeordnet sind.

Jedes Füllorgan 1 weist einen Ventilblock 24 auf, an dessen unterem Ende ein zylindrischer Auslauf 2 für die Flüssigkeit ausgebildet ist. Der Auslauf 2 steht über eine senkrechte Ventilkammer 26 und eine horizontale Flüssigkeitsleitung 25 mit einem ringförmigen Flüssigkeitsbehälter 4 in Verbindung.

Dieser ist konzentrisch zur Drehachse 23 angeordnet und wird über einen Drehverteiler 29 mit der unter einem Überdruck von 0,5 bar stehenden Flüssigkeit versorgt. In der Ventilkammer 26 ist ein höhenbeweglicher Ventilkörper 27 angeordnet, der zusammen mit einer sich an den Auslauf 2 anschließenden konischen Verengung der Ventilkammer 26 das Flüssigkeitsventil 3 bildet. Der Ventilkörper 27 ist auf einem zylindrischen Rückgasrohr 15 befestigt, das konzentrisch zum Auslauf 2 angeordnet ist und nach unten hin aus diesem herausragt. Nach oben hin ist das Rückgasrohr 15 unter Bildung einer Gleitdichtung beweglich aus der Ventilkammer 26 herausgeführt, durchdringt eine Gaskammer 28, und ist schließlich wiederum beweglich und abgedichtet aus dem Ventilblock 24 herausgeführt. Das Rückgasrohr 15 steht durch mehrere Querbohrungen mit der Gaskammer 28 in Verbindung und ist am oberen Ende abgeschlossen. Die Höhenbewegung des Rückgasrohres 15 mit dem Ventilkörper 27 wird nach oben hin durch eine Feder 19 und nach unten hin durch einen pneumatischen Stellmotor 30 bewirkt, der das obere Ende des Rückgasrohres 15 beaufschlagt.

Im Inneren des Rückgasrohres 15 ist eine elektrische Füllstandssonde 16 befestigt, die am oberen Ende dicht aus dem Rückgasrohr 15 herausgeführt und mittels einer Leitung an eine elektronische Steuereinrichtung 31 angeschlossen ist. Die Sonde 16 erzeugt ein elektrisches Steuersignal, sobald ihr unteres Ende einen bestimmten Betrag in die in der Flasche 22 ansteigende Flüssigkeit eintaucht. Dieses Signal wird an die elektronische Steuereinrichtung 31 weitergegeben und steuert die Endphase des Füllvorgangs, wie weiter unten näher beschrieben ist.

Weiter ist im Ventilblock 24 eine Spanngasleitung 10 ausgebildet, die einerseits an einen ringförmigen Spanngasbehälter 12 und andererseits über ein steuerbares Spanngasventil 11 an die Gaskammer 28 und damit an das Rückgasrohr 15 angeschlossen ist. Im Spanngasbehälter 12, der über den Drehverteiler 29 mit CO₂ versorgt wird, ist wie im Flüssigkeitsbehälter 4 ein Überdruck von 0,5 bar eingeregelt. Der Fülldruck beträgt somit absolut gerechnet 1,5 bar.

Ferner ist im Ventilblock 24 eine Rückgasleitung 5 ausgebildet, in die eine Drossel 6 mit einer Bohrung von 0,7 mm Durchmesser eingesetzt ist. Die Rückgasleitung 5 ist einerseits über ein steuerbares Rückgasventil 9 an die Gaskammer 28 und damit an das Rückgasrohr 15 und andererseits an einen ringförmigen Rückgasbehälter 7 angeschlossen. Dieser liegt wie auch der Spanngasbehälter 12 konzentrisch zur Drehachse 23 und ist über den Drehverteiler 29 an eine Vakuumpumpe 8 angeschlossen. Diese erzeugt im Rückgasbehälter 7 ein ca. 90%iges Vakuum entsprechend einem absoluten Druck von ca. 0,1 bar. Die Druckdifferenz zwischen der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter 4 und zwischen dem Rückgas im Rückgasbehälter 7 beträgt somit ca. 1,4 bar. Diese Druckdifferenz liegt weit über der kritischen Druckdifferenz der Drossel 6 von 0,5 bar, so daß Druckschwankungen im Rückgasbehälter 7 und/oder im Flüssigkeitsbehälter 4 keine spürbare Veränderung der Durchflußgeschwindigkeit in der Drossel 6 bewirken. Eine Regelung des Druckes im Rückgasbehälter 7 ist daher nicht erforderlich.

Schließlich ist im Ventilblock 24 noch eine Evakuierungsleitung 14 ausgebildet, die einerseits über ein steuerbares Evakuierungsventil 13 an die Gaskammer 28 und damit an das Rückgasrohr 15 und andererseits hinter der Drossel 6 an die Rückgasleitung 5 und damit an den Rückgasbehälter 7 angeschlossen ist.

Das mit der vorbeschriebenen Vorrichtung durchführbare Füllverfahren läuft folgendermaßen ab:

Als erstes wird eine leere Flasche 22 durch das Huborgan 21, geführt durch eine nicht gezeigte Zentrierglocke, die auch den Dichtring 20 tragen kann, mit der Mündung über das Rückgasrohr 15 und die Sonde 16 hinweg gegen das Füllorgan 1 angehoben und an den Dichtring 20 angepreßt. Hierdurch wird eine gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen Füllorgan 1 und Flasche 22 erzeugt. Die Ventile 9, 11 und 13 sind hierbei geschlossen; das Flüssigkeitsventil 3 wird durch den Stellmotor 30 entgegen der Kraft der Feder 19 zwangsläufig zugehalten.

Dann wird durch die elektrische Steuereinrichtung 31, die auch alle weiteren Vorgänge steuert, das Evakuierungsventil 13 kurz geöffnet und wieder geschlossen. Hierbei wird das Rückgasrohr 15 über die Evakuierungsleitung 14 direkt mit dem Rückgasbehälter 7 verbunden. Aufgrund des darin mit Hilfe der Vakuumpumpe 8 aufrechterhaltenen Unterdrucks wird die Flasche 22 bis auf einen Restdruck von 0,1 bar evakuiert und somit die Luft größtenteils entfernt.

Nunmehr wird das Spanngasventil 11 geöffnet und gleichzeitig der Ventilkörper 27 durch den Stellmotor 30 zur Öffnung freigegeben. Jetzt strömt Spanngas aus dem Spanngasbehälter 12 über die Spanngasleitung 10 und das Rückgasrohr 15 in die Flasche 22 ein, bis in dieser gleichfalls ein Überdruck von 0,5 bar herrscht. Nun wird der Ventilkörper 27 automatisch durch die Feder 19 angehoben und der Flüssigkeitseinlauf aus dem Flüssigkeitsbehälter 4 über die Flüssigkeitsleitung 25, die Ventilkammer 26 und den Auslauf 2 beginnt. Gleichzeitig mit dem Öffnen des Flüssigkeitsventils 3 wird das Spanngasventil 11 wieder geschlossen und das Rückgasventil 9 geöffnet. Das durch das Einlaufen der Flüssigkeit ins Flascheninnere aus diesem verdrängte Rückgas, bestehend aus einem überwiegend CO₂ enthaltenden Luft-CO₂-Gemisch, wird nunmehr über das Rückgasrohr 15, die Gaskammer 28 und die Rückgasleitung 5 in den Rückgasbehälter 7 verdrängt. Dabei muß es die Drossel 6 passieren, die für einen gleichmäßigen Abfluß des Rückgases und damit für ein gleichmäßiges Einströmen der Flüssigkeit mit der gewünschten Geschwindigkeit sorgt.

Sobald der Flüssigkeitsspiegel in der Flasche 22 die Füllstandssonde 16 bzw. deren gewünschten Schaltpunkt erreicht, wird über die Steuereinrichtung 31 und den Stellmotor 30 das Flüssigkeitsventil 3 und das Rückgasventil 9 umgehend geschlossen. Die Flasche 22 ist dann bis zur gewünschten Höhe mit der Flüssigkeit gefüllt und es herrscht in ihrem Kopfraum ein Überdruck von 0,5 bar. Nunmehr wird die Flasche 22 durch Absenken des Huborgans 21 vom Füllorgan 1 abgezogen. Dabei entspannt sich gleichzeitig das Flascheninnere auf den atmosphärischen Umgebungsdruck.

Statt dessen ist es auch möglich, z. B. bei stärker schäumenden Flüssigkeiten, nach Schließen des Flüssigkeitsventils 3 das Rückgasventil 9 noch für eine bestimmte Zeitspanne offen zu halten bzw. nochmals zu öffnen, so daß sich der Druck in der Flasche 22 über die Drossel 6 allmählich auf den atmosphärischen Druck abbauen kann.

Falls auch diese Art der Entspannung nicht ausreicht, kann im Ventilblock 24 eine in den Auslauf 2 einmündende Entlastungsleitung 17 angebracht werden, die zu einem üblichen Entlastungsventil 18 führt, welches mit einer nicht gezeigten Drossel versehen ist und bei Betätigung das Flascheninnere mit der Atmosphäre verbindet. Dies ist in der Zeichnung strichpunktiert angedeutet.

Weiterhin ist es möglich, anstelle eines getrennten Flüssigkeitsbehälters 4 und Spanngasbehälters 2 einen einzigen Ringkessel anzubringen, der teilweise mit Flüssigkeit und teilweise mit Spanngas gefüllt ist.

Soll unter normalem Atmosphärendruck abgefüllt werden und ist keine Vorevakuierung erforderlich, so können die Einrichtungen für Spanngas, Evakuierung und Entlastung vollständig entfallen. Auch ein Rückgasventil 9 ist in diesem Falle nicht unbedingt erforderlich. Nach Öffnen des Flüssigkeitsventils 3 wird dann automatisch das Rückgas über die Drossel 6 und die Rückgasleitung 5 in den unter Unterdruck stehenden Rückgasbehälter 7 eingeleitet.

Auch ist es möglich, z. B. beim Füllen besonders empfindlicher Gefäße, den Druck im Rückgasbehälter 7 durch einen Sensor 32 zu überwachen und durch eine angeschlossene Regeleinrichtung 33 die Vakuumpumpe 8 und/oder ein nicht gezeigtes Ansaugventil zu steuern.

Claims (16)

1. Verfahren zum Einfüllen einer Flüssigkeit in ein gasdicht mit einem Füllorgan verbundenes Gefäß, wobei das während des Einlaufens der Flüssigkeit aus dem Gefäß verdrängte Gas zumindest zeitweise über eine mit einer Drossel versehene Leitung in eine Kammer geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer ein Unterdruck aufrechterhalten wird, der derart bemessen ist, daß die Druckdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsdruck und dem Unterdruck größer ist als die kritische Druckdifferenz der Drossel.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz bei einer Drossel mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 mm größer ist als 0,5 bar.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsdruck geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsdruck maximal 0,5 bar größer ist als der Atmosphärendruck.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsdruck gleich dem Atmosphärendruck ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gasdicht mit dem Füllorgan verbundene Gefäß vor dem Einlaufen der Flüssigkeit vorzugsweise unter Umgehung der Drossel mindestens einmal mit der Kammer verbunden und so die im Gefäß enthaltene Luft teilweise abgesaugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gasdicht mit dem Füllorgan verbundene Gefäß nach Beendigung des Flüssigkeitseinlaufs für eine bestimmte Zeitspanne mit der Kammer verbunden wird oder verbunden bleibt und dadurch ein im Gefäß enthaltener Überdruck auf Atmosphärendruck abgebaut wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer ein absoluter Druck von ca. 0,1 bar aufrechterhalten wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einem Füllorgan, dessen Auslauf über ein steuerbares Flüssigkeitsventil mit einem Flüssigkeitsbehälter und dessen Rückgasleitung über eine Drossel mit einem separaten Rückgasbehälter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Rückgasbehälter (7) eine Vakuumpumpe (8) angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Rückgasleitung (5) ein steuerbares Rückgasventil (9) eingeschaltet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllorgan (1) eine Spanngasleitung (10) aufweist, die über ein steuerbares Spanngasventil (11) mit einem Spanngasbehälter (12) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllorgan (1) eine Evakuierungsleitung (14) aufweist, die über ein steuerbares Evakuierungsventil (13) unter Umgehung der Drossel (6) an den Rückgasbehälter (7) angeschlossen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgasleitung (5), die Spanngasleitung (10) und ggf. die Evakuierungsleitung (14) in ein gemeinsames Rückgasrohr (15) einmünden, welches den Auslauf (2) des Füllorgans (1) durchdringt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllorgan (1) eine Füllstandssonde (16) aufweist, die bei Erreichen einer bestimmten Füllhöhe im Gefäß ein Schließen des Flüssigkeitsventils (3) und ggf. des Rückgasventils (9) auslöst.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllorgan (1) eine Entlastungsleitung (17) aufweist, die über ein steuerbares Entlastungsventil (18) mit der Atmosphäre verbunden ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Füllorgan (1) einen konzentrisch zum Auslauf (2) angeordneten Dichtring (20) aufweist und jedem Füllorgan (1) ein das zu füllende Gefäß an den Dichtring (20) andrückendes Huborgan (21) zugeordnet ist.