EP3345863A2 - Füllvorrichtung und verfahren zum befüllen von zylindrischen behältern, insbesondere dosen - Google Patents

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EP3345863A2
EP3345863A2 EP17002044.0A EP17002044A EP3345863A2 EP 3345863 A2 EP3345863 A2 EP 3345863A2 EP 17002044 A EP17002044 A EP 17002044A EP 3345863 A2 EP3345863 A2 EP 3345863A2
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filling
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Definitions

  • the invention relates to a filling device and a method for filling cylindrical containers, in particular cans.
  • filling devices and methods for filling containers are known in various embodiments.
  • the filling amount is determined by the fill level in the art for filling the container with a desired filling volume, which is set by the position of the opening of a return air tube or a return air hole of the filling or by means of sensor (level probe ) and actuator (valve) and appropriate control logic - usually electronic or electropneumatic - is set.
  • Known filling systems which use a designed as a tube with a return air duct probe, which is arranged in the container extending into use, for controlling the filling level during filling, provide that during the filling process from the container, on which the filling device is arranged sealingly through the incoming fluid displaced gas is discharged via the return air duct from the container.
  • the filling process is automatically stopped when the channel end projecting into the container is submerged in the fluid level.
  • the container is then subjected to a gas with a slight overpressure, so that excess fluid is pushed back through the return air duct into the reservoir and the fluid level has dropped to the level of the probe opening.
  • the actual filling is usually for removing air from the container - to avoid unwanted gas binding, gas exchange or gas entry with atmospheric oxygen, which may have a quality change of the fluid due to oxidation reactions or increased bacterial load - both in unpressurized filling as well as in the pressure filling in Sealed sealing position on the filling device arranged container evacuated and / or flushed with a sterile gas or inert gas, which can be filled via the return air duct.
  • the container can also be covered with the intended for filling back pressure.
  • a disadvantage of such filling systems are the remaining in the connecting paths between the return air duct and the reservoir fluid residues from a previous filling, which are injected together with the gas as an aerosol in the tank during pressure equalization or covering. This can result in the discharge of a carbonated fluid to the escape of CO 2 from the fluid and thus to excessive foaming at the end of the filling process.
  • a first embodiment of a filling device for a predetermined cylindrical container whose container opening has a diameter which is smaller by a predetermined amount than the inner diameter of the predetermined container, has a filling valve with a controllably guided in a filling tube piston.
  • Predetermined amount herein means the known ratio, which results from the diameters, which are defined here by the given dimensions of the yes known and therefore predetermined (selected) container.
  • the opening direction of the filling valve is arbitrary. It is important that the filling valve has the largest possible outer diameter, and is adapted to the diameter of the container opening, so that the filling valve can be coaxially inserted into the container through the container opening, preferably without friction.
  • the portion of the filling valve predetermined for introduction into the container has a volume in the range of 33 to 99% of the container volume.
  • the portion of the filling valve which is predetermined for insertion refers to the part of the filling valve which is introduced into the container when the filling valve has reached the lower end position.
  • the filling valve thus has an outer diameter which is slightly smaller than the diameter of the container opening, wherein the tolerances due to the exact manufacturability of the cylindrical container, in particular cans, can be small.
  • an annular gap remains between the filling valve and the container opening in order to allow the escape of air or gas when the filling valve is introduced into the container.
  • This annular gap preferably has a width in the millimeter range and can be, for example, 1 to 5% for commercial beverage cans.
  • the filling valve is movable relative to the container, i. h., That the filling valve is designed to be either movable, or the container is moved by means of a movable container receptacle in relation to the filling valve.
  • the filling device is particularly suitable for cylindrical containers such as cans, whose container openings have a diameter which is 70 to 99.5% of the container inner diameter is such that the predetermined for insertion into the container portion of the filling valve whose outer diameter is adapted to the opening diameter has a volume in the range of 49 to 99% of the container volume.
  • a filling device according to the invention can also be provided for containers whose container opening diameter is less than 70% of the container inner diameter, as long as the geometrical dimensions and thus the volume of the predetermined container are exactly known or determinable as in the case of cans.
  • the filling device has an attachment tube, which is arranged for sealing placement on the container opening and coaxially around the filling valve. Further, the attachment tube is controlled relative to the filling valve movable, wherein the filling valve is sealingly slidingly mounted in the attachment tube.
  • the top tube is formed for fluid communication or gas exchange with the container interior, d. H. that at the point where the attachment tube rests on the container opening, also an annular gap, now between the filling valve and the attachment tube, remains to allow the exchange of air or gas with the container interior when moving the filling valve in and out of the container when the attachment tube is arranged in a sealed position on the container.
  • the filling in particular the pressure filling
  • a cylindrical container such as a can without return air line and without complex measurement and control technology by means of a method according to the invention
  • a method according to the invention is possible, which is based on a lower-layer filling, in which the filling valve is opened, when it is fully inserted into the container and then opened in the container is moved upward, wherein the fluid level in the container, which adjusts itself in pressure equalization between the filling pressure and the back pressure in the container, always above the Greventilötechnisch. Fill valve opening refers to the opening end of the fill valve or the open seal seat of the fill valve.
  • the process according to the invention is described in detail below.
  • filling valves which open in the opposite direction, ie. H. that the piston is moved downwards with respect to the filling tube.
  • the attachment tube may preferably have a ring shoulder, which with a matched to the container opening sealing seat is trained.
  • the sealing seat can be equipped with a conventional sealing element.
  • the filling valve may have a collar whose diameter is adapted to the inner diameter of the attachment tube. On the outside circumference of the collar, a sliding seal is arranged to allow the relative movement between the filling valve and the top tube and at the same time seal the space in the top tube around the filling valve to the side facing away from the container side.
  • Both the sealing seat and the sliding seal of the attachment tube are gas-tight, so that gas that is trapped within the container and the extension tube can not escape.
  • the collar is arranged at a certain distance from the filling valve opening.
  • the (minimum) distance of the collar to the Greventilö ashamed may depend on the height of the predetermined container to be filled with the filler when the collar is to come to rest on the filling tube at the annular shoulder of the attachment tube when the intended for insertion section of the filling valve completely contained in the container, d. h., the filling valve opening is located at the container bottom or at a predetermined defined distance, which is provided for the complete insertion, above the container bottom.
  • the distance of the collar to the filling valve opening may also be greater than the predetermined by the height of the container distance: Then the collar, when the intended for insertion portion of the filling valve is completely received in the container to be well above the annular shoulder.
  • the top tube is dimensioned so that the released volume always corresponds to the displaced volume.
  • the attachment tube may have an inner diameter which substantially corresponds to the inner diameter of the predetermined container.
  • the filling valve will usually also have a circular cross-section corresponding to the usual circular cross-sectional shapes of the container such as cans. Do the Shape of the container to be filled and the container opening from the circular shape, the outer contours of the filling valve and the attachment tube are adapted thereto.
  • a further embodiment of the filling device according to the invention provides for a further improvement of the filling process by minimizing the inclusion of gas bubbles by a directed flow, which would lead to undesirable foaming at the end of the filling process.
  • the filling valve on an inner side of the filling tube or on an outer side of the piston or on both above the respective sealing surfaces on a Strömungsleit Jardin which is adapted to put the fluid emerging from the filling valve in a vortex or vortex movement.
  • the rotating flow of the fluid prevents the fluid from hitting and rebounding radially on the side wall of the vessel, thereby trapping gas bubbles that could accumulate as the fill valve rises and cause increased foaming.
  • the rotating flow produces significantly fewer gas bubbles, which are also smaller and located near the surface of the rising fluid level, so that they collapse before the filling process is completed, thereby preventing increased foaming.
  • the flow guiding structure can be formed for example by one or more spiral webs similar to a thread or by a blading.
  • the blading may be formed by a ring of vanes which, at least in one plane, i. H. in the circumferential direction with respect to the radial plane, are curved.
  • the guide vanes can also be curved in two planes, ie in the circumferential direction and in the longitudinal direction with respect to the radial plane.
  • the blading may be formed by a ring of blades, which may be curved or unbent, and disposed on the rotatable piston.
  • the piston is driven to rotate.
  • the filling device according to the invention is a device of simple design, which has no return air line and also no plurality of valves for filling (substantially) cylindrical containers such as cans - it comes out anyway. Furthermore, it does not require a fill level correction and still allows pressure compensation or preload and filling without complex measurement and control technology.
  • the filling device according to the invention and the method make use of the fact that cylindrical containers such as cans, in addition to bottles and cartons represent the most important packaging for drinks, especially for carbonated beverages such as beer or soft drinks, a very precisely crafted cylindrical shape - and thus a precise determinable volume - have a coaxial filling opening, which is smaller than the container diameter.
  • the volume is always the same and therefore exactly known in advance for similar cans, the predetermined fill volume corresponding to the nominal volume, so that the container volume V B can be considered to be predetermined.
  • Fig. 1 to 10 show an exemplary embodiment of a filling device 10 according to the invention in different phases during a method according to the invention for filling a can body as a container 20. Since the figures show a sequence of the filling device in different process steps, not all reference numerals are given in each figure. However, due to the equivalence of the representations, the assignment to the unmarked components and objects is readily given.
  • Fig. 1 shows a filling device 10, which according to the invention without pollluft effetslos return air duct and measuring medium free, and has a simple construction with a minimum number of valves.
  • the container to be filled 20 which is here a can body, whose substantially cylindrical shape is slightly tapered at the upper end to the coaxial filling opening 21 out.
  • the taper serves primarily for receiving the cover, not shown here, which is placed after completion of filling and connected by crimping with the edge of the can.
  • the inventive method uses this difference between the container inner diameter d l and the diameter d Do of the container opening 21, which may for example be between 70 and 99.5%, at doses usually between 80 to 90% of the container inner diameter d l .
  • a filling device according to the invention can also be provided for containers whose container opening diameter is significantly smaller than the container inner diameter, as is the case for example with bottles, provided that they are precisely manufactured with exactly determinable diameter and volume.
  • the filling device 10 shown has a movable filling valve 1, which consists of a filling tube 2 and controllably guided piston 3.
  • the filling valve 1 opens by the piston 3 is moved with respect to the filling tube 2 upwards.
  • the filling valve 1 has an outer diameter d Fa , which is adapted to the diameter d Do of the container opening 21 so that the filling valve 1 can be introduced without contact and friction through the container opening 21 in the container 20.
  • the method provides that the container 20 (as in Fig. 1 is arranged so with respect to the filling valve 1 that a coaxial centric insertion of the filling valve 1 through the container opening 21 into the container 20 is possible - this can be achieved by axially moving the filling valve 1 or the container 20, for example via a corresponding movable Container receptacle (not shown) take place.
  • the container 20 with the container volume V B is filled with ambient air (but possibly also with another gas, eg inert gas or carbon dioxide) at an outlet pressure po (eg ambient pressure, or optionally - if filling takes place in a closed system - preset outlet pressure).
  • ambient air but possibly also with another gas, eg inert gas or carbon dioxide
  • an outlet pressure po eg ambient pressure, or optionally - if filling takes place in a closed system - preset outlet pressure.
  • a predetermined for insertion into the container 20 portion of the filling valve 1 marked, which has the volume V F, which is to the present invention are in the range of 49 to 99% of the container volume V B and in the example shown about 65% of the container volume V B accounts.
  • the volume V F of the portion of the filling valve 1 of a container-filler combination predetermined for introduction into the container 20 is known and predetermined.
  • the filling device 10 shows an attachment tube 4 which is arranged coaxially around the filling valve 1 and is movable relative thereto and controlled independently thereof.
  • the Follventil 1 is sealingly slidably mounted in the tower tube 4 by means of a sliding seal 6.
  • the sliding seal 6 is circumferentially in front of a collar 5, which surrounds the filling tube 2 at a predetermined distance from the filling valve opening of the filling valve 1, at which the filling valve 1 opens.
  • This predetermined distance of the collar 5 to the filling valve opening of the filling valve 1 depends on the length of the intended for insertion portion of the filling valve 1 and thus from the height H of the container 20; because it is provided according to the invention that the collar 5 comes to rest (or at a defined distance to) the annular shoulder 7 when the intended for insertion section of the filling valve 1 is completely received in the container 20, ie in principle up to Container bottom 22 extends as in FIG Fig. 4 you can see.
  • the attachment tube 4 For sealing placement on the container opening 21, the attachment tube 4 has an annular shoulder 7 at the end, which is formed with a sealing seat 8 adapted to the container opening 21.
  • a sealing seat 8 adapted to the container opening 21.
  • the annular shoulder 7 of the top tube 4 whose inner diameter is adapted here to the inner diameter d l of the container 20, projects radially inwardly to the container opening 21, whose diameter d Do is smaller than this inner diameter d l , can be placed.
  • the annular shoulder 7 is dimensioned such that an annular gap remains around the filling valve 1 in order to permit fluid communication, ie gas exchange with the container interior.
  • step a) of the inventive method for filling a cylindrical container 20 with a fluid is, as in Fig. 2 indicated by the block arrow, the filling valve 1 introduced into the container 20 up to a predetermined height h 1 , without the attachment tube 2 is moved.
  • gas present there with known outlet pressure p 0 , eg ambient pressure
  • the height h 1 is predetermined for each tank-filling valve combination for which the volumes V B and V F are respectively known, in dependence on the backpressure provided for the respective filling operation, which is selected with respect to a designated filling pressure, as follows is explained.
  • the in Fig. 3 is shown, while the filling valve 1 is maintained at the first predetermined height h 1 , the attachment tube 4 is moved relative to the filling valve 1, which is indicated by the block arrow, and placed on the container opening 21, wherein the sealing seat 8 gas-tight sealing at the the container opening 21 rests limiting container edge. It is now, divided into the partial volume V A1 in the top tube 4 to the filling valve 1 and in the subvolume V B1 in the container 20 to the filling valve 1, a defined amount of gas within the container 20 and the tower tube 4 at the known outlet pressure p 0 before.
  • the filling device 10 is formed with the sealing seat 8 on the top tube 4 so that a fluid communication or gas exchange with the container interior is allowed, ie, that the partial volumes V A1 and V B1 in the top tube 4 and in the container 20 to the Filling valve 1 are connected to each other via the annular gap, which is present in the region of the container opening 21 and the sealing seat 8-bearing annular shoulder 7 to the filling valve 1.
  • Fig. 4 shows step c), in which the filling valve 1, as indicated by the block arrow, with the predetermined portion is completely inserted into the container 20, while the top tube 4 remains in the sealing position at the container opening 21.
  • Complete insertion can, as in the example shown, mean that the filling valve opening of the filling valve 1 comes into contact with the bottom 22 of the container 20.
  • the filling valve opening of the filling valve 1 can be shaped corresponding to the shaped bottom 22 of the container 20.
  • it can also be provided, for example, to reliably avoid damage to the bottom 22, that even with a fully inserted filling valve 1, a certain, defined distance to the bottom 22 remains.
  • the back pressure p G is thus not adjusted by supplying a clamping gas, but is determined (based on the initial pressure p 0 present ) by the height h 1 , to which the filling valve 1 is introduced in step a) in the container 20, before in Step b) the container 20 is sealed with the top tube 4.
  • the remaining parameters influencing the adjustable back pressure are the known and fixed dimensions or volumes of the container and the filling device.
  • the predetermined height h 1 , to which the filling valve 1 is inserted, is not on the in Fig. 2 and 3 shown insertion depth limited, but is determined by the counterpressure to be achieved p G.
  • the height h 1 is preferably between the container opening 21 and the container bottom 22, but it is also heights h 1 ⁇ H includes, ie, that the filling valve 1 in step a) can also be positioned at height H of the container opening 21 or above, if in step b) the sealing takes place by placing the attachment tube 4.
  • the back pressure p G which is then achieved in step c) by the completely introduced filling valve 1, is greater, the greater the predetermined height h 1 .
  • the filling valve 1 already in step a) are completely introduced (the predetermined height h 1 is the height of the container bottom 22), so that after sealing with the top tube 4 in step b) no pressure increase by further introduction of the filling valve takes place and the actual filling process in steps d) and e) thus takes place at initial pressure p 0 .
  • h 1 it may also be advantageous for h 1 to be "too low" in order to set the back pressure p G intentionally below the saturation pressure of the liquid.
  • h 1 may also be advantageous for h 1 to be "too low" in order to set the back pressure p G intentionally below the saturation pressure of the liquid.
  • an intended initial foaming of the liquid can be produced. This foam on the annular Surface of the fluid in the annular gap 23 creates a desired in this case separation of the fluid and the air, resulting in a reduced oxygen uptake.
  • FIGS. 5 and 6 show the filling process with the steps d) and e):
  • the filling valve 1 opens (block arrow in Fig. 5 ), so that the fluid with a predetermined filling pressure p F flows into the annular gap 23, while at the same time the opened filling valve 1 is moved upward (block arrow in FIG Fig. 6 ).
  • Filling pressure p F and back pressure p G are chosen so that when pressure is equalized between the filling pressure p F and the back pressure p G of the fluid level S within the annular gap 23 at a defined distance above the filling valve opening of the filling valve 1.
  • the speed of the upward movement of the filling valve 1 is matched with the inflow velocity of the fluid, so that the fluid level S is always above the Guventilö réelle of the valve 1 with the valve opening in the annular gap 23 and the lower layer filling is achieved, which is very fast feasible.
  • a gas partial volume .DELTA.V is released to the filling valve 1 1 within the top tube 4, which corresponds to the inflow into the container 20 fluid volume such that the sum of the gas partial volume .DELTA.V 1 in top tube 4 and a gas partial volume .DELTA.V 2 in the container above the Fluid level S corresponds to the difference volume .DELTA.V. Since thus this gas volume .DELTA.V remains constant, and the predetermined back pressure p G remains constant, whereby the filling device 10 according to the invention without any measuring means to control the filling process.
  • step f The only controlled upward movement of the filling valve 1 is determined for a given container-filler combination depending on the respectively provided filling pressure, so that, as in Fig. 7 it can be seen, in step f), the relative upward movement of the open filling valve 1 is terminated upon reaching a second predetermined height h 2 , which is present in the region of the container opening 21.
  • the height h 2 is selected so that the volume of fluid then present in the container 20 corresponds to the predetermined filling volume.
  • h 2 is when the predetermined height is reached reaches the predetermined filling volume in the container 20, without corrections must be made, since due to the existing pressure equalization when stopping the filling valve 1 no further Inflow of fluid takes place even if the valve 1 is still open, before, as in Flg. 8 is closed.
  • step g the closed filling valve 1 is removed from the container 20, on the opening 21 of the top tube 4 is still arranged sealingly.
  • the partial volumes V B2 and V A2 available for the gas quantity present in the system are increased so that the back pressure p G is reduced to a predetermined relief pressure p E which can correspond to the outlet pressure p 0. before in step h) ( Fig. 10 ) and the top tube 4 is removed from the container opening 21, and thus output pressure po prevails, and thus the filling process for the respective container 20 is completed.
  • a next container 20 can then be supplied to be filled in the same way.
  • the filling valve 1 has a flow guide 9, which the outflowing fluid in a defined vortex or vortex movement offset. This avoids that the leaking fluid with filling pressure radially collides with the container wall and back spills, which increasingly gas bubbles are included, which would accumulate to the end of the filling process and then lead to a strong foaming.
  • the flow guiding structure can, as Fig. 11 shows, on an inner side of the filling tube 2 or, as in the examples of Fig. 12 to 14 on an outer side of the piston 3 above the respective sealing surfaces 2 ', 3' are present. Contrary to what is shown, cooperating flow guide structures may also be present on both the fill tube and the piston, just as the fill valve may be an outwardly opening fill valve.
  • FIGS. 11 and 12 each show in the filling tube 2 and on the piston 3, a Strömungsleit Quilt 9, which is formed by a spiral web similar to a thread. It can also be provided a plurality of parallel spiral webs.
  • FIGS. 13 and 14 show a blading as Strömungsleit Scheme on the outside of the piston 3. Other than shown, a blading may also be present on the inside of the filling tube.
  • the flow-guiding blading 9 on the piston 3 in Fig. 13 is formed by a ring vanes, which are curved at least in two planes to put the flowing fluid in a vortex or vortex movement.
  • Fig . 14 shows an example in which the flow-guiding blading 9 is formed by a ring of blades, which are unbent here.
  • the piston 3 is rotatably drivable, as indicated by the block arrow.
  • the piston 3 is rotatably supported, as the fluid flowing past the blades causes the piston 3 to rotate, thus promoting the swirling even without drive.
  • the filling device has the advantage that the contact of the fluid with atmospheric oxygen is also reduced without previous evacuation or gas purging.
  • the contact surface of the fluid in the annular gap around the filling valve in the container is merely a circular ring having a ring width which is the difference of half the inner diameter of the container d i and half the outer diameter of the filling valve d Fs .
  • the fluid level in the annular gap is always above the end face or filling valve opening of the filling valve, the fluid only comes into contact with the gas present in the container at the annular contact surface.
  • the annulus is an extremely small contact surface, which makes the absorption of gas (especially atmospheric oxygen) into the fluid very low.
  • the filling quantity is determined by the known geometries (volume) of the container (can) and the filling valve, which at the same time constitutes a displacement element, and of the attachment tube.
  • volume volume
  • the filling valve various designs are conceivable.
  • expensive measuring devices such as MID sensors, as they are used in the prior art omitted.
  • actuator and appropriate control logic is set, can be dispensed with. A fill level correction is not required.
  • the size of the annular surface between the container wall and filling valve is dependent on the container diameter and container opening diameter and therefore can also be very small - takes place the contact surface reduction, which has a reduced gas absorption in the bottled fluid result.
  • the surrounding air present in the container is flushed by carbon dioxide, which causes a very high carbon dioxide consumption, the amount of oxygen is already significantly reduced by the mechanical displacement of the air from the container due to the geometric conditions.
  • the lower-layer filling process around the filling valve in particular in the embodiment with the flow-guiding structure, less or no swirling of filled fluid and residual gas in the container occurs, as a result of which oxygen uptake is further minimized.
  • the back pressure required for pressure filling which is generated in the prior art by compressed gas, usually carbon dioxide or nitrogen, mechanically provided by the sealing of the filling opening during insertion of the filling valve, so that clamping gas and corresponding means for supplying can be omitted.
  • the desired pressure is simply adjustable by determining the required insertion depth given geometric conditions.
  • a return air-tube-free pressure filling is made possible, whereby the separate control, cleaning and maintenance of the return air pipes or return air lines is eliminated, which is still required in the prior art:
  • the container to be filled and a reservoir on the filling device (ring bowl) form a chamber during the actual filling process.
  • the liquid flowing into the container to be filled displaces the gas present there into the storage container.
  • the known multi-chamber solutions have not been enforced so far, since the individual chambers can only be properly separated if a Gregut lymph is accepted. A real separation of the chambers is only complex in terms of apparatus.
  • both measuring means for monitoring the filling quantity and rinsing or tensioning gas can be dispensed with be, with the filling device used is very simple design and hardly prone to error. But even if the invention preferably makes do without rinsing and clamping gas, the implementation of such steps in the inventive method is not excluded.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Füllvorrichtung (10) für einen vorbestimmten zylindrischen Behälter (20) bereit, dessen Behälteröffnung (21) einen Durchmesser (d Do ) aufweist, der um ein vorbestimmtes Maß kleiner ist als der Innendurchmesser (di) des vorbestimmten Behälters (20). Dabei weist die Füllvorrichtung (10) ein Füllventil (1) auf, das einen in einem Füllrohr (2) steuerbar geführten Kolben (3) und einen Außendurchmesser (d Fa ) aufweist, der an den Durchmesser (d Do ) der Behälteröffnung (21) zum koaxialen Einführen des Füllventils (1) in den Behälter (20) durch die Behälteröffnung (21) angepasst ausgebildet ist, sodass ein zum Einführen in den Behälter (20) vorbestimmter Abschnitt des Füllventils (1) ein Volumen (V F ) im Bereich von 33 bis 99 % des Behältervolumens (V B ) aufweist, wobei das Füllventil (1) relativ zu dem Behälter (20) bewegbar ist. Die Füllvorrichtung (10) weist ferner ein Aufsatzrohr (4) zum Volumenausgleich beim Befüllen auf, das zum abdichtenden Aufsetzen auf die Behälteröffnung (21) ausgebildet und koaxial um das Füllventil (1) angeordnet und relativ dazu bewegbar ist, wobei das Füllventil (1) in dem Aufsatzrohr (4) abdichtend gleitgelagert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Füllvorrichtung und ein Verfahren zum Befüllen von zylindrischen Behältem, insbesondere Dosen.
  • Abfüllvorrichtungen und Verfahren zum Befüllen von Behältern sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Um stets die gleiche Füllmenge in die Behälter einzufüllen, wird im Stand der Technik zur Befüllung des Behälters mit einem gewünschten Füllvolumen die Füllmenge über die Füllhöhe bestimmt, die durch die Lage der Öffnung eines Rückluftrohres bzw. einer Rückluftbohrung der Füllvorrichtung eingestellt oder mittels Sensor (Füllstandssonde) und Aktor (Ventil) und geeigneter Regellogik - üblicherweise elektronisch bzw. elektropneumatisch - eingestellt wird.
  • Bekannte Füllsysteme, die eine als Röhrchen mit einem Rückluftkanal ausgebildete Sonde, die in den Behälter hineinreichend angeordnet wird, zur Steuerung der Füllhöhe beim Füllen verwenden, sehen vor, dass während des Füllvorgangs das aus dem Behälter, an dem die Füllvorrichtung abdichtend angeordnet ist, durch das zufließende Fluid verdrängte Gas über den Rückluftkanal aus dem Behälter abgeführt wird. Der Füllvorgang wird automatisch dann abgebrochen, wenn das in dem Behälter hineinragende Kanalende in den Fluidspiegel eingetaucht ist. Zur Füllhöhenkorrektur wird anschließend der Behälter mit einem Gas mit geringem Überdruck beaufschlagt, so dass überschüssiges Fluid durch den Rückluftkanal in den Vorratsbehälter zurückgedrückt wird und sich der Fluidspiegel auf das Niveau der Sondenöffnung abgesenkt hat.
  • Vordem eigentlichen Befüllvorgang wird üblicherweise zum Entfernen von Luft aus dem Behälter - zur Vermeidung unerwünschter Gasbindung, Gasaustausch oder Gaseintrag mit Luftsauerstoff, was aufgrund von Oxidationsreaktionen oder vermehrter Keimbelastung eine Qualitätsänderung des Fluids zur Folge haben kann - sowohl beim drucklosen Füllen als auch beim Druckfüllen der in Dichtlage an der Füllvorrichtung angeordnete Behälter evakuiert und/oder mit einem sterilen Gas oder Inertgas gespült, das über den Rückluftkanal eingefüllt werden kann. Über diesen Kanal kann der Behälter auch mit dem zum Füllen vorgesehenen Gegendruck bespannt werden.
  • Nachteilig bei solchen Füllsystemen sind die in den Verbindungswegen zwischen dem Rückluftkanal und dem Vorratsbehälter verbleibende Fluidreste aus einem vorigen Füllvorgang, die beim Druckausgleich oder Bespannen zusammen mit dem Gas als Aerosol in den Behälter eingeblasen werden. Dies kann beim Abfüllen eines kohlensäurehaltigen Fluids zum Austreten von CO2 aus dem Fluid und damit zu einer übermäßigen Schaumentwicklung am Ende des Füllvorgangs führen.
  • Um dies zu vermeiden, offenbart DE 10 2008 030 948 A1 ein solches Füllsystem mit einer Sonde, die die Füllhöhe bestimmt, deren eines Kanalende während des Füllens in den jeweiligen Behälter hineinreicht und einen Rückluftkanal aufweist, der an dem Kanalende offen ist. Um einen trockenen Druckausgleich bzw. beim Druckfüllen ein trockenes Vorspannen der Behälter zu ermöglichen, ist bei diesem Füllsystem der Strömungsweg für den Druckausgleich bzw. die Vorspannung von dem Strömungsweg für die Rückführung von überschüssigem Füllgut bei der Füllhöhenkorrektur unter Verwendung mehrerer Ventile weitestgehend getrennt.
  • Eine andere Möglichkeit, die Füllmenge in die Behälter zu steuern, bietet die Regellogik mittels Durchflussmengenzähler (meist magnetisch induktiv oder mittels der Corioliskraft). Bei dieser Regellogik ist das Behältervolumen unwichtig, da die Flüssigkeitsmenge während des Füllvorgangs gemessen wird. Nachteil dieser Füllmethode ist ihr Preis-Leistungs-Verhältnis und dass damit teure Sensoren, Aktoren und Steuerungen eingesetzt werden müssen, weil die Regelelektronik (SPS) sehr schnell und gleichzeitig präzise sein muss.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe dieser Erfindung, eine apparativ einfacher aufgebaute Vorrichtung ohne Rückluftleitung, d. h. ohne Rückluftkanal mit dessen Vielzahl an Ventilen, zur Befüllung von (im Wesentlichen) zylindrischen Behältern wie Dosen zu schaffen, die den Druckausgleich bzw. die Vorspannung und Befüllung ohne aufwändige Mess- und Regelungstechnik ermöglicht und keine Füllhöhenkorrektur erfordert.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Füllvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die weitere Aufgabe, das Befüllen von zylindrischen Behältern rückluftleitungslos und messmittellos mit einer einfach aufgebauten Apparatur ohne Füllhöhenkorrektur durchführen zu können, wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9 gelöst.
  • Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
  • Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Füllvorrichtung für einen vorbestimmten zylindrischen Behälter, dessen Behälteröffnung einen Durchmesser hat, der um ein vorbestimmtes Maß kleiner als der Innendurchmesser des vorbestimmten Behälters ist, weist ein Füllventil mit einem in einem Füllrohr steuerbar geführten Kolben auf. ("Vorbestimmtes Maß" meint hierin das bekannte Verhältnis, das sich aus den Durchmessern ergibt, die hier durch die vorgegebenen Abmessungen des ja jeweils bekannten und daher vorbestimmten (ausgewählten) Behälters definiert sind.) Die Öffnungsrichtung des Füllventils ist dabei beliebig. Wichtig ist, dass das Füllventil einen möglichst großen Außendurchmesser aufweist, und dabei an den Durchmesser der Behälteröffnung angepasst ausgebildet ist, sodass das Füllventil koaxial in den Behälter durch die Behälteröffnung eingeführt werden kann, vorzugsweise reibungsfrei. Der zum Einführen in den Behälter vorbestimmte Abschnitt des Füllventils hat ein Volumen im Bereich von 33 bis 99 % des Behältervolumens. Der zum Einführen vorbestimmte Abschnitt des Füllventils bezieht sich auf den Teil des Füllventils, der in den Behälter eingeführt ist, wenn das Füllventil die untere Endlage erreicht hat. Das Füllventil weist somit einen Außendurchmesser auf, der geringfügig kleiner ausfällt als der Durchmesser der Behälteröffnung, wobei die Toleranzen aufgrund der exakten Fertigbarkeit der zylindrischen Behälter, insbesondere Dosen, klein ausfallen können. Es ist erfindungsgemäß aber vorgesehen, dass bei eingeführtem Füllventil ein Ringspalt zwischen dem Füllventil und der Behälteröffnung verbleibt, um das Entweichen von Luft oder Gas beim Einführen des Füllventils in den Behälter zu gestatten. Dieser Ringspalt weist vorzugsweise eine Breite im Millimeterbereich auf und kann für handelsübliche Getränkedosen beispielsweise 1 bis 5 % betragen. Zum Einführen des Füllventils in den Behälter ist das Füllventil relativ zu dem Behälter bewegbar, d. h., dass das Füllventil entweder verfahrbar ausgebildet ist, oder der Behälter wird mittels einer verfahrbaren Behälteraufnahme in Bezug zum Füllventil bewegt.
  • Die Füllvorrichtung ist insbesondere für zylindrische Behälter wie Dosen geeignet, deren Behälteröffnungen einen Durchmesser haben, der 70 bis 99,5 % des Behälterinnendurchmessers beträgt, sodass der zum Einführen in den Behälter vorbestimmte Abschnitt des Füllventils, dessen Außendurchmesser an den Öffnungsdurchmesser angepasst ist, ein Volumen im Bereich von 49 bis 99 % des Behältervolumens hat. Grundsätzlich kann eine erfindungsgemäße Füllvorrichtung aber auch für Behälter vorgesehen sein, deren Behälteröffnungsdurchmesser weniger als 70 % des Behälterinnendurchmessers beträgt, solange die geometrischen Abmessungen und damit das Volumen des vorbestimmten Behälters wie bei Dosen exakt bekannt bzw. bestimmbar sind.
  • Erfindungsgemäß hat die Füllvorrichtung ein Aufsatzrohr, das zum abdichtenden Aufsetzen auf die Behälteröffnung und koaxial um das Füllventil angeordnet ist. Ferner ist das Aufsatzrohr relativ zum Füllventil gesteuert bewegbar, wobei das Füllventil in dem Aufsatzrohr abdichtend gleitgelagert ist. Das Aufsatzrohr ist dabei zur fluiden Kommunikation bzw. zum Gasaustausch mit dem Behälterinneren ausgebildet, d. h. dass an der Stelle, an der das Aufsatzrohr auf der Behälteröffnung aufsetzt, ebenfalls ein Ringspalt, nun zwischen dem Füllventil und dem Aufsatzrohr, verbleibt, um den Austausch von Luft oder Gas mit dem Behälterinneren beim Bewegen des Füllventils in den und aus dem Behälter zu gestatten, wenn das Aufsatzrohr in Dichtlage auf dem Behälter angeordnet ist. Mit dieser einfach konstruierten Füllvorrichtung wird das Befüllen, insbesondere auch das Druckfüllen, eines zylindrischen Behälters wie einer Dose ohne Rückluftleitung und ohne aufwändige Mess- und Regelungstechnik mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, das auf einem unterschichtigen Befüllvorgang basiert, bei dem das Füllventil erst geöffnet wird, wenn es vollständig in den Behälter eingeführt ist und dann geöffnet im Behälter nach oben bewegt wird, wobei der Fluidspiegel im Behälter, der sich bei Druckausgleich zwischen Fülldruck und Gegendruck im Behälter einstellt, immer oberhalb der Füllventilöffnung liegt. Füllventilöffnung bezeichnet das Öffnungsende des Füllventils oder den geöffneten Dichtsitz des Füllventils. Das erfindungsgemäße Verfahren wird unten ausführlich beschrieben.
  • Erfindungsgemäß sind aber auch Ausführungsformen von Füllventilen umfasst, die in umgekehrter Richtung öffnen, d. h. dass der Kolben in Bezug auf das Füllrohr nach unten bewegt wird.
  • Zum abdichtenden Aufsetzen auf die Behälteröffnung kann das Aufsatzrohr vorzugsweise einen Ringabsatz aufweisen, der mit einem an die Behälteröffnung angepassten Dichtsitz ausgebildet ist. Der Dichtsitz kann mit einem üblichen Dichtelement ausgestattet sein.
  • Zur abgedichteten Gleitlagerung im Aufsatzrohr kann das Füllventil einen Kragen aufweisen, dessen Durchmesser an den Innendurchmesser des Aufsatzrohrs angepasst ist. Außenumfänglich ist am Kragen eine Gleitdichtung angeordnet, um die Relativbewegung zwischen Füllventil und Aufsatzrohr zu gestatten und gleichzeitig den Raum im Aufsatzrohr um das Füllventil nach oben, auf die von dem Behälter abgewandte Seite hin, abzudichten.
  • Sowohl der Dichtsitz als auch die Gleitdichtung des Aufsatzrohrs sind gasdicht ausgebildet, sodass Gas, das innerhalb des Behälters und des Aufsatzrohrs eingeschlossen ist, nicht entweichen kann.
  • Vorzugsweise ist der Kragen in einem bestimmten Abstand von der Füllventilöffnung angeordnet. Der (Mindest-)Abstand des Kragens zur Füllventilöffnung kann von der Höhe des vorbestimmten Behälters abhängen, der mit der Füllvorrichtung befüllt werden soll, wenn der Kragen am Füllrohr an dem Ringabsatz des Aufsatzrohrs zur Anlage kommen soll, wenn der zum Einführen vorgesehene Abschnitt des Füllventils vollständig in dem Behälter aufgenommen ist, d. h., die Füllventilöffnung sich an dem Behälterboden oder in einem vorbestimmten definierten Abstand, der für das vollständige Einführen vorgesehen ist, über dem Behälterboden befindet. Der Abstand des Kragens zur Füllventilöffnung kann jedoch auch größer sein, als der durch die Höhe des Behälters vorgegebene Abstand: Dann kommt der Kragen, wenn der zum Einführen vorgesehene Abschnitt des Füllventils vollständig in dem Behälter aufgenommen ist, deutlich oberhalb des Ringabsatzes zu liegen.
  • Durch die Aufwärtsbewegung des Füllventils wird beim Befüllen Volumen im Aufsatzrohr freigegeben, das von dem Gas eingenommen wird, das aus dem Behälter beim Befüllen mit dem Fluid verdrängt wird. Durch diesen Volumenausgleich bleiben das innerhalb des Behälters und des in Dichtlage aufgesetzten Aufsatzrohrs eingeschlossene Gasvolumen, und damit auch der Druck, konstant. Das Aufsatzrohr ist dabei so bemessen, dass das freigegebene Volumen immer dem verdrängten Volumen entspricht. Hierzu kann das Aufsatzrohr einen Innendurchmesser aufweisen, der im Wesentlichen dem Innendurchmesser des vorbestimmten Behälters entspricht.
  • Das Füllventil wird üblicherweise entsprechend den üblichen Kreisquerschnittsformen der Behälter wie Dosen ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Weichen die Form des zu füllenden Behälters und der Behälteröffnung von der Kreisform ab, so werden die Außenkonturen des Füllventils und des Aufsatzrohrs daran angepasst.
  • Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung sorgt für eine weitere Verbesserung des Füllvorgangs, indem durch eine gerichtete Strömung der Einschluss von Gasblasen minimiert wird, die am Ende des Füllvorgangs zu einem unerwünschten Aufschäumen führen würden. Dazu weist das Füllventil an einer Innenseite des Füllrohrs oder an einer Außenseite des Kolbens oder an beiden oberhalb der jeweiligen Dichtflächen eine Strömungsleitstruktur auf, die dazu ausgebildet ist, das aus dem Füllventil austretende Fluid in eine Wirbel- oder Strudelbewegung zu versetzen. Durch die rotierende Strömung des Fluids wird verhindert, dass das Fluid radial auf die seitliche Behälterwand trifft und dort zurückprallt, wodurch Gasblasen eingeschlossen würden, die bei der Aufwärtsbewegung des Füllventils akkumulieren könnten und zum vermehrten Aufschäumen führten. Bei der rotierenden Strömung entstehen deutlich weniger Gasblasen, die zudem kleiner sind und sich nahe der Oberfläche des ansteigenden Fluidspiegels befinden, sodass sie zusammenbrechen, ehe der Füllvorgang beendet ist, wodurch das vermehrte Aufschäumen verhindert wird.
  • Die Strömungsleitstruktur kann beispielsweise durch einen oder mehrere Wendelstege ähnlich einem Gewinde oder durch eine Beschaufelung gebildet werden.
  • Die Beschaufelung kann durch einen Kranz Leitschaufeln gebildet werden, die zumindest in einer Ebene, d. h. in Umfangsrichtung in Bezug auf Radialebene, gekrümmt sind. Die Leitschaufeln können aber auch in zwei Ebenen, also in Umfangsrichtung und in Längsrichtung in Bezug auf Radialebene, gekrümmt sein.
  • Alternativ, wenn der Kolben des Füllventils rotierbar ausgebildet ist, kann die Beschaufelung durch einen Kranz Laufschaufeln gebildet werden, die gekrümmt oder ungekrümmt sein können, und an dem rotierbaren Kolben angeordnet sind. Bei gekrümmten Laufschaufeln ist vorteilhaft kein Antrieb erforderlich, da das vorbeiströmende Fluid den Kolben in Rotation versetzt. Bei ungekrümmten Laufschaufeln wird der Kolben zum Rotieren angetrieben.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Befüllen eines vorbestimmten zylindrischen Behälters mit einem Fluid kann rückluftleitungslos und messmittellos unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Füllvorrichtung durchgeführt werden. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    1. a) Das geschlossene Füllventil wird in Bezug zu dem Behälter koaxial mit der Behälteröffnung auf einer vorbestimmten ersten Höhe positioniert, die durch den im Behälter einzustellenden Gegendruck in Abhängigkeit der gegebenen geometrischen Abmessungen des Behälters und des Füllventils sowie des herrschenden Ausgangsdrucks bestimmt wird. Dabei kann das geschlossene Füllventil durch die Behälteröffnung in den Behälter eingeführt werden, wenn die vorbestimmte erste Höhe zwischen der Behälteröffnung und dem Boden des Behälters liegt, wobei in dem Behälter zuvor vorhandenes Gas entsprechend dem Volumen des eingeführten Teilabschnitts des Füllventils aus dem Behälter in die Umgebung verdrängt wird.
    2. b) Mit dem Füllventil auf der ersten vorbestimmten Höhe wird das Aufsatzrohr abdichtend auf die Behälteröffnung aufgesetzt, wobei eine vorbestimmbare Gasmenge innerhalb des Behälters und des Aufsatzrohrs verbleibt, die sich aus einem Teilvolumen im Behälter und und einem Teilvolumen in dem um das Füllventil abgedichteten Aufsatzrohr zusammensetzt.
    3. c) Mit dem vollständigen Einführen des Füllventils bei abdichtend aufgesetztem Aufsatzrohr wird die vorbestimmbare Gasmenge in einem Ringspalt, der in dem Behälter und in dem Aufsatzrohr um das vollständig eingeführte Füllventil vorliegt, auf den vorbestimmten Gegendruck komprimiert. Der erreichbare Gegendruck hängt bei einer gegebenen Behälter-Aufsatzrohr-Füllvorrichtung-Kombination und gegebenem Ausgangsdruck folglich nur von der ersten vorbestimmten Höhe ab, in der das Füllventil beim Abdichten mit dem Aufsatzrohr positioniert wird. Mit den gegebenen Abmessungen von Füllventil, Behälter und Aufsatzrohr beträgt das Gasvolumen die Differenz zwischen dem Behältervolumen plus Aufsatzrohrvolumen unterhalb des Kragens und dem Volumen des Füllventils.
    4. d) Ist das Füllventil vollständig eingeführt, wodurch der vorbestimmte Gegendruck im Behälter erzeugt ist, wird das Füllventil geöffnet, sodass das Fluid mit einem vorbestimmten Fülldruck in den Ringspalt einströmt. Der Gegendruck ist in Bezug zum vorgesehenen Fülldruck derart gewählt, dass sich bei Druckausgleich zwischen dem Gegendruck und dem Fülldruck ein Fluidspiegel innerhalb des Ringspalts einstellt, der oberhalb der Füllventilöffnung im Ringspalt liegt.
    5. e) Das geöffnete Füllventil wird innerhalb des Behälters und innerhalb des Aufsatzrohrs aufwärts bewegt, wobei die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung derart angepasst ist, dass der Fluidspiegel innerhalb des Ringspalts immer oberhalb der Füllventilöffnung bleibt, sodass ein unterschichtiger Befüllvorgang von unten nach oben erzielt wird, der sehr schnell durchgeführt werden kann und sich durch geringe Verwirbelungen und Turbulenzen und damit verringertes Aufschäumen bei kohlesäurehaltigen Fluiden auszeichnet. Hierdurch und durch die minimierte Grenzfläche des Fluidspiegels im Ringspalt kann zudem vorteilhaft eine Verringerung der möglichen Sauerstoffaufnahme erreicht werden, wenn das vorhandene Gas Luft ist. Mit der Füllvorrichtung wird ferner mit der Aufwärtsbewegung des Füllventils ein Gasteilvolumen in dem um das Füllventil abgedichteten Aufsatzrohr freigegeben, das einem in den Behälter einströmenden Fluidvolumen entspricht, sodass eine Summe des Gasteilvolumens im Aufsatzrohr und eines Gasteilvolumens oberhalb des Fluidspiegels im Behälter dem Gasvolumen in Schritt c) entspricht. Durch dieses Ausgleichsvolumen im Aufsatzrohr kann auf eine Rückluftleitung mit den damit verbundenen Ventilen und auf Messmittel zur Regelung des Füllvorgangs verzichtet werden, da mit dem konstant bleibenden Gasvolumen vorteilhaft auch der vorbestimmte Gegendruck konstant bleibt.
    6. f) Die Aufwärtsbewegung des geöffneten Füllventils wird bei Erreichen einer zweiten vorbestimmten Höhe beendet, wobei das vorbestimmte Füllvolumen in dem Behälter erreicht ist. Sobald die Bewegung des Füllventils beendet ist, steigt der Fluidspiegel aufgrund des herrschenden Druckausgleichs zwischen Gegendruck und Fülldruck auch bei geöffnetem Füllventil nicht mehr an. Die zweite Höhe, bei der die Aufwärtsbewegung des Füllventils beendet wird, wird im Voraus bestimmt basierend auf den bekannten Parametern der exakten und bekannten geometrischen Abmessungen von Behälter und Füllvorrichtung sowie dem definierten Abstand des Fluidspiegels oberhalb der Füllventilöffnung, der von den vorbestimmten Druckbedingungen abhängig und damit ebenfalls im Voraus bestimmbar ist. Nach Erreichen der vorbestimmten zweiten Höhe wird das Füllventil geschlossen. Eine Korrektur der Füllmenge ist nicht erforderlich.
    7. g) Zum Verhindern des übermäßigen Aufschäumens durch plötzliche Druckentlastung beim Entfernen der Füllvorrichtung wird zunächst das Aufsatzrohr in Dichtlage auf dem Behälter belassen und nur das geschlossene Füllventil aus dem Behälter entfernt. Durch die Aufwärtsbewegung des geschlossenen Füllventils innerhalb des aufgesetzten Aufsatzrohrs kann gesteuert Volumen im Behälter und im Aufsatzrohr freigegeben werden und so der Gegendruck in angepasster Geschwindigkeit auf einen vorbestimmten Entlastungsdruck gesenkt und damit das Aufschäumen minimiert werden.
    8. h) Im letzten Schritt wird das Aufsatzrohr von der Behälteröffnung entfernt, sodass dieser den vorgesehenen nachfolgenden Prozessschritten zugeführt werden kann. Mit der Füllvorrichtung kann dann ein nächster Behälter durch Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens befüllt werden.
  • Die vorliegend beschriebenen Bewegungen von Füllventil und Aufsatzrohr in Bezug zum Behälter sind als relative Bewegungen zu verstehen: So wird in der Beschreibung zwar vorwiegend von einem feststehenden Behälter ausgegangen, während das Füllventil und das Aufsatzrohr relativ dazu und zueinander verfahrbar sind, da dies die bevorzugte Ausführungsform darstellt. Es ist jedoch auch möglich, dass z. B. das Füllventil feststehend angeordnet ist, und der Behälter (mittels einer entsprechenden Behälteraufnahme) und das Aufsatzrohr verfahrbar sind. Auch die dritte Kombinationsmöglichkeit, dass das Aufsatzrohr feststehend und Füllventil und Behälter verfahrbar sind, ist theoretisch denkbar, aber nicht bevorzugt.
  • Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Füllvorrichtung mit einem zu befüllenden Behälter,
    Fig. 2
    eine schematische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung während des Verfahrensschritts a), p = p0,
    Fig. 3
    eine schematische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung während des Verfahrensschritts b), p = p0,
    Fig. 4
    eine schematische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung während des Verfahrensschritts c), p = pG,
    Fig. 5
    eine schematische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung während des Verfahrensschritts d), p = pG = pF
    Fig. 6
    eine schematische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung während des Verfahrensschritts e), p = pG = pF und ΔV1+ ΔV2 = ΔV und pG. ΔV = const.
    Fig. 7
    eine schematische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung während des Verfahrensschritts f), p = pG = pF und ΔV1+ ΔV2 = ΔV und pG. ΔV = const.
    Fig. 8
    eine schematische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung noch während des Verfahrensschritts f), p = pG.
    Fig. 9
    eine schematische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung während des Verfahrensschritts g), p = pE,
    Fig. 10
    eine schematische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung während des Verfahrensschritts h), p = p0.
    Fig. 11
    eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Füllvorrichtung mit einer wendelstegartigen Strömungsleitstruktur im Füllrohr,
    Fig. 12
    eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Füllvorrichtung mit einer wendelstegartigen Strömungsleitstruktur am Kolben,
    Fig. 13
    eine schematische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Füllvorrichtung mit einer Strömungsleitstruktur aus Leitschaufeln am Kolben,
    Fig. 14
    eine schematische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Füllvorrichtung mit einer Strömungsleitstruktur aus Laufschaufeln am rotierenden Kolben.
  • Die erfindungsgemäße Füllvorrichtung ist eine apparativ einfach aufgebaute Vorrichtung, die keine Rückluftleitung und auch keine Vielzahl an Ventilen zur Befüllung von (im Wesentlichen) zylindrischen Behältern wie Dosen aufweist - sie kommt ohnedies aus. Weiter erfordert sie keine Füllhöhenkorrektur und ermöglicht dennoch Druckausgleich bzw. Vorspannung und Befüllung ohne aufwändige Mess- und Regelungstechnik.
  • Die erfindungsgemäße Füllvorrichtung und das Verfahren nutzen die Tatsache, dass zylindrische Behälter wie Dosen, die neben Flaschen und Kartons die wichtigste Verpackung für Getränke, vor allem für kohlensäurehaltige Getränke wie Bier oder Softdrinks, darstellen, eine äußerst exakt gefertigte zylindrische Form - und damit ein exakt bestimmbares Volumen - mit einer koaxialen Befüllöffnung aufweisen, die kleiner ist als der Behälterdurchmesser. Anders als bei Glas-Flaschen und Kartons ist bei Dosen das Volumen immer gleich und für gleichartige Dosen daher im Voraus exakt bekannt, wobei das vorbestimmte Füllvolumen dem Nennvolumen entspricht, sodass das Behältervolumen VB als vorbestimmt betrachtet werden kann.
  • Fig. 1 bis 10 zeigen eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Füllvorrichtung 10 in verschiedenen Phasen während eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Befüllen eines Dosenkörpers als Behälter 20. Da die Figuren eine Abfolge der Füllvorrichtung in verschiedenen Verfahrensschritten zeigt, sind nicht alle Bezugszeichen in jeder Abbildung vergeben. Die Zuordnung zu den unbezeichneten Komponenten und Gegenständen ist jedoch aufgrund der Äquivalenz der Darstellungen ohne weiteres gegeben.
  • Fig. 1 zeigt eine Füllvorrichtung 10, die erfindungsgemäß rückluftleitungslos ohne Rückluftkanal und messmittelfrei ausgebildet ist, und eine einfache Konstruktion mit einer minimalen Anzahl Ventile aufweist. Weiter ist der zu befüllende Behälter 20 zu sehen, bei dem es sich hier um einen Dosenkörper handelt, dessen im Wesentlichen zylindrische Form am oberen Ende zur koaxialen Befüllöffnung 21 hin etwas verjüngt ist. Die Verjüngung dient in erster Linie für die Aufnahme des hier nicht dargestellten Deckels, der nach erfolgtem Befüllvorgang aufgesetzt und durch Bördelung mit dem Dosenrand verbunden wird. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt diese Differenz zwischen Behälterinnendurchmesser dl und dem Durchmesser dDo der Behälteröffnung 21, der beispielsweise zwischen 70 und 99,5 % liegen kann, bei Dosen üblicherweise zwischen 80 bis 90 % des Behälterinnendurchmessers dl beträgt. Grundsätzlich kann eine erfindungsgemäße Füllvorrichtung aber auch für Behälter vorgesehen sein, deren Behälteröffnungsdurchmesser deutlich kleiner als der Behälterinnendurchmesser ist, wie dies beispielsweise bei Flaschen der Fall ist, vorausgesetzt, dass diese mit exakt bestimmbarem Durchmesser und Volumen exakt gefertigt sind.
  • Die gezeigte Füllvorrichtung 10 weist ein verfahrbares Füllventil 1 auf, das aus einem Füllrohr 2 und steuerbar geführtem Kolben 3 besteht. Im dargestellten Beispiel öffnet das Füllventil 1, indem der Kolben 3 in Bezug auf das Füllrohr 2 nach oben bewegt wird.
  • Das Füllventil 1 weist einen Außendurchmesser dFa auf, der an den Durchmesser dDo der Behälteröffnung 21 so angepasst ist, dass das Füllventil 1 kontakt- und reibungsfrei durch die Behälteröffnung 21 in den Behälter 20 eingeführt werden kann. Das Verfahren sieht vor, dass der Behälter 20 (wie in Fig. 1 zu sehen) so in Bezug auf das Füllventil 1 angeordnet wird, dass ein koaxiales zentrisches Einführen des Füllventils 1 durch die Behälteröffnung 21 in den Behälter 20 möglich ist - dies kann durch axiales Bewegen des Füllventils 1 oder des Behälters 20, beispielsweise über eine entsprechend verfahrbare Behälteraufnahme (nicht dargestellt) erfolgen. Vor dem Einführen ist der Behälter 20 mit dem Behältervolumen VB mit Umgebungsluft (gegebenenfalls aber auch einem anderen Gas, z. B. Inertgas oder Kohlenstoffdioxid) bei einem Ausgangsdruck po (z. B. Umgebungsdruck, oder gegebenenfalls - wenn das Abfüllen in einem geschlossenen System stattfindet - voreingestellter Ausgangsdruck) gefüllt.
  • Weiter ist in Fig. 1 ein zum Einführen in den Behälter 20 vorbestimmter Abschnitt des Füllventils 1 markiert, der das Volumen VF aufweist, das erfindungsgemäß im Bereich von 49 bis 99 % des Behältervolumens VB liegen soll und im gezeigten Beispiel etwa 65 % des Behältervolumens VB ausmacht. Das Volumen VF des zum Einführen in den Behälter 20 vorbestimmten Abschnitts des Füllventils 1 einer Behälter-Füllvorrichtung-Kombination ist bekannt und vorbestimmt.
  • Die Füllvorrichtung 10 zeigt ein Aufsatzrohr 4, das koaxial um das Füllventil 1 angeordnet und relativ dazu und unabhängig davon gesteuert bewegbar ist. Hierzu ist das Follventil 1 in dem Aufsatzrohr 4 mittels einer Gleitdichtung 6 abdichtend gleitgelagert. Im gezeigten Beispiel liegt die Gleitdichtung 6 umfänglich an einem Kragen 5 vor, der das Füllrohr 2 in einem vorbestimmten Abstand zur Füllventilöffnung des Füllventils 1, an dem das Füllventil 1 öffnet, umgibt. Dieser vorbestimmte Abstand des Kragens 5 zur Füllventilöffnung des Füllventils 1 hängt von der Länge des zum Einführen vorgesehenen Abschnitts des Füllventils 1 und damit von der Höhe H des Behälters 20 ab; denn es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kragen 5 an (oder in einem definierten Abstand benachbart zu) dem Ringabsatz 7 zu liegen kommt, wenn der zum Einführen vorgesehene Abschnitt des Füllventils 1 vollständig in dem Behälter 20 aufgenommen ist, d. h. sich im Prinzip bis zum Behälterboden 22 erstreckt, wie in Fig. 4 zu sehen ist.
  • Zum abdichtenden Aufsetzen auf die Behälteröffnung 21 weist das Aufsatzrohr 4 stirnseitig einen Ringabsatz 7 auf, der mit einem an die Behälteröffnung 21 angepassten Dichtsitz 8 ausgebildet ist. Auf die Darstellung eines entsprechenden Dichtelements wurde in der beispielhaften Darstellung verzichtet.
  • Der Ringabsatz 7 des Aufsatzrohrs 4, dessen Innendurchmesser hier an den Innendurchmesser dl des Behälters 20 angepasst ist, kragt radial nach innen, um auf die Behälteröffnung 21, deren Durchmesser dDo kleiner als dieser Innendurchmesser dl ist, aufgesetzt werden zu können. Dabei ist der Ringabsatz 7 aber so dimensioniert, dass ein Ringspalt um das Füllventil 1 verbleibt, um eine fluide Kommunikation, d. h. Gasaustausch mit dem Behälterinneren zu gestatten.
  • In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Befüllen eines zylindrischen Behälters 20 mit einem Fluid wird, wie in Fig. 2 durch den Blockpfeil angezeigt, das Füllventil 1 in den Behälter 20 bis zu einer vorbestimmten Höhe h1 eingeführt, ohne dass das Aufsatzrohr 2 mitbewegt wird. Durch den in dem Behälter 20 eingeführten Teilabschnitt des Füllventils 1 wird dort vorhandenes Gas (bei bekanntem Ausgangsdruck p0, z. B. Umgebungsdruck) in dem entsprechenden Volumen aus dem Behälter 20 in die Umgebung verdrängt. Die Höhe h1 wird für jede Behälter-Füllventil-Kombination, für die die Volumina VB und VF jeweils bekannt sind, in Abhängigkeit des für den jeweiligen Füllvorgang vorgesehenen Gegendrucks vorbestimmt, der in Bezug auf einen vorgesehenen Fülldruck gewählt wird, wie nachfolgend noch erläutert wird.
  • Im nächsten Schritt b), der in Fig. 3 dargestellt ist, wird, während das Füllventil 1 auf der ersten vorbestimmten Höhe h1 gehalten wird, das Aufsatzrohr 4 relativ zum Füllventil 1 bewegt, was durch den Blockpfeil angezeigt wird, und auf die Behälteröffnung 21 aufgesetzt, wobei der Dichtsitz 8 abdichtend gasdicht an dem die Behälteröffnung 21 begrenzenden Behälterrand aufliegt. Es liegt nun, aufgeteilt in das Teilvolumen VA1 im Aufsatzrohr 4 um das Füllventil 1 und in das Teilvolumen VB1 im Behälter 20 um das Füllventil 1, eine definierte Gasmenge innerhalb des Behälters 20 und des Aufsatzrohrs 4 bei dem bekannten Ausgangsdruck p0 vor. Wie bereits erwähnt, ist die Füllvorrichtung 10 mit dem Dichtsitz 8 am Aufsatzrohr 4 so ausgebildet, dass eine fluide Kommunikation bzw. Gasaustausch mit dem Behälterinneren zugelassen wird, d. h., dass die Teilvolumina VA1 und VB1 im Aufsatzrohr 4 und im Behälter 20 um das Füllventil 1 über den Ringspalt miteinander verbunden sind, der im Bereich der Behälteröffnung 21 bzw. des den Dichtsitz 8 tragenden Ringabsatzes 7 um das Füllventil 1 vorliegt.
  • Fig. 4 zeigt Schritt c), in dem das Füllventil 1, wie durch den Blockpfeil angedeutet, mit dem vorbestimmten Abschnitt vollständig in den Behälter 20 eingeführt wird, während das Aufsatzrohr 4 in der Dichtlage an der Behälteröffnung 21 verbleibt. Vollständiges Einführen kann dabei, wie im dargestellten Beispiel meinen, dass die Füllventilöffnung des Füllventils 1 am Boden 22 des Behälters 20 zur Anlage kommt. Hierzu kann die Füllventilöffnung des Füllventils 1 entsprechend dem geformten Boden 22 des Behälters 20 geformt sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, etwa um beispielsweise eine Beschädigung des Bodens 22 sicher zu vermeiden, dass auch bei einem voll eingeführten Füllventil 1 ein gewisser, definierter Abstand zum Boden 22 verbleibt. Mit dem Verfahren des Füllventils 1 wird die Gasmenge, die zuvor in dem Teilvolumen VA1 im Aufsatzrohr 4 um das Füllventil 1 (siehe Fig. 3) vorlag, durch den mit der Gleitdichtung 6 abgedichteten Kragen 5 aus dem Aufsatzrohr 4 in den Behälter 20 gepresst, und dort zusammen mit der Gasmenge aus dem Teilvolumen VB1 in den Ringspalt 23 mit dem Differenzvolumen ΔV komprimiert, das in dem Behälter 20 um das vollständig eingeführte Füllventil 1 vorliegt und die Differenz zwischen dem Behältervolumen VB und dem Volumen VF (siehe Fig. 1) des einzuführenden Füllventilabschnitts aufweist. Hierdurch wird eine Druckerhöhung auf den vorbestimmten Gegendruck pG erzielt, der für den jeweiligen Füllvorgang in Abhängigkeit eines vorbestimmten Fülldrucks pF vorgesehenen ist.
  • Der Gegendruck pG wird damit nicht durch Zufuhr eines Spanngases eingestellt, sondern wird (basierend auf dem eingangs vorliegenden Ausgangsdruck p0) durch die Höhe h1 festgelegt, auf die das Füllventil 1 in Schritt a) in den Behälter 20 eingeführt wird, ehe in Schritt b) der Behälter 20 mit dem Aufsatzrohr 4 abgedichtet wird. Die restlichen den einstellbaren Gegendruck beeinflussenden Parameter sind die bekannten und feststehenden Abmessungen bzw. Volumina des Behälters und der Füllvorrichtung. Die vorbestimmte Höhe h1, auf die das Füllventil 1 eingeführt wird, ist dabei nicht auf die in Fig. 2 und 3 dargestellte Einführtiefe beschränkt, sondern wird durch den zu erzielenden Gegendruck pG bestimmt.
  • Die Höhe h1 liegt vorzugsweise zwischen der Behälteröffnung 21 und dem Behälterboden 22, es sind aber auch Höhen h1 ≥ H umfasst, d. h., dass das Füllventil 1 in Schritt a) auch auf Höhe H der Behälteröffnung 21 oder darüber positioniert sein kann, wenn in Schritt b) das Abdichten durch Aufsetzen des Aufsatzrohrs 4 erfolgt. Der Gegendruck pG, der in Schritt c) dann durch das vollständig eingeführte Füllventil 1 erzielt wird, ist umso größer, je größer die vorbestimmte Höhe h1 ist. Umgekehrt kann, falls der Abfüllvorgang kein Druckfüllen erfordert, das Füllventil 1 schon in Schritt a) vollständig eingeführt werden (die vorbestimmte Höhe h1 ist damit die Höhe des Behälterbodens 22), sodass nach dem Abdichten mit dem Aufsatzrohr 4 in Schritt b) keine Druckerhöhung durch weiteres Einführen des Füllventils erfolgt und der eigentliche Füllvorgang in den Schritten d) und e) damit bei Ausgangsdruck p0 stattfindet. In bestimmten Fällen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, dass h1 "zu niedrig" gewählt wird, um den Gegendruck pG absichtlich unterhalb dem Sättigungsdrucks der Flüssigkeit einzustellen. Dadurch kann ein beabsichtigtes initiales Aufschäumen der Flüssigkeit erzeugt werden. Dieser Schaum auf der ringförmigen Oberfläche des Fluids im Ringspalt 23 erzeugt eine in diesem Fall erwünschte Trennung des Fluids und der Luft, was zu einer reduzierten Sauerstoffaufnahme führt.
  • Fig. 5 und 6 zeigen den Füllvorgang mit den Schritten d) und e): Das Füllventil 1 öffnet (Blockpfeil in Fig. 5 ), sodass das Fluid mit einem vorbestimmten Fülldruck pF in den Ringspalt 23 einströmt, während gleichzeitig das geöffnete Füllventil 1 aufwärts bewegt wird (Blockpfeil in Fig. 6 ). Fülldruck pF und Gegendruck pG sind so gewählt, dass bei Druckausgleich zwischen dem Fülldruck pF und dem Gegendruck pG der Fluidspiegel S innerhalb des Ringspalts 23 in einem definierten Abstand oberhalb der Füllventilöffnung des Füllventils 1 liegt. Zudem ist die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung des Füllventils 1 mit mit der Einströmgeschwindigkeit des Fluids abgestimmt, sodass der Fluidspiegel S immer oberhalb der Füllventilöffnung des Ventils 1 mit der Ventilöffnung im Ringspalt 23 liegt und der unterschichtige Befüllvorgang erzielt wird, der sehr schnell durchführbar ist. Mit der Aufwärtsbewegung des Füllventils 1 wird innerhalb des Aufsatzrohrs 4 eines Gasteilvolumens ΔV1 um das Füllventil 1 freigegeben, das dem in den Behälter 20 einströmenden Fluidvolumen entspricht, sodass die Summe des Gasteilvolumens ΔV1 im Aufsatzrohr 4 und eines Gasteilvolumens ΔV2 im Behälter oberhalb des Fluidspiegels S dem Differenzvolumen ΔV entspricht. Da somit dieses Gasvolumen ΔV konstant bleibt, bleibt auch der vorbestimmte Gegendruck pG konstant, wodurch die erfindungsgemäße Füllvorrichtung 10 ohne jegliche Messmittel zur Regelung des Füllvorgangs auskommt.
  • Die lediglich gesteuerte Aufwärtsbewegung des Füllventils 1 wird für eine vorgegebene Behälter-Füllvorrichtung-Kombination in Abhängigkeit des jeweils vorgesehenen Fülldrucks festgelegt, sodass, wie in Fig. 7 zu sehen ist, in Schritt f) die relative Aufwärtsbewegung des geöffneten Füllventils 1 bei Erreichen einer zweiten vorbestimmten Höhe h2 beendet wird, die im Bereich der Behälteröffnung 21 vorliegt. Die Höhe h2 wird so gewählt, dass das dann im Behälter 20 vorliegende Fluidvolumen dem vorbestimmten Füllvolumen entspricht. Da der Gegendruck pG durch das abdichtend im Aufsatzrohr 4 gleitgelagerte Füllventil 1 immer konstant bleibt, sodass bei gegebenem Fülldruck pF infolge des Druckausgleichs auch das Niveau des Fluidspiegels S in Bezug zu dem Füllventil 1 konstant bleibt, ist bei Erreichen der vorbestimmten Höhe h2 das vorbestimmte Füllvolumen in dem Behälter 20 erreicht, ohne dass Korrekturen vorgenommen werden müssen, da infolge des bestehenden Druckausgleichs beim Anhalten des Füllventils 1 kein weiteres Einströmen von Fluid mehr stattfindet, auch wenn das Ventil 1 noch geöffnet ist, bevor es, wie in Flg. 8 dargestellt, geschlossen wird.
  • Um beim Druckfülfen kohlensäurehaltiger Fluide das Aufschäumen beim Entfernen der abgedichteten Füllvorrichtung zu reduzieren oder gar zu vermeiden, wird, wie in Fig. 9 durch den Blockpfeil gezeigt, in Schritt g) das geschlossene Füllventil 1 aus dem Behälter 20 entfernt, auf dessen Öffnung 21 das Aufsatzrohr 4 immer noch abdichtend angeordnet ist. Durch die Aufwärtsbewegung des Füllventils 1 innerhalb des Aufsatzrohres 4 werden die für die im System vorhandene Gasmenge zur Verfügung stehenden Teilvolumina VB2 und VA2 vergrößert, sodass der Gegendruck pG auf einen vorbestimmten Entlastungsdruck pE gesenkt wird, der dem Ausgangsdruck po entsprechen kann, ehe in Schritt h) ( Fig. 10 ) auch das Aufsatzrohr 4 von der Behälteröffnung 21 entfernt wird, und somit Ausgangsdruck po herrscht, und damit der Füllvorgang für den jeweiligen Behälter 20 beendet ist. Ein nächster Behälter 20 kann dann zugeführt werden, um in gleicher Weise gefüllt zu werden.
  • Um den Füllvorgang weiter zu verbessern und quasi laminare Strömungsverhältnisse zu erreichen, sodass der Fluidspiegel im Spaltvolumen ruhig ansteigt, und eingeschlossene Gasblasen vermieden werden, sieht eine weitere Ausführungsform der Erfindung vor, dass das Füllventil 1 eine Strömungsleitstruktur 9 aufweist, die das ausströmende Fluid in eine definierte Wirbel- bzw. Strudelbewegung versetzt. Hierdurch wird vermieden, dass das mit Fülldruck austretende Fluid radial an die Behälterwand prallt und zurückschwappt, wodurch vermehrt Gasblasen eingeschlossen werden, die bis zum Ende des Füllvorgangs akkumulieren und dann zu einem starken Aufschäumen führen würden.
  • Die Strömungsleitstruktur kann, wie Fig. 11 zeigt, an einer Innenseite des Füllrohrs 2 oder, wie in den Beispielen der Fig. 12 bis 14 an einer Außenseite des Kolbens 3 oberhalb der jeweiligen Dichtflächen 2',3' vorliegen. Anders als dargestellt, können auch an beiden, Füllrohr und Kolben, zusammenwirkende Strömungsleitstrukturen vorliegen, ebenso wie das Füllventil ein nach außen öffnendes Füllventil sein kann.
  • Die Beispiele in Fig. 11 und 12 zeigen jeweils im Füllrohr 2 und an dem Kolben 3 eine Strömungsleitstruktur 9, die durch einen Wendelsteg ähnlich einem Gewinde gebildet wird. Es können auch mehrere parallel verlaufende Wendelstege vorgesehen sein.
  • Fig. 13 und 14 zeigen eine Beschaufelung als Strömungsleitstrukturen an der Außenseite des Kolbens 3. Anders als dargestellt, kann eine Beschaufelung auch an der Innenseite des Füllrohrs vorliegen.
  • Die strömungsleitende Beschaufelung 9 am Kolben 3 in Fig. 13 wird durch einen Kranz Leitschaufeln gebildet, die zumindest in zwei Ebenen gekrümmt sind, um das vorbeiströmende Fluid in eine Wirbel- oder Strudelbewegung zu versetzen.
  • Fig. 14 zeigt ein Beispiel, bei dem die strömungsleitende Beschaufelung 9 durch einen Kranz Laufschaufeln gebildet wird, die hier ungekrümmt sind. Um hier das vorbeiströmende Fluid in eine Wirbel- bzw. Strudelbewegung zu versetzen, ist der Kolben 3 rotierend antreibbar ausgebildet, wie durch den Blockpfeil angedeutet ist. Wenn die Laufschaufeln gekrümmt sind, ist es ausreichend, wenn der Kolben 3 drehbar gelagert ist, da das an den Laufschaufeln vorbeiströmende Fluid den Kolben 3 in Rotation versetzt, wodurch die Wirbel- bzw. Strudelbildung auch ohne Antrieb unterstützt wird.
  • Abgesehen von der einfachen Konstruktion ohne Rückluftleitung und den dabei erforderlichen Ventilen und ohne aufwändige Mess- und Regelungstechnik zum Vorspannen und zum Druckausgleich, bietet die erfindungsgemäße Füllvorrichtung den Vorteil, dass der Kontakt des Fluids mit Luftsauerstoff auch ohne vorige Evakuierung oder Gasspülung reduziert wird. Dies liegt daran, dass die Kontaktfläche des Fluids im Ringspalt um das Füllventil im Behälter lediglich ein Kreisring mit einer Ringbreite ist, die die Differenz des halben Behälterinnendurchmessers di und des halben Füllventilaußendurchmessers dFs ist. Durch den unterschichtigen Befüllvorgang, bei dem der Fluidspiegel im Ringspalt immer oberhalb der Stirnfläche bzw. der Füllventilöffnung des Füllventils liegt, kommt das Fluid nur an der kreisringförmigen Kontaktfläche mit dem im Behälter vorliegenden Gas in Kontakt. Der Kreisring stellt eine äußerst kleine Kontaktfläche dar, wodurch die Aufnahme von Gas (insbesondere Luftsauerstoff) in das Fluid sehr gering ist.
  • Jegliche Modifikation, die die Grundgedanken der Erfindung nutzt, soll umfasst sein: Erfindungsgemäß erfolgt die Füllmengenbestimmung durch die bekannten Geometrien (Volumen) des Behälters (Dose) und des Füllventils, das zugleich ein Verdrängungselement darstellt, und des Aufsatzrohrs. Für das Füllventil sind verschiedene Ausführungen denkbar. Mit der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung können teure Messgeräte wie MID-Sensoren, wie sie im Stand der Technik genutzt werden, entfallen. Auch auf die Steuerung der Befüllung per Füllhöhe, die durch Lage der Öffnung eines Rückluftrohrs oder einer Rückluftbohrung oder mittels Sensor, Aktor und geeigneter Regellogik eingestellt wird, kann verzichtet werden. Eine Füllhöhenkorrektur ist nicht erforderlich.
  • Mit den geometrischen Bedingungen der Füllvorrichtung - die Größe der ringförmigen Fläche zwischen Behälterwand und Füllventil ist abhängig von Behälterdurchmesser und Behälteröffnungsdurchmesser und kann daher auch sehr klein sein - erfolgt die Kontaktflächenreduktion, die eine verringerte Gasaufnahme in das abgefüllte Fluid zur Folge hat. Während im Stand der Technik die im Behälter vorliegende Umgebungsluft durch Kohlenstoffdioxid ausgespült wird, was einen sehr hohen Kohlenstoffdioxidverbrauch bedingt, wird die Sauerstoffmenge hierbei schon durch die mechanische Verdrängung der Luft aus dem Behälter infolge der geometrischen Bedingungen deutlich reduziert. Durch den unterschichtigen Füllvorgang um das Füllventil, insbesondere in der Ausführungsform mit der Strömungsleitstruktur, entstehen weniger bis keine Verwirbelung von eingefülltem Fluid und Restgas im Behälter, wodurch die Sauerstoffaufnahme weiter minimiert wird.
  • Weiter wird der zum Druckfüllen erforderliche Gegendruck, der im Stand der Technik durch komprimiertes Gas, meist Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff erzeugt wird, mechanisch durch das Abdichten der Befüllöffnung während des Einführens des Füllventils bereitgestellt, so dass Spanngas und entsprechende Vorrichtungen zum Zuführen entfallen können. Der gewünschte Druck ist dabei einfach durch Bestimmung der erforderlichen Einführtiefe bei gegebenen geometrischen Bedingungen einstellbar.
  • Erfindungsgemäß wird dabei eine rückluftrohrlose Druckfüllung ermöglicht, wodurch die separate Steuerung, Reinigung und Wartung der Rückluftrohre bzw. Rückluftleitungen entfällt, was im Stand der Technik noch erforderlich ist: Dort wird üblicherweise ein Ein-Kammer-Prinzip zur Füllung angewendet. Der zu füllende Behälter und ein Vorratsbehälter auf der Füllvorrichtung (Ringkessel) bilden während dem eigentlichen Füllvorgang eine Kammer. Die in den zu füllenden Behälter einfließende Flüssigkeit verdrängt das dort vorhandene Gas in den Vorratsbehälter. Die bekannten Mehrkammerlösungen haben sich bislang nicht durchgesetzt, da die einzelnen Kammern nur dann richtig getrennt werden können, wenn ein Füllgutverlust akzeptiert wird. Eine echte Trennung der Kammern geht nur apparativ aufwändig.
  • In Summe kann mit der Erfindung bei der Befüllung von Behältern wie Dosen sowohl auf Messmittel zur Überwachung der Füllmenge sowie auf Spül- oder Spanngas verzichtet werden, wobei die verwendete Füllvorrichtung denkbar einfach konstruiert und kaum fehleranfällig ist. Aber auch wenn die Erfindung vorzugsweise ohne Spül- und Spanngas auskommt, ist die Durchführung solcher Schritte in erfindungsgemäßen Verfahren nicht ausgeschlossen.
  • Bei dieser Erfindung werden bekannte Größen, die sich vor, während und nach dem Füllvorgang nicht ändern, genutzt. Entscheidend ist, dass diese Größen nicht verändert oder geregelt werden können. Das Dosenvolumen und das Verdrängungsvolumen des Füllventils bleiben bestehen und können nicht geregelt werden. Diese geometrischen Größen werden zu beliebiger Zeit ermittelt (gemessen oder errechnet) und zu einem anderen Zeitpunkt zur Druck- und (Füll-)Volumenbestimmung während dem Füllvorgang genutzt. Der weitere grundlegende Parameter, der für die Steuerung der Füllvorrichtung erforderlich ist, ist der Ausgangsdruck, der entweder in einem geschlossenen System vorbestimmbar eingestellt wird, oder, wenn es sich um den Umgebungsdruck handelt, aktuell ermittelt wird, um die Eindringtiefe des Füllventils zum Zeitpunkt des Abdichtens mit dem Aufsatzrohr zu bestimmen, wodurch der Gegendruck festgelegt wird.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Füllventil
    2
    Füllrohr
    2'
    Dichtfläche
    3
    Kolben
    3'
    Dichtfläche
    4
    Aufsatzrohr
    5
    Kragen
    6
    Gleitdichtung
    7
    Ringabsatz
    8
    Dichtsitz
    9
    Strömungsleitstruktur
    10
    Füllvorrichtung
    20
    Behälter
    21
    Behälteröffnung
    22
    Behälterboden
    23
    Ringspalt
    dl
    Innendurchmesser Behälter
    dDo
    Durchmesser Behälteröffnung
    dFa
    Außendurchmesser Füllventil
    H
    Behälterhöhe
    h1, h2
    erste, zweite vorbestimmte Höhe
    S
    Fluidspiegel
    VF
    Volumen des vorbestimmten Füllventilabschnitts
    VB
    Volumen Behälter
    VA1, VB1
    Teilvolumina im Aufsatzrohr und Behälter
    VA2, VB2 ΔV
    Gasvolumen im Ringspalt
    ΔV1, ΔV2
    Gasteilvolumina in Aufsatzrohr und Behälter
    p0, pG, pF, pE
    Ausgangsdruck, vorbestimmter Gegendruck, Fülldruck, Entlastungsdruck

Claims (9)

  1. Füllvorrichtung (10) für einen vorbestimmten zylindrischen Behälter (20), dessen Behälteröffnung (21) einen Durchmesser (dDo) aufweist, der um ein vorbestimmtes Maß kleiner ist als der Innendurchmesser (di) des vorbestimmten Behälters (20), wobei die Füllvorrichtung (10) ein Füllventil (1) aufweist, das einen in einem Füllrohr (2) steuerbar geführten Kolben (3) und einen Außendurchmesser (dFa) aufweist, der an den Durchmesser (dDo) der Behälteröffnung (21) zum koaxialen Einführen des Füllventils (1) in den Behälter (20) durch die Behälteröffnung (21) angepasst ausgebildet ist, sodass ein zum Einführen in den Behälter (20) vorbestimmter Abschnitt des Füllventils (1) ein Volumen (VF) im Bereich von 33 bis 99 % des Behältervolumens (VB) aufweist, wobei das Füllventil (1) relativ zu dem Behälter (20) bewegbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Füllvorrichtung (10) ein Aufsatzrohr (4) aufweist, das zum abdichtenden Aufsetzen auf die Behälteröffnung (21) ausgebildet und koaxial um das Füllventil (1) angeordnet und relativ dazu bewegbar ist, wobei das Füllventil (1) in dem Aufsatzrohr (4) abdichtend gleitgelagert ist.
  2. Füllvorrichtung (10) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Aufsatzrohr (4) zum abdichtenden Aufsetzen auf die Behälteröffnung (21) einen Ringabsatz (7) mit einem an die Behälteröffnung (21) angepassten Dichtsitz (8) aufweist.
  3. Füllvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Füllventil (1) zur abgedichteten Gleitlagerung im Aufsatzrohr (4) einen Kragen (5) mit einer Gleitdichtung (6) aufweist.
  4. Füllvorrichtung (10) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kragen (5) von einer Füllventilöffnung des Füllventils (1) derart beabstandet ist,
    dass der Kragen (5) an dem Ringabsatz (7) zu liegen kommt, wenn der zum Einführen vorgesehene Abschnitt des Füllventils (1) vollständig in dem Behälter (20) aufgenommen ist.
  5. Füllvorrichtung (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Aufsatzrohr (4) einen Innendurchmesser aufweist, der dem Innendurchmesser (dl) des vorbestimmten Behälters (20) entspricht.
  6. Füllvorrichtung (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Füllventil (1) an einer Innenseite des Füllrohrs (2) und/oder an einer Außenseite des Kolbens (3) oberhalb der jeweiligen Dichtflächen (2',3') eine Strömungsleitstruktur (9) aufweist.
  7. Füllvorrichtung (10) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Strömungsleitstruktur (9) durch einen Wendelsteg oder zumindest eine Beschaufelung gebildet wird.
  8. Füllvorrichtung (10) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Strömungsleitstruktur
    - durch einen Kranz Leitschaufeln gebildet wird, die zumindest in einer Ebene gekrümmt ist, bevorzugt in zwei Ebenen gekrümmt sind,
    oder
    - durch einen Kranz Laufschaufeln gebildet wird, die gekrümmt oder ungekrümmt sind, und die vorzugsweise an dem Kolben (3) angeordnet sind, der rotierbar ausgebildet ist.
  9. Verfahren zum Befüllen eines zylindrischen Behälters (20) mit einem Fluid unter Verwendung einer Füllvorrichtung (10)
    nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8,
    umfassend die Schritte
    a) Positionieren des geschlossenen Füllventils (1) in Bezug zu dem Behälter (20) koaxial mit der Behälteröffnung (21) auf einer vorbestimmten ersten Höhe (h1),
    b) abdichtend Aufsetzen des Aufsatzrohrs (4) auf die Behälteröffnung (21), wobei eine vorbestimmbare Gasmenge, die sich aus einem Teilvolumen (VB1) im Behälter (20) und und einem Teilvolumen (VA1) in dem um das Füllventil (1) abgedichteten Aufsatzrohr (4) zusammensetzt, verbleibt,
    c) vollständig Einführen des Füllventils (1), sodass die vorbestimmbare Gasmenge in einem Ringspalt (23), der in dem Behälter (20) um das Füllventil (1) vorliegt, auf einen vorbestimmten Gegendruck (pG) komprimiert wird,
    d) Öffnen des Füllventils (1) und einströmen Lassen des Fluids mit einem vorbestimmten Fülldruck (pF) in den Ringspalt (23), sodass ein Fluidspiegel (S) innerhalb des Ringspalts (23) oberhalb der Füllventilöffnung des Füllventils (1) liegt,
    e) Durchführen einer relativen Aufwärtsbewegung des geöffneten Füllventils (1) innerhalb des Behälters (20) und innerhalb des Aufsatzrohrs (4), wobei der Fluidspiegel (S) innerhalb des Ringspalts (23) oberhalb der Füllventilöffnung des Füllventils (1) bleibt, und wobei mit der Aufwärtsbewegung des Füllventils (1) ein Gasteilvolumen (ΔV1) in dem um das Füllventil (1) abgedichteten Aufsatzrohr (4) freigegeben wird, das einem Fluidvolumen des in den Behälter (20) einströmenden Fluids entspricht, sodass der vorbestimmte Gegendruck (pG) konstant bleibt,
    f) Beenden der relativen Aufwärtsbewegung des geöffneten Füllventils (1) bei Erreichen einer zweiten vorbestimmten Höhe (h2), wobei das vorbestimmte Füllvolumen in dem Behälter (20) erreicht ist, und Schließen des Füllventils (1),
    g) Entfernen des geschlossenen Füllventils (1) aus dem Behälter (20) mit aufgesetztem Aufsatzrohr (4) und dabei Senken des Gegendrucks (pG) auf einen vorbestimmten Entlastungsdruck (pE),
    h) Entfernen des Aufsatzrohrs (4) von der Behälteröffnung (21).
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