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VERFAHREN ZUM BEFUELLEN EINES BEHAELTERS MIT EINEM UNTER DRUCK
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STEHENDEN GAS UND EINRICHTUNG ZUR AUSFUEHRUNG DES VERFAHRENS.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Befüllen
eines Behälters mit einem unter Druck stehenden Medium, insbesondere zur Druckgasbefüllung
von sogenannten Aerosoldosen, die eine zentrale Produkt-Austrittsöffnung mit einem
darin angeordnetem, einstückig ausgebildetem, durch axiale Druckbeaufschlagung im
Sinne einer Ventilöffnung elastisch verformbaren Ventilkörper aufweisen. Ferner
bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens,
insbesondere auf eine Einrichtung zur schnellen, automatischen Abfüllung solcher
Aerosoldosen, mit einer Druckgasquelle, die über ein Ventil mit einem Füllkopf in
Verbindung steht, welcher eine auf den Druckbehälter dichtend aufsetzbare Gasauslassöffnung
aufweist.
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Generell existieren zwei Methoden für die Einbringung von unter Druck
stehendem Gas in einen Druckbehälter, insbesondere in eine sogenannte Aerosoldose.
Die eine Methode wird im technischen Sprachgebrauch "Kaltgasfüllung" genannt, bei
welcher das Gas durch Kühlung in flüssiger Phase gehalten und in diesem Zustand
in die Aerosoldose abgefüllt wird. Dabei ist der Druckbehälter noch offen und das
Ventil zur Abgabe des Behälterinhaltes wird erst zu einem späteren Zeitpunkt eingesetzt.
Durch nachträgliche Erwärmung des Gases baut sich im Behälterinneren ein Druck auf,
sodass der Behälterinhalt
unter Einfluss des unter Druck -stehenden
Gases, bei Betätigung des Auslassventils, abgegeben wird. Diese Abfüllart benötigt
aber spezielle Abfüllvorrichtungen, um den Behälter und das Gas in einem Temperaturbereich
zu halten, in dem sich das Gas in flüssigem Zustand befindet, bis der Behälter durch
das Auslassventil druckdicht verschlossen ist.Da ein gewisser Anteil des Gase bei
dieser Methode des Abfüllens unweigerlich entweicht, bestehen bei diversen Gasen
ernste Gefahren, die vom Standpunkt der Betriebssicherheit her zu beachten sind.
Insbesondere bei Verwendung von brennbaren Gasen, wie z.B. Butan oder dgl., besteht
eine akute Explosionsgefahr, sodass die Menge des bei der Befüllung zwangsläufig
entweichenden Gases auf ein absolutes Minimum beschrä werden muss.
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Eine andere Methode des Befüllens von Druckbehältern ist die sogenannte
"Druckbefüllung", bei der das in den Behälter einzubringende Gas unter hohem Druck
eingepresst wird. Im allgemeinen erfolgt dabei die Befüllung in den bereits fertiggestellten
Behälter, d.h. bei eingesetztem Auslassventil. Notwendigerweise führt dann der Weg
des ein zu füllenden Gases durch das Ventil hindurch. Die Durchlasswege innerhalb
des Ventils sind sehr eng bemessen und der Durchgangsweg im Bereich der Ventildichtung
ist ebenfalls begrenzt. Wenn solche Behälter unter Verwendung von hohen Drücken
schnell abgefüllt werden sollen, sind gewisse Grenzen gesetzt und jedenfalls wird
die Konstruktion des Auslassventils, insbesondere bei Verwendung von gesonderten
Dichtelementen, komplexer
und damit störungsanfälliger sowie teurer.
Auch besteht die Gefahr, dass die meistens kalibrierten Durchgangsbohrungen im Ventil
und/oder die Ventildichtung während des Abfüllvorganges beschädigt wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Befüllungsverfahren
und eine dazu geeignete Einrichtung vorzuschlagen, welche die vorerwähnten Nachteile
der beiden Methoden nicht mehr aufweist. Insbesondere soll erreicht werden, dass
ein Druckbehälter, z.B. eine handelsübliche Aerosoldose, in äusserst kurzer Zeit
abgefüllt werden kann, ohne dass eine komplizierte und damit teure Ventilkonstruktion
für die Produktabgabe erforderlich wäre und ohne dass irgendwelche Gefahren durch
austretendes Gas während des Füllvorganges zu beachten wären.
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Gemäss der Erfindung wird dies bei einem Verfahren der eingangs erwähnten
Art dadurch erreicht, dass - die Oeffnung des Behälters dichtend an eine Druckmediumquelle
angeschlossen wird, - ein Verschlussorgan, insbesondere der Ventilkörper, innerhalb
des mit Dructmedium zu beaufschlagenden Raumes ausserhalb des zu füllenden Behälters
bereitgescllt wird,
- eine Verbindung zwischen Druckmediumquelle
und Behälter hergestellt und der Behälter iflit dem Medium gefüllt wird, - das bereitgestellte
Verschlussorgan in die Oeffnung des Behälters eingesetzt wird, währenddem - die
Verbindung zwischen Druckmediumquelle und Behälter un terbrochen und der gefüllte
Behälter entfernt wird.
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Vorzugsweise beim Abfüllen von Aerosoldosen kann ein Kupplungsorgan
verwendet werden, welches absperrbar mit einer Druckgasquelle verbunden ist und
eine Auslassöffnung aufweist. Dieses Kupplungsorgan kann mt einem Ventilkörper versehen
und dichtend auf die Oeffnung der Aerosoldose aufgesetzt werden. Nach beendetem
Füllvorgang wird der im Kupplungsorgan bereitgestellte Ventilkörper in die Oeffnung
der Aerosoldose eingesetzt, wonach das Kupplungsorgan gegenüber der Druckgasquelle
verschlossen und vom Behälter entfernt wird.
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Mit dem vorgeschlagenen Abfüllverfahren kann eine Aerosoldose in äusserst
kurzer Zeit, d.h. innerhalb von ca. 0,3 bis 0,5 sec. befüllt werden, sodass das
erwünschte "Schockabfüllen" in bisher einzigartiger Weise realisiert werden kann.
Ferner ergeben sich
Vorteile reim zumindest teilweisen Vormiscn
von Treibgas mit dem Wirkstoff, wenn in der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Weise
abgefüllt wird.
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Der Abfülldruck kann um ein Vielfaches gesenkt werden, wobei trotzdem
die gleichen Abfülleistungen erzielt werden können. Dies bedeutet weniger Energieverbrauch,
weniger Anfälligkeit auf Undichtigkeit, weniger Abnützung, weniger Gasverlust, und
zusätzlich können billigere Dichtungsmaterialien eingesetzt werden, da durch den
niedrigeren Druck die Beanspruchung kleiner wird.
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Ein ganz besonderer Vorteil ist aber darin zu erblicken, dass das
Auslassventil während des Abfüllvorganges keiner irgendwie gearteten Belastung ausgesetzt
wird. Bei den bekannten Druckabfüllmethoden besteht iuiier die Gefahr, dass durch
das mit hohem Druck (50 - 60 bar) einströmende Gas die üblicherweise kalibrierten,
sehr klein bemessenen Durchlassöffnungen im Ventilkörper aufgeweitet oder gar beschädigt
bzw. ausgerissen werden. Ein solches Ventil ist nicht mehr in der Lage, das in der
Aerosoldose enthaltene Produkt in der gewünschten Menge bzw. Dosierung abzugeben.
Mit der erfindungsgemässen Lösung hingegen ist diese Gefahr vollkommen gebannt,
da nicht durch den Ventilkörper hindurch abgefüllt wird auch und demzufolge auch
keine Beschädigungen desselben eintreten können.
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Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verb fahrer
wie vorstehend erwähnt, um=asst eine Druckgasquelle, die über ein Ventil mit einem
Füllkopf in Verbindung steht, welcher eine auf einen Druckbehälter dichtend aufsetzbare
Gasauslassöffnung aufweist. Gemäss der Erfindung zeichnet sich diese Einrichtung
dadurch aus, dass innerhalb des Füllkopfes ein mit dem Gasdruckkana in Verbindung
stehender Zufuhrkanal zur Aufnahme von Verschlussorganen vorgesehen ist, der im
Bereich der Oeffnung des Druckbehälters mündet und der mit einem Betätigungsorgan
zum Ausstoss vor Verschlussorganen in die Oeffnung des Druckbehälters ausgerüstet
ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen einer solchen Einrichtung sind in der
abhängigen Ansprüchen definiert.
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Bei einer solchen Einrichtung ist als Vorteil besonders hervorzuheben,
dass bei verschiedenen, als Verschlussorgan dienenden Venti körpern der gleiche
Füllkopf verwendet werden kann, auch wenn unter schiedliche Durchlassbohrungen im
Ventilkörper, unterschiedliche Ventilkörperausführungen usw. zur Verwendung gelangen
sollten.
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Dadurch, dass die Dichtfläche des Füllkopfes nur mit dem in den meisten
Anwendungsfällen gleichartig ausgebildeten Ventilteller der Aerosoldose in Berührung
bzw. in Wirkverbindung gelangt, ist eine grosse Freiheit in der individuellen Ventilgestaltung
gegeben.
Untexschiedliche Dimensionen der Aerosoldoseh können leicht
durch eine angepasste Positionierung des Füllkopfes ausgeglichen werden Die Verwendung
eines erfindungsgemäss vorgeschlagenen Füllkopfes erlaubt schliesslich eine Gassättigung
mit dem Wirkstoff, welche sonst nur durch aufwendige Füllmethoden mit hohen Fülldrücken
bewerkstelligt werden kann.
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Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren näher beschrieben,
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemässen Einrichtung dargestellt ist. Im einzelnen zeigen: Fig. 1
eine schematische Uebersichtsanordnung der gesamten Abfülleinrichtung, Fig. 2 einen
Axialschnitt durch einen Füllkopf und durch den oberen Bereich einer Druckdose in
einer ersten Phase des Abfüllvorganges, Fig. 3 einen entsprechenden Schnitt in einer
zweiten Phase,
Fig. 4 einen entsprechenden Schnitt in einer dritten
Phase, und Fig. 5 einen entsprechenden Schnitt in einer vierten Phase.
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In der Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der gesamten Anordnung
der Abfülleinrichtung für Druckbehälter dargestellt.
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Ein zu befüllender Behälter, z.B. eine Aerosoldose 1, wird durch nicht
näher dargestellte, an sich bekannte Mittel zu einer Füllstation 2 gebracht. Hier
wird auf die zentrale, obere Oeffnung der Dose 1 ein Füllkopf 3 aufgepresst, so
dass durch geeignete Dichtmittel eine druckfeste Verbindung zwischen einer unteren
am Füllkopf 3 vorgesehenenAuslassöffnung und der zentralen Oeffnung der Dose 1 hergestellt
ist. Auf die Ausbildung des Füllkopfes 3 wird später noch im einzelnen eingegangen.
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Der Füllkopf 3 ist über eine Leitung 4 und eine Leitung 5 mit einem
Vorratstank 6 für zu befüllendes Gas, z.B. Aerosoldosen-Treibgas, verbunden. In
die Leitung 4 ist ein erstes Rückschlac ventil 7 und in die Leitung 5 ein zweites
Rückschlagventil 8 eingefügt, deren Funktion im folgenden noch erläutert werden
wird. Weiter ist ein als Druckübersetzer wirkendes Dosieraggregat
vorgesehen,
welches gesamthaft mit 9 bezeichnet ist.
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Es umfasst einen pneumatischen Zylinder 10 mit einem Kolben 11, der
über eine Kolbenstange 12 mit einem Dosierkolben 13 verbunden ist. Letzterer ist
in einem koaxial an den Pneumatikzylinder 10 angebauten Dosierzylinder 14 untergebracht.
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Der Zylinderraum 15 unterhalb des Dosierkolbens 13 steht über eine
Leitung 16 mit den Leitungen 4 und 5 in Verbindung, und zwar an ihrem Knotenpunkt
zwischen den beiden Rückschlagventilen 7 und 8.
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Im Bereich des oberen Endes des Pneumatikzylinders 10 ist eine Hubbegrenzungsanordnung
17 vorhanden, die als Endanschlag für den Kolben 11 wirkt und dessen Verschiebungsweg
und damit den Hub des Dosierkolbens 13 bestimmt. Durch Verstellung der Hubbegrenzung
kann die vom Dosierkolben 13 geförderte Treibgasmenge eingestellt werden. Die Funktionsweise
eines solchen Dosieraggregates ist an sich bekannt und soll hier nur kurz angedeutet
werden: - Eine Aufwärtsbewegung des Kolbens 11 und damit des über die Kolbenstange
19 verbundenen Dosierkolbens 13 bewirkt, dass über Rückschlagventil 8 und Leitung
5 eine bestimmte Menge von Treibgas aus dem Tank 6 angesaugt wird. Ein Ansaugen
über Leitung 4 ist wegen des RückschLagventils 7 nicht möglich.
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- Eine gegensinnige, d.h. eine Abwärtsbewegung des Kolbens 11 und
damit des Dosierkolbens 13 bewirkt den Aus stops der angesaugten Gasmenge aus dem
Zylinderraum 15 heraus in die Leitung 16. Da das Ventil 8 sperrt, gelangt das Gas
unter Druck über das Rückschlagventil 7 und die Leitung 4 zum Füllkopf 3.
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Die Leitung 4, die an den Füllkopf 3 angeschlossen ist, mündet in
einen Druckgaskanal 18, der über einen Kanal 19 zur Auslassöffnung des Füllkopfes
3 führt. Der Kanal 19 steht mit einem Zufuhrkanal 20 in Verbindung, über welchen
Verschlussorgane 21 in die Oeffnung der Aerosoldose 1 eingesetzt werden.
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Die Verschlussorgane 21 werden mit geeigneten, an sich bekannten Mitteln
zur Mündung des Zufuhrkanals 20 herangeführt und mittels eines Betätigungsorganes
22 in den Zufuhrkanal eingebracht.
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In den folgenden Figuren 2-5 ist insbesondere die Ausbildung des Füllkopfes
3 näher dargestellt; die einzelnen Zeichnungen zeigen den Füllkopf in vier aufeinanderfolgenden
Phasen während des Befüllungsvorganges der Aerosoldose 1.
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In der Figur 2, auf die zunächst etwas ausführlicher eingegan gen
werden soll, ist grundsätzlich der Füllkopf 3 mit Betätigungsorgan
22
und angeschlossener Gaszufuhrleitung 4 sowie der obere Teil der zu befüllenden Aerosoldose
1 mit eingesetzten Venilteller 23 zu sehen.
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Der Füllkopf 3 besitzt ein Gehäuse 24, das im Bereich seines oberen
Endes ein Aussengewinde 25 trägt. Das Gehäuse 24 ist mit einem auf das Gewinde 25
aufgeschraubten Deckelelement 26 versehen, dessen Innengewinde 27 mit dem Aussengewinde
25 des Gehäuses 24 korrespondiert. Eine zentrale Bohrung im Oberteil 28 des Deckelelementes
26 erlaubt den Durchtritt eines Ventilkörpers 29, der mit einer zentralen, durchgehenden
Bohrung, die den Zufuhrkanal 20 bildet, versehen ist. Ein verbreiteter Zwischenbereich
30 des Ventilkörpers 29 ist mit peripher angeordneten Dichtelementen 31, z.B. in
Form von 0-Ringen aus Gummi, versehen, die in Nuten dieses Zwischenbereichs 30 Aufnahme
finden. Insgesamt findet der Ventilkörper 29 in einem zylindrischen Hohlraum 32
innerhalb des Gehäuses 24 Aufnahme, wobei die periphere Zylindermantelfläche des
Zwischenbereichs 30 mit den Dichtelementen 31 an der Innenwand des Hohlraumes 32
dichtend anliegt. Im Bereich des unteren Endes des Ventilkörpers 29 ist ein zentraler
Fortsatz 33 ausgebildet, der einen konischen Ventilsitz 34 aufweist. Eine Spiralfeder
35, die zwischen Oberteil 28 und
und Zwischenbereich 30 eingefügt
ist, hat das Bestreben, den Ventilkörper 29 gegen unten und damit den konischen
Ventilsitz 34 gegen eine korrespondierend ausgebildete Ventilsitzfläche 36 im Gehäuse
24 zu drücken.
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Durch den Fortsatz 33 des Ventilkörpers einerseits und die Innenwand
des Gehäuses 24 des Füllkopfes 3 andererseits ist; ein Ringraum 37 begrenzt, der
über einen Durchlass 38 mit der Druckleitung 4 in Verbindung steht.
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Unterhalb der Ventilsitzfläche 36 des Gehäuses 24 ist dieses mit einem
zylindrischen Fortsatz 39 versehen, auf welchem, unter Zwischenlage eines Dichtelementes
40, ein Anschlussstück 41 aufgeschraubt ist. Letzteres ist, zusammen mit dem Dichtelement
40,an die Kontur des Ventiltellers 23 der Aerosol dose 1 angepasst, so dass das
Anschlussstück 41 mit Hilfe des Dichtelementes 40 dichtend auf den Ventilteller
23 der Dose 1 aufgesetzt werden kann.
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Wie ebenfalls aus den Figuren 2-5 deutlich erkennbar ist, besitzt
der Fortsatz 39 einen Auslasskanal 19, der im wesentlichen koaxial zum Zufuhrkanal
20 angeordnet ist. Beim Abheben des Ventilsitzes 34 von der Ventilsitzfläche 36
steht der Auslasskanal 19 sowohl mit dem Zufuhrkanal 20 als auch,
über
den Durchlass 38, mit der Druckleitung 4 in Verbindung.
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Selbstverständlich sind nicht näher'dargestellte Mittel vorhanden,
um den Füllkopf 3 und/oder die Aerosoldose 1 gegeneinander zu verschieben, damit
ein dichtendes Aufpressen des Kopfes 3 auf den Ventilteller 23 der Dose 1 realisiert
werden kann.
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Das Betätigungsorgan 22 ist koaxial und verschiebbar zum Zufuhrkanal
20 angeordnet und steht unter Wirkung von nicht näher dargestellten Antriebsmitteln,
die ein Einführen des Betätigungsorganes 22 in den Zufuhrkanal 20 hinein erlauben.
An seinem vorderen Ende trägt das Betätigungsorgan 22 einen Dorn 42 zur Aufnahme
eines Verschlussorganes 21, z.B. eines einstückigen Ventilkörpers, der in geeigneter,
hier nicht zur Diskussion stehender Weise herangeschafft wurde.
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Das Betätigungsorgan 22 besitzt einen Durchmesser, der im wesentlichen
dem Durchmesser des Zufuhrkanals 20 entspricht. Zur Abdichtung des in den Zufuhrkanal
20 eingeschobenen Betätigunsorganes 22 dient primär das aufgesetzte Verschlussorgan
21 und zusätzlich ein 0-Ring 43, der in einer Nut im Bereich des unteren Endes des
Betätigungsorganes 22 Aufnahme findet.
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Die Funktion der erfindungsgemässen Befüllungseinrichtung ist wie
folgt: 1. I. Phase / Vorbereitung (Fig. 2) Der Füllkopf 3 befindet sich in einer
etwas angehobenen Position und eine zu befüllende Aerosoldose wurde unterhalb des
Anschlussstückes 41 positioniert. Die genaue Zentrierung wird von gegen unten abstehenden,
den Rand des Ventiltellers 23 übergreifenden Zentrierbacken 44 am Anschlussstück
41 übernommen. Die Dichtung 40 befindet sich konzentrisch ausgerichtet über der
Oeffnung 45 der Dose 1. In der Leitung 4 und damit im Ringraum 37 herrscht kein
Ueberdruck oder nur ein vergleichsweise geringer Restdruck, so dass der Ventilkörper
29 mit seinem am Fortsatz 33 ausgebildeten Ventilsitz 34 auf der Ventilsitzfläche
36 des Gehäuses 24 aufliegt, dies unter Wirkung der Kraft der Feder 35. Somit ist
der Auslasskanal 19 des Füllkopfes gegenüber der mit der Druckgasquelle verbundenen
Leitung 4 abgedichtet. Das Betätigungsorgan 22 ist in seiner zurückgezogenen Stellung
und hat mittels seines Dornes 42 einen durch nicht dargestellte Mittel zugeführten
Ventilkörper 21 aufgenommen.
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2. II. Phase / Bereitschaft (Fig. 3) Der Füllkopf 3 wurde abgesenkt,
die Dose 1 mittels der Zentrierbacken 44 genau zentriert und das Anschlussstück
41 liegt mit seiner Dichtung 40 auf dem Ventilteller 23 auf.
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Es ist somit eine druckfeste Verbindung zwischen Oeffnung 45 der Dose
1 und Auslasskanal 19 des Füllkopfes hergestellt.
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Das Betätigungsorgan 22 hat den aufgenommenen Ventilkörper 21 in den
Zufuhrkanal 20 hineinverschoben und in eine Bereitschaftstellung gebracnt. Der Zufuhrkanal
20 ist durch die Dichtorgane 43 gegen oben druckdicht abgeschlossen.
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Zumindest annähernd gleichzeitig wurde das Dosieraggregat 9 (Fig.
1) im Rückzugssinn betätigt, so dass der Dosierkolben 13 hochgezogen und im Zylinderraum
15 eine vorbestimmte Menge des einzubringenden Gases bereitsteht.
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3. III. Phase / Befüllen (Fig. 4) Die Position von Füllkopf 3 (aufgepresst
auf Dose 1) und Betätigungsorgan 22 sind unverändert. Hingegen wurde das Dosieraggregat
9 (Fig. 1) betätigt, so dass das im Zylinderraum 15 befindliche Gas herausgepresst
wird und über Leitung 16, Rückschlagventil
7 und Leitung 4 in
den Ringraum 37 gelangt. Dort baut sich ein Druck auf, unter dessen Einfluss schliesslich
der Ventilkörper 29, entgegen der Wirkung der Feder 35, gegen oben verschoben wird,
so dass sich der Fortsatz 33 von der Ventilsitzfläche 36 abhebt. Der Ringraum ist
dadurch mit dem Auslasskanal 19 verbunden und das Gas strömt durch die Oeffnung
45 in die Dose 1 hinein. Nach Beendigung des Ausstosshubs des Dosierkolbens 13 baut
sich der Druck im Ringraum 37 ab und der Ventilkörper 29 bewegt sich unter Wirkung
der Feder 35 in seine Schliessstellung zurück.
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4. IV. Phase / Verschliessen (Fig. 5) Nachdem der Ringraum 37 gegenüber
dem Kanal 19 und damit gegenüber der Oeffnung 45 der Dose 1 abgedichtet worden ist,
wird das Betätigungsorgan 22 in Funktion gesetzt und bewegt sich gegen unten, in
Richtung auf die Dose 1 zu. Der Ventilkörper 21 wird in die Oeffnung 45 der Dose
1 hineingepresst und verschliesst diese.
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Durch die Abwärtsbewegung des Betätigungsorganes 22 werden im Kanal
19 noch vorhandene Gasreste ebenfalls in die Dose 1 eingebracht.
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Nun kann der Füllkopf angehoben und die gefüllte sowie verschlossene
Dose entfernt werden. Gleichzeitig wird das Betätigungsorgan zurückgezogen, ein
weiterer Ventilkörper herangebracht und vom Dorn 42 des Betätigungsorganes 22 aufgenommen.
Nach Entfernen der gefüllten und verschlossenen Dose 1 wird endlich eine neue, zu
befüllende Dose unter dem Füllkopf positioniert.
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Damit beginnt der gesamte, eben beschriebene Zyklus von neuem.
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Dadurch, dass das Deckelelement 26 gegenüber dem Gehäuse 24 des Füllkopfes
3 verstellbar ist, und zwar in axialer Richtung durch Verdrehen entlang der Gewinde
25 und 27, lässt sich die Vorspannung der Feder 35 einstellen. Dadurch wiederum
bestimmt sich der Wert des Druckes, der in der Ringkammer 37 herrschen muss, bis
der Ventilkörper 29 verschoben wird und dadurch der Durchlass zwischen Ventilsitz
34 und Sitzfläche 36 freigegeben und somit die Befüllung der Dose 1 eingeleitet
wird.