WO2015169630A1 - Füllvorrichtung - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a filling device, in particular for filling containers with a liquid, solid or viscous medium.
- These fillers increasingly include liquids containing fibers or solids such as fruit pieces or cereals.
- a filling device in which a double-valve cylinder with its upper valve cylinder releases or closes an inlet opening from a storage container and opens and closes the outlet to a container to be filled with its lower valve cylinder.
- the lifting and supporting rod of these two coupled valve cylinders traverses a pre-filling chamber whose walls are partially formed of elastic membrane walls.
- the rearward space of these elastic membrane walls or inner liners of the prefilling volume can be flowed behind by means of metering cylinders and stretched in a defined manner, so that when the lower valve cylinder is open and the upper valve cylinder is closed, a defined amount of fluid can be displaced from the prefilling volume and filled into a container.
- a problem with such filling devices is that sliding sealing surfaces can be poorly cleaned, for example by a CIP (cleaning in place) valve piston or valve cylinder. It is therefore an object of the present invention to provide a filling device which allows a simple and effective cleaning and / or sterilization of the filling device, in particular in the context of CIP or SIP (sterilization in place).
- the filling device has a product feed, for example a product container, a prefilling space and a controllable outlet.
- the spout is usually formed by an electrically or pneumatically controlled valve, which has two relatively movable parts, which release or close an outlet opening.
- the filling device furthermore has a, for example, linear, movable sealing arrangement, for example a piston arrangement, which connects the product feed to the pre-filling space in an open position and separates the product feed from the pre-filling space in a closed position.
- a sealing arrangement for example a piston arrangement which can be actuated in the direction of the pre-filling space, this has the advantage that the piston of the piston arrangement can be pressed against a sealing seat of the pre-filling space, whereby the pre-filling space is separated from the product feed.
- no relative sliding movement occurs between the sealing surfaces, but only a pressing movement. Therefore, the corresponding sealing surfaces can be easily cleaned in a CIP and SIP process.
- the sealing arrangement can be moved on any tracks, e.g. linear or circular or helical.
- the filling device has a flexible displacement arrangement, the volume of which is adjustable in the pre-filling space.
- a displacement arrangement can be formed, for example, by a bellows or by an expandable elastic body, for example a rubber bladder.
- the change in volume of the folding bellows or elastic body can be effected, for example, by a mechanical arrangement, eg piston arrangement or hydraulically or pneumatically.
- the essential aspect of the displacer arrangement is that it has a surface layer towards the pre-charge space which is constant or unchanged because it has at least one elastically deformable wall or at least one deformable wall section.
- the size of the wall or surface layer changes at most by their elastic material deformation (eg: in a rubber bladder, balloon) or flexibility of the wall (eg in a bellows), ie change the position of portions of the wall or surface layer to each other, such as in a bellows.
- a suitable control or drive means such as an incompressible fluid, a mechanical arrangement, e.g. Piston assembly or a combination of hydraulic and mechanical drive.
- An elastic material is defined as a material having a reversible deformability of at least 10 to 20%.
- the term "flexible” may also be interpreted to mean that solid components are arranged movably with respect to each other, e.g. at a plate bellows.
- the advantage here is also that after the pre-filling space has been separated from the product feed, a defined volume can be ejected solely by the increase in volume of the displacer arrangement in the pre-filling space (with the outlet open), without surfaces in contact with the product Sliding metering slide together.
- Another advantage of the filling device according to the invention is that the delivery of the contents is no longer carried out by the movement of a piston in a cylinder, in which case there are sliding sealing surfaces, which come into contact with the product, but by a flexible displacer assembly whose volume is adjustable in the Vorphilllraum.
- the displacer assembly is expanded to fill the contents of a first smaller volume to a larger first volume and the dispensed amount corresponds exactly to the volume displaced by the expansion.
- Displacement can be effected, for example, by means of a piston which is sealed by means of a bellows with respect to the prefilling space, in which case the expanded bellows define the displacement volume.
- the displacement volume may also be formed by an elastic geometric shape, for example by an elastic bladder, for example made of rubber or the like, in which case the volume of this elastic body is adjusted by the action of the interior of the elastic body with a gas or a fluid can.
- the sealing arrangement can only be designed as a piston or punch, which closes the connection between see product container and prefilling space covers. This may be a sealing lip, which comes to lie, for example, on the product container. A sealing of the sealing arrangement can thus take place without a sliding relative movement of two sealing components, with which a slight cleaning is possible borrowed here.
- the contents are in particular a solid, a liquid containing solids or a liquid of any viscosity, but should be flowable or free-flowing.
- the sealing arrangement is designed as a particularly linearly movable piston arrangement, in such a way that it can be moved to seal the pre-filling space with respect to the product feed in order to be moved between the closed position and open position.
- a particularly linearly movable piston arrangement in such a way that it can be moved to seal the pre-filling space with respect to the product feed in order to be moved between the closed position and open position.
- the piston assembly is formed as a double piston assembly with an outer and an inner piston, which are arranged concentrically to each other and cooperate telescopically.
- the outer piston form the sealing arrangement and the inner piston form the displacer arrangement.
- the sealing function of the prefilling space and the displacing function can thus be implemented in a functional unit in a technically simple manner, wherein both the inner and the outer piston can be actuated by a common actuating element and / or by separate actuating elements. If the outer piston is also to be moved with an actuating element acting on the inner piston, then the forces for relative movement tion of the inner and outer pistons to each other and to the product container preferably tuned so that at a deflection of the actuating element first the outer piston is moved, and only when this has reached its sealing position, the inner piston.
- the product supply in particular the product container, as well as the Vorhellraum can thus be designed technically simple, because both the sealing function for separating the product supply and Vorhellraum and the displacement function in Vorhellraum are taken over solely by the double piston arrangement.
- the outer piston can be actuated by an actuator, so that it is controlled from the closed position to the open position movable
- the outer piston is sealed with a bellows against the product supply, for example the product container, in which way no moving sealing surfaces which come into contact with the product also occur between the product supply and the outer piston.
- the relative movements of the double piston assembly are due to the elastic deformation of the bellows upon actuation of the inner and outer pistons sealed against the product.
- the actuating element for actuating the inner piston is preferably a push rod, which cooperates via a roller or a sliding shoe with a control surface.
- the push rod may also be driven by its own drive, e.g. a hydraulic cylinder or stepping electric motor to be actuated.
- the push rod is connected to a piston member and the outer piston has an axial bore in which the piston member is movable.
- the inner piston together with bellows is preferably mounted on one end of the outer piston and communicates with the bore, wherein between the piston member and the inner piston, ie the bellows, a fluid is arranged.
- the displaced volume of the displacer can be set exactly without the geometric volume conditions for a geometric complex body such as a bellows exactly have to be determined.
- the pressures are transmitted from the actuator to the inner piston almost frictionless and wear.
- the outlet is arranged as a controllable valve, whereby the filling process is simply controlled by an electronic control of the filling, eg a microprocessor control / controllable.
- the valve has an elastic membrane surrounding an outlet opening which cooperates with a closing element.
- the opening of the pre-filling space by means of the controllable outlet takes place here by a relative movement of the elastic membrane relative to the central sealing element, which relative movement can likewise be realized without sliding surfaces which could come into contact with the product.
- a moving closure element is created by the elastic membrane in the outlet or valve, which manages without sliding sealing surfaces.
- an alternative method variant with this device is possible by controlling the maximum prefilling volume in the prefilling space by means of the displacer arrangement.
- the volume in Vor oscilllraum initially limited by a partially expanded displacer already in the initial filling step or a partial volume displaced by the parts-expanded displacer assembly in the closing step of Vor colllraumes from this and in the storage container back.
- the discharge valve of the outlet opening is then opened and the pre-filling chamber is completely or partially emptied by a further increase in volume of the displacer arrangement for filling the container.
- the filling device according to the invention due to its good cleaning ability, in particular CIP and SIP, especially when filling solids or liquids with solids excellent to use.
- the invention allows a closed CIP and SIP. This is relevant against the background that consumption of
- Fruit, wellness and sports drinks which also contain smaller pieces of fruit, fruit fibers or cereals, are becoming increasingly widespread today.
- the filling device can also be used alone for filling solids or liquids.
- a load cell can be used in the pre-filling space, wherein the weight determination only takes place after completion of the filling.
- the load cell by means of the load cell, the filled mass or the weight can be determined exactly.
- the inner and outer pistons of the Doppelkolbenan- order are mechanically driven, in particular by an actuating element, such as a push rod.
- a particularly advantageous application is that the filling volume to be diverted is determined indirectly hydraulically via a coupling fluid (fluid) which is located in the inner volume of the second bellows, the dosing bellows.
- This coupling liquid can either be present in an inner volume which can be changed by means of a cylinder and be introduced into and out of the metering bellows (second bellows) by means of a displaceable cylinder, or a fixed internal volume is provided which communicates with at least one expansion tank, the coupling liquid being connected by means of Pumps are pumped in and out and the liquid keitsmenge the coupling fluid is detected and controlled by means of suitable volume measurement systems.
- a supply line is provided, which allows the initial filling and determining the volume of the coupling liquid.
- Fluidically connected reservoirs can be provided as needed for one or more such filling elements or the coupling fluids.
- the bellows which seals the inner piston against the outer piston, is preferably made of Teflon or soft metal or a fairly rigid plastic, so a material that prevents radial constrictions in the applied pressures.
- the invention realizes a mechanically very simple construction, which is very easy to clean by minimizing contact surfaces. A very good cleaning is particularly possible because with CIP all contact surfaces can be separated from each other and no sliding surfaces are provided.
- the filling device according to the invention thus allows a cold aseptic filling.
- the product supply may be in any other way, e.g. be designed as a supply channel.
- FIG. 8 a partially cutaway side view of a first embodiment of a filling device with a double piston arrangement in different phases of a filling operation
- FIG. 9 a partially sectioned side view of an alternative embodiment of a filling device with a fluid-operated displacement arrangement
- FIG. 10 shows a partially cutaway side view of a further embodiment of a motor-operated filling device with additionally arranged weighing cell for checking and regulating the pre-filling
- 1 1 is a partially sectioned side view of a further embodiment of a motor-operated filling device with an aseptic Vor colllraum,
- FIG. 12 is a partially sectioned side view of an embodiment of a motor-operated filling device according to FIG. 10 during a closed CIP,
- Fig. 13 is a partially sectioned side view of another embodiment of the invention with a balloon as part of the displacer assembly, and
- Fig. 14 is a partially sectioned side view of another embodiment of the invention with a bellows as part of the displacer assembly.
- FIGS. 1 to 8 show the chronological sequence of a filling process of a first embodiment of a filling device according to the invention.
- identical or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.
- the filling device 10 contains a product container 12, which acts as a product feed. At the bottom of the product container 12, a Vorhellraum 14 connects.
- the filling device further includes a double piston assembly 16 having two concentric pistons 18, 36, namely an inner piston 36 and an outer piston 18, which are axially movable relative to the product supply 12 and relative to each other.
- the double piston assembly 16 is held by means of a guide 15 on the product container 12 or a construction element connected thereto.
- the outer piston 18 of the dual piston assembly 16 is actuated by means of an actuator 17, e.g. a hydraulic or pneumatic cylinder or an electric motor relative to the product container 12 axially adjustable.
- the outer piston 18 is surrounded by a first bellows 24 made of an elastic material, whereby it is sealed against the product container 12.
- the Vorzllraum 14 can be sealed against the product container 12 by the outer piston 18 by the pre-filling chamber facing the lower end 20 of the outer piston 18 presses against the bottom 22 of the product container 12.
- the outer piston 18 as a sealing arrangement without sliding sealing surfaces separate the Vorzllraum 14 from the product container 12, whereby no sliding sealing surfaces are provided in the entire product area.
- the inner piston 36 is sealed with a second bellows 38 against the outer piston 18 and acts as a displacer assembly as soon as the outer piston 18 has sealed the Vorhellraum 14 against the product container 12.
- an outlet 28 is arranged, which is formed by an electrically or pneumatically controllable valve.
- the valve 28 includes a fixedly arranged, for example, spherical sealing element 32, which is arranged above an outlet opening 34 in the middle of an elastic membrane 30.
- the membrane 30 is encompassed or held by an axially adjustable actuating cylinder 31, by means of which the membrane 30 can be pressed against the sealing element 32 for closing the outlet opening 34 or moved away from it for opening.
- the inner piston 36 is movable relative to the product container 12 by means of a push rod 40.
- the inner piston can in this case take the outer piston 18, provided that the movement is released by the actuator 17, or both pistons move together.
- the push rod 40 carries at its upper end a roller 42 which moves along a guide surface 44 of a control element 45.
- the push rod 40 is connected to the end of the inner piston 36.
- the deflection of the push rod 40 corresponds to the vertical course of the guide surface.
- the Dosierfaltenbalg the movement of the push rod 40 is transmitted from the inner piston 36 to the outer piston 18.
- the element 16 is only a guide sleeve, which is not moved.
- Useful sealing elements between the stationary sleeve 16 and the outer, moving piston 18 are not shown.
- the space between element 16 and the piston 18 can also be flushed with a liquid or a gas or at least be connectable to a cleaning circuit via corresponding connections.
- Fig. 1 shows the outer piston 18 in the open position at the beginning of the filling process, in which between the lower end 20 of the outer piston 18 and the bottom 22 of the product container 12, an inlet 26 is formed, through which the product from the product container 12 in the Vor sympatraum 14 can get.
- the total movement is caused by the actuator 17, esp.
- the inner piston moves with suitable stops.
- the cam is suitably adapted to the movements.
- the actuating cylinder 31 is moved by means of a drive, not shown, controlled by a control of the filling device down, whereby the outlet opening 34 is released for a product delivery.
- Fig. 4 shows that the roller 42 has moved at the upper end of the push rod 40 to the lower end of the guide surface 44, in which position the inner piston is pressed as a displacer assembly in the Vorhe displaces a defined amount of product through the open discharge opening 34 is ejected. In this case, the second bellows 38 is stretched.
- the outlet opening 34 is closed again by the actuating cylinder 31 being moved upward again, the membrane 30 coming to rest on the sealing element 32 and the outlet 28 being closed. This is shown in FIG. 5.
- the actuator 17 is actuated to move the outer piston 18 upwardly from its closed position to the open position with the lower end 20 of the outer piston 18 lifting from the bottom 22 of the product container and the inlet 26 of the product container 12 in the Vorhellraum 14 is opened again.
- the roller 42 of the push rod on the guide surface slides up again, the inner piston 36 also moves back to its retracted position, as shown in Fig. 8. This in turn is the starting position for a new filling process as shown in Fig. 1.
- FIG. 9 shows an embodiment of a filling device 60 that is largely analogous to FIGS. 1 to 8.
- the push rod 62 has on its underside a piston element 64 which can slide axially in a central bore 65 of the outer piston 18 .
- an incompressible fluid 66 for example water or an oil, arranged so that the deflection of the bellows 38 in the Vorchirllraum 14 via the piston member 64 by means of the fluid 66 and thus wear-free and largely low-friction.
- the fluid 66 pushes against the entire inner surface of the bellows 38, so that it does not constrict.
- FIG. 10 shows a further embodiment 50 of a filling device according to the invention.
- This embodiment differs from the embodiment 1 to 8 characterized in that the push rod 40 is not deflected by a guide surface, but by a single drive 52, such as a linear motor or actuator cylinder, whereby the displaced volume can be adjusted by means of precise control of the linear motor.
- This embodiment of the invention additionally has an optional weighing cell 56 in order to check the correctness of the filled volume and / or to build up a control loop.
- the push rod 40 is optionally driven by a single drive 52, such as a linear motor or actuator cylinder.
- Fig. 1 1 shows an embodiment as shown in Fig. 10, but in aseptic construction.
- the membrane extends into an inlet pipe which is filled into the container mouth of a container to be filled, eg a bottle. Since the membrane 30 is tightly secured to the lower edge of the Vorhellraums, a separation between the sterile room and other filling elements is ensured.
- a load cell 56 may also be arranged in this embodiment.
- a sterile room is provided below the filling valve, in which the containers are arranged and guided completely or partially during filling, wherein essentially only the container carriers are provided as manipulation elements within this sterile space.
- the filling elements and all other elements belonging to the filler are located above or outside the sterile room.
- Fig. 12 shows the embodiment analogous to Fig. 10 when performing a closed CIP (cleaning in place).
- CIP cleaning in place
- the push rod 40 is actuated as in the embodiments of Figures 9 to 1 1 by a single drive 52, but can also be actuated by a drive 42, 44, 45 as shown in Figures 1 to 8.
- the invention is to be varied within the scope of the following claims.
- the particular advantage in all the variants described is that the displacer assembly 36 (second bellows) protrudes freely suspended or cantilever in the Vor Stirllvolumen 14 and displaced by volume expansion on several sides, the filling volume in the filling step from the Vor colllvolumen.
- the displacer arrangement 36 is ideally kept or stored only on one face or room side of the prefill volume.
- FIG. 13 shows a further embodiment of a filling device 70 with a pre-filling space 72, a product feed 74, a product container 75 and a shut-off valve 76 arranged between the product feed 74 and the pre-filling space 72.
- the product contained in the product container 75 can in particular contain product pieces and / or be more viscous liquid.
- the Vor buoy 72 protrudes from above a Verdrängeran Aunt 78, comprising an outlet or supply pipe 80 and a surrounding this Vorhellraum 72 in the rubber layer or elastic polymer layer 82 in the manner of a balloon.
- the polymer layer 82 abuts the supply tube 80 when the pressure in the fluid container 88 is less than the pressure in the product container 75.
- the polymer layer 82 is secured to the top of the pre-fill space 72 and sealed.
- a metering valve 84 is disposed above the Vorhellraums 72 and above the metering valve, a flow meter 86 (for example, MID).
- the flow meter 86 ideally can detect the volume flow for both directions of flow.
- the upper end of the feed tube 80 terminates in a fluid container 88 which receives the pressurized fluid to expand the space within the polymer layer 82.
- a filling valve 89 is arranged at the lower end of Vor colllraums 72.
- the control of the filling device 70 is accomplished by simply switching the valves 76, 84 and 89 alternately and the fact that 3 different pressure levels are used:
- p1 product> p2 (pressurized fluid)> pO (atmospheric).
- the coupling fluid can be introduced and removed via a fluid reservoir 88 with suitable actuating and control elements.
- actuating and control elements Ideally, only one central fluid container per pressure level or fluid (coupling fluid, product) is provided, with which all filling elements are provided. te or their respective displacement elements are connected.
- These central fluid containers are esp. Run as a ring channels or containers. To set the desired pressure level in the respective fluid container only one central unit, such as a pump or feed is required in each case.
- the check valve 76 is closed and the metering valve 84 and fill valve 89 are opened to provide a defined amount of pressurized fluid, e.g. Oil or water to press into the interior space within the polymer layer 82.
- pressurized fluid e.g. Oil or water
- the polymer layer 82 expands to the balloon-like shape represented by dashed lines, with which a defined product volume from the pre-filling space 72 via the filling valve 89 into a container 96, e.g. a bottle is dispensed.
- FIG. 14 shows an embodiment of a filling device 90 that is largely identical to FIG. 13, in which identical and functionally identical parts are provided with the same reference numerals.
- a bellows 92 is part of the displacer assembly 94, which has the same function as the polymer layer 82 in FIG.
- the bellows 92 may consist of a relatively inelastic material, since the change in volume can be realized here by the relative movement of the parts of the bellows relative to each other.
- the bellows 92 is pressurized with a pressurized fluid. The control takes place as explained in connection with FIG. 13. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Landscapes
- Basic Packing Technique (AREA)
- Filling Of Jars Or Cans And Processes For Cleaning And Sealing Jars (AREA)
Abstract
Füllvorrichtung zum Füllen von Behältern mit einem flüssigen oder viskosen Füllgut, mit einer Produktzufuhr (12) und einem Vorfüllraum (14), welcher einen Zulauf (26) von der Produktzufuhr und einen steuerbaren Auslauf (28) aufweist, welche Füllvorrichtung eine bewegbare Dichtanordnung (18) aufweist, die in einer Öffnungsstellung den Zulauf freigibt und in einer Schließstellung den Zulauf sperrt, und mit einer Verdrängeranordnung (36), deren in den Vorfüllraum (14) hineinragendes Volumen variierbar ist, welche Verdrängeranordnung zum Vorfüllraum hin eine flexible Oberflächenschicht (38; 82, 92) hat.
Description
Füllvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Füllvorrichtung, insbesondere zum Befüllen von Behältern mit einem flüssigen, festen oder viskosen Füllgut. Zu diesen Füllgütern gehören zunehmend auch Flüssigkeiten, die Fasern oder Feststoffe wie Fruchtstücke oder Cerealien enthalten.
Bei der Abfüllung von derartigen Flüssigkeiten wird in einem ersten Schritt in der Regel eine festgelegte Feststoffmenge in das Behältnis vordosiert und an- schließend die Flüssigphase aufgefüllt. Dies geschieht meist in zwei unabhängig voneinander arbeitenden Füllmaschinen. Zur Vordosierung der Feststoffe verwendet man heute meist mechanische Kolbenfüller. Diese haben durch die Kolben-Zylinder-Bauweise und ihre mechanisch sehr hohe Komplexität den Nachteil einer weniger guten Reinigungs- und Sterilisationsfähigkeit. Insbeson- dere liegt dem Kolben-Zylinder-Problem der Nachteil zugrunde, dass sie Gleitflächen aufweisen, die nur sehr aufwändig zu reinigen sind, indem der Kolben ganz herausgefahren werden muss. Eine CIP oder eine Dampfsterilisation ist so nicht möglich, weil das System zum Reinigen offen ist, also kein Druck aufgebaut werden kann, der zum Erreichen der Sterilisationstemperatur nötig ist.
Aus der DE 1 121081 A1 ist eine Füllvorrichtung bekannt, bei der ein Doppelventilzylinder mit seinem oberen Ventilzylinder eine Zulauföffnung aus einem Vorratsbehälter freigibt oder verschließt und mit seinem unteren Ventilzylinder den Auslauf zu einem zu füllenden Behälter hin öffnet oder schließt. Die Hub- und Tragstange dieser beiden gekoppelten Ventilzylinder quert einen Vorfüll- raum, dessen Wände teilweise aus elastischen Membranwänden gebildet sind. Der rückwärtige Raum dieser elastischen Membranwände oder Innenauskleidungen des Vorfüllvolumens können mittels Dosierzylinder hinterströmt und definiert gedehnt werden, so dass bei einer geöffneten Position des unteren Ventilzylinders und eine geschlossenen Position des oberen Ventilzylinders eine definierte Fluidmenge aus dem Vorfüllvolumen verdrängt und in einen Behälter eingefüllt werden kann.
Ein Problem bei derartigen Füllvorrichtungen besteht darin, dass sich gleitende Dichtflächen Ventilkolben oder Ventilzylinder nur schlecht, zum Beispiel durch ein CIP (cleaning in place), reinigen lassen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Füllvorrichtung zu schaffen, die eine einfache und effektive Reinigung und/oder Sterilisierung der Füllvorrichtung, insbesondere im Rahmen von CIP oder SIP (Sterilisation in place) erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch eine Füllvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß hat die Füllvorrichtung eine Produktzufuhr, zum Beispiel einen Produktbehälter, einen Vorfüllraum und einen steuerbaren Auslauf. Der Auslauf ist in der Regel durch ein elektrisch oder pneumatisch gesteuertes Ventil gebildet, welches zwei relativ zueinander bewegbare Teile aufweist, die eine Auslauföffnung freigeben oder verschließen.
Die Füllvorrichtung weist fernerhin eine, zum Beispiel linear, bewegbare Dichtanordnung auf, zum Beispiel eine Kolbenanordnung, die in einer Öffnungsstellung die Produktzufuhr mit dem Vorfüllraum verbindet und in einer Schließstel- lung die Produktzufuhr vom Vorfüllraum trennt. Wenn die Dichtanordnung vorzugsweise als Kolbenanordnung ausgebildet ist, die in Richtung auf den Vorfüllraum betätigbar ist, hat dies den Vorteil, dass sich der Kolben der Kolbenanordnung gegen einen Dichtsitz des Vorfüllraum drücken lässt, womit der Vorfüllraum von der Produktzufuhr getrennt wird. Hierbei tritt keine relative Gleitbewe- gung zwischen den Dichtflächen auf, sondern lediglich eine Andruckbewegung. Daher lassen sich die entsprechenden Dichtflächen in einem CIP und SIP- Prozess leicht reinigen. Selbstverständlich lässt sich die Dichtanordnung auf beliebigen Bahnen bewegen, so z.B. linear oder auf einer Kreisbahn oder schraubenartig.
Weiterhin hat die Füllvorrichtung eine flexible Verdrängeranordnung, deren Volumen in dem Vorfüllraum einstellbar ist. Eine derartige Verdrängeranordnung kann z.B. durch einen Faltenbalg oder durch einen expandierbaren elastischen Körper, z.B. eine Gummiblase, gebildet sein. Die Volumenänderung des Falt- enbalgs oder elastischen Körpers kann beispielsweise durch eine mechanische Anordnung, z.B. Kolbenanordnung oder hydraulisch oder pneumatisch erfolgen.
Der wesentlicher Aspekt bei der Verdrängeranordnung besteht darin, dass sie zum Vorfüllraum hin eine Oberflächenschicht hat, die konstant bzw. unverändert ist, weil sie mind. eine elastisch verformbare Wand oder mind. einen ver- formbaren Wandabschnitt aufweist. Die Größe der Wand bzw. Oberflächenschicht ändert sich allenfalls durch ihre elastische Materialverformung (z.B: bei einer Gummiblase, -ballon) oder Flexibilität der Wand (z.B. bei einem Faltenbalg), d.h. Veränderung der Lage von Abschnitten der Wand- oder Oberflächenschicht zueinander, wie z.B. bei einem Faltenbalg.
Auf diese Weise wird das Reinigungsproblem bekannter Kolbenanordnungen vermieden, bei welchen ein Kolben aus einem Zylinder in den Vorfüllraum hineinfährt. Diese mit einem Zylinder zusammenwirkende äußere Gleitfläche des Kolbens und des Zylinders ist im Normalbetrieb nicht vollständig reinigbar und kann nur durch vollständiges Ausfahren des Kolbens hygienisch sicher erfolgen. Dies ist bei Kolbenfüllern sehr aufwändig. Durch diese besondere Anordnung "sieht" der Vorfüllraum unabhängig von dem in den Vorfüllraum hineinragenden Volumen der Verdrängeranordnung immer die gleiche Oberfläche, nämlich die der flexiblen bzw. elastischen verformbaren Wand oder Wandab- schnitte und es sind somit keine aneinander gleitenden oder reibenden Oberflächen bzw. Dichtflächen in Kontakt mit dem Produkt vorhanden.
Im Innenraum der Verdrängeranordnung, d.h. auf der dem Vorfüllraum abgewandten Seite, kann ein geeignetes Steuer- oder Antriebsmittel angreifen, wie beispielsweise ein inkompressibles Fluid, eine mechanische Anordnung, z.B. Kolbenanordnung oder eine Kombination aus hydraulischem und mechanischem Antrieb.
Ein elastisches Material wird als Material mit einer reversiblen Verformbarkeit von wenigstens 10 bis 20% definiert. Der Begriff "flexibel" kann auch dahingehend interpretiert werden, dass feste Bestandteile beweglich zueinander angeordnet sind, wie z.B. bei einem Plattenfaltenbalg.
Gemeinsam ist dabei allerdings immer, dass keine Reibung eines produktbe- rührenden Dichtelementes entlang einer Wand erfolgt, wie dies bspw. bei üblichen Zylinder-Kolbenanordnungen der Fall ist, bei welchen die Kolbendichtung
bekanntermaßen an der Innenwand des Zylinders bei der Volumenänderungen entlang schleift.
Der Vorteil hierbei besteht ebenfalls darin, dass nach dem Abtrennen des Vor- füllraums von der Produktzufuhr ein definiertes Volumen allein durch die Volumenzunahme der Verdrängeranordnung im Vorfüllraum (bei geöffnetem Aus- lass) ausgestoßen werden kann, ohne dass hierbei Flächen einer mit dem Produkt in Kontakt kommenden Dosieranordnung aneinander gleiten. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Füllvorrichtung liegt darin, dass die Abgabe des Füllgutes nicht mehr durch die Bewegung eines Kolbens in einem Zylinder erfolgt, in welchem Fall gleitende Dichtflächen vorhanden sind, die mit dem Produkt in Kontakt kommen, sondern durch eine flexible Verdrängeranordnung, deren Volumen in dem Vorfüllraum einstellbar ist. Die Verdrängeranordnung wird zum Abfüllen des Füllgutes von einem ersten kleineren Volumen auf ein größeres erstes Volumen expandiert und die abgegebene Füllmenge entspricht genau dem durch die Expansion verdrängten Volumen. Eine Verdrängung kann zum Beispiel über einen Kolben erfolgen, der mittels eines Faltenbalgs gegenüber dem Vorfüllraum abgedichtet ist, in wel- ehern Fall der sich erweiterte Faltenbalg das Verdrängungsvolumen definiert. Das Verdrängungsvolumen kann auch durch eine elastische geometrische Form, zum Beispiel durch eine elastische Blase zum Beispiel aus Gummi oder dergleichen, gebildet sein, in welchem Fall das Volumen dieses elastischen Körpers durch die Beaufschlagung des Innenraums des elastischen Körpers mit einem Gas oder einem Fluid eingestellt werden kann. Es sind somit unterschiedliche Verdrängeranordnungen möglich, die zu einer Verdrängung eines definierten Volumens im Vorfüllraum führen können, ohne dass hierbei zwei relativ zueinander bewegte Teile entlang einer mit dem Produkt in Kontakt kommenden Dichtfläche bewegt werden.
Eine derartige Vorrichtung lässt sich somit äußerst einfach reinigen. Die einzigen Dichtflächen, die miteinander in Kontakt kommen, sind die Dichtflächen der Dichtanordnung zur Abdichtung der Produktzufuhr vom Vorfüllraum. Wenn zum Beispiel in einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorfüllraum einen Raum dar- stellt, der sich an einen Produktbehälter anschließt, kann die Dichtanordnung lediglich als Kolben oder Stempel ausgebildet sein, der die Verbindung zwi-
sehen Produktbehälter und Vorfüllraum abdeckt. Dies kann eine Dichtlippe sein, die zum Beispiel an dem Produktbehälter zu liegen kommt. Eine Abdichtung der Dichtanordnung kann somit ohne eine gleitende Relativbewegung zweier abdichtender Komponenten erfolgen, womit auch hier eine leichte Reinigung mög- lieh ist.
Das Füllgut ist insbesondere ein Feststoff, eine Feststoff enthaltende Flüssigkeit oder eine Flüssigkeit beliebiger Viskosität, sollte allerdings fließfähig oder schüttfähig sein.
Vorzugsweise ist die Dichtanordnung als insbesondere linear bewegbare Kolbenanordnung ausgebildet, auf weiche Weise diese zum Abdichten des Vorfüll- raums gegenüber der Produktzufuhr bewegt werden kann, um zwischen der Schließstellung und Öffnungsstellung bewegt zu werden. Eine derartige Ausfüh- rungsform lässt sich technisch leicht realisieren.
Vorzugsweise ist die Kolbenanordnung als Doppelkolbenanordnung mit einem äußeren und einem inneren Kolben ausgebildet, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und teleskopartig zusammenwirken. Hierbei kann der äußere Kolben die Dichtanordnung bilden und der innere Kolben die Verdrängeranordnung. Die Abfüllung erfolgt dann so, dass zuerst der äußere Kolben in Richtung auf den Vorfüllraum in die Schließstellung bewegt wird, so dass die Produktzufuhr vom Vorfüllraum getrennt ist. Anschließend wird der Auslauf des Vorfüll- raums geöffnet und der innere Kolben, der zum Beispiel bei einem Faltenbalg gegenüber dem äußeren Kolben abgedichtet ist, wird in den Vorfüllraum hineinbewegt, wobei er dort ein definiertes Volumen verdrängt, welches durch den Auslauf ausgestoßen und somit abgefüllt wird.
Durch eine derartige Doppelkolbenanordnung lässt sich somit die Abdichtfunk- tion des Vorfüllraums als auch die Verdrängerfunktion technisch einfach in einer Funktionseinheit realisieren, wobei sowohl der innere als auch der äußere Kolben durch ein gemeinsames Betätigungselement und oder durch separate Betätigungselemente betätigbar sein können. Wenn mit einem auf den inneren Kolben wirkenden Betätigungselement auch der äußere Kolben mitbewegt werden soll, so sind die Kräfte zur Relativbewe-
gung des inneren und äußeren Kolbens zueinander und als auch zum Produktbehälter vorzugsweise so abgestimmt, dass bei einer Auslenkung des Betätigungselements zuerst der äußere Kolben bewegt wird, und erst wenn dieser seine Dichtposition erreicht hat, der innere Kolben. Die Produktzufuhr, insbe- sondere der Produktbehälter, als auch der Vorfüllraum können somit technisch einfach gestaltet werden, weil sowohl die Dichtfunktion zum Trennen von Produktzufuhr und Vorfüllraum als auch die Verdrängungsfunktion im Vorfüllraum allein durch die Doppelkolbenanordnung übernommen werden. Vorzugsweise ist der äußere Kolben durch eine Aktuator betätigbar, so dass dieser gesteuert von der Schließstellung in die Öffnungsstellung bewegbar ist
Vorzugsweise ist der äußere Kolben mit einem Faltenbalg gegen die Produktzufuhr, zum Beispiel den Produktbehälter, abgedichtet, auf welche Weise auch zwischen der Produktzufuhr und dem äußeren Kolben keine bewegten Dichtflächen auftreten, die mit dem Produkt in Berührung kommen. Die Relativbewegungen der Doppelkolbenanordnung erfolgen aufgrund der elastischen Verformung des Faltenbalges bei der Betätigung des inneren und äußeren Kolbens gegenüber dem Produkt abgedichtet.
Vorzugsweise ist das Betätigungselement zum Betätigen des inneren Kolbens vorzugsweise eine Stößelstange, die über eine Laufrolle oder einen Gleitschuh mit einer Steuerfläche zusammenwirkt. Die Stößelstange kann jedoch auch durch einen eigenen Antrieb, z.B. einen Hydraulikzylinder oder elektrischen Schrittmotor betätigt sein.
Vorzugsweise ist die Stößelstange mit einem Kolbenelement verbunden und der äußere Kolben hat eine axiale Bohrung, in welcher das Kolbenelement bewegbar ist. Der innere Kolben samt Faltenbalg ist vorzugsweise an einem Ende des äußeren Kolbens angebracht und steht mit der Bohrung in Verbindung, wobei zwischen dem Kolbenelement und dem inneren Kolben, d.h. dem Faltenbalg ein Fluid angeordnet ist. Der Vorteil hierbei liegt darin, dass über die lineare Verstellung der Stößelstange und damit des Kolbenelements, das heißt den Hub des Kolbenelements das verdrängte Volumen der Verdrängeranordnung exakt eingestellt werden kann, ohne dass die geometrischen Volumen Konditionen für einen geometrischen komplexen Körper wie einen Faltenbalg genau
eruiert werden müssen. Darüber hinaus werden hier die Drücke von dem Betätigungselement auf den inneren Kolben nahezu reibungsfrei und verschleißarm übertragen. Vorzugsweise ist der Auslauf als steuerbares Ventil angeordnet, womit der Füllvorgang einfach durch eine elektronische Steuerung der Füllanlage, z.B. eine Mikroprozessorsteuerung steuerbar/regelbar ist.
Vorzugsweise hat das Ventil eine elastische Membran, die eine Auslauföffnung umgibt, welche mit einem Schließelement zusammenwirkt. Das Öffnen des Vor- füllraums mittels des steuerbaren Auslaufs geschieht hier durch eine Relativbewegung der elastischen Membran relativ zu dem zentralen Dichtelement, welche Relativbewegung ebenfalls ohne gleitende Flächen realisiert werden kann, die mit dem Produkt in Berührung kommen könnten. Somit wird durch die elastische Membran im Auslauf bzw. Ventil ein bewegtes Schließelement geschaffen, welches ohne gleitende Dichtflächen auskommt.
Weiterhin ist eine alternative Verfahrensvariante mit dieser Vorrichtung möglich, indem das maximale Vorfüllvolumen in dem Vorfüllraum mittels der Verdrän- geranordnung gesteuert wird. Dazu wird anfänglich das Volumen im Vorfüllraum durch eine teilweise expandierte Verdrängeranordnung bereits im anfänglichen Befüllungsschritt begrenzt oder ein Teilvolumen durch die teilexpandierte Verdrängeranordnung im Verschlussschritt des Vorfüllraumes aus diesem und in den Vorlagebehälter zurück verdrängt. Nachfolgend wird dann wie vorste- hend beschrieben das Entlassventil der Auslauföffnung geöffnet und der Vorfüllraum durch eine weiter Volumenvergrößerung der Verdrängeranordnung zum Füllen des Behälters ganz oder teilweise entleert.
Diese Verfahrensvarianten stellt eine weitere Beschleunigung dar, da die Wie- derbefüllzeit der Dosierkammer verkürzt wird.
Es ist zusammenzufassen, dass sich die erfindungsgemäße Füllvorrichtung aufgrund ihrer guten Reinigungsmöglichkeit, insbesondere CIP und SIP, insbesondere beim Abfüllen von Feststoffen oder Flüssigkeiten mit Feststoffanteilen
hervorragend verwenden lässt. Die Erfindung erlaubt eine geschlossene CIP und SIP. Dies ist relevant vor dem Hintergrund, dass der Verbrauch von
Frucht-, Wellness- und Sportgetränken, die auch kleinere Fruchtstücke, Fruchtfasern oder Cerealien enthalten, heute immer verbreiterter wird. Die Füllvorrich- tung kann jedoch auch allein zum Abfüllen von Feststoffen oder Flüssigkeiten verwendet werden.
Aufgrund der vorliegenden Erfindung ist es möglich, in der Füllvorrichtung ohne gleitende Dichtungen im Produktbereich auszukommen. Es gibt nur zwei Sitz- ventile, eines im Bereich der Dichtanordnung zwischen Produktzulauf und Vor- füllraum und eines im Auslauf mit dem steuerbaren Ventil. Beide weisen keine aufeinander gleitenden Flächen auf.
Optional kann in dem Vorfüllraum eine Wägezelle zum Einsatz kommen, wobei die Gewichtsbestimmung erst nach Abschluss der Füllung stattfindet. Auf diese Weise kann mittels der Wägezelle die eingefüllte Masse bzw. das Gewicht exakt ermittelt werden.
Vorzugsweise werden der innere und der äußere Kolben der Doppelkolbenan- Ordnung mechanisch angetrieben, insbesondere durch ein Betätigungselement, wie zum Beispiel eine Stößelstange.
Es sind auch alternative Betätigungsformen möglich, wie zum Beispiel ein rech- ner-gesteuerter Linearmotor oder eine hydraulische oder pneumatische Steue- rung. Im Falle des Linearmotors kann das Volumen als Funktion des Hubs genau bestimmt werden.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung besteht darin, dass das auszuleitende Füllvolumen mittelbar hydraulisch über eine Kopplungsflüssigkeit (Fluid) be- stimmt wird, die sich im inneren Volumen des zweiten Faltenbalges, dem Dosierfaltenbalg befindet. Diese Kopplungsflüssigkeit kann entweder in einem mittels eines Zylinders veränderlichen Innenvolumen vorliegen und mittels eines verschieblichen Zylinders in den Dosierfaltenbalg (zweiter Faltenbalg) ein und ausgeleitet werden, oder es ist ein festes Innenvolumen vorgesehen, das mit mindestens einem Ausgleichsbehälter in Verbindung steht, wobei die Kopplungsflüssigkeit mittels Pumpen ein und ausgeleitet werden und die Flüssig-
keitsmenge der Kopplungsflüssigkeit mittels geeigneter Volumenmesssysteme erfasst und gesteuert wird.
Liegt ein geschlossenes Innenvolumen vor, das mittels einer Kolbenanordnung oder eines Zylinders ein und ausgeleitet wird, ist eine Zuleitung vorgesehen, die das anfängliche Befüllen und Bestimmen des Volumens der Kopplungsflüssigkeit ermöglicht. Fluidisch verbundene Ausgleichsbehälter können bedarfsweise für einen oder mehrere solcher Füllelemente bzw. die Kopplungsflüssigkeiten vorgesehen werden.
Bei dem Vorliegen der Kopplungsflüssigkeit im Innenraum des Dosierfaltenbalgs kann auch ein weicheres Material für den Faltenbalg gewählt werden.
Der Faltenbalg, welcher den inneren Kolben gegenüber dem äußeren Kolben abdichtet, besteht vorzugsweise aus Teflon oder Weichmetall oder einem recht steifen Kunststoff, also einem Material das radiale Einschnürungen bei den aufgebrachten Drücken verhindert.
Die Erfindung realisiert eine mechanisch sehr einfache Konstruktion, die durch eine Minimierung von Berührungsflächen sehr gut zu reinigen ist. Eine sehr gute Reinigung ist besonders deswegen möglich, weil bei CIP alle Berührungsflächen voneinander getrennt werden können und keinerlei Gleitflächen vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße Füllvorrichtung erlaubt so eine kaltaseptische Abfüllung.
Statt in Form eines Produktbehälters kann die Produktzufuhr in beliebiger anderer Weise, z.B. als Zufuhrkanal ausgebildet sein.
Es soll weiterhin klargestellt sein, dass die Komponenten der Erfindung gemäß den Ansprüchen einzeln oder mehrfach vorgesehen sein können, ohne die Grundidee der Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:
Fig. 1 bis 8 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer erste Ausführungs- form einer Füllvorrichtung mit einer Doppelkolbenanordnung in verschiedenen Phasen eines Füllvorgangs, Fig. 9 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Füllvorrichtung mit einer fluidbetätigten Verdrängeranordnung,
Fig. 10 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausfüh- rungsform einer motorbetätigten Füllvorrichtung mit zusätzlich angeordneter Wägezelle zur Kontrolle und Regelung der Vorfüllung,
Fig. 1 1 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausfüh- rungsform einer motorbetätigten Füllvorrichtung mit einem aseptischen Vorfüllraum,
Fig. 12 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer motorbetätigten Füllvorrichtung gemäß Fig. 10 während einer geschlossenen CIP,
Fig. 13 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Ballon als Teil der Verdrängeranordnung, und
Fig. 14 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Faltenbalg als Teil der Verdrängeranordnung.
Die Fig. 1 bis 8 zeigen den chronischen Ablauf eines Füllvorgangs einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Füllvorrichtung. In den Zeichnungen sind identische oder funktionsgleiche Teile mit den identischen Bezugszeichen versehen.
Die Füllvorrichtung 10 enthält einen Produktbehälter 12, der als Produktzufuhr agiert. Unten an dem Produktbehälter 12 schließt sich ein Vorfüllraum 14 an. Die Füllvorrichtung enthält weiterhin eine Doppelkolbenanordnung 16 mit zwei zueinander konzentrischen Kolben 18, 36, nämlich einem inneren Kolben 36 und einem äußeren Kolben 18, die relativ zu der Produktzufuhr 12 und relativ zueinander axial bewegbar sind. Hierfür ist die Doppelkolbenanordnung 16 mittels einer Führung 15 an dem Produktbehälter 12 oder einem mit diesem verbundenen Konstruktionselement gehalten. Weiterhin ist der äußere Kolben 18 der Doppelkolbenanordnung 16 mittels eines Aktuators 17, z.B. eines Hydrau- lik- oder Pneumatikzylinders oder eines elektrischen Motors relativ zum Produktbehälter 12 axial verstellbar. Der äußere Kolben 18 ist von einem ersten Faltenbalg 24 aus einem elastischen Material umgeben, womit dieser gegen den Produktbehälter 12 abgedichtet ist. Der Vorfüllraum 14 ist gegen den Produktbehälter 12 durch den äußeren Kolben 18 abdichtbar, indem das dem Vor- füllraum zugewandte untere Ende 20 des äußeren Kolbens 18 gegen den Boden 22 des Produktbehälters 12 drückt. Somit kann der äußere Kolben 18 als Dichtanordnung ohne gleitende Dichtflächen den Vorfüllraum 14 vom Produktbehälter 12 abtrennen, wodurch im gesamten Produktbereich keine gleitenden Dichtflächen vorgesehen sind.
Der innere Kolben 36 ist mit einem zweiten Faltenbalg 38 gegen den äußeren Kolben 18 abgedichtet und agiert als Verdrängeranordnung, sobald der äußere Kolben 18 den Vorfüllraum 14 gegen den Produktbehälter 12 abgedichtet hat. An der Unterseite des Vorfüllraums 14 ist ein Auslauf 28 angeordnet, der durch ein elektrisch oder pneumatisch steuerbares Ventil gebildet ist. Das Ventil 28 enthält ein fest angeordnetes beispielsweise kugelförmiges Dichtelement 32, welches über einer Auslauföffnung 34 in der Mitte einer elastischen Membran 30 angeordnet ist. Die Membran 30 ist von einem axial verstellbaren Stellzylinder 31 umfasst oder gehalten, mittels dessen die Membran 30 gegen das Dich- telement 32 zum Verschließen der Auslauföffnung 34 gedrückt oder zum Öffnen von ihm weg bewegt werden kann.
Der innere Kolben 36 ist mittels einer Stößelstange 40 gegenüber dem Produktbehälter 12 bewegbar. Der innere Kolben kann hierbei den äußeren Kolben 18 mitnehmen, sofern die Bewegung durch den Aktuator 17 freigegeben ist, oder beide Kolben bewegen sich gemeinsam. Die Stößelstange 40 trägt an ih- rem oberen Ende eine Laufrolle 42, die eine Führungsfläche 44 eines Steuerelements 45 entlangfährt. Die Stößelstange 40 ist mit dem Ende des inneren Kolbens 36 verbunden. Die Auslenkung der Stößelstange 40 entspricht dem vertikalen Verlauf der Führungsfläche. Über den zweiten kleineren Faltenbalg 38, dem Dosierfaltenbalg, wird die Bewegung der Stößelstange 40 vom inneren Kolben 36 auf den äußeren Kolben 18 übertragen. Da der Verformungswiderstand des zweiten Faltenbalgs 38 größer ist als der des ersten Faltenbalgs 24, wird bei einer Bewegung der Stößelstange 40 zuerst mittels des inneren Kolbens 36 und dessen Faltenbalg 38 der äußere Kolben 18 bewegt, bis dieser mit seinem unteren Ende 20 an dem Boden 22 des Produktbehälters 12 anliegt. In diesem Zustand ist der Vorfüllraum 14 gegenüber dem Produktbehälter 12 abgedichtet.
Besonders vorteilhaft ist eine Alternative, bei welcher der äußere Kolben 18 mittels des Aktuators 17 bewegt wird, und wobei der innere Kolben 36 bzw. der Faltenbalg 38 durch die Stößelstange 40 angesteuert wird.
Bei dieser Variante stellt das Element 16 nur eine Führungshülse dar, die nicht bewegt wird. Sinnvolle Dichtelemente zwischen der feststehenden Hülse 16 und dem äußeren, bewegten Kolben 18 sind nicht dargestellt. Dabei kann der Raum zwischen Element 16 und dem Kolben 18 auch mit einer Flüssigkeit oder einem Gas gespült werden oder zumindest mit einem Reinigungskreislauf über entsprechende Anschlüsse verbindbar sein.
Bei einer weiteren Betätigung der Stößelstange 40 fährt der innere Kolben 36 aus dem unteren Ende 20 des äußeren Kolbens 18 hervor, wobei er eine entsprechende Verdrängung an Produkt in dem Vorfüllraum 14 bewirkt, der zu einer volumenmäßig entsprechenden Produktabgabe durch das Ventil 28 in einen zu füllenden Behälter, z.B. eine Dose, Flasche oder Keg führt. Die Stellung der einzelnen Komponenten der Füllvorrichtung 10 wird in der in den Figuren 1 bis 8 dargestellten chronologischen Abfolge eines Füllvorganges ersichtlich.
Fig. 1 zeigt den äußeren Kolben 18 in Öffnungsstellung zu Beginn des Füllvorganges, bei dem zwischen dem unteren Ende 20 des äußeren Kolbens 18 und dem Boden 22 des Produktbehälters 12 ein Zulauf 26 gebildet ist, durch den das Produkt von dem Produktbehälter 12 in den Vorfüllraum 14 gelangen kann. Die bewegbare Membran 30 ist durch den Stellzylinder 31 gegen das Abdichtelement 32 gedrückt, so dass die Auslauföffnung 34 in der Mitte der Membran durch das Abdichtelement 32 verschlossen ist. Auf diese Weise wird der Vorfüllraum 14 vollständig mit Produkt gefüllt. In Fig. 2 ist die Laufrolle 42 bereits einen Teil der Führungsfläche 44 entlang gerollt wodurch die Stößelstange 40 nach unten ausgelenkt wurde. Da der zweite Faltenbalg 38 in der Regel steifer als der erste Faltenbalg 24 ist, wird bei einer Bewegung der Stößelstange 40 über den inneren Kolben 36 und dessen zweiten Faltenbalg 38 zuerst der äußere Kolben 18 nach unten bewegt, bis sein Ende 20 an dem Boden 22 des Produktbehälters anliegt, wodurch der Vorfüllraum 14 vom Produktbehälter 12 getrennt ist. Der Auslauf bzw. das diesen bildende Ventil 28 ist noch geschlossen.
Alternativ wird die Gesamtbewegung durch den Aktuator 17 veranlasst, insb. die Abwärtsbewegung. Dabei wandert der innere Kolben durch geeignete Anschläge mit. Die Steuerkurve ist in geeigneter weise an die Bewegungsabläufe angepasst.
Im nächsten Schritt gemäß Figur 3 wird der Stellzylinder 31 mittels eines nicht dargestellten Antriebs, gesteuert durch eine Steuerung der Füllvorrichtung nach unten bewegt, wodurch die Auslauföffnung 34 für eine Produktabgabe freigegeben wird.
Fig. 4 zeigt, dass die Laufrolle 42 am oberen Ende der Stößelstange 40 an das untere Ende der Führungsfläche 44 gefahren ist, in welcher Stellung der innere Kolben als Verdrängeranordnung in den Vorfüllraum hineingedrückt wird, in welchem er eine definierte Produktmenge verdrängt, die durch die offene Aus- lassöffnung 34 ausgestoßen wird. Hierbei wird der zweite Faltenbalg 38 gedehnt.
Am Ende der Produktabgabevorganges gemäß Fig. 4 wird die Auslassöffnung 34 wieder geschlossen, indem der Stellzylinder 31 wieder nach oben bewegt wird, wobei die Membran 30 an dem Dichtelement 32 zu liegen kommt und der Auslauf 28 geschlossen ist. Dies ist in Fig. 5 dargestellt.
Gemäß den Figuren 6 und 7 wird nun der Aktuator 17 betätigt, um den äußeren Kolben 18 von seiner Schließstellung nach oben in die Öffnungsstellung zu bewegen, wobei das untere Ende 20 des äußeren Kolbens 18 von dem Boden 22 des Produktbehälters abhebt und der Zulauf 26 von dem Produktbehälter 12 in den Vorfüllraum 14 wieder geöffnet wird. Da gemäß Fig. 7 auch die Laufrolle 42 der Stößelstange an der Führungsfläche wieder nach oben gleitet, fährt auch der innere Kolben 36 wieder in seine zurückgezogene Stellung zurück, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Dies ist wiederum die Ausgangsstellung für einen neuen Befüllungsvorgang wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.
Hierbei ist besonders vorteilhaft, wenn der innere Kolben 36 vor oder bei dem Abheben des äußeren Kolbens 18 noch etwas weiter nach unten gefahren wird, um einen Gleich- oder Überdruck zu schaffen bzw. einen Unterdruck zu verhindern, welcher ein Abheben des äußeren Kolbens 18 erschweren oder sogar verhindern würde. Zudem würde ein solcher Druckunterschied an dieser Stelle zum Einsaugen des Produktes in den Vorfüllraum und somit zu einer Produktschädigung führen.
Figur 9 zeigt eine zu den Fig. 1 bis 8 weitgehend analoge Ausführungsform ei- ner Füllvorrichtung 60. Bei dieser Ausführungsform der Füllvorrichtung 60 hat die Stößelstange 62 an ihrer Unterseite ein Kolbenelement 64, welches in einer zentralen Bohrung 65 des äußeren Kolbens 18 axial gleiten kann. Zwischen dem Kolbenelement 64 und dem zweiten Faltenbalg 38, der den inneren Kolben 36 bildet, ist ein inkompressibles Fluid 66, zum Beispiel Wasser oder ein Öl, angeordnet, so dass die Auslenkung des Faltenbalgs 38 in den Vorfüllraum 14 über das Kolbenelement 64 mittels des Fluides 66 und damit verschleißfrei und weitgehend reibungsarm erfolgt. Bei dieser Lösung drückt das Fluid 66 gegen die gesamte Innenfläche des Faltenbalgs 38, so dass dieser nicht einschnürt. Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform 50 einer erfindungsgemäßen Füllvorrichtung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungs-
form der Fig. 1 bis 8 dadurch, dass die Stößelstange 40 hier nicht durch eine Führungsfläche, sondern durch einen Einzelantrieb 52, z.B. einen Linearmotor oder Stellzylinder ausgelenkt wird, wodurch sich das verdrängte Volumen mittels exakter Steuerung des Linearmotors einstellen lässt. Diese Ausführungs- form der Erfindung hat noch zusätzlich eine optionale Wägezelle 56, um die Richtigkeit des abgefüllten Volumens zu überprüfen und/oder einen Regelkreis aufzubauen. Zudem wird die Stößelstange 40 optional durch einen Einzelantrieb 52, z.B. einen Linearmotor oder Stellzylinder angetrieben. Fig. 1 1 zeigt eine Ausführungsform wie in Fig. 10 dargestellt, aber in aseptischer Bauweise. Die Membran erstreckt sich in ein Einlaufrohr, welches in die Behältermündung eines zu befüllenden Behälters, z.B. einer Flasche eingefüllt. Da die Membran 30 an der Unterkante des Vorfüllraums dicht befestigt ist, ist eine Trennung zwischen Sterilraum und sonstigen Füllelementen sichergestellt. Optional kann auch in dieser Ausführungsform eine Wägezelle 56 angeordnet sein.
Idealerweise wird unterhalb des Füllventils ein Sterilraum vorgesehen, in welchem die Behälter ganz oder teilweise während des Füllens angeordnet und geführt sind, wobei innerhalb dieses Sterilraumes im Wesentlichen nur die Behälterträger als Manipulationselemente vorgesehen sind. Die Füllelemente sowie alle übrigen, zum Füller gehörenden Elemente befinden sich oberhalb bzw. außerhalb des Sterilraumes. Fig. 12 zeigt die Ausführungsform analog der Fig. 10 bei der Durchführung einer geschlossenen CIP (cleaning in place). Hierbei befinden sich sowohl der äußere Kolben 16 gegenüber dem Produktbehälter 12 in Öffnungsstellung, als auch das Abdichtelement 32 gegenüber der elastischen Membran 30 in zueinander beabstandeter Öffnungsstellung. Hierbei können somit alle mit dem Produkt in Berührung kommenden Teile unter Druck gereinigt werden, wobei aufgrund der beiden Faltenbälge keine gleitenden Dichtflächen in Verbindung mit dem Produkt kommen. Die Stößelstange 40 wird wie in den Ausführungsformen der Figuren 9 bis 1 1 durch einen Einzelantrieb 52 betätigt, kann jedoch auch durch einen Antrieb 42, 44, 45 wie in den Figuren 1 bis 8 betätigbar sein.
Die Erfindung ist innerhalb des Schutzbereichs der nachfolgenden Ansprüche variierbar. Der besondere Vorteil besteht bei allen beschriebenen Varianten darin, dass die Verdrängeranordnung 36 (zweiter Faltenbalg) frei hängend oder kragend in das Vorfüllvolumen 14 hineinragt und durch Volumenexpansion mehrseitig das Füllvolumen im Füllschritt aus dem Vorfüllvolumen verdrängt. Dabei wird die Verdrängeranordnung 36 idealerweise nur an einer Fläche oder Raumseite des Vorfüllvolumens gehalten oder gelagert.
Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Füllvorrichtung 70 mit einem Vorfüllraum 72, einer Produktzufuhr 74, einem Produktbehälter 75 und einem zwischen der Produktzufuhr 74 und dem Vorfüllraum 72 angeordneten Sperrventil 76. Das im Produktbehälter 75 befindliche Produkt kann insbesondere eine Produktstücke enthaltende und/oder höher viskose Flüssigkeit sein. In den Vorfüllraum 72 ragt von oben eine Verdrängeranordnung 78, enthaltend ein Auslass- oder Zufuhrrohr 80 und eine diesen im Vorfüllraum 72 umgebende Gummischicht bzw. elastische Polymerschicht 82 in Art eines Ballons. Die Polymerschicht 82 liegt an dem Zufuhrrohr 80 an, wenn der Druck im Fluidbehälter 88 kleiner als der Druck im Produktbehälter 75 ist. Die Polymerschicht 82 ist an der Oberseite des Vorfüllraums 72 befestigt und abgedichtet. In dem Zufuhrrohr 80 ist oberhalb des Vorfüllraums 72 ein Dosierventil 84 und oberhalb des Dosierventils ein Durchflussmesser 86 (z.B. MID) angeordnet. Dabei kann der Durchflussmesser 86 idealerweise für beide Fließrichtungen den Volumenstrom erfassen. Das obere Ende des Zufuhrrohrs 80 endet in einem Fluidbehälter 88, welcher das Druckfluid zum Expandieren des Raums innerhalb der Polymer- schicht 82 bezieht. Am unteren Ende des Vorfüllraums 72 ist ein Füllventil 89 angeordnet. Die Steuerung der Füllvorrichtung 70 erfolgt durch einfaches wechselweises Schalten der Ventile 76, 84 und 89 und die Tatsache, dass 3 unterschiedliche Druckniveaus genutzt werden:
p1 (Produkt) > p2 (Druckfluid) > pO (atmosphärisch).
Weiterhin sinnvolle oder nötige Ventile, Drosseln oder Pumpen sind nicht dargestellt. Insb. kann bei allen hydraulischen Antrieben der Verdrängervorrichtungen mittels Kopplungsflüssigkeit, die Kopplungsflüssigkeit über einen Fluidbehälter 88 mit geeigneten Stell- und Steuergliedern ein- und ausgeleitet werden. Dabei ist idealer Weise nur jeweils ein zentraler Fluidbehälter pro Druckniveau bzw. Fluid (Kopplungsfluid, Produkt) vorgesehen, mit welchem alle Füllelemen-
te bzw. deren jeweilige Verdrängerelemente verbunden sind. Diese zentralen Fluidbehälter sind insb. als Ringkanäle oder -behälter ausgeführt. Zur Einstellung des gewünschten Druckniveaus in dem jeweiligen Fluidbehälter ist jeweils nur eine zentrale Einheit, wie eine Pumpe oder Einspeisung erforderlich.
Beim Füllvorgang wird das Sperrventil 76 geschlossen und Dosierventil 84 und Füllventil 89 werden geöffnet, um eine durch den Durchflussmesser 86 abgemessene, definierte Menge an Druckfluid, z.B. Öl oder Wasser, in den Innenraum innerhalb der Polymerschicht 82 zu drücken. Die Polymerschicht 82 dehnt sich dabei auf die gestrichelt dargestellte ballonartige Form aus, womit ein defi- niertes Produktvolumen aus dem Vorfüllraum 72 über das Füllventil 89 in einen Behälter 96, z.B. eine Flasche, abgegeben wird.
Nach dem Füllvorgang wird das Füllventil 89 geschlossen und das Sperrventil 76 geöffnet. Nun wird die in den Innenraum innerhalb der Polymerschicht 82 gedrückte Druckfluidmenge durch den höheren Druck im Produktbehälter 75 gegenüber des Drucks im Fluidbehälter 88 oder mittels einer Pumpe wieder in den Fluidbehälter 88 zurückgedrückt, womit die Polymerschicht 82 wieder an dem Zufuhrrohr 80 anliegt. Bei Einsatz einer Pumpe oder von geeigneten Druckverhältnissen in den entsprechenden Behältern, wird die definierte Produktmenge aus dem Produktbehälter 75 in den Vorfüllraum 72 eingeleitet, womit die Füllvorrichtung 70 fertig für den nächsten Füllvorgang ist. Fig. 14 zeigt eine zu Fig. 13 weitgehend identische Ausführungsform einer Füllvorrichtung 90, bei der identische und funktionsgleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu der Ausführungsform 70 der Fig. 13 ist in dieser Ausführungsform anstatt einer ballonartigen Polymerschicht 82 ein Faltenbalg 92 Bestandteil der Verdrängeranordnung 94, der die gleiche Funktion wie die Polymerschicht 82 in Fig. 13 hat. Der Faltenbalg 92 kann aus einem relativ unelastischen Material bestehen, denn die Volumenänderung kann hier durch die Relativbewegung der Teile des Faltenbalgs relativ zueinander realisiert werden. Wie in Fig. 13 wird der Faltenbalg 92 mit einem Druckfluid beaufschlagt. Die Steuerung erfolgt dabei wie in Zusammenhang mit Fig. 13 erläutert.
Bezugszeichenliste:
10 Füllvorrichtung (erste Ausführungsform)
12 Produktbehälter
14 Vorfüllraum
16 Doppelkolbenanordnung
18 äußerer Kolben
20 unteres Ende des äußeren Kolbens 22 Boden des Produktbehälters
24 erster Faltenbalg
26 Zulauf
28 Auslauf (Ventil) 30 elastische Membran
32 Dichtelement
34 Auslauföffnung
36 innerer Kolben
38 zweiter Faltenbalg
40 Stößelstange
42 Laufrolle
44 Führungsfläche
45 Steuerelement
50 Füllvorrichtung (dritte Ausführungsform)
52 Einzelantrieb
56 Wägezelle 60 Füllvorrichtung (zweite Ausführungsform)
62 Stößelstange
64 Kolbenelement
66 Fluid 70 Füllvorrichtung (vierte Ausführungsform)
72 Vorfüllraum
74 Produktzufuhr
75 Produktbehälter
76 Sperrventil
78 Verdrängeranordnung
80 Zufuhrrohr
82 Polymerschicht (Ballon)
84 Dosierventil
86 Durchflussmesser
88 Fluidbehälter
89 Füllventil
90 Füllvorrichtung (fünfte Ausführungsform)
92 Faltenbalg
94 Verdrängeranordnung
96 Behälter
Claims
1 . Füllvorrichtung zum Füllen von Behältern mit einem Füllgut, mit einer Produktzufuhr (12) und einem von der Produktzufuhr trennbaren Vorfüllraum (14, 72), welcher einen steuerbaren Auslauf (28) aufweist, welche Füllvorrichtung eine bewegbare Dichtanordnung (18, 76) aufweist, die in einer Schließstellung die Produktzufuhr vom Vorfüllraum trennt, und mit einer in den Vorfüllraum (14, 72) hineinragenden und/oder hineinragbaren Verdrängeranordnung (36, 78),wobei die Verdrängeranordnung (36, 78) mindestens eine elastisch ver- formbare Wand oder mindestens einen Wandabschnitt aufweist, und wobei die Verdrängeranordnung (36, 78) weiterhin mit einem Steuermittel oder Steuermedium derart in Wirkverbindung steht, dass durch die elastische Volumenänderung der Verdrängeranordnung (36, 78) das Volumen im Vorfüllraum (14, 72) variierbar und die über den Auslauf (28) entlassbare Produktmenge steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kolbenanordnung (18) als Teil einer Doppelkolbenanordnung (16) mit einem äußeren (18) und einem inneren Kolben (36) ausgebildet ist, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und teleskopartig zusammenwirken.
2. Füllvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elastisch verformbare Wand oder der mindestens eine Wandabschnitt, durch einen Faltenbalg (38; 92) oder eine elastische Polymerschicht (82) gebildet ist.
3. Füllvorrichtung nach Anspruch 1 , oder 2, bei der die Dichtanordnung (18) eine Kolbenanordnung aufweist.
4. Füllvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der äußere Kolben (18) der Doppelkolbenanordnung (16) in Schließstellung den Vorfüll- räum (14) gegen die Produktzufuhr (12) abdichtet und der innere Kolben (36) die Verdrängeranordnung bildet.
5. Füllvorrichtung nach Anspruch 4, bei der der innere Kolben (36) in Schließstellung des äußeren Kolbens (18) in den Vorfüllraum (14) bewegbar ist, um dort eine vordefinierte Produktmenge zu verdrängen.
6. Füllvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der der innere Kolben (36) gegenüber dem äußeren Kolben (18) mit einem zweiten Faltenbalg (38) abgedichtet ist oder der innere Kolben (36) als Faltenbalg (38) ausgebildet ist.
7. Füllvorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, bei der der äußere Kolben (18) mit einem ersten Faltenbalg (24) gegen die Produktzufuhr (12) abgedichtet ist.
8. Füllvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der der innere Kolben (36) durch ein Betätigungselement (40) bewegbar ist.
9. Füllvorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Bewegungswiderstand der Relativbewegung zwischen dem inneren (36) und äußeren Kolben (18) größer ist als der Bewegungswiderstand der Relativbewegung zwischen dem äußeren Kolben (18) und der Produktzufuhr (12).
10. Füllvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der das Betätigungselement (30) mit einem Kolbenelement (64) verbunden ist, und der äußere Kolben (18) eine axiale Bohrung (65) aufweist, in welcher das Kolbenelement (64) bewegbar ist, und bei welcher der innere Kolben (36) an einem Ende (20) des äuße- ren Kolbens (18) angeordnet ist und mit der Bohrung in Verbindung steht, und wobei zwischen dem Kolbenelement und dem inneren Kolben ein Fluid (66) angeordnet werden kann.
1 1 . Füllvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der äu- ßere Kolben (18) durch einen Aktuator (17) bewegbar ist.
12. Füllvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Produktzufuhr (12) durch einen Produktbehälter gebildet ist.
13. Füllvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in dem Auslauf (28) ein steuerbares Ventil (30, 32, 34) angeordnet ist.
14. Füllvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Ventil (30, 32, 34) ein Schließelement (32) enthält, welches mit einem um eine Auslauföffnung (34) herum angeordneten elastischen Membranelement (30)
zusammenwirkt, und das Membranelement relativ zum Schließelement mittels eines Betätigungsorgans (31 ) bewegbar ist.
15. Füllvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verdrängeranordnung einen Faltenbalg (38; 92) enthält.
16. Füllvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der der Faltenbalg (38; 92) durch einen mechanischen Kolben oder hydraulisch/pneumatisch betätigbar ist.
17. Füllvorrichtung nach Anspruch 16, bei der ein Fluid (66) als Kopplungsflüssigkeit im Innenvolumen des Faltenbalgs (38) ein- und ausleitbar ist, indem das inkompressible Fluid (66) entweder
- in einem mittels eines axial verschiebbaren Kolbenelementes (64) veränderli- chen Innenvolumen vorliegt und mittels des Kolbenelementes (64) in den zweiter Faltenbalg (38) ein und ausleitbar ist, oder
- es ist ein festes Innenvolumen vorgesehen, das mit mindestens einem Ausgleichsbehälter fluidisch in Verbindung steht, wobei das inkompressible Fluid (66) mittels einem Verdrängeraggregat ein und ausleitbar ist, und wobei das Volumen der Kopplungsflüssigkeit mittels geeigneter Volumenmesssysteme erfass- und steuerbar ist und hierüber in Korrelation das Soll-Füllvolumen.
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