Form- und Füllventil

Die Erfindung bezieht sich auf ein Form- und Füllventil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Form- und Füllventile kommen in Vorrichtungen zum Formen und Befüllen von Behältern zum Einsatz. In der Regel sind sie Bestandteil einer sogenannten Form- und Füllstation, von denen mehrere z.B. auf einem Arbeitsrad angeordnet seien können, um möglichst hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu erreichen.

Im Gegensatz zu normalen Füllventilen, mit denen bereits fertige Behälter gefüllt werden, wird mit Form- und Füllventilen gleichzeitig aus einem Vorformling (Preform) ein Behälter geformt und der sich bildende Behälter gefüllt. Erreicht wird dies durch Einleiten eines flüssigen Füllgutes mit hohem Fülldruck in einen thermisch konditionierten Vorformling. Der Vorformling ist in der Regel in einer Form angeordnet und wird durch das Füllgut in die durch die Form vorgegebene Behälterkontur expandiert. Übliche Fülldrücke in Form- und Füllstationen liegen zwischen 10 und 40 bar.

Der grundsätzliche Aufbau einer Maschine zum Füllen und Formen von Behältern aus Vorformlingen ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf DE 10201007541 A1 und dort insbesondere auf die Absätze [0028] bis [0065] verwiesen.

Ein gattungsgemäßes Form- und Füllventil ist aus der US 2016/0361859 A1 bekannt. Das hieraus bekannte Ventil weist einen Innenraum auf, der über einen seitlich angeordneten Einlass mit einer Quelle für das unter Druck stehende flüssige Füllgut kommuniziert. Am unteren Ende des Ventils ist ein Auslass vorgesehen, über den das Füllgut in einen darunter abgedichtet am Auslass angeordneten Preform gefüllt werden kann. Der Auslass ist zwischen den Form- und Füllvorgängen, also wenn kein Preform unter dem Auslass angeordnet ist, durch einen Dichtkörper verschlossen. Dieser Dichtkörper kann mittels eines in Längsrichtung durch das Ventil verlaufenden rohrförmigen Stößels angehoben werden, um den Auslass frei zu geben, und abgesenkt werden, um den Auslass zu verschließen. In dem rohrförmigen Stößel ist weiterhin eine in Längsrichtung (vertikal) verschiebbare Reckstange angeordnet, die während eines Form- und Füllvorganges in den Preform eingeführt werden kann und diesen in Längsrichtung streckt. Mit Hilfe der Reckstange wird die Hydroformung des Preforms zu einem Behälter unterstützt.

Ein Problem besteht darin, dass der Innenraum von Form- und Füllventilen eine Reihe von schwer zugänglichen Bereichen aufweist, z.B. Ecken, Vorsprünge, Befestigungsspalten zwischen zwei aneinander angeordneten Komponenten etc., die schwierig zu reinigen sind. Um ein mikrobiell einwandfreies Abfüllen von Füllgut zu gewährleisten, müssen diese Bereiche aber vor Inbetriebnahme von allen Flüssigkeitsresten gereinigt werden, was einen relativ großen Aufwand darstellt und ein in der Getränkeindustrie angestrebtes "CIP"-Verfahren (Cleaning in place) erschwert bzw. unmöglich macht.

Bei dem gattungsgemäßen Form- und Füllventil ist daher im Innenraum eine flexible ringförmige Membran vorgesehen, die innenseitig abgedichtet an dem Stößel und außenseitig abgedichtet an Wandbereichen des Innenraums befestigt ist. Diese Membran soll verhindern, dass das seitwärts in den Innenraum unter Druck einströmende Füllgut in obere Bereiche des Ventils gelangt. Die Membran muss dabei flexibel sein, da sie die Auf- und Abbewegung des Ventilstößels kompensieren muss. Ein Problem mit flexiblen Membranen ist jedoch, dass sie nur bedingt druckbelastbar sind. Bei dem gattungsgemäßen Ventil ist daher vorgesehen, dass die flexible Membran in allen Betriebspositionen des Ventilstößels durch Bereiche der Innenwand abgestützt wird. Wenn der Stößel bewegt wird, dann rollt sich die Membran praktisch in eine andere Abstützposition an der Innenwand. So wird sichergestellt, dass die Membran gegenüber der einströmenden Flüssigkeit abgestützt ist.

Problematisch an dem gattungsgemäßen Form- und Füllventil ist allerdings, dass die Hub- und Senkbewegungen des Ventilstößels, die Membranfläche und ihre Anordnung in dem Innenraum exakt abgestimmt werden müssen, damit die Membran die Abrollbewegung in die jeweils gewünschte abgestützte Position einnehmen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Form- und Füllventil bereitzustellen.

Gelöst wird die Aufgabe mit einem Form- und Füllventil, das die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 aufweist.

Ähnlich wie im Stand der Technik weist das erfindungsgemäße Form- und Füllventil einen in seinem Innenraum zwischen dem Ventilstößel und dem Innenwandbereich angeordneten flexiblen Membranring, d.h. eine ringförmige Membran auf.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Membran damit einen unteren Teil des Innenraumes begrenzt, durch den das unter Druck (10 - 40 Bar) stehende Füllgut in den Preform geleitet wird. Weiterhin begrenzt der Membranring einen oberen Teil des Innenraums, der vollständig mit einer Stützflüssigkeit gefüllt ist. Die Stützflüssigkeit stellt sicher, dass der Membranring vollflächig druckausgeglichen abgestützt ist, also nicht durch das unter Fülldruck stehende, im unteren Teil des Innenraumes befindliche Füllgut belastet wird.

Ein gattungsfremdes Ventil mit einem Membranring, der durch eine Stützflüssigkeit abgestützt ist, ist aus der DE 196 1 1 664 A1 bekannt. Dieses Ventil soll insbesondere im Chemie, Biochemie und Petrochemiebereich eingesetzt werden, also auf Gebieten fernab vom dem Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Ventils, wo es unter anderem auf schnelle Schaltzeiten ankommt. Außerdem weist das erfindungsgemäße Ventil eine längsverschiebbare, den Membranring durchsetzende Reckstange auf, und ist damit konstruktiv deutlich aufwändiger als das bekannte Ventil.

Bei dem erfindungsgemäßen Ventil ist vorgesehen, dass das Volumen der eingefüllten Stützflüssigkeit konstant ist. Mit anderen Worten, die Stützflüssigkeit wird vor Inbetriebnahme des Form- und Füllventils eingefüllt und dann im Betrieb unverändert gelassen.

Es versteht sich weiterhin, dass der Membranring wie im Stand der Technik innenseitig gegenüber dem Ventilstößel und außenseitig gegenüber den Innenwandbereichen abgedichtet ist. Auch bei dieser erfindungsgemäßen Lösung ist die Membran ohne weiteres in der Lage, die Längsbewegungen des Ventilstößels mitzumachen.

In der Regel wird der Membranring im abgesenkten Zustand des Stößels eine vorgeformte leicht konkave Form aufweisen. Wird der Stößel angehoben, so wird die Raumveränderung im Bereich der Stützflüssigkeit dadurch kompensiert, dass sich die Membran in eine konvexe Form verformt.

Wie oben ausgeführt ist ein wesentlicher Aspekt der Erfindung, dass das Volumen der Stützflüssigkeit nach initialem Einfüllen konstant bleibt. Dies schließt natürlich nicht aus, dass im Falle von Stützflüssigkeitsverlusten eine entsprechende Nachfüllung erfolgt, die das ursprünglich gewünschte Volumen wieder herstellt. Abgesehen davon ist eine Anpassung des Volumens an eventuelle unterschiedliche Form- und Füllbedingungen, insbesondere veränderte Fülldrücke, nicht erforderlich.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der obere Teil des Innenraumes vollständig mit einer inkompressiblen Stützflüssigkeit gefüllt ist. Der Begriff vollständig soll beinhalten, dass der Membranring wie oben ausgeführt in einer weitgehend druckausgeglichenen Situation in allen Betriebspositionen des Form- und Füllventils ist. Es muss also sichergestellt sein, dass die Membran vollständig durch die Stützflüssigkeit abgestützt wird.

Bei der Stützflüssigkeit kann es sich um beliebige inkompressible Flüssigkeiten handeln. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass es sich um eine physiologisch unbedenkliche Flüssigkeit handelt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Messung und Einstellung des Fülldruckes. Üblicherweise wird der Fülldruck an der Füllgutquelle vorgegeben und im in das Ventil einströmenden Füllgut überprüft. Die Messung im Füllgut ist allerdings relativ aufwändig. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht daher vor, dass in dem mit Stützflüssigkeit gefüllten oberen Teil des Innenraums ein Drucksensor vorgesehen ist. Der durch das Füllgut im unteren Teil des Innenraums auf die Membran ausgeübte Druck, der dem Fülldruck entspricht, wirkt über die Stützflüssigkeit auf den Drucksensor, und kann dann von diesem gemessen werden. Auf diese Weise lässt sich in besonders einfacher Weise der Fülldruck ermitteln und dann ggf. justieren. Vorteilhafterweise ist der Drucksensor an einem Wandbereich des oberen Teils des Innenraums vorgesehen.

Unabhängig von der oben erwähnten Tatsache, dass die Membran durch die Stützflüssigkeit weitgehend druckausgeglichen gehalten wird, kann es im Laufe des Betriebes dennoch zu Beschädigungen kommen, die relativ rasch erkannt werden müssen. Bevorzugt ist daher vorgesehen, dass die Membran im Inneren ein Hohlraumsystem einschließt, das mit einer geeigneten Leckageanzeigeeinrichtung, z.B. einem Schauglas oder einem Sensor verbunden ist. Eine solche Membran kann z. B. als Doppelmembran aus z.B. zwei aufeinanderliegenden Membranringen ausgeführt sein, die beabstandete Bereiche aufweisen. Zur Beabstandung der Membranringe können Abstandshalter vorgesehen sein. Wird die Membran beschädigt, so dringt entweder die abzufüllende Flüssigkeit von unten oder die Stützflüssigkeit von oben in den Hohlraum ein und läuft von dort zu dem Sensor bzw. einer sonstigen Leckanzeigeeinrichtung. Durch entsprechende Färbung der Stützflüssigkeit kann man weiterhin erreichen, dass die Position der Beschädigung der Membran relativ rasch erkannt werden kann.

Eine Membran mit solchen Merkmalen und Eigenschaften ist grundsätzlich aus der DE 196 11 664 A1 bekannt wenn auch auf einem anderen Anwendungsgebiet. Um Wiederholungen zu vermeiden wird auf diese Schrift verwiesen.

Die Membran kann aus den üblichen Materialien bestehen, die für Membranen verwendet werden können. Erforderlich ist, dass das Material die notwendige Flexibilität besitzt, flüssigkeitsdicht ist und eine ausreichende Belastbarkeit für den vorgesehenen Einsatz besitzt. Beispielhaft seien hier genannt Polytetrafluorethylen (PTFE), virginales PTFE, Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Verbundwerkstoffe wie Polyetheretherketon-PTFE (PEEK-PTFE) und gewebeverstärkte Dichtungswerkstoffe sowie sonstige Dichtungs- und Gummiwerkstoffe.

Im Folgenden soll die Erfindung an Hand einer Figur weiter erläutert werden.

Die Figur zeigt den unteren Teil eines Form- und Füllventiles 10 in einer Schnittdarstellung. Man erkennt, dass das Ventil 10 einen Innenraum 11 aufweist, der durch einen flexiblen Membranring 12 in einen unteren Teil 13 und einen oberen Teil 14 unterteilt wird. Der untere Teil 13 des Innenraums 11 weist einen Zulauf 15 auf, durch den das abzufüllende Füllgut zugeführt werden kann. Der untere Teil 13 des Innenraums 1 1 weist weiterhin einen Auslass 16 auf, der im gezeigten Fall durch einen Dichtkörper 17 verschlossen ist. Der Auslass 16 kann in Flüssigkeitsverbindung mit einem Preform 18 gebracht werden.

Im Füllvorgang, d.h. wenn Flüssigkeit aus dem unteren Teil 13 des Innenraums 11 in den Preform 18 fließen soll, wird der Dichtkörper 17 mittels eines rohrförmigen Ventilstößels 19 angehoben, der in dem Form- und Füllventil 10 in Längsrichtung bewegbar aufgenommen ist.

Weiterhin zu erkennen ist eine in dem rohrförmigen Stößel 19 längsverschiebbar angeordnete Reckstange 20, die wie oben ausgeführt bei der Ausformung des Preforms 18 in Längsrichtung unterstützen soll. Dazu wird die Reckstange 20 während des Form- und Füllvorganges in den Preform 18 eingeführt und nach unten bewegt, bis die gewünschte Längsausdehnung erreicht ist.

Wie oben bereits ausgeführt, wird der Innenraum 1 1 des Form- und Füllventiles 10 durch einen Membranring 12 in einen oberen Teil 12 und einem unteren Teil 13 unterteilt. Aufgabe des Membranringes 12 ist zu verhindern, dass in den unteren Teil 13 des Innenraums 1 1 des Form- und Füllventiles 10 einströmendes Füllgut in weitere Bereiche des Ventils gelangt und diese kontaminiert. Dazu ist der Membranring 12 innenseitig am Ventilstößel 19 mit einem verdickten Randbereich in einer umlaufenden Ausnehmung 21 befestigt. Aussenseitig ist der Membranring 12 wiederum in einer umlaufenden Ausnehmung 22 im Ventil befestigt. Es versteht sich, dass die Befestigung des Membranringes sowohl innenseitig als auch außenseitig abgedichtet ist.

Wie bereits mehrfach ausgeführt, erfolgt die Formung und Befüllung des Preforms 18 mit einem unter einem Fülldruck zwischen 10 und 40 Bar stehenden Füllgut. Um zu verhindern, dass der im unteren Teil 13 des Innenraums 1 1 herrschende Druck den Membranring 12 beschädigt, ist weithin vorgesehen, dass der obere Teil 12 mit einer Stützflüssigkeit 23 gefüllt ist. Es handelt sich bei der Stützflüssigkeit 23 um eine inkompressible Flüssigkeit, die vorzugsweise physiologisch unbedenklich ist. Der obere Teil 12 des Innenraums 11 ist vollständig mit der Stützflüssigkeit 23 gefüllt, sodass der Membranring 12 in allen Betriebssituationen durch die Stützflüssigkeit abgestützt wird. Im gezeigten Fall ist der Auslass 16 durch den Dichtkörper 17 verschlossen, d.h. der Ventilstößel 19 ist in einer abgesenkten Position und der Membranring 12 hat eine leicht konvexe Form. Wird jetzt der Auslass geöffnet und in diesem Zusammenhang der Stößel 19 nach oben bewegt, so kommt es zu einer Neuverteilung der Stützflüssigkeit 23 in dem oberen Teil 13 des Innenraums 11 mit der Folge, dass sich die Membran leicht konkav nach unten ausbeult. Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Membranring mit einer leicht konvexen Form vorgeformt ist.

Im oberen Teil 14 des Innenraums 1 1 ist weiterhin ein Drucksensor 24 vorgesehen, mit dem der auf die Membran 12 im unteren Teil 13 des Innenraums 11 durch das Füllgut ausgeübte Druck gemessen kann. Dieser Druck entspricht dem Fülldruck, mit dem das Füllgut in den unteren Teil 13 des Innenraums einströmt bzw. in den Preform 18 eingeleitet wird. Der Druck auf die Membran 12 Druck wird über die Stützflüssigkeit direkt auf den Sensor 24 weitergeleitet und ermöglicht so eine besonders einfache Messung des Fülldrucks.

Wie oben bereits erwähnt, kann im Rahmen der Erfindung ein Membranring vorgesehen werden, der in der Lage ist, eine Leckage anzuzeigen. Da ein solcher Membranring hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird hier auf eine Darstellung und Diskussion verzichtet.