Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern des Flusses eines kryogenen Mediums, mit einer Armatur, die aus einer Mehrzahl von miteinander zusammenwirkenden Funktionselementen aufgebaut ist, wobei zumindest eines der Funktionselemente als Kunststoffelement ausgebildet ist.

In vielen industriellen Anwendungen, insbesondere im Bereich der Lebensmitteltechnologie, werden kryogene Medien, wie tiefkalt verflüssige Gase, zum Kühlen oder Frosten von flüssigen, pastösen oder festen Produkten eingesetzt. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei entweder indirekt an Wärmetauscherflächen, also ohne stofflichen Kontakt zwischen dem zu kühlenden Produkt und dem kryogenen Medium, oder durch eine direkte Kühlung des Produkts mit dem kryogenen Medium. Bei der direkten Kühlung wird üblicherweise das zu kühlende Produkt durch eine Leitung geführt oder in einem Behälter gesammelt und das kryogene Medium über geeignete Düsen oder Ventile in die Leitung oder in den Behälter eingebracht. Im Folgenden werden die Begriffe „Leitung“ und „Behälter“ unter dem Begriff „Behältnis“ subsumiert.

Die EG-Verordnung Nr. 1935/2004 regelt das Inverkehrbringen von Materialien und Gegenständen, die dazu bestimmt sind, mit Lebensmitteln unmittelbar oder mittelbar in Berührung zu kommen. Insbesondere regelt diese Verordnung die Notwendigkeit einer Rückverfolgbarkeit der Materialien, die auf sämtlichen Stufen gewährleistet sein muss. Nun weisen Gegenstände, die zum Fördern oder Steuern der Stoffströme kryogener Medien bestimmt sind, häufig Bestandteile aus unterschiedlichen Materialien auf. Dadurch wird ihre Verwendbarkeit im Lebensmittelbereich erheblich erschwert, da die gesetzlich geforderte Rückverfolgbarkeit nur mit entsprechend aufwändigen Detektormitteln, die die Vielheit der Materialien widerspiegeln, gewährleistet werden kann.

Beispielsweise sind aus der EP 1 867902 A2 und der EP 2309 160 A1 Vorrichtungen zum Eindosieren eines kryogenen Mediums in einen Behälter bekannt. Dieser Vorrichtungen dienen insbesondere dazu, ein in einem Behälter, beispielsweise einem Mischer, befindliches Lebensmittelprodukt durch Zuführung des kryogenen Mediums zu kühlen, wobei die Zuführung bevorzugt in einem unteren Bereich des Behälters erfolgt, also in jenem Bereich des Behälters, der während der Behandlung mit dem zu kühlenden Produkt gefüllt ist. Bei dieser, im Fachjargon auch als „Bottom-Injection“ bezeichneten Vorgehensweise ist darauf zu achten, dass das Ventil verschließbar ist, um in solchen Phasen während der Behandlung, während denen kein kryogenes Medium eingebracht wird, ein Eindringen von Produkt in das Innere der Vorrichtung zu verhindern. Bei den aus der EP 1 867902 A2 und der EP 2309 160 A1 bekannten Vorrichtungen wird dies dadurch erreicht, dass die Vorrichtungen einen Verschlusskörper aufweisen, der in einem Führungskanal des Gehäuses axial gegen die Wirkung einer Feder begrenzt beweglich angeordnet und mit einem Schließteller ausgerüstet ist. Die Feder bewirkt, dass die Zuführung des kryogenen Mediums erst oberhalb eines vorgegebenem, zuströmseitigen Überdrucks ermöglicht wird; bei einem Unterschreiten dieses Druckwertes wird der Schließteller dagegen strömungsdicht gegen einen Ventilsitz am Gehäuse gepresst. Dieser Aufbau bedingt freilich, dass die Vorrichtungen aus mehreren Teilen zusammengesetzt sind, zwischen denen jeweils ein Dichtmittel die erforderliche Strömungsdichtigkeit gewährleistet. Bei den Gegenständen der EP 1 867902 A2 und der EP 2309 160 A1 bestehen diese Dichtmittel, ebenso wie auch bei anderen vergleichbaren Armaturen aus dem Stande der Technik, häufig aus einem flexiblen, tieftemperaturbeständigen Kunststoff, wie etwa PTFE, während die übrigen Teile der Armatur in der Regel aus Metall gefertigt sind. Bei der Verwendung dieser Gegenstände im Lebensmittelbereich führt dies aus dem oben genannten Grund zu einem erhöhten Aufwand hinsichtlich der Erfüllung der gesetzlichen Nachweispflichten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung zum Steuern des Flusses eines kryogenen Mediums dahingehend zu verbessern, dass der Nachweis und die Einhaltung der gesetzlichen Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit erleichtert wird.

Gelöst ist diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung dadurch, dass wenigstens ein Kunststoffelement aus einem mit metallischen Additiven versetzten Kunststoff gebildet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist also ein Funktionselement oder mehrere Funktionselemente auf, das/die aus Kunststoff gefertigt ist/sind (hier „Kunststoffelement“ bzw. „Kunststoffelemente“ genannt), das bzw. von denen zumindest eines aus einem mit metallischen Additiven versetzten Kunststoff gebildet ist/sind.

Durch die metallischen Additive kann aus der Vorrichtung stammendes Kunststoffmaterial, insbesondere von Kunststoffelementen wie beispielsweise Dichtungen, mit metallempfindlichen Detektoren sichtbar gemacht werden, wie sie bereits jetzt in der Lebensmittelproduktion üblicherweise eingesetzt werden. Im Falle, dass bei einer Beschädigung Kunststoffpartikel in den Produktionsprozess gelangen, werden diese noch in der laufenden Produktion erkannt, und in der Folge kann die beschädigte Armatur aus dem Verkehr gezogen werden. Dadurch wird insbesondere den Anforderungen der EU-Verordnung 1935-2004 hinsichtlich der Kunststoffteilen in der Vorrichtung in einfacher Weise Genüge getan.

Die metallischen Additive werden entweder während der Herstellung der Kunststoffelemente in die Rohmasse des Kunststoffs eingemischt oder als Beschichtung auf das entsprechende Element aufgetragen. Bei den metallischen Additiven handelt es sich bevorzugt um kleine Metallpartikel, insbesondere um metallische Nanopartikel, die in einer Größenordnung zwischen 10nm und 1000nm als kolloidale disperse Phase in dem als Dispersionsmedium fungierenden Kunststoff enthalten sind. Durch derartige Nanopartikel werden die elastischen und tieftemperaturbeständigen Eigenschaften des Kunststoffs nicht oder nur in geringem Umfang beeinträchtigt, zugleich sind sie mittels üblicher, in der Lebensmittelfabrikation eingesetzter Metalldetektoren gut detektierbar.

Bei den mit den metallischen Additiven versetzten Kunststoff der Kunststoffelemente handelt es sich insbesondere um PTFE, Nylon oder Polyethylen, wobei PTFE wegen seiner besonders guten Tieftemperatureigenschaften besonders bevorzugt ist.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Armatur um ein mit einer Zuführleitung für das kryogene Medium verbindbares Ventil zum Eindosieren des kryogenen Mediums in ein Behältnis, das aus mehreren lösbar miteinander verbundenen metallischen Teilen aufgebaut ist, wobei zwischen zumindest einigen Teilen Kunststoffelemente angeordnet sind, die aus einem mit metallischen Additiven versetzten Kunststoff gefertigt sind. Bei den Kunststoffelementen handelt es sich insbesondere um Dichtmittel, beispielsweise Dichtringe, aus einem flexiblen, jedoch tieftemperaturfesten Kunststoff, wie beispielsweise PTFE. Das Ventil dient insbesondere dazu, genau bemessene Mengen an kryogenem Medium direkt in ein im Behältnis befindliches Produkt einzubringen, um dieses zu kühlen, und die Dichtmittel dienen insbesondere dazu, ein Austreten des kryogenen Mediums aus dem Ventil und/oder ein Eindringen von Produkt oder Umgebungsatmosphäre in das Ventil zu unterbinden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Ventil um eine Einrichtung der Art, wie sie in der EP 1 867 902 A2 oder der EP 2309 160 A1 beschrieben ist, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Eine derartige Einrichtung weist ein Ventilgehäuse auf, das zumindest aus einem vorderen Gehäuseteil und einem hinteren Gehäuseteil aufgebaut ist, zwischen denen ein Dichtmittel in Gestalt eines Dichtrings angeordnet ist. Im Ventilgehäuse ist ein Absperrglied angeordnet, das stirnseitig mit einem tellerförmigen Vorderabschnitt ausgerüstet ist. Das Absperrglied ist gegen die Wirkung einer Feder begrenzt bewegbar im Ventilgehäuse aufgenommen, wobei in Öffnungsrichtung die Bewegung bevorzugt zum Inneren des Behältnisses hin erfolgt. Die Rückstellkraft der Feder bestimmt einen Differenzdruck, oberhalb dessen das Ventil öffnet. Beispielsweise beträgt der Differenzdruck bei Verwendung von Flüssigstickstoff als kryogenes Medium bei 2 bis 2,5 bar, bei flüssigem Kohlendioxid 7 bis 9 bar. Im Schließzustand liegt der tellerförmige Vorderabschnitt auf einem Ventilsitz des Ventilgehäuses auf, wobei ein Dichtmittel aus einem flexiblen und tieftemperaturbeständigen Material in Gestalt eines Dichtrings eine strömungsdichten Kontakt gewährleistet. Das Dichtmittel ist dabei bevorzugt am tellerförmigen Vorderabschnitt des Absperrglieds (auf dessen dem Ventilsitz zugewandten Seite) oder im Ventilsitz befestigt, beispielsweise in einer rundum laufenden Nut eingesetzt; es können jedoch auch Dichtmittel sowohl im Vorderabschnitt als auch im Ventilsitz vorgesehen sein. Dabei besteht erfindungsgemäß das Dichtmittel zwischen den beiden Gehäuseteilen und/oder das Dichtmittel zwischen tellerförmigem Vorderabschnitt und Ventilsitz aus einem mit metallischen Additiven versetztem Kunststoff.

Beim Behältnis handelt es sich beispielsweise um eine Leitung oder um einen Behälter, insbesondere um einen Behälter eines Mischers oder Cutters. Das Ventil kann dabei so angeordnet sein, dass es in einen unteren Bereich eines Behälters einmündet, der beim Einsatz der Vorrichtung mit Produkt gefüllt ist. Bei einer solchen, auch als „bottom injection“ bekannten Ausgestaltung kommt das kryogene Medium unmittelbar mit dem zu kühlenden Produkt in Berührung, wodurch auf die Rückverfolgbarkeit unerwünschter Materialien, die über das kryogene Medium in das Lebensmittelprodukt eingetragen werden können, besonderes Augenmerk zu richten ist.

Als kryogenes Medium kommt vorzugsweise tiefkalt verflüssigter Stickstoff oder flüssiges Kohlendioxid zum Einsatz.

Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Zeichnung (Fig. 1) zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Eindosieren eines kryogenen Mediums in einen Behälter.

Die in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung dient dazu, ein kryogenes Medium, beispielsweise ein verflüssigtes Gas wie Flüssigstickstoff, Flüssigsauerstoff oder flüssiges Kohlendioxid oder auch ein kaltes Gas, beispielsweise tiefkalter gasförmiger Stickstoff, in einen zu kühlenden Stoff einzuleiten, bei dem es sich etwa um ein Gas, eine Flüssigkeit oder um einen pastösen, pulverförmigen oder stückigen Stoff handeln kann.

Die Vorrichtung umfasst ein Ventil 1 , das im Ausführungsbeispiel an einem Behälter 2 montiert ist, in dem der zu kühlende Stoff gelagert oder verarbeitet wird. Das Ventil 1 weist einen aus zwei Gehäuseteilen 6, 7 bestehenden Ventilkörper auf. Das vordere Gehäuseteil 6 ist lösbar in einer Behälterwand 3 des Behälters 2 befestigt, beispielsweise in ein Gewinde 5 eingeschraubt, und zwar derart, dass das Gehäuseteil 6 frontseitig im Wesentlichen bündig mit einer Innenfläche 9 der Behälterwand 3 abschließt. Das hintere Gehäuseteil 7 des Ventilkörpers ist am vorderen Gehäuseteil 6 ebenfalls lösbar, beispielsweise mittels Gewinde 8, befestigt, wobei die dem hinteren Gehäuseteil 7 zugewandte Stirnseite des vorderen Gehäuseteils 6 mit einer Ringschulter 10 im Innern des hinteren Gehäuseteils 7 vorsteht. Auf seinem vom vorderen Gehäuseteil 6 entgegen gesetzten Ende weist das hintere Gehäuseteil 7 einen Anschluss 4 zum Verbinden mit einer hier nicht gezeigten Zuführleitung für ein kryogenes Medium auf. Der Anschluss 4 ist dabei an die Art der Zuführleitung für das kryogene Medium angepasst, und fallweise druck- und/oder tieftemperaturfest ausgelegt. Beispielsweise handelt es sich bei dem Anschluss 4 um einen Gewindeanschluss oder einen Flansch.

Im Innern der jeweils im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebauten Gehäuseteile 6, 7 ist ein Absperrglied 11 axial beweglich aufgenommen, mittels dessen das Ventil 1 geschlossen und geöffnet werden kann. Das Absperrglied 11 umfasst einen im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Innenabschnitt 12, an dessen dem Behälter 2 zugewandten Stirnseite sich ein tellerförmiger, im Querschnitt konischer Vorderabschnitt 13 anschließt, der in seiner Form einem konisch geformten Ventilsitz 15 im vorderen Gehäuseteil 6 angepasst ist. Auf der dem Ventilsitz 15 zugewandten Seite des Vorderabschnitts 13 des Absperrglieds 11 ist in einer rundum laufenden Nut ein Dichtring 14 angeordnet, der im Schließzustand des Ventils 1 auf dem Ventilsitz 15 aufsitzt. Im Öffnungszustand dagegen steht der Vorderabschnitt 13 mit dem Dichtring 14 - wie in Fig. 1 gezeigt - beabstandet vom Ventilsitz 15 vor.

Ein weiterer Dichtring 16 aus einem flexiblen, tieftemperaturbeständigen Material ist sich zwischen vorderem Gehäuseteil 6 und hinterem Gehäuseteil 7 in entsprechenden rundum laufenden Nuten in den Gehäuseteilen 6, 7 angeordnet. Der Dichtring 16 soll insbesondere verhindern, dass im Betrieb der Vorrichtung kryogenes Medium im Bereich der Verbindung zwischen vorderem Gehäuseteil 6 und hinterem Gehäuseteil 7 austritt.

An der vom Behälter 2 abgewandten Seite des Innenabschnitts 12 des Absperrglieds 11 ist ein ringförmiger Flinterabschnitt 17 vorgesehen, der auf einem Halteabschnitt 18 des Innenabschnitts 12 lösbar aufmontiert, beispielsweise verschraubt ist. Der Außenradius des Hinterabschnitts 17 ist größer als der Innendurchmesser der Ringschulter 10 des Ventilkörpers. Beim Öffnen des Ventils 2 begrenzt somit die Ringschulter 10 die axiale Verschiebbarkeit des Absperrglieds 11 in Richtung auf das Innere des Behälters 2, im maximalen Öffnungszustand liegt der Hinterabschnitt 17 auf der Ringschulter 10 auf. Im Schließzustand des Ventils 2 ist der Hinterabschnitt 17 dagegen beabstandet von der Ringschulter 10 angeordnet. Um eine Strömungsverbindung im Innern des Ventilkörpers zu beiden Seiten des Hinterabschnitts 17 sicher zu stellen, auch wenn der Hinterabschnitt 17 an der Ringschulter 10 anliegt, ist der Innenabschnitt 12 des Absperrglieds 11 mit einer zentralen Bohrung 25 versehen, die etwa in der Mitte des Innenabschnitts 12 in eine Radialbohrung 26 einmündet, die wiederum radial außenseitig am Innenabschnitt 12 des Absperrglieds 11 endet.

Zwischen dem Hinterabschnitt 17 und einem Federsitz 20 am vorderen Gehäuseteil 6 des Ventilkörpers erstreckt sich rings um den Innenabschnitt 12 des Absperrglieds 11 herum eine spiralförmige Schließfeder 22. Die Schließfeder 22 ist derart zwischen Federsitz 20 und Hinterabschnitt 17 des Absperrgliedes 11 eingespannt, dass sie bereits in der Schließposition des Ventils 2 unter einer gewissen Vorspannung steht. Dadurch öffnet sich das Ventil 1 erst bei Vorliegen eines bestimmten, durch die Federkraft der Schließfeder 20 festgelegten Differenzwertes (Grenzdruck) zwischen dem Druck im Innern des Ventilkörpers und dem Druck im Behälterinnenraum von beispielsweise 2 bis 9 bar. Bei Überschreiten des Grenzdrucks wird das Absperrglied 11 aufgrund des auf den tellerförmigen Vorderabschnitt 13 des Absperrglieds 11 wirkenden Überdrucks im Innern des Ventilkörpers gegen die Wirkung der Schließfeder 22 axial in Richtung auf das Behälterinnere verschoben. Dabei öffnet sich zwischen dem Vorderabschnitt 13 des Absperrglieds 11 und dem Ventilsitz 15 ein Ringspalt und gibt so einen Strömungsweg in das Innere des Behälters 2 frei.

Die konische Zuformung des Vorderabschnitts 13 des Absperrglieds 11 führt dazu, dass das kryogene Medium beim Einströmen in den Behälter 2 in radialer Richtung abgelenkt wird und sich sehr breit im Behälter 2 verteilt. Die durch den Abstand zwischen dem Hinterabschnitt 17 und der Ringschulter 10 im Schließzustand des Ventils festgelegte maximale Vorschub des Absperrglieds 11 ist dabei so gewählt, dass die Stirnfläche 24 des Vorderabschnitts 13 nicht weiter in das Innere des Behälters 2 vorsteht, als bis sie im Wesentlichen bündig mit der Innenoberfläche 9 der Behälterwand 3 angeordnet ist. Ein im Behälter 2 angeordnetes Rührwerk oder Schieber, das bzw. der bis zu den Behälterwänden ausgreift, wird durch das Ventil 1 also nicht behindert.

Unterschreitet der Druck im Innenraum 23 des Ventilkörpers den oben definierten Grenzdruck, so schließt das Ventil 1 automatisch dadurch, dass sich das Absperrglied 11 unter der Wirkung der Schließfeder 22 in seine Sperrposition begibt, in der der tellerförmige Vorderabschnitt 13 mit dem Dichtelement 14 auf dem Ventilsitz 15 aufliegt. Dazu ist keine externe Ansteuerung des Absperrglieds 11 erforderlich; eine Dosierung der in den Behälter 2 eingeführten Menge an kryogenem Medium erfolgt direkt durch die Änderung des Drucks in der Zuführleitung bzw. im Innenraum 23 des Ventils 1. Da der Grenzdruck aufgrund der Vorspannung der Schließfeder 22 größer als der Innendruck im Behälter 2 ist, kann kein Produkt aus dem Behälter 2 in den Innenraum 23 des Ventils 1 eindringen. Dies gilt insbesondere auch im Falle eines plötzlichen, unvorherge sehenen Druckabfalls in der Zuführleitung des kryogenen Mediums. Daher ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zum „bottom injection“ geeignet, also zum Einbau des Ventils 1 in einem Bereich der Behälterwand 3, der beim Einsatz vom zu kühlenden Produkt benetzt wird. Natürlich kann das Ventil 1 jedoch auch im Kopfraum des Behälters 2 oder in einer produktführenden Leitung angeordnet sein.

Die Gehäuseteile 6, 7 des Ventilkörpers, Absperrglied 11 und Feder 22 sind aus einem Material gefertigt, dass den tiefen Temperaturen und/oder den hohen Drücken des jeweils zum Einsatz kommenden kryogenen Mediums Rechnung trägt, beispielsweise aus einem geeigneten, tieftemperaturfesten Edelstahl. Im Falle einer Beschädigung, bei der Ventilmaterial über das kryogene Medium in das Produkt im Behälter gelangen kann, kann der Prozessablauf mit üblichen Metalldetektoren, beispielsweise einem Röntgenstrahldetektor, überwacht werden, um im Beschädigungsfall vom Ventil stammende Metallpartikel erkennen zu können. Um eine Detektion von Partikeln zu ermöglichen, die von den Dichtringe 14, 16 stammen, sind diese aus einem mit metallischen Additiven versetzen Kunststoff hergestellt. Dadurch kann auch von den Dichtringen 14, 16 herrührendes Material mit üblichen Metalldetektoren erfasst werden. Bei dem Kunststoff handelt es sich beispielsweise um PTFE, bei den metallischen Additiven beispielsweise um metallische Mikro- oder Nanopartikel, die bei der Herstellung der Dichtringe 14, 16 in die flüssige Kunststoffmasse eingemischt wurden.

Da somit im Falle einer Beschädigung in das Produkt gelangende Partikel aller Bestandteile des Ventils 1 leicht erkannt werden können, genügt die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere den gehobenen hygienischen Anforderungen bei der Herstellung oder Verarbeitung von Lebensmitteln, etwa zum Kühlen von Teig, Mehl, Maische oder Fleischmasse zur Wurstherstellung oder beim Eindosieren eines kryogenen Mediums in eine von einem Gas oder einer Flüssigkeit durchströmten Leitung, beispielsweise bei der Behandlung von Wein, Säften oder Milch zu Zwecken der Kühlung oder Entkeimung, ebenso wie bei der Herstellung oder Verarbeitung pharmazeutischer Produkte, Vorprodukte und Inhaltsstoffe oder biologischer Proben.

Bezuqszeichenliste

1. Ventil

2. Behälter

3. Behälterwand

4. Anschluss

5. Gewinde

6. vorderer Gehäuseteil des Ventilkörpers

7. hinterer Teil des Ventilkörpers

8. Gewinde

9. Innenoberfläche (der Behälterwand)

10. Ringschulter

11. Absperrglied

12. Innenabschnitt

13. Vorderabschnitt

14. Dichtring

15. Ventilsitz

16. Dichtring

17. Hinterabschnitt

18. Halteabschnitt

19. -

20. Federsitz

21

22. Schließfeder

23. Innenraum des Ventilkörpers

24. Stirnfläche

25. zentrale Bohrung

26. Radialbohrung