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Vorrichtung zur Schwingungsbehandlung von fliessfähigen Stoffen und Stoff- gemischen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schwingungsbehandlung von fliessfähigen Stoffen und Stoffgemischen, z. B. zwecks Auflösung, Verfeinerung, Homogenisierung, Aufschliessung, Zerfaserung, Fibrillierung, Mahlung, inniger Vermischung, Vergrösserung der Kontaktfläche und periodischer, hochfrequenter Druckstossbehandlung zur Durchführung bzw. Beschleunigung chemischer Reaktionen u. dgl.
Es wurde schon vorgeschlagen, einen Konus in einem Hohlkonus rotieren zu lassen und den aus einem Behälter zufliessenden Stoff durch den zwischen Konus urd Hohlkonus gebildeten ringförmigen Raum zu führen und durch in diesen Raum hineinragende, längs Erzeugenden des Konus und des Hohlkonus verlaufende Rippen bearbeiten zu lassen. Diese Vorrichtungen befriedigen nicht, weil die auf dem rotierenden Konus angeordneten Rippen den Stoff aus ihren Zwischenräumen radial in die Zwischenräume zwischen den auf einem grösseren Durchmesser als diese Rippen liegenden Rippen des Hohlkonus schleudern, so dass mindestens ein grosser Anteil des Stoffes unbearbeitet zwischen den Rippen des Hohlkonus entweicht und infolgedessen eine Bearbeitung des Stoffes nicht oder nur teilweise möglich ist.
Es sind auch Vorrichtungen bekannt, bei welchen im Ringspalt zwischen Konus und Hohlkonus zahnartige Vorsprünge den durch den Ringspalt strömenden Stoff zerreissen und zerscheren und so zunehmend zerkleinern. Diese Vorrichtungen gestatten jedoch dem Stoff, mechanisch ohne genaue Kontrolle der kinetischen Vorgänge und ohne Kontrolle der Einzelwirkungen der kinetischen Vorgänge durch den Spalt zu strömen.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung behebt diese Nachteile ; sie besteht aus zwei koaxial zueinander angeordneten, relativ gegenläufigen, einen Arbeitsspalt zwischen sich einschliessenden Körpern und ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Körper wenigstens einen Kranz von in den Arbeitsspalt hineinragenden Organen aufweist, wobei die benachbarten Organe desselben Kranzes Hohlräume begrenzen und so bemessen sind, dass sie die Fortbewegung des Stoffes durch den Arbeitsspalt periodisch unterbrechen und dass das die beiden Körper aufnehmende Gehäuse mit einer Einrichtung zum Einstellen des Vorschubes des Stoffes in der Hauptströmungsrichturg und damit der Verweilzeit des Stoffes in den Hohlräumen sowie der Dauer seiner Schwingungsbehandlung versehen ist.
Nach bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind die Zahl der auf einem Organkranz angeordneten Organe und der von diesen begrenzten Hohlräume, der Querschnitt des Arbeitsspaltes, die Teilung und/oder Stärke der Organe, vorzugsweise von Stufe zu Stufe, verschieden.
Weitere, besonders zweckmässige Merkmale der Vorrichtung gemäss der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
Der Gegenstand der Erfindung dient dazu, Stoffe beliebigen Aggregatzustandes und beliebiger Struktur, z. B. feste, faserige, thixotrope und viskose, pulverige, flüssige und gasförmige Stoffe, einzeln oder miteinander vermischt, aufzuschliessen, zu lösen, zu zerfasern, zu mahlen, bis zu höchsten Graden zu verfeinern und/oder zu homogenisieren und kolloidale und stabile Suspensionen sowie Emulsionen verschiedenster Art herzustellen. Er kann insbesondere auch der Gewinnung von Zellstoff, der Auflösung, der Fibrillierung, der Raffinierung, der Mahlung, der Faserquellung usw. dienen.
Schliesslich kann er auch zur Durchführung und/oder Beschleunigung chemischer Stoffumwandlungen dienen, wie Reaktion (eventuell unter Einschaltung einer Verdampfungsphase), Reduktion, Oxydation, Addition, Substitution, Polymerisation (eventuell unter gleichzeitiger oder vor-bzw. nachgehender Dispergierung oder Vernebelung), Depolymerisation, Sulfonierung, Alkylierung, Kondensation, Verseifung zur Herstellung von Wasch- und Netzmitteln, Soapstocks usw.
Die Zeichnung zeigt beispielsweise einige Ausführungsformen der Vorrichtung gemäss der Erfindung.
Fig. 1 ist ein Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform nach Linie I-I der Fig. 2. Fig. 2 ist eine Draufsicht auf Fig. 1, teilweise im Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1. Fig. 3-7 sind Axialschnitte durch Teile weiterer Ausführungsformen. Fig. 8 ist ein Axialschnitt durch ein weiteres Beispiel, den konischen Rotor zur Hälfte in Ansicht zeigend. Fig. 9 ist ein Axialschnitt durch ein anderes Beispiel und Fig. 10 ein Schnitt nach Linie X-X der Fig. 9, wobei der erweiterte Teil des Konusgehäuses teilweise weg-
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gebrochen ist. Fig. 11 ist ein Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform und die Fig. 12-15 sind Schnitte gemäss den Linien XII-XII, XIII-XIII, XIV-XIV und XV-XV der Fig. 11.
Fig. 16 ist ein Axialschnitt durch die eine Hälfte einer andern Ausführungsform. Fig. 17 eine Variante zu Fig. 13 in grösserem Massstabe und Fig. 18 ein Axialschnitt durch einen Teil einer weiteren Ausführungsform, wobei die Schaufeln und die Schnecke in Ansicht gezeigt sind. Fig. 19 zeigt den Einbau der Vorrichtung gemäss Fig. 11 in ein Umleitungssystem. Fig. 20-23 zeigen im Axialschnitt verschiedene Anwendungsbeispiele der Vorrichtung gemäss der Erfindung.
In Fig. 1 und 2 ist eine auf einer rotierenden Welle 110 befestigte Rotorscheibe 111 von einem Statorgehäuse 112 umgeben, welches an einem Behälter 113 montiert ist und zum Teil dessen Boden bildet.
Die Rotorwelle 110 läuft in einer Stopfbüchse 114 des Statorgehäuses 112. Die Rotorscheibe 111 trägt in den Behälter 113 hineinragende zackenförmige Schlag- und Reissorgane 115, die z. B. auch zahnförmig, schaufelförmig, messerförmig, stiftförmig, als Haken, gerade, gekrümmt oder geschweift ausgebildet und eventuell durchbohrt sein könnten.
Die Stirnfläche 116 der Rotorscheibe 111 ist konkav, könnte aber z. B. auch eben sein. Die Mantelfläche 117 der Rotorscheibe 111 bildet einen sich vom Behälter 113 weg erweiternden Konus. Diesem Konus 117 entspricht eine konische Innenfläche US des Statorgehäuses 112, die zusammen mit der Fläche117 einen Ringspalt 119 bildet, dessen radiale Breite sich vom Eintritt zum Austritt verringert. Die Meridianlinien des Ringspaltes 119, dessen Breite auch konstant bleiben könnte, können auch beliebig anders verlaufende Gerade, insbesondere Horizontale, oder Kurven sein. Die Konusfläche 117 ist mit fünf Kränzen von Rotororganen 120 besetzt. Mit diesen Rotororganen 120 arbeiten fünf Kränze von gleichen oder ähnlichen, an der Konusfläche 118 angeordneten Statororganen 121 zusammen.
Die Rotorscheibe 111 und das Statorgehäuse 112 bilden zwei koaxial angeordnete, sich relativ gegeneinander drehende Körper, die zwischen sich den in der Meridianrichtung durch die zusammenwirkenden Organe 120 und 121 unterbrochenen Ringspalt 119 bilden. Selbstverständlich könnten statt eines Rotors und eines Stators auch zwei beispielsweise gegenläufige Rotoren, die von einem Gehäuse eingeschlossen sind, vorgesehen sein ; ebenso könnte die Zahl der Organkränze grösser oder kleiner als fünf sein. Die Organe 120 und 121 können auswechselbar an den Konusflächen 117 und 118 befestigt sein. Zum Zusammenbau von Rotor und Stator kann man z. B. den Stator mehrteilig herstellen. Das Statorgehäuse 112 weist einen ringförmigen Sammelkanal 122 auf, in welchem mindestens eine an der Rotorscheibe 111 montierte Pumpenschaufel123 umläuft.
An seinem Austritt 124 hat der Sammelkanal 122 einen Flansch 125, an welchen zur Ableitung oder zur Rückleitung des Gutes in den Behälter 113 ein (nicht dargestelltes) Ventil zur Regelung des Auslasses und damit zur Regelung der Verweilzeit und der Druckverhältnisse in der Vorrichtung angeschlossen werden kann. Organe 126 des Stators 112 arbeiten mit den Rotor-Reissorganen 115 prallend und reissend zusammen. Die Organe 126 können so dimensioniert werden, dass sie auch als Leitbleche zur Lenkung des Umlaufes des Gutes dienen und/oder in die zickzackförmigen Organe 115 eingreifen (punktiert in Fig. 1).
Ein am Rotor 111 befestigter Sortierring 127 bedeckt den Eintritt zum Ringspalt 119 und weist Durchbrechungen 128 auf, deren Form und Grösse nach Bedarf gewählt werden. Der Sortierring 127 hält nicht nur das noch nicht genügend feine bzw. aufgeschlossene Gut vom Eintritt in den Ringspalt 119 zurück, sond : rn schleudert durch seine Stege 129 auch Fremdkörper, wie Metallstücke, Nadeln od. dgl., auf den Boden des Behälters 11. ? hinaus, wo sie durch (nicht dargestellte) Rinnen, Ringwände, Magnete usw. festgehalten oder durch Schleusen aus dem Behälter entfernt werden.
Die Rotor- und Statororgane 120 und 121, deren Wirkung in späteren Beispielen näher erläutert wird, bilden in Fig. 1 und 2 pyramidenförmige Werkzeuge oder Zähne mit trapezoiden Flanken. Sie können teilweise oder insgesamt auch einen beliebigen andern Grund-und/oder Umriss aufweisen, z. B. ovalen, runden, konischen, rhomboiden oder trapezoiden ; ausserdem können sie mit gezahnten Kanten und/oder Bohrungen bzw. Durchbrechungen beliebiger Form versehen sein. Die Wahl der günstigsten Form der Organe 120 und 121 hängt davon ab, ob vorzugsweise Scherung, Quetschung, Reibung, Prallung oder pulsierende Arbeit oder eine Gruppe der genannten Wirkungen oder andere, durch die Zusammenarbeit der Organe erzielbare Wirkungen, einschliesslich Erwärmung des Gutes durch Reibung, gewünscht werden.
Sind alle oder ein Teil der Organe 120 und/oder 121 um dieAchse des Rotors 111 schraubenförmig gewunden oder bilden sie mit der Rotationsebene einen Winkel, so verstärken sie die Förderung des Gutes, wodurch z. B. der zügige Durchgang von dickflüssigem oder thixotropem Material gesichert wird.
In der Ausführungsform gemäss Fig. 3, die nur so weit beschrieben wird, als sie sich von dem vorangehenden Beispiel unterscheidet, liegen die Meridianlinien des Ringspaltes 119 in einer horizontalen Ebene. Bei der dargestellten Ausführungsform verengt sich der Spalt 119 etwas nach aussen, er könnte aber ebensogut über seine ganze radiale Ausdehnung konstante axiale Breite aufweisen. Die Rotorscheibe 111 trägt fünf Kränze zahnförmiger Organe 120 und der Stator 112 vier zwischen dieselben greifende Kränze ent-
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statt der Schlitze könnte der Ring 135 auch Bohrungen oder Durchbrechungen beliebiger Form aufweisen. Auch der Rotor 111 könnte mit einem solchen Ring 135 ausgestattet sein. Anstatt nur einen, könnten Rotor und/oder Stator mehrere solcher Ringe 135 aufweisen, die dann an Stelle von Kränzen mit den Organen 120 und/oder 121 treten würden.
Solche Ringe haben eine besonders stark zertrümmernde und
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abweichende Lage haben. Bezüglich der Wahl des günstigsten Querschnitts des oder der Ringe 135 gilt grundsätzlich das gleiche, wie bei der Beschreibung der Fig. l in bezug auf den Querschnitt der Organe 120 und 121 erläutert wurde. Die Zahl und die Feinheit der Durchbrechungen 136 pro Ring 135 kann bis zur Grenze der Herstellungsmöglichkeit, beispielsweise bis zur Siebfeinheit, gehen. Dies ermöglicht die Erreichung ausserordentlich hoher Frequenzen der an den Kanten und den Flanken der Durchbrechungen stattfindenden physikalischen Effekte, wie Scherung, Quetschung, Prallung, Pulsierung, Druckdifferenz, Kavitation usw., und, wenn gewünscht, eine Begrenzung der Partikelgrösse.
Der Sortierring 127 ist in diesem Beispiel-ebenso wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform- trichterförmig gestaltet.
Zur Sammlung der vom Sortierring 127 nach aussen geschleuderten Fremdkörper dient eine Schleuse 137 des Behälters 113, aus welcher mittels einer Bodenklappe 138 die Fremdkörper abgelassen werden können.
Wenn eine zusätzlich reibende Wirkung auf das zu verfeinernde Gut erforderlich ist, so kann der Ringspalt 119 am Austritt so eng gewählt werden, dass dort Reibung zwischen Rotor 111 und Stator 112 auf einer je nach Wunsch mehr oder weniger breiten Ringfläche entsteht. Dadurch wird das Gut in der letzten Phase seiner Bearbeitung einer hohen Druckreibung unter hoher Geschwindigkeit ausgesetzt. Ein solches Beispiel ist in Fig. 4 gezeigt, wo die Lage des Ringspaltes 119 derjenigen in Fig. 3 entspricht und an der
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richtung oder abweichend davon verlaufenden, gerillten und eventuell angeschärften Reibkörpern 139 bzw.'140 versehen sind. Diese Reibkörper können mit einer besonderen, feinen Reibschicht, z.
B. mit Platten aus Stahl, Steingut oder Kunststoff, belegt oder mit elastischen Stoffen beliebiger Art überzogen sein, welche eine elastische Zusammenpressung des Gutes am Austritt des Ringspaltes 119 ermöglichen. Es könnte auch nur der Rotor oder nur der Stator mit einem solchen Reibkörper versehen werden. Die Spaltbreite kann ebenso wie eine eventuelle Annäherung der Reibflächen am Spaltaustritt durch eine Veränderung der gegenseitigen axialen Lage von Rotor und Stator mittels bekannter Vorrichtungen (z. B. durch axiale Verschiebung der Welle 110 und/oder des Stators 112 mittels Gewinde) eingestellt werden. Zur Erleichterung der Abfuhr des Gutes aus dem Sammelkanal 7. 2. 2 dienen in einer Variante eine oder mehrere Mitnehmerschaufeln 141, wie dies in Fig. 4 punktiert angedeutet ist.
Gemäss der Ausführungsform nach Fig. 5 ist auf dem Wege zu einem Sammelkanal nach dem Ringspalt 119 am Rotor 111 eine Siebschleuder 142 mit siebartigen Durchbrechungen oder filterfeinen Öffnungen vorgesehen, welche das Gut in verschiedene Komponenten zerlegt und auch auf der Rotorwelle befestigt oder im Anschluss an den Sammelkanal angeordnet sein könnte. Diese zentrifugierende Sieb- oder Filtervorrichtung trennt festes Gut von Flüssigkeit oder grobe und feine Komponenten. Der zur Drehachse koaxial angeordnete Siebring 142 ist konisch ausgebildet, könnte aber auch zylindrisch geformt sein. Das aus dem Ringspalt 119 austretende Gut wird gegen den Siebring 142 geschleudert. Durch die vom Siebring 142 ausgeübte Zentrifugalwirkung werden je nach der lichten Weite seiner Durchbrechungen aus dem Gut Flüssigkeit oder auch feinere Teile ausgeschleudert.
Das ausgeschleuderte Material wird von einem am Stator 112 befestigten, rinnenförmigen Gehäuse 143 aufgefangen, das wenigstens einen Ablauf 144 aufweist. Um den Siebring 142 herum erstreckt sich, koaxial zu ihm angeordnet, eine am Gehäuse 143 befestigte Trennwand 145. Diese dient zur Trennung des am Siebring 142 angehäuften, über seinen oberen Rand in das Gehäuse 143 ausgeworfenen Gutes vom durch den Siebring 142 hindurchgetretenen Material und zur Ableitung des ausgeworfenen Gutes durch den Ablauf 146, sobald das ausgeworfene Gut die obere Kante des Siebringes 142 übersteigt. Zur Sicherung der Entleerung durch die Abläufe 144 und 146 sind am Rotor 111 Mitnehmerschaufeln 147 und 148 befestigt.
Die Organe 120 und 121 sind treppenförmig angeordnet und haben dreieckige Flanken. Diese Form der Organe entspricht in vielen Fällen dem zentrifugalen Drang des Gutes gegen die konische Gehäusewandung 118. Es tritt dabei eine zickzacklinienförmige Strömung des Gutes im Ringspalt 119 auf, wobei das Gut über mehrere Organstufen ungefähr rechtwinklig zu den Kanten derselben durch den Ringspalt 119 befördert wird. Die treppenförmige Anordnung der Organe 120 und 121 kann auch bei andern Ausführungsformen der Vorrichtung verwendet werden.
Eine besonders vollkommene Wirkung und der absolute Ausschluss von die Vorrichtung unbearbeitet verlassendem Gut kann durch die in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsformen der Organe 120 und 121 erzielt werden.
In Fig. 6 ist gezeigt, wie zu diesem Zweck die Kronen der Organe 120 bzw. 121 radial über die Wurzeln der entsprechenden Gegenorgane hinaus in ringförmige Rillen 130 des Stators 112 bzw. des Rotors 111 eingreifen.
Fig. 7 zeigt zum gleichen Zweck am Rotor 111 und am Stator 112 im Axialschnitt mäanderartig begrenzte Organe 120, 121, deren äquidistanten Rillen 131 bzw. 132 ein Labyrinth 133 zum Zwecke der vollkommenen Abdichtung gegen den Durchfluss unbearbeiteten Gutes durch die Vorrichtung bilden. Das Labyrinth 133 kann auch eine andere als die in Fig. 7 gezeigte Form aufweisen.
Die in solche Rillen 130, 131, 132 eingreifenden Organe von Rotor und Stator ergeben beispielsweise bei der Bearbeitung von Zellstoff, sowie der eventuellen Fibrillierung bisher unbekannte Gütewerte und ermöglichen die restlose und homogene Aufschliessung von Fasern.
Bei der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Vorrichtung, wie sie oben beispielsweise an Hand der Fig. 1-7 erläutert wurde, kann die Feinheit des Endproduktes bestimmt werden durch entsprechende Form und
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Grösse der Durchbrechungen 128 des Sortierringes 127 sowie deren Lage zur Drehachse bzw. zum Radius, durch die Breite des Ringspaltes 119 und die Form und Grösse der Organe 120, 121 und deren Zahl pro Kranz, durch die Zahl der Organkränze, durch die Teilung zwischen den Organen, die bis zur höchsten Feinheit, nötigenfalls bis zur Nadelfeinheit der Organe gehen kann, sowie durch die Weite des Ringspaltes 119 beim Austritt des Gutes aus demselben in den Sammelkanal. Die Regulierung der Effektfrequenz während des Betriebes kann durch Änderung der Drehzahl erfolgen.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 8 hat ein konisches, zweiteiliges, den Stator bildendes Gehäuse 1 mit einem Einlassstutzen 2 und einem Auslassstutzen 3. Die beiden Gehäusehälften sind mittels Flanschen 4 miteinander verschraubt. An der Eintrittsseite hat das Gehäuse 1 an seiner Innenwandung zuerst längs Mantellinien verlaufende Statorrippen 5 von rechteckigem, trapezförmigem oder anderem Querschnitt und dazwischenliegende Statorrillen oder -kanäle 6. Auf die Statorrippen 5 folgen am Gehäuse 1 drei Reihen von Organen in Form von Schwingerzahnkränzen 7. Jeder auf einen vorangehenden Zahnkranz 7 folgende Zahnkranz hat zur Steigerung der Frequenz der auf das Gut einwirkenden Effekte eine grössere Anzahl Schwingerzähne und kleinere Zahnquerschnitte als der vorangehende.
Auf die Zahnkränze 7 folgen am Gehäuse 1 wiederum längs Mantellinien der konischen Gehäuseinnenwandung verlaufende Statorrippen 8 mit dazwischenliegenden Rillen oder Kanälen 9. An diese Rippen 8 schliessen sich am Gehäuse 1 als Teil einer letzten Bearbeitungsstufe Organe in Form von vier Stator-Schwingerzahnkränzen 10 an. Jeder auf den vorangehenden Zahnkranz 10 folgende Zahnkranz hat zwecks Steigerung der Frequenz der auf das Gut wirkenden Effekte eine grössere Anzahl von Zähnen mit kleinerem Querschnitt als der vorangehende Zahnkranz 10. Die in den Lagern 11 des zweiteiligen Gehäuses 1 drehbar abgestützte Welle 12
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oder andern Querschnitts als die Statorrippen 5 und zwischen den Rippen 15 in gleicher Richtung verlaufende Rillen oder Kanäle 16.
Im Bereiche der Statorzahnkränze 7 trägt der Rotor 14 als Organe drei zwischen die Statorzahnkränze 7 greifende, mit den Zahnkränzen 7 scherend zusammenarbeitende Schwingerzahnkränze 17. Zahl und Querschnitt dzr Schwingerzähne aufeinanderfolgender Rotorkränze 17 ändern sich entsprechend der Zahl und dem Querschnitt der Statorkränze 7. Auf die Zahnkränze 17 folgen auf dem Rotor 14 im Bereiche der Rippen 8 des Stators mit diesen zusammenarbeitende Rotorrippen 18 mit dazwischenliegenden Rillen oder Kanälen 19 und im Bereiche der Statorzahnkränze 10 hat der Rotor 14 als Organe zwischen die Zahnkränze 10 greifende, scherendmit diesen zusammenarbeitende Rotorzahnkränze 20. Zahl und Querschnitt der Schwingerzähne aufeinanderfolgender Kränze 20 ändern sich entsprechend der Zahl und dem Querschnitt der Zähne der Statorkränze 10.
Im Bereiche des Auslassstutzens 3 sind am Rotor 14 Pumpenflügel23 zur Begünstigung des Abtransportes des behandelten Gutes angebracht.
Die miteinander zusammenarbeitenden Statorrippen 5 und Rotorrippen 15 bzw. Statorrippen 8 und Rotorrippen 18 lassen zwischen sich einen konischen Ringspalt 21 bzw. 22 frei, dessen gegebenenfalls einstellbare radiale Breite (z. B. durch geringe Axialverschiebung des Rotors 14) sich nach der Art des Gutes und der gewünschten Bearbeitung richtet. Bei der Einstellung der radialen Breite des Ringspaltes werden auch die Flanken und scherenden Kanten der ineinandergreifenden Organe 7 und 17 bzw. 10 und 20 axial gegeneinander verschoben, wodurch die Scherung in ihrer Intensität verändert oder ganz aufgehoben werden kann. Alle oder ein Teil der Rippen 5, 15 und 8, 18 und/oder der Zähne der Zahnkränze 7, 17 und 10, 20 können schraubenlinienförmig oder sonstwie gebogen oder gegenüber den Mantellinien des Gehäuses 1 bzw. des Konus 14 geneigt sein.
Den Statorrippen und/oder-zahnen kann man eine gegenüber den Rotorrippen und/oder Rotorzähnen entgegengesetzte schraubenlinienförmige Verdrehung oder Neigung geben, was eine stärkere Wirbelung und Prallung des Gutes zwischen den Rippen bzw. Zähnen zur Folge hat. Die Rippen und/oder Zähne können mit Bohrungen oder Schlitzen oder andern Durchbrechungen versehen werden, was sich gleichfalls in einer Verstärkung der Wirbelung des Gutes auswirkt.
Die Rippen 5 und 15 und/oder 8 und 18 können, je nach der Art des zu behandelnden Gutes und dem Ziel der Bearbeitung, weggelassen und durch Zahnkränze ersetzt werden. Es können auch mehr als zwei Rippsngruppsn vorgesehen werden.
Man kann z. B. im Bereiche der Zahnkränze 7, 17 und/oder 10, 20, von denen auch nur eine oder mehr als zwei Gruppen mit weniger als drei odermehr als vier Kränzen vorgesehen sein können, einen odermehrere Statorkränze weglassen und die benachbarten Rotorzähne sich auch über den Bereich der weggelassenen Statorzähne erstrecken lassen. Dadurch entstehen aus längeren Rotorzähnen zusammengesetzte, die Förderwirkung erhöhende Pumpringe, die, wenn gewünscht, auch schraubenlinienförmig gekrümmt oder gegenüber Mantellinien geneigt sein können. In diesem Falle und/oder im Falle der geneigten oder gekrümmten Rippen und/oder Zähne kann der Ringspalt auch zylindrisch sein.
Das durch den Eintrittsstutzen 2 z. B. mittels einer Pumpe in die Vorrichtung geförderte Gut gelangt zuerst in die Kanäle oder Rillen 6 und 16 und in den Ringspalt 21. Das Gut in den Rillen 16 wird infolge der Drehung des Rotors 14 in die Rillen 6 zwischen den Statorrippen 5 geschleudert, die Rillen 16 entleeren sich also am vorderen Ende kontinuierlich. Dadurch entsteht am Eintritt in den Rotor 14 eine Saugwirkung, die unter Umständen ein Hineinpumpen des Gutes durch den Stutzen 2 entbehrlich machen kann. Die Rillen oder Kanäle 6 werden infolge der Schleuderwirkung des Rotors 14 bis über ihren Kopf hinaus mit
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des Gutes und ausserdem infolge der Konizität des Gehäuseinnenmantels eine Weiterbeförderung des Gutes längs Mantellinien des Innenmantels gegen die Zahnkränze 7, 17 hin bewirkt.
Der kontinuierliche Materialstrang in den Rillen 6, 16 und im Ringspalt 21 wird am Ende der Rippen durch den ersten vorbeifliegenden Zahnkranz 17 plötzlich gehemmt und abgeschert. Nun erfährt das Gut in und zwischen den Zahnkränzen 7 und 17 eine intensive Bearbeitung durch frequente und hochfrequente Effekte (Scherung, Mahlung, Quetschung, innere Reibung, Wandreibung, Druckgefälle, kinematisch erzeugte Impulse), wobei infolge des vom ersten zum letzten Zahnkranz anwachsenden Durchmessers die Intensität und zusätzlich infolge der sich erhöhenden Zähnezahl von Kranz zu Kranz die Frequenz steigt, u. zw. je nach Wahl der verschiedenen Daten bis in den Ultraschallbereich, sofern die Art des Gutes und das Ziel der Bearbeitung dies erfordern, so dass gegebenenfalls schon in der Zahnkranzgruppe 7, 17 Kavitation auftritt.
Nach dem Austritt aus der Zahnkranzgruppe 7, 17 gelangt das Gut in die zweite Rippengruppe 8, 18, wo die gleichen, infolge des grösseren Durchmessers allerdings verstärkten, Effekte auftreten, wie in der ersten Rippsngruppe 5, 15; das Gut erfährt hier eine Beruhigung und teilweise Scherung, unterliegt aber hauptsächlich einer Druckwirkung, die es, ohne Hemmung durch Zähne, der zweiten Zahnkranzgruppe 10, 20 zuführt, wo die im Zusammenhang mit der ersten Zahnkranzgruppe beschriebenen Effekte infolge des grösseren Durchmessers und der grösseren Zähnezahlen noch intensiver und mit noch höheren Frequenzen auftreten.
Nach dem Austritt aus der Zahnkranzgruppe 10, 20 tritt das Gut in den die Pumpenflügel 23 aufnehmenden Raum, wo es entspannt wird, und strömt von hier, begünstigt durch die Wirkung der Pumpennügel , durch den Auslassstutzen 3 j hierauf kann es, wenn erwünscht, zu erneuter Behandlung in den Einlassstutzen 2 oder einen Zwischenstutzen, z. B. im Bereiche der Rillen 8, 18, in den Ringspalt zurückgeführt werden.
Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform eignet sich besonders gut zur Bearbeitung sehr empfindlicher Stoffe, z. B. zur Aufschliessung und Verfeinerung von Zellulose (z. B. aus Altpapier) oder ähnlicher Rohstoffe mit zusammenhängenden Fasern in einem Arbeitsgang in wirtschaftlicher Weise und unter Schonung der Fasern. In der ersten der vier kontinuierlich ineinander übergehenden Bearbeitungsstufen 5, 15; 7,17; 8,18 und 10, 20 wird das Gut zuerst in der Stufe 5, 15 einer niedrigen Frequenz kinematischer Effekte, z. B. zur Zerlegung in kleinere Faserbündel, dann in der zweiten Stufe 7, 17 einer höheren Frequenz, hierauf in der dritten Stufe 8, 18 zur schonenden Zwischenbehandlung (z.
B. zwecks stetiger Weiterauflockerung des Faserverbandes) und zur Beschleunigung der in der Stufe 7, 17 gehemmten Strömung einer wiederum niedrigeren Frequenz und in der vierten Stufe zur Fertigbehandlung einer höchsten Frequenz ausgesetzt. Die Zahl, die Art und die Reihenfolge der aufeinanderfolgenden Stufen verschiedener Frequenzen richten sich nach den Eigenschaften des Gutes, z. B. nach dessen Härte, Zähigkeit, Reife, nach der Empfindlichkeit der Fasern oder der Verleimung derselben usw.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 9 und 10 unterscheidet sich vom Beispiel der Fig. 8 dadurch, dass auf dem konischen Gehäuse 1 und dem Rotor 14 Rippengruppen fehlen und nur Schwingerzahnkranz-
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messers des konischen Gehäuses 1 und des konischen Teils 24 des Rotors 14 und der Zunahme der Zähnezahl von Kranz zu Kranz die Frequenz vom Eintritt zum Austritt dauernd wächst. Die Ausführungsform gemäss Fig. 9 und 10 unterscheidet sich aber von Fig. 8 weiter noch dadurch, dass sich an den konischen Teil 24 des Rotors 14 ein weiterer konischer Teil 25 mit grösserem Öffnungswinkel anschliesst. Dieser Teil 25 ist gleichfalls mit Schwingerzahnkränzen 26 besetzt, die mit Schwingerzahnkränzen 27 des dem Teil 25 entsprechenden konischen Teils 28 des Gehäuses 1 scherend zusammenarbeiten.
An den Teil 25 des Rotors 24 schliesst sich ein konischer Teil 29 an, dessen Öffnungswinkel kleiner als derjenige des Teils 25 und etwa gleich dem Öffnungswinkel des Teils 24 ist. Auch der Teil 29 ist mit Schwingerzahnkränzen 30 besetzt, die zwischen Schwingerzahnkränze 31 eines dem Teil 29 entsprechenden Teils 32 des zweiteiligen Gehäuses 1 greifen und mit diesen scherend zusammenarbeiten.
Das durch den Einlassstutzen 2 z. B. unter der Wirkung einer Pumpe eintretende Gut gelangt zuerst in und zwischen die Zahnkränze 7 und 17 und unterliegt mit wachsender Frequenz den gleichen Effekten, wie in Fig. 8 im Zusammenhang mit der Zahnkranzgruppe 7, 17 beschrieben. Zur Verbesserung der Vorwärtsbewegung des Gutes in der Meridianrichtung können, wie im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben, einzelne Statorzahnkränze 7 durch Pumpringe ersetzt werden. Gelangt das Gut in und zwischen die Zahnkränze 26 und 27, so unterliegt es infolge des grösseren Öffnungswinkels der Teile 25 und 28 plötzlich einer stärkeren Beschleunigung. An der Übergangsstelle vom Teil 24 zum Teil 25 und im ganzen Bereich der Zahnkranzgruppe. 26, 27 tritt z.
B. stärkere Kavitation auf als in der Zahnkranzgruppe 7, 17, weil das Gut aus der Zahnkranzgruppe 7, 17 dem in der Gruppe 26, 27 sehr stark beschleunigten Gut nicht rasch genug nachkommt. In der Zahnkranzgruppe 26, 27 bildet sich daher ein starker Unterdruck aus. Beim Übergang von der Zahnkranzgruppe 26, 27 zur Zahnkranzgruppe 30, 31 nimmt infolge des kleineren Öffnungwinkels der Teile 29, 32 der Unterdruck wieder ab. Zur Begünstigung des Abtransportes des behandelten Gutes aus dem Auslassstutzen 3 sind am Rotor 14 Pumpflügel 23 vorgesehen. Je nach der Art des Gutes und dem Ziel der Bearbeitung können an die Stufe 29 weitere Stufen angesetzt werden.
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Die Vorrichtung gemäss Fig. 11-15 hat ein mit Füssen 31 versehenes hohles, einen Stator bildendes, aus zwei mittels Flanschen 42 verbundenen Teilen bestehendes Gehäuse 32. Der Eintrittsstutzen 33 mündet in einen zylindrischen Gehäuseteil 34, der mit axial verlaufenden Rippen 35 versehen ist. Auf den zylindrischen Gehäuseteil 34 folgt ein sich konisch erweiternder Gehäuseteil 36, in dessen Innenwandung mit Kränzen von Schwingerzähnen 37 oder andern Schwingervorsprüngen versehene Ringe 38 eingesetzt sind. Die Ringe 38 oder einzelne Schwinger 37 können auswechselbar am Gehäuseteil 36 angeordnet sein. Am Austrittsende des Gehäuseteils 36, der auch zylindrisch sein könnte, schliesst sich der einen Auslassstutzen 59 aufweisende Gehäuseteil 39 für eine Vorrichtung, z. B. einen Ultraschallgenerator, an, deren Wirkungsweise z.
B. in den Schweizer Patentschriften Nr. 288154,304025 und 311794 beschrieben ist. Die Statorzähne 40 oder andersgeartete Schwingerorgane dieser Vorrichtung sind an einem am Gehäuseteil 39 montierten Ring 41 befestigt. Eine in Lagern 43 des Gehäuses 32 drehbar abgestützte Welle 44 trägt für ihren Antrieb eine Keilriemenscheibe 4J und im zylindrischen Gehäuseteil 34 eine mit den Rippen 35 zusammenarbeitende Fórderschnecke 46, die zwecks Anpassung an das zu bearbeitende Gut, die Fördermenge und die Geschwindigkeit auswechselbar oder in ihrer Steigung in bekannter Weise ver- änderbar sein kann.
An Stegen 50 (Fig. 13) eines mittels der Naben 47 auf der Welle 44 befestigten konischen Hohlkörpers 48 sind Schaufeln 49 befestigt, die an ihren Aussenkanten Zähne 51 oder andere Schwinger aufweisen, von denen jeder zwischen zwei benachbarte Kränze von Statorzähnen 37 greift und mit diesen scherend zusammenarbeitet. Wie Fig. 13 zeigt, sind die Schaufeln 49 eben und liegen in Axialebenen.
Gemäss Fig. 17 können die Schaufeln 49 aber auch gewunden sein. Nach dem letzten, auf dem grössten Durchmesser sitzenden Zahn 51 der Schaufeln 49 begrenzen der Mantel des konischen Hohlkörpers 48 und die im Bereiche dieses Mantels liegenden Statorringe 38 einen engen konischen Ringspalt 52, in welchen die Zahnkränze 37 der Statorringe 38 und die Schwingerzahnkränze 53 des Hohlkörpers 48 hineinragen und welcher gegebenenfalls auch zylindrisch sein könnte. Dr Hohlkörper 48 und der Gehäuseteil 36 können, wie im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben, teilweise auch mit längs Mantellinien verlaufenden Rippen besetzt sein, und/oder der Hohlkörper 48 könnte auch weiter oben erläuterte Pumpringe tragen.
Die Zahnkränze 53 greifen zwischen die Zahnkränze 37 und arbeiten mit diesen scherend zusammen.
Ausserhalb des Statorzahnkranzes 37 mit dem grössten Durchmesser sitzen auf dem drehbaren Hohlkörper 48 Verteilerorgane 54, die gemäss Fig. 15 eben ausgebildet und radial verstärkt sind, gemäss einer andern Ausführungsform aber auch gekrümmt ausgebildet bzw. tangential verstärkt sein können. Sie dienen zur Aufnahme und Verteilung faserigen, thixotropen, grobstückigen und/oder sich klumpenden bzw. ilockulierenden Gutes. Die Eintrittskanten 55 der Verteilerorgane 54 arbeiten mit dem benachbarten Statorzahnkranz 37 und die Austrittskanten 56 mit den Statorzähnen 40 der nachfolgenden Vorrichtung scherend zusammen. Die Stirnscheibe 57 des Hohlkörpers 48 trägt Kränze von Rotorzähnen 58 dieser letzten Vorrichtung, die zwischen die Statorzähne 40 greifen und mit diesen scherend zusammenarbeiten.
Ausserhalb des äussersten Statorkranzes 40 sind ebeneRotorschaufeln60 vorgesehen, die an der Stirnscheibe57 befestigt sind. Diese Schaufeln könnten auch gekrümmt sein. Wie Fig. 15 zeigt, nimmt zwecks Steigerung der Frequenz die Zähnezahl von innen nach aussen zu.
Wie aus Fig. 11 ersichtlich, kann an der Peripherie der Vorrichtung axial neben dem Austritt des Stoffes aus den Organen 40 in den ringförmigen Sammelkanal auf einer oder auf beiden Seiten des Stoffaustrittes eine Ringscheibe 41 angebracht sein (wie dies vom Zentrifugalpumpenbau her bekannt ist), so dass der in den plötzlich erweiterten Querschnitt des Sammelkanals austretende Stoff hinter den besagten Ringscheiben explosionsartig diffundiert.
An den Austritt des Gutes aus der letzten Stufe kann eine gegebenenfalls mit automatischer Entleerung versehene Sieb-, Sichter- oder Filtervorrichtung angebaut werden, welche z. B. von der Welle 44 angetrieben wird.
Die Variante gemäss Fig. 16 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 11-15 im wesentlichen nur dadurch, dass die an Ringen 38 sitzenden Statorzähne 37, die Schaufelzähne 51 und die Rotorzähne 53 treppenförmig angeordnet sind, so dass die Welle 44 mit Schnecke 46 und dem Hohlkörper 48 mit der Stirnscheibe 57 nach Wegnahme des Gehäusedeckels 61 axial nach rechts herausgezogen und von dieser Seite auch wieder in axialer Richtung in das Gehäuse eingeführt werden kann. Ein weiterer Unterschied besteht noch darin, dass der äusserste Statorkranz 62 der auf die auch etwas anders geformten Organe 54 folgenden Vorrichtung als Ring mit radialen Bohrungen 63 ausgebildet ist. An Stelle der Bohrungen 63 könnten auch Schlitze oder anders geformte Durchbrechungen vorgesehen sein.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 18 unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäss Fig. 11-15 insbesondere dadurch, dass die gekrümmten, mit Vorsprüngen 51 versehenen Schaufeln 49 in einem zylindrischen Gehäuseteil 64 untergebracht sind. Im Gehäuseteil 64 nehmen zwecks Steigerung der Frequenz die Zähnezahlen der Kränze vom Eintritt gegen den Austritt hin zu. Bei geeigneter Länge des Teils 64
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auch zylindrisch sein.
Die Arbeitsweise der Varianten gemäss Fig. 16 und 18 ist sonst im wesentlichen die gleiche wie diejenige der Ausführungsform gemäss Fig. 11-15. Diese Arbeitsweise wird nachstehend an Hand der Fig. 11 erläutert :
Das durch den Einlassstutzen 33 eintretende Gut wird durch die Schnecke 46 unter Überdruck in den Bereich der Schaufeln 49 gefördert. Diese Schaufeln schleudern das Gut gegen die Kanten und Flanken
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der Statorzähne 37. Weiter pressen sie das Gut radial in die Zahnlücken der einzelnen Kränze 37 und-bei der Ausführungsform nach Fig. 18-in die ringförmigen Lücken zwischen benachbarten Kränzen 65.
Ausserdem fördern sie das unter wachsendem Druck gegen die mit den Zähnen 37 versehene Gehäusewandung gepresste Gut axial in Richtung des wachsenden Durchmessers. Das Gut wird zwischen den gezahnten Schaufeln 49 und der gezahnten Gehäusewandung in schnellem Wechsel Überdruck, Unterdruck, Quetschung, Scherung, Prallung, Reflexion, Wandreibung, innerer Reibung und den entsprechenden Begleitwirkungen unterworfen. Die Kanten der ineinandergreifenden Zähne können je nach Zweck scharf bis stumpf sein, so dass man die Intensität der Scherung, Quetschung oder Prallung nach Wunsch wählen kann. Die axiale Breite der Lücken zwischen zusammenarbeitenden Zähnen 37, 51 kann gleichfalls nach Wunsch gewählt oder durch axiale Verschiebung des Rotors gegenüber dem Stator während des Betriebes mit bekannten Mitteln geändert werden.
Die Rippen und/oder Schaufelzähne können teilweise oder alle aus nachgiebigem, elastischem Material, z. B. natürlichen oder künstlichen Elastomeren, hergestellt sein, so dass eine elastische, peitschende und gegebenenfalls reibende Bearbeitung des Gutes möglich ist.
Die Frequenz der oben erwähnten, auf das Gut ausgeübten Wirkungen hängt von der Umfangsgeschwindigkeit der Schaufelzähne 51 und der Zahl der Zähne 37 und 51 ab, denn diese Wirkungen treten bei jeder Begegnung eines Schaufelzahnes 51 mit einem Statorzahn 37 auf und sind von Impulsen begleitet, die dem Gut mitgeteilt werden. Die Frequenz wächst mit steigendem Durchmesser der gezahnten Schaufelkanten und der Statorzahnkränze 37. Ist beispielsweise bei der Ausführungsform nach Fig. 16 die Umfangsgeschwindigkeit im kleinsten Durchmesser 10 m/s und kommen bei diesem Durchmesser auf einen Meter Umfang z. B. dreissig Statorzähne 37 und acht Schaufelzähne 51, so ergibt sich eine Frequenz von 8 X 30 X X 10 = 2400 Hz.
Bei dieser Frequenz unterliegt das Gut der bekannten Wirkung einer niederfrequenten Beschallung, bei welcher die mechanischen Effekte noch überwiegen. Bei der axialen Weiterbewegung des Gutes im Bereiche der Schaufeln 49 wird infolge Zunahme des Durchmessers und der Zahl der Zähne 37 und 51 pro Meter Umfang die Frequenz der physikalischen Effekte immer höher. Sind z. B. im Bereiche der letzten Zähne 37, 51 der Durchmesser und die Zähnezahl pro Meter Umfang 1, 5 mal so gross wie am Eintritt nach der Schnecke 46, so ist die Frequenz am Austritt = 2400 X 1, 5 x 1, 5 = 5400 Hz.
Diese Frequenz kann durch feiner werdende Unterteilung der Organe der aufeinanderfolgenden Kränze noch zusätzlich gesteigert werden. So kann man z. B. am Austritt bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 20 m/s und bei vierzig Rotororganen 53 und fünzig Statororganen 37 eine Frequenz von 40. 000 Hz erreichen, bei der das Gut schon einer Ultraschallbearbeitung mit den bekannten Auswirkungen unterliegt.
Bei der Weiterbewegung des Gutes im Ringspalt 52 gelangt dieses plötzlich in den die Verteilerorgane 54 enthaltenden Hohlraum 102 (Fig. 15), wo starker Unterdruck herrscht, u. z. wegen der plötzlichen Volumenvergrösserung infolge der starken Saugwirkung der Verteilerorgane 54. Infolge der plötzlichen Entspannung des Gutes im Hohlraum 102 tritt eine explosionsartige, tiefgreifende und trotzdem schonende Aufschliessung auch des widerstandsfähigsten Gutes, z. B. Fasermaterials, ein.
Das bereits weitgehend aufgeschlossene Gut tritt nun in die letzte Vorrichtung mit den Zahnkränzen 40, 58 ein, welche mit hoher Frequenz Druckg : fälle und Impulse erzeugt, zu deren physikalischen Folgen unter anderem auch die Kavitation gehört. Die physikalische Wirkung jedes zusammenarbeitenden Organpaares der letzten Stufe ist, wie Versuche ergeben haben, mit derjenigen einer Galtonpfeife zu vergleichen. Die Ultraschallwirkung der letzten Stufe kann bei entsprechender Wahl der Umfangsgeschwindigkeit und Zahl der Organe 40 und 58 pro Meter Umfang so weit getrieben werden, wie sie mit piezoelektrischen oder ähnlich intensiven Schwingern und auch mit der Galtonpfeife nicht erreicht werden kann.
Die letzte Stufe könnte auch nur einen Organkranz 40 und nur einen am Kranz scherend 40 vorbeifliegenden Organkranz 58 haben.
Die Schaufeln 60fördern das Gut aus dem Ultraschallgenerator 40, 58 heraus in Behälter oder Leitungen, z. B. in ein in Fig. 19 dargestelltes Umlaufsystem.
Dieses System ist einerseits mittels des Rohrstückes 66 an den Einlassstutzen 33 und mittels des TStückes 67 an den Auslassstutzen 59 der Vorrichtung gemäss der Erfindung angeschlossen. Der Einlass 68 des Umleitungssystems ist mit dem T-Stück 67 und damit mit dem Austritt 69 des Systems durch ein T-Stück 70 verbunden. Der Stutzen 71 dieses T-Stückes 70 steht über ein Mittelventil 72 mit einem AnzapfRohrstutzen 73 der Vorrichtung gemäss der Erfindung in Verbindung. Zwischen dem Einlass 68 und dem T-Stück 70 befindet sich eine durch einen Hebel 74 betätigbare Ventilklappe 75, die um die Achse 76 drehbar ist.
Verschliesst die Ventilklappe das T-Stück 70 und ist auch das Mittelventil 72 geschlossen, so strömt das Gut durch den Einlass 68 und den Eintrittsstutzen 33 in die Vorrichtung gemäss der Erfindung ein und verlässt sie durch den Auslassstutzen 59, das T-Stück 67 und den Auslass 69. Zwecks längerer Bearbeitung des Gutes in der Vorrichtung öffnet man das Mittelventil 72 ganz oder teilweise. Dann strömt
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Diesen Kreislauf kann man bei schwer zu verarbeitendem Material beliebig lange fortsetzen. Schliesst man das Mittelventil 72 ganz und öffnet man die Ventilklappe 75 ganz, so zirkuliert das Gut durch die ganze Vorrichtung und durch die Teile 59, 67, 70, 66 wiederum zurück in die Vorrichtung.
Wenn jedoch die Ventilklappe 75 nur teilweise geöffnet ist, gelangt gleichzeitig etwas frisches Gut durch den Einlass 68 in den Kreislauf und wird zusammen mit dem bereits zirkulierenden Gut der Bearbeitung in der Vor-
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Die Vorrichtung kann auch mit Kühl- und/oder Heizvorrichtungen an sich bekannter Art z. B. im oder am Behälter 113 und/oder am Rotor und/oder Stator und/oder in der Siebvorrichtung 142 der Fig. 5 versehen sein.
Schliesslich kann sie innerhalb des Behälters 113 der Fig. l-7 erhöht angeordnet sein, z. B. auf einer kegelförmigen Erhöhung des Behälterbodens sitzen.
Die Rotor- und Statororgane, welche unter anderem scherende, quetschende und aufschliessende bzw. pulsierende Arbeit verrichten, können so angeordnet werden, dass die Zwischenräume zwischen benachbarten Organen ein und desselben Kranzes oder Ringes, welche im Sinne der Galtonpfeifeden Schwingungsraum darstellen, sehr eng sind und/oder längliche, ovale oder auch runde Umrissform aufweisen.
Die Rotor-und/oder Statororgane können auch als Sägezähne ausgebildet sein. Solche Sägezähne erleichtern eine Zerschneidung auch sehr zähen und harten Gutes (z. B. Fleischsehnen).
Die z. B. im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebene axiale Verstellung von Rotor und/oder Stator kann auch bei beliebigen andern Ausführungsformen dazu benützt werden, die Organe zusammenarbeitender Kränze oder Ringe je nach der Art des Gutes und der gewünschten Bearbeitung, z. B. bei der Zellstoffgewinnung, kollernder Behandlung oder zwecks Fibrillierung und besserer Vernetzung einander gegebenenfalls bis zur reibenden, quetschenden und/oder scherenden Berührung zu nähern. Bei dieser axialen Regulierbarkeit der Lage zwischen zusammenarbeitenden Organen kann vorzugsweise eine von der zur Drehachse der Vorrichtung parallelen Lage der Flanken der Organe abweichende Lage oder Form (z. B. konische oder gebogene Flanken) gewählt werden.
Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen zwischen ein und demselben Paar zusammenarbeitender Organkränze oder Ringe verschieden intensive scherende und quetschende Wirkung durch regelmässige oder unregelmässige (stossweise) Exzentrizität der betreffenden Organkränze oder Ringe erreicht werden kann, z. B. durch exzentrische Ringform oder Lagerung einer oder beider Achsen mittels drehbaren Exzenters.
Die zusammenarbeitenden Organe nähern sich dann an einer Stelle ihrer Umlaufbahn eventuell bis zur reibenden Berührung, während sie sich an der diametral entgegengesetzten Stelle voneinander entfernen, so dass sich in dem sich von der grössten bis zur kleinsten radialen Breite verengenden und anschliessend von der kleinsten bis zur grössten radialen Breite sich wieder erweiternden Spalt Turbulenz, zu- und abnehmende Quetschung, Schall- und gegebenenfalls Ultraschallimpulse sowie Scherung ergeben.
Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Vorrichtung, bei welcher je nach Wunsch die Welle von der einen oder andern Seite angetrieben wird, kann auch in Rohrleitungen, Gehäuse oder in Maschinenaggregate, z. B. Zerstäubungsanlagen, in eine Trichtermühle, in eine kontinuierlich arbeitende Extraktionsanlage, in eine Zentrifuge, in einen Silo, in einen Druck- oder Vakuumkocher, in Raffinationoder Reaktionsanlagen, Feuerungen usw., eingebaut werden.
Anstatt eines Stators kann auch ein gleich- oder gegenläufiger Rotor verwendet werden. Das Wort "Stator" ist also in der Beschreibung und in den Ansprüchen in diesem erweiterten Sinne zu verstehen.
Es können auch mehrere Rotor-Stator-Systeme auf der gleichen Welle angeordnet sein.
Zur Beeinflussung oder Veränderung der physikalischen und/oder chemischen Vorgänge in der Vorrichtung gemäss der Erfindung können an jeder geeigneten Stelle Mittel (z. B. Rohranschlüsse, Regel-, Messoder Verschlussvorrichtung) zur Einführung von Dampf, Wasser oder Zusätzen, z. B. Lösungsmitteln, Reagenzien, Katalysatoren, Füllstoffen, Farbstoffen und weiteren Komponenten oder Stoffen, vorgesehen werden. Ebenso können Zusatzstoffe aller Aggregatzustände während des Betriebes der Vorrichtung, z. B. in der Nähe des Ringspaltes, zugeführt werden, so dass beispielsweise Begasung, Schaumbildung, Entschäumung, saure oder alkalische Stoffbehandlung usw. eintreten können.
Das Gut kann auch in einzelnen Komponenten beim Eintritt oder an andern Stellen zugeführt werden.
Durch Veränderung der Geschwindigkeit und/oder der Antriebsleistung und/oder der Konizität des Ringspaltes und/oder der Zahl der Organe und der Lücken oder andersförmigen Durchbrechungen in den einzelnen Ringen lassen sich in der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Vorrichtung alle technisch interessanten Frequenzen und Intensitäten erreichen. So kann z. B. durch solche Änderungen das Gut beim Eintritt sehr schonend und dann allmählich stärker aufgeschlossen werden. Anderseits kann z. B. die Raffinierung eines Faserstoffes sofort mit hoher Intensität begonnen werden. Bei niedriger Drehzahl erfüllen die gesamte Vorrichtung sowie eventuell die einzelnen Stufen eine knetende und plastizierende Arbeit. Bei maximaler Drehzahl werden sehr hohe Ultraschallfrequenzen erzielt.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung kann mit an sich bekannten weiteren Teilaggregaten, z. B. zur Kühlung, zur Erhitzung unter Druck oder Vakuum, zur Extraktion usw., versehen werden.
Bekannte Verfahren, z. B. zur Verseifung von Ölen und Fetten mit wässerigen Lösungen von Alkalien, können in der Vorrichtung durch mengenmässige Kontrolle des Zuflusses von zu verseifendem Material und Alkalien mit grosser Geschwindigkeit, hohem Wirkungsgrad und hervorragender Homogenität in einem geringen Bruchteil (z. B. in Sekunden oder wenigen Minuten) der für bekannte Verfahren erforderlichen Zeit durchgeführt werden. Auch in klassischen Verfahren mit Druck und Wärme durchführbare Prozesse können erfindungsgemäss viel schneller und wirtschaftlicher, auch ohne Druck und Wärme, durchgeführt werden.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung kann der Durchführung ausserordentlich vieler physikalischer und/oder chemischer Stoffänderungen unter Anwendung der allgemein üblichen Zusammensetzung von Stoffkomponenten und/oder Reagenzien für die verschiedenartigsten Stoffe und Gemische dienen. Als Beispiele seien lediglich angeführt : Mischungen verschiedener Art, die Herstellung
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mikroner, homogener Suspensionen, Füllstoffe, keramische Massen, die Defibrierung und Raffinierung von Zellstoff, Halbzellstoff, Holzschlin'oder Altpapier, die Veresterung von Harzen oder die Gewinnung eines Phenol-Formaldehyd-Harzes, die Xanthogenierung und Homogenisierung von Zellulose und Viscose, Koagulationsvorgänge zur Gewinnung feinstverteilter Kieselsäure (z.
B. als Füllstoff oder als Stabilisator), die Gewinnung kolloider Systeme aus Talk, Vaseline und/oder Lanolin, die Herstellung einer stabilen Suspension aus Mineralöldestillat, Methylalkohol, Tannin und Flinsgraphit usw.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Schwingungsbehandlung von fliessfähigen Stoffen und Stoffgemischen mit zwei koaxial zueinander angeordneten, relativ gegenläufigen, einen Arbeitsspalt zwischen sich einschliessenden Körpern, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Körper (111, 112) wenigstens einen Kranz von in den Arbeitsspalt (119) hineinragenden Organen (120, 121) aufweist, wobei die benachbarten Organe desselben Kranzes Hohlräume begrenzen und so bemessen sind, dass sie die Fortbewegung des Stoffes durch den Arbeitsspalt (119) periodisch unterbrechen und dass das die beiden Körper (111, 112)
aufnehmende Gehäuse mit einer Einrichtung zum Einstellen des Vorschubes des Stoffes in der Hauptströmungsrichtung und damit der Verweilzeit des Stoffes in den Hohlräumen sowie der Dauer seiner Schwingungsbehandlung versehen ist.
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Device for the vibration treatment of flowable substances and mixtures of substances
The invention relates to a device for the vibration treatment of flowable substances and mixtures of substances, eg. B. for the purpose of dissolving, refining, homogenizing, opening up, defibering, fibrillation, grinding, intimate mixing, enlarging the contact area and periodic, high-frequency pressure surge treatment to carry out or accelerate chemical reactions and the like. like
It has already been proposed to let a cone rotate in a hollow cone and to guide the substance flowing in from a container through the annular space formed between the cone and the hollow cone and to have it processed by longitudinal generators of the cone and the hollow cone protruding into this space . These devices are unsatisfactory because the ribs arranged on the rotating cone fling the material radially out of their interstices into the interstices between the ribs of the hollow cone, which have a larger diameter than these ribs, so that at least a large proportion of the material is untreated between the ribs of the Hollow cone escapes and, as a result, processing of the material is not or only partially possible.
Devices are also known in which, in the annular gap between the cone and the hollow cone, tooth-like projections tear and shear the substance flowing through the annular gap and thus increasingly comminute it. However, these devices allow the substance to flow mechanically through the gap without precise control of the kinetic processes and without control of the individual effects of the kinetic processes.
The device according to the invention overcomes these disadvantages; It consists of two coaxially arranged, relatively opposing bodies, enclosing a working gap between them and is characterized in that each of the two bodies has at least one ring of organs protruding into the working gap, the neighboring organs of the same ring delimiting cavities and being dimensioned in this way that they periodically interrupt the movement of the material through the working gap and that the housing receiving the two bodies is provided with a device for adjusting the advance of the material in the main flow direction and thus the dwell time of the material in the cavities and the duration of its vibration treatment.
According to preferred embodiments of the device according to the invention, the number of organs arranged on a ring of organs and the cavities delimited by them, the cross-section of the working gap, the division and / or thickness of the organs are different, preferably from step to step.
Further, particularly useful features of the device according to the invention emerge from the following description.
The object of the invention serves to provide substances of any physical state and any structure, eg. B. solid, fibrous, thixotropic and viscous, powdery, liquid and gaseous substances, individually or mixed together, to break down, to dissolve, to fiberize, to grind, to refine to the highest degree and / or to homogenize and colloidal and stable suspensions as well Manufacture emulsions of various kinds. In particular, it can also be used for pulp extraction, dissolution, fibrillation, refining, grinding, fiber swelling, etc.
Finally, it can also be used to carry out and / or accelerate chemical conversions, such as reaction (possibly with the inclusion of an evaporation phase), reduction, oxidation, addition, substitution, polymerization (possibly with simultaneous or preceding or subsequent dispersion or atomization), depolymerization, Sulphonation, alkylation, condensation, saponification for the production of detergents and wetting agents, soapstocks, etc.
The drawing shows, for example, some embodiments of the device according to the invention.
Fig. 1 is an axial section through a first embodiment along line II of Fig. 2. Fig. 2 is a plan view of Fig. 1, partially in section along line II-II of Fig. 1. Figs. 3-7 are axial sections through Parts of other embodiments. Figure 8 is an axial section through another example showing the conical rotor halfway in view. Fig. 9 is an axial section through another example and Fig. 10 is a section along line X-X of Fig. 9, with the enlarged part of the cone housing partially removed.
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is broken. 11 is an axial section through a further embodiment and FIGS. 12-15 are sections according to the lines XII-XII, XIII-XIII, XIV-XIV and XV-XV of FIG. 11.
Fig. 16 is an axial section through one half of another embodiment. 17 shows a variant of FIG. 13 on a larger scale and FIG. 18 shows an axial section through part of a further embodiment, the blades and the screw being shown in a view. 19 shows the installation of the device according to FIG. 11 in a diversion system. 20-23 show, in axial section, various application examples of the device according to the invention.
In FIGS. 1 and 2, a rotor disk 111 fastened on a rotating shaft 110 is surrounded by a stator housing 112 which is mounted on a container 113 and partially forms the bottom thereof.
The rotor shaft 110 runs in a stuffing box 114 of the stator housing 112. The rotor disk 111 carries jagged striking and tearing elements 115 projecting into the container 113, which z. B. also tooth-shaped, shovel-shaped, knife-shaped, pin-shaped, as hooks, straight, curved or curved and possibly pierced.
The end face 116 of the rotor disk 111 is concave, but could, for. B. also be flat. The jacket surface 117 of the rotor disk 111 forms a cone that widens away from the container 113. This cone 117 corresponds to a conical inner surface US of the stator housing 112 which, together with the surface 117, forms an annular gap 119, the radial width of which decreases from the inlet to the outlet. The meridian lines of the annular gap 119, the width of which could also remain constant, can also be straight lines that run in any other way, in particular horizontal lines, or curves. The conical surface 117 is occupied by five rings of rotor elements 120. Five rings of identical or similar stator elements 121 arranged on the conical surface 118 work together with these rotor elements 120.
The rotor disk 111 and the stator housing 112 form two coaxially arranged bodies rotating relative to one another, which between them form the annular gap 119 interrupted in the meridional direction by the cooperating organs 120 and 121. Of course, instead of a rotor and a stator, two rotors, for example opposing rotations, which are enclosed by a housing, could be provided; likewise the number of organ wreaths could be greater or less than five. The organs 120 and 121 can be interchangeably attached to the conical surfaces 117 and 118. To assemble the rotor and stator you can z. B. manufacture the stator in several parts. The stator housing 112 has an annular collecting channel 122 in which at least one pump blade 123 mounted on the rotor disk 111 rotates.
At its outlet 124, the collecting channel 122 has a flange 125 to which a valve (not shown) for regulating the outlet and thus regulating the dwell time and the pressure conditions in the device can be connected to divert or return the material to the container 113 . Organs 126 of the stator 112 work together with the rotor ripping organs 115 in an impacting and tearing manner. The organs 126 can be dimensioned in such a way that they also serve as guide plates for guiding the circulation of the goods and / or engage in the zigzag organs 115 (dotted in FIG. 1).
A sorting ring 127 fastened to the rotor 111 covers the entry to the annular gap 119 and has openings 128, the shape and size of which are selected as required. The sorting ring 127 not only holds back the not yet sufficiently fine or opened material from entering the annular gap 119, but also hurls foreign objects, such as pieces of metal, needles or the like, onto the bottom of the container 11 through its webs 129. ? out, where they are held in place by gutters, ring walls, magnets, etc. (not shown) or removed from the container through sluices.
The rotor and stator elements 120 and 121, the effect of which will be explained in more detail in later examples, form pyramid-shaped tools or teeth with trapezoidal flanks in FIGS. 1 and 2. They can partly or entirely also have any other desired outline and / or outline, e.g. B. oval, round, conical, rhomboid or trapezoidal; In addition, they can be provided with toothed edges and / or bores or openings of any shape. The choice of the most favorable form of the organs 120 and 121 depends on whether preferably shearing, crushing, friction, impact or pulsating work or a group of the mentioned effects or other effects that can be achieved through the cooperation of the organs, including heating of the goods through friction, are desired.
If all or a part of the organs 120 and / or 121 are helically wound around the axis of the rotor 111 or if they form an angle with the plane of rotation, then they increase the conveyance of the material, whereby e.g. B. the rapid passage of viscous or thixotropic material is ensured.
In the embodiment according to FIG. 3, which is only described to the extent that it differs from the preceding example, the meridian lines of the annular gap 119 lie in a horizontal plane. In the embodiment shown, the gap 119 narrows somewhat outwards, but it could just as well have a constant axial width over its entire radial extent. The rotor disk 111 carries five rings of tooth-shaped members 120 and the stator 112 has four rings that engage between the same.
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Instead of the slots, the ring 135 could also have bores or openings of any shape. The rotor 111 could also be equipped with such a ring 135. Instead of just one, the rotor and / or stator could have several such rings 135, which would then take the place of rings with the organs 120 and / or 121.
Such rings have a particularly strong shattering and
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have a different position. With regard to the choice of the most favorable cross section of the ring or rings 135, the same applies in principle as was explained in the description of FIG. 1 with regard to the cross section of the organs 120 and 121. The number and the fineness of the perforations 136 per ring 135 can go up to the limit of the manufacturing possibility, for example up to the mesh fineness. This enables extremely high frequencies to be achieved for the physical effects occurring at the edges and flanks of the perforations, such as shear, crushing, impact, pulsation, pressure difference, cavitation, etc., and, if desired, a limitation of the particle size.
In this example, the sorting ring 127, as in the embodiment shown in FIG. 1, is funnel-shaped.
A lock 137 of the container 113, from which the foreign bodies can be drained by means of a bottom flap 138, is used to collect the foreign bodies thrown outward by the sorting ring 127.
If an additional rubbing effect is required on the material to be refined, the annular gap 119 at the outlet can be selected so narrow that there is friction between rotor 111 and stator 112 on an annular surface that is more or less wide as desired. As a result, the material is exposed to high pressure friction at high speed in the last phase of its processing. Such an example is shown in FIG. 4, where the position of the annular gap 119 corresponds to that in FIG. 3 and at the
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direction or deviating therefrom, grooved and possibly sharpened friction bodies 139 or 140 are provided. These friction bodies can be coated with a special, fine friction layer, e.g.
B. with plates made of steel, earthenware or plastic, or covered with elastic materials of any kind, which allow an elastic compression of the goods at the exit of the annular gap 119. It could also be provided with such a friction body only the rotor or only the stator. The gap width, as well as a possible approach of the friction surfaces at the gap outlet, can be adjusted by changing the mutual axial position of rotor and stator by means of known devices (e.g. by axial displacement of shaft 110 and / or stator 112 by means of a thread). In one variant, one or more driver blades 141 are used to facilitate the removal of the material from the collecting channel 7. 2. 2, as indicated in FIG. 4 by dotted lines.
According to the embodiment according to FIG. 5, on the way to a collecting channel after the annular gap 119 on the rotor 111, a sieve centrifuge 142 with sieve-like perforations or filter-fine openings is provided, which divides the material into various components and also attaches it to the rotor shaft or following the Collector channel could be arranged. This centrifuging sieve or filter device separates solid material from liquid or coarse and fine components. The sieve ring 142, which is arranged coaxially to the axis of rotation, is conical, but could also be cylindrical. The material emerging from the annular gap 119 is thrown against the sieve ring 142. Due to the centrifugal effect exerted by the sieve ring 142, depending on the clear width of its perforations, liquid or even finer parts are thrown out of the material.
The ejected material is caught by a channel-shaped housing 143 which is fastened to the stator 112 and has at least one outlet 144. A partition 145 attached to the housing 143 extends around the sieve ring 142 and is arranged coaxially to it. This separates the material that has accumulated on the sieve ring 142 and ejected into the housing 143 via its upper edge from the material that has passed through the sieve ring 142 and the The ejected material is diverted through the drain 146 as soon as the ejected material exceeds the upper edge of the sieve ring 142. To ensure emptying through the outlets 144 and 146, driver blades 147 and 148 are attached to the rotor 111.
The organs 120 and 121 are arranged in a staircase and have triangular flanks. This shape of the organs corresponds in many cases to the centrifugal urge of the material against the conical housing wall 118. A zigzag line flow of the material occurs in the annular gap 119, the material being conveyed over several organ stages approximately at right angles to the edges of the same through the annular gap 119 . The stair-like arrangement of the organs 120 and 121 can also be used in other embodiments of the device.
A particularly perfect effect and the absolute exclusion of goods leaving the device unprocessed can be achieved by the embodiments of the organs 120 and 121 shown in FIGS. 6 and 7.
In FIG. 6 it is shown how, for this purpose, the crowns of the organs 120 and 121 engage radially beyond the roots of the corresponding counter-organs into annular grooves 130 of the stator 112 or of the rotor 111.
For the same purpose, FIG. 7 shows organs 120, 121 on the rotor 111 and on the stator 112 which are delimited in an axial section and whose equidistant grooves 131 and 132 form a labyrinth 133 for the purpose of completely sealing against the flow of unprocessed material through the device. The labyrinth 133 can also have a shape other than that shown in FIG. 7.
The organs of the rotor and stator engaging in such grooves 130, 131, 132 result, for example, in the processing of cellulose, as well as the possible fibrillation, of previously unknown quality values and enable the complete and homogeneous opening of fibers.
In the device proposed according to the invention, as explained above, for example with reference to FIGS. 1-7, the fineness of the end product can be determined by the corresponding shape and
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Size of the openings 128 of the sorting ring 127 and their position to the axis of rotation or to the radius, by the width of the annular gap 119 and the shape and size of the organs 120, 121 and their number per ring, by the number of organ rings, by the division between the Organs that can go up to the highest fineness, if necessary up to the needle fineness of the organs, as well as through the width of the annular gap 119 when the material emerges from the same into the collecting channel. The regulation of the effect frequency during operation can be done by changing the speed.
The embodiment according to FIG. 8 has a conical, two-part housing 1, which forms the stator, with an inlet connector 2 and an outlet connector 3. The two housing halves are screwed together by means of flanges 4. On the inlet side, the housing 1 has on its inner wall first stator ribs 5 of rectangular, trapezoidal or other cross-section and intermediate stator grooves or channels 6. The stator ribs 5 are followed on the housing 1 by three rows of organs in the form of oscillating ring gears 7. Each To increase the frequency of the effects acting on the material, the toothed ring following a preceding toothed ring 7 has a larger number of oscillating teeth and smaller tooth cross-sections than the preceding one.
The sprockets 7 on the housing 1 are in turn followed by stator ribs 8 with grooves or channels 9 in between, running along surface lines of the conical inner wall of the housing. These ribs 8 are followed by organs in the form of four stator oscillating sprockets 10 on the housing 1 as part of a final processing stage. Each toothed ring following the preceding toothed ring 10 has a larger number of teeth with a smaller cross-section than the preceding toothed ring 10 to increase the frequency of the effects acting on the material. The shaft 12 rotatably supported in the bearings 11 of the two-part housing 1
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or a different cross-section than the stator ribs 5 and between the ribs 15 grooves or channels 16 running in the same direction.
In the area of the stator ring gears 7, the rotor 14 carries as organs three oscillating ring gears 17 that engage between the stator ring gears 7 and cooperate with the ring gears 7 in a shearing manner 17 follow on the rotor 14 in the area of the ribs 8 of the stator with these cooperating rotor ribs 18 with intervening grooves or channels 19 and in the area of the stator sprockets 10 the rotor 14 has as organs between the sprockets 10 gripping, shearing with these cooperating sprockets 20. Numbers and Cross sections of the oscillator teeth of successive rings 20 change according to the number and the cross section of the teeth of the stator rings 10.
In the area of the outlet connection 3, pump blades 23 are attached to the rotor 14 to facilitate the removal of the treated material.
The cooperating stator ribs 5 and rotor ribs 15 or stator ribs 8 and rotor ribs 18 leave a conical annular gap 21 or 22 free between them, the radial width of which can be adjusted (e.g. by slight axial displacement of the rotor 14) depending on the type of goods and the desired processing. When adjusting the radial width of the annular gap, the flanks and shearing edges of the interlocking organs 7 and 17 or 10 and 20 are axially displaced against each other, so that the intensity of the shearing can be changed or completely canceled. All or part of the ribs 5, 15 and 8, 18 and / or the teeth of the ring gears 7, 17 and 10, 20 can be helical or bent in some other way or inclined with respect to the surface lines of the housing 1 or the cone 14.
The stator ribs and / or teeth can be given a helical twist or inclination opposite to the rotor ribs and / or rotor teeth, which results in greater turbulence and impact of the material between the ribs or teeth. The ribs and / or teeth can be provided with bores or slots or other perforations, which also has the effect of increasing the turbulence of the material.
The ribs 5 and 15 and / or 8 and 18 can, depending on the type of item to be treated and the aim of processing, be omitted and replaced by gear rings. It is also possible to provide more than two Rippsngruppsn.
You can z. B. in the areas of the ring gears 7, 17 and / or 10, 20, of which only one or more than two groups with less than three or more than four rings can be provided, omit one or more stator rings and the adjacent rotor teeth are also on the Let the area of the omitted stator teeth extend. This results in pump rings composed of longer rotor teeth, which increase the conveying effect and, if desired, can also be helically curved or inclined with respect to surface lines. In this case and / or in the case of the inclined or curved ribs and / or teeth, the annular gap can also be cylindrical.
The through the inlet nozzle 2 z. B. by means of a pump in the device conveyed material first enters the channels or grooves 6 and 16 and into the annular gap 21. The material in the grooves 16 is thrown into the grooves 6 between the stator ribs 5 as a result of the rotation of the rotor 14, the Grooves 16 therefore empty continuously at the front end. This creates a suction effect at the entrance to the rotor 14, which under certain circumstances can make it unnecessary to pump the material through the nozzle 2. The grooves or channels 6 are due to the centrifugal effect of the rotor 14 to over their head
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of the goods and, in addition, due to the conicity of the inner casing of the housing, a further conveyance of the goods along surface lines of the inner casing against the ring gears 7, 17 causes.
The continuous strand of material in the grooves 6, 16 and in the annular gap 21 is suddenly inhibited and sheared off at the end of the ribs by the first toothed ring 17 flying past. Now the material in and between the sprockets 7 and 17 is subjected to intensive processing through frequent and high-frequency effects (shearing, grinding, crushing, internal friction, wall friction, pressure gradient, kinematically generated impulses), with the diameter increasing from the first to the last sprocket Intensity and, in addition, due to the increasing number of teeth from ring to ring, the frequency increases, u. depending on the choice of the various data up to the ultrasonic range, provided the type of goods and the aim of the processing require this, so that cavitation may already occur in the gear rim group 7, 17.
After exiting the ring gear group 7, 17, the material arrives in the second group of ribs 8, 18, where the same effects occur as in the first group of ribs 5, 15, although they are increased due to the larger diameter; The material experiences a calming and partial shearing, but is mainly subject to a pressure effect, which it supplies to the second gear rim group 10, 20 without any inhibition by teeth, where the effects described in connection with the first gear rim group are due to the larger diameter and the larger number of teeth occur even more intensely and with even higher frequencies.
After exiting the ring gear group 10, 20, the material enters the space accommodating the pump blades 23, where it is relaxed, and flows from here, assisted by the action of the pump lugs, through the outlet connection 3 j whereupon it can, if desired, to re-treatment in the inlet port 2 or an intermediate port, e.g. B. in the areas of the grooves 8, 18, are fed back into the annular gap.
The embodiment shown in Fig. 8 is particularly suitable for processing very sensitive materials, such. B. to break down and refine cellulose (z. B. from waste paper) or similar raw materials with coherent fibers in one operation in an economical way and while protecting the fibers. In the first of the four continuously merging processing stages 5, 15; 7.17; 8, 18 and 10, 20 the good is first in stage 5, 15 of a low frequency of kinematic effects, e.g. B. for cutting into smaller fiber bundles, then in the second stage 7, 17 of a higher frequency, then in the third stage 8, 18 for gentle intermediate treatment (e.g.
B. for the purpose of steady further loosening of the fiber structure) and to accelerate the flow inhibited in stage 7, 17 again at a lower frequency and exposed to a highest frequency in the fourth stage for final treatment. The number, type and order of the successive levels of different frequencies depend on the properties of the goods, e.g. B. according to its hardness, toughness, maturity, according to the sensitivity of the fibers or the way they are glued, etc.
The embodiment according to FIGS. 9 and 10 differs from the example in FIG. 8 in that there are no groups of ribs on the conical housing 1 and the rotor 14 and only oscillating ring gear.
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knife of the conical housing 1 and the conical part 24 of the rotor 14 and the increase in the number of teeth from ring to ring, the frequency from entry to exit increases continuously. The embodiment according to FIGS. 9 and 10 differs further from FIG. 8 in that the conical part 24 of the rotor 14 is followed by a further conical part 25 with a larger opening angle. This part 25 is also occupied with oscillating gear rims 26, which cooperate in a shearing manner with oscillating gear rims 27 of the conical part 28 of the housing 1 corresponding to part 25.
A conical part 29 adjoins part 25 of rotor 24, the opening angle of which is smaller than that of part 25 and approximately equal to the opening angle of part 24. Part 29 is also occupied by oscillating gear rims 30, which grip between oscillating gear rims 31 of a part 32 of the two-part housing 1 corresponding to part 29 and cooperate with them in a shearing manner.
The through the inlet port 2 z. B. material entering under the action of a pump first enters and between the ring gears 7 and 17 and is subject to the same effects as the frequency increases, as described in FIG. 8 in connection with the ring gear group 7, 17. In order to improve the forward movement of the goods in the meridional direction, as described in connection with FIG. 8, individual stator ring gears 7 can be replaced by pump rings. If the material arrives in and between the ring gears 26 and 27, it is suddenly subject to greater acceleration due to the larger opening angle of the parts 25 and 28. At the transition point from part 24 to part 25 and in the entire area of the ring gear group. 26, 27 occurs e.g.
B. stronger cavitation than in the ring gear group 7, 17, because the goods from the ring gear group 7, 17 do not follow the goods in the group 26, 27 which are very strongly accelerated. A strong negative pressure is therefore formed in the ring gear group 26, 27. At the transition from the ring gear group 26, 27 to the ring gear group 30, 31, the negative pressure decreases again due to the smaller opening angle of the parts 29, 32. Pump blades 23 are provided on the rotor 14 to facilitate the removal of the treated material from the outlet connection 3. Depending on the type of goods and the aim of processing, further levels can be added to level 29.
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The device according to FIGS. 11-15 has a hollow housing 32, provided with feet 31, forming a stator and consisting of two parts connected by means of flanges 42. The inlet connector 33 opens into a cylindrical housing part 34 which is provided with axially extending ribs 35. The cylindrical housing part 34 is followed by a conically widening housing part 36, in the inner wall of which rings 38 provided with rings of transducer teeth 37 or other transducer projections are inserted. The rings 38 or individual oscillators 37 can be interchangeably arranged on the housing part 36. At the outlet end of the housing part 36, which could also be cylindrical, the housing part 39, which has an outlet connection 59, closes for a device, e.g. B. an ultrasonic generator, whose mode of action z.
B. in Swiss Patent Nos. 288154,304025 and 311794 is described. The stator teeth 40 or other types of oscillator organs of this device are fastened to a ring 41 mounted on the housing part 39. A shaft 44 rotatably supported in bearings 43 of housing 32 carries a V-belt pulley 4J for its drive and, in the cylindrical housing part 34, a conveyor screw 46 which cooperates with ribs 35 and which can be replaced or changed in its capacity to adapt to the material to be processed, the conveyed quantity and the speed Incline can be changed in a known manner.
On webs 50 (FIG. 13) of a conical hollow body 48 fastened on the shaft 44 by means of the hubs 47 are fastened blades 49 which have teeth 51 or other oscillators on their outer edges, each of which engages between two adjacent rings of stator teeth 37 and with this cooperates shearly. As FIG. 13 shows, the blades 49 are flat and lie in axial planes.
According to FIG. 17, however, the blades 49 can also be twisted. After the last tooth 51 of the blades 49, which is seated on the largest diameter, the jacket of the conical hollow body 48 and the stator rings 38 lying in the region of this jacket delimit a narrow conical annular gap 52 in which the gear rims 37 of the stator rings 38 and the oscillating gear rims 53 of the hollow body 48 protrude and which could possibly also be cylindrical. The hollow body 48 and the housing part 36 can, as described in connection with FIG. 8, also be partially equipped with ribs running along surface lines, and / or the hollow body 48 could also carry pump rings explained above.
The ring gears 53 engage between the ring gears 37 and cooperate with them in a shearing manner.
Outside of the stator ring gear 37 with the largest diameter sit on the rotatable hollow body 48 distributor organs 54, which according to FIG. 15 are flat and radially reinforced, but according to another embodiment can also be curved or tangentially reinforced. They serve to absorb and distribute fibrous, thixotropic, lumpy and / or clumping or blocking goods. The leading edges 55 of the distributor members 54 cooperate with the adjacent stator ring gear 37 and the trailing edges 56 with the stator teeth 40 of the following device in a shearing manner. The end disk 57 of the hollow body 48 carries rings of rotor teeth 58 of this last device, which grip between the stator teeth 40 and cooperate with them in a shearing manner.
Outside the outermost stator ring 40, flat rotor blades 60 are provided, which are fastened to the end disk 57. These blades could also be curved. As FIG. 15 shows, the number of teeth increases from the inside to the outside in order to increase the frequency.
As can be seen from FIG. 11, an annular disk 41 can be attached to the periphery of the device axially next to the outlet of the substance from the organs 40 into the annular collecting channel on one or both sides of the substance outlet (as is known from centrifugal pump construction), so that the substance emerging into the suddenly widened cross-section of the collecting channel diffuses explosively behind the said annular disks.
At the exit of the material from the last stage, an optionally provided with automatic emptying sieve, sifter or filter device can be grown, which z. B. is driven by the shaft 44.
The variant according to FIG. 16 differs from the embodiment according to FIGS. 11-15 essentially only in that the stator teeth 37, which are seated on rings 38, the blade teeth 51 and the rotor teeth 53 are arranged in a step-like manner so that the shaft 44 with worm 46 and the hollow body 48 with the end disk 57 can be pulled out axially to the right after removal of the housing cover 61 and can also be inserted again in the axial direction into the housing from this side. Another difference is that the outermost stator ring 62 of the device following the organs 54, which are also somewhat differently shaped, is designed as a ring with radial bores 63. Instead of the bores 63, slots or differently shaped openings could also be provided.
The embodiment according to FIG. 18 differs from the device according to FIGS. 11-15 in particular in that the curved blades 49 provided with projections 51 are accommodated in a cylindrical housing part 64. In the housing part 64, in order to increase the frequency, the number of teeth of the rings increases from the inlet towards the outlet. With a suitable length of the part 64
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also be cylindrical.
The mode of operation of the variants according to FIGS. 16 and 18 is otherwise essentially the same as that of the embodiment according to FIGS. 11-15. This mode of operation is explained below with reference to FIG. 11:
The material entering through the inlet connection 33 is conveyed by the screw 46 under excess pressure into the area of the blades 49. These shovels hurl the material against the edges and flanks
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of the stator teeth 37. They also press the material radially into the tooth gaps of the individual rims 37 and - in the embodiment according to FIG. 18 - into the annular gaps between adjacent rims 65.
In addition, they convey the material, which is pressed against the housing wall provided with the teeth 37 under increasing pressure, axially in the direction of the increasing diameter. Between the toothed blades 49 and the toothed housing wall, the material is subjected in rapid alternation to overpressure, negative pressure, crushing, shear, impact, reflection, wall friction, internal friction and the corresponding accompanying effects. The edges of the interlocking teeth can be sharp to blunt, depending on the purpose, so that you can choose the intensity of the shear, crush or impact as desired. The axial width of the gaps between cooperating teeth 37, 51 can also be selected as desired or changed by axially displacing the rotor with respect to the stator during operation by known means.
The ribs and / or blade teeth can be made partially or all of resilient, elastic material, e.g. B. natural or artificial elastomers, so that an elastic, lashing and possibly rubbing processing of the goods is possible.
The frequency of the above-mentioned effects exerted on the material depends on the peripheral speed of the blade teeth 51 and the number of teeth 37 and 51, because these effects occur every time a blade tooth 51 encounters a stator tooth 37 and are accompanied by pulses that be communicated to the property. The frequency increases with the increasing diameter of the toothed blade edges and the stator ring gears 37. If, for example, in the embodiment according to FIG. 16, the circumferential speed in the smallest diameter is 10 m / s and with this diameter it is one meter circumference z. B. thirty stator teeth 37 and eight blade teeth 51, the result is a frequency of 8 X 30 X X 10 = 2400 Hz.
At this frequency, the material is subject to the well-known effect of low-frequency sound, at which the mechanical effects still predominate. As the material moves further axially in the area of the blades 49, the frequency of the physical effects increases due to an increase in the diameter and the number of teeth 37 and 51 per meter of circumference. Are z. B. in the area of the last teeth 37, 51 the diameter and the number of teeth per meter of circumference 1.5 times as large as at the entry after the screw 46, the frequency at the exit = 2400 X 1.5 x 1.5 = 5400 Hz.
This frequency can be further increased by finely subdividing the organs of the successive wreaths. So you can z. B. at the exit at a peripheral speed of 20 m / s and with forty rotor members 53 and fifty stator members 37 reach a frequency of 40,000 Hz, at which the material is already subject to ultrasonic processing with the known effects.
As the material moves further in the annular gap 52, it suddenly enters the cavity 102 containing the distributor elements 54 (FIG. 15), where there is a strong negative pressure, u. z. because of the sudden increase in volume as a result of the strong suction of the distributor organs 54. As a result of the sudden relaxation of the material in the cavity 102, an explosive, profound and yet gentle breakdown of even the most resistant material, e.g. B. fiber material.
The already largely unlocked material now enters the last device with the toothed rims 40, 58, which generates pressure drops and pulses at a high frequency, the physical consequences of which include cavitation. The physical effect of each cooperating pair of organs of the last stage is, as experiments have shown, to be compared with that of a Galton pipe. If the circumferential speed and number of organs 40 and 58 per meter circumference are appropriately selected, the ultrasonic effect of the last stage can be driven as far as it cannot be achieved with piezoelectric or similarly intense vibrators and also with the Galton whistle.
The last stage could also have only one organ ring 40 and only one organ ring 58 flying past the ring 40.
The shovels 60 convey the material out of the ultrasonic generator 40, 58 into containers or lines, e.g. B. in a circulation system shown in FIG.
This system is connected on the one hand to the inlet connection 33 by means of the pipe piece 66 and to the outlet connection 59 of the device according to the invention by means of the T-piece 67. The inlet 68 of the diversion system is connected to the T-piece 67 and thus to the outlet 69 of the system by a T-piece 70. The connection 71 of this T-piece 70 is connected via a central valve 72 to a tapping pipe connection 73 of the device according to the invention. Between the inlet 68 and the T-piece 70 there is a valve flap 75 which can be actuated by a lever 74 and which can be rotated about the axis 76.
If the valve flap closes the T-piece 70 and the central valve 72 is also closed, the material flows through the inlet 68 and the inlet connector 33 into the device according to the invention and leaves it through the outlet connector 59, the T-piece 67 and the Outlet 69. For longer processing of the goods in the device, the central valve 72 is opened completely or partially. Then flows
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This cycle can be continued indefinitely with material that is difficult to process. If the central valve 72 is closed completely and the valve flap 75 is opened completely, the material circulates through the entire device and through the parts 59, 67, 70, 66 again back into the device.
If, however, the valve flap 75 is only partially open, at the same time some fresh material enters the circuit through the inlet 68 and, together with the material that is already circulating, is processed in the preliminary
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The device can also be equipped with cooling and / or heating devices of a type known per se, for. B. in or on the container 113 and / or on the rotor and / or stator and / or in the screening device 142 of FIG.
Finally, it can be arranged in an elevated manner within the container 113 of FIGS. B. sit on a conical elevation of the container bottom.
The rotor and stator organs, which, among other things, perform shearing, squeezing and opening or pulsating work, can be arranged in such a way that the spaces between neighboring organs of one and the same ring or ring, which represent the vibration space in the sense of the Galton whistle, are very narrow / or have an elongated, oval or round outline shape.
The rotor and / or stator elements can also be designed as saw teeth. Such saw teeth make it easier to cut even very tough and hard goods (e.g. meat tendons).
The z. B. in connection with Fig. 4 described axial adjustment of the rotor and / or stator can also be used in any other embodiments to the organs of cooperating wreaths or rings depending on the type of goods and the desired processing, z. B. in pulp production, tumbling treatment or for the purpose of fibrillation and better crosslinking, if necessary to approach each other up to rubbing, squeezing and / or shearing contact. With this axial adjustability of the position between cooperating organs, a position or shape (e.g. conical or curved edges) that deviates from the position of the flanks of the organs parallel to the axis of rotation of the device can preferably be selected.
Embodiments are also possible in which between one and the same pair of cooperating organ wreaths or rings, shearing and squeezing effects of different intensities can be achieved by regular or irregular (intermittent) eccentricity of the organ wreaths or rings in question, e.g. B. by eccentric ring shape or storage of one or both axes by means of a rotatable eccentric.
The cooperating organs then approach each other at one point of their orbit, possibly up to the rubbing contact, while they move away from one another at the diametrically opposite point, so that in the one narrowing from the greatest to the smallest radial width and then from the smallest to the largest radial width again widening gap turbulence, increasing and decreasing squeezing, sound and possibly ultrasonic pulses and shear.
The device proposed according to the invention, in which the shaft is driven from one side or the other as desired, can also be used in pipelines, housings or in machine units, e.g. B. atomization systems, in a hopper mill, in a continuously operating extraction system, in a centrifuge, in a silo, in a pressure or vacuum cooker, in refining or reaction systems, furnaces etc.
Instead of a stator, a co-rotating or counter-rotating rotor can also be used. The word “stator” is therefore to be understood in the description and in the claims in this extended sense.
Several rotor-stator systems can also be arranged on the same shaft.
To influence or change the physical and / or chemical processes in the device according to the invention, means (e.g. pipe connections, regulating, measuring or closing devices) for introducing steam, water or additives, e.g. B. solvents, reagents, catalysts, fillers, dyes and other components or substances are provided. Likewise, additives of all physical states can be used during operation of the device, e.g. B. in the vicinity of the annular gap, so that for example fumigation, foam formation, defoaming, acidic or alkaline substance treatment, etc. can occur.
The goods can also be supplied in individual components at the entrance or at other points.
By changing the speed and / or the drive power and / or the conicity of the annular gap and / or the number of organs and the gaps or other shaped openings in the individual rings, all technically interesting frequencies and intensities can be achieved in the device proposed according to the invention. So z. B. through such changes, the goods are very gently on entry and then gradually more open. On the other hand, z. B. the refining of a pulp can be started immediately with high intensity. At low speed, the entire device and possibly the individual stages perform a kneading and plasticizing job. Very high ultrasonic frequencies are achieved at maximum speed.
The device according to the invention can be equipped with further sub-assemblies known per se, e.g. B. for cooling, for heating under pressure or vacuum, for extraction, etc., are provided.
Known methods, e.g. B. for saponification of oils and fats with aqueous solutions of alkalis, can in the device by quantitative control of the flow of material to be saponified and alkalis at high speed, high efficiency and excellent homogeneity in a small fraction (z. B. in seconds or a few minutes) of the time required for known procedures. According to the invention, processes that can be carried out using conventional methods with pressure and heat can also be carried out much faster and more economically, even without pressure and heat.
The device according to the invention can be used to carry out an extremely large number of physical and / or chemical substance changes using the generally customary composition of substance components and / or reagents for the most varied of substances and mixtures. The following are only examples: Mixtures of various types, the production
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micron, homogeneous suspensions, fillers, ceramic masses, the defibration and refining of cellulose, semi-cellulose, wood pulp or waste paper, the esterification of resins or the extraction of a phenol-formaldehyde resin, the xanthogenization and homogenization of cellulose and viscose, coagulation processes for extraction finely divided silica (e.g.
B. as a filler or as a stabilizer), the extraction of colloidal systems from talc, petrolatum and / or lanolin, the production of a stable suspension from mineral oil distillate, methyl alcohol, tannin and flint graphite, etc.
PATENT CLAIMS:
1. A device for the vibration treatment of flowable substances and substance mixtures with two coaxially arranged, relatively opposing bodies enclosing a working gap between them, characterized in that each of the two bodies (111, 112) has at least one ring of protruding into the working gap (119) Organs (120, 121), the neighboring organs of the same ring delimiting cavities and being dimensioned so that they periodically interrupt the movement of the substance through the working gap (119) and that the two bodies (111, 112)
receiving housing is provided with a device for adjusting the advance of the substance in the main flow direction and thus the residence time of the substance in the cavities and the duration of its vibration treatment.