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Homogenisiervorrichtung für flüssige und breiige Substanzen
Zur Homogenisierung bzw. Emulgierung flüssiger oder breiiger Substanzen bedient man sich im allgemeinen einer Vorrichtung, bei der die betreffende Substanz durch einen oder mehrere hintereinander geschaltete schmale Spalte unter Druck hindurchgepresst wird.
Bei einem bekannten Emulgiergerät besteht der Homogenisierkopf aus einem in einem Zylinder gleitbaren Kolben, der durch eine Druckschraubenfeder auf einen Sitz gepresst wird. Die zu emulgierende Flüssigkeit wird durch den von dem Sitz des Kolbens gebildeten Ringspalt und den zwischen Kolben und Zylinder befindlichen Ringspalt hindurchgedrückt, wobei zwischen den beiden Spalten eine erweiterte Ringkammer vorgesehen ist, in der eine Turbulenz der Flüssigkeit zur Verbesserung der angestrebten Wirkung erzielt werden soll.
Bei dieser bekannten Einrichtung besteht einmal die Gefahr, dass durch Verkanten des Kolbens innerhalb des Führungszylinders der Ringspalt über seinen Umfang eine unterschiedliche, wirksame Breite aufweisen kann, und zum andern hat sich gezeigt, dass die unterschiedliche Spaltbreite auch nicht durch die Wirbelkammer kompensiert werden kann. Selbst bei gleichmässiger Spaltbreite über den Umfang kann aber der angestrebte Zweck nur unvollkommen erreicht werden.
Zur Verbesserung der Homogenisierwirkung hat man deshalb Homogenisiervorrichtungen geschaffen, bei denen die Hintereinanderschaltung von mehreren Durchgangsspalten durch einen zweiteiligen Homogenisierkopf verwirklicht wird, dessen äusserer Teil eine gestufte, sich nach der Ausstossseite zu erweiternde Bohrung besitzt, in welcher ein entsprechend abgestufter innerer Teil mit einstellbarer Vorspannung angedrückt wird.
Diese Homogenisiervorrichtungen arbeiten zwar infolge der mehrfachen Umlenkung der zu homogenisierenden bzw. zu emulgierenden Substanzen mit einem besseren Ergebnis, jedoch trat auch bei diesen bekannten Vorrichtungen der Nachteil auf, dass der'durch die beiden Teile des Homogenisierungskopfes gebildete Stufen-Ringkanal in jedem beliebigen Querschnitt eine Ringfläche aufweist, deren radialer Abstand über dem Umfang unterschiedlich ist, d. h. es werden in dem Ringkanal bevorzugte Durchtrittskanäle für die zu homogenisierende Substanz geschaffen, u. zw. sind dies naturgemäss jene Teile des Ringkanales, die den grössten Abstand voneinander haben und damit der Masse den geringsten Strömungswiderstand entgegensetzen.
Neben diesen bekannten Vorrichtungen sind auch noch Emulgiervorrichtungen gebräuchlich, bei denen die Homogenisierwirkung bzw. die Emulgierwirkung durch Aufprall der betreffenden Substanz an einem Prallkörper bewirkt wird. Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Gattung wird das zu homogenisierende Gut über einen trichterförmigen Kanal auf eine konkave Aufprallfläche gefördert, von wo sie nach aussen geschleudert und abgeführt wird. Bei dieser bekannten Einrichtung ist für die Homogenisierung bzw. Emulgierung nur die Prallwirkung bestimmend. Es gibt jedoch zahlreiche Substanzen, die durch den hiebei angewandten Pralleffekt allein nicht in der gewünschten Weise behandelt werden können, so dass man auf Homogenisiergeräte angewiesen ist, die die Behandlung durch Hindurchpressen der Substanz durch eine bzw. mehrere Spalte bewirkt.
Auf eine Homogenisiervorrichtung dieser Gattung bezieht sich die Erfindung. Sie geht aus von einer Homogenisiervorrichtung für flüssige und breiige Substan-
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barer Vorspannung angedrückt wird, und bezweckt eine Verbesserung des Homogenisierungsvorganges.
Gemäss der Erfindung bilden die stirnseitigen Ringflächen der Stufen des inneren Teiles des. Homogenisierkopfes Kegelflächen, die mit den angrenzenden, zylindrischen Mantelflächen einen Winkel bilden,
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der kleiner als 900 ist, wobei der Durchmesser der so gebildeten Ringschneiden jeweils gleich dem
Aussendurchmesser der betreffenden Stufe des inneren Kopfteiles ist und wobei der innere Teil des Kopfes axial verschiebbar, verkantungssicher geführt ist.
Durch die verkantungssichere Führung des inneren Kopfteiles in dem äusseren Kopfteil wird eine Kon- zentrizität zwischen den beiden Teilen des Homogenisierkopfes gewährleistet, so dass der Ringkanal bei jeder Einstellung in jeder Querschnittsebene exakt konzentrisch liegt und der Ringspalt an allen Stellen einer Querschnittsebene gleich ist, so dass die Strömung der zu homogenisierenden Flüssigkeit gleichmä- ssig wird. Durch die kegelförmige Ausbildung wird eine Verbesserung der Homogenisierung, einmal durch die Schneidenwirkung der Ringschneiden in jeder Stufe bewirkt und zum andem dadurch, dass die Homo- genisiermasse bei jeder Stufe um mehr als 90 umgelenkt wird.
Beim Durchlaufen der so gebildeten Ring- schneiden werden mit Sicherheit die Mikropartikelchen zwischen den scharfen Kanten der Ringschneide und der Stufe des äusseren Homogenisierkopfes zerschnitten, zerrissen, überwirbelt und vermischt.
Hiedurch wird es möglich, bei relativ niedrigem Druck eine ausserordentlich hohe durchschnittliche
Dispersion zu erreichen.
Die verkantungssichere Führung des inneren Teiles des Homogenisierkopfes in dem äusseren Teil kann dadurch bewirkt werden, dass der. innere Teil des Homogenisierkopfes einen sich durch die Abfluss- kammer erstreckenden Schaft aufweist, der in einer Axialbohrung an der Entspannungsseite des Homoge- nisierungskopfes geführt ist.
Zusätzlich hiezu wird die verkantungssichere Führung zweckmässigerweise dadurch erreicht, dass in dem zylindrischen Ringspalt einer oder mehrerer Stufen zwischen den beiden Teilen des Homogenisier- kopfes in Umfangsrichtung versetzt zueinander mehrere Nocken angeordnet sind, deren Höhe der radialen
Spaltbreite entspricht. Diese Nocken bestimmen die Breite des Ringspaltes und gewährleisten eine Kon- zentrizität zwischen Innen-und Aussenteil des Homogenisierkopfes.
Die Nocken sind zweckmässigerweise an dem inneren (Vater-) Teil des Homogenisierkopfes am äusseren Umfang, d. h. an den zylindrischen Stufenflächen angeordnet und gleiten entlang der entsprechenden zylindrischen Stufenflächen des äusseren (Mutter-) Teiles des Homogenisierkopfes.
Die Führungsnocken sind am Umfang zweckmässigerweise jeweils um 1200 versetzt, so dass die Führung durch drei Nocken pro Stufe bewirkt werden kann. Es hat sich gezeigt, dass eine in jeder Weise be- friedigende Wirkung erlangt werden kann, wenn die Führungsnocken jeweils an der zylindrischen Ringfläche der inneren und äusseren Stufe angeordnet sind.
Die Führungsnocken könnten auch in dem Mutterteil des Homogenisierkopfes angeordnet werden.
Aus bearbeitungstechnischen Gründen empfiehlt sich jedoch eine Anbringung der Nocken an dem Vaterteil.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der äussere Teil des Homogenisierkopfes in Form eines Doppelnippels ausgebildet, dessen an der druckbeaufschlagten Seite vorgesehener Nippel unmittelbar mit dem Zylinder und dessen an der Entspannungsseite vorgesehener Nippel unmittelbar mit dem Führungsstück verbunden ist. Diese Ausbildung gewährleistet eine einfache Montage und Demontage des Homogenisierkopfes zur Reinigung bzw. Reparatur.
Zur Erzielung einer konzentrischen Führung, welche unter allen Betriebsverhältnissen eine Konstanthaltung der Breite des Ringspaltes längs des Umfanges in allen Querschnittsebenen gewährleistet, sind gemäss einer zweckmässigen Ausgestaltung der Erfindung in dem zylindrischen Ringspalt einer oder mehrerer Stufen zwischen den beiden Teilen des Homogenisierkopfes in Umfangsrichtung versetzt zueinander mehrere Nocken angeordnet, deren Höhe der radialen Spaltbreite entspricht. Diese Nocken bestimmen also die Breite des Ringspaltes und gewährleisten damit, dass eine Konzentrizität zwischen Innen- und Aussenteil des Homogenisierkopfes immer gegeben ist.
Die Nocken sind zweckmässigerweise an dem inneren (Vater-) Teil des Homogenisierkopfes am äusseren Umfang, d. h. an den zylindrischen Stufenflächen, angeordnet und gleiten entlang der entsprechenden zylindrischen Stufenflächen des äusseren (Mutter-) Teiles des Homogenisierkopfes.
Die Führungsnocken sind am Umfang zweckmässigerweise jeweils um 1200 versetzt, so dass die Führung durch drei Nocken pro Stufe bewirkt wird.
Zweckmässigerweise sind die Führungsnocken jeweils an der zylindrischen Ringfläche der inneren und der äusseren Stufe angeordnet.
Die Führungsnocken könnten auch in dem Mutterteil des Homogenisierkopfes angeordnet werden, aus bearbeitungstechnischen Gründen empfiehlt sich jedoch eine Anbringung der Nocken an dem Vaterteil.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen :
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Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, der Vorrichtung zum Homogenisieren flüssiger und breiiger Substanzen, bei welcher die Lagerungsteile und die Antriebsvorrichtung nicht dargestellt sind ;
Fig. 2 eine Draufsicht auf diese Vorrichtung, teilweise im Schnitt, und Fig. 3 einen axialen Schnitt durch den Homogenisierkopf dieser Vorrichtung in grösserem Massstab ; Fig. 4 einen Schnitt durch die Kopfgrup- pe einer andern Ausgestaltung der erfindungsgemässen Homogenisiereinrichtung ; Fig. 5 den in Fig. 4 dargestellten Homogenisierkopf in grösserem Massstab ; Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI gemäss
Fig. 5.
Die in Fig. 1 - 3 dargestellte Vorrichtung zum Homogenisieren flüssiger und breiiger Substanzen be- sitzt einen Zylinder 1, welcher auf einem in der Zeichnung nicht dargestellten Gehäuse, in welchem ein
Antriebsmotor angeordnet ist, in horizontaler Lage befestigt ist. In diesem Zylinder 1 ist ein Kolben 2 verschiebbar, welcher über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Kurbelgetriebe oder ein anderes Ge- triebe vom Antriebsmotor hin-und herbewegt wird. Der Zylinder 1 besitzt an seinem vom Kolben 2 ab- gewendeten Ende ein Innengewinde, in welches der die Form des Doppelnippels mit Bund aufweisende äussere Teil 3 eines Homogenisierkopfes eingeschraubt ist.
Der Zylinder 1 weist an seiner Oberseite, in der Nähe seines mit dem Innengewinde versehenen Endes einen Stutzen 4 mit Aussengewinde auf, auf welchen ein Anschlussstück 5 aufgeschraubt ist, an welches ein in der Zeichnung nicht dargestellter Vor- ratsbehälter oder eine Ansaugleitung für die zu homogenisierende Substanz anschliessbar ist. Im Stutzen 4 ist eine Ventilplatte 6 angeordnet, welche an ihrem Rand Ausschnitte aufweist, durch welche die zu ho- mogenisierende Substanz beim Ansaugen des Kolbens 2 hindurchtreten kann, und welche sich beim Drük- ken des Kolbens unter der Wirkung der durch den Stutzen 4 zurückweichenden Substanz hebt und an einen
Anpass des Anschlussstückes 5 anlegt, so dass die Bohrung des Anschlussstückes 5 geschlossen und ein Zu- rückfliessen der zu homogenisierenden Substanz durch dieses Anschlussstück 5 verhindert wird.
Auf das aussenseitig des Zylinders 1 befindliche Gewinde des äusseren Teiles 3 des Homogenisierkop- fes ist ein Führungsstück 7 aufgeschraubt, in dessen gegen den Teil 3 zu liegenden Teil eine zylindrische Kammer 8 vorgesehen ist, welche auf der vom Teil 3 abgewendeten Seite durch eine Zwischenwand 9 abgeschlossen ist. Diese Kammer 8 besitzt an ihrem auf der Seite der Zwischenwand 9 liegenden Ende unten eine Auslauföffnung, in welche ein Ablaufrohr 10 eingesetzt ist. In der Kammer 8 ist der im dargestellten Falle die Form eines gestuften Kegels aufweisende innere Teil 11 des Homogenisierkopfes angeordnet, welcher am einen Ende eines Schaftes 12 sitzt, der in einer Bohrung in der Zwischenwand 9 geführt ist.
Im Führungsstück 7 ist auf der andern Seite der Zwischenwand 9 eine zweite zylindrische Kammer 13 vorgesehen, in welcher ein auf das diesseitige Ende des Schaftes 12 wirkendes Druckstück 14 geführt ist. Auf das Druckstück 14 wirkt das eine Ende einer zylindrischen Schraubenfeder 15, deren anderes Ende sich auf einen in die Kammer 13 eingreifenden, zylindrischen Ansatz 16 eines Schraubstückes 17 abstützt, welches das Ende des Führungsstückes 7 übergreifend auf ein Gewinde dieses letzteren aufgeschraubt ist.
Das Schraubstück 17 ist mit einem Handrad 18 versehen.
Der Zylinder 1 besitzt an seinem gegen den inneren Teil 3 des Homogenisierkopfes zu liegenden Ende einen seitlichen Ansatz 19, welchermit einem Gewindeansatz 20 versehen ist, auf welchen das Anschlussstück 21 eines Manometers 22 aufgeschraubt ist. Im Ansatz 19 ist eine Kammer 23 vorgesehen, welche durch einen Kanal 24 mit dem Inneren des Zylinders 1 verbunden ist. Die Mündung des Kanals 24 in der Kammer 23 ist als Ventilsitz für einen Ventilkegel 25 ausgebildet. Der Ventilkegel 25 ist auf einer Führungsstange 26 verschiebbar geführt, welche in eine Lagerplatte 27 eingeschraubt ist, die an einem Anpass im Anschlussëtück 21 des Manometers 22 anliegt. Auf der Führungsstange 26 ist eine an der Lagerplatte 27 sich abstützende, auf den Ventilkegel 25 wirkende Druckfeder 28 aufgesetzt. Die Lagerplatte 27 ist mit Durchtrittsöffnungen 29 versehen.
Der Ventilkegel 25 und die Druckfeder 28 bilden ein Rückschlagventil, welches bewirkt, dass der Zeiger des Manometers 22 beim Hin-und Hergehen des Kolbens 2 nicht spielt, sondern dauernd den erreichten Maximaldruck anzeigt. Um das Manometer 22 entlasten zu können, ist am Ansatz 19 eine Entlastungsleitung 30 vorgesehen, welche mittels einer Abschlussschraube 31 abschliessbar ist. Um zu verhindern, dass die zu homogenisierende Substanz ins Innere des Manometers 22 eindringt, ist in der Bohrung des Anschlussstückes 21 des Manometers 22 ein in der Zeichnung nicht dargestellter Kolben verschiebbar, auf welchen der Druck der zu homogenisierenden Substanz einwirkt.
Der äussere Teil 3 des Homogenisierkopfes besitzt eine gestufte, nach aussen sich erweiternde Bohrung, in welche der entsprechend gestuft ausgebildete innere Teil 11 des Homogenisierkopfes mit den Kegelringflächen lla einsteht, wobei zwischen den zylindrischen Flächen der Bohrung des äusseren Teiles 3 und den zylindrischen Flächen des inneren Teiles 11 des Homogenisierkopfes ein geringer Zwischen-
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raum gewahrt ist. Der innere Teil 11 des Homogenisierkopfes wird durch die über das Druckstück 14 auf seine Führungsstange 12 wirkende Schraubenfeder 15 in die gestufte Bohrung des äusseren Teiles 3 des Ho- mogenisierkopfes hineingedrückt, so dass seine ringförmigen Stufenflächen usw. die Ringschneiden 11b an die ringförmigen Stufenflächen der Bohrung des äusseren Teiles 3 angedrückt werden.
Die Vorspannung der Schraubenfeder 15 und damit die Anpressung der genannten ringförmigen Stufenflächen des inneren
Teiles 11 des Homogenisierkopfes an die ringförmigen Stufenflächen der Bohrung des äusseren Teiles des
Homogenisierkopfes kann mittels des Schraubstückes 17, an dessen Ansatz 16 die Schraubenfeder 15 sich abstützt, verändert werden. Zweckmässig ist an der Aussenfläche des Führungsstückes 7 eine Skala vorge- sehen, über welche der Rand des Schraubstückes 17 gleitet, an welcher die jeweilige Einstellung der Vor- spannung der Schraubenfeder 15 abgelesen werden kann und welche es ermöglicht, Änderungen der Vor- spannung der Schraubenfeder 15 in bestimmtem, gewolltem Ausmass vorzunehmen.
Wird der Kolben durch die erwähnte Antriebsvorrichtung hin-und herbewegt, so wird beim Auswärts- gang dieses Kolbens 2 zu homogenisierende Substanz durch den Stutzen 4 aus dem Vorratsbehälter oder durch die Ansaugleitung in den Zylinder 1 angesaugt. Beim Einwärtsgang des Kolbens 2 wird die Ventil- platte 6 durch die zu homogenisierende Substanz an den Anpass des Anschlussstückes 5 angedrückt, so dass ein Zurückfliessen der im Zylinder 1 befindlichen Substanz in den Vorratsbehälter oder die Ansaugleitung verhindert wird.
Die im Zylinder 1 befindliche Substanz wird durch den Kolben 2 unter Druck gesetzt und in einer äusserst dünnen Schicht zwischen dem äusseren Teil 3 des Homogenisierkopfes und dessen entge- gen der Wirkung der Schraubenfeder 15 etwas zurückweichenden inneren Teil 11 unter mehrmaliger Um- lenkung über 90 hindurchgedrückt und dadurch homogenisiert, worauf sie in die Kammer 8 gelangt, aus welcher sie durch das Ablaufrohr 10 abfliessen kann.
Der äussere Teil des Homogenisierkopfes kann auch derart ausgebildet sein, dass die Stirnflächen der Stufen Kegelflächen bilden, wobei die Spitze der Kegel auf der gleichen Seite liegt wie die Spitzen der Ringflächenkegel des inneren Teiles des Homogenisierkopfes. Die Ausbildung wird dabei zweckmässigerweise so getroffen, dass der Kegelwinkel der Ringstufen des äusseren Teiles des Homogenisierkopfes grö- sser ist als der Kegelwinkel der Ringflächen des inneren Teiles des Homogenisierkopfes. In Fig. 1-3 der
Zeichnung ist der Fall dargestellt, dass der Kegelwinkel bei den Stufen des äusseren Teiles des Homogenisierungskopfes 1800 beträgt, d. h. es sind Stufenflächen vorgesehen, die in einer senkrecht zur Achse stehenden Ebene liegen.
Bei dem in Fig. 4 - 6 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Homogenisierkopf aus dem äusseren Mutterteil 101 und dem inneren Vaterteil 102. Die beiden Teile 101 und 102 weisen, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1-3, mehrere Stufen auf, wobei die Stirnflächen der Stufen des Vaterteiles von kegeliger Gestalt sind. Die Einstellung des Vaterteiles 102 erfolgt über eine Spindel 103 mittels eines Handrades 104 unter Zwischenschaltung einer Druckschraubenfeder 105. Die zu homogenisierende Masse tritt bei A (Fig. 4) in Richtung des Pfeiles in den Homogenisierkopf ein und wird durch die Leitung 106 nach Durchlaufen des Homogenisierkopfes abgeführt.
Durch Einstellung, d. h. Verdrehung des Handrades 104 wird der Vaterteil 102 des Homogenisierkopfes axial verschoben und mit mehr oder minder starkem Druck mit den Ringschneiden 107 gegen die Stufenabsätze 108 des Mutterteiles 101 gedrückt.
Die zylindrischen Mantelflächen 109 des Vaterteiles 102 weisen Führungsnocken 110 auf, deren Höhe dem radialen Spalt 111 zwischen den beiden zylindrischen Begrenzungen des Vater- und Mutterteiles entspricht. Bei dem in Fig. 3 - 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Führungsnocken an der inneren und der äusseren Stufe angeordnet. Es kann auch genügen, nur an einer Stufe, beispielsweise an einer mittleren Stufe, die Führungsnocken vorzusehen. Anderseits könnten auch alle Stufen mit Führungsnokken ausgestattet sein.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, sind auf dem Zylindermantel 109 drei um je 1200 versetzte Führungnocken angeordnet.
Bei dem in Fig. 3 - 6 dargestellten Ausführungsbeispiel liegen je drei um 1200 versetzt angeordnete Nocken auf einer Ringstufe. Es ist auch möglich, auf jeder Stufe nur einen einzigen Nocken vorzusehen und die Nocken benachbarter Stufen längs des Umfanges zu versetzen.
Durch diese Führungsnocken 110, die mit einem ganz geringen Spiel an den zylindrischen Stufenringflächen des Mutterteiles entlanggleiten können, wird eine ausserordentlich genaue Zentrierung, d. h. konzentrische Führung und damit die erwünschte Gleichmässigkeit der Spaltbreite, gewährleistet.