[0001] Die Erfindung betrifft eine Misch- und Knetmaschine für kontinuierliche Aufbereitungsprozesse, mit einer in einem Gehäuse rotierenden und sich gleichzeitig translatorisch bewegenden Schneckenwelle gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft im Weiteren ein Verfahren zur Durchführung von kontinuierlichen Aufbereitungsprozessen mittels einer gemäss einem der Ansprüche 14 bis 17 ausgebildeten Misch- und Knetmaschine. Schliesslich werden in den Ansprüchen 18 und 19 bevorzugte Verwendungen der Maschine beansprucht.
[0002] Misch- und Knetmaschinen der hier zur Rede stehenden Art werden insbesondere zum Aufbereiten von schüttgutartigen (Pulver, Granulate, Flakes, etc.), plastischen und/oder pastösen Massen eingesetzt.
[0003] Das Arbeitsorgan der Misch- und Knetmaschine ist üblicherweise als sogenannte Schneckenwelle ausgebildet, welche das zu verarbeitende Material in axialer Richtung vorwärts transportiert.
[0004] Bei herkömmlichen Misch- und Knetmaschinen führt das Arbeitsorgan lediglich eine rotative Bewegung aus. Daneben sind jedoch auch Misch- und Knetmaschinen bekannt, bei denen das Arbeitsorgan rotiert und sich gleichzeitig translatorisch bewegt. Der Bewegungsablauf des Arbeitsorgans zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass die Hauptwelle eine der Rotation überlagerte Sinusbewegung ausführt. Dieser Bewegungsablauf ermöglicht das gehäuseseitige Anbringen von Einbauten, so genannte Knetbolzen oder Knetzähne. Der gewundene Schneckenflügel der Schneckenwelle ist dazu unterbrochen, so dass einzelne Knet- bzw. Schneckenflügel gebildet werden. Die auf der Hauptwelle angeordneten Schneckenflügel und die gehäuseseitigen Einbauten greifen ineinander und erzeugen damit die gewünschten Scher-/ Misch- und Knetfunktionen in unterschiedlichen Verfahrenszonen.
Derartige Misch- und Knetmaschinen der letztgenannten Art sind Fachleuten insbesondere unter dem Begriff Buss Ko-Kneter<(R)> bekannt.
[0005] Für bestimmte Anwendungsgebiete wie beispielsweise die Erzeugung von Ausgangsstoffen für die Kunststoffindustrie unter Erzeugung einer reaktiven Extrusion, insbesondere einer Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition wie auch für die Aufbereitung von verschiedensten Massen für die Lebensmittelindustrie, beispielsweise von Teig, einer Kaugummi-Basis -Gumbase- für die Herstellung von Kaugummi etc., wäre es wünschenswert, wenn der Ausstoss der Maschine nachhaltig gesteigert werden könnte, ohne dass die Maschine nennenswert vergrössert werden muss, da eine Vergrösserung der Maschine neben einer Erhöhung der Kosten auch mit anderen Nachteilen einhergeht:
Beispielsweise überproportionale Zunahme von mechanischen Kräften (statisch, dynamisch), Wärmedehnungsunterschiede zwischen Schneckenwelle und Gehäuse und ungünstige Veränderung des Oberflächen-/Volumen-Verhältnisses.
[0006] Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildete Misch- und Knetmaschine derart weiterzubilden, dass bei gegebener Maschinengrösse der Durchsatz pro Zeiteinheit nachhaltig gesteigert werden kann, oder aber dass die Grösse der Maschine bei vorgegebenem Durchsatz verkleinert werden kann.
[0007] Diese Aufgabe wird mit einer Misch- und Knetmaschine gelöst, welche die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist.
[0008] Indem die Schneckenwelle der Misch- und Knetmaschine mit zumindest vier Schneckenflügeln versehen ist, kann die Dispergier-, Misch- und Homogenisierungsgüte gegenüber herkömmlichen, mit höchstens drei Schneckenflügeln versehenen Maschinen, nachhaltig gesteigert werden, ohne die Maschine selber zu vergrössern. Dadurch kann bei gegebener Maschinengrösse auch der Durchsatz nennenswert gesteigert werden. Diesbezügliche Versuche haben ergeben, dass der Durchsatz gegenüber herkömmlichen Maschinen um bis zu 50% gesteigert werden kann. Dies geht mit dem weiteren Vorteil einher, dass das Gewicht der Maschine, deren Platzbedarf wie auch die Herstellungs- und ggf. die Betriebskosten gesenkt werden können.
[0009] Bevorzugte Weiterbildungen der Misch- und Knetmaschine sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 angegeben.
[0010] Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Durchführung von kontinuierlichen Aufbereitungsprozessen mittels einer gemäss dem Anspruch 1 ausgebildeten Misch- und Knetmaschine vorzuschlagen, mittels welchem der Materialdurchsatz pro Zeiteinheit gesteigert werden kann.
[0011] Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäss dem Kennzeichen des Anspruchs 14 vorgeschlagen, die mit zumindest vier Gruppen von Schneckenflügeln versehene Schneckenwelle mit einer Drehzahl zwischen 5 und 3001/min zu betreiben, wobei der Schneckenwellenaussendurchmesser Da vorzugsweise zwischen 100 und 400 Millimetern liegt.
[0012] Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 16 und 17 angegeben.
[0013] Nachfolgend wird die Erfindung mittels Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
<tb>Fig. 1<sep>einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Misch- und Knetmaschine;
<tb>Fig. 2<sep>den geometrischen Aufbau eines Abschnitts einer erfindungsgemäss gestalteten Schneckenwelle;
<tb>Fig. 3<sep>die Schneckenwelle in einer Ansicht von der Stirnseite;
<tb>Fig. 4<sep>die Schneckenwelle in einer Seitenansicht, und
<tb>Fig. 5<sep>die Relativbewegung zwischen den Knetbolzen und den Schneckenflügeln in schematischer Darstellung.
[0014] Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Misch- und Knetmaschine 1. Die Misch- und Knetmaschine 1 weist ein von einem Gehäuse 2 umschlossenes Arbeitsorgan in Form einer Schneckenwelle 3 auf, welche mit einer Vielzahl von spiralförmig verlaufenden Schneckenflügeln 4 versehen ist. Die Schneckenflügel 4 der Schneckenwelle 3 sind in Umfangsrichtung unterbrochen, um axiale Durchtrittsöffnungen für am Gehäuse 2 angeordnete Knetbolzen oder Knetzähne 5 zu schaffen. Dadurch kann die Schneckenwelle 3 neben der eigentlichen Rotation auch eine axiale, d.h. eine translatorische Bewegung ausführen. Zwischen der Innenseite des Gehäuses 2 und der Schneckenwelle 3 wird der eigentliche Prozessraum 6 gebildet, der üblicherweise mehrere axial hintereinander angeordnete Verfahrenszonen 8-11 umfasst.
Im vorliegenden Beispiel weist die Misch- und Knetmaschine 1 beispielhaft eine Einzugszone 8, eine Aufschmelzzone 9, eine Misch-und Dispergierzone 10 sowie eine Entgasungszone 11 auf. Einlassseitig ist die Misch-und Knetmaschine 1 mit einem Fülltrichter 12 versehen, während auslassseitig eine Austrittsöffnung 13 vorgesehen ist, über welche das aufbereitete Material in Pfeilrichtung 14 austreten kann. Der grundsätzliche Aufbau einer derartigen Misch- und Knetmaschine ist beispielsweise aus der CH 278 575 bekannt. Obwohl im gezeigten Beispiel nur im Bereich der Misch- und Dispergierzone 10 Knetbolzen oder Knetzähne 5 eingezeichnet sind, können Knetbolzen oder Knetzähne 5, je nach Bedarf, natürlich auch in anderen Zonen angeordnet werden.
[0015] Um eine oder mehrere flüssige Komponente(n) an einer oder mehreren Stellen in den Prozessraum 6 einzuspritzen, sind Knetzähne 5x vorgesehen, welche mit einer Öffnung zum Einspritzen einer flüssigen Komponente versehen sind.
[0016] Die Fig. 2 zeigt den geometrischen Aufbau eines Abschnitts -Moduls- einer erfindungsgemäss gestalteten Schneckenwelle 3 in perspektivischer Ansicht. In einer Misch- und Knetmaschine 1 werden mehrere solcher Module hintereinander zu der eigentlichen Schneckenwelle angeordnet. Die Schneckenwelle 3 ist für den Einsatz in einer Misch- und Knetmaschine 1 vorgesehen, welche in der Form eines sogenannten Einschneckenextruders ausgebildet ist, wobei die Schneckenwelle 3 als rotierendes und sich gleichzeitig translatorisch bewegendes Arbeitsorgan ausgebildet ist, wie dies bei dem eingangs erwähnten Buss Ko-Kneter<(R)>der Fall ist. Das Schneckenwellenmodul 3a ist mit insgesamt vier Gruppen von Schneckenflügeln 4a-4d versehen, welche radial gleichmässig über den Umfang verteilt angeordnet sind.
Die jeweilige Gruppe besteht aus einer Mehrzahl von axial hintereinander angeordneten Schneckenflügeln 4a-4d, auch wenn im einen Fall nur ein einziger Schneckenflügel 4c eingezeichnet ist. Sobald jedoch mehrere Module hintereinander geschaltet sind, so umfasst jede Gruppe eine Vielzahl von axial hintereinander angeordneten Schneckenflügeln.
[0017] Sowohl in axialer wie auch in radialer Richtung bleibt zwischen den Schneckenflügeln 4a-4d jeweils eine Durchtrittsöffnung frei, in welche sich am Gehäuse angeordnete Knetbolzen oder Knetzähne (nicht dargestellt) erstrecken können. Der Innendurchmesser der Schneckenwelle 3 ist mit Di bezeichnet, während der Aussendurchmesser der Schneckenwelle 3 mit Da bezeichnet ist. Der Innendurchmesser Di wird durch die äussere Mantelfläche der Schneckenwelle 3 bestimmt, während der Aussendurchmesser Da durch den diametralen Abstand zwischen den höchsten Punkten voneinander diametral gegenüberliegenden, in axialer Richtung jedoch versetzten Knetflügeln 4a, 4c bestimmt wird. Die Teilung, d.h. der mittlere Abstand zwischen zwei in axialer Richtung aufeinander folgenden Schneckenflügeln 4a-4a ist mit T bezeichnet.
Der Hub, d.h. der Weg, den die Schneckenwelle 3 in axialer Richtung zurücklegt, wird mit H bezeichnet.
[0018] Anhand der Fig. 3, welche die Schneckenwelle 3 in einer Ansicht von der Stirnseite zeigt, ist erkennbar, dass die vier Schneckenflügel 4a-4d radial gleichmässig über den Umfang der Schneckenwelle 3 verteilt angeordnet sind.
[0019] Die Fig. 4 zeigt die Schneckenwelle 3 in einer Seitenansicht. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass die jeweilige Gruppe von Schneckenflügeln aus einer Mehrzahl von axial hintereinander angeordneten Schneckenflügeln 4a-4a, 4b-4b, 4c-4c besteht. Es versteht sich, dass die gesamte, aus einer Mehrzahl von Modulen bestehende Schneckenwelle nicht nur jeweils zwei axial hintereinander angeordnete Schneckenflügel aufweist, sondern ein Mehrfaches davon.
[0020] Die Fig. 5a zeigt eine Seitenansicht eines Schneckenflügels 4c während die Fig. 5b einen Querschnitt durch den Schneckenflügel 4c entlang der Linie L in der Fig. 5a zeigt. Die vier Kanten des Schneckenflügels 4c sind mit a, b, c und d bezeichnet. Obwohl der Schneckenflügel 4c im Querschnitt gesehen im Wesentlichen parallelogrammförmig ausgebildet ist, weist der gesamte Schneckenflügel bzw. dessen Mantelfläche eine komplexe Formgebung auf, wobei vorzugsweise zumindest die Hauptflächen als Freiformflächen ausgebildet sind. Der Vorteil solcher Freiformflächen wird anschliessend noch näher erläutert.
[0021] Auf das vorliegende Beispiel bezogen dreht sich der Schneckenflügel 4c im Betrieb im Uhrzeigersinn. Die Fläche zwischen den Kanten b und d entspricht somit der sogenannten Förderflanke F, während die Fläche zwischen den Kanten a und b der Rückförderflanke RF entspricht. Die Steigung der Förderflanke F wird daher mit pitch-bd bezeichnet, während die Steigung der Rückförderflanke RF mit pitch-ab bezeichnet wird. Erfindungsgemäss liegt das Verhältnis Da/pitch-bd von Schneckenwellenaussen-durchmesser dazu Steigung Förderflanke zwischen 1.5 und 4.0. Dadurch wird erreicht, dass das aufzubereitende Produkt definiert gefördert, geschert und mit gezielten Stromteilungen Mischvorgänge realisiert werden. Das Verhältnis Da/pitch-ab von Schneckenwellenaussendurchmesser dazu Steigung Rückförderflanke liegt zwischen 1.0 und 4.0.
Durch dieses Verhältnis wird sichergestellt, dass die Relativbewegung des Produkts immer in Förderrichtung weist.
[0022] Wie bereits erwähnt, sind die seitlichen Hauptflächen der Schneckenflügel 4a-4d vorzugsweise als Freiformflächen ausgebildet. Vorzugsweise sind auch die Hauptflächen der Knetbolzen oder Knetzähne (nicht dargestellt) als Freiformflächen ausgebildet. Eine Freiformfläche ist eine Fläche, deren dreidimensionale Geometrie in keinem Punkt einen natürlichen Anfangspunkt besitzt. Indem die Hauptflächen der Schneckenflügel 4a-4d und/oder der Knetbolzen oder Knetzähne zumindest teilweise als Freiformflächen ausgebildet sind, ergeben sich vorteilhafte Beeinflussungsmöglichkeiten bezüglich der statischen wie auch der dynamischen Schneckenwellengeometrie, beispielsweise in Bezug auf den zwischen einem Schneckenflügel und dem zugehörigen Knetbolzen oder Knetzähne verbleibenden Spalt.
Insbesondere kann die Grösse und der Verlauf dieses Spalts praktisch beliebig verändert werden, wobei gleichzeitig auch auf die der Drehbewegung überlagerte Axialbewegung der Schneckenwelle Rücksicht genommen werden kann. Dadurch kann letztlich ein optimierter mechanischer Energieeintrag und/oder eine Veränderung der im Prozessraum erzeugten und auf dem zu verarbeitenden Produkt einwirkenden Scher-und Dehnströmungsfelder erreicht werden.
[0023] Aus der Fig. 5 ist in vereinfachter Darstellung der Bewegungsablauf der sich translatorisch bewegenden Schneckenwelle ersichtlich, wobei die Innenseite des Gehäuses bzw. die Mantelfläche des Arbeitsraums in der Abwicklung dargestellt ist und nur einzelne Schneckenflügel 4a, 4b, 4c, 4d eingezeichnet sind. Die Knetbolzen 5a, 5b, 5c, 5d sind der Einfachheit halber als runde Elemente dargestellt. Anhand dieser Figur ist die Relativbewegung zwischen dem jeweiligen Schneckenflügel 4a, 4b, 4c, 4d und den angrenzenden Knetbolzen 5a, 5b, 5c, 5d ersichtlich.
Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist der Bewegungsablauf in kinematischer Umkehr eingezeichnet, d.h. die Schneckenflügel 4a, 4b, 4c, 4d werden als stillstehend angenommen, während sich die Knetbolzen 5a, 5b, 5c, 5d auf einer sinusförmigen Bahn bewegen, welche durch die Drehbewegung der Schneckenwelle und die überlagerte translatorische Bewegung zu Stande kommt. Die Teilung T ist ebenfalls eingezeichnet. Sie entspricht dem Abstand zwischen zwei in axialer Richtung benachbarten Knetbolzen 5 bzw. Schneckenflügeln 4c, 4f. Der Hub H der Schneckenwelle ist ebenfalls eingetragen.
[0024] Neben der Bedingung, dass die Schneckenwelle zumindest vier Gruppen von radial gleichmässig über den Umfang verteilten Schneckenflügeln aufweist, stellen sich die Verhältnisse bei der erfindungsgemäss ausgebildeten Schneckenwelle 3 wie folgt dar:
der Schneckenwellenaussendurchmesser Da liegt zwischen 100 und 400 Millimetern;
die Drehzahl der Schneckenwelle liegt zwischen 5 und 300 1/min;
das Verhältnis Da/pitch-bd von Schneckenwellenaussendurchmesser zu Steigung Förderflanke F liegt zwischen 1.5 und 4.0;
das Verhältnis Da/pitch-ab von Schneckenwellenaussendurchmesser zu Steigung Rückförderflanke RF liegt zwischen 1.0 und 4.0;
die einzelnen Elemente der Maschine sind derart auf die Betriebsparameter abgestimmt, dass die mittlere Verweilzeit der Komponenten bzw. der aufzubereitenden Masse im Prozessraum zwischen 60 und 1200 Sekunden liegt, wobei im Falle des Aufbereitens von Lebensmitteln die mittlere Verweilzeit zwischen 60 und 1200 Sekunden liegt, während bei der Aufbereitung von Kunststoffen durch reaktive Extrusion im Prozessraum die mittlere Verweilzeit der Komponenten bzw. der aufzubereitenden Masse im Prozessraum zwischen 120 und 600 Sekunden liegt;
das Verhältnis Pl/Da von Prozessraumlänge PI zu Schneckenwellenaussendurchmesser Da liegt zwischen 7 und 22;
bei der Aufbereitung von Lebensmitteln wird im Prozessraum eine Temperatur zwischen 5 und 140[deg.]C eingestellt, so dass sowohl Kühl- wie auch Kochprozesse stattfinden können;
bei der Aufbereitung von Kunststoffen wird im Prozessraum eine Temperatur zwischen 50 und 300[deg.]C eingestellt.
[0025] Im Vergleich mit herkömmlichen Maschinen kann der Durchsatz nachhaltig gesteigert werden. Eine mit einer derartigen Schneckenwelle versehene Maschine eignet sich in besonderer Weise für die Aufbereitung verschiedenster Massen u.a. für Lebensmittelindustrie. Diesbezüglich seien beispielsweise Teig oder eine Kaugummi Basis für die Herstellung von Kaugummi erwähnt. Aber auch Ausgangsstoffe für die Kunststoff Industrie wie beispielsweise Polyacrylate und Silikonpolymere können mi einer solchen Misch- und Knetmaschine in besonders vorteilhafter Weise hergestellt werden, wobei vorgängige Aufzählung keinesfalls als abschliessend zu betrachten ist Falls zumindest eine Komponente in flüssiger Form vorliegt, so wird diese vorzugsweise über einen oder mehrere Knetzähne in den Prozessraum eingespritzt.
[0026] Vorzugsweise weist die Maschine folgende weitere Kennwerte auf:
das Verhältnis Da/Di zwischen Schneckenwellenaussendurchmesser Da und Schneckenwelleninnendurchmesser liegt Di zwischen 1.5 und 2.0;
das Verhältnis Da/H zwischen Schneckenwellenaussendurchmesser Da und Hub H liegt zwischen 4 und 6;
das Verhältnis T/H zwischen Teilung T und Hub H liegt zwischen 1.2 und 2.5.
The invention relates to a mixing and kneading machine for continuous treatment processes, with a rotating in a housing and at the same time translationally moving worm shaft according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a method for carrying out continuous treatment processes by means of a according to a of claims 14 to 17 trained mixing and kneading machine. Finally, preferred uses of the machine are claimed in claims 18 and 19.
Mixing and kneading machines of the type in question are used in particular for the preparation of bulk-like (powder, granules, flakes, etc.), plastic and / or pasty masses.
The working member of the mixing and kneading machine is usually designed as a so-called worm shaft, which transports the material to be processed in the axial direction forward.
In conventional mixing and kneading machines, the working body only performs a rotary movement. In addition, however, mixing and kneading machines are also known in which the working member rotates and simultaneously translates. The movement sequence of the working member is characterized in particular by the fact that the main shaft performs a rotation superimposed sinusoidal movement. This movement allows the housing side attaching internals, so-called kneading bolts or kneading teeth. The helical screw flight of the worm shaft is interrupted so that individual kneading or screw flights are formed. The arranged on the main shaft screw flights and the housing-side internals interlock and thus produce the desired shearing / mixing and kneading in different process zones.
Such mixing and kneading machines of the latter type are known to experts in particular under the term Buss co-kneader <(R)>.
For certain applications such as the production of raw materials for the plastics industry to produce a reactive extrusion, in particular a polymerization, polycondensation or polyaddition as well as for the preparation of various masses for the food industry, such as dough, a gum base -Gumbase - For the production of chewing gum, etc., it would be desirable if the ejection of the machine could be sustainably increased, without the machine must be increased significantly, since an increase of the machine in addition to an increase in costs also associated with other disadvantages:
For example, disproportionate increase of mechanical forces (static, dynamic), thermal expansion differences between worm shaft and housing and unfavorable change in surface / volume ratio.
The object of the invention is thus to develop a trained according to the preamble of claim 1 mixing and kneading machine such that at a given machine size, the throughput per unit time can be increased sustainably, or that reduces the size of the machine at a given throughput can be.
This object is achieved with a mixing and kneading machine, which has the features specified in the characterizing part of claim 1.
By the worm shaft of the mixing and kneading machine is provided with at least four screw flights, the dispersing, mixing and homogenizing compared to conventional, provided with at most three Schneckenflügeln machines can be sustainably increased without enlarging the machine itself. As a result, the throughput can be significantly increased for a given machine size. Related tests have shown that the throughput can be increased by up to 50% compared to conventional machines. This is accompanied by the further advantage that the weight of the machine, their space requirements as well as the manufacturing and possibly the operating costs can be reduced.
Preferred developments of the mixing and kneading machine are given in the dependent claims 2 to 13.
Another object of the invention is to propose a method for carrying out continuous treatment processes by means of a mixing and kneading machine designed according to claim 1, by means of which the material throughput per unit time can be increased.
To solve this problem, it is proposed according to the characterizing part of claim 14 to operate with at least four groups of screw flights provided worm shaft at a speed between 5 and 3001 / min, the Schneckenwellenaussendurchmesser Da is preferably between 100 and 400 millimeters.
Preferred developments of the method are given in the dependent claims 16 and 17.
The invention will be explained in more detail by means of drawings. It shows:
<Tb> FIG. 1 <sep> a longitudinal section through a mixing and kneading machine shown schematically;
<Tb> FIG. 2 <sep> the geometric structure of a section of a worm shaft designed according to the invention;
<Tb> FIG. 3 <sep> the worm shaft in a view from the front side;
<Tb> FIG. 4 <sep> the worm shaft in a side view, and
<Tb> FIG. 5 <sep> the relative movement between the kneading bolts and the worm wings in a schematic representation.
Fig. 1 shows a longitudinal section through a mixing and kneading machine 1 shown schematically. The mixing and kneading machine 1 has a housing 2 enclosed by a working member in the form of a worm shaft 3, which is provided with a plurality of helically extending screw flights 4 is. The worm wings 4 of the worm shaft 3 are interrupted in the circumferential direction in order to provide axial passage openings for kneading bolts or kneading teeth 5 arranged on the housing 2. As a result, the worm shaft 3 can, in addition to the actual rotation, also have an axial, i. perform a translatory movement. Between the inside of the housing 2 and the worm shaft 3, the actual process space 6 is formed, which usually comprises a plurality of process zones 8-11 arranged axially one behind the other.
In the present example, the mixing and kneading machine 1 by way of example comprises a feed zone 8, a melting zone 9, a mixing and dispersing zone 10 and a degassing zone 11. On the inlet side, the mixing and kneading machine 1 is provided with a hopper 12, while the outlet side, an outlet opening 13 is provided, via which the processed material can escape in the direction of arrow 14. The basic structure of such a mixing and kneading machine is known for example from CH 278 575. Although kneading bolts or kneading teeth 5 are shown in the example shown only in the area of the mixing and dispersing zone, kneading bolts or kneading teeth 5, of course, can also be arranged in other zones, as required.
In order to inject one or more liquid component (s) at one or more locations in the process space 6, kneading teeth 5x are provided, which are provided with an opening for injecting a liquid component.
Fig. 2 shows the geometric structure of a section -Moduls- an inventively designed worm shaft 3 in a perspective view. In a mixing and kneading machine 1 several such modules are arranged one behind the other to the actual worm shaft. The worm shaft 3 is provided for use in a mixing and kneading machine 1, which is designed in the form of a so-called single-screw extruder, wherein the worm shaft 3 is designed as a rotating and at the same time translationally moving working member, as in the case of the bus mentioned above. Kneader <(R)> is the case. The worm shaft module 3a is provided with a total of four groups of screw flights 4a-4d, which are distributed radially uniformly over the circumference.
The respective group consists of a plurality of axially successively arranged screw flights 4a-4d, even if in one case only a single screw flight 4c is shown. However, as soon as a plurality of modules are connected in series, each group comprises a multiplicity of screw flights arranged axially one behind the other.
Both in the axial and in the radial direction remains between the screw flights 4a-4d each have a passage opening, in which arranged on the housing kneading bolts or kneading teeth (not shown) may extend. The inner diameter of the worm shaft 3 is denoted by Di, while the outer diameter of the worm shaft 3 is denoted by Da. The inner diameter Di is determined by the outer surface of the worm shaft 3, while the outer diameter Da is determined by the diametrical distance between the highest points diametrically opposed, but offset in the axial direction kneading blades 4a, 4c. The division, i. the mean distance between two successive worm vanes 4a-4a in the axial direction is designated T.
The hub, i. the path traveled by the worm shaft 3 in the axial direction is designated by H.
With reference to FIG. 3, which shows the worm shaft 3 in a view from the front side, it can be seen that the four screw vanes 4a-4d are distributed radially uniformly over the circumference of the worm shaft 3.
4 shows the worm shaft 3 in a side view. It can be seen from this illustration that the respective group of screw flights consists of a plurality of screw flights 4a-4a, 4b-4b, 4c-4c arranged axially one behind the other. It is understood that the entire, consisting of a plurality of modules screw shaft not only has two axially successively arranged worm wings, but a multiple thereof.
Fig. 5a shows a side view of a worm wing 4c while Fig. 5b shows a cross section through the worm wing 4c along the line L in Fig. 5a. The four edges of the worm wing 4c are labeled a, b, c and d. Although the worm wing 4c, seen in cross-section, is essentially parallelogram-shaped, the entire worm wing or its lateral surface has a complex shape, wherein preferably at least the main faces are formed as free-form surfaces. The advantage of such free-form surfaces will be explained in more detail below.
Referring to the present example, the worm wing 4c rotates clockwise during operation. The area between the edges b and d thus corresponds to the so-called conveyor flank F, while the area between the edges a and b corresponds to the return conveyor edge RF. The slope of the conveying flank F is therefore referred to as pitch-bd, while the pitch of the return flank RF is referred to as pitch-ab. According to the invention, the ratio Da / pitch-bd of the external screw shaft diameter to the slope of the conveyor flank lies between 1.5 and 4.0. It is thereby achieved that the product to be processed is conveyed in a defined manner, sheared and mixing processes are carried out with targeted flow divisions. The ratio Da / pitch-from of the outer shaft diameter to the slope of the return side is between 1.0 and 4.0.
This ratio ensures that the relative movement of the product always points in the conveying direction.
As already mentioned, the lateral main surfaces of the screw flights 4a-4d are preferably designed as free-form surfaces. Preferably, the main surfaces of the kneading bolts or kneading teeth (not shown) are formed as free-form surfaces. A freeform surface is an area whose three-dimensional geometry does not have a natural starting point at any point. By the main surfaces of the screw flights 4a-4d and / or the kneading or kneading teeth are at least partially formed as free-form surfaces, there are advantageous influencing possibilities with respect to the static as well as the dynamic worm shaft geometry, for example, with respect to the remaining between a worm wing and the associated kneading or kneading teeth Gap.
In particular, the size and the course of this gap can be changed practically arbitrarily, while at the same time the axial movement of the worm shaft superimposed on the rotational movement can be taken into consideration. As a result, an optimized mechanical energy input and / or a change of the shear and expansion flow fields generated in the process chamber and acting on the product to be processed can ultimately be achieved.
5, the movement of the translationally moving worm shaft is shown in a simplified representation, wherein the inside of the housing or the lateral surface of the working space is shown in the settlement and only individual screw flights 4a, 4b, 4c, 4d are drawn , The kneading bolts 5a, 5b, 5c, 5d are shown as round elements for the sake of simplicity. On the basis of this figure, the relative movement between the respective screw vanes 4a, 4b, 4c, 4d and the adjacent kneading studs 5a, 5b, 5c, 5d can be seen.
For better clarity, the movement sequence is shown in kinematic reversal, i. the worm wings 4a, 4b, 4c, 4d are assumed to be stationary, while the kneading pins 5a, 5b, 5c, 5d move in a sinusoidal path, which is brought about by the rotational movement of the worm shaft and the superimposed translatory movement. The division T is also shown. It corresponds to the distance between two kneading studs 5 or screw vanes 4c, 4f which are adjacent in the axial direction. The stroke H of the worm shaft is also entered.
In addition to the condition that the worm shaft has at least four groups of radially uniformly distributed worm wings over the circumference, the conditions in the worm shaft 3 formed according to the invention are as follows:
the worm shaft outer diameter Da is between 100 and 400 millimeters;
the speed of the worm shaft is between 5 and 300 rpm;
the ratio Da / pitch-bd of the worm shaft outside diameter to the slope F is between 1.5 and 4.0;
the ratio Da / pitch-from worm shaft OD to pitch return RF is between 1.0 and 4.0;
the individual elements of the machine are tuned to the operating parameters such that the average residence time of the components or the mass to be processed in the process chamber is between 60 and 1200 seconds, wherein in the case of food preparation, the average residence time is between 60 and 1200 seconds, while in the processing of plastics by reactive extrusion in the process space, the average residence time of the components or of the mass to be processed in the process space is between 120 and 600 seconds;
the ratio Pl / Da of process space length PI to worm shaft outer diameter Da is between 7 and 22;
During the processing of food, a temperature between 5 and 140 ° C is set in the process room, so that both cooling and cooking processes can take place;
In the processing of plastics, a temperature between 50 and 300 ° C is set in the process room.
In comparison with conventional machines, the throughput can be increased sustainably. A provided with such a screw shaft machine is particularly suitable for the preparation of a variety of masses u.a. for food industry. In this regard, for example, dough or a chewing gum base for the production of chewing gum may be mentioned. But starting materials for the plastics industry such as polyacrylates and silicone polymers can be produced with such a mixing and kneading machine in a particularly advantageous manner, the previous list is by no means considered exhaustive If at least one component is in liquid form, it is preferably over one or more kneading teeth injected into the process space.
Preferably, the machine has the following further characteristic values:
the ratio Da / Di between the outer helix diameter Da and the helical inner diameter is between 1.5 and 2.0;
the ratio Da / H between worm shaft outer diameter Da and stroke H is between 4 and 6;
the ratio T / H between pitch T and stroke H is between 1.2 and 2.5.