DE10024813A1 - Maschine zur Verarbeitung von Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Die Maschine weist einen festen Stator (18) und einen mit einer rotierenden Welle (13) verbundenen Rotor (19) auf, welche Zähne (20, 21) aufweisen, welche in einen stirnseitigen kegelförmigen Arbeitsraum (27) hineinragen. Auf der Rückseite eines Rotorträgers (20) befindet sich ein Rückraum (38), dessen Breite (B1) an der engsten Stelle größer ist als die Breite (b) des Arbeitsraumes (27). Durch eine großvolumige Ausgestaltung des Rückraumes (38) wird erreicht, dass die Maschine bei einem Reinigungslauf besser von Reinigungsfluid durchströmt wird, welches dem Einlass (23) zugeführt und aus dem Auslass (24) abgeführt wird. Insbesondere die rückwärtigen Teile des Rotorträgers und eine im Rückraum (38) befindliche Lageranordnung (35) werden von einem Reinigungsfluid umspült. Die Maschine eignet sich insbesondere zur Milchverarbeitung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine zur Verarbeitung von Flüs­ sigkeiten, mit einem Stator und einem Rotor zwischen denen ein Arbeitsraum gebildet ist, in den Statorzähne und Rotorzähne hineinragen.

Bekannte Maschinen zum Mischen, Homogenisieren, Emulgieren oder Dispergieren von Flüssigkeiten haben einen ringförmigen Stator und einen ringförmigen Rotor, die einen kegelstumpfförmigen Ar­ beitsraum bilden, in welchen Statorzähne und Rotorzähne hinein­ ragen. In dem Arbeitsraum wird die Flüssigkeit einer intensiven Scherwirkung und Umverteilung ausgesetzt, so dass eine Homoge­ nisierung erreicht wird und die Flüssigkeit die Maschine durch den Auslass verlässt. Üblicherweise ist der Rotor an einem Ro­ torträger befestigt, welcher auf einer rotierenden Welle ange­ ordnet ist. Der Rotor besteht aus mehreren Ringen, von denen jeder einen Kranz von Zähnen oder Zahnlücken aufweist. Der Ro­ torträger rotiert mit engem Abstand vor einer Rückwand des den Rotor enthaltenden Gehäuses. Zwischen der Rückwand und dem Ro­ torträger befindet sich ein sehr schmaler Rückraum. Dieser Rückraum hat ein geringes Volumen, um den Totraum im Gehäuse im Gehäuse möglichst klein zu halten und zu vermeiden, dass Flüs­ sigkeit nutzlos umgewälzt wird.

Es gibt Anwendungen bei denen Maschinen zur Flüssigkeitsbear­ beitung relativ häufig gereinigt werden müssen. Solche Anwen­ dungen bestehen in der Lebensmittelindustrie, insbesondere bei der Verarbeitung von Milch. Hier ist es üblich die Maschine täglich zu reinigen, wobei unterschiedliche Arten von Reinigun­ gen möglich sind, nämlich einmal eine manuelle Reinigung, die ein Demontieren der wesentlichen Maschinenkomponenten erfor­ dert, und zum anderen eine kontinuierliche Durchflussreinigung, bei der eine Reinigungsflüssigkeit in die Maschine eingegeben wird. Bei der kontinuierlichen Reinigung wird im Allgemeinen ein Kreislauf von Reinigungsflüssigkeit erzeugt und die Maschi­ ne bei angetriebenem Rotor gereinigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Maschine zum Be­ arbeiten von Flüssigkeiten zu schaffen, die auf einfache Weise und gründlich im Durchlaufbetrieb gereinigt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit denen im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach begrenzt die den Wellendurchlass aufweisende Rückwand zusammen mit dem Rotorträ­ ger einen Rückraum, dessen Breite an der engsten Stelle größer ist als die Breite des Arbeitsraumes. Dies bedeutet, dass die Rückwand, die normalerweise nahe am rotierenden Rotorträger an­ geordnet ist, derart nach Außen verlagert ist, dass hinter dem Rotorträger ein relativ großer Rückraum entsteht. Dieser Rück­ raum nimmt während des Arbeitens der Maschine an der Verarbei­ tung von Flüssigkeit nicht teil. Er bildet vielmehr beim Arbei­ ten der Maschine einen weitgehend nutzlosen Raum. Der wesentli­ che Vorteil des Rückraums besteht darin, dass er beim Reinigen leicht durchströmt werden kann, weil in ihm keine engen Spalte vorhanden sind. Folglich gelangt die Reinigungsflüssigkeit un­ gehindert an sämtliche Stellen des Rückraums, so dass es nicht erforderlich ist, zum Reinigen die Maschine zu demontieren. Das Reinigen erfolgt normalerweise bei angetriebenem Rotor, wobei eine Reinigungsflüssigkeit in einem Kreislauf zirkuliert wird und durch einen axialen Einlass in die Maschine gelangt und diese durch einen seitlichen Auslass wieder verlässt. Die Rei­ nigungsflüssigkeit durchströmt dabei den zwischen Stator und Rotor gebildeten Arbeitsraum und gelangt danach in den Rückraum und von dort zum Auslass.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für Flüssigkeiten der Lebensmittelindustrie und speziell für Milch und Milchprodukte. Sie kann jedoch auch auf anderen Gebieten eingesetzt werden. Besondere Vorteile bieten sich dort, wo eine häufige Reinigung der Maschine mit Flüssigkeit oder Dampf erforderlich ist.

Vorzugsweise ist die Breite des Rückraumes an der engsten Stel­ le größer als die doppelte Breite der engsten Stelle des Ar­ beitsraumes. Während die Reinigungsflüssigkeit im Arbeitsraum durch die umlaufenden Zähne einer starken Scherbelastung ausge­ setzt ist und ständig verwirbelt wird, erfolgt in dem Rückraum eine weniger turbulente Strömung, die speziell so gerichtet wird, dass sie an den Wänden des Rückraums, möglichst ohne Bil­ dung von Totwasserzonen, entlangstreicht. Allerdings verklei­ nert sich der Querschnitt des Rückraumes zum Auslass hin, so dass die Reinigungsflüssigkeit mit erhöhter Strömungsgeschwin­ digkeit in den Auslass einströmt und dabei insbesondere den Einströmbereich des Auslasses spült.

Vorzugsweise ist der Rotorträger mit Agitationselementen ausge­ stattet, die in den Rückraum hineinragen, um dort als Pumpen­ schaufeln zu wirken. Die Rotationselemente bestehen vorzugswei­ se aus den Köpfen von Schrauben, die den Rotor am Rotorträger festhalten.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Sta­ torzähne und/oder die Rotorzähne abgerundete Kanten haben und poliert sind. Durch die abgerundeten Kanten und das Polieren wird eine extrem hohe Oberflächenglätte erzielt, wodurch das Anhaften von Flüssigkeitspartikeln erschwert und das Reinigen erleichtert wird. In der Vergangenheit hatten die Zähne stets scharfe (eckige) Kanten.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das Ge­ häuse mit einem den Stator tragenden Deckel abgeschlossen ist, der mit Knebelschrauben, welche auf Abstandsbolzen sitzende Knebel haben, angeschraubt ist. Das Gehäuse kann also werk­ zeuglos durch Drehen der Knebelschrauben mit der Hand geöffnet werden, wobei die Abstandsbolzen das Ergreifen und Drehen der Knebel erleichtern.

Schließlich sind gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zwi­ schen dem Rotorträger und dem Rotor und/oder zwischen einem Deckel und dem Stator und/oder zwischen Teilen des Gehäuses ringförmige Flachdichtungen angeordnet. Diese Flachdichtungen haben im Vergleich zu O-Ringen den Vorteil, dass sie besser ge­ reinigt werden können, weil sie die entsprechenden Nuten besser ausfüllen und keine Leerräume vorhanden sind.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Aus­ führungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Maschine zum Verarbei­ ten von Flüssigkeiten und

Fig. 2 einen Längsschnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1.

Die Maschine enthält gemäß Fig. 1 einen Lagerteil 10 und einen Arbeitsteil 11. Der Lagerteil 10 enthält ein Gehäuse 12, durch das sich eine Welle 13 hindurch erstreckt. Diese Welle führt in den Arbeitsteil 11. Zwischen Lagerteil 10 und Arbeitsteil 11 befindet sich ein durch Stege 14 überbrückter Zwischenraum 15, durch den die Welle 13 hindurchgeht. Dieser Zwischenraum 15 dient zur Kontrolle des Betriebs und zur Erleichterung von War­ tungs- und Montagearbeiten.

Der Arbeitsteil 11 weist ein Gehäuse 16 auf, dessen Stirnseite mit einem Deckel 17 verschlossen ist. Der Deckel 17 ist zu­ gleich ein Statorträger und enthält einen darin befestigten Stator 18. Dieser Stator 18 wirkt mit einem auf der Welle 13 befestigten Rotor 19 zusammen. Der Stator 18 enthält eine als Innenkegel ausgebildete Statorwand, von der Statorzähne 20 axial zur Welle 13 abstehen. Der Rotor 19 weist eine kegel­ stumpfförmige Arbeitsfläche auf von der Rotorzähne 21 axial zur Welle 13 abstehen. Die Statorzähne und Rotorzähne sind jeweils als Zahnkränze ausgebildet, wobei Zähne und Zahnlücken eng in­ einander greifen. Der Rotor 19 ist mit einer Schraube 22 an dem stirnseitigen Ende der Welle 13 befestigt.

An dem Deckel 18 befindet sich ein Einlass 23, der koaxial zur Welle 13 verläuft. Durch den Einlass 23 wird die zu verarbei­ tende Flüssigkeit dem Arbeitsraum zugeführt. Seitlich an dem Gehäuse 16 befindet sich ein Auslass 24, der hier radial ver­ läuft, jedoch auch eine andere Ausrichtung (z. B. tangential) haben kann.

Das Lagergehäuse 12 des Lagerteils 10 enthält ein tauchge­ schmiertes Lager und die entsprechenden Öffnungen für Ölzufuhr, Ölablauf sowie ein Inspektionsfenster.

Eine typische Drehzahl des Rotors beträgt 7000 U/min. wobei sich eine Umfangsgeschwindigkeit des Rotors von 45 m/sec er­ gibt.

Fig. 2 zeigt die Maschine im geschlossenen Zustand, wobei der Deckel 17 mit langschäftigen Schrauben 25 festgeschraubt ist. An dem Deckel 17 ist der Stator 18 mit Schrauben 26 befestigt.

Der Stator 18 und der Rotor 19 begrenzen einen kegelstumpfför­ migen Arbeitsraum 27, in den von der einen Seite her die Sta­ torzähne 20 und von der anderen Seite hier die Rotorzähne 21 hineinragen. Der Arbeitsraum 27 hat eine Breite b, die etwa gleich der Zahnhöhe ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, haben die Statorzähne 20 und die Rotorzähne 21 abgerundete Ecken, und zwar sowohl an den oberen Zahnenden als auch bei den Hohlecken am Zahnfuß. Die Zähne sind feinpoliert und haben eine extrem glatte Oberfläche. Sie sind zueinander komplementär ausgebil­ det, so dass bei miteinander fluchtenden Zähnen sich ein an al­ len Stellen etwa gleich schmaler mäanderförmiger Zahnspalt er­ gibt.

Der Stator 18 und der Rotor 19 sind jeweils einstückig, d. h. die Statorzähne und Rotorzähne sind innen einstückig angeformt. Dies bedeutet, dass keine separaten Zahnringe vorhanden sind und sich somit auch keine Fremdstoffe darunter oder in Zwi­ schenräumen absetzen können.

Der Rotor 19 ist mit Schrauben 29 an einem Rotorträger 30 befe­ stigt, welcher an der Welle 13 mit einem Keil 31 drehfest ange­ bracht ist. Die Schraube 22 drückt den Rotor 19 gegen den Ro­ torträger 30 und diesen gegen eine Wellenhülse 32, welche die Welle 13 umgibt und axial an der Welle abgestützt ist. Durch Lösen der Schraube 22 kann die Einheit aus Rotorträger 30 und Rotor 19 von der Welle entfernt werden.

Das Gehäuse 16 ist seiner dem Einlass 23 abgewandten Rückseite durch eine Rückwand 33 abgeschlossen, die einen Wellendurchgang 34 aufweist und in den Zwischenraum 15 hinein ausgebaucht ist. Der Wellendurchgang, bzw. der Durchgang der Wellenhülse 32, ist mit einer Dichtungsanordnung 35 abgedichtet, die eine Glei­ tringdichtung mit einem feststehenden Ring 36 und einem mitdre­ henden Ring 37 aufweist. Die Rückwand 33 begrenzt einen hinter dem Rotorträger 30 gebildeten ringförmigen Rückraum 38 des Ge­ häuses 16.

Der Arbeitsraum 27 zwischen Stator und Rotor 19 ist radial nach außen durch eine Lochwand 39 des Stators begrenzt. Die Lochwand 39 enthält zahlreiche radial angeordnete Bohrungen. Sie ist von einer weiteren Lochwand 40 umgeben, die Bestandteil eines am Rotorträger 30 befestigten Ringes 41 ist. Die Bohrungen der Lochwände 39 und 40 kommen bei Drehung des Rotors abwechselnd zur Deckung und zum Verschluss. Auf diese Weise wird die Flüs­ sigkeit nach dem Passieren der Zähne 20, 21 in schmalen, zeit­ lich begrenzten Strahlen in einen Ringraum 43 gedrückt, der den Rotor umgibt und mit dem Rückraum 38 in Verbindung steht.

Der Rückraum 38 hat zwischen Rotorträger 30 und Rückwand 33 ei­ ne Breite, die wesentlich größer ist als die Breite b des Ar­ beitsraumes 27. Die kleinste Breite B1 ergibt sich am äußeren Umfang des Rückraumes 38 und die größte Breite B2 ergibt sich im wellennahen Bereich. Die Schrauben 29, die auch den Ring 42 am Rotorträger 30 festhalten, bilden mit ihren Köpfen Pump­ schaufeln zum Befördern und Weitertreiben der in dem Rückraum 38 enthaltenen Flüssigkeit. Da der Rotor mit einer relativ ho­ hen Drehzahl von 7000 U/min rotiert, ergibt sich bei einer Um­ fangsgeschwindigkeit von 45 m/sec eine hohe Zentrifugalwirkung, wodurch die Flüssigkeit nach Außen getrieben und dem Auslass 24 zugeführt wird.

Die Breite des Rückraums 38 verringert sich kontinuierlich vom wellennahen Bereich nach Außen.

Zwischen dem Rotorträger 30 und dem Rotor 19 bzw. zwischen die­ sen Komponenten und dem Ring 42 befinden sich Flachdichtungen 44, die jeweils in entsprechenden Nuten enthalten sind. Die Nu­ ten haben jeweils zur Mitte des von ihnen beschriebenen Kreises hin die größte Nuttiefe, während der Nutboden nach Außen hin leicht ansteigt. Entsprechende Flachdichtungen sind auch unter den Köpfen der Schrauben 29 angeordnet sowie zwischen den Tei­ len des Gehäuses 16 und zwischen dem Deckel 17 und dem Stator 18. Auch das Ende der Wellenhülse 32 ist mit einer solchen Flachdichtung 44 gegen die Rückfläche des Rotorträgers 30 abge­ dichtet.

Die Schrauben 25, die den Deckel 17 auf dem Gehäuse 16 festhal­ ten sind Knebelschrauben. Sie sind jeweils an einem Schaft 45, der durch den Deckel 17, einem Gehäusering 46 und die Rückwand 33 hindurchgeht und mit einem Gewindeteil 47 in ein Innengewin­ de der die Stege 14 aufweisenden Tragkonstruktion einge­ schraubt. Jede Schraube 25 weist einen Abstandsbolzen 48 auf, der sich an der Frontseite des Deckels 17 abstützt, und einen mit der Hand zu ergreifenden und zu drehenden Knebel 49. Insge­ samt sind vier solcher Schrauben 25 vorhanden. Nach dem Lösen dieser Schrauben kann zunächst der Deckel 17 mit dem Stator 18 entfernt werden. Dann kann der Gehäusering 46 mit dem Auslass 24 abgenommen werden. Nach dem Lösen der Schraube 22 kann der Rotor 19 mit Rotorträger 30 entfernt werden. Diese Teile sind dann für eine externe Reinigung zugänglich. Auch die Wand des Rückraums 38 kann auf diese Weise gereinigt werden.

Bei einer kontinuierlichen Reinigung im geschlossenen Zustand wird durch den Einlass 23 ein Reinigungsfluid zugeführt, insbe­ sondere eine Säure oder Lauge oder auch Dampf. Bei rotierendem Rotor 19 strömt das Reinigungsfluid durch den kegelstumpfförmi­ gen Arbeitsraum 27 nach Außen in den Ringraum 43 und von dort in den Rückraum 38. Im Rückraum 38 wird das Fluid von den Köp­ fen der Schrauben 29 angetrieben und durch Zentrifugalkraft nach Außen geschleudert. Das Fluid verlässt den Rückraum 38 an der Stelle der geringsten Breite B1, um dem Auslass 24 zuzu­ strömen. Diese Art der Reinigung kann im Zirkulationsbetrieb für beispielsweise eine Stunde durchgeführt werden.

Durch die Erfindung ist sichergestellt, dass das Reinigungsfluid ungehindert an sämtliche Stellen der Maschine gelangt und das keine Schmutzecken entstehen in denen sich Re­ ste festsetzen können. Die Maschine eignet sich generell zum Homogenisieren, Mischen, Emulgieren von Flüssigkeiten. Der re­ lativ breite Rückraum 38 stört den normalen Arbeitsbetrieb der Maschine nicht. Auf das Reinigungsverhalten der Maschine wirkt er sich günstig aus.

Claims (11)

1. Maschine zum Verarbeiten von Flüssigkeiten, mit einem Sta­ tor (18) und einen Rotor (19), die einen stirnseitigen Ar­ beitsraum (27) begrenzen und in den Arbeitsraum vorstehen­ de, miteinander kämmende Statorzähne (20) und Rotorzähne (21) aufweisen, wobei der Rotor (19) an einem Rotorträger (30) befestigt ist, der mit einer Welle (13) rotatorisch verbunden ist, und mit einem den Stator (18) und den Rotor (19) umgebenden Gehäuse (16) mit einem axialen Einlass (23), einem seitlichen Auslass (24) und einer Rückwand (33), die einen Wellendurchlass (34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückwand (33) zusammen mit dem Rotorträger (30) einen Rückraum (38) begrenzt, dessen Breite (B1) an der engsten Stelle größer ist als die Breite (b) des Arbeits­ raumes (27).

2. Maschine zum Verarbeiten von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B1) des Rückraums (38) an der engsten Stelle größer ist als die doppelte Breite (b) der engsten Stelle des Arbeitsraumes (27).

3. Maschine zum Verarbeiten von Flüssigkeiten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückwand (33) des Gehäuses (16) nach Außen gewölbt ist, derart, dass der Rückraum (38) nahe der Welle (13) die größte Breite hat und sich radial nach Außen verengt.

4. Maschine zum Verarbeiten von Flüssigkeiten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die größte Breite (B2) des Rückraums (38) mindestens doppelt so groß ist, vorzugsweise mindestens dreimal so groß ist, wie die Breite (B1) an der engsten Stelle des Rückraums.

5. Maschine zum Verarbeiten von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dich­ tungsanordnung (35) zur Abdichtung zwischen der Rückwand (33) und einer die Welle (13) umgebenden Wellenhülse (32) von der Rückwand (33) her in den Rückraum (38) vorsteht.

6. Maschine zum Verarbeiten von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorträ­ ger (30) mit Agitationselementen ausgestattet ist, die in den Rückraum (38) hineinragen.

7. Maschine zum Verarbeiten von Flüssigkeiten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Agitationselemente Köpfe von Schrauben (29) sind, mit denen der Rotor (19) an dem Rotorträger (30) befestigt ist.

8. Maschine zum Verarbeiten von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stator­ zähne (20) und/oder die Rotorzähne (21) abgerundete Kanten haben und poliert sind.

9. Maschine zum Verarbeiten von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (18) und/oder der Rotor (19) aus einem einstückigen Ring besteht, der mehrere Kränze von Zähnen und/oder Zahnlücken aufweist.

10. Maschine zum Verarbeiten von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) mit einem den Stator (18) tragenden Deckel (17) abge­ schlossen ist, der mit Knebelschrauben (25), welche auf Ab­ standsbolzen (48) sitzende Knebel (49) haben, angeschraubt ist.

11. Maschine zum Verarbeiten von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotorträger (30) und dem Rotor (19) und/oder zwischen ei­ nem Deckel (17) und dem Stator (18) und/oder zwischen Tei­ len des Gehäuses (16) ringförmige Flachdichtungen (44) an­ geordnet sind.