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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Homogenisierapparat, der zum Beispiel verwendbar ist, um mehrere miteinander unverträgliche Flüssigkeiten mechanisch zu mischen und zu rühren, um die Flüssigkeiten zu zerstäuben, zu emulgieren und zu dispergieren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Verbesserung, um beim Zerstäuben der Flüssigkeiten eine scharfe Korndurchmesserverteilung in Übereinstimmung mit einem Zielkorndurchmesser zu erzielen.
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In den vergangenen Jahren sind NOx und Schwebepartikelmaterial (SPM), wie beispielsweise Ruß, die im Auspuffgas eines Dieselmotors enthalten sind, unter dem Gesichtspunkt der Umweltbelastung ein großes soziales Problem gewesen. Als Maßnahmen zur Lösung dieses mit dem Auspuffgas verbundenen Problems ist ein Dieselmotor, der einen Wasseremulsion-Kraftstoff verwendet, vorgeschlagen und in ein kommerzielles Stadium gebracht worden. Dieser Wasseremulsion-Kraftstoff ist ein Kraftstoff, der durch Mischen und Emulgieren von Leichtöl und Wasser hergestellt wird, und es ist berichtet worden, daß in dem Dieselmotor, der den Kraftstoff verwendet, SPM- und NOx-Emissionsmengen wesentlich gesenkt wurden.
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Dieser Wasseremulsion-Kraftstoff ist zum Beispiel einer, der so hergestellt wird, daß Öl und Wasser in einem Verhältnis von 1:1 gemischt werden, anschließend das gemischte Material auf einen Korndurchmesser von ungefähr 1 μm zerstäubt und emulgiert wird. Um eine stabile Verbrennung im Motor sicherzustellen, ist es wichtig, daß sich die Korndurchmesserverteilung auf einen um 1 μm herum zentrierten schmalen Bereich ohne größere Streuung konzentriert.
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Herkömmlich sind als Vorrichtung zum Mischen und Rühren von zwei miteinander unverträglichen Flüssigkeiten wie Wasser und Öl verschiedene Typen von Homogenisierapparaten allgemein bekannt, die in Produktionsanlagen für Lebensmittel, chemische Produkte oder dergleichen, Versuchsanlagen usw. oft verwendet werden. Von diesen Homogenisierapparaten sind ein sogenannter Rotor/Stator-Homogenisierapparat, ein Hochdruck-Homogenisierapparat und dergleichen als geeignete Homogenisierapparate zur Erzeugung von Emulsionen bekannt.
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Als Rotor/Stator-Homogenisierapparat sind einer, dessen Markenname ”Megatron” ist und der von KINEMATICA AG (Schweiz) hergestellt wird, einer, dessen Markenname ”Clearmix” ist und der von ORGANO CORPORATION hergestellt wird, und dergleichen bekannt. Jeder dieser Rotor/Stator-Homogenisierapparate weist einen innerhalb einer Rührkammer angebrachten zylindrischen Stator und einen Rotor auf, der in einem Hohlraum des Stators untergebracht ist und von einem Motor mit einer vorgegebenen Drehzahl gedreht wird, wobei der Stator und der Rotor mehrere radial gebildete Fließkanäle haben. Nachdem sie gemischt worden sind, werden die zwei miteinander unverträglichen Flüssigkeiten von einer Pumpe in einem Hohlraum des Rotors geleitet. Wenn sich der Rotor in einem Stadium, in welchem diese Flüssigkeiten zugeführt werden, zu drehen beginnt, wird eine Zentrifugalkraft auf die Flüssigkeiten ausgeübt, die dann aus den im Rotor gebildeten radialen Fließkanälen ausgestoßen werden, um in einen Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator einzutreten, und weiter in die radialen Fließkanäle des Stators eintreten. Der Stator dreht sich nicht, sondern bleibt stationär, so daß, wenn der Rotor sich zu drehen beginnt, eine Wirbelströmung in den Flüssigkeiten erzeugt wird, die in den radialen Fließkanälen des Rotors und des Stators vorhanden sind. Ferner wird eine der Drehzahl des Rotors entsprechende Scherkraft auf die Flüssigkeiten ausgeübt, die in den Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator eingetreten sind. Durch die Energie der Wirbelströmung und der Scherkraft werden die zwei Flüssigkeiten homogenisiert und schließlich durch die im Stator gebildeten radialen Fließkanäle als eine Emulsion abgegeben.
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Um effizienter zu homogenisieren, mit anderen Worten, die zwei Flüssigkeiten in diesem Rotor/Stator-Homogenisierapparat zu zerstäuben, ist es wichtig, eine große Scherkraft auf die in den Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator eingeführten Flüssigkeiten auszuüben. Zu diesem Zweck ist es wichtig, den zwischen der inneren Umfangsfläche des Stators und der äußern Umfangsfläche des Rotors definierten Spalt so einzustellen, daß er klein ist. Jedoch kann in der Praxis der Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator nicht sehr klein eingestellt werden und somit ist der Rotor/Stator-Homogenisierapparat nicht dafür geeignet, eine extrem feinkörnige Emulsion zu erzeugen, deren Korndurchmesser nicht mehr als 1 μm ist. Falls durch Erhöhen der Drehzahl des Rotors oder auf anderen Weise eine sehr große Energie in den Homogenisierapparat gesteckt wird, hat die erzeugte Emulsion, obgleich eine Erzeugung der Emulsion mit feinem Korndurchmesser erwartet werden kann, Nachteile darin, daß die Korndurchmesserverteilung keine scharfe Kennlinie zeigt und daß der Korndurchmesser der Emulsion unerwünscht über einen weiten Bereich verteilt ist.
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Als letztgenannter Hochdruck-Homogenisierapparat ist zum Beispiel einer bekannt, dessen Markenname ”Nanomizer” ist und der von Nanomizer Corporation hergestellt wird. Dieser Hochdruck-Homogenisierapparat weist einen Generator, in welchem Haarröhrchen mit einem Lochdurchmesser von ungefähr 0,25 mm gebildet sind, und eine Hochdruckpumpe auf, die unter Druck die Haarröhrchen des Generators mit einer Flüssigkeit füllt. Der Hochdruck-Homogenisierapparat ist so konstruiert, daß zwei Flüssigkeiten, die zu einer Emulsion gemacht werden sollen, miteinander gemischt werden und dann durch die Haarröhrchen des Generators hindurch geführt werden, wobei die Energie einer Schockwelle und Kavitation auf die Flüssigkeiten in den Haarröhrchen einwirkt und aufgrund der Energie eine Emulsion mit einem feinen Korndurchmesser gewonnen wird. Dieser Hochdruck-Homogenisierapparat hat den Vorteil, daß im Vergleich mit dem oben beschriebenen Rotor/Stator-Homogenisierapparat eine Emulsion mit einem kleineren Korndurchmesser gewonnen werden kann, da die in die Flüssigkeiten hineingesteckte Energiemenge pro Flächeneinheit groß ist. Jedoch hat der Hochdruck-Homogenisierapparat ein Problem darin, daß es eine obere Grenze (ungefähr 500 cps) für die Viskosität der zu zerstäubenden Flüssigkeiten gibt und die Flüssigkeitsarten, die von dem Hochdruck-Homogenisierapparat verarbeitet werden können, begrenzt sind. Ferner hat der Hochdruck-Homogenisierapparat ein Problem darin, daß die Flüssigkeitsmenge, die pro Zeiteinheit verarbeitet werden kann, sehr klein ist, da die Flüssigkeiten durch Haarröhrchen mit einem sehr kleinen Innendurchmesser hindurch geführt werden, und darin, daß es zur Erhöhung des Durchsatzes notwendig ist, den von der oben beschriebenen Hochdruckpumpe erzeugten Druck zu erhöhen, was zu einer unerwünschten Vergrößerung der Pumpenanlage führt. Obwohl ferner der Hochdruck-Homogenisierapparat die Emulsion mit einem Feinkorndurchmesser von ungefähr 1 μm erzeugen kann, hat die Korndurchmesserverteilung der erzeugten Emulsion eine Breite von ungefähr 0,5 μm mit dem Feinkorndurchmesser von 1 μm als Zentrum. Somit kann nicht gesagt werden, daß die Korndurchmesserverteilung eine scharfe Kennlinie hat.
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Die
DE 76 33 03 A zeigt einen Homogenisierungsapparat mit einem hydrodynamischen Drucklager, das einen stationären Abschnitt und einen scheibenförmigen Rührrotor aufweist, die, durch einen vorgegebenen Lagerspalt getrennt, einander gegenüberliegend angeordnet sind. Das hydrodynamische Drucklager trägt eine Drehung des Rührrotors bezüglich des stationären Teils, wobei mehrere miteinander unverträgliche Rohflüssigkeiten in den Lagerspalt eingeführt werden, um durch eine Drehung des Rührrotors im Lagerpalt gemischt und gerührt zu werden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Homogenisierapparat bereitzustellen, der eine Emulsion mit einem sehr feinen Korndurchmesser von ungefähr 1 μm ohne Verwendung einer Großanlage, beispielsweise einer Hochdruckpumpe, erzeugen kann, wobei eine Korndurchmesserverteilung der erzeugten Emulsion eine scharfe Kennlinie in der Nähe des Zielkorndurchmessers hat. Diese Aufgabe wird durch einen Homogenisierungsapparat gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine bevorzugte Weiterbildung ist im abhängigen Anspruch angegeben.
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Um die obige Aufgabe zu erfüllen, ist der Homogenisierapparat der vorliegenden Erfindung einer, der die Konstruktion eines allgemein bekannten hydrodynamischen Drucklagers verwendet. Das hydrodynamische Drucklager ist eines, in welchem ein stationärer Abschnitt und eine scheibenförmige Druckplatte so angeordnet sind, daß sie sich, getrennt durch einen Lagerspalt von zum Beispiel ungefähr 3 bis 10 μm, gegenüberliegen, und in welchem ein Schmierfluid, beispielsweise Wasser und Öl, in einen solchen Lagerspalt eingeführt wird. Das hydrodynamische Drucklager ist so konstruiert, daß das im Lagerspalt vorhandene Schmierfluid entsprechend einer Drehung der Druckplatte unter Druck gesetzt wird, wodurch ein Hochdruckfluid-Schmierfilm zwischen dem stationären Abschnitt und der sich drehenden Druckplatte gebildet wird. Die Druckplatte kommt durch diesen Schmierfluidfilm in einen schwimmenden Zustand bezüglich des stationären Abschnitts und ihre Drehung wird in diesem schwimmenden Zustand getragen wie sie ist. Wenn sich die Druckplatte dreht, liegt in diesem hydrodynamischen Drucklager eine Scherkraft zwischen dem Schmierfluid und der Druckplatte an und das Schmierfluid wird durch die Scherkraft unter Druck gesetzt, während es in Umfangsrichtung der Druckplatte mitgenommen wird und auf diese Weise wird der oben beschriebene Schmierfluidfilm gebildet. Entsprechend der Drehung der Druckplatte wird auf das im Lagerspalt vorhandene Schmierfluid eine Scherkraft ausgeübt und die durch Anliegen dieser Scherkraft auf das Schmierfluid übertragende Energie kann durch Änderung der Drehzahl der Druckplatte frei eingestellt werden. Was die Drehzahl betrifft, so ist es überdies möglich, die Druckplatte mit Zehntausenden von Umdrehungen pro Minute rotieren zu lassen, da die Druckplatte in einem kontaktlosen Zustand mit dem stationären Abschnitt gehalten wird. Ferner ist es wie oben beschrieben möglich, die Druckplatte in einem Zustand, in welchem in dem hydrodynamischen Drucklager der Lagerspalt von einigen Mikrometern aufrechterhalten (konstant gehalten) wird, mit hoher Geschwindigkeit zu drehen.
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Unter den vorstehenden Gesichtspunkten ist in der Erfindung dieser Anmeldung ein Homogenisierapparat zum Mischen und Rühren von mehreren in einem Lagerspalt eines hydrodynamischen Drucklagers vorhandenen, miteinander unverträglichen Rohflüssigkeiten entsprechend einer Drehung eines Rührrotors konstruiert, in welchem die mehreren Rohflüssigkeiten in den Lagerspalt eingeführt werden und die Druckplatte verwendet wird, um als Rührrotor zu dienen.
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Gemäß dem oben beschriebenen Homogenisierapparat der vorliegenden Erfindung ist der Lagerspalt des hydrodynmischen Drucklagers mit einigen Mikrometern sehr klein. Wenn sich der Rührrotor dreht, wird dementsprechend eine sehr große Scherkraft auf die Rohflüssigkeiten ausgeübt, werden die Rohflüssigkeiten durch die Energie, die durch die Schwerkraft auf sie übertragen wird, zerstäubt und die mehreren miteinander unverträglichen Flüssigkeiten können zu einer Emulsion gemacht werden. Wenn eine Bewegung des Rührrotors in axialer Richtung geregelt wird, ist es überdies möglich, den Lagerspalt des hydrodynamischen Drucklagers zum Beispiel konstant bei einer Größe von 3 μm oder weniger zu halten. Daher wird es auch möglich, eine Emulsion mit einem Korndurchmesser von 1 μm oder weniger stabil herzustellen. Ferner kann der Homogenisierapparat, auf welchen die Struktur des hydrodynamischen Drucklagers auf diese Weise angewendet ist, die Emulsion unabhängig von der Viskosität der Rohflüssigkeiten erzeugen und dementsprechend ist es möglich, den Homogenisierapparat an verschiedene Anwendungen anzupassen. Zudem kann der Homogenisierapparat sehr klein konstruiert sein, da zusätzliche Einrichtungen, wie beispielsweise eine Hochdruckpumpe, nicht erforderlich sind, und zum Beispiel wird es auch möglich, den Homogenisierapparat als einen Homogenisierapparat in einer Reihe mit verschiedenen Vorrichtungen anzubringen.
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In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
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1 eine Schnittansicht, die eine Grundkonstruktion eines Homogenisierapparats der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine Aufsicht, die Rührrillen zeigt, die in einem in 1 gezeigten Rührrotor gebildet sind;
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3 eine Querschnittansicht, die eine erste Ausführungsform eines Homogenisierapparats zeigt, auf welche die vorliegende Erfindung angewendet ist;
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4 eine Ansicht, die Druckrillen, Pumprillen und Rührrillen zeigt, die auf einer Oberfläche eines Rührrotors gemäß der ersten Ausführungsform gebildet sind;
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5 eine Querschnittansicht, die eine zweite Ausführungsform des Homogenisierapparats zeigt, auf welche die vorliegende Erfindung angewendet ist; und
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6 eine Ansicht, die Druckrillen, Pumprillen und Rührrillen zeigt, die auf einer Oberfläche eines Rührrotors gemäß der zweiten Ausführungsform gebildet sind.
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Ein Rotor/Stator-Homogenisierapparat der vorliegenden Erfindung wird nun nachstehend detailliert auf der Basis der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine Ansicht, die eine Grundkonstruktion des Homogenisierapparats der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in dieser Zeichnung gezeigt, weist der Homogenisierapparat der vorliegenden Erfindung im wesentlichen einen stationären Abschnitt 1 und einen scheibenförmigen Rührrotor 2 auf, der gegenüber dem stationären Abschnitt 1 angeordnet ist, wobei von einem nicht gezeigten Motor eine Drehung in eine Richtung auf den Rührrotor 2 übertragen wird. Der Rührrotor 2 und der stationäre Abschnitt 1 liegen sich durch einen Lagerspalt von zum Beispiel ungefähr 5 μm getrennt gegenüber und bilden zusammen ein hydrodynamisches Drucklager 3. Sowohl der Rührrotor 2 als auch der stationäre Abschnitt 1 sind aus einem keramischen Material hergestellt und mit einer hohen Abriebbeständigkeit gegen ein im Lagerspalt erzeugtes Hochdruckfluid versehen. Außerdem sind im stationären Abschnitt 1 Einlaßöffnungen 4, die mit dem Lagerspalt in Verbindung stehen, gebildet, und zwei miteinander unverträgliche Rohflüssigkeiten A und B werden von den Einlaßöffnungen 4 in einem vorgemischten Zustand in den Lagerspalt eingeführt.
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Wie in 2 gezeigt, sind auf einer Oberfläche des Rührrotors 2, die dem stationären Abschnitt 1 gegenüberliegt, spiralförmige Rührrillen 5 definiert. Zu beachten ist, daß 2 eine Aufsicht ist und Bereiche der Rührrillen 5 durch Punkte angezeigt sind, da es schwierig ist, zwischen Bereichen, in welchen die Rillen 5 definiert sind, und anderen Bereichen zu unterscheiden. Diese Rührrillen 5 sind mit einer Tiefe von ungefähr 5 bis 50 μm gebildet und üben entsprechend der Drehung des Rührrotors 2 eine Scherkraft auf die von den Einlaßöffnungen in den Lagerspalt eingeführten Rohflüssigkeiten A und B aus, um die Rohflüssigkeiten A und B zu mischen und zu rühren, während Druck an ihnen anliegt. Außerdem ist die Richtung, in der die spiralförmigen Rührrillen gebogen sind, die Richtung, in der die im Lagerspalt vorhandenen Rohflüssigkeiten A und B von innen nach außen in radialer Richtung des Radius bezüglich einer Drehrichtung des Rührrotors 2, die in 2 mit einem Pfeil angegeben ist, gedrückt werden. In Anbetracht dessen sind die Einlaßöffnungen 4 in der Nähe des Drehzentrums des Rührrotors 2 definiert (die Positionen, die den Einlaßöffnungen 4 des Rührrotors 2 entsprechen, sind in 2 durch gestrichelte Linien gezeigt). Wenn sich der Rührrotor 2 dreht, werden überdies die Rohflüssigkeiten A und B auf natürliche Weise von den Einlaßöffnungen 4 zum Lagerspalt gesaugt und wird im Lagerspalt ein von der Seite des Innendurchmessers zur Seite des Außendurchmessers in radialer Richtung gerichteter Fluß erzeugt.
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Mit der obigen Konstruktion werden, wenn sich der Rührrotor 2 dreht, die im Lagerspalt vorhandenen Rohflüssigkeiten A und B durch die Rührrillen 5 unter Druck gesetzt und wird im Lagerspalt ein Hochdruckfluid-Schmierfilm, der die Rohflüssigkeiten A und B enthält, erzeugt, wie oben beschrieben ist. Auf diese Weise kommt der Rührrotor 2 in einen schwimmenden Zustand bezüglich des stationären Abschnitts 1, wobei seine Drehung in einem kontaktlosen Zustand bezüglich des stationären Abschnitts 1 getragen wird. Wie oben beschrieben, dreht sich der Rührrotor 2 unter Aufrechterhaltung des kontaktlosen Zustands bezüglich des stationären Abschnitts 1 und dementsprechend liegt kaum ein Drehwiderstand am Rührrotor 2 an, mit der Ausnahme eines viskosen Mitnehmens des im Lagerspalt vorhandenen Schmierfluids. Daher ist es möglich, den Rührrotor 2 mit einer hohen Geschwindigkeit von mehreren Zehntausenden von Umdrehungen pro Minute rotieren zu lassen. Jedoch wird mit zunehmender Drehzahl des Rührrotors 2 ein entsprechend größerer Druck im Lagerspalt erzeugt. Um den Lagerspalt zwischen dem Rührrotor 2 und dem stationären Abschnitt 1 gegen diesen Druck konstant zu halten, ist es nötig, auf den Rührrotor 2 eine externe Kraft F in Richtung seiner Rotationsachse anzulegen und diese externe Kraft F mit dem Druck des Schmierfluidfilms im Gleichgewicht zu halten.
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Wenn sich der Rührrotor 2 bei der hohen Geschwindigkeit, wie oben beschrieben, dreht, wird eine große Scherkraft auf die von den Einlaßöffnungen 4 in den Lagerspalt gesaugten Rohflüssigkeiten A und B ausgeübt. Durch die Energie dieser Scherkraft werden die Rohflüssigkeiten A und B zerstäubt, während sie im Lagerspalt fließen. Schließlich werden die Rohflüssigkeiten A und B zu einer Emulsion gemacht und von einer Umfangsaußenkante des Rührrotors 2 aus dem Lagerspalt abgegeben. In diesem Fall ist es möglich, den Korndurchmesser der Emulsion durch Einstellen der Größe des Lagerspalts zwischen dem Rührrotor 2 und dem stationären Abschnitt 1 zu steuern. Wenn der Lagerspalt auf ungefähr 3 μm eingestellt wird, kann eine Emulsion mit einem Korndurchmesser von 1 μm oder weniger gewonnen werden. Ferner ermöglicht eine Erhöhung der Drehzahl des Rührrotors 2 eine Erhöhung der für die Zerstäubung hineingesteckten Energiemenge. Somit ist es möglich, den Korndurchmesser der Emulsion auch durch eine solche Regelung der Drehzahl zu regeln.
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Somit können gemäß dem Homogenisierapparat der vorliegenden Erfindung die Rohflüssigkeiten A und B, die miteinander unverträglich sind, wie Wasser und Öl, gemischt werden, um die Emulsion zu erzeugen. Ferner können Korndurchmesser der Korntröpfchen, aus denen die Emulsion besteht, frei auf eine Zielgröße geregelt werden, und eine Emulsion mit einer scharfen Korndurchmesserverteilung kann gewonnen werden. Ferner werden beim Starten der Drehung des Rührrotors 2 die Rohflüssigkeiten A und B auf natürliche Weise in den Lagerspalt gesaugt und dementsprechend ist eine Pumpe, die die Rohflüssigkeiten dem Homogenisierapparat zuführt, nicht erforderlich, was die Konstruktion eines sehr einfachen und kompakten Homogenisierapparats ermöglicht.
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3 zeigt eine erste Ausführungsform eines Homogenisierapparats, auf welchen die vorliegende Erfindung konkret angewendet ist. Dieser Homogenisierapparat weist einen Rührrotor 10 und ein Gehäuse 20 auf, in welchem dieser Rührrotor 10 untergebracht ist. Ferner weist das Gehäuse 20 auf: ein zylindrisches Motorgehäuse 22, in welchem ein Motor 21 untergebracht ist, einen an einer inneren Umfangsfläche des Motorgehäuses 22 angebrachten donut-förmigen Lagerring 23, eine stationäre Platte (stationären Abschnitt) 24, der zusammen mit dem Rührrotor 10 ein hydrodynamisches Drucklager bildet, einen Distanzring 25, der einen Abstand zwischen dem Lagerring 23 und der stationären Platte 24 regelt, und eine Endplatte 26, die ein offenes Ende des Motorgehäuses 22 schließt.
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Der Rührrotor 10 weist einen Achszapfenabschnitt 11 als Hauptdrehwelle und einen scheibenförmigen Flanschabschnitt 12 auf, der von einem Ende des Achszapfenabschnitts 11 vorspringt. Der Rührrotor 10 hat in Längsrichtung einen in etwa T-förmigen Querschnitt entlang eines Drehachsenzentrums und ist so in dem Gehäuse 20 untergebracht, daß der Achszapfenabschnitt 11 durch den Lagerring 23 hindurchgeht. An einem Ende des Achszapfenabschnitts 11 ist ein Motorrotor 21a angebracht, der zusammen mit einem am Motorgehäuse 22 angebrachten Motorstator 21b den Motor 21 bildet. Eine Drehung wird von dem Motor 21 auf den Rührrotor 10 übertragen.
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Ein Lagerspalt von ungefähr 5 μm ist zwischen der äußeren Umfangsfläche des Achszapfenabschnitts 11 und der inneren Umfangsfläche des Lagerrings 23 gebildet. Der Lagering 23 und der Achszapfenabschnitt 11 des Rührrotors 10 bilden ein hydrodynamisches Radiallager 27. Eine Zuleitungsöffnung 23a, die mit der Außenseite des Gehäuses 20 in Verbindung steht, ist im Lagerring 23 geöffnet, um ein Schmierfluid in den Lagerspalt des hydrodynamischen Radiallagers 27 einzuführen. Es können Flüssigkeiten, wie Wasser und Öl, als geeignetes Schmierfluid für das hydrodynamische Radiallager 27 gewählt werden. Auf der äußeren Umfangsfläche des Achszapfenabschnitts 11 des Rührrotors 10 sind an Stellen, die der inneren Umfangsfläche des Lagerrings 23 gegenüberliegen, Druckrillen 30 mit einer Tiefe von ungefähr 10 bis 50 μm gebildet, die sich in Umfangsrichtung kontinuierlich wiederholen. Wenn sich der Rührrotor 10 dreht, setzen die Druckrillen 30 das im Lagerspalt vorhandene Schmierfluid unter Druck, um im Lagerspalt zwischen dem Achszapfenabschnitt 11 und dem Lagerring 23 einen Hochdruckfluid-Schmierfilm zu erzeugen. Auf diese Weise wird eine Drehung des Rührrotors 10 in einem Zustand getragen, in welchem der Achszapfenabschnitt 11 in der Mitte des Lagerrings 23 zentriert ist.
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Der zwischen dem Lagerring 23 und der stationären Platte 24 angeordnete Distanzring 25 ist so gestaltet, daß seine Dicke in axialer Richtung etwas größer ist als die Dicke des Flanschabschnitts 12 des Rührrotors 10 in axialer Richtung. Wenn der Flanschabschnitt 12 zwischen dem Lagerring 23 und der stationären Platte 24 eingepaßt ist, sind die Lagerspalte auf beiden Seiten des Flanschabschnitts 12 definiert und die vordere und die hintere Fläche des Flanschabschnitts 12 bilden zusammen mit dem Lagerring 23 und der stationären Platte 24 ein hydrodynamische Drucklagerpaar 31 und 32. Das auf beiden Flächen des Flanschabschnitts 12 gebildete hydrodynamische Drucklagerpaar 31 und 32 regelt eine Bewegung des Rührrotors 10 in Richtung der Rotationsachse im Gehäuse 20.
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In dem an der hinteren Seite des Flanschabschnitts 12 angeordneten hydrodynamischen Drucklager 31 sind auf der hinteren Fläche des Flanschabschnitts 12 spiralförmige Druckrillen 33 mit einer Tiefe von ungefähr 10 bis 50 μm gebildet, die sich kontinuierlich in Umfangsrichtung wiederholen. Der Lagerspalt dieses hydrodynamischen Drucklagers 31 steht in Verbindung mit dem Lagerspalt des hydrodynamischen Radiallagers 27. Das von der Zuleitungsöffnung 23a in den Lagerspalt des hydrodynamischen Radiallagers 27 zugeführte Schmierfluid fließt in den Lagerspalt des hydrodynamischen Drucklagers 31. Hier wird entsprechend der Drehung des Rührrotors 10 ebenfalls ein Hochdruckfluid-Schmierfilm gebildet. Überdies wird das im Lagerspalt des hydrodynamischen Drucklagers 31 unter Druck gesetzte Schmierfluid von der Außenumfangskante des Flanschabschnitts 12 des Rührrotors 10 weg aus den Lagerspalt abgegeben. Dann wird das Schmierfluid aus einer im Distanzring 25 definierten Abgabeöffnung aus dem Gehäuse 20 abgegeben.
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In dem an der vorderen Seite des Flanschabschnitts 12 angeordneten hydrodynamischen Drucklager 32 sind auf der Oberfläche des Flanschabschnitts 12 ebenfalls spiralförmige Druckrillen 34 mit einer Tiefe von ungefähr 10 bis 50 μm gebildet, die sich kontinuierlich in Umfangsrichtung wiederholen. 4 ist eine Ansicht, die die Oberfläche des Rührrotors zeigt, die der stationären Platte gegenüberliegt. Wie in dieser Zeichnung gezeigt, erstrecken sich die Druckrillen 34 spiralförmig vom Drehzentrum des Rührrotors aus und eine Einlaßöffnung 24a für die Rohflüssigkeit A mündet so ein, daß sie dem Mittelpunkt der Druckrillen 34 entspricht. Wenn sich der Rührrotor 10 dreht, saugen die Druckrillen 34 die Rohflüssigkeit A von der Einlaßöffnung 24a in den Lagerspalt und üben auf die Rohflüssigkeit A einen Druck in Richtung auf die Außenumfangskante des Flanschabschnitts 12 aus. Insbesondere ist es in dem hydrodynamischen Drucklager 32 die Rohflüssigkeit A, die als Schmierfluid dient. Zusätzlich wirken die Druckrillen 34 auch als Pumprillen, die die Rohflüssigkeit A in das Gehäuse 20 saugen und dann die Flüssigkeit zur Außenumfangskante des Flanschabschnitts 12 verbreiten.
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Ferner sind Pumprillen 35, die ebenfalls spiralförmig sind und sich in Umfangsrichtung wiederholen, so auf der Oberfläche des Flanschabschnitts 12 gebildet, daß sie die Druckrillen 34 in radialer Richtung außen umgeben. An einer Stelle der stationären Platte 24, die den Pumprillen 35 gegenüberliegt, mündet eine Einlaßöffnung 24b für die Rohflüssigkeit B. Die Pumprillen 35 sind mit einer Tiefe von ungefähr 20 bis 100 μm gebildet, die größer ist als die Tiefe der Druckrillen 34. Die Pumprillen 35 sind dazu da, um die Rohflüssigkeit B von der Einlaßöffnung 24b in den Lagerspalt zu saugen, wenn sich der Rührrotor 10 dreht, und um diese Rohflüssigkeit B und die von den Druckrillen 34 zur Außenumfangskante des Flanschabschnitts 12 verteilte Rohflüssigkeit A zu verteilen, während die beiden Rohflüssigkeiten gerührt werden.
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Ferner sind radiale Rührrillen 36, die sich in Umfangsrichtung wiederholen, so auf der Oberfläche des Flanschabschnitts 12 gebildet, daß sie die Pumprillen 25 in radialer Richtung außen umgeben. Diese Rührrillen 36 sind zur Außenumfangskante des Flanschabschnitts 12 hin offen. Die Rohflüssigkeiten A und B, die im Spalt zwischen dem Flanschabschnitt 12 und der stationären Platte 24 durch Wirkung der Druck- und Pumprillen 34 und 35 in Richtung auf die Außenumfangskante des Flanschabschnitts 22 fließen, fließen schließlich in die Rührrillen 36. Dann werden die Rohflüssigkeiten A und B durch die Zentrifugalkraft aus den Rührrillen 36 in radialer Richtung nach außen abgegeben.
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Auf diese Weise werden die Rohflüssigkeiten A und B in den Spalt zwischen dem Flanschabschnitt 12 des Rührrotors 10 und der stationären Platte 24 gesaugt und fließen entsprechend der Rotation des Rührrotors 10 zur Außenumfangskante des Flanschabschnitts 12 hin. Bei diesem Vorgang werden die Rohflüssigkeiten A und B aufgrund der Rotation der Pumprillen 35 und der Rührrillen 36 mit einer großen Scherkraft belastet und werden gerührt, wobei sie durch die Energie dieser Scherkraft zerstäubt werden. Somit werden die Rohflüssigkeiten A und B zu einer homogenisierten Emulsion gemacht und werden aus den Rührrillen 36 zur Außenumfangskante des Flanschabschnitts 12 abgegeben. Die aus den Rührrillen 36 abgegebene Emulsion bleibt in einer zwischen dem Distanzring 25 und dem Flanschabschnitt 12 des Rührrotors 10 gebildeten Sammelkammer 37 und wird dann aus einer Abgabeöffnung 25b im Distanzring 25 aus dem Gehäuses 20 abgegeben.
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In dem Homogenisierapparat dieser so konstruierten Ausführungsform dient der Spalt zwischen dem Flanschabschnitt 12 des Rührrotors 10 und der stationären Platte 24 als Lagerspalt des hydrodynamischen Drucklagers 32 und allgemein ist es möglich, den Lagerspalt eines hydrodynamischen Drucklagers auf ungefähr einige Mikrometer einzustellen. Dementsprechend ist es auch möglich, den Spalt zwischen dem Flanschabschnitt 12 und der stationären Platte 24 auf einige Mikrometer einzustellen. Wenn der Rührrotor 10 gedreht wird, kann dadurch eine große Scherkraft auf die in dem Spalt fließenden Rohflüssigkeiten A und B angelegt werden und eine Emulsion mit einem kleinen Korndurchmesser kann wirkungsvoll erzeugt werden.
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In dem Fall, daß, wie in dieser Ausführungsform, die hydrodynamischen Drucklager 31 und 32 an der vorderen und hinteren Seite des Flanschabschnitts 12 des Rührrotors 10 vorgesehen sind, wird der Flanschabschnitt 12 auf natürliche Weise so in axialer Richtung zwischen dem Lagerring 23 und der stationären Platte 24 angeordnet, daß die Drücke der im Lagerspalt des jeweiligen hydrodynamischen Drucklagers unter Druck gesetzten Schmierfluide zueinander gleich sind. Im Fall dieser Ausführungsform sind die Druckrillen 33 des hydrodynamischen Drucklagers 31 außerhalb des Achszapfenabschnitts 11 des Rührrotors 10 vorgesehen und drehen sich mit einer schnelleren Umfangsgeschwindigkeit als die Druckrillen 34 des hydrodynamischen Drucklagers 32, die sich spiralförmig vom Drehzentrum des Rührrotors aus erstrecken. Dementsprechend ist der dynamische Druck des im Lagerspalt des hydrodynamischen Drucklagers 31 erzeugten Schmierfluids auf natürliche Weise größer als der Druck im Lagerspalt des hydrodynamischen Drucklagers 32. Daher kann, selbst wenn die Dicke des Distanzrings 25 in axialer Richtung größer ist als die Dicke des Flanschabschnitts 12, der Lagerspalt des hydrodynamischen Drucklagers 32 an der vorderen Seite des Flanschabschnitts 12 klein gehalten werden. Als Beispiel sei ein Fall angenommen, in welchem die Abmessungen wie folgt festgelegt sind: 40 mm für einen Außendurchmesser des Flanschabschnitts 12, 20 mm für einen Außendurchmesser der Druckrillen 34; 40 mm für einen Außendurchmesser der Druckrillen 33; 22,5 mm für einen Außendurchmesser des Achszapfenabschnitts 11; und 20 μm für eine Summe der Lagerspalte an der vorderen und hinteren Seite des Flanschabschnitts 12, die durch den Distanzring 25 definiert sind. In diesem Fall ist, wenn der Rührrotor mit 50000 U/min gedreht wird, der Lagerspalt des hydrodynamischen Drucklagers 31 16 μm und der Lagerspalt des hydrodynamischen Drucklagers 32 ist 4 μm. Wird ein fester Kontakt des Rührrotors 10 mit der stationären Platte 24 und dem Lagerring 25 zum Zeitpunkt des Startens des Rührrotors so weit wie möglich vermieden, kann der Spalt zwischen der stationären Platte 24 und dem Flanschabschnitt 12 zum Zeitpunkt einer stetigen Drehung des Rührrotors 10 sehr klein eingestellt werden. Dementsprechend ist es möglich, die Scherkräfte auf die in den oben beschriebenen Spalt eingeführten Rohflüssigkeiten A und B anzulegen.
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Ferner hängt im Falle dieses Homogenisierapparats der Korndurchmesser der durch Drehen des Rührrotors 10 erzeugten Emulsion von der Größe des Spalts zwischen dem Flanschabschnitt 12 und der stationären Platte 24 ab. Dementsprechend ist es sehr günstig, wenn die Größe des Spalts willkürlich gesteuert werden kann, da dies auch eine Steuerung des Korndurchmessers selbst in einem gewissen Maße erlaubt.
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Zu diesem Zweck sind in dem Homogenisierapparat der ersten Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, Druckentlastungsöffnungen 23b und 24c vorgesehen, die mit dem Lagerspalt des hydrodynamischen Drucklagers 31 bzw. 32 in Verbindung stehen. Ferner sind Überdruckventile (nicht gezeigt) in den Druckentlastungsöffnungen 23b und 24c vorgesehen, um die Drücke in den Lagerspalten zu steuern, was ermöglicht, die Position des Flanschabschnitts 12 zwischen dem Lagerring 25 und der stationären Platte 24 in Richtung der Drehachse zu regeln. Auf diese Weise ist es möglich, den Korndurchmesser der erzeugten Emulsion im wesentlichen um den Zielkorndurchmesser herum zu verteilen.
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In dem Homogenisierapparat der ersten Ausführungsform sind die Druckrillen 34, die Pumprillen 35 und die Rührrillen 36 separat voneinander auf der (der stationären Platte gegenüberliegenden) Oberfläche des Flanschabschnitts 12 gebildet. Solange jedoch eine ausreichende Scherkraft auf die zwischen den Flanschabschnitt 12 und die stationäre Platte 24 gesaugten Rohflüssigkeiten A und B übertragen werden kann und solange der Flanschabschnitt 12 in einem kontaktlosen Zustand mit der stationären Platte 24 gehalten werden kann, ist es kein Problem, nur die spiralförmigen Rührrillen 5 auf der Oberfläche des Flanschabschnitts 12 zu bilden, wie in 2 gezeigt ist. Um jedoch die jeweiligen Funktionen, nämlich das Ansaugen der Rohflüssigkeiten A und B, die Funktion als hydrodynamische Drucklager, und das Mischen und Rühren der Rohflüssigkeiten A und B wirkungsvoll auszuführen, ist es möglich, wie in dieser Ausführungsform die Oberfläche des Flanschabschnitts 12 in drei Bereiche, nämlich einen zentralen Kreisbereich, einen Zwischenringbereich und einen Außenringbereich, zu unterteilen und Rillen zu bilden, die für die jeweiligen Bereiche die optimale Form haben.
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5 ist eine Ansicht, die eine zweite Ausführungsform des Homogenisierapparats zeigt, auf welche die vorliegende Erfindung konkret angewendet ist. Dieser Homogenisierapparat hat auch ungefähr die gleiche Struktur wie der Homogenisierapparat der ersten Ausführungsform und mischt und rührt die Rohflüssigkeiten A und B in den Lagerspalten der hydrodynamischen Drucklager. Jedoch unterscheiden sich in der zweiten Ausführungsform Anordnungen und Muster der Druckrillen 43, Pumprillen 44, Rührrillen 45 und dergleichen, die in einem Flanschabschnitt 42 eines Rührrotors 40 gebildet sind, von denjenigen der ersten Ausführungsform. Zu beachten ist, daß in 5 die gleichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform versehen sind und deren detaillierte Beschreibung weggelassen ist.
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Auf der (der stationären Platte 24 gegenüberliegenden) Oberfläche des Flanschabschnitts 42 des Rührrotors 40 definiert sind die Druckrillen 43, die die Rohflüssigkeit A als Schmierfluid unter Druck setzen, die Pumprillen 44, die die Rohflüssigkeit B in einen Spalt zwischen einer stationären Platte 50 und dem Flanschabschnitt 42 saugen, und die Rührrillen 45, die die zwei Rohflüssigkeiten A und B mischen und rühren. Wie in 6 gezeigt, sind die Druckrillen 43 weiter außen am Durchmesser als die Rührrillen 45 und die Pumprillen 44 angeordnet und sind spiralförmig mit einer Tiefe von ungefähr 10 bis 50 μm gebildet. Entsprechend einer Drehung des Rührrotors 40 drücken die Druckrillen 43 die Rohflüssigkeit A in Richtung auf ein Drehzentrum des Rührrotors 40, wodurch ein Hochdruckfluid-Schmierfilm zwischen der stationären Platte 50 und dem Flanschabschnitt 42 gebildet wird. Auf diese Weise wird die Drehung des Rührrotors 40 in einem Zustand getragen, in welchem der Rührrotor 40 im kontaktlosen Zustand mit der stationären Platte 50 gehalten wird. Ferner ist an einer Stelle der stationären Platte 50, die den Druckrillen 43 gegenüberliegt, eine Einlaßöffnung 50a für die Rohflüssigkeit A angeordnet und die Rohflüssigkeit A wird entsprechend der Drehung des Rührrotors 40 durch diese hindurch in den Spalt zwischen der stationären Platte 50 und dem Flanschabschnitt 42 gesaugt.
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Die oben beschriebenen Pumprillen 44 sind auf einer Oberfläche des Flanschabschnitts 42 von einem Drehzentrum aus spiralförmig zu einem Außendurchmesser gebildet. Die Tiefe der Pumprillen 44 ist ungefähr 10 bis 50 μm und die Pumprillen 44 sind tiefer als die Druckrillen 43 gebildet. Die Pumprillen 44 drücken entsprechend der Drehung des Rührrotors 40 die Rohflüssigkeit B zur Seite des Außendurchmessers des Flanschabschnitts 42. Eine Einlaßöffnung 50b für die Rohflüssigkeit B ist an einer Stelle der stationären Platte 50, die den Pumprillen 44 gegenüberliegt, das heißt an einer Stelle gegenüber dem Rotationszentrum des Rührrotors 40, geöffnet. Wenn sich der Rührrotor 40 dreht, wird die Rohflüssigkeit B durch eine von den Pumprillen 44 erzeugte Saugkraft von der Einlaßöffnung 50b in den Spalt zwischen der stationären Platte 50 und dem Flanschabschnitt 42 gesaugt.
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Die oben beschriebenen Rührrillen 45 sind radial zwischen den Druckrillen 43 und den Pumprillen 44 gebildet und ihre Tiefe ist ungefähr 20 bis 100 μm. Somit fließt die Rohflüssigkeit A vom Außendurchmesser und die Rohflüssigkeit B vom Innendurchmesser zu den Rührrillen 45. Entsprechend der Rotation des Rührrotors 40 werden die Rohflüssigkeiten A und B im Spalt zwischen dem Flanschabschnitt 42 und der stationären Platte 50 gemischt und gerührt. Ferner sind Durchbohrungen 46 so im Flanschabschnitt 42 definiert, daß sie Positionen am Außendurchmesser der Rührrillen 45 entsprechen, und die in den Rührrillen 45 gemischten und gerührten Rohflüssigkeiten A und B können durch die Durchbohrungen 46 hindurchgehen, um zur Rückseite des Flanschabschnitts 42 zu fließen.
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Weitere Rührrillen 47 sind auf der hinteren Seite (dem Lagerring 23 gegenüberliegenden Seite) des Flanschabschnitts 42 gebildet. Die Rohflüssigkeiten A und B, die von der vorderen Seite des Flanschabschnitts 42 aus unter Druck durch die Durchbohrungen 46 hindurch zu dessen hinteren Seite geleitet werden, fließen in diese zweiten Rührrillen 47 und werden durch die Zentrifugalkraft aus den Rührrillen 47 in radialer Richtung abgegeben.
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Die Rohflüssigkeiten A und B werden auf diese Weise in den Spalt zwischen dem Flanschabschnitt 42 des Rührrotors 40 und der stationären Platte 50 gesaugt. Entsprechend der Rotation des Rührrotors 40 fließen die Rohflüssigkeiten A und B in Richtung auf die Außenumfangskante des Flanschabschnitts 42. Bei diesem Vorgang wird durch die Rotation der auf der vorderen Seite des Flanschabschnitts bereitgestellten ersten Rührrillen 45 und durch die Rotation der auf dessen hinteren Seite bereitgestellten zweiten Rührrillen 47 auf die Rohflüssigkeiten A und B eine großen Scherkraft übertragen. Die Rohflüssigkeiten A und B werden gerührt, wobei sie durch die Energie dieser Scherkraft zerstäubt werden. Auf diese werden die Rohflüssigkeiten A und B zu einer homogenisierte Emulsion gemacht und aus den zweiten Rührrillen 47 zur Außenumfangskante des Flanschabschnitts 42 abgegeben. Die aus den Rührrillen 47 abgegebene Emulsion bleibt in einer zwischen dem Distanzring 25 und dem Flanschabschnitt 42 des Rührrotors 40 definierten Sammelkammer 37 und wird dann aus einer im Distanzring 25 geöffneten Auslaßöffnung 25b aus dem Gehäuse 20 abgegeben.
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Auch in diesem Homogenisierapparat der zweiten Ausführungsform dient der Spalt zwischen dem Flanschabschnitt 42 des Rührrotors 40 und der stationären Platte 50 als Lagerspalt des hydrodynamischen Drucklagers und allgemein ist es möglich, den Lagerspalt eines hydrodynamischen Drucklagers auf einige Mikrometer einzustellen. Dementsprechend ist es auch möglich, den Spalt zwischen dem Flanschabschnitt 42 und der stationären Platte 50 auf einige Mikrometer einzustellen. Wenn der Rührrotor 40 gedreht wird, kann daher eine große Scherkraft auf die im Spalt fließenden Rohflüssigkeiten A und B angelegt werden und kann eine Emulsion mit einem kleinen Korndurchmesser wirkungsvoll erzeugt werden.
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Insbesondere ist in diesem Homogenisierapparat der zweiten Ausführungsform die Umfangsgeschwindigkeit der Druckrillen 43 im hydrodynamischen Drucklager 32 schneller als die der Druckrillen 33 im hydrodynamischen Drucklager 31. Dementsprechend neigt der Spalt zwischen dem Flanschabschnitt 42 und dem Lagerring 23 dazu, kleiner zu werden als der Spalt zwischen dem Flanschabschnitt 42 und der stationären Platte 50. Nachdem die Rohflüssigkeiten A und B von den ersten Rührrillen 45 zu einer Emulsion gerührt und gemischt worden sind, kann daher die von den ersten Rührrillen 45 zu den zweiten Rührrillen 47 verteilte Emulsion weiter zerstäubt werden, was zu dem Vorteil führt, daß durch das in zwei Schritten ausgeführte Rühren eine Emulsion mit einem kleinen Korndurchmesser stabil erzeugt werden kann.
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Wie oben beschrieben, ist gemäß dem Homogenisierapparat der vorliegenden Erfindung der Lagerspalt des hydrodynamischen Drucklagers, in welchen die Rohflüssigkeiten eingeführt werden, einige Mikrometer klein, und wenn sich der Rührrotor dreht, wird eine sehr große Scherkraft auf die Rohflüssigkeiten ausgeübt. Diese Scherkraft ermöglicht die Herstellung einer Emulsion mit einem sehr feinen Korndurchmesser von ungefähr 1 μm. Ferner wird die Korndurchmesserverteilung der erzeugten Emulsion eine, die eine scharfe Kennlinie in der Nähe des Zielkorndurchmessers hat. Da das hydrodynamische Drucklager selbst eine Funktion als Pumpe ausübt, kann ferner eine Großanlage, wie beispielsweise eine Hochdruckpumpe, weggelassen werden, was die Bereitstellung eines sehr kompakten Homogenisierapparats mit einer einfachen Struktur ermöglicht.
