DE2310321B1 - Emulgier- und dispergiervorrichtung mit rotierenden konzentrischen werkzeugkraenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Emulgier- und Dispergiervorrichtung mit mindestens einer aus wenigstens zwei relativ zueinander rotierenden konzentrischen Kränzen von Werkzeugen, vorzugsweise Rotor und Stator, gebildeten Arbeitsstufe, bei der die Werkzeugkränze aus durch Nuträume getrennten Zahnelementen als Werkzeuge bestehen, die wenigstens zum Teil scherend zusammenarbeiten und um einen als zentrale Zuführungskammer dienenden Ansaugraum herum angeordnet sind und mit gegebenenfalls bis zu hohen Ultraschallwerten reichender Frequenz zusammenarbeiten.

Es sind Emulgier- und Dispergiergeräte für Labortechnik und Produktion bekannt, die auf dem Prinzip eines in dem Flüssigkeitsgemisch bzw. Flüssigkeits-Feststoff-Gemisch rotierenden Bearbeitungskopfes beruhen. Bevorzugte Geräte dieser Art weisen einen gegenüber einem Stator umlaufenden Rotor auf, wobei bei einer bekannten Ausführungsform sich ein geschlitztes Rotorrohr in einem ebenfalls geschlitzten Statorrohr dreht. Nach dem gleichen Prinzip arbeiten bekannte Misch- und Dispergiervorrichtungen der eingangs genannten Art, bei denen der Rotor und Stator mit scherend zusammenarbeitenden Werkzeugkränzen versehen sind, die um einen als zentrale Zuführungskammer dienenden Ansaugraum herum angeordnet sind.
Bei diesen bekannten Vorrichtungen sind die zwisehen den Zahnelementen des Stators und Rotors vorhandenen Nuträume bzw. die sie begrenzenden Flächen immer in Achsrichtung, d. h. Drehachsrichtung, parallel zueinander angeordnet. Somit wird beispielsweise bei einem Bearbeitungskopf mit inliegendem Rotor und ausliegendem Stator das zu emulgierende oder dispergierende druckbeaufschlagte Medium auf einmal, in vollem Nutraumquerschnitt, aus den sich in Axialrichtung erstreckenden Rotornuträumen in die sich ebenfalls in Achsrichtung erstreckenden Austrittsnuträume des Stators übertragen. Nachteilig ist dabei, daß es verhältnismäßig leicht zu einer Rotation des Mediums kommt, da die Austrittsebene der Nutraumstrahlen mit der Rotationsachse parallel läuft. Kleine Unregelmäßigkeiten bewirken dann Rotation und Trichterbildung im Medium und damit unerwünschtes Luftansaugen. Faserstoffe, Makromolekular-Vernetzungen (Polymerisationsprodukte) und Bio-Strukturen werden nicht messerförmig abgeschnitten, sondern in der Hauptsache an den Kanten der Zahnelemente zerschlagen. Starke Abnutzung dieser Kanten ist die Folge, und Faserteile o. ä. setzen sich leicht in den Radialspalt zwischen den Werkzeugkränzen fest und führen zu Verklemmungen und eventuell zur Blockierung des Rotors. Das Ergebnis der Zerfaserung, d. h. Dispersion, ist nicht optimal.

Schließlich ist bei den bekannten Vorrichtungen mit sich axial erstreckenden Nuträumen zwischen den Werkzeugen nachteilig, daß bei Anordnung unmittelbar unterhalb der Oberfläche des zu bearbeitenden Mediums das Abreißen der Umwälzströmung unerwünscht begünstigt ist. Auch ist problematisch, daß die aus dem Nutraumfeld des beispielsweise innenliegenden Rotors austretende Wirbelstrahlung des Mediums vor der Kanalisierung im Stator nicht umgelenkt wird, sondern mit kurzer Seitenverschiebung direkt und vollständig parallel in die Statornuträume übertragen wird. Dies bewirkt Scherspannungsverlust und damit Mangel in der Dispersionsgüte.

Weiterhin ist bei der bekannten Anordnung der Nuträume im Stator der Überlagerungseffekt der Turbulenz-Strömung außerhalb des Stators und innerhalb des Mediums nicht genügend ausgebildet, so

daß der Effekt der Vordispersion durch die den Bearbeitungskopf umgebende Turbulenzströmung nicht genügend ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt zur Vermeidung der genannten Nachteile die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die Gefahr der Trichterbildung im Medium und damit des Luftansaugens vermindert wird und gleichzeitig die Umwälzwirkung und damit die Dispergierwirkung entscheidend verbessert werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Nuträume in Umfangsrichtung eingrenzenden parallelen Flächen benachbarter Zahnelemente des einen von zwei in einer Arbeitsstufe zusammenwirkenden Werkzeugkränzen gegenüber den die Nuträume eingrenzenden Flächen der Zahnelemente des anderen Werkzeugkranzes in axialer Richtung in einem spitzen Winkel liegen.

Dadurch wird die Rotation und Trichterbildung im Medium erschwert, da der aus der Arbeitsstufe bzw. den Nuträumen des äußeren Werkzeugkranzes austretende Medium-Wirbelstrahl nicht mehr parallel zur Richtung der Drehachse der konzentrisch zueinander rotierenden Werkzeugkränze liegt. Faser- und Struktursubstanzen werden an den Zahnelementkanten nicht mehr abgeschlagen, sondern in einem Schnittwinkel abgetrennt. Dabei vermindert sich sowohl die Abnutzung der Zahnkanten als es auch zu weniger Verklemmungen kommt, da beim Schneiden der Kraftaufwand wesentlich geringer ist. Die Anordnung der Vorrichtung kann nun auch kurz unterhalb des Mediumspiegels erfolgen (oberes Ende der Nuträume des Stators gerade noch unterhalb der Medium-Oberfläche), da durch die erfindungsgemäße Ausbildung ein Abreißen der Umwälzströmung deutlich erschwert ist.

Da sich die Nuträume von Rotor und Stator durch die Schrägstellung zueinander während der Rotation gegeneinander in einem relativ gleichbleibenden großen dynamischen Querschnitt überlappen (bei parallelen, sich überlappenden Nuträumen erfolgt lediglich ein plötzliches Auf- und Zumachen des Scherquerschnittes), erfährt der aus den Nuträumen des einen Werkzeugkranzes einer Arbeitsstufe in die Nuträume des anderen Werkzeugkranzes dieser Arbeitsstufe übertretende turbulente Mediumstrahl eine dem Winkel der Nuträume zueinander entsprechende Umlenkung und einen permanenten und hochfrequenten Wechsel in seiner geometrischen Form und VoIumen. Dies führt neben erhöhter Scherspannung innerhalb des Mediumstrahles zu einer weiteren Verwirbelung des Mediums in mehreren Ebenen. Letztere Verwirbelung bewirkt schließlich beim Austritt des Mediums aus der Arbeitsstufe eine intensive Vermengung des umliegenden Mediums und damit eine Verbesserung des Effektes der Vordispersion.

In zweckmäßiger Ausbildung der Erfindung beträgt der spitze Winkel und damit die Schrägstellung der einen Nuträume gegenüber den anderen Nuträumen etwa 6 bis 10°. In weiterer zweckmäßiger Ausbildung der Erfindung sind die Nuträume des einen Werkzeugkranzes in an sich bekannter Weise durch achsparallele bzw. in Achsrichtung liegende Flächen der Zahnelemente begrenzt und die Nuträume des anderen Werkzeugkranzes derselben Arbeitsstufe durch zur Achse der konzentrischen Werkzeugkränze schräge Flächen der Zahnelemente. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, wenn die Nuträume beider Werkzeugkränze einer Arbeitsstufe um einen gewissen Winkel zur Achsrichtung gegenläufig zueinander schräg angeordnet sind.

Weitere Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch von unten die Ansicht einer aus Stator und Rotor gebildeten Arbeitsstufe,

Fig.2 die Abwicklung der in einer Arbeitsstufe zusammenwirkenden Werkzeugkränze herkömmlicher Bauart,

F i g. 3 schematisch eine Schnittansicht durch die Werkzeugkränze herkömmlicher Bauart,

Fig.4 die Abwicklung der in einer Arbeitsstufe zusammenwirkenden Werkzeugkränze erfindungsgemäßer Bauart und

F i g. 5 schematisch eine Schnittansicht durch die Werkzeugkränze erfindungsgemäßer Bauart.

Gemäß F i g. 1 besteht eine Arbeitsstufe einer Emulgier- und Dispergiervorrichtung aus dem Werkzeugkranz 1 eines Stators 2 und einem dazu konzentrisch angeordneten rotierenden Werkzeugkranz 3 eines Rotors 4. Der Werkzeugkranz 1 des Stators 2 wird durch Zahnelemente 5 gebildet, die nach bekannter Bauart durch im wesentlichen achsparallele prismatische Nuträume 6 voneinander getrennt sind. Entsprechend sind die Zahnelemente 7 des Rotor-Werkzeugkranzes 3 durch Nuträume 8 voneinander getrennt. Bei der dargestellten Ausführungsform schließt der Werkzeugkranz 3 des Rotors 4 einen als zentrale Zuführungskammer dienenden Ansaugraum 9 ein. Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn die Anzahl der Zahnelemente 5 des Stators größer ist als die Anzahl der Zahnelemente 7 des Rotors. Das zu dispergierende bzw. emulgierende Medium wird durch den Ansaugraum 9 angesaugt und durch die Nuträume 8 und 6 zwischen den mit bis zu hohen Ultraschallwerten reichenden Frequenzen zusammenarbeitenden Zahnelementen 7 und 5 nach außen abgegeben.

Aus den schematischen Abbildungen gemäß F i g. 2 und 4 ist die Überlappung der Zahnelemente und Nuträume der Werkzeugkränze von Stator und Rotor in einer zufälligen Drehstellung zueinander ersichtlich. Dabei zeigt sich gemäß F i g. 2 für die herkömmliche Bauart, daß stets etwa die Hälfte aller Nuträume des Rotors bzw. Stators durch Zahnelemente des anderen Werkzeugkranzes, d.h. des Stators bzw. Rotors, verdeckt sind. Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß durch die prismatische Form der Nuträume 6 bzw. 8 zwischen den Zahnelementen 5 bzw. 7 eine starke Strömungsbehinderung für das Medium gegeben ist.

Im Vergleich dazu ist bei der erfindungsgemäßen Ausführung gemäß Fig.4 sofort ersichtlich, daß durch die bei der dargestellten Ausführungsform im Stator schräg angeordneten Nuträume 6 die Summe des sich aus der Überlappung der Nuträume 6 des Stators und 8 des Rotors ergebenden Durchlaßquerschnitts wesentlich größer ist. Zusätzlich ergeben sich aus dieser Schrägstellung die eingangs genannten Vorteile bezüglich des Zusammenwirkens der Nuträume 6 und 8. Die Drehrichtung des Rotors ist in F i g. 4 durch den Pfeil 11 angedeutet. Unter Berücksichtigung dieser Drehrichtung ist die Schrägstellung der Nuträume 6 des Stators derart, daß sich die je-

weils freien Durchlaßquerschnitte, gebildet durch die sich überlappenden Nuträume 6 und 8, scheinbar von unten, der Einsaugöffnung 10 gemäß F i g. 5 nach oben in den Ansaugraum 9 scherend bewegen. Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse sind gemäß F i g. 5 die Basisflächen 12 und 13 der Nuträume 6 und 8 in einem Winkel von etwa 45° abgeschrägt. Nicht erfindungswesentlich ist, daß gemäß Darstellung in F i g. 4 und 5 die Zahnelemente 5 des Rotors an ihren freien Enden durch einen Steg 14 verbunden sind, so daß die Nuträume 6 keine nach unten offenen Nuträume, sondern Schrägschlitze sind.

Die vorliegende erfindungsgemäße Ausbildung kann sowohl bei herkömmlichen Vorrichtungen, bei denen die Werkzeugkränze des Rotors und des Stators sich im wesentlichen zylindrisch erstrecken und bei denen der Abstand zwischen den Zahnelementen des Rotors zu den Zahnelementen des Stators nicht verändert werden kann als auch bei Vorrichtungen Anwendung finden, bei denen der Spaltabstand zwischen den Zahnelementen des Rotors und des Stators veränderbar ist. Versuche haben gezeigt, daß Vorrichtungen der erfindungsgemäßen Ausführung etwa die vierfache Umwälzleistung erbringen, so daß der Effekt der Vordispergierung sehr ausgeprägt ist. Das bedeutet, daß ein kleineres Gerät für größere Behälter noch eingesetzt werden kann. Es wurde festgestellt, daß der Emulgier- bzw. Dispergiergrad gegenüber den herkömmlichen Geräten auch dann nicht schlechter ist. Der Erfindungsvorschlag kann sowohl bei diskontinuerlich in das zu behandelnde Medium einzutauchenden Bearbeitungsköpfen als auch bei kontinuierlich arbeitenden Durchlaufvorrichtungen verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Emulgier- und Dispergiervorrichtung mit mindestens einer aus wenigstens zwei relativ zueinander rotierenden konzentrischen Kränzen von Werkzeugen, vorzugsweise Rotor und Stator, gebildeten Arbeitsstufe, bei der die Werkzeugkränze aus durch Nuträume getrennten Zahnelementen als Werkzeuge bestehen, die wenigstens zum Teil scherend zusammenarbeiten und um einen als zentrale Zuführungskammer dienenden Ansaugraum berum angeordnet sind und mit gegebenenfalls bis zu hohen Ultraschallwerten reichender Frequenz zusammenarbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die die Nuträume (6 bzw. 8) in Umfangsrichtung eingrenzenden parallen Flächen benachbarter Zahnelemente (5 bzw. 7) des einen von zwei in einer Arbeitsstufe zusammenwirkenden Werkzeugkränzen (1 bzw. 3) gegenüber den die Nuträume (8 bzw. 6) eingrenzenden Flächen der Zahnelemente (7 bzw. 5) des anderen Werkzeugkranzes (3 bzw. 1) in axialer Richtung in einem spitzen Winkel liegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel und damit die Schrägstellung der einen Nuträume (6 bzw. 8) gegenüber den anderen Nuträumen (8 bzw. 6) etwa 6 bis 10° beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuträume (8) des einen Werkzeugkranzes (3) in an sich bekannter Weise durch achsparallele bzw. in Achsrichtung liegende Flächen der Zahnelemente (7) begrenzt sind und die Nuträume (6) des anderen Werkzeugkranzes (1) derselben Arbeitsstufe durch zur Achse der konzentrischen Werkzeugkränze (1,3) schräge Flächen der Zahnelemente (5) begrenzt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 mit einem außenliegenden Stator-Werkzeugkranz und einem inliegenden Rotor-Werkzeugkranz, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuträume (6) des Stator-Werkzeugkranzes (1) in Umfangsrichtung durch zur Achse des Werkzeugkranzes (1) schräge Flächen der Zahnelemente begrenzt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die zur Achse schräg liegenden Nuträume (6) begrenzenden Zahnelemente (5) derart schräg liegen, daß sie mit ihren freien Enden schräg gegen die relative Drehrichtung weisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnelemente (5) des Stator-Werkzeugkranzes (1) in Achsrichtung länger sind als die Zahnelemente (7) des Rotor-Werkzeugkranzes (3).

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisflächen (12, 13) der Nuträume (6, 8) in Strömungsrichtung nach außen in einem Winkel von etwa 45° abgeschrägt sind.