DE3105522C2

DE3105522C2 - Misch- und Knetvorrichtung mit einer abgeschlossenen Mischkammer

Info

Publication number: DE3105522C2
Application number: DE3105522A
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Asai; Tsugushi Miki Hyogo Fukui; Kimio Kobe Inoue; Akimasa Kobe Kuriyama; Kazuhiko Nakagawa
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1980-02-16
Filing date: 1981-02-16
Publication date: 1986-03-27
Also published as: GB2072028B; IT8119782A0; IT1135487B; FR2475977A1; JPS56115625A; US4456381A; GB2072028A; DE3105522A1; FR2475977B1; JPS5931369B2

Abstract

Es wird eine Misch- bzw. Knetvorrichtung beschrieben mit einem Paar von innerhalb einer Mischerkammer benachbart angeordneten Rotoren, von denen jeder jeweils ein Paar von Flügeln besitzt, deren auf die Gesamtlänge des Motors bezogene Länge zwischen 0,6 und 0,9 beträgt, deren Verschraubungswinkel sich zwischen 10 ° und 40 ° bewegt und die einen auf die Gesamtlänge des Rotors bezogenen bzw. auf der Gesamtlänge des Rotors basierenden Überdeckungsgrad zwischen 0,2 und 0,8 aufweisen. Auf diese Weise wird ein Mischer oder Kneter geschaffen, der eine Makro-Dispergier- bzw. Dispersionsleistung (Mischwirkung), wie sie für den Doppelflügelrotor charakteristisch ist, und gleichzeitig eine Plastifizierungsleistung (Scherwirkung) besitzt, die mit der eines Vierflügelrotors vergleichbar ist, und der somit in der Lage ist, ein großes Spektrum von Materialien zu be- bzw. verarbeiten.

Description

_{> Λ}	1	■ H₀ ■ L²
sin 2 θχ	in ι 8	V₀- BF
sin 2 θχ .	L

2 ta

(1 - λ - IFD

in denen

L: Di? Gesamtlänge eines Rotors (1)

θ\: den Verschraubungswinkel des Flügels (W\),

Ho: die Spalthöhir zwischen dem Rotorkörper (1) axial neben dem Flügel W\ und der Mischkammer-Zylinderwand

ac: das Verhältnis der axi^.en Länge eines offenen Flügelabschnitts zur Gesamtlänge L des Rotors Vo: das Volumen der Mischkammer,

BF: den Material-Füllgrad der Mischkammer und

D: den Durchmesser des Mischkammer-Zylinders

bedeuten.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Misch- und Knetvorrichtung mit einer abgeschlossenen Mischkammer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Misch- und Knetvorrichtung oben bezeichneter Art ist gewöhnticherweise als Chargen-Mischvorrichtung ausgebildet, wie sie beispielsweise für das Kneten von Gummi oder von anderen Kunststoffmaterialien verwendet wird und insbesondere in der Reifen-Produktionsindustrie beim Kneten von Gummi während des Knetvorgangs für die Plastifizierung, beim Kneten der Kohlen bzw. Kohlenstoffgrundmischung oder beim Vermischen von Vulkanisier-Chemikalien nicht mehr wegzudenken ist.

Misch- und Knetvorrichtungen mit abgeschlossener Mischkammer besitzen gewöhnlicherweise entweder ein Paar von Zweiflügelrotoren, die, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, jeweils einen langen Flügel 2 und einen kurzen Flügel 3 tragen, oder ein Paar von Vierflügelrotoren, die, wie dies in F i g. 2 gezeigt ist, jeweils zwei lange Flügel 2 und zwei kurze Flügel 3 besitzen. Ein in die Misch- und Knetvorrichtung aufgegebenes Material 5 wird im Mischer einer sehr hohen Scherbeanspruchung unterworfen und einem Zwängen durch einen engen, als Spitzenspalt bezeichneten Spalt zwischen der Spitze 6 des Rotors und einem Mischer-Tonnengehäuse oder -Zylinder 4, das im einzelnen aus den F i g. 3 bis 6 hervorgeht, unterzogen, wobei gleichzeitig eine Mikro-Dispersion bewirkt wird. Die Flügel eines jeden Rotors sind in einer solchen Richtung verschraubt, daß sie das aufgegebene Material in Richtung auf das Zentrum des Mischer-Zylinders drücken, was durch die Pfeile in den Fig.). und 2 angedeutet ist; dabei werden die beiden Rotoren in einem vorbestimmten Geschwindigkeitsverhältnis angetrieben.

Aufgrund einer derartigen Rotorkonstruktion und durch das Verhältnis der Drehgeschwindigkeiten zwischen den beiden Rotoren wird das eingegebene Material durch wiederholte FaIt- bzw. Schicht- oder Umschlage-Vorgänge vermischt, während die Homogenisierung des Materials und die Makro-Dispersion von Zusätzen vorangetrieben wird. Die Misch- und Knetvorgänge in einer derartigen Misch- und Knetvorrichtung setzen sich somit aus einer Kombination aus Scher- und Mischwirkungen zusammen.

Aus der DE-OS 29 25 250 ist eine Misch- und Knetvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I bekannt. Diese Misch- und Knetvorrichtung besitzt entweder zwei oder vier Mischabschnitte und dementsprechend entweder zwei oder vier Flügel, die von ausgeformten Rotor-Rippen gebildet sind. Durch Variation der Flügelzahl und Flügelanordnung hat man versucht, den unterschiedlichen Anforderungen an die Mischungs-Effektivität bei der Behandlung unterschiedlicher Materialien Rechnung zu tragen. Ein Vergleich der Misch- und

Knetvorrichtung mit Rotoren, die mit vier Flügeln ausgestattet s^;nd (Vierflügelrotor) mit einer Misch- und Knetvorrichtung, die Rotoren besitzt, die lediglich mit zwei Rügein bestückt sind (Zweiflügelrotor) zeigt, daß die mit Vierflügelrotoren ausgestattete Misch- und Knetvorrichtung aufgrund der größeren Anzahl von Flügelspilzen eine größere Scherwirkung besitzt und in der Lage ist, eine Plastifizierung oder eine Mikro-Dispersion von Zusätzen in einer kürzeren Zeitspanne sicherzustellen. Auf der anderen Seite läßt die mit Zweiflügeirotoren s bestückte Misch- und Knetvorrichtung aufgrund ihrer kleineren Anzahl von Flügelspitzen in der Mischerkammer mehr Platz als der mit vier Flügelrotoren ausgestattete Mischer, wodurch sich Vorteile sowohl hinsichtlich sanfter Bewegungen und der Homogenisierung des zu mischenden Materials als auch hinsichtlich der Mikro-Dispersion von Zusätzen ergeben. Die mit Vierflügelrotoren ausgestattete Misch- und Knetvorrichtung legt somit den Schwerpunkt auf die Scherwirkung, während die mit Zweiflügeirotoren bestückte Misch- und Knetvorrichtung den Schwerpunkt auf die Mischwirkung legt So sind die mit Vierflügelrotoren ausgestatteten Misch- und Knetvorrichtungen beispielsweise für das Kneten von natürlichem Gummi und für das Kneten einer Kohlenstoff-Grundmischung geeignet, während die mit Zweiflügeirotoren ausgestatteten Misch- und Knetvorrichtungen insbesondere für das Dispergieren von Vulkanisierungsmitteln oder anderer Chemikalien beim »pro-kneading«- Vorgang geeignet sind.

Die vorstehend beschriebenen Knet-Charakteristika, die für die jeweiligen Misch- und Knetvorrichtungskonstruktionen mit unterschiedlichen Rotoren jeweils typisch sind, können je nach den Umständen vorteilhaft oder nachteilig sein. Insbesondere im Zuge der jüngsten Entwicklung in de*' Gummiindustrie hat es sich als schwierig erwiesen, das Erhärten oder das Erweichen des Materials aufgrund der Einlagerung einer gro-en Menge von Füllstoff oder Öl unter Verwendung eines einzigen Satzes von Zwei- oder Vierflügelrotoren in ,!en Griff zu bekommen. Insbesondere waren herkömmliche Misch- und Knetvorrichtungen, die mit Zweiflügeirotoren bestückt waren, allein nicht in der Lage, Kunststoffmaterialien neuerer Entwicklungsstufe, die große Mengen Füllstoff enthalten, in befriedigender Weise so zu bearbeiten, daß eine Nachschaltung einer mit Vierflügelrotoren ausgestatteten Misch- und Knetvorrichtung, die sich durch e-ae äußerst hohe Plastifizierungsleistung auszeichnet, entbehrlich werden konnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Misch- und Knetvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die eine große Makro-Dispergierleistung, wie sie für Misch- und Knetvorrichtungen mit Zweiflügeirotoren charakteristisch ist, und gleichzeitig eine Plastifizierungsleistung besitzt, die mit der einer mit Vierflügelrotoren ausgestatteten Misch- und Knetvorrichtung vergleichbar ist, und die somit in der Lage ist, ein großes Spektrum von Materialien zu be- uid verarbeiten.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine Misch- und Knetvorrichtung geschaffen, die mit zwei Zweiflügeirotoren bestückt ist Durch die erfindungsgemäße Anhebung der axialen Länge des Flügels auf einem Rotor wird jedoch das zu verarbeitende Material einer vergrößerten Scherwirkung unterzogen, ohne dabei dem zu mischenden Material den notwendigen Bewegungsraum in der Mischkammer zu nehmen. Gleichzeitig wird durch die enindungsgemäße Bereichsauswahl sichergestellt, daß das zu mischende Material bei der Bewegung der Rotoren sanft in axialer Richtung bewegt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß durch die Auswahl der Mischer-Kenngrößen ein Druckanstieg im offenen Flügelabschnitt durch die Materialströmung parallel zum Flügel nicht auftritt. Die erfindungsgemäße Optimierung des Flügels stellt ferner sicher, daß eine ausreichende Materialmenge in einem günstigen Zeitintervall von einem Mischerflügel auf den anderen transportiert wird, so daß die Mischwirkung gegenüber einer herkömmlichen, mit Zweitlügelrotoren ausgestatteten Misch- und Knetvorrichtung sogar noch verbessert werden kann. Auf diese Weise gelingt es, einer ausschließlich mit Zweiflügeirotoren ausgestatteten Misch- und Knetvorrichtung unter Beibehaltung ihrer positiven Eigenschaften bezüglich der Mischwirkung einen wesentlich verbesserten Scherarbeit-Wirkungsgrad zu verleihen.

Besonders gute Ergebnisse lassen sich mit einer Misch- und Knetvorrichtung erzielen, die gemäß Patentanspruch 2 optimiert ist.

Im Patentanspruch 3 sind die Bemessungsregeln angegeben, nach denen eine erfindungsgemäße, lediglich mit Zweiflügeirotoren ausgestattete Misch- und Knetvorrichtung konzipiert werden sollte, um bei vorgegebener mechanischer Festigkeit die oben erwähnten Mischergebnisse zu erzielen.

Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische bzw. schaubildiiche Draufsicht auf herkömmliche Zweiflügeirotoren,

F i g. 2 eine schsmatische Draufsicht auf herkömmliche Vierflügelrotoren,

F i g. 3 und 4 Ansichten eines Schnitts entlang der Linien III-111 bzw. IV-IV in F i g. 1,

F i g. 5 und 6 Ansichten eines Schnitts entlang der Linien V-V bzw. VI-VI in F i g. 2,

F i g. 7 eine Ansicht einer Abwicklung, welche die Zuordnung zwischen einem Zweiflügelrotor und einem Mischerzylinder bzw. einem Mischer-Tonnengehäuse aufzeigt,

F i g. 8 eine Ansicht eines Schnitts entlang der Linie VIII-VIII in F i g. 7,

Fig.9 ein Diagramm zur Darstellung des Überdeckungsverhältnisses bzw. -grades herkömmlichen Zweiflügeirotoren,

Fig. 10 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Grenzbereiche bei der Formgebung und der Lage der Flügel bei der erfindungsgemäßen Misch- und Knetvorrichtung,

F i g. 11 ein Diagramm zur Darstellung der Materialbewegungen auf dem her'-.ömmlichen Zweiflügelrotor,

Fig. 12 ein Diagramm zur Darstellung der Materialbewegungen auf dem erfindungsgemäßen Zweiflügelrotor,

Fig. 13 und 14 Diagramme zur Darstellung der Materialbewegungen in dem Mischkammer-Abschnitt der erfindungsgernäßen Misch- und Knetvorrichtung, in dem die beiden Mischkammer-Zylinderabschnitte ineinander übersehen, und

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Fig. 15 eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäß ausgebildeten Rotoren der Misch- und Knetvorrichtung.

Die geschlossene Misch- und Knetvorrichtung, d. h. eine Misch- und Knetvorrichtiing mit geschlossener Mischkammer besitzt ein Paar von benachbart angeordneten, aneinander angrenzenden Rotoren, die in entgcgengesetzten Richtungen drehbar und in zylindrischen Tonnengehäusen angeordnet sind, die mit Kühl- oder Heizeinrichtungen versehen sind. Die Tonnengehäuse sind miteinander verbunden und definieren in ihrem Inneren Mischkammern, die durch einen Verbindungsabschnitt miteinander in Verbindung stehen. Ein Aufgabematerial, welches durch einen auf dem Verbindungsabschnitt vorgesehenen Aufgabetrichter chargenweise zugeführt wird, wird durch die Beiß- bzw. Freßwirkung der sich drehenden Rotoren und durch die Eindrückwirkung eines in der Aufgabetrichteröffnung vorgesehenen, schwimmenden Gewichts in die Mischkammern gedrückt, wobei es zur gleichförmigen Plastifizierung des Materials oder zur Sicherstellung einer Mikro- oder Makro-Dispersion von Zusatzstoffen der Scher- und Mischwirkung der beiden Rotoren innerhalb der jeweiligen Mischkammern unterzogen wird, die Scherwirkung tritt dabei hauptsächlich zwischen den Spitzen der Rotorflügel, d. h. den sich radial erstreckenden Rotor-Erhebungen und den Wandungen der Mischkammern auf, wobei der Grad der Scherwirkung mit der Länge der Flügel oder mit der Anzahl der Flügel angehoben wird. Andererseits wird die Mischwirkung auf komplizierte Weise von der Gestalt, vom Verschraubungswinkel und von der Länge der Flügel sowie vom Verhältnis der Drehgeschwindigkeiten der beiden Rotoren beeinflußt, und der Grad dsr Vermischung wird dadurch bestimmt, wie sehne!! das Material über einen weiten Bereich der entpsrechenden Mischkammern ohne Stauung an einem bestimmten Ort in der Mischkammer bewegt wird. Beim Einsatz und bei der Untersuchung von Misch- und Knetvorrichtungen mit geschlossener Mischkammer über viele Jahre hinweg wurde herausgefunden, daß es notwendig ist, in den Mischkammern einen Raum vorzusehen, in dem die Bewegung des Materials möglichst ungehindert auftreten kann, oder den Strömungsanteil des in axialer Richtung entlang den Flügeln gedrückten Materials und die Erstreckung dieser Bewegung anzuheben. Unter diesem Gesichtspunkt wurden mit Rücksicht auf die Form und die Formgebung von Zweiflügelrotoren,

d. h. Rotoren mit 2 Mischabschnitten, die jeweils nur einen Flügel aufweisen, theoretische Studien durchgeführt, um eine mit Zweiflügelrotoren ausgestaltete Mischvorrichtung zu schaffen, die sowohl eine für Zweiflügelrotoren charakteristische ausgezeichnete Mischwirkung als auch Wirt-'-ngseigenschaften besitzt, wie sie für mit Vierflügelrotoren ausgestattete Misch- und Knetvorrichtungen charakteristisch sind. Diese theoretischen Studien werden im folgenden beschrieben.

Im folgenden wird auf die Fig. 7 und 8 Bezug genommen, die in einer Abwicklung bzw. in einer Schnittdarstellung einen Zweiflügelrotor während des MbchVorgangs zeigen. In diesen Figuren deuten die schraffierten Bereiche jeweils einen Bereich an, der mit dem zu mischenden Material aufgefüllt ist. Gemäß der Flügelformgebung eines herkömmlichen Zweiflügelrotors ist der Flügel derart verschraubt, daß er das Material zum Zentrum des Rotors hin bewegen kann: der Verschraubungswinkel θ\ ist dabei so definiert, daß er den Winkel zwischen der Tangente an den Flügel an dessen Außenkante und einer zur Rotorachse parallel verlaufenden Mantellinie durch den Berührungspunkt der Tangente bezeichnet. Die Anfangspunkte A und Cder sich gegenüberliegenden Flügel sind um 180° zueinander versetzt bzw. winkelversetzt angeordnet. Die Phasenverschiebung der Punkte A und C beträgt mit anderen Worten ausgedrückt 180°. Die Anordnung, gemäß der der Punkt S des Flügels W_t zum Punkt C des Flügels W₂ um 90° versetzt ist, ist vom Standpunkt der Rotations-Ballance des Rotors und seiner mechanischen Festigkeit sowie im Hr olick auf die Mischerleistung sehr vernünftig und sie wird somit den folgenden Studien zugrundegelegt. In einem Fall, in dem die Punkte B und C zueinander um mehr als 90° versetzt sind, ist die Einwirkung des Flügels W₂ auf die Materialströmung entlang dem Flügel Wi nahezu vernachlässigbar. Es folgt, daß die Scher- und Mischwirkung des Flügels W, dann einzig und allein durch die Gestalt des Flügels W, erklärt und als Misch- und Knetwirkung der gesamten geschlossenen Misch- und

■»5 Knetvorrichtung verstanden werden kann.

Die Bewegung des Materials auf dem Flügel Wi setzt sich aus einer Strömung (Durchflußrate: Q\) entlang dem Flügel W₁ und einer Strömung (Durchflußrate: Q₂) durch die Spitze des Flügels W, bzw. durch den Spitzenspalt zwischen Flügelaußenkante und Mischkammerwand zusammen. Die Strömung des Materials entlang dem Flügel W₁ wird ferner in dem offenen Bereich des Flügels Wi mit einer Durchflußrate Q\ in eine Richtung senkrecht zur Achse des Flügels umgelenkt bzw. gerichtet. Wenn man die Materialströmungen u ;■ ebene, zwischen zwei parallelen Platten, von denen eine bewegt wird, induzierte und auf der Zugkraft basierende Strömung betrachtet, wobei die Platten durch die Oberfläche des Rotors und die Innenwandung des Tonnengehäuses gebildet werden, können diese Materialströmungen Q\. Qi und Q'\ durch die folgenden Gleichungen dargestellt werden.

In dieser Formel bedeuten im einzelnen

S: Die Querschnittsfläche des aufgegebenen Materials,
Vq: das Volumen der Mischkammer.
BF: den Füllungsgrad der Mischertonne, und
Λ: die axiale Länge des längeren Flügels.
□5

Q₁ = -y V₁ ■ S = y Vsin 0, ■ S (2)

In dieser Gleichung bedeuten im einzelnen

V/. die Komponente von Kentlang des Flügels W\ und
V: die Geschwindigkeit senkrecht zur Achse des Rotors

(3) In dieser Gleichung bedeuten im einzelnen

He· den zwischen der Schaufelspitze und der Mischwandung auftretenden Spalt, d. h. den Spitzenspalt, und Vy-. die Komponente von Vsenkrecht zum Flügel W\

Q\ = yV- H₀-aL (4) _H

In dieser Gleichung bedeuten im einzelnen

Wo: die Spalthöhe zwischen dem Rotorkörper axial neben dem Flügel und der Mischertonneninnenwandung, bzw. Mischkammer-Zylinderwand und

aL: die Länge des offenen Flügelabschnitts.

Um die Scherwirkung auf das Material anzuheben, wird die Durchflußrate Q₂ angehoben, wodurch die Menge des durch die Spitze strömenden Materials angehoben wird. Aus diesem Grund wird der Wert von l\ angehoben, da die Werte von V von W, durch die Größe der Maschine und durch die Betriebsbedingung festgelegt sind.

Wie in F i g. 9 gezeigt ist, hat der herkömmliche Zweiflügelrotor einen Überdeckungsgrad, der kleiner ist als 0,15, was bedeutet, daß die Sureme der Längen der beiden Flügel (I₁ + I₂) kleiner ist als 1,15 · L Um eine Scherwirkung zu erzielen, die größer ist als die eines herkömmlichen Zweiflügelrotors, müssen deshalb die Werte von l\ und /2 derart bestimmt werden, daß die Summe der Längen der beiden Flügel größer ist als 1,15 · L bc-orzugterweise, größer als 1,2 - List. Die Länge /| eines Flügels muß dann größer sein als 1,2 Ul = 0,6 L.

Wenn man die Erfahrungen in Betracht zieht, die man in der Vergangenheit beim Mischen von Gummi gewonnen hat, so sollte andererseits die Länge eines Flügels kleiner sein als 0.9 L, um zu verhindern, daß am Endrahmen des Mischers eine Verbrennung bzw. zu hohe Temperaturen auftreten. Wenn man diesen Richtwert nicht berücksichtigen würde, so würde der offene Bereich des Flügels, d. h. der offene Flügelbereich auf einen solchen Wert eingeengt werden, daß die Mischwirkung behindert würde. Die Längen I\ und /2 der beiden Flügel sollten sich folglich in dem im folgenden angegebenen Bereich bewegen:

0,6 S -j- < 0,9 und 1.2 < -^-j-^· S 1.8 (5)

Die angehobenen Flügellängen heben die Durchflußrate des Materials an, welches, in dem Beispiel gemäß F i g. 7, von einem Ende zum anderen des Flügels W₁ in eine Richtung vom Anfangspunkt A weg geschoben wird, wodurch die Mischwirkung durch die Bewegung des Materials über einen längeren Bereich in axialer Richtung positiv beeinflußt wird.

Um einen ausreichenden Grad der Mischwirkung sicherzustellen, ist es notwendig, das Material sanft in axialer Richtung zu bewegen. Zu diesem Zweck sollte der offene Flügelabschnitt eine Länge aL haben, die einen Druckanstieg im offenen Flügelabschnitt zumindest durch eine Materialströmung parallel zum Flügel W\ nicht erlaubt, so daß die Materialströmung gegen den anderen Flügel W₂ gedrückt wird. Es ist damit notwendig, daß die folgende Beziehung erfüllt bleibt.

Qx S <?', (6)

Durch das Einsetzen der Gleichungen (2) und (4) in die Gleichung (6) erhält man durch die Substitution /ι = L — aL die folgende Beziehung

sin 2 <9i 8 H₀ L² _ , .

cc(I-x) = V₀-BF ^{= Cl (7)}

in der C- eine Konstante darstellt, deren Größe bei einem Zweiflügelrotor im Hinblick auf die mechanische Dim'.isionierung des Mischerkörpers, die durch die mechanische Festigkeit bestimmt wird, in etwa zu 5,0 festgesetzt werden kann.

Ein anderer Faktor, der in großem Ausmaß die Mischwirkung beeinflußt, ist die absolute Größe von Qy Aus der Erfahrung und aus Experimenten weiß man, daß es zur Sicherstellung einer Mischwirkung, die vergleichbar oder sogar größer ist als die einer herkömmlichen mit Zweiflügelrotoren ausgestalteten Misch- und Knetvorrichtung notwendig ist, eine absolute Größe von Q\ sicherzustellen, die ein Materialvolumen

V[-S- —^— cc
cos Γ

h 5 auf dem Flügel '.V₁ durch den offenen Flügelabschnitt passieren läßt und auf den anderen Flügel W₂ in weniger

B als vier Umdrehungen des Rotors bewegt. Zu diesem Zweck muß die in der folgenden Gleichung (8) angegebene

j£ Beziehung erfüllt sein. Da die Zeit t für eine Umdrehung des Rotors wie folgt bestimmt ist: t ~ 60/N (wobei N

ji die Anzahl der Umdrehungen des Rotors pro Minute bedeutet), ergibt sich:

f\ io V< 4/ · <?, ' (8)

:_; Wenn man nun die Gleichung (2) in die Gleichung (8) einsetzt, erhält man die folgende Beziehung:

wobei Ci im Hinblick auf die mechanische Festigkeit für einen Zweiflügelrotor zu 0,5 gesetzt ist.

Andererseits sollte der Endpunkt Z?des Flügels V/, vorn Anfangspunkt Cdes Flügels VV₂ in Urnfangsrichiung

mindestens um 90" phasenversetzt sein, im eine gegenseitige Beeinflussung bzw. eine gegenseitige Interferenz der beiden Flügel auszuschließen, so daß die Flügellänge /ι durch den Verschraubungswinkel 6Ί begrenzt ist. Da der Verschraubungswinkel Θ\ gemäß Fig. 7 für einen Zweiflügelrotor um 26° beträgt, errechnet sich die Flügellänge wie folgt:

/, ■ tan(9, = < R (10)

In einem Fall, in dem der Winkel 6>zu 6Ό = 26° gesetzt wird, die Länge l\ zu L — *Lund R/L = 1/2 (für einen Doppelflügelrotor) gesetzt werden, kann die Gleichung (10) wie folgt geschrieben werden:

^rti/iiiU ^(ll)

Die Ergebnisse der oben beschriebenen Studie zeigen, daß die Faktoren, welche die Bewegungen des Materials behindern, beseitigt werden können, indem die Flügel so geformt werden, daß ihre Längen und Verschraubungswinkel die folgenden Gleichungen (a) bis (d) erfüllen, wodurch die Mischwirkung im Vergleich zu einem herkömmlichen Zweiflügelrotor verbessert wird. Zusätzlich kann gleichzeitig die Scherwirkung durch Vergrößerung der Flügellänge verbessert werden. Die zu erfüllenden Bedingungen sind:

(a) Zur Verbesserung des Überdeckungsgrades der Flügel,

_{u £} _L+A < ,,_{8 {5)}

(b) Für die Aufrechterhaltung des offenen Flügelabschnitts zur Sicherstellung der Axialströmung des Materials:

sin 2 6?, ^ S- H₀- υ !X(I-CC)= V₀-BF -⁵·^{0 (7)}

(c) Für die Sicherstellung der absoluten Menge der Durchflußströmung entlang des Flügels:

sin 2 6>i L
I-a = !FD = °·⁵ (⁹)

(d) Für das Vermeiden gegenseitiger Interferenz der beiden Flüge! zur Sicherstellung einer effizienten Mischwirkung:

Die F i g. 10 zeigt schaubildlich die oben angegebenen Randbedingungen auf, wobei der schraffierte Bereich 11 den Bereich angibt, in dem alle diese Bedingungen erfüllt sind. Es genügt somit, daß zumindest ein Flügel ein Verhältnis seiner axialen Flügellänge h zur Gesamtlänge L des Rotors zwischen 0,6 und 0,9 aufweist, daß er einen Verschraubungswinkel zwischen 10° und 40° besitzt und einen Überdeckungsgrad von 0,2 bis 0,8 relativ zur,5 anderen Flügel aufweist Es versteht sich natürlich von selbst daß ein größerer Mischungseffekt für den Fall

b5 erzielt wird, daß beide Flügel so ausgebildet sind, daß sie ein auf die Gesamtlänge des Rotors bezogenes Flügellängenverhältnis von 0,6 bis 0,9 und einen Verschraubungswinkel zwischen 10° und 40° aufweisen.

F i g. 1S zeigt eine Draufsicht auf erfindungsgemäß ausgebildete Rotoren, die Flügel aufweisen, welche die oben angegebenen Bedingungen erfüllen, wobei der Überdeckungsgrad bei diesen Rotoren zur Sicherstellung

einer möglichst großen Scherwirkung größer als 0,6 gehalten ist. F i g. 12 ist die Ansicht auf eine Abwicklung der Flügel der in Fig. 15 gezeigten Rotoren. In der Fig. 15 bezeichnet die Bezugsnummer 20 einen Flügel, die Bezugsnummer 40 einen im Einflußbereich der beiden Rotoren stehenden Verbindungsabschnitt und OL einen Übeideckungsabschnitt. Die Gestaltung der Schnitte entlang der Linien A-A und B-B ist ähnlich den in den F i g. 4 bzw. 3 gezeigten Schnittgestaltungen. Wenn sich die Flügel in einem derart großen Ausmaß übe, decken, wird das Material am offenen Flügelabschnitt eines Flügels sanft auf den anderen Flügel übergeben, so daß dem Material ein größerer Bewegungsspielraum innerhalb der Mischkammer gelassen wird, und es einer größeren Scherwirkung der mit größeren Längen ausgestatteten Flügel unterworfen wird. Im Gegensatz zur Materialströmung auf dem herkömmlichen Zweiflügelrotor, wie sie durch die gestrichelte Linie 22 in F i g. 11 dargestellt ist. ist der erfindungsgemäß ausgebildete Rotor in der Lage, eine größere Materialströmung zu erzeugen, wie dies durch die gestrichelte Linie 21 in F i g. 12 angedeutet ist.

Wenn man die gegenseitige Einwirkung der beiden Rotoren aufeinander betrachtet, die in einem vorbestimmten Geschwindigkeitsverhältnis gedreht werden, so wird verglichen mit der mit herkömmlichen Zweiflügelrotoren ausgestalteten Misch- und Knetvorrichtung in dem Verbindungsabschnitt zwischen den beiden Mischkammern entsprechend der Drehposition der Rotoren, wie sie in den Fig. 13 und 14 gezeigt sind, eine Misch- oder Scherwirkung in einem größeren Ausmaß verwirklicht. Genauer ausgedrückt, addieren sich in der Fig. 13 gezeigten Rotationslage die Axialverschiebungen des Materials durch die Flügel W\ miteinander, und die Flügel W-, mit größerer Länge lassen das Material über eine längere Strecke A und B wandern, so daß dieses sogar in dem Verbindungsabschnitt verglichen mit den herkömmlichen Rotoren einer größeren Mischwirkung unterzogen wird. I; der in Fig. 14 gezeigten Position bzw. Drehlage wird das Material durch den Flügel W\ und den Flügel W₂ des anderen Rotors zusammengequetscht und einer größeren Kompressions-Scherwirkung unterworfen, als dies bei Misch- und Knetvorrichtungen mit herkömmlichen Zweiflügelrotoren der Fall war, da die Flügel W, und W₂ erfindungsgemäß größere Längen besitzen.

Auf diese Weise erzielt man mit einer Misch- und Knetvorrichtung mit den vorstehend beschriebenen Zweiflügelrotoren, eine größere Misch- und Scherwirkung als dies bei herkömmlichen vergleichbaren Rotoren der Fall ist, und zwar nicht nur im Bereich der Mischkammern, sondern auch, aufgrund der ineinandergreifenden Wirkungen der beiden Rotoren im dazwischenliegenden Verbindungsabschnitt der beiden Mischkammern. Somit hat der Mischer insgesamt eine große Misch- und große Scherwirkung oder eine große Knetwirkung.

Beispiel

	erfindungs	herkömmlicher	herkömmliche!	Bemerkungen
	gemäßer Rotor	2-Flügel-Rotor	4-Flügel-Rotor
Anzahl der Flügel	2	2	4
Überdeckungsgrad (I_x + I₂)IL — 1	0,6	0,15	—
Flügellängenverhältnis
langer Flügel l\IL	0,80	0,72	0,67
kurzer Flügel hlL	0,80	0,43	0,33
Verschraubungswinkel (θ\)	22°	34°	36°
Verschraubungswinkel (θ₂)	22=	55°	54°
Abfall der Mooney-Viskosität	1,30	1,00	1,35	Ein
(z/M L)				Vergleichswert
				zum2-Flügel-
				rotor(l.O)
Energetischer Wirkungsgrad	1,15	1,00	1,20	dgl.
(AW L/kWh/kg)
Dispergiervermögen von Chemikalien	1,00	1,00	3,00	dgl-
				je kleiner
				desto besser

Diese Ergebnisse zeigen, daß die mit erfindungsgemäß gestalteten Rotoren ausgestattete Misch- und Knetvorrichtung ein Plastifizierungsvermögen (Scherwirkung) besitzt, die dem der mit einem Vierflügelrotor ausgestatteten Knetvorrichtung gleichwertig is», daß sie einen energetischen Wirkungsgrad besitzt, der sich zwischen dem der mit herkömmlichen Zweiflügelrotoren ausgestatteten Mischvorrichtung und der mit herkömmlichen Vierflügelmotoren bestückten Vorrichtung bewegt, und daß sie ein Dispergierungsvermögen für Chemikalien besitzt, das dem der mit herkömmlichen Zweiflügelrotoren ausgerüsteten Misch- und Knetvorrichtung, gleichwertig ist Es wurde durch Experimente bestätigt daß ähnliche Effekte durch Rotoren erreicht werdem, deren auf die Gesamtlänge L des Rotors bezogene Flügellängen zwischen 0,65 und 0,85 lagen, deren Verschraubungswinkel sich zwischen 15° und 35° bewegte und deren Oberdeckungsgrad zwischen 03 und 0,7 lag.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

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Ein geschlossener Knetmischer (mit einem Volumen von 4,3 1) mit vorstehend beschriebenen Zweiflügelrotoren wurde für das Kneten von natürlichem Gummi und für das Hinzumischen von Chemikalien in eine Kohlenstoff-Knetmasse (»pro kneading«) eingesetzt. Die Ergebnisse sind in Fig. 1 dargestellt und werden in dieser Tabelle den mit herkömmlichen Zwei- und Vierflügelrotoren erzielten Ergebnissen gegenübergestellt:

Tabelle 1

40 45 50

60

Claims

31 05 552 Patentansprüche:

1. Misch- und Knetvorrichtung mit einer abgeschlossenen Mischkammer und einem innerhalb der Mischkammer angeordneten Paar aneinander angrenzender Rotoren, wobei jeder Rotor eine Gesamtlänge L hat und aus zwei Mischabschnitten besteht, die jeweils nur einen Flügel aufweisen, wobei die Flügel jeweils Verschraubungswinkel besitzen, so daß sie das Mischgut von den Stirnseiten der Mischkammer weg nach innen befördern und die axiale Länge I_x eines Flügels mindestens 60% der Gesamtlänge L des Rotors beträgt und wobei die Summe der Längen I_x und I₂ der beiden Flügel jedes Rotors größer ist als die Gesamtlänge L, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge I_x des einen Flügels (W_x) jedes Rotors (1) 60% bis 90% der Gesamtlänge L beträgt, daß der Verschraubungswinkel θ_χ des Flügels (W_x) im Bereich zwischen 10° und 40° liegt, und daß die Summe der Längen I_x und I₂ der beiden Flügel (W_x, H^)-jedes Rotors (1) das 1,2 bis l,8fache der Gesamtlänge beträgt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Flügel (W_x, W₂) eines jeden Rotors (1) eine Länge (I_x, I₂) besitzen, die 65% bis 85% der Gesairtlänge (L) des Rotors (1) beträgt und daß sie einen Verschraubungswinkel (θ_χ, θ₂) zwischen 15° und 35° besitzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie eines jeden Rotors (1) die folgenden Bedingungen erfüllt: