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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Industrielle Mischvorrichtungen werden
allgemein in zwei Klassen auf der Grundlage ihrer Fähigkeit
zum Mischen von Flüssigkeiten
(Fluiden) unterteilt. Mischen ist das Verfahren zur Verkleinerung der
Größe von Teilchen
oder inhomogener Stoffe innerhalb des Fluids. Ein Maß für den Grad
oder die Vollständigkeit
des Vermischens ist die Energiedichte je Volumeneinheit, welche
die Mischvorrichtung erzeugt, um die Fluidteilchen aufzubrechen.
Die Klassen unterscheiden sich aufgrund der abgegebenen Energiedichten.
Es gibt drei Klassen von industriellen Mischvorrichtungen mit ausreichender
Energiedichte, um Mischungen oder Emulsionen mit Teilchengrößen im Bereich
von 0 bis 50 μm
wirksam herzustellen.
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Homogenisierungsventilsysteme werden normalerweise
als Hochenergievorrichtungen klassifiziert. Zu bearbeitendes Fluid
wird unter sehr hohem Druck durch ein Ventil mit engem Spalt in
eine Umgebung mit niedrigerem Druck gepumpt. Die Druckgradienten
am Ventil und die sich ergebende Turbulenz und Kavitation wirken
aufbrechend auf jegliche Teilchen in dem Fluid. Diese Ventilsysteme
werden allgemein bei der Milchhomogenisierung verwendet und können durchschnittliche
Teilchengrößen im Bereich von
0―1 μm erzielen.
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Am anderen Ende des Spektrums sind Mischsysteme
mit hoher Scherkraft, die als Vorrichtungen mit niedriger Energie
klassifiziert werden. Diese Systeme haben gewöhnlich Schau feln oder Fluidrotoren,
die sich mit hoher Drehzahl in einem zu bearbeitenden Fluidvorrat
drehen, der bei vielen der üblicheren
Anwendungen ein Nahrungsmittelprodukt ist. Diese Systeme werden
gewöhnlich
angewendet, wenn durchschnittliche Teilchengrößen von mehr als 20 μm in der
bearbeiteten Flüssigkeit
(Fluid) annehmbar sind.
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Zwischen den Mischern mit hoher Scherkraft und
Homogenisierungsventilsystemen liegen bezüglich der an die Flüssigkeit
abgegebenen Mischenergiedichten Kolloidmühlen, die als Vorrichtungen
mit mittlerer Energie klassifiziert werden. Die typische Kolloidmühlenform
enthält
einen konischen oder scheibenförmigen
Rotor, der von einem komplementären,
flüssigkeitsgekühlten Stator
durch einen genau gesteuerten Rotor-Stator-Spalt getrennt ist, der gewöhnlich zwischen
0,001 bis 0,04 Zoll (inches) liegt. Da der Rotor sich mit hohen
Geschwindigkeiten dreht, pumpt er Flüssigkeit zwischen die Außenfläche des
Rotors und die Innenfläche
des Stators, und im Spalt erzeugte Scherkräfte bearbeiten die Flüssigkeit.
Viele Kolloidmühlen
mit zweckmäßiger Einstellung
erzielen durchschnittliche Teilchengrößen von 1 bis 25 um in der
bearbeiteten Flüssigkeit.
Diese Fähigkeiten
machen Kolloidmühlen
geeignet für
eine Anzahl von Anwendungen einschließlich der Verarbeitung von
Emulsionen auf Kolloid- und Öl/Wasserbasis,
wie sie für
Kosmetika, Mayonnaise oder Ausbildung von Silikon/Silberamalgam
bis zu Dachteermischung erforderlich sind.
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NL-Patentschrift Nr.96526 betrifft
eine Vorrichtung zum Einstellen der Schleifscheiben einer Kaffee-
oder Gewürzmühle, wobei
die verschiebbare Schleifscheibe auf einer Achse sitzt. Die Achse
ist drehbar und axial verschiebbar und ist in Lagern auf einem Stützteil gelagert,
das seinerseits in Lagern in einer nicht drehbaren, aber doch axial
verschiebba ren Weise im Mühlengehäuse gelagert
und mit einem feinen Schraubengewinde versehen ist, auf welches ein
Anschlagring, der in Form eines Zahnrades ausgebildet ist, sowie
ein Ring aufgesetzt sind, wodurch dieser Anschlagring gegen das
Mühlengehäuse mit Hilfe
von Federn gepresst wird.
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Die US-Patentschrift Nr. 4 109 873
beschreibt eine Schleifmühle
mit einer Zuführkammer zur
Einleitung von Korn zwischen Mahlsteine, wo es zu Mehl gemahlen
wird und von wo es in eine Turbinenkammer ausgestoßen wird.
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ZUSAMMENFASSENDE
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Bekannte Kolloidmühlen leiden unter einer Anzahl
von Problemen bezüglich
der Leistung und leichten Handhabung.
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Ein solches Problem bezieht sich
auf die mechanische Kompliziertheit und Stabilität. In der Vergangenheit hatten
Kolloidmühlen
Mühlengehäuse für den Rotor/Stator
und getrennte Elektromotoren mit direktem Antrieb, sowie untersetzende
Zahnrad- oder Riemenantriebssysteme, welche die Motoren mit den
Mühlenrotoren
verbanden. Es ist eine umfangreiche mechanische Isolierung erforderlich,
da sowohl der Mühlenrotor
als auch der Elektromotor getrennte Lagersysteme besitzen. Außerdem waren die
Mechanismen, die zur Ermöglichung
einer Rotor/Stator-Spalteinstellung verwendet wurden, bei einem
industriellen Gerät
eine Schneckengetriebeanordnung, mechanisch kompliziert und möglicherweise
bei Betrieb dynamisch, hauptsächlich
wegen Wärmeausdehnungswirkungen.
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Bei der vorliegenden Erfindung werden
diese Probleme vermieden, indem man sich auf eine motorgetriebene
Wellenausbildung stützt.
Das heißt,
die Welle, die den Rotor der Kol- loidmühle antreibt
und anschließt,
erstreckt sich zum Elektromotorstator des Elektromotors. Auf diese
Weise wird die Mühlenrotorwelle
direkt angetrieben.
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Die Vorteile dieser Ausbildung liegen
hauptsächlich
in ihrer Einfachheit. Komplizierte Zahnrad- oder Riemenantriebsanordnungen
zwischen einem getrennten Elektromotor und den Flüssigkeitsbearbeitungskomponenten
der Kolloidmühle
sind vermieden. Darüber
hinaus kann der Spalt zwischen dem Mühlenrotor und dem Mühlenstator
einfach durch axiale Verschiebung der motorgetriebenen Welle eingestellt
werden. Die kleinen Bewegungen von normalerweise weniger als 0,1
Zoll (inch) haben keine oder eine vernachlässigbare Wirkung auf die elektromagnetische
Felderzeugung im Elektromotor. Ferner ist bei dieser Ausführung nur
ein Satz von Axiallagern erforderlich, und diese sind sehr nahe
am Rotor angeordnet, wodurch irgendwelche Wärmeausdehnungswirkungen auf
den Rotor-Stator-Spalt der Mühle
minimal gemacht werden.
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Gemäß einem Aspekt schafft die
Erfindung eine Kolloidmühle,
welche aufweist: einen Mühlenstator;
einen Mühlenrotor;
einen Elektromotorstator; einen Elektromotorrotor; eine gemeinsame
Motorwelle, die sich vom Mühlenrotor
zum Elektromotorrotor derart erstreckt, dass der Mühlenrotor
direkt vom Motorrotor angetrieben wird; und ein Spalteinstellsystem,
welches einen Spalt zwischen dem Mühlenstator und dem Mühlenrotor
durch Verschiebung der motorgetriebenen Welle bezüglich des
Elektromotorstators verändert,
dadurch gekennzeichnet, dass das Spalteinstellsystem aufweist: wenigstens
ein Axiallager, welches die gemeinsame Motorwelle stützt; eine Gewindehülse, welche
das Axiallager trägt;
und einen Kolloidmühlenkörper mit
Komplementärgewinde, das
in die Gewindehülse
eingreift, um eine Drehung der Gewindehülse bezüglich des Körpers zu ermöglichen,
um dadurch das Axiallager zu verschieben und einen Spalt zwischen
dem Mühlenstator
und dem Mühlenrotor
zu verändern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft
die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kolloidmühle, welches
umfasst: Antreiben eines distalen Endes einer Welle mit einem Motorrotor;
Erstrecken eines proximalen Endes der Welle in einen Kolloidmühlenkörper; Verbinden
des proximalen Endes mit einem Mühlenrotor,
der in Nachbarschaft zu einem Mühlenstator
im Mühlenkörper getragen
ist; Durchleiten eines zu bearbeitenden Fluids durch einen Spalt zwischen
dem Mühlenrotor
und dem Mühlenstator; und
Einstellen eines Spalts zwischen dem Mühlenstator und dem Mühlenrotor
durch Verschieben der Welle axial bezüglich des Motorstators; gekennzeichnet
durch Stützen
der Welle durch wenigstens ein Axiallager; Tragen des Axiallagers
in einer Gewindehülse;
Eingreifen der Gewindehülse
in das Komplementärgewinde
im Kolloidmühlenkörper; und
Ermöglichen
einer Drehung der Gewindehülse
bezüglich des
Körpers
mit einem Riemen, der vom Kolloidmühlenkörper gestützt wird, um einen Rotor-Stator-Spalt zwischen
dem Mühlenstator
und dem Mühlenrotor
zu verändern.
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In besonderen Ausführungsformen
ist ein Spalteinstellsystem vorgesehen, das einen Spalt zwischen
dem Mühlenstator
und dem Mühlenrotor
durch axiales Verschieben der motorgetriebenen Welle bezüglich des
Elektromotorstators verändert.
Ferner ist die elektromotorisch angetriebene Welle zur Gegenwirkung
gegen Kräfte,
die zwischen dem Mühlenstator
und dem Mühlenrotor
erzeugt werden, durch wenigstens ein Axiallager, vorzugsweise einen
Winkelkontakt-Lagersatz, axial abgestützt, der auf der Seite des
Elektromotorstators angeordnet ist, die dem Mühlenrotor benachbart ist. Infolgedessen
sind lediglich radiale Stützlager
auf der distalen Seite des Elektromotorstators bezüglich des
Mühlenrotors
erforderlich.
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Ein weiteres Problem, das bei bekannten Kolloidmühlenausführungen
besteht, bezieht sich auf die Stabilität des Rotor-Stator-Spalts der
Mühlen
und insbesondere auf das System, das zur Einstellung des Spalts
verwendet wird. Eine der am meisten üblichen Ausführungsformen
verwendet eine Schneckenradanordnung. Dieses System lässt sich
jedoch schwer kalibrieren und kann sich festsetzen oder einfrieren
in Abhängigkeit
von den zwischen dem Mühlenrotor
und -stator erzeugten Kräften.
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Dieses Problem wird bei einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kolloidmühle dadurch
gelöst,
dass für
die Einstellung des Spalts eine Anordnung mit Zeitsteuerriemen vorgesehen
wird. Ein solches Zeitsteuerriemensystem ergibt keinen toten Gang.
Infolgedessen kann ein einfacher handbetätigter Knopf oder eine Schrittmotoranordnung
zur Steuerung des Spalts verwendet werden.
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Insbesondere ist ein Axiallager in
einer Gewindehülse
abgestützt,
die an den Kolloidmühlenkörper angepasst
ist. Der Zeitsteuerriemen greift an der Hülse an, um sie relativ zum
Körper
zu drehen und so die Axiallager axial einzustellen und dadurch den Spalt
zwischen dem Mühlenstator
und dem Mühlenrotor
zu steuern.
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Eine Ausführungsform der Erfindung enthält ein Spalteinstellsystem
für eine
Kolloidmühle.
Dieses System weist wenigstens ein Axiallager auf, das eine Welle
abstützt,
welche einen Mühlenrotor
nahe einem Mühlenstator
trägt.
Eine Gewindehülse
trägt ihrerseits
das Axiallager, wobei ihr Gewinde mit komplementären Windungen eines Körpers der
Kolloidmühle
in Eingriff steht. Ein Zeitsteuerriemen, der vom Kolloidmühlenkörper abgestützt ist,
greift an der Gewindehülse
an, um eine Drehung bezüglich
des Körpers
zu ermöglichen
und dadurch die Axiallager zu verschieben, was eine Axialverschiebung
der Welle ergibt. Dies verändert
den Spalt zwischen dem Mühlenstator
und dem Mühlenrotor.
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Bei einer besonderen Ausführungsform
wird ein Knopf verwendet, um den Zeitsteuerriemen von Hand einzustellen.
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Bei einer anderen Ausführungsform
wird ein Einstellmotor, wie ein Schrittmotor, zur Einstellung des
Zeitsteuerriemens unter Steuerung eines Mikroprozessors verwendet.
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Ein weiteres Problem, das bei bekannten Mühlen auftritt,
befasst sich damit, was passiert, wenn ein Benutzer eine neue Kolloidmühle für einen bestimmten
Herstellungsprozess benötigt,
um höhere
Flüssigkeitsbearbeitungsgeschwindigkeiten
auszuüben.
In der Vergangenheit haben die Hersteller größer und kleiner bemessene Kolloidmühlen angeboten,
um diese Forderungen des Verbrauchers zu erfüllen. Das Problem bestand jedoch
darin, dass normalerweise, wenn man auf Kolloidmühlen mit einem höheren Durchsatz übergeht,
die Hersteller einfach größere Versionen
einer geometrisch gleichen Mühlenrotor-Stator-Form angeboten
haben. Mit anderen Worten, eine Kol-loidmühle mit einem höheren Durchsatz
hatte einen Rotor und Stator, die aussahen wie die Kolloidmühle mit
einem niedrigeren Durchsatz, jedoch einfach größer waren. Dieses Verfahren
zum Ändern
von Kolloidmühlenrotor/Mühlenstator-Formen
zur Handhabung größerer Flüssigkeitsvolumina
ergibt verschiedene Bearbeitungswirkungen auf diese Flüssigkeiten.
Die größeren Kolloidmühlen neigten
dazu, die Flüssigkeit
mit unterschied lichen Energiedichten zu bearbeiten, die normalerweise
höher lagen
als die kleineren Kolloidmühlen.
Dies stellte für
der Anwender ein Problem dar, da es die Neukalibrierung der Bearbeitungsparameter
der Flüssigkeit
erforderte, um ein brauchbares Produkt zu erhalten.
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Ausführungsformen der Erfindung
nutzen die Erkenntnis aus, dass die an die Flüssigkeit abgegebene Energiedichte
oder die Kennzeichen, welche am Ausgang eine gleichförmige Teilchengröße erzeugen,
auf die dritte Potenz der Rotordrehzahl und die zweite Potenz des
Rotordurchmessers bezogen sind. Infolgedessen ist es, wenn die Mühlenrotor/Mühlenstator-Formen
höheren
Flüssigkeitsdurchsätzen und
dementsprechend größeren Rotoren
angepasst werden, erforderlich, die Rotordrehzahl herabzusetzen.
Damit die Flüssigkeit
eine ausreichende Verweilzeit und ausreichenden Geschwindigkeitsgradienten
im Mühlenrotor/Mühlenstatorspalt
hat, wird jedoch der Oberflächenwinkel
oder die Rotorsteigung erhöht,
was zu einer Erhöhung
der Rotorabmessung führt,
um der Wirkung niedrigerer Rotordrehzahlen entgegenzuwirken. Dies
ergibt eine ähnliche
Kinematik oder ähnliche
Geschwindigkeitsänderungen, wenn
das Produkt den Mühlenrotor-Mühlenstatorspalt
bei verschiedenen Abmessungen der Kolloidmühle durchströmt.
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Allgemein schafft bei einer weiteren
Ausführungsform
die Erfindung eine Familie von Kolloidmühlen, in welcher die Rotoroberflächen-Steigungswinkel
mit Vergrößerungen
der Kol-loidmühlendurchsätze steigen.
Mit anderen Worten, die Mühlenrotor-Oberflächenwinkel
und Rotor-Oberflächenlängen werden
zwischen Kolloidmühlen
mit unterschiedlichem Durchsatz gesteuert, um die Energieeingabe
in die bearbeiteten Flüssigkeiten
zu standardisieren.
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Ein weiteres Problem bei bekannten
Mühlen sind
die Ausbildungen des Kolloidmühlenrotors.
Einige Mühlen
haben lange Schlitze, die sich nach unten über die ganze Fläche des
Mühlenrotors
erstrecken, während
andere Formen verhältnismäßig glatte
konische oder scheibenförmige
Rotorformen verwenden. Jede Form hat ihre besonderen Vorteile und
Nachteile. Die glatte Rotorform neigt dazu, hohe und reproduzierbare
Scherkräfte
in der bearbeiteten Flüssigkeit
zu erzeugen. Die Ausführungsform
mit den langen axial und radial verlaufenden Schlitzen ergibt hohe
Durchsatzgeschwindigkeiten, während
sie gute Turbulenz herstellt.
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Ausführungsformen der Erfindung
verwenden eine weithin glatte Rotorform, um gleichförmige hohe
Scherkräfte
und somit Konsistenz zu erzeugen bei entsprechend geringer Änderung
der Teilchengröße in der
verarbeiteten Flüssigkeit.
Der erfindungsgemäße Rotor
fügt jedoch
einen ringförmigen Bereich
hinzu, der sich rings um den Umfang des Rotors erstreckt, welcher
einen vergrößerten Mühlenrotor/Mühlenstator-Spalt
zwischen Zuströmseite
und Abströmseite
mit verhältnismäßig glatten
Bearbeitungsflächen
ergibt. Dieser Bereich mit vergrößertem Spalt
ist dazu bestimmt, ein Gravitationsfeld zu erzeugen, um die weithin
auf Abscheren beruhende Flüssigkeitsbearbeitung
zu bewirken, die von den benachbarten glatten Rotorflächen erzeugt
wird.
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Allgemein schafft gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
die Erfindung einen Kolloidmühlenrotor,
der eine Hauptbearbeitungsfläche, die
sich ringförmig
um den Rotor erstreckt, und eine Nebenbearbeitungsfläche aufweist,
die sich ebenfalls ringförmig
um den Rotor abstromseitig der Hauptbearbeitungsfläche erstreckt.
Eine ringförmige Zwischenbearbeitungsfläche ist
axial zwischen der Haupt- und Nebenbearbei tungsfläche angeordnet und
bezüglich
dieser Flächen
vertieft. Bei Betrieb ergibt der relative Betrieb der Haupt- und
Nebenbearbeitungsfläche
einen Bereich niedrigen Drucks im erweiterten Spalt, der durch die
Zwischenbearbeitungsfläche
erzeugt wird. Dies ergibt in vielen Fällen ein Gravitationsfeld,
welches die Scherbearbeitung der Flüssigkeit durchführt.
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Bei besonderen Ausführungsformen
sind radial und axial verlaufende Schlitze in der Hauptbearbeitungsfläche vorgesehen,
um die Bewegung der bearbeiteten Flüssigkeit durch den Spalt zu
erleichtern. Diese Schlitze in der Hauptbearbeitungsfläche wirken
mit Schlitzen im zugehörigen
Mühlenstator zusammen,
um die Voraufschließung
der Flüssigkeit zu
erleichtern.
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Die obigen und andere Merkmale der
Erfindung einschließlich
verschiedener neuer Einzelheiten der Bauweise und der Teilekombinationen
sowie andere Vorteile werden nunmehr insbesondere mit Bezugnahme
auf die Figuren beschrieben und in den Ansprüchen niedergelegt. Es wird
bemerkt, dass Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung lediglich beispielhaft
und nicht einschränkend
dargestellt werden. Die Grundsätze
und Merkmale dieser Erfindung können
in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen angewendet werden,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Teile
durch die ganzen Ansichten hindurch. Die Figuren sind nicht notwendigerweise
maßstabsgetreu,
sondern es wurde statt dessen auf die Darstellung der Grundsätze der
Erfindung Wert gelegt. Es zeigt:
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1 einen
seitlichen Querschritt einer erfindungsgemäßen Kolloidmühle;
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2A eine
vordere Aufsicht auf die erfindungsgemäße Kolloidmühle;
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2B eine
vordere Aufsicht auf die erfindungsgemäße Kolloidmühle gemäß einer weiteren Ausführungsform
mit automatisierter Spaltsteuerung;
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3 eine
teilweise geschnittene seitliche Teilaufsicht auf den erfindungsgemäßen Mühlenrotor;
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4 eine
Rufsicht auf den erfindungsgemäßen Rotor;
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5 einen
seitlichen Schnitt des Mühlenstators
und des Gehäuses
proximal zur Endplatte;
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6 eine
Teildraufsicht auf den erfindungsgemäßen Mühlenstator; und
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7 eine
schematische Graphik, welche den Unterschied der Rotoroberflächenwinkel
mit steigender Rotorgröße zur Anpassung
an größeren Flüssigkeitsdurchsatz
gemäß der Erfindung
darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
eine Kolloidmühle,
die gemäß den Grundsätzen der
Erfindung aufgebaut ist. Allgemein weist die Kolloidmühle 100 einen
Körper 110 auf,
der das äußere Gehäuse und
die Struktur der Mühle 100 umfasst.
Der Körper 110 weist
ein Motorgehäuse 112 auf,
das hauptsächlich
die elektrischen Motorbestandteile der Mühle 100 enthält. Der
Körper 110 weist
ferner ein Mühlengehäuse 114 auf,
in welchem ein Rotor 180 und ein Stator 178 angeordnet sind,
zwischen denen die zu bearbeitetende Flüssigkeit durchtritt. Das Motorgehäuse 112 ist
mit dem Mühlengehäuse 114 durch
einen verbindenden Gehäuseabschnitt 116 verbunden,
welcher das Einstellsystem für
den Mühlenrotor-Mühlenstatorspalt
und Abdichteinrichtungen ent hält,
um das Innere des Elektromotorgehäuses 112 gegen das
Innere des Mühlengehäuses 114 zu
isolieren.
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Zuerst zum Elektromotorgehäuse 112:
das Motorgehäuse
weist einen hohlzylindrischen Motormantel 118 auf. Das
distale Ende des Mantels 118 ist durch eine distale Motorendplatte 120 abgedichtet, die
am Mantel 118 mittels Bolzen 122 befestigt ist. Die
Endplatte hat eine Mittelbohrung 132 zur Aufnahme der Lagerung
einer motorgetriebenen Welle 130. Das distale Ende der
Welle 130 ist an der Endplatte 120 über ein
radiales Stützlager 128 abgestützt. Das radiale
Stützlager 128 wird
an einer Drehung in der inneren Bohrung 132 der Endplatte 120 durch
eine Lagerdichtung 134 gehindert.
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Innerhalb des Elektromotorgehäuses sind Statorspulen 136 rings
um die Innenfläche
des Mantels 118 befestigt. Diese arbeiten mit Rotorspulen 138 zusammen,
die an der Welle 130 befestigt sind, um zum Antrieb der
Welle 130 eine elektromotorische Kraft zu erzeugen.
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Das Elektromotorgehäuse 112 ist
bei dieser Ausführungsform
auf einer geformten Basisplatte abgestützt.
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Das proximale Ende des Elektromotorgehäuses 118 ist
durch eine proximale Endplatte 142 verschlossen. Diese
Endplatte hat eine Mittelbohrung 144 zur Aufnahme der Welle 130.
Die Mittelbohrung 144 hat ein Innengewinde 146,
das mit einem Gewinde 150 auf einer Axiallagerhülse 148 zusammenwirkt.
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Die Axiallagerhülse 148 trägt bei der
dargestellten Ausführungsform
drei Axiallager 152, die vorzugsweise Winkelkontaktlager
sind, um eine gute Steifheit zu erhalten und einen toten Gang zu
begrenzen. Die Axiallager werden an einer Axialbewegung in der distalen
Richtung innerhalb der Lagerhülse 148 über einen
ringförmigen
Haltering 154 gehindert, der an das distale Ende der Hülse über Bolzen 156 befestigt
ist, und die Axiallager werden gegen eine Bewegung in der proximalen
Axialrichtung durch eine Lippe 158 an der Hülse 148 zurückgehalten.
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Die Welle 130 wird in axialer
Richtung bezüglich
des Körpers 110 durch
Drehen der Lagerhülse 148 in
der proximalen Endplatte 142 verschoben. Diese Einstellung
ermöglicht
die Steuerung des Rotor/Stator-Spalts der Mühle. Eine Drehung der Lagerhülse wird
durch den Zeitsteuerriemen 160 erreicht. Der Zeitsteuerriemen
greift an einer Lagerhülsen-Riemenscheibe 162 an,
die mit der Axiallagerhülse 148 starr
verbunden ist und sich mit dieser dreht. Der Zugriff zum Riemenscheibenring 162 erfolgt über einen
teilringförmigen
Schlitz 164 im verbindenden Gehäuseabschnitt 116.
Infolge dieser Formgebung bewirkt ein Antrieb des Zeitsteuerriemens 160 die
Drehung der Lagerhülse 148 relativ zum
Mühlenkörper 110.
Dies verschiebt die Axiallagerhülse 148 axial
durch die Wechselwirkung zwischen den Gewinden 146,150 um die Axiallager 152 und
somit die Welle 130 axial zu verschieben. Der Spalt zwischen
den Bearbeitungsflächen
des Mühlenrotors
und des Mühlenstators
ist zwischen etwa 0,001 und 0,050 Zoll (inches) bei der bevorzugten Ausführungsform
einstellbar.
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2A ist
eine Vorderansicht der Kolloidmühle 100,
welche insbesondere das Stützsystem für den Zeitsteuerriemen 160 zeigt.
Insbesondere erstreckt sich eine dreieckförmige Haltestütze 210 vom Verbindungsgehäuse 116,
die durch eine Reihe von Bolzen 212 befestigt ist. Ein
Knopf 214 ist an der Haltestütze 210 drehbar angelenkt.
Der Weg des Zeitsteuerriemens 160 erstreckt sich von der
Lagerhülsen-Riemenscheibe 162 zu einer
Einstellrolle 216, die mit dem Knopf 214 verbunden
ist. Infolge dieser Ausbildung dreht eine Handdrehung des Knopfes 216 die
Lagerhülse 148,
um sie axial zu verschieben und dadurch den Spalt zwischen den Bearbeitungsflächen des
Mühlenrotors 180 und
des Mühlenstators 178 einzustellen.
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2B zeigt
eine andere Ausführungsform zur
Durchführung
der Spaltsteuerung von Mühlenrotor
und Mühlenstator.
Statt eines Knopfes wird ein Schrittmotor 200 verwendet,
um den Zeitsteuerriemen 160 anzutreiben. Der Schrittmotor 200 wird
vom Computer 202 gesteuert, um eine automatische Steuerung
des Rotor-Stator-Spalts mit Rückkopplung
vom LVDT (linearly variable distance transducer) 161 vorzusehen.
Dieses automatische System ermöglicht
eine bessere Verfahrenssteuerung, da der Spalt kontinuierlich überwacht
und eingestellt wird, wenn erforderlich, und eine Historie der Spaltgröße für einen
Bearbeitungslauf wird erhalten, um eine Verfahrensauswertung zu
erreichen. Ferner ermöglicht
es einen Reinigungsvorgang an Ort und Stelle (clean-in-place operation),
in welchem der Spalt automatisch entsprechend einem Profil geändert wird, während eine
Reinigungslösung
durch die Mühle
geleitet wird, wodurch eine eingeschränkte Überwachung durch die Bedienungsperson
erforderlich ist. Vorzugsweise wird die Drehzahl der Welle 130 ebenfalls
durch Modulierung des Statorund Rotorfeldstroms durch Verwendung
des Computers 202 gesteuert.
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Bei alternativen Ausführungsformen
ist der Schrittmotor so ausgebildet, dass er direkt die Lagerhülse dreht,
vorzugsweise über
einen Getriebezug. Diese Ausführungsform
wird jedoch nicht bevorzugt infolge des Verlustes der vorteilhaften
Wirkungen des Zeitsteuerriemens, wie einer Totgangkontrolle.
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Wie wiederum aus 1 ersichtlich, hat der Riemenscheibenring 162 der
Lagerhülse 148 zusätzlich eine
Einrichtung, welche mit dem verbindenden Gehäuseabschnitt 116 zusammenwirkt,
um eine Ablesung für
den Rotor/Stator-Spalt der Mühle
anzuzeigen oder zu bewirken. Der Scheibenring 162 hat eine Ablesefläche 163,
deren Winkel vorzugsweise mit dem Rotorwinkel übereinstimmt. Ein Fenster 165 ist in
dem verbindenden Gehäuseabschnitt 116 ausgebildet.
Ein linear veränderlicher
Streckenwandler LVDT 161 ist in das Fenster 165 eingebaut
und erfasst Änderungen
des Abstands zur Ablesefläche 163.
Infolge dieser Ausbildung mittels Ablesung des Abstands zur Ablesefläche 161 wird
der Abstand zwischen den Bearbeitungsflächen des Mühlenrotors 180 und
des Mühlenstators 178 durch
den LVDT 161 elektronisch bestimmt. Alternativ kann ein
Wählanzeiger
(dial indicator) oder ein digitaler Lageanzeiger (digital position
indicator) zusammen mit dem oder an Stelle des LVDT eingebaut werden,
um eine direkte mechanische Ablesung des Rotor/Stator-Spalts der Mühle zu ermöglichen.
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Das Mühlengehäuse 114 ist ein durch
Flüssigkeit
abgedichtetes Abteil. Es weist ein hohlzylindrisches Gehäuse 168 rnit
einer distalen Endplatte 170 auf. Die Endplatte 170 des
Mühlengehäuses 114 hat
eine Mittelbohrung 172, durch welche die Welle 130 in
das Mühlengehäuse 114 vorragt.
Ein System von Abdichtungen 174, welche die Welle innerhalb der
Mittelbohrung 172 umgeben, verhindert, dass eine Verunreinigung
von Motor oder dessen Umgebung die zu bearbeitende Flüssigkeit
innerhalb des Gehäuses 114 erreicht,
und verhindert, dass bearbeitete Flüssigkeit in die äußere Umgebung
aus der Innenseite des Mühlengehäuses 114 entweicht.
Zusätzlich
dichtet eine proximale Öldichtung 166 den verbindenden
Gehäuseabschnitt 116 gegen
das Motorgehäuse 112 ab.
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Das proximale Ende des Mühlengehäuses ist über eine
proximale Mühlengehäuse-Endplatte 176 abgedichtet,
die als der Mühlenstator
arbeitet. Insbesondere weist die proximale Mühlengehäuse-Endplatte eine axial verlaufende
rohrförmige
Säule 177 auf,
die einen Einlasskanal 179 bildet, durch den zu bearbeitende
Flüssigkeit
in die Kolloidmühle 100 eintritt.
Eine schraubenzieherförmige
Flüssigkeitspumpe 194 mit
dem Einlasskanal 179 saugt die zu bearbeitende Flüssigkeit
in das Mühlengehäuse 114.
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Die Flüssigkeit strömt nach
links gemäß der Darstellung
der 1 zur Bearbeitungsfläche eines Stators 178,
der ein einstückiger
Teil der proximalen Mühlengehäuse-Endplatte 176 ist.
Der Rotor 180, der mit der Welle 130 verbunden
ist, zieht die zu bearbeitende Flüssigkeit zwischen die Bearbeitungsflächen des
Rotors 180 und des Stators 178 in den Vorratsbehälter 182 für die bearbeitete
Flüssigkeit,
aus dem die Flüssigkeit
das Mühlengehäuse 114 über den
Auslasskanal 184 durch die Auslassöffnung 186 verlässt.
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Die proximale Mühlenendplatte 176 ist
gegen das Mühlengehäuse 178 über Haupt-
und Nebendichtungen 188,190 abgedichtet. Der Kühlfluidbehälter 192 in
der proximalen Mühlengehäuse-Endplatte
enthält
eine Kühlflüssigkeit
zur Entfernung der durch die Rotordrehung gegen den Stator 178 erzeugten
Wärme.
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3 ist
eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Mühlenrotors
gemäß der Erfindung.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
beträgt
der Steigungswinkel des Rotors 180 etwa α=81, 4 Grad.
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Insbesondere hat der Mühlenrotor 180 eine ringförmige Hauptbearbeitungsfläche 310.
Eine Reihe von radial und axial verlaufenden Schlitzen 312 ist in
der Hauptbearbeitungsfläche
gebildet. Die Schlitze erleichtern die Vorzerkleinerung der ankommenden Flüssigkeit.
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Stromab der Hauptbearbeitungsfläche ist eine
Zwischenbearbeitungsfläche 314 vorgesehen. Diese
Zwischenbearbeitungsfläche
ist relativ zur Hauptbearbeitungsfläche 310 vertieft.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist sie um etwa α=0,063
Zoll (inches) vertieft. Diese Vertiefung erzeugt einen Flüssigkeitsvorrat
im Spalt zwischen der Zwischenbearbeitungsfläche 314 und der Bearbeitungsfläche des Stators 178.
In diesem Vorrat wird ein Niederdruckfeld erzeugt, welches Kavitation
erleichtert. Dieser Effekt trägt
zur Mischung der zu bearbeitenden Flüssigkeit bei und ergänzt die überwiegenden
Schereffekte, die in der Flüssigkeit
zwischen der Hauptbearbeitungsfläche 310 und
dem Stator 178 erzeugt werden. Die Länge der Zwischenbearbeitungsfläche ist c=0,688
Zoll (inches) bei der bevorzugten Ausführungsform.
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Stromab der Zwischenbearbeitungsfläche 314 ist
eine Nebenbearbeitungsfläche 316,
die sich ebenfalls ringförmig
um den Rotor 180 erstreckt. Die Nebenbearbeitungsfläche 316 ist über die
Zwischenbearbeitungsfläche
314 im Wesentlichen um den gleichen Abstand angehoben, wie die Hauptbearbeitungsfläche oberhalb
der Zwischenbearbeitungsfläche
liegt. Sowohl die Zwischen- als auch die Nebenbearbeitungsfläche sind
kontinuierlich im Gegensatz zur Hauptbearbeitungsfläche 310,
welche die Schlitze 312 enthält. Bei der bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Oberflächenlänge der
Nebenbearbeitungsfläche 310 b=0,74
Zoll (inches).
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4 ist
eine Draufsicht auf den Rotor 180, welche die Hauptbearbeitungsfläche 310,
die Zwischenbearbeitungsfläche
314 und
die Nebenbearbeitungsfläche 316 zeigt.
Ferner ist die Anordnung der Schlitze 312 in der Hauptbearbeitungsfläche 310 dargestellt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
sind zwölf
Schlitze vorgesehen, die gleichförmig
um den Umfang des Rotors verteilt sind. Wie ferner gezeigt, geht
die Mittellinie 318 der Schlitze 312 nicht durch die
Drehachse 320 des Rotors 180. Es ist ein Abstand
von e=0,563 Zoll (inches) zwischen der Mittellinie des Schlitzes 312 und
einer Linie, die sich parallel zur Schlitzmittellinie 318 durch
die Drehachse 320 des Rotors 180 erstreckt. Bei
der bevorzugten Ausführungsform
sind die Schlitze etwa d=0,125 Zoll (inches) breit. Ferner ist der
Gesamtdurchmesser des Rotors 180 j=5,0 Zoll (inches) und
der Mitteldurchmesser ist k=1,562 Zoll (inches).
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5 ist
ein Querschnitt der proximalen Mühlengehäuse-Endplatte 176.
Eine Reihe von Statorschlitzen 340 ist auf der Innenfläche des
Stators 178 gebildet. Diese Schlitze sind f=1,2 Zo11 (inches) lang.
Stromab der Schlitzenden ist ein gehärteter ringförmiger Abschnitt 342 des
Stators 178. Insbesondere ist dieser gehärtete Abschnitt
etwa g=1,487 Zo11 (inches) lang und ist mit STELLIT bis zu einer Tiefe
von h=0,075 Zo11 (inches) gefüllt,
um eine langhaltende Bearbeitungsfläche zu bilden.
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6 ist
eine Draufsicht auf den Stator 178, wobei man durch den
Einlasskanal 179 nach außen sieht. Diese Ansicht zeigt,
dass bei der bevorzugten Ausführungsform
zehn Schlitze 340 in der Innenfläche des Stators vorgesehen
sind, die gleichförmig verteilt
sind und sich in Radialrichtung erstrecken.
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Es wird eine unterschiedliche Anzahl
von Rotorschlitzen gegenüber
Statorschlitzen verwendet, um jegliches Schlagen zu beseitigen und
dadurch Schwingungen zu minimieren. Infolgedessen sind die Schlitze
im Rotor nicht immer gegenüber
einem Schlitz im Stator im gleichen Zeitpunkt während der Drehung. Ferner stehen
die Rotorschlitze 312 unter einem Winkel bezüglich der
Statorschlitze 340. Dieses Merkmal erzeugt die Wirkung,
dass sich die Statorschlitze 340 radial nach außen und
unten über
die Rotorschlitze 312 bewegen, wenn sich der Rotor 180 dreht.
Dies erzeugt eine Drucksteigerungswirkung, welche das Mischen erleichtert.
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7 zeigt
die Beziehung zwischen den Kolloidmühlenrotoren für Kolloidmühlen mit
verschiedenen Durchsätzen,
wenn die Rotoren erfindungsgemäß ausgebildet
sind.
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Erfindungsgemäß besteht die Absicht, die Energieeingabe
je Volumeneinheit in die Flüssigkeit (das
Fluid) über
den ganzen Bereich der Kolloidmühlen
mit unterschiedlichem Flüssigkeitsdurchsatz
anzupassen. Dies wird erreicht, indem der gleiche Wert der dritten
Potenz der Rotordrehzahl in U/min mal den Rotordurchmesser in der
zweiten Potenz (N3D2) am
Auslass des Mühlenspalts
aufrecht erhalten wird. Die Zeit, über die ein gegebenes Flüssigkeitsvolumen
in den Rotor/Statorspalten der Mühlen
bearbeitet wird, und die Änderung
der Mahlintensität
wird zwischen den Mühlen
mit unterschiedlichem Durchsatz standardisiert, indem die gleiche
prozentuale Geschwindigkeitsänderung
der bearbeiteten Flüssigkeit
aufrecht erhalten wird, während
sich diese über die
Bearbeitungsfläche
des Rotors bewegt.
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Wenn der Strich 414 als
willkürliche
Axiallänge
des potentiellen Rotors für
eine erfindungsgemäße Kolloidmühle definiert
wird und 416 ein längs
der Rotordrehachse 320 gewählter Punkt ist, dann definieren
die Stellen, an denen die Strahlen 410, die gleichförmig um
die Drehachse verteilt sind, den Strich schneiden, Länge und
Durchmesser der Bearbeitungsfläche
des Rotors. Der Winkel α' zwischen den Strahlen
definiert den Steigungswinkel des Rotors. Um einen Rotor für eine Kolloidmühle mit
einem höheren
Durchsatz zu bauen, werden Strahlen 412 vom Punkt 416 unter
einem erhöhten
Rotorsteigungswinkel α'' definiert. Wo diese neuen Strahlen den
Strich 414 kreuzen, definieren sie die Bearbeitungsflächenlänge und
den Durchmesser des Rotors. Als Ergebnis steigt der Rotorsteigungswinkel
mit Erhöhung
des Rotordurchmessers und somit mit dem Durchsatz der erfindungsgemäßen Kolloidmühle. Bearbeitete
Flüssigkeit
bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit durch den Spalt unabhängig von
der Rotorgröße. Der
Anstieg der Steigung hat den Effekt, dass die Flüssigkeit einem Anstieg in der Zentripetalkraft
unterworfen wird, obwohl die Nettokraft die gleiche bleibt, infolge
der verringerten Drehzahl, mit der die größeren Rotoren laufen.
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Die Erfindung ist zwar insbesondere
mit Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen derselben dargestellt
und beschrieben worden, es ist jedoch dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen
in Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne Gedanke und Umfang
der Erfindung gemäß den angefügten Patentansprüchen zu verlassen.
Der Fachmann wird erkennen oder unter Anwendung von nicht mehr als
seiner Routineerfahrung wissen, dass viele Äquivalente der besonderen Ausführungsformen
der hier speziell beschriebenen Erfindung möglich sind. Solche Äquivalente
sollen in den Schutzumfang der Ansprüche eingeschlossen sein.