DE60012900T2

DE60012900T2 - Mischvorrichtung

Info

Publication number: DE60012900T2
Application number: DE60012900T
Authority: DE
Inventors: John Christopher Brown
Original assignee: Tecexec Ltd
Current assignee: Tecexec Ltd
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 2000-04-03
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2020-04-04
Also published as: AU3565200A; GB9907502D0; EP1165219A1; EP1165219B1; ATE273063T1; WO2000059617A1; DE60012900D1; US6616325B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung.
Der Betrieb eines Mischens wird im Allgemeinen so verstanden, dass er zwei getrennte Vorgänge umfasst; ein dispersives Mischen und ein verteilendes (distributives) Mischen. Bei einem dispersiven Mischen werden die jeweiligen Geometrien der einzelnen Teile der Materialien, die gerade gemischt werden, unabhängig davon ob sie ein Festkörper oder ein Fluid sind, mit Hilfe von angelegten mechanischen Spannungen verändert. Dies nimmt gewöhnlicherweise die Form einer Reduzierung der durchschnittlichen Größe von einzelnen Teilen an, während die Anzahl davon erhöht wird. Bei einem distributiven Mischen (verteilten Mischen) werden die einzelnen Teile der Materialien, unabhängig davon, ob sie ein Festkörper oder ein Fluid sind, zusammengemischt, um eine räumliche Gleichförmigkeit in der Verteilung der verschiedenen Materialteile in Bezug aufeinander zu erhalten. Ein guter Mischbetrieb erfordert somit gewöhnlicherweise, dass sowohl dispersive als auch distributive Mischvorgänge auftreten.
Das distributive Mischen ist hauptsächlich eine Funktion der Geometrie der Mischvorrichtung und bekannte Mischgeräte fallen typischerweise in zwei allgemeine Typen, die entweder ein zufälliges oder ein strukturiertes distributives Mischen bereitstellen. Zufällige distributive Mischgeräte erzielen ein Mischen durch zufälliges Bewegen der Materialien und umfassen bekannte Mischgeräte, wie beispielsweise Rollmischgeräte und Bandmischgeräte. Strukturierte distributive Mischgeräte erzielen andererseits ein Mischen durch systematisches Wiederholen einer geometrisch gesteuerten Sequenz einer Teilung, Umorientierung und erneuten Zusammenbringung der Materialien und umfassen statische Mischgeräte und Hohlraumtransfermischgeräte.
Im Gegensatz dazu ist ein dispersives Mischen vorwiegend eine Funktion von Kräften, Drucken, Spannungen und Dehnungen, die an die Materialien angelegt werden. Im Allgemeinen wird die Größenreduktion von Materialien, die bei dem dispersiven Mischen erforderlich ist, durch Anwenden von mechanischen Spannungen an die Materialien erreicht. Diese angelegten mechanischen Spannungen nehmen gewöhnlicherweise die Form von Kompressions-, Zug- oder Scher-Spannungen an. Zum Mischen von Fluidmaterialien ist das vorherrschende Verfahren zum Anwenden von mechanischen Spannungen mit Hilfe der Anlegung einer Scherung vorgenommen worden, da dies leicht durch Verwendung der Mitnahmekräfte erzielt werden kann, die innerhalb eines Fluids existieren, das durch zwei sich relativ bewegende Oberflächen in einer Maschine eingegrenzt ist. Beispiele von derartigen Mischgeräten umfassen Mischgeräte mit einem internen Rotor/Stator, bei denen das Material zwischen den Oberflächen des Rotors und des Stators geschert wird. Die Anwendung einer Scherspannung kann auch dadurch erreicht werden, dass ein Fluidmaterial über ein oder mehrere Oberflächen gedrängt wird, die eine Bewegung relativ zueinander nicht aufweisen, zum Beispiel zwischen den Wänden eines Kanals. In diesem Fall ist es möglich signifikante Scherspannungen in dem Fluid zu erzeugen, aber nur auf Kosten der Bereitstellung von irgendeiner Art von Pumpenergie, um das Fluid (z.B. eine Flüssigkeit) über die Oberflächen zu treiben. Es ist seit langem jedoch erkannt worden, dass ein alternativer Mechanismus, nämlich derjenige eines Dehnflusses, in der Lage ist Fluidmaterialien Kompressions- und Zugspannungen auszusetzen, die in der Praxis sehr viel höher als die Scherspannungen sein können.
Ein Dehnfluss erfordert, dass das Fluid verdichtet wird, um es zwischen Oberflächen zu treiben, die das Fluid Zug- oder Kompressionsspannungen aussetzen. Derartige Oberflächen können im Allgemeinen in der Richtung des Flusses (der Strömung) orientiert werden, wobei in diesem Fall das Flussmaterial entlang seines Flusspfads mit Hilfe einer Massenkonservation beschleunigt oder verzögert wird, oder allgemein quer zu der Richtung des Flusses orientiert wird, wobei in diesem Fall das Flussmaterial als Folge der Änderung in dem Moment des Fluids, beispielsweise eines Aufschlags, verzögert und somit komprimiert wird. Bekannte Mischgeräte, die für einen Betrieb auf Grundlage von Dehnungsflüssen (Dehnungsströmungen) für eine Dispersion arbeiten, haben somit eine externe Einrichtung für eine Verdichtung in der Form von Hochdruckpumpen erfordert (die gleiche Anforderung für einen Pumpvorgang trifft auf einen Mischer zu, der auf Grundlage einer Scherströmung zwischen sich nicht-bewegenden Oberflächen arbeitet, wie voranstehend erwähnt). Unter der Annahme, dass es oft eine Anforderung ist, dass irgendein gegebener Teil des Materials, welches gerade gemischt wird, einer Anzahl von Spannungsanwendungszyklen (Beanspruchungszyklen) ausgesetzt wird, ist es ersichtlich, dass die Gesamtdrucke, die benötigt werden, um Dehnungsströmungen und Scherströmungen durch einen Mischer bereitzustellen, in einer nicht erlaubten Weise hoch werden können. Zusätzlich ist die Anforderung für eine Konstruktion eines derartigen Mischers derart, dass sichergestellt wird, dass die Dehnungsströmung und die Scherströmung in dem maximalen Wirkungsgrad auftreten, d.h. mit dem minimalen Druckverlust, relativ kostenaufwendig.
Ein Beispiel eines herkömmlichen Mischgeräts, welches einen effizienten Dehnungsfluss und Scherfluss in der Tat bereitstellt, ist in der UK Patentanmeldung 2,308,076 offenbart. Sie offenbart ein Mischgerät, umfassend einen Rotorring, der zwischen einem Paar von inneren und äußeren Statorringen exzentrisch angebracht ist. Als Folge der Exzentrizität verändert eine Drehung des Rotors den Abstand zwischen dem Stator und sowohl dem inneren als auch dem äußeren Rotorring an Punkten um die Drehachse herum. Dies stellt sowohl einen Pumpvorgang als auch einen effizienten Mischbetrieb bereit.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung bereitzustellen, die die obigen Nachteile vermeidet oder lindert.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Mischen eines Materials vorgesehen, umfassend einen Mischkopf und ein Mischgefäß, wobei der Mischkopf wenigstens ein Paar eines ersten und zweiten Elements umfasst, die koaxial eines innerhalb des anderen um eine Drehachse angebracht sind, wobei das erste Element innerhalb des zweiten Elements derart angeordnet ist, dass die aufeinander zugerichteten Oberflächen des ersten und zweiten Elements sich um die Achse, eine Kammer dazwischen definierend, krümmen, und wobei ein oder mehrere Flusskanäle mit der Kammer kommunizieren, wobei wenigstens das zweite Element eine nicht kreisförmige Krümmung aufweist, wobei das erste und zweite Element relativ zueinander um die Achse drehbar sind, um dadurch eine Pumpkraft zu erzeugen, um Material durch den einen oder die mehreren Flusskanäle und die Kammer zu drängen, wobei das Gefäß eine im Wesentlichen kreisförmige innere Wand aufweist und das zweite Element und die innere Wand relativ zueinander drehbar sind, um Material, welches zwischen dem Mischkopf und der Wand des Gefäßes vorhanden ist, zu beanspruchen und zu versetzen.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Mischen eines Materials vorgesehen, umfassend einen Mischkopf mit einem nicht-kreisförmigen Rotor, der koaxial um einen Stator um eine Drehachse angebracht ist, sodass aufeinander zugekehrte Oberflächen des Rotors und des Stators sich um eine Achse, eine Kammer dazwischen definierend, krümmen, und wobei ein oder mehrere Flusskanäle mit der Kammer kommunizieren wobei der Rotor um die Achse herum drehbar ist, um eine Pumpkraft zu erzeugen, um Material durch die Flusskanäle und die Kammer zu drängen, um Material, welches innerhalb der Kammer vorhanden ist, zu beanspruchen und zu versetzen.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „Krümmung" nicht auf eine sich kontinuierlich krümmende Oberfläche beschränkt ist und somit jede der Oberflächen im Wesentlichen lineare Abschnitte aufweisen kann.
Eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erlaubt, dass sich der radiale Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Element um die Drehachse ändert, wenn sich die zwei relativ zueinander drehen. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist, dass dieser Effekt mit koaxial angebrachten Elementen erreicht wird. Zum Beispiel wird ein ähnlicher Effekt durch herkömmliche Mischgeräte erzielt, die exzentrisch angebrachte Rotoren und/oder Statoren beinhalten. Die Anordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist dahingehend vorteilhaft, dass sie dynamisch stabiler ist, da sie eine wesentliche Druckausgleichung und ein Gleichgewicht radial und umfangsmäßig über die relativ drehbaren Elemente bereitstellt.
Die relative Bewegung zwischen der Mischvorrichtung und dem Gefäß (wie durch eine Drehung des äußersten der ersten und zweiten relativ drehbaren Elemente) erlaubt eine direkte Interaktion zwischen der Mischvorrichtung und der Wand des Gefäßes, sodass ein Mischvorgang zwischen der Gefäßwand und der Mischvorrichtung auftritt. Dieser Mischvorgang kann ein grundlegender Teil des gesamten Mischvorgangs sein, insbesondere wenn die Größe des Gefäßes der Größe der Mischvorrichtung eng angepasst ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung umfassen eine Mischvorrichtung für eine Eintauchung in ein Gefäß, welches ein Material enthält, welches gemischt werden soll und durch Anbringen an dem Gefäß gehaltert werden soll, in einer derartigen Weise, dass Mischvorgänge gefördert werden, die zwischen der Mischvorrichtung und wenigstens einer Wand des Gefäßes auftreten. Zum Beispiel kann die Mischvorrichtung in der Form eines Mischkopfs sein, der die relativ drehbaren ersten und zweiten Elemente umfasst, wobei das äußerste eine der ersten und zweiten Elemente den radial äußersten Abschnitt des Mischkopfs definieret, wobei der Mischkopf auf einer Wellenanordnung angebracht ist, die beide eine direkte Halterung für den Mischkopf und eine Einrichtung zum Antreiben der Drehung der relativ drehbaren Elemente bereitstellt.
Es wird erkannt werden, dass das Gefäß, das das zu mischende Material enthält, nicht irgendeine bestimmte Form aufweisen muss und zum Beispiel ein Tank sein könnte, der ein Volumen des Materials hält, oder ein Rohr, durch das das Material fließt. Ferner muss die Form des Gefäßes nicht notwendigerweise der Form der Mischvorrichtung angepasst sein. Zum Beispiel wird in Erwägung gezogen, dass bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung das radial äußerste eine der ersten und zweiten relativ drehbaren Elemente eine kreisförmige oder zylindrische Konfiguration aufweisen wird, aber das Gefäß nicht notwendigerweise eine ähnliche Form aufweisen muss.
Es wird jedoch bevorzugt, dass die Form des Gefäßes zu einem gewissen Ausmaß der Form der Mischvorrichtung, d.h. dem äußersten Element der Mischvorrichtung, welches sich relativ zu dem Gefäß bewegt, angepasst ist, sodass Kräfte, die durch Material erzeugt werden, welches zwischen der Mischvorrichtung und den inneren Wänden des Gefäßes beansprucht wird, im Wesentlichen um die Achse ausgeglichen werden.
Ausführungsformen der Erfindung können eine rotationsmäßige Interaktion zwischen der Mischvorrichtung und der Gefäßwand mit einem Grad einer Hin- und Her-Bewegung oder einer anderen transversalen Bewegung entlang der Drehachse kombinieren, um ferner das Auftreten der Misch- und Pumpvorgänge zu optimieren. Dies kann besonders nützlich sein, wenn Stapel von Material gemischt werden, bei denen sich die Mischung und/oder die Konsistenz der verschiedenen Bestandteile bei Fortschreiten des Mischvorgangs ändert. Die Flusswege, die in der Mischvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut sind, können radial und/oder axial orientiert sein und die Pump/Misch-Vorgänge können radial und/oder axial sein.
Eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stellt ein Mischgerät mit einem integralen Pumpvorgang bereit. Dies kann zum Beispiel bestimmte Ausführungsformen der Erfindung in die Lage versetzen Material von dem Gefäß entweder während eines Mischvorgangs oder nach einem Mischvorgang zu pumpen. Der relative Wirkungsgrad der Misch- und Pumpvorgänge kann sich mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verändern. Zum Beispiel kann eine Vorrichtung mit einem hohen Mischwirkungsgrad einen relativ geringen Pumpwirkungsgrad aufweisen und umgekehrt.
Zusätzliche Merkmale der bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind nachstehend und in den beigefügten Ansprüchen einzeln aufgeführt.
Eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um ein einzelnes Material (der Ausdruck Mischen in diesem Zusammenhang wird überall in der Mischindustrie verwendet und bezieht sich zum Beispiel auf ein dispersives Mischen eines Materials, um es in kleinere Komponententeile aufzubrechen, was mit einem distributiven Mischen beim Verteilen von diesen kleineren Teilen durch das Material insgesamt gekoppelt werden kann) oder eine Anzahl von unterschiedlichen Materialien zu mischen, einschließlich von Gemischen von Fluids (Flüssigkeiten oder Gasen) und Festkörpern, oder in der Tat lediglich von Festkörpern, die in der Lage sind sich in einer Weise zu verhalten, die analog zu Fluids ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Hilfe nur eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Querschnittsendansicht einer Ausführungsform eines Mischkopfs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
2 einen Teilquerschnitt des Mischkopfs der 1 entlang der Schnittlinie A-A; und
3 einen Teilquerschnitt des Mischkopfs der 1 entlang der Schnittlinie B-B.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen umfasst der dargestellte Mischkopf einen Statorring 1, der zwischen inneren und äußeren Rotorringen 2 und 3 innerhalb eines allgemein zylindrischen Gefäßes angebracht ist, das das zu mischende Material 4 enthält. Der Statorring 1 und die Rotorringe 2 und 3 sind an den Enden von jeweiligen Wellen 1a und 3a angebracht, wobei die Ringe 2 und 3 relativ zueinander fixiert sind und wobei die Welle 3a in Bezug auf die Welle 1a um eine Achse X drehbar ist (irgendeine geeignete Antriebseinrichtung kann verwendet werden und keine ist dargestellt).
Beide Rotorringe 2 und 3 haben eine ovale Konfiguration und der radiale Abstand zwischen ihren Oberflächen ist um die Achse X praktisch konstant, wie es bestens in der 1 gesehen werden kann. Im Gegensatz, ist der Statorring 1 kreisförmig und besitzt einen äußeren Radius, der der kleinen Achse des äußeren Rotorrings 3 entspricht, und einen inneren Radius, der der großen Achse des inneren Rotorrings 2 entspricht.
Jeder der Rotorringe 2 und 3 und der Statorring 1 definiert einen Satz von radialen Kanälen 5, 6 bzw. 7. Zusätzlich trägt der Stator 1 eine Anzahl von Flügeln 8, die sich zwischen den ovalen Rotorringen 2 und 3 erstrecken und die in der Lage sind in Bezug auf den Statorring 1 radial und in Bezug auf die Rotorringe 2 und 3 umfangsmäßig zu gleiten.
Die Kombination der Oberflächen des Statorrings 1, der Rotorringe 2 und 3, und der Flügel 8 dient dazu, um einen Satz von inneren und äußeren Räumen 9 auf jeder Seite des Statorrings 1 zwischen dem inneren Rotorring 2 bzw. dem äußeren Rotorring 3 einzuschließen. Somit werden zwei Räume 9 zwischen jedem Paar von benachbarten Flügeln 8 definiert, ein innerer Raum 9 zwischen dem Statorring 1 und dem inneren Rotor 2, und ein äußerer Raum 9 zwischen dem Statorring 1 und dem äußeren Rotor 3. Das Volumen von jedem Raum 9 nimmt progressiv zu und ab, wenn sich die Rotoren 2 und 3 drehen, und zwar als Folge der Differenz in der Krümmung des Statorrings 1 (die kreisförmig ist) und den Rotorringen 2 und 3 (die oval sind). Ein Pumpvorgang wird deshalb bereitgestellt, bei dem Material in jeden Raum 9 hineingezogen wird, da es sich ausdehnt und davon ausgestoßen wird, wenn sich der Raum zusammenzieht. Das Material tritt in jeden Raum vorwiegend durch die Kanäle 5, 6 und 7, die radial innerhalb der angrenzenden Ringe angeordnet sind, ein und verlässt jeden vorwiegend da durch.
Im Betrieb tritt Material, welches gemischt werden soll, radial durch die Flusskanäle 6 in dem äußeren Rotorring 3 in sich ausdehnende äußere Räume 9 ein, die zwischen dem äußeren Rotorring 3 und dem Statorring 1 definiert sind. Eine Drehung des äußeren Rotorrings 3 innerhalb des Gefäßes 4 unterstützt eine Strömung zwischen der äußeren Wand 4 und dem Ring 3 in Richtung auf die Flusskanäle 6 hin und unterwirft das Material zwischen dem Rotorring 3 und dem Gefäß 4 mechanischen Spannungen, sodass eine Wechselwirkung (Interaktion) zwischen dem Mischkopf und dem Gefäß 4 einen grundlegenden Teil des Mischvorgangs bildet. Gleichzeitig pumpen sich kontrahierende äußere Räume 9, die zwischen dem äußeren Rotorring 3 und dem Statorring 1 definiert sind, Material radial durch die Statorring-Flusskanäle 7 in innere Räume 9 hinein. Zusätzlich zu dem Pumpvorgang des sich zusammenziehenden äußeren Raums 9 kann Material auch durch die Kanäle 7 gezogen werden, da sich innere Räume 9, die zwischen dem Statorring 1 und dem Rotorring 3 definiert sind, ausdehnen. Somit fließt Material radial durch den Statorring 1 zwischen jedem Paar von äußeren und inneren Räumen 9, die zwischen jeweiligen Paaren von Flügeln 8 definiert sind, nach innen. Wenn sich innere Räume 9, die zwischen dem Statorring 1 und dem inneren Rotorring 3 definiert sind, zusammenziehen, wird in einer ähnlichen Weise Material durch die Kanäle 5 gepumpt, die in dem inneren Rotorring 3 definiert sind, und zwar zu dem axialen Auslass, der durch den inneren Rotorring 2 definiert wird. In dieser Weise wird Material kontinuierlich durch den Mischkopf einfach durch eine Drehung der Rotoren 2 und 3 gepumpt.
Obwohl der Nettofluss durch den Mischer von den Öffnungen 6 zu den Öffnungen 5 ist, sei darauf hingewiesen, dass eine Pumpkraft sowohl radial nach innen als auch nach außen vorhanden sein wird, wenn sich jeder Raum 9 zusammenzieht, und in einer ähnlichen Weise jeder Raum 9, wenn er sich ausdehnt, Material sowohl von radial äußeren als auch radial inneren Teilen des Mischgeräts ziehen wird. Dies ist auch dahingehend vorteilhaft, dass dies die Verweilzeit von Material innerhalb des Mischers erhöht, was Mischeffekte verstärkt (nähere Einzelheiten davon sind nachstehend angegeben). Die direktionale Vorspannung des Mischgeräts wird größtenteils durch die Positionierung und Konfiguration der Kanäle bestimmt und in der dargestellten Ausführungsform insbesondere durch die verjüngte Konfiguration der Kanäle 7 durch den Statorring 1. Die radial nach innen verlaufende Vorspannung der dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann zum Beispiel dadurch verstärkt werden, dass Kanäle 6 durch den äußeren Rotorring 3 nur in Bereichen bereitgestellt werden, die den sich ausdehnenden äußeren Räumen 9 entsprechen, wobei der Ring 3 eine geschlossene Wand für die sich zusammenziehenden Räume darstellt.
Es ist möglich die Vorspannung des Mischgeräts beispielsweise dadurch umzukehren, dass die verschiedenen Kanäle neu positioniert werden und/oder durch eine Neukonstruktion der Kanäle in dem Statorring 1 (zum Beispiel, indem sie in der entgegengesetzten Richtung verjüngt werden), sodass ein Material von den inneren Öffnungen 5 an die äußeren Öffnungen 6 herausfließt. Zum Beispiel könnte die Anzahl von Kanälen 5, die in dem äußeren Rotorring 3 angeordnet sind, in dem Bereich von sich zusammenziehenden Räumen 9, im Vergleich mit sich ausdehnenden Räumen 9, erhöht werden, um einen Fluss radial nach außen zu fördern. In ähnlicher Weise könnten die Kanäle in sich zusammenziehenden äußeren Räumen 9 größer als diejenigen in sich ausdehnenden Räumen sein, um den gleichen Effekt zu erzielen. Es sei darauf hingewiesen, dass ähnliche Modifikationen an dem inneren Rotorring 2 durchgeführt werden könnten.
Als eine mögliche weitere Modifikation, anstelle der radialen Kanäle 5, 6 und 7 (oder zusätzlich dazu), könnte die Einrichtung mit axialen Kanälen versehen werden, die mit axialen Öffnungen kommunizieren, die an geeigneten Positionen angeordnet sind, die dem Ort der verschiedenen Räume 9 entsprechen.
Zurückkehrend zu der besonderen dargestellten Ausführungsform lässt sich ersehen, dass der Querschnitt der Kanäle 7 in dem Statorring 1 in einer radial nach innen gerichteten Richtung zusammenlaufen. Diese Konvergenz verursacht Ausdehnungsspannungen und Scherspannungen auf dem Material, welches darin enthalten ist, wodurch das Material einer Kombination einer ausdehnungsdispersiven und einer scher-dispersiven Mischung ausgesetzt wird. Der Betrag der mechanischen Spannung steht in Zusammenhang sowohl mit der Geometrie jedes Kanals als auch mit den Flussraten, die sich aus den Druckdifferenzen, die auf jeden Kanal aufgeprägt werden, und aus der Pumpgeometrie selbst ergeben. Die Geometrie der Kanäle kann gewählt werden, um den Grad einer ausdehnungsmäßigen und/oder schermäßigen Beanspruchung zu wählen. Zum Beispiel sollten die Kanäle so konfiguriert werden, dass Ausdehnungsspannungen effektiv auf null reduziert werden, sodass nur eine scher-dispersive Mischung innerhalb von diesen Kanälen auftritt.
Zusätzlich zu der ausdehnungs-dispersiven und scher-dispersiven Mischung, die durch die Kanäle 7 bereitgestellt wird, gibt es auch ein distributives Mischen, da das Material zwischen den Rotorringen 2 und 3 und dem Statorring 1 verläuft. Das heißt, jeder äußere Raum 9 empfängt Material von jedem Kanal 6 des äußeren Rotorrings in einer Sequenz und somit empfängt jeder Kanal 7 in dem Statorring 1 Material von jedem Kanal des äußeren Rotorrings 3. Ferner wird Material, welches von jedem inneren Raum 9 zu dem inneren Rotor 2 geht, unter jedem der Kanäle 5 des inneren Rotorrings 2 verteilt.
Innerhalb des Raums 9 wird als Folge einer Drehung der Rotorringe relativ zu dem Statorring ein gewisser Grad einer Scher-Dispersion und als Folge der „verjüngenden" Geometrie der Räume 9 ein gewisses ausdehnungsmäßiges dispersives Mischen auftreten.
Innerhalb der voranstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist der Pumpmechanismus vorwiegend ein Flügelpumpen. Dies ist jedoch nicht der einzige Pumpmechanismus, der in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, und andere Formen eines Pumpvorgangs, wie beispielsweise ein positives Verdrängungspumpen, ein zentrifugales Pumpen oder ein Mitnahmefluss-Pumpen kann verwendet werden. Mit der voranstehend beschriebenen Ausführungsform (wenn sie konfiguriert ist, um mit einem radial nach außen gerichteten Fluss zu arbeiten), wird ein gewisser Betrag eines zentrifugalen Pumpens in jedem Fall auftreten. Der Grad eines zentrifugalen Pumpens wird von der Konstruktion des Mischgeräts und dem Material, welches gerade gemischt wird, abhängen und könnte in Fällen von Materialien mit einer geringen Viskosität und hohen Drehgeschwindigkeiten relativ stark sein. Die oben beschriebene Ausführungsform der Erfindung könnte zum Beispiel leicht modifiziert werden, um ein zentrifugales Pumpen bereitzustellen, indem nur die Flügel 8 entfernt werden. In einer derartigen Ausführungsform wird das Material, welches in den Kammern 9 vorhanden ist, rigorosen Schervorgängen zwischen dem Statorring 1 und den Rotorringen 2 und 3 und zwischen dem äußeren Rotorring 3 und der Wand des Gefäßes 4 und auch einem Dehnungsfluss als Folge der umfangsmäßigen Verjüngung der Kammern 9 und des Abstands zwischen dem äußeren Ring 3 und dem Gefäß 4 (zusätzlich zu der mechanischen Spannung, die innerhalb der Kanäle 5, 6 und 7 auftritt) ausgesetzt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass zahlreiche Modifikationen an dem besonderen voranstehend beschriebenen Mischgerät durchgeführt werden könnten. Zum Beispiel müssten die Rotorringe 2 und 3 nicht oval ausgeformt werden, sondern könnten irgendeine andere geeignete nicht-kreisförmige Krümmung aufweisen. Obwohl bevorzugt, ist es zusätzlich nicht wesentlich, dass der radiale Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Rotor im Wesentlichen um die Achse konstant bleibt. In ähnlicher Weise muss der Stator nicht kreisförmig sein, sondern könnte irgendeine andere geeignete Krümmung haben.
Es sei auch darauf hingewiesen, dass die Ausdrücke Rotor und Stator relative Ausdrücke sind und dass die obige Ausführungsform der Erfindung zum Beispiel durch Drehen des Rings 1 innerhalb der Ringe 2 und 3 und Drehen des Gefäßes 4 modifiziert werden könnte. In ähnlicher Weise könnten sämtliche drei Ringe gedreht werden, wobei die inneren und äußeren Ringe 2 und 3 bei einer anderen Geschwindigkeit (und möglicherweise sogar in einer anderen Richtung) als der Ring 1 gedreht werden.
Obwohl in der obigen Beschreibung viel Augenmerk auf den Mischmechanismus gerichtet wird, sei darauf hingewiesen, dass die beschriebene Vorrichtung ein integrales Mischgerät/eine integrale Pumpe ist. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung konstruiert werden können, um eine einzelne von diesen zwei Funktionen zu verbessern. Zum Beispiel könnte ein Mischvorgang verbessert werden, indem der Mischkopf innerhalb des zu mischenden Materials oszilliert wird, sodass die mikro-dispersiven und distributiven Mischvorgänge, die innerhalb des Kopfs auftreten, mit einer Makro-Verteilung innerhalb des Materials insgesamt kombiniert werden. Alternativ können Ausführungsformen der Erfindung konstruiert werden, um vorwiegend als eine Pumpe zu arbeiten, wobei irgendwelche inhärenten Mischvorgänge rein sekundär sind.
Ausführungsformen der Erfindung könnten eine größere Anzahl oder eine geringere Anzahl von Misch/Pumpstufen aufweisen, als in der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung vorhanden. Zum Beispiel könnte die Ausführungsform modifiziert werden, indem weitere Rotor- und/oder Stator-Ringe hinzugefügt werden, um weitere Misch/Pump-Stufen bereitzustellen. Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass innerhalb einer besonderen Ausführungsform, die mehr als eine Misch/Pump-Stufe beinhaltet, jede einzelne Stufe nicht das gleiche Volumen von Material wie irgendeine andere Stufe enthalten muss. Dies kann besonders nützlich sein, wenn darauf abgezielt wird zu dem Material, welches gerade gemischt oder gepumpt wird, Material hinzuzufügen, wie beispielsweise eine Hinzufügung von Verdünnungsfluids in eine bestimmte Stufe eines Misch- oder Pumpbetriebs.
Viele andere mögliche alternative Anordnungen in Übereinstimmung mit der Erfindung sind für den Durchschnittsfachmann leicht ersichtlich. Zum Beispiel sei darauf hingewiesen, dass die Orientierung des Mischkopfs und/oder des Gefäßes nicht vertikal sein muss, sondern horizontal oder bei irgendeiner Neigung zwischen den beiden sein könnte. Die Mischvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung könnte mehr als einen einzelnen Mischkopf aufweisen und könnte innerhalb des Gefäßes mit irgendeiner anderen Form von Mischvorrichtung kombiniert werden. Das Gefäß, in dem das Material gehalten wird oder durch das das Material fließt, während des Mischvorgangs, könnte eine breite Vielfalt von unterschiedlichen Konfigurationen aufweisen und könnte entweder offen oder geschlossen sein.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in einer Vielfalt von Anwendungen in sämtlichen Gebieten eines Fluidmischens und eines Mischens von Fluid-Festkörpern und in sämtlichen Industriezweigen, bei denen ein derartiges Mischen/Pumpen benötigt wird, wie zum Beispiel in den Chemischen, Nahrungsmittel, Gesundheitsbereich, Medizinischen, Petrochemischen und Polymer-Industrien, verwendet werden. Die Erfindung hat auch eine Anwendung in Gebieten für das Mischen von Festkörpern, wobei derartige Festkörper so betrachtet werden können, dass sie auf die auferlegten Kräfte in einer im Wesentlichen fluid-artigen Weise reagieren, oder wenn die Festkörper zu dem Ausmaß fragmentiert sind, dass sie zusammengenommen in der Lage sind, sich in einer Weise zu verhalten, die analog zu Fluids ist, oder irgendeiner Kombination von Fluids und Festkörpern.

Claims

Vorrichtung zum Mischen eines Materials, umfassend einen Mischkopf und ein Mischgefäß (4), wobei der Mischkopf wenigstens ein Paar eines ersten und zweiten Elements (1, 3) umfasst, die koaxial eines innerhalb des anderen um eine Drehachse (x) angebracht sind, wobei das erste Element (1) innerhalb des zweiten Elements (3) derart angeordnet ist, dass die aufeinander zu gerichteten Oberflächen des ersten und zweiten Elements sich um die Achse (x), eine Kammer dazwischen definierend, krümmen, und wobei ein oder mehrere Flusskanäle (6, 7) mit der Kammer kommunizieren, wobei wenigstens das zweite Element (3) eine nicht kreisförmige Krümmung aufweist, wobei das erste und zweite Element (1, 3) relativ zueinander um die Achse (x) drehbar sind, um dadurch eine Pumpkraft zu erzeugen, um Material durch den einen oder die mehreren Flusskanäle (6, 7) und die Kammer zu drängen, wobei das Gefäß (4) eine im wesentlichen kreisförmige innere Wand aufweist und das zweite Element (3) und die innere Wand relativ zueinander drehbar sind, um Material, welches zwischen dem Mischkopf und der Wand des Gefäßes (4) vorhanden ist, zu beanspruchen und zu versetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Krümmung der Oberfläche des ersten Elements (1) sich von der Krümmung der Oberfläche des zweiten Elements (3) um die Achse (x) unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Krümmung des ersten Elements (1) kreisförmig ist.
Vorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, umfassend eine Vielzahl der ersten und/oder zweiten Elemente (1, 2, 3), die koaxial innerhalb einander verschachtelt sind, wobei das äußerste der zweiten Elemente (3) das Element ist, welches in Bezug auf die Wand des Gefäßes (4) drehbar ist.
Vorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, umfassend eine Vielzahl von Paaren der ersten und zweiten Elemente, die koaxial angeordnet sind.
Vorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, umfassend wenigstens eines der ersten Elemente (1) angebracht zwischen zwei der zweiten Elemente (1, 3), wobei wenigstens eines davon die nicht-kreisförmige Krümmung aufweist, wobei die zweiten Elemente (2, 3) eine Kammer dazwischen definieren, in der das erste Element (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei beide der zweiten Elemente (2, 3) die nicht-kreisförmige Krümmung aufweisen und wobei der radiale Abstand zwischen den zweiten Elementen (2, 3) um die Achse (x) im wesentlichen konstant ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei das erste Element (1) ein oder mehrere Flügel (8) trägt, die die zwischen den zwei zweiten Elementen (2, 3) definierte Kammer aufteilen, wobei der oder jeder Flügel (8) innerhalb des ersten Elements (1, 2) so angeordnet ist, dass er in einer radialen Richtung verschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das erste Element (1) eine Vielzahl von Flügeln (8) trägt, die die Kammer zwischen den zwei zweiten Elementen (2, 3) in einer Vielzahl von Fächern (9) aufteilen, wobei das Volumen von jedem Fach (9) sich ändert, wenn das erste Element (1) sich relativ zu den zweiten Elementen dreht.
Vorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei jeder oder wenigstens einer der Flusskanäle (5, 6, 7) direkt mit der Kammer kommuniziert, die zwischen wenigstens einem Paar oder jedem Paar des ersten und zweiten Elements (1, 2, 3) definiert ist.
Mischvorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei wenigstens einer der einen oder mehreren Flusskanäle (5, 6, 7) durch eines der ersten oder zweiten Elemente (1, 2, 3) definiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das oder jedes erste Element (1) und/oder das oder jedes zweite Element (2) wenigstens einen der Flusskanäle (5, 6, 7) definiert, die sich im allgemeinen radial dadurch erstrecken.
Vorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei wenigstens einer der einen oder mehreren Flusskanäle sich im allgemeinen parallel zu der Achse (x) erstreckt.
Vorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, umfassend ein oder mehrere axiale und/oder radiale Einlass- und Auslass-Wege oder Öffnungen, wobei die Pumpkraft einen Nettofluss von Material von dem oder jedem Einlass-Weg/der oder jeder Einlass-Öffnung zu dem oder jedem Auslass-Weg/der oder jeder Auslass-Öffnung über die Flusskanäle (5, 6, 7) und die Kammer erzeugt.
Vorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei wenigstens eines der Paare oder jedes Paar des ersten und zweiten Elements (1, 2, 3) entlang der Achse (x) oszillieren.
Vorrichtung zum Mischen eines Materials, umfassend einen Mischkopf mit einem nicht-kreisförmigen Rotor (3), der koaxial um einen Stator (1) um eine Drehachse (x) angebracht ist, so dass aufeinander zu gekehrte Oberflächen des Rotors (3) und des Stators (1) sich um die Achse (x), eine Kammer dazwischen definieren, krümmen, und wobei ein oder mehrere Flusskanäle (6, 7) mit der Kammer kommunizieren, wobei der Rotor (3) um die Achse (x) herum drehbar ist, um dadurch eine Pumpkraft zu erzeugen, um Material durch die Flusskanäle (6, 7) und die Kammer zu drängen, um Material, welches innerhalb der Kammer vorhanden ist, zu beanspruchen und zu versetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Krümmung des Rotors (3) um die Achse (x) herum sich von der Krümmung des Stators (1) um die Achse (x) herum unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei der Stator (1) kreisförmig ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 18, umfassend eine Vielzahl von Rotor/Stator-Paaren (1, 2, 3), die koaxial zueinander verschachtelt sind.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 19, umfassend eine Vielzahl von Rotor/Stator-Paaren, die axial angeordnet sind.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 20, umfassend wenigstens einen Stator (1), der zwischen zwei Rotoren (2, 3) angebracht ist, wobei der äußerste davon die nicht-kreisförmige Krümmung aufweist, wobei die Rotoren eine Kammer dazwischen definieren, innerhalb der der Stator angeordnet ist (1).
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei beide Rotoren (2, 3) die gleiche, nicht-kreisförmige Krümmung aufweisen, und wobei der radiale Abstand zwischen den Rotoren (2, 3) im wesentlichen um die Achse (x) herum konstant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, wobei der Stator (1) eine kreisförmige Krümmung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, wobei der Stator (1) einen oder mehrere Flügel (8) trägt, die die zwischen den zwei Rotoren (2, 3) definierte Kammer aufteilen, wobei der oder jeder Flügel (8) innerhalb des Stators (1) so angebracht ist, dass er in einer radialen Richtung verschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei der Stator (1) eine Vielzahl der Flügel (8) trägt, die die Kammer zwischen den zwei Rotoren in eine Vielzahl von Fächern (9) aufteilen, wobei das Volumen jedes Fach (9) sich ändert, wenn sich die Rotoren (2, 3) relativ zu dem Stator (1) drehen.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 25, wobei wenigstens einer der oder jeder der Flusskanäle (5, 6, 7) direkt mit der Kammer kommuniziert, die zwischen dem Rotor (1) und dem Stator (2, 3) definiert ist.
Mischvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 26, wobei wenigstens einer der einen oder mehreren Flusskanäle (5, 6, 7) durch den Rotor (1) oder Stator (2, 3) definiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der oder jeder Rotor (1) und/oder der oder jeder Stator (2, 3) wenigstens einen der Flusskanäle (5, 6, 7), die sich allgemein radial dadurch erstrecken, definiert.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 28, wobei wenigstens einer der einen oder mehreren Flusskanäle sich allgemein parallel zu der Achse (x) erstreckt.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 29, umfassend ein oder mehrere axiale und/oder radiale Einlass- und Auslass-Wege oder Öffnungen, wobei die Pumpkraft einen Nettofluss von Material von dem oder jedem Einlass-Weg/der oder jeder Einlass-Öffnung zu dem oder jedem Auslass-Weg/der oder jeder Auslass-Öffnung über die Flusskanäle und die Kammer bereitstellt.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 30, wobei der Mischkopf entlang der Achse (x) oszilliert.