DE60223411T3

DE60223411T3 - Mischer und mischverfahren

Info

Publication number: DE60223411T3
Application number: DE60223411T
Authority: DE
Inventors: Christopher Glossop BROWN
Original assignee: Watson Brown HSM Ltd Great Britain
Current assignee: Watson Brown HSM Ltd Great Britain
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2022-12-10
Also published as: GB0202065D0; JP2010058123A; US20050169101A1; DE60223411D1; JP4919582B2; DE60223411T2; CN1625461A; CN100430196C; JP2005515915A; WO2003064129A1; EP1472061A1; EP1472061B3; US7461970B2; ES2299615T3; ATE377495T1; EP1472061B1; ES2299615T7

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Mischen und stellt eine neue Mischvorrichtung und ein Mischverfahren bereit. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das High-Shear-Mischen. Man wird verstehen, dass der Begriff „Mischen” die Bearbeitung von einzelnen Materialien umfasst.
Das High-Shear-Mischen (HSM) ist eine relativ neue Entwicklung der Mischtechnologie, die extrem hohe Niveaus der Scherung und Dehnungsbeanspruchung liefern kann. Die Basis der HSM-Technologie beruht auf den Prinzipien der Mechanochemie (im Wesentlichen das Auslösen von chemischen Reaktionen in Materialien nur durch die Anwendung von mechanischen Kräften), und sie reproduziert wirksam den gesteuerten Scherspalt und die Dehnungsfließeigenschaften des konventionellen kalten Zweiwalzenmischens in einer intensiveren Weise. Die Technologie wurde zuerst von William Watson vorgeschlagen und wird in seinem UK Patent Nr. 2300129 offenbart. Dieses Patent beschreibt sowohl Chargen- als auch Durchlaufmischer, bei denen das Mischen zwischen sich relativ drehenden gerillten Elementen erfolgt, die das Material scheren und aufspalten, während sich die Rillen und die eingreifenden hervorstehenden Flächen quer zueinander bewegen. Beim Chargenmischer werden die Rillen auf entgegengesetzten und relativ drehbaren Scheiben gebildet und so angeordnet, dass das Material längs der Rillen in Richtung der mittleren Drehungsachse der Scheiben nach innen gezogen wird. Während sich das Material in Richtung der Mitte des Mischers bewegt, verringert sich die verfügbare Menge, so dass der Druck mit dem Ergebnis zunimmt, dass sich das Material weg von der Scheibenmitte aufwallt und dadurch nach außen zurückgeführt wird. Das liefert ein wirksames verteilendes Mischen zusätzlich zur Scher- und Aufspaltwirkung.
Durch eine geeignete Anordnung der Rillengröße und Verteilung können die Eigenschaften des Scher-, Dehnungs- und verteilenden Mischens selektiv gesteuert werden. Insbesondere stellt die Fähigkeit, den Grad der Beanspruchung sorgfältig zu steuern, einen Mischer bereit, der ideal für das mechanochemische Mischen geeignet ist. Beispielsweise ist eine bedeutende Verwendung derartiger HSM-Mischer das Recycling von Gummi und gleichen vernetzten viskoelastischen Materialien. Das mechanochemische Mischen liefert eine wirksame Möglichkeit für das selektive Aufbrechen von Vernetzungsbindungen, um das Material ohne eine bedeutende Beschädigung an den Polymerketten löslich zu machen, so dass ein Recyclingprodukt von hoher Qualität aus dem Sekundärrohstoff hergestellt werden kann.
Für eine wirksame industrielle Anwendung der HSM-Technologie ist es wünschenswert, Mischer bereitzustellen, die große Chargen an Material handhaben können, beispielsweise in der Größenordnung von 200 kg. Das einfache maßstäbliche Vergrößern der Mischergeometrie, die früher von William Watson vorgeschlagen wurde, bringt jedoch eine Anzahl von Schwierigkeiten mit sich. Beispielsweise könnten größere Chargenmengen aufgenommen werden, indem einfach der Radius der sich relativ drehenden Mischerscheiben vergrößert wird. Ein Problem bei dieser Verfahrensweise ist, dass die Anzahl der Rillen und ihrer dazwischenliegenden hervorstehenden Flächen nicht mit Bezugnahme auf den Radius variiert, mit dem Ergebnis, dass sich die Intensität und Häufigkeit der Mischspannungen, die am Material zwischen den Scheiben zur Anwendung kommen, mit dem Radius verändern. Während die Unterschiede bei den Mischspannungen, die bei den Materialien an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Mischers zur Anwendung kommen, kein Problem bei kleineren Mischern sein können, werden die Unterschiede bei den Extremen des Mischens, die erreicht werden, ebenfalls größer, während die Abmessung des Mischers größer wird. Außerdem kann bei größeren Scheiben der Unterschied bei der Drehzahl zwischen dem inneren und äußeren Bereich der Scheiben bedeutend sein, so dass die Drehzahlen, die für ein angemessenes Mischen in der Mitte der Scheibe erforderlich sind, zu unerwünscht hohen Geschwindigkeiten in Richtung des Umfanges der Scheiben führen können, was das Material überbeanspruchen kann.
Als eine Alternative zur Vergrößerung des Scheibendurchmessers könnten größere Mengen des Materials aufgenommen werden, indem die Tiefe der Rillen in den Mischscheiben vergrößert wird. Während die Tiefe der Rillen vergrößert wird, ist jedoch eine zunehmende Wahrscheinlichkeit zu verzeichnen, dass einiges Material im Boden der Rillen eingeschlossen wird und stagniert.
Einem weiteren praktischen Problem in Verbindung mit dem Mischen größerer Chargen des Materials begegnet man beim Entfernen des gemischten Materials aus dem Mischer. Beispielsweise, wenn Mischer verwendet werden, die die früher vorgeschlagene HSM-Geometrie aufweisen, um Gummimischungen zu recyceln, ist das resultierende Material eine extrem viskose „Schwarte”, die aus dem Mischer herausgehoben werden muss. Während das nicht besonders problematisch bei kleineren Chargen des Materials ist, kann es ein bedeutendes Problem für größere Chargen sein.
Ein Mischer mit den charakteristischen Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 wird im JP-A-63049239 offenbart.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorangehenden Probleme zu verhüten oder zu mildern.
Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Chargenmischvorrichtung bereitgestellt, die aufweist:
ein erstes und ein zweites entgegengesetztes Mischelement, die relativ zueinander um eine Achse drehbar sind;
wobei das erste und das zweite Mischelement Planflächen aufweisen, die sich von der Achse weg erstrecken, und die eine Mischkammer dazwischen definieren;
Mittel für die Rotation von mindestens einem der Mischelemente, um eine relative Rotation zwischen dem ersten und dem zweiten Mischelement in einer ersten Rotationsrichtung zu bewirken;
eine Anordnung von Mischausbildungen auf mindestens einer der Flächen, die in Wechselwirkung stehen, um Material innerhalb der Mischkammer zu mischen;
wobei die Anzahl der Mischausbildungen auf mindestens einer der Flächen mit dem radialen Abstand von der Achse größer wird; und
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der Mischausbildungen auf mindestens einer der Flächen relativ zur ersten Rotationsrichtung nach vom abgelenkt werden, um einen nutzbaren Antrieb des Materials innerhalb der Mischkammer in Richtung der Achse bereitzustellen, während das erste und das zweite Element in der ersten Rotationsrichtung relativ gedreht werden.
Indem die Anzahl der Mischausbildungen mit dem Radius des Mischelementes (oder der Elemente) in Beziehung gebracht wird, ist es möglich, die Mischwirkungen zu normalisieren, die über die Fläche auftreten.
Die Mischausbildungen sind vorzugsweise Vertiefungen, wie beispielsweise Rillen, die in der oder jeder Fläche definiert werden, und sie können gerade oder gebogene Seitenwände aufweisen, und sie können selbst gerade oder gebogen sein. Alternativ können die Mischausbildungen Vorsprünge sein, die über der oder jeder Fläche erhaben sind, beispielsweise erhabene Ränder, die gerade oder gebogene Seitenwände aufweisen können, und die selbst gerade oder gebogen sein können. Ausführungen der Erfindung können sowohl Rillen als auch Vorsprünge einschließen.
Um den erforderlichen Antrieb (oder das Pumpen) des Materials zu bewirken, bevorzugt man, dass mindestens einige der Mischausbildungen in mindestens einer und, mehr bevorzugt, beiden Flächen relativ zur ersten Rotationsrichtung nach vorn abgelenkt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist eine jede Mischausbildung auf der mindestens einen Fläche (und vorzugsweise beiden Flächen) ein radial inneres Ende und ein radial äußeres Ende relativ zur Achse auf, wobei die inneren Enden einiger der Mischausbildungen auf der oder jeder Fläche weiter weg von der Achse sind als andere Mischausbildungen innerhalb der gleichen Fläche.
Beispielsweise kann die Fläche in zwei oder mehr Sektoren unterteilt werden, wobei jeder Sektor eine Anordnung von im Wesentlichen parallelen darin definierten Mischausbildungen aufweist, wobei die Mischausbildungen eines Sektors nicht parallel zu den Mischausbildungen von mindestens einem anderen Sektor sind. Die Mischausbildungen innerhalb eines speziellen Sektors können im Wesentlichen parallel zu einer radialen Linie sein, die auf die jeweilige Fläche projiziert wird. Die Fläche kann zusätzlich oder alternativ in radial innere und äußere Bereiche unterteilt werden, wobei jeder Bereich Mischausbildungen definiert, die innerhalb jenes Bereiches beginnen und enden, wobei die radial äußeren Bereiche mehr Mischausbildungen aufweisen als die radial inneren Bereiche.
Anordnungen von Rillen, die so strukturiert sind, wie es vorangehend erwähnt wird, wurden beispielsweise in traditionellen Reismühlen verwendet. In letzterer Zeit wurden derartige Rillenmuster in einer Mischvorrichtung zur Anwendung gebracht, die im U.S. Patent Nr. 4657400 offenbart wird. Bei dieser Vorrichtung wird Material zwischen zwei sich relativ drehenden gerillten Scheiben gemischt, die das Material zu einem Sammelring pumpen, der um den Umfang der Mischzone vorhanden ist.
Um außerdem den erforderlichen Antrieb des Materials in den Fällen zu bewirken, in denen beide Flächen mit Rillen oder erhabenen Rändern oder dergleichen versehen sind, bevorzugt man die Anordnung der Wirkungslinien der Rillen, usw. in der jeweiligen Fläche so, dass sie einander schneiden, wenn sie in Überlagerung betrachtet werden. Diese Anordnung der Schnitte kann außerdem so vorgenommen werden, dass eine vorherrschende radiale Richtung des Pumpens bewirkt wird, wenn die Drehung in einer Richtung erfolgt, und die entgegengesetzte vorherrschende radiale Richtung des Pumpens bewirkt wird, wenn die Drehung umgekehrt wird. Diese Anordnung kann ebenfalls so vorgenommen werden, dass eine zyklische Zunahme und Abnahme der augenblicklichen Intensität und sogar der augenblicklichen Richtung des radialen Antriebes bewirkt wird.
Beispielsweise kann eine derartige Anordnung der sich schneidenden Wirkungslinien der Rillen, usw. erreicht werden, indem die Ausbildungsmuster auf jeder der zwei Flächen des vorangehend beschriebenen Beispiels der vorliegenden Erfindung als Spiegelbilder voneinander angeordnet werden.
Es ist ein charakteristisches Merkmal der bevorzugten Geometrien der vorliegenden Erfindung, bei der die Mischausbildungen Rillen sind, dass die gesamte Querschnittsfläche der Rillen, wenn bei einem speziellen Radius gemessen wird, im Verhältnis zu jenem Radius größer wird. Als Folge davon wird das Material, das sich innerhalb einer Rille bewegt, einem zunehmenden Druck, wenn eine derartige Bewegung in der Richtung des kleiner werdenden Radiusses erfolgt, und einem abnehmenden Druck ausgesetzt wird, wenn eine derartige Bewegung in der Richtung des größer werdenden Radiusses erfolgt. Während das Material aktiv in Richtung der Achse des Mischers mittels der Wirkung der Rillen gepumpt wird, wird es gleichzeitig dadurch einem zunehmenden Druck ausgesetzt, der seine Richtung umkehren würde – die sogenannte Rückflusserscheinung, die bei der Extruderkonstruktion gut bekannt ist. Als Folge von entweder einem oder beiden von zyklisch schwankender Intensität der Rillenpumpwirkung und der Ungleichmäßigkeit der Bewegung des Materials über den Querschnitt einer speziellen Rille kann Material längs der Rille radial nach innen und nach außen fließen, entweder gleichzeitig oder aufeinanderfolgend. Dieses zweiseitig gerichtete Strömungsbild bewirkt ein extrem wirksames verteilendes Mischen in der radialen Richtung. Einzelne Rillen können selbst eine Querschnittsfläche aufweisen, die mit dem Radius größer wird, um das verteilende Mischen zu verbessern, das durch den Rückfluss bewirkt wird. Beispielsweise können die Tiefe und/oder die Breite der Rillen mit zunehmendem Radius größer werden.
Während die Flächen der Mischelemente der vorliegenden Erfindung eine ebene Geometrie aufweisen können, ist bei bevorzugten Ausführungen eine der Flächen konkav und die andere konvex. Eine kegelförmige Geometrie wird besonders bevorzugt, aber andere Geometrien, wie beispielsweise gewölbte oder trompetenförmige Geometrien, könnten zur Anwendung gebracht werden. Die Anwendung derartiger nichtebener Geometrien ermöglicht eine Vergrößerung der Mischmenge und der Oberflächen ohne unerwünschte große Zunahmen des Gesamtflächenradiusses (d. h., des maximalen Abstandes der Fläche von der Achse), wodurch die Umfangsgeschwindigkeit und die Drehmomentforderungen für eine bestimmte Mischerkapazität minimiert werden.
Es wird ebenfalls bevorzugt, dass ein axialer Abschnitt von mindestens einem von erstem und zweitem Mischelement entfernbar ist, um den Austritt des Materials aus der Mischkammer durch relative Rotation des ersten und zweiten Mischelementes in der ersten Rotationsrichtung zu gestatten. Das überwindet die Probleme des Entfernens von größeren gemischten Materialchargen, die man bei den vorangehend erwähnten bekannten Mischern erfährt.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zum Mischen eines Materials in einer Mischvorrichtung bereit, die eine Mischkammer aufweist, die zwischen Planflächen des ersten und des zweiten entgegengesetzten Mischelementes definiert wird, die relativ zueinander um eine Achse drehbar sind, wobei die Planfläche von mindestens dem ersten Mischelement eine Anordnung von Mischausbildungen aufweist, die in Wechselwirkung mit der Planfläche des zweiten Mischelementes stehen, um das Materials innerhalb der Mischkammer zu mischen, während das erste und das zweite Mischelement relativ gedreht werden, wobei die Anzahl der Mischausbildungen auf mindestens einer der Flächen mit dem radialen Abstand von der Achse größer wird, wobei mindestens einige der Mischausbildungen relativ zu einer ersten Richtung der Rotation nach vom abgelenkt werden, um das Material innerhalb der Mischkammer in der Richtung der Achse in Abhängigkeit von der Richtung der relativen Rotation des ersten und des zweiten Mischelementes anzutreiben, wobei das Verfahren das relative Rotieren des ersten und des zweiten Mischelementes in einer Richtung aufweist, so dass die Mischausbildungen in Wechselwirkung stehen, um das Material in Richtung der Achse anzutreiben.
Spezifische Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden jetzt nur als Beispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
1 eine Vorderansicht eines High-Shear-Mischers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
2 eine Seitenansicht des Mischers aus 1, in der Richtung des Pfeiles A in 1 betrachtet;
3 eine Draufsicht des Mischers aus 1 und 2;
4 eine vergrößerte und teilweise geschnittene Seitenansicht des Mischers entsprechend 2, die aber ein verstecktes Detail zeigt;
5a und 5b jeweils eine Seitenansicht und eine Draufsicht des Stators des Mischers aus 1 bis 4 (nicht maßstabsgetreu);
6a und 6b jeweils eine Schnittseitenansicht und Draufsicht des Rotors des Mischers aus 1 bis 4 (nicht maßstabsgetreu); und
7a bis 7d vier Stufen beim Betrieb des Mischers aus 1 bis 4.
Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen ist der veranschaulichte Mischer ein HSM-Chargenmischer, der ein kegelförmig ineinandergestecktes oberes und unteres Mischelement 1 und 2 aufweist, die jeweils vom oberen und unteren Abschnitt eines stationären Halterahmens 3 getragen werden. Das obere Mischelement 1 ist ein kegelförmig konvexer Stator, der von Querelementen 3a des oberen Abschnittes des Halterahmens 3 getragen wird. Die Querelemente 3a werden verschiebbar auf vier Rahmenstützen 3b getragen, und Hydraulikkolben 4 sind für das Anheben und Absenken des Stators 1 vorhanden, wie es nachfolgend weiter beschrieben wird. Die kegelförmige Außenfläche des Stators 1 ist mit einer Anordnung von Rillen 1a versehen (wie am besten in 5a und 5b gesehen wird). Der Stator weist eine Doppelwandstruktur auf, die einen inneren Kühlmittelkanal 1b definiert.
Das untere Mischelement 2 ist ein kegelförmig konkaver Rotor, der für eine Rotation um seine Mittelachse auf einem ringförmigen Drehringlager 5 montiert ist, das vom unteren Abschnitt des Halterahmens 3 getragen wird. Der Rotor 2 weist eine Anordnung von Rillen 2a auf, die auf seiner Innenfläche gebildet werden, die bei Benutzung mit den Rillen 1a zusammenwirken, die auf dem Stator gebildet werden, wie es nachfolgend weiter beschrieben wird. Gleich dem Stator 1 ist der Rotor 2 eine Doppelwandstruktur, die einen inneren Kühlmittelkanal 2b definiert, der Kühlmittel über eine sich drehende Verbindung 2c empfängt. Der Rotor 2 wird mittels eines geeigneten Motors (nicht gezeigt) über ein Getriebe 6 und eine Getriebewelle 7 angetrieben, die mit einem Ritzel 8 versehen ist, das mit einem innenverzahnten Rad 9 in Eingriff kommt, das um den äußeren Umfang des Rotors 2 montiert ist.
Entsprechende Öffnungen 10 und 11 werden jeweils im Scheitel von sowohl dem Rotor 2 als auch dem Stator 1 gebildet, die sich miteinander längs der Rotationsachse des Rotors 2 ausrichten. Ein Stopfen 12, der für das selektive Verschließen/Öffnen der Öffnungen 10 und 11 vorhanden ist, ist drehbar auf einer Spindel 13 auf Lagern 14 montiert, die nach unten aus einem Hydraulikzylinder 15 vorstehen, der über dem Stator 1 auf einem Querelement 3c des oberen Abschnittes des Halterahmens 3 getragen wird. Der Stopfen 12 ist im Allgemeinen zylindrisch und weist eine Außenfläche auf, die den Konturen der Innenflächen der Öffnungen 10 und 11 entspricht. Bei Benutzung kommt ein unterer Abschnitt des Stopfens 12 mit dem Rotor 2 innerhalb der Öffnung 10 so in Eingriff sich der Stopfen 12 mit dem Rotor 2 dreht. Führungsstangen 16 sind vorhanden, um zu verhindern, dass sich der Zylinder 15 mit dem Stopfen 12 dreht.
Die Anordnung der Rillen 1a und 2a, die jeweils in den entgegengesetzten Flächen des Stators 1 und des Rotors 2 gebildet werden, wird am besten in 5 und 6 gesehen. Das Muster der Rillen ist im Wesentlichen das gleiche auf jeder des Rotors und des Stators. In jedem Fall ist die gerillte Fläche in vier Sektoren (Quadranten) durch imaginäre radiale Linien unterteilt, die auf die Fläche projiziert werden und sich von der Achse zum äußeren Umfang des jeweiligen Elementes erstrecken. In jedem Quadranten erstrecken sich acht Rillen 1a/2a von beabstandeten Stellen längs einer der radialen Linien, die jenen Quadranten definieren, zu gleichermaßen beabstandeten Stellen auf dem äußeren Umfang des Rotors/Stators. Die Rillen eines jeden Quadranten sind im Allgemeinen parallel zueinander und zu einer radialen Linie, die auf die Fläche des Rotors/Stators projiziert wird. Da sich alle Rillen zum äußeren Umfang der Fläche des Rotors/Stators erstrecken (d. h., den Abschnitt der kegelförmigen Elemente mit dem maximalen Durchmesser), sich aber nicht alle der Rillen zur Mitte (Scheitel) erstrecken, nimmt die Anzahl der Rillen, die in der Fläche definiert werden, mit dem Durchmesser des Stators/Rotors wirksam zu. Der Betrieb des Mischers wird jetzt mit spezieller Bezugnahme auf 7a bis 7d beschrieben.
Um Material in den Mischer zu füllen, wird der Stator 1 mittels der Hydraulikkolben 4 angehoben, während der Stopfen 12 in einer abgesenkten Position in Eingriff mit der Öffnung 10 im Rotor 2 gehalten wird, wie in 7a veranschaulicht wird. Das ermöglicht, dass das Material direkt in das Innere des kegelförmig konkaven Rotors 2 eingeführt wird. Der Stator 1 wird danach so abgesenkt, dass er im Rotor 2 ineinandergesteckt ist, und der obere Abschnitt des Stopfens 12 wird innerhalb der Öffnung 11 aufgenommen. Ein geeigneter Spalt wird zwischen den gerillten Flächen des Rotors 2 und des Stators 1 belassen, um die Mischkammer zu definieren. Der Rotor 2 wird danach gedreht, um einen Mischvorgang durchzuführen.
Im Wesentlichen ist der Mischmechanismus der gleiche wie der, der mit Bezugnahme auf die ursprüngliche Mischergeometrie beschrieben wird, wie sie von William Watson vorgeschlagen wird, wie es im vorangehend erwähnten UK Patent Nr. 2300129 offenbart wird. Bei bestimmten relativen Rotationsausrichtungen werden sich die Rillen 1a im Stator mit den Rillen 2a im Rotor ausrichten, so dass das in der Mischkammer vorhandene Material in die entgegengesetzten Rillen gepresst wird. Während sich der Rotor 2 und der Stator danach relativ zueinander drehen, werden die Rillen 1a und 2a zueinander außer Ausrichtung gebracht, so dass eine fortschreitende Übertragung des Materials von den Rillen in die kleineren Zwischenräume zu verzeichnen ist, die zwischen den hervorstehenden Flächen, die zwischen den Rillen des einen von Rotor und Stator definiert werden, und den entgegengesetzten hervorstehenden Flächen definiert werden, die zwischen den Rillen des anderen von Rotor und Stator definiert werden. Das Material wird auf diese Weise gedehnt und geschert, was die mechanochemischen Reaktionen herbeiführt.
Außerdem ist eine Schneidwirkung zu verzeichnen, während die Rillen 1a die Rillen 2a kreuzen, was sowohl zum Scheren als auch Aufspalten des Materials innerhalb der Mischkammer beiträgt. Das Mischen erfolgt daher sowohl zwischen als auch innerhalb der Rillen. Außerdem sind die Rillen so ausgerichtet, dass die Schneidwirkung dazu tendieren wird, das Material entweder in Richtung der Mitte oder des Umfanges der Mischkammer in Abhängigkeit von der Richtung jener Rotation anzutreiben, wodurch das verteilende Mischen verbessert wird. Insbesondere wird durch Drehen des Rotors, so dass das Material in Richtung der Mitte der Mischkammer angetrieben wird, das Material kontinuierlich radial innerhalb der Mischkammer in Umlauf gebracht, während sich der Druck des Materials in Richtung der Mitte aufbaut, so dass es in Richtung des Umfanges des Mischers zurückfließt. Wenn jedoch eine Tendenz zu verzeichnen ist, dass das Material in Richtung der Mitte der Mischkammer stagniert, d. h., im Scheitel der kegelförmigen Mischelemente, kann dem durch eine periodische Rückwärtsdrehung des Rotors 2 entgegengewirkt werden.
Ein bedeutender Vorteil bei dem Mischmechanismus, der von der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, ist, dass es dadurch, dass die Anzahl der für das Mischen des Materials verfügbaren Rillen mit dem Radius des Rotors/Stators in Beziehung gebracht wird, so dass die Anzahl der Rillen mit zunehmendem Abstand von der Rotationsachse größer wird, möglich ist, die Scher-, Dehnungs- und Schneidwirkungen zu normalisieren, so dass das Material in allen Positionen innerhalb der Kammer im Wesentlichen den gleichen Mischwirkungen unterworfen wird. Das ermöglicht, dass das Mischen des Materials durchgängig in der Mischkammer im Wesentlichen gleichmäßig gehalten wird, während die Abmessung des Mischers maßstäblich vergrößert wird.
Am Ende des Mischvorganges wird der Stopfen 12 angehoben, während der Stator 1 in seiner abgesenkten Position gehalten wird, wie in 7c gezeigt wird, und der Rotor 2 wird weiter gedreht, um das gemischte Material für einen Austritt durch die Öffnung 10 im Scheitel des Rotors 2 zu pumpen. Der Stator 1 wird danach angehoben, wie in 7d gezeigt wird, so dass jegliches vorhandenes restliches Material manuell entleert werden kann. Der Stopfen 12 kann danach wieder einmal in die Position, die in 7a gezeigt wird, für einen anschließenden Mischvorgang abgesenkt werden.
Es wird erkannt werden, dass die Anordnung der Rillen, um ein gleichmäßiges Mischen über die Mischkammer zu bewirken, bei im Wesentlichen ebenen Mischelementen zur Anwendung gebracht werden kann, wie beispielsweise entgegengesetzten Scheiben. Dementsprechend können Abwandlungen der vorliegenden Erfindung derartige ebene Rotoren und Statoren eher als die offenbarten kegelförmigen Elemente einschließen. Gleichermaßen könnten scheibenartig geformte Mischelemente mit einem mittleren Stopfen versehen werden, um den Austritt des gemischten Materials in im Wesentlichen der gleichen Weise zu erleichtern, wie es vorangehend beschrieben wird. Die Annahme von kegelförmigen Elementen bringt jedoch weitere bedeutende Vorteile gegenüber der Geometrie nach dem bisherigen Stand.
Erstens kann durch Annehmen einer kegelförmigen Geometrie der maximale Durchmesser der Mischelemente mit Bezugnahme auf das erforderliche Mischervolumen, die Oberfläche und die Umfangsgeschwindigkeit minimiert werden. Daher kann ein relativ großer Mischer ohne die Probleme bereitgestellt werden, die mit der Überbeanspruchung des Materials in Richtung des Umfanges der Mischelemente infolge der hohen Drehzahlen verbunden sind. Außerdem werden das Drehmoment und daher der Strombedarf, um den Rotor zu drehen, im Vergleich zu einer ebenen Geometrie von gleicher Oberfläche/Volumen verringert. Große Materialmengen können daher in einem relativ kompakten Mischer gemischt werden, ohne dass die Forderung besteht, nachteilig tiefe Rillen bereitzustellen. Die kegelförmige Geometrie ist ebenfalls beim Zurückhalten von Flüssigkeit innerhalb des Mischers nützlich, was das wirksame verteilende Mischen unterstützt. Außerdem kann die Gasretention innerhalb des Kegels ein wirksames Mischen innerhalb alternativer (beispielsweise nicht mit Sauerstoff angereicherter) Umgebungen bewirken.
Außerdem ist es durch Annehmen unterschiedlicher Kegelwinkel möglich, unterschiedliche Scher- und Dehnungsintensitäten als eine Funktion des Abstandes von der Rotationsachse festzulegen, wobei eine weitere Steuerung der Mischmechanismen durch eine geeignete Konstruktion der Mischelemente bewirkt wird.
Es wird erkannt werden, dass es nicht erforderlich ist, dass die Mischelemente genau kegelförmig sind, um die vorangehenden Vorteile zu erreichen. Alternativen umfassen jede Geometrie, bei der sich der Umfang der Oberfläche entlang einer Mittelachse der Oberfläche verringert und daher beispielsweise gewölbte und trompenförmige Geometrien einschließen würde.
Es wird ebenfalls erkannt werden, dass das genaue Muster der Rillen bedeutend variiert werden könnte. Eine relativ einfache Abwandlung der vorangehend beschriebenen Rillenanordnung würde die Fläche in mehr als vier Sektoren unterteilen, wobei jeder Sektor eine gleiche Anordnung von Rillen wie jene aufweist, die in den Quadranten der vorangehend beschriebenen Ausführung vorhanden sind. Das charakteristische Merkmal, das ein gleichmäßiges oder im Wesentlichen gleichmäßiges Mischen über die gesamte Mischkammer bewirkt, ist die Bereitstellung einer zunehmenden Anzahl von Rillen mit dem Abstand von der Rotationsachse. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, dass sich alle Rillen bis zum äußeren Umfangsrand des Rotors/Stators erstrecken; auch ist es nicht erforderlich, dass die Muster der Rillen auf sowohl dem Rotor als auch dem Stator identisch sind.
Gleichermaßen könnte die Konfiguration der einzelnen Rillen variieren. Beispielsweise, wie es vorangehend erwähnt wird, könnten die Rillen mit einem Querschnitt bereitgestellt werden, der mit dem Radius größer wird, um das verteilende Mischen zu verbessern.
Außerdem können die Mischflächen mit Vorsprüngen, wie beispielsweise erhabenen Rändern, eher als Rillen versehen sein, die aber gleichermaßen bemustert sein können, um die erforderlichen Mischwirkungen und den Antrieb des Materials zur oder weg von der Rotationsachse zu liefern. Ausführungen der Erfindung können eine Kombination von sowohl Rillen (oder anderen Vertiefungen) als auch derartigen Vorsprüngen einschließen.
Die vorteilhafte Bereitstellung eines entfernbaren Stopfens in der Mitte des Rotors/Stators und viele der Vorteile, die aus der kegelförmigen (oder gleichartigen) Geometrie erhalten werden, sind von der Beschaffenheit der Rillen unabhängig und könnten bei einer Rillengeometrie zur Anwendung gebracht werden, wie sie vorangehend im Britischen Patent Nr. 2300129 vorgeschlagen wurde. Dementsprechend umfassen Mischer, die bestimmte ausgewählte Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpern, Mischer mit im Wesentlichen der gleichen Geometrie, wie sie im Britischen Patent Nr. 2300129 offenbart wird, aber mit einem entfernbaren mittleren Stopfen und/oder einer kegelförmigen Geometrie.
Es wird ebenfalls erkannt werden, dass, während die vorangehend beschriebene Ausführung der Erfindung hauptsächlich für die Entvulkanisierung von vernetzten viskoelastischen Materialien, wie beispielsweise Regenerativgummi, konstruiert wurde, sie nicht auf diese Anwendung beschränkt ist und irgendwo angewandt werden kann, wo ein High-Shear-Mischen wünschenswert ist, beispielsweise beim Kompoundieren oder anderweitigem Verarbeiten von anderen polymeren Materialien, wie beispielsweise Gummi, Thermoplasten und Duroplasten, oder beim Verarbeiten von teigartigen Massen, Pasten, Aufschlämmungen und Fluids. Die Erfindung zeigt eine Anwendung in den meisten Bereichen der Verarbeitungsindustriezweige, in denen Flüssigkeiten, Feststoffe und Kombinationen der zwei den verteilenden und oder dispersiven Mischwirkungen unterworfen werden müssen. Derartige Verarbeitungsindustriezweige umfassen Chemikalien, Petrolchemikalien, Polymere, Lebensmittel, Getränke, Pharmazeutika, Produkte für die persönliche Pflege, Produkte für die Wohnungspflege, Wasser, Entwässerung, Abfall, Energie und Recycling, sind aber nicht darauf beschränkt.
Weitere mögliche Abwandlungen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung werden für die Fachleute leicht ersichtlich sein.

Claims

Chargenmischvorrichtung, die aufweist: ein erstes und ein zweites entgegengesetztes Mischelement (1, 2), die relativ zueinander um eine Achse drehbar sind; wobei das erste und das zweite Mischelement (1, 2) Planflächen aufweisen, die sich von der Achse weg erstrecken, und die eine Mischkammer dazwischen definieren; Mittel für die Rotation von mindestens einem der Mischelemente (1, 2), um eine relative Rotation zwischen dem ersten und dem zweiten Mischelement (1, 2) in einer ersten Rotationsrichtung zu bewirken; eine Anordnung von Mischausbildungen (1a, 2a) auf mindestens einer der Flächen, die in Wechselwirkung stehen, um Material innerhalb der Mischkammer zu mischen; wobei die Anzahl der Mischausbildungen (1a, 2a) auf mindestens einer der Flächen mit dem radialen Abstand von der Achse größer wird; und dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Mischausbildungen (1a, 2a) auf mindestens einer der Flächen relativ zur ersten Rotationsrichtung nach vorn abgelenkt werden, um einen nutzbaren Antrieb des Materials innerhalb der Mischkammer in Richtung der Achse bereitzustellen, während das erste und das zweite Element (1, 2) in der ersten Rotationsrichtung relativ gedreht werden.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein axialer Abschnitt (12) von mindestens einem des ersten und des zweiten Mischelementes (1, 2) entfernbar ist, um ein Entleeren des Materials aus der Mischkammer durch eine relative Rotation des ersten und des zweiten Mischelementes (1, 2) in der ersten Rotationsrichtung zu gestatten.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Mischausbildungen (1a, 2a) Vertiefungen sind.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Vertiefungen (1a, 2a) Rillen sind.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Rillen (1a, 2a) eine Querschnittsfläche definieren, die mit radialem Abstand von der Achse größer wird.
Chargenmischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Mischausbildungen aufweist, die aus der jeweiligen Fläche vorstehen.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 6, bei der die vorstehenden Mischausbildungen erhabene Ränder sind.
Chargenmischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens einige der Mischausbildungen (1, 2) auf beiden Flächen relativ zur ersten Rotationsrichtung nach vom abgelenkt werden.
Chargenmischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine jede Mischausbildung (1a, 2a) auf der mindestens einen Fläche ein radial inneres Ende und ein radial äußeres Ende relativ zur Achse aufweist, wobei die inneren Enden einiger der Mischungsausbildungen auf jeder Fläche weiter weg von der Achse sind als andere Mischausbildungen auf der gleichen Fläche.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Anzahl der Mischausbildungen (1, 2) auf einer jeweiligen Fläche, die innere Enden relativ entfernt von der Achse aufweist, größer ist als die Anzahl der Mischausbildungen auf der gleichen Fläche, die innere Enden relativ nahe zur Achse aufweisen.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei der das äußere Ende einer jeden Mischausbildung (1, 2) am radial äußeren Umfang der jeweiligen Fläche endet.
Chargenmischvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die mindestens eine Fläche in zwei oder mehr Sektoren unterteilt ist, wobei jeder Sektor eine Anordnung von im Wesentlichen parallelen Mischausbildungen (1a, 2a) aufweist, wobei die Mischausbildungen eines Sektors nicht parallel zu den Mischausbildungen von mindestens einem anderen Sektor sind.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Mischausbildungen (1a, 2a) innerhalb eines speziellen Sektors im Wesentlichen parallel zu einer radialen Linie sind, die auf die jeweilige Fläche projiziert wird.
Chargenmischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mindestens eine Fläche in radial innere und äußere Bereiche unterteilt ist, wobei jeder Bereich Mischausbildungen definiert, die innerhalb jenes Bereiches beginnen und enden, wobei die radial äußeren Bereiche mehr Mischausbildungen aufweisen als die radial inneren Bereiche.
Chargenmischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der alle Mischausbildungen auf der mindestens einen Fläche im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zu einer radialen Linie sind, die auf die Fläche projiziert wird.
Chargenmischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der beide der Flächen Mischausbildungen (1a, 2a) aufweisen, deren Anzahl mit dem Abstand von der Achse größer wird.
Chargenmischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Fläche des ersten Mischelementes (2) konkav und die Fläche des zweiten Mischelementes (1) konvex ist.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Flächen des ersten und des zweiten Mischelementes (1, 2) kegelförmig oder kegelstumpfförmig sind und sich in Richtung der Achse verjüngen.
Chargenmischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der die Flächen der ersten und der zweiten Mischelemente im Wesentlichen eben sind.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 2 oder einem davon abhängigen Anspruch, bei der der entfernbare Abschnitt des oder eines jeden Mischelementes einen Stopfen (12) aufweist, der in eine jeweilige Öffnung (10, 11) in dem oder jedem Mischelement eingesetzt werden kann.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 20, bei der ein jedes des ersten und des zweiten Elementes (1, 2) mit einer Öffnung (10, 11) in seiner Mitte versehen ist und ein einzelner Stopfen (12) für das Verstopfen beider Öffnungen (10, 11) vorhanden ist.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 21, bei der das erste und das zweite Mischelement (1, 2) von einem Halterahmen (3) getragen werden, wobei das zweite Element (1) über dem ersten Element (2) montiert ist, und wobei der Stopfen (12) auf einem beweglichen Element (13) getragen wird, das sich über dem zweiten Mischelement (1) für ein Einsetzen in und ein Entfernen aus den Öffnungen (10, 11) in den Mischelementen (1, 2) erstreckt.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 22, bei der Mittel (4) für das Anheben des zweiten Elementes (1) vorhanden sind, während der Stopfen (12) in Eingriff mit dem ersten Mischelement (2) gehalten wird, um das Einfüllen des zu mischenden Materials in die Mischkammer zu erleichtern.
Chargenmischvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, bei der nur eines des ersten und des zweiten Mischelementes (1, 2) drehbar ist, und bei der der Stopfen (12) am beweglichen Element drehbar montiert und so angepasst ist, daß er mit dem drehbaren Mischelement (2) für eine Drehung damit in Eingriff kommt.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 2 oder einem davon abhängigen Anspruch, bei der der entfernbare Abschnitt (12) entfernbar ist, während das erste und das zweite Mischelement (1, 2) in einer Richtung relativ gedreht werden, um Material aus der Mischkammer durch eine Öffnung (10) herauszupumpen, die durch Entfernen des entfernbaren Abschnittes offen gelassen wird.
Chargenmischvorrichtung nach Anspruch 25, bei der Mittel (4) für das Anheben des zweiten Mischelementes (1) vorhanden sind, während der entfernbare Abschnitt (12) außer Eingriff mit dem ersten Mischelement (2) gehalten wird, um das manuelle Entfernen des gemischten Materials zu erleichtern.
Chargenmischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei der beide des ersten und des zweiten Mischelementes (1, 2) gegenläufig drehbar sind.
Chargenmischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Mittel für die selektive relative Rotation des ersten und des zweiten Mischelementes (1, 2) in einer zweiten Rotationsrichtung entgegengesetzt der ersten Rotationsrichtung vorhanden sind, um die Richtung des Antriebes des Materials innerhalb der Mischkammer weg von der Achse umzukehren.
Verfahren zum Mischen eines Materials in einer Chargenmischvorrichtung, die eine Mischkammer aufweist, die zwischen Planflächen des ersten und des zweiten entgegengesetzten Mischelementes definiert wird, die relativ zueinander um eine Achse drehbar sind, wobei die Planfläche von mindestens dem ersten Mischelement eine Anordnung von Mischausbildungen aufweist, die in Wechselwirkung mit der Planfläche des zweiten Mischelementes stehen, um zu mischen und einen nutzbaren Antrieb des Materials innerhalb der Mischkammer zu bewirken, während das erste und das zweite Mischelement relativ gedreht werden, wobei die Anzahl der Mischausbildungen auf mindestens einer der Flächen mit dem radialen Abstand von der Achse größer wird, wobei mindestens einige der Mischausbildungen relativ zu einer ersten Richtung der Rotation nach vom abgelenkt werden, um das Material innerhalb der Mischkammer in der Richtung der Achse in Abhängigkeit von der Richtung der relativen Rotation des ersten und des zweiten Mischelementes anzutreiben, wobei das Verfahren das relative Rotieren des ersten und des zweiten Mischelementes in einer Richtung aufweist, so daß die Mischausbildungen in Wechselwirkung stehen, um das Material in Richtung der Achse anzutreiben.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem ein axialer Abschnitt von mindestens einem des ersten und des zweiten Mischelementes entfernbar ist, und bei dem das Verfahren das Entleeren des gemischten Materials aus dem Mischer durch Entfernen des axialen Abschnittes und relatives Rotieren des ersten und des zweiten Elementes umfaßt, so daß das gemischte Material durch eine Öffnung entleert wird, die durch den entfernten axialen Abschnitt gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, das das relative Rotieren des ersten und des zweiten Mischelementes in einer Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung aufweist, um einen nutzbaren Antrieb des Materials weg von der Achse zu bewirken.