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Die Erfindung betrifft eine Dispergier- und
Zerkleinerungsvorrichtung zum feinen Zerkleinern von Materialien und deren
Dispergieren in eine Flüssigkeit mit Hilfe eines Zerkleine
rungsmediums, wie Kugeln, Perlen usw.
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Es wird vorausgesetzt, daß eine Dispergier- und
Zerkleinerungsvorrichtung mit mehreren Scheiben oder Rührschaufeln in
einem Behälter zum Dispergieren eines Materials durch die
Drehung der Scheiben auf ein Gemisch aus einem
Zerkleinerungsmedium und den Materialien eine Fliehkraft ausübt, das
Zerkleinerungsmedium zwischen den Scheiben umwälzt,
währenddessen das Zerkleinerungsmedium auf das Material auftrifft,
und das Material durch Scherkraft dispergiert. Jedoch ist die
Strömung eines solchen Gemischs durch den gesamten Behälter
ungleichförmig. Aus diesem Grund verursacht die Strömung des
Zerkleinerungsmediums häufig Kurzschlüsse oder tote Räume,
wodurch gleichmäßige Scherkräfte nur schwer erzielt werden
können. Obwohl es bekannt ist, einen inneren Zylinder
innerhalb eines Behälters einer Dispergier- und Zerkleinerungs-
Vorrichtung vorzusehen, um durch die Drehung des inneren
Zylinders auf das Zerkleinerungsmedium eine Bewegung
auszuüben, war es schwierig, das Zerkleinerungsmedium mit ungefähr
gleicher Geschwindigkeit durch den ganzen inneren Zylinder zu
bewegen.
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Die Erfinder schlagen eine Dispergier- und
Zerkleinerungsvorrichtung mit einem Rotor vor, der in einem Behälter
angeordnet ist und zum Steuern der Strömung des
Zerkleinerungsmediums eine Führungseinrichtung aufweist, die am
Außenumfang des Rotors angeordnet ist (EP-A-0 322 623 bzw.
US-A-4 919 347). Es wurde festgestellt, daß bei der
Dispergier- und Zerkleinerungsvorrichtung ein Gemisch aus Material
und Zerkleinerungsmedium durch einen engen ringförmigen
Strömungsweg zwischen dem Rotor und dem Behälter mit Hilfe
einer Anordnung von vorderen Führungsflächen und einer
Anordnung von hinteren Führungsflächen der Führungseinrichtung
wie eine ideale Strömung und um den Umfang des Rotors strömt,
ohne einen hohlen Geschwindigkeitsgradient zu verursachen.
Danach haben die Erfinder verschiedene Konstruktionen, wie
die oben erwähnte Führungseinrichtung, untersucht und auch
eine Kosntruktion studiert, in der Vorsprünge und Nuten in
der axialen Richtung des Rotors in Form eines Zahnrads
angeordnet sind. Bei einer solchen Struktur verursacht jedoch das
in die Nuten des Rotors eingetretene Gemisch einen axialen
Geschwindigkeitsunterschied und bewegt sich unmittelbar vom
Einlaß zum Auslaß des Behälters, so daß manchmal keine
ausreichende Dispersionswirkung erzielt werden kann.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer
Dispergier- und Zerkleinerungsvorrichtung, die eine wirksame
Dispersionsbehandlung eines Gemischs aus Material und
Zerkleinerungsmedium dadurch ermöglicht, daß eine gleichmäßige
Bewegung darauf ausgeübt wird.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer
Dispergier- und Zerkleinerungsvorrichtung, die ein
ausreichendes Zerkleinern und Dispergieren des Gemischs aus
Material und Zerkleinerungsmedium im Verlauf des Übergangs des
Gemischs vom Einlaß zum Auslaß im Behälter dadurch
ermöglicht, daß auf das Gemisch in Umfangsrichtung eine Bewegung
ausgeübt wird, ohne einen axialen Geschwändigkeitsunterschied
zu verursachen.
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Die Lösung der Aufgaben der Erfindung kann erfindungsgemäß
durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von
Patentanspruch 1 erfolgen.
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Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich für
den Fachmann beim Lesen der folgenden Beschreibung anhand der
Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Fig. 1 ist eine geschnittene Seitenansicht einer
Ausführungsform der Dispergier- und
Zerkleinerungsvorrichtung der Erfindung;
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Fig. 2 ist eine Schrägansicht eines der den Rotor der
Erfindung bildenden Rotorelemente;
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Fig. 3 ist eine erläuternde Vorderansicht eines Teils einem
Ausführungsform des Rotors der Erfindung;
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Fig. 4 ist eine erläuternde Vorderansicht eines Teils einer
weiteren Ausführungform des Rotors der Erfindung;
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Fig. 5 ist eine Seitenansicht eines Teils einer weiteren
Ausführungsform des Rotors der Erfindung;
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Fig. 6 ist ein Schnitt eines ersten Elements der den Rotor
der Erfindung bildenden Rotorelemente;
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Fig. 7 ist ein Schnitt eines zweiten Elements der den Rotor
der Erfindung bildenden Rotorelemente;
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Fig. 8 ist ein Schnitt eines dritten Elements der den Rotor
der Erfindung bildenden Rotorelemente;
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Fig. 9 ist ein Schnitt eines vierten Elements der den Rotor
der Erfindung bildenden Rotorelemente;
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Fig.10 ist ein Schnitt eines fünften Elements der den Rotor
der Erfindung bildenden Rotorelemente;
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Fig.11 ist eine vergrößerte Schrägansicht eines Teils des
Rotors der Erfindung;
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Fig.12 ist eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren
Ausführungsform der Dispergier- und
Zerkleinerungsvorrichtung der Erfindung;
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Fig.13 ist eine Schrägansicht eines den in Fig. 12 gezeigten
Rotor der Erfindung bildenden Rotorelements;
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Fig.14 ist ein vergrößerter Schnitt eines Teils des Rotors
der Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Fig. 1 zeigt eine Dispergier- und Zerkleinerungsvorrichtung
der waagerechten Bauart nach der Erfindung. Die Erfindung ist
auch auf eine Dispergier- und Zerkleinerungsvorrichtung der
senkrechten Bauart anwendbar. Ein Behälter 1 hat an einem
Ende einen Einlaß 2 zum Liefern eines Materials unter
Verwendung einer nicht gezeigten Lieferpumpe und einen Auslaß 3
am anderen Ende zum Entleeren des zerkleinerten dispergierten
Materials. Eine ein Zerkleinerungsmedium abscheidende
Einrichtung 4, etwa ein Sieb, ein Abscheider der Spaltbauart
usw., ist am Auslaß vorgesehen zum Verhindern des Ausströmens
von feinem Medium, wie Glasperlen, Keramik, Tonerde,
Zirkonerde, Stahl usw.. Das Zerkleinerungsmedium kann durch Öffnen
einer Ablaßöffnung 5 entleert werden. Zur Steuerung der
Temperatur im Behälter 1 ist an dessen Außenumfang eine
Ummantelung 6 vorgesehen.
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Ein Rotor 9 begrenzt einen engen ringförmigen Strömungsweg 8,
durch den hindurch das Gemisch aus Material und
Zerkleinerungsmedium zwischen dem Rotor und einer inneren Wand 7 des
Behälters 1 zirkuliert. Der Rotor 9 ist an einer Welle 10
befestigt und wird durch eine in der Figur nicht gezeigte
geeignete Antriebseinrichtung gedreht. in der Figur ist der
Rotor in Form eines Zylinders ausgebildet, kann aber
stattdessen in Form einer vieleckigen Säule mit dem Querschnitt
eines ungefähren Dreiecks, Vierecks usw. oder als
elliptitischer Zylinder ausgebildet sein. Der Rotor kann so gebaut
sein, daß in ihm Kühlwasser umgewälzt werden kann.
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Gemäß Fig. 2 wird der Rotor hergestellt durch Anordnen von
mehreren Rotorelementen 12 mit einem nicht kreisförmigen
Durchgangsloch 11 in der Mitte, das mit der Welle 10 in
Eingriff zu bringen ist, durch deren Kombination und durch
Einsetzen der Welle 10 in das Durchgangsloch 11. Der Rotor
kann als einstückiger Körper geformt werden.
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Der ringförmige Strömungsweg B, der je nach den
Behandlungsbedingungen und der Größe des Zerkleinerungsmediums in
geeigneter Breite ausgebildet sein kann, hat die Breite von
wenigstens vier Teilen des Zerkleinerungsmediums, um die
Bewegung des Rotors nicht zu stören. An der äußeren
Umfangsfläche des Rotors 9 sind Nuten 13 ausgebildet, die sich in
axialer Richtung erstrecken und das in den ringförmigen
Strömungsweg 8 gelieferte Gemisch aus Material und
Zerkleinerungsmedium in Umfangsrichtung zwangsläufig führen. Da in
der Figur die Nuten 13 zwischen Vorsprüngen 14 in Zahnradform
ausgebildet sind, können sie ähnlich einem Zahnrad oder einer
Keilwelle hergestellt werden. Die Nuten sind in
Evolventenform ausgebildet, können aber gemäß Fig. 3 als trapezförmige
Nuten 15 ausgebildet sein. In Fig. 4 gezeigte Nuten 16 sind
eine Ausführungsform mit L-förmigem Querschnitt. Die Nuten
können auch in verschiedenen anderen Konfigurationen
ausgebildet sein. Die Nuten können durch ein Gießverfahren, wie
das Wachsausschmelzverfahren oder dergleichen, hergetellt
werden. Im Fall des Rotorelements 12 gemäß Fig. 2 können die
Nuten 13 durch mechanische Bearbeitung hergestellt werden.
Die Teilung der Nuten wird ungefähr bestimmt in Abhängigkeit
von der Drehzahl des Rotors und den Eigenschaften des zu
behandelnden Materials. Die Nuten sind gegenüber der axialen
Richtung parallel, können aber auch denigegenüber leicht
schräg sein, wie bei einem Zahnrad mit Schrägverzahnung (Fig.
5).
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Der Rotor 9 ist in axialer Richtung durch mehrere
Behandlungszonen 17 unterteilt. Die Behandlungszonen sind mit einer
Phasendifferenz der Nuten der benachbarten Behandlungszonen
angeordnet. Der in Fig. 1 gezeigte Rotor ist beispielsweise
durch jeweilige Rotorelemente in fünf Behandlungszonen 17-1,
17-2, 17-3, 17-4 und 17-5 unterteilt. Gemäß Fig. 6 bis 10
sind die Phasen der Nuten der jeweiligen Behandlungszonen
jeweils um 6º versetzt. Die Öffnungsbreite eines
Verbindungsabschnitts 18 zwischen den Nuten der benachbarten
Behandlungszonen (Fig. 11) variiert in Abhängigkeit vom
Versetzungswinkel. Die Öffnungsbreite der jeweiligen
Verbindungsabschnitte 18 ist vorzugsweise so bemessen, daß durch
sie hindurch wenigstens ein Zerkleinerungsmedium
hindurchtreten kann, während auf die Strömung des
Zerkleinerungsmediums Reibung ausgeübt wird. Die Phasen der Nuten können
bei Bedarf derart versetzt werden, daß der
Verbindungsabschnitt 18 nicht mehr existiert. Für den Fall, daß der Rotor
9 aus den Rotorelementen 12 gemäß Fig. 2 besteht, und da die
Teilung der Nuten 13 konstant ist, kann der Rotor 9
hergestellt werden durch Anordnen von Rotorelementen, bei denen
die Position des nicht kreisförmigen Durchgangslochs 11 und
die Position der Nuten 13 nach und nach in Umfangsrichtung
versetzt ist, wie zum Beispiel in Fig. 6 bis 10 gezeigt, und
durch Einsetzen der Welle 10 durch diese Rotorelemente.
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Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform des Rotors der
Erfindung. In der Figur ist die Konstruktion dieselbe wie
diejenige der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform, bei der
der Rotor 9 in einem einen ringförmigen Strömungsweg 8
begrenzenden Behälter 1 drehbar angeordnet ist, am Rotor 9
axiale Nuten 13 vorgesehen sind und Behandlungszonen 17-1,
17-2, 17-3 und 17-4 ausgebildet sind. Somit sind dieselben
Teile mit denselben Zahlen bezeichnet.
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Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1
gezeigten Ausführungsform dadurch, daß zwischen den
jeweiligen Behandlungszonen sich in Umfangsrichtung erstreckende
Ringnuten 19 ausgebildet sind. Die Ringnuten 19 werden gemäß
Fig. 13 gebildet durch Anordnen von Rotorelementen 20 mit
axialen Nuten 13 und Vorsprüngen 14, einem nicht
kreisförmigen Durchgangsloch 11 und einem zylindrischen Abschnitt 21
am Seitenteil eines Rotorelements 20 und durch
aufeinanderfolgendes Einsetzen der Welle 10 durch die Rotorelemente 20.
Wenn der Rotor 1 als einstückiger Körper geformt ist, kann
die Ringnut 19 durch mechanische Bearbeitung des Rotors
in Umfangsrichtung gebildet werden. Durch Ausbilden der
Ringnuten 19 in Umfangsrichtung zwischen den jeweiligen
Behandlungszonen 17 tritt ein durch eine bestimmte
Behandlungszone hindurchgetretenes Gemisch aus Material und
Zerkleinerungsmedium in die Ringnuten 19 ein und zirkuliert in
Umfangsrichtung vor der Weiterbewegung zur nächsten
Behandlungszone. Auf diese Weise kann der
Geschwindigkeitsunterschied des Gemischs korrigiert werden.
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Die oben erwähnten Ringnuten und Behandlungszonen können an
der Innenwand 7 des Behälters ausgebildet sein.
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Die Oberfläche des Rotors 9 und die Innenwand 7 des Behälters
1 bestehen vorzugsweise aus Antikorrosionsmaterial. Als
Antikorrosionsmaterial stehen ultrastarres Material, wie
Keramik, Wolframcarbid usw., zur Verfügung. Diese ultrastarren
Materialien werden zur Herstellung des gesamten Körpers oder
zur Ausbildung nur des zu beschichtenden
Oberflächenschichtteils verwendet. Wie in Fig. 14 gezeigt, können diese
ultrastarren Materialien auch flammgespritzt werden durch
Verpuffungs (Explosions)- Flammspritzen auf ein Substrat 22 zur
Bildung einer das Antikorrosionsmaterial enthaltenden
Schutzschicht 23.
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Das Material, das auf diese Weise unter Verwendung einer
nicht gezeigten Lieferpumpe mit geeignetem Ladedruck durch
den Einlaß 2 in den Behälter 1 geliefert wurde, wird mit
zahlreichen Zerkleinerungsmedien 24 gemischt, die im Behälter
untergebracht sind und zum ringförmigen Strömungsweg 8
geliefert werden. Das Gemisch wird dann durch Drehen des Rotors
9 um diesen herum umgewälzt und weiter in Umfangsrichtung
durch die Nuten 23 auf der Außenumfangsfläche des Rotors
geführt und strömt hierdurch ähnlich einer idealen Strömung.
Selbst wenn in diesem Fall ein axialer
Geschwindigkeitsunterschied auftritt, werden die Nuten der jeweiligen
Behandlungszonen mit Phasendifferenz angeordnet, wodurch eine
Hochgeschwindigkeitsströmung unterbunden wird, wenn die
Strömung von einer Behandlungszone zur einer weiteren
Behandlungszone übertritt. Dementsprechend geht das Gemisch
insgesamt zur benachbarten Behandlungszone mit ungefähr der
gleichen Geschwindigkeit über. Das Gemisch strömt aus dem
ringförmigen Strömungsweg 8 durch die jeweiligen
Behandlungszonen aus und wird durch den Auslaß 3 entleert,
währenddessen auf das Material durch das Zerkleinerungsmedium eine
ausreichende Scherkraft ausgeübt und es auf diese Weise fein
zerkleinert wird.
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Die Erfindung ist in der oben angegebenen Weise ausgebildet.
Das in den Behälter gefüllte Material strömt ohne den Aufbau
eines großen axialen Geschwindigkeitsunterschieds während des
Durchtritts durch den ringförmigen Strömungsweg, wodurch sich
die Strömung einer idealen Strömung nähert. Daher erfährt das
Material während des Betriebs gleichförmige Scherkräfte und
wird gleichförmig dispergiert, wodurch zur Verbesserung des
Dispersionswirkungsgrads eine strenge
Teilchengrößenverteilung erzielt wird.