DE69124581T2

DE69124581T2 - Fliessbett-Strahlmühle

Info

Publication number: DE69124581T2
Application number: DE69124581T
Authority: DE
Inventors: Henri T Mastalski; Lewis S Smith
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1990-11-27
Filing date: 1991-11-26
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: EP0488637A3; EP0488637A2; EP0488637B1; JP3139721B2; DE69124581D1; US5133504A; JPH04271853A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fließbett-Strahlmühle und ein Verfahren zum Zerkleinern von Teilchen in einer Fließbett-Strahlmühle.
Fluidenergie- bzw. Strahlmühlen sind Zerkleinerungsmaschinen, in denen zu zerkleinernde Teilchen (Beschickungsteuchen) in einem Gasstrom (Druckluft oder Dampf) beschleunigt werden und in einer Zerkleinerungskammer durch ihren Aufprall aufeinander oder auf eine stationäre Fläche in der Zerkleinerungskammer zerkleinert werden. Verschiedene Typen von Fluidenergiemühlen lassen sich entsprechend ihrer Funktionsweise klassifizieren. Die Mühlen können anhand der Anordnung der Beschickungsteilchen in bezug auf die eintretende Luft eingeordnet werden. Bei dem handelsüblichen Majac-Strahlpulverisierapparat, der von Majac Inc. hergestellt wird, werden Teilchen vor dem Einleiten in die Zerkleinerungskammer mit dem eintretenden Gas vermischt. In der Majac-Mühle werden zwei aus Teilchen und Gas gemischte Ströme in der Zerkleinerungskammer aufeinandergerichtet, so daß es zum Brechen kommt. Eine Alternative zum Aufbau der Majac-Mühle besteht darin, in der Zerkleinerungskammer Teilchen zu beschleunigen, die aus einer anderen Quelle zugeführt werden. Ein Beispiel für letzteres Verfahren ist im US-Patent Nr. 3,565,348 von Dickerson et al. offenbart, in dem eine Mühle mit einer ringförmigen Zerkleinerungskammer dargestellt ist, in die mehrere Gasdüsen Druckluft tangential eindrücken.
Beim Zerkleinern müssen Teilchen, die die gewünschte Größe erreicht haben, entnommen werden, während die übrigen, gröberen Teilchen weiter zerkleinert werden. Daher lassen sich die Mühlen auch anhand des Verfahrens unterscheiden, das zur Klassierung der Teilchen eingesetzt wird. Dieser Klassiervorgang läßt sich durch das Zirkulieren des Gemischs aus Gas und Teilchen in der Zerkleinerungskammer ausführen. So wird beispielsweise in "Scheiben"("pancake")-Mühlen das Gas um den Umfang einer zylindrischen Zerkleinerungskammer herum eingeführt, die in bezug auf ihren Durchmesser eine geringe Höhe aufweist, so daß eine Wirbelströmung in der Kammer entsteht. Gröbere Teilchen bewegen sich zum Rand hin, wo sie weiter zerkleinert werden, während feinere Teilchen zur Mitte der Kammer wandern, wo sie in einen Sammlerauslaß abgezogen werden, der sich in der Zerkleinerungskammer oder in deren unmittelbarer Nähe befindet. Die Klassierung kann auch mit einem separaten Klassierer ausgeführt werden. Dieser Klassierer ist normalerweise mechanisch und weist einen sich drehenden, mit Schaufeln versehenen zylindrischen Rotor auf. Der Luftstrom aus der Zerkleinerungskammer kann lediglich Teilchen unter einer bestimmten Größe gegen die Zentrifugalkräfte, die durch die Drehung des Rotors ausgeübt werden, durch den Rotor drücken. Die Größe der durchgelassenen Teilchen ändert sich mit der Geschwindigkeit des Rotors: je schneller der Rotor, desto kleiner die Teilchen. Diese Teilchen stellen das Enderzeugnis der Mühle dar. Zu große Teilchen werden normalerweise durch Schwerkraft in die Zerkleinerungskammer zurückgeleitet.
Ein weiterer Typ der Fluidenergiemühle ist die Fließbett- Strahlmühle, bei der eine Vielzahl von Gasdüsen am Umfang der Zerkleinerungskammer angebracht und auf einen einzelnen Punkt auf der Achse der Kammer gerichtet sind. Diese Vorrichtung fluidisiert ein Bett aus Beschickungsmaterial, das kontinuierlich entweder von der Oberseite oder der Unterseite der Kammer eingeleitet wird, und wälzt es um. Eine Zerkleinerungszone ist in dem Fließbett um den Schnittpunkt der Gasstrahlströme herum ausgebildet; die Teilchen treffen aufeinander und werden in diesem Bereich zerkleinert. Ein mechanischer Klassierer ist an der Oberseite der Zerkleinerungskammer zwischen dem oberen Ende des Fließbetts und dem Eingang zu dem Sammlerausgang angebracht.
Die Betriebskosten von Strahlmühlen fallen hauptsächlich durch die Energie an, die zum Antrieb der Kompressoren erforderlich ist, die das unter Druck stehende Gas zuführen. Der Wirkungsgrad, mit dem eine Mühle ein bestimmtes Material auf eine bestimmte Größe zerkleinert, läßt sich mit dem Durchsatz der Mühle bezüglich der Masse des Fertigmaterials für eine feste Menge an unter Druck stehendem Gas, die der Mühle zugeführt wird, ausdrücken. Ein Mechanismus, der zur Verbesserung des Zerkleinerungswirkungsgrades vorgeschlagen wurde, besteht darin, Teilchen auf eine Vielzahl stationärer, planer Flächen zu schleudern, so daß die Teilchen beim Auftreffen auf die Flächen zerkleinert werden. Ein Beispiel für dieses Verfahren ist das US-Patent Nr. 4,059,231 von Neu, bei dem eine Vielzahl von Aufpralleisten mit rechteckigem Querschnitt in parallelen Reihen in einem Kanal senkrecht zur Richtung des Stroms durch den Kanal angeordnet sind. Die in dem Luftstrom mitgeführten Teilchen, die den Kanal passieren, werden zerkleinert, wenn sie auf die Aufpralleisten auftreffen. US-Patent Nr. 4,089,472 von Siegel et al. offenbart ein Aufprallziel, das aus einer Vielzahl planer Aufprallplatten abgestufter Größen besteht, die beabstandet mit Mittelöffnungen verbunden sind, durch die ein Teilchenstrom fließen kann und so auf aufeinanderfolgende Platten trifft. Das Aufprallziel befindet sich zwischen zwei einander entgegengesetzten Fluidpartikelströmen, wie beispielsweise in der Zerkleinerungskammer einer Majac-Mühle. Das belgische Patent Nr. 534,641 und die britische Patentanmeldung Nr. 2 045 642 offenbaren den Einsatz von Aufprallplatten und Aufprallambossen in Vorrichtungen zum Zerkleinern von Materialien.
Obwohl Fließbett-Strahlmühlen eingesetzt werden können, um eine Vielzahl von Teilchen zu zerkleinern, eignen sie sich besonders zum Zerkleinern von Tonermaterialien, die bei elektrostatischen Vervielfältigungsverfahren eingesetzt werden. Diese Tonermaterialien können eingesetzt werden, um entweder Zweikomponenten-Entwickler (normalerweise mit einem gröberen Pulver aus beschichtetem, magnetischem Trägermaterial, das der Ladung und dem Transport des Toners dient) oder Einkomponenten-Entwickler (bei denen der Toner selbst ausreichend Magnetund Ladungseigenschaften aufweist, so daß Trägerteilchen nicht erforderlich sind) herzustellen. Die Einkomponenten-Toner bestehen aus Harz und einem Pigment, so beispielsweise dem handelsüblichen MAPICO Black oder Magnetit BL 220. Zusammensetzungen für Zweikomponenten-Entwickler sind in den US-Patenten Nr. 4,935,326 sowie 4,937,166 von Creatura et al. offenbart.
Die Toner werden normalerweise durch Schmelzen zu Tafeln oder Pellets gemischt und in einer Hammermühle zu einer durchschnittlichen Teilchengröße zwischen 400 und 800 µm verarbeitet. Anschließend werden sie in der Fluidenergiemühle auf eine durchschnittliche Teilchengröße zwischen 3 und 30 µm zerkleinert. Derartige Toner weisen eine relativ geringe Dichte auf, wobei die relative Dichte für Einkomponenten-Toner bei ungefähr 1,7 und für Zweikomponenten-Toner bei 1,1 liegt. Sie weisen des weiteren eine niedrige Glasumwandlungstemperatur, normalerweise unter 70ºC, auf. Die Tonerteilchen neigen dazu, sich zu verformen und zusammenzubacken, wenn die Temperatur der Zerkleinerungskammer die Glasumwandlungstemperatur übersteigt.
Obwohl die Fließbett-Mühle zufriedenstellend arbeitet, könnte sie so verbessert werden, so daß sie einen erheblich verbesserten Zerkleinerungswirkungsgrad aufweist. Die Offenbarungen von Siegel und Neu betreffen Mühlen, bei denen die Teilchen außerhalb der Zerkleinerungskammer in die unter Druck stehenden Gasströme gemischt werden, und eignen sich daher nicht für den Einsatz in einer Fließbett-Mühle. Des weiteren können da, wo plane Flächen als Ziele verwendet werden, komplexe konstruktive Elemente erforderlich sein, um maximalen Kontakt mit den sich bewegenden Teilchen zu gewährleisten. Daher besteht ein Bedarf nach einem Mechanismus zur Verbesserung des Zerkleinerungswirkungsgrades einer Fließbett-Strahlmühle.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Konstruktion einer Fließbett-Strahlmühle zu schaffen, die darauf abzielt, unter Bezugnahme auf die obenbeschriebenen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik beschriebene Mängel zu überwinden.
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung eine Fließbett-Strahlmühle zum Zerkleinern von Teilchenmaterial, die eine Zerkleinerungskammer mit einer Umfangswand, einem Boden und einer Mittelachse enthält; eine Vielzahl von Quellen von Gas mit hoher Geschwindigkeit, wobei die Gasquellen in der Zerkleinerungskammer an der Umfangswand angebracht, symmetrisch um die Mittelachse herum angeordnet und so ausgerichtet sind, daß sie Gas mit hoher Geschwindigkeit entlang einer Achse leiten, die die Mittelachse schneidet, wobei jede der Gasquellen einen Düsenhalter mit einer Mittelachse und einem Außendurchmesser sowie eine Düse enthält, die in einem Ende des Düsenhalters angebracht und auf die Mittelachse der Zerkleinerungskammer gerichtet ist und einen Innendurchmesser aufweist, gekennzeichnet durch eine ringförmige Beschleunigungsröhre mit einem ersten Ende, das sich in der Nähe der Düse befindet, und einem zweiten Ende, das von der Düse entfernt ist, wobei die Beschleunigungsröhre einen zylindrischen Abschnitt umfaßt, der von der Düse entfernt ist, und einen zusammenlaufenden Abschnitt, der sich in der Nähe der Düse befindet, wobei der Innendurchmesser des ersten Endes größer ist als der Innendurchmesser des zweiten Endes und größer ist als der Außendurchmesser des Düsenhalters, wobei zwischen der Beschleunigungsröhre und der Düse eine ringförmige Öffnung besteht, durch die Teilchenmaterial in der Zerkleinerungskammer eintreten und mit einem Gasstrom von der Düse mitgeführt werden, in der Beschleunigungsröhre beschleunigt und in Richtung der Mittelachse der Zerkleinerungskammer ausgestoßen werden kann.
Die Erfindung schafft des weiteren ein Verfahren zum Zerkleinern von Teilchen elektrostatographischen Entwicklermaterials, das das Einleiten nichtzerkleinerter Teilchen elektrostatographischen Entwicklermaterials in eine Zerkleinerungskammer einer Fließbett-Strahlmühle einschließt, das Einblasen von Gas mit hoher Geschwindigkeit über eine Vielzahl von Quellen von Gas mit hoher Geschwindigkeit, das Herstellen eines Fließbetts aus den nichtzerkleinerten Teilchen und das Beschleunigen eines Teils der Teilchen mit dem Gas hoher Geschwindigkeit, gekennzeichnet durch das Aufspalten des Teils der Teilchen in kleinere Teilchen, indem sie gegen einen starren, gekrümmten Körper geschleudert werden, der in der Zerkleinerungskammer angebracht ist, das Trennen eines Teils der kleineren Teilchen, die kleiner sind als eine vorgewählte Größe, von den nichtzerkleinerten Teilchen und den kleineren Teilchen, das Ableiten des Teils der kleineren Teilchen aus der Zerkleinerungskammer und das weitere Zerkleinern der restlichen kleineren Teilchen und nichtzerkleinerten Teilchen.
Das Aufprallziel und die Beschleunigungsröhre können zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades kombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung wird als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weitergehend beschrieben, wobei:
Figuren
1A und 1B als Schnitt ausgeführte schematische Darstellungen einer Fließbett-Strahlmühle nach dem Stand der Technik in Seiten- bzw. Draufsicht sind,
Figuren
2A und 2B als Schnitt ausgeführte schematische Darstellungen einer Fließbett-Strahlmühle mit einem kugelförmigen mittleren Aufprallziel, das gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, in Seiten- bzw. Draufsicht sind,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Verhältnisses der Formen des mittleren Ziels bei einer Ausführung der Erfindung und des Ausstoßstrahls eines unter Druck stehenden Gases aus einer Druckgasdüse einer Fließbett-Strahlmühle zueinander ist,
Figuren
4A und 4B als Schnitt ausgeführte schematische Darstellungen einer Fließbett-Strahlmühle mit einem zylindrischen mittleren Aufprallziel, das gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung aufgebaut ist, in Seitenbzw. Draufsicht sind,
Figuren
5A und 5B als Schnitt ausgeführte schematische Darstellungen einer Fließbett-Strahlmühle mit einem planen mittleren Aufprallziel, das gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung aufgebaut ist, in Seitenbzw. Draufsicht sind,
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Fluidstroms in der Zerkleinerungszone einer herkömmlichen Fließbett-Strahlmühle ist, und
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Fluidstroms im Zerkleinerungsbereich einer Fließbett-Strahlmühle mit einer Beschleunigungsröhre gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, die an den Druckgasdüsen der Mühle angebracht ist.
Eine herkömmliche Einkammer-Fließbett-Strahlmühle 1 ist in Fig. 1A und 1B dargestellt. Die Mühle weist eine Zerkleinerungskammer 2 auf, die durch eine Umfangswand 3 und einen Boden 4 begrenzt wird. Die Zerkleinerungskammer 2 weist eine Zerkleinerungszone 2A und eine Klassierzone 2B auf. Zu zerkleinerndes Erzeugnis wird über einen Beschickungseinlaß 5 in die Zerkleinerungskammer eingeleitet. Zerkleinerte Teilchen werden in die Klassierzone 2B angehoben und von einem Klassierrotor 7 klassiert, der von Klassierantriebsmotor 8 angetrieben wird. Zerkleinertes Erzeugnis wird über Erzeugnisauslaß 6 aus der Zerkleinerungskammer abgeleitet. Eine Quelle von unter Druck stehendem Gas, wie beispielsweise Dampf oder Luft, führt das Gas Druckgas-Düsenhaltern 10 über Druckgas-Verteiler 9 zu. Düsen 11, die in den Düsenhaltern angebracht sind, blasen das unter Druck stehende Gas in Zerkleinerungszone 2A ein. Die Düsen 11, die um den Umfang von Zerkleinerungszone 2A herum gleichmäßig beabstandet sind, sind in einer Ebene 50 im allgemeinen senkrecht zur Mittelachse 51 der Zerkleinerungskammer angeordnet. Die Achsen der Düsen schneiden einander in einem Punkt 12, der mit der Ebene 50 und der Mittelachse 51 zusammenfällt. Ein Fließbett aus Beschickungsmaterial wird, wie in der Technik bekannt ist, während der Funktion der Mühle in der Zerkleinerungszone 2A hergestellt.
Die Düsen sind mit einem minimalen Innendurchmesser 20 versehen. Herkömmlicherweise ist die Beziehung zwischen dem Durchmesser der Zerkleinerungskammer und dem Düseninnendurchmesser so, daß der Abstand vom radial innenliegenden Ende 27 jeder Düse zum Schnittpunkt der Düsenachsen ungefähr das 20-fache des Düseninnendurchmessers beträgt.
Eine Ausführung der Erfindung ist in Fig. 2A und 2B dargestellt. Bei dieser Ausführung ist ein kugelförmiges Aufprallziel 13 in der Zerkleinerungskammer angebracht und auf den Düsenschnittpunkt 12 zentriert. Die Düsen sind so in der Umfangswand angebracht, daß der Abstand vom radial innenliegenden Ende der Düse zur nächstgelegenen Fläche des Ziels ungefähr dem Abstand von der Düse zum Düsenschnittpunkt in der herkömmlichen Mühle ohne Ziel entspricht. Dieser Abstand beträgt daher ungefähr das 20-fache des Innendurchmessers der Druckgasdüse 11. Jedoch kann dieser Abstand sehr verschieden sein.
Das Aufprallziel weist einen Durchmesser auf, der das 1- bis 25-fache des Düseninnendurchmessers beträgt. Bei einer bevorzugten Ausführung entspricht der Durchmesser des Ziels ungefähr dem Durchmesser des Strahls unter Druck stehenden Gases, der von der Düse auf das Ziel ausgestoßen wird. Wenn beispielsweise wie in Fig. 3 dargestellt, der eingeschlossene Winkel α des Austrittsstrahls 8º beträgt und der Abstand X von der Düse zur Oberfläche des Ziels das 20-fache des kleinsten Düseninnendurchmessers d beträgt, ist der Durchmesser d des Ziels ungefähr (1 + 2 X tan(α/2)) d bzw. 3,8 mal so groß wie der Düsendurchmesser.
Das Aufprallziel besteht aus einem harten, starren Material, so beispielsweise Stahl. Das Material sollte ausreichend starr sein, so daß es sich bei der Funktion der Mühle nicht biegt oder vibriert. Das Ziel wird durch das zerkleinerte Material nach langanhaltendem Einsatz erheblichem Abrieb ausgesetzt. So ist beispielsweise das Eisenoxid (ein Magnetit) in Einkomponenten-Tonern erheblich stärker abreibend als viele andere Tonermaterialien. Das Ziel sollte daher eine Oberfläche aufweisen, die ausreichend hart ist, um Abrieb über eine gewünschte Funktionslebensdauer des Ziels zu widerstehen. Die Oberfläche kann mit einem abriebbeständigen Material beschichtet sein, so beispielsweise mit Wolframcarbid, Siliciumcarbid, amorphem Kohlenstoff, Diamant oder einem geeigneten keramischen Material, oder kann vollständig aus derartigen Materialien bestehen.
Das Aufprallziel ist in der Zerkleinerungskammer an einem Ende der Zielhalterung 14 angebracht. Die Zielhalterung 14 besteht ebenfalls aus einem harten, starren Material, wie beispielsweise Stahl, und wird an ihrem unteren Ende mit einem herkömmlichen Verfahren, so beispielsweise Schweißen, oder mit einer Schraubverbindung an dem Boden der Zerkleinerungskammer angebracht. Sie sollte ausreichend starr sein, um zu verhindern, daß sich das Ziel in Funktion bewegt oder vibriert, und sollte, wie das Ziel, eine abriebbeständige Oberfläche aufweisen. Bei der dargestellten Ausführung ist die Zielhalterung eine mit Gewinde versehene Stahlstange mit einem Durchmesser von einem Inch.
Das Aufprallziel kann, wie in Fig. 4A und 4B dargestellt, auch zylindrisch sein. Das zylindrische Ziel 113 ist in der Kammer konzentrisch zur Mittelachse der Kammer angebracht und auf einen Düsenschnittpunkt 12 zentriert. Bei einer bevorzugten Ausführung entspricht der Durchmesser des Zylinders dem Durchmesser des ausgedehnten Strahls. Die Länge des Ziels entspricht annähernd wenigstens seinem Durchmesser. Das Aufprallziel kann, wie in Fig. 5A und 5B dargestellt, auch plane Flächen aufweisen. Aufprallziel 213 ist ebenfalls in der Zerkleinerungskammer auf der Mittelachse der Kammer angebracht. Die Anzahl der vertikalen planen Flächen, mit denen es versehen ist, entspricht der Anzahl der Düsen, und sie sind so angeordnet, daß die Flächen auf die Düsen ausgerichtet sind. Die planen Flächen können parallel zur Kammermittelachse sein und damit, wie dargestellt, senkrecht zur Düsenachse, oder sie können in bezug auf die Düsenachse geneigt sein. Wenn die planen Flächen geneigt sind, bleiben sie auf die Düsen ausgerichtet, so daß die Flächennormale der planen Fläche in einer Ebene liegt, die durch die Kammermittelachse und die Achse der entsprechenden Düse gebildet wird. Bei einer bevorzugten Ausführung ist die Breite und die Höhe der planen Flächen, wie oben beschrieben, gleich dem Durchmesser des ausgedehnten Strahls.
Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, die Temperatur der Zieloberfläche zu steuern. Die Zerkleinerungskammer erwärmt sich während der Funktion durch die Zerkleinerungsenergie und die mechanische Energie des Klassierrotors. Wenn die Teilchen über die Glasumwandlungstemperatur des Beschickungsmaterials erwärmt werden, die bei Toner niedrig liegt, können sie zusammenbacken und sich verformen, statt aufzubrechen. Wenn die Oberfläche des Aufprallziels kühl gehalten wird, können die gewünschten Aufbrechbedingungen aufrechterhalten werden. Umgekehrt kann es unter bestimmten Umständen vorteilhaft sein, die Zieltemperatur zu erhöhen, um eine bestimmte Oberflächenbehandlung bzw. Oberflächengüte der Teilchen zu erreichen. Die Temperatur kann gesteuert werden, indem Fluid durch Innenkanäle umgewälzt wird, die in dem Ziel und der Zielhalterung ausgebildet sind, und die Temperatur des Fluid reguliert wird.
Mit den obenbeschriebenen Aufprallzielen durchgeführte Versuche haben ergeben, daß die Ziele den Durchsatzwirkungsgrad der Fließbett-Strahlmühle verbessern. Eine Mühle vom Typ Alpine AFG 400, Typ II, die den offenbarten Ausführungen ähnelte, wurde bei den Versuchen eingesetzt. Die Mühle hat eine Zerkleinerungskammer mit einem Innendurchmesser von ungefähr 400 mm und einer Höhe von ungefähr 750 mm. Sie ist mit drei gleichmäßig beabstandeten Düsen ausgestattet, die jeweils einen Innendurchmesser von 8 mm aufweisen. Das unter Druck stehende Gas ist trockene Luft, die von einem Kompressor mit einem konstanten Druck von 6 bar (Manometerdruck) bei einem Nennluftstrom von 800 m³/h zugeführt wird. Die unter Druck stehende Luft wird auf eine Stautemperatur von 20 bis 30ºC zwischengekühlt, bevor sie in den Druckluftverteiler eintritt. Die Mühle ist mit dem üblichen mechanischen Klassierer für die Mühle AFG 400 ausgestattet, der einen Rotor mit einem Durchmesser von 200 mm aufweist.
Die Mühle wurde in ihrer Standardausführung ohne Aufprallziel getestet, und mit einem kugelförmigen und zwei planen Zielen. Das kugelförmige Ziel hatte einen Durchmesser von 100 mm. Beim Test waren die Düsen in zwei Abständen, von 160 mm bzw. 200 mm von der Oberfläche des Ziels angeordnet. Die planen Ziele hatten einen dreieckigen Querschnitt, wobei jede Fläche eine Breite von 100 mm und eine Länge von 300 mm aufwies. Ein planes Ziel wies Flächen parallel zur Mittelachse auf. Das andere hatte Flächen, deren Flächennormale jeweils um 15º unterhalb der Ebene der Düsenachsen geneigt war. Bei den Tests mit beiden planen Zielen waren die Düsen 160 mm von der Zieloberfläche entfernt. Alle Ziele waren an Zielhalterungen angebracht, die aus Gewindestangen mit einem Durchmesser von 1 mm bestanden. Sowohl die Ziele als auch die Halterungen bestanden aus massivem Werkzeugstahl.
Das Beschickungsmaterial war ein Einkomponenten-Toner, der ungefähr zu gleichen Teilen aus handelsüblichem Magnetit BL 220 und einem Bindeharz aus Styren-n-butyl-acrylat mit einem breitgestreuten Molekulargewicht, das um 60000 herum zentriert war, bestand. Die relative Dichte des Toners beträgt ungefähr 1,7, und er weist eine Glasumwandlungstemperatur von 65ºC auf. Der Toner wurde von einem anfänglichen mittleren Durchmesser von ungefähr 700 Mm auf einen abschließenden mittleren Durchmesser von ungefähr 11 µm zerkleinert. In der untenstehenden Tabelle 1 werden die Versuchsergebnisse für die verschiedenen getesteten Ausführungen verglichen.
Diese Meßwerte zeigen, daß das kugelförmige Ziel die größte Zunahme des Durchsatzes bewirkt. Die planen Ziele bewirken eine gewisse Verbesserung, diese liegt jedoch erheblich unter der des kugelförmigen Ziels.
Einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, mit dem der Durchsatzwirkungsgrad einer Fließbett-Strahlmühle verbessert wird, und der entweder allein oder zusammen mit dem mittleren Aufprallziel der Erfindung, das oben offenbart wurde, eingesetzt werden kann, stellt die Beschleunigungsröhre dar.
Bei der in Fig. 1A und 1B dargestellten herkömmlichen Fließbett-Mühle kreisen die Teilchen des Beschickungsmaterials in dem Fließbett und werden durch Aufprall aufeinander vorwiegend in der Zerkleinerungszone 2A aufgebrochen. Teilchen, die in den Austrittsstrahl der Düse eintreten, werden, wie schematisch und ausführlicher in Fig. 6 dargestellt, in der Richtung des Strahls in einen Zerkleinerungsbereich 45 hinein beschleunigt, wo sie mit anderen Teilchen zusammenstoßen, die durch die anderen Strahlen beschleunigt werden, und aufbrechen. Der Wirkungsgrad eines Zusammenstoßes zwischen zwei Teilchen steht im Verhältnis zum Betrag und zur Richtung der Geschwindigkeitsvektoren der Teilchen zueinander. Der Wirkungsgrad ist am größten, wenn die Geschwindigkeitsvektoren einander direkt entgegengesetzt sind und die Teilchen frontal zusammenstoßen, und nimmt mit zunehmendem Betrag der Geschwindigkeit zu.
Der Austrittsstrahl von Druckluft aus den Düsen 11 dehnt sich, wie obenbeschrieben, im allgemeinen konisch aus. Teilchen werden durch den äußeren Abschnitt des Strahls beschleunigt und folgen einem Weg, wie beispielsweise 42 in Fig. 6, so daß sie eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Achse der Düse und des Strahls und im Vergleich zu einem Teilchen, das in der Mitte des Strahls beschleunigt und dadurch einem Weg, wie beispielsweise 43, folgt, eine vergleichsweise niedrige Geschwindigkeitskomponente parallel zur Achse der Düse haben. Derartige Teilchen werden daher nicht so wirkungsvoll wie die Teilchen aufgebrochen, die in der Mitte des Strahls beschleunigt werden und in die Zerkleinerungszone entlang der Ebene der Düsenachsen eintreten. Der Wirkungsgrad der Zerkleinerungseinrichtung läßt sich verbessern, indem die Teilchen in die Zerkleinerungszone mit Geschwindigkeitsvektoren beschleunigt werden, die näher auf die Achsen der Düsen ausgerichtet sind.
Mit der Beschleunigungsröhre, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist, wird dieses Ergebnis erzielt. Eine Beschleunigungsröhre 15 ist in Zerkleinerungskammer 2 an jede Druckgasdüse 11 angrenzend angebracht. Die Beschleunigungsröhre weist einen zylindrischen, geraden Abschnitt 16 und einen zusammenlaufenden Abschnitt 17 auf. Sie besteht aus einem harten, starren Material. Wie das Aufprallziel so ist auch die Beschleunigungsröhre 15 Abrieb durch Teilchen ausgesetzt, die auf die Röhre auftreffen. Sie kann aus Keramik, einer Eisenlegierung oder einer mit einem keramischen Stoff beschichteten Eisenlegierung bestehen. Bei einer bevorzugten Ausführung besteht sie aus Wolframcarbid oder mit Wolframcarbid beschichtetem Stahl.
Die Abmessungen der Röhre unterscheiden sich je nach den Abmessungen der Düse und der Mühle. Bei der dargestellten Ausführung ist die Beschleunigungsröhre für den Einsatz in einer Mühle Alpine AFG 100 ausgelegt, die drei Düsen aufweist, wobei der Innendurchmesser ungefähr 4 mm beträgt und der Außendurchmesser von Düsenhalter 10 ungefähr 38,1 mm (1,5") beträgt. Bei dieser Ausführung weist der gerade Abschnitt eine Länge von 31,8 mm (1,25") und einen Innendurchmesser von 31,8 mm (1,25") auf. Der zusammenlaufende Abschnitt weist eine Länge von 12,7 mm (0,5") und einen Innendurchmesser am größeren Ende 18 von 50,8 mm (2,0") auf.
Die Rähre ist an die Düse angrenzend mit drei gleichmäßig beabstandeten Haltewinkeln 25 (von denen nur einer dargestellt ist) angebracht. Die Winkel sind so geformt, daß sie dem Fluidstrom in das Ende 18 der Röhre, das näher an der Düse liegt, einen minimalen Querschnitt entgegensetzen. Der Winkel ist an einem Ende am geraden Abschnitt der Röhre und am anderen Ende am Düsenhalter angebracht. Der Winkel sollte ausreichend starr sein, um zu verhindern, daß sich die Röhre während der Funktion der Mühle bewegt.
Das Ende der Düse ist mit einer konkaven Fläche 26 versehen, die ungefähr der Krümmung des zusammenlaufenden Abschnitts 17 entspricht. Dadurch entsteht eine gleitende, zusammenhängende Begrenzung für eine ringförmige Öffnung 30 zwischen der Düse und der Beschleunigungsröhre. Teilchen, wie beispielsweise ein Teilchen 40, aus dem Fließbett treten in die Beschleunigungsröhre über die Öffnung ein, werden von dem Austrittsstrahl beschleunigt und am Ende 19 des geraden Abschnitts 16 der Röhre in die Zerkleinerungszone ausgestoßen und folgen einem Weg, wie er in Fig. 7 mit 41 dargestellt ist.
Die Anordnung des Endes 18 der Röhre in bezug auf das Ende der Düse 11 kann verschieden sein. Bei einer bevorzugten Ausführung entspricht der Abstand annähernd drei Düsendurchmessern. Jedoch kann das Ende 18 weiter von der Düse entfernt sein oder es überdecken. Der Abstand des Endes 19 von der Mittelachse der Zerkleinerungskammer kann ebenfalls verschieden sein, bei einer bevorzugten Ausführung jedoch entspricht der Abstand ungefähr dem Abstand zwischen der Düsenendfläche und der Mittelachse bei einer Mühle, bei der die Beschleunigungsröhre nicht eingesetzt wird. Diese Beziehung verändert sich unabhängig davon, ob das mittlere Aufprallziel der Erfindung eingesetzt wird oder nicht, nicht (d.h., wenn das Ziel eingesetzt wird, beträgt der Abstand vom Ende der Röhre zur Zieloberfläche ungefähr das 20-fache des Düseninnendurchmessers, und wenn kein Ziel eingesetzt wird, entspricht der Abstand vom Ende der Röhre zur Mittelachse ungefähr 20 Düsendurchmessern).
Eine Fließbett-Strahlmühle, die die obenbeschriebenen Verbesserungen des Durchsatzwirkungsgrades aufweist, funktioniert wie folgt. Bei Funktion in stablilem Zustand (d.h., wenn das Fließbett mit seiner Umwälzlast hergestellt worden ist) wird Beschickungsmaterial kontinuierlich über Beschickungseinlaß 5 in Zerkleinerungskammer 2 eingeleitet. Druckluft von Druckgas- Verteiler 9 wird über Düsen 11 in die Zerkleinerungszone 2A ausgestoßen. Die Austrittsstrahlen aus den Düsen fluidisieren das Beschickungsmaterial in dem Fließbett und wälzen es um. Wenn das mittlere Aufprallziel 13 der Erfindung eingesetzt wird, prallen die Teilchen auf die Oberfläche des Ziels auf und werden beim Aufprall aufgebrochen. Beschleunigte Teilchen können ebenfalls aufgebrochen werden, indem sie auf andere Teilchen in der Zerkleinerungszone auftreffen.
Ein stabiler durchschnittlicher Luftstrom wird aus dem Fließbett über den Klassiermotor 7 aus dem Erzeugnisauslaß 6 geleitet. Dieser durchschnittliche Luftstrom befördert zerkleinerte Teilchen aus der Zerkleinerungszone durch auf die Teilchen wirkenden aerodynamische Strömungskräfte nach oben und im allgemeinen entlang der Mittelachse der Zerkleinerungskammer in die Klassierzone in den Klassierrotor hinein. Die feineren Teilchen können die Schaufeln des Rotors passieren, während die auf die größeren Teilchen wirkende Zentrifugalkraft größer ist als die aerodynamische Strömung durch den durchschnittlichen Luftstrom und sie aus dem Klassierrotor ausgestoßen werden. Die ausgestoßenen Teilchen strömen im allgemeinen entlang der Umfangswand 3 der Zerkleinerungskammer nach unten in das Fließbett, wo sie erneut umgewälzt werden und schließlich wieder auf das Ziel oder andere Teilchen zu beschleunigt werden.
Wenn die Beschleunigungsröhre in der Mühle eingesetzt wird, werden Teilchen, die in dem Fließbett in der Nähe der Düsenhalter 10 umgewälzt werden, über ringförmige Öffnungen 30 zwischen den Düsenendflächen 26 und dem zusammenlaufenden Abschnitt 17 der Beschleunigungsröhre in die Beschleunigungsröhren 15 hineingezogen. Die Teilchen werden in der Röhre beschleunigt und aus den Enden 19 in den Zerkleinerungsbereich ausgestoßen, wo sie auf das Aufprallziel oder andere Teilchen auftreffen.

Claims

1. Fließbett-Strahlmühle (1) zum Zerkleinern von Teilchenmaterial, die eine Zerkleinerungskammer (2) mit einer Umfangswand (3), einem Boden (4) und einer Mittelachse (5) enthält; eine Vielzahl von Quellen (10, 11) von Gas mit hoher Geschwindigkeit, wobei die Gasquellen (10, 11) in der Zerkleinerungskammer (2) an der Umfangswand (3) angebracht, symmetrisch um die Mittelachse (51) herum angeordnet und so ausgerichtet sind, daß sie Gas mit hoher Geschwindigkeit entlang einer Achse leiten, die die Mittelachse (51) schneidet, wobei jede der Gasquellen (10, 11) einen Düsenhalter (10) mit einer Mittelachse und einem Außendurchmesser sowie eine Düse (11) enthält, die in einem Ende des Düsenhalters (10) angebracht und auf die Mittelachse (51) der Zerkleinerungskammer (2) gerichtet ist und einen Innendurchmesser aufweist, gekennzeichnet durch eine ringförmige Beschleunigungsröhre (15) mit einem ersten Ende (18), das sich in der Nähe der Düse (11) befindet, und einem zweiten Ende (19), das von der Düse (11) entfernt ist, wobei die Beschleunigungsröhre (15) einen zylindrischen Abschnitt (16) umfaßt, der von der Düse (11) entfernt ist, und einen zusammenlaufenden Abschnitt (17), der sich in der Nähe der Düse (11) befindet, wobei der Innendurchmesser des ersten Endes (18) größer ist als der Innendurchmesser des zweiten Endes (19) und größer ist als der Außendurchmesser des Düsenhalters (10), wobei zwischen der Beschleunigungsröhre (15) und der Düse (11) eine ringförmige Öffnung (30) besteht, durch die Teuchenmaterial in der Zerkleinerungskammer (2) eintreten und mit einem Gasstrom von der Düse (11) mitgeführt werden, in der Beschleunigungsröhre beschleunigt und in Richtung der Mittelachse (51) der Zerkleinerungskammer (2) ausgestoßen werden kann.

2. Fließbett-Strahlmühle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammenlaufende Abschnitt (17) der Beschleunigungsröhre (15) als Drehkörper geformt ist, der durch Drehen eines zur Achse der Düse (11) konvexen Bogens gebildet wird, wobei der zusammenlaufende Abschnitt (17) einen Innendurchmesser an seinem vorderen Ende aufweist, der dem Innendurchmesser des zylindrischen Abschnitts (16) gleich ist.

3. Fließbett-Strahlmühle (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Düsen (11) einen Innendurchmesser hat, ein Aufprallziel (12) in der Zerkleinerungskammer (2) angebracht und auf die Mittelachse (51) zentriert ist, wobei die Quellen (10,11) so ausgerichtet sind, daß sie Gas mit hoher Geschwindigkeit entlang einer Achse leiten, die die Mittelachse (51) in dem Aufprallziel (12) schneidet, und das Aufprallziel (12) einen maximalen Umfang in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse (51) zwischen dem 3- und dem 60-fachen des Innendurchmessers der Düse (11) hat.

4. Fließbett-Strahlmühle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale Abstand zwischen dem Aufprallziel (12) und jeder der Düsen (11) ungefähr dem 20fachen des Innendurchmessers der Düse (11) entspricht.

5. Fließbett-Strahlmühle (1) nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Anbringungselement (14) mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende an dem Boden (4) der Kammer (2) angebracht ist und das zweite Ende an dem Aufprallziel (12) angebracht ist.

6. Fließbett-Strahlmühle (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufprallziel (12) eine Form aufweist, die einer entspricht, die aus einer Gruppe von Formen ausgewählt wird, die aus im allgemeinen zylindrisch und konzentrisch zu der Mittelachse (51) oder im allgemeinen kugelförmig besteht.

7. Verfahren zum Zerkleinern von Teilchen elektrostatographischen Entwicklermaterials, das das Einleiten nichtzerkleinerter Teilchen elektrostatographischen Entwicklermaterials in eine Zerkleinerungskammer (2) einer Fließbett-Strahlmühle (1) einschließt, das Einblasen von Gas mit hoher Geschwindigkeit über eine Vielzahl von Quellen (10, 11) von Gas mit hoher Geschwindigkeit, das Herstellen eines Fließbetts aus den nichtzerkleinerten Teilchen und das Beschleunigen eines Teils der Teilchen mit dem Gas hoher Geschwindigkeit, gekennzeichnet durch das Aufspalten des Teils der Teilchen in kleinere Teilchen, indem sie gegen einen starren, gekrümmten Körper (12) geschleudert werden, der in der Zerkleinerungskammer (2) angebracht ist, das Trennen eines Teils der kleineren Teilchen, die kleiner sind als eine vorgewählte Größe, von den nichtzerkleinerten Teilchen und den kleineren Teilchen, das Ableiten des Teils der kleineren Teilchen aus der Zerkleinerungskammer (2) und das weitere Zerkleinern der restlichen kleineren Teilchen und nichtzerkleinerten Teilchen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der starre, gekrümmte Körper (12) im allgemeinen kugelförmig ist und aus einer Eisenlegierung besteht, die mit einem abriebbeständigen keramischen Material beschichtet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nichtzerkleinerte elektrostatische Entwicklermaterialteilchen einen durchschnittlichen Durchmesser von ungefähr 700 µm haben.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostatographische Entwicklermaterial ein Einkomponenten-Toner ist, der zu annähernd gleichen Teilen Magnetit und ein Bindeharz umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindeharz ein breitgestreutes Molekulargewicht hat, das um ungefähr 60000 herum zentriert ist.

12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Entwicklermaterial ein Harz und ein Pigment umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Pigment ein Magnetit ist.