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Die Erfindung bezieht sich auf das
Gebiet der Homogenisiereinheiten.
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Zur Verringerung der Größe der Tropfen
in einer Emulsion oder der Teilchen in einer Suspension wird mit
einem Homogenisierverfahren gearbeitet, um diese so weit wie möglich homogen
oder einander gleich zu machen. Ganz allgemein umfasst das Homogenisierverfahren
den Durchlauf einer zu homogenisierenden Flüssigkeit (durch Hindurchpressen
oder Durchblasen) durch eine Düse
oder eine sehr kleine Öffnung
bzw. einen sehr engen Spalt unter einem geeigneten Druck, um so
Zusammenstöße und ein
Aufspalten der Teilchen herbeizuführen; außerdem wird der Teilchenstrom,
der mit hoher Geschwindigkeit aus dem Kanal austritt, zum Auftreffen auf
einem so genannten Stoß- bzw. Aufsetzring
veranlasst, was noch weiter zur Verringerung der Teilchengröße beiträgt und die
Homogenisierung verbessert.
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Derzeit eingesetzte Homogenisiereinheiten weisen
ein Homogenisierventil auf der Abströmseite eines Druckkopfes auf,
dessen Aufgabe darin besteht, eine zu homogenisierende Flüssigkeit
unter hohem Druck zu pumpen; diese Flüssigkeit wird im Allgemeinen
in axialer Richtung durch das Ventil in eine Druckkammer eingeleitet,
die von einem Stoßkopf
definiert wird, der mit einstellbarer Kraft auf eine gegenüber liegenden
Fläche
eines ringförmigen Durchtrittskopfes
gedrückt
wird, der in dem Ventilkörper
befestigt ist. Ein derartiges Homogenisierventil nach dem Stand
der Technik ist in axialer Schnittansicht in 1 schematisch dargestellt. In dieser
Figur gibt das Bezugszeichen 1 eine Hochdruckkammer im unteren
Ventilkörper 2 an,
in den die zu homogenisierende Flüssigkeit in Richtung des Pfeils
F1 unter hohem Druck von mehr als 1000 bar eingeleitet wird; die
Hochdruckkammer besitzt einen Durchmesser D1. In dem unteren Ventilkörper 2 ist
ein Durchtrittskopf 3 untergebracht, mit dem ein Aufsetrkopf 4 zusammenwirkt,
auf den mit einstellbarer Kraft mittels der Führungs- und Andruckwelle 5 eingewirkt
wird. Der Stoßkopf
wird von fixierten radialen Flügeln 6 geführt, die
als integraler Bestandteil des oberen Ventilkörpers 7 ausgebildet
sind. Das unter hohem Druck stehende Produkt, das durch einen radialen
Durchtrittsspalt (Höhe
h1) zwischen dem Stoßkopf 4 und dem
Durchtrittskopf 3 hindurch gepresst wird, büßt an Druck
ein und nimmt an Geschwindigkeit zu und trifft mit hoher Geschwindigkeit
auf den Stoßring 8 auf,
wobei dieser Ring in dem oberen Ventilkörper 7 untergebracht
ist und dem radialen Durchtrittsspalt zugewandt ist. Die homogenisierte
Flüssigkeit
fließt entlang
der radialen Flügel 6 in
eine untere Druckkammer 9 und fließt in Richtung des Pfeils F2
aus.
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Diese Anordnung ist weit verbreitet.
In dem radialen Durchlassspalt zwischen dem Stoßkopf und dem Durchtrittskopf
wird jedoch die Geschwindigkeit in dem Fluid nicht über die
Höhe des
Durchlassspalts gleichmäßig verteilt,
was zu Unterschieden in der Homogenisierung in den verschiedenen
Fluidschichten führt.
Außerdem
treten Turbulenzen und Kavitationseffekte auf, wobei diese Phänomene sich
mit zunehmender Höhe
des Spalts verstärken.
Wenn andererseits die Höhe
des Spalts verringert würde – was vorteilhaft
zur Verbesserung der Verteilung der Teilchengrößen des zu verarbeitenden Produkts
bei Anwendung gleichen Fließdrucks
und gleichen Homogenisierungsdrucks – dann wäre es notwendig, ein Ventil mit
einem größeren Durchmesser
D1 (1) zu konstruieren
, wozu aber auch gehören
würde,
dass man eine beträchtlich
größere Kraft
auf den Stoßkopf
aufbringen müsste,
um den gleichen Homogenisierungsdruck zu erzielen. Dies würde deshalb
zu einem noch komplizierteren mechanischen Aufbau des Geräts führen, zum
Vorsehen eines hydraulischen Hochdruck-Steuersystems und infolgedessen zu höheren Kosten.
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In der britischen Patentschrift GB
528019 wird ein Homogenisierventil von der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Art offenbart. Dabei ist die Kopfverlängerung
des Ventils nach dieser Vorveröffentlichung
vollständig
in einer Druckkammer enthalten und vollständig in ein unter hohem Druck stehendes
Fluid eingetaucht, während
keine Abdichtmittel vorgesehen sind. Infolgedessen besitzt dieses Ventil
nur eine Führungsfunktion
und kann keine Hochdruckkammer definieren. Der druckausübende Oberflächenbereiche
des Stoßkopfes,
d. h. der Bereich auf der Oberfläche
des Stoßkopfes,
auf den ein hoher Druck einwirkt, umfasst nicht nur einen ringförmigen Abschnitt
des pilzförmigen
Kopfes, sondern auch einen scheibenartig geformten Endabschnitt der
Kopfverlängerung,
der zu dem Mittelbereich äquivalent
ist, der von dem ringförmigen
Abschnitt freigegeben ist. Infolgedessen besitzt das Homogenisierventil
nach der britischen Patentschrift GB 528019 einen Druckbereich,
der scheibenartig geformt ist und dessen Durchmesser gleich dem
Außendurchmesser
des pilzförmigen
ringförmigen
Bereichs ist, und bringt die gleichen Nachteile mit sich, wie sie
vorstehend unter Bezugnahme auf die weiteren, bekannten Anordnungen
diskutiert wurden.
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Ein Ziel der Erfinder bestand darin,
die Homogenisierungseffizienz zu verbessern, d. h., die Qualität des Produkts
gleichmäßig zu erhalten,
und den angewendeten Druck zu verringern oder – bei unveränderten Druckverhältnissen
die Qualität
des Endprodukts zu verbessern. Einen Hinweis auf die Wirksamkeit
bei der Homogenisierung und der Mikronisierung infolge des Durchtritts
durch das Homogenisierventil liefert die Teilchenverteilung: in
einer Ebene, in welcher auf der Ordinate der prozentuale Volumenanteil
oder Anzahlanteil der Teilchen und auf der Abszisse der Durchmesser
der Teilchen aufgetragen ist, muss die Mehrheit der Teilchen von
gleicher Größe oder
soweit wie möglich
von ähnlicher
Größe sein und
in jedem Fall muss die Größe kleiner
als im ursprünglichen
Zustand sein.
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Eine weitere Zielsetzung besteht
darin, die Führung
und die Unterstütrung
des Stoßkopfes
zu verbessern, um so den Lärmpegel
und Schwingungen zu verringern.
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Diese Zielsetzungen wurden mit einer
Ventileinheit erreicht, wie sie in Anspruch 1 angegeben ist; weitere
neue und vorteilhafte Aspekte sind in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben.
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Die neue Homogenisierungs-Ventileinheit weist
einen unteren Ventilkörper
und einen oberen Ventilkörper
auf. In dem Ventilkörper
befindet sich eine Hochdruckkammer mir ringförmiger Ausbildung. Eine untere
Oberfläche
des Stoßkopfes,
auf die Druck einwirkt, ist ebenfalls ringförmig. Der Stoßkopf besitzt
vorzugsweise einander gegenüber
liegende und einander zugewandte Oberflächen, die in einer Ringform
um einen Mittelkörper
verlaufen. Der Stoßkopf
wird dabei in seinem Sitz in zwei Positionen geführt, die in axialer Richtung
von einander beabstandet sind. Vorzugsweise ist im unteren Ventilkörper ein radialer
Hochdruck-Fluid-Einlasskanal und im oberen Ventilkörper ein
radialer Niederdruck-Auslasskanal vorgesehen.
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Da das neue Homogenisierventil zu
einer Verbesserung bei der Wirksamkeit bei der Homogenisierung gegenüber den
bisher üblichen
Ventilen führt
und es deshalb möglich
macht, den Homogenisierungsdruck abzusenken, während die gleiche Wirkung aufrechterhalten
wird, impliziert seine Verwendung beträchtliche Energieeinsparungen.
Des Weiteren funktioniert das Ventil insofern unter besseren mechanischen
Bedingungen, da der Stoßkopf
an zwei Punkten geführt
wird (wohingegen der Aufsetzkopf bei den bisher verwendeten Einheiten
auskragend war) und deshalb eine größere Stabilität gegeben
ist. Da die Geschwindigkeiten des Fluids niedriger sind, verbessern
sich die Bedingungen in der Fluiddynamik, was zu einer Geräuschverminderung,
zur Verringerung der Schwingungen und zu einer geringeren Abnutzung
der Bestandteile des Ventils führt, sowie
ferner zu einer Verringerung der Turbulenz und der Kavitationserscheinungen.
Die Herstellungskosten des neuen Ventils sind geringer, da das Ventil
aus einer geringeren Anzahl von Teilen besteht und sich leichter
als herkömmliche
Ventile herstellen lässt. Das
neue Ventil benötigt
auch einen geringeren Wartungsaufwand.
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Des Weiteren verringert bei dem neuen
Ventil der Umstand, dass auf den sich gegenüber stehenden Oberflächen des
Stoßkopfes
ein Druckkompensation stattfindet, die Probleme, die damit zusammenhängen, dass
das Fluid notwendigerweise dem Ventil mit einer Durchflußrate zugeführt werden muss,
die nicht konstant ist; dieses Problem wurde früher mit einem Öl-Getriebesystem
gelöst,
was jedoch vergleichsweise kompliziert und kostspielig war. Bei
dem neuen Ventil reicht es aus, eine Feder als Stoßdämpfer vorzusehen,
wohingegen ein Pneumatikzylinder zum Aufbringen von Kraft auf den
Stoßkopf
direkt mit dem Stoßkopf
gekoppelt ist.
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Weitere Aspekte und Vorteile der
Erfindung werden anhand der ausführlichen
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlicher,
in welcher:
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1 einen
schematischen unterbrochenen Axialschnitt durch ein Homogenisierventil
entsprechend dem Stand der Technik vor der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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2 eine
Ansicht im Axialschnitt auf eine nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsform
eines Homogenisierventils gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, und
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3 eine
schematisierte Seitenansicht einer Homogenisiereinheit ist, welche
ein Homogenisierventil gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst.
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Ein Ventil nach dem Stand der Technik
gemäß der Darstellung
in 1 wurde vorstehend
erläutert.
Nachstehend wird nun ein neues Ventil gemäß der Erfindung anhand von 2 beschrieben.
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Das neue Homogenisierventil als ganzes
ist mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Es weist eine Ventilkonstruktion
auf, die einen unteren Ventilkörper 12 und
einen oberen Ventilkörper 14 umfasst.
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Der untere Ventilkörper 12 besitzt
eine Bohrung 16 mit einem Durchmesser D16, die sich unter Bildung
einer Bohrung 18 mit einem Durchmesser D18 nach unten erstreckt.
Die Bohrungen 16 und 18 definieren eine gemeinsame
Achse, die mit dem Bezugszeichen a bezeichnet ist. Oberhalb der
Bohrung 16 weist der untere Ventilkörper ein Gehäuse 20 auf, das
sich koaxial zu den Bohrungen 16 und 18 erstreckt
und einen größeren Durchmesser
aufweist, um einen Durchtrittskopf 22 aufzunehmen, der
nachstehend noch erläutert
wird.
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Die Bohrung 16 steht mit
einem radialen Zuführkanal 24 in
Verbindung.
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Der obere Ventilkörper 14 besitzt eine
Bohrung 26 mit einem Durchmesser D26, der dann, wenn der
obere Ventilkörper
auf dem unteren Ventilkörper angebracht
ist, ebenfalls entlang der Achse a ausgerichtet ist. Die Bohrung 26 weist
ein größeres unteres Gehäuse 28 für einen
(möglichen)
Stoßring 30 auf, der
nachstehend noch erläutert
wird. Die Bohrung 26 verengt sich im oberen Abschnitt unter
Bildung einer Führungsbohrung 32 mit
einem Durchmesser D32. Die Bohrung 26 steht für den Durchtritt
eines Fluids mit einem radialen Auslasskanal 34 in Verbindung.
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Der Durchtrittskopf 22 ist
in dem Gehäuse 20 aufgenommen,
unter Umständen
mit einem O-Ring 36. Er weist eine innere Oberfläche auf,
die im Wesentlichen auf gleicher Ebene wie die innere Oberfläche der
Bohrung 16 liegt, und besitzt auf dem oberen Teil einen
erhöhten
Sitz 38 mit einer verringerten Größe in radialer Richtung. Der
obere Ventilkörper 14 ist mit
einer eng abschließenden
Dichtung, beispielsweise mit einem O-Ring 40, auf dem unteren Ventilkörper angebracht.
Dazwischen ist der Stoßring 30 aufgenommen,
welcher einen Innendurchmesser D30 definiert, der etwas größer als
D16 und kleiner als D26 ist.
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Ein Stoßkopf des Homogenisierungsventils 10 als
ganzes ist mit dem Bezugszeichen 50 ausgewiesen und wird
in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht dargestellt; er weist
einen Stoßkopf-Korpus 52 auf,
der zusammen mit der Bohrung 26, eine ringförmige Niederdruck-Kammer 54 definiert.
Außerdem
weist der Korpus 52 eine Ringfläche 56 auf, die quer
zur Achse a verläuft
und einen Durchmesser D56 besitzt. Der Durchmesser D56 ist im Wesentlichen
gleich dem Außendurchmesser
des Sitzes 38 des Durchtrittskopfes.
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Eine untere Verlängerung des Stoßkopfes
ist mit dem Bezugszeichen 58 (Durchmesser D58) angegeben,
erstreckt sich koaxial zu dem Korpus 52 und besitzt ein
erweitertes Endteil 60, das gleitend in die Bohrung 18 eingreift
mit einem O-Ring 62. Das Teil 60 ist mit einer
Druckfläche 61 versehen,
die der Oberfläche 56 gegenüber liegt.
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Eine Hochdruckkammer 64 ist
zwischen der Verlängerung 58,
der Oberfläche
der Bohrung 16 und den Oberflächen 61 und 56 definiert
und steht mit dem Kanal 24 in Verbindung. In der Verlängerung
des Stoßkopfes
ist ein Hohlraum 66 vorgesehen, in dem eine Feder 68 als
Stoßdämpfer aufgenommen
ist, die durch eine Verschlussplatte 70 gehalten wird,
welche am unteren Ventilkörper
befestigt ist. Im oberen Teil ist das Element mit dem Bezugszeichen 72 eine
an sich bekannte Vorrichtung, die im Allgemeinen ein Hydraulik-
oder Pneumatikzylinder ist, um den Stoßkopf mit einer Kraft zu beaufschlagen.
Aus der Zeichnung wird deutlich, dass der Stoßkopf 50 oben mit dem
oberen Teil des Kopfkörpers 52 in
der Bohrung 32 und unten mit dem Kopfteil 60 in
der Bohrung 18 geführt
wird; mit anderen Worten, er wird in zwei Positionen geführt, die
entlang der Achse a von einander beabstandet sind.
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Die Oberfläche 56 erstreckt sich
in radialer Richtung in der Weise, dass sie die Fläche 38 des Durchtrittskopfes
bedeckt, mit dem sie zusammenwirkt. Der Bereich der Oberfläche 56,
der von der Oberfläche 38 freigelassen
wird, besitzt einen Durchmesser, der mit dem Bezugszeichen D56' bezeichnet wird
und gleich dem Durchmesser D16 ist. Die der Oberfläche 56 gegenüber stehende
Fläche 61 besitzt einen
Durchmesser D61.
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Gemäß der Erfindung gelten die
folgenden Beziehungen: D56 > D16 > D61 > D58.
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Nachstehend wird nun die Funktionsweise des
Homogenisierventils 10 beschrieben.
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Ein unter hohem Druck und zu homogenisierendes
Fluid wird durch den Kanal
24 der Hochdruck-Ringkammer
64 zugeführt. Der
Druck, der auf das Fluid ausgeübt
wird, kann variieren und wird anhand der Art des Fluids entsprechend
den speziellen Anforderungen an die Homogenisierung für jedes Produkt
gewählt.
Das unter Druck stehende Fluid in der Kammer
64 wirkt mit
dem Druck p auf die Oberfläche
61 ein
und mit einem gleich großen,
aber entgegengesetzten Druck auf die Oberfläche
56. Da der Bereich
der Oberfläche
61,
der dem Druck ausgesetzt ist, gleich
ist und der dem Druck ausgesetzte
Bereich der Oberfläche
56 gleich
ist, beträgt eine resultierende, nach
oben gerichtete Kraft
der unter Gleichgewichtsbedingungen
die Kraft F entgegenwirkt, die von der Vorrichtung
72 aufgebracht
wird. Unter Gleichgewichtsbedingungen ist der Stoßkopf von
der Oberfläche
38 des
Durchtrittskopfes um einen Abstand h10 (Höhe des radialen Spalts, durch
den die Flüssigkeit
zum Durchfließen gepresst
wird) beabstandet. Beim Durchströmen durch
den Spalt erfährt
die Flüssigkeit
einen abrupten Druckabfall und einen abrupten Anstieg in der Geschwindigkeit
und trifft dann auf den Stoßring
30.
Diese Abfolge von einer ausgeprägten
Geschwindigkeitsänderung,
Stoß und
Turbulenz führt
zu einer Homogenisierung der Flüssigkeit,
die dann die Ringkammer
54 füllt und durch den Kanal
34 zum
Auslass gerichtet wird.
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Dabei ist festzustellen, dass unter
Druck stehende Flüssigkeit,
zumindest gemäß einer
Schematisierungen, zum Durchfließen über eine zylindrische Fläche mit
einem Durchmesser D16 und mit einer Höhe h10 gezwungen wird. Bei
einer gegebenen Durchflußrate
kann die Höhe
h10 vergleichsweise klein gehalten werden, viel kleiner als h1 bei
herkömmlichen
Ventilen, da der Durchmesser D16 im Vergleich zu dem Durchmesser
D1 bei herkömmlichen
Ventilen groß gemacht
werden kann, wodurch die Wirksamkeit in der Homogenisierung verbessert wird.
Mit dem Ventil gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
bemerkenswert große
Durchmesser D16 dadurch zu erhalten, dass die Schubkraft, mit welcher
das Fluid auf den Stoßkopf
einwirkt (und welcher die Vorrichtung 72 deshalb entgegenwirken
muss) nur auf den Druck zurückzuführen ist, der
auf den Ring ausgeübt
wird, der zwischen den Durchmessern D16 und D61 definiert ist, also
somit auf einen ziemlich dünnen
Ring. Bei den Einheiten nach dem Stand der Technik, die den gleichen
Durchmesser im Stoßkopf
aufweisen, war die von dem Fluid auf den Stoßkopf aufgebrachte Kraft gleich
dem Fluiddruck, multipliziert mit der gesamten Fläche des Aufsetzkopfes
und war deshalb erheblich größer.
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3 stellt
das Ventil 10 gemäß der Erfindung
dar, das hier auf der Abströmseite
eines als ganzes mit dem Bezugszeichen 80 bezeichneten Verdichtungskopfes
mit drei Kolben angebracht ist; die drei Kolben sind dabei mit den
Bezugszeichen 81, 82 und 83 bezeichnet.
der unter Gleichgewichtsbedingungen die Kraft F entgegenwirkt, die von der Vorrichtung