DE69730480T2

DE69730480T2 - Innenmischer

Info

Publication number: DE69730480T2
Application number: DE69730480T
Authority: DE
Inventors: Kimio Takasago-shi Hyogo Inoue; Kashiro Takasago-shi Hyogo Ureshino; Norifumi Takasago-shi Hyogo Yamada; Ko Takasago-shi Hyogo Takakura; Yoshinori Takasago-shi Hyogo Kurokawa
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: AU701559B2; KR19980064231A; KR100265689B1; AU4840597A; EP0848988B1; JP4024976B2; CN1185371A; JPH1148239A; US5984516A; EP0848988A2; DE69730480D1; EP0848988A3; JP3135056B2; CN1086622C; JP2000153520A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine abgeschlossene Knetvorrichtung zum Kneten von Materialien wie Gummi, Kunststoff und so weiter durch umlaufende Rotoren in einer Kammer.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Diskontinuierlich arbeitende Knetvorrichtungen stellen eine Charge von Kneterzeugnissen durch eine Reihe von Arbeitsschritten her, bei denen Knetmaterialien wie beispielsweise Gummi, Kunststoff und so weiter mittels eines Schwimmgewichts in eine Kammer gedrückt und durch ein Paar in der Kammer bereitgestellter Rotoren geknetet werden, um ein Kneterzeugnis einer bestimmten Beschaffenheit zu erhalten und das Kneterzeugnis durch eine Bodenklappe zu entnehmen.
Der obige Knetvorgang erfolgt durch Einwirken eines Drehmoments der Rotoren in Form von Scherkräften auf das Knetgut. Bekanntermaßen sind die Scherkräfte in einem Zwischenraum zwischen den Rotoren und der Innenwand der Kammer (im Folgenden als Spitzenabstand bezeichnet) am größten und nehmen in dem Maße zu, wie der Spitzenabstand verkleinert wird. Es ist daher klar, dass man den Knetvorgang durch Verringerung des Spitzenabstands beschleunigen kann, da die Zerteilungswirkung durch starke Scherkräfte verstärkt wird. Wenn der Spitzenab stand abnimmt, wirken jedoch lokal starke Scherkräfte auf das Knetgut ein, sodass die Temperatur des Knetguts ansteigt.
Bei der Herstellung eines Kneterzeugnisses mit einer niedrigen zulässigen Temperatur werden zwar Maßnahmen zur Vergrößerung des Spitzenabstands und zur Verringerung der Rotordrehzahl ergriffen, wodurch die Produktivität sinkt, und die zugeführte Materialmenge verringert, um auf Kosten der Knetleistung das Ansteigen der Temperatur über die höchstzulässige Temperatur hinaus zu verhindern. Außerdem wird bei der Herstellung eines Kneterzeugnisses mit einer hohen zulässigen Temperatur der Spitzenabstand so weit verringert und die Rotordrehzahl erhöht, dass man starke Scherkräfte erzeugt und eine möglichst hohe Ausbeute erhält.
Bei den obigen herkömmlichen Anordnungen eignet sich der Spitzenabstand nur für eine bestimmte Knetbedingung. Wenn man nämlich ein anderes Knetgut einsetzt und somit die Knetbedingungen ändert, werden die Probleme des unzureichenden Knetens und Zerteilens sowie des Anstiegs der Temperatur des Knetgutes über die höchstzulässige Temperatur hinaus durch zu große oder zu kleine Spitzenabstände nur verschlimmert, wenn man nicht durch Austauschen der Rotoren einen auf die neuen Knetbedingungen angepassten Spitzenabstand einstellt. Es ist jedoch nicht praktikabel, die Rotoren wegen der veränderten Knetbedingungen auszutauschen. Wenn die Temperatur des Knetgutes über die höchstzulässige Temperatur hinaus ansteigt, lässt sich die Qualität des Knetgutes eigentlich nur auf Kosten der Leistung der Knetvorrichtung sicherstellen, d. h. durch Verringerung der Rotordrehzahl und der zugeführten Materialmenge.
Wenn lediglich die Kühlleistung erhöht werden soll, kann man eine in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 63- 47106 beschriebene abgeschlossene Knetvorrichtung einsetzen, bei welcher auf dem Umfang der Rotoren zwei sich in axialer Richtung erstreckende lange Schraubenarme bereitgestellt werden, an der Rückseite der langen Knetflügel Abstreifer angeordnet sind und die an der Innenwand einer Kammer haftende Schicht des Knetgutes durch die Abstreifer abgestreift wird, wodurch die Kühlleistung der Kammer ansteigt. Bei der oben erwähnten abgeschlossenen Knetvorrichtung weisen jedoch nur die langen Knetflügel einen bestimmten Spitzenabstand auf und führen die Scherfunktion aus, während der technische Grundgedanke des Übertragens der Scherfunktion auf die Abstreifer nicht beschrieben wird, sodass die Vorrichtung für die Änderung des Spitzenabstandes ungeeignet ist.
Außerdem ist eine abgeschlossene Knetvorrichtung entwickelt worden, bei welcher die Drehachsen der Rotoren so verschoben werden können, dass man den Spitzenabstand entsprechend den neuen Knetbedingungen beliebig verändern kann, ohne umständlich die Rotoren austauschen zu müssen. Hierbei muss jedoch der Mechanismus zum Verschieben der Drehachsen der Rotoren jedes Mal überprüft und gewartet werden, wenn die Achsen verschoben wurden, wodurch die Rüstzeit verlängert und die Überprüfung komplizierter wird.
In der US-Patentschrift 4 914 635 A wird eine typische abgeschlossene Knetvorrichtung mit einer Kammer und einem Rotor beschrieben, wobei der Rotor mit Knetflügeln zum Bereitstellen von zwei abgestuften Spitzenabständen zwischen der Innenwand der Kammer und dem Rotor zumindest in der axialen Richtung ausgestattet ist.
In dem Dokument SU-A-1 109 317 A wird eine abgeschlossene Knetvorrichtung beschrieben, welche zwei Knetflügel mit zwei abgestuften Spitzenabständen umfasst. Das Verhältnis der Spitzenabstände zum Innendurchmesser der Kammer bewegt sich im Bereich zwischen 0,01 und 0,5.
In der US-Patentschrift 4 234 259 A wird eine Knetvorrichtung beschrieben, welche einen stufenlos veränderlichen Spitzenabstand umfasst, der konstant ist oder keilförmig verläuft. Das Verhältnis des Spitzenabstandes zum Innendurchmesser der Kammer liegt im Bereich zwischen 0,0089 und 0,0544.
In der US-Patentschrift 4 871 259 A wird eine Knetvorrichtung beschrieben, welche die Spitzenabstände stufenlos ändert.
In der US-Patentschrift 4 718 771 A werden Knetvorrichtungen beschrieben, welche stufenlos veränderliche Spitzenabstände umfassen. Das Verhältnis des Spitzenabstandes zum Innendurchmesser der Kammer liegt im Bereich zwischen 0,01 und 0,015.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Deshalb besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine abgeschlossene Knetvorrichtung bereitzustellen, welche Knetgut mit unterschiedlichen Kneteigenschaften schonend kneten und zerteilen kann, ohne Prüf- und Wartungsoperationen zu erfordern und eine Verringerung der Verarbeitungsleistung der Knetvorrichtung in Kauf zu nehmen, und welche gleichzeitig einen übermäßigen Anstieg der Temperatur des Knetgutes verhindert.
Diese Aufgabe wird durch eine Knetvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung zeichnet sich ferner durch die in den Unteransprüchen dargelegten Merkmale aus.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Vorderansicht der Rotoren in einer abgeschlossenen Knetvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Abwicklung des Rotors;
3 ist eine Darstellung, welche einen Zustand zeigt, in welchem ein Knetgut geknetet wird;
4A und 4B zeigen jeweils die Fließeigenschaften des Knetguts, und zwar 4A die Fließeigenschaften in der abgeschlossenen Knetvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und 4B die Fließeigenschaften in einer herkömmlichen abgeschlossenen Knetvorrichtung;
5A und 5B zeigen jeweils die Stellungen der langen und der kurzen Knetflügel eines Rotors, und zwar 5A eine Abwicklung des Rotors und 5B eine axiale Querschnittsansicht des Rotors;
6 ist eine Abwicklung des Rotors;
7 ist eine Abwicklung des Rotors;
8 ist eine Abwicklung des Rotors;
9 ist eine Abwicklung des Rotors gemäß einem Vergleichsbeispiel;
10 ist eine Abwicklung des Rotors;
11A und 11E zeigen das Aussehen einer Vielzahl von Spitzenabständen eines Knetflügels;
11B bis 11D zeigen jeweils ein Vergleichsbeispiel;
12 ist eine Abwicklung des bei den Experimenten verwendeten Rotors;
13 ist ein Diagramm, welches die Eigenschaften des Rotors der vorliegenden Erfindung und des Vergleichsbeispiels bei einer Rotordrehzahl von 60 U/min zeigt;
14 ist ein Diagramm, welches die Eigenschaften des Rotors der vorliegenden Erfindung und des Vergleichsbeispiels bei einer Rotordrehzahl von 90 U/min zeigt; und
15 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotors mit geteilten Segmenten.
Im Folgenden wird die bevorzugte Ausführungsart der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf 1 bis 10 beschrieben.
Eine abgeschlossene Knetvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein aus einem ersten Rotor 1 und einem zweiten Rotor 2 bestehendes Rotorpaar und ein Gehäuse 3 zur drehbaren Halterung dieser Rotoren 1 und 2. Mit der Außenwand des Gehäuses 3 ist eine (nicht gezeigte) Kühlleitung zum Kühlen eines Knetgutes verbunden. Innerhalb des Gehäuses 3 ist eine Kammer 4 zum Aufnehmen des Knetgutes gebildet. Die Kammer 4 ist so gestaltet, dass ihr senkrechter Querschnitt die Form zweier einander überlappender Kreise gemäß 3 hat und die Kammer aus einem Paar zweiter Knetkammern 4a und 4b mit jeweils einem Innendurchmesser D sowie einem Übergangsbereich 4c zum Verbinden dieser beiden Knetkammern 4a und 4b miteinander besteht.
Im oberen Mittelteil des Gehäuses 3 ist ein Schwimmgewicht 5 zum Eindrücken des Knetmaterials wie beispielsweise Gummi, Kunststoff und so weiter in die Kammer 4 bereitgestellt, das sich nach oben und unten bewegen kann. Auf der anderen Seite ist im unteren Mittelteil der Kammer 4 eine Bodenklappe 6 zum Entnehmen eines Kneterzeugnisses bereitgestellt. Bei dieser Anordnung werden das Schwimmgewicht 5 und die Bodenklappe 6 während des Knetvorgangs so in Kontakt mit dem Gehäuse 3 gebracht, dass sie einen Teil der Innenwand der Kammer 4 bilden.
Der erste Rotor 1 und der zweite Rotor 2 werden gemäß 1 in die erste und zweite Knetkammer 4a bzw. 4b eingesetzt. Diese Rotoren 1 und 2 sind so angeordnet, dass ihre Achsen parallel zueinander stehen, wobei sie durch einen (nicht gezeigten) Antriebsmechanismus in zueinander entgegengesetzten Richtungen gedreht werden. Außerdem sind diese Rotoren 1 und 2 identisch geformt und haben lange Knetflügel 7 und kurze Knetflügel 8, die im Folgenden beschrieben werden.
Die Rotoren 1 und 2 sind jeweils an den beiden in der Kammer 4 befindlichen Rotorknetteilen 1a und 2a gebildet und weisen Rotorhalterungsteile 1b, 1b sowie 2b, 2b auf, welche durch das Gehäuse 3 drehbar gelagert sind. Die entsprechenden Rotorknetteile 1a und 2a haben drei lange Knetflügel 7 und drei kurze Knetflügel 8, die in einem Winkel von jeweils 120° auf dem Umfang angeordnet sind und sich gemäß 2 in axialer Richtung erstrecken. Die langen Knetflügel 7 sind Zufuhrknetflügel, die in Schraubenform von einer Wandfläche der Kammer bis zur Mitte der anderen Wandfläche gebildet sind. Die kurzen Knetflügel 8 hingegen sind Rückführknetflügel, die in Schraubenform zwischen dem Ende der langen Knetflügel 7 und der anderen Wandfläche der Kammer 4 gebildet sind und sich an der den langen Knetflügeln 7 gegenüberliegenden Seite befinden.
Eine Spitze jedes langen Knetarms 7 ist in einen hohen Spitzenteil 7a, einen mittleren Spitzenteil 7b und einen niedrigen Spitzenteil 7c aufgeteilt, welche in axialer Richtung unterschiedliche Höhen aufweisen. Ferner treten die drei Spitzenteile mit unterschiedlichen Höhen auch in Umfangsrichtung der langen Knetflügel 7 hinweg abwechselnd auf. Die einzelnen Spitzenteile 7a, 7b und 7c sind so gewählt, dass ihr Spitzenabstand (Abstand zwischen dem Spitzenteil und der Innenwand der Kammer 4) in der Reihenfolge kleiner Spitzenabstand, mittlerer Spitzenabstand und großer Spitzenabstand größer wird.
Bei dieser Anordnung liegen deshalb die hohen Spitzenteile 7a in unmittelbarer Nähe der Innenwand der Kammer 4 und erzeugen so den kleinsten Spitzenabstand, sodass die hohen Spitzenteile 7a beim Drehen der Rotoren 1 und 2 starke Scherkräfte auf das Knetgut ausüben, so die Knetleistung und die Zerteilungsleistung erhöhen und das an der Innenwand der Kammer 4 haftende Knetgut abstreifen, um die Kühlwirkung zu erhöhen. Ferner ermöglichen die hohen Spitzenteile, dass der größte Teil des in Bewegung befindlichen Knetgutes in axialer Richtung fließt und das axiale Fließen des Knetgutes sowie gleichzeitig das Fließen des Knetgutes zwischen der ersten Knetkammer 4a und der zweiten Knetkammer 4b beschleunigt wird.
Die niedrigen Spitzenteile 7c hingegen sind so weit von der Innenwand der Kammer 4 entfernt, dass der größte Spitzenabstand entsteht. wenn sich die Rotoren 1 und 2 drehen, tritt bei den niedrigen Spitzenteilen 7c eine größere Menge Knetgut durch den Spitzenabstand hindurch, sodass das Fließen des Knetgutes in den Knetkammern 4a und 4b beschleunigt und gleichzeitig verhindert wird, dass lokal starke Scherkräfte auf das Knetgut einwirken und dadurch die Temperatur des Knetgutes übermäßig ansteigt.
Die mittleren Spitzenteile 7b sollen einen mittleren Spitzenabstand bereitstellen, der zwischen dem Spitzenabstand der hohen Spitzenteile 7a und den niedrigen Spitzenteilen 7c liegt, um einen Übergang zwischen den Scherkräften und dem Fließen des Knetgutes der hohen Spitzenteile 7a und der niedrigen Spitzenteile 7c herzustellen.
Die Spitzenabstände können in einer der folgenden Reihenfolgen gewählt werden: mittlerer, kleiner und großer Spitzenabstand; großer, mittlerer und kleiner Spitzenabstand; und kleiner, großer und mittlerer Spitzenabstand.
Die an der den langen Knetflügeln 7 gegenüberliegenden Seite bereitgestellten kurzen Knetflügel sind gemäß 2 mit einer hohen Spitze 8a, einer mittleren Spitze 8b und einer niedrigen Spitze 8c gebildet. Die hohen Spitzen 8a der kurzen Knetflügel 8 liegen in unmittelbarer Nähe der Innenwand der Kammer 4 und erzeugen somit ähnlich wie die hohen Spitzenteile 7a der langen Knetflügel 7 den kleinsten Spitzenabstand, sodass die hohen Spitzen 8a große Scherkräfte auf das Knetgut ausüben, das an der Innenwandfläche der Kammer 4 haftende Knetgut abstreifen und das Fließen des Knetgutes in axialer Richtung und zwischen den Knetkammern 4a und 4b beschleunigen.
Die niedrigen Spitzen 8c sind so weit von der Innenwand der Kammer 4 entfernt, dass sie ähnlich wie die niedrigen Spitzenteile 7c der langen Knetflügel 7 den größten Spitzenabstand erzeugen, sodass die niedrigen Spitzen 4c die Menge des durch den Spitzenabstand hindurchtretenden Knetgutes vergrößern, das Fließen des Knetgutes in den Knetkammern 4a und 4b beschleunigen und verhindern, dass lokal große Scherkräfte auf das Knetgut ausgeübt werden.
Die mittleren Spitzen 8b sollen einen mittleren Spitzenabstand bereitstellen, der zwischen dem Spitzenabstand der hohen Spitzen 8a und den niedrigen Spitzen 8c liegt, um ähnlich den mittleren Spitzenteilen 7b der langen Knetflügel 7 einen Übergang zwischen den Scherkräften und dem Fließen des Knetgutes der hohen Spitzen 8a und der niedrigen Spitzen 8c herzustellen.
Im Folgenden wird die Arbeitsweise der abgeschlossenen Knetvorrichtung der vorliegenden Erfindung mit dem beschriebenen Aufbau beschrieben.
Zuerst wird das Schwimmgewicht 5 gemäß 3 bei geschlossener Bodenklappe 6 dem Gehäuse 3 entnommen, um so die obere Fläche der Kammer 4 zu öffnen. Nach dem Beschicken der Kammer 4 mit dem Knetgut wie beispielsweise Gummi, Kunststoff, Füllstoffen und so weiter wird das Schwimmgewicht 5 wieder in das Gehäuse 3 eingesetzt und in den Verbindungsteil 4c der Kammer 4 gedrückt. Außerdem wird fast gleichzeitig Wasser oder Ähnliches in die mit der Außenwand des Gehäuses 3 verbundene Kühlleitung geleitet, um die in der Kammer 4 befindlichen Knetmaterialien über das Gehäuse 3 zu kühlen. Je nach Art und Beschaffenheit der Knetmaterialien kann man auch Heißwasser, Dampf und so weiter durch die Kühlleitung leiten, um die Knetmaterialien zu erwärmen.
Um durch Abscheren und Zerteilen der Knetmaterialien ein Kneterzeugnis mit gewünschten Kneteigenschaften zu erhalten, werden dann der erste Rotor 1 und der zweite Rotor 2 zum Starten des Knetvorgangs in entgegengesetzte Richtungen in Drehung versetzt. Da durch die hohen Spitzenteile 7a der langen Knetflügel 7 und die hohen Spitzen 8a der kurzen Knetflügel 8 einen kleiner Abstand entsteht, wird bei Beschickung des Übergangsbereichs mit Gummiblöcken als Knetgut dieses Material durch starke Scherkräfte in die erste und zweite Knetkammer 4a und 4b befördert, wenn der erste Rotor 1 und der zweite Rotor 2 gemäß 3 in Drehung versetzt wird. Dadurch kann das Knetgut immer bereits kurze Zeit nach Knetbeginn in alle Volumina der Kammer 4 verteilt werden, selbst wenn das Knetmaterial eine große Vielfalt von Formen und Größen aufweist.
Wenn das Knetmaterial gemäß der obigen Beschreibung beim Verteilen in der Kammer 4 geknetet wird, üben die Spitzenteile 7a, 7b und 7c der langen Knetflügel 7 und die Spitzen 8a, 8b und 8c der kurzen Knetflügel 8 in der folgenden Weise auf ein Knetgut ein, das aus Knetmaterialen und Kneterzeugnissen besteht.
4A und 4B sind Darstellungen, welche die Fließzustände des Knetgutes in der abgeschlossenen Knetvorrichtung der vorliegenden Erfindung bzw. in der herkömmlichen abgeschlossenen Knetvorrichtung zeigen. In den Zeichnungen werden durch Schraffuren mit Knetgut gefüllte Teile, durch Vektoren Fließgeschwindigkeiten und -richtungen des Knetgutes und durch umrandete Pfeile Fließrichtungen und -geschwindigkeiten des Knetgutes im Übergangsbereich 4c angezeigt.
Da gemäß der obigen Beschreibung an den hohen Spitzenteilen 7a der langen Knetflügel 7 und an den hohen Spitzen 8a der kurzen Knetflügel 8 ein kleiner Spitzenabstand vorliegt, gelangt gemäß 4A nur eine kleine Menge des Knetgutes durch den Spitzenabstand. Deshalb fließt das Knetgut von der Vorderseite der hohen Spitzenteile 7a und der hohen Spitzen in großer Menge in axialer Richtung, wodurch der größte Teil des Knetgutes zur Vorderseite der in axialer Richtung benachbarten mittleren Spitzenteile 7b der langen Knetflügel 8 und der mittleren Spitzen 8b der kurzen Knetflügel 8 befördert wird und ein Teil des Knetgutes durch den Spitzenabstand gelangt. Infolge des kleinen Spitzenabstandes wirken auf diesen Teil des Knetgutes starke Scherkräfte ein und zerteilen es. Während der Zerteilung kommt es zu einem plötzlichen Anstieg der Temperatur des zerteilten Knetgutes. Da aber der größte Teil des Knetgutes in axialer Richtung fließt, wird der Anstieg der Temperatur des gesamten Knetgutes unterdrückt. Deshalb kann man das Knetgut auch dann kontinuierlich mit starken Scherkräften zerteilen, wenn die höchstzulässige Temperatur des Knetgutes niedrig ist.
Außerdem bewegen sich die hohen Spitzenteile 7a der langen Knetflügel 7 und die hohen Spitzen 8a der kurzen Knetflügel 8 in kurzer Entfernung an der Innenwand der Kammer 4 entlang, sodass sie das an der Innenwand der Kammer 4 haftende Knetgut abstreifen. Deshalb bleibt nur eine dünne Schicht des an der Innenwand der Kammer 4 haftenden Knetgutes zurück, sodass die Kühlwirkung der Kühlleitung durch die Kammer 4 verbessert wird und der Anstieg der Temperatur des Knetgutes weiter unterdrückt werden kann.
Wenn sich die hohen Spitzenteile 7a der langen Knetflügel 7 und die hohen Spitzenteile 7a der langen Knetflügel 7 und die hohen Spitzen 8a der kurzen Knetflügel 8 sich in Richtung des Übergangsbereichs 4c bewegen, wird das Knetgut durch eine starke Druckkraft von einer ersten der beiden Knetkammern 4a und 4b in die zweite der beiden Knetkammern 4a und 4b gedrückt, sodass das Fließen des Knetgutes zwischen der ersten und der zweiten Knetkammer beschleunigt wird.
Der große Spitzenabstand an den niedrigen Spitzenteilen 7c der langen Knetflügel 7 und den niedrigen Spitzen 8c der kurzen Knetflügel 8 bewirkt, dass eine große Menge Knetgut durch diesen Spitzenabstand passiert. Deshalb fließt das Knetgut der Vorderseite der niedrigen Spitzenteile 7c und der niedrigen Spitzen 8c in großer Menge in Umfangsrichtung, wodurch sich der größte Teil des Knetgutes zur Vorderseite der in Umfangsrichtung benachbarten mittleren Spitzenteile 7b der langen Knetflügel 7 und mittleren Spitzen 8b der kurzen Knetflügel 8 bewegt und nur ein Teil des Knetgutes in axialer Richtung fließt. Außerdem ist die Druckkraft zum Herausdrücken des Knetgutes klein, sodass das Fließen des Knetgutes in die jeweils andere der beiden Knetkammern 4a und 4b unterdrückt wird, wenn sich die niedrigen Spitzenteile 7c und die niedrigen Spitzen 8c im Übergangsbereich 4c bewegen. Deshalb wird das Fließen des Knetgutes in diesem Paar Knetkammern 4a und 4b beschleunigt, und gleichzeitig werden die auf das Knetgut einwirkenden Scherkräfte durch den großen Spitzenabstand verringert, sodass ein übermäßiges Ansteigen der Temperatur des Knetgutes unterdrückt wird.
Die mittleren Spitzenteile 7b der langen Knetflügel 7 und die mittleren Spitzen 8b der kurzen Knetflügel 8 sollen einen mittleren Spitzenabstand zwischen den hohen Spitzenteilen 7a und den niedrigen Spitzenteilen 7c bereitstellen, sodass die Scherkräfte und das Fließen des Knetgutes passend eingestellt werden.
Wenn das Knetgut in der oben beschriebenen Weise geknetet wird, sind erste Knetvolumina 10a zum Fließen großer Mengen Knetgut in Umfangsrichtung, zweite Knetvolumina 10b zum Zerteilen einer kleinen Menge Knetgut durch große Scherkräfte bei gleichzeitigem Fließen einer großen Menge Knetgut in axialer Richtung und dritte Knetvolumina 10c zum Fließen des Knetgutes in axialer und Umfangsrichtung durch Ausüben mittlerer Scherkräfte gleichmäßig über den Umfang und in axialer Richtung verteilt. Im Vergleich zu der in 4B gezeigten abgeschlossenen Knetvorrichtung, bei welcher lange Knetflügel 7 und kurze Knetflügel 8 mittlere Spitzenteile 7b bzw. mittlere Spitzen 8b aufweisen, wird das Knetgut in den ersten bis dritten Knetvolumina 10a bis 10c gleichmäßig zerteilt, während sie aktiv fließen. Somit kann man immer ein Kneterzeugnis mit guten Kneteigenschaften erhalten, ohne den Spitzenabstand entsprechend den veränderten Knetbedingungen des Knetgutes zu verändern oder Leistungseinbußen der Knetvorrichtung in Kauf zu nehmen, d. h. ohne die Rotordrehzahl, die Materialeinsatzmenge und so weiter zu verändern.
Durch die abgeschlossene Knetvorrichtung der vorliegenden Erfindung erhält man gemäß der obigen Beschreibung das Kneterzeugnis mit gewünschten Kneteigenschaften, indem das Knetgut durch die Spitzenabstände zwischen der Innenwand der Kammer 4 und dem ersten Rotor 1 und dem zweiten Rotor 2 fließt, während sich die beiden Rotoren 1 und 2 in der Kammer 4 drehen, und indem Scherkräfte zum Zerteilen des Knetgutes gemäß 1 ausgeübt werden. Der erste Rotor 1 bzw. der zweite Rotor 2 sind mit langen Knetflügeln 7 und kurzen Knetflügeln 8 ausgestattet, welche in Umfangsrichtung in gleichen Abständen an drei Stellen angeordnet sind, um eine Vielzahl von drei unterschiedlichen Spitzenabständen in axialer und in Umfangsrichtung bereitzustellen.
Gemäß den beschriebenen Anordnungen fließt bei dem kleinsten der durch die langen Knetflügel 7 und die kurzen Knetflügel 8 bereitgestellten drei Spitzenabstände der größte Teil des Knetgutes an der Vorderseite des Spitzenabstandes in axialer Richtung, während ein Teil des Knetgutes durch den Spitzenabstand gelangt und durch große Scherkräfte zerteilt wird. Beim großen Spitzenabstand hingegen gelangt der größte Teil des Knetgutes an der Vorderseite durch diesen Spitzenabstand hindurch, sodass der Materialfluss in Umfangsrichtung beschleu nigt und durch geringe Scherkräfte verhindert wird, dass die Temperatur ansteigt. Wenn die verschiedenen großen und kleinen Spitzenabstände in Umfangsrichtung und in axialer Richtung auftreten, wird das Knetgut durch große Scherkräfte zerteilt und fließt dabei aktiv durch die gesamte Kammer 4, sodass ein Anstieg der Temperatur des Knetgutes während der Zerteilung verhindert wird. Daher kann man aus dem Knetgut mit unterschiedlichen Knetbedingungen immer ein Kneterzeugnis mit gewünschten Kneteigenschaften herstellen, ohne den Rotorantriebsmechanismus zu warten und ohne Leistungseinbußen wie bei der herkömmlichen Knetvorrichtung in Kauf zu nehmen.
Die Anzahl der Rotoren kann eins, zwei, drei oder mehr betragen. Außerdem werden bei der vorliegenden Ausführungsart durch die in gleichen Abständen an drei Stellen in Umfangsrichtung verteilten hohen bis niedrigen Spitzenteile 7a bis 7c der langen Knetflügel 7 und die hohen bis niedrigen Spitzen 8a bis 8c der kurzen Knetflügel 8 drei verschiedene Spitzenabstände bereitgestellt. Solange drei Stufen mit verschiedenen Spitzenabständen zumindest in axialer Richtung bereitgestellt werden, können die kurzen Knetflügel 8 sowie die Anordnung, die Anzahl und die Ganghöhe der langen Knetflügel 7 und der kurzen Knetflügel 8 und die axiale Länge der Knetflügel, auf denen jeder der Spitzenabstände bereitgestellt wird, beliebig gewählt werden.
Insbesondere können die Rotoren auch nur mit den langen Knetflügeln 7 bereitgestellt oder die langen Knetflügel 7 und die kurzen Knetflügel 8 in gleichem Abstand an zwei Stellen in Umfangsrichtung angebracht werden, wie in 5A und 5B zu sehen ist. Außerdem können die Enden der langen Knetflügel 7 mit den Enden der kurzen Knetflügel 8 gemäß 6 und 7 übereinstimmen und die hohen Spitzenteile 7a bis zu den niedrigen Spitzenteilen 7c, welche die Spitzenabstände in drei Stufen bereitstellen, können auf den langen Knetflügeln in vier getrennten Bereichen gebildet sein. Ferner können gemäß dem in 9 gezeigten Vergleichsbeispiel der lange Flügel 7 mit ausschließlich einem hohen Spitzenteil 7a, der lange Flügel 7 mit ausschließlich einem mittleren Spitzenteil 7b und der lange Flügel 7 mit ausschließlich einem niedrigen Spitzenteil 7c in Umfangsrichtung in gleichen Abständen angeordnet sein, sodass die in axialer Richtung untereinander gleichen Spitzenabstände in Umfangsrichtung in drei Stufen bereitgestellt werden. Die Anzahl der Abschnitte mit den Spitzenabständen auf den langen Flügeln 7 und den kurzen Flügeln 8 kann vorzugsweise bis zu zehn betragen, sodass die Flügel leicht hergestellt werden können.
Ferner können die langen Flügel 7 und die kurzen Flügel 8 gemäß 10 mit einem großen Anstiegswinkel gebildet werden. Der Anstiegswinkel kann vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 60 Grad gewählt werden. Das liegt daran, dass der kleine Anstiegswinkel das axiale Fließen des Knetgutes verringert und die Menge des durch den Spitzenabstand gelangenden Knetgutes vergrößert, sodass die Zerteilung beschleunigt wird, während der große Anstiegswinkel das axiale Fließen des Knetgutes verstärkt und dadurch das Vermischen in der Kammer 4 beschleunigt, sodass ein Anstiegswinkel im Bereich zwischen 10 und 60 Grad diese beiden Wirkungen gleichzeitig erbringen kann.
Die Vielzahl der Spitzenabstände beschränkt sich nicht auf solche, bei denen ein großer, ein mittlerer und ein kleiner Spitzenabstand stufenweise in geraden Linien bereitgestellt wird. Wenn man beispielsweise in der Abwicklung des Rotors von 2 senkrecht auf die Flügelfläche der langen Flügel 7 schaut, haben diese langen Flügel 7 drei Anordnungen eines ersten langen Flügels, eines zweiten langen Flügels und eines dritten langen Flügels, wie sie in 11A gezeigt werden. Der erste Flügel stellt für einen Flügel eine Vielzahl von Spitzenabständen in der Reihenfolge langer, mittlerer und kleiner Spitzenabstand bereit. Der zweite Flügel stellt für einen Flügel eine Vielzahl von Spitzenabständen in der Reihenfolge kleiner, großer und mittlerer Spitzenabstand bereit. Der dritte Flügel stellt eine Vielzahl von Spitzenabständen in der Reihenfolge mittlerer, kleiner und großer Spitzenabstand bereit.
Gemäß 11B bis 11E können auch keilförmig verlaufende Spitzenabstände gebildet werden. 11B bis 11D zeigen jeweils ein Vergleichsbeispiel, das nicht beansprucht wird. Die Spitzenabstände von 11B werden durch den ersten langen Flügel mit einem über die ganze Länge keilförmigen Verlauf bereitgestellt. Der zweite und der dritte Flügel stellen Kombinationen desselben Keilwinkels mit abgestuften Teilen bereit. In 11C bleibt der große Spitzenabstand gerade, während der Rest des mittleren und kleinen Spitzenabstandes keilförmig verläuft. In 11C kann der mittlere oder der kleine Spitzenabstand gerade bleiben und der Rest der Spitzenabstände keilförmig verlaufen. In 11D sind die keilförmig verlaufenden Spitzenabstände so miteinander kombiniert, dass keine abgestuften Teile, sondern Übergangspunkte bereitgestellt werden. In 11E sind der große, mittlere und kleine Spitzenabstand durch kleine Stufen und keilförmig verlaufende Teile voneinander getrennt. Diese keilförmig verlaufenden Spitzenabstände können bei allen Flügeln, einem bestimmten aus allen Flügeln oder einem Teil aus der einem Teil aus der Vielzahl von Spitzenabständen eines bestimmten Flügels angebracht werden. Außerdem können die Spitzenabstände in sanften Kurven keilförmig verlaufen.
Die Übergangspunkte und die Ecke der Stufenteile können vorzugsweise mit einer Fase oder mit einem Radius versehen werden, um ein Abbrechen oder Absplittern zu verhindern.
Die Rotoren können durch Gießen in einem Stück oder durch Schleifen hergestellt werden. Man kann jedoch auch ein System mit Einzelsegmenten verwenden, bei welchem die langen bzw. Gesamtflügel aus einer Vielzahl von Segmenten bestehen. Hierbei wird das Fließen des Knetgutes durch Verschieben der Phasen der Einzelsegmente stark beeinflusst, wodurch das Durchkneten des Knetgutes weiter verbessert wird.
Die Breite der jeweiligen Einzelsegment kann gleich oder ungleich gewählt und der Anstiegswinkel des Flügels konstant oder veränderlich sein. Diese Flügel können frei gestaltet werden, ohne vom technischen Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Experimentelle Beispiele
Im Folgenden werden die Ergebnisse eines Knettests mit einer kleinen experimentellen abgeschlossenen Knetvorrichtung beschrieben. Es wurde eine Knetkammer mit einem Volumen von 4 Litern verwendet. Die Anordnung der Rotorflügel und die Anordnung des bei der vorliegenden Erfindung verwendeten großen, mittleren und kleinen Spitzenabstandes sind in der Abwicklung von 12 gezeigt. Der große Spitzenabstand L betrug 6 mm (das Verhältnis des großen Spitzenabstandes L zum Innendurchmesser von 128,6 mm der Kammer betrug 0,0467), der mittlere Spitzenabstand M betrug 3 mm (das Verhältnis des mittleren Spitzenabstandes M zum Innendurchmesser von 128,6 mm der Kammer betrug 0,0233), und der kleine Spitzenabstand S betrug 1 mm (das Verhältnis des kleinen Spitzenabstandes S zum Innendurchmesser von 128,6 mm der Kammer betrug 0,0078). Die Anordnung der bei einem Vergleichsbeispiel war genauso wie bei der vorliegenden Erfindung, jedoch betrugen dabei alle Spitzenabstände 3 mm.
Sowohl bei der vorliegenden Erfindung als auch beim Vergleichsbeispiel wurde ein Gemisch von 100 Gewichtsteilen Naturgummi (CV60) und 50 Gewichtsteilen Ruß (SAF) dem Knettest unterzogen. Außerdem betrug sowohl bei der vorliegenden Erfindung als auch beim Vergleichsbeispiel der Füllungsgrad der mit dem Gemisch beschickten Knetkammer 70%, der Stempeldruck 5 kp/cm² und die Temperatur des in das Gehäuse und die Rotoren strömenden Kühlwassers 30°C.
Es wurden die zeitlichen Änderungen der Temperatur Tdis (°C) des Knetgutes, der für das Knetgut aufgewendeten mechanischen Energie Esp (kWh/kg) und die Mooney-Viskosität des Knetgutes gemessen. Deren zeitliche Änderungen sind in 13 für eine Rotordrehzahl von 60 U/min und in 14 für eine Rotordrehzahl von 90 U/min gezeigt. In diesen Zeichnungen stellen die Kurven Y die Rotoren der vorliegenden Erfindung und die Kurven X die Rotoren des Vergleichsbeispiels dar.
Gemäß 13 und 14 gibt es zwischen den Eigenschaften der Rotoren Y der vorliegenden Erfindung und den Rotoren X des Vergleichsbeispiels die folgenden Unterschiede.

1) Die für das Knetgut aufgewendete mechanische Energie der Rotoren Y der vorliegenden Erfindung ist größer als die Energie für die Rotoren X des Vergleichsbeispiels.
2) Die Temperatur des Knetgutes ist bei den Rotoren Y der vorliegenden Erfindung etwas höher als bei den Rotoren X des Vergleichsbeispiels, im Wesentlichen jedoch gleich.
3) Die Mooney-Viskosität des Knetgutes ist bei den Rotoren Y der vorliegenden Erfindung geringer als bei den Rotoren X des Vergleichsbeispiels. Außerdem zeigt 14, dass die Rotoren X des Vergleichsbeispiels die Mooney-Viskosität im Laufe der Zeit nicht so stark verringern, während die Rotoren Y der vorliegenden Erfindung die Mooney-Viskosität praktisch proportional zur Zeit verringern.

Die obigen Unterschiede der Eigenschaften 1) bis 3) zeigen, dass die Rotoren Y der vorliegenden Erfindung eine größere Kühlwirkung aufweisen als die Rotoren X des Vergleichsbeispiels und viel mechanische Energie auf das Knetgut übertragen können. Außerdem zeigt sich, dass die Viskosität des Knetgutes umso mehr sinkt, je mehr mechanische Energie übertragen wird, und dass die Rotoren Y der vorliegenden Erfindung ein Kneterzeugnis mit ausgezeichneten Verarbeitungseigenschaften liefern können, während das bei den Rotoren X des Vergleichsbeispiels nicht der Fall ist.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine abgeschlossene Knetvorrichtung bereitgestellt, bei welcher die Knetflügel aus langen und kurzen Flügeln bestehen und zumindest an den langen Flügeln eine Vielzahl verschiedener Spitzenabstände bereitgestellt wird. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine abgeschlossene Knetvorrichtung bereitgestellt, bei welcher in Umfangsrichtung der Rotoren zumindest zwei lange und zwei kurze Knetflügel und auf mindestens zwei der langen und kurzen Knetflügel eine Vielzahl verschiedener Spitzenabstände vorgesehen sind.
Diese Merkmale der Erfindung bieten die folgenden Vorteile. Die verschiedenen Spitzenabstände an den Knetflügeln können jeweils in einen kleinen und einen großen Spitzenabstand unterteilt werden. Beim kleinen Spitzenabstand fließt der größ te Teil des Knetgutes an der Vorderseite des Spitzenabstands in axialer Richtung, während ein Teil des Knetgutes durch den Spitzenabstand gelangt und durch starke Scherkräfte zerteilt wird. Beim großen Spitzenabstand hingegen gelangt der größte Teil des Knetgutes an der Vorderseite durch diesen Zwischenraum und beschleunigt das Fließen in Umfangsrichtung, sodass der Anstieg der Temperatur durch geringe Scherkräfte verhindert wird. Wenn es zumindest in axialer Richtung unterschiedliche große und kleine Spitzenabstände gibt, wird das Knetgut durch starke Scherkräfte zerteilt, während es gleichzeitig aktiv durch die gesamte Kammer fließt, sodass ein Anstieg der Temperatur des Knetgutes während des Zerteilens verhindert wird. Deshalb kann man aus unterschiedlichem Knetgut immer Kneterzeugnisse mit gewünschten Eigenschaften erhalten, ohne den Rotorantriebsmechanismus warten und die Leistungseinbußen der herkömmlichen Knetvorrichtung in Kauf nehmen zu müssen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine abgeschlossene Knetvorrichtung bereitgestellt, bei welcher eine Vielzahl von Spitzenabständen so bereitgestellt wird, dass die Spitzen der Knetflügel bis dicht zur Innenfläche der Kammer reichen, sodass das an der Innenwand der Kammer haftende Knetgut abgestreift wird und starke Scherkräfte auf einen Teil des Knetgutes ausgeübt werden. Dieses Merkmal der Erfindung bietet die folgenden Vorteile. Die in unmittelbarer Nähe der Innenwand der Kammer befindlichen Knetflügel streifen periodisch den größten Teil des an der Innenwand der Kammer haftenden Knetgutes durch die sich drehenden Rotoren ab, sodass nur eine dünne Schicht des Knetgutes zurückbleibt und die Kühlwirkung für das Knetgut durch die Kammer verbessert wird.
Gemäß der Erfindung wird eine abgeschlossene Knetvorrichtung bereitgestellt, bei welcher die Vielzahl von Spitzenabständen drei Spitzenabstände beinhalten, und zwar einen kleinen Spitzenabstand, einen mittleren Spitzenabstand und einen großen Spitzenabstand, und bei welcher das Verhältnis des Spitzenabstandes zum Innendurchmesser der Kammer beim kleinen Spitzenabstand im Bereich zwischen 0,0025 und 0,0250, beim mittleren Spitzenabstand im Bereich zwischen 0,0100 und 0,0500 und beim großen Spitzenabstand im Bereich zwischen 0,0250 und 0,1000 liegt. Dieses Merkmal der Erfindung bietet die folgenden Vorteile. Das Verhältnis des kleinen Spitzenabstandes zum Innendurchmesser der Kammer liegt innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, und man kann Funktionen ausführen, welche zum Aufbrechen in einem Knetgut enthaltener Füllstoffe und Additivkomplexe oder -gele sowie zu deren Verteilung im Knetgut geeignet sind. Außerdem liegen die Verhältnisse des mittleren Spitzenabstandes bzw. des großen Spitzenabstandes zum Innendurchmesser der Kammer innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, und die Scherkräfte können gleichmäßig auf das Knetgut übertragen werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine abgeschlossene Knetvorrichtung bereitgestellt, bei welcher das Verhältnis des Spitzenabstandes zum Innendurchmesser der Kammer beim kleinen Spitzenabstand im Bereich zwischen 0,00625 und 0,0125, beim mittleren Spitzenabstand im Bereich zwischen 0,0125 und 0,0250 und beim großen Spitzenabstand im Bereich zwischen 0,0250 und 0,075 liegt. Dieses Merkmal der Erfindung bietet den folgenden Vorteil. Das Verteilen der Komplexe oder Gele im Knetgut und auch das gleichmäßige Ausüben der Scherkräfte auf das Knetgut erfolgen in einem ausgewogenen Verhältnis.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine abgeschlossene Knetvorrichtung bereitgestellt, bei welcher mindestens ein Spitzenabstand aus der Vielzahl der abgestuften Spitzenabstände keilförmig verläuft. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine abgeschlossene Knetvorrichtung bereitgestellt, bei welcher auf einem der Knetflügel eine Vielzahl keilförmig verlaufender Spitzenabstände gebildet sind. Diese Merkmal der Erfindung bieten die folgenden Vorteile. Die keilförmig verlaufenden Spitzenabstände können das Fließen des Knetgutes beeinflussen, und die Form des Rotors lässt sich einfach herstellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine abgeschlossene Knetvorrichtung bereitgestellt, bei welcher die Flügel der Rotoren aus Einzelsegmenten bestehen. Dieses Merkmal der Erfindung bietet die folgenden Vorteile. Die Knetflügel lassen sich einfach herstellen und eröffnen vielfältigere konstruktive Möglichkeiten.
Es wird eine abgeschlossene Knetvorrichtung vorgeschlagen, welche Kneterzeugnisse mit unterschiedlichen Kneteigenschaften schonend kneten und zerteilen kann, ohne den Rotorantriebsmechanismus für einen ersten und einen zweiten Rotor warten und Leistungseinbußen der Knetvorrichtung in Kauf nehmen zu müssen, und welche gleichzeitig einen zu starken Anstieg der Temperatur der Kneterzeugnisse verhindert. In der Vorrichtung erhält man das Kneterzeugnis mit den gewünschten Kneteigenschaften durch das Fließen eines Knetgutes durch die Spitzenabstände zwischen der Innenwand einer Kammer und einem ersten und einem zweiten Rotor, während sich diese Rotoren in der Kammer drehen, und durch Einwirken von Scherkräften auf das Knetgut, um dieses zu zerteilen. Der erste und zweite Rotor ist jeweils mit drei langen Knetflügeln in Schraubenform ausgestattet, welche jeweils eine Vielzahl von Spitzenteilen zum Bereitstellen einer Vielzahl von drei Spitzenabständen in axialer Richtung aufweisen.

Claims

Abgeschlossene Knetvorrichtung, welche eine Kammer (4); und einen Rotor (1, 2) umfasst, wobei der Rotor (1, 2) zumindest in axialer Richtung mit einer Vielzahl verschiedener Spitzenabstände zwischen der Innenwand der Kammer (4) und dem Rotor (1, 2) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Spitzenabstände drei abgestufte Spitzenabstände beinhaltet und die drei abgestuften Spitzenabstände Folgendes umfassen: einen kleinen Spitzenabstand mit einem Verhältnis des kleinen Spitzenabstands zum Innendurchmesser der Kammer (4) im Bereich von 0,0025 bis 0,0250, einen mittleren Spitzenabstand mit einem Verhältnis des mittleren Spitzenabstands zum Innendurchmesser der Kammer (4) im Bereich von 0,0100 bis 0,0500, und einen großen Spitzenabstand mit einem Verhältnis des großen Spitzenabstands zum Innendurchmesser der Kammer (4) im Bereich von 0,0250 bis 0,1000.
Abgeschlossene Knetvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flügel (7, 8) aus langen Flügeln (7) und kurzen Flügeln (8) bestehen und zumindest entlang der langen Flü gel (7) eine Vielzahl verschiedener Spitzenabstände vorgesehen ist.
Abgeschlossene Knetvorrichtung nach Anspruch 2, wobei in Umfangsrichtung der Rotoren (1, 2) mindestens zwei der langen Flügel (7) und der kurzen Flügel (8) und auf den mindestens zwei der langen Flügel (7) und der kurzen Flügel (8) eine Vielzahl verschiedener Spitzenabstände bereitgestellt sind.
Abgeschlossene Knetvorrichtung nach Anspruch 1, wobei einer aus der Vielzahl der Spitzenabstände dadurch bereitgestellt wird, dass sich die Spitzen der Flügel (7, 8) in unmittelbarer Nähe der Innenwand der Kammer (4) befinden, um das an der Innenwand der Kammer (4) anhaftende Knetgut von der Oberfläche abzuschaben und auf einen Teil des Knetguts eine starke Scherkraft auszuüben.
Abgeschlossene Knetvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des Spitzenabstands zum Innendurchmesser der Kammer (4) für den kleinen Spitzenabstand im Bereich von 0,00625 bis 0,0125, für den mittleren Spitzenabstand im Bereich von 0,0125 bis 0,0250 und für den großen Spitzenabstand im Bereich von 0,0250 bis 0,075 liegt.
Abgeschlossene Knetvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Flügel (7, 8) einen Flügel mit einer Vielzahl auf diesem befindlicher abgestufter Spitzenabstände beinhalten.
Abgeschlossene Knetvorrichtung nach Anspruch 6, wobei mindestens ein Spitzenabstand aus der Vielzahl der abgestuften Spitzenabstände keilförmig verläuft.
Abgeschlossene Knetvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Flügel einen Flügel mit einer Vielzahl darauf befindlicher keilförmig verlaufender Spitzenabstände beinhalten.
Abgeschlossene Knetvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Flügel der Rotoren aus getrennten Segmenten zusammengesetzt sind.