DE69919820T2

DE69919820T2 - Rotor für Elastomermischer mit veränderlichem Gewindegang

Info

Publication number: DE69919820T2
Application number: DE69919820T
Authority: DE
Inventors: Roberto Regalia
Original assignee: Techint Compagnia Tecnica Internazionale SpA
Current assignee: Techint Compagnia Tecnica Internazionale SpA
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1999-11-23
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2019-11-24
Also published as: KR100671715B1; SI1005969T1; SK160399A3; HRP990368B1; ATE275028T1; CZ299424B6; BR9905762A; US20010050880A1; CZ417399A3; KR20000047752A; DE69919820D1; PL336837A1; IT1303885B1; ES2227967T3; TR199902933A3; EP1005969A1; ITMI982589A1; CA2290923A1; CN1256193A; CN1330474C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen internen Mischer gemäß der Merkmale des Oberbegriffs des beiliegenden Anspruchs 1 zum Mischen von Elastomeren und dergleichen mit einigen Rotoren, umfassend einen ersten Abschnitt von größerer axialer Länge, der einen Schubflügel definiert, und einen zweiten Abschnitt von kleinerer axialer Länge, der einen Gegenschubflügel definiert.
Es ist bekannt, dass in dem Fachgebiet des Verarbeitens von Gummi oder Kunststoffen Mischmaschinen des Typs, der als "interne Mischer" bezeichnet wird, benutzt werden, um eine Mischung zu erhalten, die geeignet ist, in das fertige oder halbfertige Produkt umgewandelt zu werden, wobei die Mischmaschinen intern mit einer Mischkammer (unterteilt in zwei Halbkammern) mit zwei in ihr rotierenden parallelachsigen Rotoren gebildet werden, die z. B. vom tangentialen oder ineinander eingreifenden Typ sein können.
Die Rotoren haben im wesentlichen die Funktion des Durchführens von:

– Vereinigung der verschiedenen Zutaten, die das verarbeitete Material bilden, das zur Vereinfachung im folgenden als Mischung bezeichnet werden wird;
– Zerteilung, d. h. Reduktion des Durchmessers der Füllstoffe, wie z. B. Ruß und Siliziumoxyd, die der Mischung beigegeben werden;
– Verteilung/Homogenisierung der Füllstoffe in der Mischung, um letztere überall in ihrer Masse so gleichmäßig wie möglich zu machen.

Es ist ebenso bekannt, dass die Verteilung der Füllstoffe in der Polymermatrix von der Effizienz des Geschwindigkeitsfeldes in der Mischkammer abhängig ist, nämlich der Kapazität der Rotoren, die Mischung ohne Erzeugung von Stagnationspunkten zu bewegen und gleichzeitig zu bewirken, dass die Mischung von einer Halbkammer in die andere fließt, während die Zerteilung von der Charakteristik des Flussfeldes abhängig ist, wie z. B. der Scherkraft und des Deformationsgradienten, den die Rotoren während einer Rotation auf die Mischung ausüben können. Die verschiedenen Konfigurationen und geometrischen Formen der Rotoren produzieren deshalb zwei verschiedene Typen von Mischhandlungen, die wie folgt definiert werden:

– Zerteilendes Mischen = Vereinigen der Partikel des Füllstoffes mit der Elastomermatrix und Reduktion des mittleren Partikeldurchmessers der vereinigten individuellen Komponenten; und
– Verteilendes Mischen = gleichmäßige Verteilung und Homogenisierung der Partikel in der Mischung.

Insbesondere ist bekannt, dass es zum Erhalt von zerteilendem Mischen notwendig ist, dass die Mischung zwei verschiedenen Schüben unterzogen wird, d. h. einem axialen Schub, der den Fluss der Partikel der Mischung in der Halbkammer in axialer Richtung bewirkt, und einem Querschub, der bewirkt, dass die Mischung sich von einer Halbkammer zu der anderen fortbewegt. Es ist ebenso bekannt, dass es zu schwierig ist, die beiden verschiedenen Mischhandlungen gleichzeitig zu maximieren, weil die Konfigurationen und geometrischen Formen der Mischrotoren (beherbergt in den jeweiligen Halbkammern der Mischmaschinen), die eine Verbesserung des zerteilenden Mischens bestimmen, dazu tendieren, die Charakteristik des verteilenden Mischens zu verschlechtern, und umgekehrt.
Deshalb wurden zahlreiche Versuche unternommen, Konfigurationen der Rotoren zu entwerfen, die nicht nur eine akzeptable Balance zwischen den beiden verschiedenen Mischhandlungen produzieren würden, sondern diese gleichzeitig auch optimieren.
Beispiele für derartige bekannte Rotoren sind z. B. in dem Patent GB 2,024,635 illustriert, in welchem der Rotor in zwei axiale Abschnitte von verschiedener Länge unterteilt ist, die jeweils den Schubflügel (von größerer Länge) und den Gegenschubflügel (von kleinerer Länge) bilden.
Dieser Rotor hat konstante Spiralwinkel und, obwohl er funktionsfähig ist, funktioniert dementsprechend in identischer Weise in allen Zonen des Flussfeldes in der Mischkammer, wobei gleichzeitiges Maximieren der beiden zerteilenden und verteilenden Mischhandlungen im gesamten Flussfeld der Kammer nicht ermöglicht wird.
Deshalb ist das sich stellende technische Problem, das Bereitstellen eines Rotors für interne Mischer, zum Mischen von elastomeren Produkten, der eine geometrische Charakteristik hat, die die dreidimensionale Form und den Querschnitt derart betrifft, das gleichzeitiges Maximieren der zerteilenden und der verteilenden Mischhandlungen an jedem Punkt des Flussfeldes ermöglicht wird.
In dem Umfang dieses Problems ist die Notwendigkeit, einen optimalen Phasenversatzwinkel zwischen zwei identischen Rotoren zu produzieren, die parallel zueinander in einer internen Mischmaschine angebracht sind, eine weitere Anforderung.
Diese technischen Probleme werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen internen Mischer gemäß der Merkmale des kennzeichnenden Teils des beiliegenden Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Weitere Details können aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkenden Beispiels einer Ausführungsform entnommen werden, das mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen bereitgestellt wird, in welchen:
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines internen Mischers;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht von einem der beiden Rotoren für einen internen Mischer gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine Seitenansicht des Rotors gemäß 2;
4 zeigt eine Seitenansicht eines um 90 Grad gedrehten Rotors gemäß 2;
5 zeigt die planare Entwicklung des Profils des Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt eine Querschnittsansicht der Mischkammer mit einem vergrößerten Detail der äußeren Kante des Rotors gemäß der Erfindung;
7 zeigt eine Draufsicht der Mischkammer eines internen Mischers gemäß der Erfindung;
8 zeigt eine Schnittansicht entlang der Ebene, die in 7 durch VIII-VIII bezeichnet ist; und
9 zeigt die planare Entwicklung eines weiteren Profils des Rotors für einen internen Mischer gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie illustriert umfasst ein interner Mischer 1 einen oberen Ladeteil 1a, eine Mischkammer 2 und eine Basis 1b mit einer Luke 20, um die Mischkammer zum Entnehmen der Mischung am Ende des Zyklus zu öffnen.
Die Kammer 2 wird nacheinander durch zwei Wände 3a, 3b und zwei Schultern (in 1 ist nur 4b sichtbar) gebildet, die die typische Konfiguration von sich schneidenden Umfängen der Kammer definieren, die somit in zwei Halbkammern 2a, 2b unterteilt ist, die die jeweiligen Rotoren 5 intern beherbergen, die in dem Beispiel vom tangentialen Typ sind und die um eine jeweilige Längsachse 5a, 5b rotieren.
Die Rotoren 5 haben eine im wesentlichen zylinderförmige Form mit einer Gesamtlänge L und einem Durchmesser D5, sind aber in der Längsrichtung in zwei separate Teile unterteilt, wobei einer von ihnen L1, den Mischschubflügel 6 bildend, von größerer Länge ist und einer L2 von kleinerer Länge ist, der den Mischgegenschubflügel 7 bildet.
Die beiden Rotoren 5 sind darüber hinaus in der Kammer 2 entgegengesetzt angebracht (1, 7), so dass jeder Schubflügel 6 den zu ihm korrespondierenden Gegenschubflügel 7 des anderen Rotors hat, um einen Druckgradienten zwischen den beiden Rotoren zu produzieren, der die Fortbewegung der Mischung von einer Halbkammer zu der anderen ermöglicht, wobei das Verschließen des Bewegungspfades der Mischungspartikel ermöglicht wird, die sich dann in der Kammer von einer Halbkammer in die andere fortbewegend zirkulieren, wobei das erwünschte verteilende Mischen bewirkt wird.
Wie in den 2 und 3 gezeigt wird, haben die Rotoren 5 einen Schubflügel 6 mit einem Drallwinkel β (d. h. dem Winkel zwischen der Rotationsachse des Rotors und einer Linie, die zu jedem Punkt auf der Spitze der Spirale tangential ist), der entlang der Erstreckung der Spirale des Flügels selbst variabel ist.
Diese Variation kann von dem kontinuierlichen Typ oder dem diskontinuierlichem Typ sein.
Genauer (3 und 5) hat der Schubflügel 6:

– einen ersten Teil 6a mit einer axialen Länge L3, der einen Winkel β3 von zwischen 15 Grad und 75 Grad bildet; vorzugsweise ist dieser Winkel β3 zwischen 15 Grad und 60 Grad; und
– einen zweiten Teil 6b mit einer axialen Länge L4, der einen Winkel β4 von zwischen 15 Grad und 75 Grad bildet; vorzugsweise ist dieser Winkel β4 zwischen 25 Grad und 60 Grad.

Es wurde ebenfalls gezeigt, dass das Verhältnis zwischen den Längen in der Längsrichtung L1 und L2 der beiden Rotor-Schub- und -Gegenschub-Abschnitte vorteilhaft zwischen 0,05 und 0,5 sein kann.
Zusätzlich zu der Variation des Drallwinkels des Schubflügels wurde experimentell gezeigt, dass Verbesserungen bei der zerteilenden Mischhandlung durch Bereitstellen eines Rotorquerschnitts mit der folgenden in 6 illustrierten Charakteristik erzielt werden, wobei die Parameter A, B, C, D die folgende Bedeutung haben:
A = die minimale Distanz zwischen der Spitze des Rotors und der internen Wand der zugehörigen Mischhalbkammer;
B = die Breite der Rotorspitze;
C = Knetwinkel der Mischung;
D = Austrittswinkel aus der Mischung.
Insbesondere ist die Geometrie des Querschnitts vorzugsweise charakterisiert durch Werte von A, so dass:

– das Verhältnis zwischen der minimalen Distanz der Spitze des Rotors mit einem Durchmesser D5 und der Kammerwand innerhalb der folgenden Werte liegt: 0,01 < A/D5 < 0,015;
– das Verhältnis zwischen der minimalen Distanz (A) der Rotorspitze von der Kammerwand und der Breite (B) der Spitze selbst innerhalb der folgenden Werte liegt: 0,10 < A/B < 0,5 und vorzugsweise 0,15 < A/B < 0,25;
– der Knetwinkel (C) der Mischung zwischen 15 Grad und 35 Grad und vorzugsweise zwischen 20 Grad und 25 Grad ist;
– der Austrittswinkel (D) aus der Mischung zwischen 25 Grad und 70 Grad und vorzugsweise zwischen 35 Grad und 60 Grad ist.

Deshalb tendiert der Parameter D dazu, vergrößert zu werden, weil je größer sein Wert ist, desto größer ist der Raum, der sich zwischen dem Gegenschubflügel und dem Schubflügel der beiden Rotoren ergibt, was den Druckgradient in den Zonen vergrößert, wo sich die Mischung von einer Halbkammer in die andere fortbewegt, wobei insgesamt eine Verbesserung des verteilenden Mischens begünstigt wird.
9 zeigt die planare Entwicklung eines weiteren Profils des Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung: In diesem Fall ist es der Gegenschubflügel 7, der einen Drallwinkel σ in der Mischung hat, der entlang der Erstreckung der Spirale variiert wird.
Genauer hat der Gegenschubflügel:

– einen ersten Teil 7a mit einer axialen Länge L6, der einen Winkel σ3 von zwischen 15 Grad und 75 Grad bildet; vorzugsweise ist dieser Winkel σ3 zwischen 30 Grad und 60 Grad; und
– einen zweiten Teil 7b mit einer axialen Länge L7, der einen Winkel σ4 von zwischen 15 Grad und 75 Grad bildet; vorzugsweise ist dieser Winkel σ4 zwischen 25 Grad und 60 Grad.

Obwohl durch Beispiele von zwei Versionen mit einer einzelnen Variation des Drallwinkels für den Schubflügel oder für den Gegenschubflügel beschrieben, ist es offensichtlich, dass ein Fachmann sich entscheiden kann, verschiedene Kombinationen von Variationen der zwei Flügel, d. h. Schubflügel und Gegenschubflügel, bereitzustellen und ebenso mehr als eine Variation des Winkels für den gleichen Flügel einführen könnte, sowohl separat als auch in Kombination mit einer oder mehreren Variationen des Winkels des anderen Flügels.
Sobald die beiden Rotoren in der Mischkammer 2 der Maschine 1 angeordnet sind, ist es ebenfalls notwendig, sicherzustellen, dass sie mit einem bestimmten Winkel winklig phasenversetzt sind, um eine Optimierung des Teils der verteilenden Mischhandlung aufgrund des Austauschs von Material zwischen den beiden Halbkammern 2a, 2b zu erreichen; genauer (8, 9) ist der Winkel α des Phasenversatzwinkels zwischen den beiden Rotoren vorteilhaft zwischen 70 Grad und 125 Grad und vorzugsweise zwischen 85 Grad und 120 Grad.

Claims

Interner Mischer zum Mischen von Elastomeren und dergleichen, umfassend eine durch Wände (3a, 3b) begrenzte Mischkammer (2), die in zwei Halbkam mern (2a, 2b) unterteilt ist, von denen jede im Inneren einen Rotor (5) beherbergt, der einen ersten Abschnitt (L1) mit größerer Länge in der axialen Richtung besitzt, welcher einen Schubflügel (6) definiert, und einen zweiten Abschnitt (L2) mit kürzerer Länge in der axialen Richtung besitzt, welcher einen Gegenschubflügel (7) definiert, wobei beide Rotoren zueinander phasenversetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß beide Stütz- und Gegenschubflügel eine Spitze eigener Breite (B) definieren, wobei ein Eintrittswinkel (C) in und ein Austrittswinkel (D) aus der Mischung bei zumindest einem des Schubflügels (6) oder Gegenschubflügels (7) einen Drallwinkel (β, σ) besitzt, welcher entlang seiner axialen Erstreckung variiert.
Interner Mischer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der angulare Phasenversatzwinkel (α) zwischen den zwei Rotoren (5) zwischen 70° und 125° beträgt.
Interner Mischer gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenversatzwinkel (α) vorzugsweise zwischen 85° und 120° beträgt.
Interner Mischer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (A/D5) zwischen dem minimalen Abstand (A) der Spitze des Rotors (5) von der Wand der Kammer (2) und dem Durchmesser (D5) des Rotors selbst innerhalb der folgenden Werte liegt: 0,01 < A/D5 < 0,015.
Interner Mischer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem minimalen Abstand (A) der Spitze des Rotors (5) und der Breite (B) der Spitze selbst innerhalb der folgenden Werte liegt: 0,10 < A/B < 0,5.
Interner Mischer gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem minimalen Abstand (A) der Spitze des Rotors (5) und der Breite (B) der Spitze selbst innerhalb der folgenden Werte liegt: 0,15 < A/B < 0,25.
Interner Mischer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittswinkel (β, σ) in die Mischung in einer kontinuierlichen Weise variiert.
Interner Mischer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittswinkel (β, σ) in einer diskontinuierlichen Weise variiert.
Interner Mischer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schubflügel (6) oder der Gegenschubflügel (7) einen ersten Teil (6a, 7a) mit einem Eintrittswinkel (β3, σ3) zwischen 15° und 75° besitzt.
Interner Mischer gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittswinkel (β3, σ3) des ersten Teils (6a, 7a) des Schubflügels (6) oder des Gegenschubflügels (7) vorzugsweise zwischen 30° und 60° beträgt.
Interner Mischer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schubflügel (6) oder der Gegenschubflügel (7) einen zweiten Teil (6b, 7b) mit einem Eintrittswinkel (β4, σ4) zwischen 15° und 75° besitzt.
Interner Mischer gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittswinkel (β4, σ4) des zweiten Teils (6b, 7b) des Schubflügels (6) oder des Gegenschubflügels (7) vorzugsweise zwischen 25° und 60° beträgt.
Interner Mischer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Schubflügel (6) als auch der Gegenschubflügel (7) eines jeden Rotors einen Drallwinkel in die Mischung besitzt, der entlang seiner Erstreckung variiert.
Interner Mischer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der axialen Längen (L2/L1) des Gegenschubflügels (7) und des Schubflügels (6) zwischen 0,05 und 0,5 beträgt.
Interner Mischer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Knetwinkel (C) des Rotors zwischen 15° und 35° beträgt.
Interner Mischer gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Knetwinkel (C) der Mischung vorzugsweise zwischen 20° und 25° beträgt.
Interner Mischer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittswinkel (D) des Rotorflügels aus der Mischung zwischen 25° und 70° beträgt.
Interner Mischer gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittswinkel (D) aus der Mischung vorzugsweise zwischen 35° und 60° beträgt.