EP2001581B1 - Homogenisator - Google Patents

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EP2001581B1
EP2001581B1 EP07727524A EP07727524A EP2001581B1 EP 2001581 B1 EP2001581 B1 EP 2001581B1 EP 07727524 A EP07727524 A EP 07727524A EP 07727524 A EP07727524 A EP 07727524A EP 2001581 B1 EP2001581 B1 EP 2001581B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
stator
homogenizer
coupling
rotation
Prior art date
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Active
Application number
EP07727524A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2001581A1 (de
Inventor
Andreas Keller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hebold Mixing&More GmbH
Original Assignee
Hebold Mixing&More GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hebold Mixing&More GmbH filed Critical Hebold Mixing&More GmbH
Publication of EP2001581A1 publication Critical patent/EP2001581A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2001581B1 publication Critical patent/EP2001581B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/27—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices
    • B01F27/271—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed radially between the surfaces of the rotor and the stator
    • B01F27/2711—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed radially between the surfaces of the rotor and the stator provided with intermeshing elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/30—Driving arrangements; Transmissions; Couplings; Brakes
    • B01F35/31—Couplings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
    • B01F23/41—Emulsifying

Definitions

  • the invention relates to a homogenizer for the production of flowable products, for example. Emulsions, suspensions or similar products, with a rotor blades having and drivable by a motor rotor and a flow elements having rotatable stator.
  • Such homogenizers are conventionally mounted under containers to mix and homogenize the contents of the container.
  • Such a homogenizer has in addition to the rotor drivable by a motor and a circular annular stator whose flow elements are arranged at least partially between two - each arranged along concentric circular lines - groups of rotor blades.
  • the product flows from inside to outside, similar to a centrifugal pump. It occurs through openings provided between the flow elements of the stator. In such a passage, the product is subjected to shearing forces and turbulence. This leads to a good mixing of the product and thus to a homogeneous end product.
  • a large number of flowable products such as e.g. Emulsions and suspensions.
  • the homogenizer can also be used as a cleaning pump.
  • cleaning it is mainly on a high throughput of the washing liquid. Therefore, a reduction of the throughput, due to the flow resistance of the stator, is disadvantageous even in such a cleaning process.
  • additional conveying elements in the form of pumping blades are mounted behind the stator. It is conventionally also provided a special tooth geometry in which, depending on the direction of rotation of the rotor, a larger passage cross-section for the medium flowing through the stator can be realized as in the opposite direction of rotation. In this opposite direction of rotation - due to the geometry - the passage of the product considerably more difficult.
  • a disadvantage of such known homogenizers is that a promotion of the product without shearing is not possible. This can cause unwanted effects, especially in the case of sensitive products, in which, for example, the acting shear forces cause changes in the structure of the product.
  • the stator of this homogenizer is also a rotatable element, and therefore rotatable Stator formed.
  • the rotatable stator is driven independently of the rotor.
  • two drive motors are necessary.
  • such drive motors are complicated and expensive.
  • two drive motors require essentially twice the maintenance.
  • the probability of failure of the homogenizer and thus the probability of a plant shutdown doubles.
  • two drive motors also lead to an increased space requirement, which often leads under a container to a very narrow and therefore only consuming to maintain and clean construction.
  • the invention is therefore based on the problem of providing a simplified homogenizer which eliminates the aforementioned disadvantages of known homogenizers.
  • the invention solves this problem by means of a homogenizer of the type mentioned, which further comprises a coupling device for selectively coupling or decoupling the stator with and from the rotor, wherein in a coupled state, the stator is driven by the rotor.
  • stator is not to be understood as meaning that the stator is permanently fixed. Rather, the stator can be operated in a fixed or in a rotating mode. That the stator is - as well as the rotor - rotatable.
  • the coupling device couples the stator to the rotor.
  • the coupling device advantageously creates a mechanical connection between a drive shaft of the rotor and the stator, so that the stator is carried along by the rotor and driven with it.
  • the stator is fixed in a decoupled state of the rotor and stator.
  • the stator is therefore designed lockable by means of a locking device.
  • the locking device is designed as a clamping device or brake.
  • the coupling device has a mechanical or electromechanical coupling with which the rotor and the stator are mechanically connectable.
  • the rotor and the stator are preferably connected rigidly to each other.
  • the coupling may be formed either mechanically or electromechanically.
  • the coupling is formed electromagnetically switchable. For example. can be actuated by energizing an electromagnet, the clutch, in particular closed or opened, are.
  • the clutch is designed to be automatically switching or externally switched.
  • An automatically switching clutch can automatically establish the coupled state in the presence of certain operating conditions.
  • an externally connected clutch couples or decouples rotor and stator as a function of an external switching request. This switching request can be supplied to the homogenizer either by an operator or by a control device.
  • the clutch on driver and cam This means that a particularly simple coupling between the rotor and stator can be achieved.
  • the coupling device is designed such that in a first direction of rotation of the rotor, the rotor is coupled to the stator such that the rotor entrains the stator, and that in a second, opposite to the first direction of rotation, the rotor and the stator are decoupled from each other.
  • the stator rotates with, i. the stator is driven by the rotor.
  • the rotor and the stator are decoupled from each other in the second direction of rotation. In particular, then the stator is locked or determined.
  • the homogenizer In the decoupled state, the homogenizer can be operated in its original mode of operation in which shearing effects on the product are exerted on the product by a differential speed between fixed stator and rotating rotor. In the opposite direction of rotation of the rotor, however, the stator is taken from the coupled rotor and rotated. The mechanical coupling device thereby causes the speed of the stator is in a fixed unchangeable relationship to the speed of the rotor, for example. Rotate the rotor and stator in the same direction at the same speed, so that no shear forces are exerted on the product.
  • the original mode of operation of the fixed stator and rotary rotor homogenizer may be in the opposite direction of rotation, i. be performed in the second direction of rotation to introduce shear energy and turbulence in the product.
  • the homogenizer can be used in the pumping operation, while it is used in the opposite direction of rotation in the original Homogenisier réelle.
  • additional facilities such as circulating or cleaning pumps in pumping.
  • the coupling device is designed as an overrunning clutch.
  • An overrunning clutch is particularly suitable easy way to rotate the stator with the rotor.
  • the principle of such overrunning clutches is used, for example, in bicycles. By reversing the direction of rotation, either the stator is taken away or decoupled from the rotor. In the case of coupling or entrainment of the stator by the rotor, the stator and rotor rotate at the same speed.
  • there is no differential speed between rotor and stator thus, no shear is exerted on the product as it passes through the homogenizer.
  • the resistances to the passage of the product through the homogenizer are reduced.
  • the turbulence is reduced to the product. This is advantageous because it thus receives a higher pumping action, ie conveying effect of the homogenizer.
  • the coupling device to a transmission which is designed such that in the coupled state of the rotor and stator is a fixed speed ratio of the rotational speed of the rotor to the rotational speed of the stator.
  • the transmission is only effective in the coupled state, i. especially only in the o.g. first direction of rotation of the rotor, in which the rotor rotates the stator.
  • the stator may rotate in the coupled state at a higher or lower speed than the rotor.
  • the speed is specified by the gearbox.
  • the coupling device is designed such that in the coupled state, the rotor and the stator are rotatable in the same or opposite direction of rotation.
  • the same direction of rotation there is no or only a slight difference in speed between rotor and stator, while in the case of opposite direction of rotation a particularly high differential speed between rotor and stator is achieved.
  • An advantage of this embodiment is that in the opposite direction of rotation, ie in mating mode or overtaking, between the rotor and stator despite increased differential speed and shearing no second drive unit is necessary. This leads to a cost-effective and space-saving design.
  • the coupling device is designed such that it either allows either a concurrent or opposite operation of the rotor and stator. In this case, appropriate switching devices are provided on the homogenizer.
  • the homogenizer allows either only an opposite operation of rotor and stator or only a concurrent operation of rotor and stator.
  • Fig. 1 shows a arranged below a container 10 homogenizer 11 with a drive shaft 12 connected to a rotor 13 and a rotatable stator 14th
  • a product to be mixed and finely processed which is homogenized by means of the homogenizer 11 and circulated.
  • the product passes through an opening 15 from the container 10 into the homogenizer 11 and is transported in the homogenizer radially or obliquely from the inside to the outside.
  • the product is then conveyed out of the homogenizer 11 via a circulation line 16 and either back into the container 10 or drained via a valve 17.
  • Fig. 2 shows another embodiment of the attachment of a homogenizer 11 to a container 10 '.
  • the homogenizer corresponds in its construction to the in Fig. 1
  • the container 10 ' has further radially outer openings 18, through which the product is conveyed by the homogenizer 11 back into the container 10'.
  • an internal homogenization of the container contents is made possible, ie the product is returned directly from the output of the homogenizer back into the container.
  • a homogenizer can also be installed in or on a pipeline or elsewhere in a processing process.
  • Fig. 3 shows the in the Fig. 1 and 2 only shown schematically homogenizer 11 in detail.
  • the upper part of Fig. 3 shows the homogenizer 11 in a side sectional view, while the lower part of Fig. 3 shows the homogenizer 11 in a horizontal sectional view.
  • Such a homogenizer 11 is also referred to as Zahnkranzdispergiermaschine.
  • the rotor 13 has a disk-like base element 19 on which a group of rotor blades 20 are arranged along a circular line. Along a further circular line, which is arranged concentrically to the aforementioned circular line, there is another group of rotor blades 21. Finally, a third group of rotor blades 22 is located along another concentrically arranged circular line.
  • each pair of groups of rotor blades is a group of flow elements between the group of rotor blades 20 and the group of rotor blades 21 a group of flow elements 23. Furthermore, there is another group between the group of rotor blades 21 and the group of rotor blades 22 Both the group of flow elements 23 and the group of flow elements 24 are each arranged along a circular line arranged concentrically to the above-mentioned circular lines.
  • a homogenizer has only one group of rotor blades, which are arranged along only one circular line, and only one group of flow elements of the stator, which are likewise provided only along a circular line arranged concentrically to the aforementioned circular line.
  • the flow elements 23, 24 are arranged on a further base element 25 of the stator 14.
  • the rotor 13 is connected via a drive shaft 26 to a drive motor 27.
  • a flowable product passes through an opening 28 in the homogenizer 11 and a discharge device 29 from the homogenizer 11 out.
  • the stator 14 is formed as a rotatable stator. It is therefore mounted on a housing 31 of the homogenizer 11 by means of a bearing 30, in particular a ball bearing.
  • bearing 32 Between the stator 14 and the rotor 13 is another bearing 32, in particular ball bearings, which allows a relative rotational movement between the rotor 13 and the stator 14.
  • the stator 14 has a shaft 33, which is designed as a hollow shaft and through which the drive shaft 26 of the rotor 13 passes.
  • This shaft 33 can be coupled via cams 34 and an axially displaceable driver 35 or a shift sleeve with cams 36 provided on the drive shaft 26.
  • the driver 35 is moved either manually or by means of an adjusting device axially to produce the coupled or the decoupled state.
  • a locking device for selectively detecting the status 14 is also provided.
  • the locking device By means of the locking device, the stator 14 can be locked or released, to then be operated as a rotating stator 14 can.
  • the locking device may be formed in particular as a brake or clamping device.
  • the drive shaft 26 of the rotor 13 can be rotated in both directions of rotation.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of a homogenizer 11 'according to the invention.
  • the homogenizer 11 ' largely corresponds to the in Fig. 3 Homogenizer 11.
  • the same reference numerals are therefore used for the same parts.
  • only the differences are compared Fig. 3 explained, with unexplained elements accordingly Fig. 3 are formed.
  • This in Fig. 4 shown embodiment uses as a coupling device between the rotor 13 'and the stator 14' an overrunning clutch 39.
  • This overrunning clutch 39 causes, in a first rotational direction according to the reference numeral 37 of the rotor 13 ', the drive shaft 26' of the rotor 13 'with the drive shaft 33' the rotatable stator 14 'is coupled. That is, the rotor 13 'and the stator 14' rotate both in the same direction of rotation 37th
  • the drive shaft 26 'of the rotor 13' is supported by means of a further bearing 40, in particular ball bearing, against the housing 31 'of the homogenizer 11'.
  • the shaft 33 'of the rotor 13' is connected via the one-way clutch 39 to the shaft 26 'of the rotor 13' in the manner described above.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of a homogenizer 11 "In this embodiment, the coupling device for coupling rotor 13" and stator 14 "has a gear 41.
  • This electromechanical clutch 46 has an electromagnet In the engaged state, the gear 45 is connected to the drive shaft 26 "of the rotor 13." By actuating the electromagnet is a torsionally rigid, in particular positive or frictional connection between the drive shaft 26 "and the gear 45 and thus also with the stator 14" created.
  • a fixed speed ratio between the rotational speed of the rotor 13 "and the stator 14" can be predetermined.
  • the transmission 41 may also have a plurality of shift stages with a plurality of fixed predefined speed ratios.
  • the gear 41 can also cause a reversal of rotation, so that, for example, the rotor 13 "rotates in the direction of rotation 37, while the stator 14" rotates in the direction of rotation 38.
  • the differential speed between rotor 13 "and stator 14" can be significantly increased to exert increased shear forces on the product.
  • the invention provides a homogenizer with a rotor and a rotatable stator, in which the rotatable stator can be optionally coupled to the rotor, so that the rotation of the stator is dependent on the rotation of the rotor.
  • the pumping action of a homogenizer can be significantly improved without additional drive motors. It only requires a coupling device for coupling the stator and rotor.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Homogenisator für die Herstellung von fließfähigen Produkten, bspw. Emulsionen, Suspensionen oder ähnlichen Produkten, mit einem Rotorschaufeln aufweisenden und mittels eines Motors antreibbaren Rotor sowie einem Strömungselemente aufweisenden drehbaren Stator.
  • Derartige Homogenisatoren werden herkömmlicherweise unter Behältern montiert, um den Inhalt des Behälters zu vermischen und zu homogenisieren. Ein derartiger Homogenisator besitzt neben dem über einen Motor antreibbaren Rotor auch einen kreisringförmig ausgebildeten Stator, dessen Strömungselemente wenigstens zum Teil zwischen zwei - jeweils entlang konzentrischer Kreislinien angeordneten - Gruppen von Rotorschaufeln angeordnet sind.
  • Im Betrieb des Homogenisators, d.h. bei rotierendem Rotor, strömt das Produkt, ähnlich wie bei einer Zentrifugalpumpe, von innen nach außen. Es tritt dabei durch zwischen den Strömungselementen des Stators vorgesehenen Öffnungen hindurch. Bei einem derartigen Durchtritt wird das Produkt Scherkräften und Verwirbelungen ausgesetzt. Dies führt zu einer guten Vermischung des Produktes und somit zu einem homogenen Endprodukt. Mit Hilfe eines derartigen Homogenisators lässt sich eine Vielzahl von fließfähigen Produkten, wie z.B. Emulsionen und Suspensionen, erzeugen.
  • Unter bestimmten Bedingungen sind jedoch derartige Scher- und Verwirbelungseinwirkungen auf das Produkt nicht erwünscht. Sie vermindern nämlich den Produktdurchsatz durch den Homogenisator, insbesondere bei zunehmender Viskosität des Produkts, und verlangsamen den Produktionsprozess während des Umpumpens des Produkts in den sich oberhalb des Homogenisators befindenden Behälters oder auch während des Austrags des Produkts aus dem Behälter.
  • In besonderen Anwendungsfällen kann der Homogenisator auch als Reinigungspumpe eingesetzt werden. Bei der Reinigung kommt es vor allem auf einen hohen Durchsatz der Waschflüssigkeit an. Daher ist auch bei einem derartigen Reinigungsprozess eine Verminderung des Durchsatzes, bedingt durch den Strömungswiderstand des Stators, nachteilig.
  • Um die Pumpwirkung eines Homogenisators zu verbessern, sind zusätzliche Einrichtungen bekannt, bei denen zusätzliche Förderelemente in Form von Pumpflügeln hinter dem Stator angebracht werden. Es wird herkömmlicherweise auch eine spezielle Verzahnungsgeometrie vorgesehen, bei der in Anhängigkeit von der Drehrichtung des Rotors ein größerer Durchtrittsquerschnitt für das durchströmende Medium durch den Stator realisierbar ist als in entgegengesetzter Drehrichtung. In dieser entgegengesetzten Drehrichtung wird - bedingt die Geometrie - der Durchtritt des Produkts wesentlich erschwert.
  • Bei diesen bekannten Homogenisatoren bewirkt jedoch die Differenzgeschwindigkeit zwischen dem drehenden Rotor und dem stehenden Stator eine mehr oder weniger hohe Scherung und zwar abhängig von der Drehzahl des Rotors.
  • Ein Beispiel für einen derartigen Homogenisator findet sich in DE 37 15 331 C2 . Ein weiteres Beispiel für einen solchen Homogenisator findet sich in EP-A-0307318 .
  • Nachteilig an derartigen bekannten Homogenisatoren ist, dass eine Förderung des Produkts ohne Scherwirkung nicht möglich ist. Dies kann insbesondere bei empfindlichen Produkten unerwünschte Auswirkungen hervorrufen, in dem bspw. die einwirkenden Scherkräfte Veränderungen im Gefüge des Produkts bewirken.
  • Aus DE 200 02 920 U1 ist ein weiterer Homogenisator bekannt, bei dem der Homogenisierungseffekt beeinflussbar und die Scherwirkung sowie die Pumpwirkung an die jeweiligen Erfordernisse anpassbar sein soll. Dazu wird der Stator dieses Homogenisators ebenfalls als drehbares Element, mithin als drehbarer Stator ausgebildet. Der drehbare Stator wird jedoch unabhängig vom Rotor angetrieben. Für einen derartigen unabhängigen Antrieb von Rotor und Stator sind jedoch zwei Antriebsmotoren nötig. Derartige Antriebsmotoren sind jedoch aufwendig und teuer. Zudem erfordern zwei Antriebsmotoren im Wesentlichen den doppelten Wartungsaufwand. Darüber hinaus verdoppelt sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des Homogenisators und damit die Wahrscheinlichkeit eines Anlagenstillstandes. Darüber hinaus führen zwei Antriebsmotoren auch zu einem erhöhten Platzbedarf, der oftmals unter einem Behälter zu einem sehr engen und daher nur aufwändig zu wartenden und zu reinigenden Aufbau führt.
  • Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, einen vereinfachten Homogenisator bereitzustellen, der die genannten Nachteile bekannter Homogenisatoren beseitigt.
  • Die Erfindung löst dieses Problem mittels eines Homogenisators der eingangs genannten Art, der ferner eine Kopplungseinrichtung zum wahlweisen Koppeln oder Entkoppeln des Stators mit bzw. von dem Rotor aufweist, wobei in einem gekoppelten Zustand der Stator vom Rotor antreibbar ist.
  • Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist der Begriff "Stator" nicht so zu verstehen, dass der Stator permanent feststeht. Vielmehr kann der Stator in einer feststehenden oder in einer drehenden Betriebsweise betrieben werden. D.h. der Stator ist - ebenso wie der Rotor - drehbar.
  • Dank der Erfindung wird lediglich ein Antriebsmotor für den Homogenisator, nämlich nur für den Rotor benötigt. In gekoppeltem Zustand, in dem auch der Stator mitdreht, wird hingegen kein zweiter Antriebsmotor zum Antrieb des Stators verwendet. Vielmehr erfolgt der Antrieb des Stators durch den Rotor. Dazu koppelt die Kopplungseinrichtung den Stator mit dem Rotor. Die Kopplungseinrichtung schafft dabei vorteilhafterweise eine mechanische Verbindung zwischen einer Antriebswelle des Rotors und des Stators, so dass der Stator vom Rotor mitgenommen und mit angetrieben wird.
  • Vorteilhafterweise drehen im gekoppelten Zustand der Rotor und der Stator gleichsinnig, so dass die Scherwirkung zwischen Rotor und Stator vermindert wird. Sofern der Stator und der Rotor mit gleicher Drehzahl drehen, wird die Scherwirkung sogar aufgehoben.
  • Vorzugsweise steht in einem entkoppelten Zustand von Rotor und Stator der Stator fest. Der Stator ist daher mittels einer Arretiereinrichtung arretierbar ausgebildet. Vorteilhafterweise ist die Arretiereinrichtung als Klemmvorrichtung oder Bremse ausgebildet.
  • Vorteilhafterweise weist die Kopplungseinrichtung eine mechanische oder elektromechanische Kupplung auf, mit der der Rotor und der Stator mechanisch verbindbar sind. In gekoppelten Zustand sind der Rotor und der Stator vorzugsweise drehstarr miteinander verbunden. Die Kupplung kann dabei entweder mechanisch oder elektromechanisch ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist die Kupplung elektromagnetisch schaltbar ausgebildet. Bspw. kann durch Bestromung eines Elektromagneten die Kupplung betätigt, insbesondere geschlossen bzw. geöffnet, werden.
  • Vorzugsweise ist die Kupplung selbsttätig schaltend oder fremdgeschaltet ausgeführt. Eine selbsttätig schaltende Kupplung kann den gekoppelten Zustand automatisch bei Vorliegen bestimmter Betriebsbedingungen herstellen. Demgegenüber koppelt bzw. entkoppelt eine fremdgeschaltet ausgebildete Kupplung Rotor und Stator in Abhängigkeit eines externen Schaltwunsches. Dieser Schaltwunsch kann entweder von einer Bedienperson oder von einer Steuerungseinrichtung dem Homogenisator zugeführt werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kupplung Mitnehmer und Nocken auf. Durch diese Mittel lässt sich eine besonders einfach Kopplung zwischen Rotor und Stator erreichen.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kopplungseinrichtung derart ausgebildet, dass in einer ersten Drehrichtung des Rotors der Rotor mit dem Stator derart gekoppelt ist, dass der Rotor den Stator mitnimmt, und dass in einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung der Rotor und der Stator voneinander entkoppelt sind.
  • Bei dieser Ausführungsform dreht in der ersten Drehrichtung des Rotors der Stator mit, d.h. der Stator wird vom Rotor mit angetrieben. Demgegenüber sind in der zweiten Drehrichtung der Rotor und der Stator voneinander entkoppelt. Insbesondere ist dann der Stator arretiert bzw.festgestellt.
  • Im entkoppelten Zustand kann der Homogenisator in seiner originären Betriebsweise betrieben werden, bei der Scherungseffekte am Produkt durch eine Differenzgeschwindigkeit zwischen feststehendem Stator und rotierendem Rotor auf das Produkt ausgeübt werden. In entgegengesetzter Drehrichtung des Rotors wird hingegen der Stator vom gekoppelten Rotor mitgenommen und mitgedreht. Die mechanische Kopplungseinrichtung bewirkt dabei, dass die Drehzahl des Stators in einem festen nicht veränderbaren Verhältnis zur Drehzahl des Rotors steht, bspw. Rotor und Stator gleichsinnig mit gleicher Drehzahl drehen, so dass keine Scherkräfte auf das Produkt ausgeübt werden.
  • Die originäre Betriebsweise des Homogenisators mit feststehendem Stator und drehendem Rotor kann jedoch bei entgegengesetzter Drehrichtung, d.h. bei der zweiten Drehrichtung ausgeführt werden, um Scherenergie und Verwirbelungen in das Produkt einzubringen. In der einen Drehrichtung mit gekoppelten Rotor und Stator kann somit der Homogenisator im Pumpbetrieb verwendet werden, während er in entgegengesetzter Drehrichtung im originären Homogenisierbetrieb eingesetzt wird. Somit ist es nicht notwendig, im Pumpbetrieb ggf. auf zusätzliche Einrichtungen wie Umwälz- oder Reinigungspumpen zurückgreifen zu müssen.
  • Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform ist die Kupplungseinrichtung als Freilaufkupplung ausgebildet. Eine Freilaufkupplung eignet sich auf besonders einfach Weise dazu, den Stator mit dem Rotor rotieren zu lassen. Das Prinzip derartiger Freilaufkupplungen wird bspw. bei Fahrrädern verwendet. Durch die Umkehrung der Drehrichtung wird entweder der Stator mitgenommen oder vom Rotor entkoppelt. Im Falle der Kopplung bzw. Mitnahme des Stators durch den Rotor drehen Stator und Rotor mit der gleichen Drehzahl. Vorteilhafterweise besteht dann zwischen Rotor und Stator keine Differenzgeschwindigkeit. Somit wird keine Scherung auf das Produkt beim Durchtritt durch den Homogenisator ausgeübt. Ferner werden bei dieser Betriebsart die dem Durchtritt des Produkts durch den Homogenisator entgegenwirkenden Widerstände vermindert. Darüber hinaus werden auch die Verwirbelungen auf das Produkt reduziert. Dies ist vorteilhaft, da man somit eine höhere Pumpwirkung, d.h. Förderwirkung des Homogenisators erhält.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Kopplungseinrichtung ein Getriebe auf, das derart ausgebildet ist, dass im gekoppelten Zustand von Rotor und Stator ein festes Drehzahlverhältnis der Drehzahl des Rotors zur Drehzahl des Stators vorliegt. Das Getriebe ist jedoch nur im gekoppelten Zustand wirksam, d.h. insbesondere nur in der o.g. ersten Drehrichtung des Rotors, bei der der Rotor den Stator mitdreht.
  • Bei dieser Ausführungsform kann der Stator im gekoppelten Zustand mit einer höhere oder einer niedrigeren Drehzahl als der Rotor drehen. Die Drehzahl wird dabei vom Getriebe vorgegeben.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kopplungseinrichtung derart ausgebildet, dass im gekoppelten Zustand der Rotor und der Stator in gleicher oder gegenläufiger Drehrichtung drehbar sind. Im Falle gleicher Drehrichtung besteht keine oder nur eine geringe Differenzgeschwindigkeit zwischen Rotor und Stator, während im Falle gegenläufiger Drehrichtung eine besonders hohe Differenzgeschwindigkeit zwischen Rotor und Stator erzielt wird. Auf das Produkt könnten somit erhöhte Scherkräfte eingetragen werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass bei gegenläufiger Drehrichtung, d.h. bei Gegenlaufbetrieb oder Überholbetrieb, zwischen Rotor und Stator trotz erhöhter Differenzgeschwindigkeit und Scherwirkung keine zweite Antriebseinheit notwendig ist. Dies führt zu einer kostengünstigen und platzsparenden Ausführung.
  • Die Kopplungseinrichtung ist dabei derart ausgebildet, dass sie entweder wahlweise einen gleichlaufenden oder gegenläufigen Betrieb von Rotor und Stator ermöglicht. Dabei sind entsprechende Umschalteinrichtungen am Homogenisator vorgesehen.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform lässt der Homogenisator jedoch entweder nur einen gegenläufigen Betrieb von Rotor und Stator oder nur einen gleichlaufenden Betrieb von Rotor und Stator zu.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der beigefügten Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:
    • Fig. 1
    einen unterhalb eines Behälters angeordneten erfindungsgemäßen Homogenisator zum Homogenisieren eines Produkts im Umlauf;
    Fig. 2
    einen unterhalb eines Behälters angeordneten erfindungsgemäßen Homogenisator zum Homogenisieren eines Produkts im Behälter;
    Fig. 3
    ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer mechanischen Kupplung eines erfindungsgemäßen Homogenisators in einer seitlichen Schnittansicht sowie in einer Schnittansicht von oben;
    Fig. 4
    ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer Freilaufkupplung eines erfindungsgemäßen Homogenisators in einer seitlichen Schnittansicht und
    Fig. 5
    ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem Getriebe und einer elektromechanischen Kupplung eines erfindungsgemäßen Homogenisators in einer seitlichen Schnittansicht.
  • Fig. 1 zeigt einen unterhalb eines Behälters 10 angeordneten Homogenisator 11 mit einem mit einer Antriebswelle 12 verbunden Rotor 13 sowie einem drehbaren Stator 14.
  • In dem Behälter 10 befindet sich ein zu vermischendes und endfein zu bearbeitendes Produkt, welches mittels des Homogenisators 11 homogenisiert und umgewälzt wird. Das Produkt gelangt dabei über eine Öffnung 15 aus dem Behälter 10 in den Homogenisator 11 und wird im Homogenisator radial bzw. schräg von innen nach außen transportiert. Das Produkt wird dann über eine Zirkulationsleitung 16 aus dem Homogenisator 11 hinaus und entweder zurück in den Behälter 10 gefördert oder über ein Ventil 17 abgelassen.
  • Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Anbringung eines Homogenisators 11 an einem Behälter 10'. Der Homogenisator entspricht in seinem Aufbau dem in Fig. 1 gezeigten Homogenisator 11. Der Behälter 10' weist jedoch neben der zentral angeordneten Öffnung 14 weitere radial weiter außen liegende Öffnungen 18 auf, durch die das Produkt vom Homogenisator 11 wieder zurück in den Behälter 10' gefördert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine interne Homogenisierung des Behälterinhalts ermöglicht, d.h. das Produkt wird direkt vom Ausgang des Homogenisators wieder in den Behälter zurückgeführt.
  • Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anbringung eines Homogenisators an einem Behälter beschränkt. Vielmehr kann erfindungsgemäß ein Homogenisator auch in oder an einer Rohrleitung oder an anderer Stelle eines Verarbeitungsprozesses installiert sein.
  • Fig. 3 zeigt den in den Fig. 1 und 2 nur schematisch gezeigten Homogenisator 11 im Detail. Der obere Teil von Fig. 3 zeigt den Homogenisator 11 in einer seitlichen Schnittansicht, während der untere Teil von Fig. 3 den Homogenisator 11 in einer horizontalen Schnittansicht zeigt.
  • Ein derartiger Homogenisator 11 wird auch als Zahnkranzdispergiermaschine bezeichnet. Der Rotor 13 weist ein scheibenartiges Grundelement 19 auf, an dem entlang einer Kreislinie eine Gruppe von Rotorschaufeln 20 angeordnet sind. Entlang einer weiteren Kreislinie, die konzentrisch zur vorstehend genannten Kreislinie angeordnet ist, befindet sich eine weitere Gruppe von Rotorschaufeln 21. Schließlich befindet sich entlang einer weiteren konzentrisch angeordneten Kreislinie eine dritte Gruppe von Rotorschaufeln 22.
  • Zwischen jeweils zwei Gruppen von Rotorschaufeln befindet sich eine Gruppe von Strömungselementen und zwar zwischen der Gruppe von Rotorschaufeln 20 und der Gruppe von Rotorschaufeln 21 eine Gruppe von Strömungselementen 23. Ferner befindet sich zwischen der Gruppe von Rotorschaufeln 21 und der Gruppe von Rotorschaufeln 22 eine weitere Gruppe von Strömungselementen 24. Sowohl die Gruppe von Strömungselementen 23 als auch die Gruppe von Strömungselementen 24 sind jeweils entlang einer konzentrisch zu den vorstehend genannten Kreislinien angeordneten Kreislinie angeordnet.
  • Zwar wurde das vorliegende Ausführungsbeispiel mit drei Gruppen von Rotorschaufeln 20, 21, 22 sowie zwei Gruppen von Strömungselementen 23, 24 des Stators 14 dargestellt. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind jedoch auch andere Anzahlen von Gruppen von Rotorschaufeln bzw. Strömungselementen vorgesehen. Im einfachsten Fall weist ein Homogenisator lediglich eine Gruppe von Rotorschaufeln auf, die entlang nur einer Kreislinie angeordnet sind, sowie nur einer Gruppe von Strömungselementen des Stators, die ebenfalls nur entlang einer konzentrisch zur vorstehend genannten Kreislinie angeordneten Kreislinie vorgesehen sind.
  • Die Strömungselemente 23, 24 sind an einem weiteren Grundelement 25 des Stators 14 angeordnet.
  • Der Rotor 13 ist über eine Antriebswelle 26 mit einem Antriebsmotor 27 verbunden. Ein fließfähiges Produkt gelangt über eine Öffnung 28 in den Homogenisator 11 und über eine Austragseinrichtung 29 aus dem Homogenisator 11 heraus.
  • Der Stator 14 ist als drehbarer Stator ausgebildet. Er ist daher mittels eines Lagers 30, insbesondere Kugellagers, an einem Gehäuse 31 des Homogenisators 11 gelagert.
  • Zwischen dem Stator 14 und dem Rotor 13 befindet sich ein weiteres Lager 32, insbesondere Kugellager, welches eine Relativ-Drehbewegung zwischen dem Rotor 13 und dem Stator 14 ermöglicht.
  • Der Stator 14 weist eine Welle 33 auf, die als Hohlwelle ausgebildet ist und durch die die Antriebswelle 26 des Rotors 13 hindurchführt. Diese Welle 33 ist über Nocken 34 und einem axial verschiebbaren Mitnehmer 35 bzw. einer Schaltmuffe mit an der Antriebswelle 26 vorgesehenen Nocken 36 koppelbar.
  • Im in Fig. 3 dargestellten Zustand sind Rotor 13 und Stator 14 nicht miteinander gekoppelt, sondern entkoppelt. Sofern jedoch der Mitnehmer 35 in eine obere Schaltstellung gebracht wird, findet eine Kopplung von Rotor 13 und Stator 14 statt.
  • Der Mitnehmer 35 wird entweder manuell oder mittels einer Verstelleinrichtung axial verschoben, um den gekoppelten oder den entkoppelten Zustand herzustellen.
  • Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner eine Arretiervorrichtung zum wahlweisen Feststellen des Status 14 vorgesehen. Mittels der Arretiervorrichtung kann der Stator 14 arretiert oder auch gelöst werden, um dann als drehender Stator 14 betrieben werden zu können. Die Arretiervorrichtung kann insbesondere als Bremse oder Klemmvorrichtung ausgebildet sein.
  • Wie mittels der Pfeile 37, 38 dargestellt, kann die Antriebswelle 26 des Rotors 13 in beide Drehrichtungen gedreht werden.
  • Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Homogenisators 11'. Der Homogenisator 11' entspricht weitgehend dem in Fig. 3 gezeigten Homogenisator 11. Für gleiche Teile werden daher gleiche Bezugsziffern verwendet. Ferner werden nur die Unterschiede gegenüber Fig. 3 erläutert, wobei nicht erläuterte Elemente entsprechend Fig. 3 ausgebildet sind.
  • Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel verwendet als Kupplungseinrichtung zwischen dem Rotor 13' und dem Stator 14' eine Freilaufkupplung 39. Diese Freilaufkupplung 39 bewirkt, dass in einer ersten Drehrichtung gemäß der Bezugsziffer 37 des Rotors 13' die Antriebswelle 26' des Rotors 13' mit der Antriebswelle 33' des drehbaren Stators 14' gekoppelt ist. D.h. der Rotor 13' und der Stator 14' drehen beide in die gleiche Drehrichtung 37.
  • In der entgegengesetzten Drehrichtung gemäß Bezugsziffer 38 ist hingegen der Rotor 13' vom Stator 14' entkoppelt, wobei der Stator 14' stillsteht.
  • Die Antriebswelle 26' des Rotors 13' ist mittels eines weiteren Lagers 40, insbesondere Kugellagers, gegen das Gehäuse 31' des Homogenisators 11' abgestützt. Die Welle 33' des Rotors 13' ist über die Freilaufkupplung 39 mit der Welle 26' des Rotors 13' in der oben beschriebenen Weise verbunden.
  • Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Homogenisators 11". In diesem Ausführungsbeispiel weist die Kopplungseinrichtung zum Koppeln von Rotor 13" und Stator 14" ein Getriebe 41 auf. Die Welle 33" des Stators 14" weist einen Zahnkranz bzw. einen zahnradartig ausgebildeten Abschnitt 42 auf. Dieser Abschnitt 42 steht im Eingriff mit einem ersten Zahnrad 43 des Getriebes 41, welches wiederum über eine Welle 44 mit einem zweiten Zahnrad 45 drehstarr verbunden ist. Dieses zweite Zahnrad 45 steht mit einer elektromechanischen Kupplung 46 in Verbindung. Diese elektromechanische Kupplung 46 weist einen Elektromagneten auf, mittels dem die Kupplung geschaltet werden kann. Im eingekuppelten Zustand ist das Zahnrad 45 mit der Antriebswelle 26" des Rotors 13" verbunden. Durch Betätigen des Elektromagneten wird eine drehstarre, insbesondere form- oder reibschlüssige Verbindung zwischen der Antriebswelle 26" und dem Zahnrad 45 und somit auch mit dem Stator 14" geschaffen.
  • Mittels des Getriebes 41 kann ein festes Drehzahlverhältnis zwischen der Drehzahl des Rotors 13" und des Stators 14" vorbestimmt werden. Das Getriebe 41 kann dabei auch mehrere Schaltstufen mit mehreren fest vordefinierten Drehzahlverhältnissen aufweisen. Darüber hinaus kann das Getriebe 41 auch eine Drehrichtungsumkehr bewirken, so dass bspw. der Rotor 13" in Drehrichtung 37 dreht, während der Stator 14" in Drehrichtung 38 dreht. Durch diese Maßnahme kann die Differenzgeschwindigkeit zwischen Rotor 13" und Stator 14" signifikant erhöht werden, um erhöhte Scherkräfte auf das Produkt auszuüben.
  • Insgesamt schafft die Erfindung einen Homogenisator mit einem Rotor und einem drehbaren Stator, bei dem der drehbare Stator wahlweise mit dem Rotor gekoppelt werden kann, so dass die Drehung des Stators abhängig ist von der Drehung des Rotors. Auf diese Weise kann die Pumpwirkung eines Homogenisators ohne zusätzliche Antriebsmotoren signifikant verbessert werden. Es bedarf lediglich einer Kopplungseinrichtung zum Koppeln von Stator und Rotor.

Claims (10)

  1. Homogenisator für die Herstellung von fließfähigen Produkten, bspw. Emulsionen, Suspensionen oder ähnlichen Produkten, mit einem Rotorschaufeln (18, 19, 20) aufweisenden und mittels eines Motors (27) antreibbaren Rotors (13, 13', 13") und einem Strömungselemente (23, 24) aufweisenden drehbaren Stator (14, 14', 14")
    gekennzeichnet durch
    eine Kopplungseinrichtung (34, 35, 36; 39; 46) zum wahlweisen Koppeln oder Entkoppeln des Stators (14, 14', 14") mit bzw. von dem Rotor (13, 13', 13") derart, dass in einem gekoppelten Zustand der Stator (14, 14', 14") vom Rotor (13, 13', 13") antreibbar ist.
  2. Homogenisator nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in einem entkoppelten Zustand von Rotor (13, 13', 13") und Stator (14, 14', 14") der Stator (14, 14', 14") festgestellt, insbesondere arretiert, ist.
  3. Homogenisator nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kopplungseinrichtung (34, 35, 36; 39; 46) eine mechanische (34, 35; 39) oder elektromechanische (46) Kupplung aufweist, mit welcher der Rotor (13, 13', 13") und der Stator (14, 14', 14") mechanisch verbindbar sind.
  4. Homogenisator nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kupplung (34, 35, 36; 39; 46) elektromagnetisch schaltbar ausgebildet ist.
  5. Homogenisator nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kupplung (34, 35, 36; 39; 46) selbsttätig schaltend oder fremdgeschaltet ausgebildet ist.
  6. Homogenisator nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kupplung Mitnehmer (35) und Nocken (34) aufweist.
  7. Homogenisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kopplungseinrichtung (34, 35, 36; 39; 46) derart ausgebildet ist, dass in einer ersten Drehrichtung (37) des Rotors (13, 13', 13") der Rotor (13, 13', 13") mit dem Stator (14, 14', 14") derart gekoppelt ist, dass der Rotor (13, 13', 13") den Stator (14, 14', 14") mitnimmt, und dass in einer zweiten, der ersten Drehrichtung (37) entgegengesetzten Drehrichtung (38) der Rotor (13, 13', 13") und der Stator (14, 14', 14") voneinander entkoppelt sind.
  8. Homogenisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kopplungseinrichtung eine Freilaufkupplung (39) aufweist.
  9. Homogenisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kopplungseinrichtung ein Getriebe (41) aufweist, das derart ausgebildet ist, dass im gekoppelten Zustand von Rotor (13") und Stator (14") ein festes Drehzahlverhältnis der Drehzahl des Rotors (13") zur Drehzahl des Stators (14") vorliegt.
  10. Homogenisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kopplungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass im gekoppelten Zustand der Rotor (13") und der Stator (14") in gleicher oder gegenläufiger Drehrichtung drehbar sind.
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