KR20150079813A - 온도-제어 열역학 믹서 - Google Patents

온도-제어 열역학 믹서 Download PDF

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KR20150079813A
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실바인 마텔
스테펜 머피
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피닉스 이노베이션 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

샤프트 어셈블리를 포함하는 믹서와 함께, 온도-제어 K-믹서에서 이용하기 위한 샤프트 어셈블리가 제공된다. 샤프트 어셈블리는, 내측 통로를 정의하는 내측 중공 샤프트, 및 내측 중공 샤프트를 동축으로 둘러싸는 외측 중공 샤프트를 포함한다. 외측 통로는 내측 및 외측 중공 샤프트들 사이에서 연장된다. 샤프트는 또한, 재료를 믹싱하기 위해 외측 중공 샤프트로부터 연장되는 복수의 블레이드들을 포함한다. 블레이드들 각각에는 채널들이 제공된다. 내측 통로, 채널들 및 외측 통로는, 샤프트들 및 블레이드들의 온도를 제어하기 위해, 가압된 유체가 내측 및 외측 중공 샤프트들 및 블레이드들 내에서 순환하도록 허용하는 연속적인 유동 경로를 형성한다. 채널들은, 샤프트 어셈블리의 회전 방향과 반대 방향에서 블레이드들 내에서의 유체의 유동을 허용한다.

Description

온도-제어 열역학 믹서{TEMPERATURE-CONTROLLED THERMOKINETIC MIXER}
본 발명은 일반적으로, 이하 K-믹서로도 지칭되는 열 역학적 믹서 또는 열역학 믹서에 관한 것이다. 더 상세하게, 본 발명은 샤프트 어셈블리에 관한 것이고, K-믹서가 동작하는 동안 K-믹서의 블레이드들의 온도를 제어하기 위한 개선된 특징들을 갖는 K-믹서에 관한 것이다.
K-믹서들은, 다른 적용들 중에서도, 고무의 기계적 재생산을 위해 이용될 수 있는 고강도 믹서들(Crocker 등의 US 4,332,479호 참조)이다 (US 특허들 5,883,140호(Fisher 등); 7,342,052호 (Fulford 등); 또는 본 출원인의 출원 WO 2011/113148호 참조). K-믹서들은, 이들이 더 높은 RPMs(revolutions per minute) 및 높은 힘의 모멘트(토크)에서 동작될 수 있다는 점에서 교반기들 및 반죽 장치들과는 상이하다. 따라서, K-믹서들의 컴포넌트들은 높은 온도를 겪고, 고무 재생산 적용들에서, 컴포넌트들의 열 관성은, K-믹서들을 준-연속적 프로세스 환경에서 동작시키는 것을 방해한다. 준-연속적 프로세스는 통상적으로, 배치(batch)들 사이에서 장비를 정지할 필요가 없거나 또는 최소로 정지하면서 실현될 수 있는 배치 프로세스이다. 이러한 문제를 완화하기 위해, 믹싱 챔버 주위에 냉각 재킷이 제공될 수 있고 그리고/또는 샤프트에서 냉각제가 순환될 수 있다. 이러한 해결책들이 K-믹서에서의 과열과 관련된 문제들을 경감시키는 것을 돕지만, 몇몇 적용들, 특히 고무 재생산에 대해서 이러한 해결책들은 여전히 불충분하다.
교반기들, 반죽기들, 날이 있는 회전자들, 또는 온도-제어 시스템들을 포함하는 다른 종류들의 장치들은 과거에, 예를 들어, US 특허들 제 4,040,768호(Christian); 4,856,907호(Moriyama) 또는 7,540,651 B2(Matsumoto 등)에서 개시되었다. 그러나, 이러한 US 특허들 중 어떠한 특허도 K-믹서들에 적응된 온도-제어 시스템들을 개시하지 않는다.
Moriyama의 US 4,856,907호를 참조하면, 반죽기가 개시된다. 반죽기는, 외부 부재들(7)이 피팅된(fitted) 샤프트(5)를 갖는다. 회전자 샤프트(5)에 열 전달 통로들(13, 14)이 제공되고, 열 전달 통로들(13, 14)은, 외부 부재들(7)에 의해 통합적으로 형성된 블레이드들(10)의 공간들(9)에 링크된다. 이 특허의 도 2에 도시된 바와 같이, 샤프트(5)의 통로들(13, 14)은 샤프트의 중심축 상에 위치되는데, 이는, 블레이드들이 없는 샤프트의 외측 주변부가 열 전달 액체에 의해 열-제어되지 않음을 의미한다. 또한, 블레이드들의 공간(9)은, 열 전달 액체가 이 공간을 자유롭게 순환하는 완전한 중공(hollow)이고, 이는 블레이드 내에서 유체의 효율적인 유동을 제공하지 않는다. 또한, 외부 부재들(7) 내의 유체의 유동은 조정될 수 없다.
Matsumoto 등의 US 7,540,651호를 참조하면, 특히 잉크들 및 컬러링 액체들과 같은 유체들을 교반하기 위해 적응된 교반기가 개시된다. 교반기는 회전 샤프트(3) 및 평탄한 패들(paddle) 블레이드(4)를 포함한다. 샤프트(3)는 내측 및 외측 파이프들(3a, 3b), 및 냉각 매질을 위한 통로(12)를 갖는 통합적으로 형성된 패들을 포함한다. 통로(12)는 패들에서 지그재그 모양인데, 이는, 냉각제가 패들 내에서 상이한 방향들, 즉, 시계방향 및 반시계방향으로 순환하는 것을 초래한다. 따라서, 통로의 구성은, 패들을 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 냉각제가 높은 압력으로 순환될 것을 요구한다. 또한, 블레이드(4)는, 샤프트와 통합적으로 형성되고, K-믹서들에 대해 적응되지 않으며, 이 때문에 블레이드들이 때때로 교체되어야 한다. 게다가, 교반기들은 통상적으로 단일 블레이드를 갖고, 샤프트 방향으로 배향된, 샤프트 말단에 통합적으로 형성된 단일 블레이드에 의해 낮은 강도 부하(load)들을 겪는다. 반대로, K-믹서들은 통상적으로, 샤프트에 수직인 복수의 블레이드들을 갖고, 이들은 높은 RPM으로 회전하고 높은 힘의 모멘트를 생성한다.
따라서, 상기 관점에서, 상기 논의된 관심사들 중 몇몇을 극복하거나 적어도 최소화할 수 있을 개선된 K-믹서에 대한 필요성이 존재한다. 개선된 K-믹서가 샤프트 및 독립적 블레이드(들)의 온도 제어를 허용하고, 샤프트 어셈블리 및 블레이드 어셈블리 내에서 열 전달 유체의 유동을 개선하여, 열 전달 교환들을 증가시키는 것이 바람직할 것이다. 게다가, 하드 페이싱(hard facing)이 마모되기 시작하는 경우 블레이드들의 교체를 용이하게 하고, 추가적으로 주문형 블레이드 설계 및 교체를 허용할 K-믹서에 대한 필요성이 또한 존재한다. 추가적으로, 각각의 블레이드의 온도 제어를 개별적으로 허용하는 K-믹서가 유리한 것으로 입증될 것이다.
본 발명에 따르면, 바람직하게는 고무 재생산 프로세스에서 이용하기 위한 K-믹서의 온도-제어 샤프트 어셈블리가 제공된다. 본 명세서에서 개시된 K-믹서는, 본 출원인의 출원 WO 2011/113148호에 개시된 K-믹서의 개선이고, 상기 출원의 내용은 참조로 본원에 통합된다.
개선은, K-믹서가 기능하는 동안 샤프트 및 블레이드들의 온도를 효율적으로 제어 및 변경하기 위해, K-믹서의 샤프트 및 블레이드들 내부에 내장되는 온도-제어 샤프트 어셈블리로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 재료를 포함하기 위한 실질적으로 원기둥형의 정적 챔버를 포함하는 열역학 믹서 또는 K-믹서가 제공되고, 챔버는, 재료를 수용하기 위한 챔버 입구 및 재료를 방출하기 위한 챔버 출구를 갖는다. K-믹서는, 챔버와 동축이며, 정적 챔버에서 연장되는 부분을 갖는 샤프트 어셈블리를 포함한다. 샤프트 어셈블리는, 내측 통로를 정의하는 내측 중공 샤프트를 포함하며, 내측 통로는 내측 중공 샤프트로 연장된다. 샤프트 어셈블리는 또한, 내측 중공 샤프트를 동축으로 둘러싸고 그로부터 이격된 외측 중공 샤프트를 포함한다. 내측 중공 샤프트와 외측 통로를 형성하는 외측 중공 샤프트, 내측 및 외측 중공 샤프트들 사이에서 연장되는 외측 통로, 내측 및 외측 통로들은 서로 유체 연통된다. 샤프트 어셈블리는, 샤프트 어셈블리를 회전시키기 위한 모터에 접속가능한 모터 말단 및 로터리 조인트에 접속가능한 조인트 말단을 갖는다. 조인트 말단은 유체 입구 및 유체 출구를 갖고, 이들 각각은 내측 및 외측 통로들의 각각의 통로와 연통된다. 샤프트 어셈블리는, 재료를 믹싱하기 위해, 정적 챔버의 외측 중공 샤프트로부터 연장되는 복수의 블레이드들을 포함한다. 블레이드들 각각에는, 블레이드에서 연장되는 채널들, 통로들 중 하나와 연통되는 채널 입구, 및 통로들 중 다른 하나와 연통되는 채널 출구가 제공된다. 내측 통로 채널들 및 외측 통로는, 샤프트들의 온도 및 블레이드들의 온도를 제어하기 위해, 가압된 유체가 내측 및 외측 중공 샤프트들 내에서 그리고 복수의 블레이드들을 통해 유체 입구로부터 유체 출구로 순환하도록 허용하는 연속적인 유동 경로를 형성한다. 채널들은, 샤프트 어셈블리의 회전 방향과 반대 방향에서 블레이드들 내에서의 유체의 유동을 허용한다.
바람직하게는, 블레이드들 각각은, 외측 중공 샤프트에 동작가능하게 마운트된 마운팅 말단 및 마운팅 말단 반대쪽의 외측 말단을 갖는 바디를 갖는다. 각각의 블레이드의 채널들 중 적어도 일부는 마운팅 말단으로부터 외측 말단으로 연장된다.
바람직한 실시예에서, 채널들은 동심 U-형상의 채널들로서 형상화되고 구성된다.
바람직하게는, 블레이드들 각각은, 중공 샤프트들의 횡단면에 실질적으로 평행한 대향하는 제 1 및 제 2 면들을 포함한다. 각각의 블레이드는 상기 측방향 면들 사이에 형성된 캐비티를 포함하고; 복수의 측벽들은 제 1 측방향 면으로부터 제 2 측방향 면으로 캐비티 내에서 연장된다. 측벽들은 채널들을 한정한다.
바람직하게는, 블레이드들 각각은 블레이드를 외측 중공 샤프트에 제거가능하게 접속시키기 위한 마운팅 메커니즘을 포함한다. 마운팅 메커니즘은 블레이드의 교체를 허용한다.
바람직하게는, 샤프트 어셈블리는 각각의 블레이드들과 연관된 접속 튜브들의 쌍들을 포함한다. 접속 튜브들은 중공 샤프트들에 대해 방사상으로 연장된다. 접속 튜브들은 채널 입구들 및 채널 출구들을 내측 및 외측 통로들 중 하나에 각각 접속시킨다.
바람직하게는, 블레이드들 각각에는, 각각의 블레이드 내에서 유체의 유동을 개별적으로 제어하도록 크기가 맞춰진 유동 조정 디바이스가 제공된다. 바람직하게는, 유동 조정 디바이스는 개스킷(gasket)이다.
바람직하게는, 샤프트 어셈블리는, 블레이드들의 내측 및 외측 통로들 사이의 유체의 유동 및 배출 유동을 제어하기 위해, 내측 및 외측 통로들 사이에 배치된 리턴 유동 조정 메커니즘을 포함한다.
바람직하게는, 내측 통로의 단면적은 외측 통로의 단면적과 실질적으로 일치한다.
유체는 냉각 또는 가열 유체일 수 있다.
바람직하게는, 블레이드들의 외측 표면들은 불균일하고, 일부 또는 전부는 종방향에서 꼬일 수 있다.
바람직하게는, K-믹서는 블레이드들 중 적어도 하나의 온도를 감지하기 위한 온도 센서를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 K-믹서의 이점들 중 하나는, K-믹서의 샤프트 및 블레이드들의 표면 온도가 제어될 수 있다는 점(온도는 일정하게 유지되거나, 감소되거나, 증가됨) 및 샤프트의 회전 이동에 의해 초래되는 관성 효과들이 블레이드들 내에서 유체의 순환을 보조하기 위해 이용된다는 점이다. 결과적으로, 블레이드들이 효율적으로 냉각되면, K-믹서는 일정한 온도들을 갖는 준-연속적 프로세스 환경에서 동작될 수 있어서, 신뢰가능한 프로세싱 파라미터들 및 그에 따른 재생산된 고무의 의존가능한 품질을 보장할 수 있다.
K-믹서의 개선들 및 이들의 이점들은, 첨부된 도면들을 참조하여 행해진 하기 설명을 읽을 때 더 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 K-믹서의 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 샤프트 어셈블리를 도시하는 K-믹서의 일부의 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따른, 도 2의 샤프트 어셈블리의 사시도이다.
도 4는, 도 3의 샤프트 어셈블리의 분해도이다.
도 5는, 도 3의 라인들 V-V를 따라 얻어진 횡단면도이다.
도 6은, 본 발명의 실시예에 따른 샤프트 어셈블리의 일부에 대한 개략적인 종방향 단면도이다.
도 7은, 실시예에 따른 꼬인 블레이드의 정면도이다. 도 7a는, 도 7의 라인들 A-A를 따라 얻어진 단면도이고, 블레이드들 내부에서 채널들을 형성하는 밀봉 용접 위치들의 윤곽들을 도시한다.
도 8은 다른 실시예에 따른 블레이드의 정면도이다. 도 8a는, 도 8의 라인들 A-A를 따라 얻어진 단면도이고, 단일 금속판 블레이드에 생성된 가공된 채널들을 도시한다.
도 9는, 오직 샤프트만이 냉각된 경우 5회 시도의 3개의 상이한 세트들에 대한 샤프트의 8개의 블레이드들 상에서 측정된 평균 온도(곡선들 "샤프트 5-1", "샤프트 5-2" 및 "샤프트 5-3"), 및 샤프트 및 모든 8개의 블레이드들이 냉각된 경우 샤프트의 8개의 블레이드들로부터 측정된 평균 온도(곡선 "샤프트블레이드")의, K-믹서가 동작된 사이클들의 수의 함수로서의 그래프이다.
도 10a는, 오직 샤프트만이 냉각된 경우 5회 시도들 동안 샤프트의 각각의 블레이드 상에서 측정된 온도의 평균(상부 곡선 "샤프트"), 및 샤프트 및 블레이드들 둘 모두가 냉각된 경우 각각의 블레이드의 온도의 평균(곡선 "샤프트블레이드")의, 샤프트 상의 블레이드의 위치의 함수로서의 그래프이다.
도 10b는, 도 10a의 그래프에서 이용된 바와 같은, 샤프트 상의 각각의 블레이드의 위치를 나타내는 샤프트 어셈블리의 측면도이다.
도 11a는, 가열 단계 동안 1780으로 설정된 샤프트 RPM(Revolution Per Minute)으로 오직 K-믹서의 샤프트만이 냉각되는 크럼 고무(crumb rubber) 재생산 사이클로부터 얻어진 4개의 곡선들을 포함하는 그래프이다. 시간의 함수로서, 곡선들 중 2개는 RPM을 예시하는데(그래프의 좌측 상의 Y축), 하나의 곡선은 세트 포인트 RPM에 대응하고, 다른 하나는 프로세스 값 RPM에 대응한다. 시간의 함수로서, 2개의 다른 곡선들은 믹싱 챔버에서 믹싱되는 크럼 고무의 세트 포인트 및 프로세스 값 온도를 예시한다(그래프의 우측 상의 Y축).
도 11b는, 가열 단계 동안 1780으로 설정된 샤프트 RPM(Revolution per minute)으로 K-믹서의 샤프트 및 블레이드들이 냉각되는 크럼 고무 재생산 사이클로부터 얻어진 4개의 곡선들을 포함하는 그래프이다. 시간의 함수로서, 곡선들 중 2개는 RPM을 예시하는데(그래프의 좌측 상의 Y축), 하나의 곡선은 세트 포인트 RPM에 대응하고, 다른 하나는 프로세스 값 RPM에 대응한다. 시간의 함수로서, 2개의 다른 곡선들은 믹싱 챔버에서 믹싱되는 크럼 고무의 세트 포인트 및 프로세스 값 온도를 예시한다(그래프의 우측 상의 Y축).
도 11c는, 가열 단계 동안 1800으로 설정된 샤프트 RPM(Revolution per minute)으로 K-믹서의 샤프트 및 블레이드들이 냉각되는 크럼 고무 재생산 사이클로부터 얻어진 4개의 곡선들을 포함하는 그래프이다. 시간의 함수로서, 곡선들 중 2개는 RPM을 예시하는데(그래프의 좌측 상의 Y축), 하나의 곡선은 세트 포인트 RPM에 대응하고, 다른 하나는 프로세스 값 RPM에 대응한다. 시간의 함수로서, 2개의 다른 곡선들은 믹싱 챔버에서 믹싱되는 크럼 고무의 세트 포인트 및 프로세스 값 온도를 예시한다(그래프의 우측 상의 Y축).
하기 설명에서, 동일한 수치 참조들은 유사한 요소들을 지칭한다. 본 설명에서 설명되는 실시예들은 단지 선호되는 실시예들이고; 이들은 오직 예시의 목적으로만 주어진다.
도 1을 참조하면, K-믹서(10) 또는 K-믹서가 도시된다. K-믹서(10)는 온도-제어되고, 미립자 또는 입자상 재료와 같은 재료를 열적으로 그리고 역학적으로 처리하기 위한 것이다. 재료를 "처리하는 것"은, 비팅(beating), 믹싱 또는 교반 및 전단 가공을 포함하지만 이러한 동작들로 제한되지 않는다. 본 명세서에서 아래에서 설명되는 K-믹서(10)는 특히 크럼 고무를 재생산하기 위해 적응된다. 재료는 단일 컴포넌트 또는 다양한 컴포넌트들의 믹스를 포함할 수 있다. 고무 재생산의 경우, 재료는 재활용 고무로부터의 크럼 고무 및 오일을 포함한다.
K-믹서(10)는 호퍼(12)를 포함하고, 이를 통해 재료가 믹서(10)에 공급된다. "호퍼"는 재료를 믹서(10)로 향하게 하는 것 또는 안내하는 것을 허용하는 컴포넌트를 의미한다. 또한 "믹싱" 챔버로도 지칭되는 실질적으로 원기둥형의 정적 챔버(14)는 재료를 포함하도록 허용한다. 챔버(14)는 호퍼(12)와 연통되는 챔버 입구(16), 및 재료를 방출하기 위한 챔버 출구(18)를 갖는다. 샤프트 어셈블리는 챔버 내부로 연장되고(도면에는 미도시) 도 2 내지 도 6을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 모터(34)는 샤프트 어셈블리(도 2에 도시됨)를 회전시키는 것을 허용한다. 믹서(10)는 또한 바람직하게는 냉각 시스템(19)을 포함한다. 냉각 시스템은 복수의 주입 노즐들을 포함할 수 있고, 주입 노즐들은 믹싱 챔버의 스크류 공급/회전 조인트측 상에 및/또는 모터측 상에 위치될 수 있다. 믹싱 챔버는 바람직하게는 실질적으로 기밀(airtight)하고, 믹싱 챔버의 진공을 위해 램 밸브(21)가 이용될 수 있다.
도 2는, K-믹서(10)에 샤프트 어셈블리(20)가 어떻게 배치되는지를 예시한다. 샤프트 어셈블리(20)는 챔버(14)에 대해 동축이고, 챔버(14)에서 연장되는 부분을 갖는다. 샤프트 어셈블리(20)는 외측 중공 샤프트(26)에 동작가능하게 접속된 공급 스크류(30)를 포함한다. 공급 스크류(30)는 호퍼(12)를 따라 위치되고, 재료를 챔버(14)쪽으로 변위시키기 위한 것이다. 챔버(14)에서 샤프트 어셈블리(20) 부분은, 재료를 처리하기 위해, 정적 챔버(14)에서 외측 중공 샤프트(26)로부터 연장되는 복수의 블레이드들(44)을 포함한다. 블레이드들(44)은 또한 "패들(paddle)들"로도 지칭될 수 있다. 이들은, 샤프트 어셈블리(20)가 (2000 rpm까지의) 고속으로 또는 냉각을 보조하기 위해 더 느린 속도로 회전하는 경우, 재료를 가열 또는 냉각시키기 위해, 챔버 내의 재료를 믹싱, 전단 가공, 비팅 및/또는 프로펠링하는 것을 허용한다.
샤프트 어셈블리는 내측 샤프트에 접속가능한 로터리 조인트 말단(36)을 갖는다. "로터리 조인트"는, 고정된 구조에 대한 샤프트 어셈블리(20)의 회전을 허용하는 조인트를 의미한다. 이러한 특정한 실시예에서, 로터리 조인트(38)는 또한, 유체 소스(74)로부터의 유체가 샤프트 어셈블리(20)의 안팎에서 순환되도록 허용한다. 이용된 유체는 물, 화학적으로 처리된 물 또는 식물성 오일과 같은 열 전달 유체이다. 물론, 다른 타입들의 열 전달 유체가 이용될 수 있다.
본 실시예에서는, 호퍼(12) 및 공급 스크류(30)가 모터로부터 멀리 위치되지만, 호퍼 및 공급 스크류(30)가 모터에 근접하게 위치되고 챔버(14)가 그로부터 멀리 위치되는 K-믹서(10)의 다른 실시예들이 고려될 수 있다. 바람직하게는 그리고 확대된 도 2a에 도시된 바와 같이, 챔버(14)의 내측 표면은 불균일하여, 챔버(14)의 내측 불균일 표면(23)과 처리되고 있는 재료 사이에 마모 및 전단 가공력들을 생성한다. 믹싱 챔버(14)의 내측 측벽 상에 하드페이싱을 적용함으로서 불균일한 표면이 획득될 수 있다. 바람직하게는 블레이드들(44)의 측방향 면들에 하드 페이싱(23)이 또한 제공된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 샤프트 어셈블리(20)의 바람직한 실시예를 로터리 조인트 말단(36)부터 모터 말단(32)까지 완전히 볼 수 있다. 샤프트 어셈블리(20)는 외측 중공 샤프트(26), 및 또한 내측 중공 샤프트(22)(도 4에 도시됨)를 포함한다. 이 실시예에서, 각각의 블레이드(44)는 실질적으로 직사각형의 평탄한 바디(54)를 갖고, 마운팅 말단(56)은 외측 중공 샤프트(26)에 동작가능하게 마운트되고, 외측 말단(58)은 마운팅 말단(56)의 반대쪽에 있다. 물론, 블레이드들에 대한 다른 기하구조들이 고려될 수 있다. 예를 들어, 블레이드들과 재료 사이에 마모 및 전단 가공을 증가시키기 위해 하드 페이싱을 적용함으로써, 블레이드들에는 불균일한 표면이 제공될 수 있다. 블레이드들(44)은 대향하는 제 1 및 제 2 면들(60, 62)을 갖고, 이들은 외측 중공 샤프트(26)에 대해 방사상으로 연장된다.
도 4에 최상으로 도시된 바와 같이, 블레이드들(44)은 외측 중공 샤프트(26)에 제거가능하게 부착되고, 이것은, 예를 들어, 블레이드의 하드 페이싱이 마모되기 시작하는 경우 블레이드를 교체하는 것을 허용한다. 블레이드들의 모듈성은 또한, 전체 샤프트 어셈블리를 변경할 필요없이 샤프트 상의 블레이드들의 구성을 변경하는 것을 허용한다. 따라서, 블레이드들(44)은, 블레이드를 중공 샤프트(26)에 제거가능하게 부착하도록 허용하는 마운팅 메커니즘을 포함한다.
도 3에 최상으로 도시된 바와 같이, 블에이드들 중 적어도 일부는, 샤프트(26)의 상부측에 위치된 3개의 최좌측 블레이드들(44i, 44ii, 44iii)과 같이, 외측 중공 샤프트(26)의 횡단면에 실질적으로 평행하다. 블레이드들 중 일부는 또한, 샤프트(26)의 상부측에 위치된 최우측 블레이드(44iv), 및 샤프트(26)의 하부측에 위치된 최좌측 블레이드와 같이, 외측 중공 샤프트(26)로부터 방사상 방향에 대해 각을 이루어 연장될 수 있다. 샤프트(26)의 방사상 방향에 대해 각을 이루어 연장되는 블레이드들은 바람직하게는 샤프트(26)의 맨 끝에 위치되어, 챔버의 측벽들로부터의 재료를 챔버의 중심 쪽으로 안내하는 스크래퍼로서 동작한다. 물론, 본 발명의 다른 실시예들에서, 모든 블레이드들은 종방향에서 꼬일 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 가압된 유체가 내측 및 외측 중공 샤프트들(22, 26) 내에서 그리고 복수의 블레이드들(44)을 통해 순환하도록 허용하는 연속적인 유동 경로(52)가 설명될 것이다. 내측 중공 샤프트(22)는, 그 곳에서 방사상으로 연장되는 내측 통로(24)를 정의한다. 외측 중공 샤프트(26)는 샤프트(22)를 동축으로 둘러싸고 그로부터 멀리 이격된다. 조인트 말단(36)(도 6에 도시됨)은 유체 입구(40) 및 유체 출구(42)를 갖고, 이들 각각은 내측 및 외측 통로들(24, 28) 중 하나와 연통된다. 또한, 리턴 튜브에 의한 가열에 저항하도록, 주위에 절연제를 갖는 내측 튜브를 제공하는 것이 고려될 수 있다. 물론, 공급 및 리턴은 반전될 수 있는데, 즉, 냉각제의 공급이 외측 통로(28)에서 유동할 수 있고, 냉각제의 리턴은 내측 통로(24)에서 유동할 수 있다.
도 5에 최상으로 도시된 바와 같이, 외측 중공 샤프트(26)는, 내측 중공 샤프트(22)를 갖는 외측 통로(28)를 형성하고, 이러한 외측 통로(28)는 내측 및 외측 중공 샤프트들(22, 26) 사이에서 연장된다. 내측 및 외측 통로들(24, 28)은 바람직하게는 모터 말단 근처에서 서로 유체 연통된다. 필수적은 아니지만 바람직하게는, 내측 통로(24)의 단면적은 외측 통로(28)의 단면적과 실질적으로 일치한다. 공급 및 리턴 단면적들을 대략적으로 일치시킴으로써, 입력(공급) 압력이 출력(리턴) 압력과 대략적으로 동등하여, 유체를 폐쇄 루프에서 순환시키는 것을 허용한다.
도 5를 계속 참조하면, 각각의 블레이드(44)에는, 블레이드에 걸쳐 유체의 유동을 제공하는 채널들의 네트워크가 제공된다. 채널들은 블레이드의 전면 엣지로부터 후면 엣지로의 유동을 허용하도록 구성되어, 샤프트 어셈블리의 회전 관성을 이용한다. "전면 엣지" 및 "후면 엣지"는 샤프트의 회전 방향에 대해 상대적이다. 블레이드들 각각에는 실질적으로 동심의 채널들(46)이 제공될 수 있다. "실질적으로 동심"은, 채널들이 공통의 중심을 갖는 것 또는 채널들이 동축인 것을 의미하지만, 채널들이 동심의 원들로 구성될 필요가 있는 것을 의미하지는 않는다. 본 실시예에서, 채널들(46)은 나란히 배치되고, U-형상을 갖지만, 물론 다른 구성들이 고려될 수 있다. 각각의 블레이드(44)에 대해, 채널 입구(48)는 통로들 중 하나(24, 28)와 연통되고, 채널 출구(50)는 통로들 중 다른 하나(28, 24)와 연통된다. 인식될 수 있는 바와 같이, 채널들(46)은 블레이드 내의 가열 또는 냉각 통로들의 네트워크를 형성한다.
이제 도 5 및 도 6 둘 모두를 참조하면, 내측 통로(24), 채널들(46) 및 외측 통로(28)는 연속적인 유동 경로(52)를 형성하여, 가압된 유체가 내측 및 외측 중공 샤프트들(22, 26) 내에서 그리고 복수의 블레이드들(44)을 통해 유체 입구(40)로부터 유체 출구(42)로 순환하도록 허용한다. 연속적인 유동 경로는 샤프트들(22, 26)의 온도 뿐만 아니라 블레이드들(44)의 온도도 제어하는 것을 허용한다. 또한, 채널들(46)의 동심 구조는, 유체가 샤프트 어셈블리(20)의 회전 방향의 반대 방향으로 유동하도록 허용하여, 믹서가 이용되는 경우 샤프트에 의해 생성되는 회전 관성을 이용한다. 공급 통로로부터 블레이드로 진입하는 유체의 유동은 채널 입구(48)에서 또는 블레이드(44) 내에서 조정될 수 있다. 유체에 인가되는 공급 압력(예를 들어, 12 psi) 및 블레이드 회전의 관성 효과들은, 유체의, 입력 채널(들)로부터 출력 채널(들)로의 순환을 보조할 것이다.
도 5에 최상으로 도시된 바와 같이, 블레이드들에는, 네오프렌 개스킷들(51)과 같은 유동 조정 디바이스들이 제공되고, 네오프렌 개스킷들(51)은 패들-형상의 판(54)과 접속 튜브들(68, 70) 사이에 제공되고, 바람직하게는 금속으로 이루어진다. 개스킷들(51)은 블레이드의 바디(54)와 튜브들(68, 70) 사이의 접속을 밀봉하는 것을 허용할 뿐만 아니라, 이들은 또한 블레이드에서 유체의 유동을 제어 또는 조정하는 것을 허용한다. 이것은, 개스킷의 적절한 개구부 크기(직경)를 선택함으로써 달성될 수 있다. 개스킷 개구부의 크기는, 블레이드 내의 유체의 유동을 다른 블레이드들에 비해 상대적으로 증가 또는 감소시키도록 선택될 수 있다. 예를 들어, K-믹서의 동작 동안, 블레이드들 중 하나가 이웃 블레이드들보다 더 고온에서 가동중이면, 이 블레이드에 대한 개스킷의 개구부의 직경은 증가될 수 있어서, 결국 블레이드 내의 유체의 유동을 증가시켜 블레이드의 온도를 낮추는 것을 허용할 것이다. 개스킷들(15)의 개구부 크기는 또한, 상이한 입구 및 출구 크기들로, 예를 들어, 출구보다 더 큰 입구로, 블레이드들(44) 내의 유체의 유동을 제어하도록 크기가 맞춰질 수 있다. 물론, 블레이드당 하나보다 많은 입구 또는 출구가 존재할 수 있다.
본 발명에 있어서, 채널들(46)의 구부러진 부분들, 및 샤프트의 회전과 반대 방향으로 유체가 이동하도록 강제하는 채널들의 구성은 관성 효과들을 이용하는 것을 허용하고, 믹서에서 처리되는 재료와 유체 사이의 열 전달을 유리하게 개선시킨다. 즉, 채널들은, 금속의 관성 질량으로부터 가능한 한 많은 열을 <<제거>>하도록 설계된다. 채널들의 제안된 설계는 일반적으로 블레이드들 내의 유체의 유동을 블레이드의 전면측으로부터 후면측으로 안내하고, 블레이드의 "전면측" 및 "후면측"은 어셈블리의 회전 방향에 의해 결정된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 블레이드(44)의 채널들(46) 중 적어도 하나는 마운팅 말단(56)으로부터 외측 말단(58)으로 연장되어, 블레이드(44)의 연장된 영역 전반에 걸쳐 열 전달 채널들을 제공한다. 블레이드의 대향하는 면들 사이에 형성되는 블레이드(44) 내의 캐비티(64)는, 채널들(46)을 한정하는 측벽들(66)을 포함한다. 측벽들 중 일부는 I-형상을 갖고, 일부는 L-형상을 갖는다. 측벽들은 함께, 실질적으로 반전된 U-형상의 채널들(44)을 제공한다. 인식될 수 있는 바와 같이, 채널들(46)은 블레이드들 내의 연속적인 유체 유동을 증진시키도록 크기가 맞춰지고 형상화되며, 이는 결국, 열 전달을 개선시키고 블레이드들의 온도를 제어하는 것을 허용한다. 고무 재생산의 상황에서, 초기 및 반복된 사이클들 동안 블레이드 온도들의 제어는 프로세스 일관성 및 재생산된 고무(RR) 제품 품질을 보장한다. 통상적으로 물인 냉각제의 주입 및 샤프트의 RPM(revolution per minute)의 감소가 또한 재생산된 고무를 냉각시키기 위해 이용된다.
각각의 블레이드(44)는 중공 샤프트들(22, 26)에 대해 방사상으로 연장되는 접속 튜브들(68, 70)의 쌍을 갖는다. 접속 튜브들(68, 70)은 각각의 개스킷들(51)에 접속되고, 그 다음, 개스킷들(51)은 채널 입구(48) 및 채널 출구(50)에 접속된다. 접속 튜브들(68, 70)은 또한 내측 및 외측 통로들(24, 28)에 각각 접속된다. 내측 및 외측 중공 샤프트들(22, 26)(공급 샤프트 및 리턴)은 블레이드들의 접속 튜브들을 수용하기 위한 천공들을 구비한다. 접속 튜브들(68, 70)은 바람직하게는 중공 샤프트들(22, 26)에서 스레드(thread)되지만 물론 다른 타입들의 접속들이 고려될 수 있다.
본 경우에서, 그리고 도 6에 최상으로 도시된 바와 같이, 유체 입구(40)는 내측 통로(24)에 접속되고, 유체 출구(42)는 외측 통로(28)에 접속된다. 따라서, 유체는 유체 입구(40)로부터 공급되고, 그 다음 내측 통로(24)를 먼저 통과하고 리턴 유동 조정(72)(선택적임)을 통과한다. 그 다음, 유체는 블레이드들(44) 각각을 지나가고, 외측 통로(28)를 통해 출구(42)로 리턴된다. 각각의 블레이드(44)의 경우, 채널 입구(48)는 내측 통로(24)와 연통되고, 채널 출구(50)는 외측 통로(28)와 연통된다. 물론, 다른 실시예들에서, 유체가 외측 통로(28)에서 먼저 유동하게 하고, 내측 통로로부터 출구로 리턴되게 하는 것이 고려될 수 있다. 이러한 경우, 블레이드들의 채널 입구(48)는 외측 통로(28)와 연통할 것이고, 채널 출구(50)는 내측 통로(24)에 링크될 것이다.
도 6을 계속 참조하면, 리턴 유동 조정 메커니즘(72)은 선택적이고, 내측 및 외측 통로들(24, 28) 사이에서 유체의 유동을 제어하기 위해 내측 및 외측 통로들(24, 28) 사이에 배치될 수 있다. 조인트 말단(36)에서, 유체 입구(40) 및 유체 출구(42) 각각은 내측 및 외측 통로들(24, 28) 중 각각의 통로와 연통된다.
여기서 설명된 K-믹서는 크럼 고무의 재생산에 특히 적응되며, 크럼 고무의 재생산은 몇몇 적용들에서, 약 50초 동안 약 225 ℃까지의 온도로 크럼들을 가열하고 그 다음 이를 약 40초 동안 약 120 ℃로 냉각시키는 것을 요구한다. 바람직하게는, 크럼들은 230 내지 250 ℃ 초과로 가열되지 않아야 한다. 하나의 배치로부터 다른 배치로 간섭이 없는 것(또는 예를 들어, 2 내지 10초와 같은 매우 작은 지연)을 의미하는, K-믹서를 준-연속적으로 동작시킬 수 있기 위해, 블레이드들 및 경화해제된(devulcanized) 고무는, 경화해제가 발생하면 급격하게 냉각되어야 하고, 따라서 이용되는 유체는 냉각 유체이다. 샤프트 어셈블리(20)의 샤프트들 및 블레이드들 둘 모두에서 연장되는 연속적인 유동 경로는, 경화해제에 도달되는 경우 챔버에서의 온도 증가를 제어/제한하는 것 뿐만 아니라 재생산되는 크럼 고무를 냉각시키기 위해 요구되는 시간을 감소시키는 것을 허용하고, 결국 재생산 프로세스의 생산 수율을 개선시킨다. 물론, 믹싱 챔버의 온도는 또한, 챔버를 둘러싸는 물 재킷들에 의해 제어된다. 바람직하게는, 샤프트 어셈블리의 RPM은 블레이드들의 냉각된 상태에 기초하여 제어된다. 냉각은 바람직하게는, 최대 온도에 도달되는 경우 샤프트 및 블레이드들에서 오직 순환되고, 물이 챔버에 주입되고, 그 후 냉각 단계가 시작된다. "연속적인" 유동 경로는, 블레이드들 내의 채널들 및 중공 샤프트들의 통로들이 유체 연통되는 것을 의미한다. 경로에서 유체의 유동은, 프로세스의 특정한 요건들에 따라 연속적으로 지나갈 수 있거나 간헐적으로 유동할 수 있다. 물론, 다른 적용들의 경우, 냉각 유체 대신에 가열 유체를 이용하는 것이 고려될 수 있다. 유체는, 예를 들어, 전기 코일 또는 냉각기와 같은 외부 또는 내부 디바이스들을 이용하여 가열 또는 냉각될 수 있다.
블레이드들 및 샤프트들에서의 유체의 유동을 K-믹서 적용의 필요성의 기능에서 적응시키기 위해, 온도 센서, 바람직하게는 적외선(IR) 센서가 적어도 하나의 블레이드 및 바람직하게는 모든 블레이드들의 온도를 감지하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, LuminSense™로부터의 IR 온도 센서가 바람직하게는, 챔버의 바닥 상에, 예를 들어, 내측 표면의 약 0.010" 아래에 위치되어, 크럼 고무 온도 및 가능하게는 블레이드 온도들을 또한 측정한다. 각각의 블레이드의 온도를 측정하기 위한 다른 선택사항은, 사이클의 시작 및 종료시에 핸드 헬드 IR 온도계를 이용하는 것이다.
도 7 및 도 7a에 최상으로 도시된 바와 같이, 블레이드들(44)은, 재료의 프로펠링을 개선시키기 위해 종방향에서 꼬인 형상을 가질 수 있다. 이러한 특정한 경우에서, 블레이드는 직사각형 형상을 갖지만 다른 형상들이 고려될 수 있다. 또한, 블레이드들과 재료 사이에 마모 및 전단 가공을 여전히 증가시키기 위한 목적으로, 하드 페이싱(23)을 적용함으로써 블레이드들의 외측 표면들(60, 62)은 불균일일 수 있다. 이러한 예에서, 채널들(46)은 금속의 대칭적 조각들에서 가공된다. 상단 조각은 전체 두께에 걸쳐 절단된 추가적이 채널들을 갖는다. 그 다음, 평탄한 조각들이 함께 "밀봉" 용접된다.
이제 도 8 및 도 8a를 참조하면, 블레이드의 다른 가능한 실시예가 도시된다. 이러한 경우, 채널들은 고체 금속판에서 가공된다. 블레이드의 측면 상의 채널들을 폐쇄하기 위해 블레이드의 측면 상에 용접된 플러그들이 제공되어, 유체가 전면으로부터 후면 엣지로 순환하도록 허용한다. 인식될 수 있는 바와 같이, 블레이드의 이러한 변형에는 몇몇 입력들 및 출력들이 제공된다.
실험적 결과들
오직 샤프트만이 냉각되는 샤프트 어셈블리에 비해 샤프트 및 블레이드들 둘 모두가 냉각되는, 앞서 설명된 개선된 샤프트 어셈블리를 이용하는 이점들 및 장점들을 증명하기 위한 시도들이 수행되었다. 이 시도들은 경화된 크럼 고무를 재생산하는 상황에서 수행되었다. 모든 시도들은, 재생산되는 고무(RR) 온도를 측정하기 위해 65 ℃ 내지 950 ℃의 범위에 걸쳐 동작하는 LumaSense Photrix™ 적외선(IR) 온도 센서(모델 번호 ML-GAPX-LO-M3-MP2-05)로 수행되었다. 블레이드 및 샤프트 온도들은 (사이클의 시작시에 또는 종료시에) 적외선 핸드 헬드 온도계로 측정되었다.
샤프트 대 샤프트/블레이드 냉각
제 1 시도에서, 크럼 고무의 재생산 사이클 동안 오직 K-믹서의 샤프트만이 냉각되었다. 즉, 냉각제는, 프로세싱의 냉각 단계 동안 오직 K-믹서의 내측 및 외측 중공 샤프트들에서만 순환되었다. 5회의 연속적인 시도들에 걸쳐 여덟(8)개의 블레이드들 각각에 대한 온도들이 각각의 사이클의 종료시에 기록되었고, 15회의 시도들에 대한 데이터를 획득하기 위해, 15분의 냉각 기간이 3회 후속되었다.
제 2 시도에서, 크럼 고무의 최대 온도 세트 포인트에 도달된 순간에 챔버로 물을 주입하는 것과 일치하는 냉각 기간 동안 내측 및 외측 중공 샤프트들에서 그리고 블레이드들에서 순환하는 냉각제의 연속적인 유동으로, 샤프트 및 모든 8개의 블레이드들이 냉각되었다. 8개의 블레이드들의 각각의 온도들은 15회의 연속적인 시도들에 대해 기록되었다.
표 1은, 샤프트 및 블레이드들 둘 모두가 냉각된 경우에 비해, 오직 샤프트만이 냉각된 경우 달성되는 온도 제어를 요약한다. 시스템이 일정한 프로세스 성능 및 그에 따른 제품 품질로 준-연속적으로 동작될 수 있다고 가정하면, 블레이드들에 냉각을 도입시키는 것은 블레이드 온도를 129 ℃부터 91 ℃까지 38 ℃(또는 29.5%)만큼 상당히(α=0.05) 감소시켰다.
냉각 타입 평균 온도 (℃)
오직 샤프트
샤프트 및 블레이드들		 129
91
차이 (℃)
(%)		 38
29.5%
표 1: 15회의 시도들에 걸친 8개의 블레이드들의 평균 온도들
도 9를 참조하면, 이 그래프는, 오직 샤프트에만 적용되는 냉각(상단 3개의 곡선들 샤프트 5-1, 5-2 및 5-3) 및 샤프트 및 블레이드들에 적용되는 냉각으로, 15회의 연속적인 시도들에 걸친 8개의 블레이드들의 각각의 온도들의 기록된 평균을 도시한다. 샤프트 냉각만의 시도들을 실행하는 경우, 15분의 중단시간이 요구되었고, 그렇지 않으면 블레이드 온도들이 계속 증가하였다. 3개의 상단 곡선들 사이의 불연속들이 이러한 중단시간들에 대응한다. 오직 샤프트만이 냉각된 경우 8개의 블레이드들 상에서 측정된 온도들의 평균은 129 ℃인 반면, 샤프트 및 블레이드들이 냉각된 경우 온도들의 평균은 91 ℃였다(38 ℃ 또는 29.5% 더 냉각됨).
위치에 의한 블레이드 온도
이 실험에서, 오직 샤프트만이 냉각되는 것, 및 샤프트 및 블레이드들이 냉각되는 것으로, 8개의 블레이드들 각각의 온도가 위치에 따라 기록된 5회의 시도들이 수행되었다. 각각의 블레이드에 대한 기록된 온도들은 평균화되었고, 그 결과들을 아래의 표에 나열한다.
Figure pct00001
표 2: 5회의 시도들에 걸친 8개의 블레이드 위치들의 평균 온도들
도 10a를 참조하면, 곡선들은, 오직 샤프트에만 적용되는 냉각 및 샤프트 및 블레이드들에 적용되는 냉각으로, 5회의 시도들에 걸쳐 8개의 블레이드들 각각에 대한 기록된 평균 온도에 대응한다. 오직 샤프트만의 냉각의 평균은 132 ℃(σ=9.3)인 반면, 샤프트 및 블레이드 모두는 92 ℃(σ=3.2)의 평균을 가졌고, 이는 40 ℃(또는 30%)만큼 더 냉각된 상당히 감소된 것이다(α=0.05). 게다가, 샤프트 및 블레이드들 둘 모두가 냉각된 경우, 블레이드들 사이의 분산은, 9.3부터 3.2 ℃로 감소된 표준 편차로 상당히 감소된 한편, 대응하는 분산 계수(COV=
Figure pct00002
)는 0.071부터 0.034로 감소되었다(0.037 또는 52%만큼 감소됨). 온도에서의 이러한 일관성은 적절한 시스템 제어 및 개선된 제품 품질을 허용하는데, 이는, 블레이드 온도들이 평균적으로 상당히 감소되었고, 블레이드들 사이의 온도의 분산이 현저하게 감소되었기 때문이다. 도 10b는 각각의 블레이드의 위치를 나타낸다.
인식될 수 있는 바와 같이, 추가된 블레이드 냉각은 각각의 블레이드에 대한 온도를 평균적으로 상당히 감소시켰다 (도 2 참조). 게다가, 블레이드들 사이의 분산이 상당히 감소되었다.
오직 샤프트 및 샤프트와 블레이드 냉각에 대한 RPM 및 온도 대 시간 곡선들
이제 도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 그래프들은, 1) 오직 샤프트들만이 냉각되는 샤프트 어셈블리를 이용하는(도 11a), 그리고 2) 샤프트들 및 블레이드들이 냉각되는 샤프트 어셈블리를 이용하는(도 11b 및 도 11c), 고무 재생산 프로세스의 비교를 제공한다. RPM SP는 샤프트의 RPM 세트 포인트(타겟 RPM)에 대응하는 한편, RPM PV는 실제 RPM 프로세스 값(획득된 실제 RPM)을 지칭한다. 유사하게, RR SP는, 믹싱되고 있는 크럼 고무의 원하는 재생산된 고무 세트 포인트 온도를 지칭하는 한편, RR PV는 재생산된 고무 프로세스 값(실제 측정된 온도)이다.
아래의 표는 그래프들에 제시된 주요 값들을 요약한다.
Figure pct00003
표 3: 그래프들 11a 내지 11c에 대한 주요 값들
인식될 수 있는 바와 같이, 샤프트 및 블레이드 냉각은, 재생산된 고무(RR) 제품 품질을 유지하면서 생산성을 개선하는 일관되고 감소된 프로세싱 온도 프로파일들을 허용한다.
오직 샤프트 냉각 조건들에 대한 통상적인 RPM 및 온도 대 시간 곡선들이 도 11a에 제시된다. 프로세싱 시간은, 가열(곡선의 상승 부분)을 담당하는 시간의 약 56%(또는 50 s) 및 RR의 냉각(곡선의 하향 기울기)과 연관된 시간의 대략 44%(또는 40 s)로 대략 90s이다.
도 11b를 참조하면, 냉각되는 샤프트 및 블레이드들에 의한 동작 파라미터들을 유지하는 것은 곡선의 가열 부분을 50부터 61 s(또는 총 사이클 시간의 66%)까지 증가시킨 한편, 곡선의 냉각 부분은 총 92 s의 최종 사이클 시간에 대해 31 s(또는 총 사이클 시간의 34%)로 감소되었고, 이것은, 도 11a에서의 시도보다 약간 더 길었다. 명백하게, 블레이드들의 냉각은 곡선의 냉각 단계를 현저하게 감소시키는 효과를 가졌고, 게다가 곡선의 가열 부분은, 블레이드들이 더 냉각되기 때문에 RPM을 증가시킴으로써 감소될 수 있다.
도 11c에서, RPM은 1,780부터 1,800으로 증가되어, 총 사이클 시간을 도 11a의 90 s부터 77 s까지 감소시켰다(13 s 또는 14.4%만큼 감소됨). 곡선의 가열 부분은 50 s부터 46 s로 (4 s) 감소되는 한편, 곡선의 냉각 부분의 지속기간은 40 s부터 31 s로 (9 s) 감소되었다. 더 높은 세트 포인트 온도, 및 프로세싱 시간을 증가시키는 더 낮은 종료 온도에도 불구하고 사이클 시간의 감소가 달성되었다.
도 11c의 곡선은, 현재 구현되고 있는 프로세스 구성을 표현한다. 총 사이클 시간들은 더 압축될 수 있다. 예를 들어, RPM을 증가시키는 것은 사이클의 가열 시간 부분을 감소시킬 것이다. 게다가, RPM을 증가시키고 적절한 냉각기로 냉각제 온도를 감소시키는 것은 전체 사이클 시간을 또한 감소시킬 것이다.
인식될 수 있는 바와 같이, 온도를 약 220 ℃부터 약 120 ℃로 감소시키기 위해 요구되는 냉각 시간은 40 초부터 약 30 초로 감소된다.
도 11a 내지 도 11c의 그래프에 제시된 결과들은 하기 방법을 이용하여 획득되었다. 경화된 크럼 고무 및 윤활제, 바람직하게는 오일이 제 1 믹서에 도입되었고, 윤활제는 실온이다. 실질적으로 균질의 혼합물을 형성하기 위해, 소정의 시간 기간 동안 크럼 고무 및 윤활제가 실온에서 믹싱되었다. 그 다음, 이 혼합물은 앞서 설명된 바와 같은 K-믹서로 전달되었다.
샤프트 어셈블리의 RPM이 증가되어, 경화해제 온도에 도달할 때까지 제 1 시간 기간 동안 혼합물의 온도를 증가시켰다. 경화해제 온도는 예를 들어, 225 ℃일 수 있고, 25 및 60 초의 시간 기간 내에 도달되고, 바람직하게는 약 40-45 초이다. 샤프트 어셈블리의 RPM은 1700 내지 2000, 바람직하게는 약 1750-1850 rpm으로 상승된다. 그 다음, 제 2 시간 기간 동안 온도가 더 낮은 온도로 감소되었다. 예를 들어, 오직 샤프트만이 냉각된 경우, 크럼 고무는 약 40 초 동안 약 225부터 약 120도로 냉각될 수 있고, 바람직하게는 샤프트 및 블레이드들이 냉각된 경우, 약 30 초 동안 냉각될 수 있다.
냉각 기간 동안, 샤프트의 세트 포인트 RPM은 400 내지 700 rpm, 및 바람직하게는 약 600 rpm으로 감소되었다. 믹싱 챔버는 바람직하게는, 믹싱 챔버를 둘러싸는 냉각 재킷으로, 그리고, 냉각제, 바람직하게는 물의 증기 또는 미스트(mist)를 믹싱 챔버로 주입하는 스프레이 노즐로 냉각되었다. 마지막으로, 모터가 정지되었고, 믹싱 챔버로부터 재생산된 크럼 고무가 복원되었다.
본 발명의 범주는, 예들에서 기술된 바람직한 실시예들에 의해 제한되어야 하는 것이 아니라, 전체적으로 설명과 일치하는 최광의의 해석이 부여되어야 한다.

Claims (24)

  1. 재료를 열적으로 그리고 역학적으로 처리하기 위한 온도-제어 K-믹서(10)로서,
    - 재료를 포함하기 위한 실질적으로 원기둥형의 정적 챔버(14) ―상기 챔버(14)는, 상기 재료를 수용하기 위한 챔버 입구(16) 및 상기 재료를 방출하기 위한 챔버 출구(18)를 가짐―;
    - 상기 챔버(14)와 동축이며, 상기 정적 챔버(14)에서 연장되는 부분을 갖는 샤프트 어셈블리(20)
    를 포함하고,
    상기 샤프트 어셈블리(20)는,
    ○ 내부에 연장되는 내측 통로(24)를 정의하는 내측 중공 샤프트(22);
    ○ 상기 내측 중공 샤프트(22)를 동축으로 둘러싸고 그로부터 이격된 외측 중공 샤프트(26) ―상기 외측 중공 샤프트(26)는 상기 내측 중공 샤프트(22)와 외측 통로(28)를 형성하고, 상기 외측 통로(28)는 상기 내측 및 외측 중공 샤프트들(22, 26) 사이에서 연장되고, 상기 내측 및 외측 통로들(24, 28)은 서로 유체 연통됨―;
    ○ 상기 샤프트 어셈블리(20)를 회전시키기 위한 모터(34)에 접속가능한 모터 말단(32);
    ○ 로터리 조인트(38)에 접속가능한 조인트 말단(36) ―상기 조인트 말단(36)은 유체 입구(40) 및 유체 출구(42)를 갖고, 상기 유체 입구(40) 및 유체 출구(42) 각각은 상기 내측 및 외측 통로들(24, 28)의 각각의 통로와 연통됨―; 및
    ○ 상기 재료를 믹싱하기 위해 상기 정적 챔버(14)에서 상기 외측 중공 샤프트(26)로부터 연장되는 복수의 블레이드들(44) ―상기 블레이드들(44) 각각에는 상기 블레이드들(44)에서 연장되는 채널들(46), 상기 통로들(24, 28) 중 하나와 연통하는 채널 입구(48), 및 상기 통로들(28, 24) 중 다른 하나와 연통되는 채널 출구(50)가 제공됨―;
    을 포함하고,
    상기 내측 통로(24), 상기 채널들(46) 및 상기 외측 통로(28)는, 상기 샤프트들(22, 26)의 온도 및 상기 블레이드들(44)의 온도를 제어하기 위해, 가압된 유체가 상기 내측 및 외측 중공 샤프트들(22, 26) 내에서 그리고 상기 복수의 블레이드들(44)을 통해 상기 유체 입구(40)로부터 상기 유체 출구(42)로 순환하도록 허용하는 연속적인 유동 경로(52)를 형성하고, 상기 채널들(46)은, 상기 샤프트 어셈블리(20)의 회전 방향과 반대 방향에서 상기 블레이드들(44) 내에서의 유체의 유동을 허용하는, 온도-제어 K-믹서(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드들(44) 각각은, 상기 외측 중공 샤프트(26)에 동작가능하게 마운트된 마운팅 말단(56) 및 상기 마운팅 말단(56) 반대쪽의 외측 말단(58)을 갖는 바디(54)를 갖고, 각각의 블레이드(44)의 상기 채널들(46) 중 적어도 일부는 상기 마운팅 말단(56)으로부터 상기 외측 말단(58)으로 연장되는, 온도-제어 K-믹서(10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 블레이드들(44) 각각에 대해, 상기 채널들(46)은 동심 U-형상의 채널들로서 형상화되고 구성되는, 온도-제어 K-믹서(10).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 블레이드들(44) 각각은,
    - 상기 중공 샤프트들(22, 26)의 횡단면에 실질적으로 평행한 대향하는 제 1 및 제 2 면들(60, 62);
    - 상기 측방향 면들(60, 62) 사이에 형성된 캐비티(64); 및
    - 상기 캐비티(64) 내에서 상기 제 1 측방향 면(60)으로부터 상기 제 2 측방향 면(62)으로 연장되는 복수의 측벽들(66)을 포함하고,
    상기 측벽들(66)은 상기 채널들(46)을 한정하는, 온도-제어 K-믹서(10).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 측벽들(66) 중 적어도 하나는 I-형상 또는 L-형상을 갖는, 온도-제어 K-믹서(10).
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 블레이드들 각각은, 상기 블레이드(44)의 교체를 허용하기 위해, 상기 블레이드를 상기 외측 중공 샤프트(26)에 제거가능하게 접속시키기 위한 마운팅 메커니즘(73)을 포함하는, 온도-제어 K-믹서(10).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 블레이드들(44)과 연관된 접속 튜브들(68, 70)의 쌍들을 포함하고, 상기 접속 튜브들(68, 70)은 상기 중공 샤프트들(22, 26)에 대해 방사상으로 연장되고, 상기 접속 튜브들(68, 70)은 상기 채널 입구들(48) 및 상기 채널 출구들(50)을 상기 내측 및 외측 통로들(24, 28) 중 하나에 각각 접속시키는, 온도-제어 K-믹서(10).
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 블레이드들 각각에는, 각각의 블레이드(44) 내에서 유체의 유동을 개별적으로 제어하도록 크기가 맞춰진 유동 조정 디바이스가 제공되는, 온도-제어 K-믹서(10).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 입구(40)는 상기 내측 통로(24)에 접속되고, 상기 유체 출구(42)는 상기 외측 통로(28)에 접속되며, 상기 유체는 상기 내측 통로(24)를 통해 공급되고, 상기 외측 통로(28)를 통해 상기 출구(42)로 리턴되는, 온도-제어 K-믹서(10).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 블레이드들(44) 각각에 대해, 상기 채널 입구(48)는 상기 내측 통로(24)와 연통되고, 상기 채널 출구(50)는 상기 외측 통로(28)와 연통되는, 온도-제어 K-믹서(10).
  11. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 입구(40)는 상기 외측 통로(28)에 접속되고, 상기 유체 출구(42)는 상기 내측 통로(24)에 접속되며, 상기 유체는 상기 외측 통로(28)를 통해 공급되고, 상기 내측 통로(24)를 통해 상기 유체 출구(42)로 리턴되는, 온도-제어 K-믹서(10).
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 블레이드들(44) 각각에 대해, 상기 채널 입구(48)는 상기 외측 통로(28)와 연통되고, 상기 채널 출구(50)는 상기 내측 통로(24)와 연통되는, 온도-제어 K-믹서(10).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블레이드들의 상기 내측 및 외측 통로들(24, 28) 사이의 상기 유체의 유동 및 배출 유동을 제어하기 위해, 상기 내측 및 외측 통로들(24, 28) 사이에 배치된 리턴 유동 조정 메커니즘(72)을 포함하는, 온도-제어 K-믹서(10).
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블레이드들(44) 중 적어도 하나는 상기 외측 중공 샤프트(26)에 대해 방사상으로 연장되는, 온도-제어 K-믹서(10).
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블레이드들(44) 중 적어도 하나는 상기 외측 중공 샤프트(26)로부터 방사상 방향에 대해 각을 이루어 연장되는, 온도-제어 K-믹서(10).
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 챔버(14)는 대향된 말단 측벽(15)을 포함하고, 상기 블레이드들(44) 중 상기 적어도 하나는 상기 측벽들(15)에 근접하게 각각 위치된 2개의 블레이드들을 포함하여, 상기 재료를 상기 측벽들(15)로부터 믹싱 챔버의 중심 쪽으로 밀어내는 스크래퍼들로서 동작하는, 온도-제어 K-믹서(10).
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내측 통로(24)의 단면적은 상기 외측 통로(28)의 단면적과 실질적으로 일치하는, 온도-제어 K-믹서(10).
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 채널들(46)은, 상기 블레이드들 내에서 유체 유동을 증진시키도록 크기가 맞춰지고 형상화되는, 온도-제어 K-믹서(10).
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체에 상기 연속적인 유동 경로(52)를 제공하기 위한 유체 소스(74)를 포함하는, 온도-제어 K-믹서(10).
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 유체 소스(74)는 냉각 유체의 소스인, 온도-제어 K-믹서(10).
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 유체 소스(74)는 가열 유체의 소스인, 온도-제어 K-믹서(10).
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블레이드들의 상기 외측 표면들(60, 62)은 불균일한, 온도-제어 K-믹서(10).
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블레이드들(44) 중 적어도 하나는 종방향에서 꼬인, 온도-제어 K-믹서(10).
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 블레이드들 중 적어도 하나의 온도를 감지하기 위한 적어도 하나의 온도 센서(76)를 포함하는, 온도-제어 K-믹서(10).
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