Vorrichtung zur Behandlung fliessbarer Massen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung fliessbarer Massen, insbesondere zum Mischen derselben, bei der ein Hohlkörper eine innere Arbeitsfläche hat, die ein Schraubengewinde aufweist und eine Grenzfläche für einen Mischraum bildet, welcher nur von Schraubenflächen begrenzt wird.
Zum kontinuierlichen Mischen von gasförmigen, flussigen, plastischen, pulverförmigen und in grö- beren fliessbaren Aggregatzuständen befindlichen Stoffen sind Vorrichtungen bekannt, die aus einer Schneckenwelle oder aus einem inneren Rohr mit aufgeschweisstem Schneckengewinde und einem dicht an den äusseren Umfang der Schnecke anschliessenden Gehäuse bestehen, welches meistens zylindrisch ist.
Dabei sind in der Schnecke und (oder im Gehäuse oft Vorrichtungen zum Heizen oder Kühlen des zu mischenden Stoffes vorgesehen. Diese Art Vorrichtungen werden neben Anwendung als Fördervorrichtungen für flüssige, plastische, pulverförmige oder in gröbercn Aggregatzuständen befindlichen Stoffen als Mischvorrichtungen besonders mit Wärmezufuhr oder mit Wärmeabfuhr (Kühler für Puder) verwendet.
Sie können auch als Strangpressen für plastische und andere Stoffe Verwendung finden. Der Grad der Mischwirkung in diesen Vorrichtungen selbst ist gering, beispielsweise ist es anerkannt, dass in Strangpressen die hauptsächlich vorkommende Mischwir- kung auf das plastische Material durch Hindurchpressen durch eine Siebvorrichtung, die nach der Schraube angeordnet ist oder durch Fördern unter Druck durch absichtlich verengte Querschnitte zwischen dem zylindrischen Gehäuse und sogenannten Torpedoenden der Schneckenwelle erreicht, und zwar unter grossem Druckverlust.
Eine durchgreifende Mischwirkung in einer solchen Schneckenwelle fehlt deshalb, weil dieselbe in der Schneckennut von einem Ende derselben zum andern grundsätzlich ungestört weitergeht, so dass mittlere Schichten dieser kontinuierlichen Strömung der Mischwirkung oder anderen Wirkungen grösstenteils entzogen bleiben.
Weiterhin sind zum kontinuierlichen und diskontinuierlichen Mischen von flüssigen, plastischen Stoffen Vorrichtungen bekannt, die aus Kombinationen von zwei oder mehreren Schneckenwellen bestehen. Diese rotieren gleichfalls in einem dicht an die äusseren Umfänge anschliessenden Gehäuse und können so geformt sein, dass die Gewindenut einer Schnecke durch den eingreifenden Kamm einer Gegenschnecke weitgehend abgedichtet ist.
Solche Vorrichtungen sind in ihrer Mischwirkung stark ab hängig von Reibungsarbeit zwischen nahe aneinander vorbeistreichenden Schneckenflanken und Kämmen und vom Durchquetschen durch derartig geformte enge Spalten, welche Mischwirkungen nicht in einem Durchfluss das ganze Mischgut erfassen können, und welche für viele Arten von Mischgut, beispielsweise für Puder oder hitzeempfindliche Stoffe, ungünstig sind. Derartige Vorrichtungen werden auch als Pumpen angewendet. In der Anwendung als Strangpressen für plastische Materialien ergeben sich auch Schwierigkeiten in der effektiven Lagerung der nahe aneinanderliegenden Wellen.
Noch weiter sind Vorrichtungen bekannt, in denen eine innere Schnecke in eine Hohlschnecke mit einem Gang exzentrisch eingreift (Moineau-Getriebe).
In kontinuierlicher Wirkungsweise sind solche Vorrichtungen als Mischpumpen oder als Förderpumpen schlechthin in Verwendung und in diskontinuierlicher Verwendung als Mischer für grosse Scheerkräfte be nötigendes Gut, wie beispielsweise Gummi, gedacht.
Diese Vorrichtung wirkt genau so wenig wie die oben aufgeführte Doppelschnecke auf alle Teile des Mischgutes und ist mit ihrer Arbeitsweise nur für be schränkte Klassen von Mischgut anwendbar.
Auch ist eine Vorrichtung bekannt, die, von einer Strangpresse aus entwickelt, die Arbeitsflächen sowohl des drehbaren Innenbestandteiles wie des Au ssengehäuses von kurzen Ringen zusammengesetzt hat, von welchen jeder eine Mehrzahl in den Mischraum hineinragender Mischzähne trägt. Diese Mischzähne bilden jeweils Bruchteile von Schraubengängen, welche in der Breite des Ringes von einer Maximaltiefe, welche ungefähr der halben radialen Tiefe des Mischraumes entspricht, zu Nulltiefe schwinden.
Diese Mischzähne sind speziell in den Ringen des Gehäuses so angeordnet, dass jeder Zahn ein Segment des Umfanges für sich einnimmt, also dass keine schraubenförmigen Nuten zwischen diesen Zähnen gebildet werden, und benachbarte Ringe sind so zueinander verdreht, dass eine Serie von Z-oder Sförmig gekrümmten Kanälen zwischen den Zähnen angedeutet sind.
In dieser gleichfalls für Gummibearbeitung gedachten Maschine gibt es eine Kauwirkung verbunden mit Förderung, bei welcher nur an Kreuzungsstellen zwischen Innen-und Aussenzähnen, die gerade an den Stellen bis zur Mitte reichen, ein kleiner Luftspalt und somit intensive Scheerwirkung bestehen, während an allen andern tSberkreuzungs- stellen verschieden grosse Luftspalte bis hinauf zur Kanaltiefe nur schwache Scheerwirkungen liefern.
Bei diesem Apparat ist, wie bei allen bereits genannten keine Vorkehrung getroffen, grundsätzlich alle Schichten des Durchsatzes etwa gleichmässig zu bearbeiten.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche auf alle Teile eines zu mischenden Materials, oder auf einen n gewünschten Teil dieser Gesamtmasse, eine für alle Massenelemente vorbestimmter Grösse sicher zu erreichende Wirkung von gleichfalls vorbestimmter oder einstellbarer Intensität ausiibt. Diese Aufgabe soll bei kontinuierlichen Verfahren und bei diskontinuierlichen Verfahren in einem Durchgang bzw. Umlauf und bis zu jedem erforderlichen Grade der Gleich förmigkeit des Mischgutes gelöst werden.
Zu bearbeitendes Material umfasst alle Arten von Stoff, die irgendwie fliessen können, in irgendwelchem Aggregatzustand, z. B. solide Brocken, Puder, Teige, Kolloide, Suspensionen, zähe und frei fliessende Flüssigkeiten, Dämpfe, Gase und dergleichen. Der Begriff Mischung umfasst sowohl die Ineinandermischung von verschiedenen Stoffen wie auch die Durchmischung eines einzelnen Stoffes, um ört- lich verschiedene Eigenschaften oder Zustände, welche bestehen oder erzeugt werden, zu einem mehr oder minder grossen Grad der Gleichförmigkeit zu bringen, beispielsweise Teilchengrösse, Aggregatzustände, Dichte, Temperatur und andere Energiezustände, Verteilung von verschiedenen Stoffbestand- teilen und dergleichen.
Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die den Kamm des Gewindes tangierende Mantelfläche eine Rotationsfläche um eine Achse des Mischraumes ist ; dass die Nute des Gewindes entlang der Mischraumachse ihre Querschnittsfläche ändert und dass die Querschnittsfläche des Mischraumteiles innerhalb der Mantelfläche sich in entgegengesetztem Sinne zum Nutenquerschnitt ändert.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbei- spiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt :
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Mischvorrichtung,
Fig. 2 einen Ausschnitt von Fig. 1, welcher die relative Position der Schnecken nach Drehung um 90 andeutet,
Fig. 3 einen andern Ausschnitt, im Schnitt durch den äusseren Bestandteil,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Ausführung der Mischvorrichtung als Strangpresse vorgesehen,
Fig. 5 eine diagrammatische Darstellung im Schnitt von zwei parallel wirkenden Mischvorrich- tungen gleichachsig zwischen drei Bestandteilen gebildet,
Fig.
6 einen Längsschnitt durch eine Ausführung mit zwei Mischvorrichtungen in Serienanordnung, mit Ventil in der Austrittsvorrichtunb, und Vorrichtung zur zyklischen axialen Verstellung der Innenschnecke mit einstellbarem Hub, zwecks zyklischer Einstellung des radialen Abstandes zwischen den Schnecken,
Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine Mischvorrichtung, die nach einer Richtung Druck ausübt, und abgesehen von der Mischwirkung als dynamische Stopfbüchse dienen kann,
Fig. 8 einen Längsschnitt durch vereinfachte Ausführung mit nur einem rotierenden Hohlkörper und nur einem inneren Bestandteil, der aber nicht rotiert im zweiten Abschnitt,
Fig.
9 einen Längsschnitt durch vereinfachte Aus fiihrung mit nur äusserem rotierendem Hohlkörper und ohne jeden Innenbestandteil, zur Anwendung unter bestimmten Umständen,
Fig. 10 einen Längsschnitt durch einen rotierenden äusseren Bestandteil, worin schneckenförmig angeordnete Führungsflächen, die durch den Wärmeaustauschkanal durchgepumpte Flüssigkeit zur Erreichung guter Wärmeübertragung mischen, und wo Ein-und Ausführung der Wärmeaustauschflüssigkeit in den drehbaren äusseren Bestandteil mittels Spiralen gezeigt sind.
In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1, 2 und 3 bestimmen die Welle 1 und der Hohlkörper 2 mit if-xen gegeniiberliegenden Arbeitsfldchen, die schnek kenförmig genutet sind, einen Kanal für zu mischenden Stoff. Der Mischkanal erstreckt sich zwischen dem Eintrittstrichter 6 und einer Austrittsvorrichtung, welche der Anwendung der Mischvorrichtung entsprechend ausgebildet ist, z. B. eine formgebende Offnung für eine Strangpresse. Die Bestandteile 1 und 2 sind im Gehäuse 3 drehbar montiert. Wie angedeutet, ist der Hohlkörper 2 bei 10 gelagert und wird durch eine Vorrichtung 11 angetrieben.
Stopfbüchsen 4 dichten den Spalt zwischen Hohlkörper 2 und Gehäuse 3.
Die Schneckenwelle 1 hat zuerst den Förder- abschnitt 5, worin die Schnecke sich bis zur zylin- drischen Wand des Gehäuses 3 erstreckt, und im Mischraum selbst sind die Arbeitsflächen der Teile 1 und 2 durch die gegenläufigen Schnecken 12 und 13 gebildet, welche sich durch den angedeuteten Mischteil mit den beiden Abschnitten 7 und 8 erstrecken.
Im Abschnitt 7 nimmt der Querschnitt der Nut 15 der Schnecke 12 vom Maximalwert am Anfang kontinuierlich zum Wert Null ab, während entsprechend der Querschnitt der Nut 16 der Hohlschnecke 13 von Null auf ihren Maximalwert zunimmt. Im Abschnitt 8 verändern sich die Nutenquerschnitte dann umgekehrt, zu einem Maximalwert des Nutenquerschnittes der Innenschnecke mit entsprechendem Nullquerschnitt der Hohlschnecke, wonach weitere Abschnitte 7 und 8 folgen können.
Die Schnecken werden entgegengesetzt gedreht, und zwar so, dass beide zum Ausgang fördern. Im Abschnitt 7 geht dabei die gesamte Stoffmenge, die ursprünglich in der Schneckenwelle gefördert wurde, in die Hohlschnecke über, und wandert im Abschnitt 8 wieder zurück in die Schneckenwelle, wobei in jedem der Abschnitte die gesamte Stoffmenge starken Mischwirkungen ausgesetzt wird, welche, wie noch später ausführlicher beschrieben wird, zu einem grossen Teil in den Ubergangszonen 9 stattfinden, wo gegenseitige Durchdringung der Teilchen des zu mischenden Stoffes in verschiedenen Richtungen stattfindet, da die entgegengesetzt drehenden abnehmenden und zunehmenden Nuten sich kreuzen (siehe Fig. 3) und in der relativen Bewegung die Schneckenkämme des aufnehmenden Teils über den Ausgang der abnehmenden Nut hinwegstreifen (siehe Fig.
2) und dabei auch in den Stoff hineindrücken, der aus dieser Nut herausgedrückt wird (siehe den kleiner werdenden Abstand 19a und 19b in Fig. 2, zwischen dem Kamm der aufnehmenden Schnecke 13 und dem Boden der Stoff abgebenden Nut 15).
Die Querschnittsveränderungen der Nuten können durch Anderung der Nutenbreite, Tiefe, Profilform und Steigung der Schneckengänge entweder einzeln oder in Kombination erzielt werden. Die Profilform der Schneckengänge entspricht dem Verwendungszweck.
Die in der Zeichnung gezeigten abgerundeten Schneckenkämme entsprechen einer Anwendung der Mischvorrichtung als Brecher, Knetmaschine und dergleichen, wobei die Einstellung der Drehgeschwindigkeiten eine Veränderung der Intensität der Mischwirkung erzeugt. Die die Schneckenkämme tangierenden Mantelflächen 14 der Schneckenwelle und der Hohlschnecke sind konisch, so dass relative axiale Verschiebung der Bestandteile die Einstellung des radialen lichten Abstandes 18 zwischen den Mantelflächen, das heisst zwischen gegenüberliegenden Schneckenkämmen ermöglicht. Das ist wichtig, da die Grösse des lichten Abstandes die Intensität der Mischwirkung zwischen relativ sich drehenden Schneckenkämmen bestimmt, welche für manche Anwendung gross sein soll (z. B. wo Mahlwirkung erforderlich ist und für andere Anwendungen hingegen klein sein soll, z.
B. bei Durchmischung von druck-und wärme- empfindlichen Pudern). Weiterhin ermöglicht es die Nachstellung des Abstandes zwischen Schneckenkämmen, etwaige Abnützung, z. B. bei Mahlwirkung, v : ettzumachen. Die Mantelflächen 14 müssen natür- lich nicht unbedingt konisch sein, sondern können verschiedene Rotationsflächen um die Mittelachse darstellen.
Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorhergehenden dadurch, dass die Hohlschnecke 2 aus vier separaten Ringteilen 21, 22, 23 und 24 besteht, die alle separat drehbar gelagert sind und unabhängige Antriebe 25, 26, 27 und 28 haben, so dass die Winkelgeschwindigkeiten der Ringteile unabhängig voneinander eingestellt wer c ! en können. Die Spalten zwischen den Ringteilen werden durch Labyrinthdichtungen 4 abgedichtet, die ihrerseits wie die Mischvorrichtungen der beschriebenen Art ausgebildet sein können, wie später erläutert. Die Innenschnecke besteht auch aus zwei Teilen 29 und 30, welche gleichfalls mit voneinander unabhängig einstellbaren Winkelgeschwindigkeiten angetrieben werden können.
Im allgemeinen ist eine Teilung der Innenschnecke aber unnötig, und die Teilung der Hohlschnecke ist leichter auszuführen.
In diesem Ausführungsbeispiel sind Kämme der Schnecken 12 und 13 flach ausgeführt, mit scharfen Kanten 31. Bei kleinem lichtem Abstand 18 haben diese Kanten Schneide-und Reisswirkung, so dass hier dann neben der allgemeinen Mischwirkung die Vorrichtung auch als Schneidemühle zur Faserzerkleine- rung und dergleichen anwendbar ist. Die Schnecken sind hier zweigängig gezeigt.
Da die Ringteile 21, 22, 23 und 24 unabhängig voneinander einstellbare Winkelgeschwindigkeiten haben, können die Mischbedingungen längs des Mischkanals beliebig eingestellt werden, um den Anforderungen entsprechende Austrittsbedingungen herzustellen. Bei der Anwendung als Strangpresse fiir thermoplastische Kunststoffe kann z. B. die Mischwirkung sowie die Wärmeerzeugung durch die dabei geleistete mechanische Arbeit auf diese Weise genau kontrolliert werden und innerhalb den für die verschiedenen Stoffe zulässigen Grenzen gehalten werden. Die Mischvorrichtung kann auf dieser Basis mit ausschliesslich mechanischer Wärmeerzeugung arbeiten, das heisst mit sogenannter adiabatischer Wirkung, ohne äussere Wärmezufuhr, die für manche Stoffe sehr vorteilhaft ist.
Unter diesen Umständen kann man auch durch Ausprobieren bei günstigsten Bearbeitungsverhältnissen für verschiedene Stoffe feststellen und danach einfachere Produktionsmischer bauen. Die Ausführungsform nach Fig. 4 ist somit teilweise als Forschungsgerät gedacht.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur unabhängigen Durchmischung von zwei Stoffen. Dazu sind Mischvorrichtungen der in Fig. 1 oder 4 angedeudeten Art kombiniert. Die Mischvorrichtungen 33 und 34, bezeichnet mit Pfeil, bilden zwei Mischwege für den einen Stoff mit Eintrittstrichter 6 und die Einheit 35 einen Mischweg für den zweiten Stoff (mit Doppelpfeil bezeichnet), mit Eintrittstrichter 37. Die Mischvorrichtung 35 wird zwischen dem Aussenteil 2 der Mischvorrichtung 34 und einem weiteren Aussenteil 36 gebildet, der selbst durch eine Vorrichtung 39 gelagert und angetrieben wird.
Die Vorrichtung kann zur Durchmischung von Stoffen zwecks chemischer Reaktionen in denselben dienen, wobei zwischen den an der Innen-wie an der Aussenseite des gemeinsamen Teiles 2 fliel3enden Stoffen ein Wärmeaustausch stattfinden kann, der durch die gründliche Mischwirkung von grosser In tensität ist und so die Beeinflussung der Temperatur von sonst schwer zu steuernden chemischen Reaktionen ermöglicht. Die Stoffe können entweder getrennt gehalten oder, wenn envunscht, in einer weiteren Mischvorrichtung miteinander vermischt werden.
Jedenfalls emöglicht eine solche kombinierte Vorrichtung, mit unabhängig einstellbaren Drehzahlen der verschiedenen Bestandteile, eine genaue Kontrolle über Durchflussgeschwindigkeiten, Reaktions geschwindigkeiten-auch durch Einmischung von Natalysatoren, wie es sich in der Praxis bestätigt hatund dergleichen, welche eine genaue Anpassung von verschiedenen Reaktionen einer Kette möglich macht und Raum-und Zeitintervalle für schädliche Wirkungen wie Abkühlung, Entmischung, Oxydation und dergleichen ausmerzt.
Die Innenschnecke 1 wird durch das Getriebe 40 angetrieben, und für den Antrieb der Schneckenwelle der Vorrichtung 34 ist ein Getriebe vorgesehen.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Mischvorrichtungen 50 und 51 in Serienanordnung, einem Auslassschieber 56, um diskontinuierliche Arbeitsweise durchführen zu können und eine Vorrichtung 61 zur periodischen Verschiebung der inneren Schneckenwelle I zwecks periodischer Verstellung des lichten Abstandes 18 im Mischraumteil 50.
Die Mischvorrichtung 50 mit Hohlschnecke 52 entspricht dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel, und die Mischeinheit 51 mit Innenschnecke 53 und Hohlschnecke 54, die bei 55 gelagert und angetrieben wird, entspricht auch dem ersten Ausführungsbeispiel, ausser dass durch die zylindrische Ausbildung der Mantelfläche 59 die axiale Verschiebung der Schnekkenwelle hier den lichten Abstand zwischen den Schneckendämmen nicht verändert wird, wie es in Mischvorrichtung 50 der Fall ist.
Der Auslassschieber 56 wird durch den Antrieb 57, 58 betätigt. Das gebrochen gezeigte Gehäuse 60 enthält den Antrieb der Schneckenwelle l. In der Verstellvorrichtung ist 62 die Triebwelle des Exzen- ters mit dem Mittelpunkt A, 63 die Scheibe des inneren Exzenters mit dem Mittelpunkt B zum Verstellen der Hublänge, 64 die Scheibe des äusseren Exzenters mit dem Mittelpunkt C und 65 der Aussen- ring des Exzenters. Die Verstellvorrichtung für die Hublänge e des Doppelexzenters ist nicht gezeigt.
66 ist die Schubstange und 67 der Kreuzkopf für die in Schienen 68 geführte Schneckenwelle mit ihrer Lagerung und Antriebsvorrichtung 60.
Bei dieser Ausführungsform ermöglicht der Aus trittsschieber diskontinuierliche Anwendung der Mischvorrichtung. Bei geschlossenem Schieber 56 tritt in jeder der Mischeinheiten eine Zirkulation ein, wobei die Stoffübertragung in beiden Richtungen gleich zeitig mit höchst intensiver Mischwirkung stattfindet.
Unerwünscht hohe Wärmezufuhr durch mechanische Arbeit kann in der Mischeinheit 50 durch Vergrösserung des lichten Abstandes zwischen den Schneckenkämmen verhindert werden. Bei Öffnung des Schiebers pumpt die Mischvorrichtung den bearbeiteten Inhalt unter Druck aus, wobei durch Verkleinerung des lichten Abstandes vor Öffnung des Schiebers Hochdruck geschaffen werden kann. Die Synchronisierung der Antriebsvorrichtung 57, 58 des Schiebers mit der Einstellung des lichten Abstandes kann dann einen Arbeitszyklus liefern, wobei Einfül- lung, Durchmischung und Ausstossen unter Druck in schnellster und wirkungsvollster Reihenfolge durchgeführt werden können, beispielsweise für Spritzguss- einrichtungen für thermoplastische Kunststoffe und dergleichen.
Obwohl hier die Hohlschrauben drehbar angedeutet sind, können diese natürlich auch nichtrotier- bar ausgebildet sein, was vereinfachte Ausführungen für entsprechende Anwendungen ermöglicht. Obwohl hier zwei Mischeinheiten 50 und 51 gezeigt sind, welche jede Stoffübertragung von der Schneckenwelle in die Hohlschnecke und zurück durchführen, könnte auch nur eine solche Einheit verwendet werden.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Mischvorrichtung, die nur aus einer halben Einheit der bisher gezeigten Arten besteht, das heisst nur eine Variation der Schneckennuten zwischen Maximal-und Nullquerschnitt umfasst. Mit 73 ist die Schnecke auf Welle 70 und mit 74 die Hohlschnecke bezeichnet, die in einem Einsatz 75 im Gehäuse 71 sitzt. Das Lager 72 lagert die Schneckenwelle. Der zu mischende Stoff wird unter äusserem Druck vom Gehäuse 71 in die Vorrichtung eingeführt und von der Schneckenwelle 73, die ihren grössten Nutenquerschnitt am Niederdruckende 72 hat, zurückgepumpt.
Die Mischwirkung geht vor sich mit gleichzeitiger, wechsel seitiger Stoffübertragung zwischen den beiden Schnekkengewinden, da in der ruhenden Hohlschnecke der Stoff unter Wirkung des Druckabfalls in Richtung des verkleinernden Nutenquerschnittes fliesst, und in der Schneckenwelle in Richtung des verkleinernden Nutenquerschnitts gepumpt wird. Diese Mischwirkung ist sehr intensiv und verhindert durch die intensive Stoff übertragung, dass Flüssigkeit durch den lichten Abstand zum Ende 72 ausfliesst, auch wenn der lichte Abstand nicht allzu klein ist.
Wie weiter oben erwähnt, kann eine Vorrichtung der beschriebenen Art mit einer Schneckenwelle in einem zylindrischen Gehäuse, welches den Schneckenkämmen eng anschliesst, als Labyrinthdichtung verwen keiten), als Schneide-oder Reisswirkung (bei faserigem
Gut) und dergleichen auswirkt.
Es könnten noch eine ganze Reihe weiterer Wirkungen angeführt werden, mit Bezug auf Pumpwirkung, Durchdringung und dergleichen, aber die Aufzählung der obigen Faktoren genügt zur Darstellung eines der Hauptvorteile der Mischvorrichtung, welcher sich analog auf alle weiteren Faktoren bezieht.
Dieser Vorteil ist, dass die verschiedenen Faktoren der allgemeinen Mischwirkung, die sich auf den gesamten Stoffstrom (oder auf einen gewünschten Bruchteil des Stoffstromes, beispielsweise bei Querschnittsveränderungen, die nicht ganz bis Null gehen), bezieht, einerseits durch ursprünglichen Entwurf der Vorrichtung, aber auch zu einem sehr gro ssen Ausmass durch Einstellung während des Ganges, beeinflusst werden können. Mit andern Worten, im Gesamtbilde der Mischwirkung kann der eine oder andere Faktor entweder hervorgehoben oder unterdriickt bzw. auch ganz ausgeschaltet werden, wie es den Eigenschaften des Mischgutes und den Erforder- nissen des Prozesses entsprechen mag.
So ermöglicht es z. B. die Einstellbarkeit des lichten Abstandes zwischen den Schneckenkämmen (Fig. l, 4, 6, 7) durch relative axiale Verschiebung der Bestandteile, den Faktor c), das heisst die Mahloder Schmierwirkung, zwischen aneinander vorbeistreifenden Schneckenkämmen zu beeinflussen. Für viele Anwendungen ist es nun nötig, diese Wirkungen herabzusetzen oder auszumerzen, z.. B. für reibungsund hitzeempfindliche Puder, die etwa zu mischen, zu kühlen oder (durch Wärmeübertragung) zu erwärmen sein mögen, was durch Erweiterung des lichten Abstandes 18 leicht zu erreichen ist.
Das gilt besonders für Verwendung einer Vorrichtung, in einfachster Ausführung nach Abschnitt 7, Fig. 1 oder 4 mit Aussenbestandteil in einem Stück, als Kühlvorrichtung für Puder, mit etwa wassergekühlter Innenund Aussenschneeke, wo Wärmezufuhr durch mechanische Arbeit ein absolutes Minimum sein soll, mit Transport und durchgreifender Mischung zur Kühlung des fast gar nicht wärmeleitenden Stoffes.
In andern Fällen muss dahingegen besonders die Mahlwirkung hervorgerufen werden. Dann kann beispielsweise durch Verbreiterung der Räume zwischen den Schneckenkämmen relativ zur Nutenbreite erreicht werden, dass die gesamte Stoffübertragung nur durch den Raum zwischen aneinanderstreifenden Schneckenkämmen vor sich geht, das heisst nicht direkt von Nutenöffnung zu gegenüberliegender Nu tenöffnung, so dass der gesamte zu mischende Stoff durchgemahlen wird. Durch Einstellung des lichten Abstandes kann dann die Mahlwirkung selbst eingestellt bzw. bei Verschleiss immer genau nachgestellt werden. Dann wird die Gesamtmasse durchgemahlen, nicht etwa ein Teil zu viel und ein anderer Teil zu wenig.
Wieder andere Fälle verlangen nicht die Mahlarbeit der Schneckenkämme, sondern die Stossarbeit von Brocken oder Teilchen aufeinander. Dann können, bei nicht zu kleinem lichtem Abstand, die entgegengesetzten Drehgeschwindigkeiten der Schnecken ent sprechend gross gemacht werden, so dass intensive Wirbelbewegungen in entsprechend gross bemessenen Nuten sowie entsprechend starke Zusammenstösse in den Ubergangszonen stattfinden. Das zerschmettert dann die Brocken aneinander bei kleinstem Verschleiss der Arbeitsflächen. In einem Brecher dieser Art können (siehe Fig. 1) grobes fliessbares Gut bis zu einem Puder in einem Gang, wenn auch aus mehreren Kreisprozessen bestehend, zerkleinert werden, wobei zuletzt noch ein Mahlprozess angefügt werden kann.
Für ganz andere Anforderungen an die Mischvorrichttmg, die eine Ausmerzung jedes Zusammen- stosses der Teilchen oder jeder Mahlwirkung verlangen, sind Ausführungsbeispiele ohne Drehung, wie Fig. 10 oder einfachstenfalls Fig. 9 oder 8 anwendbar, z, B. zur einfachen Durchmischung von zwei druckempfindlichen Pudern, zur Durchmischung von Flüssigkeiten, zu der für Wärmekonvektion in einem Strom nötigen Minimalmischung, wie schon unter a) beschrieben, in andern Worten, durchgreifende Mischung mit Minimum an Energiezufuhr durch Bewegung, das heisst Energieverlust oder Anstieg von Entropie.
Dieser Vorteil gilt bei kontinuierlicher Arbeitsweise, und genau entsprechend, bei diskontinuierlicher Arbeitsweise, wie sie beispielsweise Fig. 6 und auch Fig. 7 verkörpern.
Neben dem Vorteil, dal3 ohne Verengung von Durchflussquerschnitten mit starker Unterteilung von Querschnitten, bei der beschriebenen Vorrichtung alle Schichten der Masse von erwünschter Dicke oder Dünne oder auch nur ein gewünschter Teil der Masse zwangläufig erfasst werden, ergibt der weitere Vorteil der Kontrollierbarkeit der Mischfaktoren eine weitgehende Anwendbarkeit der beschriebenen Mischvorrichtung.
PATENTANSPRUCH
Vorrichtung zur Behandlung fliessbarer Massen, bei der ein Hohlkörper eine innere Arbeitsfläche hat, die ein Schraubengewinde aufweist und eine Grenzfläche für einen Mischraum bildet, welcher nur von Schraubenflächen begrenzt wird, dadurch gekenn- zeichnet, dass die den Kamm des Gewindes (86, 13, 74) tangierende Mantelfläche (87, 14) eine Rotationsfläche um eine Achse des Mischraumes (80) ist ; dass die Nute (83, 16) des Gewindes entlang der Mischraumachse ihre Querschnittsfläche ändert und dass die Querschnittsfläche des Mischraumteiles (88, 15) innerhalb der Mantelfläche (87, 14) sich in entgegengesetztem Sinne zum Nutenquerschnitt ändert.
UNTERANSPRÜCHE 1. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der Mantelfläche (87, 14) die Querschnittsfläche der Schraubennut (83, 16) und die entsprechende, sich entgegengesetzt än- dernde Querschnittsfläche des inneren Mischraumteiles (88, 15) sich entlang der Achse des Mischraumes (80) zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert ändern.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die An derung des Nutenquerschnittes (83) zwischen einem Maximalwert und Null vor sich geht.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des Hohlkörpers, der mindestens eine Teillänge des Mischraumes deckt, drehbar ist.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch und Unteransprüchen I bis 3, mit zwei Teilen, von denen der eine als Hohlkorper den andern als Innenkörper umfasst und beide Teile einander gegenüberliegende, mit Schraubengewinde und Schraubennuten versehene Arbeitsflächen haben, die einen Mischraum bilden, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schraubenge- winde ihre Kämme tangierende Mantelflächen (14) haben, welche Rotationsflächen um die Mischraumachse sind und eine radiale Distanz zur Bildung eines Luftspaltes (18) zwischen den Kämmen aufweisen, dass die beiden Schraubengewinde gegenläufig sind und dass entlang der Mischraumachse sich die Querschnittsflächen der gegenüberliegenden Schraubennuten (15 und 16) in entgegengesetztem Sinne än- dern.
5. Vorrichtung nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Quer schnittsflächen der Schraubennuten (15, 16) zwischen jeweils einem Maximalwert und einem Wert Null vor sich gehen.
6. Vorrichtung nach den Unteransprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Radien der Mantelflächen (14) zu den Schraubenkämmen entlang mindestens eines Teils der Länge des Mischraumes (80) sich im selben Sinne ändern.
7. Vorrichtung nach Unteransprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Radien der Mantelflächen (14) zu den Schraubenkämmen der beiden Teile sich entlang der Länge des Mischraumes nur in einem Sinne zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert ändern, und dass eine Vorrichtung zur relativen axialen Verschiebung der beiden Bestandteile zueinander die Einstellung der radialen i uftspalte (18) zwischen den Schraubenkämmen ermöglicht.
8. Vorrichtung nach Unteransprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen (14) zu den Schraubenkämmen (12 und 13) der beiden Teile (1 und 2) kegelförmig sind und dass eine Vorrichtung zur relativen axialen Verschiebung der Teile die Einstellung des radialen Luftspaltes (18) zwischen den Schraubenkämmen ermöglicht.
9. Vorrichtung nach Unteransprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt von mindestens einem der Teile (1, 2) drehbar montiert ist und angetrieben werden kann.
10. Vorrichtung nach Unteransprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Teile (1, 2) mindestens zwei Abschnitte (21, 22, 23, 24) in axialer Aufeinanderfolge drehbar montiert hat und dass Vorrichtungen zum Antrieb sowie zur voneinander unabhängigen Einstellung der Winkelgeschwindigkeit vorhanden sind.
11. Vorrichtung nach Unteransprüchen 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Austrittsvorrich- tung (56) eine Absperrvorrichtung (57) zur zeitweisen Öffnung und Schliessung des Austrittes umfasst ; und dadurch, dass eine Vorrichtung (61) zur axialen periodischen Verschiebung eines der Teile (1 und 2) umfasst, wie auch eine Vorrichtung zur Einstellung des axialen Schubes dieser Verschiebevorrichtung.
12. Vorrichtung nach Unteransprüchen 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (1, 2) mit ihren Schrauben (12, 13) entgegengesetzten Sinnes ganz oder abschnittweise drehbar gelagert sind und in entgegengesetzten Richtungen getrieben werden, so dass beide Schrauben das zu mischende Material in derselben axialen Richtung fördern.
13. Vorrichtung nach Unteransprüchen 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anderung von Nutenquerschnitten in beiden Teilen (1, 2) in zwei Abschnitten (7, 8) unterteilt ist, wobei in einem Teil die Nutenquerschnittsfläche von einem Maximalwert zu Null im ersten Abschnitt und von Null zu einem Maximalwert im zweiten Abschnitt geht und in dem andern Teil die Nutenquerschnittsfläche in ungefähr ergänzender Weise von Null zu einem Maximalwert und wieder zu Null geht.
14. Vorrichtung nach Patentanspruch und Unteranspruch 13 zur Durchmischung von mindestens zwei Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Vorrichtungen parallel angeordnet sind, wobei diese Vorrichtungen (34, 35) zwischen drei Teilen (1, 2 und 36) gebildet werden, die gleichachsig sind und von denen der zwischenliegende Teil (2) den äusseren Hohlkörper für die innere Vorrichtung und den inneren Schraubenteil für die äussere Vorrichtung (35) bildet.
15. Vorrichtung nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlkörper (81) mit vertikaler Achse des Mischkanals (80), dessen innere Arbeitsfläche (82) die Form einer Hohlschnecke (83) hat, welche zwei Abschnitte (84, 85) in axialer Reihenfolge aufweist, wobei in dem ersten Abschnitt (84) die Querschnittsfläche der Nut (83) sich von Null zu einem Maximalwert vergrössert, während sich die konische Mantelfläche (87) zu den Schraubenkämmen (86) von einem maximalen zu einem minimalen Querschnitt verjüngt, so dass der Innenraum (88) des Mischkanals sich entsprechend verjüngt, und wobei in dem zweiten Abschnitt (85) sich die Querschnitte umgekehrt ändern ; und dass der Hohlkörper (81) drehbar montiert ist.
Gesamttiefe des Kanals auf den Wert Null, während sich die Führungswand an der Innenwand umgekchrt entwickelt, so da die Schneckennut 109 sich von Maximalquerschnitt zu Null und entsprechend die Schneckennut 110 von Null auf Maximalquerschnitt verändert usw. Die Grenzfläche zwischen den Schneckenkämmen ist konisch, aber an Kreuzungspunkten können die Führungswände sich berühren bzw. aneinander befestigt sein. Die Schnekkennuten können gleichen Gang aufweisen oder gegenläufig sein, je nachdem, ob die Führungswände den Stoff pumpen sollen oder ob dieser von aussen durchgepumpt wird. Wenn Pumpwirkung der Führungswände erforderlich ist, können diese gleiche Gangrichtung haben, aber verschiedene Steigungen.
Die durch die Stoffübertragung gelieferte Mischwirkung ist nach wie vor vollständig, wenn auch die Intensität von verschiedenen Faktoren wie Drehgeschwindigkeit oder Druckabfall abhälngt. Durch die vollständige Mischwirkung wird jedenfalls eine schr wirksame Wärmeübertragung mit der Wand durchgeführt, dadurch, dass eine gewisse entwurfsmässig bestimment Dicke von Schichten von Teilchen mit der Wand in Berührung gebracht wird, und zwar einen gewünschte Anzahl von Berührungen pro Durchfluss.
Weiterhin wirken die Führungswände, die auf den Kanalwänden wärmeleited befestigt sein können, auch als Nebenwärmeaustauschwände, die ihrerseits zur Wärmeübertragung beitragen. Die beschriebene Mischvorrichtung ist also in dieser Form ohne dreh bare Bestandteile, wie auch in dne vorherigen Ausführungsbeispielen entsprechenden Formen mit einem oder beiden Schnecken drehbar, zur Erzielung von effektiver Wärmeübertragung anwendbar.
Um die Vorteile der Mischvorrichtung klar darzustellen, sei nun mit Bezugnahme auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele die Wirkungsweise der Mischung übersichtweise beschrieben: Es kommen in dem Gesamtbilde der Mischvorgänge eine ganze Reihe von Faktoren vor, von denen einige der Hauptfaktoren sind: a) Reine Stoffübertragung von einem an Querschnitt in Flussrichtung abnehmenden Teilraum eines Flusskanals (z. B. 88 in Fig. 9) in eine entsprechend an Querschnitt zunehmende Schneckennut (83, FIg. 9), wegen der konisch sich verjüngenden Mantelfläche 87. Sogar ohne jede Drehung des Hohlkörpers (81) und mit nur langsamer Flussbewegung des stoffes.
Durch pumpen bewirkt diese Stoffübertragung eine Richtungsänderung des Flusses von Vertikal- auf eine Wendelbewegung, die sich nach und nach auf elle Schichten des ursprünglich vertikalen FLusses erstreckt und dabei ursprünglich benachbartfliessende Teilchen weit auseinanderbringt und gleichfalls ursprünglich entfernt fliessende Teilchen zusammenbringt. Es wird somit eine durchgreifende Mischwirkung in erzwungener Ordnung erzielt, die sich ohne Ausnahme oder bevorzugte Stellung auf den ganzen Flussstrom erstreckt. Die Intensität dieser Mischwirkung, die jedenfalls durchgreifend ist, hängt von Geschwindigkeiten, Stoffbeschaf- fenheit und dergleich ab und kann durch weitere Faktoren beeinflusst werden, wie noch gezeigt wird.
Zum Beispiel wird in vielen Fällen nicht eine einfache Wendelbewegung des Stoffes in der Schneckennat entstehen, sondern der Fluss wird dort zusätzlich eine kontinuierliche Drehung in der Schneckennut erhalten. Auf diese Weise werden dann beispielsweise im Abschnitt 84 der Fig. 9 die ursprünglich im KIanal 80 aussen fliessenden Teilchen die Innenschichten der sich in der Schneckennut aufbauenden Strömung erreichen. Dabei wird jede Flussschicht, die durch die Schneckennut von dem Innenstrom sozusagen abgeschält wird, mit der Wandfläche der Nut dann direkt in Berührung gegbracht, und dadurch etwa dort wirkenden Einflüssen, wie Wärmezufuhr oder -abfuhr und dergleichen, direkt ausgesetzt, was sich wieder auf den ganzen Flussstrom zwangsweise erstreckt.
Die umgekehrte und ergänzende Wirkung kommt dann im Abschnitt 86 vor, und der Prozess kann ganz oder teilweise in der FOrtsetzung weitergeführt werden. Für den Fall von gegenüberliegenden Schneckennuten, z. B. Fig. 10, Kanal 104, gibt es entsprechend reine Stoffübertragung von einem abnehmenden kontinuierlichen Fluss in der abgebenden Nut 109 in den zunehmenden kontinuierlichen Fluss in der aufnehmenden Nut 110, wo diese Flüsse einander überkrenzen, was die Teilchen durchgreifend durchmischt, und bei jeder Querschnittsänderung zwischen Maximum und Null jeden Teil des Strmes zwangläfig einmal erfasst.
In vielen Fällen entsteht auch beim Durchpumpen des Stoffes die Drchung der Masse in den Schneckennuten, das heisst Teilchen, die sich ursprünglich an der Aussenseite der abnehmenden Schneckennut befinden, kommen in die Mitte der von Null zunehmenden Nut. b) Zusätzlich zu der obigen Wirkung entstehen nun bei Drehung einer Schnecke oder beider Schnekken -.wobei die Rotation in jeder sich drehenden Schnecke aktive Strmungsvorgänge hervorbringt die gegenseitige Durchdringung der Teilchen in den bei der Übertragung begriffenen Schichten in den Übergangszonen (9, in Fig. 1 und 4) von einer Nut zur andern. Bei entgegengesetzter Drehung gegenläufiger Schrauben (Fig. 1, 4 usw.) führen die Strömungsvorgänge, z.
B. bei der Behandlung ovn Brockken, Körner und Puder zu Zusammenstössen in verschiedenen Richtungen, was neben der sehr verstärkten Mischwirkung bei Brocken und dergleichen starke Bruckwirkungen hervorbringt, die durch Geschwindigkeit der Drechung regulierbar sind. c) Weiterhin besteht bei relativer Drehung der Schnecken die Mischwirkung zwischen nahe aneinander vorbeistreifenden Teilen der Arbeitsfläche, das heisst zwischen den Schneckenkämmen, welche sich je nach der Beschaffenheit des Mischstoffes als Mahloder Brechwirkung (für Brocken, körniges Gut, Puder),a ls Schmierwirkung (bei Teigen und plastischen Materialien), als intensive Scheerwirkung (bei Flüssig-
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