Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen kinematischen Hochfrequenzbehandlung eines Stoffes oder Stoffgemisches Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zur kontinuierlichen kinematischen Hochfre- quenzbehandlung von Stoffen oder Stoffgemischen.
Durch die kinematische Hochfrequenzbehandlung von Stoffen bzw. Stoffgemischen wurden die bisher üblichen, rein mechanischen Verfahren abgelöst, bei denen die zu behandelnden Stoffe einem Rührvorgang in einer im wesentlichen aus zwei konzentrisch angeordneten, übereinanderliegenden, auf den einander zugekehrten Flächen mit Elementen versehenen Scheiben bestehenden Vorrichtung unterworfen wurden, wobei das axial durch die Mitte der einen, ringförmig ausgebildeten Scheibe angesaugte Mischgut auf seinem zwischen den Scheiben radial von innen nach aussen gerichteten Weg zerschla gen, zerrieben oder emulgiert wurde.
Von diesem und anderen rein mechanischen Verfahren unterscheidet sich die vom Anmelder seit etwa 1950 entwickelten kinemati sche Hochfrequenzbehandlung, die in zahlreichen Paten ten ihren Niederschlag gefunden hat (schweizerische Patentschriften Nr. 288 154, Nr. 311794, Nr. 355 770, Nr. 355 771, Nr. 372 537, österreichische Patentschriften Nr. 172 920, Nr. 201<B>57</B> 1, Nr. 224 611, Nr. 227 667, deut sche Patentschriften Nr. 975585, Nr.<B>1079</B> 597, Nr.<B>1096</B> 334, britische Patentschriften Nr. 734 571, Nr. 774 275, Nr. 891 152, Nr. 894 627, französische Pa tentschriften Nr.<B>1028</B> 809, Nr.<B>1086</B> 757, Nr.<B>1203</B> 846, Nr. 1207 479, belgische Patentschrift Nr.
567 150, däni sche Patentschrift Nr 89 139, finnische Patentschrift Nr.31792, holländische Patentschriften Nr.80160, Nr. 87 882, norwegische Patentschrift Nr. 86 310, schwe dische Patentschriften Nr. 167 235, Nr. 167 812, USA- Patentschriften Nr. 2 619 330, Nr. 2 789 800 und Nr.
3 062 457) im wesentlichen dadurch, dass die zu behandelnden Stoffe nicht nur einer rein mechanischen Behandlung durch Zerscheren, Zerreissen und Zerprallen unterworfen werden, sondern gleichzeitig auch noch einer Schwingungsbehandlung durch zwangsläufige, mecha nisch erzeugte Druckstösse und dadurch hervorgerufene Schwingungen mit Frequenzen bis über<B>1000</B> kHz. Bei der kinematischen Hochfrequenzbehandlung von Stoffen bzw.
Stoffgemischen mit groben, faserigen oder klumpenden Anteilen treten leicht Störungen in den Behandlungsvorrichtungen auf, und zwar durch Verlegen oder Verstopfen der Durchlassöffnungen durch die gro ben Stücke, Fasern bzw. Klumpen.
Zwecks Vermeidung derartiger Störungen ist zwar bei einer bekannten Misch- und Dispergiervorrichtung am Umfang innerhalb eines als Zuführungskammer dienenden Hohlraumes unter Freilassung der zentralen Zuführungskammer wenigstens eine auf einem rotierenden Halter angeordnete Vorzer- kleinerungsstufe in Form von Vorsprüngen, wie Zähnen, Schaufeln, Haken und/oder Messern, zur Zerteilung von grobem, faserigem oder klumpendem Gut vorgeschaltet;
es hat sich jedoch herausgestellt, dass durch diese mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Vorzerkleinerungs- werkzeuge vielfach das Gut zu stark zentrifugal nach aussen geschleudert wird, so dass bei vielen Stoffen keine optimale kontinuierliche Füllung der zentralen Zufüh rungskammer erzielt werden kann, zumal der durch die schnelle Umdrehung der Vorzerkleinerungswerkzeuge im zuströmenden Gut erzeugte Drall die unvollkommene Füllung begünstigt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, durch Vermeidung des eben erwähnten Nachteiles eine möglichst weitgehende Zerkleinerung in einer mög lichst kurzen Zeit so zu verwirklichen, dass auch bei hochviskosen, thixotropen, gelatinösen und steifbreiigen Stoffen der notwendige Zustrom in die zentrale Zufüh rungskammer nicht behindert wird.
Ausser dieser Haupt aufgabe obliegt der Erfindung noch die Nebenaufgabe, die zur Durchführung der kontinuierlichen kinematischen Hochfrequenzbehandlung dienende Vorrichtung so aus zugestalten, dass sie zwecks Sterilisation schnell und einfach zerlegt werden kann; denn die erfindungsgemässe Vorrichtung soll sich auch zur Durchführung der kine matischen Hochfrequenzbehandlung unter sterilen Bedin gungen eignen, wie sie beispielsweise in der pharmazeuti- schen und in der Nahrungsmittelindustrie vielfach vorge schrieben sind.
Aufgrund ausgedehnter Versuche wurden ein Verfah ren und eine zur Durchführung desselben dienende Vorrichtung entwickelt, durch welche die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in vollkommener Weise gelöst wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur kontinuierli chen kinematischen Hochfrequenzbehandlung eines Stof fes oder Stoffgemisches kennzeichnet sich dadurch, dass in einem Behandlungsraum mit zwei Gruppen von sich periodisch vergrössernden und verkleinernden Öffnungen ein Zentrifugaldruckgefälle erzeugt wird, derart, dass der Stoff bzw.
das Stoffgemisch durch die eine Gruppe von Öffnungen unter hochfrequenter Zerreissung und Zer- scherung in den Behandlungsraum eingesaugt und durch die andere Gruppe von Öffnungen mit derselben Fre quenz periodisch ausgestossen wird, wobei er von den dabei erzeugten hochfrequenten Druckstössen beauf- schlagt wird.
Die zur Durchführung des Verfahrens dienende Vor richtung in Form einer zylindrischen Anordnung mit wenigstens zwei auf Haltern sitzenden, sich umschliessen- den, relativ zueinander gegenläufig rotierbaren, im Be trieb mit im Schall- oder Ultraschallbereich liegender Begegnungsfrequenz scherend und prallend zusammenar beitenden Organringen, die um eine zentrale Zuführungs kammer herum angeordnet sind, ist dadurch gekenn zeichnet, dass der äussere Ring an seinem, den Eintritts querschnitt für den Stoff bestimmenden Ende als Zylin- dersäge ausgebildet ist,
mit deren Zähnen am inneren Ring sitzende Organe mit zerreissenden oder scherenden Kanten zusammenarbeiten.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung eignen sich zur Behandlung von Stoffen oder Stoffgemischen beliebiger Zusammensetzungen und Ab gregatzustände (sofern nur die Stoffe oder Stoffgemische pumpfähig sind), insbesondere auch unter sterilen Bedin gungen.
In der Zeichnung ist die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen schematisch erläutert, und zwar zeigen: Fig. 1 den unteren Teil eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Vorrichtung, halb im Axial schnitt und halb in Ansicht, Fig. 2 verschiedene Ausbildungen der Zähne des äus- seren Organringes sowie eines Organs - des inneren Organringes der Vorrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 den oberen Teil der Vorrichtung nach Fig. 1, mit oberem und unterem Lager der Welle, in Ansicht,
Fig. 4 einen Axialschnitt durch das obere Lager nach Fig. 3 und Fig.5 einen Axialschnitt durch das untere Lager nach Fig. 3.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt nur den zur Erläu terung der Wirkungsweise wesentlichen unteren Teil, und zwar zur Hälfte aufgeschnitten und zur Hälfte in Ansicht. Dieser untere Teil besteht aus zwei sich umschliessenden Organringen 1, 2, die um eine zentrale Zuführungskam mer Z herum angeordnet sind und auf je einem Halter 3 bzw. 4 sitzen.
Der an dem mittels einer Welle 5 drehbaren Halter 3 sitzende innere Organring 1 ist mit radialen Schaufeln bestückt, deren radiale Breite b von oben nach unten abnimmt. Der den inneren Organring 1 umschliessende, am Halter 4 sitzende äussere Organring 2 weist als Organe die zwischen axial verlaufenden Durchbrechun- gen 6 stehengebliebenen Stege 7 auf und bildet zusammen mit dem Halter 4 den Stator der Vorrichtung. An seinem unteren Ende ist der äussere Organring 2 als Zylindersä ge 8 ausgebildet, mit deren Zähnen 9 die unteren Enden der Organe des inneren Organringes 1 reissend bzw.
scherend zusammenarbeiten; je nachdem, ob die Wir kung mehr reissend oder mehr scherend sein soll, sind die in Drehrichtung vorauseilenden Flanken der Organe des inneren Organringes 1 und gegebenenfalls die mit ihnen zusammenarbeitenden Flanken der Zähne 9 der Zylin- dersäge 8 stumpf oder messerartig angeschärft. Die Vorrichtung steht mit den freien Enden der Zähne auf dem Boden 10 eines nicht näher dargestellten Behälters, in dem sich ein zu behandelndes Stoffgemisch befindet.
Wenn nun der innere Organkranz 1 schnell rotiert, verursacht er eine durch die Pfeile x angedeutete Strö mung des im Behälter befindlichen Stoffgemisches, die auf folgenden physikalischen Vorgängen beruht: Durch die radialen Flanken der als Schaufeln ausge bildeten Organe des inneren Organkranzes 1 wird das innerhalb der Vorrichtung befindliche Stoffgemisch tan- gential beschleunigt und infolge der Zentrifugalkraft nach aussen geschleudert; da jedoch die Schaufelbreite b von oben nach unten abnimmt, ist die Zentrifugalkraft im oberen Teil der zentralen Zuführungskammer Z erheb.
lich stärker als im unteren Teil der zentralen Zuführungs kammer Z. Infolgedessen bewirkt das im oberen Teil ständig stattfindende radiale Hinausschleudern des Stoff gemisches einen Unterdruck in der zentralen Zufüh rungskammer Z, der zu einem kontinuierlichen Nachsan gen neuen Stoffgemisches aus dem Behälter durch die Lücken zwischen den Zähnen 9 in den unteren Teil der zentralen Zuführungskammer Z führt (weil dort die von den Schaufelenden auf das Stoffgemisch ausgeübte Zen trifugalkraft wesentlich geringer ist als der Unterdruck in der zentralen Zuführungskammer Z). Auf diese Weise bildet sich die bereits erwähnte Strömung längs den Pfeilen x aus.
Beim Einströmen des Stoffgemisches in den unteren Teil der zentralen Zuführungskammer Z werden die im Stoffgemisch eventuell befindlichen stücki- gen, faserigen oder klumpenden Anteile durch die mit den Zähnen 9 der Zylindersäge 8 zusammenarbeitenden Enden der Organe des Organringes 1 durch Zerreissen bzw.
Zerscheren vorzerkleinert, während die Feinstzer- kleinerung im Zuge des Hinausschleuderns des Stoffge misches aus der zentralen Zuführungskammer Z durch die schlitzartigen Durchbrechungen 6 des äusseren Or ganringes 2 erfolgt. Diese Feinstzerkleinerung beruht einerseits auf mechanischen Vorgängen, nämlich der Scherung und Prallung beim Vorbeifliegen der Organe des inneren Organringes 1 an den als Organe wirkenden Stegen 7 des äusseren Organringes 2,
und andererseits auf den durch die genannten hochfrequenten Begegnungen erzeugten, schall- bzw. ultraschallfrequenten Druckstös- sen und den von diesen bewirkten Schwingungen, die sich im Stoffgemisch nach allen Richtungen fortpflanzen, so dass ein das gesamte, im Behälter befindliche Stoffge misch durchsetzendes Schallfeld aufgebaut wird.
Die Form und die Teilung der Zähne 9 hängen davon ab, welche Effekte bei der Vorzerkleinerung der stücki- gen, faserigen oder klumpenden Anteile des Stoffgemi sches auftreten sollen. In Fig 2 sind bei a bis d einige ausgewählte Zahnformen dargestellt, wobei jeweils ein sich in Richtung des Pfeiles y bewegendes Organ des inneren Organringes 1 gezeigt ist, und dessen Zusammen arbeit mit einem Zahn 9 zu veranschaulichen. In Fig. 2a verläuft das Organ des inneren Organringes 1 axial und ebenso auch die damit zusammenarbeitende Flanke des Zahnes 9.
Sobald das Organ des Organringes 1 mit seiner in Richtung des Pfeiles y voreilenden rechten Flanke die linke Flanke des Zahnes 9 erreicht, erfolgt ein schlagarti ges Abscheren des Gemischstromes längs dieser Flanke. Bei der Anordnung nach Fig. 2b verläuft das Organ des Organringes 1 schräg zur Drehachse, und zwar so, dass das freie Organende in der Drehrichtung y voreilt.
Bei der Begegnung des Organs mit dem Zahn 9 beginnt der Schervorgang am freien Ende des Zahnes 9 und wandert sodann - der Schräge des Organs entsprechend - punktförmig gegen den Fuss des Zahnes 9. Fig. 2c zeigt eine Anordnung, bei welcher der Schervorgang am Fuss des Zahnes 9 beginnt und dann punktförmig gegen das freie Ende des Zahnes 9 wandert. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei der Anordnung nach Fig. 2d, die gleich zeitig zeigt, dass die Organe des inneren Organringes 1 beliebig geneigt und die Zähne 9 beliebig - im Extrem fall z.B. rechteckig - geformt sein können.
In diesem Zusammenhang soll darauf hingewiesen werden, dass auch Ausführungsformen einer Vorrichtung mit einfach oder doppelt gekrümmten (= räumlich gewölbten) Schaufeln und mit ganz feinen Zähnen 9 möglich sind, wobei die zusammenarbeitenden Flanken der Organe und/oder der Zähne auch zackenförmig ausgebildet sein können, um eine stärkere Reisswirkung zu erzielen.
Die eingangs erwähnte, der Erfindung zugrundelie- gende Nebenaufgabe wird in besonders vorteilhafter Weise durch eine in den Fig. 3 bis 5 gezeigte Lagerung der den Halter 3 mit dem inneren Organring 1 tragenden Welle 5 gelöst. Die Welle 5 ist im radialen Abstand von einem mit diametral gegenüberliegenden Ausfräsungen 11 versehenen Rohr 12 umgeben.
Die an ihrem freien Ende mit einer Kupplung 13 beliebiger Art zum Ankup peln an einem Antriebsmotor versehene Welle 5 läuft oben in einem selbstschmierenden Lager 14, das in einem mit einem Flansch 15 versehenen Abschlussstück 16 angeordnet ist; statt dieses selbstschmierenden Lagers könnte auch ein Wälzlager vorgesehen sein. Als Abdich tung gegen die Kupplung 13 dient ein Simmerring 17. Das Rohr 12 ist mit dem Abschlussstück 16 verschraubt; statt der Verschraubung könnte selbstverständlich auch eine Bajonettverbindung oder eine sonstige schnell lösba re Verbindung vorgesehen sein.
In gleicher oder ähnli cher Weise ist das Rohr 12 an seinem unteren Ende mit dem Halter 4 lösbar verbunden. Eine in den Halter 4 lose eingesetzte Lagerbuchse 18 wird beim Verbinden des Rohres 12 mit dem Halter 4 in ihrem Sitz befestigt. Je nach dem zu behandelnden Stoff bzw. Stoffgemisch wählt man als Lagerbuchse 18 ein selbstschmierendes Bronze- Lager, eine selbstschmierende Eisenbuchse (aus Sinterei- sen) oder eine Chromnickelstahl-Buchse. Innerhalb dieser Lagerbuchse 18 läuft die Welle 5, auf deren abgesetzten Zapfen eine Hartmetallbuchse 19 aufgezogen ist.
Die beschriebene und dargestellte Ausbildung gestat tet das Abnehmen des Rohres 12 von der Vorrichtung, ohne dass das Abschlussstück 16 mit dem selbstschmie renden Lager 14 und der Dichtung von der Welle 5 gelöst werden muss. Das Zerlegen der Vorrichtung zwecks Reinigung und gegebenenfalls Sterilisierung (welche für die in der Nahrungsmittelindustrie, insbesondere in Milchverarbeitungsbetrieben eingesetzten Vorrichtungen behördlich vorgeschrieben ist) geschieht wie folgt: Der Halter 3 mit dem inneren Organring 1 wird bei festgehal tener Welle 5, auf der er mit einem Rechtsgewinde verschraubt ist, von ihr abgeschraubt.
Dann erfolgt das Abschrauben des Halters 4 mit dem äusseren Organring 2 vom Rohr 12 (Linksgewinde); die nun mit geringem Spiel lose im oberen Teil des äusseren Organringes 4 liegende Lagerbuchse 18 fällt beim Umdrehen des Hal ters 4 von selbst heraus oder ist einfach herauszunehmen und kann, wenn sie ausgeschlagen ist, leicht ersetzt werden. Nach dem Abschrauben des Rohres 12 vom Abschlussstück 16 und dem Herausziehen der Welle 5 aus dem letzteren ist die Vorrichtung in ihre Einzelteile zerlegt und diese können mühelos gereinigt und gegebe nenfalls sterilisiert werden. Der Zusammenbau der Ein zelteile erfolgt in umgekehrter Richtung ebenso ein fach.
Die Durchbrechungen 6 im äusseren Organring sind keinesfalls auf die Form axial verlaufender Schlitze beschränkt, vielmehr können sie jede beliebige Form und Anordnung aufweisen, insbesondere können sie und/oder die zwischen ihnen stehengebliebenen Stege 7 von solcher Feinheit sein, dass eine Art Siebmantel entsteht. Die Flanken der Stege 7 und/oder der Organe des inneren. Organringes 1 können in Drehrichtung oder in radialer Richtung mit Rillen versehen oder zackenförmig ausge bildet sein, um einen mehr oder weniger starken Reiss- Effekt zu erzielen.
Die radiale Breite b der Organe des inneren Organringes 1 kann gegen das freie Ende der Organe hin nicht nur geradlinig abnehmen, sondern nach jeder beliebigen Kurve (z.B. nach einer Kurve 2. oder höheren Grades, nach einer Exponentialkurve usw.).
Ferner können die Organe des inneren Organringes in ihrem mittleren axialen Bereich durch eine kreisringför mige Scheibe miteinander verbunden sein zwecks Len kung des Stoffstromes innerhalb der Vorrichtung; in einem solchen Falle können die schlitzartigen Durchbre- chungen 6 bis zum freien Ende des Organringes 2 durchgehen und somit gleichzeitig die Lücken zwischen den Zähnen 9 bilden (oder mit anderen Worten: die Stege 7 können sich bis zum freien Ende des Organringes 2 erstrecken und gleichzeitig die Zähne 9 der Zylindersäge 8 darstellen).
Ausserdem kann auf der Aussenseite der Zylindersä ge 8 um die Zähne 9 ein die letzteren zusammenhaltender Verstärkungsring vorgesehen sein; dieser Ring kann eine gewisse axiale Breite aufweisen und beispielsweise mittels eines Flachgewindes axial verstell- bzw. einstellbar sein, so dass er an seiner Unterseite je nach Einstellung die Zähne 9 mehr oder weniger hervortreten lässt. Das Feststellen des Verstärkungsringes in der gewählten Stel lung kann durch eine Fixierschraube oder ein sonstiges bekanntes Feststellelement erfolgen.
Wenn die Vorrichtung mit den freien Enden der Zähne 9 nicht auf den Boden eines Behälters gestellt, sondern in den letzteren frei hineingehängt werden soll, wird das Stoffgemisch durch eine die untere Stirnfläche der Zylindersäge 8 abschliessende Scheibe gezwungen, durch die Lücken zwischen den Zähnen 9 in die zentrale Zuführungskammer Z einzuströmen; bei einer solchen Ausbildung spielt die Lage der Vorrichtung keine Rolle, d.h. die Vorrichtung ist auch bei schräg oder waagrecht verlaufender Drehachse funktionsfähig.
Auch eine Verdoppelung der Vorrichtung ist in der Weise denkbar, dass beide Enden des äusseren Organrin ges nach Art von Zylindersägen ausgebildet und durch Scheiben stirnseitig verschlossen sind, wobei der zu behandelnde Stoff im mittleren axialen Bereich des äusseren Organringes durch hierzu vorgesehene Durch brechungen aus der zentralen Zuführungskammer radial ausgeschleudert und dabei der kinematischen Hochfre- quenzbehandlung unterworfen wird.
Der äussere Organring kann auch aus wenigstens zwei Teilen bestehen, deren einer die Zylindersäge bildet; dabei kann die letztere am anderen Teil abnehmbar bzw. auswechselbar befestigt sein.
Aus Gründen der leichteren Reparatur und Instand haltung empfiehlt es sich, die Organe wenigstens eines Organringes an ihrem zugehörigen Halter einzeln oder gruppenweise abnehmbar bzw. auswechselbar zu befesti gen; stattdessen kann natürlich auch ein kompletter Organring am Halter befestigt sein.
Anstelle wenigstens eines Ringes von Organen kön nen auch nur drei oder weniger Organe vorgesehen. sein, die beim Rundlauf trotzdem einen (gedachten) Ring beschreiben.
Schliesslich ist es auch möglich, nicht nur den inneren Organring rotieren zu lassen, sondern auch den äusseren, und zwar vorzugsweise in entgegengesetzter Drehrichtung mit gleicher oder anderer Drehzahl.
Selbstverständlich können auch mehr als nur zwei Organringe an der Vorrichtung vorgesehen werden.