EP4615626A2 - Homogenisator sowie vakuumprozessanlage und verfahren damit - Google Patents

Homogenisator sowie vakuumprozessanlage und verfahren damit

Info

Publication number
EP4615626A2
EP4615626A2 EP23841307.4A EP23841307A EP4615626A2 EP 4615626 A2 EP4615626 A2 EP 4615626A2 EP 23841307 A EP23841307 A EP 23841307A EP 4615626 A2 EP4615626 A2 EP 4615626A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
stator
homogenizer
teeth
pump
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP23841307.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Koch
Igor NIEDENTAL
Daniel SOLARI
Volker HÖCKER
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.)
FrymaKoruma AG
Original Assignee
FrymaKoruma AG
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 FrymaKoruma AG filed Critical FrymaKoruma AG
Publication of EP4615626A2 publication Critical patent/EP4615626A2/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • B01F27/21—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders characterised by their rotating shafts
    • B01F27/2123—Shafts with both stirring means and feeding or discharging means
    • 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
    • B01F2101/00—Mixing characterised by the nature of the mixed materials or by the application field
    • B01F2101/06—Mixing of food ingredients

Definitions

  • the invention relates to a homogenizer as well as a vacuum processing plant and a method for homogenizing or dispersing or generally for treating flowable products, each with such a homogenizer.
  • DE 102009047777 A1 discloses a homogenizer for homogenizing or dispersing flowable substances, i.e. for liquid and pasty products, with a mixing chamber with a product inlet and a product outlet and, in the mixing chamber, a rotor shaft carrying a rotor, which is rotatably mounted and can be set in rotation by means of a drive, in particular a controllable one, and a stator which interacts with the rotor.
  • the rotor contains a rotor plate that sits concentrically on the rotor shaft, and on the rotor plate a rotor toothing that is arranged radially within a stator toothing of the stator to form a shear gap, so that a shear gap is formed between the rotor and the stator.
  • an axial product flow direction is defined along the rotor shaft to the rotor plate, and from the rotor shaft, a radial product flow direction is defined radially along the rotor plate between the rotor teeth and the stator teeth, from which the product can flow to the product outlet.
  • Such homogenizers are also called rotor-stator or gear ring homogenizers, which introduce the shear energy into the product in a defined manner and convey it, i.e. drive the product flow.
  • Such homogenizers are used, for example, in the food industry and in the cosmetic and pharmaceutical industry to produce ketchup, mayonnaise, sauces, dressings, etc. as a hot and cold process or emulsions and suspensions for lotions, creams, gels, ointments, etc.
  • Such homogenizers are particularly integrated in vacuum processing systems by being installed underneath a process container and also containing mixing/conveying blades. This configuration ensures safe pre-mixing and uniform wetting of dry substances in the liquid phase from the process immediately before passing through the homogenizer. and/or storage tank.
  • a circulation line is installed downstream of the homogenizer and guarantees that the product is forced back into the process tank. This closes the product cycle and ensures vertical mixing in the process tank. It also offers the possibility of sampling and product discharge.
  • the present invention therefore aims to further improve the existing technology and in particular to increase the throughput and to enable fast, simple and thorough cleaning capability.
  • the invention provides a homogenizer for homogenizing or dispersing or generally for treating flowable products, which contains a mixing chamber with a product inlet and a product outlet and, in the mixing chamber, a rotor shaft that carries a rotor, is rotatably mounted and can be set in rotation by means of a drive, in particular a controllable drive, and a stator that interacts with the rotor, wherein the rotor contains a rotor plate that sits concentrically on the rotor shaft and a rotor toothing on the rotor plate that is arranged radially within a stator toothing of the stator to form a shear gap, and wherein an axial product flow direction is defined downstream of the product inlet along the rotor shaft to the rotor plate and a radial product flow direction is defined from the rotor shaft radially along the rotor plate and through between the rotor toothing and the stator toothing, from which the product can flow to the product outlet,
  • the groove-like design at the transition between the rotor axis and the rotor plate due to its negative or concave circumferential rounding, leads to a continuous and, in particular, low-interference and low-congestion and low-turbulence deflection of the product flow from the axial direction along the rotor shaft into the radial direction along the radii of the rotor plate, which optimizes the product throughput.
  • the elimination of a kink at the transition between the rotor axis and the rotor plate avoids a dead space for the product flow, where product can accumulate, which has to be laboriously removed as contamination before or after each start-up of the homogenizer and also blocks the product flow at this point or disrupts it by forming turbulence.
  • the optimization i.e. increase in throughput compared to a design without the groove-like design according to the invention and the saving or at least simplification of cleaning requirements leads to increased productivity of the homogenizer.
  • the invention thus achieves a guided, low-loss deflection of the product flow from the axial to the radial direction according to the principle of a radial pump, whereas in the prior art a suction impeller upstream of the rotor toothing is in principle an axial pump that conveys fluids axially, which is extremely inefficient for deflection from the axial to the radial direction.
  • the design of the rotor according to the invention creates a radial centrifugal pump, so to speak.
  • the groove-like design is provided on an inner ring of the rotor that protrudes axially from the rotor plate against the axial product flow direction and is thus a component of the rotor and in particular integrally formed with the rotor plate and/or the rotor shaft.
  • the groove-like design merges at least approximately flush with the rotor shaft at its radially narrowest end on the one hand and runs at least approximately flush into the rotor plate on the other hand.
  • the groove-like design a) is a part-circular groove with a part-circular cross-section with a constant radius, the radius being in particular in the range from 10 mm to 100 mm and preferably in the range from 30 mm to 80 mm and particularly preferably in the range from 40 mm to 65 mm, or b) is a part-ellipsoidal groove with a part-ellipsoidal cross-section with a radius that changes continuously over the course of the curvature, the radii of the part-ellipsoidal cross-section being in particular in the range from 10 mm to 100 mm and preferably in the range from 30 mm to 80 mm and particularly preferably in the range from 40 mm to 65 mm, or c) is a truncated cone design with at least one slope in the cross-section, which is formed by at least one truncated cone.
  • a mixing/conveying blade and/or a dispersing disk are arranged coaxially to the rotor upstream of the rotor in relation to the axial product flow direction, wherein the mixing/conveying blade is preferably drive-connected to the rotor shaft and/or the dispersing disk is arranged coaxially to the rotor shaft, wherein the dispersing disk is optionally arranged downstream of the mixing/conveying blades in the axial product flow direction.
  • a further preferred embodiment consists in that the rotor toothing contains individual rotor teeth arranged coaxially around the rotor shaft on a rotor tooth circle and connected to the rotor plate and in particular integral rotor teeth which protrude from the rotor plate against the axial product flow direction.
  • the integral design of the rotor teeth with the rotor plate results in advantages in terms of cleaning and compactness of the rotor.
  • suction vanes are attached to the rotor plate radially inside the rotor teeth and also projecting against the axial product flow direction on a suction vane circle line coaxially around the rotor shaft and are in particular integrally formed and/or pump vanes are attached to the rotor plate radially outside the rotor teeth and the stator toothing and also projecting against the axial product flow direction on a pump vane circle line coaxially around the rotor shaft and are in particular integrally formed
  • This design also advantageously contributes to simplifying and improving the cleaning options and improving the compactness of the entire homogenizer.
  • Reducing the number of components from three (separate components: suction vane, rotor and pump vane) to one advantageously leads to a reduction in components, lowering of manufacturing, assembly, cleaning and maintenance costs and an improvement in hygiene, the latter being promoted not only by avoiding multiple connection points for different components on the rotor shaft and/or between each other, but also by eliminating the need for seals, such as O-ring seals in particular, which has a positive effect on manufacturing and operating costs in addition to the advantages in terms of hygiene.
  • the groove-like design a) is a part-circular groove with a part-circular cross-section with a constant radius, wherein the radius is determined by the ratio
  • Outer radius of the suction blades / radius of the groove and the ratio has a value of 0.2 to 5, preferably 0.4 to 3 and particularly preferably 0.5 to 1.5, or b) is a partially ellipsoidal groove with a partially ellipsoidal cross section with a radius that changes continuously over the course of the curvature, the radii being determined by the ratio
  • Outer radius of the suction blades / local radius of the groove and the ratio has a value of 0.2 to 5, preferably 0.4 to 3 and particularly preferably 0.5 to 1.5.
  • the invention also makes it possible to streamline the manufacturing process to a great extent by using new, efficient manufacturing methods.
  • each component has to be re-clamped several times in a turning and milling machine. Both material usage and machining handling are minimized with the new rotor, and cumulative manufacturing tolerances are also eliminated.
  • the rotor teeth and in particular also the suction blades and/or the pump blades which together can also be referred to as the rotor blading, are designed with optimized curvature in terms of flow.
  • the individual blades i.e. the rotor teeth, suction blades and/or pump blades, the tooth or blade curvatures are determined based on the calculation of velocity vectors.
  • the curvature of the rotor teeth is preferably convex in cross-section in an end region of the flank pointing in the direction of rotation of the rotor that is radially adjacent to the stator and preferably tapers off to a point in the direction of rotation of the rotor and is in particular kink-free.
  • the rotor teeth are preferably trapezoidal in cross-section.
  • a further preferred embodiment consists in the flank of the rotor teeth pointing in the direction of rotation of the rotor, also called the leading rotor tooth flank, and if the leading rotor tooth flank itself is curved, the connecting line of the end edges of the leading rotor tooth flank, enclosing a smaller angle to the radius of the rotor plate than the trailing flank of the rotor teeth and if the trailing rotor tooth flank itself is curved, the connecting line of the end edges of the trailing rotor tooth flank.
  • This design includes in particular a fluidic optimization of the rotor teeth for a defined, flow-optimized product deflection into the stator.
  • This affects not only the front flank of the rotor teeth in the direction of rotation of the rotor, i.e. the leading rotor tooth flank, but also their rear flank, i.e. the trailing rotor tooth flank, where preferably no sharp edge of the rotor needs to be flowed around by the product.
  • the product flow flows towards the shear gap with largely little turbulence.
  • the rotor teeth can be extended in order to increase the flow area (slot or groove area) axially with respect to the axial product flow direction and to match the corresponding length of the stator slots or the corresponding axial extension of the perforation of the stator ring compared to the designs in the prior art.
  • a further advantageous embodiment consists in the fact that the rotor teeth taper radially towards their sides facing the stator, i.e. towards the pressure side, in particular continuously and preferably curved, which, during operation of the homogenizer, results in a radially tapering in this direction, i.e. towards the stator and in particular its slots or grooves between the Increased dynamic pressure is generated towards the stator teeth, which in turn increases the expansion of the microdroplets of the product and thus the shearing effect.
  • the outer diameter of each rotor tooth is increasingly reduced or made smaller in the direction of rotation, so that a wedge-shaped gap is formed between the rotor teeth and the stator teeth of the stator gearing.
  • the suction wings i.e. the individual suction wings
  • every second rotor tooth is combined with a suction wing or fused or integrally connected by a web.
  • the suction impeller of the homogenizer according to the invention is based on the principle of a centrifugal pump. This allows the product to be efficiently conveyed with a larger volume flow and at a higher pressure.
  • the new pumping blades i.e. the pump blades radially outside the stator and axially in relation to the axial product flow direction, are also extended in relation to the rotor teeth compared to the designs of the prior art, which leads to an improvement in the pumping effect and an increase in the product delivery rate.
  • the entire flank pointing in the direction of rotation of the rotor also called the leading pump vane flank
  • the entire flank pointing in the direction of rotation of the rotor is preferably convexly curved in cross-section, in particular tapering to a point in the direction of rotation of the rotor, and alternatively or additionally the cross-section is trapezoidal.
  • a further preferred embodiment consists in the angle of the flank of the pump vanes pointing in the direction of rotation of the rotor, i.e. the leading pump vane flank, and if the leading pump vane flank itself is curved, the connecting line the end edges of the leading pump vane flank, forms a larger angle to the radius of the rotor plate than the trailing flank of the pump vanes, i.e.
  • the trailing pump vane flank and if the trailing pump vane flank itself is curved, the connecting line of the end edges of the trailing pump vane flank.
  • the trailing flank of the pump vanes can be convex in cross-section, in particular over the entire cross-sectional length.
  • the blade geometry of the pump blades is aerodynamically optimized to enable optimal outflow of the product into a recirculation line or pressure line or into the product outlet, and in particular has a curved shape.
  • stator toothing contains individual stator teeth arranged on a circular line coaxially around the rotor shaft, which preferably protrude from a stator base ring in the axial product flow direction and between which continuous stator slots are defined in the radial product flow direction.
  • stator teeth are connected at their end facing away from the stator base ring by a stator ring which forms a stator stabilization ring, so that the stator slots are circumferentially defined between the stator teeth and axially limited by the stator base ring and the stator stabilization ring.
  • stator gearing is helical gearing with respect to the axial product flow direction, which results in a longer length of the stator slots or grooves compared to straight gearing, which in turn increases the flow area of the stator slots compared to straight gearing, thus achieving the advantage of an enlarged shear zone.
  • Tests have confirmed that helical gearing results in a better droplet size distribution of an emulsion processed with the homogenizer, which indicates a better shearing effect of a helical gearing.
  • toothed stator compared to a straight-toothed version.
  • Tests have also shown that helical gearing has a positive effect on the shearing effect.
  • the latter design is preferably further designed such that the side walls of the stator teeth and thus of the stator slots run radially at every point in the circumferential direction of the stator teeth.
  • This design can also be described as the slot or groove guide lines always being perpendicular to the central axis, i.e. to the axial product flow direction. This results in a screw-like or twisted milling or a screw-like or twisted longitudinal course of the stator slots, which is preferably produced using a 5-axis milling machine or a 3D printing method.
  • This design advantageously ensures that the shearing effect remains the same over the length of the stator slots or grooves.
  • stator toothing can be formed by a perforated stator ring that sits coaxially on the stator base ring and contains continuous stator bores in the radial product flow direction that form the perforation.
  • perforating the stator ring with bores instead of slots the ratio of shear edges to passage area is increased compared to slots, which can have a positive effect on the formation of the emulsion.
  • stator slots or stator bores and/or gaps between the rotor teeth can be designed to taper conically in the radial product flow direction to increase the expansion of the microdroplets, which also contributes to improving the shearing effect.
  • Stator teeth, but also the rotor teeth and possibly suction and/or pump blades are advantageous and It is therefore preferred if their profile or thickness is conically reinforced so that the profile becomes slimmer towards the end of the stator teeth facing away from the stator base ring and towards the end of the rotor teeth and possibly suction and/or pump blades facing away from the rotor plate.
  • the centrifugal forces that occur lead to greater deflection and a critical increase in the bending stresses in the root area, which is counteracted by the conical reinforcement towards the root of the teeth and blades mentioned.
  • the number of slots or grooves in the stator is not a common multiple of the number of rotor teeth and, if applicable, pump vanes. This means that the sound intensity can be significantly reduced, at least at individual and in particular certain frequencies, as was demonstrated in tests using a sound spectrum analyzer. Merely as a non-limiting example from the tests, 10 rotor slots and thus also rotor teeth, 5 pump vanes and 27 stator slots are combined.
  • the homogenizer contains a housing which widens in a spiral shape around the pump vanes according to the principle of a centrifugal pump housing, so that chambers of a pump vane annular gap between a housing of the homogenizer and the pump vanes become successively larger during their rotation until they are ejected into a recirculation connection to a recirculation line or a pressure line or the product outlet (5), whereby the delivery volume advantageously increases and the internal pressure losses in the pump vane annular gap decrease.
  • a recirculation connection of the homogenizer for product output into a circuit for returning the product back to the homogenizer for further treatment of the rotor-stator combination is designed downstream, similar to a centrifugal pump.
  • the recirculation connection is formed by a pipe connection, which in particular has an oval cross-section in order to enable an even more optimal inlet into a recirculation line downstream of the recirculation connection.
  • the recirculation connection and/or at least the area of the recirculation line adjacent to the latter is conically narrowing in the direction of flow.
  • the individual embodiments and their combinations ensure that the return flow from the homogenizer into another container of the vacuum processing system, into which the homogenizer is preferably integrated, is realized in the recirculation connection and/or at least the region of the recirculation line adjacent to the latter in a largely turbulence-free manner, which further improves the product throughput and the product quality.
  • the rotor-stator combination is designed in two or more stages, i.e. radially outside the innermost stator ring there is again a circular arrangement with rotor teeth and radially outside adjacent to them another stator ring, which can be repeated further. This would increase the shearing effect.
  • the aim of the invention is also achieved with a vacuum processing system with a homogenizer and a method for homogenizing or dispersing or generally for treating flowable products with a homogenizer, which preferably uses one or more of the previously explained design options.
  • the present documents also disclose correspondingly advantageous operating and manufacturing methods based on the homogenizer according to the invention and the corresponding vacuum processing system, as well as the use of such a homogenizer according to the invention and such a vacuum processing system for specific product types, products and results.
  • Fig. 1 is a schematic side view of a first embodiment of a homogenizer
  • Fig. 2 is a schematic front view of the first embodiment of the homogenizer from Fig. 1
  • Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of the first embodiment of the homogenizer from Figs. 1 and 2 in the region of the rotor-stator arrangement according to the section line AA in Fig. 1,
  • Fig. 4 is an enlarged schematic side view of the rotor plate of the first embodiment of the homogenizer with hidden blades/blading from Figs. 1 to 3,
  • Fig. 5 is a schematic longitudinal sectional view of the first embodiment of the homogenizer from Figs. 1 to 4,
  • Fig. 6 is a schematic perspective view of a first embodiment of a rotor of the homogenizer
  • Fig. 7 is a schematic perspective detail of a second embodiment of a rotor of the homogenizer to illustrate a detail
  • Fig. 8 is a schematic perspective detail of a third embodiment of a rotor of the homogenizer to illustrate a further detail
  • Fig. 9 is a schematic perspective partial sectional view of another embodiment of the homogenizer to illustrate yet another detail
  • Fig. 10 is a schematic perspective view of a first embodiment of a stator of the homogenizer
  • Fig. 10A is a schematic perspective view of a modification of the first embodiment of the stator of the homogenizer from Fig. 10,
  • Fig. 11 is a schematic perspective view of a second embodiment of a stator of the homogenizer
  • Fig. 12 is a schematic perspective view of a third embodiment of a stator of the homogenizer
  • Fig. 13 is a schematic perspective detail of a fourth embodiment of a stator of the homogenizer
  • Fig. 14 is a schematic side view of the fourth embodiment of a stator of the homogenizer of Fig. 13,
  • Fig. 15 is a schematic perspective detail of the fourth embodiment of a stator of the homogenizer from Figs. 13 and 14,
  • Fig. 16 is a schematic detail view of a fifth embodiment of a stator of the homogenizer
  • Fig. 17 is a schematic perspective detail of the third embodiment of the rotor of the homogenizer, according to Fig. 8,
  • Fig. 19 is a schematic partial cross-sectional view of a fourth embodiment of the homogenizer.
  • Fig. 20 is a schematic cross-sectional view of a fifth embodiment of the homogenizer
  • Fig. 22 is a schematic detail of an essential detail of the homogenizer
  • Fig. 23A is an enlarged schematic partial side view of the rotor plate showing a first variant of the first embodiment of the homogenizer with hidden blades/blading from Fig. 4, and
  • a first embodiment of a homogenizer 1 for homogenizing or dispersing or generally for treating flowable products is shown schematically in a side, front, cross-sectional, partial detail and central longitudinal sectional view, wherein Fig. 3 shows a cross-sectional view according to section AA in Fig. 1.
  • the homogenizer 1 contains a mixing device contained in a housing 2. chamber 3 with a product inlet 4 and a product outlet 5 and in the mixing chamber 2 a rotor shaft 7 carrying a rotor 6, rotatably mounted and set in rotation by means of a, in particular controllable drive (not shown) and a stator 8 interacting with the rotor 6.
  • two further product drains 5a and 5b are provided, by means of which remaining product can be drained from the mixing chamber 3 of the homogenizer 1 after processing of the product has been completed in order to be able to clean the mixing chamber 3 and the other components contained therein and to prepare it for processing another product.
  • the rotor 6 contains a rotor plate 9, which sits concentrically on the rotor shaft 7, and on the rotor plate 9 a rotor toothing 10, which is arranged radially within a stator toothing 12 of the stator 8, forming a shear gap 11.
  • a radial product flow direction R is defined from the rotor shaft 7 radially along the rotor plate 9 and between the rotor toothing 10 and the stator toothing 12, from which the product can flow to the product outlet 5.
  • a groove-like design 13 surrounds the rotor shaft 7, with at least approximately flush transitions to the rotor shaft 7 and to the rotor plate 9, so that the flowable products to be treated are continuously diverted from the axial product flow direction L into the radial product flow direction R by the groove-like design 13 during operation of the homogenizer 1, as is separately illustrated by the illustration in Fig. 22.
  • the groove-like design 13 at the transition between the rotor axis 7 and the rotor plate 9 leads to a negative or concave circumferential rounding to a continuous and in particular low-disturbance and low-turbulence deflection of the product flow according to the arrow S from the axial direction L along the rotor shaft 7 in the radial direction R along the radii of the rotor plate 9, which optimizes the product throughput.
  • the elimination of a kink at the transition between the rotor axis 7 and the rotor plate 9 avoids a dead space for the product flow, where product can accumulate and the product flow can also accumulate at this point or be disrupted by the formation of turbulence. This achieves a guided, low-loss deflection of the product flow from the axial L into the radial R direction according to the principle of a radial pump or a radial centrifugal pump.
  • the groove-like design 13 is a part-circular groove 13a with a part-circular cross section with a constant radius, wherein the radius is in particular in the range from 10 mm to 100 mm and preferably in the range from 30 mm to 80 mm and particularly preferably in the range from 40 mm to 65 mm.
  • the part-circular groove 13a with a part-circular cross section with a constant radius can be determined by the ratio
  • Outer radius of the suction blades / radius of the groove and the ratio has a value of 0.2 to 5, preferably 0.4 to 3 and particularly preferably 0.5 to 1.5.
  • FIG. 23A A first variant of the first embodiment of the homogenizer 1 from Fig. 4 is illustrated in Fig. 23A in an enlarged schematic partial side view of the rotor plate 9 in dashed lines as a groove-like configuration 13 in the form of a partially ellipsoidal groove 13b with a partially ellipsoidal cross section with a radius that changes continuously in the course of the curvature, the radii of the partially ellipsoidal cross section being in particular in the range from 10 mm to 100 mm and preferably in the range from 30 mm to 80 mm and particularly preferably in the range of 40 mm to 65 mm.
  • the partially ellipsoidal groove 13b with a partially ellipsoidal cross section with a radius that changes continuously over the course of the curvature can be determined by the ratio
  • Outer radius of the suction blades / local radius of the groove and the ratio has a value of 0.2 to 5, preferably 0.4 to 3 and particularly preferably 0.5 to 1.5.
  • Each of these configurations can be implemented in any embodiment in combination with, but also without, any of the other features disclosed herein that go beyond the feature combination in claim 1 as an alternative to a version with a part-circle-like groove. This means in particular that the dimensions and ratios can be combined with the feature combination of claim 1 without restriction and without any other further developments.
  • FIG. 23B A second variant of the first embodiment of the homogenizer 1 from Fig. 4 is shown in Fig. 23B in an enlarged schematic partial side view of the rotor plate 9 in dashed lines as a groove-like configuration 13 in the form of a slope 13c, which is formed by at least one truncated cone.
  • Several successive different slopes 13c can also form the groove-like configuration 13 as section-wise chords of an imaginary part-circular groove, formed by corresponding successive truncated cones (not shown).
  • Each of these configurations can be realized in any embodiment in combination with, but also without any of the other features disclosed herein that go beyond the combination of features in claim 1, as an alternative to a version with a part-circular or part-ellipsoidal groove.
  • the groove-like design 13 is provided on an inner ring 14 of the rotor 6 that protrudes axially from the rotor plate 9 against the axial product flow direction L and is thus a component of the rotor 6 and in particular is formed integrally with the rotor plate 9.
  • the groove-like design 13 on the one hand merges at least approximately flush into the rotor shaft 7 at its radially narrowest end and on the other hand runs at least approximately flush into the rotor plate 9.
  • mixing/conveying blades 15 and a dispersing disk 16 are arranged upstream of the rotor 6 and coaxially to the rotor 6.
  • the mixing/conveying blades 15 are connected to the rotor shaft 7 in terms of drive and the dispersing disk be 16 is arranged coaxially to the rotor shaft 7, wherein the dispersing disk 16 is arranged in the axial product flow direction L after the mixing/conveying blades 15.
  • the rotor toothing 10 contains individual rotor teeth 17 arranged coaxially around the rotor shaft 7 on a rotor tooth circle and connected to the rotor plate 9 and in particular integral rotor teeth 17, which protrude from the rotor plate 9 against the axial product flow direction L.
  • the integral design of the rotor teeth 17 with the rotor plate 9 results in advantages in terms of cleaning and compactness of the rotor 6.
  • suction vanes 18 are attached to the rotor plate 9 radially inside the rotor teeth 17 and also protruding against the axial product flow direction L on a suction vane circle coaxially around the rotor shaft 7 and are particularly integrally formed.
  • pump vanes 19 are attached to the rotor plate 9 radially outside the rotor teeth 17 and the stator toothing 12 and also protruding against the axial product flow direction L on a pump vane circle coaxially around the rotor shaft 7 and are particularly integrally formed.
  • This design also advantageously contributes to simplifying and improving the cleaning options and to improving the compactness of the entire homogenizer.
  • the reduction in the number of components from three (separate components: suction vane, rotor and pump vane) to one advantageously leads to a reduction in components, lowering of manufacturing, assembly, cleaning and maintenance costs and an improvement in hygiene, the latter being promoted not only by avoiding several connection points for different components on the rotor shaft 7 and/or between each other, but also by the fact that seals, such as O-ring seals in particular, are saved at such points, which has a positive effect on manufacturing and operating costs in addition to the advantages in terms of hygiene.
  • the rotor teeth 17 as well as the suction vanes 18 and the pump vanes 19, which together can also be referred to as the blading 20 of the rotor 6, are designed with a curvature that is optimized for flow technology, in that the tooth or blade curvatures are determined on the basis of the calculation of velocity vectors.
  • the curvature of the rotor teeth 17 is convex in cross-section and preferably tapering to a point in the direction of rotation D of the rotor 6 in an end region 21 radially adjacent to the stator 8 of the flank pointing in the direction of rotation D of the rotor 6, which is referred to as the leading rotor tooth flank 22 of the rotor teeth 17, and in particular is free of kinks, as is illustrated in the partial schematic representation of Fig. 7, in which the product flow achieved in this area is also shown by the arrow S1.
  • the rotor teeth 17 are trapezoidally shaped in cross-section.
  • the rotor tooth flank 22 of the rotor teeth 17 leading in the direction of rotation D of the rotor 6 encloses a smaller angle to the radius of the rotor plate 9 than the basically opposite trailing rotor tooth flank 23 of the rotor teeth 17.
  • the connecting line of the end edges of the leading rotor tooth flank 22 encloses a smaller angle to the radius of the rotor plate 9 than the connecting line of the end edges of the trailing rotor tooth flank 23.
  • This design includes in particular a flow optimization of the rotor teeth 10 for a defined flow-optimized product deflection into the stator 8.
  • This affects not only the front flank of the rotor teeth 17 in the direction of rotation D of the rotor, i.e. the leading rotor tooth flank 22, but also its rear flank, i.e. the trailing rotor tooth flank 23, where preferably no sharp edge of the rotor needs to be surrounded by the product.
  • the product flow flows to the shear gap 11 (see Fig. 3 and 5) with largely low turbulence.
  • a further embodiment consists in that, as shown in Fig. 9, the rotor teeth 17 taper in particular continuously and preferably curved towards their sides facing the stator 8, i.e. towards the pressure side, which, during operation of the homogenizer 1, creates a dynamic pressure that increases in this direction, i.e. towards the stator 8 and in particular its slots or grooves between stator teeth, which in turn increases the expansion of the microdroplets of the product and thus the shearing effect.
  • the outer diameter of each rotor tooth 17 is increasingly reduced or made smaller in the direction of rotation D, so that a wedge-shaped tapering shear gap 11 is formed between the rotor teeth 17 and the stator teeth of the stator toothing 12.
  • the suction vanes i.e. the individual suction vanes 18, are combined with individual rotor teeth 17, for example fused and in particular integrally connected or in particular integrally connected by a web 24.
  • every second rotor tooth 17 is combined or fused with a suction vane 18 or integrally connected by a web 24.
  • the suction impeller, ie the suction vanes 18, of the homogenizer 1 are based on the principle of a centrifugal pump. This allows the product to be efficiently conveyed with a larger volume flow and at a higher pressure.
  • the entire flank pointing in the direction of rotation of the rotor also called the leading pump vane flank
  • the cross-section is trapezoidal.
  • the leading pump vane flank 25, to the radius of the rotor plate 9 encloses a larger angle than the trailing flank of the pump vanes 19, i.e. the trailing pump vane flank 26. Furthermore, the angle of the flank of the pump vanes pointing in the direction of rotation of the rotor 6, if the leading pump vane flank 25 itself is curved, the connecting line of the end edges of the leading pump vane flank 25, to the radius of the rotor plate 9 encloses a larger angle than the connecting line of the end edges of the trailing pump vane flank 26.
  • trailing flank 26 of the pump vanes 19 can be convex in cross-section, in particular over the entire cross-sectional length.
  • the blade geometry of the pump blades 19 is optimized in terms of flow technology so that an optimal outflow of the product into a recirculation line is possible, and in particular has a curved shape of the leading pump blade flank 25.
  • the stator toothing 12 has individual stator teeth 27 arranged on a circular line coaxially around the rotor shaft 7, which protrude from a stator base ring 28 in the axial product flow direction L and between which continuous stator slots 29 are defined in the radial product flow direction R.
  • Fig. 10A shows a modification of this with an additional stator ring 30, which forms a stator stabilization ring 30, so that the stator slots 29 are defined circumferentially between the stator teeth 27 and axially limited by the stator base ring 28 and the stator stabilization ring 30.
  • stator teeth 27 are connected at their end facing away from the stator base ring 28 by a stator ring 30, which forms a stator stabilization ring 30, so that the stator slots 29 are circumferentially defined between the stator teeth 27 and axially limited by the stator base ring 28 and the stator stabilization ring 30.
  • stator toothing 12 is a helical toothing with respect to the axial product flow direction L, which results in a longer length of the stator slots 29 or grooves compared to a straight toothing, which in turn increases the flow area of the stator slots 29 compared to a straight toothing, thus achieving the advantage of an enlarged shear zone 11.
  • helical gearing results in a better droplet size distribution of an emulsion processed with the homogenizer 1, which indicates a better shearing effect of a helical-toothed stator 8 than a straight-toothed version.
  • Tests have also shown that helical gearing has a positive effect on the shearing effect.
  • Helical gearing enables a higher oil dosage (in kg/s) than straight gearing, which is due to the fact that with helical gearing the shearing effect (stretching flow) on the microscopically small emulsion beads is greater than with straight gearing.
  • tests have shown that helical gearing has a positive effect on the sound intensity. Figuratively speaking, the rotor 6 cuts into the helical stator gearing 12, and thus pressure surges when flowing through the shearing edges of the stator gearing 12 are noticeably reduced.
  • stator toothing 12 according to the third embodiment according to Fig. 12 can be formed by a perforated stator ring 31 which sits coaxially on the stator base ring 28 and contains continuous stator bores 32 in the radial product flow direction, which form the perforation.
  • perforating the stator ring 31 with bores 32 instead of slots 29 the ratio of shear edges to passage area is increased in comparison to slots 29, which can have a positive effect on the formation of the emulsion.
  • FIG. 15 is a view along the section line HH in Fig. 14
  • FIG. 15 is a view along the section line HH in Fig. 14
  • This design can also be described in such a way that the slot or groove guide lines are always perpendicular to the central axis, ie to the axial product flow direction L ( Figure 22), as is illustrated in the schematic representation of Figure 13.
  • stator slots 29 This results in a screw-like or twisted milling or a screw-like or twisted longitudinal course of the stator slots 29, which is preferably produced by means of a 5- or more-axis milling machine or a 3D printing method.
  • This design advantageously ensures that the shearing effect remains the same over the length of the stator slots or grooves 29.
  • stator slots 29 or stator bores 32 are designed to taper conically in the radial product flow direction for greater expansion of the microdroplets, which also contributes to an improvement in the shearing effect.
  • stator teeth 27 it is advantageous for the stability (reduction of deflection and bending stresses) of the stator teeth 27, but also of the rotor teeth 17 and possibly the suction 18 and/or pump blades 19 ( Figure 6) and therefore preferred if their profile or thickness is conically reinforced so that the profile becomes slimmer against the flow direction L.
  • the number of slots or grooves of the stator 8 is not a common multiple of the number of rotor teeth 17 and, if applicable, pump vanes 19. This allows the sound intensity to be significantly reduced at least at individual and in particular certain frequencies, as was demonstrated in tests using a sound spectrum analyzer.
  • another corresponding embodiment of the homogenizer 1 combines ten rotor slots and thus also rotor teeth 17, five pump vanes 19 and twenty-seven stator slots 18.
  • the homogenizer 1 contains a housing 2 which expands in a helical manner around the pump vanes 19 according to the principle of a centrifugal pump housing, as the schematic representation of yet another embodiment of the homogenizer 1 makes clear, so that chambers of a pump vane annular gap 34 between a housing 2 of the homogenizer 1 and the pump vanes 19 become successively larger during their rotation until they are ejected into a recirculation connection 35 to a recirculation line (not shown), whereby the delivery volume advantageously increases and the internal pressure losses in the pump vane annular gap 34 decrease.
  • a recirculation connection 35 in the form of the product outlet 5 of the homogenizer 1 for product output into a circuit (not shown) for returning the product back to the homogenizer 1 for further treatment of the rotor-stator combination is designed downstream similar to a centrifugal pump.
  • the recirculation connection 35 is formed by a pipe connection, which in particular optionally has an oval cross-section in order to enable an even more optimal inlet into a recirculation line (not shown) downstream of the recirculation connection 35.
  • the recirculation connection 35 and/or at least the area of the recirculation line 35 adjacent to the latter is conically narrowing in the flow direction.
  • Fig. 21 shows an illustrative example of this.
  • the individual embodiments and their combinations in particular increase the pumping power from the homogenizer 1 into a further container of the vacuum processing system (not shown), in which the homogenizer 1 is preferably integrated, in the recirculation connection 35 and or at least the container associated with the latter.
  • adjacent area of the recirculation line 35 is at least largely turbulence-free, which further improves the product throughput and product quality.
  • the rotor-stator combination is designed in two or more stages, i.e. radially outside the innermost stator ring there is again a circular arrangement with rotor teeth 17 and radially outside adjacent to them another stator ring, which can be repeated further. This would increase the shearing effect.
  • the rotor teeth 17 can be extended axially in relation to the axial product flow direction L and to match the corresponding length of the stator slots 29 or the corresponding axial extension of the perforation of the stator ring 31 compared to the designs in the prior art in order to increase the flow area (slot or groove area).
  • the pumping impeller i.e. the pumping impellers 19 radially outside the stator 8
  • the pumping impeller can also be extended axially in relation to the axial product flow direction L compared to the designs in the prior art, which leads to an improvement in the pumping effect and an increase in the product delivery rate.
  • the homogenizer 1 which preferably uses one or more of the previously explained design options, can be part of a vacuum processing system (not shown).
  • the present documents also disclose correspondingly advantageous operating and manufacturing methods based on the homogenizer 1 according to the invention and the corresponding vacuum processing system, as well as the use of such a homogenizer 1 according to the invention and such a vacuum processing system for specific product types, products and results, which will be readily apparent to the person skilled in the art from the individual or multiple design options shown in the drawing and explained above.
  • homogenizers 1 are designed to meet the requirements of the food industry, such as the production of ketchup, mayonnaise, sauces, dressings, etc. as a hot and cold process, as well as the cosmetics and pharmaceutical industry, such as the production of high-quality emulsions and suspensions for lotions, creams, gels, ointments, etc.
  • the homogenizer 1 is often advantageously installed below the process vessel of the vacuum processing system. This configuration ensures safe pre-mixing and even wetting of the dry substances in the liquid phase from the process and/or storage vessel immediately before passing through the homogenizer 1.
  • the gear-ring homogenizer 1 introduces the shear energy into the product in a defined manner and conveys it.
  • the circulation line is downstream of the homogenizer 1 and guarantees the forced guidance of the product back into the process vessel. This closes the product cycle and ensures vertical mixing in the process vessel. It also offers the possibility of sampling and product discharge.
  • a scraper agitator prevents product from sticking to the inner wall of the process vessel during the heating and cooling phases. It also effectively supports the macro-mixing of the product in the process vessel.
  • An integrated vacuum system supports the intake of liquid and dry ingredients into the homogenizer 1. In addition, the product quality and characteristics can be influenced by the precise control of the process vacuum.
  • Oil dosing rate is a significant time factor in the production of mayonnaise. It was found that the new design of rotor and obliquely slotted stator achieved the best results compared to designs according to the state of the art, in particular without the groove-like design 13.
  • the present documents also disclose correspondingly advantageous operating and manufacturing methods based on the homogenizer 1 according to the invention and the corresponding vacuum processing system and variants, as well as the use of such a homogenizer 1 according to the invention and such a vacuum processing system for specific product types, products and results.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Homogenisator (1) zur Homogenisierung oder Dispergierung oder allgemein zur Behandlung von fließfähigen Produkten, der eine Mischkammer (3) mit einem Produkteinlass (4) und einem Produktauslass (5) und in der Mischkammer (3) eine einen Rotor (6) tragende, drehbar gelagerte und mittels eines, insbesondere steuerbaren Antriebs in Rotation versetzbare Rotorwelle (7) und einem mit dem Rotor (6) zusammenwirkenden Stator (8) enthält, wobei der Rotor (6) einen Rotorteller (9), der konzentrisch an der Rotorwelle (7) sitzt, und an dem Rotorteller (9) eine Rotorverzahnung (10) enthält, die unter Bildung eines Scherspaltes (11) radial innerhalb einer Statorverzahnung (12) des Stators (8) ungeordnet ist, und wobei dem Produkteinlass (4) nachgeordnet längs der Rotorwclle (7) zum Rotorteller (9) hin eine axiale Produktströmungsrichtung (L) definiert ist und eine radiale Produktströmungsrichtung (R) von der Rotorwelle (7) radial am Rotarteller (9) entlang und zwischen der Rotorverzahnung (10) und der Statorverzahnung (12) hindurch definiert ist, von der aus das Produkt zum Produktauslass (5) strömen kann, wobei an dem Übergang von der Rotorwelle (7) zum Rotorteller (9) eine hohlkehlenartige Ausgestaltung (13) die Rotorwelle (7) umgibt, mit bevorzugt zumindest annähernd bündigen Übergängen zur Rotorwelle (7) und zum Rotorteller (9), so dass die zu behandelnden fließfähigen Produkte im Betrieb des Homogenisators (1) aus der axialen Produktströmungsrichtung (L) durch die hohlkehlenartige Ausgestaltung (13) insbesondere kontinuierlich oder Über mindestens eine Schräge in die radiale Produktströmungsrichtung (R) umgelenkt werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Vakuumprozessanlage sowie ein Verfahren zur Homogenisierung oder Dispergierung oder allgemein zur Behandlung von fließfähigen Produkten jeweils mit einem solchen Homogenisator (1).

Description

Homogenisator sowie Vakuumprozessanlage und Verfahren damit
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Homogenisator sowie eine Vakuumprozessanlage und ein Verfahren zur Homogenisierung oder Dispergierung oder allgemein zur Behandlung von fließfähigen Produkten jeweils mit einem solchen Homogenisator.
Die DE 102009047777 Al offenbart einen Homogenisator zur Homogenisierung oder Dispergierung von fließfähigen Stoffen, d.h. für flüssige und pastöse Produkte, mit einer Mischkammer mit einem Produkteinlass und einem Produktauslass und in der Mischkammer eine einen Rotor tragende, drehbar gelagerte und mittels eines, insbesondere steuerbaren, Antriebs in Rotation versetzbare Rotorwelle und einem mit dem Rotor zusammenwirkenden Stator.
Der Rotor enthält einen Rotorteller, der konzentrisch an der Rotorwelle sitzt, und an dem Rotorteller eine Rotorverzahnung, die unter Bildung eines Scherspaltes radial innerhalb einer Statorverzahnung des Stators angeordnet ist, so dass zwischen dem Rotor und dem Stator ein Scherspalt gebildet ist. Dem Produkteinlass nachgeordnet ist längs der Rotorwelle zum Rotorteller hin eine axiale Produktströmungsrichtung definiert und von der Rotorwelle ist radial am Rotorteller entlang zwischen den Rotorzähnen und den Statorzähnen hindurch eine radiale Produktströmungsrichtung definiert, von der aus das Produkt zum Produktauslass strömen kann. Solche Homogenisatoren werden auch Rotor-Stator- oder Zahnkranz-Homogenisatoren genannt, die die Scherenergie definiert in das Produkt eintragen und es fördern, d.h. den Produktfluss antreiben.
Derartige Homogenisatoren werden beispielsweise in der Lebensmittelindustrie und in der kosmetischen und pharmazeutischen Industrie eingesetzt, um beispielsweise Ketchup, Mayonnaise, Saucen, Dressings etc. als Heiß- und Kaltprozess bzw. Emulsionen und Suspensionen für Lotionen, Cremes, Gels, Salben, etc. herzustellen. Dabei sind solche Homogenisatoren insbesondere in Vakuumprozessanlagen integriert, indem sie darin unterhalb eines Prozessbehälters angebaut sind und auch Misch-/Förderflügel enthalten. Diese Konfiguration sorgt, unmittelbar vor Durchgang durch den Homogenisator für eine sichere Vorvermischung und gleichmäßige Benetzung von Trockenstoffen in der Flüssigphase aus dem Prozess- und/oder Vorlagebehälter. Dem Homogenisator ist beispielsweise eine Umlaufleitung nachgelagert und garantiert die Zwangsführung des Produktes zurück in den Prozessbehälter. Hierdurch wird der Produktkreislauf geschlossen sowie die vertikale Durchmischung im Prozessbehälter sichergestellt. Zudem wird dadurch die Möglichkeit zum Musterzug und Produktaus- trag geboten.
Die in der Praxis verwendeten Bauformen von Homogenisatoren und Vakuumprozessanlagen mit der vorbeschriebenen Technik sind weitverbreitet im Einsatz und funktioniert grundsätzlich zufriedenstellend, haben aber konstruktiv seit geraumer Zeit ihre Grenzen erreicht, wie beispielsweise bei Durchsatz und Öldosierung für die zu behandelnden flüssigen und pastösen Produkte, für die besondere und sich weiterentwickelnde Hygienevorgaben bestehen. Wegen letzteren muss ein Homogenisator gut zu reinigen sein, wobei aus der Praxis bekannte Bauformen wesentliche Nachteile haben.
Die vorliegende Erfindung verfolgt daher das Ziel, die vorhandene Technik weiter zu verbessern und insbesondere den Durchsatz zu erhöhen und eine schnelle, einfache und gründliche Reinigungsfähigkeit zu ermöglichen.
Dieses Ziel wird mit einem Homogenisator nach Anspruch 1 sowie einer Vakuumprozessanlage mit einem solchen Homogenisator nach Anspruch 11 und einem Verfahren nach Anspruch 12 erreicht.
Entsprechend wird durch die Erfindung ein Homogenisator zur Homogenisierung oder Dispergierung oder allgemein zur Behandlung von fließfähigen Produkten geschaffen, der eine Mischkammer mit einem Produkteinlass und einem Produktauslass und in der Mischkammer eine einen Rotor tragende, drehbar gelagerte und mittels eines, insbesondere steuerbaren Antriebs in Rotation versetzbare Rotorwelle und einem mit dem Rotor zusammenwirkenden Stator enthält, wobei der Rotor einen Rotorteller, der konzentrisch an der Rotorwelle sitzt, und an dem Rotorteller eine Rotorverzahnung enthält, die unter Bildung eines Scherspaltes radial innerhalb einer Statorverzahnung des Stators angeordnet ist, und wobei dem Produkteinlass nachgeordnet längs der Rotorwelle zum Rotorteller hin eine axiale Produktströmungsrichtung definiert ist und eine radiale Produktströmungsrichtung von der Rotorwelle radial am Rotorteller entlang und zwischen der Rotorverzahnung und der Statorverzahnung hindurch definiert ist, von der aus das Produkt zum Produktauslass strömen kann, wobei an dem Übergang von der Rotorwelle zum Rotorteller eine hohlkehlenartige Ausgestaltung die Rotorwelle umgibt, mit bevorzugt zumindest annähernd bündigen Übergängen zur Rotorwelle und zum Rotorteller, so dass die zu behandelnden fließfähigen Produkte im Betrieb des Homogenisators aus der axialen Produktströmungsrichtung durch die hohlkehlenartige Ausgestaltung insbesondere kontinuierlich oder über mindestens eine Schräge in die radiale Produktströmungsrichtung umgelenkt werden.
Die hohlkehlenartige Ausgestaltung am Übergang zwischen Rotorachse und Rotorteller führt durch ihre negative oder konkave umlaufende Ausrundung zu einer kontinuierlichen und insbesondere störungsarmen und stau- sowie verwirbelungsarmen Umlenkung der Produktströmung aus der axialen Richtung längs der Rotorwelle in die radiale Richtung längs den Radien des Rotortellers, was den Produktdurchsatz optimiert. Gleichzeitig wird durch den Wegfall eines Knicks am Übergang zwischen Rotorachse und Rotorteller ein Totraum für den Pro- duktfluss vermieden, wo sich Produkt anlagem kann, das vor oder nach jeder Inbetriebnahme des Homogenisators als Verschmutzung aufwendig entfernt werden muss und zudem die Produktströmung an dieser Stelle staut oder durch die Bildung von Verwirbelungen stört. Die Optimierung, d.h. Erhöhung des Durchsatzes gegenüber einer Ausführung ohne die erfindungsgemäße hohlkehlenartige Ausgestaltung und die Einsparung oder zumindest Vereinfachung von Reinigungserfordernissen führt zu einer erhöhten Produktivität des Homogenisators.
Durch die Erfindung wird somit eine geführte, verlustarme Umlenkung der Produktströmung aus der Axial- in die Radialrichtung nach dem Prinzip einer Radialpumpe erreicht, während beim Stand der Technik eine der Rotorverzahnung vorgeschaltete Saugbeflügelung vom Prinzip her eine axiale Pumpe ist, die Fluide axial fördert, was zur Umlenkung von Axial- in Radialrichtung denkbar ineffizient ist. Demgegenüber schafft die erfindungsgemäße Gestaltung des Rotors sozusagen eine radiale Zentrifugalpumpe
Bevorzugt ist die hohlkehlenartige Ausgestaltung an einem von dem Rotorteller axial entgegen der axialen Produktströmungsrichtung vorstehenden Innenring des Rotors vorgesehen und damit ein Bestandteil des Rotors und insbesondere integral mit dem Rotorteller und/oder der Rotorwelle ausgebildet. Vorzugsweise geht die hohlkehlenartige Ausgestaltung einerseits an ihrem radial engsten Ende zumindest annähernd bündig in die Rotorwelle über und läuft andererseits zumindest annähernd bündig in den Rotorteller aus. Insbesondere kann bei und in Verbindung mit jeglicher anderen Ausgestaltung des Homogenisators ferner vorgesehen sein, dass die hohlkehlenartige Ausgestaltung a) eine teilkreisartige Hohlkehle mit teilkreisartigem Querschnitt mit konstantem Radius ist, wobei der Radius insbesondere im Bereich von 10 mm bis 100 mm und vorzugsweise im Bereich von 30 mm bis 80 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 40 mm bis 65 mm liegt, oder b) eine teilellipsoide Hohlkehle mit teilellipsoidem Querschnitt mit im Verlauf der Krümmung sich kontinuierlich änderndem Radius ist, wobei die Radien des teilellipsoi- den Querschnitts insbesondere im Bereich von 10 mm bis 100 mm und vorzugsweise im Bereich von 30 mm bis 80 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 40 mm bis 65 mm liegen, oder c) eine Kegelstumpfausgestaltung mit im Querschnitt wenigstens einer Schräge ist, die durch wenigstens einen Kegelstumpf gebildet ist.
Mit Vorteil kann dabei ferner vorgesehen sein, dass dem Rotor in Bezug auf die axiale Produktströmungsrichtung vorgeschaltet ein Misch-/Förderflügel und/oder eine Dispergierscheibe koaxial zum Rotor angeordnet sind/ist, wobei der Misch-ZFörderflügel bevorzugt mit der Rotorwelle antriebsmäßig verbunden ist und/oder die Dispergierscheibe koaxial zur Rotorwelle angeordnet ist, wobei ggf. die Dispergierscheibe in der axialen Produktströmungsrichtung nach den Misch-/Förderflügeln angeordnet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, dass die Rotorverzahnung einzelne auf einer Rotorzahnkreislinie koaxial um die Rotorwelle angeordnete und mit dem Rotorteller verbundene und insbesondere integrale Rotorzähne enthält, die entgegen der axialen Produktströmungsrichtung von dem Rotorteller vorstehen. Vor allem die integrale Ausgestaltung der Rotorzähne mit dem Rotorteller ergibt Vorteile bei Reinigung und Kompaktheit des Rotors.
Vorzugsweise sind an dem Rotorteller radial innerhalb der Rotorzähne und ebenfalls entgegen der axialen Produktströmungsrichtung vorstehend Saugflügel auf einer Saugflügelkreislinie koaxial um die Rotorwelle angebracht und insbesondere integral ausgebildet sind und/oder an dem Rotorteller radial außerhalb der Rotorzähne und der Statorverzahnung sowie ebenfalls entgegen der axialen Produktströmungsrichtung vorstehend Pumpflügel auf einer Pumpflügelkreislinie koaxial um die Rotorwelle angebracht und insbesondere integral ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung trägt vorteilhafterweise ebenfalls zur Vereinfachung und Verbesserung der Reinigungsmöglichkeit sowie zur Verbesserung der Kompaktheit des ganzen Homogenisators bei. Die Reduzierung der Komponentenanzahl von drei (getrennte Bauteile Saugflügel, Rotor und Pumpflügel) auf ein Stück führt in vorteilhafter Weise zur Reduktion von Bauteilen, Senkung der Herstellungs-, Montage-, Reinigungs- und Wartungskosten sowie eine Verbesserung der Hygiene, wobei letzteres neben der Vermeidung von mehreren Anschlussstellen verschiedener Komponenten an der Rotorwelle und/oder untereinander auch dadurch begünstigt wird, dass an solchen Stellen Dichtungen, wie insbesondere O-Ring-Dichtungen eingespart werden, was sich neben den Vorteilen bei der Hygiene auch bei den Herstellungsund Betriebskosten positiv auswirkt.
Insbesondere kann bei und in Verbindung mit jeglicher anderen Ausgestaltung des Homogenisators ferner vorgesehen sein, dass die hohlkehlenartige Ausgestaltung a) eine teilkreisartige Hohlkehle mit teilkreisartigem Querschnitt mit konstantem Radius, ist, wobei der Radius bestimmt ist durch das Verhältnis
Außenradius der Saugflügel / Radius der Hohlkehle und das Verhältnis einen Wert hat von 0,2 bis 5, vorzugsweise 0,4 bis 3 und besonders bevorzugt 0,5 bis 1,5 hat, oder b) eine teilellipsoide Hohlkehle mit teilellipsoidem Querschnitt mit im Verlauf der Krümmung sich kontinuierlich änderndem Radius ist, wobei die Radien bestimmt sind durch das Verhältnis
Außenradius der Saugflügel / lokaler Radius der Hohlkehle und das Verhältnis einen Wert hat von 0,2 bis 5, vorzugsweise 0,4 bis 3 und besonders bevorzugt 0,5 bis 1,5 hat.
Durch die Erfindung kann auch der Fertigungsprozess durch Nutzung neuer effizienter Fertigungsmethoden weitgehend verschlankt werden. Bei der bisherigen Herstellung von bis zu drei separaten Bauteilen, bei denen in Summe mehr Edelstahl zerspant werden muss als bei einem Rotor mit integrierten insbesondere Saug- und Pumpflügeln, muss jedes Bauteil in einer Dreh- und Fräsmaschine mehrfach neu aufgespannt werden. Beides, Materialeinsatz und Bearbeitungshandling, ist mit dem neuen Rotor minimiert, und auch sich aufaddierende Fertigungstoleranzen sind eliminiert. Vorzugsweise sind die Rotorzähne sowie insbesondere auch ggf. die Saugflügel und/oder die Pumpflügel, die zusammen auch als Beschaufelung des Rotors bezeichnet werden können, strömungstechnisch optimiert gekrümmt gestaltet. Bei den einzelnen Schaufeln, also den Rotorzähnen, Saugflügeln und/oder Pumpflügeln sind die Zahn- bzw. Schaufelkrümmungen auf Basis der Berechnung von Geschwindigkeitsvektoren bestimmt.
Die Krümmung der Rotorzähne ist dabei vorzugsweise in einem radial dem Stator benachbarten Endbereich der in Drehrichtung des Rotors weisenden Flanke im Querschnitt konvex und vorzugsweise spitz in Drehrichtung des Rotors auslaufend sowie insbesondere knickfrei. Dabei sind die Rotorzähne bevorzugt im Querschnitt trapezartig geformt. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, dass die in Drehrichtung des Rotors weisenden Flanke der Rotorzähne, auch führende Rotorzahnflanke genannt, und wenn die führende Rotorzahnflanke selbst gekrümmt ist, die Verbindungslinie der Endkanten der führenden Rotorzahnflanke, zum Radius des Rotortellers einen geringeren Winkel einschließt als die nachlaufende Flanke der Rotorzähne und wenn die nachlaufende Rotorzahnflanke selbst gekrümmt ist, die Verbindungslinie der Endkanten der nachlaufenden Rotorzahnflanke.
Diese Ausgestaltung beinhaltet insbesondere eine strömungstechnische Optimierung der Rotorverzahnung für eine definierte strömungsoptimierte Produktumlenkung in den Stator. Dies betrifft nicht nur die in Drehrichtung des Rotors vordere Flanke der Rotorzähne, also die führende Rotorzahnflanke, sondern auch deren rückwärtige Flanke, also die nachlaufende Rotorzahnflanke, wo bevorzugt keine Rotorkante mehr scharfkantig vom Produkt umströmt werden muss. Die Produktströmung fließt weitgehend verwirbelungsarm dem Scherspalt zu.
Vorteilhafterweise können bei dem erfindungsgemäßen Homogenisator die Rotorzähne zur Vergrößerung der Durchströmfläche (Schlitz- oder Nutfläche) axial bezogen auf die axiale Produktströmungsrichtung und passend zur entsprechenden Länge der Statorschlitze oder entsprechend axialen Ausdehnung der Perforierung des Statorrings gegenüber den Bauarten beim Stand der Technik verlängert sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass sich die Rotorzähne zu ihren dem Stator zugewandten Seiten, d.h. Richtung Druckseite, hin insbesondere kontinuierlich und vorzugsweise gekrümmt radial verjüngen, was im Betrieb des Homogenisators einen sich in dieser Richtung, also zum Stator und insbesondere dessen Schlitzen oder Nuten zwischen den Statorzähnen hin erhöhten Staudruck erzeugt, was wiederum die Dehnung der Mikrotröpfchen des Produktes und somit die Scherwirkung vergrößert. Anders ausgedrückt ist der Außendurchmesser jedes Rotorzahns in Drehrichtung zunehmend verringert oder verkleinert, so dass ein keilförmig zulaufender Spalt zwischen den Rotorzähnen und den Statorzähnen der Statorverzahnung gebildet ist. Mit dieser konstruktiven Gestaltung der Rotorzähne wird im Betrieb des Homogenisators ein erhöhter Staudruck in Richtung zu den Zwischenräumen zwischen den Statorzähnen der Statorverzahnung, auch Statornutung genannt, erzeugt, was die genannte Dehnung der Mikrotröpfchen und somit die Scherwirkung vergrößert.
Noch weiter kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass die Saugbeflügelung, d.h. die einzelnen Saugflügel, mit einzelnen der Rotorzähne kombiniert, wie beispielsweise verschmolzen oder insbesondere durch einen Steg integral verbunden sind. Insbesondere ist jeder zweite Rotorzahn mit einem Saugflügel kombiniert oder verschmolzen oder durch einen Steg integral verbunden. Neben den fertigungstechnischen Vorteilen wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass keine Spalten und Fugen oder allgemein Zwischenräume zwischen den Saugflügeln und den entsprechenden Rotorzähnen vorhanden sind und entsprechende hygienische Problemzonen vermieden werden. Ferner kann dadurch eine effiziente und verwirbelungs- bzw. verlustarme Führung des Produktes vor und insbesondere hinter den Saugflügeln erreicht werden.
Vorzugsweise ist die Saugbeflügelung des erfindungsgemäßen Homogenisators an das Prinzip einer Zentrifugalpumpe angelehnt. Damit wird das Produkt effizient mit größerem Volumenstrom und mit einem höheren Druck gefördert.
Vorteilhafterweise ist bezogen auf die Rotorzähne ggf. auch die neue Pumpbeflügelung, d.h. die Pumpflügel radial außerhalb des Stators axial bezogen auf die axiale Produktströmungsrichtung gegenüber den Bauarten beim Stand der Technik verlängert, was zur Verbesserung der Pumpwirkung und Vergrößerung der Produktfordermenge fuhrt.
Bei den Pumpflügeln ist bevorzugt die gesamte in Drehrichtung des Rotors weisende Flanke, auch führende Pumpflügelflanke genannt, im Querschnitt konvex gekrümmt, insbesondere spitz in Drehrichtung des Rotors auslaufend, und ist alternativ oder zusätzlich der Querschnitt trapezartig. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, dass der Winkel der in Drehrichtung des Rotors weisenden Flanke der Pumpflügel, also die führende Pumpflügelflanke, und wenn die führende Pumpflügelflanke selbst gekrümmt ist, die Verbindungslinie der Endkanten der führenden Pumpflügelflanke, zum Radius des Rotortellers einen größeren Winkel einschließt als die nachlaufende Flanke der Pumpflügel, also die nachlaufende Pumpflügelflanke, und wenn die nachlaufende Pumpflügelflanke selbst gekrümmt ist, die Verbindungslinie der Endkanten der nachlaufenden Pumpflügelflanke. In weiterer Ausgestaltung kann die nachlaufende Flanke der Pumpflügel im Querschnitt insbesondere über die gesamte Querschnittslänge konvex geformt sein.
Mit Vorzug ist die Flügelgeometrie der Pumpflügel strömungstechnisch so optimiert, dass ein optimales Ausströmen des Produktes in eine Rezirkulationsleitung oder Druckleitung oder in den Produktauslass ermöglicht wird, und hat insbesondere eine gekrümmte Form.
Als vorteilhaft hat sich gezeigt und es ist entsprechend bevorzugt, wenn die Überdeckung der Statorschlitze oder -nute durch die Pumpflügel durch Reduktion der Anzahl sowie kürzerem Bogenmaß der Pumpflügel verringert ist, so dass die freie ungestörte Durchtrittsfläche durch den Stator oder genauer gesagt dessen Statorschlitze vergrößert ist und dadurch Druckverluste reduziert werden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, dass die Statorverzahnung einzelne auf einer Kreislinie koaxial um die Rotorwelle angeordnete Statorzähne enthält, die vorzugsweise in der axialen Produktströmungsrichtung von einem Statorbasisring vorstehen und zwischen denen in radialer Produktströmungsrichtung durchgängige Statorschlitze definiert sind.
Bevorzugt sind die Statorzähne an ihrem vom Statorbasisring abgewandten Ende durch einen Statorendring verbunden, der einen Statorstabilisierungsring bildet, so dass die Statorschlitze umfangsmäßig zwischen den Statorzähnen und axial durch den Statorbasisring und den Statorstabilisierungsring begrenzt definiert sind.
Mit Vorzug ist weiter vorgesehen, dass die Statorverzahnung bezüglich der axialen Produktströmungsrichtung eine Schrägverzahnung ist, wodurch eine gegenüber einer Geradeverzahnung verlängerte Länge der Statorschlitze oder -nute ergibt, wodurch wiederum die Durchströmfläche der Statorschlitze gegenüber einer Geradeverzahnung vergrößert ist, womit er Vorteil einer vergrößerten Scherzone erreicht wird. Bei Versuchen wurde bestätigt, dass mit einer Schrägverzahnung eine bessere Tröpfchengrößenverteilung einer mit dem Homogenisator bearbeiteten Emulsion erhalten wird, was auf eine bessere Scherwirkung eines schrägver- zahnten Stators gegenüber einer geradeverzahnten Ausführung schließen lässt. Tests haben weiterhin gezeigt, dass sich die Schrägverzahnung auf die Scherwirkung positiv auswirkt. Mit Schrägverzahnung wurde gegenüber einer geraden Verzahnung eine höhere Öldosierung (in kg/s) ermöglicht, was darauf zurückzuführen ist, dass bei einer Schrägverzahnung die Scherwirkung (Dehnströmung) auf die mikroskopisch kleinen Emulsionskügelchen größer als bei einer Geradverzahnung ist. Schließlich konnte in Versuchen nachgewiesen werden, dass sich die Schrägverzahnung positiv auf die Schallintensität ausgewirkt. Der Rotor schneidet bildlich gesprochen in die schräge Statorverzahnung hinein und somit werden Druckstöße beim Durchströmen der Scherkanten der Statorverzahnung merklich reduziert.
Die letztere Ausgestaltung ist mit Vorzug weiter so ausgebildet, dass die Seitenwände der Statorzähne und somit der Statorschlitze an jeder Stelle in Umfangsrichtung der Statorverzahnung radial verlaufen. Diese Ausgestaltung kann auch so beschrieben werden, dass die Schlitz- oder Nutfuhrungslinien immer senkrecht zur Mittelachse, d.h. zur axialen Produktströmungsrichtung stehen. Dies ergibt eine schraubenartige oder verdrillte Ausfräsung oder einen schraubenartigen oder verdrillten Längsverlauf der Statorschlitze, was vorzugsweise mittels einer 5-Achsen-Fräse oder einer 3D -Druckmethode herzustellen ist. Durch diese Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Scherwirkung über die Länge der Statorschlitze oder -nute gleich bleibt.
Alternativ kann die Statorverzahnung durch einen perforierten Statorring gebildet sein, der koaxial auf dem Statorbasisring sitzt und in radialer Produktströmungsrichtung durchgängige Statorbohrungen enthält, die die Perforierung bilden. Durch die Perforierung des Statorrings mit Bohrungen statt Schlitze wird das Verhältnis von Scherkanten zu Durchtrittsfläche im Vergleich zu Schlitzen vergrößert, womit eine positive Auswirkung auf die Ausbildung der Emulsion erreicht werden kann
Vorzugsweise können die Statorschlitze oder Statorbohrungen und/oder -zwischenräume zwischen den Rotorzähnen zur stärkeren Dehnung der Mikrotröpfchen sich in radialer Produktströmungsrichtung konisch verengend ausgeführt sein, was auch zu einer Verbesserung der Scherwirkung beiträgt.
Ferner ist es für die Stabilität (Reduktion der Durchbiegung und Biegespannungen) der
Statorzähne, aber auch der Rotorzähne sowie ggf. Saug- und/oder Pumpflügel von Vorteil und daher bevorzugt, wenn ihr Profil oder ihre Dicke konisch verstärkt ist, so dass das Profil in Richtung zum bei den Statorzähnen dem Statorbasisring abgewandten Ende hin und bei den Rotorzähnen sowie ggf. Saug- und/oder Pumpflügeln dem Rotorteller abgewandten Zahn- bzw. Flügelenden schlanker wird. Gerade bei einer schon angeführten axialen Verlängerung der Zähne und ggf. Flügel führen die auftretenden Zentrifugalkräfte zu einer stärkeren Durchbiegung und kritischen Zunahme der Biegespannungen im Wurzelbereich, dem die genannte konische Verstärkung in Richtung Wurzel der genannten Zähne und Flügel entgegengewirkt.
Bevorzugt ist die Schlitz- oder Nutenzahl des Stators kein gemeinsames Vielfaches der Anzahl der Rotorzähne und ggf. Pumpflügel. Damit kann die Schallintensität zumindest bei einzelnen und insbesondere bestimmten Frequenzen deutlich reduziert werden, wie mit Hilfe eines Schallspektrumanalysers bei Tests nachgewiesen werden konnte. Lediglich als nicht beschränkendes Beispiel aus den Tests sind 10 Rotorschlitze und damit auch Rotorzähne, 5 Pumpflügel und 27 Statorschlitze kombiniert.
Noch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Homogenisators besteht darin, dass der Homogenisator ein Gehäuse enthält, das sich um die Pumpflügel nach dem Prinzip eines Kreiselpumpengehäuses schneckenförmig aufweitet, so dass Kammern eines Pumpflügelringspalts zwischen einem Gehäuse des Homogenisators und den Pumpflügeln während deren Umdrehung bis zum Ausstößen in einen Rezirkulationsanschluss zu einer Re- zirkulationsleitung oder einer Druckleitung oder dem Produktauslass (5) hin sukzessive größer werden, wodurch in vorteilhafter Weise das Fördervolumen steigt und die internen Druckverluste im Pumpflügelringspalt sinken.
Ferner ist ein Rezirkulationsanschluss des Homogenisators zur Produktausgabe in einen Kreislauf zur Rückführung des Produktes wieder in den Homogenisator zur nochmaligen Behandlung der Rotor-Stator-Kombination nachgeschaltet ähnlich einer Kreiselpumpe ausgeführt. Der Rezirkulationsanschluss wird durch einen Rohranschluss gebildet, der insbesondere einen ovalen Querschnitt hat, um einen noch optimaleren Einlauf in eine dem Rezirkulationsanschluss nachgeschaltete Rezirkulationsleitung zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich ist der Rezirkulationsanschluss und oder zumindest der dem letzteren benachbarte Bereich der Rezirkulationsleitung in Strömungsrichtung konisch verengend. Bei dem erfindungs gemäßen Homogenisator wird durch die einzelnen Ausgestaltungen und deren Kombinationen insbesondere die Rückströmung vom Homogensiator in einen weiteren Behälter der Vakuumprozessanlage, in die der Homogensiator vorzugsweise integriert ist, in dem Rezirkulationsanschluss und oder zumindest der dem letzteren benachbarte Bereich der Rezirkulationsleitung zumindest weitgehend wirbelfrei realisiert, was den Produktdurchsatz und die Produktqualität weiter verbessert.
Ferner kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass bei dem erfindungsgemäßen Homogenisator die Rotor-Stator-Kombination zwei- oder mehrstufig ausgefuhrt ist, also radial außerhalb des innersten Statorrings wieder eine Kreisanordnung mit Rotorzähnen und denen radial außen benachbart ein weiterer Statorring angeordnet sind, was weiter wiederholt sein kann. Hiermit würde die Scherwirkung steigen.
Schließlich wird das Ziel der Erfindung auch mit einer Vakuumprozessanlage mit einem Homogenisator und einem Verfahren zur Homogenisierung oder Dispergierung oder allgemein zur Behandlung von fließfähigen Produkten mit einem Homogenisator erreicht, der bevorzugt einzelne oder mehrere der vorher erläuterten Gestaltungsmöglichkeiten nutzt.
Offenbart sind in den vorliegenden Unterlagen ferner auf dem erfindungsgemäßen Homogenisator und der entsprechenden Vakuumprozessanlage basierende und entsprechend vorteilhafte Betriebs- und Herstellungsverfahren sowie die Verwendung eines solchen erfindungsgemäßen Homogenisators und einer solchen Vakuumprozessanlage für spezielle Produktarten, Produkte und Ergebnisse.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung lediglich exemplarisch näher erläutert, in der dargestellt ist in
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Homogenisators,
Fig. 2 eine schematische Frontansicht des ersten Ausführungsbeispiels des Homogenisators aus der Fig. 1, Fig. 3 eine schematische Querschnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels des Homogenisators aus den Fig. 1 und 2 im Bereich der Rotor-Stator- Anordnung gemäß der Schnittline A-A in der Fig. 1 ,
Fig. 4 eine vergrößerte schematische Seitenansicht des Rotortellers des ersten Ausführungsbeispiels des Homogenisators mit ausgeblendeten/-ter Flügeln/Beschaufelung aus den Fig. 1 bis 3,
Fig. 5 eine schematische Längsschnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels des Homogenisators aus den Fig. 1 bis 4,
Fig. 6 eine schematische perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Rotors des Homogenisators,
Fig. 7 eine schematische perspektivische Ausschnittsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Rotors des Homogenisators zur Verdeutlichung eines Details,
Fig. 8 eine schematische perspektivische Ausschnittsdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Rotors des Homogenisators zur Verdeutlichung eines weiteren Details,
Fig. 9 eine schematische perspektivische ausschnittweise Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Homogenisators zur Verdeutlichung noch eines weiteren Details,
Fig. 10 eine schematische perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Stators des Homogenisators,
Fig. 10A eine schematische perspektivische Darstellung einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels des Stators des Homogenisators aus der Fig. 10,
Fig. 11 eine schematische perspektivische Darstellung eines zweiten Ausfuhrungsbeispiels eines Stators des Homogenisators, Fig. 12 eine schematische perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Stators des Homogenisators,
Fig. 13 eine schematische perspektivische Ausschnittsdarstellung eines vierten Ausfüh- rungsbeispiels eines Stators des Homogenisators,
Fig. 14 eine schematische Seitenansicht des vierten Ausführungsbeispiels eines Stators des Homogenisators aus Fig. 13,
Fig. 15 eine schematische perspektivische Ausschnittsdarstellung des vierten Ausführungsbeispiels eines Stators des Homogenisators aus den Fig. 13 und 14,
Fig. 16 eine schematische Ausschnittsdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines Stators des Homogenisators,
Fig. 17 eine schematische perspektivische Ausschnittsdarstellung des dritten Ausführungsbeispiels des Rotors des Homogenisators, gemäß Fig. 8,
Fig. 18 eine schematische ausschnittsweise Querschnittansicht des dritten Ausführungsbeispiels des Homogenisators aus der Fig 17 gemäß der Schnittline A-A in der Fig. 17,
Fig. 19 eine schematische ausschnittsweise Querschnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels des Homogenisators,
Fig. 20 eine schematische Querschnittansicht eines fünften Ausführungsbeispiels des Homogenisators,
Fig. 21 eine schematische Querschnittansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels des Homogenisators,
Fig. 22 eine schematische Ausschnittsdarstellung eines wesentlichen Details des Homogenisators, Fig. 23A eine vergrößerte schematische teilweise Seitenansicht des Rotortellers mit Verdeutlichung einer ersten Variante des ersten Ausführungsbeispiels des Homogenisators mit ausgeblendeten/-ter Flügeln/Beschaufelung aus der Fig. 4, und
Fig. 23B eine vergrößerte schematische teilweise Seitenansicht des Rotortellers mit Verdeutlichung einer zweiten Variante des ersten Ausfuhrungsbeispiels des Homogenisators mit ausgeblendeten/-ter Flügeln/Beschaufelung aus der Fig. 4.
Anhand der nachfolgend beschriebenen und in den einzelnen Figuren der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungs- und Anwendungsbeispiele wird die Erfindung lediglich exemplarisch näher erläutert, d.h. sie ist nicht auf diese Ausfuhrungs- und Anwendungsbeispiele oder auf die Merkmalskombinationen innerhalb eines Ausfuhrungs- und Anwendungsbeispiels beschränkt. Verfahrens- und Vorrichtungsmerkmale ergeben sich jeweils analog auch aus Vor- richtungs- bzw. Verfahrensbeschreibungen.
Einzelne Merkmale, die im Zusammenhang mit einem konkreten Ausführungsbeispiel angegeben und/oder dargestellt sind, sind nicht auf dieses Ausführungsbeispiel oder die Kombination mit den übrigen Merkmalen dieses Ausführungsbeispiels beschränkt, sondern können im Rahmen des technisch Möglichen, mit jeglichen anderen Varianten kombiniert werden, auch wenn sie in den vorliegenden Unterlagen nicht gesondert behandelt sind.
Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren und Abbildungen der Zeichnung bezeichnen gleiche oder ähnliche oder gleich oder ähnlich wirkende Komponenten. Anhand der Darstellungen in der Zeichnung werden auch solche Merkmale deutlich, die nicht mit Bezugszeichen versehen sind, unabhängig davon, ob solche Merkmale nachfolgend beschrieben sind oder nicht. Andererseits sind auch Merkmale, die in der vorliegenden Beschreibung enthalten, aber nicht in der Zeichnung sichtbar oder dargestellt sind, ohne weiteres für einen Fachmann verständlich.
In den Fig. 1 bis 5 sind schematisch entsprechend in einer Seiten-, Front-, Querschnitts-, auszugsweisen Detail- und mittige Längsschnittansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines Homogenisators 1 zur Homogenisierung oder Dispergierung oder allgemein zur Behandlung von fließfähigen Produkten, wobei die Fig. 3 eine Querschnittsansicht gemäß dem Schnitt A-A in der Fig. 1 darstellt. Der Homogenisator 1 enthält eine in einem Gehäuse 2 enthaltene Misch- kammer 3 mit einem Produkteinlass 4 und einem Produktauslass 5 und in der Mischkammer 2 eine einen Rotor 6 tragende, drehbar gelagerte und mittels eines, insbesondere steuerbaren Antriebs (nicht gezeigt) in Rotation versetzbare Rotorwelle 7 und einem mit dem Rotor 6 zusammenwirkenden Stator 8.
Wie insbesondere die Figuren 1, 2, 3 und 5 zeigen, sind bei diesem ersten Ausführungsbeispiel des Homogenisators 1 neben dem Produkteinlass 4 ein Produktauslass 5 und Produktablässe 5a und 5b sowie vier weiterer Produkteinässe 4a, 4b, 4c und 4d vorhanden, durch die z.B. bei einer Erstfüllung einzelne Komponenten des zu behandelnden Produktes von entsprechenden Vorratsbehältern (nicht gezeigt) eingefüllt werden können. Ferner sind neben dem Produktauslass 5, der beispielsweise in einen Prozessbehälter (nicht gezeigt) führt, von wo das Produkt z.B. auch nach einer anderweitigen Behandlung im Kreislauf wieder zum Produkteinlass 4 des Homogenisators 1 geleitet werden kann, zwei weitere Produktablässe 5a und 5b vorgesehen, mittels denen restliches Produkt nach Abschluss der Bearbeitung des Produktes aus der Mischkammer 3 des Homogenisators 1 abgelassen werden kann, um die Mischkammer 3 und die darin enthaltenen weiteren Komponenten reinigen und für die Bearbeitung eines anderen Produktes vorbereiten zu können.
Der Rotor 6 enthält einen Rotorteller 9, der konzentrisch an der Rotorwelle 7 sitzt, und an dem Rotorteller 9 eine Rotorverzahnung 10, die unter Bildung eines Scherspaltes 11 radial innerhalb einer Statorverzahnung 12 des Stators 8 angeordnet ist. Dem Produkteinlass 4 nachgeordnet ist längs der Rotorwelle 7 zum Rotorteller 9 hin eine axiale Produktströmungsrichtung L definiert (siehe auch Fig. 22) und eine radiale Produktströmungsrichtung R ist von der Rotorwelle 7 radial am Rotorteller 9 entlang und zwischen der Rotorverzahnung 10 und der Statorverzahnung 12 hindurch definiert, von der aus das Produkt zum Produktauslass 5 strömen kann.
An dem Übergang von der Rotorwelle 7 zum Rotorteller 9 umgibt eine hohlkehlenartige Ausgestaltung 13 die Rotorwelle 7, mit zumindest annähernd bündigen Übergängen zur Rotorwelle 7 und zum Rotorteller 9, so dass die zu behandelnden fließfähigen Produkte im Betrieb des Homogenisators 1 aus der axialen Produktströmungsrichtung L durch die hohlkehlenartige Ausgestaltung 13 kontinuierlich in die radiale Produktströmungsrichtung R umgelenkt werden, wie gesondert durch die Darstellung der Fig. 22 verdeutlicht ist. Die hohlkehlenartige Ausgestaltung 13 am Übergang zwischen Rotorachse 7 und Rotorteller 9 führt durch ihre ne- gative oder konkave umlaufende Ausrundung zu einer kontinuierlichen und insbesondere störungsarmen und stau- sowie verwirbelungsarmen Umlenkung der Produktströmung gemäß dem Pfeil S aus der axialen Richtung L längs der Rotorwelle 7 in die radiale Richtung R längs den Radien des Rotortellers 9, was den Produktdurchsatz optimiert. Gleichzeitig wird durch den Wegfall eines Knicks am Übergang zwischen Rotorachse 7 und Rotorteller 9 ein Totraum für den Produktfluss vermieden, wo sich Produkt anlagern kann und sich zudem die Produktströmung an dieser Stelle staut oder durch die Bildung von Verwirbelungen stört. Damit wird eine geführte, verlustarme Umlenkung der Produktströmung aus der Axial- L in die Radialrichtung R nach dem Prinzip einer Radialpumpe oder einer radialen Zentrifugalpumpe erreicht.
In der Fig. 4 ist in einer vergrößerten schematischen Seitenansicht des Rotortellers 9 des ersten Ausführungsbeispiels des Homogenisators 1 mit ausgeblendeten/-ter Flügeln/Beschaufe- lung aus den Fig. 1 bis 3 die hohlkehlenartige Ausgestaltung 13 von der Rotorwelle 7 zum Rotorteller 9 verdeutlicht. Die hohlkehlenartige Ausgestaltung 13 ist dabei eine teilkreisaitige Hohlkehle 13a mit teilkreisartigem Querschnitt mit konstantem Radius, ist, wobei der Radius insbesondere im Bereich von 10 mm bis 100 mm und vorzugsweise im Bereich von 30 mm bis 80 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 40 mm bis 65 mm liegt. Alternativ kann die teilkreisartige Hohlkehle 13a mit teilkreisartigem Querschnitt mit konstantem Radius bestimmt sein durch das Verhältnis
Außenradius der Saugflügel / Radius der Hohlkehle und das Verhältnis einen Wert hat von 0,2 bis 5, vorzugsweise 0,4 bis 3 und besonders bevorzugt 0,5 bis 1,5 haben. Jede dieser Ausgestaltungen kann bei jeglicher Ausführung in Kombination mit, aber auch ohne jegliche(n) der übrigen hierin offenbarten, über die Merkmalskombination im Anspruch 1 hinausgehende Merkmale realisiert werden. D.h. insbesondere, dass die Maß- und Verhältnisangaben uneingeschränkt ohne jegliche andere Weiterbildungen mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 kombiniert werden können.
Eine erste Variante des ersten Ausführungsbeispiels des Homogenisators 1 aus der Fig. 4 ist in der Fig. 23A in einer vergrößerten schematischen teilweisen Seitenansicht des Rotortellers 9 gestrichelt verdeutlicht als eine hohlkehlenartige Ausgestaltung 13 in Form einer teilellip- soiden Hohlkehle 13b mit teilellipsoidem Querschnitt mit im Verlauf der Krümmung sich kontinuierlich änderndem Radius, wobei die Radien des teilellipsoiden Querschnitts insbesondere im Bereich von 10 mm bis 100 mm und vorzugsweise im Bereich von 30 mm bis 80 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 40 mm bis 65 mm liegen. Alternativ kann die teilellipsoide Hohlkehle 13b mit teilellipsoidem Querschnitt mit im Verlauf der Krümmung sich kontinuierlich änderndem Radius bestimmt sein durch das Verhältnis
Außenradius der Saugflügel / lokaler Radius der Hohlkehle und das Verhältnis einen Wert hat von 0,2 bis 5, vorzugsweise 0,4 bis 3 und besonders bevorzugt 0,5 bis 1,5 haben. Jede dieser Ausgestaltungen kann bei jeglicher Ausführung in Kombination mit, aber auch ohne jegliche(n) der übrigen hierin offenbarten, über die Merkmalskombination im Anspruch 1 hinausgehende Merkmale alternativ zu einer Version mit teilkreisartiger Hohlkehle realisiert werden. D.h. insbesondere, dass die Maß- und Verhältnisangaben uneingeschränkt ohne jegliche andere Weiterbildungen mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 kombiniert werden können.
Eine zweite Variante des ersten Ausführungsbeispiels des Homogenisators 1 aus der Fig. 4 ist in der Fig. 23B in einer vergrößerten schematischen teilweisen Seitenansicht des Rotortellers 9 gestrichelt verdeutlicht als eine hohlkehlenartige Ausgestaltung 13 in Form einer Schräge 13c, die durch wenigstens einen Kegelstumpf gebildet ist. Es können auch mehrere aufeinander folgende unterschiedliche Schrägen 13c als abschnittweise Sehnen einer gedachten teilkreisartigen Hohlkehle, gebildet durch entsprechende aufeinander folgende Kegelstumpfe die hohlkehlenartige Ausgestaltung 13 bilden (nicht dargestellt). Jede dieser Ausgestaltungen kann bei jeglicher Ausführung in Kombination mit, aber auch ohne jegliche(n) der übrigen hierin offenbarten, über die Merkmalskombination im Anspruch 1 hinausgehende Merkmale alternativ zu einer Version mit teilkreisartiger oder teilellipsoider Hohlkehle realisiert werden.
Die hohlkehlenartige Ausgestaltung 13 ist an einem von dem Rotorteller 9 axial entgegen der axialen Produktströmungsrichtung L vorstehenden Innenring 14 des Rotors 6 vorgesehen und damit ein Bestandteil des Rotors 6 und insbesondere integral mit dem Rotorteller 9 ausgebildet. Vorzugsweise geht die hohlkehlenartige Ausgestaltung 13 einerseits an ihrem radial engsten Ende zumindest annähernd bündig in die Rotorwelle 7 über und läuft andererseits zumindest annähernd bündig in den Rotorteller 9 aus.
Dem Rotor 6 sind in Bezug auf die axiale Produktströmungsrichtung Misch-/Förderflügel 15 und eine Dispergierscheibe 16 vorgeschaltet und koaxial zum Rotor 6 angeordnet. Die Misch- /Förderflügel 15 sind mit der Rotorwelle 7 antriebsmäßig verbunden und die Dispergierschei- be 16 ist koaxial zur Rotorwelle 7 angeordnet, wobei die Dispergierscheibe 16 in der axialen Produktströmungsrichtung L nach den Misch-/Förderflügeln 15 angeordnet ist.
Die Rotorverzahnung 10 enthält bei diesem ersten Ausfuhrungsbeispiel des Homogenisators 1, wie in der schematischen vergrößerten und perspektivischen Detaildarstellung der Fig. 1 gut zu erkennen ist, einzelne auf einer Rotorzahnkreislinie koaxial um die Rotorwelle 7 angeordnete und mit dem Rotorteller 9 verbundene und insbesondere integrale Rotorzähne 17, die entgegen der axialen Produktströmungsrichtung L von dem Rotorteller 9 vorstehen. Vor allem die integrale Ausgestaltung der Rotorzähne 17 mit dem Rotorteller 9 ergibt Vorteile bei Reinigung und Kompaktheit des Rotors 6.
Weiterhin sind bei diesem ersten Ausführungsbeispiel des Homogenisators 1, ebenfalls am besten zu sehen in der Fig. 6, an dem Rotorteller 9 radial innerhalb der Rotorzähne 17 und ebenfalls entgegen der axialen Produktströmungsrichtung L vorstehend Saugflügel 18 auf einer Saugflügelkreislinie koaxial um die Rotorwelle 7 angebracht und insbesondere integral ausgebildet. Weiterhin sind bei diesem ersten Ausführungsbeispiel des Homogenisators 1, ebenfalls am besten zu sehen in der Fig. 6, an dem Rotorteller 9 radial außerhalb der Rotorzähne 17 und der Statorverzahnung 12 sowie ebenfalls entgegen der axialen Produktströmungsrichtung L vorstehend Pumpflügel 19 auf einer Pumpflügelkreislinie koaxial um die Rotorwelle 7 angebracht und insbesondere integral ausgebildet.
Diese Ausgestaltung trägt vorteilhafterweise ebenfalls zur Vereinfachung und Verbesserung der Reinigungsmöglichkeit sowie zur Verbesserung der Kompaktheit des ganzen Homogenisators bei. Die Reduzierung der Komponentenanzahl von drei (getrennte Bauteile Saugflügel, Rotor und Pumpflügel) auf ein Stück führt in vorteilhafter Weise zur Reduktion von Bauteilen, Senkung der Herstellungs-, Montage-, Reinigungs- und Wartungskosten sowie eine Verbesserung der Hygiene, wobei letzteres neben der Vermeidung von mehreren Anschlussstellen verschiedener Komponenten an der Rotorwelle 7 und/oder untereinander auch dadurch begünstigt wird, dass an solchen Stellen Dichtungen, wie insbesondere O-Ring-Dichtungen eingespart werden, was sich neben den Vorteilen bei der Hygiene auch bei den Herstellungsund Betriebskosten positiv auswirkt.
Durch insbesondere eine einstückige Ausgestaltung von Rotorteller 9 mit Rotorzähnen 17, Saugflügeln 18 und Pumpflügeln 19 kann auch der Fertigungsprozess durch Nutzung neuer effizienter Fertigungsmethoden weitgehend verschlankt werden. Bei der bisherigen Herstellung von bis zu drei separaten Bauteilen, bei denen in Summe mehr Edelstahl zerspant werden muss als bei einem Rotor mit integrierten insbesondere Saug- und Pumpflügeln, muss jedes Bauteil in einer Dreh- und Fräsmaschine mehrfach neu aufgespannt werden. Beides, Materialeinsatz und Bearbeitungshandling, ist mit dem neuen Rotor minimiert, und auch sich aufaddierende Fertigungstoleranzen sind eliminiert.
Die Rotorzähne 17 sowie die Saugflügel 18 und die Pumpflügel 19, die zusammen auch als Beschaufelung 20 des Rotors 6 bezeichnet werden können, sind strömungstechnisch optimiert gekrümmt gestaltet, indem die Zahn- bzw. Schaufelkrümmungen auf Basis der Berechnung von Geschwindigkeitsvektoren bestimmt sind.
Die Krümmung der Rotorzähne 17 ist dabei in einem radial dem Stator 8 benachbarten Endbereich 21 der in Drehrichtung D des Rotors 6 weisenden Flanke, die als führende Rotorzahnflanke 22 der Rotorzähne 17 bezeichnet wird, im Querschnitt konvex und vorzugsweise spitz in Drehrichtung D des Rotors 6 auslaufend sowie insbesondere knickfrei, wie die auszugsweise schematische Darstellung der Fig. 7 verdeutlicht, in der auch die damit in diesem Bereich erreichte Produktströmung durch den Pfeil S1 dargestellt ist. Dabei sind, wie der weiteren auszugsweisen schematischen Darstellung der Fig. 8 gut zu entnehmen ist, die Rotorzähne 17 im Querschnitt trapezartig geformt. Ferner schließt ebenfalls unter Bezugnahme insbesondere auf die Fig. 8 die in Drehrichtung D des Rotors 6 führende Rotorzahnflanke 22 der Rotorzähne 17 zum Radius des Rotortellers 9 einen geringeren Winkel ein als die dem Grunde nach entgegengesetzte nachlaufende Rotorzahnflanke 23 der Rotorzähne 17. Ferner schließt ebenfalls unter Bezugnahme insbesondere auf die Fig. 8, wenn die führende Rotorzahnflanke 22 selbst gekrümmt ist, die Verbindungslinie der Endkanten der führenden Rotorzahnflanke 22, zum Radius des Rotortellers 9 einen geringeren Winkel ein als die Verbindungslinie der Endkanten der nachlaufenden Rotorzahnflanke 23.
Die damit erreichten Produktströmungen sind in der Fig. 8 ebenfalls durch Pfeile S2, S3 und S4 gezeigt.
Diese Ausgestaltung beinhaltet insbesondere eine strömungstechnische Optimierung der Rotorverzahnung 10 für eine definierte strömungsoptimierte Produktumlenkung in den Stator 8. Dies betrifft nicht nur die in Drehrichtung D des Rotors vordere Flanke der Rotorzähne 17, also die führende Rotorzahnflanke 22, sondern auch deren rückwärtige Flanke, also die nachlaufende Rotorzahnflanke 23, wo bevorzugt keine Rotorkante mehr scharfkantig vom Produkt umströmt werden muss. Die Produktströmung fließt weitgehend verwirbelungsarm dem Scherspalt 11 (vgl. Fig. 3 und 5) zu.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass sich, wie die Fig. 9 verdeutlicht, die Rotorzähne 17 zu ihren dem Stator 8 zugewandten Seiten, d.h. Richtung Druckseite, hin insbesondere kontinuierlich und vorzugsweise gekrümmt verjüngen, was im Betrieb des Homogenisators 1 einen sich in dieser Richtung, also zum Stator 8 und insbesondere dessen Schlitzen oder Nuten zwischen Statorzähnen hin erhöhten Staudruck erzeugt, was wiederum die Dehnung der Mikrotröpfchen des Produktes und somit die Scherwirkung vergrößert. Anders ausgedrückt ist der Außendurchmesser jedes Rotorzahns 17 in Drehrichtung D zunehmend verringert oder verkleinert, so dass ein keilförmig zulaufender Scherspalt 11 zwischen den Rotorzähnen 17 und den Statorzähnen der Statorverzahnung 12 gebildet ist. Mit dieser konstruktiven Gestaltung der Rotorzähne 17 wird im Betrieb des Homogenisators ein erhöhter Staudruck in Richtung zu den Zwischenräumen zwischen den Statorzähnen der Statorverzahnung 12, auch Statornutung genannt, erzeugt, was die genannte Dehnung der Mikrotröpfchen und somit die Scherwirkung vergrößert. Die Produktströmung in den keilförmig zulaufenden Scherspalt 11 ist durch Pfeile S5 repräsentiert.
Wie den Darstellungen der Fig. 3, 6 und 8 zu entnehmen ist, ist die Saugbeflügelung, d.h. sind die einzelnen Saugflügel 18, mit einzelnen der Rotorzähne 17 kombiniert, wie beispielsweise verschmolzen und insbesondere integral verbunden oder insbesondere durch einen Steg 24 integral verbunden. Insbesondere ist jeder zweite Rotorzahn 17 mit einem Saugflügel 18 kombiniert oder verschmolzen oder durch einen Steg 24 integral verbunden. Neben den fertigungstechnischen Vorteilen wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass keine Spalten und Fugen oder allgemein Zwischenräume zwischen den Saugflügeln 18 und den entsprechenden Rotorzähnen 17 vorhanden sind und entsprechende hygienische Problemzonen vermieden werden. Ferner kann dadurch eine effiziente und verwirbelungs- bzw. verlustarme Führung des Produktes vor und insbesondere hinter den Saugflügeln 18 erreicht werden.
Vorzugsweise ist die Saugbeflügelung, d.h. sind die Saugflügel 18, des Homogenisators 1 an das Prinzip einer Zentrifugalpumpe angelehnt. Damit wird das Produkt effizient mit größerem Volumenstrom und mit einem höheren Druck gefördert. Bei den Pumpflügeln 19 ist unter Bezugnahme insbesondere auf die Fig. 6 die gesamte in Drehrichtung des Rotors weisende Flanke, auch führende Pumpflügelflanke genannt, im Querschnitt konvex, insbesondere spitz in Drehrichtung des Rotors 6 auslaufend, und ist alternativ oder zusätzlich der Querschnitt trapezartig. Ferner schließt der Winkel der in Drehrichtung des Rotors 6 weisenden Flanke der Pumpflügel, also die führende Pumpflügelflanke 25 zum Radius des Rotortellers 9 einen größeren Winkel ein als die nachlaufende Flanke der Pumpflügel 19, also die nachlaufende Pumpflügelflanke 26. Ferner schließt der Winkel der in Drehrichtung des Rotors 6 weisenden Flanke der Pumpflügel, wenn die führende Pumpflügelflanke 25 selbst gekrümmt ist, die Verbindungslinie der Endkanten der führenden Pumpflügelflanke 25, zum Radius des Rotortellers 9 einen größeren Winkel ein als die Verbindungslinie der Endkanten der nachlaufenden Pumpflügelflanke 26.
In weiterer Ausgestaltung kann die nachlaufende Flanke 26 der Pumpflügel 19 im Querschnitt insbesondere über die gesamte Querschnittslänge konvex geformt sein.
Mit Vorzug ist die Flügelgeometrie der Pumpflügel 19 strömungstechnisch so optimiert, dass ein optimales Ausströmen des Produktes in eine Rezirkulationsleitung ermöglicht wird, und hat insbesondere eine gekrümmte Form der führende Pumpflügelflanke 25.
Unter Bezugnahme auf die schematischen perspektivischen Darstellungen in den Fig. 10, 10A, 11 und 12 werden nachfolgend weitere Ausführungsbeispiele des Homogenisators 1 im Zusammenhang mit dem Stator 8 näher erläutert.
So hat die Statorverzahnung 12 bei einem ersten Ausführungsbeispiel des Stators 8 des Homogenisators 1 gemäß Fig. 10 einzelne auf einer Kreislinie koaxial um die Rotorwelle 7 angeordnete Statorzähne 27, die in der axialen Produktströmungsrichtung L von einem Statorbasisring 28 vorstehen und zwischen denen in radialer Produktströmungsrichtung R durchgängige Statorschlitze 29 definiert sind. In der Fig. 10A ist eine Abwandlung davon mit zusätzlich einem Statorendring 30, der einen Statorstabilisierungsring 30 bildet, so dass die Statorschlitze 29 umfangsmäßig zwischen den Statorzähnen 27 und axial durch den Statorbasisring 28 und den Statorstabilisierungsring 30 begrenzt definiert sind. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des Homogenisators 1 gemäß Fig. 11 sind die Statorzähne 27 an ihrem vom Statorbasisring 28 abgewandten Ende durch einen Statorendring 30 verbunden, der einen Statorstabilisierungsring 30 bildet, so dass die Statorschlitze 29 umfangsmäßig zwischen den Statorzähnen 27 und axial durch den Statorbasisring 28 und den Statorstabilisierungsring 30 begrenzt definiert sind. Ferner ist dabei vorgesehen, dass die Statorverzahnung 12 bezüglich der axialen Produktströmungsrichtung L eine Schrägverzahnung ist, wodurch eine gegenüber einer Geradeverzahnung verlängerte Länge der Statorschlitze 29 oder -nute ergibt, wodurch wiederum die Durchströmfläche der Statorschlitze 29 gegenüber einer Geradeverzahnung vergrößert ist, womit er Vorteil einer vergrößerten Scherzone 11 erreicht wird. Bei Versuchen wurde bestätigt, dass mit einer Schrägverzahnung eine bessere Tröpfchengrößenverteilung einer mit dem Homogenisator 1 bearbeiteten Emulsion erhalten wird, was auf eine bessere Scherwirkung eines schrägverzahnten Stators 8 gegenüber einer geradeverzahnten Ausführung schließen lässt. Tests haben weiterhin gezeigt, dass sich die Schrägverzahnung auf die Scherwirkung positiv auswirkt. Mit Schrägverzahnung wurde gegenüber einer geraden Verzahnung eine höhere Öldosierung (in kg/s) ermöglicht, was darauf zurückzuführen ist, dass bei einer Schrägverzahnung die Scherwirkung (Dehnströmung) auf die mikroskopisch kleinen Emulsionskügelchen größer als bei einer Geradverzahnung ist. Schließlich konnte in Versuchen nachgewiesen werden, dass sich die Schrägverzahnung positiv auf die Schallintensität ausgewirkt. Der Rotor 6 schneidet bildlich gesprochen in die schräge Statorverzahnung 12 hinein und somit werden Druckstöße beim Durchströmen der Scherkanten der Statorverzahnung 12 merklich reduziert.
Alternativ kann die Statorverzahnung 12 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel nach der Fig. 12 durch einen perforierten Statorring 31 gebildet sein, der koaxial auf dem Statorbasisring 28 sitzt und in radialer Produktströmungsrichtung durchgängige Statorbohrungen 32 enthält, die die Perforierung bilden. Durch die Perforierung des Statorrings 31 mit Bohrungen 32 statt Schlitze 29 wird das Verhältnis von Scherkanten zu Durchtrittsfläche im Vergleich zu Schlitzen 29 vergrößert, womit eine positive Auswirkung auf die Ausbildung der Emulsion erreicht werden kann.
Zurückkommend zum zweiten Ausführungsbeispiel des Homogenisators 1 gemäß der Fig. 11 mit der geschlossenen schrägen Statorverzahnung 12 verlaufen, wie die schematischen Darstellungen in den Fig. 13, 14 und 15 (die Fig. 15 ist eine Ansicht gemäß der Schnittlinie H-H in der Fig. 14) verdeutlichen, die Seitenwände 33 der Statorzähne 27 und somit der Stator- schlitze 29 an jeder Stelle in Umfangsrichtung der Statorverzahnung 12 radial. Diese Ausgestaltung kann auch so beschrieben werden, dass die Schlitz- oder Nutfuhrungslinien immer senkrecht zur Mittelachse, d.h. zur axialen Produktströmungsrichtung L (Figur 22) stehen, wie in der schematischen Darstellung der Fig. 13 verdeutlicht ist. Dies ergibt eine schraubenartige oder verdrillte Ausfräsung oder einen schraubenartigen oder verdrillten Längsverlauf der Statorschlitze 29, was vorzugsweise mittels einer 5- oder mehr Achsen-Fräse oder einer 3D-Druckmethode herzustellen ist. Durch diese Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Scherwirkung über die Länge der Statorschlitze oder -nute 29 gleich bleibt.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel des Homogenisators 1 gemäß der Fig. 16 sind die Statorschlitze 29 oder Statorbohrungen 32 zur stärkeren Dehnung der Mikrotröpfchen sich in radialer Produktströmungsrichtung konisch verengend ausgefiihrt, was auch zu einer Verbesserung der Scherwirkung beiträgt.
Ferner ist es für die Stabilität (Reduktion der Durchbiegung und Biegespannungen) der Statorzähne 27, aber auch der Rotorzähne 17 sowie ggf. Saug- 18 und/oder Pumpflügel 19 (Figur 6) von Vorteil und daher bevorzugt, wenn ihr Profil oder ihre Dicke konisch verstärkt ist, so dass das Profil entgegen der Strömungsrichtung L schlanker wird. Gerade bei einer schon angeführten axialen Verlängerung der Zähne 17 und 27 und ggf. Flügel 18 und 19 führen die auftretenden Zentrifugalkräfte zu einer stärkeren Durchbiegung und kritischen Zunahme der Biegespannungen im Wurzelbereich, dem die genannte konische Verstärkung in Richtung Wurzel der genannten Zähne 17 und 27 und Flügel 18 und 19 entgegengewirkt, was in der Fig. 17 und in der Fig. 18, die einen Schnitt gemäß der Linie A-A in der Fig. 17 darstellt, anhand dem Beispiel der Rotorzähne 17 schematisch verdeutlicht ist.
Bevorzugt ist die Schlitz- oder Nutenzahl des Stators 8 kein gemeinsames Vielfaches der Anzahl der Rotorzähne 17 und ggf. Pumpflüge] 19. Damit kann die Schallintensität zumindest bei einzelnen und insbesondere bestimmten Frequenzen deutlich reduziert werden, wie mit Hilfe eines Schallspektrumanalysers bei Tests nachgewiesen werden konnte. Lediglich als nicht beschränkendes Beispiel aus den Tests sind bei einem weiteren entsprechenden Ausfuh- rungsbeispiel des Homogenisators 1 zehn Rotorschlitze und damit auch Rotorzähne 17, fünf Pumpflügel 19 und siebenundzwanzig Statorschlitze 18 kombiniert. Als vorteilhaft hat sich gezeigt und ist es bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Homogenisators 1 entsprechend bevorzugt, wenn die Überdeckung der Statorschlitze oder -nute 29 durch die Pumpflügel 19 durch Reduktion der Anzahl sowie kürzerem Bogenmaß der Pumpflügel 19 verringert ist, so dass die freie ungestörte Durchtrittsfläche durch den Stator 8 oder genauer gesagt dessen Statorschlitze 29 vergrößert ist und dadurch Druckverluste reduziert werden. Hierzu ist eine schematische Darstellung in der Fig. 19 gezeigt.
Noch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Homogenisators 1 besteht unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung der Fig. 20 (hier beispielhaft eine kreis- statt schneckenförmige Aufweitung) darin, dass der Homogenisator 1 ein Gehäuse 2 enthält, das sich um die Pumpflügel 19 nach dem Prinzip eines Kreiselpumpengehäuses schneckenförmig aufweitet, wie die schematische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des Homogenisators 1 verdeutlicht, so dass Kammern eines Pumpflügelringspalts 34 zwischen einem Gehäuse 2 des Homogenisators 1 und den Pumpflügeln 19 während deren Umdrehung bis zum Ausstößen in einen Rezirkulationsanschluss 35 zu einer Re- zirkulationsleitung (nicht dargestellt) hin sukzessive größer werden, wodurch in vorteilhafter Weise das Fördervolumen steigt und die internen Druckverluste im Pumpflügelringspalt 34 sinken.
Ferner ist ein Rezirkulationsanschluss 35 in Form des Produktauslasses 5 des Homogenisators 1 zur Produktausgabe in einen Kreislauf (nicht gezeigt) zur Rückführung des Produktes wieder in den Homogenisator 1 zur nochmaligen Behandlung der Rotor-Stator-Kombination nachgeschaltet ähnlich einer Kreiselpumpe ausgeführt. Der Rezirkulationsanschluss 35 wird durch einen Rohranschluss gebildet, der insbesondere wahlweise einen ovalen Querschnitt hat, um einen noch optimaleren Einlauf in eine dem Rezirkulationsanschluss 35 nachgeschaltete Rezirkulationsleitung (nicht gezeigt) zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich ist der Rezirkulationsanschluss 35 und/oder zumindest der dem letzteren benachbarte Bereich der Rezirkulationsleitung 35 in Strömungsrichtung konisch verengend. Hierzu zeigt die Fig. 21 ein verdeutlichendes Beispiel.
Bei dem erfindungs gemäßen Homogenisator 1 wird durch die einzelnen Ausgestaltungen und deren Kombinationen insbesondere die Pumpleistung vom Homogensiator 1 in einen weiteren Behälter der Vakuumprozessanlage (nicht gezeigt), in die der Homogensiator 1 vorzugsweise integriert ist, in dem Rezirkulationsanschluss 35 und oder zumindest der dem letzteren be- nachbarte Bereich der Rezirkulationsleitung 35 zumindest weitgehend wirbelfrei realisiert, was den Produktdurchsatz und die Produktqualität weiter verbessert.
Ferner kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass bei dem erfindungsgemäßen Homogenisator 1 die Rotor-Stator-Kombination zwei- oder mehrstufig ausgeführt ist, also radial außerhalb des innersten Statorrings wieder eine Kreisanordnung mit Rotorzähnen 17 und denen radial außen benachbart ein weiterer Statorring angeordnet sind, was weiter wiederholt sein kann. Hiermit würde die Scherwirkung steigen.
Vorteilhafterweise können bei dem erfindungsgemäßen Homogenisator 1 die Rotorzähne 17 zur Vergrößerung der Durchströmfläche (Schlitz- oder Nutfläche) axial bezogen auf die axiale Produktströmungsrichtung L und passend zur entsprechenden Länge der Statorschlitze 29 oder entsprechend axialen Ausdehnung der Perforierung des Statorrings 31 gegenüber den Bauarten beim Stand der Technik verlängert sein. Ebenso kann mit Vorteil bezogen auf die Rotorzähne 17 ggf. auch die Pumpbeflügelung, d.h. die Pumpflügel 19 radial außerhalb des Stators 8 axial bezogen auf die axiale Produktströmungsrichtung L gegenüber den Bauarten beim Stand der Technik verlängert sein, was zur Verbesserung der Pumpwirkung und Vergrößerung der Produktfördermenge führt.
Der Homogenisator 1, der bevorzugt einzelne oder mehrere der vorher erläuterten Gestaltungsmöglichkeiten nutzt, kann Bestandteil einer Vakuumprozessanlage (nicht gezeigt) sein.
Offenbart sind in den vorliegenden Unterlagen ferner auf dem erfindungs gemäßen Homogenisator 1 und der entsprechenden Vakuumprozessanlage basierende und entsprechend vorteilhafte Betriebs- und Herstellungsverfahren sowie die Verwendung eines solchen erfindungsgemäßen Homogenisators 1 und einer solchen Vakuumprozessanlage für spezielle Produktarten, Produkte und Ergebnisse, was sich aus den in der Zeichnung gezeigten und hier vorstehend erläuterten einzelnen oder mehreren Gestaltungsmöglichkeiten für den Fachmann ohne weiteres ergibt.
Nachfolgend werden einige weitere Einzelheiten, Möglichkeiten, Beispiele und Anwendungen des Homogenisators 1 und der Vakuumprozessanlage mit einem solchen Homogenisator 1 zum Verständnis und zur Erläuterung angegeben, ohne dass die Erfindung auf einzelne oder konkrete dieser Ausgestaltungen beschränkt sein soll. Solche Homogenisatoren 1 sind nicht darauf beschränkt, als Komponenten oder Bestandteile von Vakuumprozessanlagen eingesetzt zu werden, sondern können auch als Stand-Alone- Einheiten oder Eintauchhomogenisatoren konzeptioniert sein oder als DIL (= inline Disper- gierer) zum Einsatz kommen. Auch eine hängende Bauart des Homogenisators 1 in einem Prozessbehälter ohne Umlaufleitung ist möglich.
Insbesondere sind solche Homogenisatoren 1 auf die Anforderungen der Lebensmittelindustrie, wie beispielsweise die Herstellung von Ketchup, Mayonnaise, Saucen, Dressings etc. als Heiß- und Kaltprozess, sowie der Kosmetik- und pharmazeutischen Industrie, wie beispielsweise die Herstellung von hochwertigen Emulsionen und Suspensionen für Lotionen, Cremes, Gels, Salben, etc., ausgelegt.
In Vakuumprozessanlagen ist der Homogenisator 1 oft vorteilhafterweise unterhalb des Prozessbehälters der Vakuumprozessanlage angebaut. Diese Konfiguration sorgt unmittelbar vor Durchgang durch den Homogenisator 1, für eine sichere Vorvermischung und gleichmäßige Benetzung der Trockenstoffe in der Flüssigphase aus dem Prozess- und/oder Vorlagebehälter. Der Zahnkranz-Homogenisator 1 trägt die Scherenergie definiert in das Produkt ein und fördert es. Die Umlaufleitung ist dem Homogenisator 1 nachgelagert und garantiert die Zwangsführung des Produktes zurück in den Prozessbehälter. Hierdurch wird der Produktkreislauf geschlossen sowie die vertikale Durchmischung im Prozessbehälter sichergestellt. Zudem bietet sie die Möglichkeit zum Musterzug und Produktaustrag. In dem Prozessbehälter verhindert ein Abstreifer-Rührwerk das Anhaften von Produkt auf der Innenwand des Prozessbehälters während der Heiz- und Kühlphasen. Weiterhin unterstützt es wirksam die Makrodurchmischung des Produktes im Prozessbehälter. Ein integriertes Vakuumsystem unterstützt den Einzug von flüssigen und trockenen Zutaten in den Homogenisator 1. Darüber hinaus kann über die exakte Steuerung des Prozessvakuums die Produktqualität und -Charakteristik beeinflusst werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Homogenisator 1 wurden zahlreiche Tests mit folgenden Resultaten durchgeführt:
Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass durch die Optimierung des Homogenisators
1 eine deutlich höhere Öldosierrate (getestet wurde Mayonnaise) erreicht werden kann. Die - TI -
Öldosierrate ist ein maßgeblicher zeitlicher Faktor bei der Produktion von Mayonnaise. Es wurde festgestellt, dass mit dem neuen Design von Rotor und schräggeschlitztem Stator gegenüber Bauarten nach dem Stand der Technik, insbesondere ohne die hohlkehlenartige Ausgestaltung 13, die besten Ergebnisse erzielt werden konnten.
So konnte mit einem Homogenisator 1 mit 158 mm Außenumfang der Pumpflügel 19 eine Öldosierrate von bis zu 3,04 kg/s gegenüber 1,21 kg/s ohne die erfindungsgemäße Gestaltung erreicht werden. Dabei war die Tröpfchenverteilung unter dem Mikroskop vergleichbar mit Bauarten nach dem Stand der Technik. Außerdem konnten verschiedene Produkte wie 80% Mayo, 30% Mayo kaltquellend und 30% Mayo Culi hergestellt werden, wobei sich keine signifikanten Unterschiede in den verschiedenen Viskositäten zeigten.
Bezüglich der Schallemission ergaben qualitative Messungen, dass bei einem Emulgierprozess der erfindungsgemäße Homogenisator 1 im Vergleich zu Bauarten nach dem Stand der Technik leiser ist. Eine weitergehende Schallspektrumsanalyse zeigte, dass der schräggeschlitzte Stator einen allgemein deutlich dämpfenden Einfluss auf die Schallintensität bestimmter Frequenzpunkte hat.
Im Falle von Wasser konnte eine deutliche Zunahme der Fördermenge, je nach Drehzahl um einen Faktor 1,3 bis 3, bei gleichzeitig größerer Druckerhöhung um einen Faktor von ca. 1,1 gemessen werden. Dies geht einher mit einer nahezu unveränderten elektrischen Leistungsaufnahme des Homogenisatorantriebs.
Insofern zeigt dies alles eine erhebliche Wirkungsgradsteigerung (Effizienz) des erfindungsgemäßen Homogenisators 1, wie nachfolgend zusammengefasst ist:
Anzahl Komponenten Stator: 1
Anzahl Komponenten Rotor: 1 (Rotor-Pumprad) Pumpleistung (Fördermenge, Druck): deutlich vergrößert Scherenergieeintrag: deutlich vergrößert Leistungsbedarf Motor: gleich bis kleiner Geräuschemission: gleich bis kleiner Emulsionsqualität: gleichwertig Hygiene: besser Spezifischer Energieeinsatz fur produzierten Batch: deutlich geringer Ökobilanz: deutlich besser
Strömungsoptimierung: wesentlich besser Fertigungsqualität der Bauteile: wesentlich verbessert Mayo Oeldosierrate [kg/s] : wesentlich verbessert
Offenbart sind in den vorliegenden Unterlagen ferner auf dem erfindungsgemäßen Homogenisator 1 und der entsprechenden Vakuumprozessanlage und Varianten basierende und entsprechend vorteilhafte Betriebs- und Herstellungsverfahren sowie die Verwendung eines solchen erfindungsgemäßen Homogenisators 1 und einer solchen Vakuumprozessanlage für spezielle Produktarten, Produkte und Ergebnisse.
Die Erfindung ist anhand der Ausfuhrungsbeispiele in der Beschreibung und in der Zeichnung lediglich exemplarisch dargestellt und nicht darauf beschränkt, sondern umfasst alle Variationen, Modifikationen, Substitutionen und Kombinationen, die der Fachmann den vorliegenden Unterlagen insbesondere im Rahmen der Ansprüche und der allgemeinen Darstellungen in der Einleitung dieser Beschreibung sowie der Beschreibung und Zeichnung der Ausfuhrungsbeispiele entnehmen und mit seinem fachmännischen Wissen sowie dem Stand der Technik kombinieren kann. Insbesondere sind alle einzelnen Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten der Ausführungsbeispiele untereinander kombinierbar, wie beispielsweise ein Rotor mit über den Umfang abwechselnd Zähnen und Perforationsbohrungen.
Bezugszeichenliste
1 Homogenisator
2 Gehäuse
3 Mischkammer
4 Produkteinlass
4a, b, c, d Produkteinlass
5 Produktauslass
5a, b Produktablass
6 Rotor
7 Rotorwelle
8 Stator
9 Rotorteller
10 Rotorverzahnung
11 Scherspalt
12 Statorverzahnung
13 hohlkehlenartige Ausgestaltung
13a teilkreisartige Hohlkehle mit teilkreisartigem Querschnitt mit konstantem Radius
13b teilellipsoide Hohlkehle mit teilellipsoidem Querschnitt mit im Verlauf der
Krümmung sich kontinuierlich änderndem Radius
13c Kegelstumpfausgestaltung mit im Querschnitt wenigstens einer Schräge, die durch wenigstens einen Kegelstumpf gebildet ist
14 Innenring
15 Misch-/Förderflügel
16 Dispergierscheibe
17 Rotorzähne
18 Saugflügel
19 Pumpflügel
20 Beschaufelung
21 Endbereich von 17
22 führende Rotorzahnflanke 23 nachlaufende Rotorzahnflanke
24 Steg
25 führende Pumpflügelflanke
26 nachlaufende Pumpflügelflanke
27 Statorzähne
28 Statorbasisring
29 Statorschlitze
30 Statorendring
31 perforierter Statorring
32 Statorbohrungen
33 Seitenwände
34 Pumpflügelringspalts
35 Rezirkulationsanschluss
D Drehrichtung
L axiale Produktströmungsrichtung
R radiale Produktströmungsrichtung
S Produktströmung
Sl, 2, 3, 4 Produktströmung
S5 Produktströmung

Claims

Ansprüche
1 . Homogenisator (1) zur Homogenisierung oder Dispergierung oder allgemein zur Behandlung von fließfähigen Produkten, der eine Mischkammer (3) mit einem Produkteinlass (4) und einem Produktauslass (5) und in der Mischkammer (3) eine einen Rotor (6) tragende, drehbar gelagerte und mittels eines, insbesondere steuerbaren Antriebs in Rotation versetzbare Rotorwelle (7) und einem mit dem Rotor (6) zusammenwirkenden Stator (8) enthält, wobei der Rotor (6) einen Rotorteller (9), der konzentrisch an der Rotorwelle (7) sitzt, und an dem Rotorteller (9) eine Rotorverzahnung (10) enthält, die unter Bildung eines Scherspaltes (11) radial innerhalb einer Statorverzahnung (12) des Stators (8) angeordnet ist, und wobei dem Produkteinlass (4) nachgeordnet längs der Rotorwelle (7) zum Rotorteller (9) hin eine axiale Produktströmungsrichtung (L) definiert ist und eine radiale Produktströmungsrichtung (R) von der Rotorwelle (7) radial am Rotorteller (9) entlang und zwischen der Rotorverzahnung (10) und der Statorverzahnung (12) hindurch definiert ist, von der aus das Produkt zum Produktauslass (5) strömen kann, wobei an dem Übergang von der Rotorwelle (7) zum Rotorteller (9) eine hohlkehlenartige Ausgestaltung (13) die Rotorwelle (7) umgibt, mit bevorzugt zumindest annähernd bündigen Übergängen zur Rotorwelle (7) und zum Rotorteller (9), so dass die zu behandelnden fließfähigen Produkte im Betrieb des Homogenisators (1) aus der axialen Produktströmungsrichtung (L) durch die hohlkehlenartige Ausgestaltung (13) insbesondere kontinuierlich oder über mindestens eine Schräge in die radiale Produktströmungsrichtung (R) umgelenkt werden.
2. Homogenisator (1) nach Anspruch 1, wobei die hohlkehlenartige Ausgestaltung (13) am Übergang zwischen Rotorachse (7) und Rotorteller (9) in einer negativen oder konkaven umlaufenden Ausrundung besteht, und/oder wobei die hohlkehlenartige Ausgestaltung (13) an einem von dem Rotorteller (9) axial entgegen der axialen Produktströmungsrichtung (L) vorstehenden Innenring (14) des Rotors (6) vorgesehen und damit ein Bestandteil des Rotors (6) und insbesondere integral mit dem Rotorteller (9) und/oder der Rotorwelle (7) ausgebildet ist und vorzugsweise einerseits an ihrem radial engsten Ende zumindest annähernd bündig in die Rotorwel- le (7) übergeht und andererseits zumindest annähernd bündig in den Rotorteller (9) ausläuft, und/oder wobei die hohlkehlenartige Ausgestaltung (13) a) eine teilkreisartige Hohlkehle (13a) mit teilkreisartigem Querschnitt mit konstantem Radius, ist, wobei der Radius insbesondere im Bereich von 10 mm bis 100 mm und vorzugsweise im Bereich von 30 mm bis 80 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 40 mm bis 65 mm liegt, oder b) eine teilellipsoide Hohlkehle (13b) mit teilellipsoidem Querschnitt mit im Verlauf der Krümmung sich kontinuierlich änderndem Radius ist, wobei die Radien des teilellipsoiden Querschnitts insbesondere im Bereich von 10 mm bis 100 mm und vorzugsweise im Bereich von 30 mm bis 80 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 40 mm bis 65 mm liegen, oder c) eine Kegelstumpfausgestaltung (13c) mit im Querschnit wenigstens einer Schräge ist, die durch wenigstens einen Kegelstumpf gebildet ist. Homogenisator (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei dem Rotor (6) in Bezug auf die axiale Produktströmungsrichtung (L) vorgeschaltet ein Misch-/Förderflügel (15) und/oder eine Dispergierscheibe (16) koaxial zum Rotor (6) angeordnet sind/ist, wobei der Misch-/Förderflügel (15) bevorzugt mit der Rotorwelle (7) antriebsmäßig verbunden ist und/oder die Dispergierscheibe (16) koaxial zur Rotorwelle (7) angeordnet ist, wobei ggf. die Dispergierscheibe (16) in der axialen Produktströmungsrichtung (L) nach den Misch-/Förderflügeln (15) angeordnet ist. Homogenisator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotorverzahnung (10) einzelne auf einer Rotorzahnkreislinie koaxial um die Rotorwelle (7) angeordnete und mit dem Rotorteller (9) verbundene und insbesondere integrale Rotorzähne (17) enthält, die entgegen der axialen Produktströmungsrichtung (L) von dem Rotorteller (9) vorstehen, wobei ferner vorzugsweise an dem Rotorteller (9) radial innerhalb der Rotorzähne (17) und ebenfalls entgegen der axialen Produktströmungsrichtung (L) vorstehend Saugflügel (18) auf einer Saugflügelkreislinie koaxial um die Rotorwelle (7) angebracht und insbesondere integral ausgebildet sind und/oder an dem Rotorteller (9) radial außerhalb der Rotorzähne (17) und der Statorverzahnung (12) sowie ebenfalls entgegen der axialen Produktströmungsrichtung (L) vorstehend Pumpflügel (19) auf einer Pumpflügel- kreislinie koaxial um die Rotorwelle (7) angebracht und insbesondere integral ausgebildet sind, wobei weiterhin insbesondere die hohlkehlenartige Ausgestaltung (13) a) eine teilkreisartige Hohlkehle (13a) mit teilkreisartigem Querschnitt mit konstantem Radius ist, wobei der Radius bestimmt ist durch das Verhältnis
Außenradius der Saugflügel / Radius der Hohlkehle und das Verhältnis einen Wert hat von 0,2 bis 5, vorzugsweise 0,4 bis 3 und besonders bevorzugt 0,5 bis 1 ,5 hat, oder b) eine teilellipsoide Hohlkehle (13b) mit teilellipsoidem Querschnitt mit im Verlauf der Krümmung sich kontinuierlich änderndem Radius ist, wobei die Radien bestimmt sind durch das Verhältnis
Außenradius der Saugflügel / lokaler Radius der Hohlkehle und das Verhältnis einen Wert hat von 0,2 bis 5, vorzugsweise 0,4 bis 3 und besonders bevorzugt 0,5 bis 1,5 hat. Homogenisator (1) nach Anspruch 4, wobei die Rotorzähne (17) sowie insbesondere auch ggf. die Saugflügel (18) und/oder die Pumpflügel (19), die zusammen auch als Beschaufelung (20) des Rotors (6) bezeichnet werden können, strömungstechnisch optimiert gekrümmt gestaltet sind, indem bevorzugt bei den einzelnen Zähnen bzw. Schaufeln, also den Rotorzähnen (17), Saugflügeln (18) und/oder Pumpflügeln (19) die Zahn- bzw. Schaufelkrümmungen auf Basis der Berechnung von Geschwindigkeitsvektoren bestimmt sind, wobei vorzugsweise die Krümmung der Rotorzähne (17) dabei in einem radial dem Stator (8) benachbarten Endbereich (21) der in Drehrichtung (D) des Rotors (6) weisenden Flanke (22) im Querschnitt konvex und vorzugsweise spitz in Drehrichtung des Rotors auslaufend sowie insbesondere knickfrei, und/oder wobei die Rotorzähne (17) bevorzugt im Querschnitt trapezartig geformt sind, und/oder wobei die in Drehrichtung des Rotors (6) weisende Flanke (22) der Rotorzähne (17), auch führende Rotorzahnflanke (22) genannt, und wenn die führende Rotorzahnflanke (22) selbst gekrümmt ist, die Verbindungslinie der Endkanten der führenden Rotorzahnflanke (22), zum Radius des Rotortellers (9) einen geringeren Winkel einschließt als die nachlaufende Flanke (23) der Rotorzähne (17) und wenn die nachlaufende Rotorzahnflanke (23) selbst gekrümmt ist, die Verbindungslinie der Endkanten der nachlaufenden Rotorzahnflanke (23), und/oder wobei mit Vorzug sich die Rotorzähne (17) zu ihren dem Stator (8) zugewandten Seiten, d.h. Richtung Druckseite, hin insbesondere kontinuierlich und vorzugsweise gekrümmt radial verjüngen oder der Außendurchmesser jedes Rotorzahns (17) in Drehrichtung zunehmend verringert oder verkleinert ist, so dass ein keilförmig zulaufender Spalt zwischen den Rotorzähnen (17) und den Statorzähnen (27) der Statorverzahnung (12) gebildet ist, und/oder wobei bevorzugt die Saugbeflügelung, d.h. die einzelnen Saugflügel (18), mit einzelnen der Rotorzähne (17) kombiniert, wie insbesondere verschmolzen oder durch einen Steg
(24) integral verbunden sind, wobei insbesondere jeder zweite Rotorzahn (17) mit einem Saugflügel (18) kombiniert oder verschmolzen oder durch einen Steg (24) integral verbunden ist. Homogenisator (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei bei den Pumpflügeln (19) die gesamte in Drehrichtung des Rotors (6) weisende Flanke, auch führende Pumpflügelflanke
(25) genannt, im Querschnitt konvex gekrümmt, insbesondere spitz in Drehrichtung (D) des Rotors (6) auslaufend ist, und alternativ oder zusätzlich der Querschnitt trapezartig ist, wobei ferner bevorzugt der Winkel der in Drehrichtung (D) des Rotors (6) weisenden Flanke der Pumpflügel, also die führende Pumpflügelflanke (25), und wenn die führende Pumpflügelflanke (25) selbst gekrümmt ist, die Verbindungslinie der Endkanten der führenden Pumpflügelflanke (25), zum Radius des Rotortellers (9) einen größeren Winkel einschließt als die nachlaufende Flanke der Pumpflügel, also die nachlaufende Pumpflügelflanke (26), und wenn die nachlaufende Pumpflügelflanke (26) selbst gekrümmt ist, die Verbindungslinie der Endkanten der nachlaufenden Pumpflügelflanke
(26), und/oder wobei mit Vorzug die nachlaufende Flanke (26) der Pumpflügel (19) im Querschnitt insbesondere über die gesamte Querschnittslänge konvex geformt ist, und/oder wobei bevorzugt die Flügelgeometrie der Pumpflügel (19) strömungstechnisch so optimiert ist, dass ein optimales Ausströmen des Produktes in eine Rezirkulationsleitung oder Druckleitung oder in den Produktauslass (5) ermöglicht wird, und insbesondere eine gekrümmte Form hat, und/oder wobei die Überdeckung der Statorschlitze oder -nute (29) durch die Pumpflügel (19) durch Reduktion der Anzahl sowie kürzerem Bogenmaß der Pumpflügel (19) verringert ist, so dass die freie ungestörte Durchtrittsfläche durch den Stator (8) oder genauer ge- sagt dessen Statorschlitze (29) vergrößert ist und dadurch Druckverluste reduziert werden. Homogenisator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Statorverzahnung (12) einzelne auf einer Kreislinie koaxial um die Rotorwelle (7) angeordnete Statorzähne (27) enthält, die vorzugsweise in der axialen Produktströmungsrichtung (L) von einem Statorbasisring (28) vorstehen und zwischen denen in radialer Produktströmungsrichtung (R) durchgängige Statorschlitze (29) definiert sind, oder wobei die Statorverzahnung (12) durch einen perforierten Statorring (31) gebildet ist, der koaxial auf dem Statorbasisring (28) sitzt und in radialer Produktströmungsrichtung (R) durchgängige Statorbohrungen (32) enthält, die die Perforierung bilden, wobei bevorzugt ggf. die Statorzähne (27) an ihrem vom Statorbasisring (28) abgewandten Ende durch einen Statorendring (30) verbunden sind, der einen Statorstabilisierungsring (30) bildet, so dass die Statorschlitze (29) umfangsmäßig zwischen den Statorzähnen (27) und axial durch den Statorbasisring (28) und den Statorstabilisierungsring (30) begrenzt definiert sind, wobei ferner mit Vorzug die Statorverzahnung (12) bezüglich der axialen Produktströmungsrichtung (L) eine Schrägverzahnung ist, und/oder wobei vorzugsweise die Seitenwände (33) ggf. der Statorzähne (27) und somit der Statorschlitze (29) an jeder Stelle in Umfangsrichtung der Statorverzahnung (12) radial verlaufen, wobei weiter bevorzugt die Statorschlitze (29) oder Statorbohrungen (27) und/oder -zwischenräume zwischen den Rotorzähnen sich in radialer Produktströmungsrichtung (R) konisch verengend ausgefuhrt sind. Homogenisator (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Profil oder die Dicke der Statorzähne (27), Rotorzähne (17) sowie ggf. Saug- (18) und/oder Pumpflügel (19) konisch verstärkt ist, so dass das Profil in Richtung zum bei den Statorzähnen (29) dem Statorbasisring (28) abgewandten Ende hin und bei den Rotorzähnen (17) sowie ggf. Saug- (18) und/oder Pumpflügeln (19) dem Rotorteller (9) abgewandten Zahn- bzw. Flügelenden schlanker wird, und/oder wobei bevorzugt die Schlitz- oder Nutenzahl des Stators (8) kein gemeinsames Vielfaches der Anzahl der Rotorzähne (17) und ggf. Pumpflügel (19) ist. Homogenisator (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Homogenisator (1) ein Gehäuse (2) enthält, das sich um die Pumpflügel (19) nach dem Prinzip eines Kreiselpumpengehäuses schneckenförmig aufweitet, so dass Kammern eines Pumpflügel- ringspalts (34) zwischen einem Gehäuse (2) des Homogenisators (1) und den Pumpflügeln (19) während deren Umdrehung bis zum Ausstößen in den Produktauslass (5) oder einen Rezirkulationsanschluss (35) zu einer Rezirkulationsleitung oder einer Druckleitung oder dem Produktauslass (5) hin sukzessive größer werden. Homogenisator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Rezirkulationsanschluss (35) des Homogenisators (1) zur Produktausgabe in einen Kreislauf zur Rückführung des Produktes wieder in den Homogenisator (1) zur nochmaligen Behandlung der Rotor-Stator-Kombination nachgeschaltet ähnlich einer Kreiselpumpe ausgeführt ist, wobei vorzugsweise der Rezirkulationsanschluss (35) durch einen Rohranschluss gebildet ist, der insbesondere einen ovalen Querschnitt hat, und/oder bevorzugt der Rezirkulationsanschluss (35) und oder zumindest der dem letzteren benachbarte Bereich der Rezirkulationsleitung in Strömungsrichtung konisch verengend ist, und/oder wobei die Rotor-Stator-Kombination zwei- oder mehrstufig ausgeführt ist. Vakuumprozessanlage mit einem Homogenisator (1), wobei der Homogenisator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist. Verfahren zur Homogenisierung oder Dispergierung oder allgemein zur Behandlung von fließfähigen Produkten mit einem Homogenisator (1), wobei der Homogenisator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist.
EP23841307.4A 2022-11-07 2023-11-07 Homogenisator sowie vakuumprozessanlage und verfahren damit Pending EP4615626A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE202022002386 2022-11-07
PCT/IB2023/000633 WO2024100447A2 (de) 2022-11-07 2023-11-07 Homogenisator sowie vakuumprozessanlage und verfahren damit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4615626A2 true EP4615626A2 (de) 2025-09-17

Family

ID=89620195

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23841307.4A Pending EP4615626A2 (de) 2022-11-07 2023-11-07 Homogenisator sowie vakuumprozessanlage und verfahren damit

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4615626A2 (de)
CN (1) CN120202059A (de)
WO (1) WO2024100447A2 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN120838212B (zh) * 2025-09-23 2026-01-09 宁波得利时泵业有限公司 一种用于泵的剪切转子组件

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3715331A1 (de) * 1987-05-08 1988-12-01 Berents Gmbh & Co Kg A Homogenisator fuer die herstellung fliessfaehiger produkte
DE9305553U1 (de) * 1993-04-15 1993-05-19 Koruma Maschinenbau Gmbh, 7844 Neuenburg Homogenisiervorrichtung o.dgl.
DE59807124D1 (de) * 1998-08-25 2003-03-13 Vakumix Ruehr Und Homogenisier Homogenisator mit Schutzvorrichtung auf dem Rotor
DE102009047777A1 (de) 2009-09-30 2011-04-07 Azo Holding Gmbh Homogenisator und Homogenisiervorrichtung mit einem solchen Homogenisator

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024100447A3 (de) 2024-08-22
CN120202059A (zh) 2025-06-24
WO2024100447A2 (de) 2024-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69626768T2 (de) Vorrichtung zum Pumpen oder Verdichten eines mehrphasigen Fluids mit einer Tandem Beschaufelung
DE69505159T2 (de) Verfahren und Apparat zum Mischen einer gasförmigen chemischen Substanz zu Fasersuspensionen
EP2285476B1 (de) Rotor-stator-system und verfahren zum herstellen von dispersionen
EP2572777B1 (de) Auslasseinrichtung einer rotor-stator-dispergiermaschine
DE1817430A1 (de) Regenerativkompressor
EP0290033B1 (de) Homogenisator für die Herstellung fliessfähiger Produkte
EP3288674B1 (de) Rührorganvorrichtung
AT402842B (de) Vorrichtung zum pumpen von pülpe
EP1475143A2 (de) Vorrichtung zum Dispergieren und/oder Homogenisieren
EP3202489A2 (de) Pump- und/oder mischeinrichtung zum fördern, homogenisieren und/oder dispergieren fliessfähiger produkte
EP4615626A2 (de) Homogenisator sowie vakuumprozessanlage und verfahren damit
EP2305370A1 (de) Homogenisator und Homogenisiervorrichtung mit einem solchen Homogenisator
DE19537303A1 (de) Vorrichtung zum Homogenisieren fließfähiger Stoffe
DE102010005517B4 (de) Dispergierpumpe
DE102004051063A1 (de) Innenmischer zum Kneten von plastischen Massen
EP0760254B1 (de) Vorrichtung zum Homogenisieren fliessfähiger Stoffe
EP1920822B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Mischung und Entgasung von festen und/oder flüssigen Substanzen
EP2004315B1 (de) Homogenisator mit einem rotor und einem gegenläufig zum rotor rotierbaren vorlaufrad (inducerschraube) und einem gegenläufig zum rotor rotierbaren gegenstromläufer
DE29921445U1 (de) Schlaufenreaktor
DE29608712U1 (de) Homogenisiereinrichtung
EP4404434A1 (de) Elektrische maschine
EP3887029B1 (de) Rotor für eine vorrichtung zum mischen von pulver und flüssigkeit, und vorrichtung zum mischen von pulver und flüssigkeit
EP1021655A1 (de) Förderpumpe
EP3485169B1 (de) Verfahren und anlage zur behandlung hitzeempfindlicher flüssiger nahrungsmittelprodukte und zentrifugalpumpe für eine solche anlage
DE102022101814B4 (de) Vorrichtung, System und Verfahren zum Homogenisieren und/oder Dispergieren fließfähiger Stoffe

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20250603

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)