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Die
Erfindung betrifft eine Schnecke zur Verarbeitung von Materialien,
insbesondere Kunststoffen, Kautschuk oder dergleichen, mit einem
Schneckenkern und zumindest abschnittsweise mit mindestens einem
Schneckensteg und mit einem Mischer zur Mischung einer aus dem Material
entstandenen Schmelze, wobei der Mischer mindestens einen Mischkörper und
mindestens zwei Mischelemente umfasst, die den über den Mischkörper hinwegtretenden
Schmelzestrom aufteilen und zur Umlenkung der entstandenen Schmelzeströme dienen.
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Schnecken
zur Verarbeitung von Materialien sind in der Praxis seit Jahren
bekannt. Solche Schnecken werden zumeist in Spritzgießmaschinen
und Extrudern verwendet, in denen ein Material wie Kunststoff oder
Kautschuk, welches beispielsweise als Granulat oder als Pulver vorliegt,
zu einer Schmelze verarbeitet wird. Das aufgeschmolzene Material
wird dann durch ein Werkzeug in eine vorgegebene Form gebracht.
Bei einer Spritzgießmaschine
ist dies ein Spritzgusswerkzeug, in welche das aufgeschmolzene Material
eingespritzt und abgekühlt
wird und dem dann ein fertiges Produkt entnommen wird. Bei einem
Extruder wird das geschmolzene Material durch ein Werkzeug gepresst,
das beispielsweise als Rohrkopf, Profilwerkzeug oder als Düse ausgestaltet
ist. Durch Nachfolgeeinrichtungen, wie eine Kalibrierung oder Kühlbad, wird
das Produkt stabilisiert.
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Sowohl
bei Extrudern als auch bei Spritzgießmaschinen werden zur Verarbeitung
der aufzuschmelzenden Materialien eine oder mehrere Schnecken verwendet.
Diese Schnecken sind in einem Zylinder gelagert und weisen unterschiedliche
Verfahrenszonen auf. In der Regel sind mindestens eine Einzugszone,
eine Aufschmelzzone, eine Mischzone und eine Austragszone vorgesehen.
In manchen Anwendungen sind zusätzliche
Zonen erforderlich, beispielsweise Entgasungszonen. Bei der Einspeisung von
Schmelze können
jedoch auch Zonen entfallen.
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In
der Einzugszone wird das zu verarbeitende Material meist mittels
einer Dosiereinheit und eines Trichters der Verfahrenseinheit des
Extruders zugeführt.
Als Verfahrensein heit wird Schnecke/-n und Zylinder bezeichnet.
Als Material sind die unterschiedlichsten Werkstoffe denkbar, beispielsweise Thermoplaste,
Kautschuk, Duroplaste oder dergleichen, die auch in Kombination
mit Zusätze,
Füllstoffen
usw. verarbeitet werden können.
Die Schnecke weist in der Einzugzone meist einen Schneckenkern und
Schneckenstege auf, mittels derer das Material in Richtung Austragszone
befördert
wird. In der Aufschmelzzone wird das Material durch Dissipation
und gegebenenfalls von außen
dem Zylinder zugeführter Heizenergie
aufgeschmolzen. Das Material wird in dieser Zone somit in großen Teilen
plastifiziert bzw. aufgeschmolzen.
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Das
im wesentlichen aufgeschmolzene Material liegt dann als Schmelze
vor. Insbesondere wenn unterschiedliche Materialien aufgeschmolzen oder
verarbeitet werden oder der Schmelze Zusatzstoffe zugesetzt sind,
ist es erforderlich, eine gleichmäßige Verteilung aller Inhaltsstoffe
zu erreichen. Eine Homogenisierung der Schmelze erfolgt in der Mischzone.
In der Mischzone sind häufig
Mischer vorgesehen, die entweder Bestandteil der Schnecke sind oder
die als zusätzliches
Element der Schnecke zugeordnet sind. Beispiele für solche
Mischer sind in der
DE
600 19 092 T2 gezeigt. Bekannte Mischer sind in der
2 der Schrift gezeigt. Bei den in
2A) bis F) gezeigten Mischern handelt es sich um
distributive Mischer, die ein räumliches
Umverteilten der Schmelze bewirken. Die
2G) bis
J) zeigen dispersive Mischer, die eine hohe Scherbeanspruch der
Schmelze bewirken. Die dort gezeigten Mischer sind jedoch dahingehend
problematisch, dass die über
den Mischkörper
hinweg tretenden Schmelzeströme
zwar aufgeteilt und umgelenkt werden, aber eine hinreichende Mischwirkung
nicht immer erreicht wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schnecke
zur Verarbeitung von Materialien der eingangs genannten Art anzugeben,
bei der eine verbesserte Mischwirkung gegeben ist.
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Erfindungsgemäß wird die
voranstehende Aufgabe durch eine Schnecke zur Verarbeitung von Materialien
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die in Rede
stehende Schnecke derart ausgestaltet und weitergebildet, dass durch die
Anordnung der Mischelemente die Periodizität des Geschwindigkeitsfelds
des Schmelzestroms durchbrochen ist.
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In
erfindungsgemäßer Weise
ist zunächst
erkannt worden, dass die im Stand der Technik bekannten Mischer,
welche distributive Mischelemente aufweisen, stets eine geometrische
Periodizität
haben. Diese Periodizität überträgt sich
auch auf das Geschwindigkeitsfeld, mit dem die Schmelze über den Mischkörper tritt.
Mit dem Begriff Periodizität
im Geschwindigkeitsfeld ist gemeint, dass sich die Teilströme im Mischteil
mit einer Regelmäßigkeit
trennen und wieder vereinen. Hierdurch ist die Homogenisierungswirkung
der Mischelemente beschränkt
und wird ein gewisses Niveau der Homogenisierung nicht überschritten.
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In
weiter erfindungsgemäßer Weise
ist erkannt worden, dass für
ein gutes Mischergebnis die aufgeprägte Relativbewegung der Schmelze
und deren Inhaltsstoffe ausschlaggebend ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Mischelemente ist in technischer Hinsicht besonders einfacher,
jedoch in raffinierter Weise erreicht worden, dass die geometrische
Periodizität
aufgebrochen ist. Hierdurch entstehen komplexere Geschwindigkeitsfelder in
der Schmelze, was wiederum in einer stark verbesserten Homogenisierungswirkung
resultiert. Teilströme
der Schmelze, die einmal getrennt wurden, finden durch das komplexe
Strömungsprofil
meist nicht wieder zueinander. Dies wurde in Versuchen bestätigt, so
dass mit dem erfindungsgemäßen Mischer
die Homogenisierungswirkung gegenüber herkömmlichen Mischern verbessert
ist.
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Vorteilhafter
Weise kann durch einen erfindungsgemäßen Mischer die Direktverarbeitung
von unterschiedlichen Materialien mit einem Extruder erheblich verbessert
werden. Beispielsweise beim Einfärben,
Füllen
und Verstärken
bietet die Direktverarbeitung deutliche Kostenvorteile im Hinblick
auf die Rohstoffkosten und die Lagerhaltung. Ferner hat ein Verarbeiter,
der eine Extruder zur Direktverarbeitung verwendet, die Möglichkeit,
die Zusammensetzung der Inhaltsstoffe sehr individuell auf die tatsächlichen Erfordernisse
abzustimmen. Diese Kostenvorteile sind jedoch nur nutzbar, wenn
ein Produkt allen Anforderungen, insbesondere denen der Verteilung
der Inhaltsstoffe, genügt.
Bei den Extrudern mit bekannten Mischern sind die Anforderungen
oftmals nur bei geringen Massedurchsätzen oder bei deutlich erhöhten Massetemperaturen
erfüllbar.
Diese erhöhten Massetemperaturen
führen
zu einer Schädigung
des zu verarbeitenden Materials. Ein Vorteil der Erfindung besteht
darin, dass durch die Verbesserung der Mischeffizienz höhere Massedurchsätze ermöglicht werden,
wodurch die Wirtschaftlichkeit einer Extruderanlage verbessert werden
kann. Zusätzliche
Kostenvorteile ergeben sich beispielsweise durch eine Verringerung
der einzumischenden Materialien bei spielsweise beim Masterbatch-Verfahren,
welches zur Einfärbung
von Materialien dient. Durch die verbesserte Mischwirkung können also
Farbpigmente besser verwertet werden.
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Im
Hinblick auf eine besonders einfache Ausgestaltung könnte die
Form und/oder der Abstand der Mischelemente ungleichförmig ausgestaltet
sein. Dies könnte
beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Form und/oder der
Abstand der Mischelemente in Längsrichtung
des Schneckenkerns variieren. Dies bedeutet, dass die Mischelemente,
die in Längsrichtung
des Schneckenkerns angeordnet sind, unterschiedliche Formen und/oder
Abstände zueinander
aufweisen. Die Form des Mischelements kann sich dabei in jedweder
Richtung ändern,
beispielsweise könnte
ein Übergang
von einer Querschnittsform in eine andere Querschnittsform gewählt werden
oder aber die gleiche Querschnittsform könnte sich vergrößern oder
zur Austragszone hin verkleinern oder umgekehrt.
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Zusätzlich oder
alternativ könnte
der Abstand der Mischelemente zueinander in Längsrichtung variieren. Beispielsweise
könnten
die Mischelemente, die näher
zur Eintragszone hin angeordnet sind, enger beabstandet sein, um
den Schmelzestrom zunächst
in eine Vielzahl von Schmelzeströmen
zu unterteilen. Mit zunehmendem Abstand der Mischelemente zum Ende
des Mischkörpers
hin könnte
die Durchmischung bzw. das Ausstreichen der Teilströme in Umfangsrichtung
begünstigt
werden. Je nach Erfordernis könnte
jedoch auch in dem Bereich des Mischers, der zur Eintragszone hin
angeordnet ist, ein größerer Abstand
zwischen den Mischelementen vorgegeben sein. Zum Ende des Mischerkörpers hin
könnte
der Abstand der Mischelemente dann enger zueinander gewählt werden.
Somit würde
im Bereich des Endes des Mischers eine verstärkte Aufteilung des Gesamtstroms
in Teilströme
erzielt werden.
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Im
Rahmen einer weiteren Verbesserung der Homogenisierung könnte die
Form und/oder der Abstand der Mischelemente in Umfangsrichtung des Schneckenkerns
variieren. Hierdurch könnte
wiederum eine Durchbrechung der Periodizität erfolgen. Die Variation der
Form und/oder des Abstandes der Mischelemente in Umfangsrichtung
könnte
hierbei entsprechend der Variationen der Mischelemente in Längsrichtung
des Schneckenkerns erfolgen.
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Zusätzlich oder
alternativ könnten
zwischen zwei oder mehreren Mischelementen der Durchmesser des Schneckenkerns
variieren. Somit könnte
die Gangtiefe sehr individuell zur Verbesserung des Mischverhaltens
optimiert werden. Die Gangtiefe könnte jedoch auch über den
gesamten Umfang des Schneckenkerns zur Austragszone hin variieren,
beispielsweise sich verringern. Hierdurch könnte das Druckverhalten verbessert
werden. Zur Verringerung des Drucks in der Austragszone könnte die
Gangtiefe sich jedoch zur Austragszone hin verringern.
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Im
Hinblick auf ein besonders gutes Mischergebnis könnte der Schneckenkern gleichförmig zur Hauptachse
des Schneckenkerns ausgestaltet sein. Beispielsweise könnte er
im Wesentlichen kreisförmig
sein. Der Schneckenkern könnte
jedoch auch ungleichförmig
sein, beispielsweise Nuten aufweisen. Hierdurch könnten das
Aufteilverhalten und die Umlenkung der Schmelzeströme sowie
die Geschwindigkeit, mit denen der Schmelzestrom fließt, verändert werden.
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In
einer anderen Ausgestaltung könnten
die Mischelemente als Zähne,
Stifte oder Vorsprünge, die
sich vom Mischkörper
aus erstrecken, ausgestaltet sein. Auch jede andere Form der Mischelemente wäre möglich. Die
geometrische Form eines Mischelements könnte zusätzlich variieren, beispielsweise könnte die
Breite der Mischelemente abnehmen. Während das erste Mischelement
eine 16fache Breite haben könnte,
könnten
die in Verfahrensrichtung stromabwärtigen Mischelemente lediglich
noch die 12fache Breite und die nächsten Mischelemente die 8fache
Breite ausweisen. Das letzte Set von Mischelementen könnte dann
eine 6fache Breite aufweisen. Zudem könnte der Abstand der Mischelemente
um den Umfang des Schneckenkerns variieren.
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Hinsichtlich
einer besonders einfache Ausgestaltung der Mischelemente könnten diese
als durchbrochene Stege, die sich vom Mischkörper aus erstrecken, ausgestaltet
sein. Hierbei könnte
in der Mischzone die Gangzahl der Schnecke erhöht werden und/oder könnten die
Stege der Schnecke durch Ausnehmungen durchbrochen sein. Durch diese Ausnehmungen
könnte
dann der Abstand der Mischelemente zueinander sowie deren Form variiert
werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
könnte der
Mischkörper
als Scheibe und die Mischelemente als Bohrung ausgestaltet sein.
Die Bohrungen könnten
hierbei unterschiedlich groß ausgestaltet
sein und/oder in der Form variieren, in der sie sich durch die Scheibe erstrecken.
Des weiteren könnten
die Bohrungen die Scheibe achsparallel zum Schneckenkern durchtreten
oder die Bohrungen könnten die
Scheibe in einem Winkel zum Mischkörper und/oder zueinander durchtreten.
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Die
Form der Mischelemente könnte
im Querschnitt rund, rechteckig, rautenförmig, ellipsenförmig oder
haifischflossenförmig
ausgestaltet sein. Hierdurch ließen sich die Mischelemente
besonders gut an die jeweilige Verfahrensaufgabe anpassen. Die Mischelemente
könnten über den
gesamten Mischkörper
hinweg den gleichen Querschnitt aufweisen oder aber im Querschnitt
variieren. Es könnte jedoch
auch jedwede andere Querschnittsfläche für die Mischelemente verwendet
werden.
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Im
Rahmen einer besonders einfachen Fertigung könnte der Mischkörper integraler
Bestandteil der Schnecke sein. Der Kern des Mischkörpers wäre somit
identisch mit dem Schneckenkern, von dem aus dann sich die Mischelemente
erstrecken.
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Im
Rahmen einer besonders flexiblen Anpassung an die Verfahrensverhältnisse
könnte
der Schneckenkörper
aus einem Dom und Schneckenelementen aufgebaut sein. Hierbei würde der
Mischkörper
als ein oder mehrere Schneckenelemente ausgestaltet sein.
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Es
gibt nun verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch
1 nachgeordneten Patentansprüche
und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
der erfindungsgemäßen Schnecke zur
Verarbeitung von Materialien anhand der Zeichnung zu verweisen.
In Verbindung mit der Erläuterung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Schnecke
anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
die
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1a) in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schnecke
im Bereich der Mischzone, wobei die Breite, die Anzahl und Anordnung der
Mischelemente variiert,
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1b) eine schematische Seitenansicht des Ausführungsbeispiels
der 1a),
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1c) eine weitere schematische Seitenansicht des
Ausführungsbeispiels
der 1a),
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1d) ein Schnitt durch die Schnecke des ersten
Ausführungsbeispiels
zu Beginn der Mischzone,
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2a) in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
ein zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schnecke
im Bereich der Mischzone, wobei die Breite, die Anzahl und Anordnung der
Mischelemente sowie der Kerndurchmesser variiert,
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2b) eine schematische Seitenansicht des Ausführungsbeispiels
der 2a),
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2c) eine weitere schematische Seitenansicht des
Ausführungsbeispiels
der 2a),
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2d) ein Schnitt durch die Schnecke des zweiten
Ausführungsbeispiels
zu Beginn der Mischzone,
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3a) in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
ein drittes Ausführugsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schnecke
im Bereich der Mischzone, wobei die Anzahl und Anordnung der Mischelemente
variiert, die als durchbrochene Stege ausgeführt sind,
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3b) eine schematische Seitenansicht des Ausführungsbeispiels
der 3a),
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3c) eine weitere schematische Seitenansicht des
Ausführungsbeispiels
der 3a),
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3d) ein Schnitt durch die Schnecke des dritten
Ausführungsbeispiels
zu Beginn der Mischzone
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4a), b), c), d), e) in einem schematischen Querschnitt,
Variationen des dritten Ausführungsbeispiels,
nämlich
erfindungsgemäße Mischer einer
erfindungsgemäßen Schnecke
im Bereich der Mischzone, wobei die Anzahl und Anord nung der Mischelemente
variiert, die als durchbrochene Stege ausgeführt sind,
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5a), b), c) in einem schematischen Querschnitt,
weitere Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäßen Mischern
mit unterschiedlich gestalteten Mischelementen und
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6a), b) in einer schematischen perspektivischen
Ansicht, ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Mischers,
wobei der Mischkörper
als Scheibe und die Mischelemente als Bohrungen ausgestaltet sind.
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Gleiche
Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugzeichen gekennzeichnet.
Die Schnecke zur Verarbeitung von Materialien, in diesem Fall von
Kunststoff, weist einen Schneckenkern 1 und Schneckenstege 2 auf.
In 1 ist lediglich ein Teil der Schnecke
gezeigt, welche in der Mischzone angeordnet ist. Die Schnecke weist
einen Mischer 3 zur Mischung der Schmelze auf, welche in
diesem Ausführungsbeispiel
plastifizierter Kunststoff mit dem Zusatzstoff Masterbatch ist.
Der Mischer 3 weist einen Mischkörper 4 und eine Vielzahl
von Mischelemente 5 auf. Die Mischelemente 5 erstrecken
sich vom Mischkörper 4 aus,
die den über
den Mischkörper 4 hinwegtretenden
Schmelzestrom aufteilen und zur Umlenkung der entstandenen Schmelzeströme dienen.
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In
erfindungsgemäßer Weise
ist durch die Anordnung der Mischelemente 5 die Periodizität des Geschwindigkeitsfelds
des Schmelzestroms durchbrochen, da die Form und der Abstand der
Mischelemente 5 ungleichförmig ausgestaltet sind. In
diesem konkreten Ausführungsbeispiel
weisen die Mischelemente 5 einen im Wesentlichen recheckigen
Querschnitt auf und sind als Zahn 6 ausgeführt. Die
Mischelemente 5 variieren in diesem Ausführungsbeispiel in
der Breite der Zähne 6 und
der Anzahl der Zähne 6 in
Umfangsrichtung, also der Lückenbreite
zwischen den Zähnen
und demgemäß der Anzahl
der Zähne 6.
Die 1a) bis c) zeigen den erfindungsgemäßen Mischer 3 dieser
Ausführungsform
in einer perspektivischen Ansicht und verschiedenen Seitenansichten,
während 1d) einen Querschnitt durch den Mischer 3 zeigt.
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2a) bis d) zeigen eine andere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schnecke,
die gegenüber
der Ausführungsform
der 1 unter anderem dahingehend verändert ist,
dass der Durchmesser des Schneckenkerns 1 zwischen Reihen
von Zähnen 6 reduziert
ist. Die Reduzierung des Durchmessers verändert die Gangtiefe innerhalb
des Mischers 3 in unterschiedlicher Größenordnung. Der Durchmesser
des Schneckenkerns 1 reduziert sich in diesem Ausführungsbeispiels
lediglich zwischen den Reihen von Zähnen 6 nicht zwischen
Zähnen 6,
die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. 2a) bis c) zeigen den erfindungsgemäßen Mischer 3 in
einer perspektivischen Ansicht und verschiedenen Seitenansichten. 2d) zeigt einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Mischers 3. Hierbei
zeigt sich, dass die Zähne 6 nicht
gegeneinander versetzt angeordnet sind.
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In 3a) bis d) sind ein drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Mischers 3 gezeigt,
dessen Mischelemente 5 als durchbrochene Stege 7 ausgestaltet
sind. Die Gangzahl bleibt in dieser Ausführungsform gleich, allerdings
variiert die Lückenbreite
zwischen den durchbrochenen Stegen 7. 3 bis
a) bis c) zeigen den erfindungsgemäßen Mischer 3 in einer
perspektivischen Ansicht und verschiedenen Seitenansichten. In 3d) ist ein Querschnitt des erfindungsgemäßen Mischers 3 dieser Ausführungsform
gezeigt.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel
ist in 4a) bis e) gezeigt, das gegenüber der
in 3 gezeigten Ausführungsform
dahingehend verändert ist,
dass sich sowohl die Lückenbreite
als auch die Gangzahl über
den Verlauf des Mischers 3 verändert. 4a) bis
d) zeigen den erfindungsgemäßen Mischer 3 in
einer perspektivischen Ansicht und verschiedenen Seitenansichten.
In 4e) ist ein Querschnitt des
erfindungsgemäßen Mischers 3 dieser Ausführungsform.
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5a) bis c) zeigen Querschnitte erfindungsgemäßer Mischer 3.
Der Mischkörper 4 ist
in den Ausführungsbeispielen
der 5 integraler Bestandteil des Schneckenkerns 1.
Besonders gut sind in 5 die unterschiedlichen
Querschnittsformen der Mischelemente 5 zu sehen. In 5a) sind die Mischelemente 5 im Wesentlichen
rechteckförmig ausgestaltet,
in 5b) ellipsenförmig
und in 5c) haifischflossenförmig.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Mischers 3.
In dieser Ausgestaltung ist der Mischerkörper 4 als Scheibe 8 und sind
die Mischelemente 5 als Bohrungen 9 ausgestaltet.
Das in 6a) gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt
Bohrungen 9, die achsparallel zum Schneckenkern 1 verlaufen
sind, wenn der Mischer 3 dem Schneckenkern 1 im
Betrieb zugeordnet ist. Das in 6b) gezeigte
Ausführungs beispiel
zeigt Bohrungen 9, die im Winkel zu einander sowie zum
Schneckenkern 1 verlaufen sind, wenn der Mischer 3 dem Schneckenkern 1 im
Betrieb zugeordnet ist.
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Hinsichtlich
weiterer Details wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die
allgemeine Beschreibung verwiesen.
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Schließlich sei
ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
lediglich zur Erörterung
der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele
einschränken.
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- 1
- Schneckenkern
- 2
- Schneckenstege
- 3
- Mischer
- 4
- Mischkörper
- 5
- Mischelemente
- 6
- Zahn
- 7
- Durchbrochener
Steg
- 8
- Scheibe
- 9
- Bohrung