Gebiet und Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein
Fluidverareitungsvorrichtungen und insbesondere
Vorrichtungen, die zum chargenweisen und fortlaufenden
Verarbeiten von Fluiden ausserordentlich gut geeignet sind,
insbesondere fluidartige Esswaren.
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Der Stand der Technik kennt sehr viele
unterschiedliche Vorrichtungen, die zum innigen Mischen,
Emulgieren und/oder Homogenisieren von Pulvern, Granulaten
und Flüssigkeiten ausgebildet sind. Siehe, allgemein,
"Henschel Mixer, A Complete Survey", Broschüre 1000E 8/83
BO, herausgegeben durch Purnell International, Houston,
Texas 77248. Siehe auch US-A-4,518,262, US-A-4,176,966,
US-A-4,104,738 und US-A-4,037,753.
Henschel-Mischvorrichtungen enthalten allgemein eine oder mehrere Schaufeln,
die auf dem Grund einer Kammer angeordnet sind und dazu
bestimmt sind, falls erwünscht, im zu mischenden Material
hohe Scherkräfte zu erzeugen und auch im Material
fluidizierende Wirkungen zu bewirken. Es sind viele
Ausbildungen von Henschel-Mischvorrichtungen erhältlich, welche
ein Kühlen oder Erwärmen der dem Mischen unterworfenen
Stoffe ermöglichen.
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Interessant bezüglich dem Hintergrund der
Erfindung sind kontinuierliche Mischvorrichtungen, wie bei
spielsweise diejenigen, die in der US-A-3,854,702 und US-
A-4,357,111 offenbart sind, welche dazu ausgebildet sind,
im Stoff, der gemischt wird, eine grössere
Gleichförmigkeit der Temperaturverteilung zu bewirken. Kurz, diese
Vorrichtungen enthalten eine einzige Mischstufe und
mehrfache Mischstufen, welche mehrfache Mischwerkzeuge oder
Schaufeln enthalten und unterschiedliche Leitbleche,
welche dazu dienen, teilweise gemischte Stoffe dauernd
wieder in Berührung mit den Mischwerkzeugen zu bringen.
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Ebenfalls interessant zum Hintergrund der
Erfindung sind die Offenbarungen von US-A-3,638,917 und
EP-A-0,101,255. US-A-3,638,917 betrifft eine Vorrichtung
für ein Dispergieren von Stoffen mit hoher Scherkraft,
beispielsweise Farbstoffpigmente, welche eine
scheibenförmige Hoch-Scherschaufel enthält, welche von ihr
abstehende Finger hat. EP-A-0,101,255 offenbart eine
Mischmaschine, welche eine tellerförmige rotierende Plattform
aufweist, welche gegen einen nach oben und aussen
geneigten Rand hin gleichförmig gekrümmt ist. Eine ortsfeste
Wand umgibt den Rand eng und erstreckt sich aufwärts und
bildet bei ihrer Innenseite eine eingebauchte,
teiltoroidförmige Fläche.
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Trotz einem wesentlichen Forschen und
Entwickeln für die Herstellung von Vorrichtungen für ein
inniges Mischen von Stoffen haben sich keine im
Fachgebiet existierenden Ausbildungen genügend mit den
Problemen des Erstellens eines hohen Masses an Gleichförmigkeit
des Flusses von Stoffen innerhalb eines Mischgefässes
abgegeben, um damit die erwünschte Eigenschaft der
gleichförmigen Temperaturverteilung im Stoff (z.B. ein Fluid)
zu erreichen, welches gemischt wird. Eine gemeinsame
unerwünschte Eigenschaft früherer Vorrichtungen ist das
Vorhandensein von mehreren "Totbereichen", in welchen das
Ausmass des Fliessens der Fluide, welche gemischt werden
(gegenüber dem verbleibenden Anteil des Fluides im
Gefäss) vermindert wird, so dass z.B. im Fluid
Temperaturunterschiede bewirkt werden. Versuche, solche
Schwierigkeiten durch das Einführen von Abstreichmessern und
Leitblechen unterschiedlichster Ausbildung zu erreichen sind
sehr begrenzt erfolgreich gewesen, weil solche
Komponenten als solche die natürliche Bildung der Fluidströmung
stören, welche durch die rotierenden Schaufeln und
Mischwerkzeuge erzeugt wird, so dass in der Strömung Wirbel
entstehen. Ueberdies, wo Fluide, welche dazu neigen, bei
erhöhten Temperaturen physiochemischen Aenderungen vom
Flüssigzustand zum Festzustand unterworfen zu werden
(z.B. Proteine in einer Lösung, welche einem Denaturieren
und Agglomerieren unterworfen werden), bildet das
Vorhandensein von Leitblechen und ähnlichem Orte für ein
Ansammeln
und Aufbauen von unerwünschten Formen des
Erzeugnisses innerhalb des Mischgefässes.
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Somit verbleibt weiterhin ein Bedürfnis im
Fachgebiet für eine Fluidverarbeitungsvorrichtung einer
neuen Ausbildung, welche bezüglich Strömung und
Temperaturverteilung im Stoff, welche der Mischverarbeitung
unterworfen wird, eine verbesserte Gleichförmigkeit
erteilt. Eine solche Vorrichtung würde insbesondere im
Fachgebiet der Esswarenherstellung nützlich sein, bei
welcher mechanische Energie, welche durch die rotierenden
Schaufeln und Mischwerkzeuge erteilt werden, in protein-
haltigen Fluiden, welche dazu neigen zu solidifizieren,
hohe Scherkräfte und eine hohe Wärmeenergie zu erzeugen,
mit der Folge, dass in bezug auf die
Gleichförmigkeiteigenschaften der Endprodukte negative Auswirkungen
entstehen.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäss der vorliegenden Erfindung sind
Fluidverarbeitungsvorrichtungen zum chargenweisen und
kontinuierlichen Verarbeiten geschaffen, welche die
Homogenität von Strömung und Temperaturverteilung in einem Fluid,
das einer Mischbehandlung unterworfen ist, optimieren. In
einfachster Weise ausgesagt enthalten Vorrichtungen, die
gemäss der Erfindung ausgebildet sind Mischgefässe, deren
Ausbildung der Innenfläche derart geformt ist, dass sie
der äusseren Form des zu verarbeitenden Fluides nachdem
darin eine Fluidströmung erstellt worden ist, durch
zweckdienliche Mittel, beispielsweise eine rotierende
Schaufel, angepasst ist.
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Eine gemäss der Erfindung ausgebildete
Verarbeitungsvorrichtung enthält ein Gefässgehäuse, in welchem
eine im wesentlichen toroid-förmige Höhlung oder Kammer
umschlossen ist und welches in der Höhlung rotierbare
Schaufelmittel aufweist, um einem Fluid das zu
verarbeiten ist, eine toroid-förmige Strömung zu erteilen. Das
Gehäuse solcher Vorrichtungen enthält üblicherweise ein
Gefäss und einen Gefässdeckel, wobei der Innenraum des
Gefässes gleichförmig gekrümmte Wände aufweist, welche
einen schalenförmigen Hohlraum bilden und der Deckel eine
zurückversetzte Innenfläche aufweist, die derart geformt
ist, dass sie der Oberseite eines Toroides angepasst ist.
Ueblicherweise ist beim Boden des strahlenförmigen
Hohlraumes eine Schaufel (welche einen oder bevorzugterweise
zwei oder mehr Schaufelarme enthält) axial rotierbar und
eng neben der unteren Oberfläche des Hohlraumes
angeordnet, wobei die Rotationsachse mit der Achse des Toroides
zusammenfällt. Bevorzugterweise erstreckt sich der Arm
oder erstrecken sich die Arme der Schaufel parallel zur
Rotationsachse und haben jeweils eine stumpfe vorlaufende
Seite, welche in Rotationsrichtung vorne angeordnet ist.
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Verarbeitungsvorrichtungen gemäss der
Erfindung können für einen chargenweisen Betrieb ausgebildet
sein, wobei die Zugabe der frischen Materialfluide und
das Entfernen der gebildeten Erzeugnisse durch ein
Entfernen oder Verschieben des Gefässdeckels durchgeführt
wird. Alternativ können die Verarbeitungsvorrichtungen
für einen kontinuierlichen Betrieb ausgerüstet sein,
indem eine oder mehrere Fluideinlass- und
-auslassöffnung(en) angeordnet sind, wobei die jeweilige Oeffnung
für das einströmende Fluid zwischen der Schaufel und der
danebenliegenden Oberfläche des Hohlraumes angeordnet ist
und die jeweilige Auslassöffnung bevorzugterweise im
Deckelabschnitt bei oder neben der Achse des Toroides
angeordnet ist. Die Verarbeitungsvorrichtungen können mit
einem zweckmässigen Mantel ausgerüstet sein, um Wärme dem
Gefäss und seinem Fluidinhalt zuzuführen oder abzuführen,
und es können Mittel vorhanden sein, um die Temperatur
des Fluides in der Verarbeitungsvorrichtung
festzustellen.
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Im Betrieb wird das sich im Hohlraum bzw. in
der Kammer befindliche Erzeugnis durch die Scherkräfte,
welche durch die rotierenden Schaufeln erzeugt werden,
gleichzeitig erwärmt und vermischt. Während dem Rotieren
der Schaufel nimmt das Erzeugnis natürlicherweise eine
toroidförmige Form an. Weil der Hohlraum derart geformt
ist, dass er dem natürlichen Toroid entspricht, wird das
Vorhandensein von "toten Zonen" im Hohlraum während dem
Mischen verhindert sowie auch das Ansammeln oder Aufbauen
von Ablagerungen des Erzeugnisses innerhalb des
Hohlraumes.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird aus der nachfolgenden
Einzelbeschreibung zusammen mit den beigelegten Figuren der
Zeichnungen besser verständlich, wobei:
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Figur 1a eine Schnittansicht ist, welche eine
Ausführung der Erfindung zeigt, welche für einen
chargenweisen Betrieb bestimmt ist;
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Figur 1b eine Aufsicht auf eine Schaufel der
Verarbeitungsvorrichtung ist;
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Figur 2 eine Ansicht gleich derjenigen der
Figur 1 ist, wobei jedoch eine bevorzugte Ausführung der
Erfindung dargestellt ist, welche für einen fortlaufenden
Strömungsbetrieb ausgebildet ist;
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Figur 3 eine Schnittansicht entlang der Linie
3-3 der Figur 2 ist;
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Figur 4 eine Schnittansicht entlang der Linie
4-4 der Figur 1b ist; und
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Figur 5 eine Ansicht ist, welche den Betrieb
der Verarbeitungsvorrichtung illustriert.
Einzelbeschreibung der Zeichnungen
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Währenddem sich die nachfolgende
Einzelbeschreibung auf die Verwendung der Vorrichtung in
Verbindung mit dem Verarbeiten eines flüssiggemachten
Esswarenerzeugnisses bezieht, sollte es verstanden sein, dass die
Vorrichtung auch für eine Verarbeitung von anderen, von
Esswaren verschiedenen Erzeugnissen verwendbar ist.
Weiter, weil die nachfolgende Einzelbeschreibung Bezugnahmen
auf Orte oder Teile relativ zu anderen Teilen oder
anderen
relativen Ausdrücken enthält, beispielsweise oben,
unten, aussen, innen, etc. soll verstanden werden, dass
diese Ausdrücke nur dazu gebraucht werden, die
Beschreibung der Vorrichtung zu unterstützen und nicht als eine
Begrenzung des Geltungsbereiches der Erfindung betrachtet
werden dürfen, bezüglich der Verwendung der Vorrichtung
in irgendwelcher gegebenen Ausrichtung.
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Unter erster Bezugnahme auf die Figur 1
enthält eine Verarbeitungsvorrichtung, die gemäss dieser
Erfindung ausgebildet ist, ein Gehäuse 10, welches in
diesem Beispiel von einer Grundplatte 11 getragen ist und
mittels einer Mehrzahl Bolzen 13 mit derselben verbunden
ist. Die Grundplatte 11 ist ihrerseits an einem Ständer
14 angeordnet, bei dem bei seinem oberen Ende ein
ringförmiger Rand 16 gebildet ist. Eine ringförmige
Ausnehmung 17 in der Unterseite der Grundplatte 11 nimmt den
Rand 16 auf. Der Ständer 14 und die Grundplatte 11 haben
ausgerichtete, vertikal verlaufende Durchtritte 18 und
19, welche durch dieselben hindurch verlaufen und eine
vertikal verlaufende Antriebswelle 20 erstreckt sich
durch den Durchtritt 18 und aufwärts in den Durchtritt 19
hinein. Die Antriebswelle 20 ist derart gekoppelt, dass
sie durch einen Antriebsmechanismus, z.B. einem
Elektromotor (nicht gezeigt) während dem Betrieb der
Verarbeitungsvorrichtung rotiert werden kann. Eine Schaufelwelle
21 ist mit dem oberen Ende der Antriebswelle 20 verbunden
und zwischen den zwei Wellen 20 und 21 ist eine
Keilverbindung angeordnet.
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Das Gehäuse 10 der Verarbeitungsvorrichtung
enthält einen unteren Gefässteil 26 und einen oberen
Deckelteil 27, wobei das Gefäss auf einem ringförmigen
Lagerträger 28 getragen ist. Der ringförmige
Dichtungsträger 28 weist bei seiner Unterseite ausgebildete
Gewindelöcher auf und die oben erwähnten Bolzen 13 sind in
diesen Löchern eingeschraubt, um den Dichtungsträger 28
fest mit der Grundplatte 11 zu verbinden. Eine mittig
angeordnete, in vertikaler Richtung verlaufende Oeffnung
29 ist durch den Dichtungsträger 28 hindurchverlaufend
angeordnet. Der obere Endabschnitt des Durchtrittes 29
ist verbreitert und formt eine Kante oder einen Sitz 33,
der auf dem Innenumfang des Durchtrittes 29 ausgebildet
ist, um die Dichtung 39 im Träger 28 korrekt
auszurichten. Die Schaufelwelle 21 erstreckt sich durch den
Durchtritt 29. Oberhalb der Dichtung 29 ist eine Schaufel 36
(siehe auch Figur 1b) auf dem oberen Ende der
Schaufelwelle 21 angeordnet und mittels einer Ueberwurfmutter 37
damit verbunden. Zwischen dem Lager 31, der Schaufelwelle
21 und der Unterlegscheibe 38 ist eine herkömmliche
Lippendichtung 39 angeordnet, um bei dieser
Verbindungsstelle eine fluiddichte Dichtung zu bilden.
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Das Gefäss 26 ist in diesem Fall doppelwandig
und weist eine äussere Wand 41 und eine innere Wand 42
auf, wobei die zwei Wände einen gegenseitigen Abstand
aufweisen, so dass zwischen denselben ein
Strömungsdurchtritt 43 gebildet ist. Die zwei Wände 41 und 42 sind
schalenförmig ausgebildet und ihre unteren mittleren
Abschnitte weisen miteinander ausgerichtete Oeffnungen 44
auf, welche durch dieselben verlaufend ausgebildet sind,
in welchen der Dichtungsträger 28 angeordnet ist, wobei
die zwei Wände 41 und 42 beispielsweise mittels einer
Schweissung mit dem Dichtungsträger 28 verbunden ist. Bei
ihren oberen Enden sind die zwei Wände 41 und 42 von der
Achse der Schaufelwelle 21 radial nach aussen
auseinanderlaufend ausgebildet und sind eng zusammengepresst, um
im Bereich, der mit der Bezugsziffer 46 angedeutet ist,
eine dichte Verbindung zu bilden. Ein Wärmetauschmedium
wird durch den Raum 43 zwischen den zwei Wänden
hindurchgeleitet, wobei ein Einlassrohr 47 und ein Auslassrohr 48
mit der äusseren Wand 41 verbunden sind und mit dem Raum
43 in Verbindung stehen, so dass das Wärmetauschmedium
durch den Raum 43 hindurchströmen kann.
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Der Deckel 27 erstreckt sich über die obere
Seite der zwei Wände 41 und 42 und liegt auf den oberen
Seiten der auseinanderlaufenden Abschnitte 46. Um den
Deckel 27 fest mit dem Gefäss 26 zu verbinden, ist ein
Ring 51 bei der unteren Seite der auseinanderlaufenden
Bereiche 46 angeordnet und der Umfangsbereich des
kreisförmigen Deckels 27 erstreckt sich über die obere Seite
des auseinanderlaufenden Bereiches 46. Eine ringförmige
Klemme 52 umringt den äusseren Umfang des Ringes 51 und
denjenigen des Deckels 27, wobei die Klemme 52, der Ring
51 und der Deckel 27 aneinander anliegende, abgeschrägte
Oberflächenabschnitte 53 aufweisen, so dass die Klemme 52
den Deckel 27 dicht gegen das Glied 52 keilt oder drückt,
wenn die Teile zusammengebaut sind. Zwischen den
benachbarten Oberflächen des Ringes 51 und des Deckels 27 ist
eine Ringdichtung oder eine ringförmige Dichtung 54
angeordnet, so dass die Verbindung abgedichtet ist.
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Im Gehäuse 26 ist ein toroidförmiger oder
ringröhrenförmiger Rohrraum 61 gebildet, welcher zwischen
der Innenwand 42 des Gehäuses 26 und des Deckels 27
ausgebildet ist. Die Innenwandoberfläche 63 des Gefässes
weist die Form einer runden Schale auf und bildet die
untere Hälfte des toroidförmigen Hohlraumes. Die obere
Hälfte des toroidförmigen Hohlraumes ist durch eine
ringförmige, eingebauchte Ausnehmung 64 gebildet, welche in
der Unterseite des Deckels 27 oberhalb der Wand 63
ausgebildet ist, wobei die kreisförmige Ausnehmung 64
koaxial zur Rotationsachse der Schaufel 36 und der Mitte der
gekrümmten Oberfläche 63 des Gefässes 26 ausgebildet ist.
Beim Aussenumfang des Hohlraumes 61 erstreckt sich die
Innenseite der Ausnehmung 64 nach unten in den Bereich,
der durch die Bezugsziffer 66 angedeutet ist und befindet
sich eng neben der oberen Randfläche 67 der Enden der
Schaufel 36. Zusätzlich taucht der Deckel 27 entlang der
Achse des toroidförmigen Hohlraumes 61 nach unten, um
einen Mittelabschnitt 68 zu bilden, und der Mittelbereich
der Schaufel 36 und der Ueberwurfmutter 37 haben eine
aufwärtsgekrümmte Form bei der Mitte des Toroides,
verlaufen direkt unter den Abschnitt 68.
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Im Deckel 27 sind zwei Löcher oder
Durchtritte 7 und 72 ausgebildet. Der Durchtritt 7 befindet sich
auf der Achse des Hohlraumes 61 und erstreckt sich von
der oberen Seite des Deckels 27 durch den Abschnitt 68
und mündet auf der Achse des Hohlraumes 61. Ein Rohrstück
73 ist mittels einer Schraubverbindung 74 mit dem oberen
Ende des Durchtrittes 7 verbunden und eine
Drucksteuereinrichtung 76, welche im vorliegenden Fall ein Gewicht
ist, ist auf dem oberen Ende des Rohrstückes 73
angeordnet. Im Gewicht 76 ist ein Sackloch 77 ausgebildet und
das obere Ende des Rohrstückes 73 erstreckt sich in das
Loch 77. Während dem Betrieb der Verarbeitungsvorrichtung
kann ein im Hohlraum 61 vorhandener Innendruck aus dem
Hohlraum durch das Rohrstück 73 entlastet werden, wenn
der Druck höher als das Mass ist, das zum Abheben des
Gewichtes 76 vom oberen Ende des Rohrstückes 73 notwendig
ist, wobei das Gewicht 76 dabei den Druck im Hohlraum
aufrecht erhält. Der Durchtritt 72 ist über ein
Verbindungsstück 79 mit einem weiteren Rohrstück 78 verbunden
und der Durchtritt 72 erstreckt sich zum obersten
Abschnitt des Hohlraumes 61. Der Durchtritt 72 und das
Rohrstück 78 können beispielsweise dazu verwendet werden,
Luft aus dem Hohlraum 61 abzulassen, wenn er mit einem zu
verarbeitenden Fluid gefüllt wird und ein (nicht
gezeigtes) Thermoelement kann durch das Rohrstück 78 und den
Durchtritt 72 und in die Oberfläche des Fluides während
dem Verarbeiten eingebracht werden, um die Temperatur des
Fluides zu überwachen.
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Die Schaufel 36 weist einen mittleren,
verdickten Abschnitt 81 auf, durch den ein vertikal
verlaufendes Loch 82 für die Schaufelwelle 21 ausgebildet ist.
Die Ueberwurfmutter 37 ist über der Oberseite des
Abschnittes 81 angeordnet. Vom Abschnitt 81 ragen zwei Arme
83 und 84 radial auswärts, welche radial nach aussen und
nach oben gekrümmt sind und eng neben (ein Spielraum von
etwa 0,5 bis 1,0 mm ist bevorzugt) dem Innern der
gekrümmten Oberfläche 63 der Wand 42 des Gefässes
verlaufen.
Die oberen Endabschnitte der Schaufelarme 83 und 84
liegen im wesentlichen parallel zur Achse der Schaufel
und somit erstrecken sich die Arme entlang der unteren
Hälfte des toroidförmigen Hohlraumes. Wie in der Figur 1b
gezeigt ist, laufen die Seiten 86 und 87 der zwei Arme 83
und 84 ebenfalls derart zusammen, dass die Schaufelarme
gegen ihre äusseren Enden hin dünner werden. Angenommen,
dass die Schaufel 36 und die Schaufelwelle 21 basiert auf
der Figur 1b im Gegenuhrzeigersinn rotieren, weisen die
zwei Arme 83 und 84 vorlaufende Seiten 86 und
nachlaufende Seiten 87 auf. Unter Bezugnahme auf die Figur 4 sind
die zwei Ränder 86 und 87 jedes Armes relativ stumpf,
laufen bevorzugterweise jedoch nach unten und
gegeneinander zusammen.
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Den Betrieb, der in der Figur 1a gezeichneten
Verarbeitungsvorrichtung betrachtend nehme man an, dass
die zusammengesetzte Welle 20,21 derart gekoppelt ist,
dass sie durch einen zweckdienlichen Antriebsmotor
rotiert werden kann und dass der Deckel 27 einstweilig vom
Gefäss 26 entfernt worden ist. Der Hohlraum 61 wird mit
einer Charge eines Fluides gefüllt, dessen Volumen im
wesentlichen gleich dem Volumen des Hohlraumes 61 mit dem
Deckel auf dem Gefäss ist. Wenn diese Charge des Fluides
im Gefässabschnitt des Hohlraumes angeordnet ist, wird
der Deckel 27 über dem Gefäss angeordnet, wobei der
ringförmige Abschnitt 66 des Deckels nach unten in den
Hohlraum des Gefässes hineinragt. Dann wird die Klemme 52 an
die einander anliegenden äusseren Umfangsteile des
Gefässes und des Deckels angebracht, um den Deckel dicht mit
dem Gefäss zu verbinden. Wenn der Deckel 27 nach unten in
das Gefäss hineinbewegt wird, kann Luft im oberen Bereich
der eingebauchten Ausnehmung 64 durch den Durchtritt 72
entweichen, zusammen mit irgendwelcher überschüssiger
Menge von Fluid innerhalb des Hohlraumes 61. Das
Wegführen der Luft aus dem Hohlraum kann unterstützt werden,
indem die zusammengesetzte Antriebswelle 20, 21 und die
Schaufel 36 langsam gedreht werden, um irgendwelche
Luftsäcke
im Fluid aufzuheben und irgendwelche Luft aus dem
Hohlraum zu entfernen. In dieser Weise wird Luft aus dem
Hohlraum 61 vor dem Verarbeiten vollständig entfernt.
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Um das Fluid zu verarbeiten, werden die
zusammengesetzte Antriebswelle 20, 21 und die Schaufel 36
schnell rotiert und die mit hoher Geschwindigkeit
erfolgende Rotation der Arme 83 und 84 bewirkt im Fluid hohe
Scherkräfte. Bei den vorlaufenden Rändern 86 der Arme
werden Unterschallimpulse gebildet und bei den
nachlaufenden Rändern 87 entsteht Kavitation. Die schnelle
Rotation der Arme bewirkt, dass das Fluid die Form eines
natürlichen Toroides 21 oder eine Ringröhre annimmt, wie in
der Figur 5 gezeigt ist. Mit natürlichem Toroid ist
gemeint, dass das Fluid von selbst die toroidförmige Form
bei Nichtvorhandensein des Deckels 27 auf dem Gefäss
annimmt. Das heisst, dass wenn der Deckel 27 weggenommen
wäre und die Schaufel mit einer genügend hohen
Geschwindigkeit rotiert würde, das Fluid die Form des Toroides 91
annehmen würde. Die ringförmige eingebauchte Ausnehmung
64 in der Unterseite des Deckels 27 ist derart
ausgebildet, dass sie der Oberflächenform des Toroides 91
entspricht, so dass das Vorhandensein von "toten Bereichen",
bei denen die Fluidströmung weniger intensiv ist,
verunmöglicht ist.
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Bezugnehmend auf die Figur 5 strömt das
Oberflächenfluid des Toroides 91 nach oben und radial
einwärts von den äusseren Enden der Schaufelarme und das
Fluid zirkuliert entlang dem Weg der durch die Pfeile 92
angedeutet ist. Zusätzlich bewegt sich das Fluid in der
Umfangsrichtung und folgt der Richtung der Bewegung der
Schaufel, so dass ein spiralförmiger Weg gebildet ist.
Weiter wird theorisiert, dass eine Anzahl konzentrischer
Schichten im Fluid geformt wird (welche Schichten durch
die konzentrischen Pfeile 93 dargestellt sind) und dass
die Schichten ähnlichen spiralförmigen Wegen folgen. Es
besteht jedoch auch eine Bewegung des Fluides zwischen
den Schichten, so dass im Fluid die Homogenität schnell
erzeugt wird. Die Bewegung der Schaufel durch das Fluid
und die Bewegung der verschiedenen Fluidschichten
gegeneinander ist derart stark, dass ein hohes Mass einer
Umsetzung von mechanischer Energie zu Wärme auftritt.
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Wenn die Schaufel mit ungefähr 5000 upm
rotiert wird, bewirkt die Schaufel, dass das Fluid der
beschriebenen schnellen toroidförmigen Strömung unterworfen
wird und es wird eine beträchtliche Kavitation und
Turbulenz erzeugt, insbesondere vor den vorlaufenden Rändern
86. Das Strömen des Fluides erlaubt einen schnellen
Wärmeübergang von der Wand 42 und dem Wärmetauschmedium. Das
Rühren oder die hohe Scherkraft, welche durch die
Schaufel erzeugt werden, mischen und erwärmen das Fluid
schnell. Die Umsetzung der mechanischen Energie zu Wärme
wird erfasst, indem der Temperaturanstieg im Fluid über
die Temperatur des Wärmetauschmediums pro Zeiteinheit und
pro Masseneinheit gemessen wird. Die Intensität der durch
die rotierende Schaufel 36 in das Fluid übertragenen
Arbeit ist genügend hoch (wie durch das Ausmass des
Temperaturanstieges aufgrund nur der mechanischen Wirkungen
gegeben ist), dass eine Ansammlung von z.B.
Proteinmolekülen mit einer Korngrösse höher als 1-2 um verhindert
ist.
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Die Schaufel 36 ist insbesondere stark
wirksam zum Erwärmen und Mischen des Fluides. Die relativ
stumpfen vorlaufenden Ränder 86 der Schaufel erzeugen bei
5000 upm Unterschallpulsierungen im Fluid, wobei bei den
nachlaufenden Rändern 87 eine Kavitation auftritt. Die
kleine, nach vorne und nach innen zulaufende Ausbildung
der Seiten 86 und 87 (in der Figur 4 gezeigt) bewegt das
Fluid vor den Schaufelarmen gegen den Boden des
Hohlraumes und gegen die Wand. Diese Wirkung erzeugt eine starke
Bewegung des Fluides und verhindert wirksam ein Ansammeln
von Erzeugnissen an der Wand des Hohlraumes. Die Schaufel
erzeugt einen natürlichen Torus und die Kammer bzw. der
Hohlraum ist derart geformt, dass er während dem Mischen
dem natürlichen Torus angepasst ist, so dass irgendwelche
tote Räume im Hohlraum verhindert sind, so dass ein
Backen oder Aufbauen des Erzeugnisses in Räumen mit
langsamer Strömungsgeschwindigkeit verhindert ist und erhöht
die Gleichförmigkeit des Gemisches.
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Im Falle dass zu verhindern ist, dass das
Fluid im Hohlraum zu heiss wird, wird ein Kühlmedium
durch die Rohre 87 und 48 und den Raum 43 zirkuliert, so
dass verhindert wird, dass das Fluid im Hohlraum 61 über
eine erwünschte Temperatur hinaus erwärmt wird.
Andererseits, falls das Fluid zu wärmen ist, kann ein heisses
Medium durch den Raum 43 zirkulieren. Nachdem das Fluid
durch die Schaufel genügend bewegt worden ist und die
Temperatur des Fluides sich beim erwünschten Wert
befindet, wird die Rotation der Schaufel gestoppt, der Deckel
27 wird entfernt und die Charge des gemischten Fluides
aus dem Hohlraum 61 entfernt.
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Figuren 2 und 3 zeigen eine bevorzugte
Ausführung der Erfindung, welche für einen kontinuierlichen
Strömungsbetrieb ausgebildet ist, im Gegensatz zum
chargenweisen Betrieb der Ausführung, die in der Figur 1a
gezeigt ist. Die Ausführungen der Figuren 1a und Figur 2
umfassen einander entsprechende Teile und in diesen zwei
Figuren sind für einander entsprechende Teile dieselben
Bezugsziffern verwendet, mit der Ausnahme, dass den
Bezugsziffern der Figuren 2 und 3 der numerische Wert von
100 zuaddiert ist.
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Unter besonderer Bezugnahme auf Figur 2 weist
die Verarbeitungsvorrichtung ein Gefäss 126 und einen
Deckel 127 auf, welche gleich denjenigen der Figur 1a
ausgebildet sind, mit der Ausnahme, dass der Deckel 127
eine vergrösserte vertikale Dicke aufweist. Das Gefäss
und der Deckel in der Figur 2 sind mittels einer Klemme
152 zusammengehalten, wobei eine Dichtung 154 und ein O-
Ring 155 zwischen denselben angeordnet sind. Das Gefäss
und der Deckel bilden zusammen einen toroidförmigen
Hohlraum 161 und eine Schaufel 136 ist im Hohlraum 161
angeordnet. In diesem besonderen Ausführungsbeispiel weist
das Gefäss 126 ebenfalls doppelte Wände auf, ähnlich dem
Gefäss der Figur 1a und ebenfalls ist ein Einlassrohr 147
und ein Auslassrohr 148 vorhanden. Jedoch sind die Rohre
147 und 148 durch Stopfen 201 zugeschlossen, so dass
zwischen den zwei Wänden ein toter Luftraum 143 gebildet
ist, welcher Raum als Isolation um das Gefäss herum
wirkt. Im Deckel 127 ist ein Durchtritt 172 ausgebildet,
der für einen Thermoelement-Sensor verwendet werden kann
und weist weiter einen Durchtritt 171 auf, der in diesem
Fall einen Auslass für den kontinuierlichen Strom des
Fluiderzeugnisses nach dessen Verarbeitung bildet, wenn
es den Hohlraum 161 verlässt.
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Das Gefäss 126 ist über einen Träger 128 mit
der Grundplatte 111 verbunden, welcher Träger in dieser
Ausführung der Erfindung ebenfalls einen Durchtritt für
das Strömen des Fluides in den Hohlraum der
Verarbeitungsvorrichtung enthält. Ein Einlassrohr 203 für das
Erzeugnis ist mit einer (nicht gezeigten) Quelle des
fluidförmigen Erzeugnisses verbunden und mit einem
kreisförmigen Dichtungsring 204 der eng um den Aussenumfang des
Trägers 128 passt. Das innere Ende des Rohrstückes 203
steht mit einem diagonalen Durchgang 206 im Träger 128 in
Verbindung, welcher bei seinem äusseren Ende durch einen
O-Ring 207 abgedichtet ist. Der Durchtritt 206 verläuft
winkelförmig radial nach innen und aufwärts gemäss der
Figur 2 zur Innenoberfläche des Trägers 128 und einem
Distanzring 208. Eine ringförmige Ausnehmung oder Rille
209 ist in der Aussenfläche des Distanzringes 208
ausgebildet und der Durchtritt 206 steht strömungsseitig in
Verbindung mit der Rille 209. Folglich strömt das in die
Verarbeitungsvorrichtung einströmende Erzeugnis durch das
Rohr 203, durch den Durchtritt 206 und in die ringförmige
Welle 209. Von der Rille 209 verläuft eine Anzahl von
Einlassöffnungen 211 aufwärts und radial einwärts
gewinkelt und die oberen Enden der Einlassöffnungen 211 sind
bei der Oberseite des Ringes 208 unter der Unterseite
der Schaufel 136 angeordnet. Aufgrund der
Winkelstellungen
der Einlassöffnungen 211 strömt das Fluid, das in den
Hohlraum eintritt, zuerst radial nach innen und aufwärts
und strömt danach radial auswärts und aufwärts an den
Seiten der Schaufel 136 vorbei.
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Eine mechanische Dichtung 216 ist vorhanden,
um die Verbindung zwischen dem Distanzring 108 und der
Schaufel 136 abzudichten. Die mechanische Dichtung 216
ist ringförmig und ist mittels O-Ringen 217 und 217B
gegen den Ring 208 abgedichtet und eine nach oben
gerichtete Dichtungsfläche 218 beim oberen Ende der Dichtung
216 berührt die Unterseite der Schaufel 136. In
Bezugnahme auf die Figur 1b ist diese Dichtfläche 218 mit
gestrichelten Linien gezeichnet und es ist zu bemerken, dass
sie sich vollständig innerhalb der äusseren Kontur der
Schaufel befindet. Um eine gute Dichtung zu erhalten ist
die Unterseite der Schaufel 136 beim Bereich der
Dichtfläche 218 bevorzugterweise poliert. Eine weitere
rotierende Lippendichtung 221 ist zwischen dem Träger 128 und
der Welle 121 angeordnet, um diese Verbindung
abzudichten. Die Dichtung 221 ist bei ihrem Aussenumfang nicht
rotierbar mit dem Träger 128 verbunden und ihr
Innenumfang berührt gleitend die Aussenseite der Welle 121. Eine
ringförmige Feder 222, beispielsweise eine Ringbandfeder
hält die Lippendichtung eng gegen die Welle 121.
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Damit ist eine Kammer 223 zwischen der
Lippendichtung 221, der mechanischen Dichtung 216, der
Aussenseite der Welle 121 und dem Distanzring 208 gebildet.
Diese Kammer 223 ist von Kühlwasser durchgespühlt, welche
durch ein Rohr 226 in die Verarbeitungsvorrichtung
eintritt und durch ein weiteres Rohr 227 aus der
Verarbeitungsvorrichtung austritt, welche zwei Rohre bei
entgegengesetzten Seiten der Vorrichtung angeordnet sind, wie
in der Figur 3 dargestellt ist. Die zwei Rohre 226 und
227 sind ebenfalls auf dem Dichtungsring 204 angeordnet
und erstrecken sich radial durch den Ring 204. Durch den
Träger 128 hindurch sind Strömungsdurchtritte 228 und 229
gebildet, und die inneren Enden der zwei Durchtritte
stehen
mit entgegengesetzten Seiten der Kammer 223 in
Verbindung. Die äusseren Enden der Durchtritte 228, 229
stehen mit den Rohren 226 bzw. 227 in Verbindung und O-Ringe
sind um diese Verbindungsstellen angeordnet. Folglich
strömt im Betrieb der Verarbeitungsvorrichtung Kühlwasser
durch das Rohr 226 in die Verarbeitungsvorrichtung, in
die Kammer 223 und um die Innenflächen des Bereiches, wo
die mechanische Dichtung 216 die Unterseite der Schaufel
136 berührt und dann durch das Rohr 227 hindurch aus der
Kammer hinaus.
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Zum Betrieb der Verarbeitungsvorrichtung wird
der Deckel 127 mit dem Gefäss 126 fest verbunden, die
Schaufel 136 wird im Hohlraum 161 rotiert und das
Kühlwasser durch die Kammer 223 hindurchgeleitet. Dann wird
das Gemisch des Erzeugnisses in den Hohlraum 161
eingebracht, indem es durch das Einlassrohr 203 einströmt,
durch den Durchtritt 206 und den Einlassöffnungen 211 und
von der Unterseite der rotierenden Schaufel 136 in den
Hohlraum 161. Das Fluiderzeugnis füllt den Hohlraum 161
und Luft, welche einstweilig im Hohlraum vorhanden ist,
wird durch das strömende Fluid durch das Rohr
hinausgespült. Das Fluid nimmt seine natürliche toroidförmige
Form innerhalb des Hohlraumes 161 an wie oben beschrieben
und die Wände des Gefässes 126 und des Deckels 127
entsprechen der Form des natürlichen Toroides. Das Erzeugnis
im Hohlraum wird unter Druck gehalten, weil im Rohr 203
Druck notwendig ist, um das Fluiderzeugnis durch den
Hohlraum und aus dem Durchtritt 121 zu fördern. Das
Auslassrohr 231, das mit dem Durchtritt 171 verbunden ist,
kann eine Verengung oder ein Ventil aufweisen, um einen
Gegendruck zu bilden, um damit den Druck innerhalb des
Hohlraumes 161 zu erhöhen.
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Das beschriebene Mischen und Erwärmen des
Fluides im Hohlraum 161 ist ähnlich dem des Hohlraumes
61. Das Fluid, das in den Hohlraum einströmt, strömt
unmittelbar in einen Bereich hoher Scherwirkung unterhalb
der Schaufel. Weiter bewirkt die nach oben und innen
gerichtete Winkelstellung der Oeffnungen 211, dass das
einströmende Fluid eine turbulente Strömung bildet und
gegen die Dichtung 216 prallt, so dass irgendwelcher
Aufbau oder irgendwelches Absetzen des Fluides in diesen
Bereich verhindert ist. Weiter stellt die nach innen
erfolgende Strömung und der kleine Abstand zur Mitte sicher,
dass die gesamte Fluidströmung unter der Schaufel
stattfindet und dass nicht ein Teil des Fluides unmittelbar
nach dem Austreten aus den Oeffnungen 211 seitwärts bei
den Seiten der Arme vorbeiströmt. Die Kühlmittelströmung
in der Kammer 223 verhindert, dass das Lager 216 und die
Schaufel überhitzt werden und dass das verarbeitete
Fluidprodukt verbrannt wird. Die Oeffnung 211, die
entgegengesetzt zum Einlass 206 angeordnet ist, ist
bevorzugterweise etwas vergrössert, so dass eine gleichförmige
Strömung durch die drei Oeffnungen stattfindet.
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Aus dem Vorangehenden ist ersichtlich, dass
eine neue und brauchbare Verarbeitungsvorrichtung
gebildet worden ist. Die Verarbeitungsvorrichtung ist
insbesondere dann wirksam, wenn die Schaufel gleichzeitig
mischt, erwärmt und die Korngrösse des Fluides
vermindert, so dass ein homogenes, gleichförmiges Erzeugnis
gebildet wird. Irgendwelche tote Räume innerhalb der
Mischkammer bzw. dem Hohlraum sind verbindert wie auch
Bereiche, wo ein Backen oder Brennen des Erzeugnisses
entstehen könnte. Eine genaue Steuerung der Wärme des
Fluides ist ebenfalls möglich und die
Verarbeitungsvorrichtung kann für einen chargenweisen oder
kontinuierlichen Betrieb ausgebildet sein.
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Währenddem eine Schaufel die zwei Arme hat,
beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass
die Schaufel beispielsweise drei oder vier Arme haben
könnte. Weiter könnten die Arme länger sein und aufwärts
in die Ausnehmung des Deckels hinein verlaufen. Viele
weitere Modifikationen und Varianten der Ausbildung der
Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung kommen
offensichtlich dem durchschnittlichen Fachmann in den
Sinn, nachdem er die obige Beschreibung der illustrativen
Ausführungen studiert hat. Folglich sollten nur
diejenigen Begrenzungen, die in den angefügten Ansprüchen
erscheinen, der Erfindung zugeschrieben werden.