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Vibrationskolloidmühle Es sind Kolloidmühlen bekannt, bei welchen
ein oder zwei Zahnräder in das Innere eines mit gleicher Zahnung versehenen festen
Gegenschlägers eingebaut sind. Bei allen diesen Kolloidmühlen ist die Breite der
Zähne gleich oder nahezu gleich den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Zähnen.
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Bei solcher Anordnung erhält man folgende sehr beachtliche Nachteile:
Die Kolloidmühle läßt zu wenig oder fast zu wenig Mahlgut zwischen den Zahnrädern
hindurch, wenn dieses in Umlaufrichtung kontinuierlich durch die Mühle läuft. Die
Durchlaufmöglichkeit ist nämlich zu gering, auch wenn die Läuferzähne gegenüber
Zwischenräumen des Gegenschlägers liegen, weil die Breite der Läuferzähne den gegenüberliegenden
hohlen Zwischenraum überbrückt. Zur Beseitigung dieses Nachteiles ist bereits vorgeschlagen,
an den Zahnrädern in Laufrichtung Querausfräsungen anzuwenden.
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Eine solche Ausführung erlaubt wohl, große Mengen an Mahlgut durch
die Mühle zu lassen, aber der Wirkungsgrad ist zu gering, weil die Hälfte der Flüssigkeit
die Zwischenräume ohne Schlagwirkung passieren kann.
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Ein weiterer Fehler der bekannten Bauart liegt darin, daß die bei
der Mahlwirkung auftretenden Schwingungen zu geringe Amplituden haben, als daß man
das Prinzip der Kolloidmühle als Schwingungsprinzip ansehen könnte.
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Auf Grund vieler Versuche wurde gemäß der Erfindung eine neue Art
der Kolloidmühle gefunden, bei welcher .die Mahl- oder Dispersionswirkung durch
eine hohe Zahl von Vibrationen oder Schwingungen bis Ultraschallschwingungen hervorgerufen
wird, womit ein gänzlich neues Prinzip der kolloidalen Mahlung gefunden ist.
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Es wurde auf Grund der Versuche festgestellt, daß eine ganz neue Wirkung
bei .der kolloidalen Mahlung eintritt, wenn das Verhältnis der Zahnbreite zu dem
ausgefrästen Zwischenraum auf dem Läufer wie auf .dem
als Gegenschläger
wirkenden feststehenden Gehäuse nicht, wie es bisher meist der Fall war, i : i,
sondern i : 2 oder noch besser bei: großen Maschinen i : 3 ist (wobei 2 und die
Verhältniszahlen der ausgefrästen Zwischenräume zwischen den einzelnen Zähnen angeben)
und das Mahlgut in Umlaufrichtung ;ein- und ausgeführt wird. Bei dieser Ausführung
ist es .möglich, daß das Mahlgut in dem Augenblick, in dem sich der Läuferzahn in
der Mitte des Leerraumes zwischen zwei Gehäusezähnen befindet, zwischen Läufer und
Gehäuse in einer freien Strombahn in Zickzackform bis zur -Abflußstelle hindurchläuft.
Durch den Umlauf des Läufers wird die Beförderung des Mahlgutes von der Zufuhr-
bis zur Abfuhrstelle bewirkt, und es entsteht dabei eine so starke Pümpwirkung,
daß das Mahlgut ohne weitere Pumpe von der Abführstelle wieder in den Einfülltrichter
zurückgepumpt , werden kann. Dadurch werden ein mehrmaliges ununterbrochenes selbsttätiges
Umpumpen des Mahlgutes durch die Kolloidmühl.e und andauernde rhythmische Schwingungen
des Mahlgutes ermöglicht. Dieses kann durch eine besondere Leitung unmittelbar in
Abfüllgefäße gepumpt werden. In der Praxis wird so vorgegangen, daß die Umpumpleitung
immer mehr oder weniger geöffnet bleibt, auch wenn abgefüllt wird, damit der innere
Druck auf die Stopfbuchsenpackungen gemildert wird.
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Die Wirkung- der neuen Vibrationskolloi.dmühle beruht darauf, daß,
wenn z. B: ein Verhältnis zwischen Zähnen und Zwischenräumen von i cm : 3\cm besteht
(wobei die Tiefe des Zwischenraumes etwa gleich der Breite der Zahnflächen sowohl
des Läufers wie des Gehäuses ist), .daß dann in- jeder Periode zwei Phasen auftreten.
Die erste Phase entsteht, wenn ein Gehäusezahn einem -Läuferzahn gegenübersteht.
Dann ist die größte Druck- und Mahlwirkung vorhanden. Der Durchlauf des Flüssigkeitsstromes
ist aber fast aufgehoben. Die zweite Phase tritt ein, wenn die Zahnfläche des Läufers
gegenüber der Mitte des Zwischenraumes zwischen zwei Zahnflächen des Gehäuses steht.
Dann ist die geringste Druckwirkung auf die Mahlgutflüssigkeit vorhanden und für
.den Mahlgutstrom ein Durchlaß von i cm Querschnitt frei geworden. Der Übergang
von der einen zur anderen Phase geht in regelmäßig aufeinanderfolgenden Perioden
vor sich-. Das Mahlgut muß dabei aber in einem Zickzackweg durch den zwischen Läufer
und Gehäuse jeweils freien Raum fließen und wird dadurch periodischen Vibrationen
oder Schwingungen großer Zahl unterworfen, die durch regelmäßig wechselnden Druck
und Druckentlastung hervorgerufen werden. Schon bei einer normalen Zahl solcher
Perioden kann diese Kolloidmühle als Reak-..Bons- und Dispersionsapparat -mit hoher
'". istung wirken. Es ist aber möglich, Ma--c inen zu bauen, die eine erhöhte Zahl
von Schwingungsperioden ausführen, deren Höhe den Ultraschallschwingungen nahekommt.
Bei einer solchen Ausführung treten die für die Erfindung charakteristischen neuen
Wirkungen, die den Ultraschallwirkungen ähneln, auf.
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Es ist eine Kolloidmühle bekannt, bei der ein konzentrischer, zylindrischer
oder leicht kegelförmiger Mahlkörper in einem mit einer gleichen Zahl von Nuten
versehenen Ständer läuft. Die Einwirkung ununterbrochen wirkender rhythmischer Schwingungen
auf das Mahlgut, wie sie .bei der Ausführung .der Vibrationskolloidmühle durch die
Anordnung der Ein- und Ausfuhröffnungen erzielt wird, ist bei der bekannten Kolloidmühle
nicht möglich, auch wenn die Nuten breiter sind als die Stege, da die Durchzugrichtung
für das Mahlgut bei dieser Kolloidmühle axial angeordnet ist, so daß das Mahlgut
schraubenförmig zwischen den Nuten und Stegen geknetet, eine beständige rhythmische
Schwingungswirkung auf das Mahlgut infolge von Interferenzerscheinungen jedoch aufgehoben
wird. Im Gegensatz hierzu liegt der wesentliche Fortschritt der Vibrationskolloidmühle
in der Anwendung kontinuierlich wirkender rhythmischer Schwingungen auf das Mahlgut.
Durch ,die Einführung des Mahlgutes in Umlaufrichtung -gemäß der Erfindung und Abführung
nach Durchlaufen von s j4 des Gehäuseumfanges vor dem letzten glatten Viertel erhält
die Vibrationskolloidmühle gleichzeitig pumpende Eigenschaften, was für ihre großtechnische
Anwendung von großer Bedeutung ist und mit den bekannten Kolloidmühlen nicht zu
erreichen ist.
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Eine der bekannten Kolloidmühlen weist außerdem eine verschiedene
Zahl,von Zahnflächen auf dem Läufer und dem Gehäuse auf, so daß die rhythmischen
Schwingungen, wie sie gemäß der Erfindung erzielt werden, durch Interferenzerscheinüngen
unterbrochen werden.
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Durch folgende Beispiele soll die neue Kolloidmühle näher erläutert
werden: Beispiel i Läufer und Gehäuse haben, auf den arbeitenden Dektor .bezogen,
25 Zahnflächen von r cm Breite, i cm Tiefe bei 3 cm Zwischenraum. Ein Kurzschlußmotor
mit 3000 Umläufen in der Minute wird unmittelbar mit der Kolloidmühle gekuppelt.
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Bei dieser Ausführung kommt eine periodische Schwingungswirkung von
25 # 3000
= 75 ooo Perioden oder 150 ooo Amplituden in der Minute
auf .das Mahlgut zustande. Eine beliebige chemische Reaktion oder Dispergierung,
.die einer solchen Zahl rhythmisch auftretender Schwingungen, nämlich :i5oo einzelnen
Schwingungsamplituden oder rz5o Perioden in der Sekunde unterworfen wird, erfährt
.durch diese mechanische Kraft eine hochwertige Beförderung und Beschleunigung,
so daß .der Apparat gemäß der Erfindung sowohl all vorzügliche Dispersionsmaschine
als auch zur Beförderung chemischer Reaktionen vorteilhafte Dienste leisten kann.
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Treibt man diese Kolloidmühle mit Hilfe eines Zahnradgetriebes mit
6ooo Umdrehungen an, so erhält man schon 150000
Perioden oder 300 ooo einzelne
Amplituden in der Minute und 2500 Perioden oder 5000 einzelne Schwingungsamplituden
in der Sekunde. .
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Damit ist aber ,die Grenze des Möglichen noch nicht erreicht. Treibt
man die Kolloidmühle mit gooo Tburen in der Minute oder bei Anwendung einer schnellaufenden
Turbine bis 12 ooo Umdrehungen in der Minute, so werden im letzten Falle 25 -
12 000 = 300 ooo Perioden oder 6oo ooo Amplituden in der Minute, also außerordentlich
hohe Schwingungszahlen je Sekunde ermöglicht. Es treten dann schon den Grenzgebieten
des Ultraschalls ähnliche Wirkungen auf und damit eine gänzlich neue Möglichkeit
und neue Wirkungen bei der Ausführung von Dispergierungen und der Beförderung chemischer
Reaktionen mit mechanischer Kraft. Beispiel e Um mit der neuen, auf .dem Schwingungsprinzip
aufgebauten Kolloidmühle für besondere Zwecke ultraschallähnliche Wirkungen zu erzielen,
werden die Zahnflächen des Läufers und des Gehäuses in einer Breite von nur 5 mm
und die Zwischenräume zwischen den einzelnen Zahnungsflächen in einer Breite von
r cm und einer Tiefe von etwa r cm ausgeführt. Wendet man einen Läuferdurchmesser
von 3oo mm an, was einem Umfang von 9,43 mm entspricht, so erhält man bei jeder
Umdrehung 63 Perioden. Bei nur 6ooo Umdrehungen erzielt man demnach 378
000 Perioden in der Minute, 6300 Perioden oder 12 6oo einzelne Schwingungsamplituden
in der Sekunde. Bei Anwendung einer Umdrehungszahl von z8 ooo Touren je Minute,
was technisch vollkommen ausführbar ist und schon ausgeführt wurde, erhält man 63
- 18 ooo = z 134 000 Perioden . und a 268 ooo Amplituden in der Minute
= 37 8oo Amplituden in der Sekunde. Erhöht man den Durchmesser bis auf 5oo mm und
treibt mit 18 ooo Touren, so erhält man 10q. - 18 ooo - i 872 000 Perioden
öder 3 744 000 Schwingungsamplituden in der Minute; in der Sekunde
62 q.oo Amplituden. Damit wäre schon der Wirkungsbereich der Ultraschallschwingungen
erreicht. Bei der Verwendung in der Praxis erzielt man jedoch schon bei erheblich
niedrigeren Schwingungszahlen ausgezeichnete großtechnische Wirkungen. Es sollen
im Rahmen der Beschreibung aber auch die Möglichkeiten der ultraschallähnlichen
Schwingungen durch -die Vibrationskolloidmühle angedeutet @verden.
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Die Kolloidmühle wird am besten so zusammengestellt, daß über dem
mit Kühlmantel versehenen Gehäuse ein Trichter mit Regelhahn angeordnet ist. Nach
dem An-, lassen der Maschine läuft das Mahlgut durch den Regelhahn über 3J4 der
Peripherie des Schlägers über Schlägerzähne und Zwischenräume zur Ausflußöfnung.
Bei einer Ausführung gemäß Beispiel r erfährt das Mahlgut dabei 25mal Druck- und
Entlastungswirkung, d. h. 25 Perioden unmittelbar hintereinander. Kurz vor dem letzten
Viertel des Läuferumfanges wird das Mahlgut durch die Pumpwirkung des Zahnrades
ausgeschleudert und durch ein Rohr in den Einfülltrichter zurückgeführt, solange
der Vorgang wiederholt werden soll. Zum Zweck des Abfüllens befindet sich an der
Rückleitung eine geeignete Abführstelle. Die innere Gehäusewandung hat nur auf 3/4
ihres Umfanges die dem Läufer entsprechende Zahnung. Das hinter der Ableitungsstelle
befindliche Viertel des Gehäuses wird glatt ausgeführt, um das Auspumpen zu ermöglichen
oder die Wirkung j zu erhöhen. Zur weiteren Verbesserung des vollen Auspumpens des
Mahlgutes wird eine messerförmige Stahlfeder am Anfang des glatten Gehäuseviertels
angebracht,, die es mittels einer Schraube ermöglicht, den Zwi- i schenraum zwischen
Läufer und Gehäuse hinter der Abführstelle mehr oder weniger abzudichten.
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Eine solche Einrichtung ist nicht unbedingt erforderlich, jedoch insbesondere
bei dünnflüssigem Mahlgut zu empfehlen.
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Die Vibrationskolloidmühle hat, in das Gehäuse eingebaut, einen Kühl-
oder Heizmantel, durch den z. B. bei der Bearbeitung von pastösem Mahlgut Dampf
oder heißes Wasser geleitet werden kann.
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Die Vibrationskolloidmühle kann auch so verändert ausgeführt werden,
daß die Zahnungen auf dem Läufer und dem Gehäuse in Richtung des Flüssigkeitsstromes
mehr oder weniger abgeschrägt sind. Dadurch wird das Durchfließen des Mahlgutes
in Pumprichtung
erleichtert, und außerdem können je nach der Abschrägung
die Kurven der Perioden und die Amplituden verändert werden. -
her nicht bekannt. Daß man durchs nische Wirkungen ultraschallähnliche 'rbrationswirkungen
auf Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe hervorrufen kann, war nicht bekannt, und es
war vor allem nicht zu übersehen, wie diese Wirkung in der Praxis zu erreichen sei.
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Bei Anwendung hoher Periodenzahlen ist es nicht erforderlich, .die
Gehäusezahnung gemäß der Erfindung auf der ganzen Strecke vom Einlauf des Mahlgutes
bis zum Auslauf anzubringen. -Es können vielmehr nur eine Hälfte des zu zahnenden
Gehäuseteiles oder einzelne Stellen mit Zahnung versehen werden. Z. B. kann kurz
nach der Einführstelle eine Gruppe von etwa zehn Zähnen und kurz vor dem Ausfluß
nochmals eine Gruppe von zehn Zähnen ausgefräst sein. Die Zahngruppen können aber
auch an drei bis vier Stellen auf der Gehäusewandung angebracht sein. Eine solche
Ausführungsart ist bei'sehr hohen Periodenzahlen erforderlich, um die ' Durchlaufmenge
zu regeln.