WO2003066204A1 - Sonotroden-dispergier-vorrichtung - Google Patents

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WO2003066204A1
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hollow cylinder
receptor
vibrating body
designed
sonotrode
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Uwe KLAUMÜNZNER
Patrick Weisser
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Romaco Ag
Frymakoruma Gmbh
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    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/50—Mixing liquids with solids
    • B01F23/55—Mixing liquids with solids the mixture being submitted to electrical, sonic or similar energy
    • B01F23/551—Mixing liquids with solids the mixture being submitted to electrical, sonic or similar energy using vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F23/50—Mixing liquids with solids
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F25/53—Circulation mixers, e.g. wherein at least part of the mixture is discharged from and reintroduced into a receptacle in which the mixture is discharged from and reintroduced into a receptacle through a recirculation tube, into which an additional component is introduced
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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
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    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/80—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations
    • B01F31/85—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations with a vibrating element inside the receptacle

Definitions

  • the invention relates to a sonotrode device with a vibrating body and a receptor for introducing vibrations into the vibrating body.
  • Sonotrode devices of the type mentioned above are used in the prior art for a variety of purposes.
  • sonotrodes for cleaning purposes are known, wherein a body located in a liquid bath is cleaned by ultrasound introduced into the liquid via the sonotrode.
  • sonotrodes for medical purposes are known, wherein ultrasound is initiated either for diagnosis or for therapy in parts of the human body.
  • dispersing devices are known in the art, which devices are subdivided into three categories. These are on the one hand the so-called dynamic dispersing devices such as Scherkranzdispergierer, colloid mills, agitators, etc., with a stator and one or more rotors.
  • high-pressure homogenizers and static mixers are known.
  • sonotrode devices for dispersing liquid to viscous substance mixtures are not known in the prior art.
  • the known dispersing devices all aim to obtain the largest possible energy input into the substances to be dispersed, since this promotes a small particle size and a uniform distribution.
  • the energy input in the dynamic dispersing without exponentiation of effort is no longer increasable and is therefore limited in practice due to fluidic specifications.
  • the object of the invention is to provide a sonotrode device, by means of which an effective and uniform dispersion of liquid to viscous mixtures of substances is possible, the device should be particularly useful in combination with conventional dynamic dispersing with one or more rotor and stator units.
  • the 'vibration body in is designed essentially as a hollow cylinder with a first partially open and a second open end face.
  • the vibrating body is formed substantially as a hollow cylinder with a first partially open and a second open end, that for the first time a device is provided by means of which dispersing liquid to viscous substance mixtures in a hollow cylinder trained sonotrode is possible. Due to the particular configuration of the sonotrode according to the invention, it is possible to use the hollow cylinder designed as a sonotrode as a stator and to support a dispersing process, in particular by means of a further dynamic dispersion unit with one or more rotors arranged in and / or around the hollow cylinder.
  • the hollow cylinder is designed as a stator of a dynamic dispersion with at least one rotors.
  • the at least one rotor is preferably arranged in or around the hollow cylinder in order to support a dispersing process.
  • the hollow cylinder in the region of its lateral surface a plurality of openings.
  • the openings are preferably formed as rectangular slots, which have two long and two short sides, wherein the long slots are aligned parallel to the longitudinal axis of the hollow cylinder.
  • the openings may be circular.
  • the partially open end face has a plurality of radially aligned webs, which are arranged with its one end to the central receptor means and with its other end to the lateral surface of the hollow cylinder.
  • the receptor device is designed as a shaft which oscillates longitudinally along its longitudinal axis.
  • the receptor device of the device according to the invention is preferably mechanically mounted in the region of its vibration node in order to avoid as much as possible an unwanted release of energy or damping of the introduced ultrasound.
  • the receptor device is preferably formed integrally with the oscillating body in order to avoid energy losses of the ultrasound introduced into the receptor device.
  • a Piezoelectric crystal is provided as a converter of electrical vibrations in mechanical vibrations for introduction into the receptor device.
  • the piezoelectric crystal oscillates preferably at a frequency of 20 to 50 KHz.
  • Fig. 1 shows a preferred embodiment of the device according to the invention in a view obliquely from below;
  • FIG. 2 the preferred embodiment of the device according to the invention shown in Fig. 1 in a view obliquely from above.
  • FIG. 3 shows the preferred embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 1, installed in a dynamic dispersion unit, in a partially cross-sectional side view;
  • FIG. 4 shows the preferred embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 3, installed in a dispersing device containing the dispersing unit, in a cross-sectional view.
  • the sonotrode dispersing device 100 for dispersing liquid to viscous substance mixtures shown in FIGS. 1 to 4 has a vibrating body 110 and a receptor device 120 for introducing vibrations into the vibrating body 110, the vibrating body 110 essentially being a hollow cylinder having a first partially open face 130 and a second open end surface 140 is formed.
  • the oscillating body 110 embodied as a hollow cylinder has a plurality of openings 112 in the region of its lateral surface 111, wherein the openings 112 are formed as rectangular slots.
  • the slots 112 in this case have two long and two short sides, wherein the long slots are aligned parallel to the longitudinal axis 113 of the oscillating body 110.
  • the vibrating body 110 is formed as a stator of a dynamic dispersion unit having at least one rotor 150 and a rotor 160, wherein the rotor 150 is disposed in the vicinity of the shell inner surface 111 'and the rotor 160 is disposed in the vicinity of the shell outer surface 111' 'of the vibrating body 110 wherein the rotors 150, 160 assist in dispersing.
  • Each of the rotors 150, 160 is formed substantially as a hollow cylinder with a closed, a bottom 151, 161 forming end face and an open end face, each rotor 150, 160 in the region of the open end face its lateral surface is provided with coaxially arranged teeth.
  • Each of the rotors 150, 160 is driven by its own drive shaft 170, 175.
  • the partially open first end face 130 of the oscillating body has a plurality of radially oriented webs 131, 132, 133 which are arranged with their one end with the centrally arranged receptor device 120 and with its other end with the lateral surface 111 of the oscillating body 110.
  • the partially open end face 130 of the vibrating body 110 forms an outlet opening for the dispersed product.
  • the receptor device 120 is designed as a shaft which oscillates longitudinally along its longitudinal axis 113 and is mechanically mounted in the region of its oscillation node 121.
  • the bearing can be displaced in the direction of the axis of rotation of the rotors 150, 160, which act as an additional dynamic dispersion unit, by means of a displacement device (not shown) within a predetermined stroke range and can be locked in any desired position.
  • the receptor device 120 is formed integrally with the oscillating body 110 in order to achieve the most effective possible introduction of ultrasonic vibrations into the sonotrode oscillating body 110.
  • a piezocrystal is provided as a converter 180 of electrical vibrations in mechanical ultrasonic vibrations, wherein the piezoelectric crystal oscillates at a frequency of 20 KHz.

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Abstract

Bei einer Sonotroden-Dispergier-Vorrichtung mit einem Schwingkörper (110) sowie einem Rezeptor (120) einleiten von Schwingungen in den Schwingkörper wird ein effektives und gleichmässiges Dispergieren flüssiger bis zähflüssiger Substanzgemische dadurch ermöglicht, dass der Schwingkörper (110) im wesentlichen als Hohlzylinder mit einer ersten teilweise offenen (130) sowie einer zweiten offenen (140) Stirnfläche ausgebildet ist.

Description

SONOTRODEN-DISPERGIER-VORRICHTÜNG
Die Erfindung betrifft eine Sonotroden-Vorrichtung mit einem Schwingkörper sowie einem Rezeptor zum Einleiten von Schwingungen in den Schwingkörper. Die
Sonotroden-Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden im Stand der Technik zu unterschiedlichsten Zwecken verwendet. So sind Sonotroden für Reinigungszwecke bekannt, wobei ein in einem Flüssigkeitsbad befindlicher Körper durch über die Sonotrode in die Flüssigkeit eingeleiteten Ultraschall gereinigt wird. Des weiteren sind Sonotroden für medizinische Zwecke bekannt, wobei Ultraschall entweder zur Diagnose oder zur Therapie in Teile des menschlichen Körpers eingeleitet wird. Des weiteren sind im Stand der Technik Dispergiervorrichtungen bekannt, wobei dies Vorrichtungen in drei Kategorien unterteilbar sind. Diese sind zum einen die sogenannten dynamischen Dispergiervorrichtungen wie Scherkranzdispergierer, Kolloidmühlen, Rührwerke o.a., mit einem Stator und einem oder mehr Rotoren. Darüber hinaus sind Hochdruckhomogenisatoren und statische Mischer bekannt.
Sonotroden-Vorrichtung zum Dispergieren flüssiger bis zähflüssiger Substanzgemische sind im Stand der Technik indes nicht bekannt.
Die bekannten Dispergiervorrichtungen zielen sämtlich darauf ab, einen möglichst großen Energieeintrag in die zu dispergierenden Substanzen zu erhalten, da dadurch eine kleine Partikelgröße und eine gleichmäßige Verteilung begünstigt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass der Energieeintrag bei den dynamischen Dispergiervorrichtungen ohne Potenzierung des Aufwandes nicht mehr steigerbar ist und somit in der Praxis aufgrund strömungstechnischer Vorgaben limitiert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sonotroden-Vorrichtung zu schaffen, mittels derer ein effektives und gleichmäßiges Dispergieren flüssiger bis zähflüssiger Substanzgemische ermöglicht ist, wobei die Vorrichtung insbesondere in Kombination mit herkömmlichen dynamischen Dispergiervorrichtungen mit einer oder mehr Rotor- und Statoreinheiten verwendbar sein soll.
Für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der ' Schwingkörper im wesentlichen als Hohlzylinder mit einer ersten teilweise offenen sowie einer zweiten offenen Stirnfläche ausgebildet ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch das Merkmal, dass der Schwingkörper im wesentlichen als Hohlzylinder mit einer ersten teilweise offenen sowie einer zweiten offenen Stirnfläche ausgebildet ist, erreicht, dass erstmals eine Vorrichtung geschaffen ist, mittels derer ein Dispergieren flüssiger bis zähflüssiger Substanzgemische in einer als Hohlzylinder ausgebildeten Sonotrode ermöglicht ist. Aufgrund der besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sonotrode ist die Möglichkeit geschaffen, den als Sonotrode ausgebildeten Hohlzylinder als Stator zu verwenden und einen Dispergiervorgang insbesondere durch eine weitere dynamische Dispergiereinheit mit einem oder mehr Rotoren, die in und/oder um den Hohlzylinder angeordnet sind, zu unterstützen.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Hohlzylinder als Stator einer dynamischen Dispergiereinheit mit mindestens einem Rotoren ausgebildet ist. Der mindestens eine Rotor ist dabei vorzugsweise in oder um den Hohlzylinder angeordnet, um einen Dispergiervorgang zu unterstützen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Hohlzylinder im Bereich seiner Mantelfläche eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist. Die Öffnungen sind dabei vorzugsweise als rechteckige Schlitze ausgebildet, die zwei lange sowie zwei kurze Seiten aufweisen, wobei die langen Schlitze parallel zur Längsachse des Hohlzylinders ausgerichtet sind. Alternativ können die Öffnungen kreisförmig ausgebildet sein.
Gemäß einer wichtigen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die teilweise offene Stirnfläche eine Mehrzahl radial ausgerichteter Stege aufweist, die mit ihrem einen Ende mit der zentralen angeordneten Rezeptoreinrichtung und mit ihrem anderen Ende mit der Mantelfläche des Hohlzylinders angeordnet sind.
Ebenfalls gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Rezeptoreinrichtung als entlang ihrer Längsachse longitudinal schwingende Welle ausgebildet ist.
Die Rezeptoreinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise im Bereich ihres Schwingungsknotens mechanisch gelagert, um eine ungewünschte Energieausleitung bzw. Dämpfung der eingeleiteten Ultraschalls möglichst zu vermeiden.
Des weiteren ist die Rezeptoreinrichtung vorzugsweise einstückig mit dem Schwingkörper ausgebildet, um Energieverluste des in die Rezeptoreinrichtung eingeleiteten Ultraschalls zu vermeiden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass ein Piezokristall als Konverter von elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen zum Einleiten in die Rezeptoreinrichtung vorgesehen ist. Der Piezokristall schwingt dabei vorzugsweise mit einer Frequenz von 20 bis 50 KHz.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert, die in den
Figuren der Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigen:
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht von schräg unten;
Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht von schräg oben.
Fig. 3 die in Fig. 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, eingebaut in eine dynamische Dispergiereinheit, in einer teilweise quergeschnittenen Seitenansicht;
Fig. 4 die in Fig. 3 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, eingebaut in eine die Dispergiereinheit enthaltende Dispergiervorrichtung, in einer Querschnittsansicht .
Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellte erfindungsgemäße Sonotroden-Dispergier-Vorrichtung 100 zum Dispergieren flüssiger bis zähflüssiger Substanzgemische weist einen Schwingkörper 110 sowie eine Rezeptoreinrichtung 120 zum Einleiten von Schwingungen in den Schwingkörper 110 auf, wobei der Schwingkörper 110 im wesentlichen als Hohlzylinder mit einer ersten teilweise offenen Stirnfläche 130 sowie einer zweiten offenen Stirnfläche 140 ausgebildet ist.
Der als Hohlzylinder ausgebildete Schwingkörper 110 weist im Bereich seiner Mantelfläche 111 eine Mehrzahl von Öffnungen 112 aufweist, wobei die Öffnungen 112 als rechteckige Schlitze ausgebildet sind. Die Schlitze 112 weisen dabei zwei lange sowie zwei kurze Seiten auf, wobei die langen Schlitze parallel zur Längsachse 113 des Schwingkörpers 110 ausgerichtet sind.
Der Schwingkörper 110 ist als Stator einer dynamischen Dispergiereinheit mit mindestens einem Rotor 150 sowie einem Rotor 160 ausgebildet, wobei der Rotor 150 in der Nachbarschaft der Mantelinnenfläche 111' angeordnet ist und der Rotor 160 in der Nachbarschaft der Mantelaußenfläche 111' ' des Schwingkörpers 110 angeordnet ist, wobei die Rotoren 150, 160 einen Dispergiervorgang unterstützend wirken. Jeder der Rotoren 150, 160 ist im wesentlichen als Hohlzylinder mit einer geschlossenen, einen Boden 151, 161 bildenden Stirnfläche sowie einer offenen Stirnfläche ausgebildet, wobei jeder Rotor 150, 160 in dem Bereich der offenen Stirnfläche seine Mantelfläche mit koaxial angeordneten Zähnen versehen ist. Jeder der Rotoren 150, 160 ist von einer eigenen Antriebswelle 170, 175 getrieben.
Die teilweise offene erste Stirnfläche 130 des Schwingkörpers weist eine Mehrzahl radial ausgerichteter Stege 131, 132, 133 auf, die mit ihrem einen Ende mit der zentral angeordneten Rezeptoreinrichtung 120 und mit ihrem anderen Ende mit der Mantelfläche 111 des Schwingkörpers 110 angeordnet sind. Die teilweise offene Stirnfläche 130 des Schwingkörpers 110 bildet eine Ausgangsöffnung für das dispergierte Produkt.
Die Rezeptoreinrichtung 120 ist als entlang ihrer Längsachse 113 longitudinal schwingende Welle ausgebildet und ist im Bereich ihres Schwingungsknotens 121 mechanisch gelagert. Die Lagerung ist in Richtung der Rotationsachse der als zusätzliche dynamische Dispergiereinheit wirkenden Rotoren 150, 160 mittels einer nicht dargestellten Verschiebeeinrichtung innerhalb eines vorgegebenen Hubbereiches verschiebbar und dabei in beliebiger Position arretierbar.
Die Rezeptoreinrichtung 120 ist einstückig mit dem Schwingkörper 110 ausgebildet, um ein möglichst effektives Einleiten von Ultraschallschwingungen in den Sonotrodenschwingkörper 110 zu erreichen. Ein Piezokristall ist als Konverter 180 von elektrischen Schwingungen in mechanische Ultraschallschwingungen vorgesehen, wobei der Piezokristall mit einer Frequenz von 20 KHz schwingt.
Das oben erläuterte Ausführungsbeispiel der Erfindung dient lediglich dem Zweck eines besseren Verständnisses der durch die Ansprüche definierten erfindungsgemäßen Lehre, die als solche durch das Ausführungsbeispiel nicht eingeschränkt ist .
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Claims

Patentansprüche
1. Sonotroden-Dispergier-Vorrichtung zum Dispergieren flüssiger bis zähflüssiger Substanzgemische, mit einem Schwingkörper sowie einer Rezeptoreinrichtung zum Einleiten von Schwingungen in den Schwingkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkörper im wesentlichen als Hohlzylinder mit einer ersten teilweise offenen sowie einer zweiten offenen Stirnfläche ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder als Stator einer dynamischen Dispergiereinheit mit mindestens einem Rotor ausgebildet ist
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rotor in oder um den Hohlzylinder angeordnet ist, um einen Dispergiervorgang zu unterstützen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder im Bereich seiner Mantelfläche eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen als rechteckige Schlitze ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die rechteckigen Schlitze zwei lange sowie zwei kurze Seiten aufweisen, wobei die langen Schlitze parallel zur Längsachse des Hohlzylinders ausgerichtet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen kreisförmig ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise offene erste Stirnfläche eine Mehrzahl radial ausgerichteter Stege aufweist, die mit ihrem einen Ende mit der zentralen angeordneten Rezeptoreinrichtung und mit ihrem anderen Ende mit der Mantelfläche des Hohlzylinders angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezeptoreinrichtung als entlang ihrer Längsachse longitudinal schwingende Welle ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezeptoreinrichtung im Bereich ihres Schwingungsknotens mechanisch gelagert ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezeptoreinrichtung einstückig mit dem Schwingkörper ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Piezokristall als Konverter von elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen zum einleiten in die Rezeptoreinrichtung vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezokristall mit einer Frequenz von 20 KHz bis 50 KHz schwingt.
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