DE2033168A1

DE2033168A1 - Mischvorrichtung

Info

Publication number: DE2033168A1
Application number: DE19702033168
Authority: DE
Inventors: Alton Roslyn Pa Leger jun (V St A) BOIj
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1969-07-07
Filing date: 1970-07-04
Publication date: 1971-02-18
Also published as: FR2054220A5

Description

Dipl. Ing. R. Merterre.

Patentanwalt .

6Frankfurt/Main 1,Ammeiburgstr.34

Frankfurt am Main, ^den l.Juli 1970

- H 31 P 211 -

HONEYWELL INC.
* 2?01, SOurth Avenue South Minneapolis, fönn/ÜSA

μ Mischvorrichtung¹*

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zur Mischung zweier oder mehr Medien. .

Mit den bekannten Mischvorrichtungen lassen sich entweder nur wenige ausgewählte Medien miteinander mischen oder die Mischvorrichtungen sind recht kompliziert aufgebaut und dementsprechend störanfällig und kostspielig in der Herstellung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Mischvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, zwei oder mehr Medien miteinander zu vermischen, wobei die zu mischenden Medien beispielsweise Gase, Flüssigkeiten oder beides sein können. Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung soll insbesondere in der Lage sein, auch nicht ineinander lösliche Medien in Form von Emulsionen miteinander zu verbinden, wie dies z.B. bei analytischen Messungen notwendig ist, bei denen die Meßgeräte nur dann genau arbeiten, wenn die zu analysierende, aus einer Emulsion bestehende Probe keine größeren Partikel aus einem der zu mischenden Medien besitzt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in die senkrecht zur Drehachse liegende Stirnfläche eines ortsfest gelagerten Rotors sich von der Rotordrehachse entfernende Ausnehmungen eingearbeitet sind, welche an ihrem inneren Ende mit einem konzentrisch zur Drehachse

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verlaufenden vorzugsweise ortsfesten Einlaßkanal in Verbindung ; stehen und an ihrem äußeren"Endein einen Sammelraum für die gemischten Medien münden» Die Rotorstirnfläche ist dabei mit ^: mindestens einer konzentrisch zur Rotordrehachse in der Ebene ;; ■■ der Ausnehmungen liegenden ringförmigen Ausnehmung versehen, = welche die sich von der Rotordrehachse entfernenden Ausnehmungen schneidet. Die der Rotorstirnfläche gegenüberliegende Stirnfläche eines Stators deckt die Ausnehmungen und die ringförmige . Ausnehmung ab, wodurch geschlossene Kanäle gebildet werden .-Ferner ist der Stator mindestens mit jeweils einem in den ringförmigen Kanal hineinragenden Ansatz versehen, wodurch bei sich drehendem Rotor die in den ringförmigen Kanal eingedrungene Flüssigkeit " längs dieses Kanals verschoben wird, während die Zentrifugalkraft die Flüssigkeit in den sich von der Rotordrehachse entfernenden Kanälen zum Sammelraum preßt. Hierdurch wird die sich längs der sich schneidenden Kanäle verschobene Flüssigkeit an den Schnittstellen gut gemischt. Mit einer derartig ausgestalteten Mischvorrichtung ist es möglich, zwei oder mehr beliebige Medien miteinander zu mischen, unabhängig davon, ob es sieh um gasförmige, flüssige oder um flüssige und gasförmige Medien handelt und unabhängig auch davon, ob die zu mischenden Medien ineinander löslich sind oder nicht. Insbesondere ist eine derartig aufgebaute Mischvorrichtung in der Lage, eine" Emulsion aus öl und Wasser zu bilden, wie sie als Probe für Analysen benötigt wird.

Einen besonders einfachen Aufbau erhält man,wenn der Rotor scheibenförmig ist und die sich von der Rotordrehachse entfernenden Kanäle radial zur Rotordrehachse verlaufen. Es kann andererseits atf ei* auch vorteilhaft sein,wenn die sich von der Rotordrehachse entfernenden Kanäle sich teilweise entgegen der Drehrichtung des Rotors erstrecken und gegebenenfalls gekrümmt sind, wodurch die durch die Rotordrehung bedingte, auf die su mischenden Medien einwirkende Zentrifugalkraft noch verstärkt wird. MacH einem Witeren Merkmal der Erfindung läßt sich die Mischwirkung "de^ Vorrichtung dadurch verbessern, daß in die Stirnfläche des Rotors

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mindestens zwei ringförmige Ausnehmungen eingearbeitet sind und daß jeder der ringförmigen Ausnehmungen eine Anzahl ringförmig angeordneter, mit dem Stator verbundener Ansätze zugeordnet sind. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Mischvorrichtung legen die zu mischenden Medien in den verschiedenen ringförmigen Ausnehmungen unterschiedliche Wege mit voneinander abweichenden Geschwindigkeiten zurück, was die Mischwirkung begünstigt. Es ergibt sich eine besonders gute Mischung, wenn die senkrecht zu den radialen Ausnehmungen stehenden Seitenflächen der Ansätze derart groß gewählt sind, daß sie während der Drehung des Rotors die einzelnen radial verlaufenden Kanäle nacheinander verschließen.

In vielen Fällen ist es wünschenswert, daß das aus dem Auslaßkanal ausströmende Gemisch möglichst gleichmäßig fließt, was sich nach einem Merkmal der Erfindung dadurch erreichen läßt, daß die Ansätze derart ringförmig angeordnet sind, daß sobald einer der Ansätze einen der radial verlaufenden Kanäle sperrt, der benachbarte radial verlaufende Kanal nur zum Teil durch einen Ansatz gesperrt wird. Auf diese Weise kann das wegen der einwirkenden Zentrifugalkraft unter Druck stehende Gemisch immer aus einem, der gerade geöffneten, in radialer Richtung verlaufenden Kanäle fließen und es wird verhindert, daß sämtliche Kanäle gleichzeitig geöffnet oder geschlossen sind. :

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel das nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert wird. Darin zeigt:

Figur 1 in geschnittener Darstellung eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung, wobei die Schnittebene in Höhe der Drehachse des Rotors liegt,

Figur 2 in verkleinerter Darstellung die Draufsicht auf die mit Ansätzen versehene Stirnfläche des Stators des Ausführungsbeispiels nach Figur 1,

Figur 3 den Schnitt in Höhe der Linie J>-J> durch den in Figur 2 gezeigten Stator,

Figur 4 in verkleinerter Darstellung die Draufsicht auf die mit Ausnehmungen versehene Stirnfläche des Rotors des Ausführungsbeispiels nach Figur 1 und

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Figur 5 den Schnitt in Höhe der Linie 5-5 durch den in Figur 4 gezeigten Rotor.^v

Die wesentlichen Teile der in Figur 1 gezeigten Mischvorrichtung 10 sind der Stator 12, der scheibenförmige Rotor 14 und das Gehäuse 16.

Der Stator 12, der außer in Figur 1 auch in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist, besitzt die Form eines flachen Deckels, an dessen einer in Figur 2 dargestellter Stirnfläche ein kleinerer erster Ring von gleichartigen Ansätzen 18,20,22,118 angebracht ist. Dieser erste Ring wird von einem ebenfalls aus gleichartigen Ansätzen 24,26,28,120 bestehenden größeren zweiten Ring umschlossen. Die jeweils zu einem Ring gehörenden Ansätze sind untereinander gleich, weichen aber von den zum anderen Ring gehörenden Ansätzen ab. In Richtung der Längsachse des Stators 12 verläuft ein Innengewinde 30, das mit dem Außengewinde 34 ,eines Einlaßkanales 32 verschraubt wird. Am äußeren Rand der Stirnfläche sind zwei Paar einander gegenüberliegende Durchgangslöcher 36,38,40,42 vorgesehen die z-ir Verbindung des Stators mit dem Gehäuse l6 dienen. Um den Stator 12 mit dem Gehäuse l6 zu verbinden, werden in Figur 1 gezeigte Schrauben 46 durch die Durchgangslöcher 36 bis im Stator und geeignete Durchgangslocher im Gehäuse l6 geschoben und darnach mit Muttern 52 verschraubt. Zur Abdichtung des von dem Stator und dem Gehäuse umschlossenen Innenraumes dient eine ringförmige Dichtung 44 (siehe Figur 1), die zwischen die durch die Schrauben gegeneinander gepreßten Flächen von Stator 12 und Gehäuse 16 gelegt wird. Der auf diese Weise gas- und flüssigkeitsdichte Innenraum nimmt den Rotor 14 auf.

In dem zylinderförmigen Rotor l6 sind zwei ringförmige Ausnehmungen 64,66, eine ringförmige Aussparung 68 und eine Anzahl in radialer Richtung verlaufender Ausnehmungen 70 bis 88 vorgesehen. Die Aussparung und die Ausnehmungen sind durch Gießen in den Rotor eingearbeitet. Die zylinderförmige Rotornabe 92 besitzt

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eine abgeschrägte Seitenkante 9k, die den Zufluß der zu mischenden Medien erleichtert, wie weiter unten noch beschrieben wird. In die zusammen mit dem Rotor in einem Stück gegossene Nabe 92 ist ein Innengewinde 96 eingearbeitet, das mit einem . Außengewinde 98 am Ende der Rotorwelle 100 verschraubt wird, wodurch Rotor und Rotorwelle fest miteinander verbunden sind. Der Antrieb der Rotorwelle 100 erfolgt durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Motor. An der dem Stator abgewandten Gehäuseseite ist eine koaxial zur Rotordrehachse 100 liegende, teilweise mit einem Innengewinde I08 versehene Bohrung 102 eingearbeitet, in die eine Packung 106 zum Abdichten der Rotorwelle eingelegt ist. Die Packung I06 wird mit Hilfe einer mit einem Außengewinde 104 versehen Gewindehülse 110 gegen die Rotorwelle 110 gepreßt. Die rohrförmige Außenwand des Gehäuses. 16 besitzt ein Gewindeloch 111,über das ein mit einem Außengewinde 112 versehener Auslaßkanal 114 mit dem Gehäuse 1.6 verschraubt wirdJ Nachfolgend wird kurz die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung beschrieben, wobei angenommen werden soll, daß die Mischvorrichtung die Aufgabe hat, eine Emulsion aus öl und Wasser zu bilden. Das Wasser mit den darin schwimmenden großen öltropfen wird über den Eingangskanal J>2 in der durch einen Pfeil 116 angedeuteten Richtung der Mischvorrichtung zugeführt. Statt eines einzigen Einlaßkanales· J>2 kann die erfindungsgemäße Mischvorrichtung auch mit zwei oder mehr parallel zueinander oder konzentrisch verlaufenden Einlaßkanälen versehen sein, was den Vorteil hat, daß die durch die Pumpwirkung der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung angesaugten,voneinander getrennt fließenden Medien in ihrem Mischungsverhältnis, z.B. durch auf die einzelnen Einlaßkanäle einwirkende Ventile verändert werden können. Durch die Drehung des Rotors 14 werden Zentrifugalkräfte wirksam, die die zu mischenden Flüssigkeiten (in dem hier beschriebenen Beispiel wurde eine Mischung aus Wasser und öl angenommen) von der inneren in Figur 1 und 4 gezeigten Aussparung 68 längs der radial verlaufenden Ausnehmungen 70 bis 88 zum äußeren Ende der Rotor stirnfläche 90 treiben. Während sich nun das mit den öltropfen versehene Wasser längs der radial verlaufenden Ausnehmungen 70 bis 88 nach außen bewegt, werden einzelne Teile der längs dieser

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Kanäle fließenden Strömung durch die der ersten ringförmigen Ausnehmung 66 zugeordneten Vorsprünge 18,20,22,118 nacheinander herausgerissen und längs dieser ringförmigen Ausnehmung verschoben. Jedes der einzelnen herausgeschnittenen Strömungssegmente wird längs der ringförmigen Ausnehmung 66 zur nächsten, in radialer Richtung verlaufenden Ausnehmung transportiert, wo es sich mit der längs dieser radialen Ausnehmung fließenden Strömung vereinigt. Die auf diese Weise schon recht gut gemischte und in radialer Richtung fließende Strömung wird na.ch kurzer Zeit wiederum zerschnitten, indem die Ansätze 24,26,28,120 Strömungssegmente' in die ringförmige Ausnehmung 64 drücken, wo sie längs dieser Ausnehmung zur nächsten in radialer Richtung verlaufenden Ausnehmung transportiert werden und sich mit der dort gerade fließenden Strömung "vereinigen. Anschließend fließt die Strömung weiter längs der in radialer Richtung verlaufenden Kanäle, bis sie diese Kanäle verläßt und unter Druck in einem Sammelraum 62 im Inneren des Gehäuses 16 gespeichert wird und von dort als gut gemischte Emulsion über den Auslaßkanal 114 abfließt. Die gute Mischung der einzelnen Medien ist nicht nur durch die Verschiebung der einzelnen Plüssigkeits-segmente zu erklären, sondern auch durch die Verwirbelung, dieidurch die ständige Richtungsänderung der Strömung auftritt.

Während nun einzelne Teile der längs der radialen Ausnehmungen fließenden Strömung herausgeschert und entlang der ringförmigen Ausnehmungen verschoben werden, wird der Verlauf der-Strömung zu dem äußeren Ende der Kanäle hin zwar geschwächt aber nicht unterbrochen. Das kommt daher, daß die Ansätze 18 bis 28 und die in radialer Richtung verlaufenden Ausnehmungen 70 bis 88 derart zueinander angeordnet sind, daß immer wenn einer der in radialer Richtung verlaufenden Ausnehmungen durch einen Ansatz (z.B.Ausnehmung 70 durch Ansatz 28,22) verschlossen wird, die nächstfolgende Ausnehmung (z.B. 88) nur zum Teil durch einen Ansatz (z.B. Ansatz 24,18) verschlossen wird. Allerdings werden einander gegenüberliegende Ausnehmungen(z.B.Ausnehmung 70 und 80} immer gleichzeitig durch Ansätze (z.B.Ansätze 24,Ιδ,ΐΐθ,120) verschlossen.Das wegen der

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versetzten Lage der in radialer Richtung verlaufenden Ausnehmungen und der Ansätze gleichmäßig aus dem Auslaßkanal Il4 fließende Gemisch, das in dem hier beschriebenen Beispiel eine Emulsion aus öl und Wasser ist, kann beispielsweise zu einem Analysegerät geführt werden, das den Anteil des nunmehr feinverteilten Öles im Wasser mißt.

Für viele Fälle kann es wünschenswert sein, die Zentrifugalkraft zu vergrößern, was sich dadurch erreichen läßt, daß die vorher in radialer Richtung verlaufenden Ausnehmungen entgegen der Drehrichtung des Rotors abgebogen werden, wodurch sich beispielsweise nach außen seitlich abgebogene Ausnehmungen ergeben. Eine andere Variationsmöglichkeit der erfindungsgemaßen Mischvorrichtung besteht darin, nicht wie in Figur 2 gezeigt,die zu den zwei verschiedenen Ringen gehörenden Ansätze hintereinander anzuordnen (wie z.B. Ansatz 18 und Ansatz 24), sondern seitlich zueinander zu versetzen. Darüberhinaus besteht selbstverständlich noch die Möglichkeit, die Anzahl der ringförmigen Ausnehmungen und die Anzahl der ihnen jeweils zugeordneten Ansätze entsprechend den zu mischenden Medien zu verändern. "

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Claims

Patentansprüche

\ l/ Mischvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, ^:J j daß in die senkrecht zur Drehachse (100) liegende Stirnfläche eines Rotors (14) sich von der Rotordrehachse (100) entfernende Ausnehmungen (70 bis 88) eingearbeitet sind, welche an ihrem inneren Ende mit. einem konzentrisch zur Drehachse verlaufenden, vorzugsweise ortsfesten Einlaßkanal 02) für die zu mischenden Medien in Verbindung stehen und mit ihrem äußeren Ende in einen Sammelraum (62) für die gemischten Medien münden, daß die Rotorstirnfläche mit mindestens einer konzentrisch zur Rotordrehachse in der Ebene der Ausnehmung liegenden ringförmigen Ausnehmung {6k,66\ versehen ist, welche die sich von der Rotordrehachse entfernenden Ausnehmungen schneidet, daß die der Rotorstirnfläche gegenüberliegende Stirnfläche eines

P Stators (12) die Ausnehmungen und die ringförmige Ausnehmung abdeckt, wodurch geschlossene Kanäle gebildet werden, und daß der Stator mindestens mit Jeweils einem in den ringförmigen Kanal hineinragenden Ansatz (l8 bis 28) versehen ist, wodurch bei drehendem Rotor die in den ringförmigen Kanal eingedrungene Flüssigkeit längs.des Kanales verschoben wird, während die Zentrifugalkraft die Flüssigkeit in den sich von der Rotordrehachse entfernenden Kanälen _azum Sammelraum hin preßt.

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2. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, däduroh gekennzeichnet, daß der Rotor (l4) scheibenförmig ist und die sich von der Rotordrehachse (100) entfernenden Kanäle (70 bis 88) radial zur Rotordrehachse verlaufen.
3· Mischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r ch gekennzeichnet, daß in die Stirnfläche des Rotors (14) mindestens zwei ringförmige Ausnehmungen (64,66) eingearbeitet sind und

, daß jeder der ringförmigen Ausnehmungen eine Anzahl ringförmig angeordneter, mit dem Stator (12) verbundener Ansätze (18 bis 28) zugeordnet ist.
4. Mischvorrichtung nach einander Ansprüche 1 bis 3, d a -

d u r c h g e k en η ζ e i c h η e t, daß der Querschnitt der sich senkrecht zur Ausdehnungsrichtung der ringförmigen. Ausnehmung(en) (64,66) erstreckenden Begrenzungsflächen der Ansätze (l8 bis 28) fast den gesamten Querschnitt der ringförmigen Ausnehmung(en) ausfüllt.
5. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a -

d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die senkrecht zu den radialen Ausnehmungen (70 bis 88) stehenden Seitenflächen der Ansätze (18 bis 28) derart groß gewählt sind, daß sie während der Drehung des Rotors (100) die einzelnen radial verlaufenden Kanäle nacheinander verschließen.
6. Mischvorrichtung nach Anspruch 5* d a d u r c h g e k e η η ζ ei ohne t, daß die senkrecht zu den radialen Ausnehmungen (70 bis 88) stehenden Seitenflächen der Ansätze (18 bis 28) die gleiche Krümmung wie die ihnen jeweils zugewandten Seitenwänden der ringförmigen Ausnehmungen (64,66) aufweisen, längs der sich die„Ansätze (l8 bis 28) bei drehendem Rotor (100) bewegen und dabei nacheinander die einzelnen radialen Kanäle verschließen, die die ihnen zugeordnete ringförmige Ausnehmung schneiden.

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7. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Ansätze (l8 bis 28) zwei Seitenflächen besitzt, die radial zur Drehachse des Rotors (100) verlaufen.
8. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7* da durch gekennzeichnet, daß die Ansätze (l8 bis 28) derart ringförmig angeordnet sind, daß sobald einer der Ansätze einen der radial verlaufenden Kanäle (z.B.70) verschließt, der benachbarte radial verlaufende Kanal (z.B.71) nur zum Teil durch einen Ansatz verschlossen wird.
9. Mischvorrichtung nach Anspruch 5, d ad u r c h g 8 kennzeichnet, daß zumindest zwei Paar diametral gegenüberliegende radial verlaufende Kanäle (70,8θ;7β,86) vorgesehen sind, bei denen sobald das eine Paar (70,8oj durch zwei einander gegenüberliegende Ansätze (24,120) verschlossen ist, das andere Paar (76,86) nur zum Teil verschlossen wird.
10. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (12) die eine Stirnwand eines den Rotor (14) umschließenden, im wesentlichen zylindrischen Gehäuses (l6) bildet und daß die Mantelfläche des scheibenförmigen Rotors in geringem Abstand von der rohrförmigen Außenwand des Gehäuses umgeben wird, in welcher der Auslaßkanal (114) der Mischvorrichtung vorgesehen ist.

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Le e rse ι te