DE60311667T2

DE60311667T2 - Fluidbehandlungsvorrichtung mit ringförmigen strömungswegen, system und verfahren

Info

Publication number: DE60311667T2
Application number: DE2003611667
Authority: DE
Inventors: Mark Serafin; Neal K. Nelson; Stanley R. Ellis
Original assignee: Imation Corp
Current assignee: GlassBridge Enterprises Inc
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2023-09-03
Also published as: WO2004026451A1; US6923213B2; US20040050430A1; DE60311667D1; JP2005538839A; EP1549423A1; EP1549423B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft die Fluid-Aufbereitung und insbesondere Hochdruck-Fluid-Aufbereitungsvorrichtungen zum Erzeugen von Partikelstrukturen in einer Fluid-Mischung.
HINTERGRUND
Das Erzeugen und Verarbeiten von harten, nicht nachgiebigen Partikeln in einer Fluid-Mischung ist bei einer Vielzahl von industriellen Prozessen wünschenswert, einschließlich beispielsweise der Herstellung von Tinten, Anstrichmitteln, Abrasivbeschichtungen u. dgl. Ferner werden Fluid-Mischungen aus harten Partikeln in hohem Maße für die Beschichtung von Magnetmedien, wie z.B. Magnetplatten, Magnetband oder anderen zur Datenspeicherung vorgesehenen Magnetmedien, verwendet. Bei Magnetmedien kann die Mischung Magnetpartikel und in einem Lösungsmittel enthaltenes Polymer-Bindemittel aufweisen. Der Beschichtungsprozess umfasst das Auftragen der Mischung auf ein Substrat, dem ein Trocknungsprozess zum Entfernen des Lösungsmittels folgt.
Bei hochdichten Magnetmedien und anderen industriellen Prozessen sind die Größe und die Gleichförmigkeit der verschiedenen Partikel von äußerster Wichtigkeit. Zum Erzeugen von Partikeln in einem gewünschten Größenbereich werden bei industriellen Fluid-Aufbereitungstechniken eine oder mehrere Fluid-Aufbereitungsvorrichtungen verwendet. Eine Fluid-Aufbereitungsvorrichtung verarbeitet die Fluid-Mischung derart, dass Partikel oder andere Einheiten einer Mikrostruktur in der Mischung eine intensive Energieab leitung durch das Erzeugen einer Kombination aus intensiven Scher- und Dehnungskräften erfahren. Auf diese Weise können Agglomerationen der Partikel in der Fluid-Mischung in kleinere Partikel aufgebrochen werden.
Aus US-A-3,598,534 ist eine Mischvorrichtung mit zwei einander gegenüberliegenden Strömungswegen mit einem durch beide Strömungsteile verlaufenden Draht bekannt.
US-A-5,927,852 beschreibt ein Fluid-Aufbereitungssystem mit einem Mischer, der ein Fluid mischt, und einer Pumpe, die das gemischte Fluid pumpt, sowie eine Fluid-Aufbereitungsvorrichtung mit zwei einander gegenüberliegenden ringförmigen Strömungswegen und mit einem Auslass für eine in den zwei ringförmigen Fluid-Wegen strömenden Fluid-Mischung.
Schließlich beschreibt US-B-6,398,404 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Feinpartikeldispersionen. Ferner sind bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung zwei Strömungswege einander gegenüberliegend angeordnet, um die zwei Komponenten der Feinpartikeldispersion zu mischen.
ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK
Generell betrifft die Erfindung eine Hochdruck-Fluid-Aufbereitungsvorrichtung und ein Verfahren zum Scheren von Partikeln oder anderen Einheiten einer Mikrostruktur in einer Fluid-Mischung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 5 bzw. Anspruch 6. Bei der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung kommen ringförmige Fluid-Strömungswege zum Einsatz. Beispielsweise kann die Fluid-Mischung in zwei Fluid-Wege aufgeteilt werden, die in einen ersten und einen zweiten ringförmigen Strömungsweg auf entgegengesetzten Seiten eines Strömungsweg-Zylinders münden. Die beiden ringförmigen Strömungswege verlaufen durch den Zylinder aufeinander zu und treffen sich in dem Zylinder. Ein Auslass verläuft an der Stelle durch den Zylinder, an der die beiden ring förmigen Strömungswege aufeinandertreffen, wodurch eine durch die ringförmigen Strömungswege strömende Fluid-Mischung ausgetragen werden kann. Die beim Aufeinandertreffen der durch einen ringförmigen Strömungsweg strömenden Mischung mit der durch den anderen ringförmigen Strömungsweg strömenden Mischung erzeugte Scherkraft bewirkt, dass in der Mischung enthaltene Partikel vor dem Austrag durch den Auslass in kleinere Partikel aufgebrochen werden.
Eine zylindrische Stange ist in dem Strömungsweg-Zylinder positioniert, um den Innendurchmesser der ringförmigen Strömungswege zu definieren. Mit anderen Worten: der Innendurchmesser des Strömungsweg-Zylinders definiert den Außendurchmesser der ringförmigen Strömungswege, und der Außendurchmesser der in dem Strömungsweg-Zylinder positionierten zylindrischen Stange definiert den Innendurchmesser der ringförmigen Strömungswege.
Erfindungsgemäß kann sich die zylindrische Stange in dem Strömungsweg-Zylinder frei bewegen und in diesem frei vibrieren, wodurch ein automatischer Verstopfungsbeseitigungsmechanismus gebildet werden kann. Mit anderen Worten: wenn sich in der Mischung enthaltene Partikel in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung festsetzen, kann sich die zylindrische Stange, die den Innendurchmesser des ringförmigen Strömungswegs definiert, aufgrund des durch die Festsetzung hervorgerufenen Druckungleichgewichts bewegen, oder sie kann vibrieren. Die Bewegung der zylindrischen Stange kann wiederum dazu beitragen, das festgesetzte Material freizusetzen und das Druckgleichgewicht in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung wiederherzustellen.
Der Auslass kann ungefähr nahe der Mitte des Strömungsweg-Zylinders angeordnet sein und eine feste oder einstellbare Breite aufweisen. Wenn die Breite des Auslasses einstellbar ist, kann der Außendurchmesser der ringförmigen Strömungswege von dem Innendurchmesser der beiden in Reihe geschalteten Zylinder definiert sein, wobei der Auslass von dem seitlichen Spalt zwischen den beiden Zylindern gebildet ist. In diesem Fall verläuft die zylindrische Stange in jedem der beiden Zylinder, um den Innendurchmesser der ringförmigen Strömungswege zu definieren. Der Auslass kann dadurch eingestellt werden, dass ein oder beide Zylinder relativ zueinander seitwärts bewegt werden.
Bei einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Fluid-Aufbereitungsvorrichtung mit einem ersten ringförmigen Strömungsweg, einem zweiten ringförmigen Strömungsweg und einem Auslass für eine Fluid-Mischung bereit, die sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten ringförmigen Strömungsweg strömt.
Bei einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Fluid-Aufbereitungsvorrichtung mit einem ersten Strömungsweg, einem zweiten Strömungsweg und einem Auslass mit einstellbarer Größe für eine sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Strömungsweg strömende Fluid-Mischung bereit.
Bei einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Fluid-Aufbereitungsvorrichtung mit einem Strömungsweg-Zylinder, der den Außendurchmesser eines ersten und eines zweiten Strömungswegs definiert, und einer in dem Strömungsweg-Zylinder positionierten zylindrischen Stange bereit, die den Innendurchmesser des ersten und des zweiten Strömungswegs definiert. Ferner kann ein Auslass für eine in dem ersten und dem zweiten Strömungsweg strömende Fluid-Mischung in dem Strömungsweg-Zylinder ausgebildet sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Fluid-Aufbereitungsvorrichtung mit einem ersten Strömungsweg-Zylinder, der den Außendurchmesser eines ersten ringförmigen Strömungswegs definiert, und einem zweiten Strömungsweg-Zylinder bereit, der den Außendurchmesser eines zweiten ringförmigen Strömungswegs definiert. Ein Auslassspalt kann durch den Seitenabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsweg-Zylinder gebildet sein. Eine Stange kann in dem ersten und dem zweiten Strö mungsweg-Zylinder positioniert sein, um den Innendurchmesser des ersten und des zweiten ringförmigen Strömungswegs zu definieren.
Bei einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Fluid-Aufbereitungssystem mit einem Mischer, der Partikel in ein Fluid einmischt, einer Pumpe, die das gemischte Fluid durch einen Strömungsweg pumpt, und einer Fluid-Aufbereitungsvorrichtung bereit, die das gemischte Fluid aufnimmt. Die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung kann erste und zweite zylindrische Strömungswege, die das gemischte Fluid aufnehmen, und einen Auslass für das gemischte Fluid aufweisen.
Bei einer weiteren Ausführungsform schafft die Erfindung ein Verfahren, das das Mischen einer Fluid-Mischung und das Pumpen der Fluid-Mischung in zwei einander gegenüberliegende ringförmige Strömungswege einer Fluid-Aufbereitungsvorrichtung umfasst, um ein Scheren von Partikeln in der Mischung zu bewirken.
Die Erfindung kann eine Anzahl von Vorteilen bieten. Generell kann die Erfindung die industrielle Herstellung von Beschichtungen, Tinten, Anstrichmitteln u. dgl. verbessern. Insbesondere können durch die Verwendung von ringförmigen Strömungswegen das Scheren von Partikeln in einer Mischung sowie das Erzeugen von kleineren Partikeln und gegebenenfalls einer gleichförmigeren Größe verbessert werden. Insbesondere können durch die ringförmigen Strömungswege die Wand-Scherkräfte in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung verstärkt werden, z.B. durch einen größeren Wandflächenbereich für einen vorgegebenen Strömungsweg. Mit der Erfindung können Eingangsdrücke in der Größenordnung von ungefähr 413 MPa gehandhabt werden. Ferner kann die Erfindung automatische Verstopfungsbeseitigungsstrukturen bieten, mit denen der industrielle Herstellprozess dadurch verbessert wird, dass ein manuelles Reinigen und ein Beseitigen von Verstopfungen der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung reduziert oder überflüssig werden. Somit können durch die automatischen Verstopfungsbeseitigungsstrukturen Wartungskosten reduziert und Stillstandszeiten des Herstellsystems vermieden werden. Ferner können mit der Erfindung das Endprodukt hinsichtlich reduzierter Partikelgrößen und die Gleichförmigkeit der Partikelgrößen verbessert werden.
Weitere Details einer oder mehrerer Ausführungsformen sind in den beiliegenden Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden anhand der Beschreibung und der Zeichnungen sowie der Patenansprüche offensichtlich.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Blockschaltbild eines industriellen Fluid-Aufbereitungssystems mit einer Fluid-Aufbereitungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
2 zeigt eine quergeschnittene Seitenansicht einer exemplarischen Fluid-Aufbereitungsvorrichtung;
3 und 4 zeigen quergeschnittene Seitenansichten von Teilen einer Fluid-Aufbereitungsvorrichtung mit ringförmigen Strömungswegen gemäß der Erfindung;
5 und 6 zeigen konzeptionelle perspektivische Ansichten einer zylindrischen Stange in einem oder mehreren Strömungsweg-Zylindern zur Bildung ringförmiger Strömungswege für die Fluid-Aufbereitung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein Blockschaltbild eines exemplarischen industriellen Fluid-Aufbereitungssystems 10. Das System 10 kann eine Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 mit einander gegenüberliegenden ringförmigen Strömungswegen aufweisen, wie nachstehend beschrieben. Das System 10 mit der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 kann insbesondere bei der Aufbereitung von Beschichtungslösungen mit hohen Feststoffkonzentrationen von Nutzen sein. Beispielsweise kann das System 10 zum Aufbereiten von Beschichtungslösungen mit Feststoffpartikelgehalten von mehr als ungefähr zehn Gewichtsprozent verwendet werden, obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Bei einigen industriellen Anwendungen kann die Beschichtungslösung harte, im Wesentlichen nicht nachgiebige Partikel aufweisen, wie z.B. Magnetpigmente für die Beschichtung von Magnetmedien. Das System 10 kann auch für andere industrielle Prozesse verwendet werden, einschließlich beispielsweise der Herstellung von Tinten, Anstrichmitteln, Abrasivbeschichtungen u. dgl.
Gemäß 1 enthält ein Behälter 14 ein oder mehrere Lösungsmittel, eine oder mehrere Ansammlungen von Partikeln und wahlweise andere Materialien zum Bilden einer Fluid-Mischung, wie z.B. einer Beschichtungslösung, einer Tinte, eines Anstrichmittels o. dgl. Eine oder mehrer Pumpen 16 können zum Ansaugen der Materialien und des Lösungsmittels aus dem Behälter 14 und zum Zuführen der Materialien und des Lösungsmittels zu dem Mischer 18 dienen. Der Mischer 18 nimmt die Materialien und das Lösungsmittel, die aus dem Behälter 14 gepumpt werden, auf und mischt die Materialien in das Lösungsmittel. Beispielsweise kann der Mischer 18 einen Planetenmischer, einen Doppel-Planetenmischer o. dgl. aufweisen. Weitere Materialien können schrittweise zugefügt werden. Entsprechend kann der Behälter 14 sämtliche Ingredienzien einer fertigen Mischung enthalten. Ferner kann bei einigen Ausführungsformen die Fluid-Mischung zwei oder mehr gemischte Fluide mit oder ohne weitere in die Fluide eingemischte Partikel aufweisen.
Eine oder mehrere Verstärkerpumpen 20 können beispielsweise einen Fluid-Druck von ungefähr 690 kPa bis 413 MPa erzeugen. Wie hier beschrieben, kann die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 in der Lage sein, Drücke zu handhaben, die größer sind als ungefähr 68.950 kPa, größer als ungefähr 207 MPa, größer als ungefähr 345 MPa oder größer als ungefähr 413 MPa. Nach der Druckbeaufschlagung durch die Verstärkerpumpen 20 wird die Mischung der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 zugeführt. Die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 bewirkt ein Scheren zum Reduzieren der Größe der in der Mischung enthaltenen Partikel. Mit anderen Worten: die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 dient zum Aufbrechen der in der Mischung enthaltenen Partikel in kleinere Partikel, wodurch eine fein dispergierte Partikellösung mit einem gewünschten Größenbereich erzeugt wird. (Nicht gezeigte) Wärmeaustauscher können zum Abführen überschüssiger Wärmeenergie, die beim Aufbereiten und Scheren in der Mischung erzeugt werden, verwendet werden.
Ein Filterelement kann zum Ausfiltern von in der Mischung enthaltenen Partikeln verwendet werden. Beispielsweise kann das Filterelement eine oder mehrere poröse Membranen, Maschensiebe o. dgl. zum Filtern der Mischung aufweisen. Der Ausgangsteil des Filterelements kann dann für die Magnetbeschichtung (bei der Herstellung von Magnetmedien) oder andere industrielle Prozesse verwendet werden. In einigen Fällen kann der Ausgangteil verpackt und verkauft werden, z.B. bei Tinten, Anstrichmitteln, Farbstoffen o. dgl. Ein (nicht gezeigter) Gegendruckregler kann stromabwärts des Filterelements angeordnet sein, um das Aufrechterhalten eines Konstantdrucks in dem System 10 und das Bilden eines Rückwegs zu dem Vorratsbehälter 14 für die Mischung zu unterstützen.
Wie nachstehend genauer beschrieben, kommen bei der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 einander gegenüberliegende ringförmige Fluid-Strömungswege zum Einsatz. Insbesondere kann die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 einen Strömungsweg-Zylinder und eine in dem Strömungsweg-Zylinder positionierte Stange aufweisen. Die ringförmigen Strömungswege sind durch den Außendurchmesser der Stange und den Innendurchmesser des Strömungsweg-Zylinders definiert. Insbesondere verlaufen zwei ringförmige Strömungswege durch den Zylinder aufeinander zu und treffen sich in dem Zylinder, z.B. nahe der Mitte des Zylinders. Die Gegenkräfte, die beim Übertragen durch die ringförmigen Strömungswege erzeugt werden, erzeugen Scherkräfte. Ein Auslass verläuft durch den Zylinder, an dem die durch die beiden ringförmigen Strömungswege strömenden Fluid-Mischungen aufeinandertreffen, wodurch die Mischung durch den Auslass ausgetragen werden kann. Die bei dem Aufeinandertreffen der Fluid-Mischungen erzeugte Scherkraft bewirkt, dass in der Mischung enthaltene Partikel vor dem Austrag durch den Spalt aufgebrochen werden, wodurch Partikel mit reduzierter Größe gebildet werden. Ferner können die ringförmigen Strömungswege durch Vergrößern eines einem vorgegebenen Strömungsweg zugeordneten Flächenbereichs die Wand-Scherkräfte in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 verstärken.
Die Stange kann zylindrisch ausgebildet sein, und sie kann in dem Strömungsweg-Zylinder positioniert sein, um den Innendurchmesser der ringförmigen Strömungswege zu definieren. Mit anderen Worten: der Innendurchmesser des Strömungsweg-Zylinders definiert den Außendurchmesser der ringförmigen Strömungswege, und der Außendurchmesser der in dem Strömungsweg-Zylinder positionierten zylindrischen Stange definiert den Innendurchmesser der ringförmigen Strömungswege. Bei einigen Ausführungsformen kann sich die zylindrische Stange in dem Strömungsweg-Zylinder frei bewegen und in diesem frei vibrieren, wodurch ein automatischer Verstopfungsbeseitigungsmechanismus gebildet werden kann. Ferner kann der Auslass ein einstellbarer Spalt sein, der von zwei separaten in Reihe geschalteten Strömungsweg-Zylindern gebildet ist, wobei die Stange in beiden Zylindern verläuft. In diesem Fall strömt die Mischung in entgegengesetzte Richtungen durch die Zylinder und wird an dem einstellbaren Spalt wieder zusammengeführt, welcher durch das Trennen der beiden separaten Strömungsweg-Zylinder gebildet ist.
2 zeigt einen Querschnitt einer exemplarischen Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12, die zur Verwendung in dem System 10 geeignet ist, wie oben beschrieben. Die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 kann in der Lage sein, Drücke von bis zu ungefähr 413 MPa und mehr zu handhaben. Eine Fluid-Mischung, die ein Lösungsmittel und ein oder mehrere unterschiedliche Arten von in das Lösungsmittel eingemischten harten Partikeln enthält, kann an dem Eingang 24 in die Vorrichtung 12 eingetragen werden. Alternativ kann die Mischung zwei oder mehr Lösungsmittel mit oder ohne zusätzliche zugemischte Partikel enthalten. In jedem Fall wird die Mischung in zwei separate Anfangs-Strömungswege 25, 26 aufgeteilt. Die Strömungswege 25 und 26 münden in entgegengesetzte Seiten des Strömungsweg-Zylinders 30, der ringförmige Strömungswege bildet.
Insbesondere definiert der Innendurchmesser des Strömungsweg-Zylinders 30 den Außendurchmesser der ringförmigen Strömungswege, die aufeinander zu verlaufen und sich in der Mitte des Zylinders 30 treffen. Eine Stange 32 ist in dem Strömungsweg-Zylinder 30 positioniert. Beispielsweise kann die Stange 32 ein erstes und ein zweites Ende aufweisen. Ein erstes Ende der Stange 32 erstreckt sich in den ringförmigen Strömungsweg 33 und ein zweites Ende der Stange 32 erstreckt sich in den zweiten ringförmigen Strömungsweg 34. Der Außendurchmesser der Stange 32 definiert den Innendurchmesser der ringförmigen Strömungswege. Entsprechend münden die Strömungswege 25 bzw. 26 in die ringförmigen Strömungswege 33, 34, die von dem Strömungsweg-Zylinder 30 und der Stange 32 gebildet sind.
Die Mischung strömt durch die ringförmigen Strömungswege 33, 34 und trifft an oder nahe dem in dem Strömungsweg-Zylinder 30 ausgebildeten Auslass 36, z.B. ungefähr in der seitlichen Mitte des Zylinders 30, wieder zusammen. Die beim Aufeinandertreffen der durch die ringförmigen Strömungswege 33, 34 strömenden Mischung erzeugte Scherkraft bewirkt, dass in der Mischung enthaltene Agglomerationen in kleinere Partikel aufgebrochen werden. Ferner können die ringförmigen Strömungswege 33, 34 die Wand-Scherkräfte in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 durch Vergrößern des den Strömungswegen zugeordneten Flächenbereichs verstärken. Auf diese Weise kann die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 zum Scheren von in einer Mischung enthaltenen Partikeln verwendet werden. Nach den Scheren wird die Mischung durch den Auslass 36 ausgetragen und verlässt die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 (wie am Ausgang 38 dargestellt).
Gemäß 2 kann die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 Drucksensoren 41, 42 zum Messen des Drucks in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 sowie Temperatursensoren 43, 44 zum Messen der Eingangstemperatur der Mischung aufweisen. Ein (nicht gezeigter) Controller kann die Druck- und Temperaturmesswerte empfangen und den Druck über ein oder mehrere (nicht gezeigte) Regelventile einstellen, um einen gewünschten Druck in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 aufrechtzuerhalten. Auf im Wesentlichen gleiche Weise kann der Controller Temperaturmesswerte empfangen und erforderlichenfalls ein Einstellen der Temperatur der Mischung bewirken, um eine gewünschte Eingangstemperatur der in die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 eintretenden Mischung aufrechtzuerhalten. Insbesondere ist es generell wünschenswert, im Wesentlichen identische Mischungsströme in den jeweiligen ringförmigen Strömungswegen 33, 34 aufrechtzuerhalten, um eine gewünschte Scherenergie zu gewährleisten.
Im Wesentlichen identische Mischungsströme in den jeweiligen ringförmigen Strömungswegen 33, 34, die z.B. hinsichtlich Druck und Temperatur identisch sind, zeigen an, dass keine Verstopfung vorliegt. Insbesondere kann über eine Temperaturüberwachung eine Verstopfung festgestellt werden, und es kann festgelegt werden, ob Verstopfungsbeseitigungsmaßnahmen ergriffen werden sollen, z.B. Bewirken einer kurzzeitigen gepulsten Druckerhöhung in der Eingangsströmung, um die Verstopfung zu beseitigen.
Muttern 47, 48 können zum Sichern des Strömungsweg-Zylinders 30 an der korrekten Stelle in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 verwendet werden. Ferner können die Muttern 47, 48 mit Kanälen ausgebildet sein (durch gestrichelte Linien angezeigt), die es dem Fluid ermöglichen, frei durch die Strömungswege 25, 26 und in die ringförmigen Strömungswege 33, 34 zu strömen.
Die Stange 32 kann zylindrisch ausgebildet sein, obwohl die Erfindung nicht unbedingt darauf beschränkt ist. Beispielsweise können andere Formen der Stange 32 die Wand-Scherkräfte in den ringförmigen Strömungswegen weiter verstärken. Die Stange 32 kann sich frei in dem Strömungsweg-Zylinder 30 bewegen und in diesem frei vibrieren. Insbesondere kann die Stange 32 freitragend in dem Strömungsweg-Zylinder 30 angeordnet sein. Die freie Bewegung der Stange 32 relativ zu dem Strömungsweg-Zylinder 30 kann einen automatischen Verstopfungsbeseitigungsmechanismus für die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 bilden. Wenn sich in der Mischung enthaltene Partikel oder Agglomerationen in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 festsetzen, z.B. an den Rändern der ringförmigen Strömungswege 33, 34, kann die Stange 32 durch Bewegen oder Vibrieren auf lokale Druckungleichgewichte ansprechen. Mit anderen Worten: eine Verstopfung in dem Zylinder 30 oder nahe den ringförmigen Strömungswegen 33, 34 kann zu einem lokalen Druckungleichgewicht führen, welches bewirkt, dass sich die Stange 32 bewegt oder dass sie vibriert. Das Bewegen und/oder Vibrieren der Stange 32 kann wiederum das Beseitigen der Verstopfung und das Wiederherstellen des Druckgleichgewichts in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 unterstützen. Auf diese Weise kann durch die Möglichkeit, dass sich die Stange 32 frei in dem Strömungsweg-Zylinder 30 bewegt und dort frei vibriert, das automatische Entfernen von Verstopfungen vereinfacht werden.
Zur weiteren Verbesserung der Entfernung von Verstopfungen kann bei Feststellung einer Verstopfung eine gepulste kurzzeitige Druckerhöhung in der Eingangsströmung bewirkt werden. Beispielsweise können, wie oben beschrieben, die Temperatursensoren 41, 42 Temperaturveränderungen in den Strömungswegen 25, 26 feststellen, die anzeigen können, dass eine Verstopfung vorliegt. In Reaktion darauf kann eine kurzzeitige Druckerhöhung, z.B. eine Druckerhöhung auf das Zweifache für ungefähr fünf Sekunden, ein stärkeres Bewegen und/oder Vibrieren der Stange 32 bewirken, um das Entfernen der Verstopfung zu vereinfachen. Die gepulste kurzzeitige Druckerhöhung in der Eingangsströmung kann in Reaktion auf das Feststellen eine Verstopfung oder periodisch erfolgen. Beispielsweise kann die Verstärkerpumpe 20 (1) zum Einstellen des Eingangsdrucks der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 verwendet werden. Eine kurzzeitige Druckerhöhung kann insbesondere beim Beseitigen von Verstopfungen sinnvoll sein, die beide ringförmigen Strömungswege 33, 34 betreffen. In diesem Fall kann die Temperatur beider Eingangsströmungswege im Wesentlichen gleich sein, kann jedoch aufgrund der beide ringförmige Strömungswege 33, 34 betreffenden Verstopfung ansteigen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Auslass 36 eine feste oder einstellbare Größe aufweisen. Beispielsweise kann der Auslass 36 in Form eines Spalts mit einstellbarer Breite ausgebildet sein. Der Strömungsweg-Zylinder 30 und die Stange 32 können im Wesentlichen konstante Durchmesser definieren, oder die Durchmesser können von dem Strömungsweg-Zylinder 30 oder der Stange 32 oder beiden definiert sein und entlang der ringförmigen Strömungswege variieren oder sich verändern. Die Komponenten der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12, einschließlich des Strömungsweg-Zylinders 30 und der Stange 32, können aus einem harten haltbaren Material, wie z.B. Stahl oder einem Carbidmaterial, hergestellt sein. Beispielsweise können der Strömungsweg-Zylinder 30 und die Stange 32 aus Wolframcarbid mit ungefähr sechs Gewichtsprozent Wolfram hergestellt sein.
3 zeigt eine quergeschnittene Seitenansicht eines Teils einer Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 mit ringförmigen Strömungswegen. Muttern 47, 48 können zum Sichern des Strömungsweg-Zylinders 30 an der korrekten Stelle in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 verwendet werden. Ferner können die Muttern 47, 48 mit Kanälen ausgebildet sein (durch gestrichelte Linien angezeigt), die es dem Fluid ermöglichen, frei in die ringförmigen Strömungswege 33, 34 zu strömen. Die Enden des Strömungsweg-Zylinders 30 können derart ausgebildet sein, dass sie mit den Muttern 47, 48 zusammenpassen, um das Sichern des Zylinders 30 an einer präzise definierten Stelle zu vereinfachen.
Auch hier sind die ringförmigen Strömungswege 33, 34 durch den Strömungsweg-Zylinder 30 und die Stange 32 gebildet. Der Strömungsweg-Zylinder 30 kann eine Mindestbreite definieren, die entlang den ringförmigen Strömungswegen im Wesentlichen konstant bleibt. Die Stange 32 kann zylindrisch ausgebildet sein und kann sich frei in dem Strömungsweg-Zylinder 30 bewegen und frei in diesem vibrieren. Normalerweise ist die Stange 32 mit den ringförmigen Strömungswegen konzentrisch und weist eine Mittelachse auf, die mit der Mittellängsachse des Strömungsweg-Zylinders 30 fluchtet. Strömungsdynamische Kräfte und das Gleichgewicht der Stange 32 können die Stange 32 in Richtung der seitlichen und in Längsrichtung betrachteten Mitte des ringförmigen Strömungswegs drücken. Die Bewegung und Vibration der Stange 32 in dem Strömungsweg-Zylinder 30 können das automatische Entfernen von Verstopfungen vereinfachen.
Der Mindest-Innendurchmesser des Strömungsweg-Zylinders 30 kann im Bereich von ungefähr 0,254 cm bis 0,00254 cm liegen. Beispielsweise kann der Innendurchmesser des Strömungsweg-Zylinders 30 ungefähr 0,07366 cm betragen. Der Außendurchmesser der Stange 32 kann etwas kleiner sein als der Mindest-Innendurchmesser des Strömungsweg-Zylinders 30. Beispielsweise kann, wenn der Innendurchmesser des Strömungsweg-Zylinders 30 ungefähr 0,07366 cm beträgt, der Außendurchmesser der Stange 32 zwischen ungefähr 0,06604 cm und 0,07112 cm liegen. Andere Größen, Breiten und Formen des Strömungsweg-Zylinders 30 und der Stange 32 sind erfindungsgemäß ebenfalls möglich.
Beispielsweise kann die Breite des Auslasses 36 ungefähr zwischen 0,000254 cm und 0,254 cm liegen. Beispielsweise liegt die Breite des Auslasses 36 am Außendurchmesser des Strömungsweg-Zylinders 30 ungefähr zwischen 0,01524 cm und 0,0254 cm. Der Auslass 36 kann über ungefähr 180 Grad oder, falls gewünscht, einen kleineren oder größeren Winkel des Zylinders 30 verlaufen. Andere Größen und Formen des Auslasses 36 sind ebenfalls möglich.
4 zeigt eine weitere quergeschnittene Seitenansicht eines Teils einer Fluid-Aufbereitungsvorrichtung 12 mit ringförmigen Strömungswegen. Die in 4 gezeigte Konfiguration kann hinsichtlich der Formen und Größen der Strukturen der in 3 gezeigten im Wesentlichen gleich sein. In 4 führen jedoch zwei Strömungsweg-Zylinder 51 und 52 gemeinsam die Funktion des in 3 gezeigten einzelnen Strömungsweg-Zylinders 30 aus.
Bei der in 4 gezeigten Konfiguration ist die Breite des Auslasses 36 einstellbar. Der Außendurchmesser der ringförmigen Strömungswege 33, 34 kann von dem Innendurchmesser der beiden in Reihe geschalteten Zylinder 51 und 52 definiert sein, wobei der Auslass 36 als seitlicher Spalt 36 zwischen den beiden Zylindern 51 und 52 ausgebildet ist. In diesem Fall verläuft die Stange 32 in jedem der beiden Zylinder 51, 52, um den Innendurchmesser der ringförmigen Strömungswege 33, 34 zu definieren. Mit anderen Worten: das erste Ende der Stange 32 definiert den Innendurchmesser des ringförmigen Strömungswegs 33, und das zweite Ende der Stange 32 definiert den Innendurchmesser des ringförmigen Strömungswegs 34. Der Auslass 36 ist durch seitwärts gerichtetes Bewegen eines der Zylinder 51 oder 52 relativ zu dem anderen Zylinder 51 oder 52 einstellbar. Muttern 47 und 48 können diese Spalt-Einstellung vereinfachen. Insbesondere können die Muttern 47 und 48 ein Gewinde aufweisen, um ein Bewegen der Muttern 47, 48 relativ zueinander zwecks Einstellens der Position der Zylinder 51 und 52 relativ zueinander und somit zwecks Einstellens der Größe des Auslasses 36 zu vereinfachen.
Bei der in 4 gezeigten Konfiguration verläuft der Auslass 36 über die gesamten 360 Grad des Zylinders 51 und 52. Falls gewünscht, kann ein Stopfen oder ein anderer Mechanismus zum Blockieren des Fluid-Stroms vorgesehen sein, um eine Fluid-Ausgabe in bestimmte Richtungen zu beschränken.
5 und 6 zeigen konzeptionelle perspektivische Ansichten einer zylindrischen Stange 32 in einem oder mehreren Strömungsweg-Zylindern, welche ringförmige Strömungswege für die Fluid-Aufbereitung bildet. Gemäß
5 kann ein einzelner Strömungsweg-Zylinder 30 mit einem Auslass 36 ausgebildet sein, der über ungefähr 180 Grad oder, falls gewünscht, einen kleineren oder größeren Winkel des Strömungsweg-Zylinders 30 verläuft. In jedem Fall hat bei der in 5 gezeigten Konfiguration der Auslass 36 eine feste Breite. Wie durch die Pfeile angezeigt, kann eine Fluid-Mischung auf entgegengesetzten Seiten des Zylinders in den Strömungsweg-Zylinder 30 eingetragen werden und durch den Zylinder strömen. Die auf einer Seite des Zylinders 30 eingetragene Mischung trifft nahe dem Auslass 36 auf die auf der anderen Seite des Zylinders 30 eingetragene Mischung, wodurch ein Scheren von in der Mischung enthaltenen Partikeln bewirkt wird. Ferner können ringförmige Strömungswege durch Vergrößern eines den einander gegenüberliegenden Strömungswegen zugeordneten Flächenbereichs die Wand-Scherkräfte in dem Zylinder 30 verstärken.
Die Stange 32 ist in dem Strömungsweg-Zylinder 30 positioniert, wodurch Strömungswege erzeugt werden, die ringförmig sind. Die Stange 32 kann eine Länge aufweisen, die größer oder kleiner als die Länge des Strömungsweg-Zylinders 30 oder dieser ungefähr gleich ist. Vorzugsweise kann die Stange 32 eine Länge aufweisen, die größer ist als die Länge des Strömungsweg-Zylinders 30, jedoch kleiner als der Abstand zwischen (nicht gezeigten) Eingangsdüsen oder (nicht gezeigten) Muttern, durch die das Fluid in den Strömungsweg-Zylinder 30 eingetragen wird.
Bei einer in 6 gezeigten alternativen Ausführungsform werden zwei separate Strömungsweg-Zylinder 51, 52 anstelle des einzelnen Strömungsweg-Zylinders 30 verwendet. In diesem Fall ist der Auslass 36 von dem Seitenabstand zwischen den beiden Strömungsweg-Zylindern 51, 52 gebildet. Entsprechend ist in diesem Fall der Auslass 36 durch Bewegen eines Strömungsweg-Zylinders 51, 52 relativ zu dem anderen Strömungsweg-Zylinder 51, 52 einstellbar. Gemäß 6 verläuft der Auslass 36 über die gesamten 360 Grad der Strömungsweg-Zylinder 51, 52. Falls gewünscht, kann ein Teil dieses Spalts bedeckt oder blockiert sein, so dass die Fluid-Mischung nur in beschränkten Richtungen aus den Strömungsweg-Zylindern 51, 52 austreten kann.
Eine Anzahl von Ausführungsformen der Erfindung ist hier beschrieben worden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass verschiedene Modifikationen durchgeführt werden können, ohne dass dadurch vom Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise kann die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung in anderen industriellen Systemen verwendet werden, die die in 1 dargestellten Komponenten aufweisen oder nicht aufweisen können. Entsprechend fallen weitere Ausführungsformen in den Umfang der nachfolgenden Patentansprüche.

Claims

Fluid-Aufbereitungsvorrichtung mit: – einem ersten ringförmigen Strömungsweg (33); – einem zweiten ringförmigen Strömungsweg (34); – wobei der erste und der zweite Strömungsweg (33, 34) einander gegenüberliegen; – einem Auslass (36) für eine Fluid-Mischung, die in dem ersten und in dem zweiten ringförmigen Strömungsweg (33, 34) strömt; – einem Strömungsweg-Zylinder (30, 51, 52), der den Außendurchmesser des ersten und des zweiten ringförmigen Strömungswegs (33, 34) definiert, wobei der Auslass (36) in dem Strömungsweg-Zylinder (30, 51, 52) ausgebildet ist; und – einer in dem Strömungsweg-Zylinder (30, 51, 52) positionierten zylindrischen Stange (32), die den Innendurchmesser des ersten und des zweiten ringförmigen Strömungswegs (33, 34) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Stange (32) nicht mit einer Struktur innerhalb der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung verbunden ist und sich unter einer strömungsdynamischen Kraft relativ zu dem Strömungsweg-Zylinder (30, 51, 52) frei bewegen kann.
Fluid-Aufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Strömungswegzylinder (30, 51, 52) einen ersten Strömungsweg-Zylinder (51) aufweist, der den Außendurchmesser des ersten ringförmigen Strömungswegs (33) definiert, und einen zweiten Strömungsweg-Zylinder (52) aufweist, der den Außendurchmesser des zweiten ringförmigen Strömungswegs (34) definiert, wobei der Auslass (36) durch einen Seitenabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsweg-Zylinder (51, 52) gebildet ist.
Fluid-Aufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Auslass (36) durch seitliches Bewegen eines der Strömungsweg-Zylinder (51, 52) relativ zu dem anderen Strömungsweg-Zylinder (51, 52) einstellbar ist.
Fluid-Aufbereitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Außendurchmesser des ersten und des zweiten ringförmigen Strömungswegs (33, 34) zwischen ungefähr 0,254 cm und 0,000254 cm liegt, der Innendurchmesser des ersten und des zweiten Strömungswegs (33, 34) zwischen ungefähr 0,06604 cm und 0,07112 cm liegt, und die Breite des Auslasses (36) zwischen ungefähr 0,000254 cm und 0,254 cm liegt.
Fluid-Aufbereitungssystem mit: – einem Mischer (18) zum Mischen eines Fluids; – einer Pumpe (16) zum Pumpen des gemischten Fluids; und – einer Fluid-Aufbereitungsvorrichtung (12) zum Aufbereiten des gemischten Fluids, wobei die Fluid-Aufbereitungsvorrichtung aufweist: – einen ersten ringförmigen Strömungsweg (33); – einen zweiten ringförmigen Strömungsweg (34); – wobei der erste und der zweite Strömungsweg (33, 34) einander gegenüberliegen; – einen Auslass (36) für eine Fluid-Mischung, die in dem ersten und in dem zweiten ringförmigen Strömungsweg (33, 34) strömt; – einen Strömungsweg-Zylinder (30, 51, 52), der den Außendurchmesser des ersten und des zweiten ringförmigen Strömungswegs (33, 34) definiert, wobei der Auslass (36) in dem Strömungsweg-Zylinder (30, 51, 52) ausgebildet ist; und – eine in dem Strömungsweg-Zylinder (30, 51, 52) positionierte zylindrische Stange (32), die – den Innendurchmesser des ersten und des zweiten ringförmigen Strömungswegs (33, 34) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Stange nicht mit einer Struktur innerhalb der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung (12) verbunden ist und sich unter einer strömungsdynamischen Kraft relativ zu dem Strömungsweg-Zylinder (30, 51, 52) frei bewegen kann.
Verfahren mit folgenden Schritten: – Mischen von Partikeln in ein Fluid zum Erzeugen einer Fluid-Mischung; und – Pumpen der Fluid-Mischung in zwei einander gegenüberliegende ringförmige Strömungswege (33, 34) der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1–4, um ein Scheren der Partikel in der Mischung zu bewirken; und – automatisches Beseitigen von Verstopfungen in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung (12) in Reaktion auf eine Verstopfung durch Bewegen einer zylindrischen Stange (32), die den Innendurchmesser der beiden ringförmigen Strömungswege (33, 34) bildet.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit folgenden Schritten: – Erhöhen des Einlassdrucks der Fluid-Mischung in den beiden ringförmigen Strömungswegen (33, 34) über einen definierten Zeitraum zum Beseitigen von Verstopfungen in der Fluid-Aufbereitungsvorrichtung (12); und – Senken des Einlassdrucks der Fluid-Mischung in den beiden ringförmigen Strömungswegen (33, 34) nach Ablauf des definierten Zeitraums.