Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dosierung von Feststoffen, insbesondere faserigen Stoffen wie Naturfasern, Glasfasern oder Kohlefasern, aber auch vor allem zur Dosierung von Recyclaten wie Randbeschnitten bei Folienextrusion, Wertstoffrecycling, usw. bis hin zu Pulvern, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beispiele für faserige Materialien sind natürliche und künstliche Langfasern (1 bis 50 mm Länge), Gelege- oder Gewebestücke, gepresste Matten (Stücke), Recyclatmaterialien, z. B. faserverstärktes Kunststoff-Recyclat.
Die Vorrichtung soll aber auch zum Dosieren von anderen Materialien (Pulver, Granulate, Fruchtstücke) geeignet sein.
Das Dosieren von Fasermaterialien, insbesondere Naturfasern, aber auch von anderen Fasern und faserhaltigen Feststoffen kann zu technischen Problemen führen. Die Fasern agglomerieren nämlich leicht und bilden Knäuel, die nur sehr schwer wieder vereinzelt werden können. Daher ist es im Stand der Technik bekannt, zur Erleichterung der Dosierung Zerkleinerer oder Mittel zur Vibration einzusetzen, um das Faserprodukt in den Bereich der Dosierschnecke zu bringen, mit welcher es dann nach außen gefördert wird.
Vor allem lange Fasern mit einer Faserlänge von mehr als 10 mm führen zu Schwierigkeiten beim Dosieren mit Dosierschnecken. Dies gilt insbesondere für nachwachsende Rohstoffe, also für Naturfasern. Aber auch Recyclingprodukte, z. B. hergestellt aus glaserfaserverstärkten Kunststoffen sind aus diesem Grunde sehr schwer dosierbar.
Bislang verfügbare Feststoffdosierer lösen folgende Probleme nur unzureichend. Nicht fließfähige Materialien gelangen nicht von der Vorlage zum Austragsorgan und zur Austragsöffnung. Die faserigen Materialien agglomerieren und die Agglomerate verursachen einen unregelmäßigen Materialfluss. Bei dem Vereinzeln der Agglomerate kann es zu Beschädigungen bzw. zu einem Verkürzen der Faserlängen kommen. Die Weiterverarbeitung der verkürzten Fasern kann je nach Anwendung zur Produktion von Ausschussware führen.
Bekannte Feststoffdosiergeräte sind stark limitiert hinsichtlich der spezifischen Maße (Faserlängen) des zu dosierenden faserigen Materials und bedingen, dass die spezifischen Maße gleich bleiben.
Aufgrund dieser Probleme gibt es für einige faserige Materialien, insbesondere Fasern mit Längen von mehr als 10 mm noch kein geeignetes Feststoffdosiergerät im Stand der Technik.
Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
Unterhalb der Rührerwelle und oberhalb der Dosierschnecke ist ein trogförmiger Innenraum mit schrägen, ebenen Wänden vorgesehen. Diese Anordnung führt dazu, dass der sich an diesen Trog mit schrägen, ebenen Wänden anschließende Raum oberhalb der Rührerwelle erhebliche Toträume enthält, die vom Rührer nicht erfasst werden. Unter anderem auch aufgrund der schrägen Trogwände und der Vielzahl von Toträumen kann es daher zu Brückenbildung kommen. Um dies zu vermeiden, ist oberhalb des Rührers ein so genannter "Jogger" (Auflockerer) vorgesehen, der ausdrücklich zur Vermeidung von Brückenbildung angebracht ist.
Die Asymmetrie findet sich in der
Weitere Unterschiede: Die Dosierschnecke weist keine Zähne auf. Eine Höhenverstellung der Dosierschnecke ist nicht erkennbar. Der Auslauf ist hier horizontal und erfolgt mit Pressluft. Ein zentraler axialer Hohlraum am Ende der Dosierschnecke ist nicht vorhanden.
In der
Aufgabe der Erfindung: Mit einer Vorrichtung zur Dosierung von Feststoffen, insbesondere faserigen Stoffen wie Naturfasern, Glasfasern oder Kohlefasern, aber auch vor allem zur Dosierung von Recyclaten wie Randbeschnitten bei Folienextrusion, Wertstoffrecycling, usw. bis hin zu Pulvern, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 soll eine problemlose und gleichmäßige Dosierung von Fasern und faserhaltigem Material mit Faserlängen von mehr als 10 mm mittels Zwangsbefüllung der Dosierschnecke und mit einer rückstandslosen Förderung ohne Brückenbildung erreicht werden, ohne dass zusätzliche technische Mittel wie Auflockerer ("Jogger") eingesetzt werden müssten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1, nämlich durch eine
Vorrichtung zur Dosierung von Feststoffen,
mit einem Einlass (1) im oberen Bereich,
mit einem Auslass in der Ausführung eines Schneckenrohrs (6) oder eines vertikalen Auslaufs (15) im unteren Bereich,
mit einem unterhalb des Einlasses (1) angeordneten Rührer (3) mit einer horizontal angeordneten Rührer-Welle (18) und mit Rührflügeln (8),
mit einer unterhalb des Rührers (3) angeordneten Dosierschnecke (5) mit einer parallel zur Rührer-Welle (18) angeordneten Drehachse (10),
wobei der Rührer (3) von einem asymmetrischen Rührwerkstrog (4) umgeben ist,
wobei die Dosierschnecke (5) von einem teilzylindrischen Schneckentrog (11) umgeben ist,
wobei der asymmetrische Rührwerkstrog (4) über eine Rutsche (13) an den teilzylindrischen Schneckentrog (11) anschließt,
wobei die Innenwand einer der beiden Anschlussbereiche zwischen dem asymmetrischen Rührwerkstrog (4) und dem teilzylindrischen Schneckentrog (11) als schräge Ebene in Form einer Rutsche (13) ausgebildet ist, so dass ein von den Rührflügeln (8) des Rührers (3) und der Schnecke (5) nicht erfasster Raum (14) sowie ein seitlicher und vergrößerter Einzugsbereich der Dosierschnecke gebildet wird,
wobei der Rührer (3) und die Dosierschnecke (5) zum Rotieren in der gleichen Drehrichtung (19, 20) eingerichtet sind,
wobei die Rührflügel (8) und die Dosierschnecke (5) sich bei der Rotation im Bereich der Rutsche (13) nach unten bewegen,
wobei der Dosierraum in drei Bereiche, die vertikal übereinander liegen, unterteilbar ist,
wobei der obere Bereich (I) oberhalb einer die Rührer-Welle (18) einschließenden horizontalen Ebene liegt,
wobei der mittlere Bereich (II) unterhalb des oberen Bereichs (I) und oberhalb einer horizontalen Ebene liegt, die zwischen den Räumen angeordnet ist, die von den Rührflügeln (8) und der Dosierschnecke (5) überstrichen werden,
wobei der untere Bereich (III) unterhalb des mittleren Bereichs (II) liegt,
wobei der untere Bereich (III) des Dosierraumes als ein teilzylindrischer Trog ausgebildet ist,
wobei der mittlere Bereich (II) und der untere Bereich (III) an der einen Seite unmittelbar aneinander angrenzen, so dass ein Rücksprung (27) gebildet wird,
wobei an der anderen Seite der Übergang zwischen dem mittleren Bereich (II) und dem unteren Bereich (III) durch eine schräge Ebene gebildet wird, die tangential sowohl an den Wänden (26) des Rührwerkstrogs (4) als auch an den Wänden des Schneckentrogs (11) anliegt,
die dadurch gekennzeichnet ist,
dass der mittlere Bereich (II) des Dosierraumes als ein halbzylindrischer Trog ausgebildet ist,
dass die Rutsche (13) durch die schräge Ebene gebildet wird, die tangential sowohl an den Wänden des Rührwerkstrogs (4) als auch an den Wänden des Schneckentrogs (11) anliegt,
dass die Dosierschnecke (5) an ihrem äußeren Umfang Zähne (23) aufweist.
Besonders schwierig ist im Stand der Technik das gleichmäßige Befüllen des Austragsorgans. Gelöst wird das Problem erfindungsgemäß mit dem Rührer, der Verwendung einer Dosierschnecke mit Zähnen als Austragsorgan und der asymmetrischen Auslegung des Rührwerkstrogs, der teilzylindrischen Auslegung des Schneckentrogs und der seitlichen Befüllung der Dosierschnecke über eine Rutsche sowie durch die halbzylindrische Form des mittleren Bereichs (II) des Dosierraumes.
Dadurch, dass der mittlere Bereich (II) des Dosierraumes als ein halbzylindrischer Trog ausgebildet ist, bilden sich dort keine Toträume. Ecken und Kanten, an denen sich nicht gefördertes Material ansammeln kann, fehlen ebenfalls - anders als im Stand der Technik.
Eine gleichmäßige Förderung an derjenigen Seite des Dosierraumes, an der die Dosierschnecke befüllt wird, ohne Hindernisse wie Rücksprünge, wird erreicht dadurch, dass die Rutsche (13) durch die schräge Ebene gebildet wird, die tangential sowohl an den Wänden des Rührwerkstrogs (4) als auch an den Wänden des Schneckentrogs (11) anliegt. Daher verbleiben keine Reste des Fasermaterials im Zuführweg zur Dosierschnecke.
Dadurch, dass die Dosierschnecke (5) an ihrem äußeren Umfang Zähne (23) aufweist, werden entstehende Agglomerate, wie um den Rührer gewickelte Knäuel, materialschonend vereinzelt und ein kontinuierlicher Austrag wird ermöglicht.
Ein wesentlicher Unterschied des erfindungsgemäßen Faserdosierers im Vergleich zu den Entgegenhaltungen ist die Form des Dosierraumes, nämlich:
Der mittlere Bereich des Dosierraumes, nämlich zwischen der horizontalen Ebene, in der die Rührerwelle (3) liegt, und der horizontalen Ebene direkt oberhalb der Dosierschnecke (5) ist als ein halbzylindrischer Trog ausgebildet. Der von den Rührflügeln überstrichene Raum füllt diesen Bereich vollständig aus.
Der Bereich oberhalb dieses mittleren Bereiches, also oberhalb der Rührerwelle, hat vertikale Wände. Die vertikalen Wände grenzen unmittelbar an den oberen Rand des halbzylindrischen Trogs an. Aufgrund der Form des mittleren Bereichs findet in diesem oberen Bereich keine Brückenbildung statt und ein "Jogger" wie in der
Der unterste Bereich, nämlich der teilzylindrische Schneckentrog ist asymmetrisch ausgebildet, mit einem freien Raum (14) nur an derjenigen Seite, in die der Rührer fördert.
Besonders wichtig ist der halbzylindrische Innenraum zwischen der Rührerwelle (3) und der Dosierschnecke, welcher bis auf einen kleinen Bereich, der an den freien Raum (14) an der Dosierschnecke angrenzt, symmetrisch ist. Die halbzylindrische Form führt dazu, dass der Innenraum bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erheblich kompakter ausgestaltet ist. Hier fehlen die vielen leeren Räume wie in der
Da der halbzylindrische Trog für die Dosierschnecke (5) direkt unten an den halbzylindrischen Trog des Rührers (3) angrenzt, erhält die Form des gesamten Innenraums einen Rücksprung. Wird dieser Rücksprung dadurch beseitigt, dass eine schräge Ebene tangential sowohl an den halbzylindrischen Schneckentrog als auch an den halbzylindrischen Rührertrog angelegt wird, verschwindet dieser Rücksprung. Der dadurch entstehende zusätzliche Raum ist der hier genannte "freie Raum (14)". Dies erfolgt nur an der einen Seite, wie es in
Die Zähne (23) sind so gestaltet, dass faserige Stoffe aus der Rutsche (13) in die Dosierschnecke (5) gezogen werden, ohne die faserigen Stoffe zu beschädigen oder aufzulösen. Dazu haben die Zähne (23), die am äußeren Umfang der Dosierschnecke (5) angebracht sind, eine Form wie die Kippschwingungen in der Elektronik. Das heißt, die in Bewegungsrichtung vorne liegende Flanke fällt steil ab, die in Bewegungsrichtung hinten liegende Flanke fällt flach ab. Die in der
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Erfindung bei der Förderung von Fasern auf Zwangsförderung eingestellt (Rührwerk, Dosierschnecke, Drehzahlen). Bei anderen zu dosierenden Materialien wird die Erfindung wie üblich eingestellt, das heißt ohne Zwangsförderung.
Unter anderem werden die folgenden Vorteile erreicht:
Durch synergistisches Zusammenwirken von aktiver und passiver Fließunterstützung wird eine kontinuierliche Schneckenfüllung sichergestellt. Eine Verweilzeitverteilung liegt vor.
Die Fließunterstützung wird aktiv durch den Rührer (3) und passiv durch die Ausführung der Tröge und der Rutsche (13) mit dem seitlichen und großen Einzugsbereich erreicht.
Das Vereinzeln von Agglomeraten wird durch ein spezielles Austragsorgan ermöglicht. Das Austragsorgan besteht aus einer Dosierschnecke (5). Sie ist erfindungsgemäß mit Zähnen versehen. Der Abwurf kann optional mit einem rotierenden Flügelrad (7) optimiert werden. Das Flügelrad wird entweder durch einen vertikalen Auslauf mit Antrieb oder durch eine in der Dosierschnecke (5) innenliegende zweite Welle angetrieben.
Das Förderprinzip beruht auf dem Drücken der nachströmenden Fasern auf die in der Rutsche liegenden Fasern. Der Rührer (3) drückt über die Rutsche die Fasern in den seitlichen Einzugsbereich der Dosierschnecke.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt. So wird außerdem vorgeschlagen,
dass der von den Rührflügeln (8) überstrichene Raum den mittleren Bereich (II) vollständig ausfüllt,
dass der obere Bereich (I) vertikale Wände (25) hat,
dass die vertikalen Wände (25) des oberen Bereichs (I) tangential und ohne eine Kante in die Wände (26) des halbzylindrischen Rührwerkstrogs (4) übergehen,
dass der obere Bereich (I) des Dosierraums einen rechteckigen Querschnitt hat,
dass die Rührerwelle (18) und die Drehachse (10) der Dosierschnecke (5) vertikal übereinander angeordnet sind,
dass der Abstand zwischen der Rührer-Welle (18) und der Drehachse (10) der Dosierschnecke (5) verstellbar ist, insbesondere mittels einer Höhenverstellung der Dosierschnecke (5),
dass die Schnecke (5) am Austrags-Ende (16) ein Flügelrad (7) aufweist,
dass das Verhältnis der Drehzahlen von Rührer zur Dosierschnecke einstellbar ist.
Das Dosiergerät kann entsprechend unterschiedlicher Faserlängen des zu dosierenden Materials eingestellt werden, insbesondere mittels der Höhenverstellung der Dosierschnecke.
Bislang nicht förderbare Materialien können nun in stabilen Prozessfenstern dosiert und somit industriell verarbeitet werden.
Mit der optionalen Höhenverstellung kann der Abstand zwischen Rührer und Dosierschnecke angepasst werden. Damit kann der optimale, vom Dosiergut abhängige Abstand zwischen Rührer und Dosierschnecke eingestellt werden.
Die Dosierschnecke besteht aus einer Welle (auch Seele genannt) und den Schneckenflügeln (Spirale). Die Seele verläuft nicht über die komplette Schneckenwendellänge. Vor dem Schneckenrohr (oder Austragsrohr) endet die Seele. Dort befindet sich ein zentraler axialer durchgehender Hohlraum. Der Hohlraum dient zur Reduzierung des Materialdrucks, die im Schneckenrohr durch Kompression hervorgerufen wird. Weiterhin wird der Hohlraum für die Anbindung der optionalen Abwurfunterstützung (Flügelrad 7) benötigt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.
Es zeigen
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eingesetzt, um Feststoffe einem Prozess zuzuführen. Der Prozess kann kontinuierlich als auch diskontinuierlich ablaufen. Für folgende Industriezweige ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders vorteilhaft:
Im Betrieb erfolgen die nachfolgenden Schritte kontinuierlich und gleichzeitig (siehe auch
Schritt 1: Das zu dosierende Material wird manuell oder durch vorgeschaltete Verfahrenstechnik in den Aufsatzbehälter (1a) oder den asymmetrischen Rührwerkstrog (4) aufgegeben.
Schritt 2: Das Material wird vom relativ langsam rotierenden Rührer (3) erfasst. Entweder fällt das Material in den leeren Raum (14) oder es drückt das bereits in dem Raum (14) vorhandene Material in Richtung Einzugsbereich und es wird anschließend durch die Zähne eingezogen.
Schritt 3: Die Zähne (23) auf der Dosierschnecke (5) sind in der Lage, Agglomerate zu vereinzeln und sorgen so für eine bessere Befüllung der Dosierschnecke (5). Das Material wird in axialer Richtung durch das Schneckenrohr zum Ende der Schnecke (16) gefördert.
Schritt 4: Das optionale Flügelrad (7) rotiert am Abwurf und unterstützt die Vereinzelung von Agglomeraten. Das Flügelrad (7) dreht in Drehrichtung (20) der Dosierschnecke (5) und in einer höheren Drehzahl als die Dosierschnecke (5).
Falls die Fasern agglomerieren und ein Faserknäuel um den Rührer (3) bilden (
Die Fasern (24) werden über den Rührer in die Rutsche (13) gedrückt. Nachgefördertes Material drückt das Material in der Rutsche zum Austragsorgan hin. Daraus ergibt sich die erfindungsgemäße vorteilhafte asymmetrische Gestaltung des Rührwerkstrogs (4) und des teilzylindrischen Schneckentrogs (11) sowie der Rutsche (13). Durch den seitlichen und großen Einzugsbereich und die Zähne der Dosierschnecke wird selbige optimal befüllt. Je nach spezifischer Geometrie des zu dosierenden Materials kann die Höhenverstellung der Dosierschnecke genutzt werden, um den Füllgrad der Dosierschnecke zu verbessern.
Eine weitere Möglichkeit, den Dosierschneckenfüllgrad zu optimieren, liegt in der Einstellung des Verhältnisses zwischen Dosierschneckendrehzahl und Rührerdrehzahl.
Die oben genannten zu dosierenden Materialien stehen im Fokus besonders innovativer Industrien, wie z. B. der Autoindustrie, der Luft- und Raumfahrt- sowie der Rüstungsindustrie. Die Erfindung ermöglicht unter anderem die Entwicklung neuer Faserverbundwerkstoffe. Sie kann außerdem mit Vorteil in Recyclatprozessen für Faserverbundwerkstoffe eingesetzt werden, da sie in der Lage ist, hochpreisige Zuschnittsabfälle von Gewebematten zu dosieren. Die Erfindung hat daher einen hohen Stellenwert für die Hochtechnologie-Industrie.
Die Geometrien der Dosierschnecke und des Förderwerks werden vorzugsweise auf den zu dosierenden Feststoff abgestimmt und darauf angepasst. Die im Ausführungsbeispiel dargestellten Teile dienen nur als Beispiele. Solche geometrischen Parameter sind beispielsweise:
Zusammenfassend sind wichtige vorteilhafte Merkmale der neuartigen Vorrichtung:
Ein asymmetrischer Trog 4 mit einem freien Raum (14) ist vorgesehen, wobei keine Toträume im Dosierraum unterhalb der Rührerwelle (18), außer im Bereich der Dosierschnecke (Raum (14)), vorliegen.
Der Dosierraum hat oberhalb der Rührerwelle (18) einen rechteckigen Querschnitt und vertikale Wände.
Unterhalb der Rührerwelle (18) und oberhalb der Dosierschnecke (5) ist ein halbzylinderförmiger Schneckentrog vorgesehen, der an die rotierenden Arme der Rührerwelle (18) angepasst ist. Mit anderen Worten, der von den Rührerflügeln (8) überstrichene Raum füllt diesen Bereich des Dosierinnenraums vollständig aus.
Die vertikalen Wände oberhalb der Rührerwelle (18) schließen unmittelbar an den halbzylinderförmigen Trog (4) unterhalb der Rührerwelle (18) und oberhalb der Dosierschnecke (5) an.
Die Asymmetrie ist im Wesentlichen nur im Bereich der Dosierschnecke (5) vorgesehen. Das heißt, der Bereich der Dosierschnecke unterhalb des Rührers ist asymmetrisch und weist einen freien Raum (14) auf, und zwar an derjenigen Seite, in die der Rührer fördert.
Der Rührer (3) hat eine derartige Drehrichtung (19), so dass das Produkt zuerst nach unten in den Raum (14) und dann erst zur Dosierschnecke (5) gefördert wird.
Die Rührflügel (8) sind drahtförmig.
Ein vertikaler Auslauf (15) mit einem Antrieb und einem Flügelrad (7) ist vorgesehen, wobei das Flügelrad (7) schneller als die Dosierschnecke (5) rotiert.
Außerdem ist ein zentraler axialer Hohlraum am Ende der Dosierschnecke vorgesehen.
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.