VERDICHTUNGSVORRICHTUNG MIT VERWENDUNG VON ULTRASCHALLSCHWINGUNGEN

Abstract

 Die Vorrichtung (1), die den Verdichten eines Prozessmaterials dient, umfasst wenigstens eine Antriebswelle (2), die mit einem Antriebsmotor (8) verbunden, die in einer Lagervorrichtung (5) drehbar gelagert und die mit einer metallenen Verdichtungsschraube (3) verbunden ist, die in einem Verdichtungsrohr (10) drehbar gehalten ist, an dessen Eingang das zu bearbeitende Prozessmaterial zuführbar und an dessen Ausgang das verdichtete Prozessmaterial entnehmbar ist. Erfindungsgemäss hält die Antriebswelle (2) einen Ultraschallwandler (6), der mit einem Ultraschallgenerator (7) verbunden ist und durch den Ultraschallenergie über die Antriebswelle (2) in die Verdichtungsschraube (3) einkoppelbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Verdichtungsvorrichtung, mittels der ein Prozessmaterial verdichtet werden kann.

[0002] In zahlreichen Industriebereichen, wie der Nahrungsmittelindustrie, der chemischen Industrie, der Pharmaindustrie und der Baustoffindustrie, der Metall verarbeitenden Industrie, der Landwirtschaft und der Abfallbeseitigung werden Vorrichtungen zur Verdichtung von Prozessmaterial verwendet. Verdichtungsvorrichtungen dieser Art weisen oft eine Verdichtungsschraube auf, die in einem Verdichtungsrohr drehbar gelagert ist. Prozessmaterial, insbesondere Schüttgut, wird durch das Verdichtungsrohr geführt, mittels der Verdichtungsschraube verdichtet und anschliessend oft in die Form von Pellets gepresst.

[0003] Gemäss der US6186060B1 wurden Schneckenschrauben in der Vergangenheit eingesetzt, um ein Prozessmaterial, insbesondere Schüttgut, von einem Standort zum anderen zu transportieren. Schneckenschrauben wurden auch zum Verdichten von Materialien eingesetzt. Schneckenverdichter eignen sich für eine einfache und unkomplizierte Verdichtung von Materialien. Durch den in der US6186060B1 beschriebenen Schneckenverdichter werden Landwirtschaftsprodukte verdichtet und in die Form von Pellets gepresst.

[0004] Die US3991668A offenbart eine Vorrichtung, die zur Verdichtung bzw. Kompaktierung von Abfall vorgesehen ist. Die Verdichtungsvorrichtung umfasst einen Trichter mit einem daran anschliessenden Verdichtungsrohr, in dem sich eine rotierende Schneckenschraube erstreckt. Während der Rotation der Schneckenschraube wird das Abfallmaterial axial durch das Verdichtungsrohr transportiert und verdichtet.

[0005] Die US5664492A offenbart eine Vorrichtung zum Verdichten von Metallspänen. Die Vorrichtung umfasst einen Dichtungszylinder, in dem eine Schneckenschraube drehbar gelagert ist, mittels der die Metallspäne verdichtet und anschliessend zu Pellets verarbeitet werden.

[0006] Die US20090280211A1 beschreibt eine Verdichtungsvorrichtung, die ein Verdichtungsrohr mit einer Förderschraube umfasst, an das zwei Rollen oder Walzen anschliessen, die das im Verdichtungsrohr verdichtete bzw. kompaktierte Prozessmaterial, das in Pulverform vorliegt, zu Pellets presst. In der Verdichtungsvorrichtung wird das Polymer-Pulver, das mit einer Schüttdichte von weniger als oder gleich 240 kg/m3 zugeführt wird, zwischen zwei Verdichtungsrollen bei einer Temperatur von weniger als 130°C zusammengepresst, um ein verdichtetes Polymer-Material zu erhalten. Die beiden Verdichtungsrollen, zwischen denen eine Lücke bzw. ein Verdichtungsspalt von 0.5 mm bis 10 mm vorgesehen ist, arbeiten mit einer Drehgeschwindigkeit im Bereich von 3 - 30 Umdrehungen pro Minute, wodurch im Verdichtungsspalt ein Druck 0.5 bis 5 MPa resultiert. Die Schüttgutdichte kann entsprechend erhöht werden, wenn die Dichte des Schüttguts im Verdichtungsrohr bereits entsprechend erhöht wird.

[0007] Innerhalb des Verdichtungsrohres treten hohe Kräfte auf, welche entsprechend stark dimensionierte Antriebsmotoren und eine entsprechend hohe Antriebsleistung erfordern. Nach längerer Betriebszeit können die hohen Kräfte auch zu Verschleisserscheinungen führen. Nachteilig ist ferner, dass hohe Kräfte punktuell auf das bearbeitete Prozessmaterial einwirken und dessen Struktur unvorteilhaft verändern können. Weiterhin können asymmetrisch auftretende hohe Kräfte zu einer Verbiegung der Verdichtungsschraube führen, wodurch sich die Dimensionen des Materialflusses und dessen Dichteverlauf ändern können.

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Verdichten eines Prozessmaterials, insbesondere eines festen oder pulverförmige Schüttguts, zu schaffen.

[0009] Die Verdichtungsvorrichtung soll es erlauben, beliebige Prozessmaterialien oder Schüttgüter, insbesondere pulverförmiges Schüttgut, vorteilhaft zu verdichten.

[0010] Mittels der Verdichtungsvorrichtung soll das Prozessmaterial zu einem weitgehend gleichförmigen Materialfluss verdichtet werden. Der resultierende Materialfluss soll einer weitgehend gleichmässigen Dichteverlauf sowie eine vorteilhafte Materialstruktur aufweisen, die es erlaubt, diesen besonders einfach und zuverlässig weiter zu verarbeiten. Aus dem verdichteten Material sollen vorteilhaft Pellets oder Chips mit der gewünschten Konsistenz geformt werden können.

[0011] Im Arbeitsbereich der Verdichtungsvorrichtung sollen auftretende Kräfte reduziert und ausgeglichen werden, sodass die Verrichtungsvorrichtung mit reduzierter Leistung und kostengünstigeren Antriebsvorrichtungen betrieben werden kann. Durch die Reduktion und den Ausgleich der auftretenden Kräfte sollen Deformationen der Arbeitsvorrichtung und deren Elemente sowie entsprechende Verschleisserscheinungen vermieden werden.

[0012] Das verdichtete Endprodukt soll in optimaler Qualität, insbesondere mit einheitlicher Konsistenz und Festigkeit, bereitgestellt werden.

[0013] Diese Aufgabe wird mit einer Verdichtungsvorrichtung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

[0014] Die Vorrichtung, die dem Verdichten eines Prozessmaterials dient, umfasst wenigstens eine Antriebswelle, die mit einem Antriebsmotor verbunden, die in einer Lagervorrichtung drehbar gelagert und die mit einer metallenen Verdichtungsschraube verbunden ist, die in einem Verdichtungsrohr drehbar gehalten ist, an dessen Eingang das zu bearbeitende Prozessmaterial zuführbar und an dessen Ausgang das verdichtete Prozessmaterial entnehmbar ist.

[0015] Erfindungsgemäss hält die Antriebswelle einen Ultraschallwandler, der mit einem Ultraschallgenerator verbunden ist und durch den Ultraschallenergie über die Antriebswelle in die Verdichtungsschraube einkoppelbar ist.

[0016] Der Ultraschallgenerator ist zur Abgabe von Wechselspannungssignalen im Frequenzbereich von vorzugsweise 15 kHz - 45 kHz vorgesehen. Vorzugsweise ist der Ultraschallgenerator zur kontinuierlichen Änderung und/oder zur Umtastung der Frequenz und/oder zur Änderung der Amplitude der der Wechselspannungssignale ausgelegt. Die Frequenz des Ausgangssignals, die im genannten Frequenzbereich liegt, wird vorzugsweise mit einer Umtastfrequenz geändert, die im Bereich von 10 Hz - 2 kHz liegt. Beispielsweise wird das Ausgangssignal des Ultraschallgenerators mit einer Umtastfrequenz von 10 Hz zehnmal pro Sekunde zwischen den Ultraschallfrequenzen von 25 kHz und 35 kHz umgetastet. Mit der Umtastfrequenz kann auch eine ganze Sequenz von Ultraschallfrequenzen von z.B. 25 kHz, 30 kHz und 35 kHz durchlaufen werden. Anstelle der punktuellen Umtastung kann auch eine kontinuierliche Frequenzänderung vollzogen werden. Beispielsweise erfolgt mit einer Änderungsfrequenz von 10 Hz zehnmal pro Sekunde ein Scan zwischen zwei oder mehreren Ultraschallfrequenzen.

[0017] Durch die beschriebenen Änderungen der Ultraschallfrequenzen wird sichergestellt, dass an den Reibungspunkten innerhalb des Verdichtungsrohrs keine Wellenknoten auftreten und die Wirkung der Ultraschallsignale lückenlos eintritt.

[0018] Durch die Übertragung von Unterschallenergie auf die Verdichtungsschraube, insbesondere auf das Gewinde der Verdichtungsschraube, werden Reibungskräfte reduziert, die zwischen der Verdichtungsschraube und dem Prozessmaterial entstehen. Das Prozessmaterial umfliesst das Gewinde der Verdichtungsschraube und wird gleichmässig verdichtet. Kraftspitzen, welche die Struktur des verdichteten Prozessmaterials verändern könnten oder den laminaren Fluss des Prozessmaterials brechen könnten, werden vermieden. Durch diese vorteilhafte Förderung des Prozessmaterials resultiert ein vorteilhaftes Endprodukt. Durch die Beseitigung von Reibungskräften resultiert ferner eine höhere Geschwindigkeit des Materialflusses.

[0019] Ferner kann der vorteilhafte Materialfluss mit weniger Leistung und mit weniger leistungsfähigen Motoren realisiert werden. Aufgrund der Vermeidung von hohen Reibungskräften, gegebenenfalls Verklemmungen, resultiert eine reduzierte Belastung der Antriebsmotoren, sodass auch Materialverschleiss weitgehend vermieden werden kann.

[0020] Die Verdichtungsvorrichtung kann dabei praktisch alle Prozessmaterialien, insbesondere Prozessmaterialien der eingangs genannten Industriebereiche, wie Späne aller Art, Naturprodukte aller Art, Abfall beliebiger Zusammensetzung sowie pulverförmige Prozessmaterialien und Granulate in allen denkbaren Zuständen mit den genannten Vorteilen bearbeiten.

[0021] Die Verdichtungsvorrichtung kann eine beliebige metallene Verdichtungsschraube aufweisen. Die Verdichtungsschraube ist z.B. eine archimedische Schraube, eine Schneckenschraube oder eine Schraube mit einem anders ausgestalteten Gewinde, wie einem wendelförmigen, helixförmigen oder spiralförmigen Gewinde. Die Verdichtungsschraube weist vorzugsweise ein schneckenförmiges oder wendelförmiges Gewinde auf, das Prozessmaterial gut erfassen und transportieren kann.

[0022] Die Verbindungsschraube kann ein Gewinde aufweisen, welches eine konstante oder sich stetig oder schrittweise ändernde Steigungshöhe aufweist. Eingangs des Verdichtungsrohrs oder in einem angrenzenden Trichter kann das Gewinde eine grössere Steigung aufweisen, um unverdichtetes Prozessmaterial zu sammeln und rasch zu fördern. Gegen das Ende des Verdichtungsrohr sind kann die Steigungshöhe abnehmen, sodass ein hoher Druck realisierbar ist, ohne dass ein hohes Gegendrehmoment auf die Antriebswelle einwirkt.

[0023] Der Durchmesser des Gewindes der Verdichtungsschraube kann sich vom Eingang zum Ausgang des Verdichtungsrohrs hin reduzieren. Bei entsprechendem Verlauf des Durchmessers des Verdichtungsrohrs reduziert sich somit das für den Transport des Prozessmaterials zur Verfügung stehende Volumen, weshalb das Prozessmaterial während des Transports entsprechend verdichtet wird.

[0024] Das Verbindungsrohr weist einen an die Verdichtungsschraube angepassten Durchmesser an. Das Verbindungsrohr kann z.B. zumindest teilweise zylindrisch und/oder zumindest teilweise konisch ausgebildet sein, oder entsprechend der Verdichtungsschraube einen anderen Verlauf des Durchmessers oder Querschnitts aufweisen.

[0025] Zur Übertragung elektrischer Energie, insbesondere einer Wechselspannung zum Ultraschallgenerator ist die Antriebswelle mit einer Kontaktierungsvorrichtung versehen. Die Kontaktierungsvorrichtung umfasst vorzugsweise Schleifringe und daran anliegende Schleifkontakte, über die Wechselspannungsignale und/oder Gleichspannungssignale, gegebenenfalls Steuersignale, zum Ultraschallwandler oder einer gegebenenfalls dort vorgesehenen Steuervorrichtung oder Schaltvorrichtung übertragbar sind.

[0026] Der Ultraschallwandler weist vorzugsweise einen piezoelektrischen Wandler auf, der vorzugsweise mehrere piezoelektrische Elemente umfasst. Die piezoelektrischen Elemente sind zwischen zwei Metallplatten, die mit der Antriebswelle formschlüssig oder kraftschlüssig verbunden oder verschweisst sind, eingespannt, und durch Anschlusskontakte vorzugsweise individuell mit dem Ultraschallgenerator verbunden. Schwingungen der piezoelektrischen Elemente werden über die Metallplatten auf die Antriebswelle und weiter zur Verdichtungsschraube übertragen. Die Metallplatten können als Schraubenmuttern je auf einem Gewinde der Antriebswelle angeordnet sein. Durch festziehen der Schraubenmuttern werden die Piezoelementen verspannt und gleichzeitig resultiert eine optimale Verbindung zwischen Schraubenmuttern und der Antriebswelle. Vorteilhaft möglich ist auch die Verwendung nur einer Schraubenmutter, mittels derer die Piezoelementen gegen eine fest mit der Antriebswelle verbundene Metallplatte pressbar sind.

[0027] Der Schaft der Verdichtungsschraube und die Antriebswelle können aus einem Stück gefertigt sein. Die Antriebswelle ist einstückig oder durch eine Kupplung mit der Motorwelle des Antriebsmotors verbunden.

[0028] In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die piezoelektrischen Elemente ringförmig ausgebildet, sodass sie die Antriebswelle umschliessen können. In dieser Ausgestaltung resultiert ein kompakter Aufbau mit maximaler Wirkung. Vorzugsweise sind fünf bis zwanzig Piezoelemente vorgesehen. Die Piezoelemente sind vorzugsweise durch Kontaktelemente und gegebenenfalls Isolationsplatten voneinander getrennt.

[0029] Durch Wechselspannungen im Ultraschallbereich können die Piezoelemente zu Schwingungen angeregt werden, die auf die Verdichtungsschraube und dessen Gewinde übertragen werden. Durch diese Ultraschallschwingungen wird verhindert, dass ein fester Kontakt zwischen der Verdichtungsschraube einerseits und dem Prozessmaterial andererseits resultiert. Die Haftreibung und/oder Gleitreibung und somit die Reibungskräfte, die zwischen der Verdichtungsschraube und dem Prozessmaterial resultieren, werden somit wesentlich reduziert.

[0030] In vorzugsweisen Ausgestaltungen der Verdichtungsvorrichtung schliesst an den Ausgang des Verdichtungsrohrs wenigstens ein Walzenpaar an. Die Walzen oder Rollen, die gemeinsam von einem Motor oder je von einem Motor angetrieben werden, begrenzen einen Walzenspalt, der im Bereich eines Bruchteils eines Millimeters oder im Bereich von 1 mm - 10 mm, vorzugsweise im Bereich von 1 mm - 4 mm liegt. Er Walzenspalt ist abhängig vom laufenden Prozess. Im Bereich der pharmazeutischen oder chemischen Industrie, gegebenenfalls der Nahrungsmittelindustrie, werden reduzierte Spaltgrössen vorgesehen. Die Walzen werden mit den eingangs beschriebenen oder weiter an die Prozesse angepassten Umdrehungsgeschwindigkeiten gedreht.

[0031] Die Verdichtungsvorrichtung kann mehrere Verdichtungsrohre mit je einer Verdichtungsschraube und/oder mehrere nachgeschaltete Walzenpaare aufweisen kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Kapazität der Verdichtungsvorrichtung zu erhöhen und verschiedene Vorrichtungsteile, wie wenigstens eine Energieversorgung, wenigstens einen Ultraschallgenerator und wenigstens einen Antriebsmotor gemeinsam zu nutzen.

[0032] Der Ausgang des Verdichtungsrohrs ist dem Walzenspalt zugewandt, sodass das im Verdichtungsrohr verdichtete Material in den Walzenspalt eintreten kann und darin weiter verformt und/oder weiter verdichtet wird. Vorzugsweise wird das verdichtete Prozessmaterial zu Pellets, Chips oder Streifen mit einer Dicke entsprechend dem Walzenspalt verformt. Anschliessend an das Walzenpaar oder die Walzenpaare ist vorzugsweise eine Schneidevorrichtung oder Fräsvorrichtung vorgesehen, welche das gewalzte Prozessmaterial in Stücke auftrennt.

[0033] Damit das verdichtete Prozessmaterial im Walzenspalt nicht beschädigt, gegebenenfalls aufgerissen wird, wird in bevorzugten Ausgestaltungen vorgesehen, dass ein gegebenenfalls zusätzlicher Ultraschallgenerator Wechselspannungen an wenigstens einen zusätzlichen Ultraschallwandler bzw. Zusatzwandler abgibt, durch den Ultraschallwellen an wenigstens eine der Rollen übertragbar sind. Vorzugsweise ist jeder Rolle ein zusätzlicher Ultraschallwandler zugeordnet, durch den Ultraschallwellen auf die Aussenflächen der zugeordneten Rolle übertragbar sind.

[0034] Vorzugsweise sind die zusätzlichen Ultraschallwandler an der Innenseite der vorzugsweise hohlzylindrischen Rollen angeordnet. Die zusätzlichen Ultraschallwandler umfassen vorzugsweise ebenfalls ein Paket mit Piezoelementen, die hinsichtlich ihrer Abmessungen vorzugsweise an die Innenfläche der Rollen oder an die Lagerwellen der Rollen angepasst sind.

[0035] In vorzugsweisen Ausgestaltungen sind wenigstens zwei Verdichtungseinheiten mit je einem Verdichtungsrohr und einem anschliessenden Walzenpaar vorgesehen, deren Endprodukte gemeinsam einem weiteren Walzenpaar zuführt werden, in dem ein Laminat gebildet wird.

[0036] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1

eine erfindungsgemässe Verdichtungsvorrichtung 1 mit einer Verdichtungsschraube 3, die von einer Antriebswelle 2, der Ultraschallenergie zuführbar ist, in einem Verdichtungskanal 100, durch den zu verdichten des Prozessmaterial transportierbar ist, drehbar gehalten ist; und

Fig. 2

die Verdichtungsvorrichtung 1 von Fig. 1 in einer vorzugsweisen Ausgestaltung mit zwei Rollen 18, 19, mittels denen verdichtetes Prozessmaterial zu Pellets gewalzt wird.

[0037] Fig. 1 zeigt exemplarisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1, die zum Verdichten eines Prozessmaterials vorgesehen ist, in prinzipieller Ausgestaltung.

[0038] Die Verdichtungsvorrichtung 1 umfasst ein Verdichtungsrohr 10 an dessen Eingang 11 Prozessmaterial zuführbar und an dessen Ausgang 12 verdichtetes Prozessmaterial entnehmbar ist. Das Verdichtungsrohr 10 ist konisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet und verjüngt sich von dessen Eingang 11 zum Ausgang 12 hin. Im Verdichtungsrohr 10 ist eine Verdichtungsschraube 3 mit einem Gewinde 31 angeordnet, welches zugeführtes Prozessmaterial am Eingang 11 des Verdichtungsrohrs 10 erfasst und durch den im Verdichtungsrohr vorgesehenen Verdichtungsschraube 100 zum Ausgang 12 des Verdichtungsrohrs 10 befördert. Bei diesem Vorgang wird das Prozessmaterial verdichtet. Das Verdichtungsrohr 10 und die Verdichtungsschraube 3 können unterschiedlich ausgebildet sein. In der gezeigten Ausgestaltung ist die Verdichtungsschraube 3 eine Schneckenschraube mit einem Gewinde 31, dessen Steigungshöhe vom Eingang 11 des Verrichtungsrohrs 10 zum Ausgang 12 hin abnimmt. Ferner ist das Gewinde 31 entsprechend der Form des Verdichtungsrohrs 10 konisch ausgebildet.

[0039] Die Verdichtungsschraube 3 ist mit einer Antriebswelle 2 verbunden, die in einer Lagervorrichtung 5 drehbar gehalten ist. Die Lagervorrichtung 5 und das Verdichtungsrohr 10 sind von einem Gestell, Chassis oder einer Montagestruktur 1000 stabil gehalten.

[0040] Die Antriebswelle 2 und der Schaft 30 der Verdichtungsschraube 3 bilden eine einstückige Einheit oder sind durch eine Wellenkupplung miteinander verbunden.

[0041] Die Antriebswelle 2 wird von einem Motor 8 angetrieben und ist mit der Motorwelle 80 einstückig verbunden oder durch eine Wellenkupplung damit gekoppelt.

[0042] Der Antriebsmotor 8 wird von einer Stromversorgungseinheit 900 mit elektrischer Energie versorgt. Die Steuerung des Antriebsmotors 8 erfolgt durch eine Steuereinheit 9, die mit einem Steuerprogramm 99 versehen ist. Mittels des Steuerprogramms 99 sind vorzugsweise alle Prozesse innerhalb der Verdichtungseinheit 1 steuerbar. Vorzugsweise sind der Antriebsmotor 8 z.B. hinsichtlich der Drehgeschwindigkeit und ein Ultraschallgenerator 7 hinsichtlich der Abgabe von Wechselspannungen im Frequenzbereich von Ultraschallwellen steuerbar. Vorzugsweise sind die Frequenz und/oder die Amplitude der Wechselspannungen steuerbar. Vorzugsweise sind in der Steuereinheit 9 abrufbare Sequenzen gespeichert, welche Frequenzänderungen und Amplitudenänderungen innerhalb eines Intervalls bestimmen.

[0043] Die Steuerung des Antriebsmotors 8 erfolgt durch Steuersignale 81, die direkt zum Elektromotor 8 übertragen werden oder durch Steuersignale 91, die zur Stromversorgungseinheit 900 übertragen werden, die den Antriebsmotor 8 entsprechend mit elektrischer Energie versorgt.

[0044] Der Ultraschallgenerator 7 wird durch Steuersignale 70 gesteuert und liefert entsprechende Wechselspannungen über ein Kabel 71 und eine Kontaktierungsvorrichtung 4 zum Ultraschallwandler 6.

[0045] Die Kontaktierungsvorrichtung 4 weist Schleifkontakte 41, 43 auf, die an Schleifringen 42, 44 anliegen, die drehbar mit der Antriebswelle 2 verbunden sind. Das mehraderige Kabel 71 ist mit den Schleifkontakten 41, 43 verbunden. Über die Schleifkontakte 41 werden Wechselspannungen im Frequenzbereich der Ultraschallwellen übertragen. Die korrespondierenden Schleifringe 42 sind an Verbindungskabel 72 angeschlossen, über die die Wechselspannungen zu Piezoelementen 611 oder gegebenenfalls zu einer mit der Antriebswelle 2 verbundenen Steuereinheit 90 übertragen werden, in der die Wechselspannungen über Schalter an ein Paket 61 von Piezoelementen 611 abgegeben werden.

[0046] Der Ultraschallwandler 6 umfasst vorzugsweise mehrere an Kontaktelemente 613 (nur zwei gezeigt) angeschlossene und durch Isolationselemente voneinander getrennte Piezoelemente 611. Die Piezoelemente 611 weisen vorzugsweise je eine Transferöffnung auf, durch die die Antriebswelle 2 hindurch geführt ist. Die Piezoelemente 611 werden durch zwei mit dem Montagestab 2 verbundene Arretierelemente 612 zusammengepresst, über die Ultraschallschwingungen auf die Antriebswelle 2 übertragen werden. Die Arretierelemente 612 umfassen z.B. wenigstens eine Schraubenmutter, welche von einem Gewinde drehbar gehalten ist, das in die Antriebswelle 2 eingearbeitet ist. Die Piezoelemente 611 können daher in einfacher Weise fixiert und über die dazwischenliegenden Kontaktelemente 613 mit elektrischen Spannungen versorgt werden. Die von den Piezoelementen 611 erzeugten Ultraschallschwingungen werden über die Arretierelemente 612, die einstückig, kraftschlüssig oder formschlüssig mit der Antriebswelle 2 verbunden sind, auf die Antriebswelle 2 und weiter zur Verdichtungsschraube 3 übertragen.

[0047] In vorzugsweisen Ausgestaltungen ist im Ultraschallwandler 6 eine Steuereinheit 90 integriert, die mit der zentralen Steuervorrichtung 9 verbunden ist. Steuersignale werden über das Kabel 71 an die weiteren Schleifkontakte 43 abgegeben, die an den weiteren Schleifringen 44 anliegen. Die Steuersignale werden über Steuerleitungen 73 zur Steuereinheit 90 übertragen, welche in der Folge die Abgabe von Wechselspannungen an die Piezoelemente 611 bzw. die Anschlusskontakte 613 steuert.

[0048] Schematisch ist mit einem strichpunktierten Pfeil gezeigt, dass der Ultraschallgenerator 7 ebenfalls mit der Antriebswelle 2 verbunden werden kann. In diesem Fall wird über die Kontaktierungsvorrichtung 4 bzw. die Kontakte 41 und die Schleifringe 42 z.B. von der Energieversorgungseinheit 900 elektrische Energie zum drehbar gelagerten Ultraschallgenerator 7 übertragen, der in der Folge Wechselspannungen direkt an die Piezoelemente 611 abgeben kann. In dieser Ausgestaltung kann der drehbar gelagerte Ultraschallgenerator 7 über die Kontaktierungsvorrichtung 4 bzw. die Kontakte 43 und die Schleifringe 44 von der zentralen Steuereinheit 9 mit Steuersignalen versorgt werden. Alternativ können die Steuersignale zur drehbar gelagerten lokalen Steuereinheit 90 übertragen werden, die seinerseits den drehbar gelagerten Ultraschallgenerator 7 steuert.

[0049] Die Zufuhr von Ultraschallenergie zur Verdichtungsschraube 10 kann daher auf unterschiedliche Weise erfolgen. Die Ultraschallenergie wird vom Schaft 30 der Verdichtungsschraube 3 auf das Gewinde 31 übertragen, welches in der Folge Ultraschallschwingungen konstanter oder sich ändernder Frequenz unterworfen wird. Durch diese Schwingungen werden Reibungen zwischen der Verdichtungsschraube 3 und dem bearbeiteten Prozessmaterial aufgehoben oder wesentlich reduziert. Belastungen der Verdichtungsschraube 3 und des Antriebsmotors 8 verringern sich entsprechend, sodass diese weniger aufwendig dimensioniert werden müssen und Verschleisserscheinungen reduziert werden können.

[0050] Fig. 2 zeigt zeigt die Verdichtungsvorrichtung 1 von Fig. 1 in einer vorzugsweisen Ausgestaltung. Das Verdichtungsrohr 10 schliesst an einen Trichter 15 an, der einen Eingang 11 aufweist, in den Prozessmaterial bzw. Schüttgut S eingeworfen wird.

[0051] Die Wände des Trichters 15 und/oder des Verdichtungsrohr 10 werden vorzugsweise ebenfalls mit Ultraschall beaufschlagt. Bevorzugt werden hingegen mechanische Schwingungen auf den Trichter 15 übertragen, durch die das Prozessmaterial gefördert und Totzonen im Trichter vermieden werden. Z.B. wird eine Vibrationsvorrichtung 16 vorgesehen, die mechanische Schwingungen auf die Wand des Trichters 15 überträgt.

[0052] Das Prozessmaterial wird von einer Verdichtungsschraube 3 in das Verdichtungsrohr 10 eingeführt und dort verdichtet. Es ist ersichtlich, dass das Gewinde 31 der Verdichtungsschraube 3 innerhalb des Trichters 15 eine höhere Steigung aufweist, als innerhalb des Verdichtungsrohrs 10. Durch die Verdichtungsschraube 3 wird das Prozessmaterial durch den Verdichtungskanal 100 innerhalb des hohlzylindrischen Verdichtungsrohrs 10 zu dessen Ausgang 12 transportiert.

[0053] Es ist gezeigt, dass die Antriebswelle 2 auf einer Seite einstückig mit dem Schaft der Verdichtungsschraube 3 und auf der anderen Seite durch eine Kupplung 21 mit der Motorwelle des Antriebsmotors 8 verbunden ist. Die Antriebswelle 2 umfasst in diesem Fall die Motorwelle. Auf der Antriebswelle 2, welche die Motorwelle umfasst, sind die Kontaktierungsvorrichtung 4, der Ultraschallwandler 6 und in einer vorzugsweisen Ausgestaltung auch der Ultraschallgenerator 7 angeordnet, der alternativ auch extern angeordnet sein kann, wie dies Fig. 2 zeigt.

[0054] Über die Kontaktierungsvorrichtung 4 wird entweder eine Versorgungsspannung zum drehbar gehaltenen Ultraschallgenerator 7 oder eine Wechselspannung im Unterschallbereich zum Ultraschallwandler 6 übertragen, der in der Folge entsprechende Ultraschallschwingungen erzeugt und über die Antriebswelle 2 auf die Verdichtungsschraube 3 überträgt, wie dies mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde.

[0055] Am Ausgang 12 des Verdichtungsrohrs 10 sind zwei von Lagerwellen 180, 190 gehaltene Rollen 18, 19 vorgesehen, die von Motoren 185, 195 angetrieben werden. Die Rollen 18, 19 begrenzen einen Walzenspalt 17, in denen das vom Verdichtungsschraube 10 abgegebene Prozessmaterial einführbar ist. im Walzenspalt 17 wird das Prozessmaterial weiter verdichtet und gegebenenfalls zugeschnitten.

[0056] Am Ausgang des Walzenspalts 17 wird das verdichtete bzw. kompaktierte Prozessmaterial in Form von Pellets SP ausgeworfen. Zu diesem Zweck können die Rollen 18, 19 mit Messern versehen sein, die ineinander eingreifen und das verdichtete Prozessmaterial auftrennen. Alternativ kann anschliessend an den Walzenspalt 17 auch eine Schneidvorrichtung oder eine Fräsvorrichtung vorgesehen sein.

[0057] Der Prozess der Verdichtung des Prozessmaterials S mittels der Verdichtungsschraube 3 und/oder der Walzen 18, 19 erfolgt erfindungsgemäss unter Einfluss von Ultraschallenergie, die von wenigstens einem Ultraschallgenerator 7 abgegeben wird. Zur Versorgung des der Rollen 18, 19 mit Ultraschallenergie kann hingegen ein zusätzlicher Ultraschallgenerator 7' vorgesehen sein.

[0058] Bei der Bearbeitung des verdichteten Prozessmaterials im Walzenspalt 17 kann nämlich das Problem auftreten, dass dieses an den Rollen 18, 19 verhaftet bleibt und aufgerissen wird. Zur Vermeidung dieses Problems wird vorzugsweise Ultraschallenergie auf die Aussenflächen der Rollen 18, 19 übertragen. Beispielsweise werden vom Ultraschallgenerator 7 oder einem weiteren Ultraschallgenerator 7' Wechselspannungen im Ultraschallbereich zu Ultraschallwandlern 6' übertragen, die auf den Lagerwellen der Rollen 18, 19 oder an den Innenwänden 181, 191 der vorzugsweise hohlzylindrischen Rollen 18, 19 angeordnet sind. Die zusätzlichen Ultraschallwandler 6' weisen vorzugsweise Piezoelemente auf, die an die Lagerwellen 180, 190 oder an die Innenseiten 181, 191 der Rollen angepasst sind. Vorzugsweise werden wiederum ringförmige Piezoelementen verwendet, die in der Weise auf die Lagerwellen 180, 190 aufgesetzt werden, die dies mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde.

[0059] In unterschiedlichen Ausgestaltungen der Verdichtungsvorrichtung 1 kann Ultraschallenergie nur in die Förderschraube 3 oder nur in die Rollen 18, 19 eingeprägt werden. Vorzugsweise wird Ultraschallenergie jedoch in die Förderschraube 3 und in die Rollen 18, 19 eingeprägt. Somit ist auch eine Verdichtungsvorrichtung 1 vorteilhaft realisierbar, bei der Ultraschallenergie ausschliesslich den Rollen 18, 19 zugeführt wird.

[0060] Wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde kann ein stationärer Ultraschallgenerator 7 verwendet werden oder ein zusätzlicher Ultraschallgenerator 7' vorgesehen und gegebenenfalls in die Rollen 18, 19 integriert werden. Der stationäre Ultraschallgenerator 7 kann für die Speisung von Ultraschallwandlern 6, 6' verwendet werden, die der Verdichtungsschraube 10 und den Rollen 18, 19 zugeordnet sind.

[0061] Die beschriebenen Prozesse werden vorzugsweise wiederum durch eine Steuereinheit 9 und ein Steuerprogramm 99 gesteuert. Die Steuereinheit 9 kann direkt auf die Antriebsmotoren 8, 185, 195 und die Ultraschallgeneratoren 7, 7' zugreifen, um diese zu steuern. Der Zugriff zu diesen Einheiten ist durch Pfeile symbolisiert. Die gegen die Steuereinheit 9 zurück gerichteten Pfeile symbolisieren, dass von diesen Einheiten auch Messsignale oder Sensorsignale zurück an die Steuereinheit 9 übertragen werden können, die im Steuerprogramm 99 vorzugsweise berücksichtigt werden.

Ansprüche

1. Vorrichtung (1) zum Verdichten eines Prozessmaterials, mit wenigstens einer Antriebswelle (2), die mit einem Antriebsmotor (8) verbunden, die in einer Lagervorrichtung (5) drehbar gelagert und die mit einer metallenen Verdichtungsschraube (3) verbunden ist, die in einem Verdichtungsrohr (10) drehbar gehalten ist, an dessen Eingang das zu bearbeitende Prozessmaterial zuführbar und an dessen Ausgang das verdichtete Prozessmaterial entnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (2) einen Ultraschallwandler (6) hält, der mit einem Ultraschallgenerator (7) verbunden ist und durch den Ultraschallenergie über die Antriebswelle (2) in die Verdichtungsschraube (3) einkoppelbar ist.

2. Verdichtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsschraube (3) ein Gewinde (31) mit einer konstanten oder sich ändernden Steigungshöhe und mit einem konstanten oder sich ändernden Durchmesser aufweist.

3. Verdichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsrohr (10) zumindest teilweise zylindrisch ausgebildet ist oder dass das Verdichtungsrohr (10) zumindest teilweise konisch ausgebildet ist

4. Verdichtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (2) mit einer Kontaktierungsvorrichtung (4) mit Schleifringen (42; 44) und Schleifkontakten (41; 43) versehen ist, über die Wechselspannungsignale und/oder Gleichspannungssignale, gegebenenfalls Steuersignale zum Ultraschallwandler (6) übertragbar sind.

5. Verdichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (6) durch Verbindungsleitungen (72) und die Kontaktierungsvorrichtung (4) mit dem stationären Ultraschallgenerator (7) verbunden ist oder dass der Ultraschallwandler (6) durch Verbindungsleitungen mit dem an der Antriebswelle (2) drehbar gehalten Ultraschallgenerator (7) verbunden ist, der seinerseits über Verbindungsleitungen (72) und die Kontaktierungsvorrichtung (4) mit einer Stromversorgungsquelle (900) und/oder der Steuereinheit (9) verbunden ist.

6. Verdichtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (6) einen piezoelektrischen Wandler (61) aufweist, der vorzugsweise mehrere piezoelektrischen Elemente (611) umfasst und dem vom Ultraschallgenerator (7) Wechselspannungsignale zuführbar sind.

7. Verdichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise ringförmig ausgebildeten piezoelektrischen Elemente zwischen zwei Metallplatten (612), die mit der Antriebswelle (2) formschlüssig oder kraftschlüssig verbunden oder verschweisst sind, eingespannt sind, und durch Anschlusskontakte (613) mit dem Ultraschallgenerator (7) verbunden sind.

8. Verdichtungsvorrichtung (1) nach einer Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallgenerator (7) zur Abgabe von Wechselspannungssignalen im Frequenzbereich von 20 kHz bis 45 kHz vorgesehen ist.

9. Verdichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallgenerator (7) zur kontinuierlichen Änderung und/oder zur Umtastung der Frequenz der Wechselspannungssignale mit einer Umtastfrequenz vorgesehen ist, die im Bereich von 10 Hz bis 2 kHz liegt.

10. Verdichtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Vibrationsvorrichtung (16) vorgesehen ist, mittels der mechanischen Schwingungen vorzugsweise im Bereich von 10 Hz - 1000 Hz an das Verdichtungsrohr (10) oder einen anschliessenden Trichter (15) übertragbar sind.

11. Verdichtungsvorrichtung (1) nach einer Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei von wenigstens einem Walzenmotor (185, 195) angetriebene und mit Lagerwellen (180, 190) versehene Rollen (18, 19) vorgesehen sind, die einen Walzenspalt (17) begrenzen und dass der Ausgang (12) des Verdichtungsrohres (10) dem Walzenspalt (17) zugewandt ist.

12. Verdichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallgenerator (7) oder ein Zusatzgenerator (7') zur Übertragung von Wechselspannungen an wenigstens einen Zusatzwandler (6') vorgesehen ist, durch den Ultraschallwellen an wenigstens eine der Rollen (18, 19) abgebbar ist.

13. Verdichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen auf die Aussenflächen der Rollen (18, 19) übertragbar sind.

14. Verdichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Zusatzwandler (6') an den Lagerwellen (180, 190) oder an den Innenseiten (181, 191) der vorzugsweise hohlzylindrischen Rollen (18, 19) angeordnet sind.

15. Verdichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwandler (6') wenigstens ein Piezoelement aufweist, welches in seinen Abmessungen vorzugsweise an die Innenseite (181; 191) der zugehörigen Rolle (18; 19) angepasst ist oder dass der Zusatzwandler (6') wenigstens ein ringförmiges Piezoelement aufweist, welches in seinen Abmessungen vorzugsweise an die Lagerwelle (180; 190) der zugehörigen Rolle (18; 19) angepasst ist.

Zeichnung