Die Erfindung betrifft eine Kolloidmühle, eine Anlage zur Verar- beitung von fettbasierten Massen, ein Verfahren zur Verringerung einer Teilchengröße von in einer ersten Flüssigkeit suspendier- ten Feststoffen und/oder einer Tröpfchengröße in einer ersten

Flüssigkeit emulgierten zweiten Flüssigkeit, einen Rotor und ei- nen Stator.

Aus dem Stand der Technik sind Kolloidmühlen bekannt, um feste und flüssige Stoffe durch eine mechanische Kraft in den Kolloid- mühlen in kolloidaler Feinheit zu dispergieren oder Flüssigkei- ten in Flüssigkeiten zu emulgieren.

Zum Beispiel werden feste Stoffe, wie Zucker, Milchpulver, Nüs- se, Früchte oder Kerne in fetthaltigen Massen, beispielweise enthaltend Kakaobutter, fein verteilt. Die der Kolloidmühle zu- gefügten festen und flüssigen Stoffe werden im Rahmen dieser An- meldung mit Material bezeichnet.

Bekannte Kolloidmühlen umfassen im Wesentlichen ein zylindri- sches oder konisches Gehäuse mit einer vertikalen Achse. Sie weisen einen Materialeinlass an einer axialen Seite und einen

Produktauslass an der gegenüberliegenden axialen Seite auf. Kol- loidmühlen umfassen einen zylindrischen oder konischen Stator, der typischerweise auf der Innenwandoberfläche des Gehäuses ge- lagert oder einstückig damit ausgebildet ist, und einen koaxial angeordneten Rotor, typischerweise innerhalb des Stators mit ei- ne vertikalen rotierende Welle, die drehbar von dem Gehäuse ge- tragen wird und den Rotor fest und koaxial stützt. Im Rahmen dieser Erfindung beziehen sich die Begriffe „radial", „axial", „Drehrichtung" und „in Umfangsrichtung" auf die Dreh- achse des Rotors der Kolloidmühle.

Die Aussenfläche des Rotors und die Innenfläche des Stators sind jeweils mit einander gegenüberliegenden als Rippen ausgeführten Mahlzähnen versehen, die mit abwechselnd dazwischenliegenden Mulden durchsetzt sind, wobei sich die Rippen und Mulden im We- sentlich in axialer Richtung erstrecken und im Querschnitt im Wesentlichen eine rechteckige Formen aufweisen.

Ein mit einer solchen Geometrie ausgebildeter Pulverisierer ist beispielsweise als Stand der Technik in EP0122608A2 gezeigt.

Um den Durchsatz und die Zerkleinerungsleistung zu verbessern, wurden Kolloidmühlen mit Mahlzähnen versehen, deren Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Drehachse sägezahnförmig ist, also einen in etwa trapezförmigen oder dreieckigen Querschnitt auf- weist.

Mahlvorrichtungen mit derartigen Geometrien sind beispielsweise in CN 2291205Y, EP0775526A1, EP0605169 Al, EP0497526 A2 und EP0122608A2 offenbart.

Die im Vergleich zur der rechteckigen Form flachen Flanken der Mahlzähne bieten mehr Platz für das Produkt und können daher zu einem erhöhten Durchsatz führen.

Es hat sich gezeigt, dass es bei der Bearbeitung in einer Kollo- idmühle zu einer erheblichen Erwärmung des bearbeiteten Materi- als kommt, was sich negativ auf das Produkt auswirken kann, ins- besondere, wenn es sich um ein wärmeempfindliches Lebensmittel- produkt oder ein pharmakologisches Produkt handelt. Es besteht daher die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu überwinden und insbesondere eine Kolloidmühle, eine Anlage, ein Verfahren, einen Rotor und einen Stator bereit zu stellen, die eine effiziente Zerkleinerung unter einer möglichst geringen Temperaturerhöhung erlauben.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine Kolloidmühle, eine Anlage, ein Verfahren, einen Rotor und einen Stator nach den unabhängigen Patentansprüchen.

Die erfindungsgemässe Kolloidmühle dient zur Verringerung einer Teilchengröße von in einer ersten Flüssigkeit suspendierten Par- tikeln und/oder zur Verringerung einer Tröpfchengröße in einer ersten Flüssigkeit emulgierten zweiten Flüssigkeit, wobei die erste Flüssigkeit insbesondere eine fettbasierte Masse ist.

Bei der fettbasierten Masse kann es sich um Fett oder Öl han- deln. Die fettbasierte Masse enthält insbesondere Kakaobutter.

Bei den Partikeln kann es sich um Feststoffe wie Zuckerpartikel, Nüsse, Früchte und/oder Kerne handeln. Die Partikel erfahren in der Kolloidmühle eine Nassvermahlung.

Die Partikel können derart fetthaltig sein, dass keine Flüssig- keit hinzugefügt werden muss, und die kleiner werdenden Partikel in dem eigenen Fett, das als erste Flüssigkeit betrachtet werden kann, emulgiert werden.

Die Kolloidmühle weist mindestens einen Rotor und mindestens ei- nem Stator auf, die koaxial ineinander angeordnet sind. Vorzugs- weise ist der Rotor innerhalb des Stators angeordnet oder kann innerhalb des Rotors angebracht werden. Alternativ ist auch denkbar, dass sich der Rotor um den Stator dreht.

Der Rotor kann eine drehbare Welle aufweisen oder mit einer drehbaren Welle verbindbar sein, die von einer Antriebseinrich- tung in Rotation versetzt wird.

Die Kolloidmühle besitzt bevorzugt mindestens einen Materialein- lass zum Einführen von Partikeln, einer Flüssigkeit, einer Sus- pension und/oder Emulsion an einer ersten axialen Seite und min- destens einen Produktauslass zum Wegführen der Suspension oder Emulsion an einer zweiten axialen Seite. Die Kolloidmühle kann somit in axialer Richtung von dem zu bearbeitenden Material durchströmt werden.

Der Materialeinlass kann trichterförmig ausgeführt sein, so dass das Material unter dem Einfluss der Schwerkraft in den Mahlraum zwischen Rotor und Stator gelangt.

Der mindestens eine Rotor weist eine dem Stator zugewandte oder zuzuwendende Rotormahlfläche auf und/oder der mindestens eine Stator weist eine dem Rotor zugewandte oder zuzuwendende Stator- mahlfläche auf.

Die Rotormahlfläche weist mindestens einen Mahlzahn mit einer Scherfläche und/oder Scherkante auf, dessen Querschnittsfläche in einer zur Drehachse senkrechten Ebene sich in radialer Rich- tung zur gegenüberliegenden oder gegenüberliegend anzuordnenden Statormahlfläche hin verjüngt.

Bei einem Mahlzahn handelt es sich um einen erhabenen Bereich, der von einer Bodenfläche des Rotors oder Stators absteht. Der erhabene Bereich weist eine Fläche und/oder eine Kante auf, die im montierten Zustand zu der gegenüberliegenden Mahlfläche einen kürzesten Abstand besitzt. Diese Fläche und/oder die Kante sorgen für die Scherung des Materials und bilden daher die Scherfläche und/oder Scherkante.

Die Querschnittsfläche besitzt einen, bevorzugt geradlinigen, ersten Schenkel, der sich an eine in Umlaufrichtung verlaufende Grundseite der Querschnittsfläche anschliesst. Der erste Schen- kel weist in Drehrichtung des Rotors. Das heisst, der erste Schenkel begrenzt die Seite der Querschnittsfläche, die zu der Drehrichtung hinweist. Bei einer Drehung des Rotors wird der erste Schenkel gegen das in der Kolloidmühle befindliche Materi- al bewegt.

Bevorzugt liegt der erste Schenkel auf einer Seitenfläche des Mahlzahns, die in die Drehrichtung des Rotors weist.

Der erste Schenkel schliesst mit der Grundseite einen Winkel ein, der in einem Bereich von 80°-100°, bevorzugt von 85°-95° liegt. Die Grundseite liegt bevorzugt auf einem Kreis um die Drehachse.

Bevorzugt liegt der erste Schenkel auf einer radialen Linie durch die Drehachse und schliesst mit der Grundseite einen rech- ten Winkel ein.

Alternativ oder zusätzlich weist die Statormahlfläche mindestens einen Mahlzahn mit einer Scherfläche und/oder Scherkante auf, dessen Querschnittsfläche in einer zur Drehachse senkrechten Ebene sich in radialer Richtung zur gegenüberliegenden oder ge- genüberliegend anzuordnenden Rotormahlfläche hin verjüngt. Die Querschnittsfläche besitzt einen, bevorzugt geradlinigen, zweiten Schenkel, der sich an eine in Umlaufrichtung verlaufende Grundseite der Querschnittsfläche anschliesst. Der zweite Schen- kel weist von der Drehrichtung des Rotors weg. Das heisst, der zweite Schenkel begrenzt die Seite der Querschnittsfläche, die von der Drehrichtung weg weist. Der zweite Schenkel kann also bei einer Drehung des Rotors von mitbewegtem Material angeströmt werden.

Bevorzugt liegt der zweite Schenkel auf einer Seitenfläche des Mahlzahns, die von der Drehrichtung des Rotors weg weist.

Der zweite Schenkel schliesst mit der Grundseite einen Winkel ein, der in einem Bereich 80°-100°, insbesondere von 85°-95° liegt. Die Grundseite liegt bevorzugt auf einem Kreis um die Drehachse.

Bevorzugt liegt der zweite Schenkel auf einer radialen Linie durch die Drehachse und schliesst mit der Grundseite einen rech- ten Winkel ein.

Der Winkel zwischen Schenkel und der gekrümmten Grundseite wird zwischen dem Schenkel und der Tangente gebildet, die am Schnitt- punkt von Schenkel und Grundseite an der Grundseite anliegt.

Da sich die Querschnittsfläche des Mahlzahns am Rotor und/oder Stator radial verjüngt, ergibt sich eine asymmetrische Quer- schnittsfläche. Es gibt keine radiale Linie, gegenüber der eine Spiegelsymmetrie der Querschnittsfläche besteht. Die Quer- schnittsfläche des Mahlzahns am Rotor und/oder Stator weist eine steile Flanke, nämlich durch den Schenkel, der mit der Grundflä- che einen Winkel von 85-95° einschliesst, und eine flache Flanke auf.

Bevorzugt weisen die Rotormahlfläche und/oder die Statormahlflä- che eine Mehrzahl von Mahlzähnen auf, die insbesondere in Um- fangsrichtung gleiche Abstände haben.

Die Verjüngung der Querschnittsfläche bewirkt, dass sich Rotor und Stator nur auf einem vergleichsweise kleinen Teil der Um- fangsfläche sehr nahe kommen. Die Scherkräfte zwischen Rotor und Stator sind daher kleiner als bei einer Kolloidmühle mit her- kömmlichen rechteckigen Mahlzahnquerschnittsflächen.

Das Material erwärmt sich daher weniger.

Gleichzeitig sorgen die steilen Flanken für ein effektives Zer- kleinern.

Rotor und Stator können so ausgebildet sein, dass die Rotormahl- fläche und die Statormahlfläche im Wesentlichen zylindrisch oder konisch ausgebildet sind. Die Kolloidmühle kann so ausgebildet sein, dass die Drehachse im Betrieb vertikal angeordnet ist und die Kolloidmühle von oben nach unten durchströmt werden kann.

Der Radius des Mahlspalts zwischen Rotor und Stator kann in Durchflussrichtung, insbesondere nach unten, grösser werden.

Der oder die Mahlzähne können als Rippe ausgebildet sein und entlang der Stator- und/oder Rotormahlfläche in axialer Richtung auf kürzestem Weg verlaufen oder geneigt sein. Bei geneigten Mahlzähnen schliesst die Längsausdehnung der Rippe mit einer Umfangslinie senkrecht zur Drehachse oder mit der Drehrichtung einen Winkel von ungleich 90° ein.

Geneigte Mahlzähne begünstigen den Transport des Materials durch die Kolloidmühle.

Die Kolloidmühle kann in axialer Richtung zwei oder mehr Ab- schnitte unterschiedliche Neigung der Mahlzähne aufweisen. Von einem Abschnitt zum nächstliegenden Abschnitt können sich der Grad der Neigung und/oder die Neigungsrichtung ändern.

Die Kolloidmühle kann in axialer Richtung zwei oder mehr Ab- schnitte unterschiedlicher Grösse und/oder Dichte der Mahlzähne auf dem Umfang aufweisen.

Bevorzugt weist die Kolloidmühle einen, zwei oder drei Abschnit- te auf.

Die Kolloidmühle kann auf der Seite des Materialeinlasses einen axialen Abschnitt aufweisen, in welchem der Rotor keine in Um- fangsrichtung geschlossene Rotormahlfläche aufweist. Die Rotor- fläche kann in diesem Bereich in Axialrichtung weisende Arme aufweisen, zum Beispiel drei oder mehr Arme, auf denen sich Mahlzähne befinden können.

Die Kolloidmühle weist bevorzugt eine Antriebseinrichtung auf, die für eine Rotorumdrehung von 2500-3500rpm, insbesondere 2900- 3000 rpm, bei einer Frequenz von 50Hz, sorgt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform bildet die Querschnitts- fläche von mindestens einem Mahlzahn ein Mehreck, insbesondere ein Viereck, das eine längere in Umfangsrichtung verlaufende Grundseite und eine zur ersten Grundseite parallele kürzere Grundseite aufweist.

Die Querschnittsfläche ist in diesem Fall annähernd trapezför- mig.

Die kürzere Grundseite liegt bevorzugt auf einem Kreis um die Drehachse, weist somit in radiale Richtung. Die kürzere Grund- seite der Querschnittsfläche liegt auf einer Scherfläche des Mahlzahns.

Die kürzere Grundseite hat einen Abstand von einer Bodenlinie, die einen Kreis um die Drehachse bildet und auf welcher die grössere Grundseite liegt.

Alternativ oder zusätzlich bildet die Querschnittsfläche von mindestens einem Mahlzahn ein Mehreck, insbesondere ein Dreieck, dessen Spitze zur gegenüberliegenden Mahlfläche oder gegenüber- liegend anzuordnenden Mahlfläche weist. Die Spitze des Dreiecks liegt auf einer Scherkante des Mahlzahns.

Bei einer Spitze handelt es sich um eine Ecke des Vielecks, an welcher die angrenzenden Seiten ein Winkel von kleiner gleich 90° einschliessen.

Bei dem Dreieck kann es sich um ein rechtwinkliges Dreieck han- deln, wobei die Hypotenuse eine flache Flanke der Mahlzahnquer- schnittsfläche bildet.

Alternativ sind auch andere Querschnittsflächen denkbar, insbe- sondere solche, die eine längere, auf einer Bodenlinie der Mahl- fläche liegende Grundseite und eine davon beabstandete, insbe- sondere parallel zur längeren Grundseite verlaufende, kürzere Grundseite aufweisen, welche auf einer Scherfläche liegt, oder solchen, die eine in radiale Richtung weisende Spitze aufweisen.

Die Querschnittsfläche kann zum Beispiel fünfeckig oder mehr- eckig sein. Die flachere Flanke des Mahlzahns kann facettiert sein.

Der mindestens eine Mahlzahn der Rotor- und/oder Statormahlflä- che ist bevorzugt als Rippe ausgebildet, bei welcher die Grösse der Querschnittsfläche entlang ihrer Längsausdehnung konstant bleibt.

Alternativ oder zusätzlich können Querschnittsflächen ihre Grös- se entlang der Durchflussrichtung ändern, zum Beispiel in Durch- flussrichtung, also in einer Richtung von dem Materialeinlass zu dem Produktauslass, grösser werden.

Die Rippen nehmen dann in Durchflussrichtung zunehmend Platz zwischen Stator und Rotor ein, sodass die Durchgangsfläche für das Material in einer Ebene senkrecht zur Drehachse in Durch- flussrichtung abnimmt.

Der kürzeste Abstand zwischen der Rotormahlfläche und der Statormahlfläche kann in einem Bereich von 0.05mm bis 1.2mm lie- gen.

Der kürzeste Abstand kann als Breite eines Mahlspalts zwischen Rotor und Stator betrachtet werden.

Der kürzeste Abstand zwischen der Rotormahlfläche und der Statormahlfläche liegt zwischen der Scherfläche oder Scherkante des Rotors und der Scherfläche oder Scherkante des Stators. Bevorzugt liegt der kürzeste Abstand zwischen der Rotormahlflä- che und der Statormahlfläche in einer Ebene senkrecht zur Dreh- achse zwischen der kürzeren Grundseite einer viereckigen Quer- schnittsfläche oder der Spitze einer dreieckigen Querschnitts- fläche am Mahlzahn der Statormahlfläche und der kürzeren Grund- seite einer viereckigen Querschnittsfläche oder der Spitze einer dreieckigen Querschnittsfläche am Mahlzahn der Rotormahlfläche.

Der kürzeste Abstand kann in axialer Richtung konstant bleiben oder sich in axialer Richtung verändern, beispielsweise kleiner werden.

Der kürzeste Abstand kann während der Bearbeitung konstant blei- ben. Der Mahlspalt kann veränderbar sein, zum Beispiel durch ei- ne gegenseitige axiale Verschiebung von Rotor und Stator.

Bei einer Kolloidmühle mit Querschnittsfläche eines Mahlzahns der Rotor- und der Statormahlfläche mit einer kürzeren Grundsei- te, die zu einer auf der Bodenlinie liegenden längeren Grundsei- te parallel verläuft, kann der Wert einer Shearing Surface Rate (SSR) kleiner als 0.25, insbesondere kleiner als 0.07, sein.

Der Wert der Shearing Surface Rate (SSR) gibt das Produkt an aus dem Anteil der kleineren Grundseiten der Querschnittsflächen von Mahlzähnen der Rotormahlfläche an dem Umfang eines Kreises, den eine Bodenlinie der Rotormahlfläche um die Drehachse bildet und dem Anteil der kleineren Grundseiten der Querschnittsflächen von Mahlzähnen an dem Stator an dem Umfang eines Kreises, den die Bodenlinie der Statormahlfläche um die Drehachse bildet.

Eine Shearing Surface Rate (SSR) kann für alle Rotoren und Sta- toren berechnet werden, die eine in Radialrichtung weisende Scherfläche aufweisen. Deren Mahlzähne besitzen eine Quer- schnittsfläche mit einer von einer Bodenlinie beabstandeten und in Radialrichtung weisenden Grundseite.

Die Bodenlinie verbindet die Querschnittsflächen der Mahlzähne. Beispielsweise liegen die längeren Grundseiten von Querschnitts- vierecken auf dem Kreis, den die Bodenlinie bildet.

Je kleiner der Wert der Shearing Surface Rate (SSR) ist, desto kleiner ist der Bereich in der Kolloidmühle, in welchem Scherung stattfindet und desto weniger erfolgt eine Erwärmung des Materi- als.

Die Kolloidmühle kann ein Gehäuse aufweisen, das fest mit dem Stator verbunden ist. Die Kolloidmühle kann alternativ ein Ge- häuse aufweisen, wobei der Stator und das Gehäuse nicht aus ei- nem Stück gefertigt sind und der Stator insbesondere austausch- bar ist. Der Stator kann als Statorinnenmantel ausgebildet sein, der aus dem Gehäuse entfernbar und austauschbar ist. Nach einer Abnutzung kann zum Beispiel der Stator entnommen und in demsel- ben Gehäuse durch einen neuen oder aufgearbeiteten Stator er- setzt werden.

Genauso kann vorgesehen sein, dass der Rotor als Austauschteil vorgesehen ist. Dazu kann die Rotormahlfläche an einem Rotorman- tel ausgebildet sein, der austauschbar an der Rotorwelle befes- tigt werden kann. Alternativ kann der Rotor zusammen mit der Welle demontiert und ausgetauscht werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ausserdem ge- löst durch eine Anlage zur Verarbeitung von Lebensmittelmassen, bevorzugt enthaltend fettbasierte Massen. Di Anlage umfasst eine Kolloidmühle wie oben beschrieben. Die Kolloidmühle ist insbe- sondere einer Kugelmühle vorgelagert und/oder die Kolloidmühle ist insbesondere einem Mischer nachgeordnet.

Die Anlage kann eine Conche aufweisen, die in Prozessrichtung vor oder nach der Kolloidmühle platziert sein kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ausserdem ge- löst durch ein Verfahren zur Verringerung der Teilchengröße von in einer ersten Flüssigkeit suspendierten Partikeln und/oder der Tröpfchengrösse von einer in einer ersten Flüssigkeit emulgier- ten zweiten Flüssigkeit, wobei die erste Flüssigkeit insbesonde- re eine Fettmasse ist, in einer Kolloidmühle wie sie vorgehend beschrieben ist.

Dabei wird Material zum Bilden einer Suspension oder Emulsion von einem ersten axialen Ende der Kolloidmühle zu dem zweiten axialen Ende der Kolloidmühle zwischen der Rotormahlfläche und der Statormahlfläche entlang geführt.

Die Temperatur des Materials erhöht auf dem Weg durch die Kollo- idmühle um weniger als 40°C.

Die Fläche zwischen den Querschnittsflächen zweier in Umfangs- richtung benachbarter Mahlzähne auf der Statormahlfläche und/oder der Rotormahlfläche in einer Ebene senkrecht zur Dreh- achse kann Platz bieten für die Querschnittsflächen von 3-10 Partikeln und/oder Tröpfchen, wie sie der Kolloidmühle hinzuge- fügt werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ausserdem ge- löst durch einen Rotor für Kolloidmühle wie oben beschrieben, wobei der Rotor eine einem Stator zuzuwendende Rotormahlfläche aufweist. Die Rotormahlfläche weist mindestens einen Mahlzahn mit einer Scherfläche und/oder Scherkante auf, dessen Querschnittsfläche in einer zur Drehachse senkrechten Ebene sich in radialer Rich- tung, zur im montierten Zustand gegenüberliegenden Statormahl- fläche hin, verjüngt.

Die Querschnittsfläche weist einen, bevorzugt geradlinigen, ers- ten Schenkel auf, der sich an eine in Umlaufrichtung verlaufende Grundseite der Querschnittsfläche anschliesst. Der ersten Schen- kel weist in die Drehrichtung des Rotors, welche im montierten Zustand vorgesehen ist. Der ersten Schenkel schliesst mit der Grundseite einen Winkel von 80°-100°, bevorzugt von 85-95°, ein.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ausserdem ge- löst durch einen Stator für Kolloidmühle wie oben beschrieben, wobei der Stator eine dem Rotor zuzuwendende Statormahlfläche aufweist. Die Statormahlfläche weist mindestens einen Mahlzahn mit einer Scherfläche und/oder Scherkante auf, dessen Quer- schnittsfläche in einer zur Drehachse senkrechten Ebene sich in radialer Richtung, zur im montierten Zustand gegenüberliegenden Rotormahlfläche hin, verjüngt. Die Querschnittsfläche weist ei- nen, bevorzugt geradlinigen, zweiten Schenkel auf, der sich an eine in Umlaufrichtung verlaufende Grundseite der Querschnitts- fläche anschliesst, der entgegen der Drehrichtung des Rotors, welche im montierten Zustand vorgesehen ist, weist. Der zweiten Schenkel schliesst mit der Grundseite einen Winkel von 80°-100°, bevorzugt von 85-95°ein.

Die Erfindung wird nachfolgend erläutert unter Bezugnahme auf die Beschreibung spezifischer Ausführungsformen und die entspre- chenden Zeichnungen. Es zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung einer Detailansicht eines ersten Beispiels für einen Stator und einen Rotor in Draufsicht;

Figur 2 schematische Darstellungen von Detailansichten in Draufsicht eines zweiten Beispiels für einen Sta- tor und einen Rotor in zwei verschiedenen Positio- nen zueinander;

Figur 3 schematische Darstellungen in Draufsicht von De- tailansichten verschiedener Konfigurationen für Mahlzähne auf einem Stator und einem Rotor;

Figuren 4a-4e schematische Darstellungen in Draufsicht weiterer Beispiele für einen Stator und einen Rotor;

Figuren 5a-5c schematische Darstellungen in Draufsicht weiterer Beispiele für einen Stator und einen Rotor;

Figur 6a Ergebnisse für Fliessgeschwindigkeiten, die für zwei Beispielprofile berechnet wurden;

Figur 6b Ergebnisse für Scherraten, die für die Beispiel- profile gemäss Figur 6a berechnet wurden;

Figur 7a ein Beispiel für einen Rotor in perspektivischer Ansicht;

Figur 7b ein Beispiel für einen Stator in perspektivischer Ansicht ;

Figur 8 eine schematische Ansicht einer Anlage.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Detailansicht eines ersten Beispiels für einen Rotor 1 und einen Stator 2 in Draufsicht. Der Rotor 1 und der Stator 2 sind die koaxial inei- nander angeordnet, wobei der Rotor 1 innerhalb des Stators 2 an- geordnet ist und sich in einer Drehrichtung 15 gegen den Stator 2 dreht. Der Rotor 1 weist eine dem Stator 2 zugewandte Rotormahlfläche 3 auf und der Stator 2 weist eine dem Rotor 1 zugewandte Stator- mahlfläche 4 auf.

Die Rotormahlfläche 3 besitzt Mahlzähne 5a mit einer Scherfläche 6, deren Querschnittsflächen 8a in einer zur Drehachse D senk- rechten Ebene , wie sie in der Figur gezeigt ist, sich in radia- ler Richtung (Ra) zur gegenüberliegenden Statormahlfläche 4 hin verjüngt. Die Querschnittsfläche 8a weist einen geradlinigen ersten Schenkel 14a auf, der sich an eine in Umlaufrichtung 15 verlaufenden Grundseite 11a der Querschnittsfläche 8a an- schliesst, der in Drehrichtung 15 des Rotors 1 weist. Der erste Schenkel 14a schliesst mit der Grundseite 11a einen Winkel von 90° ein.

Die Querschnittsflächen 8a der Mahlzähne 5a am Rotor 1 bilden jeweils ein Viereck. Dieses hat eine längere, in Umfangsrichtung verlaufende Grundseite 11a und eine zur ersten Grundseite paral- lele kürzere Grundseite 12a, die auf der Scherfläche 6 des je- weiligen Mahlzahns 5a liegt.

Die Statormahlfläche 4 weist Mahlzähne 5b mit einer Scherkante 7 auf, deren Querschnittsfläche 8b in einer zur Drehachse (D) senkrechten Ebene sich in radialer Richtung Rb zur gegenüberlie- genden Rotormahlfläche 3 hin verjüngt.

Die Querschnittsfläche 8b weist einen geradlinigen zweiten Schenkel 14b auf, der sich an eine in Umlaufrichtung verlaufen- den Grundseite 11b der Querschnittsfläche 8b anschliesst. Der zweite Schenkel 14b weist entgegen die Drehrichtung 15 des Ro- tors (1). Der zweite Schenkel 14b schliesst mit der Grundseite 11b einen Winkel β von 90° ein. Die Querschnittsflächen 8b der Mahlzähne 5b am Stator bilden je- weils ein Dreieck, dessen Spitze in radiale Richtung Rb weist und eine Scherkante 7 bildet.

Figur 2 zeigt schematische Darstellungen von Detailansichten in Draufsicht eines zweiten Beispiels für einen Stator 2 und einen Rotor 1 in zwei verschiedenen Positionen zueinander, wobei sich der Rotor 1 beim zweiten Bild in Drehrichtung weiterbewegt hat.

Zwischen Rotor 1 und Stator 2 befindet sich das zu bearbeitende Material 102.

Der Rotor 1 weist Mahlzähne 5a und der Stator Mahlzähne 5b auf, deren Querschnittsflächen in beiden Fällen viereckig sind.

Der kürzeste Abstand 17 zwischen der Rotormahlfläche 3 und der Statormahlfläche 4 ergibt sich durch den Abstand 17 der Mahlzäh- ne 5a und 5b, wenn diese genau gegenüberliegen, wie es dem zwei- ten Bild gezeigt ist. Da sich die Querschnittsflächen 8a, 8b ra- dial verjüngen, nimmt der Scherspalt, der durch den Bereich de- finiert wird, in welchem das Material 102 den kürzesten Abstand 17 passieren muss, nur einen vergleichsweise kurzen Längenanteil der gesamten Umfangslinie ein.

Der Wert der Shearing Surface Rate (SSR) gibt das Produkt an aus dem Anteil der kleineren Grundseiten 12a der Querschnittsflächen 8a von Mahlzähnen 5a der Rotormahlfläche 3 an dem Umfang eines Kreises, den eine Bodenlinie 16a der Rotormahlfläche 3 um die Drehachse bildet und dem Anteil der kleineren Grundseiten 12b der Querschnittsflächen 8b von Mahlzähnen 5b an dem Stator 2 an dem Umfang eines Kreises, den die Bodenlinie 16b der Statormahl- fläche 4 um die Drehachse bildet. Wenn die Mahlzähne 5a, 5b gleichmässig über den Umfang verteilt sind, reicht es, nur jeweils einen Mahlzahn 5a, 5b zu betrachten und die Längen s1+b1 und s2+b2, welche den jeweils den Abstand der steilen Flanken beschreiben, wobei sl und s2 die Länge der kurzen Grundseiten 12a und 12b sind. In diesem Fall ergibt sich die Shearing Surface Rate zu s1/(s1+b1) * s2/(s2+b2).

Ausgehend von der der Shearing Surface Rate SSR kann die Dissi- pation und der Temperaturanstieg berechnet werden.

Die Dissipation ergibt sich zu wobei sich die Scherrate berechnet aus und das Volumen im Mahlspalt angenommen wird als

Eingesetzt ergibt sich

Daraus kann der Temperaturanstieg bestimmt werden zu

Hierbei sind n die Rotationsgeschwindigkeit in rpm, R ₁ der In- nenradius des Stators in m (siehe Fig. 5c), R ₂ der Aussenradius des Rotors in m (siehe Fig. 5c) , h der kürzestes Abstand 17, die Flussrate in kg/h, h die Viskosität der Masse und c _p die spezifische Wärmekapazität in J/kg/K.

Die Temperaturerhöhung hängt also linear von der Shearing Surface Rate ab.

Figur 3 zeigt schematische Darstellungen in Draufsicht von De- tailansichten verschiedener Konfigurationen für einen Stator und einen Rotor, wobei für jede Konfiguration in der oberen Hälfte der Stator 2 und in der unteren Hälfte der Rotor 1 dargestellt ist.

Konfigurationen 1 und 2 zeigen herkömmliche Querschnittsflächen von Mahlzähnen, die sich nicht radial verjüngen. Die entspre- chenden Werte für die Shearing Surface Rate SSR sind gross.

Je mehr sich die Querschnittsflächen 8a, 8b radial verjüngen, desto kleiner wird der Wert für die Shearing Surface Rate SSR.

Figuren 4a-4e zeigen schematische Darstellungen in Draufsicht weiterer Beispiele für einen Stator 2 und einen Rotor 1, der ko- axial innerhalb des Stators 2 angeordnet ist.

Die Beispiele haben jeweils andere Abstände 18 zwischen den Bo- denlinien 16a, 16b, andere kürzeste Abstände 17 zwischen gegen- überliegenden Mahlzähnen 5a, 5b, eine unterschiedliche Anzahl von Mahlzähnen 5a, 5b.

Im Beispiel nach Fig. 4b schliessen sich die Mahlzähne 5a, 5b jeweils ohne Abstand aneinander an.

Gemäss Fig. 4c haben die Mahlzähne 5a, 5b jeweils in Umfangs- richtung einen relativ grossen Abstand 19a, 19b voneinander. Gemäss Fig. 4d bilden nur die Schenkel 14a der Mahlzähne 5a des Rotors 1 eine steile Flanke.

Gemäss Fig. 4e haben die Mahlzähne 5a, 5b des Stators 2 und des Rotors 1 jeweils dreieckige Querschnittsflächen 8a, 8b, deren Spitzen 9 zur jeweils gegenüberliegenden Mahlfläche 3, 4 weisen.

Figuren 5a-4c schematische Darstellungen in Draufsicht weiterer Beispiele für einen Stator 2 und einen Rotor 1.

Der Abstand 18 zwischen den Bodenlinien 16a und 16b (siehe Figur 5a), die Anzahl der Mahlzähne 5a auf dem Rotor 1 und die radiale Ausdehnung 20 der Rotormahlzähne 5a sind so gewählt, dass die Fläche 21 zwischen den Querschnittsflächen 8a zweier in Umfangs- richtung benachbarter Mahlzähnen 5a in einer Ebene senkrecht zur Drehachse, wie sie in den Figuren dargestellt ist, Platz bietet für die Querschnittsflächen 100 von 3-10 Partikeln 101.

Die Querschnittsflächen 8a der Mahlzähne 5a des Rotors umfassen bevorzugt einen Anteil von kleiner 50% an einem Kreisring mit Innenradius R ₃ und Aussenradius R2, wobei der Innerradius R ₃ der Abstand der Bodenlinie 16a zur Drehachse ist und der Aussenra- dius R ₂ der Abstand der kürzeren Grundseite 12a zur Drehachse ist, also dem Aussenradius des Rotors 1 entspricht (siehe Figur 5c).

Die Querschnittsflächen 8b umfassen bevorzugt einen Anteil von kleiner 50% an einer Kreisring mit Innenradius Ri und Aussenradi- us R ₄ , wobei der Innerradius R ₁ der Abstand der der kürzeren Grundseite 12b zur Drehachse ist, somit dem Inneradius des Staors 2 entspricht, und der Aussenradius R ₄ der Abstand der Bo- denlinie 16b zur Drehachse ist(siehe Figur 5a). Figur 6a zeigt Ergebnisse für Fliessgeschwindigkeiten von Mate- rial 102 zwischen Mahlzähnen 5a, 5b, die für zwei Beispielprofi- le berechnet wurde. Das linke Bild entspricht der Konfiguration 3 aus Fig. 3, das rechte Bild der Konfiguration 2 aus Fig. 3.

Die Fliessgeschwindigkeiten, die durch unterschiedliche Einfär- bung angezeigt sind, wurden durch eine Computersimulation der Fluiddynamik nach dem Herschel-Bulkley Modell gewonnen.

Es zeigt sich, dass mit dem erfindungsgemässen Profil (linkes Bild) und kleinem SSR Wert grössere Gebiete mit höheren Ge- schwindigkeiten erzielt werden als für ein herkömmliches Profil (rechtes Bild). Das spricht für einen höheren Stoffaustausch und eine bessere Zerkleinerungswirkung.

Figur 6b zeigt Ergebnisse für Scherraten von Material 102 zwi- schen Mahlzähnen 5a, 5b, die für die Beispielprofile gemäss Fi- gur 6a berechnet wurden.

Die Scherraten, die durch unterschiedliche Einfärbung angezeigt sind, wurden durch eine Computersimulation der Fluiddynamik nach dem Herschel-Bulkley Modell gewonnen.

Es zeigt sich, dass mit dem erfindungsgemässen Profil (linkes Bild) und kleinem SSR Wert kleinere Gebiete mit höheren Scherra- ten erzielt werden als für ein herkömmliches Profil (rechtes Bild). Das spricht für eine geringere Erwärmung des Materials 102.

Figur 7a zeigt ein Beispiel für einen Rotor 1 in perspektivi- scher Ansicht. Der Rotor 1 hat eine konische Grundform.

Die Mahlzähne 5a auf der Rotormahlfläche 3 sind als Rippen 13 ausgebildet, die mit der Drehrichtung 15 einen Winkel yl von kleiner 90° einschliessen, die also geneigt sind.

Figur 7b zeigt ein Beispiel für einen Stator 2 in perspektivi- scher Ansicht.

Die Statormahlfläche 4 hat eine konische Grundform.

Die Mahlzähne 5b sind als Rippen 13 ausgebildet, die mit der Drehrichtung 15 einen Winkel y2 von kleiner 90° einschliessen.

Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt Ergebnisse für die Zerkleine- rung von Erdnüssen mit einer konventionellen Kolloidmühle, die Mahlzähne gemäss der Konfiguration 3 aus Fig. 3 aufweist. Erd- nüsse weisen einen hohen Fettanteil, etwa 49%, auf, sodass eine Fettzugabe nicht notwendig ist.

Tab. 1

Aufgelistet sind der kürzeste Abstand 17oder Mahlspalt (hier „gap" genannt), die Durchflussrate in kg/h (hier „Flowrate" geannt), die Leistung in kW (hier „power" geannt), die Temperatur des Materials am Materialeinlass („Inlet") und die Temperatur des Materials am Produktauslass („outlet") in °C, die Differnez dazwischen und ausserdem der Enegeriverbrauch („energy consumption") in kW/t. Das Material erwämt sich je nach Mahlspalt um mehr als 40°C.

Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt Ergebnisse für die Zerkleine- rung von Erdnüssen mit einer erfindungsgemässen Kolloidmühle.

Tab. 2 Es sind die gleichen Werte wie in Tabelle 1 aufgetragen und ausserdm noch die Reduktion des Temperaturunterschiedes im Vergleich zur herkömmlichen Kolloidmühle bei gleichem Mahlspalt.

Es ist gut erkenntlich, dass nicht nur eine geringere Erwärmung auftritt, sondern auch eine höherer Druchflusssind eine geringerer Energieverbrach.

Figur 8 zeigt eine schematische Ansicht einer Anlage 70, die ei- nen Mischer 60, eine Kolloidmühle 40 und eine Kugelmühle 50 um- fasst.