Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mahlverfahren zur Zerkleinerung von Partikeln in einer Flüssigkeit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Mahlvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Kleine Partikel werden beispielsweise für die Herstellung von Farbstoffen benötigt. Um gewünschte Partikel-Grössenverteilungen zu erzielen werden häufig Kugelmühlen verwendet.

EP 0 290 840 A2 beschreibt eine Kugelmühle, bei der in einem Statorgehäuse ein Rotor um eine zentrale Längsachse drehbar gelagert ist. Das Gehäuse umfasst Statorscheiben, die sich von äusseren um die Längsachse verlaufenden Umfangsbereichen des Gehäuses nach innen gegen die Längsachse erstrecken. Zwischen direkt benachbarten Stator scheiben sind jeweils Rotorscheiben ausgebildet, die gemeinsam um die Längsachse drehbar sind. Zwischen benachbarten Statorscheiben sind um die dort angeordnete Rotorscheibe herum Mahlspalte gebildet, die sich in Schnittebenen durch die Längsachse serpentinenartig aneinanderfügen. Im Betrieb können Kugeln in Spaltserpentinen zurückgehalten werden. Die Bewegungen zwischen Kugeln und zwischen Kugeln und Scheiben führen im Mahlgut zur Verkleinerung der darin enthaltenen Partikel. Die

Mahlleistung ist aber für spezifische Anwendungen nicht genügend.

US 2 613 036 und GB 689 453 beschreiben Mahlvorrichtungen bei denen ein Gehäuse mit Kugeln um eine Längsachse drehbar und in Richtung der Längsachse und/oder senkrecht dazu in eine Vibrationsbewegung versetzbar ist. GB 689 453 und auch US 2 693 320 zeigen je eine Ausführungsform bei der zwei Gehäuse mit Kugeln über eine Feder gekoppelt in Richtung der Längsachse in Vibration versetzbar sind. GB 1 115 515 zeigt eine Lösung bei der ein in Vibration versetzbares Gehäuse im Innern eine Vielzahl von Rohren mit Mahl kugeln umfasst. Zur Erzeugung von kleinen Partikeln für Farben sind diese Lösungen ungeeignet.

US 5 246 173 beschreibt eine Kugelmühle mit einem rohrförmigen Gehäuse und einem darin angeordneten, um die Rohrlängsachse drehbaren Rotor mit Rührelementen. Das Gehäuse wird von Halterungen getragen, die das Gehäuse über Exzenterantriebe in Vibrationsbewegung versetzen können. Die erzielte Partikelgrösse bei drehendem Rotor und Vibration ist kleiner als bei lediglich drehendem Rotor oder bei lediglich angewendeter Vibration. Die Verbesserung des Mahlvorgangs ist aber bei der beschriebenen Lösung relativ klein und zur Erzeugung von kleinen Partikeln für Farben ungeeignet. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Mahlverfahren und eine

Mahlvorrichtung bereitzustellen, mit denen eine verbesserte Mahlwirkung erzielbar ist.

Vorzugsweise sollen bei verringerter Energieaufnahme schnellere Dispergiervorgänge ermöglicht werden, die insbesondere auch zur Erzeugung von Partikeln für Farben einsetzbar sind.

Bei Farben besteht die Anforderung Partikel mit einer Grösse im Mikrometerbereich auf eine Grösse bis weit in den Nanometerbereich zu zerkleinern. Der Nanometerbereich ist bei Partikelgrössen von weniger als einem Mikrometer erreicht. Für gängige Farben müssen Partikelgrössen im Bereich von 200 bis 300 Nanometern liegen. Für spezielle Farben werden Partikelgrössen von 1 bis 50 Nanometern benötigt.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die ab hängigen Ansprüche beschreiben alternative bzw. vorteilhafte Ausführungsvarianten.

Beim Lösen der Aufgabe wurde in einem erfinderischen Schritt erkannt, dass der Mahlvorgang von Kugelmühlen mit einem Statorgehäuse, einem darin angeordneten Rotor und zwischen diesen Elementen eingeführten Mahlkugeln durch eine Optimierung von Strömungsverhältnissen verbessert werden kann. Diese Verbesserung wird dadurch erzielt, dass zusätzlich zur relativen Drehbewegung zwischen Rotor und Statorgehäuse zwischen diesen Elementen eine Translationsbewegung, beispielsweise eine Schwingung bzw.

Oszillation oder eine Vibration, entlang einer oder mehrerer Bewegungsachsen ausgeführt wird.

Zum Durchführen eines erfindungsgemässen Mahlverfahrens wird eine erfindungsgemässe Mahlvorrichtung eingesetzt, bei der zusätzlich zur relativen Drehbewegung zwischen dem Statorgehäuse und dem im Statorgehäuse angeordneten Rotor eine T ranslationsbewegung zwischen Rotor und Statorgehäuse, beispielsweise eine Schwingung bzw. Oszillation oder eine Vibration, entlang einer oder mehrerer Bewegungsachsen ausführbar ist. Die

Innenwandung des Statorgehäuses ist vom Rotor beabstandet. Dieser Abstand entspricht mindestens dem Durchmesser von während des Mahlvorgangs verwendeten Mahlperlen und beträgt vorzugsweise 0,05 bis 20 mm. Der Rotor und das Statorgehäuse bilden den Arbeitsbereich der Mahlvorrichtung.

Beim erfindungsgemässen Mahlverfahren zum Zerkleinern von Partikeln in einer Flüssigkeit wird eine Flüssigkeit mit Partikeln durch mindestens eine Mahlpassage zwischen dem Statorgehäuse und dem darin um eine Maschinenachse drehbar angeordneten ersten Rotor geführt. In der mindestens einen Mahlpassage werden während des Mahlvorgangs Mahlperlen verwendet und die Flüssigkeit mit den

Partikeln wird nach der mindestens einen Mahlpassage durch eine Trennvorrichtung geführt, welche Mahlperlen von den Partikeln und der Flüssigkeit trennt. Zwischen dem Statorgehäuse und dem ersten Rotor werden die relative Drehbewegung und die relative Translationsbewegung ausgeführt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Translationsbewegung zwischen dem Statorgehäuse und dem ersten Rotor in Richtung einer Maschinenachse.

Vorzugsweise wird der erste Rotor im Statorgehäuse in Richtung der Maschinenachse hin und her bewegt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Flüssigkeit mit Partikeln durch mindestens eine weitere Mahlpassage zwischen dem Statorgehäuse (14) und einem darin zusammen mit dem ersten Rotor um die Maschinenachse drehbar angeordneten zweiten Rotor geführt. In der mindestens einen weiteren

Mahlpassage werden während des Mahlvorgangs Mahlperlen verwendet. Die

Flüssigkeit mit den Partikeln wird nach der mindestens einen weiteren Mahlpassage durch eine Trennvorrichtung geführt, welche Mahlperlen von den Partikeln und der Flüssigkeit trennt. Zwischen dem Statorgehäuse und dem ersten sowie dem zweiten Rotor wird eine Translationsbewegung entlang der Maschinenachse ausgeführt, wobei der erste und der zweite Rotor bei der Translationsbewegung zueinander mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad in Richtung einer Maschinenachse bewegt werden. Vorzugsweise wird die phasenverschobene Bewegung durch eine mechanische Kopplung gewährleistet.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Rotor sowie der zweite Rotor als Hohlwelle ausgeführt und innerhalb des Statorgehäuses auf einem um die Maschinenachse drehbar gelagerten Rotorschaft in Richtung der Maschinenachse verschiebbar angeordnet, wobei ein Antriebsmittel den Rotorschaft und mit diesem den ersten und zweiten Rotor in eine Rotationsbewegung um die Maschinenachse versetzbar macht.

In einer weiteren Ausführungsform wird die phasenverschobene

Translationsbewegung der beiden Rotoren mit einer Antriebsvorrichtung und einer Verbindung der beiden Rotoren über mindestens einen Kniehebel erzielt, wobei sich der Kniehebel aus drei Elementen zusammensetzt, welche durch ein zweites Gelenk und ein viertes Gelenk miteinander, durch ein erstes Gelenk mit dem ersten Rotor, durch ein fünftes Gelenk mit dem zweiten Rotor und durch ein drittes Gelenk mit einer Halterung am Rotorschaft verbunden sind.

Eine vorteilhafte Antriebsvorrichtung für die Translationsbewegung umfasst eine am zweiten Rotor senkrecht zur Richtung der Maschinenachse angeordnete

ferromagnetische Scheibe sowie für eine Bewegung der ferromagnetischen Scheibe zumindest einen Elektromagneten. Für eine Rückstellbewegung sind ein erstes Federpaket mit dem ersten Rotor und ein zweites Federpaket mit dem zweiten Rotor sowie beide Federpakete je mit dem Rotorschaft verbunden. Vorzugsweise sind die Federkonstanten der Federpakete unter Berücksichtigung der Dämpfung, welche durch die Mahlperlen, die Flüssigkeit und weitere Dämpfungselemente gegeben ist, so gewählt, dass die beiden Rotoren bei einer vorgegebenen Frequenz in Resonanz schwingen, wobei der mindestens eine Elektromagnet insbesondere eine harmonische Schwingung und/oder stochastische Schläge generierbar macht.

Vorzugsweise wird die Amplitude und die Frequenz der Translationsbewegung bzw. der Schwingung oder Vibration mit einer Messung eines Abstandswertes und/oder eines Beschleunigungswertes optimiert.

Um eine Drehzahldifferenz zwischen dem Rotor und dem Statorgehäuse zu erreichen, ist der Rotor oder das Statorgehäuse über ein erstes Antriebsmittel mit einer Drehzahl n1 drehbar. Wenn der Rotor bewegt wird, kann das Statorgehäuse über ein zweites

Antriebsmittel mit einer Drehzahl n2 rotiert werden. Die Drehzahl n1 wird üblicherweise kleiner gewählt als die Drehzahl n2. Dabei beträgt n2 maximal 40.000 Umdrehungen pro Minute und n1 nimmt einen maximalen Wert von 20.000 Umdrehungen pro Minute ein. Die Minimalwerte für n1 und n2 betragen Null, wenn der Rotor und das Statorgehäuse still stehen. Möglich ist auch, dass sich der Rotor und das Statorgehäuse mit gleicher Drehzahl drehen, d.h. n2 - n1 = 0.

Auf Dauer kann n1 > n2 sein. Im Falle einer Blockade der Mahlvorrichtung durch die Mahlperlen bei hoher radialer Beschleunigung kann die Drehzahl des Rotors gegenüber der Drehzahl des Statorgehäuses erhöht werden. Das bedeutet, dass n1 den Wert von 10.000 Umdrehungen pro Minute oder den aktuellen Wert von n2 überschreiten kann.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Mahlvorrichtung drehen sich sowohl der Rotor als auch das Statorgehäuse. Möglich ist auch eine Ausführungsform, bei der sich zwar der Rotor dreht, nicht aber das Statorgehäuse oder umgekehrt, d.h. der Rotor steht und das Statorgehäuse dreht. Entscheidend ist die relative Drehbewegung zwischen Rotor und Statorgehäuse.

Der Zweck der Rotation des Statorgehäuses besteht darin, eine Suspension aus der Flüssigkeit und den Partikeln sowie den Mahlperlen einer starken, radial gerichteten

Beschleunigung auszusetzen. Auf diese Weise wird, wie später noch im Detail erklärt, die Anhäufung von Mahlperlen unterbunden. Dadurch ist die Bewegung der Mahlperlen besser prognostizierbar. Eine solche Bewegung ermöglicht einen homogenen, isotropen Mahleffekt innerhalb des gesamten Arbeitsbereiches. Dabei wird das Auftreten von Bereichen verhindert, in denen die Strömungsverhältnisse so wären, dass kein Mahlvorgang stattfinden könnte.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Rotor über eine dritte Antriebsvorrichtung mit einer axialen Schwingung in Richtung der Maschinenachse beaufschlagbar, so dass der Rotor innerhalb des Statorgehäuses relativ zu diesem entlang der Maschinenachse schwingt. Denkbar ist ebenso, dass der Rotor relativ zum Statorgehäuse mit einer

Schwingung senkrecht zur Maschinenachse beaufschlagt wird, oder dass das

Statorgehäuse relativ zum Rotor in Schwingungen versetzt wird.

In den Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Statorgehäuse ist eine Suspension, d.h. ein heterogenes Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit, bzw. einem Fluid, und darin fein verteilten Festkörpern bzw. Partikeln einführbar, welche das Statorgehäuse auf der gegenüberliegenden Seite wieder verlässt.

Eine Steuer- und Regelungseinheit stellt sicher, dass sich die Antriebsmittel mit der gewünschten Drehzahl bzw. mit der gewünschten Frequenz bewegen. Bei den

Antriebsmitteln handelt es sich um bekannte Motoren, z.B. Elektromotoren mit oder ohne Hohlwellen in Kombination mit einem geeigneten Getriebe oder einer Riemenübertragung. Denkbar sind auch hydraulische und/oder pneumatische Aktoren. Das Getriebe kann über Zahnräder, Kettenantriebe oder mechanische Umlenkvorrichtungen realisiert sein. Für die lineare Bewegung sind elektromagnetische Antriebe oder Schwingungsmagnete mit dazu passenden Umlenkvorrichtungen vorgesehen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist auf der Maschinenachse noch ein zweiter Rotor angeordnet, welcher entlang der Maschinenachse linear beweglich ist. Auf diese Weise entstehen zwei linear bewegliche Verfahrenszonen mit einer synchronen, mechanisch gekoppelten Drehmomentübertragung über die Maschinenachse. Vorzugsweise schwingen der erste und der zweite Rotor gleichzeitig mit um 180 Grad versetzter Phase, so dass die Kräfte, die auf die Mahlvorrichtung wirken, durch die entgegengesetzt zueinander bewegten Massen der Rotoren eliminiert werden.

Es ist auch möglich, zwei oder mehrere Mahlvorrichtungen zu einem Mahlsystem zu kombinieren. Auf diese Weise lässt sich der Durchsatz an zu verarbeitender Flüssigkeit erhöhen, und es ist auf einfache Weise möglich, einen Ausgleich von Schwingungen zu schaffen.

Auch denkbar ist der Einsatz von verschiedenen Mahlperlengrössen in einer

Verfahrenszone.

Wenn sich zwei gegenüberliegende Flächen relativ zueinander bewegen, können sich im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von Strömungen bilden: Eine Dehnströmung, auch Quetschströmung genannt, und/oder eine Scherströmung.

Wenn sich eine stationäre Fläche und eine bewegliche Fläche mit konstantem Abstand relativ zueinander bewegen, wobei eine lineare Bewegung oder eine Rotationsbewegung vorliegen kann, tritt in einer Suspension, beispielsweise in einer strukturviskosen

Suspension mit Mahlperlen, die sich zwischen den Flächen befindet, eine Scherströmung auf.

Ob eine Fläche als stationär oder als beweglich bezeichnet wird, hängt von der

Differenzgeschwindigkeit zwischen den Flächen ab. Wenn sich ein Rotor schneller als ein Stator bewegt, wird die Fläche des Rotors als beweglich und die Fläche des Stators als stationär bezeichnet, und im umgekehrten Fall, d.h. falls der Rotor langsamer ist als der Stator, wird die Fläche des Rotors als stationäre Fläche und die Fläche des Stators als bewegliche Fläche bezeichnet. Das bedeutet, dass sich je nach Vorzeichen der

Differenzgeschweindigkeit zwischen den Flächen die Definition für eine bewegliche und eine stationäre Fläche ändern kann.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass sich zwei Flächen aufeinander zu und voneinander weg bewegen. Bei dieser Relativbewegung wird die Suspension, welche sich zwischen den Flächen befindet, seitlich zwischen den Flächen herausgepresst oder hereingesaugt, und es entsteht eine sogenannte Dehnströmung. Bei einem

Bewegungsablauf, der beide Flächen aufeinander zu und voneinander weg bewegt, spricht man von einem beidseitigen Verdrängungsprinzip: Zuerst erfolgt eine Ausdehnung der Suspension in erste Richtungen und dann eine Kontraktion in entgegengesetzte

Richtungen. Dabei ändert sich sowohl der Betrag als auch die Richtung der

Geschwindigkeit der Suspension in Abhängigkeit von der zeit. Wenn eine an die

Suspension angrenzende bewegliche Fläche mit einer periodischen, beispielsweise einer sinusförmigen, Schwingung oder mit periodischen Impulsen oder auch mit in ihrer Frequenz und/oder Amplitude kontrollierbaren Schlägen beaufschlagt wird, wird die Suspension periodisch bewegt. Vorteilhafte Frequenzen dieser Schwingungen liegen im Bereich von 1 Hz bis 1000 Hz.

Die beiden Bewegungen von Flächen mit konstantem Abstand und von Flächen mit variablem Abstand führen in einer Suspension zwischen diesen Fläche zu den

beschriebenen unterschiedlichen Strömungen. Im erfindungsgemässen Mahlverfahren und in der erfindungsgemässen Mahlvorrichtung sind beide Bewegungen und somit beide Strömungsarten gleichzeitig einsetzbar. In einer Suspension mit den zu verkleinernden Partikeln und Mahlkugeln führen beide Strömungsarten zu einer Mahlwirkung bzw. zu einer Verkleinerung der Partikel. Die zusätzlich zur relativen Drehbewegung zwischen Rotor und Statorgehäuse eingeführte T ranslationsbewegung zwischen dem Rotor und dem

Statorgehäuse, beispielsweise Schwingung oder Vibration, führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Mahlleistung.

Figur 1 zeigt schematisch für einen Abschnitt eines Rotors 13 mit einem Rotorschaft 12 und eines Statorgehäuses 14, wo während des Betriebs der Mahlvorrichtung mit einer Drehbe wegung des Rotors 13 (Drehzahl n1 ) und des Statorgehäuses 14 (Drehzahl n2) um eine Maschinenachse 11 und mit einer Translationsbewegung 28 zwischen Rotor 13 und Stator gehäuse 14 in Richtung der Maschinenachse 1 1 die beiden vorgenannten Strömungsarten auftreten. Die Suspension wird von einem Fluideinlass 26 gegen einen Fluidauslass 27 ge fördert. Zwischen dem Rotorschaft 12 und dem Statorgehäuse 14 sind Dichtungen 43a dem Fluideinlass 26 und dem Fluidauslass 27zugewandt so angeordnet, dass die Suspension nach dem Eintritt durch den Fluideinlass 26 ins Statorgehäuse 14 nur durch den Fluidaus lass 27 aus dem Statorgehäuse 14 austreten kann.

In einem Bereich B tritt eine Scherströmung mit der Scherrichtung 24 und dem Strömungs profil 23 auf. Bei der stationären Fläche 21 handelt es sich hier um einen Bereich der In nenwandung 30 des Statorgehäuses 14, und bei der beweglichen Fläche 22 handelt es sich um diejenige Aussenfläche des Rotors 13, welche sich parallel zur, bzw. in Richtung der, Maschinenachse 11 erstreckt. Die Flächen 21 , 22 bilden zwei konzentrische Zylinder. Wenn der Rotor 13 innerhalb des Statorgehäuses 14 rotiert, bewegen sich die beiden Flächen 22 und 21 relativ zueinander mit konstanter Geschwindigkeit. Hierbei ist wieder zu beachten, dass sich je nach Differenzgeschwindigkeit zwischen den Flächen 21 und 22 die Definitio nen für bewegliche und stationäre Flächen ändern können. Die Richtung 25 der Translati onsbewegung 28 ist beim Strömungsprofil 23 eingezeichnet.

In den Bereichen C liegt die folgende Situation vor: Der Rotor 13 und das Statorgehäuse 14 rotieren relativ zueinander und bewegen sich zusätzlich aufgrund der Translationsbewegung 28 bzw. einer Schwingung aufeinander zu und voneinander weg, in Analogie zu zwei Paral lelplatten mit einem Spalt. Die Suspension füllt den gesamten Raum zwischen dem Rotor 13 und dem Statorgehäuse 14 aus. Wenn sich der Rotor 13 entlang der Maschinenachse 11 bewegt, dann findet in dem Bereich C jeweils eine Verdrängung nach aussen in Richtung des Bereichs B und nach innen statt. Die Folge ist eine periodische Dehnströmung. Gleich zeitig entsteht eine Scherströmung mit der Scherrichtung 24 und dem Strömungsprofil 23 in einem ringförmigen Kanal zwischen dem Rotor 13 und dem Statorgehäuse 14. Zum Strö mungsprofil 23 ist auch die Richtung 25 der Translationsbewegung 28 eingezeichnet.

Man kann mit folgenden Massnahmen Einfluss darauf nehmen, wie gross der Anteil der Dehnströmung und der Scherströmung ist:

• Wahl der Geometrie des Spalts sowie der Oberflächentopologie der Flächen 21 und 22 (z.B. asymmetrische, exzentrische oder kurvige Oberflächen) und Dimensionierung der Breite zwischen der beweglichen Fläche 22 und der stationären Fläche 21 ;

• Einsatz von elastisch deformierbaren Wänden, besonders auf den Flächen 21 und 22, und/oder losen, den Mahlperlen beigemischten deformierbaren Objekten;

• Einsatz von begrenzenden Bereichen zwischen der Suspension und der Wand oder Einsatz von durchgehenden Wandbereichen oder trennenden Membranen, welche mehrere Mahlzonen, auch Mahlpassagen genannt, voneinander abtrennen;

• Zur T ranslationsbewegung 28 gewählte Werte der Amplitude A und der Frequenz f und somit der Schwingungsintensität, welche sich als das Produkt der Amplitude A und der Frequenz f berechnet, sowie Differenz der Rotationsgeschwindigkeiten n1 und n2, bzw. auch als Umfangsgeschwindigkeiten des Rotors 13 und des Statorge häuses 14;

• Signalform des beaufschlagten periodischen Signals für die Translationsbewegung 28, z.B. sinusförmig, pulsförmig, dreiecksförmig, Sägezahn oder Schläge;

• Zur Translationsbewegung 28 gewählte Schwingungsimpulse, d.h. Wechsel zwischen einem Schlag und einer Sinusschwingung, oder Sinusschwingungen mit unterschied- liehen Amplituden, oder Kombinationen davon, mit oder ohne zeitlichen Abständen zwischen den unterschiedlichen Signalformen.

Die Amplitude A und die Frequenz f der T ranslationsbewegung 28 werden so gewählt, dass eine Reduktion der Fliessgrenze der Suspension erfolgt sowie eine starke Reduktion der Scherviskosität. Bei der erfindungsgemässen Mahlvorrichtung ist der Rotor 13 mit Amplitu den von 0.05 bis 50 mm 0-to-P, d.h. von 0 bis zur maximalen Amplitude, oder von 0.1 bis 100 mm P-to-P (von der minimalen zur maximalen Amplitude) beaufschlagbar.

Weiterhin wird die maximal beaufschlagbare Amplitude A von dem Durchmesser der Mahl perlen bestimmt. Die maximale Amplitude A sollte in etwa mindestens das Doppelte des Durchmessers der Mahlperlen betragen. Grundsätzlich sind möglichst hohe Amplituden A und/oder Frequenzen f erwünscht, da mit steigender Frequenz und/oder Amplitude A auch die Dispergiergeschwindigkeit zunimmt. Dabei trägt eine steigende Frequenz mehr zu einer steigenden Geschwindigkeit bei als die Amplitude A.

Beim Mahlverfahren in der behandelten Suspension auftretende Druckspitzen können durch flexible Wände, d.h. Grenzflächen zwischen Fluid und Wasser, oder flexible Wandelemente teilweise oder vollständig kompensiert werden. Auch kann die Präsenz von Luft dazu beitra gen Druckspitzen abzubauen; allerdings wird dabei die Luft nach innen verdrängt.

Der mechanische Aufbau der erfindungsgemässen Mahlvorrichtung erlaubt es, eine Rotati- ons- und eine Translationsbewegung gleichzeitig auszuführen, und dabei für beide Bewe gungen die Bewegungsparameter unabhängig wählen zu können. Die beiden Bewegungen sind somit getrennt, bzw. nicht gekoppelt, und können unabhängig voneinander eingestellt werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Figuren, in denen beispielhaft bevor zugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 : Strömungsarten in einer Mahlzone bzw. Mahlpassage während des Betriebs der Mahlvorrichtung.

Figur 2: Einen Querschnitt durch eine Mahlvorrichtung. Figur 3: Zwei Auszüge von Schnittdarstellungen einer T rennvorrichtung.

Figur 4: Ein Diagramm zur Reduktion der Struktur-Scherviskosität einer Mischung aus einer Suspension von einer Flüssigkeit und Partikeln sowie Mahlperlen. Linie L1 : bei axialer Oszillation und Scherung; Linie L2: bei einer Scherung ohne Oszillation.

Figur 5a: Eine Visualisierung des fluiddynamischen Verhaltens der Suspension ohne Oszillation, wobei rechts oben sich bildende unterschiedliche Strömungsschichten und links unten ein Diagramm mit der Scherrate in logarithmischem Massstab auf der Abszisse und mit der Scherviskosität auf der Ordinate dargestellt sind.

Figur 5b: Eine Visualisierung des fluiddynamischen Verhaltens der Suspension mit Oszillation, wobei rechts oben sich bildende unterschiedliche Strömungsschichten und links unten ein Diagramm mit der Scherrate in logarithmischem Massstab auf der Abszisse und mit der Scherviskosität auf der Ordinate dargestellt sind.

Die Beschreibung der Fig. 1 befindet sich oben bei der allgemeinen Beschreibung der Erfin dung.

In Figur 2 ist der mechanische Aufbau der erfindungsgemässen Mahlvorrichtung 10 zu se hen. In einem gemeinsamen Statorgehäuse 14 befinden sich ein erster Rotor 13a und ein zweiter Rotor 13b. Jeder der beiden Rotoren 13a, 13b ist innerhalb des Statorgehäuses 14 auf einem um eine Maschinenachse 1 1 drehbar gelagerten gemeinsamen Rotorschaft 12 verschiebbar angeordnet. Auf diese Weise entstehen zwei Verfahrenszonen mit linear be weglichen Rotoren, die über den Rotorschaft 12 mit einer synchronen, mechanisch Dreh momentübertragung rotiert werden. Der erste Rotor 13a und der zweite Rotor 13b schwin gen zusätzlich zeitgleich mit um 180 Grad versetzter Phase, so dass die Kräfte, die auf die Mahlvorrichtung 10 wirken, durch die zueinander bewegten Massen der Rotoren 13a und 13b eliminiert werden. Grundsätzlich lässt sich eine Kompensation der Kräfte der sich zuei nander bewegenden Massen auch bei einer Mahlvorrichtung mit nur einem Rotor, bei spielsweise dem Rotor 13a, erreichen, indem eine einfache, in Schwingung versetzte Ge genmasse anstelle des zweiten Rotors 13b verwendet wird.

Die Innenwandung des Statorgehäuses 14 ist jeweils von dem ersten Rotor 13a, dem zwei ten Rotor 13b und dem Rotorschaft 12 beabstandet. Dieser Abstand entspricht mindestens dem Durchmesser der während des Mahlvorgangs verwendeten Mahlperlen und beträgt ^vorzugsweise 0,05 bis 50 mm. Der erste Rotor 13a und das Statorgehäuse 14 bilden einen ersten Arbeitsbereich der Mahlvorrichtung 10, und der zweite Rotor 13b und das Statorge häuse 14 bilden einen zweiten Arbeitsbereich der Mahlvorrichtung 10. In den Zwischenraum zwischen dem Rotorschaft 12, bzw. Rotor 13a, 13b und dem Statorgehäuse 14 ist über ei nen Fluideinlass 26 eine Suspension 15, d.h. ein heterogenes Stoffgemisch aus einer Flüs sigkeit und darin fein verteilten Festkörpern (Partikeln), einführbar. Ebenfalls einführbar sind ein Kühlmittel und ein Dispersionsmittel. Insgesamt sind es vorzugsweise drei Kanäle, die durch den Fluideinlass 26 zur Verfahrenszone führen. Die Anzahl der Kanäle kann auch grösser als drei, nicht aber grösser als 10 sein. Die Suspension 15 verlässt das Statorge häuse 14 auf der gegenüberliegenden Seite bei einem Fluidauslass 27. Für das Kühlmittel ist im Statorgehäuse 14 eine schematisch dargestellte Kühlmittel-Durchführung 52 und auf der gegenüberliegenden Seite ein Kühlmittel-Auslass 53 ausgebildet. Das Dispersionsmittel wird im Statorgehäuse 14 der Suspension 15 beigegeben.

Um eine Drehzahldifferenz zwischen dem ersten Rotor 13a, bzw. dem zweiten Rotor 13b, und dem Statorgehäuse 14 zu erreichen, ist das Statorgehäuse 14 über ein erstes An triebsmittel 17 mit einer Drehzahl n1 drehbar. Über ein zweites Antriebsmittel 18 werden der erste Rotor 13a und der zweite Rotor 13b mit einer Drehzahl n2 angetrieben, d.h. der erste Rotor 13a und der zweite Rotor 13b sind über eine verzahnte Welle mechanisch gekoppelt und bewegen sich mit gleicher Drehzahl. Die Drehzahl n1 wird üblicherweise kleiner gewählt als die Drehzahl n2. Dabei beträgt n2 maximal 40.000 Umdrehungen pro Minute, und n1 nimmt einen maximalen Wert von 20.000 Umdrehungen pro Minute ein. Die Minimalwerte für n1 und n2 betragen Null, wenn der Rotorschaft 12 und das Statorgehäuse 14 still ste hen. Möglich ist auch, dass sich der Rotorschaft 12 und das Statorgehäuse 14 mit gleicher Drehzahl aber gegenläufig drehen, d.h. n2 - n1 = 0.

Im Betrieb der Mahlvorrichtung kann auch n1 > n2 sein. Im Falle einer Blockade der Mahl vorrichtung 10 durch die Mahlperlen bei hoher radialer Beschleunigung kann die Drehzahl des ersten Rotors 13a und/oder des zweiten Rotors 13b gegenüber der Drehzahl des Statorgehäuses 14 erhöht werden. In solch einem Fall kann n1 einen Wert von 20.000 Um drehungen pro Minute oder sogar den Wert von n2 überschreiten.

Bei den Antriebsmitteln 17, 18 handelt es sich um bekannte Motoren, z.B. Elektromotoren mit oder ohne Hohlwellen in Kombination mit einem geeigneten Getriebe oder einer Rieme nübertragung. Denkbar sind auch hydraulische und/oder pneumatische Aktoren, und das Getriebe kann über Zahnräder, Kettenantriebe oder mechanische Umlenkvorrichtungen rea lisiert sein. Wenn für das Antriebsmittel 18 ein Elektromotor eingesetzt wird, funktioniert er beim Abbremsen wie ein Generator und reduziert somit zumindest teilweise die Leistungs aufnahme des Antriebsmittels 17.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Mahlvorrichtung drehen sich sowohl der erste Rotor 13a und der zweite Rotor 13b als auch das Statorgehäuse 14. Möglich ist auch eine Ausführungsform, bei der sich zwar der erste Rotor 13a und der zweite Rotor 13b dre hen, nicht aber das Statorgehäuse 14 oder umgekehrt, d.h. der erste Rotor 13a und der zweite Rotor 13b stehen, und das Statorgehäuse 14 dreht sich. Entscheidend ist die Rela tivbewegung von dem ersten Rotor 13a, dem zweiten Rotor 13b und dem Statorgehäuse 14.

Der erste Rotor 13a und der zweite Rotor 13b stehen über einen Kniehebel 39 zueinander in Wirkverbindung. Der Kniehebel 39 setzt sich zusammen aus drei Elementen, welche durch ein zweites Gelenk 38b und ein viertes Gelenk 38d miteinander verbunden sind. Ein erstes Gelenk 38a verbindet den Kniehebel 39 mit dem ersten Rotor 13a, und ein fünftes Gelenk 38e stellt eine Verbindung zwischen dem Kniehebel 39 und dem zweiten Rotor 13b her. An einem dritten Gelenk 38c ist der Kniehebel 39 mit einer Halterung 40 verbunden, welche wiederum fest mit dem Rotorschaft 12 verbunden ist, während der erste Rotor 13a sowie der zweite Rotor 13b verschiebbar auf dem Rotorschaft 12 gelagert sind. Wenn auf den zweiten Rotor 13b mittels einer dritten Antriebsvorrichtung 19 eine translatorische Be wegung wirkt, führt eine Drehbewegung des Kniehebels 39 um die Gelenke 38a - 38e dazu, dass der erste Rotor 13a und zweite Rotor 13b synchron aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegt werden. Aus Gründen erhöhter mechanischer Stabilität können auch zwei oder mehr Kniehebel 39 eingesetzt werden, wie in Figur 2 dargestellt.

Konstruktionsbedingt erfolgt die Relativbewegung zwischen dem ersten Rotor 13a und dem zweiten Rotor 13b mit einem Phasenwinkel von 180 Grad. Dadurch heben sich die auf den ersten Rotor 13a und den zweiten Rotor 13b wirkenden Kräfte nach aussen hin auf, und die gesamte Mahlvorrichtung 10 gerät nicht in Vibration.

An dem zweiten Rotor 13b ist eine ferromagnetische Scheibe 42 senkrecht zur Richtung der Maschinenachse 11 befestigt. Die Befestigung der ferromagnetischen Scheibe 42 an den zweiten Rotor 13b kann entweder lösbar, beispielsweise über Schrauben oder Blindnieten, oder unlösbar, beispielsweise über ein Schweiss- oder ein Lötverfahren oder durch Ferti gung in einem Drehverfahren zusammen mit dem zweiten Rotor, erfolgen. Auf die ferro magnetische Scheibe 42 wirkt ein drittes Antriebsmittel 19, vorzugsweise ein Elektromagnet 19a. Der Elektromagnet 19a ist in der Lage, den Abstand zur ferromagnetischen Scheibe 42 zu verringern, aber er kann diesen Abstand von sich aus nicht vergrössern. Um dies zu kompensieren, ist ein erstes Federpaket 41a mit dem ersten Rotor 13a und ein zweites Fe derpaket 41 b mit dem zweiten Rotor 13b verbunden. Das erste Federpaket 41 a und das zweite Federpaket 41 b ziehen jeweils den ersten Rotor 13a und den zweiten Rotor 13b in Richtung der Halterung 40. Die Federpaketkonstante des ersten Federpakets 41 a und des zweiten Federpakets 41 b ist unter Berücksichtigung der Dämpfung, welche durch die Mahl perlen, die Flüssigkeit und weitere Dämpfungselemente gegeben ist, so gewählt, dass der erste Rotor 13a und der zweite Rotor 13b in Resonanz schwingen. Daraus resultiert eine gewünschte Resonanzfrequenz oder ein Frequenzbereich.

Damit die gewünschte Frequenz der Translationsbewegung immer möglichst nahe bei einer Resonanzfrequenz liegt, kann die Vorspannung der Federpakete 41a, 41 b verstellbar aus gebildet werden. Dadurch ist eine Anpassung an die sich gegebenenfalls im Betrieb än dernden Dämpfungseigenschaften der Mahlvorrichtung möglich, so dass die effektive Re sonanzfrequenz in einem vorgegebenen Frequenzbereich, insbesondere bei einer vorgege benen Frequenz, gehalten werden kann. Gegebenenfalls werden Federpakete mit unter schiedlichen gekoppelten Federn eingesetzt, so dass verschiedene Resonanzfrequenzen im vorgegebenen Frequenzbereich auftreten und auch bei geänderten Dämpfungseigenschaf ten eine Resonanzfrequenz im vorgegebenen Frequenzbereich angeregt werden kann.

Bei den weiteren Dämpfungselementen kann es sich um eine Beschichtung der Oberflä chen des Statorgehäuses 14 oder der Rotoren 13a, 13b handeln, beispielsweise mit Mahl perlen, Polyurethan oder mit Kunststoffkügelchen, die zusammen mit den Mahlperlen in die Flüssigkeit gegeben werden. Wie in Figur 2 dargestellt, können auch zwei Elektromagnete 19a und 19b als drittes Antriebsmittel 19 verwendet werden. Die Elektromagnete 19b und 19a können mit einer Verzögerung von 1/f geschaltet werden. Das bedeutet, dass der Elekt romagnet 19a die Scheibe 42 anzieht und sich der Elektromagnet 19b ausschaltet. Sobald der Elektromagnet 19a ausgeschaltet ist, schaltet sich der Elektromagnet 19b ein und zieht die Scheibe 42 in die Gegenrichtung. Solch eine Anordnung kann eine höhere Dämpfung, die durch die Mahlperlen und das Fluid erzeugt wird, überwinden. Mit einer solchen Anord nung lässt sich auch eine Mahlvorrichtung mit nur einem Rotor 13a oder 13b realisieren, beispielsweise mit dem ersten Rotor 13a, welcher die Mahlpassagen 51 a und 51 b enthält.

Das Statorgehäuse 14 ist permanent über den Fluideinlass 26 gekühlt, und es sind insge samt mindestens zwei separate Mahlpassagen 51a und 51 b vorhanden. In jeder der Mahl passagen 51 a und 51 b können die Mahlperlen, welche zwischen 100 Mikrometer und 50 mm gross sind, monodispers oder polydispers sein. Den Mahlpassagen 51a und 51 b sind Trennvorrichtungen 43 zugeordnet, welche nach der jeweiligen Mahlpassage 51 a - 51 d die Mahlperlen von den Partikeln und der Flüssigkeit trennen, so dass die Mahlperlen in der je weiligen Mahlpassage 51 a - 51 d verbleiben. Die Trennvorrichtungen 43 umfassen jeweils ein Trennsieb 47 (siehe Figur 3).

In einer vorteilhaften Ausführung des Mahlverfahrens oder der Mahlvorrichtung werden in mindestens zwei Mahlpassagen 51a - 51 d Mahlperlen mit unterschiedlichen Grössen- Verteilungen eingesetzt werden, wobei vorzugsweise die Mahlpassage 51 a - 51 d mit den grösseren Mahlperlen von der Flüssigkeit mit den Partikeln zuerst und die Mahlpassage 51a — 51 d mit den kleineren Mahlperlen danach durchflossen wird.

Eine Steuer- und Regelungseinheit 16 stellt sicher, dass sich die Antriebsmittel 17, 18, 19 mit der gewünschten Drehzahl bzw. mit der gewünschten Frequenz bewegen. Zur Bestim mung der Drehzahlen sind in der Mahlvorrichtung 10 zwei Drehgeber 44a, 44b vorgesehen.

Die Vibrationsregelung erfolgt über die Steuer- und Regelungseinheit 16, indem jeweils ein Istwert aus einer Beschleunigungssonde 45 und/oder einer Abstandssonde 46 ausgewertet wird. Dabei ist die Abstandssonde 46 aussen montiert, und die Beschleunigungssonde 45 ist in fester Verbindung mit einem der Rotoren 13a, 13b montiert. Über diese Sonden und die ferromagnetische Scheibe 42 können die Drehbewegung der Rotorachse und die Vibra tion erfasst werden. Die Steuer- und Regelungseinheit 16 kann über die Istwerte des Ab stands oder der Beschleunigung die Amplitude, Phase, Intensität und Frequenz regel.

Über den Fluideinlass 26 werden auch Dispergiermittel sowie andere oberflächenaktive Substanzen (OAS), bei denen es sich primär um Feststoffteilchen handelt, in die Mahlzone direkt dosiert eingeleitet. Je nach Grösse der Mahlperlen wird für jeden Dispergierbereich eine eigens angepasste Konzentration von Dispergiermittel und/oder OAS zugeführt. Es ist wichtig, die Entstehung von neuen Oberflächen mittels des Dispergiermittels innert der Ver weilzeit von dem bearbeiteten Fluid (Farbe) in der jeweiligen Mahlpassage zu unterstützen, sowie neue Oberflächen, die durch den Dispergierprozess entstehen, gleich am Ort zu be legen, so dass keine Reagglomeration stattfinden kann. Es besteht auch die Möglichkeit, das Dispergiermittel in zyklisch wiederholbaren Dosierschüben einzubringen, die die Ober fläche der Mahlperlen mit der Dispergiermischung belegen, so dass die Mahlperlen eine Zeitlang in den Kontaktstellen die verstärkte Dispergierwirkung erbringen.

Grundsätzlich ist es auch möglich, mehrere Mahlvorrichtungen 10 zu einem Mahlsystem zusammenzuschalten. Im Falle von zwei Mahlvorrichtungen liegen somit zwei Blöcke vor, die mechanisch gekoppelt sind, und jeder hat mindestens eine Mahlvorrichtung (Passage). Somit fliesst die Farbe durch die Mahlvorrichtung und durch das Trennsieb in die nächste Mahlvorrichtung (Passage). Dabei werden die Pigmente oder die Agglomerate aus

Pigmenten immer feiner, so dass die gesamte Suspension immer hochviskoser wird.

Deswegen ist die Vibration als Schlüssel zu hohen Fliessgrenzen anzusehen. Je feiner die Agglomerate sind, desto wirkungsvoller sind die kleineren Mahlperlen, aber nur bei hohem Eintrag von kinetischer Energie, weshalb hohe Drehzahlen gewählt werden.

In Figur 3 ist die gleitende Trennvorrichtung 43 dargestellt, welche am ersten Rotor 13a o- der am zweiten Rotor 13b oder am Statorgehäuse 14 so angeordnet ist, dass ein Trenn spalt 50 entsteht. Die Trennvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Trennsieb 47, welches in einem Trennsiebgehäuse 48 befestigt ist. Das Trennsiebgehäuse 48 ist konisch aufgebaut, so dass die Mahlperlen 49 einen Stau vor dem Trennsieb 47 verursachen, wel cher den direkten Kontakt zwischen den Mahlperlen 49 und dem Trennsieb 47 stark redu ziert.

In Figur 4 ist dargestellt, in welchem Ausmass die Viskosität reduziert wird, wenn die Mahlvorrichtung 10 mit einer Vibration beaufschlagt wird. Die Reduktion der Struktur- Scherviskosität (Shear Viscosity, Pas) einer Mischung aus einer Suspension von einer Flüssigkeit und Partikeln sowie Mahlperlen zeigt sich darin, dass die Linie L1 bei axialer Oszillation und Scherung kleinere Scherviskositäten zeigt als die Linie L2 bei einer Scherung ohne Oszillation. Solche signifikanten Änderungen im

Fliessverhalten, insbesondere im tiefen Differenz-Geschwindigkeitsbereich bzw. im Bereich tiefer Scherraten (Shear Rate, 1/s), führen zu einer Homogenisierung des Mahlraums sowie zu einer Eliminierung von schlecht fliessfähigen oder sogar unbeweglichen Bereichen in der Verfahrenszone. Ohne eine Überlagerung der Scherströmung mit einer Vibration und bei einer Verlangsamung der Suspension oder bei einer Sedimentation von Mahlperlen und/oder groben Agglomeraten in der Suspension, typischerweise an der Wand, erhöht sich die Viskosität dramatisch bei reduzierten Scherraten. Bei einer Überlagerung mit einer Vibration, wie in Figur 4 dargestellt, eliminiert sich gerade der strukturviskose Bereich und somit alle strukturviskosen Effekte. Beispielsweise wird die Pfropfenströmung, auch als Fliessgrenze bekannt, eliminiert und in ein rein Newtonsches Fliessverhalten transferiert. Dieser Effekt ist auch in der anschliessend beschriebenen Figur 5b schematisch dargestellt.

Die Figuren 5a und 5b visualisieren das fluiddynamischen Verhaltens der Suspension ohne bzw. mit Oszillation (Vibration), wobei je rechts oben sich bildende unterschiedliche

Strömungsschichten und links unten ein Diagramm mit der Scherrate im logarithmischen Massstab auf der Abszisse und mit der Scherviskosität auf der Ordinate dargestellt sind.

Um den grossen Unterschied zwischen den Scherviskositäten ohne und mit Oszillation bzw. Vibration einfach erkennbar zu machen, ist das Diagramm der Fig. 5a auch in der Fig. 5b eingetragen, wobei in Fig. 5b die Scherviskosität mit Oszillation bzw. Vibration mit einem schraffierten Bereich hervorgehoben ist.

In der Gegenüberstellung der Figuren 5a und 5b ist zu sehen, wie sich aufgrund der Vibration eine starke Viskositätsverringerung in einem Bereich der Fliesskurve mit niedriger Scherrate ergibt und sich die Strömungsdynamik im Strömungsspalt zwischen der

Innenwandung 30 des Statorgehäuses und der beweglichen Aussenfläche 31 des Rotors 13, ändert.

In Figur 5a ist der Fall dargestellt, bei dem die Mahlvorrichtung 10 nicht mit einer

Vibrationsbewegung beaufschlagt ist, so dass nur Scherströmungen auftreten. Die

Viskosität der Suspension 15 führt zu einer Pfropfenströmung 35 um die Mittellinie 33 des Strömungsspaltes und einer Randströmung 36 mit anderer Viskosität. Als Folge der Pfropfenströmung 35 bildet sich in der Umgebung der Mahlperlen 29 eine Dilatanz 32 aus Mahlperlen 29 und Fluid.

In Figur 5b ist die Situation dargestellt, die sich ergibt, wenn bei der Mahlvorrichtung nicht nur eine Rotation, sondern zwischen Statorgehäuse und Rotor auch eine Vibration angeregt wird. Die Vibration wandelt im gesamten Strömungsspalt durch eine einfache Reduktion der Scherviskosität die Pfropfenströmung in ein nahezu parabolisches Newtonsches

Strömungsprofil 23 bei Vorhandensein eines reduzierten Wandgleiteffekts um. Dies ermöglicht einerseits eine Verringerung der Schleppscherkräfte und andererseits eine Eliminierung der Dilatanz 32. Das anfängliche Strömungsprofil 23 passt sich entsprechend der Kurve der stationären Scherviskosität an. Die Viskosität ist sowohl in einem mittleren Bereich 37 als auch in seitlichen Bereichen 34 tief. Die Verringerung der Viskosität verhindert die Bildung von Pfropfen.