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Die
Erfindung betrifft Vorrichtungen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 22,
23 und 25.
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Derartige
Vorrichtungen sind beispielsweise aus der
EP 279255 A1 bekannt geworden
und dienen oder Herabsetzung der Viskosität von Schokoladenmassen durch
Schwerkräfte
zwischen den beiden relativ zueinander drehbaren Teilen, wovon der äussere normalerweise
ein einen Behälter
bildender Stator, der innere der die Scherkräfte ausübende Rotor ist. Wie aber bei
anderen, mit Scherkraft wirkenden Vorrichtungen bekannt ist, wie
etwa bei Rührwerksmühlen, kann
die Funktion der beiden Teile auch umgekehrt werden, indem der äussere Teil
gedreht und der innere Teil ortsfest ist, oder es können auch
beide zu einer Drehung angetrieben werden. Für gewöhnlich weisen beide Teile an
den einander gegenüberliegenden
Innenflächen
Scherwerkzeuge auf, die einerseits zwischen ihrem radialen Ende
und der gegenüberliegenden
Umfangswand und anderseits auch zwischeneinander Scherspalte bilden.
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Die
DE 309448 U1 beschreibt
eine Prallmühle
zum Vermahlen ölhaltiger
Samenkerne, wie z.B. Kakaobohnen. In dieser Prallmühle werden
Kakaobohnen bzw. deren Bruchstücke
geschert und zerschlagen, wobei bereits bei der Zerkleinerung durch die
anwesende Mahlluft ein Stoffaustausch stattfindet.
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Die
DE 4008472 A1 beschreibt
einen Strukturwandler für
die Scherbehandlung von Dispersionen, die aus einer fetthaltigen
Phase und dispersen Feststoffen bestehen. An einem Rotor sind Flügel mit variierbaren
Anstellwinkeln α angeordnet.
Die Flügel sind
bzgl. der Vertikalen um einen Anstellwinkel α geneigt. Die durch die Flügel definierte
Ebene steht jedoch stets senkrecht zur Innenwand eines Zylinders.
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Die
DE 1226406 B beschreibt
eine zweistufige Vorrichtung zum Zerkleinern von Kakaobohnen. Die
erste Stufe besteht aus einem sich entlang der Förderrichtung konisch aufweitenden
Mantel, in welchem eine Förderschnecke
gelagert ist. Die zweite Stufe ist eine klassische Rührwerksmühle. Die
erste Stufe dient der Grobzerkleinerung der Kakaobohnen, während die
zweite Stufe für
deren Feinzerkleinerung verwendet wird.
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Die
US 2074673 beschreibt einen
Mischer zum Vermischen zerkleinerter trockener Feststoffe mit Fluiden.
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Die
DE 815600 L beschreibt
eine Misch- und Vorzerkleinerungsmaschine für die Schokoladenherstellung.
Sie weist ein kegelförmiges
Gehäuse
auf, in welchem eine Mahl- und Förderschnecke
gelagert ist. Diese Mahl- und Förderschnecke
trägt Mahl-
und Förderflügel, deren
Kanten an der Innenfläche
des kegelförmigen
Gehäuses
schleifen.
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Lediglich
die in der
DE 3918813
A1 beschriebene Conche enthält sowohl Kratzwerkzeuge als auch
Versalbungswerkzeuge. Allerdings ist die Gehäusegeometrie hier eine völlig andere
als bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung.
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Wenn
man sich die Aufgabe, die Viskosität von Schokolade zu verringern,
vor Augen hält,
so muss man auf das dem Fachmanne zur Verfügung stehende Wissen zurückgreifen,
wonach die Schokolade im Zuge der Verflüssigung aus einem Trockenzustand
in einen teigig-pastösen
Zustand übergeht, bevor
sie dann endgültig
einen flüssigen
Zustand erreicht. Entsprechend diesen verschiedenen Zuständen ist
der Energieaufwand pro Zeiteinheit zur Bearbeitung einer solchen
Masse (und dies gilt in ähnlicher
Weise für
alle Massen mit Feststoffen in einer fettigen Phase) sehr unterschiedlich,
nämlich
generell abnehmend.
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Der
Erfindung liegt in einem ersten Gedankenschritte die fol gende Erkenntnis
zugrunde: Würde man
durch die bekannte Vorrichtung tatsächlich Schokolade hindurchlassen,
so ergäbe
sich die höchste
Leistungsaufnahme im Bereiche der Zulauföffnung, wogegen gegen die Auslaufseite
hin die Schokolade dünnflüssiger geworden
ist und daher weniger Leistung durch Scherung aufgewendet werden
muss. Dies bedeutet einerseits eine ungleichmässige Belastung der Vorrichtung
und anderseits, dass der Wirkungsgrad der Vorrichtung gegen den Auslauf
hin abnimmt.
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Wenn
dann die Erfindung in einem weiteren Gedankenschritt der Ursache
dieser Eigenschaft der Vorrichtung nachgeht, so ist diese Erscheinung
vordergründig
auf die zylindrische Ausgestaltung der beiden relativ zueinander
gedrehten Teile zurückzuführen, die
mit ihrem gleichmässigen
Durchmesser eben nur eine gleichmässige Bearbeitungsgeschwindigkeit
(bei abnehmender Viskosität)
zulässt.
Denn die Schubspannung τ ergibt
sich aus der Beziehung τ =
D·eta,
worin D die Schergeschwindigkeit (Geschwindigkeit der sich bewegenden
Fläche
gebrochen durch die Spaltbreite) und eta die Viskosität des Materials
ist.
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In
einem weiteren Gedankenschritt liegt der Erfindung die Überlegung
zugrunde, dass es doch eigentlich gelingen müsste, die Schergeschwindigkeit zu
erhöhen.
Da die Scherwirkung aber vornehmlich an den Scherwerkzeugen auftritt,
gelingt dies erfindungsgemäss
durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 22, 23 und 25.
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Wenn
in diesem Zusammenhange von einem Konus die Rede ist, so sei daran
erinnert, dass nach Lueger "Lexikon
der Technik", Rowohlt
Taschenbuch Verlag, 1972, S. 704, ein Konus nicht nur durch gerade
Erzeugende begrenzt sein kann, wie dies bei einem echten Konus der
Fall ist, sondern auch durch gekrümmte Erzeugende, in welchem
Falle man von einem unechten Konus spricht. Dies ist im vorliegenden
Falle deshalb von Bedeutung, weil sich aus der oben erwähnten mathematischen
Beziehung an sich eine von einer Geraden abweichende Beziehung ergibt.
Allerdings lässt
sie sich mit einer Geraden recht gut annähern, so dass der Konus ohne
weiteres auch ein "echter
Konus" sein kann.
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Durch
die Zunahme des Durchmessers des Bearbeitungsbehälters gegen den Auslauf hin,
ergibt sich in dem Scherspalt zwischen dem jeweiligen Scherwerkzeug
und der radial gegenüberliegenden Umfangswand
einerseits und axial zwischen den ineinandergreifenden Scherwerkzeugen
anderseits eine höhere
Geschwindigkeit, die zu einer Erhöhung der Schergeschwindigkeit
und damit zu einem wenigstens teilweisen Ausgleich der sich durch
die Verringerung der Viskosität
ergebenden Schubspannung führt.
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Obwohl
unter diesen Umständen
der innere der beiden Teile an sich beliebig, beispielsweise auch zylindrisch
ausgebildet sein kann, ist die Ausbildung nach Anspruch 2 bevorzugt,
insbesondere wenn sich dabei eine Konfiguration im Sinne des Anspruches
4 ergibt. Denn damit wird die Vergrösserung des Volumens wenigstens
teilweise ausgeglichen, die sich durch die konische Aufweitung des
Bearbeitungsbehälters
ergibt, so dass die Verweilzeit der Masse in den einzelnen Zonen über die
axiale Länge
der Vorrichtung vergleichmässigt
wird.
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Die
Tatsache, dass erfindungsgemäss
der Bearbeitungsbehälter
konisch und sich in Richtung des Massenflusses der Dispersion verbreiternd
ausgebildet ist, stellt auch die Frage der Anordnung der Scherwerkzeuge
unter neuen Gesichtspunkten zur Diskussion. Denn einerseits wird
dies, besonders auch bei konischer Ausbildung des zweiten, inneren Teiles,
zusätzliche
Flächen
ergeben, an denen solche Scherwerkzeuge angebracht werden können, anderseits
soll ja gerade die Scherwirkung gegen den Auslauf hin erhöht werden.
Deshalb ist eine Ausbildung gemäss
einem der Ansprüche
6 bis 8 und/oder nach Anspruch 9 besonders zweckmässig.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung, ergeben sich an Hand der nachfolgenden
Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
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1 ein
erstes erfindungsgemässes
Ausführungsbeispiel
in einem vereinfachten Axialschnitt;
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2 eine
alternative Ausführungsform;
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3 ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel;
die
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4A und 4B zwei
Schnitte entlang den Linien A-A und B-B der 1, jedoch
gemäss
einer leicht variierten Ausführungsform
des Rotors und seiner Werkzeuge;
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5 einen
Querschnitt durch einen Conchenbehälter mit einer erfindungsgemässen Ausbildung
der Werkzeuge;
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
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7 die
Einzelheit C aus 6.
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Gemäss 1 ist
ein einen ersten, äusseren Teil
der Vorrichtung bildender Bearbeitungsbehälter 1 und ein darin
konzentrisch an schematisch angedeuteten Lagern 2, 3 gelagerter
Rotorteil 4 mit einer Welle 5 vorgesehen. Allerdings
könnte
es auch erwünscht
sein, den Rotor 4 nur einseitig zu lagern. Der Rotor 4 ist über eine
nicht dargestellte Antriebseinrichtung und die Welle 5 zu
einer Drehung relativ zum Behälter 1 in
Richtung des Pfeiles P1 antreibbar. Es versteht sich aus der folgenden
Beschreibung jedoch, dass diese Drehung lediglich eine Relativdrehung
zu sein braucht, d.h. es könnte
wenigstens ein Teil des Behälters 1 relativ
zu einem stillstehenden (oder ebenfalls angetriebenen) zweiten,
inneren Teil 4 rotieren, wie dies für Rührwerksmühlen bereits vorgeschlagen
worden ist.
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Wie
durch die doppelten Begrenzungslinien für den Behälter 1 angedeutet
ist, kann dieser mit einem äusseren
Mantel zur Bildung eines Zwischenraumes 1' ausgebildet sein, um den Behälter 1,
je nach den Erfordernissen, erwärmen
oder kühlen
zu können.
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Dieser
Zwischenraum 1' kann
in an sich bekannter Weise unterteilt sein, und zwar entweder indem
er durch mindestens eine schraubenlinienförmig hindurchgezogene Zwischenwand
in schraubenlinienförmige
Temperierkanäle
unterteilt ist und so eine Zwangsführung für das Kühlmittel (meist Wasser) bildet,
oder indem in Axialrichtung (bezogen auf eine Behälterachse
A) hintereinander durch quer zur Achse verlaufende Trennwände 13 in
mehrere Zonen unterteilt ist, die unterschiedlich temperiert werden
können.
Beispielsweise wird der Zulaufbereich erwärmt, um die Schokolademasse
leichter zu verflüssigen, wogegen
der auslaufseitige, in 1 oben gelegene Bereich ein
Kühlmittel
erhält,
wodurch dort die Scherbearbeitung intensiviert werden kann. Der
mittlere Bereich (es können
auch zwei oder mehr als drei Temperierbereiche vorgesehen sein)
kann ein Trägermedium
mit einer dazwischenliegenden Temperatur führen. Dementsprechend ist jeder
Bereich mit einem gesonderten Einlassrohr 14 und einem
Auslassrohr 15 ausgestattet.
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Aus
der obigen Erläuterung
ist ersichtlich, dass auch diese Unterteilung eine Massnahme darstellt,
um die Scherbearbeitung in Richtung des Massenflusses (bei an sich
abnehmender Viskosität
der Dispersion) zu vergleichmässigen,
so dass diese Massnahme auch getrennt von der konusförmigen Ausbildung
des Mahlbehälters 1 von
erfinderischer Bedeutung ist.
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Die
beiden Teile 1, 4 begrenzen zwischeneinander einen
Bearbeitungsspalt 6. Wenigstens einer der beiden Teile 1, 4,
bevorzugt aber beide Teile, weisen in diesem Spalt zur Bearbeitung
einer hindurchströmenden
Fettdispersion, wie Schokolade, Scherwerkzeuge 7, 8 auf.
Die Scherwerkzeuge können
eine in der einschlägigen
Technik bekannt Form haben, beispielsweise stiftartig, messerartig
oder zur Unterstützung
des Massenflusses flügelartig
mit einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Schrägstellung ausgebildet sein.
Auch mag die Anzahl der Werkzeuge über den jeweiligen Umfang der
Teile verschieden sein. Es wurde schon gesagt, dass die Viskosität der Dispersion
in Richtung des Masseflusses durch die Vorrichtung abnehmen wird,
was ja auch der Zweck dieser Vorrichtung ist. so besitzt der Rotor 4 in
seinem oberen beiden Kränzen
von Scherwerkzeugen beispielsweise acht solcher über den Umfang verteilter Scherwerkzeuge 8' (drei davon
liegen an der Rückseite
des Rotors 4 und sind daher nicht sichtbar), wogegen er
an der unteren Seite nur Werkzeugkränze mit jeweils vier Scherwerkzeugen 8 aufweist.
Selbstverständlich
sind diese Zahlen lediglich beispielhaft und können den Erfordernissen entsprechend
beliebig abgeändert
werden. Auch versteht es sich, dass die Erhöhung der Scherwerkzeuge gegen
den Auslauf hin an sich unabhängig
von der Konusform des Bearbeitungsbehälters zweckmässig wäre und deshalb
auch für
sich genommen eine Erfindung darstellt, obwohl ersichtlich ist,
dass die Konusform dazu auch besonders günstige Möglichkeiten liefert. Überdies
ist ersichtlich, dass die Erhöhung
der Anzahl der Scherwerkzeuge gegen den Auslauf 11 zu nicht
nur am Rotor 4, sondern alternativ oder kumulativ auch
am Behälter 1 (und
an diesem bevorzugt) verwirklicht werden kann.
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Wenn
in diesem Zusammenhange von einem Massenfluss gesprochen wird, so
ergibt sich dieser von einem Einlassstutzen
9, der zweckmässig mit
einer Zwangsfördereinrichtung,
wie einer Pumpe oder (wie hier angedeutet) mit einer Schnecke
10 versehen
sein kann, zu einem Auslaufstutzen
11 an der Oberseite
des Behälters
1.
Die Lagerung und Ausbildung der Schnecke
10 und des das
Schneckengehäuse
bildenden Stutzens
9 kann in an sich bekannter Weise erfolgen,
beispielsweise so, wie dies für
Rührwerksmühlen aus
den
DE 1 226 406 B oder
DE 1 227 767 B bekannt
geworden ist, so dass eine ins einzelne gehende Darstellung und
Beschreibung entfallen kann. Es genügt, festzustellen, dass dadurch
die zu bearbeitende Dispersion unter Druck in den Behälter
1 eingebracht
wird und deshalb im Scherspalt
6 bis zum Auslauf
11 hin
hochströmt.
Es versteht sich jedoch, dass dies nur ein Beispiel für eine Temperiereinrichtung
ist und diese beispielsweise durch Heizzonen mit einer elektrischen
Flächenheizung
oder Kühlzonen
mit einem flüchtigen,
wärmeabsorbierenden
Kühlmittel
auch in anderer, an sich bekannter Weise ausgebildet sein kann,
woferne nur die oben erläuterte
Unterteilung in mindestens zwei Zonen vorgenommen wird.
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Eine
weitere Massnahme zur Intensivierung der Scherbearbeitung in Richtung
des Massenflusses, liegt darin, dass der Radialspalt g1 bzw. g2
zwischen den radial äusseren
Kanten der Scherwerkzeuge 8 des Rotors 4 und der
Innenwand 12 des Behälters 1 in
Richtung des Massenflusses enger werden, d.h. g2 < g1. Zwar gilt dasselbe
analog für
die Scherwerkzeuge 7 des Behälters 1 (die Statorwerkzeuge)
relativ zu der ihnen radial gegenüberliegenden Aussenwand 16 des
Rotors 4, doch versteht es sich, dass natürlich die
Drehgeschwindigkeit auf Grund der konischen Ausbildung des Behälters 1 an der
radialen Aussenseite grösser
sein wird, womit der Hauptanteil der Scherbearbeitung dort geleistet
wird, insbesondere, wenn (wie im oberen Bereich der 1 gezeigt
ist), die Scherwerkzeuge 8 relativ lang ausgebildet sind.
Die Tatsache, dass also die Scherarbeit vorwiegend radial aussen
geleistet wird, ermöglicht
es, in der in 1 gezeigten Weise, die Statorwerkzeuge 7 relativ
kurz auszubilden, obwohl es auch denkbar wäre, ihre Länge auf die Aussenfläche 16 des
Rotors 4 zu derart zu bemessen, dass auch dort ein relativ
enger Scherspalt ergibt, der sich dann in ähnlicher Weise wie die Spalte
g1 und g2 gegen den Auslauf 11 hin verkleinern kann.
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Wie
sich aus der obigen Erläuterung
ergibt, findet also die Scherwirkung vorwiegend an der radialen
Aussenseite statt, und dort sind ja auch die mit den Rotorwerkzeugen 8 zusammenwirkenden
Statorwerkzeuge 7 vorgesehen. Die letzteren bilden daher
zusammen mit ersteren axiale Scherspalte g1' bis g2', und auch hier kann die Bearbeitung
gegen den Auslauf 11 hin durch Verringerung der axialen Spaltbreite
intensiviert werden, d.h. dass g1' > g2'. Es versteht sich
auch, dass an sich dieerfindungsgemässe Bemessung der Spaltbreite
eine Massnahme ist, die auch ohne die Konusform des Behälters 1 zu der
erwünschten
Intensivierung der Scherbearbeitung in Richtung des Massenflusses
führt und
daher von selbständiger
erfinderischer Bedeutung ist.
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Bei
der in 1 dargestellten Vorrichtung ist die Konizität des Behälters 1 stärker ausgeprägt als die
des Rotors 4, d.h. der Anstellwinkel der Fläche 12 des
Behälters 1 relativ
zur Längsachse
A ist grösser als
der der Fläche 16 zur
Achse A.
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Mit
anderen Worten nähert
sich die Umfangswand 16 der Innenumfangswand 12 gegen
den Zulauf hin und erweitert so den dazwischen liegenden Bearbeitungsspalt
zwischen diesen Wänden 12, 16 gegen
den Auslauf 11 hin. Damit – und durch die Konizität des Behälters 1 – vergrössert sich
das Spaltvolumen in den einzelnen aufeinanderfolgenden axialen Bereichen
des Vorrichtung. Dies ergibt zunehmende Verweilzeiten der Dispersion
gegen des Auslauf 11 hin, d.h. die von unten her nachströmende Masse
vermischt sich mit der weiter oben (noch) befindlichen Masse. Bei
einigen Dispersionen und Rezepturen wird dieser Mischeffekt sogar
erwünscht
sein, wobei der Mischeffekt noch dadurch verbessert wird, dass in
den oberen axialen Bereichen der Vorrichtung die Schokolade flüssiger sein wird
und sich daher leichter mischen lässt.
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Da
aber der vorwiegende Zweck der erfindungsgemässen Vorrichtung in der Scherbearbeitung
liegt und diese Bearbeitung durch unterschiedliche Verweilzeiten
in unterschiedlichem Masse erfolgen würde, ist es bevorzugt, wenn
sich auch der Spalt 6 zwischen den Flächen 12 und 16 gegen
den Auslauf 11 hin verengt, Um eine völlige Vergleichmässigung
der Volumina in den einzelnen axialen Abschnitten zu erhalten, kann
der Spalt 6 in entsprechender Weise verengt werden, so
dass das Volumen im Bereiche der Scherwerkzeuge 8' gleich gross wie
das in einem unteren Abschnitte im Bereiche zweier Scherkränze 8 ist.
Allerdings kann es zur Intensivierung der Bearbeitung erwünscht sein,
den Spalt 6 nach oben hin noch stärker zu verringern, so dass
das Volumen im Bereiche jeweils eines Kranzes 7, 8' sogar kleiner
als im Bereiche jeweils eines Kranzes 7, 8 ist.
In jedem Falle ist eine – bezogen
auf den gezeigten Längsschnitt
durch die Vorrichtung – Verengung
des Spaltes 6 mindestens zur Konstanthaltung der Teilvolumina
in den einzelnen axialen Bereichen bevorzugt.
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Es
sei erwähnt,
dass zwar ein einziger Zulauf 9 gezeigt ist, dass es aber
im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt, mehrere Zuläufe – sei es über den
Umfang verteilt und/oder in Axialrichtung verteilt – vorzusehen.
Ein solcher weiterer Zulauf mag als Einlass zum Einführen eines
Behandlungsstoffes in den konischen Behandlungsbehälter 1 dienen.
Ein solcher Einlass 17 ist an der Unterseite des Behälters 1 gezeigt
und kann zum Einführen
von Luft, von Zuckerlösung,
Kakaofett oder anderen Ingredienzen vorgesehen sein. Es versteht
sich aber aus der obigen Erläuterung,
dass mehrere solcher Einlässe
an mehreren Stellen angeordnet werden können.
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Eine
Ausbildung mit sich gegen den Auslauf 11 hin verengenden
Spalt 6 ist an Hand der 2 ersichtlich,
in der Teile gleicher Funktion dieselben Bezugszahlen wie in 1 besitzen,
Teile ähnlicher Funktion
aber dieselben Bezugszahlen, jedoch mit einer zusätzlichen
Hunderterziffer.
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Bei
dieser Ausführung
liegt der Zulauf 9 an der Oberseite, wogegen der Auslauf 111 an
der Unterseite vorgesehen ist. Dazwischen liegt der Auslauf 11 des
eigentlichen Verflüssigungsbehälters 1,
der in einen darunterliegenden weiteren Bearbeitungsbehälter 101 mündet. In
diesem unteren Behälter
erfolgt eine Conchierung mit Hilfe von Scher- und/oder Versalbungswerkzeugen 21,
die in für
Conchen an sich bekannter Weise mit der Innenfläche 19 des Behälters 101 zusammenwirken.
Da bei der dargestellten Anordnung mit dem dem Behälter 101 vorgeschalteten
Verflüssiger 1, 104 die
meist für
die Trockenconchierung vorgesehenen Scherwerkzeuge entbehrlich sind
(die Scherarbeit wird ja bereits im Behälter 1 geleistet)
kann die Conche 101 ausschliesslich mit den Scher- bzw.
Versalbungswerkzeugen 21 bestückt werden (der Unterschied
zu Schabe- oder Kratzwerkzeugen wird später an Hand der 5 besprochen), was
zu einer Vereinfachung der Conchenarbeit und – wie sich herausgestellt hat – sogar
zur einer Verkürzung
des Conchiervorganges führt.
Insofern ist also die Hintereinanderschaltung eines Verflüssigers,
wie er oben beschrieben wurde, mit einem anschliessenden Conchierungsraum 20 von
besonderem Vorteil, ganz gleich, wie der Behälter 1 ausgebildet
sein mag, so dass diese Hintereinanderschaltung auch eine gesonderte
Erfindung darstellt.
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Dies
gilt auch für
den denkbaren Fall, in dem der Conchenraum 20 dem Verflüssiger vorgeschaltet wäre, wobei
sich dann aller dings die Funktionsweise etwas ändert. In diesem Falle müsste nämlich die Schokolade
entweder vorbehandelt oder noch trocken in den Conchenraum eintreten,
um in einen pastösen
Zustand gebracht zu werden, worauf im Behälter 1 die Verflüssigung
erfolgte. Gerade für
einen solchen Fall eignet sich die Ausbildung nach der später besprochenen 5 in
besonderem Masse, obgleich die dort behandelte Ausführungsform
ganz allgemein für
Conchen von besonderem Interesse ist.
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Da
aber sich aus den obigen Erläuterungen ergibt,
dass der Behälter 1 für die Scherarbeit
ganz besonders ausgerüstet
und geeignet ist, ist es besser, ihm die Scherarbeit von Anbeginn
zu überlassen und
den Conchenraum 20 in der gezeigten Weise nachzureihen.
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Für die Conchierarbeit
ist der Zutritt von Luft nicht unwichtig, weshalb auch hier wiederum
mindestens ein Lufteinlass 17 vorgesehen ist. Es empfiehlt sich
aber, besonders dem Conchenraume 20 Frischluft zuzuführen, was
beispielsweise im Bereiche einer Behälterverengung 22 geschehen
kann. Diese Behälterverengung 22 weist
Schrägflächen auf,
die das aus dem Scherspalt 6 austretende Gut auffangen und über die
Wände des
darunterliegenden Conchenbehälters 101 gleichmässig verteilen.
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Da
die Vorrichtung nun praktisch dreiteilig ist, d.h. ausser dem Bearbeitungsbehälter 1 bzw. 101 und
dem Rotor 104 auch noch den Conchenrotor mit einer Welle 23 und
dan davon radial abstehenden Versalbungswerkzeugen 21 aufweist,
ist es erforderlich gesonderte Antriebseinrichtungen für die Rotoren 104 und 21, 23 vorzusehen.
Das bedeutet, dass die Welle 105 nun als Hohlwelle ausgebildet
ist und entweder durch einen von der Welle 23 gesonderten Motor
oder über
ein Getriebe angetrieben wird. Der Rotor 104 selbst weist
dann eine Durchgangsbohrung für
die Welle 23 auf und kann selbst beispielsweise aus Hartmetall
oder Keramikmaterial, wie Siliziumcarbid oder -nitrid, ausgebaut
sein. Ein solcher Aufbau empfiehlt sich insbesondere wegen der Abrasivität von Kakao
enthaltenden Massen und der auftretenden Scherbeanspruchungen.
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Es
ist ersichtlich, dass die Behälterkombination 1, 101 eine
relativ beträchtliche
Länge erreichen kann.
An Hand der 3 wird nun eine besonders günstige und
kompakte Vorrichtung gezeigt. Dabei ist wiederum ein konischer Bearbeitungsbehälter 1 mit Werkzeugen 7 vorgesehen,
in dem koaxial ein über die
Welle 105 antreibbarer Rotor 204 mit Scherwerkzeugen 8 an
Lagern 2, 103 gelagert ist. Zwischen der Aussenfläche 16 des
Rotors 204 und den inneren Enden der Statorwerkzeuge 7 ist
hier in Richtung des vom Zulauf 9 zum Auslauf 11 unter
Umlenkung über die
Oberkante des Rotors 204 strömenden Masseflusses der kleiner
werdende axiale Scherspalt g1'' bzw. g2'' eingezeichnet. Die genannte Umlenkung
erfolgt dabei vorzugsweise im Sinne eines Überlaufes, d.h. die bevorzugte
Ausrichtung der Achse A ist – wie dargestellt – vertikal,
obwohl eine waagrechte oder schräge
Anordnung ebenso möglich
wäre.
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Um
aber die erwähnte
Umlenkung zu erzielen, ist der Rotor 204 hier als Hohlrotor
ausgebildet, so dass seine Innenwandfläche gleichzeitig die mit Werkzeugen 221 eines
weiteren Rotors 221, 23, 28 zusammenarbeitende
Begrenzungsfläche
eines Verfeinerungsraumes 120 bildet. Somit wird das Volumen
des Rotors 204 zur Unterbringung des Raumes 120 genutzt
und so eine grössere
Kompaktheit erreicht. Es ist dabei sinnvoll, wenn die beiden über die Wellen 105 und 23 angetriebenen
Teile unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten besitzen, damit sich eine
Relativbewegung zwischen ihnen ergibt. Unterschiedliche Drehgeschwindigkeit
bedeutet aber nicht nur den Fall gleicher Drehrichtung und unterschiedlichem
Wert der Geschwindigkeit, sondern auch (und insbesondere) eine einander
entgegengesetzte Drehung, wie dies durch Pfeile P2 und P3 in 3 angedeutet ist. Damit hat gewissermassen
die eine Geschwindigkeit positives Vorzeichen, die andere ein negatives.
Dabei können
die beiden Geschwindigkeitswerte gleich gross (aber entgegengerichtet) sein,
müssen
es aber nicht.
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Obwohl
es bevorzugt ist, wenn die Werkzeuge 221 als Scher- und/oder Versalbungswerkzeuge einer
Conche ausgebildet sind, wie später
an Hand der 5 besprochen wird, ist es ohne
weiteres auch möglich,
den Raum 120 samt dem zugehörigen Rotor 221, 23 nach
Art eines Dünnschichtverdampfers
auszubilden. Die Werkzeuge bzw. Wischer eines solchen Dünnschichtverdampfers
können
entsprechend der einschlägigen
Technik ausgebildet sein.
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Für einen
Dünnschichtverdampfer
könnte die
Hohlwelle 105 mit einer (nicht dargestellten) Dreheinführung für einen
Wärmeträger ausgebildet und
zwischen den Flächen 16 und 19 ein
entsprechender Hohlraum für
diesen Wärmeträger vorgesehen
sein. In diesem Falle (obzwar auch im Falle einer Conche) ist es
besonders vorteilhaft, wenn der Raum 120 mit einer Absaugung
für etwaige
Brüden
verbunden ist.
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Zu
diesem Zwecke kann an einem Abschlussdeckel 24 für den Behälter 1 ein
Sauggebläse 25 angeschlossen
sein. Ferner wird es günstig
sein, beispielsweise den an Hand der 1 besprochenen
Lufteinlass 17 vorzusehen, doch ist im vorliegenden Ausführungsbeispiele
eine noch zweckmässigere
Ausführungsform
gewählt,
wie nachstehend erläutert
wird.
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Ein
Problem bei derartigen teigig pastösen Massen ist die Abdichtung
der Lager gegen Verschmutzung. Wie bereits erwähnt, sind ja kakaohaltige Massen
relativ abrasiv, wobei das Problem eines hygienischen Betriebes
und der Verhinderung von Bakterienbefall hinzukommt. Um daher den
Zutritt von zu bearbeitender Masse zu den Lagern, und insbesondere
zum unteren Lager 103, zu verhindern, ist in dessen Bereich
vorzugsweise eine Abweiseinrichtung 26 vorgesehen, die
eine Gegenbewegung gegen allenfalls eindringendes Behandlungsgut
erzeugt.
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Eine
solche Abweiseinrichtung 26 kann wahlweise eine mit dem
Rotor 104 verbundene bzw. an ihm starr befestigte Schnecke 27 aufweisen,
deren Schraubenwindungen derart ausgebildet sind, dass sie bei Drehung
des Rotors 204 aufwärts,
also entgegen der Eindringrichtung für Behandlungsgut, fördert. Zusätzlich oder
alternativ mag die erwähnte Luftzufuhr
zum Raume 120 über
einen Einlass 117 erfolgen, der Luft unter Druck durch
den Nachbarbereich des Lagers 103 bläst und damit eine doppelte Funktion
erfüllt,
indem einerseits die zur Verfeinerung benö tigte Luft zugeführt wird,
anderseits etwaig eindringendes Behandlungsgut ausgeblasen wird.
Dementsprechend ist der Leitungsstutzen an eine (nicht dargestellte)
Quelle für
unter Druck stehende Luft angeschlossen. Ist in der gezeigten Weise
sowohl die Schnecke 27 als auch der Einlass 117 vorgesehen, so
bildet die Schnecke 27 selbstverständlich kein Hindernis für das Einblasen
der Luft, vielmahr wird die schraubenlinienförmig entlang der Gänge der Schnecke
geführt
und verhindert auch deren Verschmutzen.
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Es
wurde oben bereits erwähnt,
dass die Einlässe 17 auch
zur Zufuhr anderer Zusätze,
wie etwa einer Zuckerlösung,
von Milch etc. dienen können. Dies
gilt natürlich
auch für
den Einlass 117, denn es kommt dabei ja nur darauf an,
ein Reinigungsfluid durch den Lagerbereich zu führen, wobei das Reinigungsfluid
auch als Behandlungsmedium brauchbar sein kann. Es ist auch klar,
dass die gezeigte Lageranordnung 103 mit der Abweiseinrichtung 26 nicht nur
beim Ausführungsbeispiel
nach 3 günstig ist, sondern auch bei
den anderen Ausführungsformen angewendet
werden kann.
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Es
versteht sich, dass es prinzipiell möglich wäre, die Anordnung umzukehren,
d.h. an der Innenseite des hohlen Rotors 104 die Scherwerkzeuge 7 und
einen entsprechenden Scherrotor vorzusehen und an der Aussenseite
die Verfeinerung durchzuführen,
doch wird mit der dargestellten Ausbildung der gegebene Raum besser
genützt.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausbildung der Werkzeuge des Rotors 4 (und
analog des Rotors 104) ist aus den 4A und 4B ersichtlich,
die jeweils Schnitte nach den Linien A-A bzw. B-B der 1 darstellen.
In Anlehnung an die Funktionen der Werkzeuge einer Conche sind Werkzeuge 8a mit Scher-
und Versalbungswirkung und Werkzeuge 8b mit Abscher- bzw.
Kratzwirkung vorgesehen. Davon besitzen die Kratzwerkzeuge gemäss 4B eine
in Drehrichtung (siehe Pfeil) vorlaufende Scherkante 29a,
die durch zwei Facettenschliffe, nämlich einer seitlichen Schlifffläche 31,
die zu einer nach vorne gerichteten Scherkante 32 führt, und
zwar bevorzugt von zwei Seiten her sym metrisch zu einer Mittelebene
des Werkzeuges 8b (zweckmässig ist die Hinterkante ebenso
ausgebildet), und einer stirnseitigen Facette 33, die eine
radial äussere
Scherkante 34 ergibt. Damit die Scherkante 29a nicht
nur einen dünnen
Schnitt durch die zu behandelnde Masse zieht, ist es vorteilhaft,
wenn mindestens die Werkzeuge 8b, gegebenenfalls auch die
Scherwerkzeuge 8a, schraubenlinienartig verwunden sind.
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Dagegen
besitzen die Werkzeuge 8a gemäss 4A eine
in Drehrichtung zur Behälterwand 12 divergierende
Fläche 30a,
die gewünschtenfalls schuhartig
verbreitert sein könnte.
Diese Versalbungsfläche 30a erfasst
also das vor ihr liegende Behandlungsgut und zwängt es unter Scherung der einzelnen
rheologischen Schichten in den immer enger werdenden Spalt g1 (4B)
bzw. g2 (4A). Es auch hier ersichtlich,
dass g1 > g2. Darüberhinaus kann
es aber auch günstig
sein, die Scherung im oberen, ablaufseitigen Bereich des Behälters 1 dadurch
zu erhöhen,
dass die Scher- und Versalbungsflächen 30a an der Oberseite
unter einem geringeren Winkel α2
zur Tangente an ihre Umlaufbahn liegen als im unteren Bereich des
Rotors 4, wo ein grösserer Winkel α1 vorliegt.
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Es
versteht sich, dass eine solche Massnahme auch bei den bekannten
zylindrischen Behältern zur
gewünschten
Erhöhung
der Scherwirkung führt und
deshalb eine von der Konizität
des Behälters 1 an
sich unabhängige,
mit ihm aber besonders wirkungsvolle Massnahme ist. Ferner ist klar,
dass die Anzahl der Kratzwerkzeuge 8b auch grösser sein kann,
doch ist ein solches Werkzeug 8b pro Werkzeugkranz vorteilhaft.
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Es
wurde oben immer wieder auf die zum Conchieren verwendeten Scher-
und/oder Versalbungswerkzeuge hingewiesen, so dass nun an Hand der 5 näher darauf
eingegangen werden soll. Diese 5 zeigt
einen Querschnitt durch die Welle 23 entweder der Ausführungsform
nach 2 und/oder der der 3.
Allerdings wird die Anordnung nach 5 bevorzugt
dann verwendet, wenn etwa einer Vorrichtung nach einer der zuvor
besprochenen Figuren eine Conche mit der in 5 gezeigten
Ausgestaltung vorgeschaltet ist, wie oben bereits als eine Möglichkeit
er wähnt
wurde.
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Die 5 veranschaulicht
aber auch zwei an sich im wesentlichen gleich ausgebildete Werkzeuge 21 bzw. 121 an
radial von der Welle 23 abstehenden Armen 28 wobei
aber die beiden Werkzeuge einander entgegengerichtet sind. Das bedeutet,
dass bei einer Drehung der Welle 23 im Uhrzeigersinn das Werkzeug 121 mit
einer relativ scharfen Abscher- oder Kratzkante entlang der Oberfläche 19 des
Raumes 20 streicht, wobei diese Kratzkante 29 von
der Oberfläche 19 in
einem relativ engen Abstande g3 liegt. Das dadurch von der Trogwand 19 abgeschabte
Behandlungsgut wird bei Drehung des Werkzeuges 121 der
Luft im Raume 20 ausgesetzt und fällt dann abwärts, wogegen
Behandlungsgut, das am Trog gegen eine der Oberfläche 19 zugekehrte
Versalbungsfläche 30 gerät in dem
zur Trogwand 19 hin konvergierenden Spalt g4 gegen die
Wand 19 gedrückt
und an ihr unter Scherwirkung zwischen den einzelnen rheologischen
Schichten versalbt wird. Das als nächstes vorbeikommende Scherwerkzeug 121 trägt das Behandlungsgut
dann wieder von der Trogwand 19 ab, um es erneut der Luft
auszusetzen.
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Es
ist ersichtlich, dass damit eine sehr intensive Conchierbehandlung
möglich
ist, wobei zweckmässig
der kleinste Spalt g4 zwischen der zur Trogwand 19 (bezogen
auf die Drehrichtung der Welle 23) konvergierenden Versalbungsfläche 30 grösser als der
Spalt g3 ist. Der Unterschied kann etwa 2:1 betragen, wobei für den Spalt
g3 beispielsweise eine Grössenordnung
von 1 bis 2 mm, für
den Spalt g4 eine Grössenordnung
von 2 bis 6 mm denkbar ist.
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Es
versteht sich, dass eine solche Anordnung von einander abwechselnden
bzw. einander gegenüberliegenden
Kratz- (121) und Versalbungswerkzeugen 21 ganz
allgemein für
Conchen von besonderem Vorteil ist und deshalb nicht an die Verwendung
eines vor- oder nachgeschalteten Verflüssigers oder an dessen konischen
Behälter
gebunden ist. Auch versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf
Behälter
mit vertikaler Achse A beschränkt
ist, sondern auch auf solche mit horizontaler Achse A anwendbar
ist. Eine vertikale Achse A wird sich jedoch überall dort empfehlen, wo es
auf eine gleichmässige Verteilung
des Behandlungsgutes über
die Trogwand ankommen wird, wie dies zweckmässig auch im allgemeinen bei
einer Ausgestaltung nach 3 der Fall
ist.
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Es
versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abänderungen
möglich
sind; beispielsweise wäre
es bei einer Ausführungsform
nach 3 möglich, auch im Raume 20 ähnliche
Kränze von
Scherwerkzeugen 7, 8 vorzusehen wie im Spalte 6.
Das würde
allerdings bedeuten, dass dann eine der oben angegebenen Massnahmen
zur Erhöhung der
Scherung gegen den Auslauf 11 hin durchgeführt werden
müssten,
wie Verringerung des radial äusseren
und/oder des axialen Spaltes g1 bzw. g2 und/oder Erhöhung der
Anzahl der Werkzeuge gegen den Auslauf hin (was auf Grund der abnehmenden
Konizität
schon deutlich schwieriger wäre) und/oder
Verringerung des an Hand der 4 gezeigten
Winkels α.
Obwohl also diese Möglichkeit prinzipiell
besteht, ist sie doch wegen der dabei möglicherweise auftretenden konstruktiven
Schwierigkeiten nicht bevorzugt.
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Die 6 zeigt
eine Vorrichtung zur Bewegung des Rotorteiles 4 in Richtung
D3 der Drehachse. Am Antriebsende der Welle
ist ein Gewinde 302 vorgesehen, in das eine mit passendem
Innengewinde versehene Kupplung 303 eingreift. Mittels
einer Kontermutter 301 kann der Abstand g1 bzw.
g2 eingestellt werden, wobei die Abstände in Richtung
der Doppelpfeile D1 und D2 variabel
sind.
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In 7 ist
die Einzelheit c der 6 dargestellt. Zur Veränderung
der Abstände
g1' und
g2' sind die
Scherwerkzeuge 304 drehbar einstellbar. Die Scherwerkzeuge
sind an einen Nocken 306 in Drehrichtung D5 drehbar
und fixierbar mittels einer Halterung 305 gelagert, wobei
der Nocken 306 selbst in Drehrichtung D4 drehbar
und fixierbar gelagert ist.