DE4415846A1

DE4415846A1 - Vorrichtung zur Herstellung von Pastillen

Info

Publication number: DE4415846A1
Application number: DE4415846A
Authority: DE
Inventors: Michel Prof Roche
Original assignee: Santrade Ltd
Current assignee: Santrade Ltd
Priority date: 1994-05-05
Filing date: 1994-05-05
Publication date: 1995-11-16
Also published as: KR960703662A; JPH09500324A; EP0707515A1; AU2256295A; US5720985A; WO1995030477A1; CA2166708A1; AU677520B2; CN1129405A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Pastillen oder Kugeln durch Abscheren eines extrudierten Massenstrahls unter der Einwirkung von Trägheitskräften.

Es gibt Einrichtungen, die Tropfen nach dem oben erwähnten Prinzip herstellen. Diese Einrichtungen arbeiten zum Teil mit Zufälligkeiten im Zusammenhang mit der Hydrodynamik und einem Strahlabtrennprinzip, welche die exakte Kontrolle des Abscher moments und folglich der Abmessungen des abgetrennten Tropfens nicht ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vor zuschlagen, mit der das Abtrennen eines Strahls unter voll kommener Beherrschung des Moments des Abtrennens ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung gekennzeichnet durch:

- einen starren Rahmen,
- ein Rohr, vorteilhaft aus rostfreiem Stahl, in dem die viskose Masse zirkuliert und das mit dem Rahmen durch eine Gleit-, Dreh- oder Kugelverbindung verbunden ist,
- Bohrungen in diesem Rohr, durch die die Masse extrudiert wird;
- Agitatoren, mit denen dieses Rohr in bezug auf den Rahmen (1) periodisch bewegt werden kann.

Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der hydrodynamischen Strömung mit geringstmöglicher Turbulenz der Vorzug zu geben ist vor einer Strömung, die der Sitz von Wirbeln und Segregationsfaktoren sein kann. Die gewählte Form des Extrusionskopfes ist daher nicht gleichgültig, und es hat sich gezeigt, daß mit der Erfindung eine Laminarströmung und eine schnelle Zirkulation der Masse im Extrusionskopf gewähr leistet werden kann. Aus diesem Grunde läßt die Vorrichtung gemäß der Erfindung die Masse innerhalb eines Rohrs, geradlinig zumindest auf Höhe der Extrusionsdüsen, zirkulieren. Sie bietet ferner die Vorteile einfacher Konzeption, Herstellung, Montage und Wartung. Die Düsen sind vorteilhaft längs angeordnet, d. h. entlang einer Generatrix des Rohrs.

Drei Bewegungsarten können vorgesehen werden:

- Verschiebung gemäß der Drehachse des Rohrs,
- Verschiebung senkrecht zur Drehachse,
- Drehung um die Drehachse.

Die erste ist ungünstig vom Gesichtspunkt der Produktivität, aus, da ja die Parabelachse der Dispersion sich mit derjenigen der Öffnungen überschneidet, und es wurde die Gefahr bestehen, daß die Strahlen sich gegenseitig beeinflussen, wenn die Düsen nicht genügend Abstand haben.

Die zweite ist interessant, da ja die Parabelachse vertikal zur Achse der Öffnungen verläuft, wodurch die Strahlen sich nie gegenseitig beeinflussen können und man daher viel mehr Öffnungen pro Längeneinheit vorsehen kann.

Die letzte ist ebenfalls zufriedenstellend aus dem gleichen Grund. Sie wirft indessen Probleme auf insoweit, als die An triebsgeschwindigkeit des Rohrs (beim Drehen) dem Fluid keine Gesamtbewegung verleiht, wie dies eine Verschiebung tut, sondern ein Abscheren des Fluids hervorruft, das zu Extrusions fehlern führen kann.

In Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei der Bewegung des Rohrs um eine periodische Parallelverschiebung senkrecht zur Achse des Rohrs, also zur Zirkulationsachse der Masse, oder auch um eine periodische Drehbewegung in einem schwachen Winkel um eine Achse parallel zu einer Generatrix des Rohrs, aber außerhalb des Rohrs, außerdem wird diese Bewegung durch eine Wechselfolge von Phasen mit quasi-konstanter Geschwindigkeit und Phasen mit schnell wechselnder Verschieberichtung gebildet.

Nach einem anderen Merkmal ermöglichen die Agitatoren allein gleichzeitig die Verschiebung des Rohrs mit quasi-konstanter Geschwindigkeit und die Änderung seiner Verschieberichtung.

Nach einem anderen Merkmal ist die Vorrichtung außerdem auf jeder Seite des Rohrs mit einem oder mehreren Anschlägen, vor teilhaft aus Metall, versehen, die mit dem Rahmen starr ver bunden sind und auf die das Rohr einmal pro Periode aufprallt, so daß es sehr schnell die Richtung seiner Verschiebung um kehren kann; ferner dienen die Agitatoren des Rohrs zur Kom pensation der diversen Energieverluste, von denen das Rohr während seiner ballistischen Verschiebung zwischen den beiden Anschlägen oder Serien von Anschlägen betroffen wird, wie z. B. die Verluste durch Luft- und Lagerreibungen oder die Verluste beim Aufprallen auf die Anschläge.

Nach einem anderen Merkmal sind die Vorrichtungen, mit denen das Rohr in Bewegung gehalten wird, nur während der ballisti schen Verschiebephase des Rohrs zwischen den beiden Anschlägen oder Serien von Anschlägen in Aktion, wobei diese Vorrichtungen also direkt auf das Rohr wirken.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Vorrichtungen, mit denen das Rohr in Bewegung gehalten wird, nur während des Kon takts des Rohrs mit einem Anschlag in Aktion; sie wirken also nicht direkt auf das Rohr, sondern auf die Anschläge, wobei sie ihre Position, ihre Geschwindigkeit oder auch ihre Elastizität ändern.

Nach einem weiteren Merkmal bestehen die Vorrichtungen zur Bei behaltung der Bewegung aus einer beweglichen Spule in einem durch einen Permanentmagnet polarisierten Magnetkreis, die mit dem Rohr durch eine Kugelverbindung und mit dem Rahmen starr verbunden ist, außerdem sind ein geeigneter Elektronikkreis zur Speisung dieser beweglichen Spule und eventuell ein Positions aufnehmer zur Bestimmung der Position des Rohrs vorgesehen.

Nach einem anderen Merkmal ist das Rohr solidarisch für die bewegliche Belegung eines Luftdrehkondensators, dessen feste Belegung starr mit dem Rahmen verbunden ist, wobei das Ganze die Vorrichtungen zur Beibehaltung der Bewegung bildet; außerdem sind ein geeigneter Elektronikkreis, mit dem Kapazität des Kondensators und somit die Intensität der durch die feste Belegung auf die bewegliche Belegung ausgeübten Kraft variiert werden kann, sowie eventuell ein Positionsaufnehmer zur Be stimmung der Position des Rohrs vorgesehen.

Die Vorrichtungen, mit denen das Rohr in Bewegung gehalten wird, bestehen vorteilhaft aus einer oder mehreren piezoelek trischen Keramiken in Zweielementenkristall-Ausführung, deren eines Ende in den Rahmen und das andere in das Rohr eingelassen ist und die dem Rohr eine Kraft tangential zur Drehbewegung des Rohrs um seine Drehachse verleihen; außerdem sind elektronische Steuerungen für die piezoelektrischen Keramiken und eventuell ein oder mehrere Positionsaufnehmer zur Bestimmung der Position des Rohrs vorgesehen.

Nach einem weiteren Merkmal oszilliert das Rohr nur zwischen zwei Anschlägen, der eine auf der einen Seite des Rohrs und der andere auf der anderen Seite, und die piezoelektrischen Kera miken werden alle gleichzeitig gesteuert.

Nach einem weiteren Merkmal oszilliert das Rohr nur zwischen zwei Anschlägen, der eine auf der einen Seite des Rohrs und der andere auf der anderen Seite, und die piezoelektrischen Keramiken werden alle individuell gesteuert, so daß durch Ein wirken auf die Phase und Intensität der Kraft, die durch jede piezoelektrische Keramik auf den Teil des Rohrs, in den sie eingelassen ist, ausgeübt wird, die Biegeverformungen des Rohrs korrigiert werden können; ferner ist eventuell ein Positions aufnehmer pro piezoelektrischer Keramik vorgesehen.

Das Rohr kann auch zwischen zwei Serien von Anschlägen oszil lieren, die eine auf der einen Seite des Rohrs und die andere auf der anderen Seite, alle beide in derselben Anzahl von An schlägen und vorteilhaft so angeordnet, daß irgendeinem An schlag auf der einen Seite des Rohrs symmetrisch in bezug auf die Achse des Rohrs ein Anschlag auf der anderen Seite des Rohrs zugeordnet ist; pro Anschlagspaar ist eine piezoelek trische Keramik vorhanden, die alle individuell gesteuert werden, so daß durch Einwirken auf die Phase und Intensität der Kraft, die durch jede piezoelektrische Keramik auf den Teil des Rohrs, in den sie eingelassen ist, ausgeübt wird, die Biege verformungen des Rohrs korrigiert werden können; außerdem ist eventuell ein Positionsaufnehmer pro piezoelektrischer Keramik vorgesehen.

Vorteilhaft oszilliert das Rohr nur zwischen zwei Anschlägen, der eine auf der einen Seite des Rohrs und der andere auf der anderen Seite, jeder starr mit einer piezoelektrischen Keramik verbunden, die in der Biegung auf dieselbe Art wie die Metall anschläge arbeitet, vorteilhaft aufgeklebt auf die Fläche des Anschlags gegenüber der Fläche, auf die das Rohr trifft; außer dem sind elektronische Steuerungen für die beiden piezoelek trischen Keramiken vorgesehen.

In einer Variante oszilliert das Rohr zwischen zwei Serien von Anschlägen, die eine auf der einen Seite des Rohrs und die andere auf der anderen Seite, alle beide in derselben Anzahl von Anschlägen und vorteilhaft so angeordnet, daß irgendeinem Anschlag auf der einen Seite des Rohrs symmetrisch in bezug auf die Achse des Rohrs ein Anschlag auf der anderen Seite des Rohrs entspricht, jeder starr mit einer piezoelektrischen Keramik verbunden, die in der Biegung auf dieselbe Art wie die Metallanschläge arbeitet, vorteilhaft aufgeklebt auf die Fläche des Anschlags gegenüber der Fläche, auf die das Rohr trifft, wobei all diese piezoelektrischen Keramiken individuell ge steuert werden, so daß durch Einwirken auf die Phase und Intensität der Kraft, die von jeder Keramik auf ihren Anschlag ausgeübt wird, die Steifigkeit des Anschlags kontrolliert und somit die Biegeverformungen des Rohrs korrigiert werden können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen deutlicher aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen Prinzipschnitt einer erfindungsgemäßen Vor richtung, die mit einem Rohr versehen ist,

Fig. 2 den Schnitt des Rohrs der Fig. 1, während es zwischen zwei Serien von Anschlägen oszilliert,

Fig. 3 den Schnitt durch den Agitator des Rohrs der Fig. 1 in "Lautsprecher"-Art, wobei eine bewegliche Spule, ein Magnetkreis, ein Permanentmagnet und eine Kugel verbindung zwischen Spule und Rohr vorgesehen ist,

Fig. 4 den Schnitt durch eine Variante, bei der das Rohr "im Flug" durch piezoelektrische Keramiken (Zweielemen tenkristalle) in Bewegung gehalten wird,

Fig. 5 den Schnitt durch die Vorrichtung der Fig. 4, mit der das Rohr im Moment des Stoßes durch piezoelektrische Keramiken in Bewegung gehalten wird,

Fig. 6 den Verlauf der Position der Düsen in Abhängigkeit von der Zeit, und

Fig. 7 die Abtrennung eines "Tropfens" sowie die Bahn und die Kugelformung der bereits extrudierten "Tropfen".

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schema tisch dargestellt, die aus einem starren Rahmen in der Form einer nach unten offenen rechteckigen Haube und aus einem etwa in der Form eines U gebogenen Rohr (2) besteht, das mit beiden Schenkeln durch die geschlossene Seite des Rahmens (1) hin durchgeführt ist und zwar so, daß es senkrecht zu seiner Längsachse (20) bewegt werden kann und die gedachten Pen delachsen (21) parallel zu der Achse (20) verlaufen. Dabei braucht nicht unbedingt für eine Pendellagerung, etwa durch elastische Aufhängung in der Höhe der Achse (21) gesorgt werden. Es genügt auch die Eigenelastizität des Rohres (2) selbst, die für die zur Tropfenformung notwendige Bewegung senkrecht zur Achse (20) sorgen kann. Voraussetzung ist, daß die gedachte Achse (21) ausreichend weit von der Längsachse (20) des Rohres (2) entfernt ist.

Das Rohr (2) ist, wie insbesondere den Fig. 2 und 3 zu entnehmen ist, auf der zum offenen Teil des Rahmens (1) weisenden Seite mit mehreren Bohrungen (3) versehen, die in Reihe hintereinander parallel zur Achse (20) angeordnet sind. Mit Hilfe eines Agitators (4), im vorliegenden Fall eines Vibrationssystems, können auf das Rohr transversale Beschleu nigungen übertragen werden, die, wie noch auszuführen sein wird, zur Tropfenbildung ausgenützt werden.

Möglich wäre es auch, das Rohr (2) nicht U-förmig auszubilden, sondern als gerades Rohr und es dann in einer oder mehreren Gleitbahnen, die senkrecht zu seiner Achse (20) verlaufen, zu führen. Auch dann könnte ein Vibrationssystem ähnlich dem Agi tator (4) verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel ist, wie bereits angedeutet, zur Querverschiebung des Rohres senkrecht zur Achse (20) eine Drehung um die Achsen (21) vorgesehen. Da der Abstand zwischen den Achsen (21) und (20) groß genug ge wählt ist, kommt bei den kleinen Drehwinkeln die in der Fig. 1 gezeigte Lösung einer reinen Parallelverschiebung des Rohres (2) in der Praxis gleich.

Durch das Rohr (2) wird im Sinne der Pfeile (22) die zu ver tropfende Masse hindurchgeführt und zwar so, daß die Strömung im Bereich der Bohrungen (3) möglichst gleichmäßig ist.

Das Abscheren der extrudierten Masse erfolgt durch heftige Agi tation des als Extrusionskopf dienenden Rohres (2) mittels des Vibrationssystems (4), mit dem an die als Extrusionsdüsen die nenden Bohrungen (3) transversale Beschleunigungen übertragen werden. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, werden, da sich die Geschwindigkeit des Rohrs (2) und somit der Düsen (3) perio disch ändert, die abgetrennten "Tropfen" abwechselnd in zwei entgegengesetzte Richtungen geschickt, wodurch verhindert wird, daß sie wieder zusammenwachsen. Dabei haben die "Tropfen" (20) zunächst noch die Form des eben abgescherten Stranges, die dann in freiem Flug (siehe 20′, 20′′ und 20′′′) in die Form eines Tropfens im eigentlichen Sinn übergeht. Diese Tropfen (20′′′) können in beliebiger Art und Weise zur Erstarrung gebracht wer den. Dies kann z. B. durch freien Fall in einem Kühlturm, durch Auffangen in einer flüssigkeitsgefüllten Kühlwanne oder auch durch Aufgabe auf ein Kühlband geschehen.

Es ist leicht verständlich, daß zur Beherrschung des Volumens des bei jeder Beschleunigung extrudierten "Tropfens" die Beherr schung

- der Extrusionsdauer zwischen zwei Beschleunigungen
- des Moments der Beschleunigung und
- der Dauer der Verlangsamungs-/Beschleunigungsphase

notwendig ist. Insbesondere wird die Spaltungsfläche zwischen zwei Abschnitten umso besser definiert, je schneller sich die Geschwindigkeit umkehrt. Daher die Notwendigkeit einer großen Beschleunigung, also großer Kräfte. Eine gute Definition der Spaltungsfläche führt zu einer guten Reproduzierbarkeit der Länge des "Tropfens" und somit des Volumens der extrudierten Masse.

Andererseits ist es wichtig, daß der "Tropfen" während der Extrusion nicht durch Geschwindigkeitsänderungen des Rohrs (2) gestört wird, abgesehen natürlich von den gewollten, die das Abscheren des Strahls ermöglichen. Die Extrusion des Strahls durch die Düsen (3) ist nämlich Druckkräften innerhalb des Rohrs (2) unterworfen, die man als konstant betrachten kann. Wenn das Rohr (2) im Moment der Extrusion nicht selbst mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt wird, wird der "Tropfen" während des Extrusion verformt, wodurch seine Ko aleszenz gestört und er eventuell abgeschert werden kann.

Man versteht daher schließlich, daß eine Qualitätsproduktion - d. h. eine Erzeugung von monodispersen, also gleichgroßen Tropfen, über die Einhaltung der beiden folgenden Bedingungen geht:

- möglichst heftige Beschleunigungen im Moment des Abscherens,
- Extrusionsphasen mit möglichst konstanter Geschwindig keit (Rohr in "ballistischem Flug").

Die ideale Verschiebung des Rohrs (in Abhängigkeit von der Zeit) erfolgt daher sägezahnweise und in der Praxis durch eine Wechselfolge von Verschiebungen mit quasi-konstanter Geschwin digkeit (die Position ist in linearer Abhängigkeit von der Zeit) und äußerst brutalen Änderungen der Verschieberichtung (die Position ist in sinusförmiger Abhängigkeit von der Zeit), wie aus Fig. 6 zu ersehen ist.

In einer ersten Ausführungsform wird das Rohr (2) mit den Öffnungen (3) konstant gesteuert, d. h., daß die Bewegung keine Phasen aufweist, in denen die Verschiebung des Rohrs Trägheits kräften allein unterworfen wäre. Ebenso wird die Richtungs änderung der Bewegung durch den Agitator selbst (4) verursacht, der die Richtung seiner Kraft sehr schnell umkehrt. Dieses Prinzip weist indessen zwei große Nachteile auf:

- Eine sehr heftige Änderung der Verschiebeeinrichtung führt zu sehr starken, also voluminösen Agitationssystemen (4), die große Energiekosten verursachen und dem System zu viel Wärme zuführen, während die Temperatur der Masse im allge meinen sorgfältig kontrolliert werden muß - nicht nur, damit sie nicht fest wird, sondern auch, damit die Substanzen, die sie enthält, nicht durch die Temperatur zerstört werden (das ist vor allem der Fall in der Pharmazie, wenn die aktiven Bestandteile in einem Bindemittel, der Masse, versenkt sind).
- Das Agitationssystem (4) ist ständig treibend: es arbeitet nicht nur während des ganzen Arbeitszyklus′ sondern erlaubt auch nicht, die kinetische Energie des Rohrs (2) im Moment seines Bremsens zurückzugewinnen, um sie für seine Wiederbe schleunigung zu nutzen.

Aus diesem Grunde gibt man einer Ausführungsform den Vorzug, bei der die Änderung der Bewegungsrichtung durch einen Stoß gegen einen oder mehrere mechanische Anschläge (5), die starr mit dem massiven Rahmen (1) verbunden sind, herbeigeführt wird. Während des Aufpralls wird die kinetische Energie des Rohrs (2) in elastische Verformungsenergie des Anschlags (5) umgewandelt, dann dem Rohr (2) im Moment der Entspannung zurückgegeben. Die Agitatoren (4) des Rohrs (2) dienen also nicht mehr zur Ände rung der Verschieberichtung des Rohrs, sondern einfach zur Bei behaltung seiner Bewegung, die darin besteht, die Verluste durch Luft- und Lagerreibungen und die Verluste durch die "Nichtelastizität" des Stoßes gegen die Anschläge (5) zu kom pensieren. Es ist daher leicht zu verstehen, daß die Leistung des Agitators viel geringer zu sein braucht als die des vorherigen.

Die zur Beibehaltung der Bewegung erforderliche Energie kann entweder während des "Flugs" des in der Art eines Pendels zwi schen seinen beiden Anschlägen (5) hin- und hergehenden Rohres (2) oder im Moment des Aufpralls selbst geliefert werden. In allen Fällen kann die Energie dem System entweder zweimal pro Periode, nur einmal, oder auch nur einmal allen Perioden zuge führt werden.

Im ersten Fall können wahlweise:

- klassische elektrodynamische Systeme mit beweglicher Spule (6) in einem durch einen Permanentmagnet (8) polarisierten Magnetkreis, ähnlich Lautsprecher motoren,
- kapazitative Systeme, deren Extrusionsorgan mit der beweglichen Belegung eines Drehkondensator verbunden ist,
- piezoelektrische Systeme mit Zweielementenkristallen (10), die große Verschiebungen ermöglichen,

eingesetzt werden.

Im zweiten Fall wird die zur Beibehaltung der Bewegung erfor derliche Energie im Moment des Stoßes gegen den Anschlag (5) geliefert, indem dieser letztere auf einen "Antrieb" montiert wird. In der Praxis ist der am leichtesten in diesem Rahmen einsetzbare" Antrieb" eine piezoelektrische, auf den Aufschlag aufgeklebte Keramikleiste (11), direkt in Kontakt mit dem Rohr (2) oder, vorteilhaft, zwischen dem Anschlag (5) und dem massi ven Rahmen (1). Zwischen zwei Stößen gegen die Anschläge (5) wird das Rohr (2) daher nicht mehr den Trägheitskräften allein unterworfen, was den "Tropfen" während der Extrusion eine aus gezeichnete Geometrie verleiht.

Es werden die Spannungen untersucht, die durch die Hydrodynamik (Nichtsegregation der Masse) und den monodispersen Charakter, den die Produktion aufweisen muß (schnelle Richtungsände rungen), an der Vorrichtung auftreten. Die oben beschriebenen Systeme sind jedoch noch nicht ganz zufriedenstellend im Hin blick auf die Regelmäßigkeit ihrer Produktion. Das rührt daher, daß das Rohr (2) bisher als ein vollkommen starres Element be handelt wurde, während es doch Verformungen unterworfen ist. Das Problem stellt sich, wenn man das Vieldüsengerät auf der Grundlage eines Geräts mit einem Eindüsenrohr extrapoliert.

Aus Gründen der Produktivität ist es notwendig, in das Rohr (2) die größtmögliche Anzahl von Düsen (3) zu bohren, vorzugsweise entlang einer Generatrix. Im ersten Ausführungsbeispiel - in dem das Rohr zwischen zwei Anschlägen (5), jeweils auf einer Seite des Rohrs (2), oszilliert - breitet sich die durch den Stoß erzeugte Verdichtungswelle am ganzen Rohr (2) entlang aus ab dem Kontaktpunkt zwischen dem Anschlag (5) und dem Rohr (2), was eine Biegung des letzteren bewirkt und eventuell die Erre gung von Biegungseigenschwingungen. Die Düsen (3), obwohl sie gleichmäßig entlang des Rohrs (2) verteilt sind, haben daher nicht alle dieselbe Bewegung, und es ist somit unmöglich, eine gleichmäßige Produktion zu erhalten.

Das Rohr (2) darf daher nicht als ein starres, unverformbares Element betrachtet werden. Die Korrektur seiner Deformationen soll daher durch das Bewegungsbeibehaltungssystem selbst (4) erfolgen, das keine punktuellen Kräfte mehr ausübt, sondern sie entlang des Rohrs (2) verteilt und gemäß dem Verlauf der Bie gungslinie dosiert (gemessen entweder durch unabhängige Auf nehmer oder, wenn möglich, durch die Vorrichtung (4) selbst) ausübt. Diese Justierung erfolgt in Echtzeit durch eine Steuer elektronik der Antriebe (4). Wenn daher ein Biegungsmodus auf tritt, verringert sich die Energie, die durch die Antriebe (4) den "voreilenden" Teilen des Rohrs (2) zugeführt wird, während sie sich für die "nacheilenden"Teile des Rohrs (2) erhöht. Auf diese Weise erhält das Rohr (2) ein vollkommen starres Ver halten und alle Düsen (3) verhalten sich hinsichtlich ihrer Bewegung gleich. Sie haben daher ein kollektives Verhalten, wobei die individuelle Steuerung der einzelnen Düsen (3) ideal wäre.

In einer vorteilhaften Ausbildung wird das Rohr (2) durch eine Reihe piezoelektrischer Keramiken (10) in Zweielementenkristall- Ausführung in Bewegung gehalten, wobei das eine Ende im massiven Rahmen (1) und das andere im Rohr (2), gemäß einer Generatrix, eingelassen ist. Die bei jeder Halbperiode verlorene Energie wird dem System durch diesen Kamm zugeführt.

Bei einer anderen Ausführungsform wird der einzige Anschlag durch eine große Anzahl von Anschlägen (5) auf jeder Seite des Rohrs (2) - z. B. einer pro Düse (3) - ersetzt, um den Stoß bestmöglich entlang des Rohrs (2) zu verteilen; ferner ist noch ein Kamm von Antrieben, vorteilhaft piezoelektrische Keramiken (10) vorgesehen.

Diese Verbesserung kann auch am System zur Beibehaltung der Be wegung im Moment des Stoßes vorgenommen werden: das Rohr (2) oszilliert zwischen zwei Serien von Anschlägen (5) (in gleicher Anzahl und symmetrisch zum Rohr angeordnet) - z. B. Stahlleisten - auf die piezoelektrische Keramiken (11) aufgeklebt sind; das Ganze ist in den massiven Rahmen (1) eingelassen. Das Messen der Biegungslinie des Rohrs (2) kann leicht durch die Keramiken selbst (11) erfolgen. Die Steuerelektronik steuert dann jede Keramik (11) individuell, was bedeutet, daß die Steifigkeit jeder Stahlleiste (5) reguliert wird: die, auf denen das Rohr (2) voreilend" ist, werden weicher, während die, auf denen das Rohr (2) "nacheilend" ist, härter werden.

Die Vorrichtung kann zum Beispiel in der pharmazeutischen In dustrie (Medikamente in Granulatform), in der chemischen In dustrie (Chemikalien in Pastillenform, Reinigungsmittel in Granulatform) oder für die landwirtschaftliche Nahrungsmittel industrie eingesetzt werden.

Als Beispiel soll eine Stahlleiste (5) mit piezoelektrischer Keramik (11) im Falle eines rostfreien Stahlrohrs (2) in irgendeiner Länge dimensioniert werden, das mit 1 Düse (3) pro cm versehen ist. Es werden also Stahlleisten (5) und piezo elektrische Keramiken (11) mit 1 cm Breite gewählt:

Aus Fig. 6 ist die Bahn einer Düse (3) im Zeitverlauf ersicht lich: sie besteht aus einer Folge von "ballistischen Flug"- Phasen mit konstanter Geschwindigkeit, getrennt durch plötz liche sinusförmige Richtungsänderungen. Das Ziel ist, die Dauer 2τ dieser Richtungsumkehrungen soweit wie möglich zu reduzie ren. Man ersieht ferner: T = Periode und Δx = der vom Rohr (2) zurückgelegte Weg während mx^-1 seiner Bremsphase.

Im Moment des "Stoßes" wird die gesamte kinetische Energie E_c des Pendels (2) der Stahlleiste (5) und gleichzeitig der piezo elektrischen Keramik (11) in elastische Verformungsenergie um gewandelt.

Die Stahlleiste (5) und die piezoelektrische Keramik (11) bildet das Element mit höchster Beanspruchung, denn der Durch schlagsbereich zwischen den beiden Elektroden darf nicht über schritten werden und auch nicht die Elastizitätsgrenze der Außenfaser. Diese beiden Bedingungen zeigen sich in Form einer charakteristischen maximalen Energiedichte E_p des Materials. Sie variiert somit von 200 J/m³ bis über 3.000 J/m³.

Die Energie, die die Leiste (5) speichern und im Moment der Rücksendung des Rohrs (2) zurückgeben kann, ist abhängig vom Keramik-Volumen V (VLbe) und vom Volumen äquivalent zur Nutz masse:

m = längenbezogene Masse des Pendels (2)
p = Dichte der piezoelektrischen Keramik (11).

Diese Energie beträgt somit:

Der Koeffizient 1/5 berücksichtigt, daß es sich bei der Ver bindung zwischen Anschlag (5) und Rohr (2) um eine Kugelver bindung im Moment des Stoßes handelt.

Die Stahlleiste (5) muß ihrerseits den nicht von der Keramik (11) absorbierten kinetischen Energierest E₂ absorbieren:

E₂ = E_c - E₁

Diese kinetische Energie beträgt E_c = (1/2)·mv², wobei v die Geschwindigkeit des Rohrs (2) während seiner ballistischen Phase ist. Diese Geschwindigkeit beträgt:

Δx und τ sollen ausgewertet werden. Die Grundsatzgleichung der auf das Rohr (2) in der Bremsphase angewandten Dynamik ergibt, wenn man die Bremskraft der piezoelektrischen Keramik (11) an gesichts der der Stahlleiste (5) außer acht läßt:

Integriert man mit den Anfangsbedingungen x=0 in t=0, und dx/dt=v in t=0, erhält man die wohlbekannte periodische Pulsations bewegung ω=√ und Amplitudenbewegung ν √:

Daher die Relation zwischen Δx und T:

Folglich, zurückkommend auf die Formel zum Ausdruck der Geschwindigkeit:

ergibt sich schließlich die energetische Energie:

Man berücksichtigt, daß sich die Leiste (5) wie eine Feder mit Steife k verhält. Ihre elastische Verformungsenergie wird daher gegeben durch:

Wenn man wie oben die Annäherung Δx=ν·τ=(2Aτ)/(T) durchführt, erhält man:

daher k:

Die energetische Bilanz ergibt: E₂ = E_c E₁. Da E_c und E₁ oben errechnet wurden, ist es leicht, E₂ abzuleiten und schließlich die Steife k der Stahlleiste (5), also ihre Dimensionen in fine mittels des Ausdrucks der Steife einer eingelassenen Leiste, die mit Biegung arbeitet:

dabei bezeichnet l= das Trägheitsmoment der Sektion der Leiste (5) in Bezug auf die Achse, nach der die Breite b gemessen wird, und h die ihrer Dicke.

Daher h:

Behandeln wir die folgende numerische Anwendung:

Piezoelektrische Keramik (11):
L = 4 cm
b = 1 cm
e = 1 mm
p = 7,15 kg/cm³
E_p = 3,116 mJ/cm³
Stahlleiste (5)
L = 4 cm
b = 1 cm
E = 200.000 N/mm²
Bewegung:
T = 1 ms
A = 1 mm
/T = 0,1
Rohr (2)
Innendurchmesser: 14 mm
Dicke: 0,5 mm

Man erhält:
m = 3,43 g pro cm Rohr
V_äq = 0,48 cm³
V = 0,4 cm³
Daher E₁ = 0,53 mJ
Jedoch E_c = 6,86 mJ
Daher E₂ = 6,33 mJ
Und schließlich k = 3,17.10⁵N/m
Daher Dicke der Stahlleiste: h = 3,40 mm

Diese Abmessungen sind völlig kompatibel mit den anderen Spannungen (allgemeine Abmessungen des Vibrators, Hydrodynamik, Produktivität, Kosten). Es ist zu bemerken, daß im Ausführungs beispiel der Beitrag der Stahlleiste (5) und der piezoelektri schen Keramik (11) in der Absorption der kinetischen Energie des Rohrs (2) in einem Verhältnis von 12/1 stehen: 92,3% wird durch die Stahlleiste (5) absorbiert und 7,7% durch die Keramik (11).

Es ist offensichtlich, daß, je anspruchsvoller man auf das Ver hältnis τ/T ist, desto starrer muß der Anschlag (5) sein: k variiert wie das Quadrat von τ/T. Da alle anderen Parameter un verändert bleiben, kommt man, wenn man z. B. eine Sektionsdauer des Strahl von 100mal kürzer als die Extrusionsdauer zugrunde legt, zu einer Dicke h von 16 mm.

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung von monodispersen Pastillen oder Kugeln durch Abscheren eines extrudierten Massen strahls unter der Einwirkung von Trägheitskräften, gekennzeich net durch:

- einen starren Rahmen (1),
- ein Rohr (2), in dem die viskose Masse zirkuliert und das mit dem Rahmen (1) durch eine Gleit-, Dreh- oder Kugelverbindung verbunden ist,
- Bohrungen (3) in diesem Rohr (1), durch die die Masse extrudiert wird,
- Agitatoren (4), mit denen dieses Rohr (2) in Bezug auf den Rahmen (1) periodisch bewegt werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Rohrs (2) eine periodische Parallelver schiebung senkrecht zur Achse des Rohrs (2), also zur Zirku lationsachse der Masse ist, oder auch eine periodische Drehbe wegung in einem schwachen Winkel um eine Achse (21) parallel zu einer Generatrix des Rohrs (1), aber außerhalb des Rohrs (2), und dadurch, daß außerdem diese Bewegung durch eine Wechselfolge von Phasen mit quasi-konstanter Geschwindigkeit und Phasen mit schnell wechselnder Verschieberichtung gebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Agitatoren (4) des Rohrs (2) allein gleich zeitig die Verschiebung des Rohrs (2) mit quasi-konstanter Geschwindigkeit und die Änderung seiner Verschieberichtung ermöglichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß auf jeder Seite des Rohrs (2) ein oder mehrere Anschläge (5) vorteilhaft aus Metall vorgesehen sind, die starr mit dem Rahmen (1) verbunden sind und auf die das Rohr (2) ein mal pro Periode aufprallt, so daß es sehr schnell die Richtung seiner Verschiebung umkehren kann; ferner dadurch, daß die Agi tatoren (4) des Rohrs (2) dazu dienen, die diversen Energie verluste zu kompensieren, von denen das Rohr (2) während seiner ballistischen Verschiebung zwischen den beiden Anschlägen oder Serien von Anschlägen (5) betroffen wird, wie z. B. die Verluste durch Luft- und Lagerreibungen oder die Verluste beim Aufprallen auf die Anschläge (5).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (4), die das Rohr (2) in Bewegung halten, nur während der ballistischen Verschiebephase des Rohrs (2) zwischen den beiden Anschlägen oder Serien von Anschlägen (5) in Aktion sind, also direkt auf das Rohr (2) wirken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (4), die das Rohr (2) in Bewegung halten, nur während des Kontakts des Rohrs (2) mit einem Anschlag (5) in Aktion sind, also nicht direkt auf das Rohr (2), sondern auf die Anschläge (5) wirken, wobei sie ihre Position, ihre Geschwindig keit oder auch ihre Elastizität ändern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (4) zur Beibehaltung der Bewegung aus einer beweglichen Spule (6) in einem durch einen Permanentmagnet (8) polarisierten Magnetkreis (7), die mit dem Rohr (2) durch eine Kugelverbindung (9) und am Rahmen (1) beweglich geführt ist, bestehen; ferner dadurch, daß ein geeigneter Elektronik kreis zur Speisung dieser beweglichen Spule (6) und eventuell ein Positionsaufnehmer zur Bestimmung der Position des Rohrs (2) vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) die bewegliche Belegung eines Luftdrehkonden sators bildet, dessen feste Belegung starr mit dem Rahmen (1) verbunden ist, wobei das Ganze die Vorrichtungen (4) zur Beibe haltung der Bewegung bildet; ferner dadurch, daß ein geeigneter Elektronikkreis mit dem die Kapazität des Kondensators und somit die Intensität der durch die feste Belegung auf die bewegliche Bewegung ausgeübten Kraft variiert werden kann, sowie eventuell ein Positionsaufnehmer zur Bestimmung der Position des Rohrs (2) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen mit denen das Rohr (2) in Bewegung gehal ten wird aus einer oder mehreren piezoelektrischen Keramiken (10) in Zweielementenkristall-Ausführung bestehen, deren eines Ende in den Rahmen (1) und das andere in das Rohr (2) einge lassen ist und die dem Rohr (2) eine Kraft tangential zur Dreh bewegung des Rohrs (2) um seine Drehachse verleihen; ferner da durch, daß elektronische Steuerungen für die piezoelektrischen Keramiken (10) sowie eventuell ein oder mehrere Positionsauf nehmer zur Bestimmung der Position des Rohrs (2) vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) nur zwischen zwei Anschlägen (5) oszilliert, der eine auf der einen Seite des Rohrs (2) und der andere auf der anderen Seite, und daß die piezoelektrischen Keramiken (10) alle gleichzeitig gesteuert werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) nur zwischen zwei Anschlägen (5) oszilliert, der eine auf der einen Seite des Rohrs (2) und der andere auf der anderen Seite, und daß die piezoelektrischen Keramiken (10) alle individuell gesteuert werden, so daß durch Einwirken auf die Phase und Intensität der Kraft, die durch jede piezo elektrische Keramik (10) auf den Teil des Rohrs (2), in den sie eingelassen ist, ausgeübt wird, die Biegeverformungen des Rohrs (2) korrigiert werden können; ferner dadurch, daß eventuell ein Positionsaufnehmer pro piezoelektrischer Keramik (10) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) zwischen zwei Serien von Anschlägen (5) oszil liert, die eine auf der einen Seite des Rohrs (2) und die andere auf der anderen Seite, alle beide in derselben Anzahl von An schlägen und vorteilhaft so angeordnet, daß irgendeinem Anschlag (5) auf der einen Seite des Rohrs (2) symmetrisch in Bezug auf die Achse des Rohrs (2) ein Anschlag (5) auf der anderen Seite des Rohrs (2) zugeordnet ist, ferner dadurch, daß pro Anschlags paar (5) eine piezoelektrische Keramik (10) vorhanden ist, die alle individuell gesteuert werden, so daß durch Einwirken auf die Phase und Intensität der Kraft, die durch jede piezoelek trische Keramik (10) auf den Teil des Rohrs (2), in den sie ein gelassen ist, ausgeübt wird, die Biegeverformungen des Rohrs (2) korrigiert werden können, sowie ferner dadurch, daß eventuell einem Positionsaufnehmer pro piezoelektrischer Keramik (10) vor gesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr nur zwischen zwei Anschlägen oszilliert, der eine auf der einen Seite des Rohrs und der andere auf der anderen Seite; ferner dadurch, daß jeder Anschlag starr mit einer piezo elektrischen Keramik verbunden ist, die in der Biegung auf die selbe Art wie die Metallanschläge arbeitet, vorteilhaft aufge klebt auf die Fläche des Anschlags gegenüber der Fläche, auf die das Rohr trifft, ferner dadurch, daß elektronische Steuerungen für die beiden piezoelektrischen Keramiken vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) zwischen zwei Serien von Anschlägen (5) oszil liert, die eine auf der einen Seite des Rohrs und die andere auf der anderen Seite, alle beide in derselben Anzahl von Anschlägen und so angeordnet, daß irgendeinem Anschlag (5) auf der einen Seite des Rohrs (2) symmetrisch in Bezug auf die Achse des Rohrs (2) ein Anschlag (5) auf der anderen Seite des Rohrs (2) zuge ordnet ist, ferner dadurch, daß jeder Anschlag starr mit einer piezoelektrischen Keramik (11) verbunden ist, die in der Biegung auf dieselbe Art wie die Metallanschläge (5) arbeitet, vorteil haft aufgeklebt auf die Fläche des Anschlags (5) gegenüber der Fläche, auf die das Rohr (2) trifft, wobei all diese piezoelek trischen Keramiken (11) individuell gesteuert werden, so daß durch Einwirken auf die Phase und Intensität der Kraft, die von jeder Keramik (11) auf ihren Anschlag (5) ausgeübt wird, die Steifigkeit des Anschlags (5) kontrolliert und somit die Biege verformungen des Rohrs (2) korrigiert werden können.