DE10248106A1

DE10248106A1 - Vibrodüsen arrangement

Info

Publication number: DE10248106A1
Application number: DE10248106A
Authority: DE
Inventors: Boris Ouriev
Original assignee: Buehler AG
Current assignee: Buehler AG
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-05-19
Also published as: AU2003301413A1; WO2004035292A1

Abstract

Die Erfindung offenbart eine Düsenanordnung mit mindestens einem Austragskanal zum Austragen eines insbesondere hochviskosen Fluids aus einem mit Fluid gefüllten Behälter oder Leitungsabschnitt stromauf von der Düsenanordnung. Erfindungsgemäß weist die Düsenanordnung mindestens ein ansteuerbares und in Schwingungen versetzbares Schwingungselement mit einer Oberfläche auf, die mit dem durch die Düsenanordnung bewegten Fluid in Berührung steht. Außerdem offenbart die Erfindung ein Verfahren zum Austragen eines insbesondere hochviskosen Fluids aus einem mit Fluid gefüllten Behälter oder Leitungsabschnitt unter Verwendung der erfindungsgemäßen Düsenanordnung, wobei a) zwischen dem Düseneinlass und dem Düsenaustritt der Düsenanordnung ein Druck angelegt wird und b) das mindestens eine ansteuerbare und in Schwingungen versetzbare Schwingungselement der Düsenanordnung mit einem Schwingungssignal zu Schwingungen angeregt wird, die c) über die Oberfläche des Schwingungselements zumindest in Teilbereichen der Düsenanordnung auf das durch die Düsenanordnung hindurchtretende Fluid übertragen werden.The invention discloses a nozzle arrangement with at least one discharge channel for discharging a particularly highly viscous fluid from a fluid-filled container or line section upstream of the nozzle arrangement. According to the invention, the nozzle arrangement has at least one controllable and vibratable oscillation element with a surface which is in contact with the fluid moved by the nozzle arrangement. In addition, the invention discloses a method for discharging a particularly highly viscous fluid from a fluid-filled container or line section using the nozzle arrangement according to the invention, wherein a) a pressure is applied between the nozzle inlet and the nozzle outlet of the nozzle arrangement and b) the at least one controllable and in Vibration-displaceable oscillation element of the nozzle arrangement is excited with an oscillation signal to oscillations which c) are transmitted to the fluid passing through the nozzle arrangement via the surface of the oscillation element at least in partial areas of the nozzle arrangement.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Düsenanordnung gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf ein Verfahren gemäss Anspruch 19.The invention relates to a nozzle assembly according to the preamble of claim 1 and a method according to claim 19th

Düsenanordnungen mit mindestens einem Austragskanal zum Austragen eines insbesondere hochviskosen Fluids aus einem mit Fluid gefüllten Behälter oder Leitungsabschnitt stromauf von der Düsenanordnung sind an sich bekannt. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass bei der Verwendung von Düsenanordnungen je nach der Beschaffenheit des auszutragenden Fluids Änderungen der Druckdifferenz entlang der Düsenanordnung und/oder Änderungen der Düsengeometrie notwendig sind. Dadurch ist ein flexibler vielseitiger Einsatz derartiger Düsenanordnungen nur möglich, wenn Vorkehrungen für eine Anpassung der Druckdifferenz getroffen werden und/oder verschiedene Düsengeometrien für die jeweiligen Fluide bereitgestellt werden. Vor allem die Notwendigkeit, verschiedene optimierte Düsengeometrien für die jeweiligen Fluide bereitzustellen, verteuert die Anlagenkosten. Ein weiterer Nachteil ist die mitunter starke Erwärmung des Fluids aufgrund von innerer Reibung im Fluid als auch Reibung zwischen der Düsen-Innenwand und dem Fluid während seines Durchtritts durch die Düse. Der aufgrund der Reibung erhöhte Energiebedarf, der für sich alleine betrachtet schon negativ ist, kann dann ggf. auch noch zu einer thermischen Schädigung des Fluidproduktes führen.nozzle arrangements with at least one discharge channel for discharging a highly viscous one Fluids from a container filled with fluid or Line section upstream of the nozzle arrangement are known per se. In practice, however, it has been shown that when using nozzle arrangements changes depending on the nature of the fluid to be dispensed the pressure difference along the nozzle arrangement and / or changes the nozzle geometry are necessary. This makes flexible and versatile use of such nozzle arrangements possible only possible, when making arrangements for an adjustment of the pressure difference can be made and / or various nozzle geometries for the respective fluids are provided. First of all, the need various optimized nozzle geometries for the Providing the respective fluids makes the system costs more expensive. Another disadvantage is the occasional strong heating of the Fluids due to internal friction in the fluid as well as friction between the inner wall of the nozzle and the fluid during its Passage through the nozzle. The increased due to the friction Energy requirement for if you consider yourself negative, it may still be possible to thermal damage of the fluid product.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine vielseitig einsetzbare Düsenanordnung bereitzustellen, die ohne Umbau oder Düsenwechsel ohne grossen Aufwand an die veränderten rheologischen Eigenschaften eines anderen Fluids anpassbar ist und einen geringeren Energiebedarf für das Pumpen des Fluids durch die Düse haben, so dass auch die Gefahr einer thermischen Schädigung des Produktes verringert wird.The invention is therefore the object based on providing a versatile nozzle arrangement, those without conversion or nozzle change without great effort to the changed rheological properties of another fluid is adaptable and a lower energy requirement for pumping the fluid through the nozzle so that the Risk of thermal damage of the product is reduced.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Düsenanordnung mindestens ein ansteuerbares und in Schwingungen versetzbares Schwingungselement mit einer Oberfläche auf, die mit dem durch die Düsenanordnung bewegten Fluid in Berührung steht. Durch das schwingende Schwingungselement lassen sich mechanische Schwingungen verschiedener Frequenzen und Amplituden in das durch die Düsenanordnung strömende Fluid einleiten, wodurch dessen rheologische Eigenschaften, wie z.B. Viskosität und Fliessgrenze, verändert werden können. In der Regel wird das Fluid unter der Einwirkung mechanischer Schwingungen "dünnflüssiger" und kann durch die Düse mit weniger Druckdifferenz und daher mit weniger Energieaufwand und einem geringeren thermischen Schädigungspotential hindurchtreten. Oder es kann mit demselben Energieaufwand und demselben thermischen Schädigungspotential wie beim Stand der Technik eine deutliche Steigerung des Fluiddurchsatzes durch die erfindungsgemässe Düsenanordnung erzielt werden.To solve this problem, the nozzle assembly with at least one controllable and vibratable vibration element a surface on that with that through the nozzle assembly moving fluid in contact stands. The oscillating vibration element allows mechanical Vibrations of different frequencies and amplitudes in the through the nozzle arrangement flowing Introduce fluid, which rheological properties such e.g. Viscosity and Yield point, changed can be. As a rule, the fluid becomes "thinner" under the action of mechanical vibrations and can flow through the nozzle with less Pressure difference and therefore with less energy consumption and less thermal damage potential pass. Or it can with the same energy expenditure and the same thermal damage potential as in the prior art, a significant increase in fluid throughput by the inventive nozzle assembly be achieved.

Zweckmässigerweise ist das Schwingungselement ein Teil der Düsenwand, wobei seine Oberfläche ein Teil der dem Fluid zugewandten Innenfläche des Austragskanals ist.The vibration element is expedient part of the nozzle wall, being its surface is a part of the inner surface of the discharge channel facing the fluid.

Vorzugsweise weist das Schwingungselement entlang der Fluid-Strömungsrichtung verlaufende rippenartige Formationen auf, die von radial aussen nach radial innen in den Austragskanal ragen. Dies hat den Vorteil, dass eine grosse Berührungsfläche zwischen dem Fluid und dem Schwingungselement vorhanden ist, so dass ein grossflächiger Eintrag von Schwingungsenergie in das Fluid ermöglicht wird. Alternativ oder ergänzend kann das Schwingungselement auch ein im Innern des Austragskanals aufgehängtes Gebilde aufweisen, das ebenfalls entlang der Fluid-Strömungsrichtung verlaufende rippenartige Formationen besitzt, die sich von radial innen nach radial aussen quer zum Austragskanal erstrecken. Insbesondere können die von radial aussen nach radial innen ragenden rippenartigen Formationen und die von radial innen nach radial aussen ragenden Formationen des im Innern der Düse aufgehängten Gebildes ineinandergreifend angeordnet sein, so dass ein besonders intensiver Eintrag mechanischer Schwingungsenergie in das Fluid möglich ist.The vibration element preferably has along the fluid flow direction running rib-like formations on the radially outside protrude radially inwards into the discharge channel. This has the advantage that there is a large interface between the fluid and the vibration element is present, so that a large-area Entry of vibrational energy into the fluid is made possible. Alternatively or additional the vibration element can also be inside the discharge channel suspended Have structures that also along the fluid flow direction has ridge-like formations extending from radial Extend radially inwards and outwards across the discharge channel. In particular can the rib-like formations projecting radially from the outside to the inside and the formations protruding radially from the inside to the outside inside the nozzle suspended Formed interlocking, so that a special intensive input of mechanical vibration energy into the fluid is possible.

Zweckmässigerweise ist die freie Querschnittsfläche des Austragskanals eine zusammenhängende Fläche, wobei vorzugsweise das Verhältnis der senkrecht zur Fluid-Strömungsrichtung verlaufenden Querschnittsfläche der rippenartigen Formationen zur freien Querschnittsfläche des Austragskanals kleiner als 1:4 und vorzugsweise kleiner als 1:10 ist. Dadurch wird erzielt, dass nur ein kleiner Teil der durch den Schwingungseintrag erzielten Verringerung des Fluidwiderstandes durch eine Verringerung des freien Gesamtquerschnitts verloren geht.The free cross-sectional area of the Discharge channel a coherent Area, preferably the ratio which is perpendicular to the fluid flow direction trending cross-sectional area the rib-like formations to the free cross-sectional area of the Discharge channel smaller than 1: 4 and preferably smaller than 1:10 is. This ensures that only a small part of the Vibration input achieved reduction in fluid resistance is lost through a reduction in the total free cross section.

Bei eines besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemässen Düsenanordnung weist der mindestens eine Austragskanal mehrere Schwingungselemente, insbesondere in Form kranzartiger Abschnitte bzw. Kanalsegmente, in Serie entlang der Fluid-Strömungsrichtung auf, die zur Erzeugung voneinander unabhängiger Schwingungsbewegungen separat ansteuerbar sind. Dies ermöglicht eine gezielte Beeinflussung des Düsenwiderstands, indem je nach dem Ausmass der angestrebten Verringerung des Düsenwiderstands mehr oder weniger viele der in Serie angeordneten Schwingungselemente zu Schwingungen angeregt werden. Wenn alle der vorhandenen Schwingungselemente zu Schwingungen angeregt werden, erhält man in der Regel in erster Näherung die stärkste Verringerung des Strömungswiderstands der Düse, wobei allerdings eine weitere Optimierung bzw. Verringerung des Strömungswiderstands durch eine Feineinstellung der Frequenz und/oder der Amplitude der jeweiligen Schwingung des jeweiligen Schwingungselements möglich ist.With a particularly advantageous one Design of the inventive Has nozzle arrangement the at least one discharge channel has several vibration elements, in particular in the form of wreath-like sections or channel segments, in series the fluid flow direction on, which generate independent vibratory movements can be controlled separately. This enables targeted influencing the nozzle resistance, by depending on the extent of the desired reduction in nozzle resistance more or less many of the vibration elements arranged in series are excited to vibrate. If all of the existing vibration elements too Vibrations are excited in the first place approximation the strongest Reduction in flow resistance the nozzle, whereby however a further optimization or reduction of the flow resistance by fine-tuning the frequency and / or the amplitude of the respective vibration of the respective vibration element is possible.

Die erfindungsgemässe Düsenanordnung kann stromaufseitig einen Düseneinlass-Abschnitt mit relativ grossem Kanalquerschnitt und stromabseitig einen Düsenauslass-Abschnitt mit relativ kleinem Kanalquerschnitt aufweisen, zwischen denen ein Übergangsbereich angeordnet ist, dessen Kanalquerschnitt sich entlang der Fluid-Strömungsrichtung verringert, wobei der Übergangsbereich abgestuft mit mindestens einer schulterartigen Abstufung ausgebildet ist oder aber ein sich von dem stromaufseitigen Düseneinlass-Abschnitt mit relativ grossem Kanalquerschnitt zu dem stromabseitigen Düsenauslass-Abschnitt mit relativ kleinem Kanalquerschnitt stetig verjüngender, insbesondere konischer, Kanalabschnitt ist. Die schulterartige Abstufung bewirkt bei geeigneter Abstimmung der Fluid-Strömungsgeschwindigkeit mit den inhärenten oder vibrotechnisch beeinflussten rheologischen Eigenschaften des strömenden Fluids periodische oder näherungsweise periodische (quasi-periodische) Ablösungen von Wirbeln, die sich in diesem Schulterbereich immer wieder neu bilden und erneut abreissen. Diese Wirbel-Ablösungen versetzen das Fluid ebenfalls in Vibration.The nozzle arrangement according to the invention can be upstream a nozzle inlet section with relative large channel cross-section and downstream of a nozzle outlet section with relative have small channel cross-section, between which a transition area is arranged, the channel cross-section of which decreases along the fluid flow direction, being the transition area graduated with at least one shoulder-like gradation is or a different from the upstream nozzle inlet portion with a relatively large channel cross section to the downstream nozzle outlet section with a relatively small channel cross-section, continuously tapering, in particular conical, Channel section is. The shoulder-like gradation results in a more suitable one Tuning the fluid flow rate with the inherent or vibrotechnically influenced rheological properties of the flowing Fluids periodically or approximately periodic (quasi-periodic) detachments of vortices that are form again and again in this shoulder area and tear off again. This vortex detachment also vibrate the fluid.

Vorzugsweise ist mindestens ein Schwingungselement in dem Düsenauslass-Abschnitt angeordnet. Da hier der kleinste Kanalquerschnitt der Düsenanordnung vorliegt und somit der grösste Beitrag zum Gesamt-Fluidwiderstand der Düse gegeben ist, kann hier durch die Einwirkung mit einem vorgegebenen Schwingungselement eine weitaus grössere Verringerung des Gesamt-Fluidwiderstandes der Düse erzielt werden als in den anderen Abschnitten der Düsenanordnung. Dennoch ist es durchaus zweckmässig, wenn mindestens ein weiteres Schwingungselement in dem Übergangsbereich angeordnet ist.At least one vibration element is preferred in the nozzle outlet section arranged. Because here the smallest channel cross section of the nozzle arrangement is present and thus the largest Contribution to the overall fluid resistance of the nozzle can be made here the action with a given vibration element is far greater larger Reduction in the overall fluid resistance of the nozzle can be achieved than in the other sections of the nozzle assembly. Nevertheless, it is very useful if at least one further vibration element in the transition area is arranged.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemässen Düsenanordnung sind die Schwingungselemente zu Schwingungen normal und/oder tangential zu ihrer Oberfläche anregbar. Schwingungen normal zur Oberfläche tragen vorwiegend in Form von Längswellen Schwingungsenergie in das Fluid ein und führen so zu einer Beeinflussung der rheologischen Eigenschaften im gesamten Fluidvolumen, während Schwingungen tangential zur Oberfläche vorwiegend die Grenzflächenreibung zwischen dem Fluid und der Innenfläche der Düsenanordnung beeinflussen.In a particularly preferred embodiment the inventive nozzle assembly the vibration elements are normal and / or tangential to vibrations to their surface excitable. Vibrations normal to the surface are predominantly in shape of longitudinal waves Vibrational energy into the fluid and thus influence the rheological properties in the entire fluid volume during vibrations tangential to the surface mainly interface friction between the fluid and the inner surface of the nozzle assembly.

Die erfindungsgemässe Düsenanordnung kann auch mehrere nebeneinander verlaufende Austragskanäle aufweisen, die jedoch nicht unbedingt alle identisch und z.B. parallel angeordnet sind. So ist z.B. auch eine sogenannte "Kleiderbügel-Anordnung", bei der die Kanäle verschieden lang sind, mit den Merkmalen der Erfindung durchaus vereinbar, wobei ggf. die Anzahl und/oder Anordnung der Schwingungselemente von Kanal zu Kanal unterschiedlich sind.The nozzle arrangement according to the invention can also have several have side-by-side discharge channels, but not absolutely all identical and e.g. are arranged in parallel. For example, also a so-called "hanger arrangement", in which the channels are different are long, compatible with the features of the invention, wherein where applicable, the number and / or arrangement of the vibration elements of the duct are different to channel.

Vorzugsweise weist die Düsenanordnung Mittel zum Erfassen der Druckdifferenz zwischen dem Düseneinlass und dem Düsenauslass auf. Dies ermöglicht eine Kontrolle der durch den Schwingungseintrag erzielten Verringerung der benötigten Druckdifferenz an der Düse.The nozzle arrangement preferably has means for detecting the pressure difference between the nozzle inlet and the nozzle outlet on. this makes possible a control of the reduction achieved by the vibration input the required pressure difference at the nozzle.

Zweckmässigerweise sind die Mittel zum Erfassen der Druckdifferenz über erste Signalleitungen mit einer Steuerungseinheit verbunden, die über zweite Signalleitungen mit dem mindestens einen Schwingungselement verbunden ist. Der so gebildete Regelkreis ermöglicht einen Ausgleich von Druckschwankungen durch eine angepasste Verände rung der in das Fluid insgesamt eingetragenen Schwingungsleistung z.B. zur Stabilisierung der Druckdifferenz an der Düsenanordnung.The means are expedient for detecting the pressure difference via first signal lines connected to a control unit, the second Signal lines connected to the at least one vibration element is. The control loop thus formed enables a compensation of Pressure fluctuations due to an adjusted change in the fluid as a whole registered vibration power e.g. to stabilize the pressure difference on the nozzle arrangement.

Da am Düsenauslass in der Regel der Druck Null ist, reicht auch schon ein einziger Drucksensor in dem Düseneinlass-Abschnitt zur Erfassung der Düsen-Druckdifferenz aus.As a rule, at the nozzle outlet Pressure is zero, a single pressure sensor in the is enough Nozzle inlet section for recording the nozzle pressure difference out.

Zur Lösung der Aufgabe der Erfindung wird ein Verfahren zum Austragen des insbesondere hochviskosen Fluids aus einem mit Fluid gefüllten Behälter oder Leitungsabschnitt vorgeschlagen, bei dem

a) zwischen dem Düseneinlass und dem Düsenaustritt der Düsenanordnung ein Druck angelegt wird und
b) das mindestens eine ansteuerbare und in Schwingungen versetzbare Schwingungselement der Düsenanordnung mit einem Schwingungssignal zu Schwingungen angeregt wird, die
c) über die Oberfläche des Schwingungselements zumindest in Teilbereichen der Düsenanordnung auf das durch die Düsenanordnung hindurchtretende Fluid übertragen werden.

To achieve the object of the invention, a method for discharging the particularly highly viscous fluid from a fluid-filled container or line section is proposed, in which

a) a pressure is applied between the nozzle inlet and the nozzle outlet of the nozzle arrangement and
b) the at least one controllable and vibratable vibration element of the nozzle arrangement is excited with a vibration signal to vibrate
c) are transmitted over the surface of the vibration element at least in partial areas of the nozzle arrangement to the fluid passing through the nozzle arrangement.

Durch Einstellen der Schwingungsfrequenz und/oder der Schwingungsamplitude des mindestens einen Schwingungselements kann so der Strömungswiderstand der Düsenanordnung eingestellt werden, wobei insbesondere durch selektives Ansteuern einiger ausgewählter Schwingungselemente der mehreren Schwingungselemente der Strömungswiderstand der Düsenanordnung eingestellt wird.By setting the vibration frequency and / or the vibration amplitude of the at least one vibration element so can the flow resistance the nozzle arrangement can be set, in particular by selective control some selected Vibration elements of the plurality of vibration elements the flow resistance the nozzle arrangement is set.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schwingungsfrequenz an die viskoelastischen Eigenschaften des Fluids angepasst wird, wobei vorzugsweise für die verwendeten mechanischen Schwingungen zwischen der Schwingungsfrequenz f und der Relaxationszeit T_RELAX des Fluids der Zusammenhang f >> 1/T_RELAX berücksichtigt wird. Wenn die Frequenz der mechanischen Schwingung viel grösser als der Kehrwert der (mechanischen, viskoelastischen) Relaxationszeit des Fluids ist, bzw. wenn die Periodendauer der mechanischen Schwingung viel kleiner als die Relaxationszeit des Fluids ist, wird eine Ablösung des Fluids von der Innenwand der Düse ermöglicht, wodurch eine deutliche Verringerung des Wandreibung erzielt wird. Ausserdem ermöglichen derart hochfrequente Schwingungen (Ultraschall) in einem gewissen Umfang neben der Ausbreitung von Längswellen auch die Ausbreitung von Querwellen in dem Fluidmedium, so dass auch eine tangentiale Schwingung der Oberfläche zum Eintrag von Schwingungsenergie in das Fluidvolumen beiträgt.It is particularly advantageous if the oscillation frequency is adapted to the viscoelastic properties of the fluid, the relationship f >> 1 / T _{RELAX preferably being} taken into account for the mechanical vibrations used between the oscillation frequency f and the relaxation time T _{RELAX of} the fluid. If the frequency of the mechanical vibration is much greater than the reciprocal of the (mechanical, viscoelastic) relaxation time of the fluid, or if the period of the mechanical vibration is much less than the relaxation time of the fluid, the fluid can be detached from the inner wall of the nozzle , whereby a significant reduction in wall friction is achieved. In addition, such high-frequency vibrations (Ul to a certain extent, in addition to the propagation of longitudinal waves, also the propagation of transverse waves in the fluid medium, so that a tangential vibration of the surface also contributes to the introduction of vibrational energy into the fluid volume.

Zweckmässigerweise wird die Druckdifferenz zwischen dem Düseneinlass und dem Düsenauslass der Düsenanordnung erfasst und einer Steuerungseinheit zugeführt, über die dann in Abhängigkeit von der erfassten Druckdifferenz eine bestimmte Auswahl von Schwingungselementen der Düsenanordnung mit einer jeweils bestimmten Frequenz und Amplitude angesteuert werden. Prinzipiell können dabei verschiedene Betriebsarten gewählt werden. So kann die Ansteuerung z.B. derart erfolgen, dass die Druckdifferenz entlang der Düsenanordnung konstant bleibt. Alternativ oder ergänzend kann die Ansteuerung derart erfolgen, dass der Fluiddurchsatz durch die Düsenanordnung konstant bleibt. Auch eine Ansteuerung zur Konstanthaltung der Wandgleitgeschwindigkeit des Fluids in der Düsenanordnung ist denkbar.The pressure difference is expedient between the nozzle inlet and the nozzle outlet the nozzle arrangement detected and fed to a control unit, via which then depending a specific selection of vibration elements from the detected pressure difference the nozzle arrangement controlled with a specific frequency and amplitude become. In principle, you can different operating modes selected become. The control can e.g. done in such a way that the pressure difference along the nozzle array remains constant. As an alternative or in addition, the control can done in such a way that the fluid flow through the nozzle arrangement remains constant. Also a control to keep the wall sliding speed constant of the fluid in the nozzle assembly is conceivable.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden, nicht einschränkend aufzufassenden Beschreibung erfindungsgemässer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigen:Further advantages, features and possible applications The invention will emerge from the following, which is not to be understood as restrictive Description according to the invention embodiments based on the drawing. Show it:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Düsenanordnung; 1 a first embodiment of the nozzle arrangement according to the invention;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Düsenanordnung; 2 a second embodiment of the nozzle arrangement according to the invention;

3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Düsenanordnung; 3 a third embodiment of the nozzle arrangement according to the invention;

4a, 4b und 4c ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Düsenanordnung; 4a . 4b and 4c a fourth embodiment of the nozzle arrangement according to the invention;

5a und 5b ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Düsenanordnung; 5a and 5b a fifth embodiment of the nozzle arrangement according to the invention;

6 den gemessenen absoluten Druck am stromaufseitigen Eingang einer Teigwarendüse während des Betriebs zur Bildung von Teigsträngen, wobei die Vibration der Düse abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet wurde; 6 the measured absolute pressure at the upstream inlet of a pasta nozzle during operation to form strands of dough, the vibration of the nozzle being switched on and off alternately;

7 die mittels eines Rotations-Rheometers für Schokolade gemessenen Kurven der Scherviskosität als Funktion der Schergeschwindigkeit ohne angelegte Vibration (Kurve 1) bzw. mit ausgelegter Vibration (Kurve 2) sowie der Scherspannung als Funktion der Schergeschwindigkeit ohne angelegte Vibration (Kurve 3) bzw. mit angelegter Vibration (Kurve 4); und 7 the curves of the shear viscosity as a function of the shear rate without applied vibration measured by means of a rotary rheometer for chocolate (curve 1 ) or with vibration (curve 2 ) and the shear stress as a function of the shear rate without applied vibration (curve 3 ) or with applied vibration (curve 4 ); and

8 den zeitlichen Verlauf der (Scher-)Viskosität bei Schokolade unter dem Einfluss einer konstanten Schergeschwindigkeit, wobei die Vibration abwechselnd ein- und ausgeschaltet wurde. 8th the time course of the (shear) viscosity in chocolate under the influence of a constant shear rate, with the vibration being switched on and off alternately.

1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Düsenanordnung 11, 12 mit einem ersten zylindrischen Abschnitt 11 und einem zweiten zylindrischen Abschnitt 12, die jeweils einen zylindrischen Kanal 13 bzw. 14 aufweisen. Der zweite zylindrische Abschnitt 12 ist in den Kanal 13 des ersten zylindrischen Abschnitts 11 hineingesteckt und ist in diesem gleitend gelagert. Die in den zylindrischen Kanal 13 weisende kreisringförmige Stirnfläche S bildet eine Schulter S. 1 shows schematically a first embodiment of a nozzle arrangement according to the invention 11 . 12 with a first cylindrical section 11 and a second cylindrical section 12 each having a cylindrical channel 13 respectively. 14 exhibit. The second cylindrical section 12 is in the channel 13 of the first cylindrical section 11 inserted and is slidably mounted in this. The in the cylindrical channel 13 Pointing circular end face S forms a shoulder S.

Das in der Richtung des Pfeils F durch die Düsenanordnung strömende Fluid hat stromauf von der Schulter S das Strömungsprofil P11 und stromab von der Schulter S das Strömungsprofil P12. Im Bereich der Schulter S treten in dem strömenden Fluid Wirbel auf, die durch den geschlossenen Pfeil W angedeutet sind.That in the direction of arrow F through the nozzle arrangement flowing Fluid has flow profile P11 upstream of shoulder S and downstream of the shoulder S the flow profile P12. In the area of the shoulder S, vortices occur in the flowing fluid are indicated by the closed arrow W.

Wird nun der zweite zylindrische Abschnitt 12 bezüglich des ersten zylindrischen Abschnitts 11 durch geeignete (nicht gezeigte) Mittel rasch hin- und herbewegt, d.h. vibriert, wie dies durch die beiden Pfeile angedeutet ist, gerät das Fluid in der Düsenanordnung ebenfalls in Vibration. Die Einleitung der Vibration in das Fluid erfolgt einerseits über die Wandreibung in dem zweiten Kanal 12 und andererseits über die Schulter S, wobei in dem Abschnitt 12 vorwiegend transversale Wellen und bei der Schulter S vorwiegend longitudinale Wellen in das Fluid geleitet werden.Now becomes the second cylindrical section 12 with respect to the first cylindrical portion 11 by means of suitable means (not shown) to and fro, that is to say vibrates, as indicated by the two arrows, the fluid in the nozzle arrangement also vibrates. The vibration is introduced into the fluid on the one hand via the wall friction in the second channel 12 and on the other hand over the shoulder S, in which section 12 predominantly transverse waves and with the shoulder S predominantly longitudinal waves are guided into the fluid.

Bei geeigneter Abstimmung der Fluid-Strömungsgeschwindigkeit mit der Viskosität des Fluids treten ausserdem periodische oder näherungsweise periodische Ablösungen von Wirbeln W im Bereich der Schulter S auf, die ebenfalls eine Schwingungsanregung des strömenden Fluids bewirken können, und zwar unabhängig davon, ob der zweite zylindrische Abschnitt 12 bezüglich des ersten zylindrischen Abschnitts 11 fixiert ist oder nicht. Das sich im Bereich der Schulter S befindende Fluid wirkt dann als Schwingungsquelle, die das strömende Fluid direkt in Schwingungen versetzt.With a suitable coordination of the fluid flow velocity with the viscosity of the fluid, periodic or approximately periodic detachments of vortices W also occur in the region of the shoulder S, which can likewise cause the flowing fluid to vibrate, regardless of whether the second cylindrical section 12 with respect to the first cylindrical portion 11 is fixed or not. The fluid located in the area of the shoulder S then acts as a source of vibration which directly vibrates the flowing fluid.

Wenn die beiden zylindrischen Abschnitte 11 und 12 miteinander fest verbunden sind und keine Relativbewegung zueinander ermöglichen (siehe z.B. 2 und 3), bewirkt die periodische oder quasi-periodische Wirbelablösung eine direkte Einleitung von Vibrationsenergie in das Fluid.If the two cylindrical sections 11 and 12 are firmly connected to one another and do not allow any relative movement to one another (see e.g. 2 and 3 ), the periodic or quasi-periodic vortex shedding causes a direct introduction of vibrational energy into the fluid.

Im vorliegenden Fall der 1 ist aber der Abschnitt 12 axial verschiebbar im Abschnitt 11 gelagert. Die hier auftretende Wirbelablösung wirkt dann neben ihrer Funktion als direkt auf das Fluid einwirkende Schwingungsquelle auch noch als Schwingungsquelle für den Abschnitt 12 im Sinne der oben erwähnten (nicht gezeigten) Mittel, die ihn hin- und herbewegen. Somit erfolgt neben der direkten auch noch eine indirekte Einleitung von Vibrationsenergie über den vibrierenden Abschnitt 12.In the present case the 1 but is the section 12 axially displaceable in the section 11 stored. The vortex detachment occurring here then, in addition to its function as a vibration source acting directly on the fluid, also acts as a vibration source for the section 12 in the sense of the above-mentioned means (not shown) that move it back and forth. Thus, in addition to the direct, there is also an indirect introduction of vibration energy via the vibrating section 12 ,

All dies hat Auswirkungen auf die rheologischen Eigenschaften des Fluids, wobei sowohl die innere Reibung innerhalb des Fluids als auch die Reibung zwischen dem Fluid und den Innenwänden der Düsenanordnung beeinflusst wird. Bei den meisten Fluiden der Lebensmittelindustrie erfolgt durch Vibration in einem Frequenzbereich von beispielsweise 25 Hz bis 200 Hz eine Verringerung der Viskosität. Da das Fluid sowohl stromauf als auch stromab von der Schulter in Vibration versetzt wird, ergibt sich eine Verringerung der Fluid/Wand-Reibung sowohl in dem zweiten zylindrischen Kanal 14 als auch in dem ersten zylindrischen Kanal 13. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Strömungswiderstand der Düse herabgesetzt wird.All of this affects the rheological properties of the fluid, affecting both the internal friction within the fluid and the friction between the fluid and the inner walls of the nozzle assembly. For most fluids in the food industry, the viscosity is reduced by vibration in a frequency range from, for example, 25 Hz to 200 Hz. There the fluid is vibrated both upstream and downstream of the shoulder, there is a reduction in the fluid / wall friction in both the second cylindrical channel 14 as well as in the first cylindrical channel 13 , In other words, this means that the flow resistance of the nozzle is reduced.

2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Düsenanordnung 21, 22, 23 mit einem ersten zylindrischen Abschnitt 21, einem zweiten zylindrischen Abschnitt 22 und einem dritten zylindrischen Abschnitt 23, die jeweils einen zylindrischen Kanal aufweisen. Der zweite zylindrische Abschnitt 22 ist auch hier in den ersten zylindrischen Abschnitts 21 hineingesteckt. Beide Abschnitte 21 und 22 sind aber feststehend zueinander verbunden. Die in den ersten Abschnitt 21 weisende kreisringförmige Stirnfläche S bildet ebenfalls eine Schulter S. Der dritte zylindrische Abschnitt 23 ist in dem zweiten zylindrischen Abschnitt 22 axial verschiebbar gelagert und kann durch (nicht gezeigte) Mittel axial rasch hin- und herbewegt werden, wie dies durch die beiden Pfeile angedeutet ist. 2 shows schematically a second embodiment of an inventive nozzle arrangement 21 . 22 . 23 with a first cylindrical section 21 , a second cylindrical section 22 and a third cylindrical section 23 , each of which has a cylindrical channel. The second cylindrical section 22 is also here in the first cylindrical section 21 put into it. Both sections 21 and 22 but are fixed to each other. The first section 21 Pointing circular end face S also forms a shoulder S. The third cylindrical section 23 is in the second cylindrical section 22 axially displaceably mounted and can be moved axially back and forth by means (not shown) as indicated by the two arrows.

Das in der Richtung des Pfeils F durch die Düsenanordnung strömende Fluid hat stromauf von der Schulter S das Strömungsprofil P21 und stromab von der Schulter S der Reihe nach die Strömungsprofile P22a, P23 und P22b. Im Bereich der Schulter S treten in dem strömenden Fluid die erwähnten Wirbel W auf.That in the direction of arrow F through the nozzle arrangement flowing Fluid has flow profile P21 upstream of shoulder S and downstream of the shoulder S the flow profiles P22a, P23 and P22b. In the area of the shoulder S occur in the flowing fluid the mentioned Vortex W.

Im vorliegenden Fall können somit ähnlich wie im Falle der 1 zwei voneinander unabhängige Schwingungsquellen genutzt werden, nämlich die Wirbelablösung bei der Schulter S und die axiale Vibration des dritten zylindrischen Abschnitts 23.In this case, similar to the case of 1 two mutually independent vibration sources are used, namely the vertebral detachment at the shoulder S and the axial vibration of the third cylindrical section 23 ,

Die Auswirkungen auf die rheologischen Eigenschaften des Fluids sind hier ähnlich wie bei 1. Sowohl die innere Reibung innerhalb des Fluids als auch die Reibung zwischen dem Fluid und den Innenwänden der Düsenanordnung wird beeinflusst, was auch hier zu einer Herabsetzung des Strömungswiderstands der Düse führt.The effects on the rheological properties of the fluid are similar to that of 1 , Both the internal friction within the fluid and the friction between the fluid and the inner walls of the nozzle arrangement are influenced, which also leads to a reduction in the flow resistance of the nozzle.

3 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Düsenanordnung 31, 32, 33 mit einem ersten zylindrischen Abschnitt 31, einem zweiten zylindrischen Abschnitt 32 und einem dritten zylindrischen Abschnitt 33, die jeweils ei nen zylindrischen Kanal aufweisen. Der zweite zylindrische Abschnitt 32 ist auch hier in den ersten zylindrischen Abschnitts 31 hineingesteckt und mit diesem feststehend verbunden. Die in den ersten Abschnitt 31 weisende kreisringförmige Stirnfläche S bildet auch hier die oben erwähnte Schulter S. Der dritte zylindrische Abschnitt 33 ist am Austrittsende der Düsenanordnung in dem zweiten zylindrischen Abschnitt 32 axial verschiebbar gelagert und kann durch (nicht gezeigte) Mittel axial rasch hin- und herbewegt werden, wie dies wieder durch die beiden Pfeile angedeutet ist. 3 shows schematically a third embodiment of a nozzle arrangement according to the invention 31 . 32 . 33 with a first cylindrical section 31 , a second cylindrical section 32 and a third cylindrical section 33 each having a cylindrical channel. The second cylindrical section 32 is also here in the first cylindrical section 31 inserted and connected with this fixed. The first section 31 Pointing annular end face S also forms the shoulder S mentioned above. The third cylindrical section 33 is at the exit end of the nozzle assembly in the second cylindrical section 32 axially displaceably mounted and can be moved back and forth axially quickly by means (not shown), as is again indicated by the two arrows.

Das in der Richtung des Pfeils F durch die Düsenanordnung strömende Fluid hat stromauf von der Schulter S das Strömungsprofil P31 und stromab von der Schulter S der Reihe nach die Strömungsprofile P32 und P33. Im Bereich der Schulter S treten in dem strömenden Fluid die erwähnten Wirbel W auf.That in the direction of arrow F through the nozzle arrangement flowing Fluid has flow profile P31 upstream of shoulder S and downstream of the shoulder S in turn the flow profiles P32 and P33. in the In the area of the shoulder S, the aforementioned vortices occur in the flowing fluid W on.

Im vorliegenden Fall können somit ähnlich wie im Falle der 1 und der 2 zwei voneinander unabhängige Schwingungsquellen genutzt werden, nämlich die Wirbelablösung bei der Schulter S und die axiale Vibration des dritten zylindrischen Abschnitts 23.In this case, similar to the case of 1 and the 2 two mutually independent vibration sources are used, namely the vertebral detachment at the shoulder S and the axial vibration of the third cylindrical section 23 ,

Die Auswirkungen auf die rheologischen Eigenschaften des Fluids sind hier ähnlich wie bei 1 und 2. Da sich jedoch der axial vibrierbare dritte zylindrische Abschnitt 33 am Austrittsende der Düsenanordnung befindet, hat er im Betrieb einen massgeblichen Einfluss auf die Oberflächenstruktur austretender Fluidstränge. So können neben der Herabsetzung des Strömungswiderstands der Düsenanordnung vor allem auch noch die beim Austritt eines viskoelastischen Fluidstranges auftretenden periodischen Strukturen an der Strangoberfläche ("Haifischhaut") oder ungewollte Kräuselungen gezielt beeinflusst oder weitgehend vermieden werden.The effects on the rheological properties of the fluid are similar to that of 1 and 2 , However, since the axially vibratable third cylindrical section 33 located at the outlet end of the nozzle arrangement, it has a significant influence on the surface structure of emerging fluid strands during operation. In addition to reducing the flow resistance of the nozzle arrangement, the periodic structures on the strand surface (“shark skin”) that occur when a viscoelastic fluid strand emerges or unwanted ripples can be influenced or largely avoided.

Die 4a, 4b und 4c zeigen schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Düsenanordnung 41, 42, 43, 44, die am Ende eines Extruders E mit einer Extruderschnecke ES angeordnet ist.The 4a . 4b and 4c schematically show a fourth embodiment of a nozzle arrangement according to the invention 41 . 42 . 43 . 44 , which is arranged at the end of an extruder E with an extruder screw ES.

Wie in 4a gezeigt, umfasst die Düsenanordnung der Reihe nach einen ersten Abschnitt 41 mit einer konischen Verjüngung im Innern, einen gebogenen (oder geraden, nicht gezeigt) rohrartigen zweiten Abschnitt 42, einen dritten Abschnitt 43 mit einer konischen Aufweitung im Innern sowie einen vierten Abschnitt 44, der eine vibrierbare Düsenplatte 48 aufweist (siehe 4b und 4c).As in 4a shown, the nozzle arrangement comprises a first section in sequence 41 with a conical taper inside, a curved (or straight, not shown) tubular second section 42 , a third section 43 with a conical expansion inside and a fourth section 44 which is a vibratable nozzle plate 48 exhibits (see 4b and 4c ).

4b ist eine Ansicht der Düsenplatte 48 entlang der Blickrichtung des Pfeils A von 4a. Der insgesamt mit 44 bezeichnete vierte Abschnitt enthält die vibrierbare Düsenplatte 48, die zahlreiche Extrusionsdüsen 49 aufweist. Die Düsenplatte 48 ist über vier entlang ihres Umfangs gleich verteilte Federelemente 45 an einem Ring 47 federnd aufgehängt, wodurch eine Bewegung der Düsenplatte 48 in der XY-Ebene senkrecht zur Fluid-Strömungsrichtung ermöglicht wird. Zwei ebenfalls in dem Ring 47 gelagerte und jeweils mit einem ihren Enden am Aussenrand der Düsenplatte 48 anliegende Aktoren 46X und 46Y ermöglichen es, die Düsenplatte 48 in beliebige Schwingungszustände in der XY-Ebene zu versetzen. Neben kreisenden Schwingungsbewegungen, die bei gleichfrequenter, aber phasenverschobener Anregung durch die Aktoren 46X und 46Y möglich sind, können z.B. auch eine relativ niederfrequente Schwingung in der einen Richtung mit einer relativ hochfrequenten Schwingung in der anderen Richtung überlagert werden. 4b is a view of the nozzle plate 48 along the viewing direction of arrow A from 4a , The total with 44 designated fourth section contains the vibratable nozzle plate 48 that have numerous extrusion dies 49 having. The nozzle plate 48 is over four spring elements equally distributed along its circumference 45 on a ring 47 suspended resiliently, causing movement of the nozzle plate 48 in the XY plane perpendicular to the fluid flow direction is made possible. Two also in the ring 47 stored and each with one of its ends on the outer edge of the nozzle plate 48 adjacent actuators 46X and 46Y allow the nozzle plate 48 to put into any vibration states in the XY plane. In addition to circular oscillatory movements, with the same frequency but phase-shifted excitation by the actuators 46X and 46Y are possible, for example, a relatively low-frequency vibration in one direction can be superimposed with a relatively high-frequency vibration in the other direction.

4c ist eine Schnittansicht der Düsenplatte 48 entlang der Blickrichtung des Pfeils B von 4a. Die Düsenplatte 48 ist über einen zwischen den Ring 47 und die Düsenplatte 48 geschalteten weiteren Aktor 46Z auch entlang der zur XY-Ebene senkrechten Z-Richtung vibrierbar. Wie man in der Schnittansicht erkennt, weist jede der Extrusionsdüsen 49 einen stromaufseitigen konischen Düsenabschnitt 49a sowie einen stromabseitigen zylindrischen Düsenabschnitt 49b auf. Der Aktor 46Z kann eine sich über den gesamten Umfang der Düsenplatte erstreckende Schwingungsquelle sein oder kann aus mehreren in der Umfangsrichtung gleichmässig verteilten einzelnen separaten Schwingungsquellen bestehen. Der Aktor Z ermöglicht die Überlagerung einer dritten Schwingungskomponente entlang der Z-Richtung. 4c is a sectional view of the nozzle plate 48 along the viewing direction of arrow B from 4a , The nozzle plate 48 is over one between the ring 47 and the nozzle plate 48 switched further actuator 46Z can also be vibrated along the Z direction perpendicular to the XY plane. As can be seen in the sectional view, each of the extrusion dies has 49 an upstream conical nozzle section 49a and a downstream cylindrical nozzle section 49b on. The actuator 46Z can be a vibration source extending over the entire circumference of the nozzle plate or can consist of several individual vibration sources evenly distributed in the circumferential direction. The actuator Z enables a third vibration component to be superimposed along the Z direction.

Die 5a und 5b zeigen schematisch ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Düsenanordnung 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57.The 5a and 5b schematically show a fifth embodiment of an inventive nozzle arrangement 51 . 52 . 53 . 54 . 55 . 56 . 57 ,

5a ist eine Schnittansicht entlang einer Schnittebene parallel zur Fluid-Strömungsrichtung, die durch die Pfeile angedeutet ist. Die Düsenplatte 55 mit ihren zahlreichen Extrusionsdüsen 56 entspricht im wesentlichen der Düsenplatte 48 des vierten Ausführungsbeispiels. Sie kann kreisförmig oder rechteckförmig sein. Eine Besonderheit im vorliegenden Fall sind die zueinander und zur Düsenwand 51 beabstandet (konzentrisch bei Kreisgeometrie bzw. parallel bei Rechteckgeometrie) angeordneten gekrümmten symmetrischen Führungselemente 52, 53, 54 im Innern der Düsenanordnung mit jeweils einer scharfen Kante 52c, 53c, 54c. Ausserdem ist im Innern der Düsenanordnung ein ebenfalls vibrierbarer (kugelförmiger bzw. zylindrischer) Körper 57 angeordnet, der einerseits durch seine verdrängende Wirkung zur Vergleichmässigung der Strömungsverhältnisse im Innern der Düsenanordnung beiträgt und andererseits als Schwingungsquelle dient. 5a is a sectional view taken along a section plane parallel to the fluid flow direction, which is indicated by the arrows. The nozzle plate 55 with its numerous extrusion dies 56 corresponds essentially to the nozzle plate 48 of the fourth embodiment. It can be circular or rectangular. A specialty in the present case are the one another and the nozzle wall 51 spaced (concentrically in the case of circular geometry or parallel in the case of rectangular geometry) arranged curved symmetrical guide elements 52 . 53 . 54 inside the nozzle arrangement, each with a sharp edge 52c . 53c . 54c , In addition, there is also a vibratable (spherical or cylindrical) body inside the nozzle arrangement 57 arranged, which on the one hand contributes to equalization of the flow conditions inside the nozzle arrangement due to its displacing effect and on the other hand serves as a vibration source.

5b ist eine etwas ausführlichere Schnittansicht eines Ausschnittes der Düsenplatte 55. Wie man erkennt, weist auch hier jede einzelne Extrusionsdüse 56 einen aufgeweiteten, z.B. konischen Düsenabschnitt 56a und einen prismatischen, z.B. zylindrischen Düsenabschnitt 56b auf. Am stromaufseitigen Ende der Düsenplatte 55 bilden die benachbarten aufgeweiteten Düsenabschnitte scharfe Schneidkanten 56c. 5b is a somewhat more detailed sectional view of a section of the nozzle plate 55 , As you can see, every single extrusion nozzle also shows here 56 a widened, for example conical nozzle section 56a and a prismatic, eg cylindrical nozzle section 56b on. At the upstream end of the nozzle plate 55 the adjacent expanded nozzle sections form sharp cutting edges 56c ,

Das fünfte Ausführungsbeispiel vereint somit die Vibrations-Prinzipien der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, ergänzt diese aber durch die Bereitstellung der Schneidkanten 52c, 53c, 54c sowie 56c. Insbesondere bei der Extrusion viskoelastischer Materialien (Teigwaren) ist diese Düsenanordnung vorteilhaft, da die Schneidkanten 52c, 53c und 54c als erste "Schneidstufe" das beförderte Material vorab zerschneiden und die Schneidkanten 56c als zweite "Schneidstufe" anschliessend end zerschneiden, um die für die jeweiligen Stränge notwendigen "Portionen" herzustellen. Diese düsengerechte Portionierung des Materials durch Zerschneiden vermeidet grossräumige Dehnungen des Materials im Innern der Düsenanordnung und trägt zusammen mit der Vibration oder für sich allein zur Herabsetzung des Strömungswiderstandes der Düsenanordnung bei.The fifth exemplary embodiment thus combines the vibration principles of the previous exemplary embodiments, but supplements them by providing the cutting edges 52c . 53c . 54c such as 56c , This nozzle arrangement is particularly advantageous for the extrusion of viscoelastic materials (pasta) because the cutting edges 52c . 53c and 54c as the first "cutting stage", cut the transported material in advance and the cutting edges 56c then cut the second "cutting stage" to produce the "portions" required for the respective strands. This nozzle-appropriate portioning of the material by cutting avoids extensive expansion of the material inside the nozzle arrangement and, together with the vibration or alone, contributes to reducing the flow resistance of the nozzle arrangement.

6 zeigt den stromauf von einer erfindungsgemässen Teigwarendüse gemessenen absoluten Druck, der gleichzeitig den Verlauf der Druckdifferenz zum Atmosphären druck (ca. 1 bar) am stromabseitigen Ende der Teigwarendüse zeigt. Wenn der Teig durch die nicht vibrierende Düse gedrückt wird, stellt sich ein gemessener Druck von etwa 5,3 bis 5,5 bar ein. Sobald die vom Teig durchströmte Düse mit einer Frequenz von 60Hz und einer Amplitude von etwa 1 mm vibriert wird, fällt der gemessene Druck auf einen Wert von etwa 1,7 bis 1,9 bar ab. 6 shows the absolute pressure measured upstream from a pasta nozzle according to the invention, which at the same time shows the course of the pressure difference to the atmospheric pressure (approx. 1 bar) at the downstream end of the pasta nozzle. When the dough is pressed through the non-vibrating nozzle, a measured pressure of approximately 5.3 to 5.5 bar is established. As soon as the nozzle through which the dough flows is vibrated with a frequency of 60 Hz and an amplitude of approximately 1 mm, the measured pressure drops to a value of approximately 1.7 to 1.9 bar.

Jedes Mal beim Einschalten der Vibration fällt* der Druck bzw. die Druckdifferenz stark ab. Wenn die Vibration wieder ausgeschaltet wird, steigt* der Druck bzw. die Druckdifferenz wieder auf den hohen Wert an.Every time the vibration is switched on * the falls Pressure or the pressure difference sharply. If the vibration again is switched off, the pressure or the pressure difference rises again to the high value.

*Die in der Kurve der gemessenen Drücke beim Einschalten und Ausschalten der Schwingungsquelle auftretenden Artefakte beruhen auf einer Eigenschaft der Schwingungsquelle, sind also rein messtechnischer Natur.* The measured in the curve Press at Turning on and off the vibration source occurring artifacts are based on a property of the vibration source and are therefore purely metrological Nature.

Der hier verwendete Teig, der als Beispiel für ein viskoselastisches Material dient, wurde aus 500 g Mehl und 255 g Wasser hergestellt. Die Temperatur war 28°C. Der Teig wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,2 mm/s durch die Düse gepresst. Die hier verwendete Schwingungsfrequenz betrug 60 Hz bei einer Schwingungsamplitude von etwa 1 mm. Unter diesen Betriebsbedingungen konnte eine Einleitung von Kraft von der vibrierenden Düsenwand in den durch die Düse strömenden Teig weitgehend verhindert werden. Dies zeigt sich durch den deutlich geringeren benötigten Druck aufgrund des unter diesen Bedingungen vorliegenden Wandgleiteftekts. Versuche mit derselben Teigmischung bei anderen Betriebsbedingungen haben gezeigt, dass insbesondere bei Vibrationsfrequenzen von 20 Hz bis 40 Hz und von 80 Hz bis 100 Hz deutlich weniger oder praktisch kein Wandgleiteffekt vorhanden ist. Dann werden periodische Kräfte in den Teig eingeleitet, was sich an der Druckmessstelle durch starke Druckschwankungen äussert (Wandhaftung).The dough used here as Example of a Serves visco-elastic material, was made from 500 g of flour and 255 g Water. The temperature was 28 ° C. The batter was made with a Speed of 0.2 mm / s pressed through the nozzle. The one used here Vibration frequency was 60 Hz with a vibration amplitude of about 1 mm. Under these operating conditions, an initiation of Power from the vibrating nozzle wall in through the nozzle flowing Dough can be largely prevented. This is clearly shown by the less needed Pressure due to the wall gliding effect under these conditions. Try the same dough mix under different operating conditions have shown that especially at vibration frequencies of 20 Hz to 40 Hz and from 80 Hz to 100 Hz significantly less or practically none Wall sliding effect is present. Then periodic forces in the Dough introduced, which manifests itself at the pressure measuring point through strong pressure fluctuations (wall adhesion).

7 zeigt den mittels eines Rotations-Rheometers bei Schokolade gemessenen Zusammenhang zwischen der Scherviskosität und der Schergeschwindigkeit einerseits sowie zwischen der Scherspannung und der Schergeschwindigkeit andererseits. Die Kurve 1 zeigt die Scherviskosität als Funktion der Schergeschwindigkeit, wobei die Messung ohne Vibration erfolgte. Die Kurve 2 zeigt die Scherviskosität als Funktion der Schergeschwindigkeit, wobei die Messung bei einer gleichzeitigen Vibration mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Amplitude von etwa 0,5 mm durchgeführt wurde. Die Kurven 3 und 4 sind die der Kurve 1 bzw. der Kurve 2 entsprechenden Kurven der Scherspannung ohne bzw. mit Vibration. Wie man sieht, ist die Verringerung der Viskosität aufgrund der Vibration besonders stark ausgeprägt bei niedrigen Schergeschwindigkeiten (Faktor 30 bei einer Schergeschwindigkeit von 0,04 ¹/sec). 7 shows the relationship between the shear viscosity and the shear rate measured on the one hand and between the shear stress and the shear rate on the other hand, measured using a rotary rheometer for chocolate. The curve 1 shows the shear viscosity as a function of the shear rate, the measurement being carried out without vibration. Curve 2 shows the shear viscosity as a function of the shear rate, the measurement being carried out with simultaneous vibration with a frequency of 50 Hz and an amplitude of approximately 0.5 mm. The curves 3 and 4 are those of the curve 1 or the curve 2 corresponding curves of the shear stress with or without Vibration. As can be seen, the reduction in viscosity due to the vibration is particularly pronounced at low shear rates (factor 30 at a shear rate of 0.04 ¹ / sec).

8 zeigt den zeitlichen Verlauf der (Scher-)Viskosität einer Schokoladensuspension, die hier als Beispiel für ein viskoses Fluid dient. Die Schokoladensuspension wurde bei einer konstanten Schergeschwindigkeit von 1¹/sec abwechselnd mit einer Frequenz von 50 Hz bei einer Amplitude von etwa 0,5 mm beaufschlagt. Mit der zugeschalteten Vibration ergab sich eine starke Absenkung der Viskosität auf ca. ¹/6 der Viskosität ohne Vibration. 8th shows the time course of the (shear) viscosity of a chocolate suspension, which serves here as an example of a viscous fluid. The chocolate suspension was alternately applied at a constant shear rate of 1 ^l / sec with a frequency of 50 Hz with an amplitude of about 0.5 mm. With the activated vibration, a strong reduction of the viscosity revealed to approximately ¹ / 6th of the viscosity without vibration.

Ein Vergleich der 6 und der 8 zeigt das unterschiedliche Verhalten des viskoelastischen Materials (Teig) und des viskosen Materials (Schokolade). Während der Teig Ansprechzeiten von über 20 Sekunden aufweist, die übrigens mit jedem Einschalten und Ausschalten der Vibration länger werden (40 Sekunden und 90 Sekunden), zeigt die Schokolade eine auch über wiederholte Ein- und Ausschaltvorgänge der Vibration konstante Ansprechzeit, und zwar etwa 3 Sekunden beim Einschalten und etwa 6 Sekunden beim Ausschalten der Vibration.A comparison of the 6 and the 8th shows the different behavior of the viscoelastic material (dough) and the viscous material (chocolate). While the dough has response times of over 20 seconds, which, by the way, increases each time the vibration is switched on and off (40 seconds and 90 seconds), the chocolate shows a constant response time even when the vibration is switched on and off repeatedly, namely around 3 seconds when switching on and about 6 seconds when switching off vibration.

Die beiden 6 und 8 verdeutlichen zwei typische Lösungsansätze der vorliegenden Erfindung. Während gemäss 6 die Herabsetzung des Düsenwiderstandes vorwiegend durch die Herabsetzung des Wandgleiteffektes, d.h. durch Verringerung der Wandreibung erfolgt, stellt 8 ein Beispiel für die Herabsetzung der Viskosität des Materials im gesamten Materialvolumen dar, wodurch sich letztendlich die Herabsetzung des Düsenwiderstandes ergibt.The two 6 and 8th illustrate two typical approaches of the present invention. While according to 6 the reduction of the nozzle resistance is mainly due to the reduction in the wall sliding effect, ie by reducing the wall friction 8th is an example of the reduction in the viscosity of the material in the entire volume of material, which ultimately results in the reduction of the nozzle resistance.

6 dient als typisches Beispiel für viskoelastische Materialien wie Teig, Elastomer-Kunststoffe o.dgl., während 8 ein typisches Beispiel einer viskosen Suspension wie Schokolade, Farbe o.dgl. darstellt. 6 serves as a typical example of viscoelastic materials such as dough, elastomer plastics or the like, while 8th a typical example of a viscous suspension such as chocolate, paint or the like. represents.

1111: erster zylindrischer Abschnittfirst cylindrical section
1212: zweiter zylindrischer Abschnittsecond cylindrical section
1313: zylindrischer Kanalcylindrical channel
1414: zylindrischer Kanalcylindrical channel
P11P11: Strömungsprofilflow profile
P12P12: Strömungsprofilflow profile
2121: erster zylindrischer Abschnittfirst cylindrical section
2222: zweiter zylindrischer Abschnittsecond cylindrical section
2323: dritter zylindrischer Abschnittthird cylindrical section
22a22a: Teilabschnitt von 22 Section of 22
22b22b: Teilabschnitt von 22 Section of 22
P21P21: Strömungsprofilflow profile
P22aP22a: Strömungsprofilflow profile
P22bp22b: Strömungsprofilflow profile
P23P23: Strömungsprofilflow profile
3131: erster zylindrischer Abschnittfirst cylindrical section
3232: zweiter zylindrischer Abschnittsecond cylindrical section
3333: dritter zylindrischer Abschnittthird cylindrical section
P32P32: Strömungsprofilflow profile
P33P33: Strömungsprofilflow profile
SS: Schultershoulder
WW: Wirbelwhirl
FF: Fluid-StrömungsrichtungFluid-flow direction
4141: erster Abschnittfirst section
4242: zweiter Abschnittsecond section
4343: dritter Abschnittthird section
4444: vierter Abschnittfourth section
Ee: Extruderextruder
ESIT: Extruderschneckeextruder screw
4545: Federelementspring element
46x46x: Aktoractuator
46y46y: Aktoractuator
46z46z: Aktoractuator
4747: Ringring
4848: Düsenplattenozzle plate
4949: Extrusionsdüsenextrusion dies
5151: Düsenwandnozzle wall
5252: Führungselementguide element
52c52c: Schneidkantecutting edge
5353: Führungselementguide element
53c53c: Schneidkantecutting edge
5454: Führungselementguide element
54c54c: Schneidkantecutting edge
5555: Düsenplattenozzle plate
5656: Extrusionsdüseextrusion die
56a56a: konischer Abschnitt von 56 conical section of 56
56b56b: zylindrischer Abschnitt von 56 cylindrical section of 56

Claims

Nozzle arrangement with at least one discharge channel for discharging in particular a highly viscous fluid from a fluid-filled container or line section upstream of the nozzle arrangement, characterized in that the nozzle arrangement has at least one controllable and vibratable oscillation element ( 12 ; 23 ; 33 ; 48 ; 57 ) with a surface that is in contact with the fluid moved by the nozzle arrangement.

Nozzle arrangement according to claim 1, characterized in that the vibration element ( 12 ; 23 ; 33 ; 48 ) is part of the nozzle wall and its surface is part of the inner surface of the discharge channel facing the fluid.

nozzle assembly according to claim 2, characterized in that the vibration element along the fluid flow direction has running rib-like formations in the discharge channel protrude.

Nozzle arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the oscillating element is a structure suspended in the interior of the discharge channel ( 57 ), which has rib-like formations which run along the fluid flow direction and extend transversely to the discharge channel.

nozzle assembly according to claim 3 or 4, characterized in that the free cross-sectional area of the Discharge channel is a coherent surface.

nozzle assembly according to one of the claims 3 to 5, characterized in that the ratio of the perpendicular to the fluid flow direction trending cross-sectional area the rib-like formations to the free cross-sectional area of the Discharge channel is less than 1: 4 and preferably less than 1:10.

nozzle assembly according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the at least one discharge channel several vibration elements, especially in the form of wreath-like sections or channel segments, in series along the fluid flow direction has the separately for generating mutually independent vibratory movements are controllable.

Nozzle arrangement according to one of Claims 1 to 7, characterized in that it has a nozzle inlet section ( 11 ; 21 ; 31 ) with a relatively large duct cross-section and a nozzle outlet section downstream ( 12 ; 22 ; 32 ) with a relatively small channel cross section, between which a transition region is arranged, the channel cross section of which decreases along the fluid flow direction.

nozzle assembly according to claim 8, characterized in that the transition region has at least one shoulder-like gradation (S).

Nozzle arrangement according to Claim 8, characterized in that the transition region has a channel section which tapers continuously from the upstream nozzle inlet section with a relatively large channel cross section to the downstream nozzle outlet section with a relatively small channel cross section ( 41 ) is.

nozzle assembly according to claim 10, characterized in that the transition region is conical.

Nozzle arrangement according to one of claims 8 to 11, characterized in that at least one vibration element ( 12 ; 23 ; 33 ; 48 ) is arranged in the nozzle outlet section.

nozzle assembly according to one of claims 8 to 11, characterized in that at least one vibration element arranged in the transition area is.

nozzle assembly according to one of claims 1 to 13, characterized in that the vibration element to vibrate can be excited normally and / or tangentially to its surface.

Nozzle arrangement according to one of claims 1 to 14, characterized in that it has a plurality of discharge channels ( 49 ) having.

nozzle assembly according to one of claims 1 to 15, characterized in that they have means for detecting the Pressure difference between the nozzle inlet and the nozzle outlet having.

Nozzle arrangement according to claim 16, characterized in that the means for detecting the pressure difference are connected via first signal lines to a control unit, which via second signal lines to the at least one oscillation element ( 12 ; 23 ; 33 ; 48 ) connected is.

nozzle assembly according to claim 16 or 17, characterized in that they have a Pressure sensor in the nozzle inlet section having.

Method for discharging a particularly highly viscous fluid from a fluid-filled container or line section using a nozzle arrangement according to one of claims 1 to 18, wherein a) a pressure is applied between the nozzle inlet and the nozzle outlet of the nozzle arrangement and b) the at least one controllable and vibration element of the nozzle arrangement which can be set into vibrations is excited with a vibration signal to vibrations which c) on the surface of the vibration element at least in partial areas of the nozzle arrangement the fluid passing through the nozzle assembly is transferred.

A method according to claim 19, characterized in that by adjusting the vibration frequency and / or the vibration amplitude of the at least one vibration element the flow resistance of the nozzle arrangement is set.

A method according to claim 19 or 20, characterized in that that by selectively driving some selected vibration elements the several vibration elements the flow resistance of the nozzle arrangement is set.

Method according to one of claims 19 to 21, characterized in that that the vibration frequency to the viscoelastic properties of the fluid is adjusted.

Method according to Claim 22, characterized in that the relationship f >> 1 / T _RELAX applies to the mechanical vibrations used between the oscillation frequency f and the relaxation time T _{RELAX of} the fluid.

Method according to one of claims 19 to 23, characterized in that that the pressure difference between the nozzle inlet and the nozzle outlet of the nozzle assembly is detected and fed to a control unit, via which depending a specific selection of vibration elements from the detected pressure difference the nozzle arrangement controlled with a specific frequency and amplitude become.

A method according to claim 24, characterized in that the control takes place in such a way that the pressure difference along the nozzle arrangement remains constant.

A method according to claim 24 or 25, characterized in that that the control takes place in such a way that the fluid throughput the nozzle arrangement remains constant.

Method according to one of claims 24 to 26, characterized in that that the control takes place in such a way that the wall sliding speed of the fluid in the nozzle assembly remains constant.