ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK Es sind mechanische, thermomechanische, chemische-, Mi- krowellen-, Hochtemperatur-sowie kryotechnische Verfahren zur Zerkleinerung von Gummigranulat bekannt. Als mechanische Zerkleinerer sind Walzen-, Scheiben-, Schlag-, Rotor-und Ex- trusionszerkleinerer bekannt, die für die Zerstörung eines komprimierten Gummigranulats geeignet sind.

Die bisher bekannten Verfahren werden mit einer offenen Energieübertragungskette durchgeführt, die zu hohen Energie- verlusten führt. In einer offenen Übertragungskette geht die Hauptmenge der von der Zerkleinerungsvorrichtung zugeführten Energie bei der Oberwindung des elastischen Widerstands des Gummis vor dessen Zerkleinerung verloren. Aus diesem Grund ist der Wirkungsgrad dieser Vorrichtungen oft nicht grösser als 1%, und der Hauptanteil der aufgebrachten Energie wird durch Reibung in Wärme umgewandelt.

In der SU 1 581 381 wird beispielsweise eine Vorrichtung mit zwei spiegelsymetrisch angeordneten Kammern beschrieben.

Die Kammern werden über Förderschnecken mit Zerkleinerungs- material beschickt. Sowohl die in die Kammern hinein- BESTÄTIGUNGSKOPIE

reichenden, scheibenförmigen Kopfflächen der Förderschnecken als auch die dazu gegenüberliegenden Stirnflächen der Kammern sind profiliert, so dass das Zerkleinerungsmaterial zwischen den beiden genannten Flächen zermahlen wird, und in zermahle- ner Form über Austragevorrichtungen in den Kammerböden die Kammern wieder verlässt.

Die Nachteile dieser Vorrichtung sind hoher Material- und Energieaufwand bei relativ niedriger Ausbeute, starker Erhitzung und Zerfall des erhaltenen Pulvers, geringe Disper- sion und Aktivität des Pulvers sowie nicht ausreichende Standfestigkeit der Arbeitswerkzeuge. Zudem ist die Zerklei- nerung von Gummi aus Reifen mit Metallkord mit dieser Vor- richtung nicht möglich.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zerkleinerung von Gra- nulat aus verschiedenen Materialien mit verbesserter Ausbeute und erhöhter Effizienz bereitzustellen. Insbesondere soll auch gummielastisches Material, beispielsweise metall-und textil-hältiges Reifengranulat pulverisierbar sein.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG Erfindungsgemäss wird die Zerkleinerung des Granulats in einem schmalen, zwischen überlappend ineinandergreifenden Doppelkeilen, ausgebildeten Spalt durchgeführt. Die Doppel- keile werden durch sich doppelkeilförmig radial nach innen bzw. aussen verjüngenden Umfangsflächen von entgegengesetzt rotierenden Scheiben ausgebildet, wobei eine Scheibe eine zentrische und die dazu entgegengesetzt rotierende Scheibe eine mit Hochfrequenz vibrierende und dadurch eine exzen- trisch schwingende Drehbewegung ausführt. Durch die Vibrati-

onsschwingungen wird das Volumen des von den Umfangsflächen der Scheiben eingeschlossenen Raums pulsierend allseitig ver- mindert wodurch das eingebrachte Granulat zermahlt wird.

Das in den verengenden Spalt zur Zerkleinerung einge- brachte Granulat verfängt sich im pulsierenden Spalt zwischen den entgegengesetzt rotierenden Umfangsflächen und wird so- wohl dem Hochfrequenzdruck der vibrierenden Umfangsflächen der schwingenden und exzentrisch rotierenden Scheibe als auch der Schubverformung an den Umfangsflächen der zentrisch ro- tierenden Scheibe ausgesetzt.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird gummiela- stisches Granulat zerkleinert. Da elastisches Material zuge- führte mechanische Verformungsarbeit als elastisches, inneres Potential speichert, bildet sich beim Zerkleinern eine ge- schlossene Wirkungskette aus dem zugeführten Hochfrequenz- druck, der Schubverformung und der dadurch als elastisches Potential gespeicherten inneren Energie, die synergistisch den Zerfall des eingebrachten gummielastischen Granulats zu Pulver herbeiführt.

Die nach Formel (1) bestimmbare Summe der vom Material aufgenommenen Kräfte (FA) ist abhängig von der Drehdynamik zwischen der konstanten Energiezufuhr durch die Umfangsflä- chen der zentrisch rotierenden Scheibe und der pulsierenden Energiezufuhr durch die Umfangsflächen der vibrierenden, ex- zentrisch rotierenden Scheibe. Bei gummielastischen Granulat entspricht E FA dem elastischen Potential (d. h. der inneren Energie) :

(1) z FA = FA1+ FA2= Fbl/tga (X tgßi x S + Fb2/tga x tgßz x S [N/m2] FA1, FA2 = vom Material aufgenommene bzw. im Material gespei- cherte Kraft, die über die Umfangsflächen zugeführt wurde.

[N] ; Fbl, Fb2 = über die Umfangsflächen ausgeübte Kräfte [N] ; a = Neigungswinkel der Umfangsflächen [Grad] (31-Materialgreifwinkel an der Umfangsfläche der zentrisch rotierenden Scheibe [Grad] ß2 = Frequenzträgerwinkel des Aufladen (Wirkungswinkel) durch die Vibration an der Umfangsfläche der exzentrisch rotieren- den Scheibe [Grad] S = Druckfläche am Material (d. h. Fläche der Druckwirkung) [m2] (Index 1 (FA, FB) = zentrisch rotierende Scheibe, Index 2 (FA, FB) = vibrierende, exzentrisch rotierende Scheibe) Nach Formel (2) ist die Summe der Kräfte (Fb) aus den externen Quellen (Umfangsflächen der Scheiben) unter der Vorausset- zung, dass FA1= FA2 = Fn (2) E Fb = Fbl + Fb2 = Fn x tgα x S x (tgß1 + tgß2) [N] Fn = Festigkeit des zu zerkleinernden Materials [N/m2] oder [Pa] Die aufzubringende spezifische Arbeit (Asp) für ein Kilogramm des zu zerkleinernden Materials wird durch die Formel (3) be- rechnet : (3) Asp = 2 x n x t x #/Fn x tga x tgß (tg2ß x R x n x cos + tgß2 x e x n1 x tga) [Kg/J] n = Drehzahl der angetriebenen zentrisch rotierenden Scheibe [U/sec.]

n1 = Drehazahl der exzentrisch schwingenden Welle der vibrie- renden, exzentrisch rotierenden Scheibe [U/sec.] t = Abstand zwischen den Scheibenmittelebenen der exzentrisch und der zentrisch rotierenden Scheiben in [m] = das spezifische Gewicht des zu zerkleinernden Materials in [Kg/m3] R = Radius (Nennradius) der Scheiben in [m] e = Exzentrizität der exzentrisch rotierenden Scheibe in [m] Die Granulatzerkleinerung wird bevorzugt in folgenden Berei- chen durchgeführt : α = 1° - 6°; ß1 = 1° - 5° ; ß2 = 30°-1° ; n = 1-50 U/sec. ; R = 0,05-0,2 m ; nl= 0-200 U/sec. ; e = 0-5 x 10-3m Elastomere widersetzen sich einerseits durch hohe Wider- standsfestigkeiten (Fn) von etwa 10-30x106 Pa gegen Bruch bzw. Zerkleinerung durch Zermahlen, andererseits verfügen sie nur über eine niedrige Zerreissfestigkeit von etwa 5-20x103 N/m. Elastomere speichern innere Energie bis zu 300 J/cm3 und setzen die innere Energie mit einer Entladungsleistung von etwa 300 kW/cm3 innerhalb von 10-3sek. wieder frei.

Das gummielastische Granulat wird im Raum zwischen den doppelkeilförmigen Umfangsflächen zweier benachbarter Schei- ben von der Umfangsfläche an der zentrisch rotierenden Schei- be im Materialgreifwinkel P, erfasst und einer Schubverformung ausgesetzt. Zugleich wird das innere (elastische) Potential des gummielastischen Granulats im Trägerfrequenzwinkel ß2 von der vibrierenden Umfangsfläche der exzentrisch rotierenden zweiten Scheibe aufgeladen. Die durch die Energiezufuhr der beiden Scheiben akkumulierte Potentialerhöhung im Granulat wird wiederum bei der Re-Expansion des Granulats teilweise

als Impuls an die vibrierende, exzentrisch rotierende Scheibe abgegeben. Dieser Impuls teilt sich einerseits in einen Dre- himpuls, der die exzentrisch rotierende Scheibe in Gegendre- hung zur zentrisch rotierenden Scheibe antreibt, und einen normal gerichteten Stossimpuls in Schwingrichtung der vibrie- renden Scheibe. Dadurch ist eine geschlossene Übertragungs- kette zwischen den gegenüberliegenden Umfangsflächen zweier Scheiben und dem dazwischenliegenden Granulat hergestellt.

Aufgrund der geschlossenen Übertragungs-kette wird die Wir- kung der doppelkeilförmigen Materialzerkleinerung unter einem Winkel von 90° verstärkt. Die resultierenden Kräfte sind we- sentlich höher als die Kräfte der externen Aufladung und par- allel zu den Scheibenachsen gerichtet. Die geschlossene Uber- tragungskette zwischen den beiden Scheiben und dem zu zer- kleinernden Material dämpft diese resultierenden Kräfte, ohne die Lagerung und Leistung der Scheiben zu beeinflussen.

Die Winkelgeschwindigkeiten der beiden einander gegen- über-liegenden Kontaktflächen eines Granulatkorns mit den beiden entgegengesetzt drehenden gegenüberliegenden Umfangs- flächen sind abhängig von der Position des Granulatkorns be- züglich der beiden Scheibenachsen (d. h. den unterschiedlichen Radialabständen der Kontaktflächen an den Scheiben) um den Faktor 1,2 bis 1,6 voneinander verschieden. Die unterschied- lichen Bewegungscharakteristika zwischen den Kontaktflächen mit der Umfangsfläche an der zentrisch rotierenden Scheibe und der vibrierenden Umfangsfläche an der exzentrisch rotie- renden Scheibe des dazwischen eingeklemmten Granulatkorns, führen zu einer Verschiebung (bzw. zu einem Auseinanderzer- ren) der Molekularschichten innerhalb des Granulatkorns, wo- bei die entstehende Schubspannung, gegebenenfalls, die inter- molekularen Kräfte zwischen den Elastomerschichten bzw.- fasern überwindet.

Ausserdem bilden sich bereits bei niedrigen Belastungs- frequenzen ab ca. 20 Hz bei zugleich hohem Druck durch die Schubspannung und dem entgegengesetzten Verschieben der Mole- kularschichten im gummielastischen Granulat Kavitationsstö- rungen, die zur Erosion und Materialzerstörung beim Zusammen- fallen der Kavitationsblasen nach Überschreiten der Zerreiss- beanspruchung führen. Denn die Kavitationsstörungen konzen- trieren die innere Spannung im Material und leiten aufgrund der niedrigen Zerreissfestigkeit des Elastomers und des hohen gespeicherten elastischen Potentials den Körperzerfall unter Freisetzung eines Teils dieser gespeicherten'inneren Energie zur Erzeugung der neuen Oberflächen des Pulvers ein.

Die auf die Partikel wirkende Reibungskraft und damit einhergehenden Leistungsverluste können durch externe Mittel zur Spannungsverdichtung auf den Keilflächen auf ein Minimum herabgesetzt werden, womit man eine all zu grosse Erwärmung des zu zerkleinernden Materials unterbindet. Mit externen Mittel zur Spannungsverdichtung sind auch die starken inneren Spannungskonzentrationen im elastischen Material erzeugbar.

Als Mittel zur Spannungsverdichtung eignet sich insbesondere die Körnung einer rauhen Oberfläche an den Keiloberflächen der Scheiben.

Da dadurch kaum Reibungsprozesse zwischen dem zu zer- kleinernden Material und den Scheibenoberflächen stattfinden, ist die Verfahrenseffizienz erheblich gesteigert. Messungen zeigten, dass die zugeführte Energie nahezu der Steigerung des elastischen Potentials entspricht. Der Grossteil der zu- geführten Energie wird somit direkt in Zerkleinerungsarbeit der Masse umgesetzt.

Um eine hohe Standfestigkeit bei geringen Verschleiss zu gewährleisten, sind zumindest die Keilflächen bevorzugt mit einer äusserst harten, beispielsweise um die 5x101° kg/mm2 gehärtete, und hitzefesten, beispielsweise bis 1500°C stand- haltenden, rauhen Oberfläche ausgestattet.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass Reifengranu- lat mitsamt Metall-und Textilkorden zu Pulver zerkleinerbar ist. Die Metall-und Textilteilchen können anschliessend nach bekannten Verfahren, beispielsweise Windsichten, Magnet-bzw.

Elektroscheidung, etc., aufgrund der unterschiedlichen Mate- rialeigenschaften leicht abgeschieden und sortiert werden.

Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sind, dass die Feinheit und die Aktivität des erhaltenen Pulvers hoch (d. h. erneut vulkanisierbar) und der Lärmpegel bei der Zer- kleinerung reduziert ist. Zudem ist eine spezifische Zerklei- nerung des Gummigranulats samt Begleitstoffen, wie beispiels- weise Metall-und Textilkorden im Granulat aus Reifen, bei zugleich verbesserter Standfestigkeit der Arbeitsmittel mög- lich.

Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Zerkleinerung be- steht aus zwei Blöcken von jeweils auf einer Welle hinterein- andergereihten Scheiben, die sich doppelkeilförmig radial nach aussen bzw. nach innen verjüngen, wobei die beiden Block- ke auf zueinander parallelen Wellen angeordnet sind und über die Doppelkeile ihrer Scheiben verzahnt ineinander greifen.

Die Doppelkeile können entweder durch spitz zulaufende Stirn- seiten oder durch komplementäre Einkerbungen in der Scheibe ausgebildet werden.

Bevorzugt wird lediglich einer der Scheibenblöcke mit einem Motor angetrieben, während man den Zweiten passiv trei- ben lässt. Gegebenenfalls können beide Scheibenblöcke in Ro- tation versetzt werden Die passiv getriebenen Scheiben werden als die vibrie- renden, exzentrisch schwingenden Scheiben ausgeführt und beim Durchlauf des zu zerkleinernden Materials in Gegenrotation zu den motorisch angetriebenen Scheiben versetzt, wobei die Vi- brationsschwingungen von einem externen Antrieb erzeugt wer- den. Die Schwingung erfolgt bevorzugt in der von den beiden Rotationsachsen der zentrisch rotierenden und der vibrieren- den exzentrisch, treibenden Scheiben gebildeten Ebene. Die Welle der exzentrisch schwingenden Scheiben kann man, bei- spielsweise, exzentrisch lagern und in einer weiteren Ausfüh- rungsform eine Schwungmasse an ihr anbringen, über die eine Hochfrequenz-Schwingbewegung mit hohem spezifischen Druck im Zerkleinerungsraum zwischen den Scheiben bei einem relativ geringen Arbeitsaufwand der exzentrisch schwingenden Welle erzeugbar ist. Selbstverständlich kann die Lagerführung auch zentrisch erfolgen und die Welle anstelle mit einer Schwung- masse, zwischen den Lagern exzentrisch ausgeformt sein.

Die Erfindung umfasst ausserdem eine Vorrichtung, beste- hend aus einem Gehäuse mit den Scheibenblöcken, die auf zwei zueinander parallel gelagerten Wellen angebracht sind ; einer Einlauf-und Auslaufvorrichtung und einem Antrieb für zumin- dest eine der beiden Wellen.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung erlaubt den Material- und Energieaufwand zu reduzieren, die Verschleissfestigkeit der Zerkleinerungsorgane und die Ausbeute aus dem Verfahren

zu steigern sowie den Lärm und die Luftverunreinigung zu sen- ken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Fig. 1 zeigt ein kinematisches Schema der Zerkleinerungsvor- richtung, Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf die Zerkleinerungsvorrichtung aus Fig. 1, Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Scheibe und Fig. 4 zeigt die Scheibe aus Figur 3 im Querschnitt.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG Die Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse 1 in dem eine Antriebswelle 3 und eine Exzenterwelle 5 parallel zueinander angeordnet sind. Auf der Antriebswelle 3 ist ein Block aus hintereinander angeordneten Scheiben 2a fest angebracht. Bei- spielsweise können 20 Scheiben oder mehr auf diese Weise an- geordnet werden. Zumindest sind 2 Scheiben, vorzugsweise we- nigstens 5, insbesondere 10 Scheiben anzuordnen. Die Exzen- terwelle 5 ist beidseitig in Exzenterbüchsen 6 gelagert. An der Exzenterwelle 5 ist eine exzentrisch, zwischen den Ex- zenterbüchsen 6, angeordnete Schwungmasse 8 zur Verstärkung des Schwingimpulses vorgesehen. Auf der Exzenterwelle 5 ist eine die Schwungmasse 8 ummantelnde, mit der Exzenterwelle 5 nicht starr verbundene, Rohrwelle 7 aufgesetzt, an der ein Block aus nebeneinander angeordneten Scheiben 2b angebracht ist. Über zwischen der Exzenterwelle 5 und Antriebswelle beidseitig angeordneten Exzenterkörper 4 steht die Exzenter- welle 5 in den Exzenterbüchsen 6 mit dem Gehäuse 1 in Kon- takt. Selbstverständlich können die Exzenterkörper auch an der zur Antriebswelle abgewandten Seite der Exzenterbüchsen 6 angeordnet sein. Zum Einstellen der Exzentrizität zwischen

den Scheibenblöcken der Antriebswelle 3 und der Exzenterwelle 5 sind die Exzenterkörper 4 mit einem Hebel 9 verdrehbar. Die Exzentrizität der Exzenterwelle 5 wird bevorzugt in einem Be- reich von 0 bis 3 mm, abhängig von dem zu zerkleinernden Ma- terial eingestellt.

Die Scheiben 2a und 2b sind an den Umfangsflächen 19 jeweils sich radial doppelkeiförmig verjüngend ausgebildet. Die Scheibenblöcke der Antriebswelle 3 und der Exzenterwelle 5 greifen über die Umfangsflächen 19 der Scheiben 2a, 2b mit- einander überlappend verzahnt so ineinander, dass jeweils zwischen zwei überlappenden, gegenüberliegenden Umfangsflä- chen einander benachbarter Scheiben 2a und 2b, ein sich keil- förmig verengender Zerkleinerungsraum ausgebildet ist.

Die Antriebswelle 3 ist vom Motor 13 über einen Keilriemenan- trieb 10, ein Getriebe 12 und eine Kupplung 11 antreibbar, wobei das Getriebe 12 die Motorumdrehungen reduziert, bei- spielsweise um das 20-bis 60fache. Die Exzenterwelle 5 ist direkt über einen Keilriemenantrieb, beispielsweise mit einer drehzahlerhöhenten Übersetzung von 1 : 3, vom Motor 13 in Schwingung versetzbar.

In Fig. 2 ist oberhalb der beiden Scheiben 2a, 2b ein Einfülltrichter 14 für die Materialzufuhr mit einem Einlass- schieber 15 am Gehäuse 1 und unterhalb der Scheiben 2a, 2b ein schräg nach unten laufender Austrittsstutzen 16 am Boden des Gehäuses 1 für das dispergierte Material dargestellt. Der Materialgreifwinkel ßi ist an einer Umfangsfläche der Scheibe 2a und der Trägerfrequenzwinkel des Aufladens ß2 ist an einer Umfangsfläche der Scheibe 2b schematisch skizziert.

Bei Betrieb werden nach Starten des Motors 13 die An- triebswelle 3 mit den Scheiben 2a in Rotation und gleichzei- tig die Exzenterwelle 5 samt den Scheiben 2b in Schwingung versetzt. Durch Öffnung des Schiebers 15 fliesst Granulatma- terial aus dem Einfülltrichter 14 in die zwischen den Schei- ben 2a und 2b ausgebildeten Zerkleinerungsräume. Beim Durch- lauf des Granulats erhalten die Scheiben 3b vom Granulat ei- nen zusätzlichen Schwingimpuls sowie einen Drehimpuls in Ge- genrichtung zur Rotationsrichtung der Antriebswelle 3, der die Scheiben 2b in Gegenrichtung zu den Scheiben 2a an der Antriebswelle 3 in Drehung'versetzt. Das zerkleinerte Materi- al wird anschliessend aus dem Gehäuse 1 durch den Austritts- stutzen 16 am Boden ausgetragen.

In Fig. 3 ist eine einzelne Scheibe dargestellt, die mit einer Nut 17 in einer zentrischen Bohrung 18 entweder auf der Antriebswelle 3 oder auf der Rohrwelle 7 starr befestigbar ist. Die rauhen Umfangsflächen 19 weisen den gleichen Nei- gungswinkel a (Fig. 4) auf. Die aufgerauhte Oberflaäche kann mit üblichen spanabhebenden Verfahren, wie beispielsweise Fräsen, erzeugt werden.

Wird, beispielsweise, der Neigungswinkel a der Umfangs- flächen 19 von 5°-6°, der Drehphasenwinkel ßl an den Schei- ben 2a der Antriebswelle 3 von 5°-10° und der maximale Wir- kungswinkel ß2 der Exzentrizität der exzentrisch drehenden Scheiben 2b mit 1° gewählt und beträgt der Scheibenradius R 0.2m, kann Gummigranulat aus Altreifen mit der in den Zeich- nungen dargestellten Ausführungsform zu Pulver mit einer Feinheit von bis zu 20um bei einer Ausbeute von 1 T/h verar- beitet werden. Das erhaltene Pulver ist aktiv (d. h erneut vulkanisierbar) und zerfällt nicht. Der Energieaufwand be-

trägt dabei etwa 20 W/kg und die Erwärmung bei der Zerkleine- rung ist lediglich zwischen 10 und 30 C. Selbstverständlich können mit der beschriebenen Vorrichtung verschiedenste Mate- rialien, wie beispielsweise Mineralien, Kunststoffe, Chemika- lien, Keramik, Textil, Getreide, usw., zermahlen werden.

Das Verfahren ist ausserdem nicht nur umweltfreundlich, sondern die beschriebene Vorrichtung entwickelt im Betrieb auch äusserst wenig Lärm.