[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dispergierwerkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Dispergiergerät nach dem Anspruch 6. Herkömmliche Dispergiergeräte bestehen aus einem Dispergierwerkzeug, das über eine Kupplung an einen elektrischen Antriebsmotor angeschlossen ist. Bezüglich der Feinheit des Dispergiermediums, der Handhabung und dem Einsatzbereich stossen diese herkömmlichen Dispergiergeräte an ihre Grenzen. Der Dispergiereffekt entsteht durch Scherkräfte im Scherspalt, gebildet durch den Aussendurchmesser des rotierenden Dispergierkopfs und dem Innendurchmesser des Schaftrohrs des Dispergierwerkzeugs. Allgemein gilt, je grösser diese Scherkräfte sind, umso feiner wird das Dispergiermedium.
Die Scherkräfte werden somit bestimmt, durch die Umfangsgeschwindigkeit auf dem Aussendurchmesser des rotierenden Dispergierkopfs, der Grösse des Scherspalts und durch die Geometrie der Ausströmungsöffnungen im Schaftrohr. Die Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Dispergierkopfs liegt bei marktüblichem Dispergierwerkzeug mit Schaftdurchmessern kleiner 10 mm meist unter 10 m/s. Diese Werte sind bezüglich des Dispergiereffekts eher gering. Höhere Umfangsgeschwindigkeiten und somit höhere Drehzahlen des elektrischen Antriebsmotors sind deshalb gewünscht. Für den Antrieb dieser Dispergierwerkzeuge werden meistens kollektorbehaftete Motoren eingesetzt. Diese Motoren erreichen maximale Drehzahlen bis etwa 30 000 U/min, was zu den obengenannten Umfangsgeschwindigkeiten im Dispergierwerkzeug führt.
Die Technik der hochfrequenten Asynchronmotoren, mit denen höhere Drehzahlen erreicht werden, bleibt aber, aus Kostengründen, nur einer Nische im Markt vorbehalten.
[0002] Im ganzen Antriebsstrang Motor, Kupplung, Dispergierwerkzeug werden folgende Leistungsverluste erzeugt: Verluste im Motor, die durch den Wirkungsgrad des Motors bestimmt sind, Reibungsverluste in den Kugellagern, wobei je nach der Bauart des Dispergierwerkzeugs bis zu drei Kugellager in Antriebsstrang vorkommen, Reibungsverluste in der rotierenden Kupplung zwischen Motor und Dispergierwerkzeug, Reibungsverluste im Gleitlager des Dispergierwerkzeugs. Bei Klein-Dispergiergeräten ist die Gesamtheit dieser Verlustleistungen wesentlich grösser als die benötigte Nutzleistung für den Dispergiervorgang im Scherspalt des Dispergierwerkzeugs.
Kollektorbehaftete Gleichstrommotoren, kollektorbehaftete Universalmotoren, wie bei den meisten Labordispergiergeräten verwendet, weisen einen Wirkungsgrad von 50-60% auf. 40% bis 50% der zugeführten elektrischen Leistung wird ohne Nutzen in Wärme umgesetzt und muss zur Kühlung der Motorenwicklung mit einem Ventilator abgeführt werden. Oft entstehen dadurch starke Ventilationsgeräusche bis 80 dB. Bedingt durch den Verschleiss am Kollektor weisen kollektorbehaftete Motoren eine wesentlich geringere Lebensdauer und höhere Serviceintervalle auf als brushless Motoren.
[0003] Bei den Kupplungen zwischen Motor und Dispergierwerkzeug haben sich Schnellkupplungen durchgesetzt, die sich mit einer einfachen Stellschraube oder durch Verschieben einer Hülse öffnen und schliessen lassen.
Die antriebsseitigen Kupplungselemente sind am Motor integriert, die abtriebsseitigen Elemente an das Dispergierwerkzeug angebaut. Diese Kupplungen sind vorwiegend für manuelle Arbeiten bestimmt, in der Laborautomatisation jedoch mit Robotik schwierig zu beherrschen.
[0004] Dispergierwerkzeuge bestehen aus einem Schaftrohr, das im Inneren eine rotierende Welle führt, ein Gleitlager, das vom Dispergiermedium geschmiert und gekühlt wird, dem rotierenden Dispergierkopf, einem abtriebsseitigen Kupplungselement.
Je nach Hersteller des Dispergierwerkzeugs wird das dem Gleitlager abgewandte Wellenende von einem Kugellager oder vom Kupplungselement am Motor zentriert und geführt.
[0005] Für die Vorzerkleinerung von Festkörpern im Dispergiermedium ist es vorteilhaft, dass das Schaftrohr an seinem Ende eine zahnförmige Geometrie in Form von rechteckigen oder dreieckigen Zähnen aufweist. Das Dispergiermedium wird durch den rotierenden Dispergierkopf achsial in das Schaftrohr eingesogen. Grobe Festkörper werden an den oben beschriebenen Zähnen vorzerkleinert. Das Dispergieren von zwei flüssigen Phasen erfolgt vorwiegend durch Scherkräfte, bei einer festen und einer flüssigen Phase spielt die Geometrie des rotierenden Dispergierkopfs und die Geometrie der Ausströmungsöffnungen im Schaftrohr mit möglichst vielen Kanten zur Bildung von Prall- und Quetscheffekten eine zentrale Rolle.
Nach dem Dispergieren wird das Dispergiermedium durch Fliehkräfte durch die Ausströmungsöffnungen im Schaftrohr radial ausgestossen. Diese Öffnungen sind meistens als Längsschlitze ausgebildet. Bei Dispergierwerkzeugen mit gleichen Durchmessern des Schaftrohres wird, je nach der Art des Dispergiermediums, eine andere Form der Ausströmungsöffnungen im Schaftrohr und des rotierenden Dispergierkopfes, nötig. Allgemein gilt, je feiner die Breite der Schlitze der Ausströmungsöffnungen gehalten sind, je feiner werden die Festkörper des Dispergiermediums nach der Bearbeitung, je geringer wird aber auch der Durchsatz des Dispergiermediums.
Grobe, harte Festkörper benötigen jedoch grössere Schlitzbreiten, wobei auch messerförmige rotierende Dispergierköpfe eingesetzt werden.
[0006] Die Varianten der Dispergierwerkzeuge mit gleichen Durchmessern des Schaftrohrs erhöhen sich auch durch die Wahl des Verfahrensprozesses. Dispergierwerkzeug mit fest eingebauten Kugellagern können zur Reinigung nicht demontiert und ebenfalls nicht autoklaviert werden. Eine Variante von Dispergierwerkzeugen, die autoklavierbar und einfach zu reinigen sind, wird nötig. Eine weitere Variante sind gasdichte Dispergierwerkzeuge, deren Schaftrohr unmittelbar unterhalb der Kupplung dicht mit einem Gefäss verschlossen ist. Die Lebensdauer der meistens eingesetzten Wellendichtungsringe ist bei den hohen Drehzahlen gering. Eine weitere Variante sind Dispergierwerkzeuge mit Gleitringdichtungen für den Einsatz unter Druck oder im Vakuum.
Eine weitere Variante sind Dispergierwerkzeuge mit geschlossenem Schaftrohr, die den Einzug von Luft und somit das Aufschäumen des Dispergiermediums verhindern.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Dispergierwerkzeug der obgenannten Art so auszubilden, dass die Anzahl der Komponenten und die Antriebsleistung der Dispergierwerkzeuge verringert werden, dass die Varianten der Dispergierwerkzeuge reduziert werden und dass Einsatzmöglichkeiten in Verfahren und Prozessen verbessert oder erst möglich werden und dass bei Dispergierwerkzeugen mit einem Schaftrohrdurchmesser bis 10 mm Drehzahlen von mindestens 50 000 U/min erreichbar sind.
[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 6 gelöst.
Durch die erfindungsgemässen Massnahmen wird ein Läufer gebildet, der die Welle des Dispergierwerkzeugs durch ein äusseres rotierendes Magnetfeld antreibt. Der Läufer und die Welle bilden eine Spindel, die bei kleinen Dispergierwerkzeugen mit Schaftrohrdurchmessern von 5 mm Drehzahlen bis 100 000 U/min erreicht. Ein Einbau der Spindel mit dem Schaftrohr in einen Verschlussstopfen aus Kunststoff ist möglich. Wird ein Reagenzgefäss mit einem solchen Verschlussstopfen zusammengefügt, ist das Dispergiermedium komplett eingeschlossen. In gleicher Weise mit verschraubbaren Verschlüssen kann das Dispergierwerkzeug, für Anwendungen unter Druck oder im Vakuum, vollständig gekapselt sein. Das Dispergierwerkzeug besteht aus wenigen Teilen und ist einfach zu zerlegen und zu reinigen. Bevorzugterweise wird das Dispergierwerkzeug nach dem Wortlaut von Anspruch 2 und 3 ausgebildet.
Die Form des Permanentmagneten entspricht dabei genau der Form des durch die Bohrung entfernten Körpers in der zylindrischen Stufe. Eine Hülse fixiert den Permanentmagneten in der zylindrischen Stufe sicher. Dadurch ist eine einfache Montage möglich, ohne die Welle mit der zylindrischen Stufe nachträglich noch zu wuchten. Gemäss Wortlaut von Anspruch 6 wird in einfacherer Weise als mit einer Magnetkupplung das Dispergierwerkzeug angetrieben. Gemäss Wortlaut von Anspruch 7 entfällt eine mechanische Kupplung zwischen Antriebsmotor und Dispergierwerkzeug. Ebenfalls kann eine elektronische Steuerung erkennen, ob sich das Dispergierwerkzeug im Stator befindet und so den Dispergiervorgang, beim Einfügen des Dispergierwerkzeuges in den Stator automatisch starten.
Gemäss Wortlaut von Anspruch 8 und 9 ist der Stator einfacher herzustellen, als mit einer Spulenwicklung eingelegt in Nuten, wobei die auskragenden Spulenköpfe nicht nur den Stator verlängern würden, sondern auch die Länge der Spindel. Gemäss Wortlaut von Anspruch 4 wird der rotierende Dispergierkopf in einfacher Weise direkt an die Welle angeschliffen. Gemäss Wortlaut von Anspruch 5 wird das Dispergieren in konischen Reagenzgefässen möglich. Gemäss Wortlaut von Anspruch 10 wird durch den vorgeschlagenen Stator keine Ventilation und somit keine Verwirbelung der Luft nötig, was den Einsatz im Reinraum ausschliessen würde.
[0009]
<tb>Fig. 1<sep>zeigt den Schnitt durch ein Dispergierwerkzeug, eingebaut in einem Verschlussstopfen, verschlossen mit einem Reagenzgefäss.
<tb>Fig. 2<sep>zeigt das gleiche Dispergierwerkzeug, eingeführt in einen Stator mit Ringkernwicklung. Wobei nur der Stator im Schnitt dargestellt ist.
<tb>Fig. 3<sep>zeigt den Schnitt durch ein Dispergierwerkzeug, eingebaut in einem Verschlussstopfen, verschlossen mit einem konischen Reagenzgefäss.
<tb>Fig. 4 bis 6<sep>zeigen den Querschnitt, den Aufriss und den Seitenriss des Permanentmagneten. Durch die gezeigte Form wird die Bohrung in der zylindrischen Stufe vollständig mit dem Permanentmagneten gefüllt.
[0010] Die Position der Öffnung (5) in der zylindrischen Stufe (3), die als durchgehende Bohrung ausgeführt ist, ist in Fig. 1 ersichtlich. Zylindrische Stufe (3), Welle (1), Dispergierkopf (12) sind aus einem Stück gedreht, wobei der Dispergierkopf mit zwei Fräsungen mit einer Teilung von 180 Grad als Platte in die ursprüngliche Welle gefertigt ist. Das Schaftrohr (2) ist ebenfalls als Drehteil ausgeführt, mit eingefrästen Längsschlitzen für die Ausströmungsöffnungen (13), und den Zähnen (16) zur Vorzerkleinerung des Dispergierguts.
Am oberen Ende des Schaftrohrs (2) ist eine konische Stufe (15) angedreht, die das Schaftrohr (2) mit dem Verschlussstopfen (17) drehfest verbindet. Der Verschlussstopfen (17) ist aus Kunststoff, wie PTFE, als Hülse ausgeführt, die oben mit einem Deckel (18) geschlossen ist. Der Verschlussstopfen (17) ist in ein Reagenzgefäss (19) gesteckt. Die Welle ist durch ein zylindrisches, geschlitztes Gleitlager (14) aus PTFE gelagert. Eine einfache Herstellung des Gleitlagers (14) erfolgt durch Aufrollen einer Folie auf einem Dorn mit gleichem Durchmesser wie die Welle (1). Im Schaftrohr (2) ist der Konus (15) mit einer gefrästen Nut (20) in achsialer Richtung ausgeführt. Das Dispergiermedium, welches im Inneren des Schaftrohrs (2) beim Dispergieren in den Verschlussstopfen (17) aufsteigt, fliesst durch die Nut (20) wieder in das Reagenzgefäss (19) zurück.
Dieser Fluss des Dispergiermediums kühlt und schmiert das Gleitlager (14). In Fig. 2 ist das Dispergierwerkzeug in den Stator (9) einer elektrischen Maschine eingesteckt. Die Wicklung ist als Ringkernwicklung (10) ausgeführt und um den Statorkern (11), aus paketiertem Elektroblech, gewickelt. Die Ringkernwicklung (10) ist 2-polig mit drei Phasen ausgeführt und in einem Sternpunkt verbunden. Der Stator (9) mit 3 Hallsensoren (23) 120 Grad versetzt, wird als brushless DC Motor betrieben. Konische Stufen (12) sind an Welle (1) und Schaft (2) angedreht, welche, wie die Fig 3 zeigt, den Einsatz in konischen Reagenzgefässen (21) erlaubt. Der SMCO Permanentmagnet (6) in den Fig. 4 bis 6 ist als Stabmagnet mit rundem Querschnitt ausgeführt.
An die beiden Enden des Permanentmagnets (6) wird eine Frontform (7) angeschliffen, wobei der Kreis (22), gelegt über die Aussendurchmesser der Frontformen (7), dem Innendurchmesser der Hülse (8) entspricht. Der so bearbeitete Permanentmagnet (6) kann formschlüssig in die Öffnung (5) eingelegt werden. Danach wird eine Hülse (8) aus hochlegiertem Edelstahl über die zylindrische Stufe (3) aufgepresst. Die Hülse (8) kann aber auch mit der zylindrischen Stufe (3) mit dem Laser verschweisst sein.
The present invention relates to a dispersing tool according to the preamble of claim 1, as well as a dispersing apparatus according to claim 6. Conventional dispersing devices consist of a dispersing tool, which is connected via a coupling to an electric drive motor. With regard to the fineness of the dispersion medium, the handling and the field of application, these conventional dispersing devices reach their limits. The dispersing effect is caused by shearing forces in the shear gap, formed by the outer diameter of the rotating dispersing head and the inner diameter of the shaft tube of the dispersing tool. Generally, the larger these shear forces are, the finer the dispersing medium becomes.
The shear forces are thus determined by the peripheral speed on the outer diameter of the rotating dispersing head, the size of the shear gap and the geometry of the outflow openings in the shaft tube. The peripheral speed of the rotating dispersing head is usually less than 10 m / s with commercially available dispersing tools with shank diameters of less than 10 mm. These values are rather small with respect to the dispersing effect. Higher peripheral speeds and thus higher speeds of the electric drive motor are therefore desirable. For the drive of these dispersing tools usually collector-loaded motors are used. These motors achieve maximum speeds up to about 30,000 rpm, which leads to the above-mentioned peripheral speeds in the dispersing tool.
However, the technology of high-frequency asynchronous motors, with which higher speeds are achieved, but remains, for cost reasons, only a niche in the market reserved.
Throughout the drive train engine, clutch, dispersing the following power losses are generated: losses in the engine, which are determined by the efficiency of the engine, friction losses in the ball bearings, depending on the type of dispersing up to three ball bearings in the drive train occur, friction losses in the rotating coupling between the motor and the dispersing tool, friction losses in the sliding bearing of the dispersing tool. In the case of small dispersing devices, the totality of these power losses is significantly greater than the required net power for the dispersion process in the shear gap of the dispersing tool.
Collector-mounted DC motors, collector-mounted universal motors, as used in most laboratory dispersing machines, have an efficiency of 50-60%. 40% to 50% of the supplied electrical power is converted into heat without any benefit and must be dissipated to cool the motor winding with a fan. This often causes strong ventilation noise up to 80 dB. Due to the wear on the collector, collector-mounted motors have a significantly lower service life and higher service intervals than brushless motors.
In the couplings between the engine and dispersing tool quick couplings have become established, which can be opened and closed with a simple screw or by moving a sleeve.
The drive-side coupling elements are integrated on the motor, the output-side elements attached to the dispersing tool. These couplings are primarily intended for manual work, but difficult to master in laboratory automation with robotics.
Dispergierwerkzeuge consist of a shaft tube, which carries a rotating shaft inside, a sliding bearing, which is lubricated and cooled by the dispersion, the rotating dispersing head, a driven-side coupling element.
Depending on the manufacturer of the dispersing tool, the shaft end remote from the plain bearing is centered and guided by a ball bearing or by the coupling element on the motor.
For the pre-crushing of solids in the dispersing medium, it is advantageous that the shaft tube has at its end a tooth-shaped geometry in the form of rectangular or triangular teeth. The dispersing medium is sucked axially into the shaft tube by the rotating dispersing head. Coarse solids are pre-shredded on the teeth described above. The dispersion of two liquid phases takes place predominantly by shear forces; in the case of a solid and a liquid phase, the geometry of the rotating dispersing head and the geometry of the outflow openings in the shaft tube with as many edges as possible to form impact and crushing effects play a central role.
After dispersing, the dispersing medium is expelled radially by centrifugal forces through the outflow openings in the shaft tube. These openings are usually formed as longitudinal slots. For dispersing tools with the same diameters of the shaft tube, depending on the type of dispersing medium, a different shape of the outflow openings in the shaft tube and the rotating dispersing head is necessary. In general, the finer the width of the slots of the outflow openings, the finer are the solids of the dispersion medium after processing, but the smaller the throughput of the dispersing medium.
Coarse, hard solids, however, require larger slot widths, whereby knife-shaped rotating dispersing heads are also used.
The variants of the dispersing tools with the same diameters of the shaft tube also increase by the choice of the process. Dispergierwerkzeug with permanently installed ball bearings can not be dismantled for cleaning and also not autoclaved. A variant of dispersing tools that are autoclavable and easy to clean becomes necessary. Another variant is gas-tight dispersing tools whose shaft tube is sealed tightly below a vessel directly below the coupling. The service life of the most commonly used shaft seal rings is low at high speeds. Another variant is dispersing tools with mechanical seals for use under pressure or in a vacuum.
Another variant are dispersing tools with a closed shaft tube, which prevent the ingestion of air and thus the foaming of the dispersing medium.
The invention is based on the object, a dispersing tool of the aforementioned type so that the number of components and the drive power of the dispersing tools are reduced, that the variants of the dispersing tools are reduced and that improved application possibilities in processes and processes or only possible and that in dispersing tools with a shaft tube diameter up to 10 mm speeds of at least 50 000 U / min can be achieved.
This object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1 and of claim 6.
The inventive measures a rotor is formed, which drives the shaft of the dispersing tool by an external rotating magnetic field. The rotor and the shaft form a spindle that reaches speeds of up to 100,000 rpm for small dispersing tools with shank diameters of 5 mm. An installation of the spindle with the shaft tube in a sealing plug made of plastic is possible. If a reagent vessel is assembled with such a stopper, the dispersion medium is completely enclosed. In the same way with screw-on closures, the dispersing tool, for applications under pressure or in vacuum, can be completely encapsulated. The dispersing tool consists of few parts and is easy to disassemble and clean. Preferably, the dispersing tool is formed according to the wording of claims 2 and 3.
The shape of the permanent magnet corresponds exactly to the shape of the body removed by the bore in the cylindrical step. A sleeve securely fixes the permanent magnet in the cylindrical step. As a result, a simple assembly is possible without the shaft with the cylindrical step later to balance. According to the wording of claim 6, the dispersing tool is driven in a simpler manner than with a magnetic coupling. According to the wording of claim 7 eliminates a mechanical coupling between the drive motor and dispersing tool. Likewise, an electronic controller can detect whether the dispersing tool is located in the stator and thus automatically start the dispersing process when inserting the dispersing tool into the stator.
According to the wording of claims 8 and 9, the stator is easier to manufacture, as with a coil winding inserted in grooves, the cantilevered coil heads would not only extend the stator, but also the length of the spindle. According to the wording of claim 4, the rotating dispersing head is ground in a simple manner directly to the shaft. According to the wording of claim 5, dispersing in conical reagent vessels becomes possible. According to the wording of claim 10, no ventilation and thus no turbulence of the air is required by the proposed stator, which would preclude use in the clean room.
[0009]
<Tb> FIG. 1 <sep> shows the section through a dispersing tool, installed in a stopper, closed with a reagent vessel.
<Tb> FIG. Figure 2 shows the same dispersing tool inserted in a toroidal core stator. Whereby only the stator is shown in section.
<Tb> FIG. 3 <sep> shows the section through a dispersing tool, installed in a sealing plug, closed with a conical reagent vessel.
<Tb> FIG. 4 to 6 <sep> show the cross section, the elevation and the side elevation of the permanent magnet. Due to the shape shown, the hole in the cylindrical step is completely filled with the permanent magnet.
The position of the opening (5) in the cylindrical step (3), which is designed as a through hole, can be seen in Fig. 1. Cylindrical stage (3), shaft (1), dispersing head (12) are rotated in one piece, the dispersing head being made with two millings at a pitch of 180 degrees as a plate into the original shaft. The shaft tube (2) is also designed as a rotating part, with milled longitudinal slots for the outflow openings (13), and the teeth (16) for pre-comminution of the dispersion.
At the upper end of the shaft tube (2), a conical step (15) is turned on, which rotatably connects the shaft tube (2) with the sealing plug (17). The sealing plug (17) is made of plastic, such as PTFE, as a sleeve which is closed at the top with a lid (18). The sealing plug (17) is inserted into a reagent vessel (19). The shaft is supported by a cylindrical, slotted plain bearing (14) made of PTFE. A simple manufacture of the sliding bearing (14) by rolling a film on a mandrel with the same diameter as the shaft (1). In the shaft tube (2), the cone (15) is designed with a milled groove (20) in the axial direction. The dispersing medium, which rises in the interior of the shaft tube (2) when dispersed in the sealing plug (17), flows back into the reagent vessel (19) through the groove (20).
This flow of the dispersion medium cools and lubricates the sliding bearing (14). In Fig. 2, the dispersing tool is inserted into the stator (9) of an electric machine. The winding is designed as a toroidal core winding (10) and wound around the stator core (11), made of packaged electrical steel. The toroidal core winding (10) is 2-pole with three phases and connected in a neutral point. The stator (9) with 3 Hall sensors (23) offset 120 degrees, is operated as a brushless DC motor. Conical steps (12) are turned on shaft (1) and shaft (2), which, as shown in FIG. 3, allows the use in conical reagent vessels (21). The SMCO permanent magnet (6) in Figs. 4 to 6 is designed as a bar magnet with a round cross-section.
At the two ends of the permanent magnet (6) a front shape (7) is ground, wherein the circle (22), placed over the outer diameter of the front molds (7), the inner diameter of the sleeve (8). The thus processed permanent magnet (6) can be positively inserted into the opening (5). Thereafter, a sleeve (8) made of high-alloy stainless steel over the cylindrical step (3) is pressed. However, the sleeve (8) can also be welded to the cylindrical step (3) with the laser.