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Die
Erfindung betrifft ein Magnetrührwerk
mit einem Antrieb, einem Rührwerkzeug,
einer in einem Spalttopf angeordneten Antriebswelle und einer berührungslos
wirkenden Magnetkupplung zur Übertragung
eines Antriebsmomentes vom Antrieb auf einen Mischkopf.
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Aus
der
DE 1 905 322 A ist
ein Rührwerk
mit einer Rührwerkswelle
und einem Antrieb über
Treibriemen bekannt. Dabei treibt der Riemen eine Scheibe, die ihrerseits
mit einer berührungslos
wirkenden Kupplung verbunden ist. Die berührungslos wirkende Magnetkupplung überträgt das Antriebsmoment
auf einen innerhalb eines Spaltrohres angeordneten zweiten Kupplungsteil,
der seinerseits mit einer Rührwelle
fest verbunden ist, die in einen Behälter ragt und am unteren Teil
ein Rührwerkzeug
aufweist. In den Spalten und Toträumen der Lager können sich Nester
von Mikroorganismen festsetzen, die nur schwierig zu sterilisieren
sind. Eine Sterilisierung wird auch dadurch erschwert, dass das
Rohr nach oben aus dem Behälter
herausragt, da die Durchdringungsöffnung von den sterilisierenden
Medien kaum erfasst werden kann.
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Aus
der
EP 0 210 651 A2 ist
ein Rührwerk bekannt,
das ein in den Tank hineinragendes Rohr aufweist, wobei der Stator
eines elektromotorischen Antriebs in ein Rohr gelegt ist. Das Rohr
wird zusätzlich
von einem zweiten Rohr umhüllt,
das seinerseits daran fest angebrachte Rührwerkzeuge aufweist. Das innere
Rohr trennt dabei hermetisch den Behälterinhalt von der Umgebung.
Das äußere Rohr
ist zusätzlich
im oberen Flanschbereich gelagert. Außerdem ist es noch mal am unteren
Ende des inneren Rohres gelagert. Für sterile Anwendungsfälle ist
dieses Rührwerkzeug
gänzlich
ungeeignet, da es lange, schwer zugängliche Spaltöffnungen
und mehrere Lagerstellen im Behälterinneren
aufweist. Außerdem sind
für Rührwerke
gemäß
EP 0 210 651 A2 speziell ausgebildete
Motoren erforderlich, deren Kühlung
im Inneren des Rohres problematisch sein kann, wenn wie üblich im
Behälter
Prozesswärme
entsteht, die auf den Motor übertragen
wird.
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DE 39 42 679 A1 beschreibt
eine Rührwerkskonstruktion
unter Verwendung von Linearmotoren. Teilweise wirkt die elektromotorische
Kraft direkt auf das Rührwerkzeug
innerhalb des Behälters,
dadurch sind hier zudem spezielle Motorkonstruktionen erforderlich.
Außerdem
bereitet die Kühlung
des Rührwerkzeugs
durch die entstehende Prozesswärme Schwierigkeiten.
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Die
DE 42 32 935 A1 offenbart
ein Rührwerk mit
einer Rührwerkswelle,
einem Antrieb, einem Rührwerkzeug
und einer berührungslos
wirkenden Kupplung zur Übertragung
eines Antriebsmomentes vom Antrieb über die Rührwerkswelle auf das Rührwerkzeug,
wobei die Rührwerkswelle
von einem einseitig offenen Rohr umhüllt ist und durch die Öffnung des
Rohres mit einem außen
liegenden Motor verbunden ist, wobei die berührungslos wirkende Kupplung
zwischen Rührwerkswelle
und dem außerhalb des
Rohres angeordneten Rührwerk
vorgesehen ist.
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Nachteilig
und problematisch bei dieser Ausführung ist jedoch, dass der
zwischen dem Spalttopf und der Keramiklagerung verbleibende Zwischenraum
häufig
durch Verschleiß angeraut
ist. In diesem verbleibenden Zwischenraum können sich Bakterien ablagern
und Keime sich ausbreiten.
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Die
DE 103 18 599 A1 offenbart
ein Magnetrührwerk,
welches in rotatorischer und axialer Richtung mechanisch auf einem
Spalttopf gelagert ist, welcher den Innenraum des Rührbehälters von der
Umgebung abschließt.
Der Antrieb des Mischkopfs erfolgt mit einer Magnetkopplung berührungslos.
Das Rührwerkzeug
und zugehörige
Gleitlagerung liegen im Innenraum des Rührbehälters. Weiterhin wird das Rührwerkzeug
mit mechanischen Mitteln gegen axiales Abheben gesichert.
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Dies
hat mehrere Nachteile. So kommt es zum einen, durch die mechanische
Lagerung, zu Abrieb in den Lagerkontaktzonen, der zu einer Verunreinigung
des Rührgutes
führt.
Des Weiteren ist zur Schmierung der Gleitlagerung eine Mindestfüllstandshöhe beim
Entleervorgang einzuhalten, da ein Trockenlaufen der Lagerung unweigerlich
zu einer Beschädigung
des Lagers führt.
Weiterhin können nicht
alle Rührmedien
mit einer solchen Lagerung gerührt
werden, da bestimmte Stoffe und Stoffzustände zu tribologischen Effekten
wie Adhäsion
und/oder Abrasion im Bereich des Lagers führen können, die das Gleitlager beschädigen. Weiterhin
ist der Bereich der Gleitlagerung schlecht zu reinigen. Hier sammeln sich
Reststoffmengen, die zu Bakterien- und Keimablagerungen führen. Die
mechanische Sicherung des Rührwerkzeugs
erschwert zusätzlich
die Demontage zu Reinigungszwecken oder zum Werkzeugtausch. Sie
bildet weitere Zwischenräume,
die schlecht von Reststoffen gereinigt werden können und zu Bakterien- und
Keimablagerungen führen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es somit ein Rührwerk
zu schaffen, bei dem der Raum zwischen dem Mischkopf und dem Spalttopf
leicht zu reinigen ist. Weiterhin sollte die Anzahl der Bauteile
im Innenraum des Rührbehälters reduziert
werden, um keine weiteren für
die Reinigung schlecht zugänglichen
Bereiche zu gestalten. Das Rührwerk
sollte das Rührgut weder
durch Abrieb noch durch Ausscheidungen/Ausdünstungen verunreinigen. Das
Rührwerk sollte
auch bei kleinen Mengen, Restmengen oder beim Entleeren funktionstüchtig sein
und bleiben, sowie für
eine Vielzahl an Rührmedien
und deren Zustände
geeignet sein. Ferner sollte das Rührwerk wartungsfreundlich,
langlebig im Betrieb und dabei kostengünstig in der Herstellung sein.
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Bei
einem gattungsgemäßen Magnetrührwerk erfolgt
die Lösung
der Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch
1. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 23.
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Bei
einem Magnetrührwerk
mit einem Antrieb, einem Rührwerkzeug,
einer in einem Spalttopf angeordneten Antriebswelle, und einer berührungslos
wirkenden Magnetkupplung zur Übertragung
eines Antriebmomentes vom Antrieb auf einen Mischkopf, sieht die
Erfindung vor, dass der Mischkopf auf dem Spalttopf in allen Freiheitsgraden
magnetisch gelagert ist, wobei im Spalttopf angeordnete Richtmagnete
und Tragmagnete Elektromagnete sind, die mit einer Magnetregeleinrichtung
verbunden sind.
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Magnetrührwerke
werden häufig
im sterilen Bereich der Pharmazie- bzw. der Lebensmittelindustrie
eingesetzt. Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist, dass durch
den Verschleiß entstehender
Materialabtrag, wie er bei einer Gleitlagerung des Mischkopfes auf
dem Spalttopf vorkommen würde,
ausgeschlossen werden kann. Verunreinigungen werden weitgehend vermieden,
da keinerlei Materialabrieb mit dem zu rührenden Produkt in Kontakt
kommt und somit mit diesem vermischt wird.
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Erfindungsgemäß sieht
die Gestaltung des Rührwerks
vor, dass im Spalttopf Tragmagnete angeordnet sind. Diese Tragmagnete
sind als Elektromagnete ausgebildet. Sie sorgen dabei mit gegenüberliegenden,
im Mischkopf angeordneten Permanentmagneten für die vertikale Lagerung des
Mischkopfes auf dem Spalttopf. Dies hat zum Vorteil, dass die durch
die Tragmagnete aufgebrachte magnetische Kraft verändert werden
kann. Es können
dadurch verschiedenartige Mischköpfe
oder unterschiedliche Rührwerkzeuge
auf demselben Spalttopf sicher verwendet werden. Der vertikale Abstand
zwischen Mischkopf und Spalttopf ist zudem anpassbar.
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Eine
Verbesserung gegenüber
dem Stand der Technik ist ferner, dass im Spalttopf Richtmagnete
vorgesehen sind. Diese Richtmagnete sind als Elektromagnete ausgebildet
und halten den Mischkopf um eine Rotationsachse, die sich im Idealfall
in gleicher Achse mit der Antriebwelle befindet, in Position. Auch
bei hohen Drehzahlen wird sichergestellt, dass eine Lagerabweichung
zwischen Rotationsachse und Antriebswelle so gut wie ausgeschlossen
werden kann.
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Vorteilhaft
sind dabei die Richtmagnete oberhalb und unterhalb der Rotationsmagnete
angeordnet. Dadurch können
die Magnete selbst verkleinert werden. Eine kompakte Bauform des
Spaltkopfes wird erreicht. Darüber
hinaus sind unterschiedliche Bereiche im Spalttopf individuell magnetisierbar.
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Die
Tragmagnete sowie die Richtmagnete, die sich innerhalb des Spalttopfes
befinden sind mit einer Magnetregeleinrichtung verbunden. Die Magnetregeleinrichtung
sorgt dafür,
dass die Position des Mischkopfes auf dem Spalttopf aktiv gesteuert
werden kann.
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Die
einzelnen Magnetisierungsgrade, der im Spalttopf angeordneten Magnete,
sind somit aufeinander abstimmbar. Der ständige, durch die Magnetregeleinrichtung
vorgenommene Abgleich, verbessert die Lagerqualität des Mischkopfes
auf dem Spalttopf erheblich. Es sind unterschiedliche Lagerzustände erreichbar.
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Weiterhin
kann die Anzahl der im Rührbereich
befindlichen Bauteile reduziert werden, beispielsweise entfallen
sämtliche
Dichtungsringe. Dadurch ist ein erfindungsgemäßes Magnetrührwerk annähernd wartungsfrei. Weiterhin
wird die Reinigung deutlich erleichtert. Der zwischen Mischkopf und
Spalttopf verbleibende Zwischenraum kann mittels einer CIP-Reinigung
nun nahezu vollständig
und rückstandsfrei
gesäubert
werden.
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Alternativ
kann auch ohne komplexe Demontage der Mischkopf abgenommen werden.
Die elektromagnetische Lagerung des Mischkopfes auf dem Spalttopf
ermöglicht
eine vollständige
Reinigung bei voller Drehzahl. Eine Reduktion der Drehzahl während des
Reinigungsvorgangs, wie im Stand der Technik notwendig, kann somit
entfallen. Mit der elektromagnetischen, aktiven Lagerung muss das
Rührwerk
nicht wie bisher, vollständig
mit dem Produkt überdeckt
sein, um einen schädlichen
Trockenlauf für vorhandene
Lagerbuchsen zu verhindern. Dadurch können Reinigungsmittel eingespart
werden. Neben den Erleichterungen im Reinigungsprozess ist zudem
vorteilhaft, dass mit dem erfindungsgemäßen Rührwerk auch geringe Produktionsmengen
realisierbar sind. Weiterhin ist es möglich, auch während des
Entleerprozesses den Rührvorgang
fortzusetzen. So können
Entmischungen verhindert und ein Absetzen der Feststoffe vermieden
werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Magnetrührwerks sieht vor, dass in
dem Mischkopf Kupplungsmagnete und in dem Spalttopf Rotationsmagnete
vorgesehen sind. Die Kupplungsmagnete sind vorzugsweise als Permanentmagnete
ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass keine Leitungen für eine Stromzufuhr
in den Mischkopf vorzusehen sind. Die Rotationsmagnete hingegen
können
als Permanentmagnete und/oder Elektromagnete ausgebildet sein. Die
Rotationsmagnete bilden dann mit den Kupplungsmagneten die berührungslos
wirkende Kupplung. Bei Verwendung von Elektromagneten als Rotationsmagnete
ist zudem vorteilhaft, dass die zwischen den Kupplungsmagneten und
den Rotationsmagneten wirkende Kupplungskraft variiert werden kann.
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So
kann beispielsweise während
des Anfahrvorgangs des Rührwerks
die Kupplungskraft erhöht werden,
um für
einen ruckfreien Prozessbeginn zu sorgen. Sobald die volle Drehzahl
erreicht ist kann die magnetische Kupplungskraft verringert werden. Dies
reduziert den Energieverbrauch. Weiterhin erleichtert die Ausbildung
der Rotationsmagnete als Elektromagnete die Reinigung. Für den Reinigungsvorgang
können
die Rotationsmagnete ausgeschaltet werden. Der Mischkopf lässt sich
sodann leicht von dem Spalttopf lösen. Anschließend kann
der Spalttopf gut gereinigt werden.
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Die
im Rührwerk
vorhandenen Permanentmagnete sind vorzugsweise aus Samarium, Kobalt oder
einer Eisen-Bor-Legierung hergestellt. Diese Metalle verfügen über eine
starke potentielle Magnetisierung.
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Im
Spalttopf angeordnete Positionssensoren ermitteln die exakte Position
des Mischkopfes auf dem Spalttopf und stellen Lagerabweichungen
fest. Zusätzlich
können
diese Positionssensoren mit der Magnetregeleinrichtung verbunden
sein. Die Positionssensoren melden dann der Magnetregeleinrichtung
die Lagerabweichungen. Die Magnetregeleinrichtung passt die Magnetisierungsgrade
der Trag- und/oder Richtmagnete entsprechend an und gleicht dadurch
die Lagerabweichung aus. Dazu können
die Positionssensoren drahtlos mit der Magnetregeleinrichtung verbunden
sein. Übliche
Leitungswege werden eingespart, der Spalttopf in seiner Baugröße wird kompakt
gehalten.
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In
Weiterbildung weist das Magnetrührwerk zudem
eine Antriebsregeleinrichtung auf. Dadurch können in ihrer Konsistenz unterschiedliche
Medien stets optimal gerührt
werden. Eine zu Rührbeginn steife
Masse kann erst mit einer niedrigen Drehzahl gerührt werden. Je nach Konsistenz
des Rührmediums
wird dann schrittweise die Drehzahl der Antriebswelle gesteigert,
bis die Endrehzahl erreicht ist.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung sind die Antriebsregeleinrichtung
und die Magnetregeleinrichtung miteinander gekoppelt. Gegenüber dem Stand
der Technik bietet diese Möglichkeit
eine optimale Steuerung des Rührprozesses.
Wie bereits oben beschrieben kann die Drehzahl dem Rührmedium
angepasst werden, die dadurch notwendige Anpassung der magnetischen
Lagerung erfolgt durch die Magnetregeleinrichtung dann zeitgleich.
Ferner können
die Positionssensorik bzw. die Magnetfeldänderungen dazu dienen, die
Konsistenz des rührenden
Mediums zu bestimmen.
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Zur
Reduktion der Bauteile und damit zu einer kompakten Bauform gelangt
man, indem die Magnetregeleinrichtung und die Antriebsregeleinrichtung
in einem gemeinsamen Gehäuse
angeordnet sind.
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Vorzugsweise
ist die Antriebswelle eine Hohlwelle. Die ausgebildete Hohlwelle
geht dabei auch durch den Rotor des Antriebs vollständig durch, sodass
am Gehäuseäußeren ein
Austritt möglich
ist. So können
elektrische Zuleitungen auch in dem oberhalb der Rotationsmagneten
angeordneten Bereich des Spalttopfes geführt werden. In der Antriebswelle kann
dazu eine Hülse
vorgesehen sein, die vollständig
durch den Antrieb hindurch geführt
ist. Dadurch ist der Querschnitt innerhalb der Hohlwelle beliebig anpassbar,
das erneute Verlegen von elektrischen Leitungen im Wartungsfall
wird somit erleichtert.
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Das
Rührwerkzeug
ist am Mischkopf auswechselbar befestigt, sodass auch unterschiedliche Rührwerkzeuge
an dem erfindungsgemäßen Mischkopf
befestigt werden können.
Sägezahnähnliche Zacken
sorgen für
einen optimalen Rührprozess
fast aller Konsistenzen.
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Eine
weitere wichtige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass am
Mischkopf Spurhalter angeordnet sind. Diese Spurhalter sorgen im
ausgeschalteten Zustand des Rührwerks
für eine
Lagerung des Mischkopfes auf dem Spalttopf, da in diesem Zustand
die Trag- und/oder die Richtmagnete ausgeschaltet sind. Auch bei
Veränderung
der Drehzahl wird eine annähernd
gleich bleibende Lagerqualität erreicht.
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Die
Spurhalter sind vorzugsweise als Zylinderstifte ausgebildet. Diese
Zylinderstifte sind günstige
Bauteile und können
einfach ausgetauscht werden, ohne den ganzen Mischkopf austauschen
zu müssen.
Kugelkuppen an den Zylinderstiften sorgen zudem dafür, dass
der im Anfahrprozess auftretende Kontakt am Spalttopf minimiert
wird. Ein mit dem Mischkopf verpresster oder verschweißter Zylinderstift
vermeidet Verunreinigungen in dem Zwischenbereich zwischen Mischkopf
und Zylinderstift.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Magnetrührwerk mit
dargestelltem Antrieb;
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2 einen
erfindungsgemäßen Spalttopf mit
darauf gelagertem Mischkopf.
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Man
erkennt aus 1, dass ein Magnetrührwerk 10 mit
einem Antrieb 20, einem Rührwerkzeug 30, einer
in einem Spalttopf 60 angeordneten Antriebswelle 22,
einer berührungslos
wirkenden Magnetkupplung 26 zur Übertragung eines Antriebsmomentes
vom Antrieb 20 auf einen Mischkopf 50 vorsieht,
dass der Mischkopf 50 auf dem Spalttopf 60 in
allen Freiheitsgraden magnetisch gelagert ist und, wobei im Spalttopf 60 angeordneten
Richtmagnete 64, 65 und Tragmagnete 62 Elektromagnete
sind, die mit einer Magnetregeleinrichtung 40 verbunden
sind.
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Der
Spalttopf 60 ist mit dem Behälterboden 16 verschweißt oder
als Einsteckversion mittels O-Ring abgedichtet. Ein Motor 14 ist
mit einer Flanschplatte 15 auf einer korrespondierenden
Befestigungsplatte 17 einer Distanzlaterne 19 festgelegt.
Der Motor ist vorzugsweise ein Elektromotor, kann alternativ aber
auch pneumatisch oder hydraulisch ausgeführt sein. Am Antrieb 20 befindet
sich eine Antriebsregeleinrichtung 18. Die Distanzlaterne 19 ist über einen
Flansch 21 mit dem Spalttopf 60 verbunden. Man
erkennt, dass Anschlussleitungen 42 die unteren Richtmagnete 64 die
Tragmagnete 62 und die Positionssensoren 74 mit
der Magnetregeleinrichtung 40 verbinden. Im oberen Teil
des Spalttopfes 60 sind Richtmagnete 65 und Positionssensoren 73 angeordnet,
die über
eine Versorgungsleitung 41 mit der Magnetregeleinrichtung 40 verbunden sind.
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Die
im Mischkopf 50 befindlichen Kupplungsmagnete 28 stehen
mit den Rotationsmagneten 29 in Korrespondenz. Die auf
einem Grundkörper 33 befindlichen
Rotationsmagnete 29 sind dabei über eine Antriebswelle 22 mit
dem Antrieb 20 verbunden. Innerhalb der Antriebswelle 22 befindet
sich eine Hülse 23,
die das Durchführen
der Versorgungsleitung 41 durch die Antriebswelle 22 vereinfacht.
Die Versorgungsleitung 41 ist mit der Magnetregeleinrichtung 40 verbunden.
Ein auf dem Mischkopf 30 befestigtes Rührwerkzeug 30 weist
dabei sägezahnähnliche
Zacken 34 auf.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
des Mischkopfes 50 auf dem Spalttopf 60 im Detail.
Der Mischkopf 50 ist dabei auf dem Spalttopf 60 magnetisch
gelagert. Dazu sind im Spalttopf 60 Tragmagnete 62 angeordnet.
Die Tragmagnete 62 stehen mit korrespondierenden Permanentmagneten 66 senkrecht
zueinander. Der Zwischenraum ZR der sich zwischen Spalttopf 60 und
Mischkopf 50 befindet, kann durch Anpassung des Magnetfeldes
(nicht dargestellt) variiert werden. Obere Richtmagnete 65 und
untere Richtmagnete 64 sind dabei im Spalttopf 60 vorgesehen.
Permanentmagnete 67 liegen den Richtmagneten 64, 65 gegenüber. Der
Ringraum RR ist somit durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung in nahezu
allen Zuständen
konstant.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern in vielfältiger
Weise abwandelbar.
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- ZR
- Zwischenraum
- RR
- Ringraum
- 10
- Magnetrührwerk
- 14
- Elektromotor
- 15
- Flanschplatte
- 16
- Behälterboden
- 17
- Befestigungsplatte
- 18
- Antriebsregeleinrichtung
- 19
- Distanzlaterne
- 20
- Antrieb
- 21
- Befestigungsplatte
- 22
- Antriebswelle
- 23
- Hülse
- 26
- Magnetkupplung
- 28
- Kupplungsmagnete
- 29
- Rotationsmagnete
- 30
- Rührwerkzeug
- 33
- Grundkörper
- 34
- Zacken
- 940
- Magnetregeleinrichtung
- 41
- Versorgungsleitung
oben
- 42
- Versorgungsleitung
unten
- 43
- Anschlussleitung
Antrieb
- 50
- Mischkopf
- 60
- Spalttopf
- 61
- Schweißnaht
- 62
- Tragmagnete
- 64
- untere
Richtmagnete
- 65
- obere
Richtmagnete
- 66
- Permanentmagnete
- 67
- Permanentmagnete
- 70
- Spurhalter
- 71
- Zylinderstifte
- 72
- Kugelkuppen
- 73
- Positionssensoren
- 74
- Positionssensoren