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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Laborkugelmühle, insbesondere eine Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle im Labormaßstab.
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Hintergrund und allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Kugelmühlen im Labormaßstab werden für ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere zum Zerkleinern und Mischen von Proben und zum mechanischen Legieren eingesetzt.
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Bei Planeten- und Fliehkraftkugelmühlen sind Mahlbecher exzentrisch zu einer Zentrumsachse angeordnet und bewegen sich auf einer Kreisbahn um die Zentrumsachse. Durch den Umlauf der Mahlbecher wird eine radial nach außen gerichtete Fliehkraft auf das Mahlgut ausgeübt. Bei einer Fliehkraftkugelmühle wird die Drehung des Mahlbechers um seine eigene Achse in Bezug auf das Laborsystem verhindert. Bei einer Planetenkugelmühle wird durch zusätzliche Rotation um die Mahlbecherachse im Laborsystem eine kombinierte Umlauf- und Drehbewegung für den oder die Mahlbecher erzeugt.
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In einer Planetenkugelmühle verursacht der Antrieb der Mahlbecher also eine absolute Rotationsbewegung des Mahlbechers um seine eigene Achse, die Aufnahme- oder Planetenachse, so dass in einer Planetenkugelmühle im Vergleich zu einer Fliehkraftkugelmühle eine weitere Fliehkraftkomponente erzeugt wird. Diese ist der Fliehkraftkomponente überlagert, welche durch den Umlauf der Mahlbecher um die Zentrumsachse erzeugt wird. Schließlich ist auch noch die Corioliskraft wirksam. Diese drei Kräfte ergeben bei der Planetenkugelmühle ein resultierendes Kraftfeld, dem die Mahlkugeln und das Mahlgut ausgesetzt sind.
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Bei bestimmten Abmessungen der umlaufenden Teile und bestimmten Drehgeschwindigkeiten werden in einer Planetenkugelmühle Flugbahnen für die Mahlkugeln erzeugt. Die Mahlkugeln bewegen sich dann quer durch den Mahlbecher hindurch, bis sie auf die Innenwand des Mahlbechers auftreffen. Danach werden die Mahlkugeln am Innenumfang des Mahlbechers mitgenommen, bis die resultierende Kraft erneut dafür sorgt, dass die oben beschriebene Querbewegung stattfindet und Mahlkugeln eine Flugbewegung durch den Mahlbecher ausführen. Dies wird auch als „Wurfregime” bezeichnet. Dadurch kann eine Planetenkugelmühle bei höheren Drehzahlen eine hohe Mahlleistung erzielen.
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Die auftretenden Kräfte infolge der Drehbewegungen der verschiedenen Bauteile, insbesondere bei einer Planetenkugelmühle können relativ hoch sein, so dass die maximale Umdrehungsgeschwindigkeit meistens konstruktiv beschränkt ist.
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Entsprechende Planetenkugelmühlen im Labormaßstab werden seit Jahrzehnten von der Anmelderin gebaut. Eine frühe Planetenkugelmühle der Anmelderin ist aus dem Gebrauchsmuster
DE 1 836 885 bekannt, welche Planetenträger umfasst, auf denen Mahlgefäße mit einer Spannvorrichtung befestigt werden.
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Neuere Planetenkugelmühlen werden von der Anmelderin unter der Marke pulverisette
® (Baureihen 4 bis 7) gebaut und sind z. B. in
DE 197 12 905 ,
EP 1 945 364 ,
DE 10 2006 047 481 ,
EP 1 945 363 ,
DE 10 2006 047 480 ,
DE 10 2006 047 479 ,
EP 1 933 984 ,
EP 1 933 985 ,
DE 10 2006 047 498 ,
EP 2 010 329 ,
EP 1 981 639 und
DE 10 2010 044 254 beschrieben. Ein Überblick über die Labormühlen der Anmelderin findet sich ferner auf deren Website unter
www.fritsch.de.
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In dem britischen Dokument
GB 730 494 wird eine Kugelmühle vorgeschlagen, welche eine sogenannte Rotationskammer aufweist, die sich um ihre eigene Achse dreht und gleichzeitig um eine zu ihrer eigenen Achse im wesentlichen parallele, feststehende Achse umläuft, wobei der Abstand der beiden Achsen kleiner als der Radius der Kammer ist. Durch die relativ eng beabstandeten Achsen soll gemäß
GB 730 494 erreicht werden, dass die Beladung die Innenwand der Kammer mehr oder weniger auskleidet, jedoch eine hohe Bewegungsrate sowohl relativ zur Innenwandfläche der Kammer als auch innerhalb der Kammer durch die relative Bewegung der Komponenten, das heißt des Mahlgutes und der Mahlkugeln erfolgt. Die Kugeln sollen dabei eine rollende Quetschbewegung in Bezug auf das Mahlgut ausführen. Das Wurfregime ist nicht erreichbar.
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Trotz dieser Einschränkung im Hinblick auf die mechanische Belastung der Bauteile ist die Bauweise der Mühle aufwändig. So wird der Mahlbecher mit seinem Deckel durch eine Konstruktion mit Schrauben und Armkreuz befestigt.
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Ferner ist ein separater externer Aufbau auf einem Zylinder vorgesehen, um ein Rollenlager aufzunehmen. Das Rollenlager umgreift das Mahlgefäß in dem Bereich, in welchem das Armkreuz und die Betätigungsschrauben zur Befestigung von Keilen und des Deckels für den Mahlbecher angeordnet sind, was ein extrem großes Rollenlager erfordert. Eine derartige Konstruktion erscheint für die bei modernen Laborkugelmühlen erwünschten Drehzahlen ungeeignet. Zudem ist das Einsetzen und Entnehmen des Mahlgefäßes umständlich und kompliziert. Ferner ist die Spannkraft, davon abhängig wie fest der Benutzer das Armkreuz anzieht, was aus Sicherheitsgründen zu wünschen übrig lässt. Ein weiterer Nachteil dabei ist, dass das Armkreuz mit Schrauben nach oben übersteht, was bei Rotation der Mühle eine Verletzungsgefahr für den Bediener mit sich bringen kann.
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Aus der
JP 2002172342 und
JP 2002172343 ist eine sogenannte vertikale Kugelmühle bekannt, die auf besonders große Beladung ausgelegt ist, um verunreinigte Erde zu reinigen. Es wird von einer Beladung von nicht weniger als 50 kg gesprochen. Darüber hinaus muss bei der Mühle offenbar das obere Lager ausgebaut werden, um das Mahlgefäß mit einem Kran aus der Vorrichtung zu heben. Ferner ist der Deckel mit dem Mahlbecher verschraubt. Beides ist höchst umständlich.
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Es ist ersichtlich, dass die in
GB 730 494 ,
JP 2002172342 und
JP 2002172343 beschriebenen Mühlen keine Labormühlen mit den hierfür spezifischen Anforderungen sind, und dass solche Konstruktionen nicht ohne weiteres auf eine Labormühle übertragbar sind.
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Bei Laborkugelmühlen werden die Mahlgefäße häufig in eine nach oben offene Aufnahmevorrichtung eingesetzt und von oben mit einer Spindel verspannt. Auch hier ist die Spannkraft, davon abhängig wie fest der Benutzer die Spindel anzieht. Die Planetenträger sind dabei fliegend an einer Sonnentragscheibe gelagert, welche um eine Zentrumsachse antreibbar ist. Die fliegende Lagerung führt zu einer hohen Biegebeanspruchung der Welle der Planetenträger, was die erreichbare Mahlleistung begrenzt. Ferner werden die Mahlgefäße mit Teilen, die gesondert ausgehängt werden, außerhalb der Maschine liegen und vom Benutzer in die jeweilige Halterung eingehängt werden verspannt, was das Risiko einer Fehlbedienung beinhaltet.
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Aus der
EP 1 945 363 ist bereits eine Labor-Planetenkugelmühle mit einer Zweipunktlagerung bekannt, bei welcher sich der Schwerpunkt des Mahlgefäßes zwischen zwei Lagereinrichtungen befindet. Hierbei umgreift ein oberes Kugellager eine becherartige Fassung, in welche das Mahlgefäß axial von oben eingesetzt und verrastet wird. Dies erfordert allerdings neuartige und aufwändige Mahlgefäße mit selbstverrastenden Mahlbecherdeckeln und ein sehr großes oberes Lager. Trotzdem sind die auftretenden Vibrationen und Kräfte noch immer so groß, dass hohe mechanische Belastungen auftreten, denen mittels einer zusätzlichen Querverspannung des Mahlgefäßes entgegengetreten werden kann, wie in der
DE 10 2010 044 254 beschrieben ist.
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Die Erfinder haben sich nun zum Ziel gesetzt eine neue Laborkugelmühle, insbesondere eine Fliehkraft- oder Planetenkugelmühle zu bauen, welche Mahlgefäße bis zu etwa 500 ml pro Mahlgefäß und eine Leistungssteigerung gegenüber früheren Planetenkugelmühlen mit fliegender Lagerung zu erreichen.
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Die in der
EP 1 945 363 beschriebene Bauart erscheint hierfür nicht zielführend. Zwar ist diese Labor-Planetenkugelmühle technisch schon sehr ausgereift und komfortabel zu bedienen, ist aber hauptsächlich für im Labormaßstab relativ kleine Mahlgefäße, z. B. 80 ml umsetzbar. Trotzdem treten schon dort, bedingt durch die Größe des oberen Lagers nicht nur hohe Kosten, sondern auch erhöhte Reibwerte und damit eine große Abwärme auf. Eine erhöhte Abwärme ist besonders an dieser Stelle unerwünscht, da die Abführung der Prozesswärme ohnehin schwierig ist. Ferner ist auch die Dichtung des Lagers problematisch, weil sie aufgrund der Lagergröße sehr lang ist und das Lager bei einer Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle nicht nur fest im Raum rotiert, sondern durch den Umlauf um die Zentrumsachse zusätzlich noch durch den Raum „geschleudert” wird, wodurch das Lagerfett aus dem Lager herausgetrieben werden kann.
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Bei größeren Mahlgefäßen im Labormaßstab, d. h. typischerweise 160 ml, 250 ml oder gar 500 ml, stößt diese Halterung und Verspannung der Mahlgefäße unter Fachleuten auf sehr große Vorbehalte.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Laborkugelmühle, insbesondere eine Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle im Labormaßstab bereit zu stellen, welche auch für im Labormaßstab große Mahlgefäße, insbesondere mit einer Größe von 160 ml, 250 ml und/oder 500 ml einsetzbar ist und welche eine hohe Mahlleistung ermöglicht.
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Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, eine derartige Laborkugelmühle bereit zu stellen, welche einfach und effizient vom Benutzer zu bedienen ist, bei welcher insbesondere das Einsetzen und Entnehmen der Mahlgefäße schnell und komfortabel vonstatten geht und welche dennoch eine hohe Betriebssicherheit bietet.
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Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, eine derartige Laborkugelmühle bereit zu stellen, bei welcher die Verspannung des Mahlgefäßes komfortabel und fehlersicher ist und eine reproduzierbare Verspannkraft aufweist.
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Ein weiterer allgemeiner Aspekt der Aufgabe ist es, eine Premium-Laborkugelmühle bereit zu stellen, welche in vielerlei Hinsicht höchsten Sicherheits-, Leistungs- und Komfortansprüchen genügt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß wird eine Laborkugelmühle, insbesondere eine Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle im Labormaßstab bereit gestellt, bei welcher eine Trägervorrichtung um eine vertikale Zentrumsachse rotiert. Manchmal wird diese Orientierung als „vertikale Kugelmühle” bezeichnet. An der Trägervorrichtung sind eine oder mehrere Mahlstationen oder Planetenstationen um eine parallel zur Zentrumsachse versetzte Planetenachse drehbar zur Trägervorrichtung gelagert, wobei die Mahlstationen jeweils eine Aufnahmevorrichtung für zumindest ein mit Mahlgut und Mahlkörpern, insbesondere Mahlkugeln befüllbares Mahlgefäß aufweisen. Die Aufnahmevorrichtung wird von der Trägervorrichtung um die Zentrumsachse mitgeführt und rotiert zusätzlich – zumeist entgegengesetzt – zur Trägervorrichtung um die exzentrisch gelagerte Planetenachse. Planeten- oder Fliehkraftkugelmühlen mit nur einer Mahlstation, sogenannte Planeten- oder Fliehkraft-Monokugelmühlen weisen eine Masseausgleichseinrichtung mit einer radial verschiebbaren Ausgleichmasse auf, wohingegen Planeten- oder Fliehkraftkugelmühlen mit mehreren Mahlstationen so aufgebaut sind, dass die Mahlstationen symmetrisch um die Zentrumsachse angeordnet sind um die Trägheitsmomente möglichst gut auszugleichen, damit die Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle eine geringe Unwucht aufweist.
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Vorzugsweise wird die Trägervorrichtung von einem elektrischen Gesamtantriebsmotor, z. B. über einen Riemenantrieb angetrieben und die Mahlstation wird über einen Zahnriemenantrieb, welcher an die Trägervorrichtung gekoppelt ist, angetrieben.
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Die Trägervorrichtung, die Mahlstation, die (Riemen-)Antriebe und der Antriebsmotor sind in einem Gerätegehäuse beherbergt, um Sicherheitsanforderungen im Labor zu erfüllen. Das Gerätegehäuse weist einen Gehäusedeckel auf, welcher im Ruhezustand der Laborkugelmühle geöffnet werden kann, um an die Mahlstationen bzw. die Mahlgefäße in den Aufnahmevorrichtungen zu gelangen, d. h. diese einsetzen und entnehmen zu können.
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Die Mahlgefäße für Laborkugelmühlen bestehen insbesondere aus einem Mahlbecher und einem Mahlbecherdeckel mit einer Ringdichtung, wobei der Mahlbecherdeckel für den Mahlvorgang mit dem Mahlgefäß lediglich axial verspannt wird, was für den Benutzer besonders einfach und effizient zu handhaben ist. Ferner kann insbesondere bei Nass-Mahlvorgängen häufig entstehender Überdruck sicher entweichen.
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Erfindungsgemäß weist die Aufnahmevorrichtung einen insbesondere starren Käfig auf, in welchen das Mahlgefäß durch axiale (vertikale) Verspannung eingespannt wird. Der Käfig ist in einer Ebene in der die Planetenachse liegt, insbesondere als ein starrer geschlossener Rahmen ausgebildet und umfasst zumindest ein unteres Bodenteil, eine obere Querbrücke und zumindest eine Seitenwange, welche die obere Querbrücke starr mit dem unteren Bodenteil verbindet. Die Seitenwange kann z. B. ein etwa halber Zylindermantel sein oder, wie beim nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel, sind zwei der Planentenachse gegenüberliegende Seitenwangen-Streifen jeweils oben und unten mit der oberen Querbrücke bzw. dem unteren Bodenteil starr verbunden. Die Aufnahmevorrichtung bzw. der so gebildete Käfig ist dauerhaft an der Trägervorrichtung drehbar befestigt, d. h. das Mahlgefäß kann in den Käfig eingesetzt und aus diesem wieder entnommen werden, wenn der Käfig in dem Gerätegehäuse an der Trägervorrichtung gelagert ist, und zwar ohne dass der Käfig geöffnet oder gar ganz oder teilweise entfernt werden braucht.
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Der Käfig ist an zwei axialen Stellen drehbar an der Trägervorrichtung gelagert, nämlich mit einem unteren Lager an einer ersten axialen Position unterhalb des unteren Bodenteils und mit einem oberen Lager an einer zweiten axialen Position oberhalb der oberen Querbrücke. Das Mahlgefäß wird für den Mahlvorgang vom Benutzer manuell in den so an der Trägervorrichtung axial beidseitig gelagerten Käfig zwischen dem unteren und oberen Lager, und ohne die Lager auszubauen, eingesetzt und nach dem Mahlvorgang vom Benutzer manuell wieder entnommen, wenn der Gehäusedeckel geöffnet ist.
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Demnach ist die obere Querbrücke des starren Käfig zur Aufnahme des Mahlgefäßes mit dem oberen Lager drehbar, aber fest an der Trägervorrichtung befestigt, und verbleibt dort beim Einsetzen und Entnehmen des Mahlgefäßes, d. h. wird zum Einsetzen und Entnehmen des Mahlgefäßes nicht entfernt, was das Einsetzen und Entnehmen des Mahlgefäßes erleichtert.
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Auf der anderen Seite sind beim Mahlvorgang das gesamte Mahlgefäß einschließlich des Mahlbecherdeckels sowie der rahmenförmige Teil des Käfigs axial vollständig zwischen den beiden Lagern angeordnet, wodurch die Lagerung hohe Kräfte aufnehmen kann, so dass hohe Maximaldrehzahlen ermöglicht sind.
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Dabei kann der Außendurchmesser des Mahlgefäßes größer sein als der Innendurchmesser des oberen und/oder des unteren (Kugel-)Lagers. In vorteilhafter Weise können somit als oberes und/oder unteres Lager unabhängig vom Durchmesser des Mahlgefäßes insbesondere im Vergleich zu der
EP 1 945 363 beidseitig relativ kleine Kugellager eingesetzt werden.
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Solche kleineren Kugellager sind kostengünstiger und haben unter Berücksichtigung der Dichtung und des Rollwiderstands akzeptable Reibwerte. Das wiederum resultiert in vorteilhafter Weise in einer vergleichsweise reduzierten Abwärme beim Mahlvorgang. Ferner vorteilhaft ist die Dichtung der Kugellager vergleichsweise klein und kann mit hoher Drehzahl -erreichbar sind je nach Konstruktion etwa 800 bis 1100 Umdrehungen pro Minute – auch durch den Raum geschleudert werden, wie dies bei einer Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle vorkommt, ohne dass dabei in unvertretbarem Maß das Lagerfett aus dem Lager heraus getrieben wird. Ferner wird die Abwärme gerade im oberen Bereich des Mahlgefäßes reduziert, was eine Stelle ist, an welcher die abzuführende Prozesswärme in besonderem Maße auftritt. Trotzdem kann die Kugelmühle für im Labormaßstab große Mahlgefäße konstruiert sein. Eine Laborkugelmühle, insbesondere eine Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle im Labormaßstab bezieht sich insbesondere auf Mahlgefäße von bis zu 500 ml, ggf. sogar bis zu 1000 ml. Im Labormaßstab große Mahlgefäße sind insbesondere Mahlgefäße von 160 ml bis 500 ml, ggf. sogar bis 1000 ml oder von 250 ml bis 500 ml, ggf. sogar bis 1000 ml.
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Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der Zentrumsachse und der Planetenachse größer als der Innendurchmesser des Mahlgefäßes, so dass die geometrische Zentrumsachse außerhalb des Innenraums des Mahlgefäßes verläuft, was für die Erreichung des Wurfregimes bei einer Labor-Planetenkugelmühle vorteilhaft sein kann.
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Das untere Bodenteil des Käfigs und die obere Querbrücke des Käfigs weisen ferner vorzugsweise einstückig ausgebildete Lagerzapfen auf, wobei sich der untere Lagerzapfen des unteren Bodenteils nach unten und der obere Lagerzapfen der oberen Querbrücke nach oben erstrecken. Der Käfig ist mittels des oberen und unteren Lagerzapfens außerhalb des Käfigs in dem oberen bzw. unteren Lager drehbar gelagert. Hierdurch wird eine besonders stabile Lagerung des Käfigs zur Aufnahme großer Kräfte erreicht.
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Die Trägervorrichtung umfasst bevorzugt eine untere Trägerscheibe und eine auf der Trägerscheibe befestigte Brückenkonstruktion, wobei der Käfig axial zwischen der Brückenkonstruktion und der Trägerscheibe angeordnet ist. Hierzu sind das untere Lager in der Trägerscheibe und das obere Lager in der Brückenkonstruktion dauerhaft eingebaut und brauchen zum Einsetzen und Entnehmen des Mahlgefäßes nicht entfernt zu werden. Andererseits wird hiermit wiederum eine stabile Lagerung bei gleichzeitig möglichst geringer Bauhöhe der im Gerätegehäuse rotierenden Teile erreicht, was bei einer Labormühle vorteilhaft ist, da diese typischerweise auf einem Tisch betrieben wird.
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Vorzugsweise weist das untere Bodenteil des Käfigs eine horizontale Bodenplatte auf, von der sich der untere Lagerzapfen nach unten erstreckt, so dass die Bodenplatte mit dem unteren Lagerzapfen einen im Großen und Ganzen T-förmigen Querschnitt bildet. Die horizontale Bodenplatte des Käfigs rotiert beim Mahlvorgang unmittelbar über der Trägerscheibe, während der untere Lagerzapfen axial in die Trägerscheibe hinein ragt. Hierdurch wird ebenfalls die Bauhöhe klein gehalten und vermieden, dass die untere Lagerung sichtbar oder zugänglich ist.
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Weiter vorzugsweise ist das untere Bodenteil als Bodenwanne ausgebildet und die zumindest eine Seitenwange oder die Seitenwangen-Streifen sind mit ihrem unteren axialen Ende starr an der Bodenwanne und mit ihrem oberen axialen Ende starr an der oberen Querbrücke befestigt. In vorteilhafter Weise kann so Platz innerhalb der Bodenwanne für weitere Bauteile geschaffen werden.
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Insbesondere weist der Käfig eine seitliche, d. h. radiale Öffnung auf, durch welche das Mahlgefäß seitlich bzw. radial in den Käfig eingesetzt und wieder entnommen werden kann.
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Bevorzugt wird die seitliche Öffnung für den Mahlvorgang durch ein bewegliches Visier verschlossen und an der gegenüberliegenden Seite des Umfangs ist an dem Käfig vorzugsweise eine Rückwand befestigt. Somit ist das Mahlgefäß bei geschlossenem Visier allseitig (oben, unten und am Umfang), mit Ausnahme von Aussparungen, von dem Käfig umschlossen. Dadurch wird die Betriebssicherheit der Kugelmühle erhöht, da das Mahlgefäß bei geschlossenem Visier keinesfalls den Käfig verlassen kann, auch nicht falls sich beim Mahlvorgang die Verspannung des Mahlgefäßes lösen sollte. Der Käfig hat mit der Rückwand und dem Visier demnach im Großen und Ganzen einen rundzylindrischen Umriss, wobei die Öffnung mindestens etwa die Hälfte des Umfangs einnimmt, um so genügend Platz zum einfachen seitlichen Einsetzen und Entnehmen des Mahlgefäßes bereit zu stellen.
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Zweckmäßig ist das Visier seitlich an dem Käfig nach oben schwenkbar gelagert, um die seitliche Öffnung durch Hochschwenken des Visiers freizugeben, was für den Benutzer gut und einfach handhabbar ist.
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Vorzugsweise ist die Schwenkbewegung des Visiers nach oben mit einer Feder vorgespannt, so dass das Visier automatisch nach oben schwenkt, wenn es nicht verriegelt ist. Weiter bevorzugt wird das automatische Aufschwenken des Visiers mittels eines Rotationsdämpfers gedämpft.
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Vorzugsweise ist die obere Querbrücke als balkenförmiges Joch ausgebildet, unter anderem um vor oder hinter dem balkenförmigen Jochs Platz für Aufbauten auf dem Deckel des Mahlgefäßes frei zu lassen. Von dem balkenförmigen Joch erstreckt sich der obere Lagerzapfen nach oben. Ferner vorzugsweise ist das schwenkbare Visier an den beiden Stirnseiten des balkenförmigen Jochs gelagert.
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Vorzugsweise weisen das Visier und/oder die Seitenwangen und/oder die Rückwand Aussparungen auf, so dass das Mahlgefäß bei der Rotation von Luft umströmt wird. In vorteilhafter Weise bleibt somit trotz des im Großen und Ganzen beim Mahlvorgang um das Mahlgefäß geschlossenen Käfigs noch eine gewisse Luftkühlung des Mahlgefäßes erhalten. Diese verbleibende Luftkühlung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil durch die erfindungsgemäße Laborkugelmühle hohe Drehzahlen, eine hohe Mahlleistung und damit eine große Wärmeentwicklung verbunden sein können.
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Ferner vorzugsweise weist die Aufnahmevorrichtung eine Verriegelung auf, mittels welcher das Visier für den Mahlvorgang verriegelt wird und deren Verriegelungszustand von einer Steuereinrichtung detektiert wird, so dass der Mahlvorgang nur dann gestartet werden kann, wenn das Visier verriegelt ist. Z. B. weist die nachstehend erläuterte Exzenterwelle eine Verriegelungslasche auf, welche beim Drehen der Exzenterwelle das Visier verriegelt. Hierdurch wird eine hohe Betriebssicherheit erreicht.
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Das Mahlgefäß wird in dem starren Käfig insbesondere axial verspannt, um das Mahlgefäß in der Mahlstation für den Mahlvorgang zu befestigen. Wenn wie vorliegend die Verspannung hinreichend zuverlässig ist, stellt das für den Benutzer eine besonders einfache, schnelle und bequeme Art der Befestigung des Mahlgefäßes in der Mahlstation dar. Hierzu ist in dem Käfig ein Spannelement angeordnet, welches das Mahlgefäß axial gegen das untere Bodenteil oder die obere Querbrücke des Käfigs verspannt, wodurch einerseits der Mahlbecherdeckel gegen den Mahlbecher verspannt wird, um das Mahlgefäß hermetisch zu verschließen und andererseits das Mahlgefäß für den Mahlvorgang fest in dem Käfig eingespannt, d. h. lösbar befestigt wird.
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Der Käfig ist starr und stabil ausgebildet, um die Axialkräfte beim axialen Verspannen des Mahlgefäßes aufzunehmen, so dass die Verspannung auch hohen Drehzahlen und damit hohen radialen Kräften standhalten kann. Der starre Käfig bietet die Möglichkeit, das Mahlgefäß aufzunehmen, in dem Käfig zu verspannen und seinerseits in der Drehmechanik der Laborkugelmühle, drehbar gelagert zu sein. Vorteilhaft ist, dass sämtliche Spannkräfte, in diesem Fall die axialen Kräfte innerhalb des Käfigs aufgenommen werden und nicht in Achsrichtung auf eines der Lager übertragen werden. Dies verhindert in vorteilhafter Weise auch, dass das andere Lager (Gegenlager) mit einer entsprechenden Gegenkraft beaufschlagt wird.
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Ferner ändert sich die axiale Position des oberen und unteren Lagers beim axialen Verspannen des Mahlgefäßes nicht. Insbesondere brauchen die Lager keine Axialkräfte aufzunehmen, da der Käfig oder Verspannkäfig die axialen Kräfte beim Verspannen aufnimmt.
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Die axiale Verspannung wird insbesondere mittels einer sich quer zur Planetenachse erstreckenden Exzenterwelle als Spannelement bewerkstelligt, welche drehbar in der Aufnahmevorrichtung gelagert ist. Dies hat im Vergleich zu einer axialen Spindelverspannung den Vorteil, dass die Verspannkraft immer konstant, d. h. reproduzierbar ist. Für den Kraftfluss wäre es vorteilhaft, das Joch und die Exzenterwelle parallel auszurichten. Aus konstruktiven Gründen ist es hier allerdings bevorzugt, die Exzenterwelle bezogen auf die Planetenachse um 90° verdreht zu dem (Spann-)Joch auszurichten.
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Zusammenfassend ist bei der Erfindung allgemein das Spannelement zum axialen Verspannen des Mahlgefäßes für den Benutzer nicht mehr aus der Laborkugelmühle zu entnehmen, sondern im normalen Betrieb unlösbar in der Aufnahmevorrichtung integriert. Ferner ist das Spannelement in der Aufnahmevorrichtung insbesondere unterhalb des Mahlgefäßes angeordnet und das Mahlgefäß wird von unten gegen einen oberen Anschlag der Aufnahmevorrichtung, der von der oberen Querbrücke des starren Käfigs gebildet wird, axial verspannt. Dies hat den Vorteil, dass die Möglichkeiten zur Fehlbedienung reduziert und das Spannelement im unteren Bereich der Trägervorrichtung angeordnet ist. Hierdurch kann das Spannelement von oben einfach verdeckt werden und ist trotzdem für die Betätigung gut zu erreichen. Ferner weist die Verspanneinrichtung einen niedrigen Schwerpunkt auf und die Bauhöhe der Mahlstation bzw. der Aufnahmevorrichtung kann gering gehalten werden. Gegenüber einer Verspannung mit einer oben liegenden Spindel kann darüber hinaus die Verletzungsgefahr reduziert werden.
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Vorzugsweise ist in der Bodenwanne ein axial verschiebbarer Spannboden angeordnet und die Exzenterwelle ist unterhalb des Spannbodens angeordnet, so dass der Spannboden von der Exzenterwelle um ein vordefiniertes Längenmaß nach oben gegen das Mahlgefäß gespannt wird, um das Mahlgefäß in dem Käfig axial von unten gegen die obere Querbrücke zu verspannen. Ferner vorzugsweise enthält die Aufnahmevorrichtung ein Federelement, welches beim axialen Verspannen des Mahlgefäßes gespannt wird, was den Vorteil hat, dass eine vordefinierbare und damit reproduzierbare axiale Spannkraft erzeugt werden kann. Vorzugsweise überträgt die Exzenterwelle die Verspannkraft mittels Nadellagern mit denen die Exzenterwelle zwischen dem unteren Bodenteil und dem Spannboden gelagert ist, auf den Spannboden.
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Vorzugsweise ist der Spannboden wannenförmig ausgebildet und hält den Boden des Mahlgefäßes seitlich formschlüssig, wenn das Mahlgefäß in der Aufnahmevorrichtung verspannt ist, wodurch eine zusätzliche Sicherung für das Mahlgefäß in der Aufnahmevorrichtung geschaffen wird, was besonders bei der angestrebten Kombination von hohen Drehzahlen und im Labormaßstab großen Mahlgefäßen vorteilhaft ist.
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Weiter vorzugsweise sitzt das Mahlgefäß unmittelbar auf einer Andruckplatte auf und das Federelement ist als Tellerfeder ausgebildet, welche zwischen der Andruckplatte und dem Spannboden angeordnet ist. Dadurch wird der Spannboden von der Exzenterwelle bei jedem Verspannen um denselben Verschiebeweg axial nach oben bewegt und spannt dabei die Tellerfeder, was wiederum dafür sorgt, dass die Tellerfeder die Andruckplatte bei jedem Verspannen mit derselben, also reproduzierbaren axialen Federkraft beaufschlagt.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Andruckplatte einen sich nach oben erstreckenden Rastzapfen auf, welcher formschlüssig in eine Bohrung in dem Boden des Mahlgefäßes eingreift, wodurch eine weitere Sicherung für das Mahlgefäß in der Aufnahmevorrichtung geschaffen wird, was ebenfalls besonders bei der angestrebten Kombination von hohen Drehzahlen und im Labormaßstab großen Mahlgefäßen vorteilhaft ist.
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Bevorzugt ist der Rastzapfen im entspannten Zustand des Spannelements nach unten in die Andruckplatte hineingezogen und wird beim Verspannen mittels der Exzenterwelle in Richtung des Bodens des Mahlgefäßes bewegt. Dadurch stört der Rastzapfen im entspannten Zustand nicht beim seitlichen Einsetzen des Mahlgefäßes.
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Diesbezüglich weist die Andruckplatte eine Bohrung auf, durch welche sich der Rastzapfen erstreckt. Die Andruckplatte und der Rastzapfen können unabhängig voneinander axial bewegt werden, wobei die Andruckplatte mittels der Tellerfeder axial gespannt wird und der Rastzapfen direkt von der Exzenterwelle oder dem Spannboden betätigt wird. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine reproduzierbare reibschlüssige axiale Verspannung des Mahlgefäßes mit zumindest einem Formschlusselement kombiniert, so dass die Befestigung des Mahlgefäßes bequem zu handhaben ist und trotzdem eine hohe Betriebssicherheit aufweist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kugelmühle einen motorischen Antrieb für das Spannelement, welcher die Verspannung des Mahlgefäßes in der Aufnahmevorrichtung automatisch betätigt. In vorteilhafter Weise kann die Kugelmühle das Mahlgefäß hiermit automatisch verspannen, was einerseits bequem für den Benutzer ist, andererseits aber auch eine bei jedem Spannvorgang gleiche und damit reproduzierbare Spannkraft ermöglicht.
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Vorzugsweise ist der Motor des motorischen Antriebs ortsfest an dem Gerätegehäuse angebracht, d. h. er rotiert nicht mit der Trägervorrichtung. Zum Betätigen des Spannelements, d. h. zum Verspannen und Lösen der Verspannung des Mahlgefäßes ist eine Kupplungseinrichtung umfasst, welche im Ruhezustand der Laborkugelmühle bei bestimmter Drehorientierung des Mahlgefäßes den motorischen Antrieb an das Spannelement, bzw. die Exzenterwelle ankuppelt, so dass das Spannelement in dem Ruhezustand von außerhalb der Trägervorrichtung betätigt werden kann. In vorteilhafter Weise können so z. B. elektrische Zuleitungen auf die rotierende Trägervorrichtung vermieden werden und auch bei einer Mühle mit mehreren Mahlstationen wird nur ein Motor benötigt.
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Diesbezüglich ist es vorteilhaft, dass das relative Drehzahlverhältnis der Laborkugelmühle ganzzahlig ist, insbesondere k = –2 oder k = –3, wobei k, das relative Drehzahlverhältnis ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die Mahlstation an einer bestimmten Einsetz- und Entnahmeposition der Trägervorrichtung immer mit derselben Planetenorientierung zu liegen kommt. Die Einsetz- und Entnahmeposition ist bevorzugt die Drehposition der Trägervorrichtung, bei welcher die Mahlstation dem Benutzer zugewandt ist. In der Einsetz- und Entnahmeposition kann somit die Kupplungseinrichtung den motorischen Antrieb an das Verspannelement ankuppeln, um die Verspannung bzw. das Lösen der Verspannung des Mahlgefäßes zu vollziehen.
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Die Kupplungseinrichtung umfasst bevorzugt eine formschlüssige Kupplung, bei welcher die Kupplungsteile des motorischen Antriebs und der Exzenterwelle automatisch formschlüssig ineinandergreifen, wenn die Mahlstation in der Einsetz- und Entnahmeposition zu liegen kommt. Hierfür ist die formschlüssige Kupplung z. B. als Schlitzkupplung ausgebildet, bei welcher ein transversal zur Exzenterwelle verlaufender Stift in einem Schlitz einer koaxial zur Exzenterwelle verlaufenden Antriebswelle eingreift, wenn die Mahlstation in der Einsetz- und Entnahmeposition zu liegen kommt.
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Die Verriegelungslasche, mit welcher das Visier verriegelt wird, ist vorzugsweise an einer Stirnseite der Exzenterwelle befestigt und wird von dem motorischen Antrieb zusammen mit der Exzenterwelle nach oben gedreht, um in einen Schlitz in dem Visier einzugreifen. Durch die kombinierte Betätigung der Verspannung und der Verriegelung, wird die Betriebssicherheit der Kugelmühle weiter erhöht.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein können und die Merkmale der Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale Ansicht einer Planeten-Monokugelmühle mit geöffnetem Gehäuse und geöffnetem Visier,
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2 eine dreidimensionale Ansicht der Planeten-Monokugelmühle aus 1 mit geschlossenem Visier und ausgeblendetem Gerätegehäuse,
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3 eine dreidimensionale Ansicht der rotierenden Teile der Planeten-Monokugelmühle aus 1,
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4 eine dreidimensionale Ansicht der rotierenden Teile der Planeten-Monokugelmühle aus 1 mit geschlossenem Visier,
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5 einen Querschnitt durch die rotierenden Teile der Planeten-Monokugelmühle aus 3 mit entspanntem Mahlgefäß,
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6 einen Querschnitt durch die rotierenden Teile der Planeten-Monokugelmühle aus 4 mit verspanntem Mahlgefäß,
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7 einen vergrößerten Ausschnitt aus 5 mit entspanntem Mahlgefäß,
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8 einen vergrößerten Ausschnitt aus 6 mit verspanntem Mahlgefäß,
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9 eine dreidimensionale Darstellung der Mahlstation mit geöffnetem Visier,
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10 eine dreidimensionale Darstellung der Mahlstation mit geschlossenem und verriegeltem Visier,
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11 einen Querschnitt durch die Mahlstation entlang der Linie 11-11 in 6,
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12 eine dreidimensionale Ansicht der rotierenden Teile einer Planetenkugelmühle mit zwei Mahlstationen (Planeten-Duokugelmühle).
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Labor-Planeten-Monokugelmühle 1 mit einem Gerätegehäuse 2. Das Gerätegehäuse 2 besitzt einen Gehäusedeckel 4, der geöffnet werden kann, um an den inneren Mahlraum 6 der Planetenkugelmühle 1 zu gelangen, in welchem die Trägervorrichtung 8 rotiert. Der Gehäusedeckel 4 ist in diesem Beispiel als Drehdeckel ausgebildet, es kann aber bei einer einfacheren Ausführungsform zum Beispiel ein Klappdeckel verwendet werden. Bei der in 1–11 beispielhaft ausgewählten Planeten-Monokugelmühle 1 ist auf der Trägervorrichtung 8 eine einzige Mahlstation 10 mit einem Mahlgefäß 12 exzentrisch drehbar gelagert. Auf der Trägervorrichtung 8 ist gegenüber der Mahlstation 10 eine Masseausgleichseinrichtung 14 (2–6) zur Kompensation des Trägheitsmoments der einen einzigen Mahlstation 10 angeordnet.
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Die Mahlstation 10 weist eine Aufnahmevorrichtung 16 zur Aufnahme des Mahlgefäßes 12 aus Mahlbecher 12a und Mahlbecherdeckel 12b auf. Im in 1–11 dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Mahlgefäß 12 eine Größe von 500 ml, was für eine Labor-Planetenkugelmühle bereits ein relativ großes Mahlgefäß darstellt und die Trägervorrichtung 8 rotiert mit einer Maximaldrehzahl von etwa bis zu 800 Umdrehungen pro Minute. Dies sind für eine Labor-Planetenkugelmühle relativ anspruchsvolle Anforderungen. Die Erfindung ist allerdings auch für Labor-Planetenkugelmühlen mit mittelgroßen Mahlgefäßen, z. B. 250 ml oder 160 ml oder kleineren Mahlgefäßen einsetzbar.
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Bezug nehmend auf 12 sind die rotierenden Teile bei einer symmetrisch aufgebauten Planeten-Duokugelmühle dargestellt, wobei sich zwei Mahlstationen 10 in Bezug auf die Zentrumsachse 20 gegenüber liegen, so dass sich deren Trägheitsmoment kompensiert. Die vorliegende Erfindung ist daher nicht auf Planeten-Monokugelmühlen (1–11) beschränkt, sondern ist in gleicher Weise für Laborkugelmühlen 1 mit mehreren Mahlstationen 10, z. B. zwei (12), vier oder einer anderen Anzahl von Mahlstationen einsetzbar. Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels in Form einer Planeten-Monokugelmühle 1 (1–11) erläutert, wobei die Mahlstationen 10 bei Laborkugelmühlen 1 mit mehreren Mahlstationen 10 identisch ausgebildet sind.
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Bezug nehmend auf die 2–6 umfasst die Trägervorrichtung 8 zwei miteinander verschraubte, scheibenförmige Blöcke 18, 19, in Form einer Riemenscheibe 18 und einer Trägerscheibe 19. Ein Gesamtantriebsmotor 5 versetzt mittels eines Keilriemens 7 über die Riemenscheibe 18 die Trägervorrichtung 8 in Rotation um die Zentrumsachse 20, wodurch die Mahlstation 10 mit der Trägerscheibe 19 auf einer Kreisbahn um die Zentrumsachse 20 umläuft. Über einen zu dem Riemenantrieb der Riemenscheibe 18 gekoppelten Zahnriemenantrieb 22 wird zusätzlich die Eigenrotation der Mahlstation 10 um die zur Zentrumsachse 20 exzentrisch gelagerte Planetenachse 24 angetrieben, so dass die Mahlstation 10 um die Zentrums- oder Sonnenachse 20 umläuft und gleichzeitig zusätzlich um ihre eigene Planetenachse 24 rotiert. In diesem Ausführungsbeispiel einer Planetenkugelmühle sind die beiden Drehrichtungen gegenläufig.
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Die Zentrumsachse 20 ist starr an der Gehäusebodenplatte 32 befestigt. Die Trägervorrichtung 8 ist mittels zwei Kugellagern 28, 30 auf der ortsfesten Zentrumsachse 20, die als Lagerzapfen ausgebildet ist, drehbar gelagert.
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Der gekoppelte Riemenantrieb 22 umfasst ein erstes Zahnriemenrad 26, welches zwischen den zwei Kugellagern 28, 30 an der Zentrumsachse 20 befestigt ist und ein zweites Zahnriemenrad 27, mittels welchem die Eigenrotation der Mahlstation 10 um die Planetenachse 24 über einen Zahnriemen 31 angetrieben wird. Das Drehzahlverhältnis der Eigenrotation der Mahlstation 10 um die Planetenachse 24 relativ zu der Umlauf-Drehung um die Zentrumsachse 20 (sogenanntes relatives Drehzahlverhältnis k) ist ganzzahlig. Bei der vorliegenden Planeten-Monokugelmühle ist k = –2, bei Planeten-Multikugelmühlen mit mehreren Mahlstationen kann k = –3 vorteilhaft sein. Aufgrund des ganzzahligen Drehzahlverhältnisses k steht die Mahlstation 10 immer in derselben Orientierung an der vorderen Einsetz- und Entnahmeposition, welches die in den 1–6 dargestellte Position unter dem (geöffneten) Drehgehäusedeckel 4 ist.
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Wie am besten in den 9–11 zu sehen ist, umfasst die Aufnahmevorrichtung 16 einen starren Käfig 34, welcher aus einem unteren Bodenteil 36, einer oberen Querbrücke, die als Joch 38 ausgebildet ist, und zwei Seitenwangen 40. Die in diesem Beispiel länglichen streifenförmigen Seitenwangen 40 sind mit ihrem jeweiligen oberen Ende 40a an den Stirnseiten 38a, 38b des Jochs 38 befestigt, in diesem Beispiel verschweißt. Die Seitenwangen 40 sind ferner mit ihrem unteren Ende 40b fest mit dem unteren Bodenteil 36 verbunden, in diesem Beispiel verschweißt, so dass der Käfig 34 einen starren, in diesem Beispiel von der Seite im Wesentlichen rechteckigen Rahmen bildet, welcher in dem Querschnitt in 11 das Mahlgefäß 12 an beiden lateralen Seiten sowie oben und unten vollständig, d. h. von der Seite gesehen ringförmig umschließt. Der starre Käfig 34 dient einerseits zur Aufnahme des Mahlgefäßes, andererseits aber auch zur Aufnahme der Spannkräfte beim Verspannen des Mahlgefäßes 12, wenn das Mahlgefäß 12 in dem starren Käfig 34 verspannt wird.
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Das untere Bodenteil 36 und das Joch 38 weisen jeweils einen Lagerzapfen 42, 44 auf, welche sich in entgegen gesetzte Richtungen, d. h. nach unten bzw. nach oben koaxial zur Planetenachse 24 erstrecken. Die sich nach unten bzw. oben erstreckenden Lagerzapfen 42, 44 sind einstückig mit dem unteren Bodenteil 36 bzw. dem Joch 38 ausgebildet. Die Mahlstation 10 ist an den Lagerzapfen 42, 44 mittels Kugellagern 46, 48 an der Trägervorrichtung 8 um die Planetenachse 24 drehbar gelagert. Dadurch ist die Aufnahmevorrichtung 16 bzw. der Käfig 34 an zwei axialen Positionen gelagert, die axial gegenüberliegend beide vollständig außerhalb des Mahlgefäßes 12 bzw. sogar außerhalb des Käfigs 34 angeordnet sind. Der starre Käfig 34 zum Verspannen des Mahlgefäßes 12 ist demnach zwischen den beiden Kugellagern 46, 48 gelagert. Durch diese Zweipunktlagerung oberhalb und unterhalb des Mahlgefäßes 12 bzw. des starren Verspann-Käfigs 34 können die auftretenden Kräfte beim Mahlvorgang sehr gut aufgefangen werden und trotzdem können relativ kleine Standardkugellager für beide Lager 46, 48 verwendet werden, da der Durchmesser der Lagerzapfen 42, 44 erheblich kleiner ist, als der des Mahlgefäßes 12. Demnach sind die Innendurchmesser der Kugellager 46, 48 kleiner als der Außendurchmesser des Mahlgefäßes 12. Wie nachfolgend noch genauer erläutert wird, wird das Mahlgefäß 12 nicht mehr wie bei früheren Laborkugelmühlen von oben in die Mahlstation 10 eingesetzt, sondern radial zur Planetenachse 24, d. h. von der Seite her. Daher kann der Käfig 34 als starrer Käfig ausgebildet sein und das Joch 38 des Käfigs 34 wird vom Benutzer zum Einsetzen und Entnehmen des Mahlgefäßes 12 nicht entfernt, sondern ist ein im Normalbetrieb vom Benutzer nicht zu lösender fester Bestandteil des starren Käfigs 34.
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Bezug nehmend auf 5–8 sind das untere Lager 46 in der Trägerscheibe 19 und das obere Lager 48 in einer Brückenkonstruktion 50 eingebaut, wobei die Brückenkonstruktion 50 starr mit der Trägerscheibe 19 verbunden ist. Mit anderen Worten ist der Käfig 34 mit dem Mahlgefäß 12 oben an der Brückenkonstruktion 50 und unten an der Trägerscheibe 19 drehbar gelagert. Durch den relativ großen Abstand in Achsrichtung der beiden Lager 46, 48, wobei das Mahlgefäß 12 vollständig zwischen den beiden Lagern 46, 48 angeordnet ist, können sehr hohe Fliehkräfte aufgenommen werden. Trotzdem müssen weder das Joch 38, noch das obere Lager 48 ausgebaut werden, um das Mahlgefäß 12 zu entnehmen oder einzusetzen.
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Der untere Lagerzapfen 42 weist unterhalb des unteren Lagers 46 einen Fortsatz 52 mit etwas reduziertem Durchmesser auf, welcher sich weiter nach unten erstreckt und an welchem das Zahnriemenrad 27 befestigt ist, um die Mahlstation 10 rotatorisch um die Planetenachse 24 anzutreiben. Demnach bildet das untere Bodenteil 36 mit dem integralen Lagerzapfen 42 im Querschnitt im Großen und Ganzen eine T-Form. Der Lagerzapfen 42 erstreckt sich dabei durch die Trägerscheibe 19 hindurch, um einerseits mittels des unteren Lagers 46 in der Trägerscheibe 19 gelagert zu sein und andererseits so dass der Fortsatz 52 mit dem Zahnriemenrad 27 nach unten aus der Trägerscheibe 19 hervorspringt um den Zahnriemenantrieb 22 unterhalb der Trägerscheibe 19 zu bewerkstelligen.
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Wieder Bezug nehmend auf 9–10 weist der Käfig 34 ein Visier 56 auf, mittels welchem eine seitliche Öffnung 54 des Käfigs verschlossen werden kann. Wenn das Visier 56 geöffnet ist, kann der Mahlbecher 12 quer zur Planetenachse 24, d. h. horizontal durch die Öffnung 54 entnommen und eingesetzt werden. Das Visier 56 ist hierzu an den Stirnseiten 38a, 38b des Jochs 38 bzw. dort an der Außenseite der Seitenwangen 40 drehbar gelagert, so dass das Visier 56 nach oben aufgeschwenkt werden kann, um die seitliche Öffnung 54 freizugeben (9). Für den Mahlvorgang wird das Visier 56 geschlossen (10), so dass der Käfig 34, zusammen mit dem geschlossenen Visier 56 und einer Rückwand 58 einen zirkular um die Planetenachse 24 geschlossenen Schutzkäfig bildet, damit das Mahlgefäß 12 nicht aus der Mahlstation 10 herausfliegen kann, selbst wenn sich die Verspannung lockern oder gar lösen sollte.
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Wieder Bezug nehmend auf 11 dienen die Lager- und Befestigungselemente 60a, 60b, mittels welchen das Visier 56 an den Stirnseiten 38a, 38b des Jochs 38 drehbar gelagert ist, zusätzlich zu der Lagerung noch dem automatischen federbeaufschlagten gedämpften Öffnen des Visiers 56. In dem dargestellten Beispiel ist in einer stirnseitigen Bohrung des Jochs 38 an dem rechten Lager- und Befestigungselement 60a eine Rotationsfeder 92 eingebaut, welche das Visier durch Federkraft automatisch aufdrückt und in einer stirnseitigen Bohrung des Jochs 38 an dem linken Lager- und Befestigungselement 60b ist ein Rotationsdämpfer 93 eingebaut, welcher die Visierbewegung beim Öffnen dämpft.
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Wieder Bezug nehmend auf die 7–8 erfolgt die Verspannung des Mahlgefäßes durch eine Exzenterwelle 62 von unten gegen den Mahlbecherboden 12c. Die Exzenterwelle 62 ist in einer Querbohrung in einem sich nach unten erstreckenden Zapfen 71 eines Spannbodens 70 gelagert. Der Zapfen 71 greift in eine passende koaxiale Bohrung 43 in dem Lagerzapfen 42 des unteren Bodenteils 36 ein.
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Die Exzenterwelle 62 ist ferner mit zwei Nadellagern 64 gegen den Spannboden 70 gelagert, wobei die Nadeln 66 der Lager 64 auf der Exzenterwelle 62 laufen, während der Außenring 68 der Lager 64 an der Unterseite des Spannbodens 70 anliegt und während des Hubes an diesem hin und her bewegt wird. Die Exzenterwelle 62 überträgt also die axiale Höhenänderung über die beiden Nadellager 64, welche für eine Belastung von 20 kN ausgelegt sind, auf den Spannboden 70.
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Der Spannboden 70 ist über dem unteren Bodenteil 36 angeordnet, was nicht ausschließen soll, dass sich der Rand 37 des unteren Bodenteils 36 über den Spannboden 70 hinaus erstrecken kann. Das untere Bodenteil 36 ist sogar gezielt als Bodenwanne ausgebildet von welcher der Spannboden 70 auch seitlich gehalten wird. Der Spannboden 70, auch Federheber genannt, hebt über ein Federpaket, welches in dem Beispiel zwei Tellerfedern 72 umfasst, eine Andruckplatte 74 in Form eines Drucktellers nach oben. Die Verwendung einer oder mehrerer Tellerfedern 72 hat sich bewährt, da Tellerfedern in Bezug auf Federhärte und die zur Verfügung stehenden Bauräume gut zu den hier gegebenen Anforderungen passen. In dem Beispiel sind zwei identische gegensinnig geschichtete Tellerfedern verwendet, um bei identischer Spannkraft den Weg zu verdoppeln. Hierdurch können Längentoleranzen besser gehandhabt werden, so dass sich diese in Bezug auf Spannungsunterschiede kaum noch auswirken.
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Die Andruckplatte 74 hebt ihrerseits das eingesetzte Mahlgefäß 12 zuerst gegen das Druck-Joch 38, welches als Anschlag für den Mahlbecherdeckel 12b wirkt, bis alle axialen Spalten aus dem System beseitigt sind. Beim weiteren Verspannen wird die Dichtung 76 zwischen dem Mahlbecher 12a und dem Mahlbecherdeckel 12b komprimiert. Ist diese bis zu einem starren Höhenanschlag komprimiert, komprimiert der Spannboden auf dem restlichen Spannweg der Exzenterwelle 62 die Tellerfeder 72, um die eigentliche axiale Verspannkraft für das Mahlgefäß in dem starren Käfig 34 zu bewirken, wobei diese Spannkraft aufgrund des reproduzierbaren Axialweges mittels der Exzenterwelle 62 reproduzierbar, d. h. bei jedem Verspannvorgang identisch ist.
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Allgemein zusammenfassend sind die koaxial zur Planetenachse 24 verlaufenden Lagerzapfen 42, 44 sowie das Spannelement, in diesem Beispiel die Exzenterwelle 62, an bzw. in dem starren Käfig 34 integriert.
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Die Exzenterwelle 62 hat in diesem Beispiel eine Exzentrizität von etwa 1,5 mm. Die Exzenterwelle 62 wird um etwa 180° gedreht und über ihren Kniepunkt hinausgefahren, um im verspannten Zustand Selbsthemmung zu erzeugen. Somit besitzt die Spannkonstruktion einen Spannweg von etwa 3 mm, welche auf den Spannboden 70 übertragen wird. Hiervon sind etwa 0,5 mm als Systemspalte vorgesehen, um das Mahlgefäß leicht einsetzen und entnehmen zu können. Die Dichtung 76 benötigt etwa 0,3 bis 0,4 mm Spannweg, um komprimiert zu werden. Somit stehen die restlichen etwa gut 2 mm Spannweg zum Verspannen des Mahlgefäßes über die Tellerfeder 72 zur Verfügung.
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Der Spannboden 70 ist wannenförmig ausgebildet und beherbergt in seinem Innenraum die Tellerfeder 72 sowie die Andruckplatte 74. Im vollständig gespannten Zustand ragt der Rand 77 des Spannbodens 70 axial nach oben ein wenig über den Boden des Mahlgefäßes 12 hinaus, so dass durch den Rand 77 ein zusätzlicher Formschluss mit dem Boden 12c des Mahlgefäßes 12 entsteht. Mit anderen Worten umgreift im gespannten Zustand der Rand 77 des Spannbodens 70 den Boden 12c des Mahlgefäßes 12 an seiner Unterseite ein kleinwenig. Darüber hinaus bewegt die Exzenterwelle 62 einen koaxialen Rastzapfen 78, welcher in eine Bohrung 80 im Boden 12c des Mahlgefäßes 12 formschlüssig eingreift und zusätzlich das Mahlgefäß 12 in der Aufnahmevorrichtung 16 zentriert. Eine radiale weniger tiefe Nut 82, welche mittig in die Bohrung 80 mündet, führt das Mahlgefäß 12 beim seitlichen Einsetzen und Entnehmen.
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Das Mahlgefäß 12 ist demnach zusätzlich zur Spannkraft mit zwei Formschlüssen 12c, 77 bzw. 78, 80 in dem starren Käfig 34 festgesetzt, so dass das Mahlgefäß aus dieser Position nicht entfernt werden kann, selbst wenn keine für einen radialen Reibschluss ausreichende axiale Spannkraft vorliegen würde.
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Wieder Bezug nehmend auf die 5–8 erfolgt die Verspannung des Mahlgefäßes 12 in dem starren Käfig 34 motorisch. Hierzu weist die Kugelmühle 1 einen Motor 84 auf, welcher ortsfest zu dem Gerätegehäuse 2 außerhalb der Trägervorrichtung 8 befestigt ist. Der Motor 84 treibt eine Antriebswelle 86 an, die an ihrem inneren Ende geschlitzt 88 ist, um an einen transversal an der Exzenterwelle 62 befestigten Quer-Stift 90 ankuppeln zu können, wenn die Mahlstation in der in 1–6 dargestellten Einsetz- und Entnahmeposition und der richtigen Drehorientierung zu liegen kommt. Man kann also von einer Schlitzkupplung oder einer Kupplung aus Klaue 88 und Klinge 90 sprechen. Dann kann über den Motor 84 die Exzenterwelle 62 gedreht werden, um das Mahlgefäß automatisch axial zu verspannen oder automatisch die Verspannung wieder zu lösen.
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Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass nur ein einziger Motor 84 notwendig ist, auch dann, wenn die Kugelmühle 1 mehrere Mahlstationen 10 aufweist. Der Motor 84 ist ein handelsüblicher Getriebemotor der Firma Bosch und erzeugt an der Antriebswelle 86 und damit auf die Exzenterwelle 62 ein Drehmoment von 30 Nm. Mit der dargestellten Verspannmechanik kann eine axiale Verspannkraft von etwa 12 kN erreicht werden.
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Die beschriebene Konstruktion hat weiter den Vorteil, dass die Kraft, die beim Entspannen des Verspannmechanismus erzeugt wird, nicht vom Benutzer abgefangen werden muss, sondern automatisch vom Verspannmotor 84 aufgenommen wird.
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Zusätzlich zu der axialen Verspannung und zu den Formschlüssen, die das Mahlgefäß in dem starren Käfig sichern, weist der starre Käfig als weiteren Sicherungsaspekt noch das Visier 56 und die Rückwand 58 auf, so dass der Käfig 34 bei geschlossenem Visier 56 zirkular um die Planetenachse 24 geschlossen ist. Der Käfig 34 erfüllt demnach eine Doppelfunktion, nämlich erstens die Aufnahme der axialen Verspannkraft und zweitens die allseitige Umhüllung des Mahlgefäßes 12, wenn das Visier 56 geschlossen ist (einschließlich zirkulare Umhüllung). Visier 56 und Rückwand 58 weisen allerdings Aussparungen 56a, 58a auf, um für hinreichende Luftkühlung des Mahlgefäßes 12 zu sorgen.
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Um die Kugelmühle 1 noch komfortabler in der Nutzung zu gestalten, wird der Verspannmechanismus wie folgt automatisch durch das Visier 56 ausgelöst. Der Benutzer setzt bei geöffnetem Visier 56 das Mahlgefäß 12 von der Seite her in den Käfig 34 ein und schließt das Visier 56 von Hand, in dem er das Visier nach unten schwenkt. Hierbei wird die Rotationsfeder 92, die im Joch 38 am Visierlager 60a angebracht ist, gespannt. Die Position des geschlossenen Visiers 56 wird von der Kugelmühle 1 automatisch detektiert und eine Steuereinrichtung 94 steuert in Ansprechen auf das geschlossene Visier 56 den Getriebemotor 84 an, um die Exzenterwelle 62 zu drehen und das Mahlgefäß 12 in dem Käfig 34 zu verspannen. Gleichzeitig wird eine an der motorseitigen Stirnseite 62a der Exzenterwelle 62 befestigte Verriegelungslasche 96 nach oben gedreht (4, 6, 8, 10) und greift in eine Nut 98 in dem Visier 56 ein, um dieses zu verriegeln. Dabei gibt der Verriegelungsmechanismus automatisch auch die Rotation der Mahlstation 10 auf der Trägervorrichtung 8 frei.
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Wie am besten in 3 zu sehen ist, verriegelt die Verriegelungslasche 96 in der unteren Drehposition, in welcher das Visier 56 nicht verriegelt ist, die Mahlstation 10 gegen eine Rotation relativ zur Trägervorrichtung 8, wodurch aufgrund der gekoppelten Antriebe 7, 19 und 22 die gesamte Drehmechanik verriegelt ist.
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Nachdem das Visier 56 verriegelt ist, kann es vom Benutzer losgelassen werden. Anschließend schließt der Gehäusedeckel 4 auf Anforderung des Benutzers am Bedienfeld 100 und der Mahlvorgang beginnt.
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Der Verspannmechanismus mit der Exzenterwelle 62 ist ferner so ausgebildet, dass das Visier 56 selbsttätig öffnet, wenn die Verriegelungslasche 96 die Verriegelung freigibt.
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Nach dem Mahlvorgang bringt die Trägervorrichtung 8 die Mahlstation 10 automatisch in die Einsetz- und Entnahmeposition und verriegelt die Drehmechanik dort. Ferner öffnet die Kugelmühle 1 nach dem Mahlvorgang automatisch den Gehäusedeckel 4. Je nach Einstellung durch den Benutzer bleibt das Visier aber zunächst verriegelt oder öffnet sofort automatisch. Hierfür sind drei Steuerungsprogramme möglich:
- a) Stop-Ende-Auf, d. h. es wird alles gestoppt, die Mechanik verriegelt und die Becherhalterung entspannt sofort automatisch.
- b) Stop-Ende-Zulassen, d. h. es wird alles gestoppt, die Mechanik verriegelt, das Visier 56 bleibt aber verriegelt, damit das Mahlgefäß 12 weiter verspannt bleibt, was insbesondere dann sinnvoll ist, wenn zunächst das Mahlgefäß abkühlen soll, um z. B. dem sogenannten „Spucken” entgegenzuwirken.
- c) Stop-Ende-Vorsichtig Auf, d. h. wie a), aber um ein eventuelles Spucken zu minimieren, wird die Verspannung des Mahlgefäßes sehr langsam geöffnet. Der Rotationsdämpfer 93 am Visierdrehlager 60b dämpft ferner die von der Rotationsfeder 92 am Visierdrehlager 60a bewirkte Aufschwenkbewegung des Visiers 56, so dass dieses ebenfalls langsam nach oben schwenkt.
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Die Exzenterwelle 62 wird in diesem Beispiel um 180° zwischen der entspannten Stellung (Verriegelungslasche 96 unten) und der verspannten Stellung (Verriegelungslasche 96 oben) gedreht, was den Vorteil hat, dass die Verriegelungslasche 96 in einfacher Weise sowohl zum Verriegeln des Visiers 56 als auch zum Verriegeln der Rotation der Mahlstation 10 an der Trägervorrichtung 8 genutzt werden kann.
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Bezug nehmend auf 11 sind die Exzenterwelle 62 und das balkenförmige Joch 38 bezüglich der Planetenachse 24 um 90° verdreht. Dadurch kann das Visier 56 an dem Joch 38 gelagert sein und in der Einsetz- und Entnahmeposition nach vorne aufschwenken, da in dieser Position das Joch bezogen auf den Benutzer quer verläuft und die Exzenterwelle auf den Benutzer, der vor der Kugelmühle 1 steht, zeigt. Mit anderen Worten verläuft in der Einsetz- und Entnahmeposition das Joch 38 quer zur Zentrumsachse 20, wohingegen die Exzenterwelle 62 radial zur Zentrumsachse 20 verläuft. Dadurch kann in der Einsetz- und Entnahmeposition der im vorderen Bereich der Kugelmühle 1 angeordnete Getriebemotor 84 an die Exzenterwelle 62 ankuppeln (5–6).
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Dadurch, dass der Motor 84 nicht mit der Trägervorrichtung 8 mitrotiert, kann auch bei einer Multistationen-Kugelmühle, z. B. mit zwei, vier oder mehr Mahlstationen 10, jede der Mahlstation in der Einsetz- und Entnahmeposition von ein und demselben Getriebemotor 84 betätigt werden. Hierzu dreht die Kugelmühle 1 auf eine entsprechende Eingabe des Benutzers am Bedienfeld 100 elektronisch gesteuert die gewünschte Mahlstation in die vordere Einsetz- und Entnahmeposition.
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Mit der Trägerscheibe 19 ist eine mit der Trägervorrichtung 8 mitrotierende Sonnenabdeckscheibe 102 fest verbunden. Die Sonnenabdeckscheibe 102 sitzt etwa auf der Höhe des Mahlbecherbodens 12c und deckt somit den unteren Teil der Mahlstation 10, insbesondere die Exzenterwelle 62, die Schlitzkupplung 88, 90 und den Getriebemotor 84 optisch ab. Das Visier 56 schließt bündig mit der Sonnenabdeckscheibe 102 ab und die Mahlstation besitzt eine ebenfalls horizontal mit der Sonnenabdeckscheibe 102 bündig verlaufende und mit der Mahlstation 10 um die Planentenachse 24 in einer Öffnung 104 der Sonnenabdeckscheibe 102 mitrotierende Planetenabdeckscheibe 106. Die Planetenabdeckscheibe 106 weist einen Schlitz 108 auf, durch welchen sich die Verriegelungslasche nach oben erstreckt, um das Visier 56 zu verriegeln.
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Die Anordnung der Exzenterwelle 62 bzw. allgemeiner des axial längenverändernden Spannelements unterhalb des Mahlgefäßes 12, genauer zwischen dem Boden 12c des Mahlbechers 12a und dem unteren Bodenteil 36 des Käfigs 34, ist daher nicht nur in Bezug auf die Anordnung des Getriebemotors 84 aus Platzgründen vorteilhaft.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich sowohl das axial längenverändernde Spannelement in Form der Exzenterwelle 62 als auch das Federelement in Form der Tellerfeder 72 unterhalb des Mahlgefäßes 12. Es ist allerdings auch denkbar diese beiden Elemente örtlich zu trennen und z. B. die Exzenterwelle 62 unten zu belassen und das Federelement 72 oberhalb des Mahlgefäßes 12, bzw. zwischen dem Mahlbecherdeckel 12b und dem Joch 38, anzuordnen.
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Zusammenfassend wird eine Premium-Laborkugelmühle mit einer axialen Zweipunkt-Lagerung der Mahlstation bzw. Mahlstationen, einem starren Käfig zum Einsetzen und Verspannen des Mahlgefäßes, einem Exzenterverspannmechanismus für das Mahlgefäß und einem motorischen Antrieb der Verspannung und einer Verriegelung des Käfigs bereitgestellt.
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Die Erfindung enthält demnach eine Mehrzahl von zwar vorteilhaft miteinander wechselwirkenden Aspekten, welche aber jeweils unabhängige Erfindungen darstellen können. Dies gilt insbesondere für die Zweipunkt-Lagerung der Mahlstation, für den Käfig zum Einsetzen und Verspannen des Mahlgefäßes, den Verspannmechanismus für das Mahlgefäß und den motorischen Antrieb der Verspannung und ggf. Verrieglung des Käfigs.
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Grundsätzlich ist ersichtlich, dass die Merkmale der Ausführungsbeispiele unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, auch dann wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
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Ferner sind die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beispielhaft zu verstehen, und die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt, sondern kann in vielfältiger Weise variiert werden, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1836885 U [0007]
- DE 19712905 [0008]
- EP 1945364 [0008]
- DE 102006047481 [0008]
- EP 1945363 [0008, 0015, 0017, 0032]
- DE 102006047480 [0008]
- DE 102006047479 [0008]
- EP 1933984 [0008]
- EP 1933985 [0008]
- DE 102006047498 [0008]
- EP 2010329 [0008]
- EP 1981639 [0008]
- DE 102010044254 [0008, 0015]
- GB 730494 [0009, 0009, 0013]
- JP 2002172342 [0012, 0013]
- JP 2002172343 [0012, 0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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