DE102013104788A1 - magnetic stirrer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Magnetrührwerk (1) mit einem Spalttopf (3) und einem Rührkopf (2), bei welcher der Spalttopf (3) einen Antriebsabschnitt (5) aufweist, in dem eine drehbare Magnetanordnung (6) angeordnet ist, die magnetisch mit einer Magnetanordnung (6A) gekoppelt ist, die in einem den Antriebsabschnitt umgebenden Antriebsring (9) des Rührkopfes (2) angeordnet ist, und einen als Lagerzapfen (12) ausgebildeten Lagerabschnitt, der mit einer am Rührkopf (2) angeordneten Lagerhülse (11) eine Gleitlagerpaarung bildet, wobei der Lagerzapfen (11) eine rohrförmige erste Lagerschicht (15) mit erhöhter Härte aufweist, welche stoffschlüssig mit dem Lagerzapfen (11) verbunden ist.The invention relates to a magnetic stirrer (1) with a can (3) and a stirrer (2), in which the can (3) has a drive section (5) in which a rotatable magnet arrangement (6) is arranged, which is magnetically connected to a Magnet arrangement (6A) is coupled, which is arranged in a drive ring (9) of the stirring head (2) surrounding the drive section, and a bearing section designed as a bearing journal (12), which has a pair of plain bearings with a bearing sleeve (11) arranged on the stirring head (2) forms, the bearing journal (11) having a tubular first bearing layer (15) with increased hardness, which is integrally connected to the bearing journal (11).
Description
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetrührwerk mit einem Spalttopf und einem Rührkopf. Dabei weist der Spalttopf einen Antriebsabschnitt auf, in dem eine drehbare, mit einem Antrieb gekoppelte Magnetanordnung angeordnet ist. Diese ist magnetisch mit einer Magnetanordnung gekoppelt, die in einem Antriebsring des Rührkopfes, der den Antriebsabschnitt umgibt, angeordnet ist. Am Spalttopf ist ein Lagerzapfen angeordnet, der mit einer am Rührkopf angeordneten Lagerhülse ein Gleitlager bildet. The present invention relates to a magnetic stirrer with a split pot and a stirring head. In this case, the split pot on a drive portion in which a rotatable, coupled to a drive magnet assembly is arranged. This is magnetically coupled to a magnet arrangement which is arranged in a drive ring of the stirring head, which surrounds the drive section. At the split pot a bearing pin is arranged, which forms a plain bearing with a arranged on the mixing head bearing sleeve.
Solche Magnetrührwerke werden überwiegend in der Prozesstechnik und insbesondere in der Steriltechnik verwendet. Sie sind geeignet, um Flüssigkeitsvolumina von 2 Liter bis zu 50 m3 in einem hermetisch gekapselten Prozessraum bzw. Prozessbehälter zu durchmischen. Solche Prozessbehälter sind meist als stehender zylindrischer Behälter ausgelegt, bei denen das Magnetrührwerk in dem gewölbten Boden etwas exzentrisch angeordnet ist und so durch die asymmetrische Mischwirkung eine vollständige Durchmischung des Rührmediums erreicht. Ein Magnetrührwerk für den Einbau im Boden ist beispielsweise aus der
Es gibt auch Ausführungen (siehe z.B.
Der eigentliche Rührkopf weist einen Lagerring R auf, der auf eine Lagerhülse aufgeschrumpft ist, die auf die Lagerbuchse L aufgesteckt wird und von dieser axial (nach unten) und radial geführt wird. Über Rührelemente ist der Lagerring mit einem Antriebsring gekoppelt, der Permanentmagnete enthält, die magnetisch mit Antriebsmagneten gekoppelt sind, die in einem Antriebsabschnitt des Spalttopfs angeordnet sind. The actual stirring head has a bearing ring R, which is shrunk onto a bearing sleeve, which is plugged onto the bearing bush L and is guided by this axially (down) and radially. About stirring elements of the bearing ring is coupled to a drive ring containing permanent magnets which are magnetically coupled to drive magnets which are arranged in a drive portion of the split pot.
Bei dieser Lageranordnung besteht das Problem, dass im Betrieb – zum Beispiel durch Temperaturschwankungen, Eigenschaften des Rührgutes (kriechende Öle etc.), Reinigungsvorgänge etc. – Produktreste, Reinigungsmittel oder Wasserdampf trotz der Dichtungen O in die Hohlräume H zwischen Lagerbuchse und Lagerzapfen gelangen können. Diese Verunreinigungen können nur entfernt werden, indem das Lager komplett zerlegt wird. Dazu muss entweder der Spalttopf entnommen und demontiert werden oder – bei einem eingeschweißten Spalttopf – der Rührbehälter muss betreten werden. Bleiben die Hohlräume H ungereinigt, können die dort vorhandenen Reste ggf. sogar keimbelastet werden und das Rührgut kontaminieren. Solche Verunreinigungen sind bei der weitgehend aseptischen Herstellung von Pharmaprodukten oder Lebensmitteln nicht akzeptabel. In this bearing arrangement, there is the problem that in operation - for example due to temperature fluctuations, properties of the material to be stirred (creeping oils, etc.), cleaning operations, etc. - product residues, detergents or water vapor can get into the cavities H between bearing bush and journal despite the seals O. These contaminants can only be removed by completely disassembling the bearing. For this purpose, either the containment shell must be removed and dismantled or - in the case of a welded-in containment shell - the agitator must be entered. If the cavities H remain unpurified, the residues present there may possibly even be germinated and contaminate the material to be stirred. Such impurities are not acceptable in the largely aseptic manufacture of pharmaceutical products or foods.
Um solche Verunreinigungen zu minimieren, gibt es den Ansatz, auf die Lagerbuchse am Lagerzapfen zu verzichten und den Rührkopf direkt mit der Lagerhülse auf dem Lagerzapfen lagern. Die üblicherweise in solchen Rührbehältern verwendeten austenitischen Stahlwerkstoffe (1.4301; 1.4404; 1.4462) haben jedoch vergleichsweise schlechte tribologische Eigenschaften. Es kann so beim Betrieb des Rührwerks metallischer Abrieb auftreten, der ebenfalls das Rührgut verunreinigen würde. Die
Es wird auch ein Spalttopf aus Kunststoff (vgl.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, ein verbessertes Magnetrührwerks zur Verfügung zu stellen, bei dem die oben angegebenen Nachteile wenigstens teilweise ausgeräumt sind. It is therefore an object of the present invention to provide an improved magnetic stirrer in which the abovementioned disadvantages are at least partially eliminated.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung stellt die vorliegende Erfindung ein Magnetrührwerk bereit, welches einen Spalttopf und einen Rührkopf aufweist, und der Spalttopf einen Antriebsabschnitt umfasst, in dem eine drehbare Magnetanordnung angeordnet ist, die magnetisch mit einer Magnetanordnung gekoppelt ist, die in einem den Antriebsabschnitt umgebenden Antriebsring des Rührkopfes angeordnet ist, und einen als Lagerzapfen ausgebildeten Lagerabschnitt, der mit einer am Rührkopf angeordneten Lagerbuchse eine Gleitlagerpaarung bildet, wobei der Lagerzapfen eine rohrförmige erste Lagerschicht mit erhöhter Härte aufweist, welche stoffschlüssig mit dem Lagerzapfen verbunden ist. According to a first aspect of the invention, the present invention provides a magnetic stirrer having a split pot and a stirring head and the split pot includes a drive portion in which a rotatable magnet assembly is magnetically coupled to a magnet assembly that is in a drive portion surrounding drive ring of the stirring head is arranged, and designed as a bearing journal bearing portion which forms a sliding bearing pairing with a arranged on the mixing head bearing bush, wherein the bearing pin has a tubular first bearing layer with increased hardness, which is materially connected to the bearing pin.
So eine zusätzliche Lagerschicht, die stoffschlüssig mit dem Lagerzapfen verbunden ist, stellt zum einen eine stabile und abriebfeste Gegenfläche für die im Rührkopf angeordnete Lagerbuchse bereit. Zum anderen verhindert die stoffschlüssige Verbindung mit dem Lagerzapfen jede Art von Spalten oder Hohlräumen, die zu Verunreinigungen des Rührgutes führen können. Es können also sowohl die hohen Anforderungen an die Reinheit bzw. die Reinigungseigenschaften erfüllt werden als auch die an eine stabile und abriebarme Lagerpaarung im Gleitlager. Such an additional bearing layer, which is materially connected to the journal, on the one hand provides a stable and abrasion-resistant counter surface for the arranged in the mixing head bearing bush. On the other hand, the cohesive connection with the journal prevents any type of gaps or cavities that can lead to contamination of the material to be stirred. So it can be met both the high demands on the purity and the cleaning properties as well as those of a stable and low-abrasion bearing pairing in plain bearings.
Weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der beigefügten Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen. Further aspects and features of the present invention will become apparent from the dependent claims, the accompanying drawings and the following description of preferred embodiments.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING
Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Dabei zeigt: Embodiments of the invention will now be described by way of example and with reference to the figures. Showing:
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Bei einer Ausführung weist neben dem Lagerzapfen selbst ein den Lagerzapfen umgebender Fußbereich eine ringscheibenförmige 2. Lagerschicht mit erhöhter Härte auf, welche stoffschlüssig mit dem Fußbereich verbunden ist. Diese Lagerschicht bildet beim anfahren oder abbremsen des Rührkopfes eine Gleitlagerpaarung mit der Stirnfläche des Rührkopfes, die sich beim anfahren oder abbremsen auf dieser Lagerfläche absetzt. Diese Ausführung ist insbesondere bei solchen Rührwerken nützlich, bei denen die Rührflügel (Impeller) so ausgebildet sind, dass sie beim rühren eine Axialkraft aufbauen, die den Rührkopf axial auf dem Lagerzapfen anhebt. Diese Hubkraft tritt jedoch erst ab einer gewissen Drehzahl und bei bestimmten Eigenschaften des Rührmediums (Viskosität, Dichte) auf. In one embodiment, in addition to the bearing journal itself, a foot region surrounding the bearing journal has an annular disc-shaped second bearing layer with increased hardness, which is connected in a material-locking manner to the foot region. This bearing layer forms when moving or braking the mixing head a sliding bearing pairing with the end face of the stirring head, which settles on this bearing surface when approaching or braking. This embodiment is particularly useful in such agitators where the impellers are configured to create an axial force upon agitation that lifts the agitator head axially on the journal. However, this lifting force only occurs at a certain speed and with certain properties of the stirring medium (viscosity, density).
Bei einer Ausführung, bei welcher die 1. und 2. Lagerschicht, nämlich die zylindrische und ringscheibenförmige Lagerschicht, nahtlos ineinander übergehen, kann verhindert werden das sich im Übergang festigkeitsbeeinträchtigende Kerbwirkungen bemerkbar machen oder Oberflächenfehler auftreten, welche die Reinigung beeinträchtigen könnten. In one embodiment, in which the 1st and 2nd bearing layer, namely the cylindrical and ring-shaped bearing layer, merge seamlessly with each other, it is possible to prevent stress-affecting notch effects from becoming noticeable in the transition or surface defects occur which could impair cleaning.
Bei einer Ausführung bei welcher der Spalttopf und Lagerzapfen aus einem austenitischen rostfreien Stahlwerkstoff ausgebildet sind, stehen ihm Prozessbehälter Innenraum überall Oberflächen zur Verfügung, die gegen eine Vielzahl von chemischen Produkten beständig sind und hervorragende Reinigungseigenschaften aufweisen. In an embodiment in which the containment shell and journal are formed of an austenitic stainless steel material, process containers are available to interior spaces everywhere surfaces that are resistant to a variety of chemical products and have excellent cleaning properties.
Es gibt Ausführungen bei denen die Lagerschicht (Schichten) als so genannte DLC Schichten ausgeführt sind. So eine amorphe diamantartige Kohlenstoffschicht (ADLC) ist homogen und gut haftend, bietet Reibkoeffizienten, die zwischen 0,02 und 0,1 gegen unterschiedliche Reibpartner liegen, ist beständig gegen eine Vielzahl von Säuren und Basen, weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf und ist temperaturbeständig bis zu 300 °C. Übliche Schichtdicken liegen zwischen 1 und 4 µm vorzugsweise zwischen 2 und 3 µm bei Stahlwerkstoffen. There are versions in which the bearing layer (layers) are designed as so-called DLC layers. Such an amorphous diamond-like carbon coating (ADLC) is homogeneous and well adherent, provides coefficients of friction ranging from 0.02 to 0.1 against different friction partners, is resistant to a variety of acids and bases, has high thermal conductivity, and is temperature resistant up to 300 ° C. Usual layer thicknesses are between 1 and 4 microns, preferably between 2 and 3 microns in steel materials.
Es gibt auch Ausführungen, bei denen die Lagerschicht mehrlagig aufgebaut ist. Dabei haben sich außen Schichten aus Aluminiumoxid bzw. Zirkoniumoxid bewährt. Solche Keramik-Beschichtungen werden mit Plasmaverfahren auf den Stahl aufgetragen. Die Schichtdicken betragen dabei zwischen 2 µm und 2 mm. There are also versions in which the bearing layer has a multilayer structure. In this case, outer layers of aluminum oxide or zirconium oxide have proven themselves. Such ceramic coatings are applied to the steel using plasma techniques. The layer thicknesses are between 2 microns and 2 mm.
Es gibt auch Ausführungen, bei denen die Lagerschicht über ein Härteverfahren, nämlich durch Niedertemperatur-Nitrokarburieren aufgebracht wird. Dabei wird im Ausgangsmaterial eine 10–30 µm starke, stickstoffangereicherte Randschicht ausgebildet, die ebenfalls gute Gleiteigenschaften aufweist. There are also embodiments in which the bearing layer is applied via a hardening process, namely by low-temperature nitrocarburizing. In this case, a 10-30 .mu.m thick, nitrogen-enriched edge layer is formed in the starting material, which also has good sliding properties.
Es gibt auch Ausführungen, bei denen die elektrische Leitfähigkeit der Lagerschicht erhöht ausgebildet ist (der Durchgangswiderstand ist dann kleiner als 106 Ohm). Damit können elektrostatische Effekte beim Rühren verringert werden (z.B. eine elektrostatische Aufladung der Oberflächen am Lagerzapfen bzw. an der Lagerhülse). Damit werden kritische Funkenentladungen verhindert, die bei brennbaren oder explosiven Rührmedien (insbesondere Schüttgüter) zu Verbrennungen, Explosionen oder Verpuffungen führen können. Bei Beschichtungen, die einen sehr niedrigen Leitwert aufweisen, kann die unerwünschte elektrostatische Aufladung auch dadurch verhindert werden, dass in der Beschichtungsoberfläche Mikrorisse vorhanden sind, die ein Abfließen der Ladungen über den Spalttopf erlauben. There are also embodiments in which the electrical conductivity of the bearing layer is increased (the contact resistance is then less than 10 6 ohms). Thus, electrostatic effects during stirring can be reduced (eg electrostatic charging of the surfaces on the bearing journal or on the bearing sleeve). This prevents critical spark discharges, which can lead to burns, explosions or deflagrations in combustible or explosive stirring media (especially bulk solids). In the case of coatings which have a very low conductance, the unwanted electrostatic charge can also be prevented by microcracks being present in the coating surface, which allow the charges to flow away via the containment shell.
Bei einer Ausführung weist die im Lagerring angeordnete Lagerhülse eine zylindrische Radialgleitfläche auf, welche mit der ersten Lagerschicht zusammenwirkt, und eine ebene Axialgleitfläche, welche mit der zweiten Lagerschicht zusammenwirkt. Damit wird bei allen Betriebszuständen (Anfahren, Anhalten, Dauerbetrieb) die erforderliche Gleitlagerpaarung über besonders behandelte Flächen und Werkstoffe sichergestellt. In one embodiment, the bearing sleeve disposed in the bearing ring on a cylindrical Radialgleitfläche, which cooperates with the first bearing layer, and a planar Axialgleitfläche, which cooperates with the second bearing layer. This ensures the required slide bearing pairing with specially treated surfaces and materials under all operating conditions (starting, stopping, continuous operation).
Die Ausführung der Lagerhülse aus einem Siliziumkarbid-Werkstoff bietet eine besonders verschleißarme, beständige, und trockenlauffeste Lagerung des Rührkopfes, insbesondere in Verbindung mit einer ADLC-Beschichtung am Lagerzapfen. The design of the bearing sleeve made of a silicon carbide material offers a particularly low-wear, durable, and dry-running storage of the stirring head, especially in conjunction with an ADLC coating on the journal.
Dass Einschrumpfen der Lagerhülse in den am Rührkopf angeordneten Lagerring stabilisiert zum einen die Lagerhülse gegen Stoßbeanspruchungen und bietet zum anderen einen definierten, zentrierten Sitz am Lagerring. Zum Einschrumpfen oder Einpressen wird der Lagerring erwärmt, der sich dadurch aufweitet, die Lagerhülse wird eingesetzt, der Lagerring kühlt sich danach ab, schrumpft im Durchmesser und bildet so eine formschlüssige Verbindung zur Lagerhülse. The shrinking of the bearing sleeve in the bearing ring arranged on the stirring head stabilizes the bearing sleeve against impact stresses and provides a defined, centered seat on the bearing ring. For shrinking or pressing the bearing ring is heated, which expands thereby, the bearing sleeve is used, the bearing ring then cools down, shrinking in diameter, thus forming a positive connection to the bearing sleeve.
Bei einer Ausführung, bei der der Lagerring über eine Impelleranordnung mit dem Antriebsring verbunden ist, lässt sich die Impellergeometrie und -wirkungsweise weitgehend frei gestalten. Darüber hinaus ist es auch möglich, den Spalt im Antriebsabschnitt zwischen der Magnetanordnung des Rührkopfes und der im Inneren des Spalttopfes beim Rühren mit dem Rührmedium ständig zu spülen. Auf diese Weise können Verschmutzungen und Produktablagerungen im Bereich des Rührwerks verringert oder ganz verhindert werden. Beim Reinigen des Rührwerks bzw. des Prozessbehälters kann beim Betrieb des Rührwerks während der Reinigung ein zusätzlicher Spüleffekt erreicht werden, der alle Rührwerkskomponenten restlos von Produktanhaftungen befreit. In an embodiment in which the bearing ring is connected via an impeller assembly to the drive ring, the impeller geometry and operation can be largely free. Moreover, it is also possible to constantly rinse the gap in the drive section between the magnet assembly of the stirring head and the inside of the gap pot when stirring with the stirring medium. In this way, contamination and product deposits in the area of the agitator can be reduced or completely prevented. When cleaning the agitator or the process container during operation of the agitator during cleaning, an additional rinsing effect can be achieved, which frees all agitator components completely from product buildup.
Zurückkommend zu
Der Rührkopf
Im Inneren des Lagerrings
Die zylindrische Außenfläche des Lagerzapfens
Beim Betrieb des Magnetrührwerks
Die Flügelelemente
Um die Gleiteigenschaften optimal einzustellen sind die Oberflächen, die mit einer Lagerschicht
Weitere Ausführungen und Varianten der Erfindung ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Ansprüche. Further embodiments and variants of the invention will become apparent to those skilled in the scope of the claims.
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