DE19813232C2

DE19813232C2 - Magnetrührer mit Probenhalterfunktion

Info

Publication number: DE19813232C2
Application number: DE19813232A
Authority: DE
Inventors: Martin Stelzle; Wolfgang Kaese; Roland Wagner
Original assignee: NATURWISSENSCHAFTLICHES und ME; NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Current assignee: NATURWISSENSCHAFTLICHES und ME; NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 2000-05-04
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: DE19813232A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetrührer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um effiziente Reaktionen an definierten Festkörperoberflächen durchzuführen oder solche Oberflächen zu reinigen ist es notwendig, die Festkörper sicher in der Flüssigkeit zu halten und gleichzeitig die Flüssigkeit in eine intensive, regulierbare Strömung und/oder Turbulenz zu versetzen.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die während des Ätzens von Halbleiteroberflächen auftretenden Gasblasen durch simultane Betätigung z. B. eines im Ätzbad befindlichen Magnetrührers abzulösen. Hierzu wird ein Probenhalter derart konstruiert, daß die Halbleiterplättchen vom Boden des Ätzbades beabstandet gehalten werden und sich darunter der Rührer drehen kann (JP 60-119728).

Es ist weiterhin bekannt, Flüssigproben für Photometer zu rühren, indem separat voneinander Magnete enthaltende Flüssigproben und eine Magnete tragende Platte gedreht werden. An den Schnittpunkten der Kreisbahnen erfolgt unter dem Einfluß der Plattenmagnete eine Bewegung der Magnete in den Photometerproben (DE 38 38 049 C2). Weiterhin ist bekannt, durch einen Doppel-Impeller eine gerichtete Strömung und entsprechend effektive Umwälzung von Flüssigkeiten zu erreichen (DE 42 32 934 C2). Nachteilig an den genannten Lösungen ist, daß eine Trennung von Rühr- und Probenhaltefunktion erfolgt bzw. keine Haltefunktion vorgesehen ist. Ein kompakter Aufbau bei gleichzeitig effizienter Relativbewegung zwischen Flüssigkeit und, Festkörperprobe kann auf diese Weise nicht erreicht werden.

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, einen Magnetrührer mit Probenhalterfunktion zur Verfügung zu stellen, der durch Integration von Vorrichtungen zur Umwälzung der Flüssigkeit in einen Probenhalter eine kompakte Bauweise und die erwünschten Funktionen der effektiven Durchmischung, der intensiven Anströmung der Probenoberflächen und der Probenhalterung in einem Element vereinigt und somit die genannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Magnetrührer mit integrierter Probenhalterfunktion zur Verfügung gestellt wird, der die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Magnetrührers mit integrierter Probenhalterfunktion sind in den nicht selbständigen Ansprüchen dargelegt.

Dem Aufbau des erfindungsgemäßen Magnetrührers mit integrierter Probenhalterfunktion liegt der Gedanke zugrunde, die Rührfunktion und die Probenhalterfunktion in einem Funktionsteil zu vereinen. Hierdurch wird einerseits ein kompakter Aufbau möglich und andererseits die Drehbewegung des Rührers direkt für die Erzeugung der Relativbewegung zwischen Flüssigkeit und Festkörperprobe sowie die intensive Durchmischung der Flüssigkeit genutzt.

Der Magnetrührer mit Probenhalterfunktion besteht aus einer bevorzugt rotationssymmetrischen Grundplatte (1), auf deren Oberseite (1a) Probenhalterungen (2) zur Aufnahme von geformten Festkörpern (3) fixiert sind. In die Grundplatte (1) ist mindestens ein Magnet (4) zur Erzeugung der Drehbewegung eingelassen. Zusätzlich verfügt die Grundplatte (1) über mindestens eine Bohrung (5), die ein Strömen der Flüssigkeit durch den Magnetrührer ermöglicht. An der Unterseite (1b) der Grundplatte (1) sind flügelartige Strukturen (6) vorgesehen, die einen Umwälz- und/oder Pumpeffekt bewirken.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform weist die Grundplatte (1) eine kreisrunde oder aber am Rand gezackte oder durch bogenförmige Einbuchtungen modifizierte Gestalt auf, wobei bevorzugt die Rotationssymmetrie gewahrt bleibt. Je nach Anwendungsfall kann die Abmessung des Magnetrührers mit integrierter Probenhalterfunktion bezogen auf das Rührgefäß praktisch wandgängig oder aber wandbeabstandet gestaltet sein.

Die Probenhalter (2) sind bevorzugt rotationssymmetrisch auf der Grundplattenoberseite (1a) angeordnet. Sie können, vom Symmetriezentrum aus betrachtet, radial verlaufen, oder aber beliebige Winkel mit der Radialen bilden. Der Winkel, unter dem die Probenhalter (2) zur Radialen stehen hat wesentlichen Einfluß auf die Turbulenz der Strömung an der Probenoberfläche. Bei den Probenhalterungen (2) kann es sich um Schlitze oder Mulden in der Grundplattenoberseite (1a) handeln. Es ist aber auch möglich, Halterahmen oder Cliphalterungen zu verwenden. Die Art der Halterung (2) wird wesentlich von der Form der Probe (3) und der erwarteten Turbulenz der Strömung bestimmt.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß der mindestens eine Magnet (4) rotationssymmetrisch in die Grundplatte (1) eingelassen ist.

Weiterhin ist mindestens eine Bohrung (5) in die Grundplatte (1) eingelassen, wobei diese mindestens eine Bohrung bevorzugt rotationssymmetrisch angebracht ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es bevorzugt sein, eine zentrale Bohrung und/oder periphere Bohrungen anzuordnen. Unter bevorzugter Wahrung der Rotationssymmetrie können die Bohrungen (5) senkrecht oder aber unter einem Winkel zur Ebene der Grundplatte (1) angebracht sein. Die Bohrungen können vorzugsweise als Schlitze oder Rundbohrungen mit einheitlichem Durchmesser oder aber konisch ausgeführt sein.

Die bevorzugt rotationssymmetrisch angeordneten flügelartigen Strukturen (6) an der Unterseite (1b) der Grundplatte (1) können, vom Symmetriezentrum her betrachtet, radial angeordnet, in Drehrichtung orientiert oder aber von der Drehrichtung weg orientiert sein, so daß sich je nach Stellung eine Saug- oder Pumpwirkung ergibt. Die Anzahl der flügelartigen Strukturen (6) kann frei gewählt werden und hängt wesentlich von der Viskosität der umzuwälzenden Flüssigkeit und der gewünschten Strömungsintensität ab.

Zusätzlich können die flügelartigen Strukturen (6) rechtwinklig zur Grundplatte stehen, hin zur Drehrichtung der Grundplatte (1) oder aber entgegen diese geneigt sein.

Die Grundplatte (1), die Probenhalterungen (2) und die flügelartigen Strukturen (6) können aus polymeren Werkstoffen, Metallen, Keramiken oder auch Glas gefertigt sein. Wesentlich ist, daß sich diese Materialien den geformten Festkörpern (3) und den Komponenten der Flüssigkeit gegenüber weitgehend inert verhalten. Besonders bevorzugt sind organisch schwer bzw. weitgehend unlösliche Polymere, speziell fluorierte Polymere, z. B. Polytetrafluorethylen, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymere.

Es zeigen die Figuren:

Fig. 1a: Draufsicht eines erfindungsgemäßen Magnetrührers mit Probenhalterfunktion

Fig. 1b: Unteransicht eines erfindungsgemäßen Magnetrührers mit Probenhalterfunktion

Fig. 1c: senkrechter Schnitt entlang A-A durch einen erfindungsgemäßen Magnetrührer mit Probenhalterfunktion und Frontansicht nach Verkippen um -90°

Fig. 2a und 2b: Unteransicht mit erfindungsgemäßen Ausführungen der Rührflügel

Fig. 2c, 2d, 2e: Seitenansichten möglicher Rührflügelstellungen gemäß Fig. 2a

Fig. 3a und 3b: Unteransicht mit anderen erfindungsgemäßen Ausführungen der Rührflügel

Fig. 3c, 3d, 3e: Seitenansichten möglicher Rührflügelstellungen gemäß Fig. 3a

Fig. 4a und 4b: Unteransicht mit anderen erfindungsgemäßen Ausführungen der Rührflügel

Fig. 4c, 4d, 4e: Seitenansichten möglicher Rührflügelstellungen gemäß Fig. 4a

Fig. 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g: senkrechter Schnitt entlang B-B in Fig. 2a und Frontansicht nach Verkippen um 90°, wobei die Rührerflügelstellung gemäß Fig. 2e eingehalten wird; die Probenhalter (2) und Festkörper (3) wurden der Übersichtlichkeit wegen weggelassen.

In den Fig. 1a bis 1c ist eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Gemäß Fig. 1a sind die Festkörper (3) in rahmenartigen Halterungen (2) auf der Oberseite der Grundplatte (1a) fixiert. Die Anordnung parallel zur Drehrichtung bewirkt, daß in diesem Fall von den Festkörpern (3) in den Halterungen (2) nur ein minimaler Beitrag zur Erzeugung einer Strömung zwischen Festkörper und Flüssigkeit ausgeht. Die flügelartigen Strukturen (6) sind entlang der vom Symmetriezentrum ausgehenden Radialen an der Unterseite der Grundplatte (1b) angeordnet. (Fig. 1b). Zusätzlich sind diese gegen die Drehrichtung geneigt (Fig. 1c zeigt den gemäß Fig. 2d geneigten Flügel), so daß ein Aufgleiten des Magnetrührers mit integrierter Probenhalterfunktion auf die Flüssigkeit erfolgt und bei hinreichender Rotationsfrequenz der Magnetrührer in der Flüssigkeit berührungs- und damit verschleißfrei schweben kann. Zum Erreichen dieses Schwebezustandes sind zwischen den Halterungen (2) Bohrungen (5) realisiert, die in diesem Fall senkrecht zur Ebene der Grundplatte (1) stehen (Fig. 1c). Das für den Schwebezustand notwendige Flüssigkeitspolster unter dem Rührer wird dem Wesen nach dadurch erzeugt, daß aufgrund der durch die Drehbewegung erzeugten Strömung Flüssigkeit durch die Bohrungen bei beginnender Steigbewegung hindurchgesaugt werden kann. Der die Drehbewegung erzeugende, in diesem Fall einzige Magnet ist ebenfalls in Fig. 1c dargestellt.

Die Fig. 2a bis 5g behandeln vorteilhafte Ausführungen der flügelartigen Strukturen (6).

Gemäß Fig. 2a und 2b befinden sich diese auf den vom Symmetriezentrum ausgehenden Radialen.

Die Fig. 3a und 3b bzw. 4a und 4b zeigen die flügelartigen Strukturen (6) in Situationen, in denen diese in Drehrichtung bzw. weg von dieser orientiert sind. Diese Orientierung hat einen wesentlichen Einfluß auf die Flüssigkeitsumwälzung. Unter konstanten Randbedingungen wird eine besonders starke Umwälzung durch die in den Fig. 3a und 3b realisierten Anordnungen erreicht. Da die magnetisch übertragbare Kraft gewöhnlich begrenzt ist, kann eine derartige Anordnung in stark viskosen Medien zu weniger befriedigenden Ergebnissen führen. In solchen Fällen kann unter teilweisem Verzicht auf Umwälzung mit Anordnungen gemäß Fig. 4a und 4b dennoch die notwendige Relativbewegung zwischen Festkörper und Flüssigkeit aufrecht erhalten werden. Es gilt allgemein, daß durch die Orientierung der flügelartigen Strukturen (6) eine Anpassung der effektiv wirksam werdenden Flügelfläche an die Flüssigkeitsviskosität erreicht werden kann.

In den Fig. 2c bis 2e, 3c bis 3e und 4c bis 4e ist dargestellt, daß die Intensität der Umwälzung und die Richtung der Strömung stark durch den Anstellwinkel der flügelartigen Strukturen (6) relativ zur Ebene der Grundplatte (1) beeinflußt werden. So ergibt die Kombination von in Drehrichtung orientierten und in Drehrichtung geneigten Flügeln (Fig. 3e) einen starken, aufwärts gerichteten Pumpeffekt durch die Bohrungen (5) hindurch. Bei ebenfalls in Drehrichtung orientierten, aber entgegen der Drehrichtung geneigten Flügeln (6) wird eine ausgeprägte Schwebewirkung erreicht, was mit einem abwärts gerichteten Durchsaugen von Flüssigkeit durch die Bohrungen (5) verbunden ist.

Für stark viskose Flüssigkeiten kann die Konstruktion gemäß Fig. 4d und 4e in Betracht gezogen werden. Bei entgegen der Drehrichtung orientierten und geneigten Flügeln (6) (Fig. 4d) kann mit schwach ausgeprägter Tendenz zum Schweben die Drehbewegung aufrecht erhalten werden. Kompromisse zwischen notwendiger Drehbewegung und Umwälzung stellt die Konstruktion gemäß Fig. 4c und 4e mit nicht bzw. in Drehrichtung geneigten Flügeln (6) dar.

Es ist ebenfalls möglich, das Strömungsbild durch Neigung und Geometrie der Bohrungen zu beeinflussen. Wie in den Fig. 5a bis 5c dargestellt, können die Bohrungen (5) senkrecht (90° Winkel, Fig. 5a) oder unter einem davon abweichenden Winkel relativ zur Ebene der Grundplatte (1) angebracht sein. Es ergibt sich, daß sie dadurch in oder entgegen der Drehrichtung geneigt sind. Zusätzlich kann den Bohrungen durch Konizität eine Düsenwirkung verliehen werden (Fig. 5d und 5e), die wiederum durch Wahl des Neigungswinkels modifizierbar ist (Fig. 5f und 5g).

Es ist bereits erwähnt worden, daß der Winkel zwischen der vom Symmetriezentrum ausgehenden Radialen und den Probenhalterungen (2) mit darin positionierten Festkörpern (3) einen starken Einfluß auf die Umwälzung ausüben kann. Es ist deshalb möglich, in speziellen Fällen auf die flügelartigen Strukturen (6) zu verzichten und die Umwälzung der Flüssigkeit vollständig den Probehalterungen (2) und Festkörpern (3) zu überlassen. Es kann in solchen Fällen bevorzugt sein, auf die Bohrungen (5) zu verzichten.

Claims

1. Magnetrührer für die Behandlung der Oberfläche von Festkörpern, die als Probe innerhalb eines Rührgefäßes mit Flüssigkeit an Probenhalterungen lösbar befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenhalterungen (2) auf der Oberseite (1a) einer Grundplatte (1) des Magnetrührers angeordnet sind, und daß an der Unterseite (1b) der Grundplatte (1) flügelartige Strukturen (6) angeordnet sind, die einen Umwälz- und/oder Pumpeffekt oder Saugeffekt bewirken.

2. Magnetrührer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Grundplatte (1) mindestens ein Magnet (4) zur Erzeugung der Drehbewegung eingelassen ist.

3. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (1) über mindestens eine Bohrung (5) verfügt, die ein Strömen von Flüssigkeit durch den Magnetrührer ermöglicht.

4. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (1) eine kreisrunde oder aber am Rand gezackte oder durch bogenförmige Einbuchtungen modifizierte Gestalt unter bevorzugter Wahrung der Rotationssymmetrie aufweist.

5. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der kombinierte Magnetrührer mit Probenhalterfunktion, bezogen auf die Abmessungen des Rührgefäßes, praktisch wandgängig oder aber wandbeabstandet gestaltet ist.

6. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenhalter (2) bevorzugt rotationssymmetrisch auf der Grundplattenoberseite (1a) angeordnet sind und vom Symmetriezentrum aus betrachtet radial verlaufen oder aber beliebige Winkel mit der Radialen bilden.

7. Magnetrührer nach einem der Anspruche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenhalterungen (2) auf der Grundplattenoberseite (1a) als Schlitze, Mulden, rahmenartige Halterungen oder Cliphalterungen ausgebildet sind.

8. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein oder mehrere Magnete (4) bevorzugt rotationssymmetrisch derart in die Grundplatte (1) eingelassen sind, daß durch ein äußeres Magnetfeld ein Drehmoment um die Rotationsachse erzeugt wird.

9. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die eine oder mehrere Bohrungen (5) bevorzugt rotationssymmetrisch in die Grundplatte (1) eingelassen sind.

10. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Bohrung und/oder periphere Bohrungen in der Grundplatte bevorzugt rotationssymmetrisch angeordnet sind.

11. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß unter bevorzugter Wahrung der Rotationssymmetrie die Bohrungen (5) senkrecht oder aber unter einem Winkel zur Ebene der Grundplatte (1) angebracht sind.

12. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen bevorzugt als Schlitze, Rundbohrungen mit einheitlichem Durchmesser oder aber konisch ausgeführt sind.

13. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die bevorzugt rotationssymmetrisch angeordneten flügelartigen Strukturen (6) an der Unterseite (1b) der Grundplatte (1), vom Symmetriezentrum her betrachtet, radial angeordnet, in Drehrichtung orientiert oder aber von der Drehrichtung weg orientiert sind.

14. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die flügelartigen Strukturen (6) rechtwinklig zur Grundplatte (1) stehen, hin zur Drehrichtung der Grundplatte (1) oder aber entgegen diese geneigt sind.

15. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (1), die Probenhalterungen (2) und die flügelartigen Strukturen (6) aus Materialien gefertigt sind, die sich den geformten Festkörpern (3) und den Komponenten der Flüssigkeit gegenüber inert verhalten.

16. Magnetrührer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Konstruktionswerkstoffen vorzugsweise um Polymere, Metalle, Keramiken oder Glas, besonders bevorzugt organisch schwer bzw. weitgehend unlösliche Polymere, speziell fluorierte Polymere wie Polytetrafluorethylen und Tetrafluorethylen- Hexafluorpropylen-Copolymere handelt.