EP0515852B1

EP0515852B1 - Rührvorrichtung

Info

Publication number: EP0515852B1
Application number: EP92107225A
Authority: EP
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Forschner; Rainer Dr.-Ing. Krebs
Original assignee: EKATO Ruehr und Mischtechnik GmbH
Current assignee: EKATO Ruehr und Mischtechnik GmbH
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1992-04-28
Publication date: 1995-07-12
Anticipated expiration: 2012-04-28
Also published as: DE4117773A1; DE59202854D1; EP0515852A1; ATE124883T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rührvorrichtung gemäß der Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus US-A-4 212 547 ist eine Vorrichtung zum Mischen von Materialien bekannt, welche unterschiedliche Konsistenzen haben. Hierbei kann es sich beispielsweise um Cremesaucen und käseartige Niederschläge von Hüttenkäse handeln. Hierbei handelt es sich um eine wandfern arbeitende Rührvorrichtung, bei der an einer Rührwelle in mehreren Ebenen Rührblätter angeordnet sind. Die Rührblätter können von ebenen, ringsegmentförmig ausgebildeten, streifenförmigen Teilen gebildet werden, welche radial beabstundete innere und äußere Umfangsränder haben. Das Blatt bildet ein Segment einer Kurve, welche einen konvexen Rand und einen konkaven Rand hat. Für Materialien mit niederer oder mittlerer Viskosität, wie bei den vorstehend als Beispiele genannten Materialien, kann man mit einem derartig wandfern arbeitenden Rührorgan noch ein zufriedenstellendes Mischergebnis erzielen. Für Materialien mit mäßiger und hoher Viskosität hingegen sind Rührvorrichtungen mit wandfern arbeitenden Rührorganen ungeeignet.
Aus US-A-4 887 911 ist eine Entwickler-Mischvorrichtung für ein elektrophotographisches Kopiergerät bekannt. Die Mischvorrichtung weist eine motorisch angetriebene Welle auf, an der mehrere flossenförmige Teile angebracht sind. Jedes flossenförmige Teil wird von einer annähernd elliptischen Metallplatte gebildet, die einen radial verlaufenden, abgenommenen Abschnitt und eine Mehrzahl von Einkerbungen entlang des Umfangs hat. Somit erhält man am äußeren Umfangsrand des flossenförmigen Teils eine gezackte Fläche mit abwechselnd vorspringenden Teilen und von den Einkerbungen gebildeten ausgenommenen Teilen. Der innere Umfangsrand hingegen ist direkt an der Welle angebracht, so daß er keine Rührfunktion hat. Bei diesen flossenförmigen Teilen handelt es sich daher nicht um Ringsegmente, sondern um Segmente, die an ihrem inneren Umfangsrand unmittelbar an der Welle angebracht sind.
Zum Mischen von Flüssigkeiten niederer oder mittlerer Viskosität werden üblicherweise wandferne Rührorgane mit balkenförmigen Blättern eingesetzt. Mit steigender Viskosität werden mit diesen Rührorganen nicht mehr alle Zonen im Behälter gleich gut von der nunmehr laminaren Strömung erfaßt. Es wird deshalb im laminaren Bereich ein beträchtlicher Anstieg der Mischzeit beobachtet. Beim Unterschreiten bestimmter Reynolds-Zahlen kann der Behälterinhalt in technisch sinnvollen Zeiten praktisch nicht mehr vermischt werden. Abhilfe schaffen hier wandnahe Rührorgane, wie Wendel- oder Schneckenrührer mit axialer Förderkomponente.
Bei der Wärmeübertragung zwischen Behälterwand und Fluid ist es Aufgabe des Rührers, die wandnahe Grenzschicht zu zerstören. Bei Flüssigkeiten mäßiger Viskosität geschieht dies mit wandfernen Rührorganen durch Turbulenzen, die durch das Rührerblatt erzeugt und von dort zur Behälterwand transportiert werden. Dieser Mechanismus versagt jedoch bei Medien höherer Viskosität. Deswegen werden zur Wärmeübertragung im laminaren Bereich vorwiegend wandnahe Rührorgane eingsetzt. Ein geeignetes Rührorgan zur Erziehung hoher Wärmeübergangskoeffizienten ist zum Beispiel der Ankerrührer. Infolge der fehlenden axialen Durchmischung können jedoch starke Ungleichverteilungen der Temperatur auftreten, weshalb dieser Rührer nur bedingt einsetzbar ist.
Bei wandfernen Rührsystemen kann der Knickpunkt der Mischzeitcharakteristik zu kleienren Reynolds-Zahlen, d.h. höheren Viskositäten, verschoben werden, indem der Durchmesser des Rührorgans vergrößert und/oder die Stufenzahl erhöht wird.
Dieser erhöhte Material- und Fertigungsaufwand ist jedoch nur bis zu bestimmten Grenzviskositäten zu rechtfertigen. Bei Medien mit höherer Viskosität werden dann wendelartige Rührorgane eingesetzt. Wegen deren komplizierter Geometrie insbesondere der Verwindung des Rührblattes ist der Material- und Fertigungsaufwand außerordentlich hoch.
Um den Fertigungsaufwand bei wandnahen Rührorganen zu vermindern, ist schon vorgeschlagen worden, bei Wendelrührern das Wendelblatt in Segmente zu unterteilen.
Nachteilig hierbei sind die erforderlichen zahlreichen Halterungen für die einzelnen Segmentblätter, ein hoher Materialeinsatz und Produktablagerungen bei der Entleerung der Behälter auf den Segmentblättern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rührvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei fertigungstechnisch möglichst einfacher Ausführung und vertretbarem Materialeinsatz eine Verbesserung der Durchmischung erzielt wird.
Nach der Erfindung wird hierzu eine Rührvorrichtung bereit gestellt, welche im Patentanspruch 1 angegeben ist.
Vorzugsweise ist dabei jedes der beiden Rührblätter durch zwei konzentrische Halbellipsen begrenzt.
Die Rührblätter können an ihren oberen und/oder an ihren unteren Enden durch quer zur Achse der Rührerwelle verlaufenden Holme mit der Welle verbunden sein, wobei zwischen den unteren Enden der Rührblätter zweckmäßigerweise ein Bodenrührblatt angeordnet sein kann, das die unteren Enden der Rührblätter verbindet und das zum Beispiel in Form eines Kreisringsegmentes ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise liegt das Bodenrührblatt in einer Ebene, die durch die Mittelachse der Rührerwelle verläuft, d.h. in einer vertikalen Ebene bei vertikaler Achse der Rührerwelle.
Die beiden aus ebenen elliptischen Ringsegmenten bestehenden Rührblätter überkreuzen sich vorzugsweise - gesehen in einer Richtung quer zu dem sie verbindenden Holm - und ihre Ebenen verlaufen senkrecht zu einer Ebene, welche durch die Mittelachse der Rührerwelle und die Mittelachse des die Rührblätter mit der Rührerwelle verbindenden Holmes verläuft.
Der Steigungswinkel α zwischen dem Holm und dem jeweiligen Rührblatt liegt zweckmäßigerweise in einem Bereich von etwa 35° bis 75°.
Vorteilhafterweise beträgt die Breite der Rührblätter an der schmalsten Stelle in ihrer Mitte etwa 8 bis 12 %, insbesondere etwa 10 %, des Innendurchmessers des Rührbehälterdurchmessers.
Am Blattende der Rührblätter steigt deren Breite bis auf etwa das 4,0-fache der Breite an der schmalsten Stelle.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann das Rührorgan aus drei Rührblättern gebildet sein, die in Umfangsrichtung jeweils im Winkel von 120° versetzt zueinander eingebaut sind.
Vorzugsweise können ferner auf der Rührerwelle mehrere Rührorgane übereinander und im Winkel von z.B. 90° zueinander versetzt angeordnet sein.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Darin zeigt:

Figur 1: in perspektivischer Seitenansicht eine Rührerwelle mit einem Rührorgan nach der Erfindung;
Figur 2: eine Ansicht zur Verdeutlichung der Bestimmung der Form der Rührblätter mittels eines schrägen Schnittes durch einen rohrförmigen Zylinder;
Figuren 3 bis 5: schematisch im Längsschnitt den Rührbehälter mit Rührerwelle und verschiedenen Ausführungsformen des Rührorgans;
Figur 6: schematisch in Draufsicht ein Rührorgan mit drei Rührblättern; und
Figur 7: schematisch im Schnitt einen Rührbehälter mit lotrechter Rührerwelle, auf der zwei Rührorgane vertikal übereinander angeordnet sind.

Figur 1 zeigt eine motorisch antreibbare Rührerwelle 14, die, wie Figur 7 zeigt, vorzugsweise lotrecht in einen Rührbehälter 12 eingebaut wird.
Am in Figur 1 unteren Ende der Rührerwelle 14 ist mittels eines quer zur Achse der Rührerwelle 14 verlaufenden Holmes 20 ein Rührorgan 16 befestigt, das aus zwei Rührblättern 18 und einem Bodenrührblatt 22 gebildet ist.
Die Rührblätter 18 sind eben ausgebildet und sie haben die Form elliptischer ringförmiger Segmente, die sich über einen Umfangswinkel von z.B. 180° erstrecken, sicher aber auch über einen kleineren oder größeren Umfangswinkel erstrecken können. Der innere und äußere Umfangsrand jedes Rührblattes 18 wird durch einen Teil einer Ellipse, insbesondere eine Halbellipse, gebildet, und beide Ellipsen, die also den inneren und den äußeren Umfang der Rührblätter 18 bilden, haben denselben Mittelpunkt.
An ihren unteren Enden sind die beiden Rührblätter 18 durch das Bodenrührblatt 22 verbunden, das ebenfalls eben ausgebildet ist und die Form beispielsweise eines Kreisringsegmentes hat. Das Bodenrührblatt 22 liegt, bezogen auf die übliche Arbeitsstellung der Rührvorrichtung, d.h. bei lotrechter Welle 14, in einer vertikalen Ebene, zum Beispiel in einer Ebene, welche durch die Mittelachse der Rührerwelle 14 verläuft oder auch in einer hierzu versetzten vertikalen Ebene.
Figur 2 zeigt die Art und Weise der Bestimmung der Form der Rührblätter 18.
Durch einen rohrförmigen Zylinder 24 mit einer kreiszylindrischen Außenwand und einer hierzu koaxialen kreiszylindrischen Innenwand wird eine Ebene in einem spitzen Winkel relativ zur Längsmittelachse des Zylinders 24 gelegt. Die Schnittfläche dieser Ebene mit der Wand des rohrförmigen Zylinders 24 ist ein elliptischer Ring 42, der innen durch eine Ellipse 44 und außen durch eine Ellipse 46 begrenzt ist, wobei beide Ellipsen denselben Mittelpunkt 48 haben.
Teilt man diesen Ring 42 längs der großen Halbachse der Ellipsen in zwei gleiche Teile, so entstehen die in Figur 1 dargestellten Rührblätter 18, die an ihren Enden 50, wie Figur 7 zeigt, zweckmäßigerweise abgerundet sind. Die Rührblätter 18 haben in ihrer Mitte 26 zwischen ihren Enden 50 ihre geringste Breite, die etwa 8 bis 12 %, vorzugsweise etwa 10 %, des Innendurchmessers des Rührbehälters 12 beträgt.
An ihren Enden 50 haben die Rührblätter 18 ihre größte Breite, die etwa das 1,0- bis 4,0-fache der Breite an der schmalsten Stelle in der Mitte der Rührblätter beträgt.
Die Rührblätter 18 nach Figur 1 sind somit durch zwei konzentrische Halbellipsen begrenzt.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist das Rührorgan 16 nur an den oberen Enden 50 der beiden Rührblätter 18 über den Holm 20 mit der Rührerwelle 14 verbunden. Eine Durchführung der Rührerwelle bis nach unten ist nicht erforderlich, da die beiden Rührblätter 18 an ihren unteren Enden durch das Bodenrührblatt 22 verbunden sind.
Wie Figur 1 zeigt, kreuzen sich die beiden Rührblätter 18 und ihre Ebenen stehen vorzugsweise senkrecht auf einer Ebene, welche durch die Mittelachse der Rührerwelle 14 und die Mittelachse des Holmes 20 verläuft.
Gegebenenfalls können jedoch die Rührblätter 18 auch geneigt zu dieser vorgenannten Ebene angestellt werden.
Figur 3 zeigt schematisch den Rührbehälter 12 mit lotrechter Rührerwelle 14, wobei hier die beiden Rührblätter 18 an ihren oberen und an ihren unteren Enden jeweils durch einen Holm 20 mit der Rührerwelle 14 verbunden sind.
Darüberhinaus ist bei dieser Ausführungsform auch das Bodenrührblatt 22 vorgesehen, das sich zwischen den unteren Enden der Rührblätter 18 erstreckt und mit diesen oder auch direkt mit dem unteren Holm 20 verbunden ist.
Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich somit die Rührerwelle 14, im Gegensatz zur Ausführungsform nach Figur 1, bis in den Bereich der unteren Enden der Rührblätter 18.
Bei der Ausführungsform nach Figur 4 sind die Rührblätter 18 nur an ihren oberen Enden mit Hilfe des Holmes 20 mit der Rührerwelle 18 verbunden, die hier wie in Figur 1 sich nur bis zum oberen Holm 20 erstreckt.
Die unteren Enden der Rührblätter 18 sind bei dieser Ausführungsform nicht miteinander verbunden, es kann aber zur mechanischen Versteifung ein an sich bekannter Stützkorb 32 für die Rührblätter vorgesehen sein.
Vom Boden des Rührbehälters 12 her ragen Stromstörer 30 in den Rührbehälter hinein, die zum Beispiel vertikal nach oben vom Boden aus verlaufen.
Bei der Ausführungsform nach Figur 5 erstreckt sich die Rührerwelle 14 wiederum bis in den Bereich der unteren Enden der Rührblätter 18, die mit der Rührerwelle 14 über den unteren Holm 20 verbunden sind. An ihren oberen Enden sind die Rührblätter 18 nicht miteinander verbunden, es kann aber gegebenenfalls ein an sich bekannter Stützkorb 32 zur Abstützung der Rührblätter 18 vorgesehen sein.
Vom Deckel des Rührbehälters 12 her ragen Stromstörer 28 nach unten in den Rührbehälter hinein, die beispielsweise parallel zur Rührerwelle 14 verlaufen können.
Figur 6 zeigt schematisch in Draufsicht ein Rührorgan mit zum Beispiel drei Rührblättern 18, die in Umfangsrichtung jeweils um 120° versetzt zueinander angeordnet sind.
Die hier beschriebene Rührvorrichtung ist aber nicht auf zwei oder drei Rührblätter je Rührorgan 16 beschränkt, es können auch mehr als drei Rührblätter und bei Bedarf auch nur ein Rührblatt verwendet werden.
Die Steigung der Rührblätter kann nach Wunsch und Bedarf gewählt werden und der in Figur 1 dargestellte Winkel α zwischen dem Holm 20 und der Ebene jedes der Rührblätter 18 liegt zum Beispiel im Bereich von 35 bis 75°, vorzugsweise im Bereich von 40 bis 70°.
Figur 7 zeigt schematisch im Schnitt einen Rührbehälter 12 mit der vorzugsweise um eine lotrechte Achse umlaufenden Rührerwelle 14.
Auf dem oberen Ende des Rührbehälters 12 sitzt ein Motor 34, der über ein Getriebe 36 die Rührerwelle 14 antreibt, die an ihrem oberen Ende außerhalb des Rührbehälters 12 in einem Lager 38 gelagert ist. Das untere Ende der Rührerwelle 14 ist in einem Wellenfangring 40 gelagert.
Wie die Figur zeigt, sind bei der dargestellten Ausführungsform zwei Rührorgane 16 übereinander auf der Rührerwelle 14 montiert, wobei jedes der beiden Rührorgane 16 aus zwei Rührblättern 18 besteht, welche in der anhand von Figur 1 beschriebenen Weise ausgebildet sind. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind die Rührblätter jedes Rührorganes 16 an ihren oberen und an ihren unteren Enden mittels Holmen 20 mit der Rührerwelle 14 verbunden, wie dies beispielsweise auch in Figur 3 gezeigt ist.
Wie die Figur zeigt, ist das in der Zeichnung obere Rührorgan 16 um 90° in Umfangsrichtung versetzt zu dem unteren Rührorgan 16 eingebaut.
Das Verhältnis von axialer Höhe eines Rührorgans 16 zum Innendurchmesser des Rührbehälters kann bis zu etwa 4 betragen, was einem Steigungswinkel α von etwa 75° entspricht. Bei mehrstufiger Ausführung, d.h. bei mehreren Rührorganen 16 übereinander, können noch höhere Verhältnisse von Höhe zu Durchmesser erreicht werden.
Der erfindungsgemäße Rührer ermöglicht es, auch bei zunehmender Steigung der Rührblätter, d.h. bei geringerem Materialeinsatz, noch genügend Leistung in das Mischgut einzutragen, um die Mischaufgabe zu erfüllen, wobei auch bei höheren Steigungen der Rührblätter die erforderliche Mischzeit nicht ansteigt.
Wegen des geringen Abstandes zur Wand können bei guter axialer Durchmischung hohe Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der Behälterwand und dem im Behälter befindlichen Fluid erzielt werden.
Der erfindungsgemäße Rührer hat gegenüber herkömmlichen Wendelrührern oder Segmentwendelrührern mehrere Vorteile, nämlich einen geringeren Materialeinsatz wegen der relativ höheren Steigung der Rührblätter sowie einen geringeren Fertigungsaufwand, weil die Rührblätter eben ausgebildet sind und keine Verwindung aufweisen.
Der erfindungsgemäße Rührer ist wartungsfreundlich, denn wegen der größeren Steilheit der Rührblätter bleiben nach der Entleerung des Rührbehälters kaum Reste zurück und die glatten leicht zugänglichen Flächen der Rührblätter sind leicht zu reinigen.
Der erfindungsgemäße Rührer ist ferner leicht montierbar und demontierbar, da sich durch die Form der Rührblätter die Zahl der Schraubverbindungen im Vergleich zu herkömmlichen Rührern verringern läßt.

Claims

Rührvorrichtung, insbesondere zum Mischen von Flüssigkeiten in einem Rührbehälter (12), mit wenigstens einem Rührorgan (16) mit wenigstens einem Rührblatt (18), das mit einer motorisch antreibbaren Welle (14) verbunden ist, und das die Form eines ebenen Ringsegmentes aufweist, das einen inneren und äußeren Umfangsrand (44, 46) hat, dadurch gekennzeichnet, daß der innere und der äußere Umfangsrand (44, 46) jedes Rührblatts (18) von einem Teil einer Ellipse gebildet wird, und daß das Rührblatt (18) an seiner Mitte die geringste Breite und an seinen Enden die größte Breite aufweist.
Rührvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Rührblätter (18) durch zwei konzentrische Halbellipsen begrenzt ist.
Rührvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührblätter (18) an ihren oberen und/oder an ihren unteren Enden mittels je eines quer zur Achse der Rührerwelle (14) verlaufenden Holmes (20) mit der Welle verbunden sind.
Rührvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührblätter (18) an ihren unteren Enden mittels eines Bodenrührblattes (22) miteinander verbunden sind.
Rührvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenrührblatt (22) eben und in Form eines Kreisringsegmentes ausgebildet ist.
Rührvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenrührblatt (22) in einer Ebene liegt, die durch die Mittelachse der Rührerwelle (14) verläuft.
Rührvorrichtung nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührblätter (18) sich kreuzen und ihre Ebenen senkrecht auf einer Ebene stehen, welche durch die Mittelachse der Rührerwelle (14) und die Mittelachse des Holmes (20) verläuft.
Rührvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel α zwischen dem Holm (20) und dem jeweiligen Rührblatt (18) im Bereich von 35 bis 75°, vorzugsweise im Bereich von 40 bis 70°, liegt.
Rührvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Rührblätter (18) an der schmalsten Stelle in ihrer Mitte etwa 8 bis 12 %, vorzugsweise etwa 10 %, des Innendurchmessers des Rührbehälters (12) beträgt.
Rührvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Rührblätter (18) am Blattende etwa das 4,0-fache der Breite an ihrer schmalsten Stelle nicht überschreitet.
Rührvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührorgan (16) aus drei Rührblättern (18) gebildet ist, die in Umfangsrichtung jeweils im Winkel von 120° versetzt zueinander angeordnet sind.
Rührvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rührerwelle (14) mehrere Rührorgane (16) übereinander und im Winkel von zum Beispiel 90° versetzt zueinander angeordnet sind.