EP3482821B1 - Rührwerk - Google Patents

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EP3482821B1
EP3482821B1 EP17200831.0A EP17200831A EP3482821B1 EP 3482821 B1 EP3482821 B1 EP 3482821B1 EP 17200831 A EP17200831 A EP 17200831A EP 3482821 B1 EP3482821 B1 EP 3482821B1
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EP
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agitator
agitating
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rotary shaft
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Timo Weber
Christoph Kohlbrenner
Dieter Wassmer
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VISCO JET RUEHRSYSTEME GmbH
Original Assignee
Visco Jet Ruehrsysteme GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
    • B01F27/85—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis with two or more stirrers on separate shafts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/05—Stirrers
    • B01F27/11—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
    • B01F27/116—Stirrers shaped as cylinders, balls or rollers
    • B01F27/1162—Balls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/05—Stirrers
    • B01F27/07—Stirrers characterised by their mounting on the shaft
    • B01F27/072—Stirrers characterised by their mounting on the shaft characterised by the disposition of the stirrers with respect to the rotating axis
    • B01F27/0726—Stirrers characterised by their mounting on the shaft characterised by the disposition of the stirrers with respect to the rotating axis having stirring elements connected to the stirrer shaft each by a single radial rod, other than open frameworks

Definitions

  • the invention relates to an agitator for mixing and / or homogenizing flowable media with at least two agitating elements.
  • Agitators are used in a wide variety of applications. Possible areas of application include the manufacture of paints and varnishes or the manufacture of beverages and foodstuffs. The manufacture of pharmaceutical products and cosmetics also requires the use of agitators on a regular basis, as is the case with paper and ceramics. Depending on the respective area of application, different agitator arrangements are used for mixing and / or homogenizing or suspending the respective substances. For example, barrel and container agitators are known, which are arranged in or on the respective container, or self-supporting stand agitators. Small to large-volume containers for storage or for the transport of mixtures of substances can also be equipped with a stirrer to prevent segregation during storage or transport. The agitator is matched to the material being stirred and the shape and size of the respective container.
  • Agitators usually comprise a rotating shaft that can be driven by an electric motor, by means of which one or more agitating elements connected non-rotatably to the rotating shaft are moved on a circular path. Inserted in a container with a flowable medium, the agitator elements flow around them due to their movement. In dependence of the shape of the stirring elements, their arrangement in the container and the speed at which the stirring elements are moved, establish certain flow conditions in the stirring material, which cause the stirring material to be thoroughly mixed.
  • the agitating elements known in the prior art comprise tubular bodies through which the material to be mixed flows.
  • cup stirrers have been known for a long time. Such agitators expose the material to be mixed to strong changes in the flow rate, which leads to relatively high mechanical loads on the material to be mixed. Such agitators are only suitable to a limited extent for sensitive mixes. Further developments of these agitators often have agitator elements of relatively complex construction, but adhere to the principle that the material to be mixed flows through the agitator element.
  • the agitator comprises a shaft with arms running perpendicular to the longitudinal axis of the shaft, each of which has a stirring element at its free end.
  • Each agitator consists of a tubular body which is at least partially conical. The conical shape has the effect that the flow cross-section of the tubular body is reduced in the flow direction, ie counter to the direction of rotation, and accordingly causes an increase in the flow speed of a material to be stirred.
  • the longitudinal axis of the agitator is also inclined downwards in the direction of rotation.
  • the stirring material therefore flows through the stirring elements in a laminar manner.
  • the flow inside the agitator elements is forced to reverse by dynamic pressure.
  • the resulting countercurrent should cause that even with a low power consumption of the drive, ie at low movement speeds of the agitator elements, an expansive, yet gentle agitation effect can be achieved.
  • the stirring body for a device for stirring flowable media, the design of which is intended to enable improved mixing of the material to be stirred.
  • the stirring body should be suitable for stirring or mixing highly viscous fluids or a highly viscous, flowable material to be stirred.
  • the stirring body has an outer wall and a bottom at one end of the outer wall, the bottom having at least one opening as a flow cross-section for the material to be stirred.
  • a partial flow of the material to be stirred is detected through the outer wall, which changes direction when it hits the floor. The change in direction causes the material to be stirred to be swirled, in particular to the side of and behind the stirring body.
  • the turbulence in turn ensures that the material to be stirred is thoroughly mixed.
  • From the DE 10 2006 043 498 A1 shows a dispersing machine for the production of powder mixtures with an oppositely designed rotor and stator element pair, which is shaped so that a gap-shaped working volume is formed between rotor and stator, through which the powder suspension flows when the dispersing machine is in operation. In doing so, shear forces are introduced into the powder suspension via the rotations of the rotor, which bring about thorough mixing and / or homogenization of the powder suspension.
  • the proposed dispersing machine should in particular be suitable for the production of homogeneous suspensions in hard metal and cermet manufacture.
  • the mentioned agitators are limited in terms of their applicable speed. At high speeds, the stirring effect drops drastically. Therefore, the power input is limited, which is disadvantageous, for example, when gassing, dispersing, emulsifying or drawing in powder
  • the FR 1 479 166 discloses an agitator according to the preamble of claim 1.
  • the present invention is based on the object of specifying an agitator with agitator elements which, with a simple design, enables improved power input.
  • the invention thus fundamentally breaks away from the concept of agitating elements with a flow.
  • the material to be mixed is stimulated to mix by means of an acceleration and redirection of the flow generated on the container wall.
  • overpressure i.e. pressure forces
  • the construction of the agitator according to the invention enables work very close to the wall without the risk of damaging the container wall.
  • the agitator according to the invention is easy to clean, especially since no material to be mixed can get stuck in the closed agitator elements.
  • the agitator according to the invention enables improved gassing of the product because, because of the essentially undirected flow, hardly any larger gas bubbles form in the product.
  • agitators are preferably shaped identically and of the same size.
  • All agitator elements are attached to the rotating shaft of the agitator by means of support arms.
  • An agitator for mixing and / or homogenizing or suspending flowable media with at least two agitating elements is proposed, each agitating element being connected via a support arm with a hub for connection to a drivable rotary shaft.
  • An arrangement of the agitator elements symmetrical to the axis of rotation of the agitator is preferred. It is further preferred that all agitator elements are arranged at the same distance from the axis of rotation of the agitator.
  • the support arms provided for connecting the agitator elements to the drivable rotary shaft are preferably arranged at the same angular distance from one another and in a common radial plane. This means that the support arms run radially.
  • FIG. 1 a perspective three-dimensional view of an agitator according to the invention.
  • the agitator of the Fig. 1 has three stirring elements 1, each of which is connected to a hub 2 via a support arm 3.
  • the stirring elements 1 are spherical. They are formed by spherical hollow bodies made of metal or plastic, each of which is attached to a radially outward end of a support arm 3.
  • the hub 2 is connected coaxially to the rotary shaft, not shown, of the agitator for common rotation about the axis of rotation of the agitator.
  • the agitators therefore move on a common orbit around the rotating shaft during operation.
  • the invention is not limited to those in the Fig. 1 illustrated embodiment limited.
  • the number of stirring elements 1 and their cross-sectional shape and their arrangement with respect to one another can vary.
  • the invention is not limited to the dimensions selected in the drawing. The specific dimensions result in each case as a function of the intended area of application and are in particular matched to the size of a container holding the material to be stirred.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Rührwerk zum Mischen und / oder Homogenisieren strömungsfähiger Medien mit wenigstens zwei Rührorganen.
  • Rührwerke finden in den verschiedensten Anwendungsbereichen Einsatz. Als mögliche Anwendungsbereiche seien hier beispielhaft die Herstellung von Farben und Lacken oder die Herstellung von Getränken und Nahrungsmitteln genannt. Auch bei der Herstellung von Pharmaprodukten und Kosmetika bedarf es regelmäßig des Einsatzes von Rührwerken, so auch bei der Papier- und Keramikherstellung. Entsprechend dem jeweiligen Anwendungsbereich werden zum Mischen und / oder Homogenisieren bzw. Suspendieren der jeweiligen Stoffe verschiedene Rührwerksanordnungen eingesetzt. Bekannt sind beispielsweise Fass- und Container-Rührwerke, die in oder an dem jeweiligen Behälter angeordnet werden, oder selbsttragende Stativ-Rührwerke. Auch klein- bis großvolumige Behälter zur Lagerung oder für den Transport von Stoffmischungen können mit einem Rührwerk ausgestattet sein, um eine Entmischung während der Lagerung oder des Transports zu verhindern. Das Rührwerk wird auf das jeweilige Rührgut sowie die Form und die Größe des jeweiligen Behälters abgestimmt.
  • Rührwerke umfassen in der Regel eine elektromotorisch antreibbare Drehwelle, mittels deren ein oder mehrere drehfest mit der Drehwelle verbundene Rührorgane auf einer Kreisbahn bewegt werden. Eingesetzt in einen Behälter mit einem strömungsfähigen Medium werden die Rührorgane aufgrund ihrer Bewegung von dem Medium umströmt. In Abhängigkeit von der Form der Rührorgane, deren Anordnung im Behälter und der Geschwindigkeit, mit der die Rührorgane bewegt werden, stellen sich in dem Rührgut bestimmte Strömungsverhältnisse ein, die eine Durchmischung des Rührgutes bewirken.
  • Die im Stand der Technik bekannten Rührorgane umfassen Rohrkörper, die von dem Mischgut durchströmt werden.
  • So sind zum Beispiel Becherrührwerke seit längerem bekannt. Solche Rührwerke setzen das Mischgut starken Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit aus, was zu relativ großen mechanischen Beanspruchungen des Mischgutes führt. Für empfindliche Mischgüter eignen sich solche Rührwerke nur eingeschränkt. Fortentwicklungen dieser Rührwerke weisen oft relativ kompliziert gebaute Rührorgane auf, halten aber am Prinzip der Durchströmung des Rührorgans durch das Mischgut fest.
  • Aus der DE 39 01 894 A1 ist ein Rührwerk bekannt, das bei relativ geringer Bewegungsgeschwindigkeit der Rührorgane eine vollständige Durchmischung eines strömungsfähigen Mediums ermöglichen soll. Das Rührwerk soll dementsprechend auch zur Behandlung empfindlicher Stoffmischungen geeignet sein. Das Rührwerk umfasst eine Welle mit senkrecht zur Wellenlängsachse verlaufenden Armen, die an ihren freien Enden jeweils ein Rührorgan tragen. Jedes Rührorgan besteht aus einem Rohrkörper, der zumindest teilweise konisch verlaufend ausgebildet ist. Der konische Verlauf bewirkt, dass sich der Strömungsquerschnitt des Rohrkörpers in Strömungsrichtung, d.h. entgegen der Drehrichtung, verringert und dementsprechend eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit eines hindurchströmenden Rührgutes bewirkt. Die Längsachse des Rührorgans ist zudem in Drehrichtung schräg nach unten gestellt. In der Anlaufphase werden die Rührorgane daher vom Rührgut laminar durchströmt. Sobald sie jedoch eine vorbestimmte Minimalgeschwindigkeit erreicht haben, wird die Strömung im Innern der Rührorgane durch Staudruck zur Umkehr gezwungen. Die daraus resultierende Gegenströmung soll bewirken, dass bereits bei niedriger Leistungsaufnahme des Antriebs, d.h. bei geringen Bewegungsgeschwindigkeiten der Rührorgane, ein raumgreifender und dennoch schonender Rühreffekt erzielt werden kann.
  • Aus der DE 201 16 967 U1 geht ferner ein Rührkörper für eine Vorrichtung zum Rühren strömungsfähiger Medien hervor, dessen Ausbildung eine verbesserte Durchmischung des Rührgutes ermöglichen soll. Insbesondere soll der Rührkörper zum Rühren bzw. Mischen von hochviskosen Strömungsmitteln bzw. eines hochviskosen strömungsfähigen Rührgutes geeignet sein. Hierzu weist der Rührkörper eine Außenwand und einen Boden an einem Ende der Außenwand auf, wobei der Boden wenigstens eine Öffnung als Strömungsquerschnitt für das Rührgut besitzt. Durch die Außenwand wird eine Teilströmung des Rührgutes erfasst, welche mit Auftreffen auf den Boden eine Richtungsänderung erfährt. Die Richtungsänderung bewirkt eine Verwirbelung des Rührgutes, insbesondere seitlich von und hinter dem Rührkörper. Die Verwirbelung wiederum bewirkt, dass eine gute Durchmischung des Rührgutes erfolgt.
  • Aus der DE 10 2006 043 498 A1 geht eine Dispergiermaschine für die Herstellung von Pulvermischungen mit einem gegengleich ausgebildeten Rotor- und Statorelement-Paar hervor, das so geformt ist, dass zwischen Rotor und Stator ein spaltförmiges Arbeitsvolumen ausgebildet wird, das im Betrieb der Dispergiermaschine von der Pulversuspension durchströmt wird. Dabei werden über die Rotordrehungen Scherkräfte in die Pulversuspension eingebracht, welche eine gute Durchmischung und / oder Homogenisierung der Pulversuspension bewirken. Die vorgeschlagene Dispergiermaschine soll insbesondere zur Herstellung von homogenen Suspensionen in der Hartmetall- und Cermetherstellung geeignet sein.
  • Die genannten Rührwerke sind hinsichtlich ihrer anwendbaren Drehzahl limitiert. Bei hohen Drehzahlen fällt die Rührwirkung drastisch ab, Daher ist der Leistungseintrag begrenzt, was zum Beispiel beim Begasen, Dispergieren, Emulgieren oder beim Pulvereinzug nachteilig ist
  • Die FR 1 479 166 offenbart ein Rührwerk entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ausgehend vom vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Rührwerk mit Rührorganen anzugeben, das bei einfacher Bauweise einen verbesserten Leistungseintrag ermöglicht.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Rührwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Rührwerks werden in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Rührorgan ist kugelähnlich. Darunter wird im Rahmen der Erfindung folgendes verstanden:
    • Das Rührorgan hat eine Aussenfläche, die grundsätzlich (überwiegend) gewölbt ist. Vorzugsweise ist die Aussenfläche insgesamt gewölbt, hat also keine Kanten und keine Spitzen. Das Rührorgan ist grundsätzlich ein Rundkörper.
    • Die Aussenfläche ist geschlossen (hat also keine Öffnungen), so dass das Rührorgan nur aussenseitig (mit seiner Aussenfläche) in Kontakt mit dem Mischgut tritt. Das schließt nicht aus, dass bei nicht streng kugelförmiger Ausbildung des Rührorgans Einwölbungen oder dgl. der Aussenfläche vorgesehen werden.
    • Das Rührorgan kann, muss aber nicht, symmetrisch geformt sein. Vorzugsweise ist das Rührorgan im geometrischen Sinne kugelförmig, es kann aber auch ein Ellipsoid oder ein nicht symmetrisch geformter, ähnlicher Rundkörper sein.
    • Wenn das Rührorgan nicht streng kugelförmig ist, hat es einen maximalen und einen minimalen Radius, wobei der maximale Radius größer ist als der minimale Radius. Vorzugsweise ist der Größenunterschied dieser Radien nicht größer als 5, und besonders bevorzugt ist der maximale Radius weniger als doppelt so groß wie der minimale Radius.
    • Das Rührorgan kann ein Hohlkörper sein oder aus massivem Werkstoff bestehen.
  • Die Erfindung löst sich damit grundsätzlich vom Konzept durchströmter Rührorgane. Bei den im Stand der Technik bekannten Lösungen mit Rohrkörper-Rührorganen wird das Mischgut mittels einer Beschleunigung und Umleiten der erzeugten Strömung an der Behälterwand zum Vermischen angeregt. Dabei wird grundsätzlich mit Überdruck, also mit Druckkräften gearbeitet.
  • Bei einem kugelähnlich als Rundkörper ausgebildeten Rührorgan bewirkt dessen Form einen Uberdruck in Bewegungsrichtung vor dem Rührorgan, eine Beschleunigung des Mischgutes aussenseitig um das Rührorgan herum, und einen Unterdruck im Mischgut in Bewegungsrichtung hinter dem Rührorgan. Da das Mischgut praktisch nicht kompressibel ist, und sehr schnell aus dem Überdruckbereich vor dem Rührorgan in den Unterdruckbereich hinter dem Rührorgan geführt wird, entsteht ein Sog bzw. eine Expansionswirkung auf das Mischgut, was zur Aufbrechung der Struktur des Mischgutes beiträgt und die Durchmischung befördert.
  • Durch die Form des Rührorgans ist die Durchmischung des Mischgutes dabei sehr schonend. Scherbeanspruchungen werden weitgehend vermieden. Besonders durch den Unterdruckbereich hinter dem Rührorgan werden Absetzungen im Behälter sehr effektiv, aber schonend abgelöst und aufgerührt, ohne wesentliche Scherkräfte einzusetzen.
  • Die Bauweise des erfindungsgemäßen Rührwerks ermöglicht sehr wandnahes Arbeiten ohne Gefahr von Beschädigungen der Behälterwand. Zudem ist das erfindungsgemäße Rührwerk leicht zu reinigen, zumal sich in den geschlossenen Rührorganen kein Mischgut festsetzen kann.
  • Das erfindungsgemäße Rührwerk ermöglicht ein verbessertes Begasen des Produktes, weil sich wegen der im wesentlichen ungerichteten Strömung im Produkt kaum größere Gasblasen bilden.
  • Mehrere Rührorgane sind vorzugsweise gleich geformt und gleich groß.
  • Alle Rührorgane sind mittels Tragarmen an der Drehwelle des Rührwerks beabstandet befestigt. Bevorzugt wird eine Anordnung aller Rührorgane im gleichen Abstand zur Drehwelle und im gleichen Abstand voneinander, also im Sinne einer symmetrischen "sternförmigen" Anordnung um die Drehwelle.
  • Es wird ein Rührwerk zum Mischen und / oder Homogenisieren bzw. Suspendieren strömungsfähiger Medien mit wenigstens zwei Rührorganen vorgeschlagen, wobei jedes Rührorgan über einen Tragarm mit einer Nabe zur Verbindung mit einer antreibbaren Drehwelle verbunden ist.
  • Bevorzugt ist eine zur Rotationsachse des Rührwerks symmetrische Anordnung der Rührorgane. Bevorzugt ist es weiterhin, dass alle Rührorgane im gleichen Abstand zur Rotationsachse des Rührwerks angeordnet sind.
  • Die zur Verbindung der Rührorgane mit der antreibbaren Drehwelle vorgesehenen Tragarme sind vorzugsweise im gleichen Winkelabstand zueinander und in einer gemeinsamen Radialebene angeordnet. D.h., dass die Tragarme radial verlaufen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt:
    Fig. 1 eine perspektivische dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen Rührwerks.
  • Das Rührwerk der Fig. 1 weist drei Rührorgane 1 auf, von denen jedes über einen Tragarm 3 mit einer Nabe 2 verbunden ist.
  • Im Ausführungsbeispiel sind die Rührorgane 1 kugelförmig. Sie werden durch kugelförmige Hohlkörper aus Metall oder Kunststoff gebildet, die jeweils an einem radial auswärtigen Ende eines Tragarms 3 angebracht sind.
  • Im Betrieb ist die Nabe 2 mit der nicht gezeigten Drehwelle des Rührwerks zur gemeinsamen Drehung um die Rotationsachse des Rührwerks koaxial verbunden. Die Rührgane bewegen sich daher im Betrieb auf einer gemeinsamen Umlaufbahn um die Drehwelle.
  • Die Erfindung ist nicht auf die in den Fig. 1 dargestellte Ausführungsform beschränkt. Insbesondere kann die Anzahl der Rührorgane 1 sowie deren Querschnittsform und deren Anordnung zueinander variieren. Ferner ist die Erfindung nicht auf die in der Zeichnung gewählten Abmessungen beschränkt. Die konkreten Abmessungen ergeben sich jeweils in Abhängigkeit vom vorgesehenen Anwendungsbereich und sind insbesondere auf die Größe eines das Rührgut aufnehmenden Behälters abgestimmt.

Claims (6)

  1. Rührwerk zum Mischen und/oder Homogenisieren strömungsfähiger Medien, umfassend einen Behälter und eine elektromotorisch antreibbare Drehwelle, mittels derer wenigstens zwei drehfest mit der Drehwelle verbundene Rührorgane auf einer Kreisbahn bewegt werden, wobei die Rührorgane eingesetzt in den Behälter in einem strömungsfähigen Medium aufgrund ihrer Bewegung von dem Medium umströmt werden, wobei jedes Rührorgan (1) kugelähnlich als Rundkörper ausgebildet ist und eine geschlossene Aussenfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet,
    dass jedes Rührorgan (1)
    über einen radial verlaufenden Tragarm (3) mit einer Nabe (2) zur Verbindung mit der antreibbaren Drehwelle verbunden ist, wobei die radial verlaufenden Tragarme (3) in einer gemeinsamen Radialebene angeordnet sind.
  2. Rührwerk nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Rührorgane (1) symmetrisch im gleichen Abstand zur Drehwelle angeordnet sind.
  3. Rührwerk nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Rührorgane (1) gleich groß und gleich geformt sind.
  4. Rührwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3
    dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenfläche jedes Rührorgans (1) keine Kanten oder Spitzen aufweist.
  5. Rührwerk nach Anspruch 4
    dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rührorgan (1) einen maximalen Radius und einen minimalen Radius aufweist, deren Verhältnis vorzugsweise kleiner als 5, besonders bevorzugt kleiner als 2 ist, oder das Rührorgan (1) kugelförmig ist.
  6. Rührwerk nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rührorgan (1) ein Hohlkörper, vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff, ist.
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