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FACHGEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Mischvorrichtung und wird insbesondere, jedoch nicht
ausschließlich,
in Vorrichtungen zum Mischen von Flüssigkeiten in relativ großen Behältern, wie
z. B. Farben in IBC-Behältern
(intermediate bulk containers), verwendet.
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HINTERGRUND
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Häufig
ist es notwendig vor der Aufbringung oder Verwendung den Inhalt
von großen
Behältern, insbesondere
Farbbehältern,
zu mischen, um die Farbe für
das gleichmäßige und
effektive Aufbringen aufzubereiten.
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Bisher wurde dieser Mischvorgang
auf verschiedene Arten durchgeführt,
die alle zahlreiche Nachteile aufweisen.
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Impeller wie Propeller, die eine
Vielzahl von Spiralblättern
auf einer Drehwelle umfassen, werden üblicherweise verwendet. Das
Entfernen des Propellers nach dem Mischvorgang führt unverweigerlich dazu, dass
Farbe vom Propeller auf die Außenseite des
Behälters
tropft. Zudem kann die Verwendung eines Propellers in einem nicht
vollständig
gefüllten
Behälter
zu einem erheblichen Verspritzen von Farbe innerhalb sowie außerhalb
des Behälters
und auch zu einem unerwünschten
Einführen
von Luft durch den durch den rotierenden Propeller erzeugten mittleren Strudel
führen.
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Impeller werden üblicherweise durch von oben
in einem Behälter
eingeführt,
um wirksam zu mischen, und wie obenstehend erwähnt können Probleme entstehen, wenn
der Behälter
nur teilweise gefüllt
ist.
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Wie z. B. in der US-A-4685811 und
der EP-A-0123452B1 offenbart ist, wurde nahegelegt, das Mischen
durch eine am Boden des Behälters
befestigte Einheit und dem Reagieren mit den Inhalten der unteren
Bereiche des Behälters
vorzunehmen, um über
das gesamte Volumen des Behälters
eine Massenbewegung zu erzeugen, die wirksam ist, selbst wenn der
Behälter
nicht voll ist.
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Die Einheit schließt insbesondere
eine Scheibe ein, die sich quer zu den unteren Bereichen des Behälters erstreckt
und mit einer Mittelöffnung versehen
ist, die von einer Vielzahl von den Umfang entlang beabstandeten Öffnungen,
die an den Rand der Scheibe angrenzen, umgeben ist.
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Eine unter der Scheibe angeordnete
Membran wird relativ zur Scheibe abwechselnd nach oben und nach
unten bewegt, wobei die Öffnungen
der Scheibe so konfiguriert sind, dass bei der Bewegung der Membran
nach oben Flüssigkeit
vorzugsweise durch die Mittelöffnung
nach oben gedrückt
wird und diese bei der Abwärtsbewegung
der Membran vorzugsweise durch die Randöffnungen nach unten gesogen
wird. Dadurch wird innerhalb des Behälters eine Wirbelbewegung erzeugt,
die dazu dient, den Inhalt des Behälters zu mischen.
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Eine solche Ausrüstung ist zwar nicht intrusiv jedoch
teuer und komplex, so dass der Mischeffekt stark von der Bewegungsfrequenz
der Membran abhängt
und nur für
zylindrische Behälter
geeignet ist.
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In einer Alternative zur obigen Vorrichtung wird
ein statischer Trichter, an dem eine Vielzahl den Umfang entlang
beabstandeter Düsenstrahlauslässe strahlenförmig angeordnet
sind, und eine luftbetriebene Doppel-Membranpumpe verwendet, die
eine Massenbewegung der Flüssigkeit
zum Trichter hin und von diesem weg erzeugt. Bei der Bewegung der Flüssigkeit
zum Trichter hin, wird die Flüssigkeit
vorzugsweise durch die Auslässe
gedrückt,
um innerhalb der unteren Bereiche des Behälters Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen,
und bei der Bewegung der Flüssigkeit
vom Trichter weg, wird die Flüssigkeit durch
die Mitte des Trichters nach unten gezogen, wobei das gesamte System
so gestaltet ist, dass innerhalb des Flüssigkeitskörpers eine Wirbelbewegung erzeugt
wird.
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Bei einem derartigen Strahlmischer
hat sich herausgestellt, das im Flüssigkeitskörper geschlossene Zellen geschaffen
werden, die unvermischt bleiben und in denen sich beträchtliche
Wärme aufstaut. Insgesamt
ist der Mischvorgang nicht zufriedenstellend.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es wäre wünschenswert, eine Mischvorrichtung
bereitstellen zu können,
die die Probleme des Stands der Technik überwindet und insbesondere
ein effektives Mischen des gesamten im Behälter enthaltenen Flüssigkeitsvolumens
auf eine wirtschaftliche und kosteneffektive Art ermöglicht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird für einen
Flüssigkeitsbehälter eine
Mischvorrichtung bereitgestellt, die aus einem hohlen Hülsenelement zum
Anordnen in den unteren Bereichen des Behälters, wobei eine Vielzahl
den Umfang entlang beabstandeter Auslässe in den oberen Bereichen
des Hülsenelements
vorgesehen ist, sowie Pumpmittel, um einen sich hin- und herbewegenden
Flüssigkeitsstrom
zu erzeugen, der auf die unteren Bereiche des Hülsenelements aufgebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass sich im Flüssigkeitsströmungsweg vom
Pumpmittel zum Hülsenelement
ein Wandler-Mechanismus befindet, der mit dem Hülsenelement zusammenwirkt und
dem sich hin- und herbewegenden Flüssigkeitsstrom ausgesetzt ist,
um so das Hülsenelement
in Abhängigkeit
vom hin- und herbewegten Strom um seine Mittellängsachse zu drehen.
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Es wird verständlich, dass bei einer solchen Anordnung
und als Ergebnis der Drehung des Hülsenelements, die bei jedem
Flüssigkeitsstoß üblicherweise
15° beträgt, die
Strahlen an aus den Auslässen
austretender Flüssigkeit
innerhalb des Behälters
in kontinuierlich verändernde
Richtungen gedreht werden, wodurch ein sorgfältiges Vermischen der Flüssigkeit
sichergestellt wird und das Entstehen jeglicher im Wesentlichen
statischen Bereiche innerhalb der Flüssigkeit, die nicht bewegt
werden, vermieden wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst
das Pumpmittel eine doppeltwirkende Membranpumpe, wobei die Hin-
und Herbewegung der Membran eine Massenbewegung der Flüssigkeit
in und aus dem Behälter
erzeugt.
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Vorzugsweise umfasst der Wandler-Mechanismus
ein Sperrklinkenrad, dass am Hülsenelement befestigt
ist, um mit diesem gedreht werden zu können, und eine oder mehrere
Sperrklinken, die so ausgebildet sind, dass sie in das Sperrklinkenrad
eingreifen und von der hin- und herbewegenden Flüssigkeit in deren Bewegungsrichtung
linear bewegbar sind.
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Praktischerweise sind zwei Sperrklinken
auf einer Halterung montiert und greifen in diametral entgegengesetzte
Zähne der
Sperrklinke ein, wobei die Hin- und Herbewegung der Flüssigkeit
zur Hin- und Herbewegung der Halterung und der daran befestigten
Sperrklinken führt,
wobei jede derartige Bewegung der Halterung zu einer darauf folgenden
schrittweisen Drehung des Hülsenelements
führt,
wobei jeder Schritt in derselben Rotationsrichtung erfolgt.
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Vorzugsweise sind zwei einander diametral entgegengesetzte
Auslässe
aus den oberen Bereichen des Hülsenelements
vorhanden, wobei jeder Auslass im Wesentlichen radial vom Hülsenelement ausgerichtet
ist.
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Das Hülsenelement und der zugeordnete Wandler-Mechanismus
kann vollständig
innerhalb der unteren Bereiche des zugeordneten Behälters angeordnet
sein, um ein nicht intrusives Mischsystem bereitzustellen.
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Alternativ dazu kann sich das Hülsenelement durch
eine Öffnung
im Behälter
erstrecken, um dessen Auslässe
innerhalb der unteren Bereiche des Behälters anzuordnen, wobei die
unteren Bereiche des Hülsenelements
und der Wandler-Mechanismus
außerhalb
des Behälters
liegen, um ein intrusives Mischsystem bereitzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ABBILDUNGEN
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1 ist
eine schematische Vertikalschnittansicht der Mischvorrichtung gemäß der Erfindung
in einem Behälter;
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2a zeigt
die Vorrichtung aus 1 in Vergrößerung;
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2b ist
eine Draufsicht des Sperrklinkenrads, der Sperrklinken und der Halterung
aus 2a;
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2c ist
eine Stirnansicht der Halterung aus 2a und 2b;
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3 ist
eine schematische Vertikalschnittansicht einer alternativen Mischvorrichtung
gemäß der Erfindung
in einem Behälter;
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4 zeigt
die Vorrichtung aus 3 in
Vergrößerung;
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5 ist
eine schematische Vertikalschnittansicht der Mischvorrichtung ähnlich der
aus 3 und 4, die den Strömungsweg
der gemischten Flüssigkeit
innerhalb des Behälters
darstellt; und
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6 und 7 zeigen jeweils schematisch eine nicht
intrusive bzw. eine intrusive Mischvorrichtung gemäß der Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezugnehmend auf die 1 und 2 ist
ein Behälter 2 dargestellt, üblicherweise
ein IBC-Behälter
zum Aufbewahren von Farbe, in dessen Bodenwand 4 eine Mischvorrichtung
gemäß der Erfindung, die
im Allgemeinen mit der Verweiszahl 6 gekennzeichnet ist,
angebracht ist.
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Die Mischvorrichtung 6 umfasst
ein zylindrisches Außengehäuse 8,
das durch die Bodenwand 4 hindurch in einem Dichtungsverhältnis mit
dieser befestigt ist, und eine hohle Hülse 10, die koaxial
innerhalb des Gehäuses 8 angeordnet
ist und relativ zu diesem auf einer Halterung 12 um ihre
Mittellängsachse
drehbar ist.
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Ein Einlass 14 in den unteren
Bereichen der Hülse 10 führt vom
ringförmigen
Volumen zwischen dem Gehäuse 8 und
der Hülse 10 in
deren hohlen Innenraum, während
in den Seitenwänden
der Hülse 10 angrenzend
an deren obere Bereiche ein Paar diametral entgegengesetzter Auslässe 16 ausgebildet sind,
wobei die Auslässe 16 durch
sich im Wesentlichen radial erstreckende Düsen 18 definiert sind.
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Ein kreisförmiges Einwegventil oder Strömungsbegrenzer 20 ist
innerhalb der Hülse 10 über dem
Einlass 14 befestigt, um ein nach oben Strömen durch
die Hülse
zu ermöglichen,
ein nach unten Strömen
durch diese jedoch zu verhindern.
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Ein ringförmiges Einwegventil oder Strömungsbegrenzer 22 ist
im kreisförmigen
Volumen zwischen dem Gehäuse 8 und
der Hülse 10 angrenzend
an die oberen Bereiche des Gehäuses 8 angebracht,
um ein durch die Pfeile 22' angedeutetes nach
unten Strömen
durch dieses ringförmige
Volumen zu ermöglichen,
ein nach oben Strömen
durch dieses jedoch zu verhindern.
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Ein ringförmiges Sperrklinkenrad 24 ist
um die unteren Bereiche der Hülse 10 herum
befestigt, um mit dieser gedreht werden zu können, wobei das Sperrklinkenrad
eine Vielzahl von externen Zähnen aufweist.
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Ein Auslassrohr 28 wird
von den unteren Bereichen des Gehäuses 8 gespeist, wobei
der im Allgemeinen mit der Verweiszahl 30 gekennzeichnete Sperrklinkenmechanismus
gleitbar im Rohr 28 angebracht ist.
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Der Mechanismus 30 umfasst
eine ringförmige
Scheibe 32, die sich quer zum Rohr 28 erstreckt, um
von diesem geführt
zu werden, wobei sich ein Bügel 34 von
der Scheibe 32 in Längsrichtung
des Rohrs 28 erstreckt, dessen einander gegenüberliegende
Arme an ihren freien Enden jeweils eine Sperrklinke 36 aufweisen.
Die Sperrklinken 36 wirken mit den Zähnen 26 des Sperrklinkenrads 24 zusammen, wie
in 2b am besten ersichtlich
ist, so dass bei jeder Vorwärts-
oder Rückwärtsbewegung
des Mechanismus 30 relativ zur Hülse 10 das Sperrklinkenrad 24 und
somit auch die Hülse 10 wie
in 2b dargestellt im
Uhrzeigersinn gedreht wird.
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An das Ende des Auslassrohrs 28 ist
eine Kammer einer doppeltwirkenden Membranpumpe angeschlossen, die
bei der Verweiszahl 38 schematisch dargestellt ist, wobei
deren Kolbenanordnung 40 zwischen den zwei Extrempositionen
hin- und herbewegbar ist, die in 2a durch
die durchzogenen Linien und die strichlierten Linien dargestellt
sind, wobei die Gesamtverschiebung der Anordnung durch den Pfeil „D" angezeigt ist.
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Ein Absperrventil 42 ist
im Auslassrohr 28 zwischen dem Mechanismus 30 und
der Pumpe 38 bereitgestellt, das selektiv betätigt werden
kann, um die Pumpe 38 mit dem Auslassrohr 28 zu
verbinden.
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Die beschriebene Vorrichtung wird
wie folgt betrieben. Bei dem die zu mischende Flüssigkeit enthaltenden Behälter 2 und
geöffnetem
Absperrventil 42, wird die Pumpe betätigt, um die Kolbenanordnung 40 hin-
und herzubewegen. Dadurch wird in der Auslasspumpe 28 eine
hin- und herbewegende Strömung
erzeugt, wie durch Pfeil „F" angedeutet, deren Wirkung
auf den Mechanismus 30 und auf die unteren Bereiche des
Behälters 2 übertragen
wird.
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Genauer gesagt, strömt, wenn
die Pumpe 38 Flüssigkeit
in Richtung des Behälters 2 pumpt,
die Flüssigkeit
durch die Mitte der Scheibe 32, durch den Einlass 14 wie
durch Pfeil „I" angedeutet, durch
das Einwegventil 20 und als Flüssigkeitsdrucksfirahl aus der
Hülse 10 durch
die Auslässe 16/Düsen 18,
wie durch Pfeil „J" angedeutet. Das
Einwegventil 22 verhindert das nach oben Strömen der
Flüssigkeit
aus dem ringförmigen
Bereich zwischen dem Gehäuse 8 und
der Hülse 10 in
den Behälter 2.
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Gleichzeitig trifft die durch die
Pumpe 38 erzeugte Strömung
auf die Scheibe 32, um den Mechanismus 30 wie
in den 2a und 2b ersichtlich nach links
zu bewegen, wodurch eine der Sperrklinken 36 in einen zugeordneten
Zahn 26 auf dem Rad 24 eingreift, um das Rad und
die zugeordnete Hülse 10 im Uhrzeigersinn
wie in 2b ersichtlich
zu drehen, während
die andere Sperrklinke 36 über einen gegenüberliegenden
zugeordneten Zahn 26 fährt.
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Bei der Rückwärtsbewegung des Kolbens 40 wird
im Auslassrohr 28 eine Umkehrströmung erzeugt und auf den Mechanismus 30 und
die Flüssigkeit
im Behälter 2 übertragen.
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Genauer gesagt, strömt die Flüssigkeit
dann aus dem Behälter 2 in
den ringförmigen
Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 8 und
der Hülse 10 sowie
durch das Einwegventil 22, wie durch die Pfeile 22' angedeutet
ist, und dann in das Auslassrohr 28, wie durch Pfeil „P" angedeutet ist.
Ein Strömen
aus der hohlen Hülse 10 in
das Auslassrohr 28 wird durch das Eingwegventil 20 verhindert.
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Die Umkehrströmung bewegt die Scheibe 32 und
somit auch den Mechanismus 30 wie in 2a dargestellt nach rechts, wodurch die
andere Sperrklinke 36 in einen zugeordneten Zahn 26 des
Rads 24 eingreift, um das Rad 24 und die zugeordnete
Hülse 10 im
Uhrzeigersinn, wie in 2b ersichtlich, weiterzudrehen,
wobei die eine Sperrklinke 36 über einen gegenüberliegenden
zugeordneten Zahn fährt.
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Es versteht sich daher, dass die
Pumpe 38 einen konstant pulsierenden Flüssigkeitsstrom im Auslassrohr 28 erzeugt,
dessen Energie dafür
verwendet wird, die Hülse 10 durch
den Mechanismus 30 zu drehen und gleichzeitig Flüssigkeitspulse
oder -strahlen zu erzeugen, die aus den Düsen 18 austreten.
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Die Strahlen werden in den Flüssigkeitskörper gelenkt,
wie in 6 ersichtlich
ist, und dienen dazu, eine wie durch die Pfeile in dieser Figur
angedeutete Mischströmung
zu erzeugen.
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Die Pumpe 38 wird üblicherweise
mit einer Frequenz von 60 Impulsen pro Minute betrieben, wobei die
Hülse 10 durch
jeden Impuls der Pumpe um typischerweise 15° gedreht wird.
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Die sich konstant drehende Hülse 10 und
die sich folglich konstant verändernden
Positionen der Düsen
im Behälter 2 versichern
ein äußerst gründliches
Mischen der Inhalte des Behälters 2.
Je nach Anwendung können
die Düsen 18 von
der Horizontalen nach oben und/oder nach unten ausgerichtet sein.
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Wenn das Mischen abgeschlossen ist,
wird das Absperrventil 42 geschlossen und die Pumpe 38 wird
aus dem Rohr 28 entfernt, um eine Abgabe der Inhalte des
Behälters 2 zu
ermöglichen.
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Alternativ dazu kann eine T-Verbindung
im Rohr 28 bereitgestellt werden, um eine Abgabe ohne Entfernung
der Pumpe 38 zu ermöglichen.
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Die 1 und 2 veranschaulichen ein intrusives
Mischsystem, bei dem sich der Mischkopf der Vorrichtung 6 durch
eine Wand des Behälters 2 erstrecken.
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Die 3 und 4 veranschaulichen ein System,
das als nicht intrusives System bezeichnet werden könnte, bei
dem der Mischkopf der Vorrichtung 6 vollständig innerhalb
des Behälters 2 angeordnet
ist.
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Bezugnehmend auf die 3 und 4 ist
eine alternative Mischvorrichtung dargestellt, bei der die mit den 1 und 2 übereinstimmenden
Komponenten ähnlich
gekennzeichnet sind.
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Der grundlegende Betrieb der Ausführungsform
aus den 3 und 4 ist genau derselbe wie
der der Ausführungsform
aus 1 und 2, wobei der einzige Unterschied
in der Position des Einwegventils 22 und dem Strömungsweg
der Flüssigkeit
aus dem Behälter
in das Auslassrohr 28 besteht.
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Das Ventil 22 oder der Strömungsbegrenzer 22 ist
am unteren Ende des Gehäuses 8 angeordnet, so
dass bei einer Rückwärtsbewegung
der Kolbenanordnung 40 der Pumpe 38 – d. h.
wie in 4 ersichtlich
nach rechts – Flüssigkeit
durch das Ventil 22 in den ringförmigen Zwischenraum zwischen
dem Gehäuse 8 und
der Hülse 10,
wie durch Pfeil „S" ersichtlich, sowie
in das Auslassrohr 28 strömt, um den Mechanismus 30 nach
rechts zu bewegen.
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Die durch die Ausführungsform
der 3 und 4 erzeugte Strömung ist
in 5 veranschaulicht.
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Somit wird eine Mischvorrichtung
bereitgestellt, die große
Volumina an Flüssigkeit
effizient und effektiv gründlich
mischen kann. Obwohl die Vorrichtung in erster Linie dafür entwickelt
worden ist, Beschichtungsmittel wie Farbe zu mischen, kann sie auch
bei einer Vielzahl von anderen Substanzen eingesetzt werden, wie
Arzneimittel, Spezialchemikalien, Nahrungsmittel, Mischungen, die
eine Gasschicht benötigen,
sowie jegliche Substanz, die von der Umgebung isoliert werden muss.
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Die Mischvorrichtung kann mittels
einfachen Werkzeugen problemlos auf Standard-IBC-Behälter montiert werden, wobei
das System so ausgebildet ist, dass der Benutzer das Produkt mischen
kann, ohne die Unversehrtheit des Produkts zu gefährden oder
auf Spezialbehälter
ausweichen zu müssen.
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Alternativ dazu und wie in den 3 und 4 veranschaulicht ist, kann die Mischvorrichtung
innerhalb der unteren Bereiche eines Behälters montiert sein und durch
das Zusammenwirken mit der Innenwand des Auslassrohrs in ihrer Position
gehalten werden, wenn dieses aus dem Behälter austritt.
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In sämtlichen Fällen stellt der pneumatische Antrieb
der Pumpe eine hin- und herbewegende Vorwärts- und Rückwärtsbewegung innerhalb der Flüssigkeit
im Auslassrohr bereit, deren Energie dafür verwendet wird, die Auslassdüsen zu drehen,
um eine umfassende Bewegung der Flüssigkeit innerhalb des Behälters und über das
Volumen der Flüssigkeit
zu erzeugen.
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Die Frequenz der Pumpe und das Drehausmaß der Hülse pro
Flüssigkeitsimpuls
können
so gewählt
werden, dass sie an die jeweiligen Anforderungen des Produkts und
der Anwendung angepasst sind.
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Die genaue Konstruktion der Vorrichtung kann
natürlich
von der beschriebenen und veranschaulichten abweichen, ohne dass
dabei der Schutzumfang der Erfindung überschritten wird. Insbesondere
der Wandler-Mechanismus zum Umwandeln der Strömungsenergie der Flüssigkeit
in eine Drehung der Strahlen kann anders gestaltet sein, als der oben
erläuterte
Sperrklinken/Sperrklinkenrad-Mechanismus, wobei die hin- und herbewegende
Strömung
innerhalb des Auslassrohrs anders erzeugt werden kann als durch
eine Doppel-Membranpumpe und mehr als zwei Strahlen pro Hülse angeordnet sein
können.
Weitere Modifikationen und Abänderungen
sind für
Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich.