EP0599010A1 - Doppel-Impeller zum Rühren von sterilen Flüssigkeiten - Google Patents

Doppel-Impeller zum Rühren von sterilen Flüssigkeiten Download PDF

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EP0599010A1
EP0599010A1 EP93115169A EP93115169A EP0599010A1 EP 0599010 A1 EP0599010 A1 EP 0599010A1 EP 93115169 A EP93115169 A EP 93115169A EP 93115169 A EP93115169 A EP 93115169A EP 0599010 A1 EP0599010 A1 EP 0599010A1
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stirring
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    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/45—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers
    • B01F33/453—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers using supported or suspended stirring elements
    • B01F33/4535—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers using supported or suspended stirring elements using a stud for supporting the stirring element
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    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/40—Mounting or supporting mixing devices or receptacles; Clamping or holding arrangements therefor
    • B01F35/41—Mounting or supporting stirrer shafts or stirrer units on receptacles
    • B01F35/411—Mounting or supporting stirrer shafts or stirrer units on receptacles by supporting only one extremity of the shaft
    • B01F35/4112—Mounting or supporting stirrer shafts or stirrer units on receptacles by supporting only one extremity of the shaft at the bottom of the receptacle, e.g. by studs

Definitions

  • the invention relates to an impeller for stirring, in particular of sterile liquids, consisting of an impeller head with stirring tools and an opening arranged at the bottom for receiving a pin in a central cavity, the impeller being non-contact, inductive or magnetic, drivable.
  • Such an impeller is known, for example, from American Patent 4,993,841 and EP-A1 0 399 972.
  • the impellers have a plurality of stirring blades which extend radially outward as stirring tools.
  • a flow is generated in the container, which causes a vortex-like flow in the container liquid with the impeller as the center.
  • a vacuum is thus formed above the impeller, which can be cone-shaped in the direction of the impeller by the suction of the liquid.
  • the negative pressure prevailing in this area is undesirable since it favors the gas entry into the liquid and causes foam to form in some liquids.
  • the object of the invention is to generate a different flow in the container which also has an improved mixing and stirring effect.
  • the stirring tool is designed as a propeller, which has an upward flow-generating direction of rotation and, in the lower region, additionally generates flow Surfaces are provided which allow a flow in the opposite direction to the flow caused by propellers to develop below or to the side.
  • the negative pressure zone in the center is more than compensated for by the upward flow generated by the propeller, so that undesired gas entry is avoided. Foaming effects are reduced. Due to the opposite flow in the lower area, the axial forces of the propeller are partially compensated. The life expectancy of the bearings is advantageously increased.
  • the lower flow-generating surfaces are designed as wings on the impeller. Depending on the position and size of the blades, the axial forces acting on the impeller can be almost completely compensated.
  • the lower flow-generating surfaces are designed as a turbine-shaped lower end surface of the impeller. This maintains the stirring effect even at low filling levels.
  • the measure that at least one connecting line is provided between the central cavity and the outer surface serves to constantly flush the inner cavity of the impeller with liquid, which makes cleaning the impeller easier.
  • 1 denotes the drive shaft of a drive unit of an impeller head 2, which does not have further details and which carries a propeller with a plurality of propeller blades 3 on a shaft stub 20 as a stirring tool.
  • the impeller head 2 is arranged in the lower part of a container, the lower container wall 4 of which is shown in broken lines.
  • a mounting flange 5 is welded into this wall, which has a pin 6 pointing towards the inside of the container and is hollow on the inside.
  • the drive shaft 1 projects into this cavity of the journal 6 and carries at its upper end a magnetic disk 7 equipped with a plurality of permanent magnets.
  • the mounting flange 5 is usually made of non-magnetic steel.
  • the upper part of the pin 6 is shaped as a cylindrical seat 8 of a bearing 9.
  • Bearing 9 is used for rotatably fixing the impeller head 2 with the seat 10 screwed in.
  • Inside the impeller head 2 a number of oppositely polarized permanent magnets 11 are arranged opposite the magnetic disk 7, so that the magnetic forces between the magnetic disk 7 and the permanent magnet 11 cause a contactless torque Drive shaft 1 can be transferred to impeller head 2.
  • the lower end face 12 of the impeller 2 is shaped by correspondingly milled grooves 13 in such a way that a pump effect results when the impeller head 2 is rotated.
  • Figure 2 shows a horizontal section of the impeller head according to section line II-II in Figure 1, the container-side parts are not shown for the sake of clarity.
  • the grooves 13 are shown in broken lines. Due to the arrangement of the grooves 13 similar to a paddle wheel, when the impeller head 2 rotates in the direction of the arrow 14, a pump effect is produced, which produces a flow directed outwards from the cavity 15 of the impeller head 2, which is indicated by arrows 16. The liquid drawn off from the central cavity 13 is supplemented by the line 17 connecting the cavity 15 to the surface 19 of the impeller head 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Impeller zum Rühren, insbesondere von sterilen Flüssigkeiten, bestehend aus einem Impellerkopf (2) mit einem Rührwerkzeug (3) und einer unten angeordneten Öffnung zur Aufnahme eines Zapfens (6) in einem zentralen Hohlraum, wobei der Impeller berührungslos, induktiv oder magnetisch, antreibbar ausgebildet ist, wobei das Rührwerkzeug als Propeller ausgebildet ist, der eine nach oben gerichtete Strömung erzeugende Drehrichtung aufweist, und im unteren Bereich zusätzlich strömungserzeugende Flächen (12,18) vorgesehen sind, die eine der vom Propeller bewirkten Strömung entgegengesetzt gerichtete Strömung nach unten oder seitlich entstehen lassen. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Impeller zum Rühren, insbesondere von sterilen Flüssigkeiten, bestehend aus einem Impellerkopf mit Rührwerkzeugen und einer unten angeordneten Öffnung zur Aufnahme eines Zapfens in einem zentralen Hohlraum, wobei der Impeller berührungslos, induktiv oder magnetisch, antreibbar ausgebildet ist.
  • Ein derartiger Impeller ist zum Beispiel aus dem amerikanischen Patent 4,993,841 und der EP-A1 0 399 972 bekannt. Die Impeller weisen eine Vielzahl von sich radial nach außen erstreckende Rührblätter als Rührwerkzeuge auf. Im eingebauten Zustand wird im Behälter eine Strömung erzeugt, die in der Behälterflüssigkeit eine strudelartige Strömung mit dem Impeller als Mittelpunkt bewirkt. Oberhalb des Impeller bildet sich also ein Unterdruck, der durch den Sog die Oberflache der Flüssigkeit sich kegelförmig in Richtung des Impellers ausstülpen läßt. Der in diesem Bereich herrschende Unterdruck ist unerwünscht, da er den Gaseintrag in die Flüssigkeit begünstigt und bei einigen Flüssigkeiten Schaum entstehen läßt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine andere Strömung im Behälter zu erzeugen, die darüber hinaus eine verbesserte Misch- und Rührwirkung aufweist.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daS das Rührwerkzeug als Propeller ausgebildet ist, der eine nach oben gerichtete Strömung erzeugende Drehrichtung aufweist und im unteren Bereich zusätzlich strömungserzeugende Flächen vorgesehen sind, die eine der von Propeller bewirkte Strömung entgegengesetzt gerichtete Strömung nach unter oder seitlich entstehen lassen. Die im Zentrum vorhandene Unterdruckzone wird durch die vom Propeller erzeugte, nach oben gerichtete Strömung mehr als kompensiert, so daS ein unerwünschter Gaseintrag vermieden wird. Effekte der Schaumbildung werden vermindert. Durch die im unteren Bereich entgegengesetzte Strömung werden die axialen Kräfte des Propellers teilweise kompensiert. Die Lebenserwartung der Lager wird vorteilhaft erhöht.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die unteren strömungserzeugenden Flächen als Flügel am Impeller ausgebildet sind. Je nach Anstellung und Größe der Flügel können die auf den Impeller wirkenden Axialkräfte fast vollständig kompensiert werden.
  • In andere Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die unteren strömungserzeugenden Flächen als turbinenartig ausgebildete untere Stirnfläche des Impellers ausgebildet sind. Auch bei geringen Füllhöhen wird die Rührwirkung hierdurch aufrechterhalten.
  • Die Maßnahme, daß zwischen zentralem Hohlraum und der äußeren Oberfläche mindestens eine verbindenden Leitung vorgesehen ist, dient dazu, den inneren Holraum des Impellers ständig mit Flüssigkeit zu spülen, was die Reinigung des Impeller erleichtert.
  • Die beste Rührwirkung wird erzielt, wenn der Propeller einen Abstand zur unteren Impellerstirnfläche aufweist, der dem einfachen bis zweifachen des Propellerdurchmessers entspricht, vorzugsweise dem 1½-fachen entspricht.
  • Die Erfindung wird in Zeichnungen beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Zeichnungen zu entnehmen sind. Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:
    • Fig. 1
    einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Doppel-Impeller mit turbinenartig ausgebildeter unterer Stirnfläche,
    Fig. 2
    einen Horizontalschnitt entsprechende Schnittlinie II-II in Figur 1,
    Fig. 3
    einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Doppel-Impeller mit Flügeln im unteren Bereich und
    Fig. 4
    einen Horizontalschnitt entsprechend Schnittlinie IV-IV in Figur 3.
  • In Figur 1 bezeichnet 1 die Antriebswelle einer nicht weiter detaillierten Antriebseinheit eines Impellerkopfes 2, der an einem Wellenstummel 20 als Rührwerkzeug einen Propeller mit mehreren Propellerblättern 3 trägt. Der Impellerkopf 2 ist im unteren Teil eines Behälters angeordnet, dessen untere Behälterwandung 4 in unterbrochener Linienführung dargestellt ist. In diese Wandung ist ein Montageflansch 5 eingeschweißt, der zum Inneren des Behälters weisend einen Zapfen 6 aufweist und innen hohl ausgeführt ist. In diesen Hohlraum des Zapfens 6 ragt die Antriebswelle 1 hinein, die an ihrem oberen Ende eine mit mehreren Permanentmagneten bestückte Magnetscheibe 7 drehfest trägt.
  • Der Montageflansch 5 ist meist aus nicht-magnetischem Stahl gefertigt. Der obere Teil des Zapfens 6 ist als zylindrische Sitzfläche 8 eines Lagers 9 geformt. Lager 9 dient zur drehbaren Fixierung des Impellerkopfes 2 mit eingedrehter Sitzfläche 10. Im Inneren des Impellerkopfes 2 sind der Magnetscheibe 7 gegenüberliegend eine Anzahl entgegengesetzt polarisierter Permanentmagnete 11 angeordnet, so daß sich durch die magnetischen Kräfte zwischen Magnetscheibe 7 und dem Permanentmagneten 11 berührungsfrei ein Drehmoment von Antriebswelle 1 auf Impellerkopf 2 übertragen läßt.
  • Die untere Stirnfläche 12 des Impellers 2 ist durch entsprechend eingefräste Nuten 13 so geformt, daß sich bei Drehen des Impellerkopfes 2 ein Pumpeffekt ergibt.
  • Figur 2 zeigt einen horizontalen Schnitt des Impellerkopfes gemäß Schnittlinie II-II in Figur 1, wobei die behälterseitigen Teile der Übersicht halber nicht dargestellt sind. In unterbrochener Linienführung sind die Nuten 13 gezeigt. Durch die einem Schaufelrad ähnelnde Anordnung der Nuten 13 ergibt sich bei Drehung des Impellerkopfes 2 in Pfeilrichtung 14 ein Pumpeffekt, der eine aus Hohlraum 15 des Impellerkopfes 2 nach außen gerichtete Strömung erzeugt, die durch Pfeile 16 angedeutet ist. Ergänzt wird die aus dem zentralen Hohlraum 13 abgesaugte Flüssigkeit durch die den Hohlraum 15 mit der Oberfläche 19 des Impellerkopfes 2 verbindende Leitung 17.
  • Die Propellerblätter 3 sind so angestellt, daß sich beim Drehen des Impellerkopfes infolge der Rührkräfte eine nach unten gerichtete Axialkraft ausbildet als Reaktionskraft einer senkrecht nach oben gerichteten Strömung.
  • Durch die als Pumpenlaufrad ausgebildete untere Fläche 13 des Impellerkopfes 2 wird bei einem Antrieb in Pfeilrichtung 14 ein Unterdruck in Hohlraum 15 erzeugt, der eine zusätzliche Axialkraft bewirkt, die ebenfalls nach unten gerichtet ist. Sind jedoch zusätzliche Flügel 18 am Impellerkopf 2 angebracht, deren Anstellung bei Drehen des Impellers in Pfeilrichtung 14 so gewählt ist, daß daraus eine zusätzliche nach unten gerichtete Strömung erzeugt wird, so werden die Axialkräfte der Propellerblätter 3 teilweise kompensiert und eine besonders intensive Rühr- und Mischwirkung in der Behälterflüssigkeit erreicht, ohne die Lebenserwartung der Lager nachteilig zu beeinflussen.
  • Die turbinenartige Ausgestaltung der unteren Stirnfläche 12 des Impellers sowie die Flügel 18 im unteren Bereich des Impellers können auch in ihrer Wirkung kombiniert werden.
  • Dadurch ergibt sich ein Impellerkopf mit besonders intensiver Ruhr- und Mischwirkung, der auch bei niedrigen Füllhöhen unterhalb des Niveaus der Propellerflügel noch eine Rührwirkung aufweist. Außerdem ist er durch seine selbstreinigende Konstruktion besonders für den biotechnologischen Einsatz, z.B. in Fermentern, geeignet. In derartigen Einsatzfeldern bewährt sich auch das erzeugte andersgeartete Strömungsfeld, weil die Konstruktion der Schaumbildung entgegenwirkt.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Antriebswelle
    2
    Impellerkopf
    3
    Propellerblätter
    4
    Behälterwandung
    5
    Montageflansch
    6
    Zapfen
    7
    Magnetscheibe
    8
    Sitzfläche
    9
    Lager
    10
    Sitzfläche
    11
    Permanentmagnet
    12
    untere Fläche
    13
    Nuten
    14
    Pfeilrichtung
    15
    Hohlraum
    16
    Pfeile
    17
    verbindende Leitung
    18
    Flügel
    19
    äußere Oberfläche
    20
    Wellenstummel

Claims (5)

  1. Impeller zum Rühren, insbesondere von sterilen Flüssigkeiten, bestehend aus einem Impellerkopf (2) mit einem Rührwerkzeug und einer unten angeordneten Öffnung zur Aufnahme eines Zapfens (6) in einem zentralen Hohlraum (15), wobei der Impeller berührungslos, induktiv oder magnetisch, antreibbar ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührwerkzeug (3) als Propeller ausgebildet ist, der eine nach oben gerichtete Strömung erzeugende Drehrichtung aufweist, und im unteren Bereich zusätzlich strömungserzeugende Flächen vorgesehen sind, die eine der vom Propeller bewirkten Strömung entgegengesetzt gerichtete Strömung nach unten oder seitlich entstehen lassen.
  2. Impeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren strömungserzeugenden Flachen als Flügel (18) am Impeller ausgebildet sind.
  3. Impeller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren strömungserzeugenden Flächen als turbinenartig ausgebildete untere Stirnfläche (12) des Impellers ausgebildet ist.
  4. Impeller nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zentralem Hohlraum (15) und der äußeren Oberflache (19) mindestens eine verbindenden Leitung (17) vorgesehen ist.
  5. Impeller nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Propeller (3) einen Abstand zur unteren Impellerstirnfläche (12) aufweist, der dem einfachen bis zweifachen des Propellerdurchmessers entspricht, vorzugsweise dem 1½-fachen entspricht.
EP93115169A 1992-10-01 1993-09-21 Doppel-Impeller zum Rühren von sterilen Flüssigkeiten Expired - Lifetime EP0599010B1 (de)

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