GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetrührwerk mit einem Spalttopf und einem Rührkopf. Dabei weist der Spalttopf einen Antriebsabschnitt auf, in dem eine drehbare, mit einem Antrieb gekoppelte Magnetanordnung angeordnet ist. Diese ist magnetisch mit einer Magnetanordnung gekoppelt, die in einem Antriebsring des Rührkopfes, der den Antriebsabschnitt umgibt, angeordnet ist. Am Spalttopf ist ein Lagerzapfen angeordnet, der mit einer am Rührkopf angeordneten Lagerhülse ein Gleitlager bildet.

Solche Magnetrührwerke werden überwiegend in der Prozesstechnik und insbesondere in der Steriltechnik verwendet. Sie sind geeignet, um Flüssigkeitsvolumina von 2 Liter bis zu 50 m ³ in einem hermetisch gekapselten Prozessraum bzw. Prozessbehälter zu durchmischen. Solche Prozessbehälter sind meist als stehender zylindrischer Behälter ausgelegt, bei denen das Magnetrührwerk in dem gewölbten Boden etwas exzentrisch angeordnet ist und so durch die asymmetrische Mischwirkung eine vollständige Durchmischung des Rührmediums erreicht. Ein Magnetrührwerk für den Einbau im Boden ist beispielsweise aus der EP 1 748 201 Bl bekannt.

Es gibt auch Ausführungen (siehe z.B. EP 0 590 472 Bl), bei denen der so genannte Spalttopf als längeres einseitig offenes Rohr ausgebildet ist, an dessen Ende der Antriebs-und Lagerabschnitt angeordnet ist. So ein Rührwerk wird dann beispielsweise von oben in den Prozessbehälter eingehängt. Die am unteren Ende im Inneren des Rohres angeordnete drehbare Magnetanordnung wird dann beispielsweise über eine gegebenenfalls gelagerte Welle mit einem Antriebsmotor gekoppelt, der außerhalb des Rohres angeordnet sein kann.

Figur 2 zeigt den Aufbau so eines Gleitlagers. Der Spalttopf, der über seinen Kragen oder Flansch mit einem Behälter verbunden ist (verschweißt oder verschraubt), trägt an seinem (oberen) Boden einen Lagerzapfen, auf den eine Lagerbuchse L aufgeschoben ist, die über einen Bolzen B gegen Verdrehen gesichert ist, und mit ihrer Schulter im Fußbereich (Übergang Lagerzapfen zum Spalt- topfboden) über einen O-Ring O zum Lagerzapfen hin abgedichtet ist. Die Lagerbuchse ist über eine Halteschraube S fixiert, die über ein in den Lagerzapfen eingebrachtes Gewinde mit diesem verschraubt ist. Zwischen dem Kopf der Halteschraube und der Stirnfläche der Lagerbuchse ist ebenfalls ein O-Ring O angeordnet, um die Hohlräume H im Inneren der Lagerbüchse gegen die Produktumgebung abzudichten. Der eigentliche Rührkopf weist einen Lagerring R auf, der auf eine Lagerhülse aufgeschrumpft ist, die auf die Lagerbuchse L aufgesteckt wird und von dieser axial (nach unten) und radial geführt wird. Über Rührelemente ist der Lagerring mit einem Antriebsring gekoppelt, der Permanentmagnete enthält, die magnetisch mit Antriebsmagneten gekoppelt sind, die in einem Antriebsabschnitt des Spalttopfs angeordnet sind.

Bei dieser Lageranordnung besteht das Problem, dass im Betrieb— zum Beispiel durch Temperaturschwankungen, Eigenschaften des Rührgutes (kriechende Öle etc.), Reinigungsvorgänge etc.— Produktreste, Reinigungsmittel oder Wasserdampf trotz der Dichtungen O in die Hohlräume H zwischen Lagerbuchse und Lagerzapfen gelangen können. Diese Verunreinigungen können nur entfernt werden, indem das Lager komplett zerlegt wird. Dazu muss entweder der Spalttopf entnommen und demontiert werden oder— bei einem eingeschweißten Spalttopf— der Rührbehälter muss betreten werden. Bleiben die Hohlräume H ungereinigt, können die dort vorhandenen Reste ggf. sogar keimbelastet werden und das Rührgut kontaminieren. Solche Verunreinigungen sind bei der weitgehend aseptischen Herstellung von Pharmaprodukten oder Lebensmitteln nicht akzeptabel.

Es gibt auch Ausführungen bei denen eine Lagerbuchse auf den Lagerzapfen aufgesteckt und dort verklebt ist. (siehe z.B. DE 11 2006 000 814 T5). Der in der Klebefuge vorhandene Kleber ist dabei aus einem anderen Werkstoff als die Lagerbuchse ausgebildet, dem Rührgut direkt ausgesetzt und kann so bei Reaktionen mit dem Rührgut Verunreinigungen verursachen oder beim Reinigen ausgewaschen werden. Ein so entstandener Spalt nimmt u.U. Rückstände, die zu weiteren Verunreinigungen führen können

Um solche Verunreinigungen zu minimieren, gibt es den Ansatz, auf die Lagerbuchse am Lagerzapfen zu verzichten und den Rührkopf direkt mit der Lagerhülse auf dem Lagerzapfen lagern. Die üblicherweise in solchen Rührbehältern verwendeten austenitischen Stahlwerkstoffe (1.4301; 1.4404; 1.4462) haben jedoch vergleichsweise schlechte tribologische Eigenschaften. Es kann so beim Betrieb des Rührwerks metallischer Abrieb auftreten, der ebenfalls das Rührgut verunreinigen würde. Die WO 2011 /049492 AI zeigt einen getrennten Lagerzapfen (ggf. aus einem anderen für Gleitlagerzwecke besser geeigneten Werkstoff), der auf den Spalttopf aufgesetzt ist. Auch hier bleibt jedoch das Problem einer Fuge bestehen, die zwischen Spalttopf und Lagerzapfen notwendig ist und gegebenenfalls verunreinigt werden kann.

Es wird auch ein Spalttopf aus Kunststoff (vgl. EP 1 748 201 Bl) vorgeschlagen, an den der Lagerzapfen einstückig angeformt ist. Hier ist zwar das Fugenproblem gelöst, es bleibt aber die Abriebproblematik bestehen, auch wenn die tribologischen Eigenschaften eines Kunststoffes in Verbindung mit einem metallischen oder keramischen Lagerring verbessert sein können. Außerdem hat ein Spalttopf mit einem daran angeformten Lagerzapfen aus Kunststoff möglicherweise auch nicht die erforderliche Festigkeit, um die über den Lagerring auf den Lagerzapfen übertragenen Lagerkräfte aufzunehmen. Dies gilt insbesondere für hochviskoses, heterogenes und/ oder heißes Rührgut.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, ein verbessertes Magnetrührwerks zur Verfügung zu steüen, bei dem die oben angegebenen Nachteile wenigstens teilweise ausgeräumt sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung stellt die vorliegende Erfindung ein Magnetrührwerk bereit, welches einen Spalttopf und einen Rührkopf aufweist, und der Spalttopf einen Antriebsabschnitt umfasst, in dem eine drehbare Magnetanordnung angeordnet ist, die magnetisch mit einer Magnetanordnung gekoppelt ist, die in einem den Antriebsabschnitt umgebenden Antriebsring des Rührkopfes angeordnet ist, und einen als Lagerzapfen ausgebildeten Lagerabschnitt, der mit einer am Rührkopf angeordneten Lagerbuchse eine Gleitlagerpaarung bildet, wobei der Lagerzapfen (11) mit einer rohrförmigen ersten Lagerschicht (15) beschichtet ist, die gegenüber einem Lagerzapfenwerkstoff eine erhöhte Härte aufweist und stoffschlüssig mit dem Lagerzapfen (11) verbunden ist.

So eine zusätzliche Lagerschicht, die stoffschlüssig mit dem Lagerzapfen verbunden ist, stellt zum einen eine stabile und abriebfeste Gegenfläche für die im Rührkopf angeordnete Lagerbuchse bereit.

Beschichten bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein formloser Stoff (Pulver, Flüssigkeit, Dampf, Gasbestandteile) auf die Werkstückoberfläche (hier Lagerzapfen bzw, Spalttopf) aufgebracht wird (z.B. durch chemische, mechanische, thermische und/oder thermomechanische Verfahren). Beschichten stellt sicher, dass eine die Lagerschicht bildende Beschichtung spaltfrei und der Werkstückgeometrie - z.B. ein Beschichtungsbett - exakt folgend ausgebildet wird.

Härteverfahren, bei denen Stoffe in der Werkstückoberfläche angereicherte werden (Dotierung, Diffusion, etc.) werden in diesem Zusammenhang auch als Beschichtungsverfahren angesehen.

Weiter verhindert die stoffschlüssige Verbindung mit dem Lagerzapfen jede Art von Spalten oder Hohlräumen, die zu Verunreinigungen des Rührgutes führen können. Es können also sowohl die hohen Anforderungen an die Reinheit bzw. die Reinigungseigenschaften erfüllt werden als auch die an eine stabile und abriebarme Lagerpaarung im Gleitlager.

Weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der beigefügten Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen. KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ausführangsformen der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Teilschnittdarstellung, eines erfindungsgemäßen Magnetrührwerks,

Fig. la eine vergrößerte Darstellung des Details A aus Fig. 1 mit einem Beschichtungsbett,

Fig. b eine vergrößerte Darstellung des Details A aus Fig. 1 mit einem anderen Beschichtungsbett und

Fig. 2 eine Teilschnittdarstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Magnetrührwerks. BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetrührwerk. Vor einer detaillierten Beschreibung folgen zunächst allgemeine Erläuterungen zu den Ausführungsformen.

Bei einer Ausführung weist neben dem Lagerzapfen selbst ein den Lagerzapfen umgebender Fußbereich eine ringscheibenförmige 2. Lagerschicht mit erhöhter Härte auf, welche stoffschlüssig mit dem Fußbereich verbunden ist. Diese Lagerschicht bildet beim anfahren oder abbremsen des Rührkopfes eine Gleidagerpaarung mit der Stirnfläche des Rührkopfes, die sich beim anfahren oder abbremsen auf dieser Lagerfläche absetzt. Diese Ausführung ist insbesondere bei solchen Rührwerken nützlich, bei denen die Rührflügel (Impeller) so ausgebildet sind, dass sie beim rühren eine Axialkraft aufbauen, die den Rührkopf axial auf dem Lagerzapfen anhebt. Diese Hubkraft tritt jedoch erst ab einer gewissen Drehzahl und bei bestimmten Eigenschaften des Rührmediums (Viskosität, Dichte) auf.

Bei einer Ausführung, bei welcher die 1. und 2. Lagerschicht, nämlich die zylindrische und ringscheibenförmige Lagerschicht, nahdos ineinander übergehen, kann verhindert werden das sich im Übergang festigkeitsbeeinträchtigende Kerbwirkungen bemerkbar machen oder Oberflächenfehler auftreten, welche die Reinigung beeinträchtigen könnten.

Bei einer Ausführung bei welcher der Spalttopf und Lagerzapfen aus einem austenitischen rostfreien Stahlwerkstoff ausgebildet sind, stehen ihm Prozessbehälter Innenraum überall Oberflächen zur Verfügung, die gegen eine Vielzahl von chemischen Produkten beständig sind und hervorragende Reinigungseigenschaften aufweisen.

Es gibt Ausführungen bei denen die Lagerschicht (Schichten) als so genannte DLC Schichten ausgeführt sind. So eine amorphe diamantartige Kohlenstoffschicht (ADLC) ist homogen und gut haftend, bietet Reibkoeffizienten, die zwischen 0,02 und 0,1 gegen unterschiedliche Reibpartner liegen, ist beständig gegen eine Vielzahl von Säuren und Basen, weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf und ist temperaturbeständig bis zu 300 °C. Übliche Schichtdicken liegen zwischen 1 und 4 μιτι vorzugsweise zwischen 2 und 3 μηι bei Stahlwerkstoffen.

Es gibt auch Ausführungen, bei denen die Lagerschicht mehrlagig aufgebaut ist. Dabei haben sich außen Schichten aus Aluminiumoxid bzw. Zirkoniumoxid bewährt. Solche Keramik-Beschichtungen werden mit Plasmaverfahren auf den Stahl aufgetragen. Die Schichtdicken betragen dabei zwischen 2 μιτι und 2 mm.

Es gibt auch Ausführungen, bei denen die Lagerschicht über ein Härteverfahren, nämlich durch Niedertemperatur-Nitrokarburieren aufgebracht wird. Dabei wird im Ausgangsmaterial eine 10-30 μη starke, stickstoffangereicherte Randschicht ausgebildet, die ebenfalls gute Gleiteigenschaften aufweist.

Es gibt auch Ausführungen, bei denen die elektrische Leitfähigkeit der Lagerschicht erhöht ausgebildet ist (der Durchgangswiderstand ist dann kleiner als 10 ⁶ Ohm). Damit können elektrostatische Effekte beim Rühren verringert werden (z.B. eine elektrostatische Aufladung der Oberflächen am Lagerzapfen bzw. an der Lagerhülse). Damit werden kritische Funkenendadungen verhindert, die bei brennbaren oder explosiven Rührmedien (insbesondere Schüttgüter) zu Verbrennungen, Explosionen oder Verpuffungen führen können. Bei Beschichtungen, die einen sehr niedrigen Leitwert aufweisen, kann die unerwünschte elektrostatische Aufladung auch dadurch verhindert werden, dass in der Beschichtungsoberfläche Mikrorisse vorhanden sind, die ein Abfließen der Ladungen über den Spalttopf erlauben.

Bei einer Ausführung weist die im Lagerring angeordnete Lagerhülse eine zylindrische Radialgleitfläche auf, welche mit der ersten Lagerschicht zusammenwirkt, und eine ebene Axialgleitfläche, welche mit der zweiten Lagerschicht zusammenwirkt. Damit wird bei allen Betriebszuständen (Anfahren, Anhalten, Dauerbetrieb) die erforderliche Gleidagerpaarung über besonders behandelte Flächen und Werkstoffe sichergestellt.

Die Ausführung der Lagerhülse aus einem Siliziumkarbid-Werkstoff bietet eine besonders verschleißarme, beständige, und trockenlauffeste Lagerung des Rührkopfes, insbesondere in Verbindung mit einer ADLC-Beschichtung am Lagerzapfen.

Dass Einschrumpfen der Lagerhülse in den am Rührkopf angeordneten Lagerring stabilisiert zum einen die Lagerhülse gegen Stoßbeanspruchungen und bietet zum anderen einen definierten, zentrierten Sitz am Lagerring. Zum Einschrumpfen oder Einpressen wird der Lagerring erwärmt, der sich dadurch aufweitet, die Lagerhülse wird eingesetzt, der Lagerring kühlt sich danach ab, schrumpft im Durchmesser und bildet so eine formschlüssige Verbindung zur Lagerhülse. Bei einer Ausführung, bei der der Lagerring über eine Impelleranordnung mit dem Antriebsring verbunden ist, lässt sich die Impellergeometrie und -Wirkungsweise weitgehend frei gestalten.

Darüber hinaus ist es auch möglich, den Spalt im Antriebsabschnitt zwischen der Magnetanordnung des Rührkopfes und der im Inneren des Spalttopfes beim Rühren mit dem Rührmedium ständig zu spülen. Auf diese Weise können Verschmutzungen und Produktablagerungen im Bereich des Rührwerks verringert oder ganz verhindert werden. Beim Reinigen des Rührwerks bzw. des Prozessbehälters kann beim Betrieb des Rührwerks während der Reinigung ein zusätzlicher Spüleffekt erreicht werden, der alle Rührwerkskomponenten restlos von Produktanhaftungen befreit.

Zurückkommend zu Fig. 1 zeigt diese den Aufbau eines erfindungsgemäßen Magnetrührwerks 1 im Teilschnitt. Das Magnetrührwerk 1 umfasst einen Rührkopf 2 und einen Spalttopf 3, der in einen Prozessbehälter 4 eingesetzt ist. In einem hohlen Antriebsabschnitt 5, der topfartig ausgebildet ist, sitzt im Inneren eine drehbare Magnetanordnung 6 die über eine Antriebswelle 7 mit einem nicht weiter dargestellten Antriebsmotor verbunden ist.

Der Rührkopf 2 umfasst einen Lagerring 8, einen Antriebsring 9 sowie mehrere Flügelelemente 10, welche jeweils den Antriebsring 8 mit dem Lagerring 9 verbinden. Im Inneren des Antriebsrings 9 ist die Magnetanordnung 6A angeordnet, die magnetisch mit der drehbaren Magnetanordnung 6 gekoppelt ist. Zwischen der Innenseite des Antriebsringes 9 und der Außenseite des Spalttopfes 3 ist ein Spalt S. Im Inneren des Lagerrings 8 ist eine zylindrische Lagerhülse 11 angeordnet, die auf einem Lagerzapfen 12 sitzt, der einstückig am Boden des Spalttopfes 3 ausgebildet ist. Der Fußbereich des Lagerzapfens 12 ist als ringscheibenförmige, ebene Lagerfläche 13 ausgebildet. Die Wandstärke der Lagerhülse 11 ist so ausgebildet, dass die Stirnfläche 14, welche der Lagerfiäche 13 zugewandt ist, dieser etwa entspricht.

Die zylindrische Außenfläche des Lagerzapfens 12 ist mit einer rohrförmigen ersten Lagerschicht 15 versehen, die aus einem ADLC Werkstoff ausgebildet ist und eine Stärke von 1 bis 2 μηι aufweist. Die Lagerfläche 13 ist mit einer zweiten Lagerschicht 16 versehen— ebenfalls aus einem ADLC- Werkstoff— und geht nahtlos in die Lagerschicht 15 über. Beide Lagerschichten weisen eine Härte von 1000 bis 4000 HV auf, die über der Härte des Grundwerkstoffs des Spalttopfes 3 bzw. des Lagerzapfens 12 liegt, die aus einem austenitischen Chrom-Nickel-Stahl gefertigt sind (z.B. die Qualität 1.4301, 1. 4404, 1.4435 BN2, etc.). Die Lagerhülse 11 ist aus einem Siliziumkarbid- Werkstoff ausgebildet und bildet mit ihrer inneren Oberfläche bzw. mit ihrer Stirnfläche 14 eine Gleitlagerpaarung mit der ersten Lagerschicht 15 bzw. der zweiten Lagerschicht 16. Insbesondere bei einer Ausführung, bei der die erste Lagerschicht 15 und optional auch die zweite Lagerschicht 16 eine Außenschicht aus Aluminiumoxid bzw. Zirkoniumoxid umfassen, ist in die zylindrische Außenfläche des Lagerzapfens 12 und, falls erforderlich, im Bereich der zweiten Lagerfläche 13 für die zweite Lagerschicht 16 ein Beschichtungsbett 15a, 16a ausgearbeitet. Dieses Beschichtungsbett 15a, 16a wird beim Beschichten mit der ersten Lagerschicht 15 (Fig. la) und ggf. auch mit der zweiten Lagerschicht 16 gefüllt (vgl. Fig. 1b).

Die Beschichtungsbetten 15a, 16a, können miteinander verbunden sein (Fig. lb) oder durch einen optionalen Steg 12a aus Grundwerkstoff (Lagerzapfen-, bzw. Spalttopfwerkstoff) voneinander getrennt sein.

Die Kanten der Lagerschicht 15 und ggf. der Lagerschicht 16 gehen nahdos und glatt in die Kanten des Lagerzapfenwerkstoffes (Grundwerkstoff) bzw. der Spalttopfwerkstoffes (Grundwerkstoff) über.

Beschichtungsbetten 15a, 16a werden entsprechend der erforderlichen Beschich tungsdicke ausgearbeitet.

Beim Betrieb des Magnetrührwerks 1 wird die Magnetanordnung 6 über die Antriebswelle 7 in eine Drehbewegung versetzt und nimmt durch die magnetische Kopplung über den Spalt S die im Inneren des Lagerrings 8 angeordnete Magnetanordnung 6A mit. Dabei wird der gesamte Rührkopf 2 entsprechend der Drehung der Magnetanordnung 6, 6A gedreht.

Die Flügelelemente 10, die eine Impelleranordnung bilden, versetzen das Rührmedium im Innern des Prozessbehälters 4 so in Bewegung, dass dieses dabei durchmischt wird. Die Flügelelemente 10 sind dabei so gestaltet, dass eine Auftriebswirkung entsteht, die den Rührkopf 10 über eine Hubkraft auf dem Lagerzapfen 12 anhebt, so dass sich die Stirnfläche 14 der Lagerhülse 11 von der zweiten Lagerschicht 16 löst und dort ein Spalt s gebildet wird. Beim weiteren Betrieb des Rührkopfes 2 erfolgt die Lagerung dann ausschließlich über die Gleidagerpaarung zwischen der Lagerhülse 11 und der Lagerschicht 15 am Lagerzapfen 12. Beim Anhalten des Magnetrührwerks 1 lässt die Auftriebswirkung nach und die Stirnfläche 14 setzt sich wieder auf der zweiten Lagerschicht 16 ab, wo diese dann wieder gleitend gelagert wird.

Um die Gleiteigenschaften optimal einzustellen sind die Oberflächen, die mit einer Lagerschicht 15 16 versehen werden, entsprechend bearbeitet. Dazu können mechanische (Schleifen, Läppen etc.) aber auch elektrochemische Prozesse wie Elektropolieren dienen.

So eine Bearbeitung ebnet ggf. auch die Übergangsbereiche zwischen Lagerschichten 15, 16, die in einem Beschichtungsbett 15a, 16a angeordnet sind, und dem angrenzenden Grundwerkstoff ein, so dass auch hier leicht zu reinigende glatte Übergänge ausgebildet sind. Weitere Ausführungen und Varianten der Erfindung ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Ansprüche.