磁性耦接的液体混合器的制作方法

专利2022-05-09  104



1.本发明公开涉及磁性耦接的液体混合器。更特别地,其涉及混合器,混合器穿过混合罐的壁磁性地耦接,使得在罐壁中不需要密封,以便向混合器传送旋转扭矩。
2.尽管将关于总体示意性的罐描述液体混合器,但是本发明公开并不限于此特定实施方式,而是可替代地安装在其他类型的液体容器中。此外,本发明公开总体涉及诸如对于食品、药物以及化学品等的混合所需的混合技术。


背景技术:

3.许多生产工艺都要求在超净操作(ultraclean operation)中混合液体。此类生产工艺可能包括诸如药物、食物和化学物的产品的混合。某些这些生产工艺可能要求无菌处理。术语超净在本文用来总体上指对于污染水平特别严格的要求,它们在这种工艺中是可接受的。
4.混合工艺中的污染可能来自若干源头。在这些源头中有混合设备本身以及清洁工艺,清洁工艺在此类设备的使用中总是必需的。
5.一个污染源来自密封件,密封件可能需要来密封一件设备,其必须穿入密封罐中。密封件例如可能需要围绕用来驱动罐中的混合器的旋转驱动轴。由于此原因以及其他原因,取消此类密封件是高度期望的。
6.另一个污染源是轴承面抵靠彼此的相对运动。这在轴承面没有被用来给轴承面提供润滑的液体所环绕时特别是真实的。当混合罐近乎没有被混合的产品时(混合典型地在产品从混合罐转移到其他容器中时发生),混合器内的轴承面“干”转。在此操作期间,更容易产生磨损颗粒,并且它们之后进入产品,要么在当前批次的产品中,要么在后续批次的产品中。
7.如果清洁被执行得不令人满意,混合罐以及其他设备的清洁也是污染源。混合液体产品的残余物会被捕获在清洁工艺期间难以抵达的区域中。因此,期望的是能够利用所使用的清洁流体抵达一件设备内的每个区域。
8.常规的磁性耦接的混合器,比方说例如由现有技术文献us 2007/0036027 a1所公开的搅拌器,解决了许多上述问题。然而,尽管本领域中有各种行动,但对于特别是关于混合效率方面进一步改善的磁性耦接的混合器依然有需求。


技术实现要素:

9.此部分提供本发明公开的总体概述,而不是其完整范围或者其全部特征的综合公开。
10.带有有着大致径向的叶片的叶轮的磁性混合器在运行时通常具有朝向叶轮的轴向流,以及流出叶轮的径向流。径向外流由充当径向压缩机的叶轮的泵浦效应导致。
11.对于常规的磁性耦接的混合器的一个巨大的担忧是在叶轮的运行期间叶轮从叶轮轴滑脱的风险,因为朝向叶轮的轴向流倾向于将叶轮从叶轮的驱动底座拉开,并且叶轮
通常仅经由第一和第二磁性阵列的磁场相互作用而耦接至叶轮轴。
12.作用在叶片上的流体动力可能很大并且由于诸如高液体速度、高混合率以及湍流这样的变量而快速改变。
13.换言之,如果叶片具有形态,该形态可能在运行时由于作用来将叶轮从轴上拉开的流体动力而导致叶轮上足够强的抬升效应,则作用来将叶轮保持就位的磁性力可能不足,并且叶轮被拉开。
14.由于叶轮在罐内的位置,加上对于污染水平的严格要求,此类事件需要大量的工作投入来维修。
15.因此,常规的磁性混合器总是设有这样的叶片,至少在它们的上部远离预期旋转方向它们是成角度的或者弯曲的,以便减少由作用在叶轮上的流体动力导致的抬升效应,使得降低对于丢失叶轮的风险。
16.然而,由使叶片的至少一个上部远离预期旋转方向弯曲或成角度所产生的流体泵浦效应与上述充当径向压缩机的叶轮的泵浦效应是矛盾的。径向压缩机泵浦效应通常强于由向后角度叶轮叶片所导致的泵浦效应,因此磁性混合器将按要求运行,但是由于矛盾的泵浦效应以及其所导致的湍流,整体泵浦效率较低。
17.本发明公开的一个目标因此是提供一种磁性耦接的混合器,其提供改善的混合效率。
18.此目标以及其他目标至少部分地通过如所附独立权利要求中所定义的磁性耦接的液体混合器实现。
19.特别是,该目标至少部分地通过一种磁性耦接的液体混合器实现,该液体混合器具有轴向方向和径向方向,并且包括驱动底座、罐外的驱动转子和叶轮,驱动底座构造成固定到混合罐的壁上且具有沿轴向方向布置并且构造成用来穿入罐中的静止的封闭端部的圆柱形壳体,罐外的驱动转子具有可旋转的第一磁体阵列并且构造成插入在该圆柱形壳体中,叶轮构造成用于可旋转地安装在该圆柱形壳体上并且具有多个径向延伸的叶片和第二磁体阵列,其中第一磁体阵列和第二磁体阵列在混合器的组装状态下构造成用于允许从驱动转子向叶轮通过第一磁体阵列和第二磁体阵列之间的磁性耦接传递旋转扭矩,并且其中至少其中一个叶片、优选地至少其中两个叶片、更优选地每个叶片的上部沿预期旋转方向是弯曲的或成角度的,从而有助于在叶轮旋转期间轴向地向下移动液体。优选地,至少一半叶片、比方说至少大部分叶片、比方说全部叶片的上部沿预期旋转方向是弯曲的或成角度的。
20.通过使至少其中一个叶片、比方说每个叶片的上部沿预期旋转方向是弯曲的或者成角度的,叶片不再产生与径向压缩机泵浦效应相反的泵浦效应。相反,叶片的泵浦效应甚至有助于在叶轮旋转期间轴向地向下移动液体。从而,实现产生较少的湍流并且增加混合效率。
21.此外,大量的计算流体力学(cfd)仿真已经显示径向压缩机泵浦效应不仅在叶轮的上侧、并且也在叶轮的下侧产生减小的流体压力,从而表明对于叶轮滑脱的风险没有之前所相信的那么大,并且通过使叶片的上部沿预期旋转方向弯曲或成角度,对于叶轮滑脱没有明显增加的风险。
22.现有技术文献us 2007/0036027 a1可能初看似乎类似于本发明公开的磁性混合
器,但是所述现有技术文献的图1a中所示的搅拌器头在从上方看时(即,在叶轮的安装状态下沿朝向罐的壁的内表面向下的方向)事实上意图沿顺时针旋转。结果,us 2007/0036027 a1中叶片的上部事实上沿预期旋转方向向后成角度。因此,所述现有技术文献中叶片的上部不是沿预期旋转方向弯曲或成角度。
23.通过实施从属权利要求的一个或若干特征,获得了更多的好处。
24.在一个示例实施例中,所述至少其中一个叶片包括上部和下部。换言之,至少其中一个叶片包括上部和下部,并且所述至少其中一个叶片的上部沿预期旋转方向弯曲或者成角度,从而有助于在叶轮旋转期间轴向地向下移动液体。优选地,每个叶片都包括上部和下部。这可能意味着,每个叶片都包括上部和下部,并且至少其中一个叶片的上部沿预期旋转方向弯曲或者成角度,从而有助于在叶轮旋转期间轴向地向下移动液体。优选地,每个叶片都包括上部和下部,并且每个叶片的上部都沿预期旋转方向弯曲或者成角度,从而有助于在叶轮旋转期间轴向地向下移动液体。优选地,所述至少其中一个叶片、比方说每个叶片,如沿轴向方向所见被分成上部和下部。
25.在一个示例实施例中,如沿轴向方向所见,下部定位成比上部更靠近驱动转子。对应地,如沿轴向方向所见,上部定位成比下部更远离驱动转子。
26.在一个示例实施例中,所述至少其中一个叶片、比方说每个叶片的上部的上端定位成比上部的下端沿预期旋转方向更向前。这定义了叶片的上部的期望形状,即使得叶片、比方说每个叶片的上部沿预期旋转方向弯曲或成角度。
27.在另一个示例实施例中,同样每个叶片的下部也沿预期旋转方向弯曲或成角度,从而有助于在液体经过叶轮时从轴向向下向径向向外改变液体的流动方向。
28.此外,使叶片比方说每个叶片的下部沿预期旋转方向弯曲或成角度进一步减小了叶轮下方区域(即,叶轮和罐的壁之间)中的流体压力,因为叶片的下部将产生轴向向上的泵浦效应,即,与叶片的上部的泵浦效应相反的泵浦效应。因此,进一步降低了对于叶轮滑脱的风险。
29.在又另一个示例实施例中,叶片、更精确地说所述至少其中一个叶片、比方说每个叶片的上部和下部之间的表面区域比值在1

5、具体地为2

4、且更具体地为2.5

3.5的范围中。叶轮的径向压缩机效应,以及向前成角度或弯曲的上部表面一起有助于到叶轮的改善的轴向向下流动,并且下部的相反泵浦效应不会太大,因为这将减小轴向向下泵浦效应。因此,下部应仅大到以便有助于流从轴向到径向流的重定向。上述表面区域比值范围通常对应于这样的泵浦效应的组合。
30.在又另一个示例实施例中,所述至少其中一个叶片、比方说每个叶片的上部的表面区域的至少70%、具体地至少80%、并且更具体地至少90%,沿预期旋转方向相对于轴向平面以3

30度、具体地5

20度、且更具体地7

15度范围内的角度弯曲或者成角度,该轴向平面与轴向方向平行并且延伸穿过叶轮的旋转轴线。期望的是尽可能多地使用叶片的上部的表面区域,以有助于向下的泵浦效应,因为这导致升高的混合效率。
31.在另一个示例实施例中,所述至少其中一个叶片、比方说每个叶片的下部的表面区域的至少70%、具体地至少80%、并且更具体地至少90%,沿预期旋转方向相对于轴向平面以10

60度、具体地20

50度、且更具体地30

40度范围内的角度弯曲或者成角度,该轴向平面与轴向方向平行并且延伸穿过叶轮的旋转轴线。
32.在另一个示例实施例中,叶片由金属片制成并且焊接到叶轮轮毂上。这提供了牢固而容易清洁的叶轮,并且叶片可以借助简单的金属冲压操作而成本经济地制造。
33.在另一个示例实施例中,叶片的下部不用附接到叶轮轮毂。从而避免了在叶轮的磁体阵列的紧邻区域中将叶片焊接到叶轮轮毂上,使得可以避免由于焊接导致的对磁体阵列的热损伤,或者可以避免焊接过程中耗时的降温中断。此外,没有下部的附接也简化了叶轮的清洁。
34.在另一个示例实施例中,所述至少其中一个叶片、比方说每个叶片,沿着弯曲轴线弯曲,该弯曲轴线限定叶片的上部和下部之间的边界线。从而能够轻松而成本经济地获得向前成角度的上部以及可能还有向前成角度的下部。
35.在另一个示例实施例中,所述至少其中一个叶片、比方说每个叶片,沿着直的弯曲轴线弯曲,该直的弯曲轴线相对于径向方向r限定在 /
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40度范围内、具体地在 /
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25度范围内、并且更具体地在 /
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10度范围内的角度。从而叶片的下边缘的旋转轮廓可以被适配以更好地顺应罐的内表面。例如,在沿着远离叶轮的旋转轴线朝向的方向查看时通过使弯曲轴线向上倾斜,叶片的下边缘的旋转轮廓被适配以更好地顺应罐的圆锥形或圆柱形的内底壁表面或侧壁表面。此外,弯曲轴线角度上的变化也使得能够适配叶轮的运行特性,特别是叶轮的下部的重定向性能。
36.在另一个示例实施例中,所述至少其中一个叶片、比方说每个叶片,具有单个弯曲。从而可以借助叶片的单个相对成本经济的和简单的弯曲操作获得期望的改善混合效率。
37.在另一个示例实施例中,所述至少其中一个叶片、比方说每个叶片的上部的至少一部分沿径向方向延伸。从而获得高泵浦效率。
38.在另一个示例实施例中,叶片的上边缘大致沿叶轮的径向平面延伸,并且叶片的旋转轮廓的径向外边缘大致与轴向方向平行。此几何形状使得能够获得通过叶轮改善的混合效率和流动,因为上边缘大致垂直于到叶轮的进入轴向流延伸,并且径向外边缘大致垂直于来自叶轮的流出径向流延伸。
39.在另一个示例实施例中,所述至少其中一个叶片、比方说每个叶片,具有相对于叶轮的预期旋转运动的前侧和后侧,其中前侧的上部的表面区域的至少70%、具体地至少80%、并且更具体地至少90%具有沿轴向方向向下指向的法向矢量的矢量分量。通过使用上部的大表面区域来改善通过叶轮的轴向向下流,减少了例如由叶片的上部的小的向后倾斜部分导致的干扰流。
40.在另一个示例实施例中,叶片、更精确地说所述至少其中一个叶片、比方说每个叶片的平均径向延伸大于驱动转子的最大外径的20%、具体地大于25%、且更具体地大于30%。此几何形状典型地对应于主要具有搅拌器功能的低剪力混合器。
41.在研究所附权利要求书和以下描述时,本发明公开的其他特征以及优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到本发明公开的不同特征可以被组合来产生与以下所描述的那些实施例不同的实施例,而不背离本发明公开的范围。
附图说明
42.本发明公开的不同示例实施例,包括其特定特征和示例优点,从以下示意性且非
限制性的详细说明以及附图将容易理解,其中:图1示出了根据本发明公开的磁性混合器的一个示例实施例的示意性透视图,该磁性混合器实施成具有旋转动力源并安装在罐中;图2示出了根据本发明公开的磁性混合器的一个示例实施例的横截面;图3示出了径向平面中磁性混合器的横截面;图4示出了根据本发明公开的磁性混合器的一个示例实施例的示意性分解视图;图5示出了根据本发明公开的叶轮的示例实施例的侧视图;图6和7示出了当操作叶轮时通过并围绕叶轮的液体的流;图8示出了叶轮的一个示例实施例的示意性俯视图;图9示出了根据本发明公开的一个示例实施例的叶轮的零件的示意性分解视图;图10示出了图9的叶轮的上部的透视图;以及图11

13示出了根据本发明公开的叶片的三个替代示例实施例。
具体实施方式
43.现在将参考附图在后文更完整地描述本发明公开,附图中示出了本发明公开的示例性实施例。但是,本发明公开可以以许多不同的形态实施,并且不应解释成限于本文所述的实施例;相反,这些实施例是为透彻性和完整性而提供。贯穿说明书相似的标号指相似的元件。附图不一定按比例并且某些特征可能被夸大以便更好地图示和解释本发明公开的示例性实施例。
44.现在参考图1,描绘了根据本发明公开的磁性耦接的液体混合器1(在本文中也简称为磁性混合器)的一个示例实施例的透视图,其驱动地连接至旋转动力源2并且包括位于示意性图示的混合罐4内的叶轮3。
45.叶轮构造成用于作为低剪力叶轮操作,例如在制药或食品工业中,其设计成提供罐的液体内容物的搅动和混合。
46.当操作旋转动力源2时,叶轮3构造成沿预期旋转方向14围绕叶轮3的旋转轴线29旋转,以混合罐4内的液体。在图1中,在从上方、即沿向下方向看时,预期旋转方向14对应于顺时针旋转方向。
47.旋转动力源2可显著变化。例如,旋转动力源2可以是电动马达、气动马达、液压马达或者任何其他合适的旋转动力源。旋转动力源2可经由变速器5驱动地连接至叶轮3,以获得合适的叶轮旋转速度。
48.根据一个示例实施例的磁性混合器1的结构构成还参考图2更详细地描述,图2示出了在混合罐4的壁6内处于组装状态的磁性混合器1的横截面。
49.在图2中,示出了罐内侧15和罐外侧16。因此,磁性混合器1具有罐内侧15和罐外侧16。罐内侧15和罐外侧16由罐4的壁6分开。罐内侧15位于罐4内。罐外侧16位于罐4外。
50.磁性耦接的液体混合器1具有轴向方向a和径向方向r,并且包括构造成固定到混合罐4的壁6上的驱动底座7,且具有沿轴向方向布置且构造成穿入罐4中的静止的封闭端部的圆柱形壳体8。
51.磁性混合器1还包括罐外的驱动转子9,罐外的驱动转子9具有可旋转的第一磁体阵列10,且构造成插入在驱动底座7的圆柱形壳体8中。驱动转子9还具有最大外径55。
52.另外,磁性混合器1还包括叶轮3,叶轮3构造成被可旋转地安装在圆柱形壳体8上,并且具有多个径向延伸的叶片11和第二磁体阵列12,其中第一磁体阵列10和第二磁体阵列12在图2中所示的磁性混合器1的组装状态下构造成用来使得能够通过第一磁性阵列10和第二磁性阵列12之间的磁性耦接从驱动转子9向叶轮3传递旋转转矩。
53.叶轮3包括叶轮轮毂,其承载叶片11。具体地,轮毂由上轮毂部分23a和下轮毂部分23b构成。
54.叶轮3布置在驱动底座7的罐内侧15上,即在罐4内。驱动转子9布置在驱动底座7的罐外侧16上,即在罐4外。罐内侧15和罐外侧16是驱动底座7相反的两侧。
55.叶片11包括上部13和下部33。
56.此外,如图1中更好地示出的那样,至少一个叶片11、比方说每个叶片11的上部13沿预期旋转方向14是弯曲的或成角度的,从而有助于在叶轮沿预期旋转方向14旋转期间轴向向下地移动液体。
57.如沿轴向方向a所见,上部13在罐内侧15上定位成比下部33更远。如沿轴向方向a所见,下部33定位成比上部13更朝向罐外侧16。总体上,上指如沿轴向方向a所见面向罐内侧15或者在罐内侧15上更远或者更朝向罐内侧15的位置,而下指如沿轴向方向a所见面向罐外侧16或者在罐外侧16上更远或者更朝向罐外侧16的位置。类似地,总体上,上方指如沿轴向方向a所见在罐内侧15上更远或者更朝向罐内侧15的位置,而下方指如沿轴向方向a所见在罐外侧16上更远或者更朝向罐外侧16的位置。
58.再次参考图2,驱动底座7例如可定位在罐4的壁6中的孔内,且后续例如通过围绕驱动底座7的圆周焊接而固定到所述壁6上。焊接提供驱动底座7在罐4的壁中牢固而防泄漏的安装。
59.封闭端部的圆柱形壳体8例如可与驱动底座7的附接凸缘22一体地形成或者焊接到其上,该附接凸缘22构造成用来例如通过焊接或者通过螺纹构件将驱动底座7附接到罐4的壁6上。
60.封闭端部的圆柱形壳体8包括相对薄的圆柱形壁21以及端部闭合件54。因此,圆柱形壳体8的一个轴向侧是封闭的,并且相对的轴向侧是开口的,以使得转子驱动9能够被插入该圆柱形壳体。当被附接到罐4的下端区域上时,圆柱形壳体8定向成开口向下朝向驱动转子9,驱动转子9通常位于驱动底座7下方,并且封闭端穿入罐但是被封闭,并且从而确保完全密封的罐而没有任何泄漏或污染的风险。
61.磁性混合器1借助驱动转子9和叶轮3之间的磁性耦接从驱动转子9向叶轮3传送所需的旋转转矩。磁性耦接例如可通过具有第一和第二磁性阵列10、12提供,第一和第二磁性阵列10、12包括永久磁体,其中圆柱形壳体8的相对薄的径向壁21沿径向方向r分隔第一和第二磁性阵列10、12。因此,当旋转转矩从旋转动力源2被传送至驱动转子9时,此旋转转矩借助第一和第二磁性阵列10、12之间的磁场相互作用被传递给叶轮,这导致叶轮3到驱动转子9的旋转锁定。
62.由于磁场耦接跨越空气间隙并且穿过驱动底座7的圆柱形壳体8的相对薄的径向壁21,在罐中没有用来使驱动轴通向叶轮的孔。因此,罐没有泄漏,并且因此不需要密封。这消除了泄漏的风险并且极大地降低了对于产品污染的风险。
63.此外,第一和第二磁体阵列10、12布置成提供磁性耦接,这确保了叶轮3总是漂浮。
磁性叶轮漂浮使得工艺流体能够完全排出,以及围绕混合器的全部零件的就地清洗(cip)液体和蒸汽的自由流动,从而确保彻底清洁。叶轮漂浮也消除了轴向磨损。
64.再次参考图2,旋转功率源(未示出)通过驱动轴17驱动混合器1,驱动轴17固定到驱动转子9上,并且提供安装套筒18来将磁性混合器1连接至变速器5。
65.短轴19安装在圆柱形壳体8的顶侧上,并且承载附加在短轴19上的短轴轴承20,用来控制叶轮3的位置。
66.图3中示意性地示出了磁性混合器1的横截面的俯视图的一个示例实施例。横截面描绘了包括第一和第二磁体阵列10、12的径向平面,其中这些磁体阵列10、12的布置在图3上清晰地示出。叶片11没有示出。
67.图3的示例实施例的第一和第二磁体阵列10、12的每一个均包含偶数个永久磁体,在此示例中是八个磁体。如图3中所示,在每个阵列10、12内,相同数量的单个磁体周向地以圆形方式均匀地隔开布置,且它们的磁场沿径向方向交替地对齐成n对s和s对n。第一和第二磁体阵列10、12的磁体的磁场之间的相互作用会导致叶轮13如图3中所示定位自身,即定位成每第二个(each second)叶轮磁体的北极n面向对应的驱动转子磁体的南极s,且每个剩余叶轮磁体的南极s面向对应驱动转子磁体的北极n。此构造将产生驱动转子9和叶轮3之间的强旋转耦接,使得驱动转子可以仅仅借助穿过圆柱形壳体8的径向壁21的磁场来控制叶轮的旋转运动。第一和第二磁体阵列10、12中的单个磁体优选地是稀土磁体。
68.图4中示出了根据一个示例实施例的磁性混合器的零件的分解视图,即具有其叶片11的叶轮3,短轴19和附加到其上的短轴轴承20,具有封闭端部的圆柱形壳体8的驱动底座7,以及与驱动轴17连接的驱动转子9,按此顺序从叶轮3的顶侧到底侧。
69.在后文将参考图5以更多细节描述叶轮3并且特别是叶轮3的叶片11的设计和形态,图5示出了叶轮3的一个示例实施例的侧视图。
70.根据图5的具体示例实施例的叶轮3具有四个叶片11,第一叶片24朝向观察者定向,第二叶片25定位在叶轮3的左侧上,第三叶片26部分地由叶轮3隐藏,而第四叶片27具体定位在叶轮的右侧上。
71.如沿轴向方向a所见,至少其中一个叶片、比方说每个叶片,由边界线32分成上部13和下部33。上部13因此紧邻下部33为界。
72.下部33构造成比上部13更靠近罐4的壁6定位。换言之,如沿轴向方向a所见,下部33构造成更靠近驱动转子9定位,而上部13构造成更远离驱动转子9。当考虑叶轮时,上可指如沿轴向方向所见背对或者距驱动转子或者罐的壁更远的位置,驱动底座构造成固定到罐的壁上,而下可指如沿轴向方向所见面向或者更靠近驱动转子或罐的壁的位置,驱动底座构造成固定到罐的壁上。类似地,当考虑叶轮时,上方可指如沿轴向方向所见距驱动转子或者罐的壁更远的位置,驱动底座构造成固定到罐的壁上,而下方可指如沿轴向方向所见更靠近驱动转子或罐的壁的位置,驱动底座构造成固定到罐的壁上。
73.叶片11的下部33是叶片11的最下面的部分。叶片11的上部13是叶片11的最上面的部分。
74.边界线32可沿径向方向r延伸,如图5的示例实施例中所示。
75.边界线32可典型地沿大致位于上部和下部之间的叶片的中间区域延伸,上部沿预期旋转方向是弯曲的或成角度的,下部沿预期旋转方向也可以是弯曲的或成角度的。
76.此外,如果叶片具有在上部和下部之间分开叶片的弯曲,则边界线可由所述弯曲的弯曲轴线限定,上部沿预期旋转方向是弯曲的或成角度的,下部沿预期旋转方向也可以是弯曲的或成角度的。
77.在图5中,第四叶片27的前侧表面区域有阴影线,以描绘叶片11的边界,如从叶片11的前面所见。特别是,上部13标有右阴影线区域,而下部33标有左阴影线区域,其中径向延伸的边界线32限定上部13和下部33之间的边界。
78.叶片11的上部13的轴向长度49例如可在叶片11的总轴向长度50的40

90%、具体地50

80%的范围中。
79.叶片11的下部33的轴向长度51例如可在叶片11的总轴向长度50的10

60%、具体地30

50%的范围中。
80.此外,上部13的轴向长度49和下部33的轴向长度51之间的比值可在0.7

9.0的范围中,具体地1.0

3.0的范围中。
81.在图5的图示示意性实施例中,上部13的轴向长度49和下部33的轴向长度51之间的所述比值为大约2.0。
82.如果边界线32与径向方向r不平行,轴向长度49

51和以上定义的所述轴向长度之间的比值基于叶片11的最大径向延展52在边界线32与叶片的轴向延伸的径向中心线53交叉的地方测量。
83.此外,每个叶片11相对于叶轮3的预期旋转运动都具有前侧35和后侧36。前侧35沿叶轮3的预期旋转运动面向前方,而后侧36沿叶轮3的预期旋转方向面向后方。
84.叶轮3构造成沿顺时针旋转方向旋转,使得第一叶片24将沿如图5中箭头14a所示的旋转方向移动。因此,由于第一叶片24的上部13沿预期旋转方向14成角度,在叶轮沿预期旋转方向14旋转期间,第一叶片有助于在罐内轴向向下地移动液体,即,沿着如图5中由箭头28所示的方向。
85.术语向下在本文中指沿轴向方向a从叶片11的上部13向下部33的方向,即,当叶轮3处在安装并准备好使用的状态时,朝向罐4的壁6的内表面。
86.换言之,通过使至少其中一个叶片11、比方说每个叶片11的上部13沿旋转方向14倾斜,流体在叶轮的上部13中主要沿轴向方向a被推动,从而允许流体流在叶轮沿预期旋转方向14操作时主要沿轴向方向a进入叶轮3。
87.使至少一个叶片11、比方说每个叶片11的上部13沿旋转方向14成角度意味着与沿轴向方向a定位成更下方的叶片的部分(比方说在叶片11的上部13和下部33之间的边界线32处)相比,上部13沿旋转向前的方向14成角度。
88.因此,使至少一个叶片11、比方说每个叶片11的上部13沿预期旋转方向14弯曲或成角度实质上意味着至少一个叶片11、比方说每个叶片11的上部13的上端31与上部13的下端34相比沿预期旋转方向14定位成更向前。
89.结果,前侧的上部13的表面区域具有由第一矢量分量38和第二矢量分量39组成的法向矢量37,第一矢量分量38沿轴向方向a指向下,而第二矢量分量39垂直于第一矢量分量38并且沿预期旋转方向14指向前。
90.特别是,前侧的上部13的表面区域的至少70%、具体地至少80%、且更具体地至少90%可具有沿轴向方向a指向下的法向矢量37的矢量分量38。
91.磁性混合器1构造成用来提供液体在罐4内的良好混合性能。混合器的叶片11因此构造成产生同步的轴向和径向流,因为此混合常提供更好的总体混合。用来有助于同步轴向和径向流的一种方法是使至少一个叶片、比方说每个叶片的下部也沿预期旋转方向弯曲或成角度,因为这有助于在液体通过叶轮3时从轴向向下向径向向外在罐4内改变液体的流动方向。
92.特别是,通过使至少一个叶片、比方说每个叶片的下部沿预期旋转方向14弯曲或成角度,下部不仅是上部停止时向下的泵浦效应,下部甚至还提供位于叶轮下方(即,在叶轮3的下侧和罐4的底部或侧壁6之间的相对小的空间中)的液体的一定的向上泵浦效应。因此,液体的轴向向下流动将从叶轮3径向向外逸出,从而在叶轮3的下端区域中产生径向流。
93.换言之,通过使至少一个叶片11、比方说每个叶片11的下部33沿旋转方向14倾斜,由叶片11的上部产生的主要轴向的流体流被朝向叶轮的下部33中主要沿径向方向r的流动重新定向,从而使在叶轮沿预期旋转方向14的操作时能够实现离开叶轮3的近乎径向的流体流。
94.使至少一个叶片11、比方说每个叶片11的下部33沿旋转方向14成角度意味着与沿轴向方向a定位在下部33上方的叶片11的部分(比方说在叶片11的上部13和下部33之间的边界线32处)相比,下部13沿旋转向前的方向14成角度。
95.因此,使至少一个叶片11、比方说每个叶片11的下部33沿预期旋转方向14弯曲或成角度实质上意味着至少一个叶片11、比方说每个叶片11的下部33的下端40与下部33的上端41相比沿预期旋转方向14定位成更向前。
96.结果,每个叶片11的前侧的下部33的表面区域具有由第一矢量分量43和第二矢量分量44组成的法向矢量42,第一矢量分量43沿轴向方向a指向上,而第二矢量分量44垂直于第一矢量分量43且沿预期旋转方向14指向前。
97.通过使至少一个叶片11、比方说每个叶片11的下部33沿预期旋转方向14弯曲或成角度,叶片11的下部33不仅有助于重定向叶片11的上部13的向下泵浦效应,叶片11的下部33甚至还提供位于叶轮3的下方(即,在叶轮3的底部或侧面和罐4的底壁6之间的相对小的空间中)的液体的一定的向上泵浦效应。
98.此外,叶片11的向前倾斜的下部33的向上泵浦效应还在叶轮3下方的区域中产生减小的液体压力,其有助于保持叶轮3和驱动转子之间的磁性耦接。
99.图6中示意性地图示了根据图5中图示的示例实施例的具体叶轮设计的基于计算流体动力学(cfd)软件仿真的在沿预期旋转方向14操作叶轮3时围绕并通过叶轮3得到的液体流。
100.图6中所示的示意性流剖面(flow profile)实质上确认在叶轮3的上入口处的主要轴向流至少部分地由使叶片11、比方说每个叶片11的上部13沿旋转方向14成角度而导致,该轴向流随后在下方区域借助叶片比方说每个叶片的下部沿预期旋转方向14弯曲或成角度而重定向以变成主要径向流。
101.图7中示出了当沿预期旋转方向14被驱动时由叶轮所产生的得到的总体流向的示意性图示,其中在叶轮3的顶侧47处的进入轴向流45在叶轮3的底侧48处被重定向成离开径向向外流46。
102.图6中所示的示意性流剖面也确定了叶片11、比方说每个叶片11的向前弯曲且成
角度的下部也提供位于叶轮下方的液体的一定的向上泵浦效应,从而减小叶轮3下方区域中液体中的压力,并因而也减小作用来抬升驱动底座7的叶轮的抬升力。
103.再次参考图5,叶片11的上部13和下部33之间的表面区域比值可在1

5、具体地2

4且更具体地2.5

3.5的范围中。在图5的图示示意性实施例中,所述表面区域比值为大约3.0。
104.在图1、4

9、11和13的示例实施例中,至少一个叶片、比方说每个叶片,沿着直的弯曲轴线58弯曲,该直的弯曲轴线58相对于径向方向r限定在 /
‑ꢀ
40度范围内、具体地在 /
‑ꢀ
25度范围内、并且更具体地在 /
‑ꢀ
10度范围内的角度59。
105.具体地,根据图5的示例实施例的叶轮3的叶片11沿着单个直的弯曲轴线58弯曲,该弯曲轴线58相对于径向方向r限定例如大约10度的角度,其中弯曲轴线58如沿径向向外方向所见部分地向上指向。弯曲轴线58的此角度具有这样的效果,即如沿径向向外方向所见,类似于弯曲轴线58的方向,下部的下边缘60变得以角度61向上成角度,这具有简化在罐4的壁6的向内弯曲或总体凹陷或圆柱形内表面中安装磁性混合器的好处,因为叶轮叶片11的下边缘60因而被适配成顺应壁6的向内弯曲或凹入的内表面。
106.再次参考图5,为了获得进入叶轮的期望的轴向进入流,至少其中一个叶片11、比方说每个叶片11的上部13的表面区域(有右阴影线)的至少70%、具体地至少80%、并且更具体地至少90%,沿预期旋转方向14相对于轴向平面以3

30度、具体地5

20度、且更具体地7

15度范围内的角度56弯曲或者成角度,该轴向平面与轴向方向a平行并且延伸穿过叶轮3的旋转轴线29。
107.换言之,至少一个叶片、比方说每个叶片,具有相对于叶轮3的预期旋转运动的前侧和后侧,其中前侧的上部13的表面区域(有右阴影线)的至少70%、具体地至少80%、并且更具体地至少90%具有沿轴向方向a向下指向的法向矢量37的矢量分量38。
108.即使可能期望的是使上部13的总表面区域的至少90%沿预期旋转方向14以3

30度范围中的角度56弯曲或成角度,如图5的示例实施例中所示,但落入本发明公开范围内的其他的叶片设计可仅使上部13的表面区域(有右阴影线)的70%沿预期旋转方向14以3

30度范围中的角度56弯曲或成角度。此表面区域和倾斜的水平被认为足以在叶轮3的入口处提供期望的轴向流。
109.此外,为了在叶轮3的底侧处获得期望的径向出口流,至少一个叶片11、比方说每个叶片11的下部33的表面区域(有左阴影线)的至少70%、具体地至少80%、并且更具体地至少90%,沿预期旋转方向相对于轴向平面以10

60度、具体地20

50度、且更具体地30

40度范围内的角度57弯曲或者成角度,该轴向平面与轴向方向a平行并且延伸穿过叶轮3的旋转轴线29。
110.换言之,至少一个叶片、比方说每个叶片,具有相对于叶轮3的预期旋转运动的前侧和后侧,其中前侧的下部33的表面区域(有左阴影线)的至少70%、具体地至少80%、并且更具体地至少90%具有沿轴向方向a向上指向的法向矢量42的矢量分量43。
111.如上所示,即使可能期望的是使下部33的总表面区域的至少90%沿预期旋转方向14以10

60度范围中的角度57弯曲或成角度,如图5的示例实施例中所示,但落入本发明公开范围内的其他的叶片设计可仅使下部33的表面区域(有左阴影线)的70%沿预期旋转方向14以10

60度范围中的角度57弯曲或成角度。此表面区域和倾斜的水平被认为足以在叶轮3
内提供期望的轴向流到径向流的重定向。
112.沿径向方向的平均叶片宽度可比驱动转子9的最大外径55大20%,具体地大25%,且更具体地大30%。沿径向方向的平均叶片宽度可通过将总前侧叶片表面分成一大组轴向区段71来确定,其中每个轴向区段71在叶片的完整径向延展上延伸,但仅具有小的轴向延展,并且之后确定每个轴向区段71的叶片宽度,即,每个单个轴向区段71的径向长度52,且最后计算平均叶片宽度,即,平均径向延展52。图9中在右侧叶片11中示出了轴向区段71的示例。
113.此外,叶片的最大径向延展52与叶片11的总轴向长度50之间的比值可在0.4

1.2,具体地0.5

1.0,且更具体地0.6

0.8的范围中。
114.这些尺寸典型地对应于低剪力混合器,其聚焦于罐4内液体的搅拌和混合。
115.图8示意性地示出了叶轮3的俯视图,其具有四个叶片11以及围绕旋转轴线29的预期顺时针旋转方向14。参考图5和图8,至少一个叶片11、比方说每个叶片11的上边缘62大致沿叶轮的径向平面延伸,并且叶片11、比方说每个叶片11的旋转轮廓的径向外边缘63大致与轴向方向a平行。
116.径向平面垂直于轴向方向a定向。此外,叶片11的旋转轮廓对应于叶片的旋转形状,即,由叶片在围绕叶轮3的旋转轴线29旋转完整的360度时限定的旋转对称的形状。
117.另外,参考图8,至少一个叶片11、比方说每个叶片11的上部13的至少一部分沿叶轮3的径向方向r延伸。这意味着上部的至少一部分与矢量64对齐,矢量64沿径向方向r延伸并且穿过叶轮3的旋转轴线29。
118.更具体地,至少一个叶片11、比方说每个叶片11的上部13的轴向区段71的至少75%、具体地至少90%沿叶轮3的径向方向r延伸,即,与矢量64对齐,矢量64沿径向方向r延伸并且穿过叶轮3的旋转轴线29。图9中在右侧叶片中示出了轴向区段71的示例。
119.在图8中,至少一个叶片11、比方说每个叶片11的上边缘62的全部径向长度沿叶轮3的径向方向r延伸。
120.根据一个示例实施例,同样至少一个叶片11、比方说每个叶片11的下部33的一部分可平行于叶轮3的径向方向延伸。
121.更具体地,至少一个叶片11、比方说每个叶片11的下部33的轴向区段71的至少75%、具体地至少90%沿叶轮3的径向方向r延伸,即,与矢量64对齐,矢量64沿径向方向r延伸并且穿过叶轮3的旋转轴线29。
122.通过使至少一个叶片11、比方说每个叶片11的上部13的至少一部分,或者备选地也使至少一个叶片11、比方说每个叶片11的下部33的一部分沿叶轮3的径向方向延伸,通过叶轮可实现强轴向和径向泵浦以及混合效应,因为叶片11、比方说每个叶片的径向延伸被最大化。
123.通过具有实质上平面的叶片11(即,其中叶片11的上部13和下部的每一个都是平坦的),实现了甚至更加改善的泵浦和混合效应。这在图8中是可见的,其示出了如从上方可见与弯曲轴线58对齐的线65与矢量64平行,并且如从上方可见与下部33的下边缘60对齐的线66也与矢量64平行。
124.平面上部13和平面下部33之间的角度67可在120

170度、具体地125

145度的范围中。
125.更具体地,至少一个叶片11、比方说每个叶片11的上部13的至少70%、具体地至少
90%是平面的。此外,至少一个叶片11、比方说每个叶片11的下部33的至少70%、具体地至少90%是平面的。
126.图9示出了叶轮3的分解视图的示例实施例。叶轮例如可包括紧固在叶轮轮毂23上的一组叶轮叶片11。在图9的示例实施例中,轮毂8由两部分组成,即上轮毂部分23a和下轮毂部分23b,如之前也在图2中所示的那样。
127.上轮毂部分23a和下轮毂部分23b是分开制造的单独的零件。同样单独且分开制造的叶片11随后例如通过焊接附接到上轮毂部分23a和下轮毂部分23b上。叶片11焊接到上轮毂部分23a和下轮毂部分23b两者上,从而连接上轮毂部分23a和下轮毂部分23b。
128.上轮毂部分23a和下轮毂部分23b因此沿轴向方向a在完成的叶轮3中隔开定位,从而使得例如清洁液体能够在清洁期间良好地进入叶轮3的全部表面区域。
129.上轮毂部分23a构造成安装在短轴19上 ,而包括第二磁体阵列12的下轮毂部分23b构造成围绕驱动底座7的圆柱形壳体8安装。
130.叶片11可例如通过首先冲压或者其他方式从金属片供应形成平坦的叶片材料而制造。随后,叶片材料沿弯曲轴线58弯曲以完成叶片11。上部13和下部33的平面形状结合单次弯曲从而使得能够非常成本经济地制造叶片11。
131.金属叶片随后例如通过焊接附接到叶轮轮毂23上。
132.参考图5,叶片的下部33不用附接到叶轮轮毂上。这具有避免在叶轮3的第二磁体阵列12的紧邻区域中焊接的好处,因为在此位置处焊接会把磁体加热到超过最大温度水平。相反,叶片的上部13例如通过焊接附接到下轮毂部分23b的顶表面上,该顶表面距离第二磁体阵列12隔开更远。
133.上轮毂部分23a设有相对于轴向方向a倾斜的径向突出伸长的附接区域69。具体地,附接区域是伸长的,并且以在3

30度、具体地5

20度、且更具体地7

15度范围中的角度56相对于轴向平面定向,该轴向平面平行于轴向方向a并且延伸穿过叶轮3的旋转轴线29。
134.图10示出了上轮毂部分23a的示例实施例。
135.图11示出了图9中沿着切割线b

b的叶片11的横截面。图11中图示了具有边界线32的大致平坦的上部13和下部33。
136.图12示出了叶片的替代示例实施例的对应横截面,其中至少一个叶片11、比方说每个叶片11的上部13和下部33沿预期旋转方向具有更弯曲的形状,从而有助于在叶轮旋转期间轴向向下移动液体。
137.图13示出了叶片11的又一替代示例实施例的对应横截面,其中至少一个叶片11、比方说每个叶片11的上部13和下部33具有沿预期旋转方向成角度的平面形状,但是具有大约3.0的上部13的轴向长度49和下部33的轴向长度51之间的比值,并且具有倾斜较小的上部13。换言之,叶片11具有与下部33相比相对长的上部13。
138.在权利要求书的范围内叶片的许多其他形状、尺寸和几何形状都是可能的。
139.尽管已经关于部件的具体组合描述了本发明公开,但是应该容易理解的是部件可以以其他构造组合,并且其对于本领域技术人员在研究本申请时是清楚的。因此,本发明公开的示例实施例的以上描述以及附图应被当作本发明公开的非限制性示例并且保护范围由所附权利要求书定义。权利要求书中的任何参考标号都不应解释为限制范围。
140.术语“耦接”定义为连接,尽管不一定是直接的,并且不一定是机械的。
141.说明书中词语“一”或“一个”的使用可指“一个”,但是其也符合“一个或更多”或“至少一个”的含义。术语“大约”通常意味着所述的值加或减10%,且更具体地加或减5%。术语“或”在权利要求书中的使用用来指“和/或”,除非明确指出仅指备选物。
142.术语“包括”、“包括了”、“包括着”、“有”、“具有”、“含有”、“包含”、“包含了”、“包含着”是开放式连接动词。结果,“包括”、“具有”或“包含”例如一个或更多步骤或元件的方法或装置具备那些一个或更多步骤或元件,但不限于仅具备那些一个或更多元件。

技术特征:
1.磁性耦接的液体混合器(1),其具有轴向方向(a)和径向方向(r),并包括:驱动底座(7),其构造成固定到混合罐(4)的壁(6)上,并具有沿所述轴向方向(a)布置并且构造成用来穿入所述罐(4)中的静止的封闭端部的圆柱形壳体(8),罐外的驱动转子(9),其具有可旋转的第一磁体阵列(10),并且构造成插在所述圆柱形壳体(8)中,叶轮(3),其构造成用来可旋转地安装在所述圆柱形壳体(8)上,并且具有多个径向延伸的叶片(11)和第二磁体阵列(12),其中在所述混合器的组装状态下的所述第一磁体阵列(10)和所述第二磁体阵列(12)构造成用来使得能够通过所述第一磁体阵列(10)和所述第二磁体阵列(12)之间的磁性耦接从所述驱动转子(9)向所述叶轮(3)传递旋转转矩,并且其中至少其中一个所述叶片(11)的上部(13)沿预期旋转方向(14)是弯曲的或成角度的,从而有助于在叶轮旋转期间轴向向下地移动液体。2.根据权利要求1所述的液体混合器,其中,每个叶片(11)的上部(13)沿预期旋转方向(14)是弯曲的或成角度的。3.根据任一前述权利要求所述的液体混合器,其中,所述至少其中一个所述叶片(11)包括所述上部(13)和下部(33)。4.根据权利要求3所述的液体混合器,其中,如沿所述轴向方向(a)所见,所述下部(33)定位成比所述上部(13)更靠近所述驱动转子(9)。5.根据任一前述权利要求所述的液体混合器,其中,所述至少其中一个所述叶片(11)的所述上部(13)的上端(31)比所述上部(13)的下端(34)定位成沿所述预期旋转方向(14)更向前。6.根据权利要求3

5的任一项所述的液体混合器,其中,所述至少其中一个所述叶片(11)的所述下部(33)沿所述预期旋转方向(14)也是弯曲的或成角度的,从而在液体穿过所述叶轮(3)时有助于将所述液体的流动方向从轴向向下改变成径向向外。7.根据权利要求3

6的任一项所述的液体混合器,其中,所述至少其中一个所述叶片(11)的所述上部(13)和所述下部(33)之间的表面区域比值在1

5、具体地2

4且更具体地2.5

3.5的范围中。8.根据任一前述权利要求所述的液体混合器,其中,所述至少其中一个所述叶片(11)的所述上部(13)的表面区域的至少70%、具体地至少80%、并且更具体地至少90%,沿所述预期旋转方向相对于轴向平面以3

30度、具体地5

20度、且更具体地7

15度范围内的角度弯曲或者成角度,所述轴向平面与所述轴向方向(a)平行并且延伸穿过所述叶轮(3)的旋转轴线(29)。9.根据权利要求3

8的任一项所述的液体混合器,其中,所述至少其中一个所述叶片(11)的所述下部(33)的表面区域的至少70%、具体地至少80%、并且更具体地至少90%,沿所述预期旋转方向(14)相对于轴向平面以10

60度、具体地20

50度、且更具体地30

40度范围内的角度弯曲或者成角度,所述轴向平面与所述轴向方向(a)平行并且延伸穿过所述叶轮(3)的旋转轴线(29)。10.根据任一前述权利要求所述的液体混合器,其中,所述叶片(11)由金属片制成并且焊接至叶轮轮毂(23)。11.根据权利要求3

10的任一项所述的液体混合器,其中,所述叶片(11)的所述下部
(33)不附接到所述叶轮轮毂(23)。12.根据权利要求3

11的任一项所述的液体混合器,其中,所述至少其中一个所述叶片(11)沿着弯曲轴线(58)弯曲,所述弯曲轴线(58)限定所述叶片(11)的所述上部(13)和所述下部(33)之间的边界线(32)。13.根据任一前述权利要求所述的液体混合器,其中,所述至少其中一个所述叶片(11)沿着直的弯曲轴线(58)弯曲,所述直的弯曲轴线(58)相对于所述径向方向(r)限定在 /
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40度范围内、具体地在 /
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25度范围内、并且更具体地在 /
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10度范围内的角度。14.根据任一前述权利要求所述的液体混合器,其中,所述至少其中一个所述叶片(11)具有单个弯曲。15.根据任一前述权利要求所述的液体混合器,其中,所述至少其中一个所述叶片(11)的所述上部(13)的至少一部分沿所述径向方向(r)延伸。16.根据任一前述权利要求所述的液体混合器,其中,所述叶片(11)的上边缘(62)大致沿所述叶轮(3)的径向平面延伸,并且其中所述叶片(11)的旋转轮廓的径向外边缘(63)大致与所述轴向方向(a)平行。17.根据任一前述权利要求所述的液体混合器,其中,所述至少其中一个所述叶片(11)相对于所述叶轮(3)的预期旋转运动具有前侧(35)和后侧(36),其中所述前侧的所述上部(13)的表面区域的至少70%、具体地至少80%、且更具体地至少90%具有沿所述轴向方向(a)向下指向的法向矢量(37)的矢量分量(38)。18.根据任一前述权利要求所述的液体混合器,其中,所述至少其中一个所述叶片(11)的平均径向延展比所述驱动转子(9)的最大外径(55)大20%、具体地大25%、且更具体地大30%。
技术总结
本发明公开涉及磁性耦接的液体混合器(1),其具有轴向方向(A)和径向方向(R),并包括:驱动底座(7),其构造成固定到混合罐(4)的壁(6)上,并具有沿轴向方向(A)布置并且构造成用来穿入罐(4)中的静止的封闭端部的圆柱形壳体(8),罐外的驱动转子(9),其具有可旋转的第一磁体阵列(10),并且构造成插在圆柱形壳体(8)中,以及叶轮(3),其构造成用来可旋转地安装在圆柱形壳体(8)上,并且具有多个径向延伸的叶片(11)和第二磁体阵列(12)。在混合器的组装状态下第一和第二磁体阵列(10,12)构造成用来使得能够通过第一和第二磁体阵列(10,12)之间的磁性耦接从驱动转子(9)向叶轮(3)传递旋转转矩,并且其中至少一个叶片(11)、比方说每个叶片(11)的上部(13)沿预期旋转方向(14)是弯曲的或成角度的,从而有助于在叶轮旋转期间轴向向下地移动液体。轴向向下地移动液体。轴向向下地移动液体。


技术研发人员:M
受保护的技术使用者:阿法拉伐股份有限公司
技术研发日:2019.11.22
技术公布日:2021/6/29

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