DE20307913U1 - Laboratory bench rotary vacuum concentrator comprises internal magnetic drive, for slow removal of solvent in test tube scale preparations - Google Patents
Laboratory bench rotary vacuum concentrator comprises internal magnetic drive, for slow removal of solvent in test tube scale preparationsInfo
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Abstract
Description
BESCHREIBUNG
Vorrichtung zur Konzentration von Stoffgemischen DESCRIPTION
Device for concentrating mixtures of substances
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise in der Form der sogenannten Rotations-Vakuum-Konzentratoren bekannt und regelmäßig dazu bestimmt, aus einem Stoffgemisch mindestens eine oder mehrere Komponenten durch schonendes Verdampfen unter Vakuum, somit unter Absenkung der Siedetemperatur zu entfernen, wobei das Stoffgemisch in Rotation versetzt wird und das auf diesem Wege erzeugte Schwerefeld einen Siedeverzug vermeidet. Anwendung findet diese Art der Konzentration bei der Gewinnung hitzeempfindlicher Produkte, bei der Isolierung von Komponenten eines Extrakts, beim Screening neuer Verbindungen und darüber hinaus bei allgemeinen Verdampfungsanwendungen im Laborbereich. Häufig handelt es sich bei der durch Verdampfen zu entfernenden Komponente um ein Lösungsmittel. Such devices are known, for example, in the form of so-called rotary vacuum concentrators and are usually designed to remove at least one or more components from a mixture of substances by gentle evaporation under vacuum, thus lowering the boiling point, whereby the mixture of substances is set in rotation and the gravitational field generated in this way prevents delayed boiling. This type of concentration is used in the extraction of heat-sensitive products, in the isolation of components of an extract, in the screening of new compounds and also in general evaporation applications in the laboratory. The component to be removed by evaporation is often a solvent.
Es ist ferner bekannt, das aufzukonzentrierende Stoffgemisch in ein oberseitig offenes Gefäß einzubringen, welches in Halterungen eines Rotors eingesetzt wird, der seinerseits innerhalb eines, einen Vakuumraum umgrenzenden Gehäuses drehbar angeordnet ist. Über die oberseitige Öffnung der Gefäße wird die abzutrennende Komponente in der Dampfphase abgeführt. Zum Antrieb des Rotors werden außerhalb des Gehäuses angeordnete, vorzugsweise elektrische Antriebe verwendet, die mit dem Rotor über eine vakuumdichte Wandungsdurchführung in Verbindung stehen oder die zur Vermeidung solcher, Dichtungsprobleme aufwerfender Durchführungen lediglich magnetisch bzw. induktiv mit dem Rotor gekoppelt sind. Schließlich kommen zur Vermeidung solcher Durchführungen auch geregelte kreisförmig angeordnete Magnetspulen zum Einsatz.It is also known to introduce the mixture of substances to be concentrated into a vessel that is open at the top and which is inserted into the holders of a rotor that is itself arranged to rotate within a housing that encloses a vacuum space. The component to be separated is discharged in the vapor phase through the opening at the top of the vessel. To drive the rotor, preferably electric drives are used that are arranged outside the housing and are connected to the rotor via a vacuum-tight wall feedthrough or that are only magnetically or inductively coupled to the rotor to avoid feedthroughs that cause sealing problems. Finally, regulated magnetic coils arranged in a circle are also used to avoid such feedthroughs.
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Problematisch, insbesondere für den innerhalb dieser Vorrichtungen ablaufenden Konzentrationsprozess sind die Lagerungen des Rotors, nachdem infolge des anstehenden Vakuums ein teilweises Ausdampfen von Schmiermitteln unvermeidbar ist, welches nicht nur zu Kontaminationen des Gehäuses, insbesondere des Vakuumraumes, sondern auch des zu behandelnden Stoffgemisches führt. In Anhängigkeit von der Zusammensetzung dieses Stoffgemisches, insbesondere den Eigenschaften der auszudampfenden Komponente kann es auch zu Schadwirkungen im Bereich der Lagerungen kommen, nämlich dann, wenn es sich bei der genannten Komponente beispielsweise um ein chemisch aggressives Lösungsmittel handelt. Dieses kann unter Umständen in Wechselwirkung mit den Lagern und/oder mit dem in den Lagern eingesetzten Schmiermittel treten und dessen Funktion erheblich beeinträchtigen.The bearings of the rotor are problematic, particularly for the concentration process taking place within these devices, since the vacuum means that partial evaporation of lubricants is unavoidable, which not only leads to contamination of the housing, in particular the vacuum space, but also of the mixture of substances to be treated. Depending on the composition of this mixture of substances, in particular the properties of the component to be evaporated, there may also be damaging effects in the area of the bearings, for example if the component in question is a chemically aggressive solvent. This can, under certain circumstances, interact with the bearings and/or with the lubricant used in the bearings and significantly impair their function.
Ebenfalls problematisch ist hierbei der Einsatz von Drehdurchführungen, da die Dichtungsmaterialien bzw. -medien ebenfalls ausdampfen können bzw. von den abzudampfenden Komponenten angegriffen werden können. Ebenso können der Vakuumraum und das Stoffgemisch durch Dichtungsmaterial- bzw. Dichtungsmedienbestandteile kontaminiert werden.The use of rotary unions is also problematic, as the sealing materials or media can also evaporate or be attacked by the components being evaporated. The vacuum space and the mixture of substances can also be contaminated by sealing material or sealing media components.
Es ist bekannt, dass der Verdampfungsvorgang aus den im peripheren Bereich des Rotors enthaltenen Gefäße häufig nicht gleichförmig verläuft. Dies bedeutet, dass selbst dann, wenn der Rotor zu Beginn des Konzentrationsprozesses unwuchtfrei anläuft, sich in der Folge statische und/oder dynamische Unwuchten einstellen können. Es ist ebenso möglich, dass sich trotz unwuchtfreiem Rotor zu Prozessbeginn und trotz gleichmäßigem Abdampfungsvorgang aus den im peripheren Bereich des Rotors enthaltenen Gefäßen mit fortschreitender Abdampfung eine statische und/oder dynamische Unwucht infolge gewichtsungleicher Gefäße oder infolge von Gefäßen mit ungleicher Massenverteilung einstellt. Hierdurch sind die Lagerungen des Rotors innerhalb des Gehäuses einer außerordentlich hohen, deren Standzeit mindernden mechanischen Beanspruchung ausgesetzt.It is known that the evaporation process from the vessels in the peripheral area of the rotor is often not uniform. This means that even if the rotor starts up unbalanced at the beginning of the concentration process, static and/or dynamic imbalances can occur later. It is also possible that, despite the rotor being unbalanced at the beginning of the process and despite the evaporation process being uniform, a static and/or dynamic imbalance can occur as the evaporation progresses, due to vessels of unequal weight or due to vessels with unequal mass distribution. This means that the bearings of the rotor within the housing are subjected to extremely high mechanical stress, which reduces their service life.
Eine weitere Auswirkung kann der (vorzeitige) Prozessabbruch infolge unzulässig großer Unwucht sein.A further effect can be the (premature) termination of the process due to an unacceptably large imbalance.
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Es ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung unter Vermeidung der dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile mit Hinblick auf eine beanspruchungsgerechte Gestaltung sowie stabile Betriebsverhältnisse hin zu verbessern. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer solchen Vorrichtung durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.Against this background, the object of the invention is to improve a device of the type described at the outset while avoiding the disadvantages inherent in the prior art with regard to a design that is appropriate to the load and stable operating conditions. This object is achieved in such a device by the features of the characterizing part of claim 1.
Erfindungswesentlich ist hiernach, dass der Rotor über wenigstens ein Magnetlager innerhalb des Gehäuses auf einer fest angeordneten Achse gelagert ist. Die Lagerung erfolgt somit berührungs-, reibungs- und schmiermittelfrei lediglich mittels eines entsprechend angelegten Magnetfeldes, so dass sich die eingangs dargelegten Wechselwirkungen zwischen einer aus dem Stoffgemisch ausdampfenden Komponente, dem Vakuum, den Gleit- oder Wälzlagern und einem Schmiermittel nicht ergeben können.The essential feature of the invention is that the rotor is mounted on a fixed axle within the housing via at least one magnetic bearing. The bearing is thus contact-free, friction-free and lubricant-free, simply by means of an appropriately applied magnetic field, so that the interactions described at the beginning between a component evaporating from the mixture of substances, the vacuum, the plain or roller bearings and a lubricant cannot occur.
Die Statorsysteme des Magnetlagers stehen entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 2 und 3 mit der Achse in Verbindung. Die Achse kann als Hohlachse ausgebildet sein, so dass sich die Statorsysteme auf der Innenseite dieser Hohlachse befinden und in diesem Fall die radial innenliegenden Rotorsysteme umgeben. Die Statorsysteme können jedoch auch auf der Außenseite der Achse angeordnet sein und in diesem Fall von von radial außenliegenden Rotorsystemen umgeben werden. Die Achse ist in jedem Fall feststehend innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, so dass sich keine Notwendigkeit von Drehdurchführungen durch die Gehäusewandung ergibt.The stator systems of the magnetic bearing are connected to the axle according to the features of claims 2 and 3. The axle can be designed as a hollow axle, so that the stator systems are located on the inside of this hollow axle and in this case surround the radially inner rotor systems. However, the stator systems can also be arranged on the outside of the axle and in this case be surrounded by radially outer rotor systems. In any case, the axle is arranged fixedly within the housing, so that there is no need for rotary feedthroughs through the housing wall.
In gleicher Weise sind auch die Rotor- und Statorsysteme des elektrischen Antriebs des Rotors in die Außenseite oder auch die Innenseite der Achse sowie die Innenseite der Nabe bzw. die Außenseite von Teilen der Nabe integriert, so dass sich ein außerordentlich einfacher konstruktiver Aufbau der Vorrichtung ergibt. Elektrische Versorgungs- und Steuerungsleitungen sind zweckmäßigerweise in der Achse aufgenommen und bilden keine Behinderung für den Innenraum des Gehäuses. Das elektrische Konzept des Antriebs kann beispielsweise nach Art eines Asynchronoder eines Synchronmotors angelegt sein, wobei vorzugsweise eine Drehzahlregelung vorgesehen sein kann. Die Magnetlagerungen ermöglichen hohe Dreh-In the same way, the rotor and stator systems of the electric drive of the rotor are integrated into the outside or inside of the axle as well as the inside of the hub or the outside of parts of the hub, so that an extremely simple structural design of the device is achieved. Electrical supply and control lines are conveniently accommodated in the axle and do not form an obstacle to the interior of the housing. The electrical concept of the drive can, for example, be designed in the manner of an asynchronous or synchronous motor, whereby a speed control can preferably be provided. The magnetic bearings enable high rotational speeds.
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zahlen und sind aufgrund eines berührungs- und damit reibungsfreien Betriebs als nahezu frei von Verlusten anzusehen, so dass sich Maßnahmen einer eventuellen Lagerkühlung erübrigen. Infolge des berühungsfreien Betriebes der Magnetlagerung ergibt sich auch kein Abrieb, der eventuell zu Kontaminationen des Vakuumraumes bzw. des zu behandelnden Stoffgemisches führen könnte.and are considered to be almost free of losses due to contact-free and therefore friction-free operation, so that measures for possible bearing cooling are unnecessary. As a result of the contact-free operation of the magnetic bearing, there is also no abrasion that could potentially lead to contamination of the vacuum space or the mixture of substances to be treated.
Die den Rotor lagernde Achse ist entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4 senkrecht in dem Gehäuse fest angeordnet, wobei das Gehäuse durch einen Deckel druck- bzw. vakuumdicht verschließbar ist.The axis supporting the rotor is arranged vertically in the housing according to the features of claim 4, wherein the housing can be closed by a cover in a pressure-tight or vacuum-tight manner.
Gemäß den Merkmalen der Ansprüche 5 und 6 sind zwei axial voneinander beabstandete Magnetlager vorgesehen, nämlich zwei radial wirksame Lager und ein axial wirksames Lager. Die Lager stehen in gleicher Weise wie auch der genannte Antrieb mit einer übergeordneten elektrischen Steuerung in Wirkverbindung. Diese Steuerung kann auch Mittel zur visuellen Darstellung des Betriebszustands der Vorrichtung, insbesondere des Antriebs und der Magnetlager, jedoch auch des ablaufenden Prozesses beinhalten wie z. B. Vakuum, Temperatur, Rotordrehzahl, Unwuchtzustand des Rotors usw..According to the features of claims 5 and 6, two axially spaced magnetic bearings are provided, namely two radially effective bearings and one axially effective bearing. The bearings are operatively connected to a higher-level electrical control in the same way as the drive mentioned. This control can also contain means for visually displaying the operating state of the device, in particular the drive and the magnetic bearings, but also the ongoing process, such as vacuum, temperature, rotor speed, imbalance of the rotor, etc.
Der Rotor kann entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 7 und 8 als Festwinkelrotor ausgebildet sein, bei welchem die das Stoffgemisch aufnehmenden Gefäße nach Maßgabe eines festen Winkels zu der Achse des Rotors angeordnet sind - in Betracht kommt jedoch auch eine frei oder nach Maßgabe eines Anschlags hinsichtlich eines Ausschwenkwinkels begrenzt ausschwenkbare Halterung der Gefäße. Schließlich kommen auch solche Rotoren in Betracht, die unmittelbar zur Aufnahme des zu behandelnden Stoffgemisches eingerichtet sind, dass heißt, welche gleichzeitig die Funktion der genannten Gefäße erfüllen.The rotor can be designed as a fixed angle rotor according to the features of claims 7 and 8, in which the vessels receiving the substance mixture are arranged at a fixed angle to the axis of the rotor - however, a holder for the vessels that can be freely swiveled out or that can be limited in terms of a swivel angle according to a stop can also be considered. Finally, rotors that are designed directly to receive the substance mixture to be treated, i.e. that simultaneously fulfill the function of the vessels mentioned, can also be considered.
Die Merkmale der Ansprüche 9 bis 11 sind auf besondere, sich aus der magnetischen Lagerung des Rotors ergebende vorteilhafte Merkmale gerichtet, welche den Betriebsablauf, insbesondere den Konzentrationsprozess, jedoch auch die Drehbewegung des Rotors betreffen.The features of claims 9 to 11 are directed to particular advantageous features resulting from the magnetic bearing of the rotor, which relate to the operating sequence, in particular the concentration process, but also the rotational movement of the rotor.
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Über die, den Rotor innerhalb des Gehäuses lagernde feststehende, vertikal angeordnete Achse besteht die Möglichkeit, anhand einer Auswertung der über das axiale Magnetlager und/oder über das/die radialen Magnetlager aufzubringenden Lagerkraft die Masse des Rotors einschließlich derjenigen des in den peripheren Gefäßen aufgenommen Stoffgemisches zu ermitteln. Diese Masse verändert sich während des Ablaufs des Konzentrationsprozesses in Abhängigkeit von der Masse der infolge des Vakuums innerhalb des Gehäuses ausdampfenden Komponenten, die unter Mitwirkung einer Vakuumquelle entfernt werden. Bekanntlich ändert sich bei derartigen Vorgängen die Abdampfrate während des Ablaufs des Konzentrationsprozesses dahingehend, dass diese ausgehend von einem anfänglichen Maximalwert stark abnimmt, da die Konzentration der in dem Stoffgemisch verbliebenen restlichen Komponenten in Bezug auf die verdampfte Komponente stark ansteigt. Der zeitliche Verlauf der axial und/oder radial aufnehmenden Lagerkraft ermöglicht somit die kontinuierliche Beobachtung oder auch Protokollierung der Abdampfrate in Zeitablauf und damit die Feststellung, wieweit der Konzentrationsprozess fortgeschritten ist bzw. dass das Ende des Konzentrationsprozesses erreicht ist. Dieser Ablauf kann in digitaler, analoger oder auch graphischer Weise visuell wiedergegeben werden oder auch und als Messgröße in automatisiert ablaufenden Anlagen weiter ausgewertet werden.The fixed, vertically arranged axis that supports the rotor within the housing makes it possible to determine the mass of the rotor, including that of the mixture of substances held in the peripheral vessels, by evaluating the bearing force applied via the axial magnetic bearing and/or the radial magnetic bearing(s). This mass changes during the concentration process depending on the mass of the components evaporating as a result of the vacuum within the housing, which are removed with the help of a vacuum source. It is known that in such processes the evaporation rate changes during the concentration process in such a way that it decreases sharply from an initial maximum value, since the concentration of the remaining components in the mixture of substances increases sharply in relation to the evaporated component. The temporal progression of the axial and/or radial bearing force thus enables the evaporation rate to be continuously observed or recorded over time, and thus the determination of how far the concentration process has progressed or that the end of the concentration process has been reached. This process can be visually reproduced in digital, analogue or graphical form or can be further evaluated as a measured value in automated systems.
Die magnetischen Lager, deren elektrisches Konzept in gleicher Weise wie dasjenige des Antriebs beispielsweise nach Art einer Synchronmaschine angelegt sein kann, ermöglichen die Berechnung der Rotorlage anhand der in den zeitweise nicht bestromten Phasen induzierten Gegenspannung. Ist das elektrische Konzept der Magnetlager nach Art einer Asynchronmaschine angelegt, besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Rotorlage anhand der Statorströme in Verbindung mit der Motordrehzahl zu errechnen. Diese elektrischen Konzepte sind jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen. In Betracht kommen gleichermaßen auch solche nach der Art von elektronisch kommutierten bzw. bürstenlosen Gleichstrommotoren sowie die Verwendung besonderer Gebersysteme zur Lageerfassung des Rotors. Der ausgewuchtete Zustand des Gesamtsystems, bestehend aus Rotor nebst Gefäßen und den in diesen eingesetzten Stoffgemischen ist bekanntlich dadurch gekennzeichnet, dass dessen Drehachse durch den Schwerpunkt verläuft und dassThe magnetic bearings, whose electrical concept can be designed in the same way as that of the drive, for example in the manner of a synchronous machine, enable the rotor position to be calculated based on the counter voltage induced in the phases that are temporarily not energized. If the electrical concept of the magnetic bearings is designed in the manner of an asynchronous machine, it is also possible to calculate the rotor position based on the stator currents in connection with the motor speed. However, these electrical concepts are only to be understood as examples. Those based on the type of electronically commutated or brushless DC motors and the use of special sensor systems to detect the position of the rotor are also equally possible. The balanced state of the entire system, consisting of the rotor and vessels and the mixtures of materials used in them, is known to be characterized by the fact that its axis of rotation runs through the center of gravity and that
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der Drehachse eine Hauptträgheitsachse entspricht. Auch ist dieser Zustand durch einen in Umfangsrichtung der einzelnen Magnetlager gleichförmigen Luftspalt zwischen Rotor- und Statorsytemen gekennzeichnet. Die während des Konzentrationsprozesses bei einzelnen Gefäßen ungleichförmigen Abdampfraten führen jedoch dazu, dass unvermeidbare Unwuchten auftreten, welche zur Verlagerung der Hauptträgheitsachse gegenüber der Drehachse führen (statische und/oder dynamische Unwucht) und den entsprechenden Ungleichförmigkeiten des Luftspaltes zwischen Rotor- und Statorsystemen der Magnetlager. Dies bedeutet, dass anhand einer Auswertung von Betriebsparametern der Magnetlager neben der Rotorlage auch Größe und Lage einer Unwucht feststellbar sind. Erfindungsgemäß wird dieser Umstand dazu benutzt, durch eine, an die Lage der Unwucht angepasste örtliche Feldsteuerung bzw. eine Steuerung sonstiger, die örtliche Lagerkraft bestimmenden Betriebsparameter der magnetischen Lager den Unwuchtzustand zu kompensieren. Eine Überwachung des Unwuchtzustands nebst einer Kompensation durch entsprechende Ansteuerung der Magnetleger kann kontinuierlich während des gesamten Konzentrationsprozesses durchgeführt werden, so dass sich ein stabiler, unwuchtfreier Zustand des Rotors über den gesamten Prozess aufrechterhalten lässt, und zwar unabhängig von eventuell ungleichförmigen Abdampfraten der einzelnen Gefäße. Dies wiederum bringt den Vorteil geringer Vibrationen der Vorrichtung sowie einer im Vergleich mit herkömmlichen Vorrichtungen geringeren Geräuschentwicklung mit sich.the axis of rotation corresponds to a main axis of inertia. This state is also characterized by an air gap between the rotor and stator systems that is uniform in the circumferential direction of the individual magnetic bearings. However, the non-uniform evaporation rates in individual vessels during the concentration process lead to unavoidable imbalances occurring, which lead to the displacement of the main axis of inertia relative to the axis of rotation (static and/or dynamic imbalance) and the corresponding non-uniformities of the air gap between the rotor and stator systems of the magnetic bearings. This means that by evaluating the operating parameters of the magnetic bearings, the size and position of an imbalance can be determined in addition to the rotor position. According to the invention, this circumstance is used to compensate for the imbalance state by means of a local field control adapted to the position of the imbalance or by controlling other operating parameters of the magnetic bearings that determine the local bearing force. Monitoring of the imbalance state and compensation by appropriate control of the magnet layers can be carried out continuously throughout the entire concentration process, so that a stable, imbalance-free state of the rotor can be maintained throughout the entire process, regardless of any uneven evaporation rates of the individual vessels. This in turn has the advantage of low vibrations of the device and lower noise compared to conventional devices.
Eine dynamische kontinuierliche Auswuchtung des Rotors ermöglicht ferner die Verwendung von Gefäßen mit Gewichtsunterschieden, da ein auf diese ansonsten zurückführbarer Unwuchtzustand quasi automatisch kompensierbar ist. Desgleichen ist es möglich, Rotoren und Gefäße, deren Massen ungleich sind oder die eine unterschiedliche Massenverteilung besitzen, vor Prozessbeginn, das heißt leer, dynamisch auszuwuchten.Dynamic continuous balancing of the rotor also enables the use of vessels with weight differences, as an imbalance that would otherwise be caused by these can be compensated for almost automatically. It is also possible to dynamically balance rotors and vessels whose masses are unequal or which have a different mass distribution before the start of the process, i.e. when empty.
Die zur Aufnahme des Stoffgemisches bestimmten Gefäße können aus Kunststoff oder Metall bestehen. Häufig bestehen sie jedoch aus Glas. Sie unterliegen während des Betriebes der Vorrichtung einer hohen mechanischen Beanspruchung. Ein Glasbruch ist somit nicht sicher auszuschließen und führt zu einer unkontrolliertenThe containers intended to hold the mixture of substances can be made of plastic or metal. However, they are often made of glass. They are subject to high mechanical stress during operation of the device. Glass breakage cannot therefore be completely ruled out and leads to uncontrolled
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Verteilung des Stoffgemisches innerhalb des Gehäuses. Anhand einer Auswertung der Lagerkräfte der Magnetlager ist jedoch ein solcher Glasbruch, bei welchem es sich um eine Zerstörung eines oder auch mehrerer Gefäße handeln kann, sehr schnell anhand einer verhältnismäßig raschen und spontan auftretenden Zunahme der Unwucht erkennbar, so dass frühzeitig entsprechende Maßnahmen bzw. Entscheidungen getroffen werden können. Eine im Zeitablauf erfolgende Auswertung der über die Magnetlager aufzunehmenden Kräfte ermöglicht somit auch die Gewinnung von Informationen betreffend die Beschädigung einzelner Gefäße.Distribution of the mixture of substances within the housing. However, by evaluating the bearing forces of the magnetic bearings, such glass breakage, which may involve the destruction of one or more vessels, can be recognized very quickly by a relatively rapid and spontaneous increase in the imbalance, so that appropriate measures or decisions can be taken at an early stage. An evaluation of the forces absorbed by the magnetic bearings over time also makes it possible to obtain information about the damage to individual vessels.
Desweiteren können Größe und Lage vorhandener Unwuchten detektiert und gegebenenfalls Korrekturmaßnahmen ergriffen werden.Furthermore, the size and position of existing imbalances can be detected and corrective measures can be taken if necessary.
Die Beeinflussung der über die Magnetlager aufzunehmenden Kräfte mit dem Ziel, Verlagerungen der Drehachse des Rotors gegenüber der Achse zu bewirken, kann entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 12 auch dazu benutzt werden, eine kontrollierte radiale oder auch axiale Schwingbewegung auf den Rotor zu übertragen. Auf diese Weise kann der Ausdampfprozess des in den Gefäßen aufgenommenen Stoffgemisches dadurch wirksam unterstützt werden, dass die sich hierbei einstellende gekräuselte und somit vergrößerte freie Oberfläche des zu behandelnden Stoffgemisches den Stoffübergang ausgehend von dem Gemisch in den Innenraum des Gehäuses hinein verbessert.The influence of the forces to be absorbed via the magnetic bearings with the aim of causing displacements of the axis of rotation of the rotor relative to the axis can also be used to transmit a controlled radial or axial oscillating movement to the rotor according to the features of claim 12. In this way, the evaporation process of the mixture of substances absorbed in the vessels can be effectively supported by the fact that the resulting curled and thus enlarged free surface of the mixture of substances to be treated improves the transfer of substances from the mixture into the interior of the housing.
Die innerhalb des Gehäuses fest angeordnete Achse ist entsprechend den Merkmalen des Anspruch 13 zur Aufnahme elektrischer Versorgungs- und Steuerleitungen sowohl der Lager als auch des Antriebes eingerichtet. Es ist dies unproblematisch, da mit dieser Maßnahme vakuumdichte Durchführungen der Gehäusewandung nicht verbunden sind.The axis, which is fixedly arranged within the housing, is designed to accommodate electrical supply and control lines for both the bearings and the drive, in accordance with the features of claim 13. This is not a problem, since this measure does not involve vacuum-tight passages in the housing wall.
Zur weiteren Unterstützung des Ausdampfprozesses kann das Gehäuse, dessen Wandungen zumeist aus metallischen Werkstoffen bestehen, entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 14 mit Beheizungselementen ausgerüstet sein.To further support the evaporation process, the housing, the walls of which mostly consist of metallic materials, can be equipped with heating elements according to the features of claim 14.
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Von Vorteil können entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 15 auch Kühlelemente sein, mit denen das Gehäuse ausgerüstet ist..According to the features of claim 15, cooling elements with which the housing is equipped can also be advantageous.
Die Stützlager entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 16 und 17 sind vorzugsweise als nahezu wartungsfreie Kunststoff- oder Keramiklager ausgebildet und treten nur im Ruhezustand des Rotors oder in Notfällen während des Auslaufens in Funktion.The support bearings according to the features of claims 16 and 17 are preferably designed as almost maintenance-free plastic or ceramic bearings and only come into operation when the rotor is at rest or in emergencies during run-down.
Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 18 sind die Statorsysteme sowohl der Lager als auch des Antriebs und vorzugsweise die Rotorsysteme der Lager und des Antriebs völlig gekapselt, vorzugsweise vakuumdicht vergossen ausgebildet. Daraus ergibt sich neben einer hohen Zuverlässigkeit sowie Lebensdauer auch die Möglichkeit, dass der Innenraum des Gehäuses ohne Demontage der Rotorlagerung gereinigt, insbesondere gespült werden kann.
15According to the features of claim 18, the stator systems of both the bearings and the drive and preferably the rotor systems of the bearings and the drive are completely encapsulated, preferably vacuum-tight cast. This results in not only high reliability and service life, but also the possibility that the interior of the housing can be cleaned, in particular rinsed, without dismantling the rotor bearing.
15
Insgesamt steht in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Arbeitsmittel zur Verfügung, welches sich neben einer effektiven Prozesskontrolle durch weitestgehende Wartungsfreiheit sowie einen stabilen, auftretende Unwuchtzustände kompensierenden Betriebsablauf auszeichnet.
20Overall, the device according to the invention provides a working tool which, in addition to effective process control, is characterized by largely maintenance-free operation and a stable operating sequence which compensates for any unbalance conditions that may occur.
20
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen
schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es
zeigen:The invention will be described below with reference to the drawings
schematically reproduced embodiments are explained in more detail. It
show:
Fig.1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem
Vertikalschnitt;Fig.1 shows a first embodiment of a device according to the invention in a
vertical section;
Fig.2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem
Vertikalschnitt.
30Fig.2 shows a second embodiment of a device according to the invention in a
Vertical section.
30
Mit 1 ist in Fig. 1 ein bezüglich einer Mittelachse 2 rotationssymmetrisches Gehäuse bezeichnet, das oberseitig durch einen Deckel 3 verschlossen ist. Die obere Berandung des Gehäuses 1 ist durch einen umlaufenden Flansch 4 gekennzeichnet,In Fig. 1, 1 designates a housing that is rotationally symmetrical with respect to a central axis 2 and is closed at the top by a cover 3. The upper edge of the housing 1 is characterized by a circumferential flange 4,
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auf welchem, unter Zwischenanordnung eines Dichtringes 5 der Deckel in zeichnerisch nicht näher dargelegter Weise festgelegt ist. Von der Bodenseite des Gehäuses 1 her ragt in dieses eine im Folgenden noch näher zu beschreibende feststehende Achse 6 hinein, und zwar im wesentlichen bis in dessen oberen Bereich 7. Die sich koaxial zu der Mittelachse 2 erstreckende Achse 6 ist in zeichnerisch nicht dargestellter Weise auf dem Boden 8 des Gehäuses 1 befestigt. Diese Ausgestaltung des Gehäuses sowie Anordnung des Deckels und der Achse sind lediglich beispielhaft zu verstehen. So kann das Gehäuse auch quaderförmig ausgebildet sein. Auch kann der Deckel seitlich anstelle von oberseitig bezüglich des Gehäuses angeordnet sein. Schließlich kann die genannte Achse auch von oben her in das Gehäuse hineinragen und oberseitig bzw. deckelseitig befestigt sein.on which, with the interposition of a sealing ring 5, the cover is fixed in a manner not shown in detail in the drawing. A fixed axis 6, to be described in more detail below, projects into the housing 1 from the bottom side, essentially as far as its upper region 7. The axis 6, which extends coaxially to the central axis 2, is fastened to the bottom 8 of the housing 1 in a manner not shown in the drawing. This design of the housing and the arrangement of the cover and the axis are to be understood merely as examples. The housing can also be cuboid-shaped. The cover can also be arranged laterally instead of on top of the housing. Finally, the axis mentioned can also protrude into the housing from above and be fastened on the top or cover side.
Mit 9 ist ein beispielsweise am oberen Bereich 7 des Gehäuses 1 angeordneter, sich horizontal erstreckender Rohrstutzen bezeichnet, der mit einer zeichnerisch nicht dargestellten Vakuumquelle in Verbindung steht, über welche in dem Innenraum des Gehäuses 1 ein definierter Unterdruck einstellbar ist.Reference numeral 9 designates a horizontally extending pipe socket, which is arranged, for example, at the upper region 7 of the housing 1 and is connected to a vacuum source (not shown in the drawing), via which a defined negative pressure can be set in the interior of the housing 1.
Mit 10 ist eine Nabe bezeichnet, die einer im folgenden noch näher zu beschreibenden Weise auf der Achse 6 gelagert ist und die außenseitig einen Rotor 11 trägt. Dieser ist mit mehreren, in gleichförmiger Umfangsverteilung vorgesehenen Halterungen 12 für jeweils ein oberseitig offenes Gefäß 13 ausgerüstet, das zur Aufnahme eines zu konzentrierenden Stoffgemisches 14 bestimmt ist.10 designates a hub which is mounted on the axle 6 in a manner to be described in more detail below and which carries a rotor 11 on the outside. This is equipped with several holders 12 provided in a uniform circumferential distribution, each for a vessel 13 which is open at the top and is intended to hold a mixture of substances 14 to be concentrated.
Die Halterungen 12 sind durch zueinander fluchtende Bohrungen 15,16 zweier, axial voneinander beabstandeter, zueinander sowie zu der Achse 6 koaxialer Ringscheiben 17, 18 gebildet, wobei sich die Achsen dieser Bohrungen 15, 16 jeweils unter einem gleichen Winkel zu der Achse 6 erstrecken. Die Achsen der genannten Bohrungen 15, 16 befinden sich somit sämtlich auf der Mantelfläche einer, eine kreisförmige Grundfläche aufweisenden Pyramide, deren Spitze auf der Mittelachse 2 liegt. Es sind diese Bohrungen zur Aufnahme jeweils eines Gefäßes 13 bestimmt, welches über die Bohrung 15 der oberen Ringscheibe 17 eingesetzt wird und bodenseitig auf einer dritten, axial von der unteren Ringscheibe 18 beabstandeten Ringscheibe 19 aufsteht.The holders 12 are formed by aligned bores 15, 16 of two axially spaced-apart annular disks 17, 18 that are coaxial with one another and with the axis 6, the axes of these bores 15, 16 each extending at the same angle to the axis 6. The axes of the said bores 15, 16 are thus all located on the outer surface of a pyramid with a circular base, the tip of which lies on the central axis 2. These bores are each intended to accommodate a vessel 13, which is inserted via the bore 15 of the upper annular disk 17 and rests on the bottom side on a third annular disk 19 that is axially spaced from the lower annular disk 18.
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Der Rotor 11 mit den an diesem befestigten Ringscheiben 17 bis 19 kann auswechselbar auf der Nabe 10 angeordnet sein. Es können ferner die Ringscheiben 17 bis 19 ihrerseits lösbar mit dem Rotor 11 in Verbindung stehen.The rotor 11 with the ring disks 17 to 19 attached to it can be arranged interchangeably on the hub 10. Furthermore, the ring disks 17 to 19 can themselves be detachably connected to the rotor 11.
Mit 20 ist der elektrische Antrieb des Rotors 11 bezeichnet, der nach Art eines Asynchron- oder auch eines Synchronmotors ausgebildet sein kann und aus einem feststehenden, in die Struktur der Achse 6 integrierten Statorsystem 21 und einem, von diesem unter Belassung eines Luftspaltes umgebenen Rotorsystem 22 anderseits besteht, welches entsprechend dem elektrischen Funktionsprinzip des Antriebs 20 beispielsweise als Rotorwicklungssystem, als Permanentmagnetsystem oder auch als Kurzschlussläufer ausgebildet ist.20 designates the electrical drive of the rotor 11, which can be designed in the manner of an asynchronous or synchronous motor and consists of a fixed stator system 21 integrated into the structure of the axis 6 and, on the other hand, a rotor system 22 surrounded by the latter while leaving an air gap, which is designed in accordance with the electrical functional principle of the drive 20, for example, as a rotor winding system, as a permanent magnet system or as a squirrel-cage rotor.
Zur Lagerung der Nabe 10 auf der Achse 6 dienen zwei axial voneinander beabstandete magnetische Radiallager 23, 24. Es ist ferner ein magnetisches Axiallager 25 am unteren Ende der Nabe 10 vorgesehen. Diese Magnetlager sind als solche bekannt und bestehen aus magnetisch über einen Luftspalt miteinander verketteten Wicklungssystemen - in Betracht kommen auch miteinander verkettete Systeme aus Permanentmagneten und Magnetspulen - wobei sich im Fall der genannten Radiallager 23, 24 jeweils ein radialer Luftspalt und im Fall des Axiallagers 25 jeweils ein bzw. zwei axial orientierte Luftspalte ergeben.Two axially spaced magnetic radial bearings 23, 24 are used to support the hub 10 on the axle 6. A magnetic axial bearing 25 is also provided at the lower end of the hub 10. These magnetic bearings are known as such and consist of winding systems that are magnetically linked to one another via an air gap - interlinked systems made up of permanent magnets and magnetic coils are also possible - whereby in the case of the radial bearings 23, 24 mentioned above, one radial air gap is formed and in the case of the axial bearing 25, one or two axially oriented air gaps are formed.
Die mit dem Rotor- und Statorsystem elektrischer Maschinen vergleichbaren Wicklungssysteme derartiger Magnetlager können ebenfalls nach Art von Synchron- und auch Asynchronmotoren angelegt sein.The winding systems of such magnetic bearings, which are comparable to the rotor and stator system of electrical machines, can also be designed in the manner of synchronous and asynchronous motors.
Die Lagerung der Nabe 10 während des regulären Betriebes erfolgt ausschließlich über die genannten Magnetlager 23, 24 und 25. Lediglich für Notfälle sowie für den Stillstand sind ein radiales Stützlager 26 am oberen Ende der Nabe 10 und ein kombiniertes radial und axial wirksames Stützlager 27 am unteren Ende der Nabe vorgesehen. Diese Stützlager 26, 27 können als Wälzlager oder auch als Gleitlager vorzugsweise mit Keramik- oder Kunststoffgleitkörpern ausgebildet sein. Sie sollten schmierstoffarm bzw schmierstofffrei betrieben werden.During normal operation, the hub 10 is supported exclusively by the magnetic bearings 23, 24 and 25 mentioned above. A radial support bearing 26 at the upper end of the hub 10 and a combined radial and axial support bearing 27 at the lower end of the hub are only provided for emergencies and when the machine is at a standstill. These support bearings 26, 27 can be designed as rolling bearings or as plain bearings, preferably with ceramic or plastic sliding elements. They should be operated with little or no lubricant.
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Die vorstehend beschriebene Verteilung der Magnetlager 23 bis 25 kann dahingehend variiert werden, dass sich ein axiales Magnetlager 25 am oberen Ende der Achse 6 befindet. Gleiches gilt für die Verteilung radialer und axialer Stützlager entlang der Achse 6.
5The distribution of the magnetic bearings 23 to 25 described above can be varied so that an axial magnetic bearing 25 is located at the upper end of the axis 6. The same applies to the distribution of radial and axial support bearings along the axis 6.
5
Wesentlich ist, dass die Nabe 10 eine hutartig geschlossene, von der Oberseite her auf die Achse 6 aufgesetzte und nur unterseitig offene Struktur ist und dass infolge des Antriebs des Rotors keine Drehdurchführungen durch Wandungen des Gehäuses 1 erforderlich sind. Elektrische Zuführungen sind auf Funktionselemente beschränkt, die mit der Achse 6 in fester Verbindung stehen und können somit in die Struktur der Achse 6 hinein verlagert werden.It is important that the hub 10 is a hat-like closed structure, placed on the top of the axis 6 and only open on the bottom, and that, due to the drive of the rotor, no rotary feedthroughs through the walls of the housing 1 are required. Electrical feedthroughs are limited to functional elements that are firmly connected to the axis 6 and can therefore be relocated into the structure of the axis 6.
Mit 28 ist eine übergeordnete Steuerung angedeutet, die mit den genannten Magnetlagern 23, 24, 25 sowie dem Antrieb 20 in Verbindung steht und die insbesondere zur Überwachung des Betriebsablaufs dieser Vorrichtung, zur visuellen Anzeige von den laufenden Betrieb kennzeichnenden Parametern usw. eingerichtet ist. Schließlich sind mit 29 flächenhafte, mit den vorzugsweise metallischen Gehäusewandungen zusammenwirkende Beheizungselemente bezeichnet, über welche die Temperatur des Innenraumes des Gehäuses zur Unterstützung des Konzentrationsprozesses einstellbar ist.28 indicates a higher-level control system which is connected to the magnetic bearings 23, 24, 25 mentioned above and to the drive 20 and which is designed in particular to monitor the operating sequence of this device, to visually display parameters characterizing the ongoing operation, etc. Finally, 29 designates flat heating elements which interact with the preferably metallic housing walls and via which the temperature of the interior of the housing can be adjusted to support the concentration process.
Diese Beheizungselemente 29 können als Heizmanschetten ausgebildet sein. Zusätzlich können auch zeichnerisch nicht wiedergegebene, an sich bekannte Strahlungselemente, z. B. Infrarotstrahler Verwendung finden, die nach Maßgabe einer Bestrahlung des zu behandelnden Stoffgemisches an dem Gehäuse und/oder dem Deckel angeordnet sind.These heating elements 29 can be designed as heating sleeves. In addition, radiation elements known per se, such as infrared radiators, which are not shown in the drawing, can also be used, which are arranged on the housing and/or the cover in accordance with the irradiation of the mixture of substances to be treated.
Schließlich können das Gehäuse und/oder der Deckel auch mit zeichnerisch ebenfalls nicht dargestellten Kühlelementen versehen sein.
30Finally, the housing and/or the cover can also be provided with cooling elements that are also not shown in the drawing.
30
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 1 lediglich darin, dass die den Rotor 11 lagernde Achse 6 als Hohlachse konzipiert ist, die auf dem Boden des Gehäuses 1 fest angeordnet ist.The embodiment shown in Fig. 2 differs from that of Fig. 1 only in that the axis 6 supporting the rotor 11 is designed as a hollow axis which is fixedly arranged on the bottom of the housing 1.
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Übereinstimmende Funktionselemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, so dass insoweit auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet werden kann.Identical functional elements are designated by the same reference numbers, so that a repeated description can be dispensed with.
In der zeichnerischen Darstellung befindet sich lediglich das axiale Magnetlager 25 am oberen Ende der dortigen Achse 6. Hinsichtlich der Verteilung der Magnetlager 23 bis 25 und auch der Stützlager gelten im übrigen obige Ausführungen zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1.In the drawing, only the axial magnetic bearing 25 is located at the upper end of the axis 6 there. With regard to the distribution of the magnetic bearings 23 to 25 and also the support bearings, the above statements regarding the embodiment according to Fig. 1 also apply.
Claims (18)
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| DE20307913U DE20307913U1 (en) | 2003-05-19 | 2003-05-19 | Laboratory bench rotary vacuum concentrator comprises internal magnetic drive, for slow removal of solvent in test tube scale preparations |
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| DE (1) | DE20307913U1 (en) |
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Legal Events
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| R163 | Identified publications notified |
Effective date: 20040122 |
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| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20060626 |
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| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20090708 |
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| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20111112 |
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| R082 | Change of representative |
Representative=s name: SOBISCH & KRAMM, DE |
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| R071 | Expiry of right | ||
| R071 | Expiry of right |