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Die
Erfindung betrifft eine luftgekühlte
Zentrifuge mit einem mittels eines Motors um eine Drehachse angetriebenen
Rotor und einem Kühlkanal, welcher
eine Wand des Rotors umgibt, wobei der Kühlkanal mit einer Austrittsöffnung für im Kühlkanal transportierte
Luft versehen ist, durch welche Luft aus der Zentrifuge ausströmen kann,
und die Austrittsöffnung
eine erste Wandung aufweist, die am Außenumfang des Kühlkanals
beginnt und sich derart fortsetzt, dass sie einen zunehmenden Abstand
zur Drehachse des Rotors bei gleichzeitig zunehmendem Drehwinkel
um die Drehachse des Rotors besitzt.
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Gemäß dem Stand
der Technik, siehe z.B.
DE 196
15 702 , sind Mikroliterzentrifugen bekannt, mit welchen
Proben, die in einen von einem Motor angetriebenen Rotor gehalten
sind, zentrifugiert werden können.
Unterhalb des Rotors wird Luft angesaugt und zur Rotoraußenwand
geführt,
so dass die Rotoraußenwand
und die im Rotor enthaltenen Proben durch die Strömung der
Luft gekühlt
werden. Nach einem dadurch erfolgten Wärmeaustausch mit der Rotoroberfläche bzw.
den im Rotor befindlichen Proben tritt die Luft aus einer Austrittsöffnung aus, welche
oberhalb des Rotors angeordnet ist.
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Die
Austrittsöffnung
ist mit einer Wandung versehen, auf welche ein Teil der Luftpartikel
frontal auftreffen können.
Dabei entsteht vor einer derartigen Wandung eine Wirbelzone bzw.
eine Zone mit einer nicht mehr linear gerichteten Strömung und
relativ hohem Druck im Vergleich zu einer Zone, die von der Wandung
weiter entfernt ist. Diese Wirbelzone kann eine relativ große Fläche bedecken,
so dass die tatsächlich
wirksame Austrittsöffnung,
entlang welcher die Kühlluft
aus der Zentrifuge entweichen kann, vermindert ist.
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In
einem Bereich oberhalb des Rotors und in der Nähe der Wandung, auf welche
die Luftpartikel treffen, ist gemäß dem Stand der Technik ferner
ein Verdrängerkörper angeordnet,
welcher verhindern soll, dass Luftpartikel, die sich auf dem Weg
zur Austrittsöffnung
befinden, von der Rotorströmung ein weiteres
Mal in einen Luftkanal mitgerissen werden, welcher den Rotor umgibt.
Durch den Verdrängerkörper wird
die Fläche
der Wirbelzone im Übergangsbereich
zwischen Luftkanal und Wandung der Austrittsöffnung vergrößert. Dies
kann unter Umständen
zu einer Verringerung der Wärmeabfuhr
aus der Zentrifuge führen.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei
der gattungsgemäßen Zentrifuge
den Lufttransport um den Rotor herum und aus der Zentrifuge heraus
bei möglichst
guter Wärmeableitung
zu optimieren.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass eine luftgekühlte
Zentrifuge mit einem mittels eines Motors um eine Drehachse angetriebenen
Rotor und einem Kühlkanal,
welcher eine Wand des Rotors umgibt, vorgesehen ist, wobei der Kühlkanal
für im
Kühlkanal
transportierbare Luft mit einer Austrittsöffnung versehen ist, durch
welche Luft aus der Zentrifuge ausströmen kann, und die Austrittsöffnung eine
erste Wandung aufweist, die am Außenumfang des Kühlkanals
beginnt und sich derart fortsetzt, dass sie einen zunehmenden Abstand
zur Drehachse des Rotors bei gleichzeitig zunehmendem Drehwinkel
um die Drehachse des Rotors aufweist, wobei die Austrittsöffnung eine
zweite Wandung aufweist, die am Außenumfang des Kühlkanals beginnt
und sich derart fortsetzt, dass sie einen zunehmenden Abstand zur
Drehachse des Rotors bei gleichzeitig zunehmendem Drehwinkel um
die Drehachse des Rotors aufweist, so dass die zweite Wandung als
Gerade verläuft
oder eine gekrümmte
Kontur aufweist, deren Krümmungsmittelpunkte
von der Austrittsöffnung
abgewandt sind.
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Dies
ist vorteilhaft, da somit die austretenden Luftpartikel entlang
ihrer "natürlichen" Flugbahn geführt werden.
Eine Wirbelzone oder Hochdruckzone, welche durch den Frontalaufprall
von Luftpartikeln auf einer Wandung der Austrittsöffnung entsteht,
wird somit wirksam vermieden. Der Strömungswiderstand derart geführter Luftpartikel
ist damit relativ klein, so dass die erwärmte Luft effizient aus der
Zentrifuge abgeführt
werden kann. Damit wird auch eine besonders gute Kühlung des
Rotors und der im Rotor enthaltenen Proben erzielt. Da es keine
ausgeprägte Wirbel-
und Hochdruckzone mehr gibt, wird die tatsächlich wirksame Durchtrittsfläche der
Austrittsöffnung
nicht vermindert. Neben der sehr effizienten passiven Kühlung des
Probengutes wird wegen der fehlenden Wirbel- und Hochdruckzonen
auch eine sehr gute Laufruhe erreicht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Querschnitt der Austrittsöffnung vom
Außenumfang
des Kühlkanals
beginnend in Richtung der ausströmenden
Luft zunehmend erweitert. Den ausströmenden Luftpartikeln wird somit
kein Widerstand entgegengesetzt, so dass keine Druckzone oder Wirbelzone
entstehen kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Wandung im Wesentlichen
in Form eines Abschnittes einer Spirale verläuft, wobei besonders bevorzugt
ist, dass der Anfangspunkt der Spirale, welche den Verlauf der zweiten
Wandung bildet, in der Drehachse des Rotors angeordnet ist. Da die
Luftpartikel von ihrem Einlassbereich unterhalb des Rotors bis zur
Außenwand des
Rotors spiralförmig
beschleunigt werden, können sie
bei dieser Ausführungsform
von der Drehachse des Rotors ausgehend die Austrittsöffnung spiralförmig verlassen.
Eine derart ausgebildete Wandung der Austrittsöffnung bildet die Flugbahn
der Luftpartikel gut ab.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Wandung eine gekrümmte Kontur
aufweist, deren Krümmungsmittelpunkte
zu der Austrittsöffnung
zugewandt sind. Damit wird erreicht, dass die ausströmenden Luftpartikel
nicht in eine Unterdruckzone geraten, die bei einer gekrümmten Kontur
mit Krümmungsmittelpunkten,
welche von der Austrittsöffnung
abgewandt sind, entsteht. Durch die gekrümmte Kontur kann die Breite
des Luftaustrittes aus der Zentrifuge zudem verkleinert werden.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Wandung im Wesentlichen
in Form eines Abschnittes einer Spirale verläuft, wobei bevorzugt der Anfangspunkt
der Spirale, welche den Verlauf der ersten Wandung bildet, in der
Drehachse des Rotors angeordnet ist. Damit kann eine gut an die
Flugbahn der Luftpartikel angepasste Kontur dargestellt werden.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist die Austrittsöffnung eine Breite senkrecht
zu der die Austrittsöffnung
passierenden Luft auf, welche verstellbar ist. Besitzt die Austrittsöffnung nur
eine relativ geringe Breite, verlässt nur wenig Luft den Kühlkanal.
Damit kann relativ lange ein Wärmeaustausch
zwischen Luft und Rotoroberfläche
erzielt werden. Bei einer größeren Breite
der Austrittsöffnung
verlässt
ein relativ großer
Volumenstrom die Austrittsöffnung,
so dass ein hoher Luftdurchsatz erzielbar ist. Aufgrund einer verstellbaren
Breite der Austrittsöffnung
kann somit die Kühlleistung
der Zentrifuge deutlich beeinflusst werden. Die Breite der Austrittsöffnung kann
in Abhängigkeit
von der Temperatur der umströmenden
Luft eingestellt werden oder sich selbst mittels eines zusätzlichen
Mechanismus einstellen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Breite der Austrittsöffnung maximal die Breite der
Zentrifuge. Bei zunehmender Breite der Austrittsöffnung nimmt der Druckunterschied
zwischen Kühlkanal
und dem Ende der Austrittsöffnung zu.
Dies kann zu höherer
Geräuschentwicklung
führen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Austrittsöffnung
oberhalb einer Oberkante des Rotors vorgesehen. Damit wird erreicht,
dass die Luft, welche um den Rotor zirkuliert, möglichst lange mit dem Rotor
in Kontakt ist und Wärme
aufnehmen kann. Ist die Austrittsöffnung o berhalb der Oberkante
des Rotors angeordnet, wird die Luft erst aus der Zentrifuge entlassen,
wenn ein relativ großer
Wärmeaustausch
stattgefunden hat.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Austrittsöffnung
von einem Deckel begrenzt. Damit entsteht ein Austrittsschlitz,
welcher von vier Seiten mit einer Wandung versehen ist. Die Austrittsöffnung ist
damit eindeutig definiert, so dass eine genau gerichtete Luftströmung aus
der Zentrifuge erzielt wird.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist Luft nahe an der Drehachse des Rotors in den Kanal
zuführbar.
Dies ist vorteilhaft, da somit Luftpartikel in dem Kanal spiralförmig beschleunigt werden
können,
so dass eine mitrotierende Luftsäule entsteht.
Damit ist ein relativ hoher Wärmeaustausch mit
der Rotoraußenoberfläche bzw.
der im Rotor enthaltenen Proben sichergestellt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen
mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer luftgekühlten Zentrifuge
gemäß der Erfindung
in der Seitenansicht;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zentrifuge
in der Draufsicht, wobei spiralförmige
Bewegungsbahnen der Luftpartikel dargestellt sind;
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3 eine
schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zentrifuge
in der Draufsicht mit Bewegungsbahnen von Luftpartikeln;
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4 eine
schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zentrifuge
in der Draufsicht;
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5 eine
schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zentrifuge
in der Draufsicht;
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6 eine
schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zentrifuge
in der Draufsicht; und
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7 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
der Konstruktion der ersten Wandung und der zweiten Wandung.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zentrifuge
in einer Seitenansicht im Querschnitt dargestellt. Die Zentrifuge 1 weist
einen Antriebsmotor 2 mit einer Drehachse 3 auf,
wobei der Antriebsmotor 2 einen Rotor 4 antreibt.
Im Rotor 4 sind Proben vorgesehen (nicht dargestellt),
welche bei einer entsprechenden Umdrehungszahl des Antriebsmotors 2 zentrifugiert
werden. Der Rotor 4 und ein Teil des Motors 2 ist
von einem Kühlkanal 5 umgeben,
in welchem Luft transportiert wird. Die Luft gelangt durch eine
Einlassöffnung 9,
welche nahe der Drehachse 3 des Antriebsmotors 2 ist,
in den Kühlkanal 5 und
wird durch die Drehung des Rotors mit be schleunigt, bis sie durch
eine Austrittsöffnung 6 aus
der Zentrifuge entweicht. Zwischen Rotor 4 und Kühlkanal 5 ist
ein Gehäuse 7 vorgesehen,
welches mit einem Gehäusedeckel 8 so
verschlossen ist, dass Luft aus dem Kühlkanal nicht frei nach oben,
sondern ausschließlich
durch die Austrittsöffnung 6 geleitet
wird.
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Wenn
Luft durch eine oder mehrere Einlassöffnungen 9 in den
Kühlkanal
eintritt (z.B. durch Ansaugen), gelangt sie an die Rotoroberfläche und
wird bei einem sich drehenden Rotor durch Reibung an dessen Oberfläche mit
beschleunigt. Dabei entsteht eine Luftsäule, bei welcher die Luftpartikel
von der Einlassöffnung 9 nahe
der Drehachse 3 des Antriebsmotors 2 spiralförmig nach
außen
in Richtung zur Außenwand
des Kühlkanals 5 bewegt
werden. In 2 ist eine solche Bewegungsspirale 10 der
Luftpartikel dargestellt.
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Im
Kühlkanal 5 zirkuliert
die Luft und führt
im Zusammenwirken mit der Rotoroberfläche einen Wärmeaustausch durch, bei welcher
die Wärme
vom Rotor bzw. der im Rotor enthaltenen Proben auf die Luft übergeht.
Hat die Luft eine genügende
Menge Wärme
aufgenommen, so dass sie den Rotor bzw. die darin enthaltenen Proben
nicht weiter kühlen kann,
sollte sie aus der Zentrifuge entweichen. Dazu ist bei der in 1 dargestellten
Ausführungsform oberhalb
der Oberkante des Rotors 4 eine Austrittsöffnung 6 vorgesehen.
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Kommen
Luftpartikel in den Bereich der Austrittsöffnung, werden sie nicht mehr
von der Wandung des Kühlkanals 5 auf
einer Kreisbahn gehalten. In 3 ist ein
Luftpartikel 11 in der äußeren Randzone des
Kühlkanals 5 dargestellt.
Die erste Wandung 13 der Austrittsöffnung 6 ist dabei
so ausgebildet, dass das Luftpartikel 11 beim Verlassen
der Randzone des Kühlkanals 5 keinen
weiteren Widerstand durch eine Vorrichtung oder eine Hochdruckzone
oder Unterdruckzone überwinden
muss. Das Luftpartikel verlässt
die Randzone des Kühlkanals 5 tangential
zur Kreisbahn des Kühlkanals,
siehe Pfeil 12 in 3.
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Ein
Luftpartikel 14 in der unteren Randzone des Kühlkanals 5,
siehe 3, wird von der Bewegung des Luftpartikels 11,
welches sich aus dem Kühlkanal
entfernt, in seiner Bahn beeinflusst. Oberhalb des Luftpartikels 14 bildet
sich ein relativer Unterdruck, so dass das Luftpartikel 14 einen
größeren Bahnradius
einnehmen kann. Das Luftpartikel 14 kann dann erneut entlang
einer Bahnkurve 18 im Kühlkanal 5 zirkulieren.
Hat das Luftpartikel 14 jedoch einen Bahnradius erreicht,
welcher größer als der
Außendurchmesser
des Luftkanals 5 ist, verlässt es den Kühlkanal 5 und
tritt in die Austrittsöffnung 6 ein.
Die Bahn des Luftpartikels 14 kann in diesem Fall spiralförmig sein,
wobei in der Austrittsöffnung 6 die Flugbahn
mit dem Pfeil 15 angedeutet ist. In der in 3 dargestellten
Ausführungsform
ist die zweite Wandung 16 der Austrittsöffnung 6 so gestaltet,
dass sie äquidistant
zur Flugbahn 15 verläuft.
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Die
entlang der zweiten Wandung 16 vorbeistreifenden Partikel
werden somit genau entlang ihrer Flugbahn geführt. Die Folge ist ein relativ
geringer Strömungswiderstand,
eine geringe Wirbelbildung und geringe Geräuschentwicklung. Bei einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann der Verlauf der zweiten Wandung 16 so
ausgebildet sein, dass sie die Form einer Geraden einnimmt, siehe
gestrichelte Linie in 4. Sie kann zum Beispiel als
Tangente zum Außenumfang
des Kühlkanals
ausgebildet sein.
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Nachfolgend
wird die Konstruktion des Verlaufes der zweiten Wandung 16 gemäß der Erfindung mit
Bezug auf 7 erläutert. Verbindet man einen Punkt
M, der in der Drehachse 3 angeordnet ist, mit einem Punkt
A0, welcher am Außenumfang
des Kühlkanals
angeordnet ist und den Beginn der zweiten Wandung darstellt, entsteht
in der Draufsicht auf die Zentrifuge eine Verbindungsstrecke MA0.
Wird von dieser Strecke aus in Drehrichtung des Rotors 4, welche
in 7 der Gegenuhrzeigersinn ist, um die Drehachse 3 bzw.
den Punkt M in einem Winkel α1 eine
benachbarte Strecke aufgetragen, und weist diese Strecke eine größere Länge auf
als die Strecke MA0, entsteht eine Strecke MA1. Wird in dieser Weise
die Konstruktion einer Strecke MA2 mit einem Winkel α2 zur Strecke
MA0, einer Strecke MA3 mit einem Winkel α3 zur Strecke MA0 und einer
Strecke MA4 mit einem Winkel α4
zur Strecke MA0 fortgesetzt, siehe 7, wobei
für die
Winkel gilt: α1 < α2 < α3 < α4und
für die
zugehörigen
Streckenlängen
gilt: MA0 < MA1 < MA2 < MA3 < MA4, entsteht die Kontur der zweiten
Wandung 16. Diese zweite Wandung 16 kann dabei
in Form einer Geraden verlaufen, wie dies in 4 mit gestrichelter
Linie dargestellt ist. Sie kann aber auch gekrümmt verlaufen, wie aus 7 ersichtlich
ist. Bei einer gekrümmten
Kontur der zweiten Wandung 16 lässt sich in dem Bereich zwischen
dem Beginn A0 der Kontur und dem Ende A4 der Kontur zu jedem Punkt
der Kontur ein zugehöriger
Krümmungsmittelpunkt
MK angeben, siehe 7. Die Krümmung der
Kontur ist dabei derart orientiert, dass die jeweiligen Krümmungsmittelpunkte
MK von der Austrittsöffnung 6 abgewandt
sind. Bei der in 7 dargestellten Ausführungsform
lässt sich
die Kontur der zweiten Wandung angenähert als Kreisabschnitt beschreiben,
so dass ein gemeinsamer Krümmungsmittelpunkt
MK mit einem zugehörigen Radius R für die Kontur
angegeben werden kann. Von der Rotordrehachse 3 aus gesehen
ist die Kontur der zweiten Wandung 16 konvex ausgebildet.
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Prinzipiell
kann die Konstruktion der zweiten Wandung 16 auch auf die
Konstruktion der ersten Wandung 13 übertragen werden. In 7 sind
zu den Winkeln β1, β2, β3 und β4 die zugehörigen Punkte
B0, B1, B2, B3 und B4 aufgetragen. Die erste Wandung 13 verläuft bei
dieser Ausführungsform
als Gerade.
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Ein
Parameter für
die Variation in der Gestaltung der zweiten Wandung 16 kann
die Form des Bereiches A der zweiten Wandung 16 sein, siehe 3. Der
Bereich A der Wandung 16 stellt den Übergangsbereich zwischen Außendurchmesser
des Kühlkanals 5 und
Beginn der Austrittsöffnung 6 dar.
An dieser Stelle können
geringe Druckänderungen
auftreten, welche die Bahn der Luftpartikel beeinflussen. Ein Parameter
ist z.B. der Winkel φ zwischen
dem Beginn der Austrittsöffnung 6 und
der Außenwand des
Kühlkanals 5.
Eine weitere Einflussgröße für die Flugbahn 15 eines
entlang der zweiten Wandung 16 entlangstreifenden Luftpartikels
ist die geometrische Form des Bereiches A der zweiten Wandung 16. Denkbar
sind nicht nur spitze Geometrien, wie in den 3 und 4 dargestellt,
sondern auch abgerundete oder kreisbogenförmige Geometrien. Ein möglicher
Verlauf einer zur Wandung 16 der Austrittsöffnung 6 zugehörigen Spirale
ist mit Bezugszeichen 17 markiert.
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In 4 ist
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Zentrifuge
dargestellt. Die Austrittsöffnung 6 weist
eine erste Wandung 13 und eine zweite Wandung 16 auf,
wobei an der Stelle A die zweite Wandung 16 den Außenrand
des Kühlkanals 5 tangential
fortsetzt. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform
ist die Austrittsöffnung 6 größer ausgebildet
als bei der in 3 dargestellten Ausführungsform.
Sie kann jedoch, siehe 5, auch deutlich kleiner ausgebildet
sein. Je nach Größe der Austrittsöffnung 6 wird
eine unterschiedliche Menge an Kühlluft
aus dem Kühlkanal 5 freigegeben.
Es ist vorteilhaft, wenn die Position der zweiten Wandung 16 verstellbar
ist. Dabei kann dies entweder manuell oder motorisch geschehen,
so dass zum Beispiel bei noch relativ kühler Kühlluft, welche relativ viel
Wärme aufnehmen
kann, eine kleinere Austrittsöffnung
vorliegt als bei schon deutlich erwärmter Kühlluft, welche in größerer Menge
nach außen
befördert
werden sollte.
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Zentrifuge
in einer Schnittdarstellung in der Draufsicht schematisch dargestellt. Die
Austrittsöffnung 6 wird
dabei durch die erste Wandung 13 und die zweite Wandung 16 begrenzt, wobei
sowohl die erste Wandung 13 als auch die zweite Wandung 16 in
Form eines Abschnittes einer Spirale ausgebildet sind. Die Fortsetzung
der zweiten Wandung 16 verläuft dabei derart, dass Punkt
C einen Schnittpunkt mit dem Innenrand des Kühlkanals 5 bildet,
wobei Punkt C auf einer Verbindungslinie zwischen der Drehachse
des Rotors mit dem Mittelpunkt M und dem Schnittpunkt B der ersten
Wandung 13 mit dem Außenrand
des Kühlkanals 5 liegt,
siehe 6. Gleichwohl ist es ebenso möglich, dass der Punkt C außerhalb
der Verbindungslinie MB liegt. Die zur ersten Wandung zugehörigen Krümmungsmittelpunkte
sind zur Austrittsöffnung 6 zugewandt.