DE2223144A1

DE2223144A1 - Fluessigkeitszentrifuge mit kontinuierlichem Durchsatz

Info

Publication number: DE2223144A1
Application number: DE19722223144
Authority: DE
Inventors: Nakwon Cho
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1971-05-25
Filing date: 1972-05-12
Publication date: 1972-12-07
Also published as: FR2135371B1; US3730422A; GB1364331A; JPS544104B1; FR2135371A1; CH537215A; CA946345A

Description

Anmelderin: United States Atomic Energy Commission Washington D. G.

Flüssigkeitszentrifuge mit kontinuierlichem Durchsatz

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitszentrifuge mit kontinuierlichem Durchsatz und besonders niedrigem Druckabfall bei verschiedenen Betriebsgeschwindigkeiten·

In den letzten Jahren sind Flüssigkeitszonenzentrifugen für die Virenisolierung oder -trennung von Impfstoffen in grösserem Maßstab, ζ. B. gemäss dem USA Patent 3»430,S4-9 bekannt und gebräuchlich geworden. Ihr Hauptnachteil ist der von der Geschwindigkeit abhängende Druckabfall, der den Flüssigkeitsdurchsatz begrenzt, so dass die jeweils verfügbare Kapazität wie auch die Gesamtbetriebsdauer zwischen den Reinigungen beschränkt ist. Die zum Betrieb erforderlichen hohen Flüssigkeitsdrücke bedingen Dichtungsprobleme und eine unerwünschte

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Verschiebung und Zusammendrängung der Dichtegefalle, worunter die Produkteinheit leidet. Beispielsweise ist die Zentrifuge

des USA Patents durch Druckabfälle von 15 Pound/Inch bei normalen Betriebsgeschwindigkeiten von 35.000 Umdrehungen/Min, gekennzeichnet.

Die Erfindung hat eine Flüssigkeitszentrifuge mit kontinuierlichem Druchsatz und niedrigem Druckabfall bei verschiedenen Betriebsgeschwindigkeiten zur Aufgabe»

Die Aufgabe wird erfindungsgeiaäss dadurch gelöst, dass die Summe der Strömungsquerschnittsflächen der Verbindungskanäle wenigstens so gross wie die der Ein- und Auslassdurchführungen ist und die Ein- und Ausiaßsamme!räume im Durchmesser nicht grosser als die Ein- und Auslasskanäle sind, so dass Wirbelströme vermieden werden.

Diese Zentrifugen mit sehr viel niedrigerem Druckabfall ermöglichen einen erhöhten Flüssigkeitsdurchsatζ, erleichtern die Abdichtung und zeigen beim Zonenzentrifugieren stabile Gefälleverteilungen.

Zur weiteren Erläuterung dienen die Zeichnungen.

Die Figur 1 zeigt den Rotor der erfindungsgemässen Flüssigkeit szentrifuge im Längsschnitt;

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die Figur 2 einen Teil des Rotors der Figur 1 im Querschnitt;

die Figur 3 den vergrösserten Querschnitt eines Kernkappeneinsatzes der Zentrifuge;

die Figur 4 diesen Einsatz im Längsschnitt} und

die Figur 5 ein Vergleichsschaubild des geschwindigkeitsabhängigen Druckabfalls in der erfindungsgemässen und in einer bekannten Zentrifuge.

Eine in den Figuren 1 und 2 gezeigte Rotorschüssel 1 ist oben und unten durch die Rot or endkappen 2 und 3 abgeschlossen und nimmt einen Einsatzkern 4- auf. Auf diesen sind die Kernend-Isappen 5 und 6 geschraubt, die je «inen abgesetzten zentralen Hohlraum 7 und sechs radial verlaufende Rillen 8 aufweisen. Der hohle Einsatz 4- besitzt Flügel, die den Zentrifugenraum in achsial verlaufende Sektoren 11 aufteilen. Wie die Figur 2 zeigt, verbinden die Rillen 8 die Sektoren 11 mit den Hohlräumen 7 in den Kernendkappen.

In den Rotorendkappen 2 und 3 ist eine achsiale, zentrale Durchführung 12 vorgesehen, die im Rotor am Scheitel einer konischen Vertiefung 13 endet und am anderen Ende mit durch (nicht gezeigten) oberen und unteren, den Rotor tragenden und antreibenden Rotorwellen in Verbindung steht. Die Einzelheiten

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der Zentrifuge können im übrigen z. B. der Vorrichtung des USA Patents 3,4-30,84-9 entsprechen. Erfindungsgemäss sind die achsial verlaufenden Durchführungen 12 mit den radialen Rillen 8 durch kurze, geneigte Strömungskanäle 14 verbunden. Diese Rillen werden in einfacher Weise durch Nutung der konischen Endflächen 15 der Einsätze 16 erhalten, wie dies in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist. Die Fläche 15 ist dabei eine der konischen Ausnehmung 13 in den Rotorendkappen 2, 3 entsprechende und durch Federn 19 gegen diese gedruckte Passfläche. Durch Stifte 17 werden die Kanäle 14 mit den Rillen 8 ausgerichtet ,

Um die erfindungsgemässen Vorteile zu erreichen und den Druckabfall in der zentrifugierten Flüssigkeit möglich niedrig zu halten, werden die Kanäle 14 im Hinblick auf die Vermeidung von Strömungswiderständen durch verringerte Strömungsflächen oder Bildung von Wirbelströmungen in der Flüssigkeit ausgelegt. Der kritischste Punkt, für eine verringerte Strömungsfläche oder die Entstehung von Wirbelströmungen ist die Stossfläche der Kanäle 14 und der Durchführung 12 am Scheitel der Konusfläche 15. Die Verkleinerung der Strömungsfläche wird dadurch vermieden, dass die Summe der Strömungsquerschnittsfläche, der Kanäle 14 in jeder Fläche 15 wenigstens so gross wie die Strömungsquerschnittsfläche einer entsprechenden Durchführung 12 gehalten wird. Eine Wirbelströmung wird dadurch ausgeschal-

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tet, dass die von den einander scheidenden Kanälen 14 am Scheitel der Fläche 15 gebildete Zentralöffnung "d" auf den Durchmesser "D" der Durchführung 12 "begrenzt wird. Um beiden Anforderungen zu genügen, wird die Tiefe der Kanäle meist grosser als ihre Breite sein, da ja die Breite durch die Wirbelströmungsgrenze bereits nach oben begrenzt ist. Ein guter Annäherungswert der maximal zulässigen Breite der Kanäle 14 ergibt sich (bei gleich breiten Kanälen) aus der Gleichung

^wmax = ^C/n

worin w = maximale Breite der Kanäle 14, G = Umfang der Durchführung 12 und η = Zahl der Kanäle 14 in einer gegebenen Fläche ist.

Übersteigt die Summe der Breite der Kanäle 14 den Umfang der Durchführung 12, so wird "d" grosser als "D" und es entsteht eine von der Geschwindigkeit abhängige Wirbelströmung und damit ein starker Druckabfall.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, nehmen Tiefe und Breite der Kanäle 14 mit dem Abstand vom Scheitel der Fläche 15 zu. Im Rahmen des Erfindungsvorschlags liegen aber auch Kanäle 15 gleichmässiger Tiefe und/oder Breite, nur ist dann der Druckabfall entlang den Kanälen etwas niedriger.

Für einen möglichst niedrigen Druckabfall im Scheiteibereich der Einsätze 16 sollen die Kanäle 14 die höchstzulässige

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Breite von d = D aufweisen. Die Kanäle 14 schneiden dann die segmentierten konischen Flächenteile 17 und enden jeweils an einem scharfen Punkt im Scheiterbereich der Fläche 15 (Figur 4). Ferner soll der von den Kanälen 14- gebildete sekundäre Scheitel 18 den in der Figur 3 gezeigten scharfen Punkt bilden. Das ist die optimale Form der Einsätze 16, weil die verfügbare Strömungsfläche dann am grössten ist ohne dass Wirbelströme entstehen, und bei gleicher Strömungsaufteilung auf die einzelnen Kanäle 14 Druckabfälle infolge von St*?gnationspunkten praktisch ausgeschlossen sind.

Nach günstiger Ausgestaltung wird die innerste Wand der durch die konische Vertiefung IJ gebildeten Kanäle zur Achse der Durchführung 12 um ei.nen Winkel d von etwa 1J5° geneigt. Dieser Neigungswinkel ergibt zusammen mit der geringen Wirbelströmung und dem Strömungsflächenmerkmal den. geringsten Druckabfall.

Mitunter kann zur Durchsatζsteigerung eine Erhöhung des Durchmessers der Durchführungen 12 wünschenswert sein. Dann können Wirbelströmungen entlang der Durchführung entstehen. Der jeweilige, für solche Wirbelströmungen verantwortliche Durchmesser schwankt mit der Zentrifugengeschwindigkeit und ist nicht immer vorhersagbar. Jedoch wurde ermittelt, dass Durchführungen 12 mit Durchmessern bis zu 3/16 Inch ohne Auftreten von Wirbelströmungen möglich sind.

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Hier können zur Unterdrückung von Wirbelströmungen auch achsiale Leitbleche, Flügel oder ausgekehlte Wände zur Unterteilung der Durchführungen vorgesehen sein, die zu den erfindungsgemäss vorgeschlagenen Merkmalen hinzutreten. Dabei müssen die Leitbleche oder sonstigen, wirbelhemmenden Bauelemente bis zum Scheitel der Einsätze 16 reichen und so angeordnet werden, dass die Strömung gleichmässig auf die Kanäle 14 verteilt wird.

Das Schaubild der Figur 5 zeigt die Ergebnisse von Vergleichsversuchen zum Druckabfall bei verschiedenen Zentrifugengeschwindigkeiten. Die ungünstigere, steilere Kurve entspricht den Versuchsergebnissen mit einer Zentrifuge gemäss dem USA Patent 3,430,849. Ein Druckabfall von 18,5 Pound/Inch² ist zwar nicht mehr gezeigt, aber der steilere Verlauf der Kurve macht den stark steigenden und diesen Wert erreichenden Druckabfall in der bekannten Zentrifuge deutlich. Eine erfindungsgemäss ausgestaltete, im übrigen aber gleiche Zentrifuge erzeugt dagegen den günstigeren Kurvenverlauf mit Druckabfällen von etwas unter 4 Pound/Inch , also weniger als 1/4 des Druckabfalls in der bekannten Zentrifuge. In beiden Zentrifugen hatten die Durchführungen 12 Durchmesser von 1/8 Inch und sechs radial verlaufende Rillen. In der erfindungsgemässen Vorrichtung hatten die Kanäle 14 am Scheitel der Fläche 15 eine Breite von 1/32 Inch und eine Tiefe von 1/16 Inch.

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Jie Erfindung ist für die verschiedensten Ilüssigkeitszentrifugen mit kontinuierlichem Durchsatz anwendbar. Dabei können die Einsätze 16 durch funktionell entsprechende Elemente ersetzt werden, also Bauteile, mit denen die erläuterte Unterdrückung von WirbelStrömungen und MindestStrömungsflächen erzielt wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Zentrifuge zum kontinuierlichen Durchsatz von Flüssigkeiten, in der ein senkrechter Rotor einen zentralen Kern enthält, der am Umfang eine achsial in mehrere Sektoren unterteilte Ringkammer bildet, an entgegengesetzten achsialen Enden achsial verlaufende Ein- und Auslaßströmungsdurchlässe aufweist, an deren innengelegenen Enden sich Ein- und Auslaßsammelräume anschliessen, die durch mehrere Leitungen oder Kanäle mit den Sektoren verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Strömungsquerschnittsflächen der Verbindungskanäle (14) wenigstens so gross wie die der Ein- und Auslassdurchführungen (12) ist und die Ein- und Auslaßsammelräume im Durchmesser nicht grosser als die Ein- und Auslasskanäle sind, so dass Wirbelströme vermieden werden.

2. Zentrifuge gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle an ihren Verbindungsstellen mit den Ein- und Auslaßsammeiräumen zu den Achsen der Ein- und Auslassleitungen um etwa 135° geneigt sind.

3. Zentrifuge gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle über wenigstens einen Teil ihrer Länge ausgehend von den Sammelräumen im Querschnitt zunehmen..

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4. Zentrifuge gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle durch konusförmig zulaufende Einsätze (16) mit entsprechenden, konusförmigen Vertiefungen (13) gebildet werden.

5. Zentrifuge gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsätze in den Zentrifugenkern eingesetzt und durch Federn (19) mit ihren konischen Endflächen (15) in die Vertiefungen (15) in den Eotorendkappen (2, 3) gedrückt werden und die Verbindungskanäle aus Rillen oder Ausnehmungen in den Endflächen (15) bestehen.

6. Zentrifuge gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die konischen Endflächen um 45° geneigt sind.

7. Zentrifuge gemäss Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsätze so ausgerichtet sind, dass die Vertiefungskanäle (14) mit Eadialrillen (8) im Zentrifugenkern fluchten.

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