DE2530829A1

DE2530829A1 - Ultrazentrifuge

Info

Publication number: DE2530829A1
Application number: DE19752530829
Authority: DE
Inventors: Kristian Dahl Dipl Ing Madsen
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1974-07-23
Filing date: 1975-07-10
Publication date: 1976-02-12
Also published as: SE389034B; US4108354A; GB1500057A; SE7409554L; NL7508393A

Description

Frankfurt/M, den 9.7.1975

DlPL-ING. R. SCHLEE Bop/MK 1? m

63 GIESSEN, BismarckstraBe 43 ^a °^e / ^ίίΆ- ' ^ · *> -> '

dr.-ING. J. BOECKER
6 FRANKFURT 1, Rathenaupl. 2

Allmänna Svenska Elektriska Aktieboügget Vaster as /Schweden

Ultrazentrifuge

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultrazentrifuge der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art. Eine solche Zentrifuge ist aus der schwedischen Patentschrift 353 846 bekannt.

Wegen der hohen Umfangsgeschwindigkeit des Rotors - die Drehzahlen betragen 30.000 bis 100.000 Umdrehungen in der Minute ist man bestrebt, bei derartigen Zentrifugen außerhalb des Zentrifugenrotors ein gutes Vakuum zu erhalten, um die Reibungsverluste kleinzuhalten. Der Gaseintritt sowie der Gasaiistritt werden in diesem bekannten Fall in Form von Rohren in einem stillstehenden Stützrohr angeordnet, das in den Rotor eingesetzt ist. In diesem Stützrohr sind mindestens drei Rohre angeordnet, eins für die Gas- oder Isotopenzufuhr zum Inneren des Rohres (UF/-) und zwei zum Abtransport von angereichertem bzw. verarmtem Gas. Das Stützrohr ist an mehreren Stellen perforiert. Diese Bauteile, die in das Innere des Ultrazentrifugenrotors hineinragen, stellen eine komplizierte Konstruktion dar

B09887 /0354

2 b 3 Ο-ϊ-j 2 9

und können in Schwingungen geraten, die insbesondere gefährlich sind, wenn der Rotor beim Hochfahren auf seine sehr hohen Drehzahlen oder beim Auslaufen die kritischen Drehzahlen durchläuft. Nachteilig sind ferner die Störungen der Gasströmung durch die in den Zentrifugenrotor hineinragenden Bauteile.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultrazentrifuge der eingangs genannten Art zu entwickeln, die von den eben beschriebenen Nachteilen befreit ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Ultrazentrifuge nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmal e hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Durch die Erfindung erhält man eine Zentrifuge ohne innere stationäre Bauteile und vermeidet so die oben genannten störenden Einflüsse. Die Zentrifuge kann daher mit sehr hohen Drehzahlen laufen, sie kann kritische Drehzahlen ohne nennenswerte Störun-

— 3 — 5 0 9 8 8 7/0354

ORIGINAL INSPECTED

gen durchlaufen und ist ferner für die Verwendung in einer Zentrifugenkaskade geeignet, die aus mehreren Zentrifugen besteht. Siehe hierzu "beispielsweise die deutsche Offenlegungssehrift 2 227 317.

Anhand der in den Figuren gezeigten AusfUhrungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Ultrazentrifuge nach der Erfindung,

Fig. 2 eine andere Stirnwandausführung der Zentrifuge gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer Ultrazentri· fuge nach der Erfindung,

Fig. 4 und 5 zwei alternative Ausführungsformen der Stirnwand bei dieser Ultrazentrifuge.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer Ultrazentrifuge mit einem Rotor, bestellend aus einem hohlen Körper 11 mit einer zylindrischen Wand 12 und zwei Stirnwänden 13, 14. Der Rotor wird von einem Motor 15 oder einem anderen Antriebsaggregat angetrieben.

_ 4 509887/0354

2530329

Die z3>\Lindrische Wand 12 "besteht aus einem Stahlmantel 16 aus vorzugsweise Al oder Al-Legierung, der mit polyesterimprägnierter Kohlenstoffaser 17 verkleidet ist.

Die Stirnwand 14 an der Seite des Antriebsmotors 15 ist mit einer Anzahl von Löchern für den Gasaustritt 18 versehen, und die andere Stirnwand 13 ist ebenfalls mit Löchern für den Gasaustritt 19 versehen. Alle diese Löcher liegen in einem bedeutenden Abstand von der Rotorwelle 20, zweckmäßigerweise außerhalb eines Kreises mit dem halben Durchmesser.

Die obere Stirnwand 13 (die Zentrifuge ist vertikal angeordnet) ist mit Gaseintrittöffnungen 21 ^rersehen, die in kleinerem Abstand von der Welle 20 als der Austritt 19 liegen. Um diese Öffnungen ist vor den Ablauföffnung en 19 ein in das Innere des Rotors mündendes Rohr 22 angeordnet, das die einströmende oder ausströmende Gas- oder Isotopenfraktion separieren soll.

Die Pfeile X und Y zeigen die Zirkulationsverhältnisse im Rotor 11 bei dessen Rotation. Der untere Teil der Zentrifuge wird dabei gekühlt und der obere Teil erwärmt. Hierdurch erhält man im wesentlichen eine Zirkulationsrxchtung entsprechend der Pfeile X und Y. Aus der Austrittöffnung 18 in der Stirnwand 14

509887/035 4

2 5 3 O 3 ? 9 - 5 -

strömt dann eine rait U₂^ angereicherte Fraktion aus, während aus der Austrittöffnung 19 in der Stirnwand 13 eine an U₀-,,-verarmte Fraktion ausströmt, die in der nächsten Zentrifuge in einer Kaskade anzureichern ist. Mittels des Rohres 22 werden Störungen des zirkulierenden und ausströmenden Gases durch einströmendes Gas vermieden.

Angereichertes Gas oder Isotopenmischung wird bei 23 entnommen und Gas- oder Isotopenmischung, die zentrifugiert werden soll, wird bei 24 zugeführt.

Zwischen dem Rotor 11 und der Hülle (Stator) 25 soll im Raum ein hohes Vakuum aufrechterhalten werden, eventuell mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Vakuumpumpe, um Verluste zu verne.den.

Zwischen dem Rotor 11 und der Hülle 25 wird an der oberen und unteren Stirnwand eine Dichtung in Form eines Trapezgewindes (Molekularpumpe) 27, 28 angeordnet.

Zwischen der Eintrittsöffnung 21 und der Austrittsöffnung 19 an der oberen Stirnwand wird eine Labyrinthdichtung 29 der normalerweise bei Dampfturbinen verwendeten Art angeordnet.

509887/0354

ORIGINAL

2 5 3 Π 3 ?. 9

Bei diesem Zentrifugentyp benötigt man keine Magnetlager, und das obere Lager besteht hier nur aus einem schmalen Zapfen 30 zur Lagerung (an dieser Stelle befinden sich keine Gasrohre), und zwischen dem Zapfen 30 und eine Hülse 31 wird Gummi oder ein anderes Dämpfungsmittel, wie z.B. ein gefaltetes Band, eingelegt.

Das untere Lager 32 entspricht genau dem in der schwedischen Patentschrift 353 846 (siehe Seite 1) beschriebenen Lager.

Wie hieraus ersichtlich ist, fehlen interne stationäre Teile und man erhält eine unkomplizierte, verhältnismäßig schwingungsfreie Zentrifuge, die auch für hohe Drehzahlen, beispielsweise 40.000 bis 60.000 UpM, geeignet ist.

Figur 2 zeigt eine Stirnwandausführung mit Eintrittsöffnungen in der Stirnwand 13, die unter einem spitzen Winkel zur Rotorwelle verlaufen. Das Rohr 22 besteht in diesem Fall aus einem Stück mit der Stirnwand 13. Hier ist eine Trap ezgaindedi chtung sowohl zwischen der Rotorwand und dem Stator als auch zwischen dem Eintritt 19 und dem Austritt 27, 33 vorhanden.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführung einer Zentrifuge mit einem Rotor 34 und einem Einlaufrohr 35. Zwischen den Stirnwän-

— 7 —

509887/0354

ORIGINAL INSPECTED

2 5 3 O π 2 9

den 36 und 37 ist bei dieser Ausführung ein Rohr 38 durchgezogen, das an den beiden Stirnwänden befestigt ist und das die Eintrittsöffnungen 39 auf gleiche Weise von den Gasaustrittsöffnungen 4-0 trennt, wie das Rohr 22 in Fig. 1. Dieses Rohr erstreckt sich also über die ganze Länge des Rotors und in einer Zone in der Mitte 41.

Im gleichen Abstand von den beiden Stirnwänden sind Perforierungen 42, 43, 44 vorgesehen, um die Zirkulation zu ermöglichen. In der unteren Stirnwand 36 ist am Gasaustritt ein abgewinkeltes Rohr 45, 46 mit einem axialen Abschnitt 46 und einem radialen Abschnitt 45 angeordnet, welches letzteres in ein Schaufelteil ausläuft, das bei der Rotation einen Druck in der "Leitung 45, 46 erzeugt, um den Gasaustritt zu erleichtern. Das Schaufelteil 45 wird also bei der Rotation die Gaspartien überschneiden und diese in das Rohr 46 hineinpressen. Dir ch die Schaufelanordnung 45 benötigt man keine Dichtung im Bereich der Stirnwände, und man wandelt hierdurch eine UF ,--Geschwindigkeit auf an sich bekannte Weise in Druck um.

In Fig. 4 werden vier verschiedene Alternativen A, B, C und D für den Verband der oberen Stirnwand mit dem Separanierungsrohr bzw. der Rotorwand gezeigt. Der Eintritt für das Gas ist in Form

509887/0354

eines eingesteckten Rohres 47 ausgeführt, das in eine Kammer 48 mit einer Eintrittsöffnung 49 mündet. Im Gegensatz zu bekannten Konstruktionen kann man hier aufgrund der Drucksteigerung bei der radial nach außen gerichteten Bewegung einen niedrigen Druck haben. Auch hier ordnet man eine Labyrinthdichtung hinter dem Eintrittsrohr 50 an. Die Alternative A zeigt eine Befestigung des inneren Rohres 22 in einer gedrehten Nut 51 in der Stirnwand 37. Bei der Alternative B besteht dieses Rohr aus einem Stück mit der Stirnwand 37. Die Alternative C zeigt eine Möglichkeit zur Befestigung der Rotorstirnwand, und genau wie bei der Alternative A ist die Stirnwand hier in einer gedrehten Nut 52 in der Stirnwand 37 befestigt. Man sieht hier, daß die Wand aus einem Metallmantel 53 und epoxiimprägnierter Kohlenstoffaser 54 besteht. Die Alternative D zeigt eine andere Art zur Befestigung der Stirnwand, bei der bei 55 die Wand an die Stirnwand 37 geschweißt oder gelötet ist.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der oberen Stirnwand, bei der die Gasaustrittsöffnungen 56 und die Gaseintrittsöffnung 57 durch ein in eine Nut in der Stirnwand befestigtes Aluminiumrohr 58 getrennt sind. Das Lagergehäuse für den Rotor wird bei 59 gezeigt, und bei 60 wird eine Paserbandagierung für die Stirnwand 37 gezeigt. Die Rotorwand ist gemäß Alternative C in Figur 4 befestigt.

- 9 509887/0354

2530H29

Die im vorangegangenen anhand der Figuren "beschriebenen Zentrifugen stellen nur Aus führung sb ei so Me der Erfindung dar. Sie sind im Rahmen des offenbarten Erfindungsgedankens in vielfacher Weise variierbar.

- 10 -

509887/0354

Claims

Patentansprüche;

1j Ultrazentrifuge für Gas- oder Isotopenmischungen mit einem Rotor in Form eines hohlen, zylindrischen Körpers mit zwei Stirnwänden, die mit Gaseintritts- und Gasaustrittsöffnungen vers3hen sind', und mit einem Antrieb für den Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseintrittsöffnung oder -öffnungen (21) und die Gasaustrittsöffnungen (18, 19) ausschließlich aus Löchern in den RotorStirnwänden (13, 14) bestehen.
2. Ultrazentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnungen aus einer Anzahl Löcher (18) in der an der Seite des Antriebsaggregats liegenden Stirnwand (14) bestellen, die in relativ großem Abstand von der Rotorwelle liegen, sowie aus einer Anzahl Löcher (19) in der gegenüberliegenden, zweiten Stirnwand (13), die ebenfalls in großem Abstand von der Welle angeordnet sind.
3. Ultrazentrifuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseintrittsöffnung augfeinem oder mehreren Löchern (21) in der zweiten Stirnwand (13) besteht, die in kleinerem Abstand von der Rotorwelle als die Austrittsöffnungen angeordnet sind.

- 11 -

5098 8 7/0354

Z5JOT
4. Ultrazentrifuge nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite der zweiten Stirnwand (13) ein mit dem Rotor konzentrisches Rohr (22) angeordnet ist, dessen Durchmesser so bemessen ist, daß die Eintrittsöffnungen innerhalb und die Austrittsöffnungen außerhalb des Rohres liegen.
5. Ultrazentrifuge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeidinet, daß die Länge des Rohres (22) einem Teil des Abstandes zwischen den beiden Stirnwänden entspricht, vorzugsweise mindestens die Größe des Rohrdurchmessers hat.
6. Ultrazentrifuge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Rohr (38) von der einen Stirnwand zur anderen erstreckt und an diesen befestigt ist und daß das Rohr mit Perforierungen (42 bis 44) versehen ist.
7. Ultrazentrifuge nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforierungen (42 bis 44) sich in einem axialen Bereich
(41) des Rohres befinden, dessen Abstand von den beiden Stirnwänden im wesentlichen gleich groß ist.
8. Ultrazentrifuge nach einem der vorstehende! Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Doppelströmung in der

- 12 509887/035 4

ORIGINAL INSPECTED

7 5 -?i r.i H 2 9

Zentrifuge auf bekannte Weise durch Erwärmung des einen Zentrifugenendes und Kühlung des gegenüberliegenden Zentrifugenendes steuerbar ist.
9. Ultrazentrifuge nach einem der Ansprüche 4 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (22) in einer gedrehten Nut (51) in einer oder beiden Stirnwänden befestigt ist.
10. Ultrazentrifuge nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (22) aus einem Stück mit der Stirnwand besteht.
11. Ultrazentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Wand des Roters entweder in die Stirnwände eingesetzt oder über die Stinrnwände gezogen und an diesen festgeschweißt oder festgelötet ist.
12. Ultrazentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stirnwand oder beide Stirnwände mit Faserstoff bandagiert sind.

509887/0354

ORiGiNAL iNSPECTED