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Die Erfindung betrifft eine Zentrifuge mit einem
Rotorkörper, einem mit dem Rotorkörper koaxialen ringförmigen
Schieber, der relativ zu diesem axial verschiebbar ist, um
Öffnungen im Rotorumfang zu öffnen und zu schließen, und mit
einer ringförmigen Wand, die mit dem Rotorkörper verbunden
ist und mit dem Schieber zusammen eine ringförmige Kammer
bildet, die eine Flüssigkeit zum hydraulischen Beeinflussen
des Rotors aufnehmen und bei der Rotordrehung vorhalten
kann. Weiterhin weist der Rotor einen zusätzlichen Schieber
auf, der axial relativ zum Rotorkörper und der Ringwand
bewegbar ist und axial in die Ringkammer einfahrbar ist und
in einem radial außenliegenden Teil derselben eine axial
gerichtete Fläche aufweist, wobei eine Dichteinrichtung
vorgesehen ist, um den zusätzlichen Schieber gegen den
Rotorkörper und die Ringwand dicht abzuschließen.
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Bei bekannten Trennzentrifugen dieser Art dient der
Ringschieber zum Öffnen und Schließen von Öffnungen am
Rotorumfang, die Abläufe der Trennkammer im Rotor an deren Umfang
darstellen. Eine solche Zentrifuge ist bspw. in der GB-A-
2172221 gezeigt. Der zusätzliche Schieber ist so angeordnet,
daß er bei arbeitendem Zentrifugenrotor in einer Richtung
axial bewegbar ist, um intermittierend einen Umfangsablauf
der Ringkammer zu öffnen, so daß die in der Kammer
vorliegende Flüssigkeit ganz oder teilweise ausgetragen
werden kann. Wird Flüssigkeit aus der Ringkammer
ausgetragen, verlagert sich die freie Oberfläche derselben
radial auswärts, während der auf dem Schieber lastende
axiale Druck der Flüssigkeit abnimmt. Da die Prozeßflüssigkeit
in der Trennkammer mit einem gegengerichteten Druck auf den
Schieber wirkt, verlagert sich dieser axial und öffnet die
Ablauföffnungen der Trennkammer, wenn der von der
Flüssigkeit in der Ringkammer auf den Schieber ausgeübte Druck
schwächer wird als der gegengerichtete Druck der
Prozeßflüssigkeit. Wird die Ringkammer vollständig entleert, verbleibt
der Schieber in einer Lage, in der die Ablauföffnungen der
Trennkammer offenliegen. Die Trennkammer wird dann
vollständig entleert. Wird demgegenüber nur ein Teil der
Flüssigkeit in der Ringkammer ausgetragen, verläßt der
Schieber zunächst die Schließstellung, so daß die
Austragöffnungen der Trennkammer geöffnet werden, und wird danach
von dem Druck der in der Ringkammer verbleibenden
Flüssigkeit zurück in die Schließstellung gebracht. Die Menge der
die Trennkammer verlassenden Prozeßflüssigkeit bestimmt sich
also aus der aus der Ringkammer ausgetragenen
Flüssigkeitsmenge.
Beim vollständigen wie auch teilweisen Entleeren
der Trennkammer muß der Ringkammer als Ersatz der durch die
Umfangsöffnungen abgegangenen Flüssigkeit neue Flüssigkeit
zugeführt werden. Ein Problem bei den Trennzentrifugen der
oben beschriebenen Art ist das präzise Austragen einer
bestimmten Flüssigkeitsmenge aus der Ringkammer während des
Betriebs, so daß der Flüssigkeitsspiegel in dieser Kammer
auf einem radialen Solipegel verbleibt. Nur bei einer
solchen präzisen Regelung ist es möglich, mit hoher Genauigkeit
die Menge an Prozeßflüssigkeit zu bestimmen, die aus der
Trennkammer ausgetragen werden muß. In dieser Hinsicht sei
angemerkt, daß eine zentrale Einströmung von Flüssigkeit in
die Ringkammer, die normalerweise ununterbrochen
aufrechterhalten wird, während Flüssigkeit die Kammer über
die Umfangsabläufe verläßt, keinen wesentlichen Einfluß auf
die radiale Lage hat, bei der der Flüssigkeitsspiegel in der
Kammer nach der radialen Auswärtsbewegung zum Stillstand
kommt. Die Zufuhrströmung in der Rotormitte beträgt nur
Bruchteile bzw. wenige Prozent der Abströmung durch die
Umfangsabläufe, so daß mögliche Störungen der Zufuhrströmung
weitaus weniger wichtig sind als Störungen der Abströmung.
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Ein weiteres Problem bei bekannten Trennzentrifugen ist
deren begrenzte Fähigkeit, Flüssigkeit schnell genug aus der
Ringkammer auszugeben. Ein weiteres Problem ist, daß die
Ventileinrichtungen zum intermittierenden Öffnen und
Schließen der Ringkammerabläufe im Betrieb zu schnell verschleißen
und regelmäßig gewartet werden müssen, um die Abläufe sicher
geschlossen zu halten.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben
angesprochenen Probleme zu lösen.
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Erfindungsgemäß ist eine Trennzentrifuge der eingangs
beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß die
Dichteinrichtungen so angeordnet sind, daß sie den radial äußeren
Teil der Ringkammer konstant abdichten, indem sie den
zusätzlichen Schieber konstant gegen den Rotorkörper und die
ringförmige Wand dicht abschließen und so der dichte
Abschluß bei der Axialbewegung des zusätzlichen Schiebers
erhalten bleibt, so daß bei der Axialbewegung in einer
Richtung der zusätzliche Schieber Flüssigkeit in der Ringkammer
radial einwärts verdrängt, indem er einen zunehmenden Teil
des Ringkammervolumens einnimmt, und bei der Axialbewegung
in der anderen Richtung der zusätzliche Schieber Flüssigkeit
in der Ringkammer radial auswärts verdrängt, indem er einen
abnehmenden Teil des Ringkammervolumens einnimmt.
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Anstelle von Umfangsabläufen der Ringkammer, die durch die
Axialbewegung des zusätzlichen Schiebers intermittierend
geöffnet und geschlossen werden, ist bei einer
erfindungsgemäß aufgebauten Trennzentrifuge der zusätzliche Schieber
immer dicht gegen den Rotorkörper und die Ringwand
abgeschlossen, wobei mit einer axialen Bewegung des Schiebers
der radiale Flüssigkeitsspiegel in der Ringkammer dadurch
verstellt wird, daß der Schieber in der Kammer ein größeres
oder kleineres Volumen einnimmt.
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Soll folglich der Hauptschieber axial verschoben werden,
braucht aus der Ringkammer keine Flüssigkeit ausgetragen zu
werden. Stattdessen erfolgt nur eine radial auswärts
gerichtete Bewegung der Flüssigkeit in der Kammer und des freien
Flüssigkeitsspiegels in ihr durch eine Bewegung des
zusätzlichen Schiebers derart, daß das für die Flüssigkeit
verfügbare Kammervolumen größer wird, so daß der auf den
Ringschieber wirkende axiale Flüssigkeitsdruck abnimmt. Soll
der auf den Hauptschieber wirkende Flüssigkeitsdruck wieder
zunehmen, erfolgt eine umgekehrte Verdrängung von
Flüssigkeit in der Kammer durch eine Bewegung des
zusätzlichem Schiebers derart, daß das für die Flüssigkeit
verfügbare Ringkammervolumen abnimmt und sich so der freie
Flüssigkeitsspiegel radial einwärts verlagert.
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Bei einer erfindungsgemäßen Trennzentrifuge läßt sich die
radiale Position, in der der freie Flüssigkeitsspiegel in
der Ringkammer bei einer Verschiebung des zusätzlichen
Schiebers um eine vorbestimmte Strecke zum Stillstand kommt,
sehr genau bestimmen. M.a.W.: es ist bspw. möglich, mit
hoher Genauigkeit und hoher Sicherheit zu entscheiden, wie
viel Prozeßflüssigkeit in der Trennkammer verbleibt, nachdem
mit dem Ringschieber die Umfangsabläufe der Trennkammer
geöffnet und wieder geschlossen worden sind. Die radiale
Auswärtsbewegung des Flüssigkeitsspiegels in der Ringkammer
läßt sich sehr schnell ausführen, da die erfindungsgemäße
Anordnung keine Flüssigkeitsströmung durch eine Anzahl enger
Abläufe der Ringkammer voraussetzt. Schließlich entfallen
bei der Erfindung auch die Ventile zum Öffnen und Schließen
solcher Kammerabläufe.
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Die Erfindung ist primär für den Einsatz in Trennzentrifugen
gedacht, bei denen der Ringschieber zum Öffnen und Schließen
von Umfangsabläufen der Trennkammer und in dieser Beziehung
zum teilweisen Entleeren der Trennkammer angeordnet ist. Um
eine unnötige Hublänge des zusätzlichen Schiebers zu
vermeiden, ist dieser vorzugsweise ringförmig und weist in
der Ringkammer eine freie ringförmige Oberfläche auf.
Dadurch läßt der zusätzliche Schieber sich so gestalten, daß
er trotz eines kurzen Hubs in der Ringkammer ein
verhältnismäßg großes Flüssigkeitsvolumen verdrängt.
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Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnung, die
eine bevorzugte Ausführungsform derselben zeigt,
ausführlicher beschrieben werden.
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Die Zeichnung zeigt als Axialschnitt einen Teil eines
Zentrifugenrotors mit einem Rotorkörper, der aus einem Oberteil
1 und einem Unterteil 2 besteht. Die Teile 1, 2 werden axial
mittels eines Sperrings zusammengehalten, den die Zeichnung
nicht zeigt. Der Unterteil 2 ist mit einer vertikalen hohlen
Antriebswelle 3 verbunden.
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Innerhalb des Rotorkörpers befindet sich eine ringförmige
Zwischenwand 4, die koaxial mit dem Rotor angeordnet und in
ihrer Mitte mit ihm verbunden ist. Weiterhin befinden sich
im Rotorkörper zwei axial bewegbare ringförmige Schieber 5
und 6. Der Schieber 5 liegt dabei zwischen der Zwischenwand
4 und dem Rotor-Oberteil 1. An seiner radial äußeren Kante
ist der Schieber 5 in einer oberen Lage so angeordnet, daß
er dicht abschließend am Rotorteil 1 anliegt. Zwischen dem
Rotorteil 1 und dem Schieber 5 ist eine Trennkammer 7
gebildet. Radial außerhalb des Bereichs, in dem der Schieber am
Rotorteil 1 anliegt, enthält der Rotorteil 2 eine Anzahl von
Öffnungen 8, die um den Rotor herum verteilt und dazu
gedacht sind, als Umfangsabläufe der Trennkammer zu wirken,
wenn der Schieber 5 sich in einer unteren Lage befindet und
zwischen dem Schieber 5 und dem Rotorteil 1 ein Spalt
vorliegt. Der Schieber 5 und die Zwischenwand 4 bilden zwischen
sich eine ringförmige Kammer 9.
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Der Schieber 6 liegt zwischen der Zwischenwand 4 und dem
Rotorteil 2. Ein Teil des Schiebers 6 ist im wesentlichen
zylindrisch und erstreckt sich über einen Raum zwischen dem
Rotorteil 2 und dem radial am weitesten außen liegenden
Bereich der Zwischenwand 4 in die Kammer 9 hinein. Der andere
Teil des Schiebers 6 liegt in einer Kammer, die zwischen dem
Rotorteil 2 und einem radial außen liegenden Bereich der
Zwischenwand 4 gebildet ist. Der letztere Teil des Schiebers
6 unterteilt diese Kammer zu einem ersten Abteil 100
zwischen dem Schieber 6 und der Zwischenwand 4 und einem
zweiten Abteil 11 zwischen dem Schieber 6 und dem Rotorteil
2. Das erste Abteil 10 hat einen gedrosselten Umfangsablauf
in Form eines Kanals 12 im Schieber 6 und eines Kanals 13 im
Rotorteil 2.
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Das zweite Abteil 11 hat einen Zulauf 14 für eine
Steuerflüssigkeit, mit der der Schieber 6 axial verlagert werden
soll.
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Die Dichtungen 15, 16 schließen den Schieber 6 dicht gegen
die umgebenden Bereiche des Rotorteils 2 ab. Eine Dichtung
17 schließt die Zwischenwand 4 dicht gegen den umgebenden
zylindrischen Teil des Schiebers 6 ab. Bei 18 ist eine
Anzahl radial und axial verlaufender Flügel gezeigt, die mit
der Zwischenwand 4 verbunden sind. Ähnliche Flügel sind an
die Zwischenwand 4 bei 19, 20, 21 und bei 22 an den Schieber
6 angesetzt.
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Die Flügel 21 befinden sich in einer Kammer, die über einen
Kanal 23 mit dem Inneren der Antriebswelle 3 in
Strömungsverbindung steht, in der ein freier Flüssigkeitsspiegel -
mit einem Dreieck angedeutet - aufrechterhalten wird. Die
Zwischenwand 4 hat im radial außenliegenden Teil des soeben
erwähnten Raumes eine Anzahl axialer durchgehender Bohrungen
24. Über den Kanal 23, den die Flügel 21 umgebenden Raum und
die Bohrungen 24 steht das Innere der Antriebswelle 3 mit
der Ringkammer 9 in Strömungsverbindung. Über einen Kanal
25, der radial innerhalb des Flüssigkeitsspiegels in der
Antriebswelle 3 mündet, steht das Innere der Antriebswelle 3
auch direkt mit dem radial am weitesten innen liegenden Teil
der Kammer 9 in Strömungsverbindung.
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In Strömungsverbindung mit dem Steuerflüssigkeit-Zulauf 14
enthält der Rotorkörper eine radial einwärts offenliegende
Nut 26, die aus einer nicht gezeigten Versorgungseinrichtung
mit einer Steuerflüssigkeit beschickt werden kann.
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Der in der Zeichnung dargestellte Zentrifugenrotor arbeitet
wie folgt:
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Beim Anlassen der Trennzentrifuge wird dem Rotorkörper über
die hohle Antriebswelle 3 Flüssigkeit zugeführt, bis der
Raum um die Flügel 21 herum sowie die Kammer 9 mit
Flüssigkeit gefüllt sind. Gleichzeitig wird der Nut 26
Steuerflüssigkeit zugeführt, bis das Abteil 11 gefüllt ist und sich
auf der Höhe der radial inneren Kante des Schiebers 6 ein
freier Flüssigkeitsspiegel gebildet hat. Nach dieser
Flüssigkeitszufuhr befinden sich die Schieber 5, 6 in ihrer
oberen Lage, wie sie in der Zeichnung gezeigt ist.
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Soll der Schieber 5 verschoben werden, um die Öffnungen 8 im
Rotorteil 2 zu öffnen, so daß ein Teil des Inhalts der
Trennkammer 7 ausgeworfen wird, wird der Nut für
vorbestimmte Dauer zusätzliche Steuerflüssigkeit zugeführt. Da
das Abteil 11 bereits mit Flüssigkeit gefüllt ist, strömt
die Steuerflüssigkeit über die radial innenliegende Kante
des Schiebers 6, die als Überlaufauslaß für das Abteil 11
wirkt, in das Abteil 10 über. Das Abteil 10 füllt sich nun
allmählich mit Flüssigkeit, sofern weniger Flüssigkeit das
Abteil 10 durch den Ablauf 12, 13 verläßt als der Nut 26
zugeführt wird. Hat der freie Flüssigkeitsspiegel im Abteil
10 die radiale Lage A erreicht, drückt der Flüssigkeitsdruck
im Abteil 10 und in der Kammer 9 den Schieber 6 abwärts. Der
radial äußere zylindrische Teil des Schiebers 6, der in der
Kammer 9 liegt und einen Teil des Volumens derselben
einnimmt, wird dann aus der Kammer 9 herausgeschoben und
läßt einen anwachsenden Raum in ihr zurück, in den
sukzessive Flüssigkeit aus anderen Teilen der Kammer 9
nachströmt. Dabei wird der größte Teil der Flüssigkeit in der
Kammer 9 rasch radial nach außen verdrängt; hat ein freier
Flüssigkeitsspiegel in der Kammer 9 radial auswärts die Lage
B erreicht, wird der auf dem Schieber 5 lastende
Flüssigkeitsdruck zu schwach, um ihn in der dargestellten Position
zu halten. Der Druck der Prozeßflüssigkeit in der
Trennkammer 7 drückt also den Schieber 5 nach unten, so daß die
Öffnungen 8 freigelegt werden und Prozeßflüssigkeit
ausströmt.
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Bei diesem Vorgang verlagert sich der Flüssigkeitsspiegel in
der Kammer 9 zusätzlich radial auswärts, bis der Schieber 6
eine untere Endlage erreicht hat. Haben beide Schieber 5, 6
ihre untere Endlage erreicht, befindet sich der
Flüssigkeitsspiegel in der Kammer 9 in der Lage C. Währenddessen
verlagert sich der Flüssigkeitsspiegel in der Kammer 7
radial auswärts, bis der auf dem Schieber 5 lastende
Flüssigkeitsdruck unter den gegengerichteten Druck der Flüssigkeit
in der Kammer 9 abgefallen ist. Dann wird der Schieber 5
aufwärts in die in der Zeichnung gezeigte Lage gedrückt und
der Flüssigkeitsspiegel in der Kammer 9 geht in die Lage D.
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In diesem Zustand hat sich das Abteil 10 bereits einige Zeit
über den Ablauf 12, 13 entleert; hat der Flüssigkeitsspiegel
im Abteil 10 die Lage E erreicht, sind die auf- und abwärts
auf den Schieber 6 wirkenden Kräfte im Gleichgewicht. Bei
fortgesetztem Ablassen des Abteils 10 drückt die Flüssigkeit
im Abteil 11 den Schieber 6 aufwärts gegen den auf ihm
lastenden Druck der Flüssigkeit in der Kammer 9 und der
abnehmenden Flüssigkeitsmenge im Abeil 10.
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Bei der Rückkehr des Schiebers 6 in die in der Zeichnung
gezeigte Lage verdrängt er fortwährend die Flüssigkeit in der
Kammer 9 radial einwärts. Gleichzeitig wird die Kammer 9
über die Bohrungen 24 mit einer kleinen Menge frischer
Flüssigkeit beschickt, so daß der Flüssigkeitsspiegel in der
Kammer 9 in seine Ausgangslage nahe der Rotormitte
zurückkehrt.
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Bei der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform der
Erfindung ist angenommen, daß der Schieber ohne die Hilfe
einer (aufwärts gerichteten) Rückführbewegung des Schiebers
6 in seine obere Schließlage zurückkehrt Es kann also
zugelassen werden, daß das Abteil 10 sich verhältnismäßig
langsam leert. Weiterhin ist angenommen, daß über die Bohrungen
24 eine verhältnismäßig geringe Flüssigkeitsmenge in die
Kammer 9 eingelassen wird, während der dort herrschende
Flüssigkeitsdruck dies zuläßt. Um einen zu starken Einfluß
auf die radial auswärts gerichtete Verlagerung des
Flüssigkeitsspiegels in der Kammer 9 durch die vom Schieber 5 bei
seiner Abwärtsbewegung (Öffnungsrichtung) verdrängte
Flüssigkeitsmenge zu vermeiden, ist ein zusätzlicher Raum radial
zwischen den Lagen C und D in Verbindung mit der Kammer 9
vorgesehen. Dieser zusätzliche Raum besteht aus einer
ringförmigen Vertiefung in der Zwischenwand 4, in der sich
die oben erwähnten Flügel 20 befinden.
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Um eine entsprechend begrenzte Bewegung des
Flüssigkeitsspiegels im Abteil 10 infolge der Veschiebung des Schiebers
6 zu erreichen, sind in den gegenüberliegenden Teilen der
Zwischenwand 4 und des Schiebers 6 ringförmige Vertiefungen
vorgesehen, die die oben erwähnten Flügel 19 und 23
aufnehmen.