DE4437340A1 - Zentrifuge mit einem Rotationskörper, der um seine Symmetrieachse drehbeweglich angeordnet ist - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Zentrifuge mit einem Rotationskörper, der um seine Symmetrieachse drehbeweglich angeordnet ist.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Zentrifugen bekannt. Diese dienen zur Trennung von Flüssigkeitsgemi­ schen in Komponenten mit unterschiedlicher Dichte. Übliche Zentrifugen sind jedoch nur dafür konzipiert, ein Flüssig­ keitsgemisch in zwei Phasen zu trennen. Oftmals müssen je­ doch Flüssigkeiten in mehrere, einzelne Bestandteile mit jeweils unterschiedlichen Dichten getrennt werden. In einem solchen Fall ist es notwendig, nach einer ersten Trennung in leichte und schwere Flüssigkeiten die erhaltenen Flüs­ sigkeitsgemische mit geringeren Dichteunterschieden noch einmal zu zentrifugieren, um nun beispielsweise den sehr leichten Flüssigkeitsanteil von der Flüssigkeit mit nur ge­ ringfügig höherer Dichte abzutrennen. Dieses Verfahren be­ dingt entweder eine größere Anzahl von Zentrifugen, in denen die Flüssigkeit immer weiter aufgespalten wird, oder man muß nacheinander mehrere Durchläufe durch eine Zentri­ fuge vornehmen, was relativ zeitaufwendig ist.

Aus diesen Nachteilen des Standes der Technik resultiert das der Erfindung zugrundeliegende Problem, eine Zentrifuge zu schaffen, mit der ein gleichzeitiges Auftrennen eines eingefüllten Flüssigkeitsgemischs in eine größere Anzahl von Flüssigkeitsanteilen mit jeweils unterschiedlicher Dichte möglich ist.

Zu diesem Zweck sieht die Erfindung bei einer Zentrifuge mit einem Rotationskörper, der um seine Symmetrieachse drehbeweglich angeordnet ist, einen etwa kreiszylindrischen Hohlraum vor, der durch etwa radial sowie achsparallel an­ geordnete Stegbleche in mehrere Kammern unterteilt ist, die sowohl im Bereich der Drehachse als auch im Bereich der Mantelfläche des kreiszylindrischen Hohlraums miteinander in Verbindung stehen, wobei etwa konzentrisch zur Drehachse eine Zulauföffnung und im Bereich jeder Kammer mindestens je zwei Ablaßöffnungen mit unterschiedlichem Abstand zur Drehachse in der Mantelfläche des kreiszylinderförmigen Hohlraums oder/und in einer oder beiden Stirnflächen exzentrisch zur Drehachse angeordnet sind. Während des Zentrifugierens bewegen sich die Flüssigkeitsanteile mit der höchsten Dichte innerhalb des kreiszylindrischen Hohlraums am weitesten nach außen und liegen dort - etwa gleichmäßig auf die einzelnen Kammern verteilt - ringförmig an der Mantelfläche des kreiszylindrischen Hohlraums an. Daran schließen sich in Richtung auf die Drehachse die Flüssigkeitsanteile mit etwas geringerer Dichte an, welche ebenfalls etwa gleichmäßig auf die Kammern verteilt sind und somit etwa ringförmige Schichten bilden. Man erhält somit eine Schichtstruktur mit Flüssigkeitsanteilen, deren Dichte von der Mantelfläche des kreiszylindrischen Hohlraums bis zur Drehachse oder der inneren, etwa zylin­ drischen Flüssigkeitsoberfläche hin monoton abnimmt. Da die einzelnen Kammern auch in ihren radial außen liegenden Be­ reichen untereinander verbunden sind, können sich die Flüs­ sigkeitsniveaus in den einzelnen Kammern auch bei unvoll­ ständiger Befüllung immer ausgleichen, so daß der Gefahr ei­ ner unsymmetrischen Beladung und einer daraus möglicher­ weise folgenden Unwucht wirkungsvoll begegnet ist. Demzu­ folge kann auch eine Schrägstellung der Drehachse und/oder eine unsymmetrisch gestaltete Einlaßöffnung den Rundlauf der Zentrifuge nicht beeinträchtigen. Daher läßt sich die erfindungsgemäße Zentrifuge bei sehr hohen Drehzahlen betreiben, wodurch die Zentrifugalkraft erhöht und infolge­ dessen die Flüssigkeitsabscheidung beschleunigt ist. Hier­ aus resultiert der Vorteil eines erhöhten Flüssigkeits­ durchsatzes bei unveränderten äußeren Abmessungen der Zen­ trifuge.

Die Gleichförmigkeit und Stabilität dieser Schichten wird durch die etwa radial sowie achsparallel angeordneten Steg­ bleche unterstützt. Denn diese sorgen dafür, daß sämtliche Flüssigkeitskomponenten mit derselben Winkelgeschwindigkeit rotieren. Aus diesem Grund bilden sich innerhalb des schei­ benförmigen Hohlraums kaum Wirbel, insbesondere werden die Flüssigkeitsanteile in den einzelnen Kammern beruhigt. Nach einer gewissen Entmischungsphase liegen die unterschiedli­ chen Flüssigkeitsanteile demnach in stabilen Ringen vor.

Nun ist es möglich, durch Öffnen bestimmter Ablaßöffnungen eine bestimmte Flüssigkeitskomponente zu entnehmen, deren Ringradius dem Abstand der geöffneten Ausläufe zur Drehachse entspricht. Wenn diese Entnahme während der Rota­ tion der Zentrifuge erfolgt, tritt hierbei keine uner­ wünschte Vermischung mit den angrenzenden Flüssigkeits­ schichten auf.

Dieser Vorgang ist ähnlich einem Flüssigkeitsbehälter, der in verschiedenen Höhen Ausläufe aufweist. Wird in einem solchen Behälter ein Flüssigkeitsgemisch eingefüllt, so schwimmen nach einer gewissen Zeit die leichten Flüssig­ keitsanteile oben auf. Diese können nun durch ein in der entsprechenden Höhe angeordnetes Auslaßventil entnommen werden, ohne daß dabei eine Vermischung mit den darunter befindlichen, schwereren Flüssigkeitsanteilen zu befürchten ist.

Der zentrale Bereich, über den die einzelnen Kammern mit­ einander in Verbindung stehen, bewirkt, daß sich vor dem In-Gang-Setzen der Zentrifuge ein gleichmäßiger Flüssig­ keitspegel innerhalb des gesamten, kreiszylindrischen Hohl­ raums ausbilden kann. Dies hat zur Folge, daß sich das Flüssigkeitsgemisch während des Anlaufens der Zentrifuge gleichmäßig auf sämtliche Kammern verteilt. Da in diesem Zustand sämtliche Flüssigkeitsanteile noch gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilt sind, sind nach dem Anlauf auch die einzelnen Flüssigkeitsanteile gleichmäßig auf die ein­ zelnen Kammern verteilt. Daher weisen die in den einzelnen Kammern stehenden Flüssigkeitsanteile schließlich gleiche Volumina auf, so daß sich die Grenzen zwischen den unter­ schiedlichen Flüssigkeitsanteilen nach dem Entmischen in sämtlichen Kammern in einander entsprechenden Abständen zur Drehachse einstellen.

Bei bekannten Volumenprozenten der einzelnen Flüssigkeits­ anteile in dem Flüssigkeitsgemisch und bei konstanter Füll­ menge der Zentrifuge können daher die Grenzen zwischen den einzelnen Flüssigkeitsanteilen im voraus bestimmt werden. Wenn die Ablauföffnungen jeweils geringfügig innerhalb der vorausbestimmten Grenzen angeordnet werden, können die ein­ zelnen Flüssigkeitsanteile - bei der Komponente mit nied­ rigster Dichte beginnend - nacheinander entnommen und zu unterschiedlichen Auffangbehältern geleitet werden.

Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß die Höhe des kreis­ zylindrischen Hohlraums klein gegenüber seinem Radius ist. Diese Ausbildung des kreiszylindrischen Hohlraums hat zur Folge, daß auch bei Flüssigkeitsanteilen, welche nur in ei­ nem geringen Prozentsatz in dem Flüssigkeitsgemisch vorlie­ gen, nach der Entmischung die Grenzen zu den benachbarten Flüssigkeitsanteilen einen deutlichen Abstand voneinander aufweisen, welcher groß gegenüber dem Durchmesser der be­ treffenden Auslauföffnungen ist. Dadurch können auch sol­ che, nur in geringen Mengen in dem Flüssigkeitsgemisch ent­ haltene Komponenten ohne Vermischung mit anderen Flüssig­ keitsanteilen entnommen werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß jede Kammer ein zylindrisches Volumen mit einer kreissegmentförmigen Grundfläche aufweist, wobei die Zen­ trumswinkel der Kreissegmente aller Kammern gleich groß sind. Durch diese Maßnahme wird eine Unwucht des Rotations­ körpers vermieden, was bei den hohen Drehzahlen von etwa 6000 Umdrehungen pro Minute eine wichtige Rolle spielt. Darüber hinaus liegen bei dieser Dimensionierung in allen Kammern identische Strömungsbedingungen vor, so daß der Entmischungsvorgang in sämtlichen Kammern etwa denselben Zeitraum beansprucht.

Es hat sich als günstig erwiesen, daß einander entspre­ chende Ablaßöffnungen der Kammern in demselben Abstand zur Drehachse angeordnet sind. Da sich die einander entspre­ chenden Flüssigkeitsgrenzen in sämtlichen Kammern bei den­ selben Radien, bezogen auf die Drehachse, einstellen, sind die einer Flüssigkeitskomponente zugeordneten Ablaßöffnun­ gen in konstantem Abstand zur Drehachse angeordnet.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß die einander ent­ sprechenden Ablaßöffnungen der Kammern jeweils gleichen Querschnitt aufweisen. Dieses Merkmal ist dann von Vorteil, wenn die auf die einzelnen Kammern verteilten Ringsegmente einer Flüssigkeitskomponente gleichzeitig entnommen werden sollen. Um hierbei die dieser Flüssigkeitskomponente zuge­ ordneten Ablaßöffnungen sämtlicher Kammern gleichzeitig öffnen und schließen zu können, ist es erforderlich, daß die in jeder Kammer enthaltenen Volumina der betreffenden Flüssigkeitskomponente den Hohlraum innerhalb gleicher Zeiträume verlassen. Um dies zu gewährleisten, muß die Strömungsgeschwindigkeit in den betreffenden Ablaßöffnungen identisch sein, da auch die Flüssigkeitsvolumina in den einzelnen Kammern beim Öffnen der Ablaßöffnungen gleich groß sind. Identische Strömungsgeschwindigkeiten durch die betreffenden Ablaßöffnungen bedingen aber identische Quer­ schnitte derselben.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß an den mit Ablaßöff­ nungen versehenen Mantel- und/oder Stirnflächen des kreis­ zylindrischen Hohlraums eine etwa rotationssymmetrische, verdreh- und/oder verschiebbare Schale vollflächig anliegt, die den Ablaßöffnungen zugeordnete Ausnehmungen aufweist. Um die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Zentrifuge voll auszuschöpfen, sieht die Erfindung einen diskontinu­ ierlichen Betrieb vor. Hierbei wird das Flüssigkeitsgemisch chargenweise in die Zentrifuge eingefüllt, zentrifugiert und sodann werden nacheinander die einzelnen Flüssigkeits­ komponenten entnommen. Damit vor der Entnahme durch die Ab­ laßöffnungen keine Flüssigkeit austritt, werden diese ver­ schlossen. Hierzu dient eine Schale, welche in der Lage ist, sämtliche Auslaßöffnungen abzudecken und dabei zu ver­ schließen. Das Öffnen einzelner Ablaßöffnungen erfolgt da­ bei durch Verdrehung und/oder Verschiebung dieser Schale.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Schale an der Außenseite des Rotationskör­ pers angeordnet ist. Dieses Merkmal bietet mehrere Vor­ teile: Einerseits sind an der Außenseite keine Vorsprünge vorhanden, welche eine Dreh- oder Schiebebewegung begrenzen würden. An der Innenseite des kreiszylindrischen Hohlkör­ pers sind dagegen die radial nach innen vorspringenden Stegbleche angeordnet, welche eine Bewegung der Schale nur in sehr begrenztem Umfang zulassen würden. Außerdem ist eine an der Außenseite des Rotationskörpers anliegende Schale problemlos zugänglich. Eine Drehbewegung der Schale kann über ein Gestänge in eine axiale Verstellung einer entlang der Antriebswelle verschiebbaren Muffe umgesetzt werden. Dadurch ist es möglich, mittels eines stationären Hebels die mit dem Rotationskörper mitrotierende Muffe zu verschieben, so daß über das Gestänge die Schale gegenüber dem hochtourig rotierenden Rotationskörper präzise verdreht werden kann.

Weitere Vorteile ergeben sich daraus, daß nur die Relativ­ positionen der Ausnehmungen mit demselben Abstand zur Drehachse kongruent zu den Relativpositionen der zugeordne­ ten Ablaßöffnungen des Rotationskörpers sind. Dies hat zur Folge, daß bei bestimmten Verdrehwinkeln der Schale relativ zum Rotationskörper gerade diejenigen Ablaßöffnungen des Rotationskörpers geöffnet werden, die denselben Abstand zur Drehachse aufweisen. Hierdurch ist es möglich, durch Vor­ gabe eines bestimmten Drehwinkels eine definierte Flüssig­ keitskomponente anzuwählen und zu entnehmen. Andere Flüs­ sigkeitskomponenten, denen Ablaßöffnungen mit abweichenden Abstand zur Drehachse angeordnet sind, werden dagegen durch Vorgabe entsprechender anderer Drehwinkel entnommen. In Verbindung mit einer von einem stationären Element aus be­ dienbaren, mitrotierenden und den relativen Drehwinkel der Schale beeinflussenden Muffe ist somit ein vollautomati­ scher Betrieb möglich.

Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die Ablaß­ öffnungen einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Hier­ durch ergibt sich eine besonders einfache Konstruktion. Insbesondere können solche kreisrunden Ablaßöffnungen in Form von Bohrungen nachträglich in den Rotationskörper ein­ gebracht werden. Somit ist es möglich, die Zentrifugen vor­ zufertigen und die Lage der Ablaßöffnungen je nach Anwen­ dungsfall variabel anzubringen.

Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich aber auch da­ durch, daß die Ablaßöffnungen sowie die Ausnehmungen in der Schale den Querschnitt von etwa gleichseitigen Dreiecken aufweisen, von denen jeweils eine Seite radial oder axial bezüglich der Drehachse verläuft, wobei die dieser Seite gegenüberliegenden Dreieckspitzen bei einander zugeordneten Ablaßöffnungen und Ausnehmungen in entgegengesetzte Rich­ tungen weisen. Hierdurch ist es einerseits möglich, den re­ lativen Verdrehwinkel zwischen Schale und Rotationskörpers so einzustellen, daß sich nur die Spitzen dieser Dreiecke überlappen. Somit kann durch Verdrehen der Schale der Quer­ schnitt der betreffenden Ablaßöffnungen kontinuierlich ver­ größert werden. Zum einen kann auf diese Art die Strömungs­ geschwindigkeit beeinflußt werden; zum anderen kann bei Flüssigkeitskomponenten, deren Anteil im Flüssigkeitsge­ misch sehr gering ist und die dementsprechend nur eine dünne Ringschicht ausbilden, die Ablaßöffnung nur minimal geöffnet werden, so daß auch solche Flüssigkeitskomponenten vermischungsfrei entnommen werden können. Andererseits ist es möglich, nach vollständigem Öffnen der Ablaßöffnungen diese abrupt dadurch zu verschließen, daß die Schale wei­ tergedreht wird, so daß die beiden radialen oder axialen Seiten der Dreiecke sich aufeinander zu bewegen. Somit ist es möglich, bei einer kontinuierlichen Bewegung der Schale gegenüber dem Rotationskörper den Querschnitt der Öffnung zunächst langsam zu vergrößern, so daß sich innerhalb des kreiszylindrischen Hohlraums keine Wirbel bilden können; nach Entnahme der gewünschten Flüssigkeitsmenge kann die Ablaßöffnung durch Weiterdrehen abrupt verschlossen werden, damit keine Anteile der angrenzenden Flüssigkeitsschicht mit austreten. Somit ist es auch möglich, eine mittlere Schicht zu entnehmen, die eine spezifische Dichte aufweist, ohne zuvor die leichteren Flüssigkeitsanteile abzulassen.

Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß an einer Stirnseite des kreiszylindrischen Hohlraums eine zur Drehachse etwa konzentrische Überlauföffnung angeordnet ist. Um eine Be­ schädigung des Rotationskörpers und/oder der Schale zu ver­ meiden, welche sich daraus ergeben könnte, daß beispiels­ weise unter Druck stehende Flüssigkeit eingefüllt wird, ist eine Überlauföffnung vorgesehen. Diese Überlauföffnung kann auch dazu dienen, während des Befüllens die in dem Hohlraum enthaltende Luft entweichen zu lassen.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich daraus, daß die Drehachse vertikal gerichtet ist. Hieraus ergibt sich beim Befüllen der Zentrifuge eine optimale Aufteilung des Flüssigkeitsgemischs auf die einzelnen Kammern.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, daß an der Unterseite des Rotationskörpers eine zur Drehachse konzentrische, steife Welle angeformt ist, die in Radiallagern geführt ist. Der Rotationskörper stützt sich somit über Radiallager an einem Chassis ab. Dies hat den Vorteil, daß die Anordnung auch bei einer geringfügigen Un­ wucht immer konzentrisch um die Symmetrieachse rotiert. Daraus ergibt sich insbesondere während des Anlaufs als auch beim Nachfüllen während des Betriebs eine optimale Aufteilung der Flüssigkeit auf die einzelnen Kammern. Eine selbstzentrierende, weiche Lagerung, wie sie bei Zentrifu­ gen für höchste Drehzahlen vorgesehen ist, ist dagegen nicht geeignet, weil unkontrollierte Taumelbewegungen wäh­ rend des Anlaufs zu einer ungleichförmigen Füllung der Kam­ mern führen könnten. Darüber hinaus ist eine steife La­ gerung auch im Hinblick auf einen möglichst vibrationsarmen Betrieb wichtig, damit sich die einzelnen Flüssigkeitskom­ ponenten optimal entmischen können. Erst dadurch ist es überhaupt möglich, auch Flüssigkeitskomponenten, die nur in geringen Mengen im Flüssigkeitsgemisch enthalten sind, ohne Vermischung mit den benachbarten Flüssigkeitskomponenten zu entnehmen.

Es hat sich als günstig erwiesen, daß die Welle über einen Riemen oder dergleichen angetrieben wird. Eine solche Kraftübertragung führt zu einer optimalen Entkopplung des Rotationskörpers von dem antreibenden Motor, so daß von diesem erzeugte Schwingungen kaum auf den Rotationskörper übertragen werden. Auch dies ist eine Maßnahme zur Vibrationsdämpfung des Rotationskörpers. Als Antriebsmotor wird vorzugsweise ein Gleichstrommotor verwendet, dessen Drehzahl stufenlos regelbar ist. Hierdurch kann ein sanftes Anfahren der Zentrifuge erreicht werden, was für die gleichmäßige Aufteilung der Flüssigkeit auf die einzelnen Kammern wichtig ist.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Stegbleche Boh­ rungen aufweisen, die sich nahe der Mantelfläche des kreis­ zylindrischen Hohlraums befinden. Es kann sich hierbei um Bohrungen relativ kleinen Durchmessers handeln, da infolge der hohen Fliehkräfte in jedem Fall ein schneller Niveau­ ausgleich gewährleistet ist. Andererseits sind Stegbleche mit kleinen Ausnehmungen in der Lage, die eingefüllte Flüs­ sigkeit innerhalb eines kürzesten Zeitraums auf die Rotati­ onsgeschwindigkeit der Zentrifuge zu beschleunigen.

Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, daß zwi­ schen den radial außen liegenden Seiten der Stegbleche und der Mantelfläche des kreiszylindrischen Hohlraums spaltför­ mige Ausnehmungen angeordnet sind. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Zentrifugenkörper in einem einzi­ gen Arbeitsschritt z. B. als Gußteil hergestellt werden kann, ohne daß eine Nachbearbeitung notwendig ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei­ bung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Rotationskörper einer erfindungsgemäßen Zentrifuge sowie einen daran gekoppelten Antriebsmotor,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Rotationskör­ pers gemäß Fig. 1 bei abgenommenen Deckel,

Fig. 3 einen Längsschnitt des Rotationskörpers gemäß Fig. 1 mit aufgesetzter Schale,

Fig. 4 eine abgebrochene Seitenansicht der Anordnung gemäß Fig. 3 sowie

Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Zentrifuge 1 schema­ tisch wiedergegeben, wobei Lagerungselemente und Chassis der Übersichtlichkeit halber fortgelassen sind. Zu sehen ist der Rotationskörper 2, der um seine vertikale Symme­ trieachse 3 drehbar gelagert ist. Zu diesem Zweck weist der Rotationskörper 2 in seinem unteren Bereich eine zur Drehachse 3 konzentrische, steife Welle 4 auf, die bei­ spielsweise mittels zweier, nicht dargestellter, in axialer Richtung versetzter Radialkugellager an dem ebenfalls nicht dargestellten Chassis gelagert ist. Das Chassis wiederum kann gegenüber dem Fundament durch Dämpfungselemente abge­ federt sein; diese sollten jedoch im Hinblick auf eine er­ wünschte Vibrationsarmut nur eine relativ geringe Elastizi­ tät aufweisen.

Die Welle 4 wird über einen Flachriemen 5 von einem Elek­ tromotor 6 in Rotation versetzt. Der Elektromotor 6 ist - gegebenenfalls unter Zwischenschaltung vibrationsdämpfender Elemente - ebenfalls am Chassis der Zentrifuge 1 ange­ schraubt. Sowohl auf der Welle 4 des Rotationskörpers 2 als auch auf der Motorwelle 7 sind Riemenscheiben 8, 9 aufge­ setzt. Diese sind mit ausgewuchteten Nut- und Fe­ derverbindungen drehfest gegenüber den Wellen 4, 7 angeord­ net und durch Aufschrumpfen oder mittels je einer Stell­ schraube fixiert. Der Antriebsmotor 6 ist als Gleichstrom­ motor ausgebildet, dessen Drehzahl stufenlos vom Stillstand bis zu seiner Maximaldrehzahl geregelt werden kann. Durch entsprechende Dimensionierung der Durchmesser der Riemen­ scheiben 8, 9 ergibt sich eine Übersetzung, so daß der Ro­ tationskörper 2 bei der maximalen Drehzahl der Motorwelle 7 etwa mit einer Winkelgeschwindigkeit von 6000 Umdrehungen pro Minute rotiert.

Am oberen Ende der Welle 4 ist eine etwa kreiszylindrische Stützplatte 10 angeformt, die zur Stabilisierung der aus­ kragenden Teile des Rotationskörpers 2 dient. Im oberen Be­ reich der Stützplatte 10 schließt sich an deren Umfangsrand 11 eine kreisringförmige Bodenplatte 12 an, deren Dicke ge­ genüber der Stützplatte 10 reduziert ist. Diese setzt sich an ihrem äußeren Umfangsrand 13 als kreiszylindrische, zur Drehachse 3 des Rotationskörpers 2 konzentrische Mantelflä­ che 14 fort. Die zur Drehachse 3 parallele Höhe der Mantel­ fläche 14 ist klein gegenüber deren Radius, so daß von dem Rotationskörper 2 zusammen mit einer auf die kreisringför­ mige Stirnfläche 15 des Mantels 14 aufgesetzten, zur Boden­ platte 12 parallelen Deckelplatte 16 ein scheibenförmiges Volumen 17 umschlossen wird.

Die Deckelplatte 16 hat kreisrunde Form. Ihr Radius ist identisch zum äußeren Radius der Mantelfläche 14. Ihre Dicke entspricht etwa der Dicke der Bodenplatte 12. Der scheibenförmige Hohlraum 17 ist über einen nicht darge­ stellten Dichtring, welcher zwischen der Stirnfläche 15 der Mantelfläche 14 und der Deckelplatte 16 eingelegt ist, ab­ gedichtet, so daß auch bei hohen Zentrifugalkräften keine Flüssigkeit zwischen dem Rotationskörper 2 und der Deckel­ platte 16 austreten kann. Die Deckelplatte 16 kann darüber hinaus mit dem Rotationskörper 2 über Schrauben verbunden sein, so daß eine Zerlegung der Zentrifuge 1 - beispiels­ weise zur Reinigung - möglich ist. In der Deckelplatte 16 ist darüber hinaus eine konzentrische Zulauföffnung 18 für das einzufüllende Flüssigkeitsgemisch 19 vorhanden.

Wie insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist, in der der Rotationskörpers 2 perspektivisch wiedergegeben ist, wird der von der Bodenplatte 12, der Mantelfläche 14 und der Deckelplatte 16 umschlossene Hohlraum 17 von radialen Steg­ blechen 20 in einzelne Kammern 21 unterteilt. Die Ebenen der Stegbleche 20 verlaufen vertikal, parallel zur Symme­ trieachse 3 des Rotationskörpers 2. Die Stegbleche 20 haben einen rechteckigen Umfang, dessen Breite kleiner ist als der Innenradius der Mantelfläche 14, und deren Höhe der Höhe der Mantelfläche 14 entspricht. Sie sind mit einer ih­ rer breiten Umfangsseiten 22 an der Bodenplatte 12 und mit einer der Höhe der Mantelfläche 14 entsprechenden Umfangs­ seite 23 an der Innenseite 24 der Mantelfläche 14 ange­ formt. Im Bereich ihrer radial außen liegenden Umfangssei­ ten 23 sind die Stegbleche 20 mit je einer Bohrung 41 ver­ sehen.

Die somit gebildeten Kammern 21 haben den Grundriß von Kreissegmenten mit identischen Zentrumswinkeln. Dadurch ist gewährleistet, daß auch bei einer Drehung des Ro­ tationskörpers in leerem Zustand, wie dies beispielsweise kurz vor der vollständigen Entnahme der Flüssigkeitsanteile der Fall ist, keine Unwucht auftritt. Da die breite Um­ fangsseite 22 der Stegbleche 20 kürzer ist als der Innenra­ dius der Mantelfläche 14, stehen die Kammern 21 im zentra­ len Bereich des scheibenförmigen Hohlraums 17 miteinander in Verbindung. Hierdurch kann sich die eingefüllte Flüssig­ keit 19 gleichmäßig auf die einzelnen Kammern 21 verteilen, wie dies durch die Pfeile 26 angedeutet ist. Bei unvoll­ ständiger Befüllung der Zentrifuge 1 kann sich aufgrund der Bohrungen 41 in den Stegblechen 20 innerhalb der Flüs­ sigkeit 19 ein Niveauausgleich vollziehen, so daß sich auch in diesem Zustand keine Unwucht einstellen kann. Da die Stegbleche 20 in Richtung der bei der Drehung des Rotati­ onskörpers 2 auftretenden Zentrifugalkräfte verlaufen, bil­ den sie eine zusätzliche Versteifung für die Bodenplatte 12 und die Mantelfläche 14, so daß diese Bereiche 12, 14 des Rotationskörpers 2 eine gegenüber der Stützplatte 10 deut­ lich reduzierte Dicke aufweisen können.

Da die oberen Umfangsseiten 25 der Stegbleche 20 in einer Ebene mit der oberen Stirnfläche 15 der Mantelfläche 14 liegen, sind die äußeren Bereiche der Kammern 21 bei aufge­ setzter Deckelplatte 16 vollständig gegeneinander abge­ teilt. Eine Abdichtung der Stegblechoberseiten 25 gegenüber der Deckelplatte 16 ist nicht erforderlich, da während des Zentrifugierens zwischen den einzelnen Kammern 21 keine Druckunterschiede auftreten und somit nach dem Hochlauf der Zentrifuge 1 ein Überströmen der Flüssigkeit zwischen den Kammern 21 nicht zu befürchten ist.

Nach dem Befüllen des Hohlraums 17 mit einem Flüssigkeits­ gemisch 19 durch die Zulauföffnung 18 findet eine Vertei­ lung 26 des Flüssigkeitsgemischs 19 über die gesamte Boden­ platte 12 statt. Selbst wenn der Hohlraum 17 nicht voll­ ständig gefüllt ist, stellt sich ein horizontaler Flüssig­ keitspegel und damit eine gleichmäßige Befüllung der ein­ zelnen Kammern 21 ein. Um auch bei nur teilweise gefülltem Hohlraum 17 eine gleichmäßige Aufteilung des Flüssigkeits­ gemischs 19 während des Hochlaufens der Zentrifuge 1 zu ge­ währleisten, wird die Drehzahl des Elektromotors 6 bei Null beginnend sanft hochgeregelt. Wenn der Hohlraum 17 voll­ ständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, ist der Hochlauf dage­ gen unkritisch und der Elektromotor 6 kann direkt ans Netz geschaltet werden. Während des Hochlaufs wird die Drehbewe­ gung des Rotationskörpers 2 durch die Stegbleche 20 auf die eingefüllte Flüssigkeit 19 übertragen, so daß diese ohne nennenswerte Verzögerung mit beschleunigt wird.

Nach einer gewissen Laufzeit der Zentrifuge 1 stellt sich in dem Hohlraum 17 eine Schichtung voneinander getrennter Flüssigkeitskomponenten 27, 28, 29 des Flüssigkeitsgemischs 19 ein. Hierbei werden Flüssigkeitskomponenten 27 mit hoher spezifischer Dichte, d. h., "schwere" Flüssigkeitskomponen­ ten von der Zentrifugalkraft stärker nach außen gedrückt als "leichtere" Flüssigkeitskomponenten 28, 29. Somit be­ finden sich schließlich die schwersten Flüssigkeitskompo­ nenten 27 im radial äußeren Bereich des Hohlraums 17, wäh­ rend die leichtesten Flüssigkeitskomponenten 29 sich in der Nähe der Drehachse 3 ansammeln. Es bilden sich demnach - durch die Stegbleche 20 in einzelne Segmente getrennte - Ringbereiche mit jeweils unterschiedlichen Flüssigkeitskom­ ponenten aus. Bei ruhigem, vibrationsfreien Lauf der Zen­ trifuge 1 stellen sich näherungsweise abrupte Grenzen 30, 31 zwischen den einzelnen Flüssigkeitskomponenten 27, 28, 29 ein, die entlang von zur Drehachse 3 konzentrischen Zy­ lindermantelflächen verlaufen.

Wenn die Zusammensetzung des Flüssigkeitsgemischs 19 be­ kannt ist und ein bestimmter, vorgegebener Füllstand inner­ halb des Hohlraums 17 eingehalten wird, können die Radien der einzelnen Flüssigkeitsgrenzen 30, 31 in Bezug auf die Drehachse 3 vorausberechnet werden. Werden gegenüber diesen vorberechneten Flüssigkeitsgrenzen 30, 31 geringfügig zur Drehachse 3 des Rotationskörpers 2 hin verschobene Ablaß­ öffnungen 32, 33 in der Bodenplatte 12 vorgesehen, können durch diese Ablaßöffnungen 32, 33 bestimmte Flüssigkeits­ komponenten 28, 29 selektiv entnommen werden. Die äußerste, schwerste Flüssigkeitskomponente 27 kann über in der Man­ telfläche 14 angeordnete Ablaßöffnungen 34 entnommen wer­ den.

Wenn bei der Entnahme mit der leichtesten Flüssigkeitskom­ ponente 29 begonnen wird, wird dadurch die Schichtfolge der übrigen Komponenten 27, 28 nicht gestört. Es ist somit mög­ lich, die einzelnen Flüssigkeitskomponenten 27, 28, 29 nacheinander zu entnehmen und verschiedenen Auffangbehäl­ tern zuzuleiten.

Damit die Schichtfolge 27, 28, 29 und insbesondere die ab­ rupten Grenzen 30, 31 während des Entnahmevorgangs bestehen bleiben, muß sich der Rotationskörper 2 hierbei drehen, so daß die Zentrifugalkraft aufrecht erhalten bleibt. Daher wird die Flüssigkeit nach außen in die einzelnen Kammern 21 gedrückt. Da ein Druckausgleich zwischen diesen einzelnen Kammern nicht möglich ist, müssen die für je eine Flüssig­ keitskomponente 27, 28, 29 spezifischen Ablaßöffnungen 34, 32, 33 innerhalb jeder Kammer 21 mindestens einmal vorhan­ den sein.

Zusätzlich ist im Bereich der Stützplatte 10 des Rotations­ körpers 2 eine zur Drehachse 3 konzentrische Überlauföff­ nung 35 angeordnet, die beispielsweise durch ein nicht dar­ gestelltes Überdruckventil verschlossen sein kann. Wird beim Befüllen des Hohlraums 17 durch den Zulauf 18 verse­ hentlich das Füllventil nicht rechtzeitig geschlossen, so daß sich im Hohlraum 17 ein erhöhter Flüssigkeitsdruck aus­ bildet, öffnet das Überdruckventil, so daß ein Abfließen 36 des Flüssigkeitsgemischs 37 möglich ist. Eine Zerstörung der Zentrifuge 1 wird dadurch vermieden.

Bis sich die Schichtungsfolgen der unterschiedlichen Flüs­ sigkeitskomponenten 27, 28, 29 und insbesondere die abrup­ ten Grenzen 30, 31 zwischen den einzelnen Flüssigkeitskom­ ponenten einstellen, müssen die Ablaßöffnungen 32, 33, 34 verschlossen sein, damit das Flüssigkeitsgemisch vollstän­ dig innerhalb des Hohlraums 17 verbleibt. Sodann sollen - insbesondere bei der selektiven Entnahme - die je einer Flüssigkeitskomponente 27, 28, 29 zugeordneten Ablaßöffnun­ gen 34, 32, 33 in jeder Kammer 21 nacheinander geöffnet und wieder geschlossen werden. Demnach ist ein Öffnungs- und Schließmechanismus für die Ablaßöffnungen 32, 33, 34 erfor­ derlich.

Ein solcher Schließmechanismus ist in Fig. 3 dargestellt. Er besteht aus einer Schale 38, die den Rotationskörper 2 im Bereich der Bodenplatte 12 und der Mantelfläche 14 um­ schließt. Die Schale 38 liegt an der Bodenplatte 12 und der Mantelfläche 14 bündig sowie dichtend an. Aufgrund ihrer Rotationssymmetrie um die Drehachse 3 des Rotationskörpers 2 läßt sich die Schale 38 relativ zum Rotationskörper 2 verdrehen.

In der Schale 38 sind Ausnehmungen 39 angeordnet, die sich bei bestimmten Relativdrehwinkeln der Schale 38 in Bezug auf den Rotationskörper 2 mit den Ablaßöffnungen 32, 33 oder 34 in der Bodenplatte 12 und der Mantelfläche 14 zur Deckung bringen lassen. Bei dem entsprechenden Drehwinkel sind sodann die ansonsten verschlossenen Ablaßöffnungen 32, 33 oder 34 geöffnet. Die Ausnehmungen 39 in der Schale 38 sind vorzugsweise so angeordnet, daß bei einem bestimmten Relativdrehwinkel der Schale 38 gegenüber dem Rotationskör­ per 2 gerade die einer Flüssigkeitskomponente 27, 28, 29 zugeordneten Ablaßöffnungen 34, 32 oder 33 sämtlicher Kam­ mern 21 geöffnet, die den jeweils anderen Flüssigkeitskom­ ponenten 28, 29; 27, 29; 27, 28 zugeordneten Ablaßöffnungen 32, 33; 33, 34; 32, 34 dagegen verschlossen sind. Hierdurch ist es möglich, durch Anwahl bestimmter Relativdrehwinkel selektiv eine Flüssigkeitskomponente 27, 28 oder 29 zu ent­ nehmen.

Da diese Entnahme während des Drehens des Rotationskörpers 2 erfolgen muß, damit keine Vermischung der Flüssigkeits­ komponenten 27, 28, 29 eintritt, muß auch die Verdrehung der Schale 38 gegenüber dem Rotationskörper 2 während des­ sen Drehung erfolgen. Zu diesem Zweck kann die relative Verdrehung der Schale 38 gegenüber dem Rotationskörper 2 durch ein mit dem Rotationskörper 2 mitrotierendes, nicht dargestelltes Gestänge in eine zur Drehachse 3 parallele Verstellung einer auf der Welle 4 aufsitzenden, ebenfalls nicht dargestellten Muffe umgesetzt werden. Diese Muffe kann beispielsweise durch einen am Chassis angeordneten, stationären Hebel verschoben werden, wobei über das mitrotierende Gestänge eine Verdrehung der Schale 38 be­ wirkt wird. Durch Betätigung des am Chassis angeordneten Hebels können so bestimmte Relativdrehwinkel der Schale 38 gegenüber dem Rotationskörper 2 eingestellt und dadurch be­ stimmte Ablaßöffnungen 32, 33 oder 34 geöffnet werden. So­ mit ist eine selektive Entnahme einzelner Flüssigkeitskom­ ponenten 27, 28 oder 29 bei rotierender Zentrifuge 1 mög­ lich.

Der Querschnitt der Ablaßöffnungen 32, 33, 34 wie auch der korrespondierenden Ausnehmungen 39 in der Schale 38 kann unterschiedlich gewählt werden. In Fig. 4 ist eine Ausfüh­ rungsform wiedergegeben, bei der sowohl die Ablaßöffnung 34 als auch die entsprechende Ausnehmung 39 in der Schale 38 kreisförmigen Querschnitt mit identischem Radius aufweisen. Öffnungen 32, 33, 34, 39 mit einer solchen Querschnittsform lassen sich problemlos mit Hilfe eines Bohrers herstellen. Dadurch ist es möglich, erfindungsgemäße Zentrifugen 1 für eine Vielzahl von unterschiedlichen Flüssigkeitsgemischen 19 vorzufertigen und je nach Anwendungsfall die in der Bo­ denplatte 12 anzuordnenden Ablaßöffnungen 32, 33 mittels eines Bohrers in geeigneten Abständen zur Drehachse 3 an zu­ bringen. Hierdurch kann eine besonders preisgünstige Ferti­ gung erreicht werden, da der Rotationskörper 2 unabhängig von den konkreten Anwendungsfällen beispielsweise als Guß­ teil hergestellt und auf Lager genommen werden kann.

Eine weitere, ebenfalls besonders vorteilhafte Ausführungs­ form ist in Fig. 5 wiedergegeben. Hierbei hat sowohl die Ablaßöffnung 34 als auch die entsprechende Ausnehmung 39 in der Schale 38 den Querschnitt eines gleichseitigen Drei­ ecks. Somit haben die Ablaßöffnung 34 als auch die Ausneh­ mung 39 dieselbe Querschnittsform und -größe, die Ausneh­ mung 39 ist jedoch gegenüber der Ablaßöffnung 34 um 180° verdreht. Dies hat den Vorteil, daß durch kontinuierliche Verstellung der Schale 38 gegenüber dem Rotationskörper 2 der Querschnitt der lichten Öffnung 40, welche durch den überlappenden Bereich von Ablaßöffnung 34 und Ausnehmung 39 gebildet ist, kontinuierlich variiert werden kann. Durch diese Maßnahme kann insbesondere bei nahe beieinanderlie­ genden Flüssigkeitsgrenzen 30, 31 nur eine sehr kleine Öff­ nung der zugeordneten Ablaßöffnungen 32 herbeigeführt wer­ den, so daß einerseits ein langsames und daher wirbelfreies Ausströmen dieser Flüssigkeitsschicht möglich ist, anderer­ seits ein gleichzeitiges Austreten nur geringfügig entfern­ ter Flüssigkeitsschichten vermieden wird.

Claims (16)

1. Zentrifuge mit einem Rotationskörper, der um seine Symmetrieachse drehbeweglich angeordnet ist, gekenn­ zeichnet durch einen etwa kreiszylindrischen Hohlraum (17), der durch etwa radial sowie achsparallel ange­ ordnete Stegbleche (20) in mehrere Kammern (21) unter­ teilt ist, die sowohl im Bereich der Drehachse (3) als auch im Bereich der Mantelfläche (14) des kreiszylin­ drischen Hohlraums (17) miteinander in Verbindung ste­ hen, wobei etwa konzentrisch zur Drehachse (3) eine Zulauföffnung (18) und im Bereich jeder Kammer (21) mindestens je zwei Ablaßöffnungen (32, 33, 34) mit un­ terschiedlichem Abstand zur Drehachse (3) in der Man­ telfläche (14) des kreiszylindrischen Hohlraums (17) oder/und in einer der Stirnflächen (12) exzentrisch zur Drehachse (3) angeordnet sind.

2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des kreiszylindrischen Hohlraums (17) klein gegenüber seinem Radius ist.

3. Zentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Kammer (21) ein zylindrisches Volu­ men mit einer kreissegmentförmigen Grundfläche auf­ weist, wobei die Zentrumswinkel der Kreissegmente al­ ler Kammern (21) gleich groß sind.

4. Zentrifuge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einander entsprechende Ablaßöffnungen (32, 33, 34) der Kammern (21) in demselben Abstand zur Drehachse (3) angeordnet sind.

5. Zentrifuge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einander entsprechende Ablaßöffnungen (32, 33, 34) der Kammern (21) gleichen Querschnitt aufweisen.

6. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den mit Ablaßöffnungen (32, 33, 34) versehenen Mantel- (14) und/oder Stirn­ flächen (12) des kreiszylindrischen Hohlraums (17) eine etwa rotationssymmetrische, verdreh- und/oder verschiebbare Schale (38) vollflächig anliegt, die den Ablaßöffnungen (32, 33, 34) zugeordnete Ausnehmungen (39) aufweist.

7. Zentrifuge nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (38) an der Außenseite des Rotations­ körpers (2) angeordnet ist.

8. Zentrifuge nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nur die Relativpositionen der Ausnehmun­ gen (39) mit demselben Abstand zur Drehachse (3) je­ weils kongruent zu den Relativpositionen der zugeordne­ ten Ablaßöffnungen (32, 33, 34) des Rotationskörpers (2) sind.

9. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaßöffnungen (32, 33, 34) einen kreisrunden Querschnitt aufweisen.

10. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaßöffnungen (32, 33, 34) sowie die Ausnehmungen (39) in der Schale (38) den Querschnitt von etwa gleichseitigen Dreiecken aufwei­ sen, von denen jeweils eine Seite radial oder axial bezüglich der Drehachse verläuft, wobei die dieser Seite gegenüberliegenden Spitzen bei einander zugeord­ neten Ablaßöffnungen (32, 33, 34) und Ausnehmungen (39) in entgegengesetzte Richtungen weisen.

11. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Stirnseite (10) des kreiszylindrischen Hohlraums (17) eine zur Drehachse (3) etwa konzentrische Überlauföffnung (35) angeordnet ist.

12. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (3) vertikal gerichtet ist.

13. Zentrifuge nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite (10) des Rotationskörpers (2) eine zur Drehachse (3) konzentrische, steife Welle (4) angeformt ist, die in Radiallagern geführt ist.

14. Zentrifuge nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Welle (4) über einen Riemen (5) oder dergleichen angetrieben wird.

15. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegbleche (28) Boh­ rungen aufweisen, die sich nahe der Mantelfläche (14) des kreiszylindrischen Hohlraums (17) befinden.

16. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den radial außen liegen­ den Seiten der Stegbleche (20) und der Mantelfläche (14) des kreiszylindrischen Hohlraums (17) spaltför­ mige Ausnehmungen angeordnet sind.