EP1310304B1 - Schwingrotorlaborzentrifuge mit Geräuschreduzierungseinrichtung - Google Patents

Schwingrotorlaborzentrifuge mit Geräuschreduzierungseinrichtung Download PDF

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EP1310304B1
EP1310304B1 EP02018698A EP02018698A EP1310304B1 EP 1310304 B1 EP1310304 B1 EP 1310304B1 EP 02018698 A EP02018698 A EP 02018698A EP 02018698 A EP02018698 A EP 02018698A EP 1310304 B1 EP1310304 B1 EP 1310304B1
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EP
European Patent Office
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laboratory centrifuge
nacelle
gondolas
turbulence
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Werner Dr. Lurz
Roland Lippoldt
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Eppendorf SE
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Eppendorf SE
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B5/00—Other centrifuges
    • B04B5/04—Radial chamber apparatus for separating predominantly liquid mixtures, e.g. butyrometers
    • B04B5/0407—Radial chamber apparatus for separating predominantly liquid mixtures, e.g. butyrometers for liquids contained in receptacles
    • B04B5/0414—Radial chamber apparatus for separating predominantly liquid mixtures, e.g. butyrometers for liquids contained in receptacles comprising test tubes
    • B04B5/0421—Radial chamber apparatus for separating predominantly liquid mixtures, e.g. butyrometers for liquids contained in receptacles comprising test tubes pivotably mounted

Definitions

  • the invention relates to a laboratory centrifuge in the preamble of claim 1 mentioned type.
  • the gondolas hang down and can be filled with test liquid, Usually loaded in Zentrifugiergefä touch, z. B. with several Vessels per gondola in designated shots. At higher speed the gondolas swing away.
  • the advantage of this construction is that the liquid level in the vessels with respect to these remains constant.
  • a disadvantage of the generic construction method is the separate individual training the gondolas, the fast circulation a strong Luftverwirbelung and thereby generates very strong, disturbing noises.
  • the mentioned known construction therefore has a device for reduction the noise generated by the gondolas in the form of a closed sound-absorbing housing. But this has the disadvantage that of the gondolas Heat generated by air turbulence remains trapped in the housing and leads to unwanted heating of the sample liquid. To prevent this usually a cooling is provided, which greatly increases the cost.
  • the object of the present invention is a generic laboratory centrifuge form in a simple design with lower noise level.
  • turbulence generators are arranged on the surface of each nacelle, the air flowing past, which was previously laminar the surface of the Gondola rests, so disturbing that in the flow direction behind the turbulence generator a turbulent flow is present.
  • the front region of the nacelle is aerodynamically smooth.
  • the air flow is thus this area to about the point largest Diameter of the gondola laminar.
  • the turbulence generator which is about the subsequent Surface areas of the nacelle, results in its turbulence-generating effect in areas approximately the same flow velocity, so that the Turbulence generator over its length an at least approximately constant effect having.
  • the invention is therefore based on the approach for the first time, not in laboratory centrifuges to dampen the generated sounds afterwards, but already at the Reduce emergence and uses previously unnoticed, very old aerodynamic Insights, as described in "Grenz Anlagen-Theory” by Dr. Ing. Hermann Schlichting, Verlag G. Braun, Düsseldorf, 5th edition page 39 are described.
  • An over the surface increased turbulence generator can, for. B. as towering Pin or a collection of towering pins be formed or z. B. as glued strips of rough sandpaper.
  • a z. B. soldered wire or a towering bead or the like can be excellent effect exhibit.
  • Manufacturing technology is simple training according to claim 2, in which of a cylindrical blank by milling the desired shape is achievable.
  • the milled design of the turbulence generator also gives extremely high mechanical stability, as with centrifugal gondolas loaded with enormous forces is required.
  • Figure 1 shows a side view of the rotor 1 of a centrifuge, the remaining parts of the Graphical simplification are not shown.
  • the rotor 1 has a vertical standing wave 2 on with radially standing arms 3, in the embodiment two opposing arms with tangential axes 4 pivotally each gondola 5 is hinged.
  • the gondolas 5 have centers of gravity outside of the axles 4. At standstill of rotor 1 hang down. With increasing speed they swing in Direction of the arrow 6 off.
  • Figures 2 and 3 show in section along line 2-2 in Figure 1 two different Cross-sectional shapes.
  • the nacelle 5 in Figure 2 has a round cross-section and the nacelle 5 'in Figure 3 rectangular cross section. It is shown that the gondolas each have a plurality of receptacles 7 for receiving suitable suitable centrifuging vessels with sample liquid to be centrifuged.
  • the direction is shown in each case with arrow 8 in the Circulation of the rotor 1 to the shaft 2, the gondolas are supplied with air.
  • the gondolas point in the area of their largest cross section on its surface in the direction transverse to the direction of Arrows 8, so transversely to the air flow direction extended as a turbulence generator serving wires 9, the z. B. are fixed by soldering.
  • FIGS. 4 and 5 the aerodynamic effect generated by the wires 9 is shown shown how it results with a suitable Reynolds number.
  • FIG. 4 shows the air inflow around the gondola 5 without wires.
  • FIG. 5 shows the flow conditions with wires 9.
  • the nacelle 5 is up to its area of greatest cross-section and a good deal beyond laminar air flow flows around.
  • the Totwasser in the following section of the nacelle, in which decreases in cross section, ie in the flow direction on the back of the Gondola 5, tears off the flow and forms the illustrated, the Totwasser capable forming vortex street 10 whose cross-section is about the max.
  • Cross section of Gondola 5 corresponds.
  • the vortices in the vortex street 10 generate considerable noise, In particular, by interference with the following rotors, the not shown in Figure 4.
  • the wires 9 act as turbulence generators that are too turbulent Flow behind the wires 9 lead. It forms immediately after the Wires 9 from the nacelle 5 adjacent turbulent fluidized bed. This one has compared to a laminar flow around the advantage that they continue the surface the gondola 5 follows.
  • the resulting vortex street 10 'thus has a smaller one Cross section as in the case of Figure 4.
  • the resulting noises are significantly reduced. In experiments with gondolas, the representation of the figure 5, noise reductions of more than 6dB could be achieved.
  • the turbulence generators are by patch Wires 9 generated.
  • other turbulence generators can also be used be arranged on the surface of the gondolas, such as. B. to the outside protruding beads. Even in the surface of the nacelles introduced grooves have a corresponding effect.
  • line-shaped turbulence generator shown in the figures in the form of wires 9 or correspondingly elongated grooves can also point-shaped individual turbulence generator z. B. in the form of towering pins or be provided in the form of holes. These can be z. B. in a row be staggered arrangement provided and preferably in a linear Arrangement along the area of largest diameter of the nacelle 5, transversely to flow direction.
  • the interference edges generated in the embodiment by the wires 9 sit on best in the area of the largest cross-section. Since this is the case of the gondola 5 '( Figure 3) extends over a greater length, in this case, the interference edges, as shown in Figure 3 in the middle of the length of the nacelle 5 'or else lie in the region of the front or rear corners, as dashed lines in Figure 3 indicated.
  • Turbulence generator for example, in the nacelle 5 of Figure 2 also much further forward, so be located to the arrow 8 located. she would have to be larger, however, to have the appropriate effect.
  • Figure 6 shows the embodiment of Figure 2 shows a variant in which the turbulence generators are formed as a web 9 ', which by mutual cutouts 12 are made of a cylindrical basic shape (dashed). This design can be produced in one piece with conventional machine tools.

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  • Centrifugal Separators (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Laborzentrifuge der im Oberbegriff des Anspruch 1 genannten Art.
Eine gattungsgemäße Laborzentrifuge ist in US A 3,804,324 beschrieben. Bei Zentrifugen dieser Art sind radial außen an einem Rotor mehrere Gondeln um tangential angeordnete Achsen schwenkbar gelagert und zwar mit ihrem Schwerpunkt außerhalb der Achsen.
Bei Stillstand des Rotors hängen die Gondeln abwärts und können mit Probeflüssigkeit, üblicherweise in Zentrifugiergefäßen, beladen werden, z. B. mit mehreren Gefäßen pro Gondel in dazu vorgesehenen Aufnahmen. Bei höherer Drehzahl schwenken die Gondeln auswärts. Der Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, daß der Flüssigkeitsspiegel in den Gefäßen in Bezug auf diese konstant bleibt.
Nachteilig bei der gattungsgemäßen Konstruktionsweise ist die getrennte Einzelausbildung der Gondeln, die bei schnellem Umlauf eine starke Luftverwirbelung und dadurch sehr starke, störende Geräusche erzeugt.
Die erwähnte bekannte Konstruktion besitzt daher eine Einrichtung zur Reduzierung des von den Gondeln erzeugten Geräusches in Form eines geschlossenen schallschluckenden Gehäuses. Dieses hat aber den Nachteil, daß von den Gondeln durch Luftverwirbelung erzeugte Wärme im Gehäuse eingeschlossen bleibt und zu unerwünschter Aufheizung der Probeflüssigkeit führt. Um dieses zu verhindern, wird üblicherweise eine Kühlung vorgesehen, die die Kosten stark erhöht.
Aus der DE 199 53 453 A1 ist eine Laborzentrifuge mit Gondeln bekannt, die in seitlich zu den Ecken hin offener Bauweise zur Aufname eines Stapels von Mikrotiterplatten ausgebildet sind. Diese Konstruktion weist eine große Zahl von Ecken und Kanten auf, die zu äußerst starken Luftturbulenzen führen und erheblichen Lärm erzeugen. Bei einer derart unaerodynamischen Konstruktion ergibt sich keine laminare Strömung im Oberflächenbereich der Gondeln.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Laborzentrifuge in einfacher Bauart mit geringerem Geräuschpegel auszubilden.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß sind an der Oberfläche jeder Gondel Turbulenzerzeuger angeordnet, die die vorbeiströmende Luft, die zuvor noch laminar der Oberfläche der Gondel anliegt, derart stört, daß in Strömungsrichtung hinter dem Turbulenzerzeuger eine turbulente Strömung vorliegt. Diese führt zu einer deutlichen Reduzierung des Querschnittes des der Gondel folgenden verwirbelten Totwassergebietes. Es ergibt sich dadurch und durch eine geringere Störung durch den nachfolgenden Rotor ein deutlich verringerter Geräuschpegel.
Erfindungsgemäß ist der vordere Bereich der Gondel aerodynamisch glatt ausgebildet. Die Luftströmung liegt also diesem Bereich bis etwa zur Stelle größten Durchmessers der Gondel laminar an. Hier, also im Bereich noch laminarer Strömung, erzeugt eine definierte Zusatzturbulenz der Strömung den erfindungsgemäß gewünschten Efekt. Die linienförmig quer zur Strömungsrichtung erstreckte Ausbildung des Turbulenzerzeugers, der sich über die anschließenden Oberflächenbereichen der Gondel erhebt, ergibt seine turbulenzerzeugende Wirkung in Bereichen annähernd gleicher Strömungsgeschwindigkeit, so daß der Turbulenzerzeuger über seine Länge einen wenigstens annähernd konstanten Effekt aufweist.
Die Erfindung geht also erstmals von dem Ansatz aus, bei Laborzentrifugen nicht die erzeugten Geräusche anschließend zu dämpfen, sondern sie bereits bei der Entstehung zu reduzieren und nutzt dabei bisher unbeachtete, sehr alte aerodynamische Erkenntnisse, wie sie in "Grenzschicht-Theorie" von Dr. Hermann Schlichting, Verlag G. Braun, Karlsruhe, 5. Auflage Seite 39 beschrieben sind.
In Versuchen haben sich Geräuschreduzierungen bis 6dB ergeben.
Ein über die Oberfläche erhöhter Turbulenzerzeuger kann z. B. als aufragender Stift oder eine Ansammlung aufragender Stifte ausgebildet sein oder auch z. B. als aufgeklebter Streifen rauhen Sandpapiers. Ein z. B. aufgelöteter Draht oder eine aufragend ausgestaltete Sicke oder dergleichen können hervorragende Wirkung aufweisen. Herstellungstechnisch einfach ist die Ausbildung gemäß Anspruch 2, bei der aus einem zylinderförmigen Rohling durch Ausfräsungen die gewünschte Form erreichbar ist.
Die ausgefräste Ausbildung des Turbulenzerzeugers ergibt außerdem extrem hohe mechanische Stabilität, wie sie bei mit enormen Kräften belasteten Zentrifugengondeln erforderlich ist.
In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt, es zeigen:
Figur 1
Eine Seitenansicht des Schwingrotors einer Zentrifuge mit zwei Schwinggondeln,
Figur 2
im Schnitt nach Linie 2-2 in Figur 1 den Querschnitt einer Gondel,
Figur 3
in Darstellung entsprechend Figur 2 eine Gondel anderen Querschnittes,
Figur 4
stark schematisiert das Strömungsbild um die Gondel gemäß Figur 2 ohne Turbulenzerzeuger,
Figur 5
in Darstellung gemäß Figur 4 die Anströmung mit Turbulenzerzeugern und
Figur 6
im Schnitt entsprechend Figur 2 eine Gondel in einer weiteren Ausführungsvariante.
Figur 1 zeigt in Seitenansicht den Rotor 1 einer Zentrifuge, deren übrige Teile zur zeichnerischen Vereinfachung nicht dargestellt sind. Der Rotor 1 weist eine senkrecht stehende Welle 2 auf mit radial stehenden Armen 3, im Ausführungsbeispiel zwei sich gegenüberstehende Arme, an denen um tangential stehende Achsen 4 schwenkbar je eine Gondel 5 angelenkt ist.
Die Gondeln 5 weisen Schwerpunkte außerhalb der Achsen 4 auf. Bei Stillstand des Rotors 1 hängen Sie nach unten. Mit steigender Drehzahl schwingen sie in Richtung des Pfeiles 6 aus.
Die Figuren 2 und 3 zeigen im Schnitt nach Linie 2-2 in Figur 1 zwei unterschiedliche Querschnittsformen. Die Gondel 5 in Figur 2 weist runden Querschnitt und die Gondel 5' in Figur 3 rechteckigen Querschnitt auf. Es ist dargestellt, daß die Gondeln jeweils mehrere Aufnahmen 7 aufweisen zur Aufnahme von passend einsetzbaren Zentrifugiergefäßen mit zu zentrifugierender Probeflüssigkeit.
In den Figuren 2 und 3 ist jeweils mit Pfeil 8 die Richtung dargestellt in der bei Umlauf des Rotors 1 um die Welle 2 die Gondeln mit Luft angeströmt werden. In Bezug auf diese Luftanströmungsrichtung weisen die Gondeln im Bereich ihres größten Querschnittes auf ihrer Oberfläche in Richtung quer zur Richtung des Pfeiles 8, also quer zur Luftanströmungsrichtung erstreckte, als Turbulenzerzeuger dienende Drähte 9 auf, die z. B. durch Verlötung befestigt sind.
In den Figuren 4 und 5 ist der durch die Drähte 9 erzeugte aerodynamische Effekt dargestellt, wie er sich bei geeigneter Reynoldzahl ergibt. Figur 4 zeigt die Luftanströmung um die Gondel 5 ohne Drähte. Figur 5 zeigt die Strömungsverhältnisse mit Drähten 9.
Gemäß Figur 4 wird die Gondel 5 bis zu ihrem Bereich größten Querschnittes und noch ein gutes Stück darüber hinaus mit laminar anliegender Luftströmung umströmt. In dem auf den größten Querschnitt folgenden Bereich der Gondel, in der ihr Querschnitt abnimmt, in Strömungsrichtung also auf der Rückseite der Gondel 5, reißt die Strömung ab und bildet die dargestellte, das Totwassergebiet bildende Wirbelstraße 10, deren Querschnitt etwa dem max. Querschnitt der Gondel 5 entspricht. Die Wirbel in der Wirbelstraße 10 erzeugen erhebliche Geräusche, insbesondere auch durch Störungen mit den nachfolgenden Rotoren, die in Figur 4 nicht dargestellt sind.
Wie Figur 5 zeigt, wirken die Drähte 9 als Turbulenzerzeuger, die zu turbulenter Strömung hinter den Drähten 9 führen. Es bildet sich sofort anschließend an die Drähte 9 eine der Gondel 5 anliegende turbulente Wirbelschicht aus. Diese hat gegenüber einer laminaren Umströmung den Vorteil, daß sie weiter der Oberfläche der Gondel 5 folgt. Die sich ergebende Wirbelstraße 10' hat somit einen geringeren Querschnitt als im Falle der Figur 4. Die sich ergebenen Geräusche sind wesentlich vermindert. Bei Versuchen mit Gondeln, die der Darstellung der Figur 5 entsprechen, ließen sich Geräuschverringerungen von mehr als 6dB erzielen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Turbulenzerzeuger durch aufgesetzte Drähte 9 erzeugt. Es können anstelle der Drähte 9 auch andere Turbulenzerzeuger auf der Oberfläche der Gondeln angeordnet sein, wie z. B. nach außen ragende Sicken. Auch in die Oberfläche der Gondeln eingebrachte Nuten können einen entsprechenden Effekt haben.
Anstelle der in den Figuren dargestellten linienförmig erstreckten Turbulenzerzeuger in Form der Drähte 9 oder entsprechend langgestreckter Nuten, können auch punktförmige einzelne Turbulenzerzeuger z. B. in Form aufragender Stifte oder in Form von Löchern vorgesehen sein. Diese können z. B. in hintereinander gestaffelter Anordnung vorgesehen sein und zwar am besten in einer linienförmigen Anordnung entlang des Bereiches größten Durchmessers der Gondel 5, quer zu Strömungsrichtung.
Die im Ausführungsbeispiel durch die Drähte 9 erzeugten Störkanten sitzen am besten im Bereich des größten Querschnittes. Da dieser sich im Falle der Gondel 5' (Figur 3) über eine größere Länge erstreckt, könnten in diesem Falle die Störkanten, wie in Figur 3 dargestellt in der Mitte der Länge der Gondel 5' oder auch im Bereich deren vorderer oder hinterer Ecken liegen, wie in Figur 3 gestrichelt angedeutet.
Turbulenzerzeuger können jedoch beispielsweise bei der Gondel 5 gemäß Figur 2 auch sehr viel weiter vorn, also zum Pfeil 8 hin gelegen angeordnet sein. Sie müßten dann allerdings größer sein, um entsprechenden Effekt zu haben.
Figur 6 zeigt zur Ausführungsform der Figur 2 eine Ausführungsvariante, bei der die Turbulenzerzeuger als Steg 9' ausgebildet sind, die durch beiderseitige Ausfräsungen 12 aus einer zylindrischen Grundform (gestrichelt) hergestellt sind. Diese Ausführung ist einstückig mit herkömmlichen Werkzeugmaschinen herstellbar.

Claims (2)

  1. Laborzentrifuge mit wenigstens einer ausschwenkbar an einem drehangetriebenen Rotor (1) gelagerten, Probeflüssigkeit aufnehmenden Gondel (5, 5', 5") und mit einer Einrichtung (9, 9') zur Reduzierung des von der Gondel erzeugten Geräusches, dadurch gekennzeichnet, daß die Gondel (5, 5') in ihrem in Fahrtrichtung vom liegenden Oberflächenbereich aerodynamisch glatt ausgebildet ist, und daß die Einrichtung aus wenigstens einem an der Außenoberfläche der Gondel (5, 5') angeordneten Turbulenzerzeuger (9, 9') besteht, der im Bereich des quer zur Richtung (8) der Luftströmung größten Durchmessers der Gondel (5, 5') linienförmig quer zur Strömungsrichtung erstreckt und über die Oberfläche der Gondel (5, 5') aufragend ausgebildet ist.
  2. Laborzentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulenzerzeuger als parallel zur Achse einer zylindrischen Gondel (5") zwischen zwei Ausfräsungen (12) gebildeter Steg (9') ausgebildet ist.
EP02018698A 2001-11-09 2002-08-21 Schwingrotorlaborzentrifuge mit Geräuschreduzierungseinrichtung Expired - Lifetime EP1310304B1 (de)

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