EP3145638B1

EP3145638B1 - Zentrifuge

Info

Publication number: EP3145638B1
Application number: EP15713665.6A
Authority: EP
Inventors: Klaus-Günter Eberle; Matthias Hornek; Wolfgang PRETER
Original assignee: Andreas Hettich GmbH and Co KG
Current assignee: Andreas Hettich GmbH and Co KG
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2035-03-17
Also published as: DE102014107294B4; WO2015176841A1; DE102014107294A1; EP3145638A1; US10894260B2; US20170189916A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentrifuge gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.
Während des Betriebs einer Zentrifuge entsteht unerwünschte Wärme, die für das zu zentrifugierende Gut schädlich ist. Insbesondere ist dabei problematisch, dass der Zentrifugenrotor, durch dessen Drehung und durch die dabei entstehende Luftreibung ein Großteil der Wärme verursacht wird, in der Regel aus Sicherheitsgründen in einem durch einen Deckel fest verschlossenen Kessel angeordnet ist und dass die Wärme daraus nur schwer entweichen kann. Oft ist bei biologischen Proben gefordert, dass eine Temperatur von 4°C während der Zentrifugation gehalten wird. Eine aktive Kühlung ist daher besonders bei längeren Betriebszeiten und hohen Drehzahlen und Probentemperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur unabdingbar.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze für die Kühlung von Zentrifugen bekannt. Besonders häufig werden dazu Kompressorkühlvorrichtungen verwendet. Diese Art der Kühlung ist zwar erprobt und zuverlässig, sie weist jedoch auch eine Reihe von Nachteilen auf. Zum einen ist es auf Grund der Verwendung verdichteter Medien zur Wärmeentnahme erforderlich, Leitungsmittel wie etwa Kupferrohre einzusetzen, die hohen Drücken in einem Bereich von ca. 25bar standhalten können. Kupferrohre sind aber nicht nur teuer in der Anschaffung, durch ihre Starrheit sind sie auch nur an bestimmten Stellen einer Zentrifuge anzubringen und bieten eine vergleichsweise geringe wärmeübertragende Fläche. Zum anderen erfolgt die Temperaturregelung üblicherweise in Form einer Zweipunktregelung, also durch Ein- und Ausschalten des Kompressors. Je genauer die Temperatur eingestellt werden soll, desto häufigeres Ein- und Ausschalten ist erforderlich. Dadurch entsteht zusätzlich zu den gewöhnlichen betriebsbedingten Vibrationen ein zusätzliches Schütteln des Rotors bzw. der Zentrifuge, was sich negativ auf das Zentrifugiergut und auf die Lebensdauer der Zentrifuge auswirkt. Ein häufiges Ein- und Ausschalten erhöht außerdem den Energieverbrauch der Zentrifuge. Ferner ist der Einsatz von Kältemitteln, abgesehen von den oben erwähnten hohen Drücken, unter verschiedenen weiteren Gesichtspunkten problematisch. Einerseits dürfen aus Sicherheitsgründen in Zentrifugen keine brennbaren Kältemittel verwendet werden. Andererseits werden vom Gesetzgeber immer höhere Auflagen bezüglich der Umweltverträglichkeit der Kältemittel gemacht. Für die Verwendung zur Kühlung von Zentrifugen geeignete, zulässige und wirtschaftlich günstige Kältemittel zu finden, stellt daher mitunter eine Herausforderung dar.
Eine gattungsgemäße Zentrifuge ist aus der EP 2 335 830 A1 oder der DE 1 033 446 A bekannt. Die Zentrifuge weist dabei einen Sicherheitskessel mit einer Kesselwandung, einen in dem Sicherheitskessel angeordneten Rotor, der über eine Antriebswelle mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist auf. Die Antriebswelle durchgreift den Sicherheitskessel. Ein Kühlsystem zur Kühlung eines Innenraums des Sicherheitskessels ist vorgesehen, das ein Wärmeträgermedium zur Wärmeaufnahme aus dem Sicherheitskessel, eine Kälteeinheit und Leitungsmittel für das Wärmeträgermedium umfasst.
Aus der DE 20 2007 001 853 U1 ist ein Kühl- und Gefriergerät mit magnetokalorischer Kühlung bekannt.
Aus dem Artikel, Andrea Voigt: "Magnetische Kühlung: Eine Revolution in der Kältetechnik?", Die Kälte- und Klimatechnik, August 2006 (2006-08), XP002740892, ist das Prinzip der magnetokalorischen Kühlung bekannt. Es wird vorgeschlagen, diese für Kühlschränke und PKW-Klimaanlagen einzusetzen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, unter Vermeidung der genannten Nachteile eine Zentrifuge zu schaffen, deren Kühlung effizient und kostengünstig ist, die im Betrieb vibrationsarm und somit schonend für das zu zentrifugierende Gut ist und die unter Sicherheitsaspekten unbedenklich ist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst. Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass herkömmliche Kühlvorrichtungen für Zentrifugen, insbesondere Kompressionskältevorrichtungen, durch eine magnetokalorische Kühlung ersetzt werden können und dass so auf einfache Weise eine Zentrifuge geschaffen werden kann, deren Betrieb sicherer, sparsamer und schonender ist, als der Betrieb herkömmlicher Zentrifugen. Zudem ergeben sich dadurch eine Reihe neuer konstruktiver Möglichkeiten, welche die Zentrifuge weiter optimieren.
Nach der Erfindung weist die Zentrifuge einen Sicherheitskessel mit einer Kesselwandung, einen in dem Sicherheitskessel angeordneten Rotor, der über eine Antriebswelle mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist, wobei zumindest die Antriebswelle den Sicherheitskessel durchgreift, und ein Kühlsystem zur Kühlung des Innenraums des Sicherheitskessels auf, das ein Wärmeträgermedium zur Wärmeaufnahme aus dem Sicherheitskessel, eine Kälteeinheit und Leitungsmittel für das Wärmeträgermedium umfasst. Dabei basiert die Kälteeinheit auf dem magnetokalorischen Effekt. Der Innenraum des Sicherheitskessels wird durch einen ersten Kühlkreislauf gekühlt. Der magnetokalorische Effekt der Kälteeinheit entzieht dem Wärmeträgermedium des ersten Kühlkreislaufs Wärme und führt diese einem zweiten Kühlkreislauf zu. Die Kälteeinheit enthält magnetokalorisches Material, das sich erwärmt, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt ist, und bei Entfall des Magnetfeldes sich wieder abkühlt. Durch zyklische Beaufschlagung dieses magnetokalorischen Materials mit einem Magnetfeld und bei Umströmung dieses Materials von einem Wärmeträgermedium des zweiten Kühlkreislaufes, wird diesem Wärme entzogen, und bei Umströmung mit einem Wärmeträgermedium des ersten Kühlkreislaufes, an das die Wärme abgegeben wird, kommt ein Wärmeübertragungsprozess in Gang. Mit anderen Worten umströmt das Wärmeträgermedium eines ersten Kühlkreislaufs - Kaltkreislauf - und das Wärmeträgermedium eines zweiten Kühlkreislaufs - Warmkreislauf - abwechselnd, synchronisiert mit dem Magnetfeld, und sich wiederholend das magnetokalorische Material. Dies hat den Vorteil, dass auf die Verwendung einer Kompressionskältevorrichtung und eines hierfür geeigneten Kühlmittels verzichtet werden kann. Durch den Wegfall des Kompressors wird ein für die Zentrifuge und besonders für das Zentrifugiergut schonenderer Betrieb erreicht, da keine Vibrationen und kein dadurch bedingtes Schütteln entstehen. Ferner sinkt der Energiebedarf, da das ständige Ein- und Ausschalten eines Kompressors, welches viel Energie erfordert, wegfällt. Darüber hinaus ist die thermodynamische Effizienz von Magnetkühlsystemen höher als von herkömmlichen Kompressionskühlungen. Weitere Vorteile dieser magnetokalorischen Kühlung, die zu Kosteneinsparungen führen, werden nachfolgend genauer erläutert wird.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass als Wärmeträgermedium Kühlwasser mit Zusätzen verwendet wird, welche den Gefrierpunkt herabsetzen, beispielsweise Salz oder Alkohol. Diese Lösungen sind kostengünstig, umweltverträglich und nicht brennbar.
Insbesondere sind die Leitungsmittel für das Wärmeträgermedium als Niederdruckleitungen für einen Betriebsdruck kleiner 3bar ausgebildet. Dadurch werden die konstruktiven Möglichkeiten der Gestaltung der Leitungsmittel auf einfache Weise erweitert. Beispielsweise kann durch entsprechende Ausbildung der Leitungsmittel eine größere Fläche zur Wärmeentnahme genutzt werden. Zudem ist es nunmehr auch möglich, flexible Materialien zu verwenden, die besser an die zu kühlenden Flächen angepasst werden können und dadurch eine effizientere Kühlung ermöglichen. Weiterhin sind die flexiblen Materialien in der Regel auch leichter und günstiger als die für Hochdruckleitungen verwendeten Materialien, wie etwa Kupfer.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Steuer- oder Regelungseinheit vorgesehen, mittels der die Kühleinheit steuerbar oder regelbar ist und somit die Temperatur im Innenraum des Sicherheitskessels einstellbar ist. So wird sichergestellt, dass je nach Anwendung und Betriebszustand in der Zentrifuge eine optimale, vorbestimmte Temperatur herrscht und gehalten wird.
Für die Förderung des Wärmeträgermediums durch die Leitungsmittel sind in jedem Kreislauf Pumpen vorgesehen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Pumpen ebenfalls von der Steuer- oder Regelungseinheit steuerbar bzw. regelbar sind. Dadurch kann die Temperatur in der Zentrifuge zusätzlich über Menge und Geschwindigkeit des geförderten Wärmeträgermediums durch die Leitungsmittel eingestellt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Sicherheitskessel eine auf den Rotor gerichtete Innenseite und eine mit dem Kühlsystem zusammenwirkende Außenseite auf, und die Leitungsmittel des ersten Kühlkreislaufs sind zumindest bereichsweise durch den Sicherheitskessel gebildet, so dass das Wärmeträgermedium an der Außenseite der Kesselwandung des Sicherheitskessels unmittelbar flächig anliegt und darüber strömt. Dies ist von Vorteil, da durch die direkte Anlage des Wärmeträgermediums an der Kesselwandung eine effizientere Kühlung möglich ist als durch ein Wärmeträgermedium, das beispielsweise durch an der Außenseite des Sicherheitskessels angebrachte Leitungen strömt.
Günstig ist es, wenn das Wärmeträgermedium konzentrisch um eine Mittelachse des Sicherheitskessels durch die Leitungsmittel geführt ist. Dadurch ist eine gleichmäßige Kühlung des Kesselinnenraums möglich.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Wärmeträgermedium durch die Leitungsmittel bereichsweise parallel und/oder radial zur Mittelachse des Sicherheitskessels geführt. So kann den baulichen Gegebenheiten der Zentrifuge Rechnung getragen werden und eine größere Fläche der Kesselwandung gekühlt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sicherheitskessel doppelwandig mit einer Innenwand und einer Außenwand ausgeführt. Das Wärmeträgermedium strömt zwischen Innenwand und Außenwand, wobei es an der Außenseite der Innenwand des Sicherheitskessels unmittelbar flächig anliegt und darüber strömt. Somit kann eine annähernd ganzflächige Kühlung der Innenwand des Sicherheitskessels erfolgen, während die Außenwand beispielsweise eine Isolierung aufweisen kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Innenwand einen inneren Kessel und die Außenwand einen äußeren Kessel bildet und dabei der innere Kessel und der äußere Kessel konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei der innere Kessel und der äußere Kessel so proportional aufeinander abgestimmt sind, dass sich bereichsweise gleichmäßige Abstände zwischen Innenwand und Außenwand ergeben. Dies erleichtert die Fertigung des Sicherheitskessels und ermöglicht einen gleichmäßigen Strom des Wärmeträgermediums zwischen der Innenwand und der Außenwand.
Um den Strom des Wärmeträgermediums besser zu kontrollieren und eine noch gleichmäßigere Kühlung zu bewirken, ist es günstig, wenn zwischen der Innenwand und der Außenwand Strömungsleitmittel, insbesondere aus Kunststoff oder Blech, vorgesehen sind, die Teil der Leitungsmittel sind.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind Leitungsmittel vorgesehen, die in das Material der Kesselwandung des Sicherheitskessels eingearbeitet sind. So sind einerseits die Bahnen, in denen das Wärmeträgermedium strömt, festgelegt, was eine weiter verbesserte Kühlung zum Ergebnis hat. Andererseits ist die Konstruktion des Sicherheitskessels stabiler, was sich positiv auf die Sicherheit der Zentrifuge auswirkt.
In einer alternativen Ausführungsform weisen die Außenseite der Innenwand und die Innenseite der Außenwand einander zugeordnete Vertiefungen in der Wand auf, die zusammen die Leitungsmittel, also die Kühlleitung des Sicherheitskessels bilden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, eigene Bauteile für die Leitungen in der Wandung des Sicherheitskessels zu verbauen, und die Herstellung des Sicherheitskessels wird einfacher und kostengünstiger.
Es ist zudem vorteilhaft, wenn ein Zulauf des Wärmeträgermediums zu den Leitungsmittel des Sicherheitskessels und ein Ablauf des Wärmeträgermediums vorgesehen sind und wenn entweder der Zulauf im Bereich des oberen Randes des Sicherheitskessels angeordnet ist und der Ablauf im Bereich eines Kesselbodens des Sicherheitskessels angeordnet ist oder vice versa. So kann das Wärmeträgermedium, vertikal betrachtet, auf der einen Seite des Sicherheitskessels eingebracht und auf der anderen Seite des Sicherheitskessels nach der Wärmeentnahme entnommen werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung schließt sich an den Zulauf ein ringförmiger, vorzugsweise in einer Ebene verlaufender, Verteilerkanal an. So ist insbesondere in Verbindung mit den oben beschriebenen bereichsweise parallel zur Mittelachse des Sicherheitskessels verlaufenden Leitungen eine schnelle und gleichmäßige Verteilung des abgekühlten Wärmeträgermediums gewährleistet.
Ebenso hat es sich als zweckdienlich erwiesen, dass dem Ablauf ein ringförmiger, vorzugsweise in einer Ebene verlaufender, Sammelkanal vorgeschaltet ist. Diese Konstruktion vereinfacht die Entnahme des Wärmeträgermediums nach dem Durchströmen der Wandung.
Um die Herstellung zu vereinfachen und die Herstellungskosten zu senken, ist es günstig, wenn die Kesselwandung ein im Druckgussverfahren hergestelltes Aluminiumteil ist. Ebenso geeignet ist hierbei Zink.
In einer alternativen Ausführungsform sind auf die Außenseite der Kesselwandung u-förmige Leitungsprofile aufgesetzt, welche die Leitungsmittel des Sicherheitskessels bilden. Dabei ist die u-Form von der Kesselwandung abgeschlossen, so dass die beiden Schenkel im Querschnitt des Leitungsprofils gegen die Kesselwand gerichtet sind. Dies kann bei Lösungen von Vorteil sein, besonders auf Einsparung von Platz und Gewicht abzielen, da ein Sicherheitskessel mit einer einfachen Wandung geringere Außenmaße sowie ein geringeres Gewicht aufweist. Dennoch wird der Vorteil genutzt, dass das Wärmeträgermedium direkt über die Wandung des Sicherheitskessels strömt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Zentrifugendeckel vorgesehen, in den mit der Kälteeinheit verbundene Leitungsmittel eingebracht oder auf den mit der Kälteeinheit verbundene Leitungsmittel aufgebracht sind. So kann das Wärmeträgermedium auch zu einer effizienten Kühlung des Zentrifugendeckels eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Antriebseinrichtung zumindest bereichsweise von Leitungsmitteln für das Wärmeträgermedium umgeben, die mit der Kälteeinheit verbunden sind. Dadurch wird auch die Antriebseinrichtung, die eine Ursache für einen starken Wärmeeintrag in den Sicherheitskessel ist, direkt gekühlt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der von Leitungsmitteln umgebene Bereich der Antriebseinrichtung in den Sicherheitskessel hineinragt. Bei dieser Anordnung ist die Kühlung technisch leicht zu realisieren, beispielsweise durch eine mit Leitungsmitteln versehene Abdeckhaube, die auf den in den Sicherheitskessel hineinragenden Bereich der Antriebseinrichtung aufgesetzt und dort befestigt wird. Dabei wirkt die Kühlung sowohl auf die Antriebseinrichtung als auch auf den Innenraum des Sicherheitskessels.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind mit der Kälteeinheit verbundene Leitungsmittel für das Wärmeträgermedium in die Antriebseinrichtung integriert. Diese Art der Kühlung ist effizient und insbesondere platzsparend.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sicherheitskessel als tiefgezogener Blechkessel aus Stahl, insbesondere Edelstahl, ausgeführt. Dies verringert die Herstellungskosten und ist der Langlebigkeit des Sicherheitskessels dienlich.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:

Fig. 1: eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Zentrifuge mit einer magnetokalorischen Kälteeinheit;
Fig. 2: eine schematische graphische Darstellung des Prinzips der magnetokalorischen Kühlung;
Fig. 3: eine seitliche Schnittansicht des Sicherheitskessels einer erfindungsgemäßen Zentrifuge;
Fig. 4: eine seitliche Schnittansicht des Sicherheitskessels einer weiteren erfindungsgemäßen Zentrifuge;
Fig. 5: eine Teilansicht des in Fig. 4 dargestellten Sicherheitskessels im Schnitt;
Fig. 6: eine Teilansicht des in Fig. 4 dargestellten Sicherheitskessels in Draufsicht, und
Fig. 7: eine seitliche Schnittansicht des Sicherheitskessels einer erfindungsgemäßen Zentrifuge mit gekühltem Deckel und Motorkühlung.

In Fig. 1 ist eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Zentrifuge 10 mit einer magnetokalorischen Kälteeinheit 12 dargestellt, die einen Überblick über den grundlegenden Aufbau vermittelt.
Ein Sicherheitskessel 30 der Zentrifuge 10 ist zusammen mit der magnetokalorischen Kälteeinheit 12 auf einer Bodenplatte 26 angeordnet. Die magnetokalorische Kälteeinheit 12 umfasst im Wesentlichen ein Kühlaggregat 13 mit einem darin angeordneten, aus den Zeichnungen nicht ersichtlichen Stator, einen Wärmetauscher 15, einer nicht ersichtlichen Pumpvorrichtung 14 und eine Regelungseinheit 16. Durch ein System aus Leitungsmitteln 18 strömt ein Wärmeträgermedium 19 in einem ersten Kühlkreislauf 111 zwischen der magnetokalorischen Kälteeinheit 12 und dem Sicherheitskessel 30. Einzelheiten zum ersten Kühlkreislauf 111 des Wärmeträgermediums 19 werden in Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen in den folgenden Figuren erläutert.
Der Sicherheitskessel 30 weist eine Kesselwandung 32 mit einem Innenraum 31, einer Innenseite 34, einer Außenseite 36 und einem Kesselboden 38 auf. Zur Kühlung des Innenraums 31 des Sicherheitskessels 30 sind Leitungsmittel 18 für das Wärmeträgermedium 19 vorgesehen, die in Fig. 1 nicht ersichtlich sind und deren verschiedene erfindungsgemäße Ausführungen in den nachfolgenden Figuren erläutert werden. Durch den Kesselboden 38 greift entlang einer Mittelachse Y des Sicherheitskessels 30 eine Antriebswelle 20, über die ein aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Figuren nicht dargestellter Rotor 17 mit einer unter dem Sicherheitskessel 30 angeordneten, aus dieser Perspektive nicht sichtbaren, Antriebseinrichtung 22 verbunden ist. Der Sicherheitskessel 30 ist auf der Bodenplatte 26 über vier Befestigungsstreben 24 festgelegt, von denen aus dieser Perspektive zwei erkennbar sind.
Fig. 2 zeigt schematisch das bekannte Prinzip der magnetokalorischen Kühlung einer Zentrifuge 100. Auf einer Kaltseite 110 zirkuliert ein Wärmeträgermedium 19 in dem ersten Kühlkreislauf 111 - Kaltseite 110, welchem die Wärme entzogen wird, wenn das magnetokalorische Material im Kühlaggregat 13 periodisch einem Magnetfeld ausgesetzt wird und sich erwärmt. Durch Herausführen des magnetokalorischen Materials aus dem Magnetfeld gibt dieses die gespeicherte Wärme an das Wärmeträgermedium 19 eines zweiten Kühlkreislaufes 113 ab - Warmseite 112. Der zweite Kühlkreislauf 113 enthält einen Wärmetauscher 106, welcher die Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Der Wärmeaustrag wird durch den Einsatz eines Ventilators 104 verbessert. Im ersten Kühlkreislauf 111 ist eine Pumpe 14a und im zweiten Kühlkreislauf 113 ist eine Pumpe 14b vorgesehen, welche das Wärmeträgermedium 19 jeweils fördert. Magnetokalorische Kühleinheiten sind grundsätzlich bekannt, so dass sich eine nähere Erläuterung erübrigt.
In Fig. 3 ist der Sicherheitskessel 30 einer erfindungsgemäßen Zentrifuge 10 in einer seitlichen Schnittansicht dargestellt. Die Kesselwandung 32 des Sicherheitskessels 30 ist doppelwandig ausgebildet mit einer Innenwand 40, welche eine vom Innenraum 31 des Sicherheitskessels 30 abgewandte Außenseite 42 aufweist, und mit einer Außenwand 44, welche eine vom Innenraum des Sicherheitskessels 30 abgewandte Außenseite 46 aufweist. Die doppelwandige Kesselwandung 32 dient als Leitungsmittel 18 für das Wärmeträgermedium 19 im Sicherheitskessel 30. Ein zwischen der Außenseite 42 der Innenwand 40 und der Innenseite 46 der Außenwand 44 liegender Zwischenraum 48 erstreckt sich von einem ersten Endbereich 50 am oberen Ende der Kesselwandung 32 bis zu einem zweiten Endbereich 52 unterhalb des Kesselbodens 38 und dient der Aufnahme des Wärmeträgermediums 19. Der erste Endbereich 50 des Zwischenraums 48 ist mit einer Dichtung 51 versehen, und der zweiten Endbereich 52 des Zwischenraums 48 ist mit einer Dichtung 53 versehen, so dass das Wärmeträgermedium 19 nicht unkontrolliert aus dem Zwischenraums 48 entweichen kann.
Das wie oben beschrieben in der magnetokalorischen Kälteeinheit 12 gekühlte Wärmeträgermedium 19 strömt über Leitungsmittel 18 ist, zu einer im ersten Endbereich 50 unterhalb der Dichtung 51 vorgesehenen Zuleitung 54 und tritt durch diese in den Zwischenraum 48 ein. Im Zwischenraum 48 zirkuliert das Wärmeträgermedium 19 konzentrisch um die Mittelachse y des Sicherheitskessels 30 und kühlt dabei insbesondere die Innenwand 40 durch die direkte Anlage an deren Außenseite 42. Schließlich verlässt das Wärmeträgermedium 19 den Zwischenraum 48 über eine Ableitung 56 und wird wieder in die magnetokalorische Kälteeinheit 12 eingespeist. Um den Sicherheitskessel herum ist eine Isolierung 58 vorgesehen, die an der Außenseite der Außenwand 44 anliegt und nur von der Zuleitung 54, der Ableitung 56 und von der durch den Kesselboden 38 in den Sicherheitskessel 30 eingreifende Antriebseinrichtung 22 durchdrungen wird.
Es ist zur besseren Steuerung des Strömungsverlaufs des Wärmeträgermediums 19 ebenso möglich, Strömungsleitelemente im Zwischenraum 48 zwischen der Innenwand 40 und der Außenwand 44 vorzusehen. Ferner ist es auch denkbar, die Innenwand 40 und die Außenwand 44 ohne Abstand zueinander zu positionieren und die Leitungsmittel 18 im Sicherheitskessel 30 durch einander zugeordnete Vertiefungen in der Innenwand 40 und in der Außenwand 44 auszubilden.
In Fig. 4 ist der Sicherheitskessel 30 einer weiteren erfindungsgemäßen Zentrifuge 10 in einer seitlichen Schnittansicht dargestellt. In dieser Ausführungsform weist die Kesselwandung 32 vertikal umlaufende Kühlkanäle 60 auf, durch die das Wärmeträgermedium 19 strömt und dadurch Wärme aus der Kesselwandung 32 entnimmt. Zur Verteilung des über Rohrleitungen 18 und die Zuleitung 54 aus der Kälteeinheit 12 in die Kesselwandung 32 einströmenden Wärmeträgermediums 19 an die einzelnen Kühlkanäle 60 ist in der Kesselwandung 32 ein, vertikal betrachtet, auf Höhe der Zuleitung 54 angeordneter ringförmiger Verteilerkanal 62 vorgesehen. Entsprechend ist, vertikal betrachtet, auf Höhe der Ableitung 56 ein Sammelkanal 64 vorgesehen, in dem das Wärmeträgermedium 19 nach dem Durchströmen der Kühlkanäle 60 gesammelt und zur Ableitung 56 befördert wird. Aus der Ableitung 56 strömt das Wärmeträgermedium 19 wieder zurück in die Kälteeinheit 12. Zur Verdeutlichung ist die Anordnung der Kühlkanäle 60, des Verteilerkanals 62 und des Sammelkanals 64 in den Figuren 5 und 6 nochmals detailliert dargestellt. Ebenso können die Anordnung der Zuleitung 54 und der Ableitung 56 und somit auch die Funktion des Verteilerkanals 62 und des Sammelkanals 64 getauscht werden, so dass das Wärmeträgermedium 19 entlang des Sicherheitskessels 30 anstatt von oben nach unten von unten nach oben strömt.
Fig. 5 zeigt eine seitliche Schnittansicht des in Fig. 4 dargestellten Sicherheitskessels 30. Fig. 6 zeigt in einer Draufsicht auf den Sicherheitskessel 30 die Anordnung der Kühlkanäle 60 in der Kesselwandung 32 sowie den Verteilerkanal 62.
In Fig. 7 ist ein Sicherheitskessel 30 einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Zentrifuge 10 mit Kühlvorrichtung dargestellt. Auf einer konzentrisch mit einer Mittelachse Y des Sicherheitskessels 30 angeordneten und einen Kesselboden 38 bereichsweise durchgreifenden Antriebseinrichtung 22 ist eine ebenso konzentrisch mit der Mittelachse Y des Sicherheitskessels 30 angeordnete Abdeckhaube 72 vorgesehen, auf der konzentrisch elastische Kühlrohre 74 verlaufen. Der Durchmesser der Abdeckhaube 72 verjüngt sich von der dem Kesselboden 38 benachbarten Seite nach oben hin zur vom Kesselboden 38 entfernten Seite. Die Kühlrohre 74 sind über eine aus dieser Figur nicht ersichtliche flexible Zuleitung und Ableitung mit der magnetokalorischen Kälteeinheit 70 verbunden.
Ebenso ist es denkbar, anstelle der Abdeckhaube 72 Leitungsmittel für das Wärmeträgermedium 19 vorzusehen, die in die Antriebseinrichtung 22 integriert und mit der Kälteeinheit 70 verbunden sind.
Oberhalb der Abdeckhaube 76 ist ein Rotor 17 über eine Antriebswelle 20 mit der Antriebseinrichtung 22 verbunden.
Zum Verschließen des Sicherheitskessels 30 ist an der dem Kesselboden 38 gegenüberliegenden Seite ein Zentrifugendeckel 72 vorgesehen, auf dessen vom Innenraum des Sicherheitskessels 30 abgewandten Außenseite 74 Kühlkanäle 80 angeordnet, die über eine aus dieser Figur nicht ersichtliche Zuleitung und eine Ableitung mit der magnetokalorischen Kälteeinheit 70 verbunden sind. So wird der Sicherheitskessel 30 sowohl im Bereich des Kesselbodens 38 über die Abdeckhaube 72 als auch über den oberhalb des Rotors 17 befindlichen Zentrifugendeckel 76 gekühlt.

Bezugszeichenliste

10: Zentrifuge
12: magnetokalorische Kälteeinheit
13: Kühlaggregat
14: Pumpvorrichtung
14a: Pumpe - erster Kühlkreislauf
14b: Pumpe - zweiter Kühlkreislauf
15: Wärmetauscher
16: Regelungseinheit
17: Rotor
18: Leitungsmittel
19: Wärmeträgermedium
20: Antriebswelle
22: Antriebseinrichtung
24: Befestigungsstreben
26: Bodenplatte
30: Sicherheitskessel
31: Innenraum des Sicherheitskessels
32: Kesselwandung
34: Innenseite
36: Außenseite
38: Kesselboden
40: Innenwand
42: Außenseite
44: Außenwand
46: Innenseite
48: Zwischenraum
50: erster Endbereich
51: Dichtung
52: zweiter Endbereich
53: Dichtung
54: Zuleitung
56: Ableitung
58: Isolierung
60: Kühlkanäle
62: Verteilerkanal
64: Sammelkanal
66: Wärmetauscher
66a,b: Wärmetauscherplatten
68: Kühlkanäle
72: Abdeckhaube
74: Kühlrohre
76: Zentrifugendeckel
78: Außenseite
80: Kühlkanäle
100: Zentrifuge
102: Kühlaggregat
104: Ventilator
106: Wärmetauscher
110: Kaltseite
111: erster Kühlkreislauf
112: Warmseite
113: zweiter Kühlkreislauf
114: Umgebungsluft
Y: Mittelachse
Q₁: Wärmestrom Kaltseite
Q₂: Wärmestrom Warmseite

Claims

Zentrifuge (10) aufweisend einen Sicherheitskessel (30) mit einer Kesselwandung (32), einen in dem Sicherheitskessel (30) angeordneten Rotor (17), der über eine Antriebswelle (20) mit einer Antriebseinrichtung (22) verbunden ist, wobei zumindest die Antriebswelle (20) den Sicherheitskessel (30) durchgreift, ein Kühlsystem zur Kühlung eines Innenraums (31) des Sicherheitskessels (30), das ein Wärmeträgermedium (19) zur Wärmeaufnahme aus dem Sicherheitskessel (30), eine Kälteeinheit (12) und Leitungsmittel (18) für das Wärmeträgermedium (19) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteeinheit (12) auf dem magnetokalorischen Effekt basiert, und der Innenraum (31) des Sicherheitskessels (30) durch einen ersten Kühlkreislauf (111) gekühlt wird, der magnetokalorische Effekt der Kälteeinheit (12) dem Wärmeträgermedium (19) des ersten Kühlkreislaufs (111) Wärme entzieht und einem zweiten Kühlkreislauf (113) die Wärme zuführt.
Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträgermedium (19) Kühlwasser mit Zusätzen verwendet wird, welche den Gefrierpunkt herabsetzen, beispielsweise Salz oder Alkohol.
Zentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsmittel (18) für das Wärmeträgermedium (19) als Niederdruckleitungen für einen Betriebsdruck bis 3bar ausgebildet sind.
Zentrifuge nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- oder Regelungseinheit (16) vorgesehen ist, mittels der die Kälteeinheit (12) steuerbar oder regelbar ist und somit die Temperatur im Innenraum (31) des Sicherheitskessels (30) einstellbar ist.
Zentrifuge nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsmittel (18) des ersten Kühlkreislaufs (111) zumindest bereichsweise durch den Sicherheitskessel (30) gebildet sind, so dass das Wärmeträgermedium (19) an einer Außenseite (36) der Kesselwandung (32) des Sicherheitskessels (30) unmittelbar flächig anliegt und darüber strömt.
Zentrifuge nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (19) konzentrisch um eine Mittelachse Y des Sicherheitskessels (30) durch die Leitungsmittel (18) geführt ist.
Zentrifuge nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (19) durch die Leitungsmittel (18) zumindest bereichsweise parallel und/oder radial zu einer Mittelachse Y des Sicherheitskesses (30) geführt ist.
Zentrifuge nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitskessel (30) doppelwandig mit einer Innenwand (40) und einer Außenwand (44) ausgeführt ist und das Wärmeträgermedium (19) zwischen Innenwand (40) und Außenwand (44) strömt und das Wärmeträgermedium (19) an der Außenseite (42) der Innenwand (40) des Sicherheitskessels (30) unmittelbar flächig anliegt und darüber strömt.
Zentrifuge nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (40) einen inneren Kessel bildet und die Außenwand (44) einen äußeren Kessel, und dass innerer Kessel und äußerer Kessel konzentrisch angeordnet sind, wobei der innere Kessel und der äußere Kessel proportional aufeinander so abgestimmt sind, dass sich zumindest bereichsweise gleichmäßige Abstände zwischen Innenwand (40) und Außenwand (44) ergeben.
Zentrifuge nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Innenwand (40) und der Außenwand (44) Strömungsleitmittel, insbesondere aus Kunststoff oder Blech, vorgesehen sind, die Teil der Leitungsmittel (18) sind.
Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in das Material der Kesselwandung (32) des Sicherheitskessels (30) eingearbeitete Leitungsmittel (18) vorgesehen sind.
Zentrifuge nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite (42) der Innenwand (40) und die Innenseite (46) der Außenwand (44) einander zugeordnete Vertiefungen in der Wand aufweisen, die zusammen die Leitungsmittel (18) des Sicherheitskessels (30) bilden.
Zentrifuge nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulauf (54) des Wärmeträgermediums (19) zu den Leitungsmitteln (18) des Sicherheitskessels (30) und ein Ablauf (56) des Wärmeträgermediums (19) vorgesehen sind, wobei entweder der Zulauf (54) im Bereich des oberen Randes des Sicherheitskessels (30) angeordnet ist und der Ablauf (56) im Bereich eines Kesselbodens (38) des Sicherheitskessels (30) angeordnet ist oder vice versa.
Zentrifuge nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Zulauf (54) ein ringförmiger, vorzugsweise in einer Ebene verlaufender, Verteilerkanal (62) anschließt.
Zentrifuge nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ablauf (56) ein ringförmiger, vorzugsweise in einer Ebene verlaufender, Sammelkanal (64) vorgeschaltet ist.