NO129861B - - Google Patents

Description

Innretning til atskillelse av blandinger.

Oppfinnelsens gj ens tand er en sentrifuge til atskillelse av gassblandinger f. eks. isotopblandinger i gassformet tilstand med en rotor som roterer i vakuum, og sentrifugen ifølge oppfinnelsen er karakterisert ved at sentrifugerotoren som roterer om en loddrett akse på i og for seg kjent måte bare er lagret i ett eneste punkt som befinner seg under rotorens nedre ende på en bærer, og holdes ved hjelp av et magnetisk felt i loddrett stilling, idet feltet dannes mellom et magnetlegeme som er anbragt på rotorens øvre ende og et annet magnetlegeme som er forbundet med sentrifugehuset.

Anvendelsen av slike systemer senker kraftbehovet vesentlig, og muliggjør dessuten en vektsmessig lettere oppbygning, hvorved det muliggjøres en vesentlig mindre omkostning til de uomgjengelig nød-vendige beskyttelsesforholdsregler, fortrinnsvis mot eksploderende rotorer.

Systemets rotor kan utformes stiv, eller ifølge et ytterligere trekk ved oppfinnelsen fleksibel, idet det fåes et gunstig forhold mellom dennes lengde og diameter med hensyn til atskillelsesresultatene.

For å muliggjøre løpet gjennom de kritiske omdreiningstall inntil driftsomdreiningstallet ved meget stort forhold mellom rotorens lengde og diameter f. eks. 10 : 1, foreslås det ifølge oppfinnelsen i rotorens indre å anordne dempningsledd som fortrinnsvis absorberer systemets hurtige svingninger. Det har vist seg at det ved passering av kritiske omdreiningstall for lange rotorer kan oppnås rolig gang på kortest mulig tid ved innsetning av støtter som er anordnet forskyvbart på tvers av rotasjonskabelen. Disse støtter kan i enkel-te tilfelle bringes i berøring med rotorens yttervegg.

Det har vist seg som fordelaktig ved en loddrett anordning av det roterende system, fortrinnsvis ved dets øvre ende å dempe de langsomme, og fortrinnsvis ved dets nedre ende, de hurtige svingninger.

Det er tidligere kjent konstruksjoner av elektriske måleapparater hvor et roterende legeme likeledes er lagret i ett punkt og ved hjelp av magnetlegemet foregår en avlastning av lageret.

Ved de elektriske måleapparater dreier det seg imidlertid om relativt langsomt roterende rotorer mens det ved en gass-sentrifuge må den som hull-legeme utformede rotor rotere med en overordentlig høy hastighet. Sentrifugens rotor virker her som en snurrebass, således at det her tvangsmessig energiseres svingninger som spesielt opptrer som presesjons- og nuta-sjons-svingn inger av rotorens øvre ende. Det har vist seg at ved sammenvirkning av de magnetiske retningskrefter med rotorens lagring bare i ett punkt under dets nedre ende tilveiebringes et system som også ved meget høye omdreiningstall har en tilstrekkelig stor stabilitet, da rotorens øvre ende kan utføre bevegelser uten at krefter opptrer i lagrene resp. aksen.

I «Proceedings of the International Symposium on Isotope Separation», side 673 er det omtalt en sentrifugeutførelse der rotoren på begge sider er lagret ved hjelp av en elastisk røraksel. Akselen belastes imidlertid så sterkt av sentrifugens svingninger ved høye omdreiningstall at det ikke er sikret noen lang driftstid og denne be-lastning foregår også når akselen løper i en føringsboks som er forbundet med et i olje lagret dempningsledd.

I forhold til denne teknikkens stand medfører innretningen ifølge oppfinnelsen vesentlige fordeler slik det er nevnt oven-for samtidig som innretningen sikres en lang levetid.

Ytterligere enkeltheter, fordeler og kjennetegn ved oppfinnelsen forklares nærmere i det følgende ved hjelp av på tegningen i lengdesnitt skjematisk viste ut-føringseksempler av innretninger ifølge oppfinnelsen.

Ved innretningen ifølge fig. 1 er rotoren 2 lagret dreibart loddrettstående i sentrifugehuset 1. I husets fundament er det anordnet en i og for seg kjent evakuerings-innretning 3, som frembringer i huset et på forhånd gitt trykk. I rotoren er det anbragt en stålskive eller en stålring 7, som ligger i området av et elektrisk dreiefelt som vik-lingene 8 frembringer. Anordningen er truffet slik at rotorens start foregår asyn-kront til dreiefeltet, mens det ved opp-nåelse av driftsomdreiningstallet automatisk oppnås synkronisme. På huset 1 oppnås ved hjelp av et rørsystem 4 med varm og kald væske i motstrøm et temperaturfall som overfører seg på rotoren 2 ved hjelp av stråling. Gjennom rørene 4 føres altså en væske for å frembringe et temperaturfall i huset. Eksempelvis blir det gjennom røre-ne ved husets øvre ende innført vann med en temperatur på omtrent 100° C og gjennom rørene ved den nedre ende av huset vann med en temperatur på omtrent 20° C og derved frembringes det på huset temperaturfall på 80° C. Derved settes blandingen, som ved hjelp av et tilføringsrør 5 ledes inn i den løpende rotors indre, i om-løpsstrømning i retning av pilene 6. Denne omløpsstrømning kan også frembringes ved hjelp av, i forhold til rotoren, stillestående legemer som befinner seg i det indre av rotoren, f. eks. ved hjelp av en på tegningen vist faststående nedbremsningsanordning 18, og/eller et uttakningsrør 19 som i sitt eller sine områder nedsetter rotasjonshas-tigheten av det medium som befinner seg i rotoren, og derved forminsker trykket på rotorens periferi i sitt område og derved frembringer omløpsstrømning. Begge for-holdsregler kan gjensidig utfylle hverandre eller erstattes med hverandre.

Da rotoren må gjennomløpe kritiske omdreiningstall må det treffes spesielle dempningsforholdsregler med henblikk på at det hele roterende system stabiliserer seg selv. Dette kan ifølge oppfinnelsen foregå ved lagring og demping ved rotorens ender.

Denne stabilisering kan f. eks. blant annet oppnås ved en fleksibel utføring av rotoren, idet, som vist på tegningen, rotorens stive deler 2' ifølge oppfinnelsen er forbundet gjennom fjærende deler 9. Dessuten kan rotoren avstøttes, fortrinnsvis under rotorens løp gjennom kritiske omdreiningstall, ved å anordne støtter som er for-skyvbare på tvers av rotorens rotasjons-aksel. En slik støtte er antydet på tegningen og betegnes med 10.

De ovenstående beskrevne forholdsreg-ler viser seg også gode ved vannrett lagring av roterende systemer.

For stabiliseringen av et system, som roterer i loddrett leie, er det derimot å an-befale å anordne dempningsinnretningene 11, som virker mot de langsomme svingninger 12, som virker mot de hurtige svingninger og de langsgående svingninger og deres kombinasjoner, ved rotorens nedre ende.

I det viste utføringseksempel ledes blandingen gjennom en sentral åpning inn i rotoren ved hjelp av et rør 5. Den tunge fraksjons uttreden foregår gjennom en åpning 14 ved rotorens øvre ende, og denne innretning kan være forskjellig utformet. Utføringseksemplet viser en anordning 19 som er utformet som et Pitot-rør, som ut-nytter trykket og bevegelsestrykket til me-diet, som befinner seg i rotoren, og på denne måte gjennomfører uttakningen av fraksjonen ved rotorens øvre ende. Imidlertid kan fraksjonens uttakning også fore-tas ved hjelp av pumper, eller i og for seg kjent kondensasjons fingre 15 eller kjølefel-ler, og en slik uttakningsinnretning er vist ved det viste utf øringseksemplets nedre ende for uttaking av den lette fraksjon. Rommet 16, inn i hvilket kondensasjonsfingrene, eller også kjølefingrene 15 rager, er avskjer-met overfor vakuumet rundt rotoren ved hjelp av labyrinttetting, og en slik labyrinttetting 20 er antydet ved rotorens nedre ende i det viste utføringseksempel. En annen type tetting er vist på tegningen ved rotorens øvre ende og denne tetningsan-ordning kan dessuten fordelaktig anvendes til frembringelse resp. opprettholdelse av vakuumet. Denne tetningsanordnings veg-ger 21, som vender mot rotoren, oppviser gjengeganger 22, som frembringer den ovennevnte virkning i forbindelse med rotorens rotasjon.

En ytterligere utføringsform av innretningen ifølge oppfinnelsen er vist på fig.

2 og 3. På fig. 2 betyr 101 det vakuumtette i hus for den tynnveggede rotor 102, som nedentil og oventil er lukket ved hjelp av

lokkene 103 og 104. Lokket 103 bærer på sin i ytterside en stålskive 105 overfor hvilken og på innersiden av huset 101 en endestator 106 er anordnet. På lokket 103 er dessuten festet en elastisk aksel 107, som løper på hårdmetallplaten 108, og som trer igjen-nom føringshylsen 109. Pøringshylsen er igjen forbundet med det kjegleformede dempningsledd 131, som ligger i et oljebad 111 i lagerstussen 110. Fjæren 112 sørger gjennom sin tilbakestillingskraft for bibe-holdelsen av rotorens ønskede leie i huset. Føringshylsen 109 overfører rotorens nuta-sjonssvingninger som fremkommer av ak-selens stivhet og rotorens treghetsmoment, til dempningsleddet 131, som for disse svingninger yter en maksimal energiberøv-ning. Det øvre rotorlokk 104 er forsynt med en kraveformet oppsats 113, hvori en hul jernsylinder 114 er lagt inn. Over denne jernsylinder befinner magneten 115 seg, som over dempningsledd 116 er forbundet med huset. Gjennom utsparingen av det øvre rotorlokk resp. oppsatsen 113 er syste-met av rørene 117, 118 og 119 ført inn med en luftspalte. Røret 118 tjener til gasstil-førsel og ender omtrent i rotorens midte ved 120, mens røret 119 munner ut under det øvre rotorlokket i tverrøret 121 med åp-ningen 122. Det indre rør 117, som likesom røret 119 tjener til uttaking av gass, er ført gjennom til rotorens bunn og her likeledes forgrenet i rørstussene 123. Også disse rør-stusser oppviser i nærheten av rotorman-telen gassinnløpsåpninger 124. I rotorens nedre del befinner den stivt anbragte skillevegg 125 seg med sentrale og perifere gjennomganger 126 og 127. Husmantelens indre side oppviser fortløpende fordypninger 128 av typen gjengeriller.

Driften av den på figuren viste sentrifuge resp. rotorens drift foregår gjennom innvirkningen av trefaseendestatoren 106, som befinner seg i vakuumrommet med stålskiven 105, som danner ankeret på det nedre rotorlokks ytterside. Statoren mates med flerfaset vekselstrøm av den frekvens som tilsvarer rotorens ønskede omdreiningstall, og det tilsvarende dreiefelt frembringes. Etter asynkron start trekkes ankeret automatisk inn i synkronisme og følgelig stilles rotorens omdreiningstall likt med matestrømmens frekvens. Det skulle ikke være nødvendig å nevne at en direkte og synkron drift av rotoren, som dertil foregår i vakuumrommet selv og følgelig ikke behøver noen overføringsorganer, har usedvanlige fordeler for sentrifugens funk-sjon.

For å sikre en rolig gang av rotoren i sn gassultrasentrifuge er det nødvendig å drive rotoren i et høyevakuert hus. Et slikt vakuum må vanligvis opprettholdes ved stadig utpumping under anvendelse av betydelige pumpeytelser, hvorved en slik fremgangsmåte bringer betraktelige om-kostninger med seg. Ifølge oppfinnelsen blir nå rotoren i forbindelse med det tilsvarende utformede hus og gassuttakningssyste-met utnyttet til rotorens avtetning på en måte som kan betegnes som «aktiv avtet-ting», da det nødvendige vakuum herved blir opprettholdt av seg selv. De i sammen-heng med tegningsbeskrivelsen nevnte gjengeriller 128 på husets indre vegg bevirker ved tilfredsstillende høy omkrets-hastighet av rotoren tilbaketransporterin-gen av gassen, som trenger inn ovenfra i rotorens evakuerte løperom. Gassen som transporteres mellom den ytre rotorvegg og husveggen trer gjennom luftspalten mellom jernsylinderen 114 og det ytre rør 119 inn i rotoren, slynges der ved hjelp av sentrifugalkraften mot dennes vegg og pum-pes med ut gjennom uttakningssystemet 121 og 123. Når rotoren er anlagt for en om-kretshastighet på mer enn 400 m/sekund kan fremspringene resp. rillene på husets indre vegg også utelates uten at den ønskede gasstransport derved skades ufordelak-tig.

Til forbedring av trykkforholdene kan man ifølge en annen utføringsform dessuten også anordne en transportlabyrint, som består av en eller flere avtettingsslu-ser med riller ved det øvre sentrifugelokk, slik som det eksempelvis er vist skjematisk på fig. 3. Her betyr 132 rotorens øvre lokk, som er utstyrt med den kraveformede oppbygning 133. I kraven er en ringrille 134 ut-spart, hvori en ring 135 rager inn som fortrinnsvis på begge sidre er utstyrt med gjengeriller, eller lignende fordypninger og forhøyninger. Ringen 135 er ved hjelp av forbindelsesorganet 136 befestiget i den i snitt tegnede husmantel 137. Denne sluse-lignende innretning kan etter ønske man-gedobles ved utbreding av den kraveformede oppsats 133 og anbringelse av et fler-tall riller.

Gassbevegelsen i rotorens indre frembringes ved hjelp av rørene 117 til 119. Dette rørsystem holdes ved sin nedre ende i sitt leie ved hjelp av en jernkjerne 129 og en tilsvarende permanentmagnet 130 (sam-menlign fig. 2) For gassomløpet inne i rotoren er det i motsetning til hittil kjente konstruksjoner ikke nødvendig med et temperaturfall, tvert imot frembringes den' nødvendige omløpsstrømning i sentrifugen ifølge oppfinnelsen mekanisk. Mens gassen ved den medsirkulerende skillevegg 125 ikke finner noen motstand i tangential retning,

kan den uhindret av sentrifugalkraftens innvirkning nå frem fra rotorens midte til skilleveggen 'Og bibeholde det høye trykk på

veggen. Ved den andre enden derimot lig-

ger tverrøret 121 med uttakingsåpningen 122 umiddelbart i gass-strømmen >og frem-

byr en betraktelig motstand for den rote-

rende gassmasse. På denne måte taper gassen, hemmet ved tverrarmen, omløps-

hastighet, hvorved sentrifugalkraften re-

duseres og gasstrykket på rotorens peri-

feri blir her mindre. Av denne trykkfor-

skjell ved rotorens ender fremkommer den for gassgjennomføringen nødvendige om-løpsstrømning, idet det skal fremheves som en spesiell fordel, at energibehovet for å frembringe omløpsstrømningen hvortil det bare anvendes mekaniske midler, er liten.

De lettere resp. ikke med tunge kom-

ponenter anrikede gassdeler, som ligger un-

der for en mindre sentrifugal virkning, be-

veger seg gjennom den sentrale åpning 126

i skilleveggen 125 og blir i rotorens nedre del fjernet gjennom åpningene 124 i tverr-

røret 123. De av den roterende gass danne-

de bevegelsestrykk ved uttakningsprosessen i tverrørets munninger bevirker transpor-

ten av den atskilte fraksjon gjennom ut-takningsledningene. Derved må strøm-ningsmotstandene i tverrørene være tilpas-

set slik at de under optimale forhold slip-

per gjennom de samme materialmengder. Utenfor dette optimum transporteres til-

svarende den rådende motstand mer eller mindre materiale, slik at det med hensyn til gassføringen dannes en viss selvstabili-

sering. Ved å koble etter hverandre et :an-

tall sentrifuger til en kaskade begrenses derved forplantningen av en feil i en enhet seg til bare få videre ledd av kaskaden,

hvorved det oppnås betydelige forbedrin-

ger for en sentrifugekaskades driftsikker-

het.

I innledningen ble det allerede nevnt

at den nye sentrifuge, som såvel mekanisk som også med hensyn til gasstilførsel opp-

viser selvstabiliserende egenskaper, kanj utføres lett, romsparende og konstruktivt<1>

enkel. Det har vist seg at ved en omkrets-

hastighet av rotoren på mer enn 300 m/

sekund ligger forbruket for driften med ca.

100 watt/m rørlengde ved en hittil ikke oppnådd minimalverdi.

Claims (9)

1. dinger f. eks. isotopblandinger i gassformet tilstand, med en rotor som roterer i vakuum, karakterisert ved at sentrifugerotoren (102) som roterer om en loddrett akse, på i og for seg kjent måte, bare er lagret i ett eneste punkt som befinner seg under dens nedre ende på en bærer (108), og holdes ved hjelp av et magnetisk felt i loddrett stilling, idet feltet dannes mellom et magnetlegeme (114) som er anbragt på rotorens øverste ende og et annet magnetlegeme (115) som er forbundet med .sentrifugehuset (101).
2. 2. Sentrifuge ifølge påstand 1, karakterisert ved at rotorens (102) nedre ende er festet til en elastisk akse (107) som hviler på en bærer (108).
3. 3. Sentrifuge ifølge påstand 1, k a r a kt er ise r t ved at rotorens bærer (108) er lagret bevegelig i huset, og er forbundet med dempningsmidler (131).
4. 4. Sentrifuge ifølge påstand 1, k a - r ak tie r is e r t ved at det annet magnetlegeme (115) er festet til dempende ele-menter (116) som er opplagret i sentrifugehuset.
5. 5. Sentrifuge ifølge påstandene 1—4, karakterisert ved at magnetlegemet er dannet av på hverandre og kon-sentrisk til rotorens dreieakse anordnede ringer (114, 115) og at faste rør (117, 118, 119) er ført gjennom disse ringer for til-førsel av gassblandingen som skal atskilles og uttak av de atskilte komponenter.
6. 6. Sentrifuge ifølge påstand 1, karakterisert ved at rotoren (102) på i og for seg kjent måte er utstyrt med en stålring eller en stålskive (105) som er anordnet i et elektrisk dreiefelt.
7. 7. Sentrifuge ifølge påstand 2, karakterisert ved at den elastiske akse (107) som bærer rotoren løper i en førings-boks som er forbundet med et i olje lagret dempningsledd (131).
8. 8. Sentrifuge ifølge påstand 1, karakterisert ved at det i det indre av rotoren er anordnet overfor rotoren faststående legemer (18) som frembringer en omløpsstrømning.
9. 9. Sentrifuge ifølge påstand 8, karakterisert ved at omløpsstrømnin-gen frembringes ved hjelp av opptaksrøre-ne (122, 123) for de gassblandingskompo-nenter som skal atskilles. Norsk patent nr. 23 869. Tysk patent nr. 217 312, 833 487. U. S. patent nr. 2 254 698, 2 311 382, 2 551 815, 2 658 805. Peaceful Uses of the Atomic Energy, 1958,

   Bd 4, s. 428, 435 og 439.

   Jener Report nr. 12, 1953 (Harald Klepp: Some Aspects of Isotope Enrichment by means of high speed Centrifuges).

   Proceedings of the International Sympo

   sium on Isotop Separation. (Amster-dam 1958.)