遠心

遠心分離機は、固定された軸の周りにオブジェクトを回転させる（円形に回転させる）装置の一部であり、非常に強いスピンの軸に垂直な（外向きの）力を加えます。遠心分離機は、沈降加速の原理を使用して動作します。この原理では、遠心加速により密度の高い物質や粒子が半径方向に外側に移動します。同時に、密度の低いオブジェクトは移動され、中心に移動します。サンプルチューブを使用する実験室用遠心分離機では、半径方向の加速により、より密度の高い粒子がチューブの底に沈殿し、低密度の物質が上部に上昇します。

さまざまな用途向けに設計された3種類の遠心分離機があります。工業規模の遠心分離機は、一般的に製造および廃棄物処理で懸濁固体を沈殿させるため、または不混和性液体を分離するために使用されます。例は、乳製品に見られるクリーム分離器です。非常に高い加速を提供できる超高速遠心分離機と超遠心分離機は、ナノスケールまでの微粒子と異なる質量の分子を分離できます。

大型の遠心分離機は、高重力または加速環境をシミュレートするために使用されます（たとえば、テストパイロット向けの高Gトレーニング）。中型の遠心分離機は、洗濯機や一部のスイミングプールで使用され、布地から水を絞り出します。

ガス遠心分離機は、核分裂性同位体の核燃料を濃縮するなどの同位体分離に使用されます。

歴史

イギリスの軍事技術者ベンジャミン・ロビンズ（1707–1751）は、抗力を決定するための旋回アーム装置を発明しました。 1864年、アントニンプラントルは、ミルクからクリームを分離するための乳製品の遠心分離機のアイデアを提案しました。その後、このアイデアは兄弟のアレクサンダープラントルによって実践されました。彼は弟のデザインを改善し、1875年に実用的な脂肪抽出機を展示しました。

タイプ

遠心機は、内容物に遠心力を加える高速回転容器を備えた機械と言えます。遠心分離機には複数のタイプがあり、用途やローターの設計によって分類できます。

ローター設計によるタイプ：

固定角遠心分離機は、サンプル容器を中心軸に対して一定の角度で保持するように設計されています。
スイングヘッド（またはスイングバケット）遠心分離機は、固定角遠心分離機とは対照的に、サンプル容器が中央ローターに取り付けられているヒンジがあります。これにより、遠心分離機が回転するときにすべてのサンプルが外側に揺れます。
連続管状遠心分離機には個別のサンプル容器がなく、大量のアプリケーションに使用されます。

用途別のタイプ：

実験室用遠心分離機は、異なるが重複する機能を備えたいくつかのタイプの汎用機器です。これらには、臨床用遠心分離機、超高速遠心分離機、分取用超遠心分離機が含まれます。
分析用超遠心機は、Theodor Svedbergが考案した原理を使用して、高分子の沈降分析を実行するように設計されています。
ヘマトクリット遠心分離機は、全血中の赤血球の体積割合を測定するために使用されます。
気相での同位体分離用のZippeタイプの遠心分離機を含むガス遠心分離機。

それ以外の場合、産業用遠心分離機は、高密度画分の低密度画分の分離のタイプに従って分類される場合があります。

一般に、2種類の遠心分離機があります：ろ過および沈降の遠心分離機。ろ過またはいわゆるスクリーン遠心分離機では、ドラムに穴を開け、フィルター、例えば、ろ布、金網、またはロットスクリーンを挿入します。サスペンションはフィルターとドラムを通り、穴の開いた壁で内側から外側に流れます。このようにして、固体材料は拘束され、除去することができます。除去の種類は、遠心分離機の種類、たとえば手動または定期的に異なります。一般的なタイプは次のとおりです。

スクリーン/スクロール型遠心分離機（スクリーン型遠心分離機、遠心加速により液体が何らかのスクリーンを通過できるようになり、固形物が通過できない）
プッシャー遠心分離機
ピーラー遠心分離機
反転フィルター遠心分離機
スライド式排出遠心分離機
振り子型遠心分離機

沈降遠心分離機では、ドラムは固い壁です（穴のあいていません）。このタイプの遠心分離機は、懸濁液の精製に使用されます。懸濁液の自然な堆積プロセスを加速するために、遠心分離機は遠心力を使用します。いわゆるオーバーフロー遠心分離機では、懸濁液が排出され、液体が絶えず加えられます。一般的なタイプは次のとおりです。

振り子型遠心分離機
セパレーター遠心分離機（連続液体）;一般的なタイプは次のとおりです。
- 固体ボウル遠心分離機
- コニカルプレート遠心分離機
管状遠心分離機
デカンター遠心分離機では、固液相が物理的に分離せず、むしろ遠心加速度による沈降が加速されます。

ほとんどの現代の遠心分離機は電動式ですが、かざぐるまに触発された手動式のバリアントは、発展途上国の医療用途向けに開発されています。

用途

ラボ分離

多種多様な実験室規模の遠心分離機が、化学物質、生物学、生化学、および臨床医学で使用され、懸濁液と不混和性液体を分離および分離します。それらは、速度、容量、温度制御、およびその他の特性が大きく異なります。多くの場合、実験室用遠心分離機は、さまざまな数の遠心管を搭載でき、特定の最大速度に対応できるさまざまな固定角およびスイングバケットローターを受け入れることができます。制御は、単純な電気タイマーから、加速および減速レート、走行速度、温度レジームを制御できるプログラム可能なモデルまでさまざまです。超遠心機は、真空下でローターを回転させ、空気抵抗を排除し、正確な温度制御を可能にします。ゾーナルローターと連続フローシステムは、実験室規模の装置で、それぞれバルクと大容量のサンプルを扱うことができます。研究室での別の用途は、血液分離です。血液は細胞とタンパク質（RBC、WBC、血小板など）および血清に分離します。 DNA調製は、薬理遺伝学と臨床診断のもう1つの一般的なアプリケーションです。 DNAサンプルを精製し、バッファーを追加して一定時間遠心分離することにより、DNAを分離する準備をします。その後、血液廃棄物が除去され、別のバッファーが追加され、再び遠心分離機内で回転します。血液廃棄物が除去され、別の緩衝液が追加されると、ペレットを懸濁して冷却できます。その後、タンパク質を除去し、全体を再度遠心分離して、DNAを完全に分離できます。

同位体分離

最初のジッペ型遠心分離機である他の遠心分離機、別の同位体、およびこれらの種類の遠心分離機は、原子力および核兵器プログラムで使用されています。

航空宇宙工学

人間の遠心分離機は、地球の重力で経験される以上の加速度に対するパイロットと宇宙飛行士の反応と耐性をテストする非常に大きな遠心分離機です。

人間の研究に使用された最初の遠心分離機は、チャールズダーウィンの祖父であるエラスムスダーウィンによって使用されました。航空訓練用に設計された最初の大規模な人間用遠心分離機は、1933年にドイツで作成されました。

テキサス州ブルックス市基地の米空軍は、オハイオ州ライトパターソン空軍基地で建設中の新しい人間の遠心分離機の完成を待つ間に、人間の遠心分離機を操作しています。ブルックス市基地の遠心分離機は、空軍の戦闘機での高g飛行のための有望な戦闘機パイロットの訓練と評価を目的として、米国空軍航空宇宙医学部によって運営されています。

重力感覚をシミュレートするための大型遠心分離機の使用は、将来の長期宇宙ミッションで提案されています。このシミュレートされた重力にさらされると、長時間の自由落下にさらされた個人に影響を与える骨の脱灰と筋萎縮が防止または軽減されます。

非ヒト遠心分離機

欧州宇宙機関（ESA）技術センターESTEC（オランダ、ノールドワイク）では、直径8メートルの遠心分離機を使用して、生命科学と物理科学の両方の分野のサンプルを露出させています。この大口径遠心分離機（LDC）は2007年から稼働しています。サンプルは、地球の重力の最大20倍にさらされる可能性があります。 4本のアームと6本の自由に振れるゴンドラにより、異なるgレベルのサンプルを同時に露出させることができます。ゴンドラは、8つの異なる位置に固定できます。それらの場所に応じて、例えば、同じ実行で5gと10gで実験を実行できます。各ゴンドラは最大80 kgの実験を行うことができます。この施設で行われた実験は、ゼブラフィッシュ、合金、プラズマ、細胞、液体、プラナリア、ショウジョウバエまたは植物に及びました

工業用遠心分離機

工業用遠心分離機は、研削加工用クーラントなどの液体から粒子を分離するためのクーラントろ過システムです。通常、シリコン、ガラス、セラミック、グラファイトなどの非鉄粒子の分離に使用されます。フィルター処理では、フィルターバッグなどの消耗部品を必要とせず、地球を害から守ります。

地盤工学的遠心分離モデリング

地盤工学的遠心分離モデリングは、土壌を含むモデルの物理テストに使用されます。遠心加速度をスケールモデルに適用して重力加速度をスケールし、スケールモデルでプロトタイプスケールストレスを取得できるようにします。爆風負荷や地震揺れなどの影響を含む、建物や橋の基礎、アースダム、トンネル、斜面の安定性などの問題。

材料の合成

遠心分離機によって生成される高重力条件は、化学産業、鋳造、および材料合成に適用されます。対流と物質移動は、重力条件の影響を大きく受けます。研究者は、高重力レベルが製品の相組成と形態に効果的に影響する可能性があると報告しました。

商用アプリケーション

（手洗い）衣類を乾燥させるためのスタンドアロンの遠心分離機–通常は水出口付き。
洗濯機は、洗濯物の余分な水を取り除くための遠心分離機として機能するように設計されています。
遠心分離機は、ウォルトディズニーワールドのエプコットにあるアトラクションMission：SPACEで使用され、遠心分離機とモーションシミュレーターの組み合わせを使用してライダーが宇宙に入る感覚をシミュレートします。
土壌力学では、遠心分離機は遠心加速度を利用して、スケールモデルの土壌応力を現実のものと一致させます。
大型の産業用遠心分離機は、汚泥を乾燥させるための水および廃水処理で一般的に使用されています。結果として生じる乾燥製品はしばしばケーキと呼ばれ、ほとんどの固形物が除去された後に遠心分離機を出る水はセントレートと呼ばれます。
大型の産業用遠心分離機は、石油産業でも掘削液から固形物を除去するために使用されます。
オイルサンド業界の一部の企業が少量の水と固形物をビチューメンから分離するために使用するディスクスタック型遠心分離機
遠心分離機は、ミルクからクリームを分離（脂肪を除去）するために使用されます。セパレーター（ミルク）を参照してください。

数学的な説明

通常、遠心分離のプロトコルでは、毎分回転数などの回転速度を指定するのではなく、サンプルに適用する加速度の量を指定します。同じ回転速度で動作する直径の異なる2つのローターでは、サンプルの加速度が異なるため、この区別は重要です。円運動中の加速度は、半径と角速度ω{\ displaystyle \ omega}の二乗の積であり、「 g 」に対する加速度は伝統的に「相対遠心力」（RCF）と呼ばれます。加速度は、「 g 」（または×「 g 」）の倍数で測定されます。これは、地球表面の重力による標準加速度であり、次の式で与えられる無次元量です。

RCF =rω2g{\ displaystyle {\ text {RCF}} = {\ frac {r \ omega ^ {2}} {g}}}

どこ

g {\ displaystyle \ textstyle g}は地球の重力加速度、r {\ displaystyle \ textstyle r}は回転半径、ω{\ displaystyle \ omega}は単位時間あたりのラジアン単位の角速度です。

この関係は

RCF = 10-3rmm（2πNRPM60）2g {\ displaystyle {\ text {RCF}} = {\ frac {10 ^ {-3} r _ {\ text {mm}} \、\ left（{\ frac {2 \ pi N _ {\ text {RPM}}} {60}} \ right）^ {2}} {g}}}

または

RCF = 1.118（2）×10−6rmmNRPM2 {\ displaystyle {\ text {RCF}} = 1.118（2）\、\ times 10 ^ {-6} \、r _ {\ text {mm}} \、N _ {\テキスト{RPM}} ^ {2}}

どこ

rmm {\ displaystyle \ textstyle r _ {\ text {mm}}}はミリメートル（mm）で測定される回転半径であり、NRPM {\ displaystyle \ textstyle N _ {\ text {RPM}}}は1分あたりの回転で測定される回転速度です。（RPM）。

毎回数学的計算を実行する必要を避けるために、与えられた半径のローターのRCFをrpmに変換するためのノモグラムを見つけることができます。 1つのスケールの半径と、別のスケールの目的のRCFに並んだ定規または他の直線のエッジは、3番目のスケールの正しいrpmを指します。自動ローター認識に基づいて、最新の遠心分離機には、RCFからrpmへ、またはその逆への自動変換用のボタンがあります。