离心机

离心机（centrifuge）离心力作为驱动力来实现悬浮、分离或浓缩乳液和其他材料的机器。它具有结构紧凑、体积小、分离效率高、它具有生产能力大附属设备少的优点，在资源开发中得到广泛应用、石油化工生产工艺及三废处理等。

1836年，第一台工业三足离心机在德国问世20世纪二三十年代，瑞典和美国先后发明了超高速离心机和土工离心机，随后在20世纪五七十年代，世界各国相继发明了盘式活塞除渣机、载人离心机和变频电机驱动的离心机已经进入21世纪，德国、俄罗斯和其他国家在载人离心机领域取得了一些进展。中国也在20世纪50年代末开始研制离心机从20世纪60年代到90年代，中国的各种科研机构相继开发了不同的模型、不同种类的离心机，如载人离心机、土工离心机等。进入21世纪，中国正在研制变频离心机、复合离心机、大型土工离心机等领域也达到世界先进水平。

离心机的基本结构通常包括驱动系统、离心室、转头等。离心机利用离心力来分离材料离心机种类繁多，按分离方式可分为过滤式离心机、分离离心机和沉降离心机。根据分离因子，可分为恒速离心机、高速离心机、超高速离心机。根据运行方式的不同，可分为间歇式离心机、连续式离心机。在离心机行业，中国 美国本土品牌非常有限，而国际约克、开利、特灵、麦斯威尔等品牌仍然占据着绝对的市场份额。但是中国北京、山东、湖南等地生产的离心机品牌在国际离心机中的市场份额逐渐扩大。随着科技的进步，离心机正在向高速化发展、大型化、自动化等方向发展迅速。

国际发展

1836年，第一台工业三足离心机在德国问世，同年，出现了棉花脱水机。

1878年，瑞典的古斯塔夫·德·拉瓦尔（Gutav Delaval）本发明的离心奶油分离器。它可以更快更有效地转移乳脂（奶油）从牛奶中分离出来，从而彻底改变了乳制品和黄油工业。

1924年，瑞典化学家斯韦德伯格（veber）发明了超高速离心机，转速可达每分钟8万转以上，极大地促进了蛋白质化学的研究。1926年，魏德伯格还因发明超高速离心机和发现血红蛋白而获得诺贝尔化学奖。

1931年，哥伦比亚大学发明了第一台具有科学实验意义的土工离心机。此后，科学实验用离心机在美国存在了漫长的一个世纪、德国、日本等国家问世。

20世纪50年代，自动排渣圆盘式活塞除渣机研制成功，60年代发展成为完善的系列产品。

从20世纪60年代到70年代，无线电探空仪工程开始活跃起来，其目标是飞机零件和整个卫星的航空、空间物体离心机正在悄然兴起。首先是在美国无处不在的空军、海军学校等部门设置了各种装置进行稳态加速模拟实验。

20世纪70年代末，美国贝克曼公司率先将变频电机引入自己的系列离心机、微机控制、数字显示、触摸开关等一系列当时世界上最先进的技术。

1984年，国际上成立了离心技术委员会，1984年，、1988年、1991年、1994年召开了一次大型国际会议。

1984年，俄罗斯建造了TF-18载人离心机，转臂长度18m，最大加速度30g，加速度变化率5g/配备有三个驾驶舱的美国航天飞机可以用来训练宇航员、医学研究、控制降落等。俄罗斯建造的宇航员水下训练中心是世界上最先进的载人离心机之一。

日本土木工程研究所，1997年（PWRI）建造了一个长三角帆、大加速度、而且带振动台的离心机代表了当时日本离心机的前沿水平。

自2005年以来，奥地利金属系统技术有限公司（简称AMT）先后为德国、俄罗斯、印度、新加坡、波兰等国已成功研制出7台HTC系列载人离心机。

中国发展

1958年，北京卫星环境工程研究所前身为中国科学院581团、上海机电设计院、原长江水利水电研究院自主启动太空离心机、载人离心机和土工离心机的发展。

1962年和1967年，中科院581组（北京卫星环境工程研究所的前身）分别开发了第一代中型、大型物体离心机获得了我国大型物体离心机研制的第一名，随后又陆续研制出第二代、第三代出口对象离心机。

1965年，原上海机电产品设计院研制出中国第一台载人离心机。同时，中国工程物理研究院总体工程研究所成功研制了核武器环境试验系统“亚洲一号离心机”

1968年，中科院581组为中国航天员科研训练中心的前身研制了超大型人、物两用离心机。

1983年，长江科学院建成了当时国内最大的土工离心机，为我国离心机的发展和创新奠定了重要基础。

1986年，中国科学院581团为北京水电研究总院岩土工程研究所研制了大型土工离心机。

1991年，北京卫星环境工程研究所成功研制了一颗450克的卫星-T 美国土工离心机的一些性能已达到世界先进水平。

1992年，中国直升机研究所研制成功NHRI-400g-t土工离心机

1997年，复合常规离心机的核心技术被中科院攻克，并研制成功用于加速模拟试验、离心力-气动力和离心力-气动力-温度和其他综合测试“二号离心机”

自2000年以来，中国工程物理研究院承担了我国大型常规试验离心机的研制工作，并先后承担了TLJ-200，TLJ-150，ZJU-400，TLJ-500等一系列不同规格土工离心机的研制代表了我国在该领域的先进水平。

2002年，香港科技大学建造了400g-双向振动台试验大型土工离心机、四维机械手、网络数据采集和处理功能。

2006年，同济大学建造了国内第一台大型复合离心机，项目建成后被称为“中国离心机发展的里程碑”确立了其在中国离心机开发领域的先进地位。

2006年，美的集团研发出中国第一台变频离心机组。

2011年12月，格力中央空调经过几代人的潜心科研，自主研发出双级高效永磁同步变频离心式冷水机组，这是当时世界上最先进的DC变频离心式冷水机组。

2012年，中国工程物理研究院研制成功新一代战斗机救生设备产品测试系统“动态负荷模拟系统”其性能已达到高性能载人离心机的指标要求。

2013年9月，中国工程物理研究院总体工程研究所向成都理工大学交付了TLJ-500型土工离心机是当时国内容量最大功能最全的大型土工离心试验设备，其离心机振动系统是当时世界上最先进的离心机机载振动台之一该离心机的研制成功，不仅填补了我国大型土工试验离心机的空白，也标志着我国大型离心机研制技术迈上了一个新台阶。

离心机有多种类型，但离心机的结构通常包括驱动系统、离心室、转头、冷冻系统、真空系统、操作系统。

驱动系统

驱动系统是离心机的心脏，是为离心机提供动力的重要组成部分。驱动系统主要由电机和转轴组成。马达提供离心旋转速度，该速度通过皮带传递到旋转轴。旋转轴是支撑转子铁芯并输出扭矩的部件轴的延伸端铣有键槽，用于固定传送带轮或联轴器。我国离心机最常用的驱动方式是双电机结构，即一台电机（通常是变频电机）滚筒由传动带直接带动旋转，另一台电机由减速器带动（差速器）驱动螺旋。对于卧螺离心机的双电机驱动，一种方法是用普通变频器驱动辅助电机，再生能量以热能的形式消耗在制动电阻上；另一种方法是使用带有能量反馈单元的专用变频器驱动，该变频器可以将再生的电能送回交流电网。

除了上面提到的驱动模式外，还有液压驱动模式。液压系统由马达组成、液压变量泵、液压马达、油箱、冷油器、滤油器和相应的管道等。它的工作原理是电机驱动液压泵，液压泵的入口与油箱相连，液压泵的出口与液压马达的入口相连，为液压马达提供能量液压马达装有大皮带轮，通过皮带传动将动力传递给小皮带轮，小皮带轮驱动离心机转鼓旋转。

离心室

离心室（转头室）它是一个用于放置离心机转子的圆柱形空腔，可以放置多个转子。离心舱的内壁由不锈钢板制成，并且在离心舱的内壁和外壁之间设置有隔热材料的绝缘层，以控制离心舱的温度并确保其处于真空状态、低温下高速旋转，这种结构可以防止头部爆炸伤害人体。

转头

旋转头是放置离心管并进行离心的地方。车削头分为角度车削头（Fixed angle rotor）甩平转头（wing-another）垂直转头（Vertical rotor）等。不同转子的转速和所用离心管的容量不同。

冷冻系统

制冷系统通常由压缩机组成、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等部件，制冷系统的作用是降低离心室的温度。离心机冷却系统分为空气冷却和水冷却空冷系统投资较大，大多采用水冷塔。离心冷却塔在冷却高温空气方面有两个缺点：第一，投入成本高，回收效率低，使用寿命短，回收期长；第二，它占地面积大，其安装受到一定空间的限制。

配备这种装置的冷冻离心机大多用于医疗领域，包括低速冷冻离心机和高速冷冻离心机。高速冷冻离心机的转速可达10000转/Min或更高，除了冷冻离心机的性能和结构外，所用的角转子大多由钛合金或铝合金制成。离心管是带盖的聚乙烯硬塑料制品。这些离心机大多用于收集微生物、细胞碎片、硫酸沉淀和免疫沉淀等。带制冷系统的落地式低速离心机，即低速大容量冷冻离心机，可用于采集需要低温条件的样品，如采血。

真空系统

由于离心过程中高速旋转，气流会影响转子的稳定性，因此需要用真空泵对离心机进行抽真空。离心式真空泵由离心式压缩机发展而来，其单级压比通常小于5，并可多级串联以获得较宽的真空范围由于其泵送原理，其泵送能力只能在大流量条件下使用。当叶轮高速旋转时，气体随之旋转在离心力的作用下，气体被抛入后面的扩散器中，在叶轮处形成真空区此时，来自外部的新鲜空气进入叶轮。叶轮不断旋转，气体不断被吸入和甩出，从而保持气体的连续流动。当气体流经离心真空泵的叶轮时，高速的叶轮使气体在离心力的作用下，一方面压力增大，另一方面速度大大提高，即离心真空泵首先通过叶轮将原动机的机械能转化为气体的动能和静压能。之后，当气体流过扩压器时，通道的横截面逐渐增大，前面的气体分子速度减小，后面的气体分子继续向前流动，从而使气体的大部分动能转化为静压能，进一步起到增压的作用。

操作系统

现代离心机配备了操作系统，该系统是控制机器操作的部分，包括电源开关（power）速度控制器（peed）时间控制器（timer）温度控制器（temperature）真空控制器（vaccum）刹车控制器（braker）以此类推，控制离心机的温度、启动、加减速、定时、停止等操作。

离心机是基于物质的沉降系数、质量、密度和其他差异，通过旋转产生离心力来分离液相非均质混合物、浓缩和提纯。因此，离心机的基本工作原理是采用机械方法改变密度、将不同形状和大小的混合物置于一定的力场中，混合物的不同相在力场中受到不同的力，以获得较大的相重差，使其分离离心效果主要受以下因素影响：

固液相对密度差；颗粒的大小和形状；沉降介质的粘度。

离心机的加速度可以用下面的公式表示：

RCF=1.119×10-5n2rRCF指的是相对离心力（或“g值”通常是在重力加速度下（g=9.80m/2）的倍数表示。n代表转子的转速（单位为r/min），r代表旋转半径（单位为cm）

分离方式

根据分离方法的分类，离心机可分为过滤式离心机、分离离心机和沉降离心机。

过滤式离心机：过滤离心机通常用于分离高固体含量和大颗粒的悬浮液。过滤离心机的转鼓由挡板组成、鼓壁和鼓底组成。转鼓壁上有孔，滤布贴在转鼓内壁上，通过离心力实现过滤和分离操作。其转速一般为1000 ~ 1500转分。

离心机

当转鼓旋转时，在离心力的作用下，液体中所含的固体颗粒被截留在过滤介质的表面，形成滤渣层，而液体则渗透到滤渣层中、过滤介质和桶壁上的小孔被甩出，从而实现固体颗粒与液体的分离。这种离心机包括顶置离心机、卧式刮刀卸料离心机、三足式离心机、活塞推料离心机等。

分离式离心机：

分离离心机的转鼓壁上没有孔，有两种类型分离型和澄清型，分别适用于乳化液和悬浮液的分离。当乳化液和悬浮液在转鼓的带动下高速旋转时，在离心力的作用下，液体根据不同的密度分为两层，密度较高的在外层，密度较低的在内层，然后它们被分别引出，固相在转鼓壁上下沉并间歇排出。这种离心机包括管式离心机、碟式离心机。

沉降式离心机：沉降离心机的筒壁没有孔，沉降分离是靠离心力实现的，多用于不易过滤的悬浮液。沉降离心是基于不同悬浮密度的组分在离心力场中快速沉降分层，从而实现液固分离的原理。

当转鼓旋转时，在离心力的作用下，固体颗粒由于密度大于液体而沉降到转鼓壁上，形成沉淀物，而留在内层的澄清液体则通过转鼓上的溢流口排出。这种离心机包括管式分离器、碟式离心机、螺旋卸料离心机等。

分离因数

根据分离系数，离心机可分为恒速离心机、高速离心机和超高速离心机。

常速离心机：也被称为低速离心机lt3000转，转速低于8000转分，相对离心力(RCF)104g以下，主要用于分离细胞、细胞碎片和培养基残留物等固体物质、粗晶体和其他大颗粒。

高速离心机：高速离心机的Kc在300050000之间，相对离心力在1×1041×105g之间，主要用于分离各种沉积物、细胞碎片和较大的细胞器等。为了防止高速离心过程中因温度升高而使酶等生物分子变性和失活，一些高速离心机配备了冷冻装置，称为高速冷冻离心机。

超高速离心机：超高速离心机的KC大于KC50000，精度很高为了防止样品液体从超高速离心机中喷溅出来，通常会附加一个离心管帽；为了防止温度上升，所有这些离心机都有冷冻装置和温度控制系统；为了减少空气阻力和摩擦，提供了真空系统。

运行控制

根据运行方式的不同，离心机可分为间歇式离心机和连续式离心机。

间歇式离心机：加料、分离、洗涤和卸渣过程是通过人工或机械方法进行的间歇操作，有三种类型的离心机高架离心机和三脚架离心机。其中，三足离心机是世界上最早的离心机，其主要部件是底盘、安装在底盘上的外壳主轴和转鼓通过三个摆杆悬挂在三个支柱的球形座上，离心机转鼓支撑在装有缓冲弹簧的杆上，以减少进料或其他原因造成的冲击。三足离心机有两种类型过滤型和沉降型。上部悬浮离心机避免了三足离心机的下部传动、对于上部卸载引起的问题，采用上部传动、下出料结构可用于过滤和沉淀分离。

连续式离心机：加料、分离、洗涤和卸渣过程是间歇的或连续的。典型的连续离心机是螺旋卸料沉降离心机、活塞推料离心机和盘式离心机等，可用于固体—液悬浮液和液—液乳浊液的分离。其中，螺旋卸料离心机的最大分离因子可达6000，工作温度可达300℃，工作压力一般为常压，适用于处理粒径为2 ~ 5 μ m的颗粒、固体含量1%～50%的悬浮液。

离心技术

离心技术是将含有微小颗粒的悬浮液放入离心机中，利用离心转子高速旋转产生的强大离心力，根据密度差或质量差来分离悬浮的颗粒它是生命科学研究中的常规技术，经常用于分析蛋白质和其他生物大分子、细胞器、细胞。常用离心方法有：

差速离心：利用相同离心条件下不同颗粒沉降速度的差异，分级提高离心速度，使悬浮液内径增大、不同密度颗粒的分级沉降常用于分离细胞器。

区带离心：离心前，在离心管中注入密度梯度介质，密度最低在顶部，密度最高在底部，梯度介质的最高密度低于样品颗粒的最低密度。将悬浮液铺展在梯度介质的顶部。离心一定时间后，悬浮液的内径、不同密度的粒子在梯度介质中被分离成梯形条带。

等密度离心：原理与区带离心相同，但梯度介质底部的最高密度高于样品颗粒，梯度介质顶部的最低密度低于样品颗粒。将悬浮液铺展在梯度介质的顶部。经过长时间的离心分离，样品颗粒形成一个浮力密度相等的阶梯状条带，即根据不同的颗粒密度进行分离。

离心沉降技术

它是利用流体和固体在惯性离心力场下的密度差，将固体颗粒从流体中分离出来的技术。离心沉降技术的原理和重力沉降完全一样，只是场力不同。利用颗粒圆周运动时的离心力，可以大大提高沉降速度并加速沉降过程。

早在19世纪，离心机就被用于工业生产起初，离心机主要用于牛奶分离、随着时代的发展，离心机在化学工业中得到了广泛的应用、医学、食品加工和水处理等许多领域。

石油化工领域

离心机在石油化工行业也发挥着重要作用。石油工业生产中产生的废水和废油往往含有一定量的原油，传统的过滤设备往往不能过滤不能因滤布或过滤带堵塞而运行，而离心机由于其特殊的结构，可以很容易地用少量的其他设备实现连续运行、稳定运行。脱水脱油渣相加热可回收原油，实现无害化处理。在分离原油和天然气混合物的过程中，离心压缩机轴带动叶片，叶片带动天然气在惯性作用下做离心运动当天然气通过叶轮和扩压器的狭窄区域时，天然气的流向发生180度的改变，使天然气的一部分动能转化为天然气的压力势能，经过多级转化后从出料口排出离心机。

医学和生命科学

离心机可用于细胞、原生质体等活细胞的分离也可用于培养细胞器、核酸和蛋白质的分离和提取。根据分离物质的不同，配置不同类型的离心机。低速离心机通常用于分离细胞、原生质体和其他活细胞；高速冷冻离心机可用于分离核酸、蛋白质；大规模生产二次产品需要大型离心分离系统。

食品与饮料行业

过滤离心机主要适用于固体浓度较高的溶液、固体颗粒的粒径大（通常大于50 μ m）悬浮液的分离和脱水。过滤离心机广泛应用于食品工业，典型的应用实例是蔗糖晶体的分离和精制、脱水蔬菜的预脱水、淀粉脱水、血块去血水、水果蔬菜榨汁、冷冻和浓缩过程中植物蛋白的回收和冰晶的分离。

环保领域

离心机也广泛应用于环保领域。离心机种类繁多，其中中低速旋转离心机在污泥脱水中应用最为广泛。污泥通过空心轴不断进入转鼓，转鼓带动污泥高速旋转，在离心机的作用下向转鼓壁运动，实现污泥与水的分离。螺旋输泥机与滚筒同向旋转，但速度不同，使输泥机的螺旋刮板相对滚筒旋转，将泥饼从左端推向右端，最后从出泥口排出，而澄清水则从另一端的排水口流出。