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Diese
Erfindung betrifft eine Zentrifuge, die einen Rotor, an dem eine
zu analysierende Probe (oder Proben) angeordnet ist, und eine Antriebseinrichtung
zum Drehen des Rotors aufweist, um die Probe entsprechend einer
Zentrifugalkraft zu scheiden, gemaß Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Eine übliche Zentrifuge
oder eine übliche Zentrifugaltrenneinrichtung
weist einen Rotor auf, an dem eine zu analysierende Probe (oder
Proben) angeordnet ist. Eine motorgetriebene Antriebseinrichtung
dreht den Rotor bei einer hohen Drehzahl. Der Rotor ist über eine
sich vertikal erstreckende Rotationswelle mit der Antriebseinrichtung
verbunden.
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Die
Rotationswelle ist so gestaltet, dass sie flexibel und dünn ist,
um eine Lagerbelastung zu reduzieren, die durch eine Unwucht des
Rotors oder durch eine Unwucht der angeordneten Probe während einer
Drehung bei einer hohen Drehzahl hervorgerufen wird. Daher ist der
Elastizitätsmodul
der Rotationswelle relativ klein.
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Die
Antriebseinrichtung ist über
viskoelastische Elemente mit einem Zentrifugenstützrahmen verbunden. Die viskoelastischen
Elemente haben sowohl eine Federfunktion als auch eine Dämpfungsfunktion.
Zum Beispiel weisen die viskoelastischen Elemente geeignete Kombinationen
aus Gummischwingungsisolatoren, Schraubenfedern und Dämpfern auf.
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Im
Allgemeinen schwingt ein Abschnitt des Rumpfes der Zentrifuge mit,
wenn der Rotor bei einer von spezifischen Drehzahlen (Resonanzdrehzahlen) gedreht
wird. Die Dämpfungsfunktion
der viskoelastischen Elemente ist wirksam beim Reduzieren der Amplitude
einer Resonanzschwingung des Zentrifugenrumpfabschnitts, die durch
eine Unwucht des Rotors oder durch eine Unwucht der angeordneten
Probe erhöht
wäre.
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In
dem Fall, bei dem die viskoelastischen Elemente einen relativ großen Elastizitätsmodul
haben, werden sie kaum verformt, und daher kann ihre Dämpfungsfunktion
während
einer Drehung des Rotors bei einer Resonanzdrehzahl unwirksam sein. Andererseits
wird die Rotationswelle schnell unrund gedreht oder durch die Wirkung
der Zentrifugalkraft beträchtlich
gebogen, falls ihr Elastizitätsmodul
relativ klein ist. Solch eine Biegung kann eine plastische Verformung
der Rotationswelle oder einen ungewollten Kontakt zwischen der Außenfläche des
Rotors und der Innenfläche
des Rotorgehäuses
verursachen. Im Allgemeinen sind die viskoelastischen Elemente dementsprechend
gestaltet, so dass sie einen relativ kleinen Elastizitätsmodul
haben. In diesem Fall können
die viskoelastischen Elemente übermäßig gedehnt
und beschädigt
werden, wenn das Gewicht des Rotors hoch ist.
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Die
US 1,848,641 offenbart eine
gattungsgemäße Zentrifuge,
die Aufhängungsstangen
zum Anordnen eines Motors in einer axialen Richtung und eine Federanordnung
zum Verhindern einer unangemessen hohen seitlichen Ausgleichsbewegung
aufgrund einer Unwucht hat.
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Die
DE 197 49 357 A1 offenbart
eine Zentrifuge mit Dämpfern,
die einen Motor stützen
und aus einem Gummirohr und einer Feder bestehen. Die Dämpfer liegen
an ihrer einem Rotor abgewandten Seite an einem Stützrahmen
auf.
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Die
JP 63236555 A zeigt
eine Zentrifuge, bei der ein Stützrahmen
vorgesehen ist, auf dem eine Antriebseinrichtung abgestützt ist,
die an ihrer dem Stützrahmen
abgewandten Seite mit einem Rotor verbunden ist.
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Die
US 4,079,882 zeigt eine
Zentrifuge mit einem Rotor, einer Antriebseinrichtung zum Drehen des
Rotors, einem Stützrahmen,
der zwischen dem Rotor und der Antriebseinrichtung vorgesehen ist, sowie
ein viskoelastisches Element, das zwischen dem Stützrahmen
und der Antriebseinrichtung vorgesehen ist.
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Es
ist die Aufgabe dieser Erfindung, eine verbesserte Zentrifuge vorzusehen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Zentrifuge gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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1 zeigt
eine Längsschnittansicht
einer Zentrifuge gemäß dem Stand
der Technik.
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2 zeigt
eine Längsschnittansicht
einer Zentrifuge gemäß einem
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung.
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3 zeigt
eine Seitenansicht einer Einstellvorrichtung gemäß 2.
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4 zeigt
eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Amplitude,
einer Drehzahl und einer Gummihärte
von viskoelastischen Elementen.
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Eine
Zentrifuge gemäß dem Stand
der Technik wird zum besseren Verständnis dieser Erfindung nachfolgend
beschrieben.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 weist eine Zentrifuge gemäß dem Stand
der Technik einen Rotor 9 auf, der in einer durch ein Rotorgehäuse definierten
Rotorkammer 10 angeordnet ist. Eine zu analysierende Probe
oder Proben ist/sind in den Rotor 9 hinein gesetzt worden.
Die Zentrifuge gemäß dem Stand
der Technik weist auch eine motorgetriebene Antriebseinrichtung 13 mit
einer sich vertikal erstreckenden Rotationswelle 14 auf.
Der Rotor 9 ist an einem oberen Endabschnitt der Rotationswelle 14 angebracht.
Die Antriebseinrichtung 13 dreht den Rotor 9 bei
einer hohen Drehzahl. Die Zentrifuge gemäß dem Stand der Technik weist
des weiteren einen Stützrahmen 11 auf,
an dem das Rotorgehäuse
angebracht ist. Ein Rumpf der Antriebseinrichtung 13 ist über viskoelastische
Elemente 12 mit dem Stützrahmen 11 verbunden.
Die viskoelastischen Elemente 12 haben sowohl die Federfunktion
als auch die Dämpfungsfunktion.
Zum Beispiel weisen die viskoelastischen Elemente 12 geeignete
Kombinationen aus Gummischwingungsisolatoren, Schraubenfedern und
Dämpfern
auf.
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Bei
der Zentrifuge gemäß dem Stand
der Technik der 1 ist die Rotationswelle so
gestaltet, dass sie flexibel und dünn ist, um eine Lagerbelastung
zu reduzieren, die durch eine Unwucht des Rotors 9 oder
durch eine Unwucht der angeordneten Probe während einer Drehung des Rotors 9 bei
einer hohen Drehzahl hervorgerufen wird. Daher ist der Elastizitätsmodul
der Rotationswelle 14 relativ klein.
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Ein
Abschnitt des Rumpfes der Zentrifuge gemäß dem Stand der Technik schwingt
mit, wenn der Rotor 9 bei einer der spezifischen Drehzahlen (Resonanzdrehzahlen)
gedreht wird. Die Dämpfungsfunktion
der viskoelastischen Elemente 12 wirkt beim Reduzieren
der Amplitude einer Resonanzschwingung des Zentrifugenrumpfabschnitts,
die durch eine Unwucht des Rotors 9 oder durch eine Unwucht
der angeordneten Probe erhöht
wäre.
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In
dem Fall, bei dem die viskoelastischen Elemente 12 einen
relativ großen
Elastizitätsmodul haben,
werden sie kaum verformt, und daher kann ihre Dämpfungsfunktion während einer
Drehung des Rotors 9 bei einer Resonanzdrehzahl unwirksam sein.
Andererseits wird die Rotationswelle 14 schnell unrund
gedreht oder durch die Wirkung der Zentrifugalkraft beträchtlich
gebogen, falls ihr Elastizitätsmodul
relativ klein ist. Solch eine Biegung kann eine plastische Verformung
der Rotationswelle 14 oder einen ungewollten Kontakt zwischen
dem Rotor 9 und der Innenfläche des Rotorgehäuses verursachen.
Im allgemeinen sind die viskoelastischen Elemente 12 dementsprechend
gestaltet, so dass sie einen relativ kleinen Elastizitätsmodul
haben. In diesem Fall können
die viskoelastischen Elemente 12 übermäßig gedehnt und beschädigt werden,
wenn das Gewicht des Rotors 9 hoch ist.
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Die 2 zeigt
eine Zentrifuge gemäß einem
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung. Die Zentrifuge gemäß der 2 weist
einen Rotor 1 auf, der in einer durch ein Rotorgehäuse 2A definierten
Rotorkammer 2 angeordnet ist. Eine zu analysierende Probe
oder Proben sind in den Rotor 1 hinein gesetzt. Die Zentrifuge
gemäß der 2 weist
auch eine motorgetriebene Antriebseinrichtung 5 und eine
sich vertikal erstreckende Rotationswelle 6 auf. Der Rotor 1 ist
koaxial oder konzentrisch an einem oberen Endabschnitt der Rotationswelle 6 angebracht.
Ein unterer Abschnitt der Rotationswelle 6 erstreckt sich konzentrisch
oder koaxial in die Antriebseinrichtung 5 hinein. Die Rotationswelle 6 ist
durch Lager an der Antriebseinrichtung 5 drehbar gestützt. Die
Antriebseinrichtung 5 dreht die Rotationswelle 6 und
den Rotor 1. Die Rotationswelle 6 ist so gestaltet,
dass sie flexibel ist. Somit wird die Rotationswelle 6 auch
als die flexible Welle 6 bezeichnet.
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Die
Zentrifuge gemäß der 2 weist
des weiteren einen Stützrahmen 3 auf,
an dem das Rotorgehäuse 2A angebracht
ist. Das Rotorgehäuse 2A erstreckt
sich oberhalb des Stützrahmens 3.
Der Stützrahmen 3 ist
zwischen dem Rotorgehäuse 2A und
der Antriebseinrichtung 5 angeordnet.
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Der
Stützrahmen 3 erstreckt
sich oberhalb und in der Nähe
eines äußeren Umfangsabschnitts der
Antriebseinrichtung 5. Der Stützrahmen 3 hat eine
mittlere Öffnung,
durch die sich die Rotationswelle 6 hindurch erstreckt.
Die Antriebseinrichtung 5 ist durch viskoelastische Elemente 4 und
Aufhängungen 7 an
dem Stützrahmen 3 aufgehängt. Die
viskoelastischen Elemente 4 sind zwischen der unteren Fläche des
Stützrahmens 3 und
der oberen Fläche eines
Rumpfes der Antriebseinrichtung 5 vorgesehen. Die Aufhängungen 7 sind
zwischen äußeren Abschnitten
des Stützrahmens 3 und äußeren Abschnitten
eines unteren Endabschnitts des Rumpfes der Antriebseinrichtung 5 vorgesehen.
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Die
viskoelastischen Elemente 4 sind aus einem geeigneten Material
wie z.B. schwingungsisolierendem Gummi geschaffen, das sowohl eine
Elastizität
als auch eine Viskosität
hat. Die Aufhängungen 7 weisen
Drahtseile oder Klaviersaiten auf. Die viskoelastischen Elemente 4 und
die Aufhängungen 7 sind parallel
zueinander bezüglich
der Antriebseinrichtung 5. Die Aufhängungen 7 erstrecken
sich von den viskoelastischen Elementen 4 radial nach außen. Der untere
Endabschnitt des Rumpfes der Antriebseinrichtung 5 hat
einen nach außen
vorstehenden unteren Flansch (einen horizontal vorstehenden unteren Flansch) 5A.
Die Aufhängungen 7 verbinden
die äußeren Abschnitte
des Stützrahmens 3 und
die äußeren Ränder des
unteren Flansches 5A der Antriebseinrichtung 5.
Die Aufhängungen 7 bewirken,
dass die Antriebseinrichtung 5 einen vorgegebenen Freiheitsgrad
hat, um sich entlang einer horizontalen Richtung (oder einer radialen
Richtung) zu bewegen. Die Aufhängungen 7 bringen
eine Kraft auf die Antriebseinrichtung 5 auf, die die Antriebseinrichtung 5 in
einer vertikalen Richtung einseitig einspannt. Somit fixieren die
Aufhängungen 7 die
Antriebseinrichtung 5 in der vertikalen Richtung oder einer
axialen Richtung.
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Obere
Endabschnitte der Aufhängungen 7 sind
mit Einstellvorrichtungen 8 versehen, die mit dem Stützrahmen 3 verbunden
sind. Untere Endabschnitte der Aufhängungen 7 sind mit
Einstellvorrichtungen 8 versehen, die mit dem unteren Flansch 5A der
Antriebseinrichtung 5 verbunden sind. Die Einstellvorrichtungen 8 weisen
Schrauben zum Einstellen der Längen
der Aufhängungen 7 auf.
Die Einstellvorrichtungen 8 können an den oberen Endabschnitten
der Aufhängungen 7 weggelassen
werden. Alternativ können
die Einstellvorrichtungen 8 an den unteren Endabschnitten
der Aufhängungen 7 weggelassen
werden.
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Die
Einstellvorrichtungen 8 sind einander ähnlich. Demgemäß wird nur
eine der Einstellvorrichtungen 8 näher beschrieben. Wie dies in
der 3 gezeigt ist, weist die Einstellvorrichtung 8 eine Schraube 15 und
Positionierelemente 16 auf. Die Positionierelemente 16 sind
an der oberen bzw. an der unteren Fläche des unteren Flansches 5A der
Antriebseinrichtung 5 drehbar vorgesehen. Die Schraube 15 erstreckt
sich durch Gewindelöcher
hindurch in die Positionierelemente 16. Somit steht die
Schraube 15 in Eingriff mit den Positionierelementen 16.
Der untere Endabschnitt des Drahts der Aufhängung 7 ist mit einem
oberen Endabschnitt der Schraube 15 verbunden. Wenn die
Positionierelemente 16 gedreht werden, bewegt sich die
Schraube 15 axial oder vertikal, so dass sich die Länge (die
vertikale Länge)
der Aufhängung 7 ändert. Es
ist zu beachten, dass die Positionierelemente 16 einstückig miteinander
sein können.
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Eine
Schräglage
der Antriebseinrichtung 5 kann durch ein Betätigen der
Einstellvorrichtungen 8 geändert und beseitigt werden.
Vorzugsweise wird die Schräglage
der Antriebseinrichtung 5 über die Einstellvorrichtungen 8 aufgehoben,
so dass die Achsen der Antriebseinrichtung 5 und der Rotationswelle 6 in
der Richtung der Erdanziehungskraft parallel zueinander sind.
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Die
viskoelastischen Elemente 4 haben einen vorbestimmten Elastizitätsmodul
K1, der in der horizontalen Richtung (oder der radialen Richtung) definiert
ist. Die Aufhängungen 7 haben
einen vorbestimmten Elastizitätsmodul
K2, der in der horizontalen Richtung (oder in der radialen Richtung)
definiert ist. Die Rotationswelle 6 hat einen vorbestimmten Elastizitätsmodul
K, der in der horizontalen Richtung (oder in der radialen Richtung)
definiert ist. Vorzugsweise ist ein Elastizitätsmodul K3 der Summe aus dem
Elastizitätsmodul
K1 der viskoelastischen Elemente 4 und dem Elastizitätsmodul
K2 der Aufhängungen 7 kleiner
als der Elastizitätsmodul
K der Rotationswelle 6. In diesem Fall wird es der Antriebseinrichtung
ermöglicht,
dass sie sich während
einer Drehung des Rotors 1 in der horizontalen Richtung
entsprechend einem schnellen Drehen oder einem Biegen der Rotationswelle 6 unrund
bewegt (schwingt). Daher ist es möglich, eine Belastung auf die
Lager der Rotationswelle 6 wirksam zu reduzieren, die durch
eine Unwucht des Rotors 1 oder durch eine Unwucht der angeordneten
Probe hervorgerufen wird. Die Reduzierung der Lagerbelastung verhindert ein
Auftreten einer plastischen Verformung und eine Beschädigung der
Rotationswelle 6.
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Die
Viskosität
der viskoelastischen Elemente 4 ist auf einen vorbestimmten
hohen Wert festgelegt, so dass die viskoelastischen Elemente 4 wirksam
die horizontal gerichtete Schwingung der Antriebseinrichtung 5 dämpfen können und
eine hinreichende Stabilität
der Antriebseinrichtung 5 vorsehen können. Die Aufhängungen 7 begrenzen
den Grad einer vertikal gerichteten Ausdehnung der viskoelastischen Elemente 4,
wodurch verhindert wird, dass die viskoelastischen Elemente 4 in
der vertikalen Richtung (der axialen Richtung) einer Last ausgesetzt werden. Die
viskoelastischen Elemente 4 können auch das schnelle Drehen
der Rotationswelle 6 wirksam dämpfen.
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Die
Antriebseinrichtung 5 schwingt mit, wenn der Rotor 1 bei
einer der spezifischen Drehzahlen (Resonanzdrehzahlen) gedreht wird.
Unter Bezugnahme auf die 4 ist in dem Fall, bei dem die
viskoelastischen Elemente 4 eine Gummihärte von 35° (eine relativ geringe Gummihärte) haben,
die Amplitude einer Resonanzschwingung des Rotors 1 oder der
Rotationswelle 6 beim Drehen der Rotationswelle 6 bei
der ersten Resonanzdrehzahl relativ klein. Somit ist in dem Fall,
bei dem die viskoelastischen Elemente 4 eine Gummihärte von
35° haben,
die Amplitude einer Resonanzschwingung der Antriebseinrichtung 5 relativ
klein. Unter Bezugnahme auf die 4 ist in
dem Fall, bei dem die viskoelastischen Elemente 4 eine
Gummihärte
von 60° (eine
relativ hohe Gummihärte)
haben, die Amplitude einer Resonanzschwingung des Rotors 1 oder
der Rotationswelle 6 beim Drehen der Rotationswelle 6 bei
der ersten Resonanzdrehzahl relativ groß. Somit ist in dem Fall, bei dem
die viskoelastischen Elemente 4 eine Gummihärte von
60° haben,
die Amplitude einer Resonanzschwingung der Antriebseinrichtung 5 relativ
groß.
In ähnlicher
Weise ist in dem Fall, bei dem die viskoelastischen Elemente 4 eine
Gummihärte
von 45° haben,
die Amplitude einer Resonanzschwingung der Antriebseinrichtung 5 groß. Vorzugsweise
ist die Gummihärte
der viskoelastischen Elemente 4 gleich oder kleiner als
35°. In
diesem Fall können
die viskoelastischen Elemente 4 die horizontal gerichtete Schwingung
der Antriebseinrichtung 5 wirksam dämpfen.
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Die
Resonanzfrequenz „fvt" des aufgehängten Systems,
das die Antriebseinrichtung 5 aufweist, ist wie folgt gegeben: fvt = 1/(2π)·√g/L (1)wobei „g" die Erdbeschleunigung
bezeichnet und „L" die Länge der
Aufhängungen 7 bezeichnet.
Aus der vorstehend angegebenen Gleichung (1) ist ersichtlich, dass
die Resonanzfrequenz „fvt" des aufgehängten Systems
kleiner wird, wenn sich die Länge „L" der Aufhängungen 7 vergrößert. Um
eine verbesserte Dämpfwirkung
der horizontal gerichteten Schwingung der Antriebseinrichtung 5 zu
erreichen, ist eine Vergrößerung der
Länge „L" der Aufhängungen 7 vorzuziehen.
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Die
Zentrifuge gemäß der 2 hat
die folgenden Vorteile: Selbst in einem Fall, bei dem der Rotor 1 bei
einer starken Unwucht des Rotors 1 gedreht wird, können sich
die viskoelastischen Elemente 4 in der horizontalen Richtung
hinreichend verformen und können
daher die horizontal gerichtete Schwingung der Antriebseinrichtung 5 wirksam dämpfen. Die
Dämpfwirkung
der viskoelastischen Elemente 4 verkleinert die Amplitude
einer Resonanzschwingung der Antriebseinrichtung 5. Selbst
in dem Fall, bei dem der Rotor 1 ein hohes Gewicht hat, kann
der Grad einer vertikal gerichteten Ausdehnung der viskoelastischen
Elemente 4 sicher durch die Aufhängungen 7 begrenzt
werden. Demgemäß kann die
Zentrifuge gemäß der 2 korrekt
arbeiten, selbst wenn eine starke Unwucht des Rotors 1 vorhanden
ist oder selbst wenn der Rotor 1 ein hohes Gewicht hat.
Zusätzlich
ist es möglich,
den Rotor 1 stabil und sicher zu drehen. Da die Aufhängungen 7 die
Einstellvorrichtungen 8 zum Ändern ihrer Längen aufweisen,
können
die Achsen der Antriebseinrichtung 5 und der Rotationswelle 6 durch
eine Betätigung
der Einstellvorrichtungen 8 einfach und fehlerfrei parallel
zu der Richtung der Erdanziehungskraft bewegt werden. Vorzugsweise
fällt die
Länge „L" der Aufhängungen
in einen vorbestimmten Bereich, bei dem die vorstehend erwähnten Vorteile
sicher vorgesehen werden können.