-
Ultrazentrifuge Die Erfindung betrifft eine Ultrazentrifuge und bezieht
sich insbesondere auf deren Antrieb und Lagerung.
-
Ultrazentrifugen dienen zur Messung der Größe und Maße kolloidaler
Teilchen großer Moleküle und ähnlicher Partikel. Sie bestehen im wesentlichen aus
einem auswechselbaren, meist mehrere Kilogramm schweren Rotor, der in einer evakuierten
Rotorkammer drehbar gelagert ist. Dieser Rotor wird bei horizontaler Drehachse von
zwei gegenüberliegenden Achsstummeln getragen, oder es ist, insbesondere bei Zentrifugen
mit vertikaler Drehachse, ein längerer, doppelt gelagerter Achsstummel vorhanden.
Da bei den zurAnwendung gelangenden hohen Drehgeschwindigkeiten der Ultrazentrifugen
schon ein kleiner Wuchtfehler des Rotors zu hohen Beanspruchungen der Lagerung führen
kann, wenn man die Lagerbuchsen mit dem Zentrifugengestell oder die Lagerzapfen
mit dem Rotor starr verbindet, hat man bereits vorgeschlagen, zwischen Rotorkörper
und Lagerzapfen elastische Glieder einzuschalten, oder man hat die Lagerung des
Rotors im Zentrifugengestell federnd aufgehängt.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultrazentrifuge mit im Vakuum
um eine vertikale Achse umlaufenden, elastisch gelagerten Rotor. Sie steht damit
im Gegensatz zu Ultrazentrifugen, bei denen der Rotor unterhalb eines Motors an
einer dünnen Verbindungswelle elastisch aufgehängt ist. Diese bekannten, mit einem
Rotor ausgerüsteten Zentrifugen ermöglichen nicht, den Rotor in einem Vakuumraum
arbeiten zu lassen. Dazu ist es vielmehr gemäß der Erfindung notwendig, einen unterhalb
des Vakuumraums im Maschinenfuß besonders gelagerten Antrieb vorzusehen, der mit
dem Rotor vorzugsweise über eine elastische Kupplung verbunden ist. Es können dann
in wirtschaftlich günstigster Weise die für Ultrazentrifugen erforderlichen Drehzahlen
im Bereich von 20000 bis 50000 Umdrehungen bei einer Antriebsleistung bis etwa 1
Kilowatt erreicht werden.
-
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, für den Antrieb des
Rotors einen unterhalb des Vakuumraumes gelagerten Riemenantrieb vorzusehen, der
mit dem Rotor über die elastische Kupplung verbunden ist. Der entsprechend übersetzte
Riemenantrieb gestattet die Verwendung normaler, netzanschlußfähiger Motoren.
-
Als elastische Kupplung dient vorzugsweise eine elastische Welle zwischen
dem Antrieb und dem Motor.
-
Durch die Anordnung des Riementriebes unterhalb und damit außerhalb
des Vakuumraumes und die elastische Verbindung mit dem Rotor wird einmal eine Verölung
des Riemens umgangen, zum anderen wird verhütet, daß durch den Riemenzug Störungen
der Lage der Drehachse hervorgerufen werden, die die optische Beobachtung der Sedimentationsvorgänge
beeinträchtigen würden.
-
Dabei trägt die Welle, auf der die Riemenscheibe angeordnet ist, die
Riemenscheibe auf ihrem freien Ende, oder es erfolgt eine Lagerung dieser Welle
einerseits in der Wandung des Vakuumraumes in einem gasdichten Lager und andererseits
im Fuß des Zentrifugengestells, wobei dieRiemenscheibe zwischen den Lagern angeordnet
ist. Beide Lager sind im letzteren Fall über einen durch den Riemen hindurchfassenden
Teil des Zentrifugengestells in Gestalt eines Fußes starr miteinander verbunden.
-
Erfindungsgemäß sind weiterhin sämtliche Lagerstellen an eine gemeinsame
Schmierstelle angeschlossen, wobei für das aus den Lagern nach dem Vakuumraum und
das nach demAtmosphärenraum austretende Öl gesonderte Sammler vorgesehen sind, von
denen aus mittels gesonderter, vorzugsweise Zahnradpumpen die Rückförderung zur
Sammelleitung bewirkt wird. Der den Rotor tragende Zapfen ist in einem als Spurlager
ausgebildeten Axiallager gelagert. Dieses ist an die Öldruckleitung derart angeschlossen,
däß der Rotor während des Betriebes vom Drucköl in der Schwebe gehalten wird.
-
Zweckmäßigerweise ist die Einrichtung weiterhin mit einer Sicherung
ausgestattet, die den Antrieb abschaltet, wenn infolge Fehlbedienung oder durch
sonstige Umstände der gerade aufgesetzte Rotor eine zu hohe Drehzahl erreicht. Dabei
läßt sich in vorteilhafter Weise der in der Rotorlagerung herrschende Öldruck dazu
verwenden, selbständig den für den jeweils aufgesetzten Rotor richtigen Drehzahlbereich
einzustellen. Der durch die tragende Querschnittsfläche des Spurlagers bestimmte
und vom Gewicht des jeweils aufgesetzten Rotors abhängige Öldruck wird dabei dazu
benutzt, um bestimmte Schaltvorgänge für den Antriebsmotor einzustellen bzw. auszulösen.
Ferner
ist insbesondere die Rotorlagerung mit einer Ölkühlung versehen, indem sie Hohlräume
(Kühlräume) aufweist, die von dem gekühlten Drucköl durchströmt werden.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der nachstehenden Beschreibung
und in der Zeichnung erläutert, ohne daß die Erfindung auf die gezeigte Konstruktion
beschränkt sein soll. Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ultrazentrifuge mit
dem erfindungsgemäßen Antrieb und Fig. 2 eine Einzelheit über die Lagerung der Hilfswelle
in abgeänderter Form.
-
Im Zentrifugengestell ist koaxial zum Rotor 18 unterhalb desselben
die Hilfswelle 4, hier Spindel genannt, gelagert, die die Riemenscheibe 6 für den
Riemen 1 trägt. Andererseits ist die Spindel 4 im Innern der Rotorkammer3 mittels
einer elastischenKupplung, am besten in Gestalt einer dünnen Verbindungswelle5,
an das untere Ende des Rohrzapfens 2 angeschlossen. Die beiden Spindellager 7 und
8, von denen eines als Gasdichtung wirkt, können zu beiden Seiten der Riemenscheibe
6 (Fig. 1) oder, wie in Fig. 2, nur oberhalb der Riemenscheibe 6 liegen, letztere
als fliegend angeordnet sein. Bei höchsten Drehzahlen müssen die Durchmesser aller
Lagerzapfen so klein wie möglich, die Spindel 4 selbst aber verhältnismäßig kräftig
gehalten werden. Beides führt vorteilhafterweise zu der zwischen den Lagern 7 und
8 angeordneten Riemenscheibe 6 gemäß Fig. 1, von denen dann das obere Lager 7 als
gasdichtes Gleitlager ausgebildet wird, während das untere Lager 8 mittels eines
durch den Riemen 1 hindurchgeführten Fußes 9 des Spindellagerblocks 10 konstruktiv
mit dem oberen Lager 7 und der Rotorkammer 3 verbunden ist, damit sich ein endlos
gewebter Riemen 1, wie er für höchste Drehzahlen allein in Betracht kommt, auflegen
läßt. Sämtliche Lagerstellen erhalten zwangsweise Öl unter geeignetem Druck durch
besondere Pumpen zugeführt. Das durch Reibung erwärmte, seitlich aus den Lagern
wieder austretende Öl wird gesammelt und fließt den Pumpen wieder zu, wobei vor
allem eine Verölung des Riemens 1 vermieden werden muß, wie es beispielsweise in
Fig. 1 durch Anwendung des glockenförmigen Spritzringes 30 mit ringförmigem Ölfang
31 und Ölablauf 32 erreicht ist.
-
Da das Öl aus den Lagerstellen teilweise innerhalb und teilweise außerhalb
der evakuierten Rotorkammer austritt, sind zwei getrennte Ölbehälter 11 und 12 vorgesehen,
von denen der obere Ölbehälter 11 an die Rotorkammer 3 angeschlossen ist, während
der untere Ölbehälter 12 mit der äußeren Atmosphäre in Verbindung steht. Jeder dieser
beiden Ölbehälter enthält eine vorzugsweise als Zahnradpumpe ausgebildete Ölpumpe
13 und 14, welche das aus den Lagern zurückkommende Öl in die Sammelleitung 15 drücken.
-
Von den an die Sammelleitung 15 angeschlossenen Verbrauchern ist der
größte das untere Rotorspurlager 16, in welchem das unter Druck stehende Öl die
Last des Rotors 18 während des Betriebes in der Schwebe hält. Das durch Gebläse
17 und Kühlrippen 18 a in den Pumpen und Leitungen gekühlte Öl gelangt über eine
Rohrspirale 19 in die Kühlkammer 20 des oberen Rotorlagers 21. Ein kleiner, durch
eingebaute Strömungswiderstände 22 in seiner Größe bestimmter Teil des durchfließenden
Öles schmiert das obere Rotorlager 21, der weitaus größere Teil gelangt durch das
Verbindungsrohr 23 in den Druckraum 24 des Lagers 16 und von dort durch den Spalt
dieses Lagers und die seitliche Öffnung 25 der Lagerfassung 26 zur Pumpe zurück.
Die Kühlung des die Rotorlager 16 und 21 durchströmenden Öles erweist sich als notwendig,
weil die Lagerfassung 26 wegen der aus mechanischen Gründen unentbehrlichen federnden
Aufhängung 27 in nur schlechtem Wärmekontakt mit der Umgebung steht. Sie befindet
sich außerdem im wärmeisolierenden Vakuum der Rotorkammer.
-
Im Gegensatz dazu sind die Spindellager 7 und 8 in den besonders kräftig
dimensionierten, aus gut wärmeleitendem Metall bestehenden Spindellagerblock 10
eingebaut, der die entstehende Reibungswärme ableitet. Diese Lagerstellen brauchen
nur schwache Ströme von Schmieröl, die durch besondere, in die Ölzuleitungen eingebaute
Strömungswiderstände 27a und 28 begrenzt werden. Will man den Öldruck an den Zuführungsstellen
der Spindellager auf einer bestimmten Höhe halten, so können die Strömungswiderstände
durch ein besonderes Reduzierv entil ersetzt werden.
-
Der an sich naheliegende, beispielsweise bei Dampfturbinen gebräuchliche
Antrieb der Ölpumpen von den zu schmierenden Zapfen über geeignete Getriebe ist
bei Ultrazentrifugen nicht nur wegen der sehr hohen Drehzahl schwierig, diese Ölversorgung
würde auch während der langen Hochzieh- und Auslaufzeiten bei stark verminderter
Drehzahl nur mangelhaft arbeiten. Insbesondere könnte der Druck in der Sammelleitung
15 bei zu kleiner Drehzahl der Ölpumpen und evakuierter Rotorkammer 3 unter 1 ata
sinken, wobei vor allem das untere Spindellager 8, durch den äußeren Luftdruck seines
Ölfilms völlig beraubt, schon bei kleinen Drehzahlen fressen müßte. Daher werden
die Ölpumpen von einem Motor angetrieben, dessen Betrieb auch bei Ausfall der N
etzspannung durch eine mittels eines Spannungswächters automatisch eingeschaltete
Reservestromquelle (Akkumulatorenbatterie) aufrechterhalten wird, bis die Zentrifuge
zum Stillstand kommt. Ein 1#Totantrieb der Ölpumpen kann auch von der Spindel 4
her durch eine sich selbsttätig einrükkende Kupplung und ein Untersetzungsgetriebe
erfolgen. Wegen der obengenannten Gefahr für das untere, allseits vom Atmosphärendruck
umgebenen Spindellager muß in diesem Fall gleichzeitig eine automatische Belüftung
der Rotorkammer3 bei Netzausfall erfolgen.
-
Fördert die Ölpumpe 14 schneller als die aus der Rotorkammer saugende
Ölpumpe 13, so würde nach entsprechender Absenkung des Ölspiegels im unteren Ölbehälter
12 schließlich auch Luft in die Sammelleitung 15 gedrückt werden und auf diesem
Wege in die evakuierte Rotorkammer 3 gelangen. Bei Betrieb des Zentrifugenrotors
in einer Wasserstoffatmosphäre niederen Druckes aus Gründen der Temperaturhaltung
würde diese Verunreinigung die Rotortemperatur in unkontrollierbarer Weise verändern
können. Ferner wäre eine unerwünschte und für das Arbeiten der Ölpumpe 13 nachteilige
Ölschaumbildung in der Rotorkammer 3 zu erwarten. Um solchen Störungen vorzubeugen,
ist im unteren Ölbehälter 12 ein Schwimmerventil 29 vorgesehen, welches sich schließt,
bevor der Ölspiegel bis zur Ansaugöffnung der Ölpumpe 14 sinkt.
-
Der Rotor 18 ist in der üblichen. Weise auf dem Konus des Lagerzapfens
2 auswechselbar angeordnet, so daß schwerere und leichtere bzw. größere und kleinere
Rotoren aufgesetzt werden können. Eine Überschreitung der für den jeweils benutzten
Rotor zulässigen maximalen Drehzahl muß verhindert werden. Die erfindungsgemäße
Lagerung ermöglicht diese Sicherung unter Ausnutzung des Umstandes, daß der Öldruck
im Spurlager 24 proportional dem Gewicht des jeweils aufgesetzten Rotors ist.
-
Im vorliegenden Beispiel sei eine Zentrifuge mit vier auswechselbaren
Rotoren verschiedener Größe angenommen.
. Da kleine Rotoren mit
höherer Drehzahl betrieben werden dürfen als große, sind, um die Gefahr von Rotorbrüchen
durch Überschreitung der für die größeren Rotoren zulässigen Grenzdrehzahlen zu
vermeiden, vier Drehzahlbereiche des nicht dargestellten Antriebsmotors einstellbar.
Hierzu erhält die Betätigungsspule des Betriebsstromschützes 34 des Zentrifugenmotors
ihren Strom aus der Energiequelle 33 über einen der auf der Motorwelle sitzenden
Fliehkraftschalter 35 a bis 35 d und den damit in Reihe liegenden
Umschalter 36. Letzterer wird gesteuert in Abhängigkeit vom Öldruck im Spurlager
24 durch einen damit kommunizierenden Expansionskörper 37 oder äquivalente Mittel.
-
Durch geeignete Zuordnung der auf die genannte Weise von den Rotorgewichten
abhängig gemachten Stellung des Umschalters 36 und der Anspruchsdrehzahlen der jeweils
eingeschalteten Fliehkraftkontakte 35a bis 35d wird erreicht, daß
der Haltestrom des Motorschützes 34 bei einer den Rotor gefährdenden Drehzahlsteigerung
selbsttätig unterbrochen und damit die Zentrifuge stillgesetzt wird.