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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine Zentrifuge und eine Zentrifuge.
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Eine Zentrifuge ist so aufgebaut, dass eine aufzubereitende Probe in einem Behälter wie einem Reagenzglas oder einer Flasche in einen Rotor gegeben wird und der Rotor dann mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird, um die Probe aufzutrennen und zu raffinieren. Welcher Rotor verwendet wird, hängt von der Drehzahl ab. Es gibt verschiedene Arten von Rotoren, etwa Winkelrotoren mit festen Röhrchenlöchern für Reagenzgläser und dergleichen und Schwingrotoren, bei denen ein mit einem Reagenzglas beladener Korb entsprechend der Umdrehung des Rotors vom vertikalen Zustand in einen horizontalen Zustand schwingt.
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In kleinen Hochgeschwindigkeitszentrifugen zum schnellen Aufbereiten von kleinen Probenmengen werden hauptsächlich Winkelrotoren verwendet. Die
JP H08-103689 A beschreibt zum Beispiel einen herkömmlichen Winkelrotor für eine Zentrifuge, der aus einem Aluminiumblock hergestellt oder aus Kunststoff gegossen wird und bei dem in gleichen Winkelabständen eine Anzahl von Röhrchenlöchern zum Festhalten von Reagenzgläsern um die Drehwelle angeordnet sind. Die offenen Enden der Röhrchenlöcher liegen konzentrisch zur Drehwelle auf einer konischen Oberfläche.
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Manche Winkelrotoren sind mit einer Rotorabdeckung versehen, damit die unebenen Oberflächen, die beim Einsetzen der Reagenzgläser in den Rotor entstehen, nicht der freien Atmosphäre ausgesetzt sind und der Rotationsverlust aufgrund des Luftwiderstands geringer wird. Manche der in den letzten Jahren hergestellten Rotoren können mit oder ohne eine Rotorabdeckung verwendet werden. Eine Rotorabdeckung muss jedes Mal beim Einsetzen und Entnehmen von Reagenzgläsern abgenommen und wieder aufgesetzt werden. Insbesondere wenn die Anzahl von Probengläsern groß ist, neigen die Bediener von Zentrifugen dazu, die Zentrifuge ohne Abdeckung auf dem Rotor zu verwenden.
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Bei dem in der
JP H08-103689 A beschriebenen Winkelrotor können in Röhrchenlöchern, in die kein Reagenzglas eingesetzt ist, durch Resonanz unangenehme Pfeiftöne entstehen. Um dies zu verhindern, wird in der
JP H10-34019 A vorgeschlagen, zwischen dem Raum im Röhrchenloch und der Außenseite des Rotors eine durchgehende Verbindung in der Form einer Öffnung vorzusehen.
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Wenn jedoch das Röhrchenloch mit einer Durchgangsöffnung versehen wird, die mit der Außenseite des Rotors in Verbindung steht, nimmt der Luftwiderstand des Rotors zu, so dass zum Drehen des Rotors mehr Energie erforderlich ist. Außerdem stellt sich zum Beispiel das Problem der Arbeitssicherheit, etwa der Biosicherheit beim Umgang mit gefährlichen biologischen Materialien. Das heißt, wenn der Rotor mit einer Durchgangsöffnung versehen ist, die mit der Außenseite des Rotors in Verbindung steht, kann die in einem Reagenzglas befindliche Probe beim Bruch des Glases durch die Durchgangsöffnung nach außen gelangen und dort verteilt werden.
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Weitere herkömmliche Zentrifugen sind aus den Druckschriften AT 36 815 E und
DE 26 22 110 A1 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Rotor für eine Zentrifuge und eine Zentrifuge zu schaffen, der bzw. die trotz unterdrückter Resonanzgeräusche sicher ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Rotor für eine Zentrifuge nach Patentanspruch 1 oder 2 bzw. der Zentrifuge nach Patentanspruch 3 gelöst.
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Die Erfindung umfasst somit einen Rotor für eine Zentrifuge mit einem kreisringförmigen Abschnitt mit einer Anzahl von Aufnahmebereichen für jeweils einen Probenbehälter, der die aufzubereitende Probe enthält, wobei der kreisringförmige Abschnitt eine Endfläche aufweist, an der sich die Aufnahmebereiche derart öffnen, dass die Öffnungen der Aufnahmebereiche in Umfangsrichtung ausgerichtet sind, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Öffnungen für die Aufnahmebereiche an oder in der Endfläche ein konvexer Abschnitt und/oder ein konkaver Abschnitt vorgesehen ist.
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Mit diesem Aufbau wird die Reibung zwischen der Endfläche und der diese umgebende Luft erhöht. Die Geschwindigkeit der Luft relativ zur Endfläche ist daher bei der Drehung des Rotors herabgesetzt. Da die Oberflächengeschwindigkeit der Luft an der Endfläche herabgesetzt ist, entstehen auch keine Resonanzgeräusche.
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Da bei dem erfindungsgemäßen Rotor die Entstehung von Resonanzgeräuschen verhindert wird, braucht der Rotor auch nicht mit Verbindungsöffnungen zwischen dem Aufnahmebereich und dem äußeren Umfangsabschnitt versehen zu werden. Bei einem Bruch eines Probenbehälters und dergleichen während des Zentrifugierens kann die Probe aus dem Aufnahmebereich daher nicht nach außen gelangen und die Umgebung kontaminieren.
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Bei dem erfindungsgemäßen Rotor für eine Zentrifuge ist der konkave Abschnitt eine Nut, die benachbarte Öffnungen für Aufnahmebereiche verbindet.
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Die Tiefe der Aufnahmebereiche, die die Entstehung von Resonanzgeräuschen beeinflusst, wird dabei durch die Nut verringert. Bei geringerer Tiefe erhöht sich die Resonanzfrequenz derart, dass keine Resonanzgeräusche entstehen.
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Alternativ umfasst die vorliegende Erfindung einen Rotor für eine Zentrifuge mit einem kreisringförmigen Abschnitt mit einer Anzahl von Aufnahmebereichen für jeweils einen Probenbehälter, der die aufzubereitende Probe enthält, wobei der kreisringförmige Abschnitt eine Endfläche aufweist, an der sich die Aufnahmebereiche derart öffnen, dass die Öffnungen der Aufnahmebereiche in Umfangsrichtung ausgerichtet sind, wobei der kreisringförmige Abschnitt eine konische Form hat und sich an eine Vertiefung anschließt, deren Seitenwand vom kreisringförmigen Abschnitt gebildet wird, und wobei der kreisringförmige Abschnitt des weiteren mit einer Durchgangsöffnung versehen ist, die sich zu der Umfangsfläche der Vertiefung öffnet und die die Vertiefung mit dem Inneren der Aufnahmebereiche verbindet.
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Auch bei diesem Aufbau ist die Tiefe der Aufnahmebereiche, die die Entstehung von Resonanzgeräuschen beeinflusst, klein. Auch weist der Rotor keine Öffnungen auf, die die Aufnahmebereiche mit dem äußeren Umfangsabschnitt verbinden, so dass beim Zentrifugieren keine Proben aus dem Aufnahmebereich nach außen gelangen können.
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Die Erfindung umfasst auch eine Zentrifuge mit einem auf die obige Weise aufgebauten Rotor.
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Mit dem erfindungsgemäß Rotor bzw. der erfindungsgemäßen Zentrifuge kann die Entstehung von Resonanzgeräuschen verhindert werden, ohne dass die Sicherheit darunter leidet.
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Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer Zentrifuge;
- 2 eine Schnittdarstellung einer ersten, nicht unter den Schutzbereich der Ansprüche fallenden Ausführungsform eines Zentrifugenrotors;
- 3 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen den Luftwirbeln und der Tiefe des Aufnahmebereichs bei dem Zentrifugenrotor der ersten Ausführungsform;
- 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Ablösefrequenz der Luftwirbel und der Resonanzfrequenz bei dem Zentrifugenrotor der ersten Ausführungsform;
- 5 eine perspektivische Ansicht einer zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Zentrifugenrotors;
- 6 eine Schnitt-Teildarstellung des Zentrifugenrotors der zweiten Ausführungsform;
- 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Ablösefrequenz der Luftwirbel und der Resonanzfrequenz bei dem Zentrifugenrotor der zweiten Ausführungsform;
- 8 eine perspektivische Schnittansicht einer Modifikation des Zentrifugenrotors der zweiten Ausführungsform; und
- 9 eine Schnitt-Teildarstellung der Modifikation des Zentrifugenrotors der zweiten Ausführungsform.
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Anhand der 1 bis 4 wird im Folgenden eine erste, nicht unter den Schutzbereich der Ansprüche fallende Ausführungsform eines Zentrifugenrotors und einer Zentrifuge erläutert. Die in der 1 dargestellte Zentrifuge 1 besteht hauptsächlich aus einem Gehäuse 2, einem Motor 3, einer Rotationskammer 4, einem Deckel 5 und einem Rotor 10.
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Das Gehäuse 2 stellt die äußere Umhüllung der Zentrifuge 1 dar, es enthält den Motor 3, die Rotationskammer 4, den Rotor 10, eine nicht gezeigte Steuervorrichtung usw. Am oberen Teil des Gehäuses 2 befindet sich eine Öffnung 2a, die einen Zugang zu dem weiter unten beschriebenen Rotationsraum 4a darstellt. Die Öffnung 2a wird von dem Deckel 5 abgedeckt, der so am oberen Teil des Gehäuses 2 angebracht ist, dass die Öffnung 2a für die Rotationskammer 4 und den Rotationsraum 4a geöffnet und verschlossen werden kann.
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Der Motor 3 weist eine Drehachse 3B auf, die die Ausgangswelle des Motors 3 darstellt. Der Motor 3 ist mittels Dämpfern 3A, 3A senkrecht so in das Gehäuse 2 eingebaut, dass die Drehachse 3B nach oben weist. Der Motor 3 kann den Rotor 10 mit einer Höchstgeschwindigkeit von etwa 15.000 Umdrehungen pro Minute (Upm) drehen.
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Über dem Motor 3 befindet sich unter der Öffnung 2a die Rotationskammer 4 mit dem Rotationsraum 4a. Das Ende der Drehachse 3B verläuft durch die Wand der Rotationskammer 4 und steht in den Rotationsraum 4a vor.
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Der Rotor 10 besteht hauptsächlich aus einem Wellenabschnitt 11, einem kreisringförmigen Abschnitt 12 und einem vertieften Abschnitt 13, der den Wellenabschnitt 11 mit dem kreisringförmigen Abschnitt 12 verbindet. Der Rotor 10 befindet sich im Rotationsraum 4a und ist mit dem Wellenabschnitt 11 so an der Drehachse 3B des Motors 3 befestigt, dass er sich damit koaxial dreht. Der kreisringförmige Abschnitt 12 hat eine konische Form mit einem Oberteil und enthält Aufnahmebereiche 12a, die in der Umfangsrichtung des Rotors 10 ausgerichtet sind und die jeweils von der Spitze der konischen Form am Oberteil zum Fuß der konischen Form verlaufen. In jeden der Aufnahmebereiche 12a kann ein Probenbehälter 15 mit einer aufzubereitenden Probe eingesetzt werden.
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Der kreisringförmige Abschnitt 12 weist eine Endfläche 12A auf, an der sich die Aufnahmebereiche 12a in Öffnungen 12b öffnen. Die Endfläche 12A schneidet die Richtung von der Spitze der konischen Form zu deren Fuß und setzt sich in der Rotationsrichtung des Rotors 10 fort. Auf der Endfläche 12A ist zwischen jeweils zwei benachbarten Öffnungen 12b ein konvexer Abschnitt 14 vorgesehen, der an der Endfläche 12A vorsteht. Der konvexe Abschnitt 14 ist länglich und so angeordnet, dass seine Längsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsrichtung (Umfangsrichtung) verläuft.
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Wenn sich der Rotor 10 dreht, ohne dass sich in einem der Aufnahmebereiche 12a ein Probenbehälter 15 befindet, entsteht an der Endfläche 12A relativ dazu eine Luftströmung. Wie in der
3 gezeigt, entstehen in der Nähe der Öffnung 12b periodische Luftwirbel. Die Wirbelablösefrequenz fc, die Frequenz, mit der sich die Luftwirbel periodisch ablösen, ist durch die Gleichung
gegeben, wobei M die Machzahl ist, U die repräsentative Luftgeschwindigkeit bezeichnet, LD die Länge (den Durchmesser) der Öffnung 12b in Strömungsrichtung angibt und n die Mode (1, 2, 3, ... ) bezeichnet.
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Die Länge LD der Öffnung 12b in Strömungsrichtung ist konstant. Die repräsentative Luftgeschwindigkeit U nimmt mit der Drehzahl des Rotors 10 zu und ab. Der Machzahl M hängt von der repräsentativen Luftgeschwindigkeit U ab und ist gleich 0 oder größer, jedoch höchstens gleich etwa 2. Wie in der 4 gezeigt, steigt daher die Wirbelablösefrequenz fc proportional zur Drehzahl des Rotors 10 an.
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Da der Aufnahmebereich 12a mit der Öffnung 12b ein einseitig geschlossenes Rohr darstellt, ist die Resonanzfrequenz f der Luftschwingungen im Aufnahmebereich 12a durch die Gleichung
gegeben, wobei c die Schallgeschwindigkeit, L die Länge des Rohrs (die Tiefe des Aufnahmebereichs 12a) und n die Mode (1, 2, 3, ... ) bezeichnet.
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Da sowohl die Schallgeschwindigkeit c als auch die Länge L des Rohrs konstant sind, ist auch die Resonanzfrequenz f ein konstanter Wert, wie es in der 4 gezeigt ist.
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Wenn die Drehzahl des Rotors 10 erhöht wird, nimmt auch die relative Geschwindigkeit der Luftströmung in der Nähe der Öffnung 12b zu und damit die Wirbelablösefrequenz fc. Wenn die Wirbelablösefrequenz fc gleich der Resonanzfrequenz f wird, tritt Resonanz auf, und es entsteht ein pfeifender Ton.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist in der Nähe der Öffnung 12b des Aufnahmebereichs 12a der konvexe Abschnitt 14 vorgesehen, so dass bei der vorliegenden Ausführungsform die Reibung zwischen der Endfläche 12A und der Luft größer ist. Die Luft über der Endfläche 12A wird damit stärker in Bewegung gesetzt, so dass die Geschwindigkeit der Luft über der Endfläche 12A relativ dazu in der Nähe der Öffnungen 12b abnimmt.
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Durch das Vorsehen der konvexen Abschnitte 14 nimmt somit die Wirbelablösefrequenz fc im Vergleich zu einer Endfläche 12A ohne konvexe Abschnitte 14 bei gleicher Drehzahl des Rotors 10 ab. Wie in der 4 gezeigt, erreicht auch bei der maximalen Drehzahl des Motors 3 (15.000 Upm) und einem Rotor 10 mit den konvexen Abschnitten 14 die Wirbelablösefrequenz fc nicht die Resonanzfrequenz f, so dass kein pfeifendes Resonanzgeräusch entsteht.
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Bei der ersten Ausführungsform wird somit das Entstehen eines Pfeiftons verhindert, ohne dass der Aufnahmebereich 12a mit nach außen führenden Öffnungen usw. versehen wird. Auch wenn im Aufnahmebereich 12a ein Probenbehälter zu Bruch geht, bleibt die Probe im Aufnahmebereich 12a und kann nicht nach außen gelangen.
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Anhand der 5 bis 7 wird nun eine zweite Ausführungsform der Zentrifuge und des Rotors für eine Zentrifuge erläutert, wobei die zweite Ausführungsform unter den Schutzbereich der Ansprüche fällt. Mit Ausnahme des Aufbaus des Rotors 20 der 5 entspricht die Zentrifuge der zweiten Ausführungsform der Zentrifuge 1 der ersten Ausführungsform.
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Der Rotor 20 besteht hauptsächlich aus einem Wellenabschnitt 21, einem kreisringförmigen Abschnitt 22 und einem vertieften Abschnitt 23, der den Wellenabschnitt 21 mit dem kreisringförmigen Abschnitt 22 verbindet. Der Rotor 20 befindet sich im Rotationsraum 4a und ist mit dem Wellenabschnitt 21 so an der Drehachse 3B des Motors 3 (1) befestigt, dass er sich damit koaxial dreht. Der kreisringförmige Abschnitt 22 hat eine konische Form mit einem Oberteil und enthält Aufnahmebereiche 22a, die in der Umfangsrichtung des Rotors 20 ausgerichtet sind und die jeweils von der Spitze der konischen Form zu deren Fuß verlaufen. In jeden der Aufnahmebereiche 22a kann ein Probenbehälter 15 (2) mit einer aufzubereitenden Probe eingesetzt werden.
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Der kreisringförmige Abschnitt 22 weist eine Endfläche 22A auf, an der sich die Aufnahmebereiche 22a in Öffnungen 22b öffnen. Die Endfläche 22A schneidet die Richtung von der Spitze der konischen Form zu deren Fuß und setzt sich in der Rotationsrichtung des Rotors 20 fort. In der Endfläche 22A ist zwischen jeweils zwei benachbarten Öffnungen 22b ein konkaver Abschnitt in Form einer Nut 24 vorgesehen, die in die Endfläche 22A eingearbeitet ist und die die beiden benachbarten Öffnungen 22b, 22b miteinander verbindet. Der konkave Abschnitt bzw. die Nut 24 verläuft demnach im Wesentlichen in der Rotationsrichtung (Umfangsrichtung).
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Durch die Nuten 24 wird, wie in der 6 gezeigt, die die Resonanzfrequenz f bestimmende wirksame Länge des einseitig geschlossenen Rohrs, das ein Teil des Aufnahmebereichs 22a ist, von L auf L' verkürzt. Aus der Gleichung (2) ergibt sich, dass dadurch im Vergleich zu einem Rotor ohne Nuten 24 die Resonanzfrequenz f der Aufnahmebereiche 22a zunimmt, wie in der 7 dargestellt ist. Auch wenn sich der Motor 3 mit maximaler Drehzahl (15.000 Upm) dreht, erreicht daher die Wirbelablösefrequenz fc nicht die Resonanzfrequenz f, so dass kein Pfeifton entsteht.
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In der 8 ist eine Modifikation der zweiten Ausführungsform gezeigt, die einen Rotor 30 umfasst, der eine Durchgangsöffnung 32c aufweist, die sich zur inneren Umfangsfläche der Vertiefung 33 zwischen dem Wellenabschnitt und dem kreisringförmigen Abschnitt des Rotors 30 öffnet und die den Aufnahmebereich 32a mit der Vertiefung 33 verbindet. Auch bei diesem Aufbau wird die die Resonanzfrequenz bestimmende wirksame Länge des einseitig geschlossenen Rohrs, das ein Teil des Aufnahmebereichs 32a ist, von L auf L'' verkürzt, wie es in der 9 gezeigt ist. Wie bei der zweiten Ausführungsform erreicht daher bei dem modifizierten Rotor 30 mit den Durchgangsöffnungen 32c die Wirbelablösefrequenz fc nicht die Resonanzfrequenz f, so dass kein Pfeifton entsteht.
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Bei der zweiten Ausführungsform und der Modifikation davon ist der Aufnahmebereich 22a, 32a mit der Nut 24 bzw. der Durchgangsöffnung 32c versehen. Es gibt jedoch keine Öffnung, die zum äußeren Umfang des kreisringförmigen Abschnitts durchgeht, so dass auch dann, wenn während des Zentrifugierens ein Probenbehälter 15 bricht, keine Probe zur Außenseite des Rotors 20, 30 gelangt.
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Die erfindungsgemäße Zentrifuge und der erfindungsgemäße Zentrifugenrotor sind nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern können auf vielfältige Weise abgeändert werden. Zum Beispiel erhöhen bei der ersten Ausführungsform die konvexen Abschnitte die Reibung zwischen der Endfläche und der darüberliegenden Luft und verringern die Relativgeschwindigkeit der Luft zur Endfläche. Die Reibung kann auch durch konkave Abschnitte erhöht werden, die nicht wie die Nuten 24 der zweiten Ausführungsform ausgebildet sind, sondern die einfach Löcher oder Vertiefungen in der Endfläche zwischen jeweils zwei benachbarten Aufnahmebereichen sind. Darüberhinaus können zwischen den Öffnungen in der Endfläche sowohl konvexe als auch konkave Abschnitte vorgesehen werden, die zum Beispiel abwechselnd angeordnet sind.
