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Die Erfindung bezieht sich auf einen Leichtbaurotor für Zentrifugen, insbesondere auf Laborzentrifugen, mit in ihren Rotorgehäusen vorgesehenen Aussparungen zur Aufnahme von Behältnissen, von Zentrifugierbehältern oder ähnlichen Probengefäßen.
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Derartige Zentrifugen werden gewöhnlich bei der medizinischen und biologischen Forschung zum Trennen und Reinigen von Materialien unterschiedlicher Dichten wie Viren, Bakterien, Zellen, Proteinen und anderen Zusammensetzungen verwendet. Diese Zentrifugen besitzen einen Rotor, der üblicherweise in der Lage ist, sich mit zehntausenden U/min. zu drehen.
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Infolge der hohen Zentrifugalkräfte werden die Rotoren vorrangig aus Metall, so einem hoch legierten Titan oder auch aus einem Leichtmetall wie beispielsweise Aluminium, hergestellt.
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Bekannt sind auch Zentrifugenrotore aus faserverstärkten Verbundgebilden. Diese Verbundzentrifugenrotore werden üblicherweise aus laminierten Schichten von Kohlefasern, die in eine Epoxydharzmatrix eingebettet sind, hergestellt. Die Fasern sind in mehreren Schichten angeordnet, die sich in variierenden Richtungen rechtwinklig zu der Rotorachse erstrecken. Während der Herstellung eines solchen Rotors werden die Kohlefasern und die Harzmatrix unter hohem Druck und hoher Temperatur ausgehärtet, um einen sehr stabilen, aber leichten Rotor herzustellen. Die
US-A-4,781,669 und
US-A-4,790,808 beschreiben die Ausbildung und die Konstruktion derartiger Rotoren. Diese Rotoren werden auch umfangsseitig mit einer zusätzlichen verstärkten Verbundschicht umwickelt, um die Umfangsfestigkeit des Rotors zu steigern, wie beispielsweise in der
US-A-3,913,828 beschrieben.
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Bei den hier beschriebenen Zentrifugenrotoren handelt es sich um Rotoren in zylindrischer Ausbildung, deren äußerer Umfang mit den Faserverbundstoffen belegt wird.
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Weiterentwicklungen führten zu kegelförmig ausgebildeten Zentrifugenrotoren, welche als Festwinkel-Zentrifugenrotoren bezeichnet sind.
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Diese Rotoren sind gleichfalls mit Aufnahmeöffnungen ausgebildet, in die die Zentrifugierbehälter bzw. Probengefäße eingesetzt werden.
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Ein derartiger Festwinkel-Zentrifugenrotor ist mit der
EP 0 643 628 B1 bekannt geworden, der aus faserverstärktem Verbundmaterial hergestellt ist, wobei der Rotor einen Rotorkern aufweist, welcher aus mehreren Schichten eines faserverstärkten Verbundmaterials hergestellt ist, der zusammen mit den Fasern laminiert ist, die normal zu der Rotorachse orientiert sind.
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Der kegelförmig ausgebildete Rotorkern besitzt an seinem äußeren Umfang Schichten aus einem faserverstärkten Verbundmaterial, deren einzelne Fasern schräg verlaufend zum äußeren Umfang der Verstärkungseinrichtung gewickelt werden. Die Fasern sind dabei schraubenförmig über dem äußeren Umfang des Rotorkerns angeordnet und sollen so eine erhöhte Festigkeit des Rotors bewirken.
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Ein Festwinkel-Zentrifugenrotor dieser Gattung wird in der
EP 0 678 058 B1 beschrieben, bei der der Rotor gleichfalls mit einer Verstärkungseinrichtung ausgebildet ist, welche gebildet wird durch faserverstärktes Verbundmaterial, welches flächenhaft am äußeren Umfang herausgebildet wird durch aufzuwickelnde schräg verlaufende Fasern, wobei der Vorteil dieser Lösung darin liegen soll, dass infolge der verringerten Bauhöhe des kegelförmigen Teiles vom Zentrifugenrotor die Zentrifugalkräfte minimiert werden sollen.
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Schließlich sei noch auf die
US-PS 5,972,264 und
US-PS 5,833,908 sowie
US-PS 5,601,522 verwiesen, welche Verfahren zur Fertigung von faserverstärkten Laborzentrifugen beschreiben, wobei die Verfahren mit Einzelfäden, Gewebe- oder Geflecht-Preformen sowie Kurzfasern vorgestellt werden, bei denen die Fasern gleichfalls schräg verlaufend zur Rotorachse am äußeren Umfang angeordnet sind.
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Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, dass bei Rotoren mit kegeligen Flächenformen eine qualitative Verlegung mit herkömmlichem Laminatgewebe nicht möglich ist. Entweder müssen in Belastungsrichtung verlaufende Fasern mehrfach getrennt werden oder es kommt zu mehrfachen Überlappungen, was gleichfalls die tragende Wirkung des aufgetragenen Faserverbundes reduziert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Leichtbaurotor für Zentrifugen, insbesondere für Laborzentrifugen bereitzustellen, welcher auf seiner kegeligen Oberfläche mit einer Tragringstruktur ausgebildet ist, welche sich passgerecht um die kegelige Rotorfläche laminieren lässt und die Fasern in Belastungsebene ausgerichtet sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Besondere Ausgestaltungen und vorteilhafte Lösungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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So wurde ein Leichtbaurotor für Zentrifugen, insbesondere geeignet für Laborzentrifugen, geschaffen, dessen Grundkörper mit einem als Stützkörper wirkenden Tragring ausgebildet ist.
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Dieser Tragring wird gebildet durch ein Spiralband, welches auf dem äußeren Umfang des Grundkörpers aufgetragen ist, dies beispielsweise durch ein Laminierverfahren.
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Das Spiralband besteht aus einem Faserverbundwerkstoff und ist gekennzeichnet durch seine Abmessungen und seine Ausbildung, die der geometrischen Abwicklung der äußeren Form des Grundkörpers vom Leichtbaurotor entspricht. Das Spiralband ist passgerecht um die kegelige äußere Form des Grundkörpers laminiert und, da die Abmessungen und die äußere Ausbildung des Spiralbandes der Form des Grundkörpers entsprechen, sind die Fasern im aufgewickelten Zustand in der Belastungsebene des Rotors ausgerichtet und können somit optimal in ihrer Wirkung genutzt werden. Ein Trennen oder Schneiden der Fasern des Spiralbandes ist nicht erforderlich, somit bleiben die Festigkeitseigenschaften der Fasern erhalten, was darin begründet liegt, dass, unter Berücksichtigung der äußeren Form des Grundkörpers, das Spiralband unter einem Winkel von 0° und bezogen auf den Umfang des Grundkörpers parallel zueinander in Faserverbundwerkstoff eingebunden ist. Ein Laminieren des Spiralbandes erfolgt ohne Faltenbildung und ohne Einschnitte des Spiralbandes, da das Spiralband in seiner Form der Abwicklung des zu stützenden Rotors ausgebildet ist.
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Gemäß der Erfindung können die Fasern des Spiralbandes aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, so können Fasern zur Herstellung des Spiralbandes verwendet werden, die aus Kohlenstoff, aus Aramiden, Kevlar oder Glas bestehen, wobei Werkstoffe mit ähnlichen Eigenschaften gleichfalls zur Herausbildung eines Spiralbandes verwendet werden können.
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Ein wesentlicher Vorteil der vorgestellten Erfindung liegt darin, dass Grundkörper von Leichtbaurotoren mit linearen Kegeln, deren Winkelmaße in einem sehr großen Bereich liegen, mit einem Spiralband belegt werden können, da das Spiralband geometrisch der Abwicklung der Kegelfläche entspricht.
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Der wesentliche Vorteil gegenüber bekannten Technologien liegt darin begründet, dass mit erfindungsgemäß ausgebildeten Spiralbändern umlaufende Fasern in kegeliger Form wirtschaftlich sinnvoll und qualitativ hochwertig erzeugt werden können, somit dem jeweils ausgebildeten Tragring Stützfunktionen verliehen werden, die dem Leichtbaurotor die erforderliche Stabilität und Festigkeit verleihen, die notwendig sind, um die hohen wirkenden Zentrifugalkräfte aufnehmen bzw. kompensieren zu können.
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Dies wird dadurch gewährleistet, dass, im Gegensatz zu bekannten praktizierten Wickellösungen, die Fasern bei dem erfindungsgemäßen Spiralband umlaufend, 0° zum Umfang und parallel zueinander, in dem Spiralband eingebunden sind.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass ein Grundkörper mit unterbrochener äußerer Kegelform mit dem erfindungsgemäßen Spiralband belegt werden kann. Dies ist möglich, da Spiralbänder nach der Erfindung eben in Abhängigkeit der Formen und Abbildungen der Grundkörper hergestellt werden können.
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Die Ausbildung der linearen Kegel eines Grundkörpers besitzen Neigungen, welche vorzugsweise in Winkelbereichen von 15 bis 75° liegen, dies bezogen auf die Rotorachse des Leichtbaurotors.
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Zur Erfindung gehört ferner, dass kombiniert ausgebildete Grundkörper, so bestehend aus zylindrischen oder kegeligen Teilstücken, mit einem erfindungsgemäßen Spiralband belegt werden können. Bei dieser Ausbildung des Grundkörpers sind die zum Einsatz kommenden Spiralbänder analog obiger Ausführungen der Form des jeweiligen Teilstückes angepasst.
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Mit nachfolgendem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden.
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In der dazugehörigen Zeichnung zeigen
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1: in einer Schnittdarstellung die Ausbildung eines Leichtbaurotors mit kegelförmig gestaltetem Grundkörper,
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2: in einer Schnittdarstellung die Ausbildung eines Leichtbaurotors, dessen Grundkörper aus zylindrischen und kegelförmigen Teilstücken besteht,
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3: in einer Prinzipskizze das Umwickeln eines Grundkörpers mit einem Spiralband.
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Gemäß der dargestellten Ausführungsform eines Leichtbaurotors 1 in der 1 wird ein Leichtbaurotor 1 vorgestellt, der aus einem Grundkörper 2 besteht, welcher über die Rotorachse 3 in der Zentrifuge gelagert ist.
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Umfänglich vom Grundkörper 2 ist ein als Stützkörper ausgebildeter Tragring 4 vorgesehen, der gebildet wird durch das Applizieren eines Spiralbandes 5.
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Im Grundkörper 2 sind Aufnahmeöffnungen 7 vorgesehen, in denen die Probenbehältnisse einsetzbar sind, ferner zeigt die Darstellung nach 1, dass der Grundkörper 2 im unteren Bereich mit einer Ausnehmung 9 vorsehen ist, welche zum einen das Gewicht des Grundkörpers 2 reduziert und zum anderen gleichfalls die bei Inbetriebsetzung des Leichtbaurotors 1 auftretenden Zentrifugalkräfte reduziert werden.
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Die Ausbildung des Tragringes 4 erfolgt durch das Aufbringen eines Spiralbandes 5 auf dem äußeren Umfang des Grundkörpers 2, wobei das Spiralband 5 in seiner Ausbildung, seiner Form und seiner Größe der Ausbildung des Grundkörpers 2 entspricht. Dies bedeutet, das aufzubringende Spiralband 5 besitzt eine Breite, die der Länge des Kegelmantels des Grundkörpers 2, somit des Wickelbereiches 6 entspricht.
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Die Dicken des aufzubringenden Spiralbandes 5 sind in Abhängigkeit ihrer Größe und ihres Einsatzes ausgebildet und liegen typischerweise im Bereich von 0,2 bis über 1 mm.
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Das Auftragen eines Spiralbandes 5 auf den Grundkörper 2 zur Herausbildung des Tragringes 4 ist prinziphaft in der 3 gezeigt. Aus dieser Darstellung ergibt sich, dass das Spiralband 5 von einer Spule 12 abgezogen, zum Grundkörper 2 geführt und auf dem Grundkörper 2 umfänglich aufgelegt wird, so der Tragring 4 herausgebildet wird, welcher dem Grundkörper 2 die erforderliche Stützung verleiht, damit die im Betrieb auftretenden Zentrifugalkräfte kompensiert werden können.
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Das Anlegen des Spiralbandes 5 zum Grundkörper 2 erfolgt trocken, in Form von vorimprägnierten Fasern (Prepreg) oder unter Verwendung von Kunstharzen in einem Laminierprozess.
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Trockene Fasern und Prepreg lassen sich mittels geeigneter Klebstoffe fixieren und dann in bekannter Art und Weise mit Epoxydharzen oder anderen Verbundwerkstoffen, vorzugsweise in einer Form, wahlweise unter Verwendung von Unter- und Überdruck, zur Erhöhung des Faservolumengehaltes unter Beschleunigung der Durchtränkung verarbeiten.
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Der Grundkörper 2 wird in herkömmlicher Bauweise durch mechanische Bearbeitung, durch ein Gießverfahren, durch Laminieren, Schmieden oder auch durch Faserspritzen herausgebildet, wobei bei diesem Herstellungsprozess gleichfalls die Aufnahmeöffnungen 7 und die zentrische Bohrung des Grundkörpers 2 zur Aufnahme der Rotorachse 3 herausgebildet werden. Der Grundkörper 2 kann aus einem metallischen oder nichtmetallischen, auch einem Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff hergestellt werden.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit des Grundkörpers 2 eines Leichtbaurotors 1 ist in der 2 gezeigt, aus der sich ergibt, dass der Grundkörper 2 in seinem Inneren analog der Ausbildung nach dem Ausführungsbeispiel zur 1 ausgebildet ist. So besitzt der Grundkörper 2 in seinem Inneren die entsprechenden Aufnahmeöffnungen 7 zum Einsatz der entsprechenden Probenbehältnisse, eine Rotorachse 8 und die Ausnehmung 9 im unteren Bereich.
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Die äußere Struktur des Grundkörpers 2 besteht aus zwei zylindrischen Flächenteilen 10; 11 und einem kegeligen Flächenteil 6, wobei bei dieser Ausführungsvariante des Grundkörpers 2 sowohl die kegelige Fläche als Wickelbereich 6 und die zylindrischen Flächenteile 10; 11 gleichfalls als Wickelbereiche 10; 11 ausgebildet sind.
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Die Wickelbereiche 10; 11 werden mit einem normalen Gewebeband belegt.
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Demgegenüber wird der Wickelbereich 6, der kegelige Flächenbereich des Grundkörpers 2, erfindungsgemäß mit einem Spiralband 5 belegt, welches in seiner Form und Ausbildung dem Spiralband 5 entspricht, welches zu einer kegeligen Fläche aufgewickelt wird, um in diesem Bereich gleichfalls einen Tragring 4 herauszubilden, wie oben bereits beschrieben.
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Die Spiralbänder 5 werden mehrlagig auf dem jeweiligen Grundkörper 2 aufgetragen, dies in Lagen in Bereichen von 0,5 bis mehreren Millimeter stark.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4781669 A [0004]
- US 4790808 A [0004]
- US 3913828 A [0004]
- EP 0643628 B1 [0008]
- EP 0678058 B1 [0010]
- US 5972264 [0011]
- US 5833908 [0011]
- US 5601522 [0011]
