DE1598278A1 - Direkt-Antriebsvorrichtung fuer eine Ultrazentrifuge - Google Patents

Description

Patentanwalt

g Wilhelm Belcfiel

Frcm^uii/Mam-1

Parksiraßel3

·. 4788

Canal Industrial Corporation, Rockville, Maryland, USA

Direkt-Antriebsvorrichtüng für eine Ultrazentrifuge

Die ExIj aäung betrifft eine Direkt-Antriebsvorrichtung ftir eine üxtrazentrifüge, insbesondere eine derartige Vorrichtung, die für einen Betrieb im Bereich von 50 000 bis 100 U/min ausgelegt und vorgesehen ist«

Es versteht sich, daß es zwecks Schaffung einer genauen Analyse oder Zerlegung der zahlreichen kolloidalen oder aufgelösten Bestandteile von natürlichen oder synthetischen Flüssigkeiten in einer Ultrazentrifuge erforderlich ist, die Drehzahl der Vorrichtung auf einem ausgewählten und bekannten Wert innerhalb eines Drehzahlbereiches zu halten» Unter eiern Ausdruck" genaue Analyse" soll die genaue Bestimmung der Sediment i<»?ungs- oder Ablagerungskonstante eines jeden Bestandteiles der Flüssigkeit ^erstanden werden«, Es ist ferner begannt, daß zur Sedimetlerung von Bestandteilen mit niedrigem Molekulargewicht oder Bestandteilen, die sich in den Sedimentierungsgeschwindigkeiten nur geringfügig unterscheiden, es erforderlich ist, die Ultrazentrifuge mit extrem hohen Drehzahlen, z,B/, im Bereich von 50 000 bis 100 000 U/min zu betreiben» Zur- Wiedergewinnung von abgetrennten Anteilen ist es ferner notwendig, die Ultrazentrifuge sehr langsam abzubremsen ujii anzuhalten und dies ohne Schwingung oder eine Pr&zession?

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Die bekannten Antriebe für Ultrasentrifugen sind alle indirekt ,doho, sie verlaufen über Riemen, -Zahnräder oder 0.,5I₀ „Direkte Antriebe stehen bisher für Ultra-Hochgesohwind'igkeits- Ultrazentrifugen nicht zur Verfügung, da die lediglich vorhandenen Motoren relativ langsame Kommutatormotoren sind. die gewickelte umlaufende Anker aufweisen, die den riesigen Zentrifugalkräften bei 5p 000 U/rain und höher nicht standhalten,. Darüber hinaus ist es selbst wenn ein derartiger Motoranker den Kräften standhält, schwierig, diese zusammenges&zte Anordnung dynamisch auszuwuchten, und es ist praktisch unmöglich, diese infolge der unterschiedlichen Temperaturkoeffiz:«.enten der verschiedenen Materialien der zusammengesetzten Anordnung bei Xeiiiperaturschwm kungen dynamisch ausgewuchtet zu halten?

Die bekannten indirekten Antriebe für Ultrazentrifuge*!, die langsam laufende Motoren, Zahnräde oder Riemen umfassen, besitzen eine Reihe von Nachteilen., Eine genaue Regelung der Drehzahl und Anzeige derselben ist schwierig, wenn nicht unmöglich, und ohne eine solche genaue .Drehzahlregelung wenden die Messungen der Sedimetierungskonstanten, aus denen die Molekulargewichte und andere Eigenschaften der abaedimentierenden Materialien berechnet werden, ungenau» Da sich die Zentrifugair kraft mit dem Quadrat der Geschwindigkeit ändert, ist die Sedimentationsgeschwindigkeit stark ν·, η der Drehzahl abhängig» Darüber hinau; weisen die AntriebsVorrichtungen, gleiohob sie Zahnräder oder Riemen und Riemenscheiben enthalten, hiiufig nachteilige Schwingungen auf» Aufgrund dieser !Datsache und den schweren anfallenden Belastungen sind die Antrieb!»vorrichtungen kurzlebig und erfordern nach einer Betriebszeil; in der Größenordnung von 500 Stunden einen Austausch_o Einanderer Nachteil der indirekten Antriebsvorrichtimgen besteht in der Schwierigkeit, ein vertikales Drucklager für die schweren an-

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fallenden Belastungen zu schaffen, und ein schneller Verschleiß und häufiges Austauschen der Drucklager ist d ie Folge» Außerdem hat eine Ultrazentrifuge mit einem solchen Antrieb . die Neigung, infolge der hohen iteibungsVerluste in de:? Antriebskette, die Bahnräder, Riemenscheiben und Kiemen urd d(;lo enthält mit einer relativ hohen Geschwindigkeit absubreusen, \iqxw, der Antriebsmotor abgeschaltet wird, was bis zu einem gew-.ssen Ausmaß ein erneutes Mischen der getrennten Bestandteile zur Folge hat, so daß 3ie nicht gewonnen oder entnommen werden können^ nachdem die Ultrazentrifuge angehalten ist ο

Der Trfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue und verbesserte Antriebsvorrichtung für eine Ultrazentrifuge zu schaffen, die die lachteil£ der bekannten Antriebe für derartige Vorrichtungen vermeidet, die eine genaue Geschwindigkeitsregelung der Ultrazentrifuge ermöglicht, die einer minimalen Schwingung unterwarfen ist, in der die Reibung auf ein nicht weiter herabsßtzbares Minimum reduziert ist, und die praktisch eine unbegrenzte Lebensdauer hat„

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von. eine? Direkt-Antriebsvorrichtung für eine Ultrazentrifuge aus, bei der eist *«mtrifugenkopf auf einer Antriebswelle befestigt ist, Erfindungsgemäß enthält die Direkt-Antriebsvorri cittun,* einen dynamisch ausgewuchteten gleichförmigen zylindrischen Rotor aus hochkoerzitiveiT» Meßmetraaterftl „ der mit dei· Welle ein Teil bildet, einen errtgcaden V/echaelst^omstafcor, der den Botor umgibt und mit uitstm eir-en Synchron-Eyscerese~Motor bildet, ein Paar von Fübrimgs- der Ausrtchtungsleger für die Wulle, die über und unter de« 1 tcr angeordnet sind und ein iait Druckluft arbeitendes_Trucklager für die Welle, das unter dem Rotor

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an^eo:c*Met ist und normalerweise die gesamte vertikale ß.bstüt" zung für den Rotor undßen Ul&raz»eiii;ri:fugenkop£ bildet? Der Ausdruck "gleichförmig¹¹ wird vorstehend und in den Umteran-Sprüchen in.seinem allgemeinen'Binn verwendet.und soll den Gegensatz zu zusammengesetzten JLim'dmmgesi ve.>?4eutlioh«m, wie etwa von* gewickelten -Ankern von Konmutsfc>rffloto:.?®n-.

Die Erfindung wird nun auch anhand der beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden üinaelheiten odor Merkmale" zur lösung der Aufgabe im Sinne" der Erfindung beitragen köiiaen und mit &iiü Willen'zur Patentierung in die Anmeldung' aufgenommen wurdenο Es zeigen: ^

Pig«, 1" eine Seit ens sis loht einer Birekt-Antriebsvprrichtung für .eine Ultrazentrifuge gemäß der Erfindung, teilweise im Schnitt und

Figo 2 eine weitere Seitenansicht flea Gerätes nach Fig_r 1, teilweise im Schnitt und normal zum Schnitt nach Fig.. 1 *.-

Es wird nunmehr auf die Zeichnungen3©zug genommen* In diesen ist eine lirekt-Antriebsvorrichtung für erne Ultrazentrifuge öargee'jelltp die eine Antriebswelle 10 unfi einen dynamisch ausgewuchteten gleiuhfijririgen sylixidrischen Äotor 11 aus hochkoerzitivem MagnetraateriaX auft/eist, des* mit der Welle 10, ΖόΒό ^;durch Hart verlöten oder-.fihnilc&eni jbü einem ί tuck verbunden tat«. Dae Material des Rotors Ii kann.8οB. eine Eisen-Kobaltiagierung sein« Der Rotor 11 ist roi% einer .Anzahl w*m sich ix* axialer Richtung erstreckenden Bohrungen 11a w?r?8him_} um dia Kühlung während dee Betriebs zu unterstützen«

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Den Roter 11 umgibt ein erregender Wechselstrorastator Ui, der mit dem Rotor 11 einen Synchron-Hyeterese-Motor bildete Der Motor 11, 12 kann in Übereinstimmung mit den Lehren aur Aus~ bildung von Rotoren nach der US-Patentschrift 2 547 599 ausgefühii. £>ein_n Der Stator 12 ist elektrisch so angeschlossen, daß er über einen Handschalter 9 und Schalter 14, 14a von einer Hochfrequenzquelle 15 erregt werden kann, worauf noch eingegangen wirdo Diu WellelO ist mit einem Paar von Druckschmiorungs-Pührungslagern 15, 16 üblicher Ausführung versehen, und (iie Druckschmierung erfolgt von Öleinlässen 17,18 über Leitungen 19,20 und in Verbindung mit ölabftihrungen oder -auslassen 21, 22 über Leitungen 2*5, 24» Pur jedes Lager 15, 16 sind ferner federnde Abstüt ζ vorrichtungen vorgesehen, die in äer Form eines Paares von O-Ringen 25, 26 aus 1 olycl&ropren vorliegen l:önnen_o Ein Zwangsventilationssystem für den Motor umfaßt eine Lufteinlaßleitung 27 und eine Auslaßleitung 28, und die Luft tritt durch fie inneren öffnungen im Motor und durch die Bohrungen 11a aes Rotors ο

Am oberen Ende der Wolle 10 ist ein Ultraaentriiugeakop:' 29 fest angebracht, der mit einem Schutzring 30, welcher vom Rahmen des Gerätes getragen wird, un<; mit einem Druckaui'nahmeglied 31 ver·* sehen ist, das in einer Öffnung 32 im Rahmen befestigt ;,st,um eine i räzessionsbewegung zu begrenzen» £s ist üblich, den 2jentrifugenkopf 29 im Vikuum zu betrieben, wobei in diesem Fall das obere.druckgeschmierte Lager 15 auch als Vakuumabdichtung dient»

Die Antriebevorrichtung gemäß der Erfindung enthält ferner ein mit Druckluft arbeitendes Drucklager für die Welle 10, cas unter dem Rotor 11 angeordnet ist und normalerweise die gesamte vertikale Abstützung für den Rotor undden angeschlossenen Ultra-

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zentrlfugenkopf 29 während des Betriebs bildet. Dieses mit Druckluft arbeitende Drucklager 34 umfaßt eine am Rotor 11 befestigte Platte 33 sowie eine ortsfeste Lagerschale 33a mit einer nach oben gebogenen in ümfangerichtung verlaufenden Lagerlippe und einem nach unten hängenden Hingflansch 33b. Mit dem Flansch 33b arbeitet ein Abstützring zusammen, der einen äußeren Metallmantel 35 aufweist_t welcher wiederum einen Kreisring 35 aus echwingungsdämpfendem Material, ZoB» Kork, hält, der eine ebene Auflagefläche für den Plansch 33b bildet_P Eine Einlaßlaitnng 37 für unter hohem Druck stehende Druckluft steht Über eiae Leitung 38 und eine Öffnung 38a in der Lagerschale 38b mit dem Ringraum zwischen der Platte 33 und der !lagerschale 33a in Verbindung» um eine Druckluftkammer auszubilden» die die »latte 33, den hiermit verbunden Rotor 11 und'den Ultraasentrifugenkopf 29 von der Lagerschale 33a abhebt₉ wobei ermöglicht ist, daß die Druckluft Üb©r. ate Lippe der Schale ;33a entweichen kann, so UBJ ©in Druckluft-Drucklager geschaffen ist»

Die Antriebsvorrichtung der Ultrazentrifuge enthält fe ?ner ein hilfsweises, normale;*nfcht aktives Rollendrucklager, bestehend aus einem Druckblock 39, der von einer Stange 40 mittels eines Rollendrucklagers 41 getragen wird, wobei die Welle 10 auf einer einzigen Lagerkugel 42 aufsitzt, die in der oberen Fläche des Druckblockes 39 gelagert ist« Die Stange 40 erstreckt ^iah. in eine Druckluftkammer 43, die vom Rahmen der Vorrichtung herabhängt und mit dem Drucklufteinlaß 37 Über die Leitung 38 in Verbindung steht_β In der Kammer A3 ist eine Vorrichtung enthalten, die auf einen vorbestimmten nie drigen Wert der Druckluft anspricht, ZoB» ein ausdehnbarer Balg 44» um das Hilfs-Drucklager 39, 41 in Aktion zu setzen unci den Schalter 14 zu betätigen, wodurch der Erregerstromkreis des Stators des Motors geöffnet und der Schalter 14a betätigt wird* um von den Klemmen

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49 einen Gleichstrom zum Stator 12 zu führen und die Ultrazentrifuge abzubremsen«, Im einzelnen iet der Balg 44 durch eine Hatte 45 verschlossen, die an der Stange 40 abgedichtet befestigt und durch eine Schraubendruckfeder 46 nach oben vorgespannt ist,, welche die Stange 40 umgibt» Das untere Ende der Stange 40 ist mit einer Ausnehmung 47 versehen, die la Anlage mit einem Betätigungselement 48 des Schalters 14 steht, um den Schalter zu schließen, wenn das Betätigungselement 48 niedergedrückt wird, und um den Schalter zu Offen, wenn es Freigegeben wird ο

FpIIs erwünscht, kann der Stator 12 nach Abschaltung infolge öffnung des Schalters 9 von uen Gleichstromanschlußklemmen 49 über einen Handschalter 5C und einen Re£;elwiderstand 51 er» regt werden, mittels dem die Ultrazentrifuge mit jede? gewünschten Verzögerungsgeschwindigkeit gleichmäßig bis zum Stillstand abgi/brernst werden kann? Im Falle eines Luftausfalls wurden die Handschalter 9 und 50 durch den selbsttätigen Schalte:? 14a überbrückt, der bewirkt, daß Gleichstrom von den Klemaen 49 über den Stator 12 fließt und durch Bremswirkung die Ultrazentrifuge anhält»

Es wird angenommen, da» die Betriebsweise der Direkt-vuitriebsvorrichtung gemäß der Erfindung aus der vorstehenden Beschreibung deutlich hervorgeht _o Vor deuj Schließen des Schalters 9 zum Auslösen des Betriebs der Ultrazentrifuge werden den öffnungen 17 und 18 Lageröl, der Öffnung 27 Kühlluft und der Lagerluftöffnung 37 unter hohem Druck stehende Druckluftzugeiiiiucto Dadurch wird durch den Motor Kühlluft.zirkuliert, öl wird unter mäßigem Druck, Z₀B_n 0,56 - 0,84 kg/cm 18-12 lbs/eqoinch) den druckgeschmierten Lagern 15 unö 16 Zugeführt,

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und Luft wird unter mäßigem Druck, z„S. 0,56 - 0,84· kg/c*n (8 - 12 lbs ο /sq., inch) dem Drucklager zugeleitet: das au 3 den Elementen 33 und 33a beetehtr Der Druuk der Lagerluft rau>3 aus= reichen, um die Platte 33 und den mit ihr verbundenen Rofcor 11 sowie den Zentrifugenkopf 29 von des? Lagerschale 33a abs.iheben. so daß die Anordnung auf einem „.uftkissen abgestützt ist , das ein praktisch reibuxsgsfreies Drucklager bildet„ Ein Luftlager dieser Art stellt sich selbst auf unterschiedliche Belastungen ein, doho, wenn die Belastung ansteigt, wii'd die ringförmige Öffnung zwischen der Platte 33 und der Lippe der Lagerschale 33a geringfügig verkleinert, wobei durch die Druckluftleitung der Gegendruck aufgebaut wird, um dadurch die erhöhte Belastung abzustützen« Der umgekehrt© Vorgang findet bei einer Verringerung der Belastung statt«

Unter den angenommenen Zuständen ist der Luftdruck in der Kammer 43 derart, daß die Kraft an der abdichtenden Scheibe 45 c.ie Kraft der Druckfeder 46 überwindet, um die Stange 40 nac; unten zu bewegen, so daß di# Hilfsdrucklager, bestehend εus de;> Elementen 39, 41» 42 in eine nicht aktive Lage gesenkt wird« Zum silben Zeitpunkt wird der Schalter 14 betätigt, um den Stromkreis zwischen der Quelle 13 und dem Motor zu Schließern Die Betätigung des Schalters 9 setzt dann das Gerät in Betrieb_o Wenn au· irgend- , einem Grund der Luftdruckzum Luftdrucklager auf e.nen unsicheren Wert abfällt, wird durch die Kraft der Druckfeder 46 die Stange 40 nach oben bewegt, sodaß das Hilfs-Drueklager 39, 41, -12 in Aktion tritt ο Normalerweiee tritt eine solche Druckverringerung in der Lagerluft infolge eines Stromsausfalles auf, wobei in diesem Fall der Ultrs»zentrifugenfcopf 29 angehalten wird., Wenn jedoch V'srfür irgendein anderer Grund vorliegt, wird dusch öffnuxj^ des Schalters H der Antriebsstrom abgeschaltet, und durch Schließen des Schalters 14a die Bremse betätigt, uii die

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Ultrazentrifuge anzuhalten» Falls erwünscht, können die Anschlußklemmen 49 an einer Batterie angeschlossen nein, tue die tttrasentrifuge trotz eines Stromausfalles anhalte En versteht eich» daß die HochfrequenK-Wechselstromquelle \3 aus irgencieiner bekannten Ausführung bestehen kann, vorzugsweise auti einer solchen, die. auf irgendeine ausgewählte von mehreren Jrequenzen einstellbar oder einregelbar ist, die genau festgelegt und exakt zu allen Zeitpunkten beibehalten wird, wodurch der Betrieb des ültrazentrifugenkopes 29 mit einer genauen vorbestimmten und beibehaltenen drehzahl erleichtert wird -o

Aus obigem ist ersichtlich, daß mittels der Direkt-Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung eine Reihe von Vorteilen sichergestellt werden_o Der Rotor besteht aus einem massiven gleichförmigen Material, dasfzeitlich und thermisch stabil ist un>l relativ leicht dynamisch ausgewuchtet werden kann» Der Rotor 11, die einstückig Welle 1ü und die Lagerplatte 33 bilden eine starre einheitliche Anordnung oder Baueinheit, die sich in der Einstellage nicht verschiebt und daher keine Unwucht erhall;, selbst unter den extremen. Kräften bei einem Betrieb mit hoher Drehzahl« Außerdem sind keine mechanischen Antriebe, wie z.Sc Zahnräder, Riemen, Riemenscheiben usw, vorhanden, die zusätzliche Schwingungen verursachen und unter den anfallenden extanen Drehzahlen und Kräften schnell ausschlagen bzw, verschleißen?

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1o Direkt-AntriebsvOrriuhtimg für eine Ulti?aaentri:?uge, Ln der ein Zentrifugenkopf auf einer A&triebsv/elle befestigt iss, gekennzeichnet durch einen dyiiaois Λ ausgewuchteten gleichförmigen zylindrischen Rotor (11) a is hoohkoerzitivem Magnetmaterial, der mit der Welle (10) ein !_eil bildet, einen erregenden Wechselstromsatator (12), dir den Rotor urjgibt und mit diesem einen Synchron^Hystereae-Mot >r bildet, ein Paar von Ftihrunge- oder Ausrichtungslager (15,16) für die Welle (10), die über und unter dem Rotor (11) angeordnet sind, und ein mit Druckluft arbeitendes Drucklager (34) füi· die Welle, das unter dem Hotor angeordnet ist ind normalerweise die gesamte vertikale Abstützung für den E >tor und den Ultrazeatrifugenkopf (29) bildet,

   2« Vorrichtung nach /nspruoh 1 , dadurch gekennzeichnet, üb.^ die Führungslager (15,1 S) aus einer druckgeschmierten AtipfüM^iissg bestehen und durch f ädernde Vorrichtungen (25,26) abgestützt sind*

   3? Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß diß federnden Lagerabstitzvorrichtungen aus ;je zwei G~Ringesi (25,26) aus Polychloi jpren bestehen„

   4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucklager (34) eine am Rotor (11) befestigte Hatte (33), eine abstützende I.jgerscheibe (33a) und eine Drutkluftieitirag (38,38b) enthält, um zwischen diesen Teilen Druckluft einzudrücken_β

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   5„ Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet _s daß die Lagerscheibe (33a) einen he::abhängenden Ringflansch (33b) enthält, und daß eine abstützende ebene Auflage (35,36) aus schwingungsdämpfendero Material für den Planscfe (33b) vorgesehen isto

   6 ο Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5» gekennzeichnet durch ein normaler/eise nicht aktives Hilfs-Rollenrirucklager (39,41,42) für die Wolle, und du.ch Vorrichtungen (40,43,44) _f die auf einem vorbestimmten niedrigen Druckwert der Druckluft ansprechen, die am Druckluftlager anstellt, um das Hilfslager in Betrieb zu setzen.,

   7p Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 6, g e k e α η zeichnet, durch einen Erregerstromkreis (13,9,14) für den Stator und durch Vorrichtungen (44,47,48,14a), dia auf einen vorbestimmten niedrigen Dru^kwert der Druckluft ansprechen, die an de;.. Druckluft lager (34) ansteht, um den Stator-Erreger st r omkreis zu öffnen«

   8, Vorrichtung nach Anspruch 6,und 1_f dadurch gekennzeichnet , daß die auf den niedrigen Dr ickwert der Druckluft ansprechende Vorrichtung aus einem aufweittüren und zusaramendrückbaren Balg (44) besteht ο

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