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Kupplung für Ultrazentrifugen mit Zonalrotor" Die Erfindung bezieht
sich auf eine Kupplung für eine Ultrazentrifuge mit einem Zonalrotor zum vermischungs-
und leckfreien Zu- und Abführen von Flüssigkeit zum bzw. vom Zonalrotor.
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Bei der Zonal-Zentrifugation einer zu trennenden Substanzprobe wird
diese in eine in den Zonalrotor eingebrachte Flüssigkeit mit definiertem Dichtegradienten
hineinsedimentiert. Der Dichtegradient wird vor dem Einfüllen der zu trennenden
Substanzprobe durch Einpumpen der Gradientenflüssigkeit in den Zonalrotor bei einer
relativ niedrigen Fülldrehzahl von beispielsweise 4000 Umdrehungen pro Minute (Upm)
in dem Zonalrotor aufgebaut. Dieser Füllvorgang, die sich daran anschließende Einbringung
der Substanzprobe in den Zonalrotor sowie die Ausbringung der Substanz probefraktionen
nach der Zentrifugation erfordert eine Kupplung, welche eine vermischunge- und leckfreie
Zu-und Abfuhr der Gradientenflüssigkeit und der in einer Trägerflüssigkeit enthaltenen
ubstanzprobe bzw. Substanzprobefrak tionen gestattet.
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Für diesen Zweck wird bei Ultrazentrifugen mit einem Zonalrotor seither
eine aus mehreren Teilstücken zusammengesetzte
Kupplung benutzt.
Sie besteht im wesentlichen aus einem dreh--baren und einem nichtdrehbaren Dichtelement,
welche mit entsprechenden Durchtrittskanälen zum Zu- und Abführen der Gradientenflüssigkeit,
der Substanzprobe und der Substanzprobefraktionen zum bzw. vom Zonalrotor versehen
sind. Zur flüssigkeitsdichten Abdichtung der Dichtelemente sind O-Ringe vorgesehen.
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Das drehbare Dichtelement ist in dem einen Ende der mit Durchtrittskanälen
versehenen Rotorwelle angeordnet, an welcher der Zonalrotor befestigt ist. Dieses
Dichtelement weist an der Seite, die mit dem Rotorwellenende abschließt, einen Ringkanal
auf. Es besteht üblicherweise aus einem Kunststoff, insbesondere glasfaserverstärktem
Kunststoff, wie beispielsweise glasfaserverstärktem Polytetrafluoräthylen. An dem
drehbaren Dichtelement liegt ein nicht drehbares Dichtelement an, welches auf der
dem drehbaren Dichtelement zugekehrten Seite eine Eartmetallplattierung aufweist.
Von diesem nichtdrehbaren Dichtelement ragt ein Zentrierkegel in das drehbare Dichtelement
hinein. Gehaltert wird das nichtdrehbare Dichtelement auf der dem drehbaren Dichtelement
abgekehrten Seite von einem lUetallflansch, der ebenfalls mit Durchtrittskanälen
versehen und federnd an einer Tragplatte aufgehängt ist. An diesen Metallflansch
sind die Anschlußstutzen für die zum bzw. von Zonalrotor zu fördernde Gradientenflüssigkeit
und Substanzprobe bzw Substanzprobefraktionen angesetzt. Die derart ausgebildete
Kupplung weist ferner noch eine drehbare Buchse auf, welche das Rotorwellenende
umschließt, das das drehbare Dichtelement enthält. Diese Buchse wird auf der rotorwelle
mittels eines in die Rotorwelle eingelagerten O-Ringes geführt2 und sie stützt sich
über ein Kugellager an der Tragplatte ab. Die Buchse dient einerseits zum Schutz
des nicht drehbaren Dicht elements vor mechanischen Beschädigungen und zur Führung
des gesamten Kupplungsoberteils zentrisch zur Rotorwelle. Sie ist andererseite mit
Kanälen zum abführen eventuell austretender Flüssigkeit
versehen.
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Diese bekannte Kupplung gewährleistet nur in beschranktem Umfang
eine vermischungs- und leckfreie Zu- bzw. Abfuhr der Gradientenflüssigkeit, der
Substanzprobe und der Substanzprobefraktionen zum bzw. vom Zonalrotor. Bedingt sind
die Unzulänglichkeiten der Funktionssicherheit der Kupplung vor allem durch die
großen Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizientender verwendeten Werkstoffe.
Wie oben bereits gesagt, besteht das drehbare, in das Rotorwellenende eingesetzte
Dichtelement aus Kunststoff, während die Rotorwelle üblicherweise aus Titan hergestellt
ist. Infolbe des Unterschiedes im @ Wärmeausdehnungskoeffizienten verzieht sich
das drehbare Dicht element während des Betriebs der Zentrifuge, woraus Unebenheiten
an der Dichtfläche und daraus Undichtheiten resultieren. Insbesondere machen sich
diese Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe bemerkbar im
Temperaturbereich von etwa 0 0C bis 30 00. siegen der einzuhaltenden Maßtoleranzen
ergeben sich ebenfalls Herstellungsschwierigkeiten. Wenn beispielsweise das drehbare
Dicht element bei Zimmertemperatur in das Ende der Rotorwelle mit Paßsitz eingebracht
ist, so muß bei einer Temperatur von etwa 0 °C mit zu großem Spiel des Dichtelements
innerhalb der Ausnehmung im Rotorwellenende gerechnet werden.
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die die Herstellung des nicht drehbaren Dichtelemênts, inabesondere
die Anbringung der Hartmetallplattierung ist ziemlich aufwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung der beschriebenen
Art zu schaffen, welche ein hohes Maß an Dichtheit auch u;ahrend des Betriebs der
Zentrifuge bei verschiedenen Temstellungsschwierigkeiten bereiten.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kupplung für eine mit einem Zonalrotor
ausgerüstete Ultrazentrifuge, der an einer mit Durchtrittskanälen versehenen Rotorwelle
aus Metall befestigt ist,zum Zu- bzw. Abführen von Flüssigkeit zum bzw. von dem
Zonalrotor, wobei in dem einen Ende der Rotorwelle ein drehbares 9 mit einem Ringkanal
und mit Durchtrittskanälen für die Flüsslgkeit versehenes Dichtelement angeordnet
ist, an das sich ein nichtdrehbares, mit Durchtrittskanälen für die Flüssigkeit
versehenes Dichtelement anschließt, das mittels eines federnd an einer Tragplatte
aufgehängten, mit einem Ringkanal und mit Durchtrittskanälen für die Flüssigkeit
versehenen Flansches gehaltert ist, und wobei zur flüssigkeitsdichten Abdichtung
der Dichtelemente O-Ringe vorgesehen sind, erfindungsgemäß dadurch, daß das nichtdrehbare
Dichtelement aus einem gegebenfalls glasfaserverstärkten, abriebfesten Kunststoff
und des drehbare Dichtelement aus Metall besteht, welches einen wenigstens annähernd
gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Metall, aus dem die Rotorwelle horgestellt
ist, besitzt. Vorteilhafterweise besteht das nichtdrehbare Dichtelement aus glasfaserverstärktem
Polytetrafluoräthylen. Ein weiteres erfindungswesentliches Merkmal der Kupplung
besteht darin, daß das drehbare Dichtelement aus Metall einen Zentrierzapfen aufweist,
der in das nichtdrehbare Dichtelement hineinragt. Das drehbars Dichtelement ist
vorteilhafterweise austauschbar ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung
der Kupplung ist sichergestellt, daß Undichtheiten praktisch ausgeschlossen sind,
gleichgültig, bei welcher Temperatur die Zentrifuge betrieben wird. Bei der erfindungsgemäß
ausgebildeten Kupplung tritt kein Abrieb der Oberfläche des drehbaren Dichtelements
ein, welche an dem nichtdrehbaren Dichtelement anliegt, so daß eine vermischungs-
und leckfreie Zu- und Abführung der Gradientenflüssigkeit, der Substanzprobe und
der Substanzprobefraktionen mit hoher Sicherheit gewährleistet ist.
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In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Kupplung dargestellt, welche sich besonders bewährt hat.
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In das Ende der Rotorwelle 1, welche mit Durchtrittskanälen la für
die zu fördernde Substanzprcbe und mit einem Durchtrittskanal ib fUr die Gradientenflüssigkeit
sowie mit einem Ringkanal 20 versehen ist, ist mit Paßsitz das drehbare Dichtelement
2 eingesetzt. Dieses drehbare Dichtelement 2 weist einen Ringkanal 18 auf sowis
Kanäle 1a und 1b. Gegenüber der Rotorwelle iet das drehbare Dichtelement durch O-Ringe.19
abgedichtet. Das drehbare Dichtelement weist einen Zentrierzapfen 24 auf, der in
das nichtdrehbare Dichtelement 3 hineinragt. Vorteilhafterweise ist das drehbare
Diohtsrement 2 austauschbar ausgebildet.
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Das Dichtelerent 3 weist ebenfalls kanäle la und ib auf. Gehaltert
wird das nichtdrehbare Dichtelement mittels eines Flansches 4, der Uber Schrauben
5 und eine Schraubenfeder 6 an einer Tragplatte 7 federnd aufgehängt ist. Das nichtdrehbare
Dichtelement ist vorteilhafterweise ebenfalls austauschbar. Die Abdichtung des nicht
drehbaren Dicht elements gegenüber dem Planech 4 wird ebenfalls mittels O-Xingen
19 hergestellt. Der Flansch 4 weist einen Ringkanal 8 auf sowie einen Durohtrittskanal
1b. An den Ringkanal 8 ist ein Anschlußtutzen 9 für die zu fördernde Substanzprobe
bzw. Substanzprobefraktionen angeschlossen. An den Durchtrittskanal ib im Flansch
4 ist ein Anschlußstutzen 10 für die zu fördernde Gradientenflüssigkeit angeschlossen.
Das Ende der Rotorwelle 1. in welches das drehbare Dichtelement 2 eingeretat ist,
ist von einer Buchse 11 umhüllt. Diese Buchse 11 stützt sich Uber ein Kugellager
12 an der Tragplatte 7 ab und wird mittels des O-Ringee 13, welcher in der Rotorwelle
1 angeordnet ist, auf der Rotorwelle geführt.
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Am Flansch 4 ist vorteilhafterweise eine Kühlschlange 14 befestigt,
durch welche ein Kühlmittel, wie Wasser, hindurchgeleitet
wird
- die Wasseranschlußstutzen für die Kühlechlange sind aus Gründen der übersicht
weggelassen. Die Tragplatte 7 wird nach dem Aufsetzen der erfindungsgemäß ausgebildeten
Kupplung auf die Rotorwelle 1 und Befestigen der Kupplung mit der Tragplatte an
einer geeigneten Halte-vorrichtung des Zentrifugen gehäuses horizontal beweglich
gehaltert. Die Buchse 11 dient zum Schutz des nicht drehbaren Dichtelements vor
mechanischen BeschSdigungen und zur Führung des gesamten Kupplungsoberteils zentrisch
zur. Rotorwelle. Sie beaitzt Kanäle 15 zum Abführen eventuell austretender Flüssigkeit.
Die Rotorwelle besteht dblicherweise aus Titan. Das Dichtelement 2 wird vorzugsweise
ebenfalls aus Titan hergestellt. Es kann auch ein anderer metallischer Werkstoff
benutzt werden, der annähernd gleichen Wäraeausdehnungskoeffizienten besitzt wie
Titan. Das Dichteleaent 3 besteht aus einem abriebfesten, vorzugsweise glasfaserverstärkten
Kunststoff wie Polytetrafluoräth-ylen.
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In vorteilhafter Weise ist das drehbare Dichtelement 2 noch mit einem
Gewinde 25 zur Aufnahme eines Hilfswerkzeuges versehen, um im Bedarfafalle das Dichtelement
2 herausnehmen und durch ein anderes ersetzen zu können. Hierdurch wird vermieden,
daß im Falle einer Beschädigung des Dichtelementes 2 auch die Rotorwelle ausgetauscht
werden muß.