DE1943204A1

DE1943204A1 - Wellenbaugruppe fuer Zentrifugen und aehnliche Vorrichtungen

Info

Publication number: DE1943204A1
Application number: DE19691943204
Authority: DE
Inventors: Allen Latham Jun
Original assignee: Cryogenic Technology Inc
Current assignee: Cryogenic Technology Inc
Priority date: 1968-09-23
Filing date: 1969-08-25
Publication date: 1970-04-16
Also published as: US3604769A; CA919634A; FR2018629A1; GB1273639A

Description

DR. LUISE WESSELY
PATENTANWALT

. TELEGRAMME: WESPATENT POSTSCHECK: MÜNCHEN 161590 BANKHAUS H. AUFHÄUSER 37950»

β MÜNCHEN 19 MONTENSTRASSE 9/I TELEFON: (0811) 673J03

P-476

CRYOOEiIIC TECHHOLOOY, Inc., Kelvin Park, 266 Second Avenue, Waltham, Mass./USA

Wellenbaugruppe für Zentrifugen und ähnliche

Vorrichtungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zentrifugenwellenbaugruppe, die kontinuierlich siit verhältnismässig hohen Drehzahlen betrieben werden kann, wobei diese im wesentlichen die Temperatur der Umgebung beibehält.

Erfindungsgeraäss ist eine Öl- und luftgekühlte Welle vorgesehen. Mittels eines ölstrSmangsweges, Wär-iirsaenken und luftgekühlten Oberflächen kann die Welle während des Betriebes konstant auf der Temperatur des* Umgebung cder in der Mähe dieser Temperatur gehalten werden, wodurch TemperaturverMnderungen des Gerätes, welches von der WeHe.gedreht wird, und damit Temperaturainderungen des Materials, das in dem GerSt enthalten 1st, verhindert werden»

009816/0399

Bei der Behandlung bestimmter Flüssigkeiten, wie beispielsweise Blut, pharmazeutische Flüssigkeiten, Zellsuspensionen und dergleichen, kann es erforderlich sein* diese Flüssigkeiten zu zentrifugieren. Als spezielles Beispiel Sei bemerkt, dass das Gesamtblut zentrifugiert wird, um die Zellen vom Plasma zu trennen. Im Fall der Blutbehandlung ist es von grosser Wichtigkeit, dass die Temperatur der Zellen unterhalb der normalen Körpertemperatur gehalten wird. Dies erfordert wiederum, dass alle Behandlungsflüssigkeiten, die verwendet werden, und alle Geräte, die verwendet werden, auf einer relativ konstanten Umgebungstemperatur gehalten werden. Dies wird im allgemeinen dadurch erreicht, dass alle diese Flüssigkeiten und Geräte In einem klimatisierten Raum angeordnet werden* damit sie das gewünschte Wärmegleichgewicht erreichen* ehe sie"rait dem-Blut, das behandelt werden soll, in Berührung gelangen." Es ist selbstverständlich erforderlich, das Blut während der Behandlung auf Umgebungstemperatur oder in der Mähe dieser Temperatur su hai tee., was erfordert, Zentrifugen zur.Verfugung zu haben, die das Blut während der Verarbeitung nicht.erwärmen.

Geräte _s wie beispielsweise Zentrifugen, erzeugen normalerweise Reibungswärme an äen Wellenlagern. Wenn nicht spezielle Vorkehrungen getroffen wsi>den₉ wird diese Wärme auf die Stoffe überfcragea., die zentrifugiert werden. Im Fall von Blut ksrffl die übertragung @±nmw derartigen Wärme auf das Blut die Blutbestsnöteile in irreparabler Weise s@h£3äigen» Sine derartige Schädigung wird Üblicherweise dadurch verhindert oder vermindert, dass die Zentrifuge in eine mechanisch gekühlte Kammer mit Individueller Temperatursteuerung eingeschlossen wird. Hierbei handelt es sich um einen "Vorgang, der eine integrale Kühleinrichtung sowie eine technische überwachung er-

009818/0399

»AP

forderlich machtj um sicher zu sein, dass der Betrieb richtig verläuft.

Es 1st deshalb wünschenswert, eine Zentrifugenwelle zusammen mit zugeordneten Komponenten zur Verfügung zu haben* die nicht so viel Wärme erzeugt, dass eine mechanische Hilfskühlung erforderlich ist, und deren Temperatur In der Nähe der Umgebungstemperatur verbleibt, ohne dass individuelle Thermostaten verwendet werden. Dadurch wird die Verwendung der gegenwärtig benutzten integralen Kühl- und Temperatursteueranlagen ausgeschaltet. Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung wird ein Mittel geschaffen, um den Teil der Welle, der den Drehteilen benachbart ist, die mit den Flüssigkeiten in Kontakt stehen, die zentrifugiert werden, im wesentlichen auf dem Wert der Umgebungstemperatur zu halten. Durch Umwälzung der Umgebungsluft als Kühlmittel zur Kühlung einer ausgedehnten WgrmeÜbertrßgunßSOberfliiehe.. die ihrerseits in WUrmeübei— tragungskonfcakt mit dem Lager-Kühlöl steht* wird die Zentrifugenwelle kontinuierlich im wesentliche!! auf der gleichen Temperatur wie deren Umgebung gehalten.

Es ist ein Hauptziel der Erfindung, eine Zentrifugenwalle zu schaffen, die sich mit Drehzahlen i*on etwa 5000 U/min drehen kann, ohne dass ein marklicher Temperaturanstieg über die Umgebungstemperatur auftritt. Es ist weiterhin Ziel der Erfindung, eine WeIlenbaugruppe zu schaffen, die insbesondere für eine Zentrifuge verwendet werden kann., in der Blut behandelt wird. Es ist ein weiteres Hauptziel der Erfindung- ein Verfahren zu schaffen, um kontinuierlich eine Zentrifugenwelle im wesentlichen auf der- gleichen Temperatur wie die der Umgebungsluft zu halten. Es ist ferner 2JIeI der Erfindung, ein Verfahren der beschriebenen Art zu schaffen,

009816/0399

- ft ~

das es ermöglicht, Blut, welches zentrifugiert wird» auf einer Temperatur zu halten, die unter der Körpertemperatur bleibt. Weitere Ziele der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung erläutert werden.

Die Erfindung umfasst die verschiedenen Stufen und die Beziehung einer oder mehrerer Stufen zu einer oder mehreren der anderen Stufen, und die Erfindung umfasst ferner Konstruktionsmerkmale der Vorrichtung, Kombinationsmerkmale von Elementen und Anordnungen von Teilen, die vorgesehen Bind, um diese Stufe durchzuführen.

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht der erfindungsgemässen Wellenbaugruppe,

Flg. 2 eine Schnittansicht des ölpumpenabsohnittes der in Fig. 1 dargestellten Wellenbaugruppe, genommen längs der Linie 2-2 der Fig. 1, und

Fig. 3 eine Schnittansicht des WärmeUbertragungsrippenabschnittes der in Fig. 1 gezeigten Wellenbaugruppe, genommen längs der Linie 3-3 der Fig. 1.

Bei der erfindungsgemässen Wellenbaugruppe werden Kugellager mit einem öl mit verhältnismässig niedriger Viskosität geschmiert, und dieses Öl wird mittels einer Zentrifugalpumpenwlrküng schnell über die Kugellager und dann über eine Oberfläche innerhalb des Lagergehäuses umgewälzt. Das Lagergehäuse

Ö09 8167 P 3 9 9

ist seinerseits thermisch mit ausgedehnten Wärmeübertragungsoberflächen verbunden, die im wesentlichen auf einer konstanten Temperatur gehalten werden, und zwar dadurch, dass diese Oberflächen mit der Umgebungstemperatur in kontinuierlichem Wärmeaustausch stehen. Ein zusätzliches Merkmal der Wellenbaugruppe ist der Einbau einer elastischen Lagerhalterung, um örtliche Reibungserwärmung auszuschalten _a die im Lager durch geringe Unbalaneen der sieh drehenden Teile erzeugt werden können.

Die Wellenbaugruppe soll im einzelnen unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden» Wie Pig. 1 aeigt, wird die Zentrifugenwelle 10, die vorzugsweise einen minimalen Durohmesser aufweist _s der den Betriebsbedingungen entspricht, in einer ausgefluchteten Lage durch ein oberes Lager 11 und ein unteres Lager 12 gehalten. Dem oberen Lager 11 ist eine ölpumpe 13 zugeordnet, und dem mittleren Abschnitt; der Welle ist ein Wärnieübsrti'agungssystem 14 zugeordnet* Einrichtungen zum Antrieb der Welle sind ganz ai-igemein mit 15 gekennzeichnet« Ein Teil der Zentrifugeneinspannung, die von der Welle angetrieben wird, ist bei 16 gezeigt. Diese Einspannung kann vorzugsweise derart sein, wie es in der deutschen Patentanmeldung . ....... (Patentanmeldung derselben Anmelderin vom gleichen Tag mit dem Titel ^wEiiispannvor~ riohtung zur Halterung eines Zentrifugenmotor^") beschrieben wird.. Die We 11.3 10 wird von einem Lagerdistanzhalter 20 umschlossen. Am oberen Ende lässt das Distansstüek 20 Platz für einen Rotoi» 21» der eine Anzahl von Ölkanilen 22 aufweist, öle dureh diesen Rotor hiiMurohgebehrt sind₀ Der Rotor 21 weist einen langgestreckten Mantel 22 auf, der leicht nach unäen ziir Wellenachse hin geneigt ist. Ein Ring 24 i«t vorgesehen, der eine sich nach oben erstreckende Ringhülae 25

ΟΘ&816/0399

hat, die integral zu dessen innerem Umfang verläuft, und bildet eine ölkammer 26 mit einem dickwandigen Rohr 27, das im wesentlichen die gesamte Länge der Welle umgibt. Das obere Lager 11 begrenzt die ö!kammer 26. Ein Spiel 30 wird zwischen dem sich drehenden Lagerdistanzhalter 20 und der stationären Ringhülse 25 aufrechterhalten.

Der geneigt© Mantel 23 wirkt als Pumpenrotor, der das öl aufnimmt, welches unmittelbar oberhalb des Ringes 2k gesammelt wird. Dieses öl wird durch Zentrifugalkräfte durch die ölkanäle 22 hindurch gepumpt und gelangt in Kontakt mit dem oberen Lager 1I₅ ehe das öl nach unten über die innere Oberfläche 34 des dickwandigen Rohres, und zwar durch die Kammer 26, strömt, um wieder in den ölpumpenrotormanfcel 23 einzutreten. Die sich drehende Baugruppe» bestehend aus dem Bund 21 und dessen Mantel .23* und <äie Anordnung des Dammringes und der Kanäle» die innerhalb der Kammer 26 vorgesehen sind, ergeben eina Ölpumpe von an sich bekanntem Aufbau.

öl wird in.diese-Pumpe duroh'eine Ölleitung 35 eingeführt _s die auch in Verbindung mit einem ülstandanzeiger- 36 steht, der ein fc-r&sisparentss Betraehtungsfe&sfcer 37 hat» Luftöffnungen 38 und. 39 dienen das«., den Druck der Umgebung innerhalb ds s VJelXexsgenl&uses - anfleht zuer-lialteo _a so dass der Luftdroclc ^nr ä®m öl in öl et arid anzeiger 36 gl@ieli dem Luftdruck 113-Wellengehäuse ist." - - "''.'■

Bas otesre Lm^w 11 weist d@n ©ioh drehenden inneren η lagerring 40 auf, Lagerkugeln 4·1 und üen aussehen stationären Lagerring 42* wobei dieses Lager in an sich bekannter Welse ausgebildet ist. Sin Ring ^3 aus einem elastomeren Material dient als eine flexible Wellenlagerung, damit

009816/0399

flexibel Uhbalancen der eich drehenden Teile aufgenommen werden können, um die Belastung des Lagere 11 zu vermindern» wodurch die Wärmemenge vermindert wird» die abgeleitet werden muss.

Das Wärmettbertragungssystem 14 weist Rippen 48 auf, die an der Aussenwandung des dickwandigen Rohres 27 befestigt sind oder ein Ganzes mit diesem bilden. Diese Rippen bilden eine ausgedehnte WärmeUbertragungsoberflache und sind längs ihrer äusseren oberen Kanten in einem dickwandigen oberen Gehäuse 49 montiert und längs der Mittelabschnitte in einem dünnwandigen Mantel 50 und längs ihrer unteren Kanten in einem unteren Gehäuse 51 angeordnet. Wie Fig. 2 zeigt, sind die Rippen 48 zwischen dem dickwandigen Rohr 27 und den Mänteln und Gehäusen angeordnet und begrenzen eine Anzahl von Strömungskanälen 54, durch die ein Wärmeaustauachmitte1, wie beispielsweise Luft mit Umgebungstemperatur.umgewälzt Werden kann. Die Umwälzung der Umgebungsluft erfolgt bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mittels eines Gebläses 60, welches Schaufeln 61 aufweist, die an einem Drehkörper 62 montiert sind ι welcher seinerseits an einer . Riemenscheibe 63 befestigt 1st. Diese Riemenscheibe wird von einem nicht dargestellten Kotor über einen Treibriemen 64 angetrieben. Die Uragebungsluft wird mit hoher Geschwindigkeit in Kontakt mit den Rippenoberflachen hindurchgeführt, nachdem sie durch eine Reihe von Offnungen im oberen Gehäuse eingetreten ist. Eine dieser öffnungen ist bei 65 gszeigt.

Das untere Lager 12 ist in an sich bekannter Weise als selbstschmierendes, langlebiges Lager ausgebildet und wird durch einen Haltering 73 gehalten. Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist ein Keil 76vorgesehen, um die mechanische

009816/0399

Λ:-- ■■ .. ■ - 8 - _ ^: ■'■'■■

Verbindung der Riemenscheibe 63 mit der Welle herzustellen* Eine Einspannscheibe 77 und eine Mutter 78 halten die Baugruppe zusammen. Der Treibriemen und die Riemenscheibe treiben sowohl die Welle als auch das Gebläse an,

Im Betrieb wird ein Ol mit einer verhältnlsmässig geringen Viskosität in die Kammer 26 eingebracht. Durch die Drehung der Welle 10 und damit durch die Drehung des Mantels 23 wird das Ol durch Zentrifugalwirkung durch die ölkanäle 22 im Rotor 21 hindurchgepumpt und dann gegen das obere Lager 11 gedrückt und strömt dann durch Einwirkung der Schwerkraft längs der stationären Oberfläche y\ der Pumpenwandung. Das dickwandige Rohr 27 sowie die Rippen 48 bestehen aus einem Metall, welches bei den Temperaturen, auf denen das Lager gehalten werden soll, eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Aluminium ist ein bevorzugtes Material.

Wärme, die von den Lagerkomponenten auf das öl übertragen wird, welches mit diesen Komponenten in Kontakt gelangt, wird auf das dickwandige Rohr und dann auf die Rippen übertragen, die durch die Umgebungsluft gekühlt v/erden, die durch die Kanäle 5¹* hindurchströmt. Die Welle in einem Gerät, die gemäss der Erfindung ausgebildet ist, weist einen Temperaturanstieg von weniger als etwa 1,5⁰C (3°F) gegenüber der Umgebungstemperatur auf, und zwar nach Erreichung der stationären Betriebsbedingungen. Menschliches Blut, welches in einer Zentrifuge enthalten ist, die an der Welle montiert ist, wird nicht durch Wärme oder Temperaturanderungen geschädigt.

Es ist zu erkennen, dass eine Zentrifuge, die die erfindungsgemässe Welle aufweist, beträchtliche Vorteile für die Behandlung von Blut in der vorher beschriebenen Weise hat. Die Zentrifuge kann in einem klimatisierten Raum betrieben werden, wobei das Blut, das zentrifugiert wird, auf der Um-

009818/039*

gebungstemperatur gehalten wird. In den meisten Fällen wird eine Batterie von verschiedenen solchen Zentrifugen in einem Raum betrieben, um die gewünschte gesamte Blutbehändlungskapazität zu erreichen« und alle Zentrifugen und Lösungen werden bei dieser Raumtemperatur betrieben,

Normalerwe1se wird die Welle im wesentlichen bei Zimmertemperatur betrieben, doch liegt es selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, diese Welle innerhalb jedes gewünschten Temperaturbereiches zu betreiben, wobei die Materialien für die Rohrwandungen und Rippen, die Lagermaterialien und das öl und das Wärmeübertragungsmittel derart gewählt werden, dass die gewünschten Ergebnisse bsi den vorbestimmten Temperaturen erzielt werden.

Es können Abänderungen und Veränderungen vorgenommen werden, die im Rahmen der Erfindung liegen.

009816/0399

Claims

P a t en t ans ρ rU c he

t./Gerät, welches bei einem konstanten vorbestimmten Tempe-/ ^aturpegel schnell gedreht werden soll, gekennzeichnet durch

V '. ·■ ■;■■.

a) eine Drehwelle,

b) untere und obere Lager, die diese Welle in einer aus-" gefluchteten Lage halten,

c) ein diekwandigss Rohr, das diese Welle umgibt,

d) eine obsre Lagerkühlung, die eine Pumpe aufweist,

um Lageröl In Konfca&fc. mit dem oberen Lager umzuwälzen und dann in Kontakt- mit einem Teil der Innenwandung ü(SB Bohr« ι 2U "bringen,- welches eine ölkanimer um diese Pump® herum begrenzt,

@) ausgedehnt© Wärsseiibertr&gungsoberfläefien, die in Wärm@austauschb@3iehung mit ■ dieses» RohF stehen, und

f) Eißriöhtyagenρ um dies© Märmeübertragungsoberflaches auf ©iner v&vhBstinmten_a im wesentlichen konstanten

TeropsFatwi³ ev halten, wobei der Wärraeströmungsweg das obere Lagex^ das L-ageröl, das 'dickwandig© Rohr und die grmsüberfcragungsobsrflachen umfasst« -

2. Gerät nach Anspruch 1_S gekennzeichnet durch eine fle xible Montage des oberen Lagers.

3» Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die" flexible Montage einen Ring aus einem elastomeren Material aufweist, der das obere Lager umgibt.

009816/0399

»Ai

4. OerBt nach Anspruch 1_P dadurch gekennzeichnet« dass das dickwandige Bohr aus Aluminium besteht.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölpumpe die folgenden Teile aufweist:

1. einen Pumpenrotor* der eine Anzahl von ölkanälen aufweist, die derart ausgebildet sind, dass diese öl gegen das obere Lager lenken«

2. eine ÖlkontaktoberflUche, welche die a'uesere Wandung der ölpumpe bildet, und*

3. einen öldamm, der sich zwischen dem dickwandigen Rohr und dem Gehäuse erstreckt.

6. Oer&t nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgedehnten Wärrceüberfcragungsoberflachen Rippen sind, die thermisch mit der äusser&n Oberfläche des Rohres verbunden sind, und dass die Einrichtungen zum Halten der Oberflächen auf der vorbestimmten Temperatur Mittel aufweisen, um ein Medium von im ußsentliehen konstanter Temperatur in Kontakt mit diesen Oberflächen umzuwälzen.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen innerhalb eines zylindrischen Gehäuses montiert sind, welches Wenigstens einen Teil der Welle umgibt, und dass die Einrichtungen zum Umwälzen des Kühlmittels ein Gebläse aufweisen, das das Kühlmittel über diese Rippen hinwegleitet.

3, Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Gehäuse in Strömungsverbindung mit der Um-

009816/0399

■ - :-■■;■ 19 A 3 2 O A

" ■ , : ■■■■.■ - ■■ V ν .'-■ - 12 - . ; '■ ■ -.:■■ - .

gebungsluft steht-« die das Gerät umgibt, und dass das Kühlmittel Luft ist, so dass dass öeriit, die Flüssigkeit, die in dem Gerät enthalten Ist, und alle Flüssigkeiten, die durch das Gerät hindurchgehen, im wesentlichen auf der Umgebungstemperatur während der gesamten Behandlung der.Flüssigkeit gehalten werden.

9. Gerät nach Anspruch1, "gekennzeichnet durch Einrichtungen zur überwachung des ölstandpogsls in der Kühlung des oberen Lagers.

10. Verfahren zum Bstrieb einer Drehwslle bei vorbestimmtar Temperatur, dadurch■-gekennzeichnet, dass

a) öl in Kontükt mit dem oberen Lager darWelle gepumpt wird,

b) das öl dann anschllessend nat;h dessen-Kontakt mit dem oberen Lager mit.-.einer· außgedehn-ten Kühloberf !Sehe in Kontakt ge bracht; 'wivr\, wodurch das öl für einRückpumpen gekühlt wird, und

c) diese ausgedehnte ivtihloberflUohe auf der vorbestimmten Temperatur dadurch gehalten wird, dass ein Wärmeübertragungsmittel In Wärmeaustausch-mit .dieser

, Oberfläche umgewHlzt

11. Verfahren nachAnspruch 10> dadurch gekennzeichnet, dass das WärmeUbertragungsmltte}, die Umgebungsluft ist und dass das öl und1 die'..-KUhloberflache, im wesentlichen auf der Ümgebungs feemperatur gehalten vierden.

009816/0399

Lee rs-β ί te