DE2242959A1

DE2242959A1 - Zentrifuge

Info

Publication number: DE2242959A1
Application number: DE2242959A
Authority: DE
Inventors: William John Cassingham; Herschel Eugene Wright
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1971-08-30
Filing date: 1972-08-29
Publication date: 1973-03-08
Also published as: CA963499A; JPS4833453A; US3759591A; GB1365640A

Description

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

Beckman Instrumente, Inc. 247/1

Zentrifuge

Die Erfindung betrifft eine Zentrifuge, deren Rotor mit einem axial verlaufenden Fortsatz versehen ist und deren Verschluß außer einem drehbaren Verschlußglied, welches sich mit dem axial verlaufenden Fortsatz des Rotors mitdreht und wenigstens einen Strömungskanal aufweist, der mit einem weiteren Strömungskanal im Rotorfortsatz in Verbindung steht,

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ein zweites, ortsfestes Verschließglied enthält, welches von einem ebenfalls ortsfesten Gehäuse getragen wird und einen Strömungskanal besitzt, der mit jenem im drehbaren Verschlußglied in Verbindung steht, wobei beide Verschlußglieder radial verlaufende Dichtflächen aufweisen, die einander berühren und dadurch eine flüssigkeitsdichte Abdichtung bilden, wobei am Verschluß Mittel zum Lagern des ortsfesten Gehäuses auf dem Rotorfortsatz vorgesehen sind.

Die Erfindung ist insbesondere auf.solche Zentrifugen anwendbar, deren Rotor von oben beschickt wird und bei dem auch die Entnahme oben stattfindet. Flüssigkeitsverbindungen zwischen den rotierenden und den stationären Teilen werden über rotierende Sichtflächen hergestellt. Diese Sichtflächen müssen sorgfältig ausgerichtet werden, um einen Flüssigkeitsverlust und übermäßigen Verschleiß der Sichtungen zu vermeiden.

In den bisher bekannten Anordnungen befindet sich zwischen den rotierenden und den ortsfesten Teilen der Zentrifugen eine einzelne Laufbuchse oder ein einzelnes Wälzlager. Mit einem Lager oder einer Buchse ist es jedoch schwierig, die Sichtflächen genau auszurichten, und infolgedessen neigen diese Sichtungen zu Undichtigkeit und schnellem Verschleiß. Wenn Laufbüchsen verwendet werden, ist es gewöhnlich erforderlich, eine zusätzliche Schmierung und Kühlung vorzusehen, um einen störungsfreien Betrieb der Laufbuchsen sicherzustellen. Bei einigen zum Stand der Technik gehörenden Lageranord-

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nungen kann sich, der äußere Laufring des Lagers relativ zum Gehäuse "bewegen, was zu einem erhöhten Verschleiß des Ge- , häuses und zu einer gefährlichen Fehleinstellung führt, es sei denn, das Gehäuse ist aus einem sehr harten Material gefertigt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine . Zentrifuge mit einem verbesserten Verschluß zu schaffen, der eine langlebige und sorgfältige Abdichtung gewährleistet und die obenerwähnten Nachteile vermeidet. .

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die Mittel zum Lagern ein Paar mit Abstand in Achsrichtung angeordnete Wälzlager umfassen, die jeweils einen inneren Laufring und einen äußeren Laufring besitzen, daß Mittel vorgesehen sind, um die inneren Laufringe in vorbestimmter Lage auf dem Rotorfortsatz zu befestigen, daß weiterhin federnde Mittel zwischen den äußeren Laufringen angeordnet sind, um die äußeren Laufringe auseinander zu drücken und daß Befestigungsmittel zur Befestigung des ortsfesten Gehäuses auf den äußeren Laufringen vorgesehen sind.

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die folgenden Verfahrensechritte: Aufbringen des ersten Lagere auf den Rotorfortsatz, Auflegen eines Federteile unmittelbar auf den äußeren Laufring des Lagers, Aufbringen des zweiten Lagere auf den Rotorfortsatz, und zwar unmittelbar auf das Federteil, Zusammenziehen der inneren Laufringe und Befestigen derselben in vorbestimmter Lage auf dem Rotorfortsatz, so daß das Federteil die äußeren Laufringe auseinanderdrückt und dadurch die Lager vorspannt und schließlich Befestigen des ortsfesten Gehäuses auf den äußeren Laufringen der vorgespannten Lager.

Somit ist also in dem erfindungsgemäßen Zentrifugenverschluß zwischen den rotierenden und ortsfesten Teilen der Zentrifuge ein Paar Wälzlager vorgesehen. Zwischen den äußeren Laufringen der Lager befindet sich ein Federteil, welches zum Torspannen 'der Lager dient. Beim Zusammenbau werden die Lager und das Federteil auf den Rotor aufgebracht und anschließend werden die inneren Laufringe der Lager zusammengezogen und in einer vorbestimmten Lage auf dem Rotor befestigt, wobei das Federteil die äußeren Laufringe auseinanderdrückt. Nachdem die Lager nun so vorgespannt sind, werden ihre äußeren Laufringe am ortsfesten Teil der Yerschlußanordnung befestigt und danaoh die Verschlußteile mit den Dichtflächen eingebaut.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Sa- ' bei zeigt:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zentrifugenverschluß und

Figur 2 den Querschnitt entlang der Linie II-II in Figur 1.

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Die Zeichnungen zeigen eine Zentrifuge mit einem Rotoreinsatz 10, die sich zum Rotieren um eine senkrechte Achse 11
eignet. Der Rotoreinsatz umfaßt einen Hauptteil 12 und eine »Abdeckung 13, die einen in axialer.Richtung verlaufenden Portsatz 14 besitzt. Eine in axialer Riohtung verlaufende Bohrung 16 in
der Abdeckung 13 und im Fortsatz 14 steht in "Verbindung mit
einem axial verlaufenden Strömungskanal 17 und einer Anzahl radial verlaufender Strömungskanäle im Hauptteil 12 des Rotoreinsatzes. Die Abdeckung 13 ist durch geeignete, nicht eingezeichnete Mittel auf dem Hauptteil 12 befestigt.

Der Verschluß enthält ein Paar Gleitlager 21 und 22. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, sind die lager Kugellager mit inneren laufringen 21a bzw. 22a und äußeren Laufringen 21b bzw. 22b. Die Lager 21, 22 sind auf dem Fortsatz 14 angebracht, wobei der innere Laufring 21a des Lagers 21 an einem ringförmigen Anschlag 26 des Fortsatzes 14 anliegt. Zwischen den inneren
Laufringen 21a und 22a der Wälzlager 21 und 22 ist ein Distanzring 27 vorgesehen, während ein Verschlußaufnahmeteil 28 auf die obere Außenfläche des inneren Laufrings 22a des Wälzlagers 22
einwirkt. Das Aufnahmeteil ist auf den oberen Abschnitt des Rotorfortsatzes 14 aufgeschraubt und erlaubt, die inneren Lauf-. ringe 21a und 22a der Wälzlager in einer vorbestimmten Lage auf dem Fortsatz 14 zu befestigen. Ein O-Ring 29 bewirkt eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen dem Aufnahmeteil.,28 und dem
Fortsatz 14. ..

Es sind Mittel vorgesehen, um die äußeren Laufringe 21b
und 22b der Wälzlager unter Vorspannung zu setzen« Diese Mittel beinhalten einen nachgiebigen Federring 31, der zwischen den

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äußeren Laufringen der Wälzlager angeordnet ist und diese auseinanderdrückt.

Um die Walzlager 21 und 22 ist eine ortsfeste Umkleidung 33 herumgelegt. Diese Umkleidung enthält eine axial verlaufende, innere Bohrung 34 _f deren Durohmesser von der gleichen Größenordnung wie der Außendurchmesser der äußeren Laufringe 21b, 22b ist. Ein Schnappring 36 liegt in einer in der Bohrung 34 verlaufenden Ringnut 37. Dieser Schnappring liegt zwischen dem Federring 31 und dem äußeren Laufring 21b des Wälzlagers 21. Wie man am besten anhand der Figur 2 sieht, ist die Umkleidung 33 entlang einer radial verlaufenden Ebene 38 aufgeschlitzt, wobei eine Zugschraube 39 vorgesehen ist, um die Umkleidung 33 sicher auf den äußeren Laufringen 21b und 22b der Lager festzuklemmen. Die Umkleidung 33 besitzt eine Anzahl von Kühlrippen 41> die ein geeignetes Mittel zur Wärmeabfuhr von den Lagern 21 und 22

darstellen. Die Umkleidung 33 kann aber auch auf andere Art und Weise auf den Wälzlagern 21, 22 befestigt werden, so z.B. durch Madenschrauben, durch Klemmbügel oder durch Aufziehen eines Kragens oder Klemmrings.

In der Bohrung 16 dea Rotorfortaatzes 14 verläuft in axialer Richtung ein Verbindungsrohr 42. Dieses Rohr besitzt innen einen Strömungskanal 43, der mit dem Strömungskanal 17 im Hauptteil 12 des Rotors in Verbindung steht. Zwischen der Innenwandung der Bohrung 16 und der Außenwandung dee Verbindungsrohrs 42 wird ein ringförmiger Kanal 44 gebildet. Dieser ringförmige Kanal steht mit den radial verlaufenden Strömungskanälen 18 im Hauptteil 12 dea Rotors in Verbindung. Eine Druck-

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feder 45 preßt das Verbindungsrohr 42 nach oben und ein O-Ring

46 bildet eine Dichtung zwischen dem Verbindungsrohr und der inneren Wandung des Strömungskanals 17.

Ein drehbares Veraohlußglied 47 ist in einer Bohrung angebracht, die in axialer Richtung im Verschlußaufnahmeteil verläuft. Ein O-Ring 49 bildet eine ruhende Dichtung zwischen dem Verschlußglied 47 und dem Aufnahmeteil 28. Das Verschlußglied

47 enthält einen Zentralkanal 51» eine Anzahl yon im Außenbereich liegenden Kanälen 52 und eine obenliegende Dichtfläche Der Zentralkanal 51 steht mit dem Strömungskanal 43 in Verbindung, während die äußeren Kanäle 52.mit dem ringförmigen Kanal 44 in Verbindung stehen. Gleichzeitig münden die äußeren Kanäle 52 in eine Ringnut 54, welche in der Dichtfläche 53 verläuft. Der obere Abschnitt des Verbindungsrohrs 42 ragt in den unteren Abschnitt des Zentralkanals 51 hinein, wobei zwischen der inneren Wandung des Zentxalkanals und der Außenseite des Verbindungsrohrs 42 Dichtmittel 56 vorgesehen sind*

Über dem drehbaren Verschlußglied 47 ist ein ruhendes .Verschlußglied 58 eingebaut* Dieses enthält eine untenliegende Dichtfläche 59, welche die Dichtfläche 53 des drehbaren Verschlußgliedes 47 berührt, einen Zentralkanal 61, der mit dem Zentralkanal 51 in Verbindung steht, sowie in seinem Außenbereich eine Anzahl von Kanälen 62, die mit der Ringnut 54 und den Kanälen 52 in Verbindung stehen.

Das ruhende Verschlußglied 58 ist in einem Gehäuse 63 eingebaut, welches mit Schrauben 64 an der ebenfalls ruhenden

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Umkleidung 33 befestigt iat. Zwischen dem Verschlußglied 58 ' und dem Gehäuse 63 ist ein ringförmiger Strömungsbereich auegebildet, der mit den Kanälen 62 in Verbindung steht. Ober-¹ halb und unterhalb dieses Bereiches sind zwischen dem Vereohlußglied 58 und dem Gehäuse 63 Q-Ring-Dichtungen 67 und 68. j vorgesehen. Zum Zentralkanal 61 und zum ringförmigen Strömungabereich 66 führen Anschlußstutzen 71 und 72. Biese, Anschluß- ' stutzen sind in Bohrungen des Gehäuses 63 eingesetzt und durch O-Ringe 73 und 74 abgedichtet. Eine gesohlitzte Sicherungahülee 76 umfaßt verschiebbar die Außenseite des Gehäuses 63t ^{utD ä}^^e Anschlußstutzen 71 und 72 an ihrem Bestimmungsort zu arretieren. An den Anschlußstutzen angebrachte Zuleitungen hindern das Gehäuse am Rotieren, während die Zentrifuge läuft. Am oberen Ende des Gehäuses ist eine abnehmbare Abschlußschraube 77 eingeschraubt. Nach Entfernen dieser Schraube erhält man einen Zugang zur Oberfläche des ruhenden Verschlußgliedes 58.

In der Außenfläche des Verschlußaufnahmeteils 28 aind schraubenförmig verlaufende Nuten 81 und 82 vorgesehen. Während der Rotor 12 läuft, pumpen diese Nuten jegliche Flüssigkeit im Bereich zwischen dem Aufnahmeteil 26 und der Umkleidung 33 nach oben in einen Ringraum 83 in der Nähe der Dichtf läohen und 59. Zu diesem Rlngraum 83 erhält man über einen Ansohlußatutzen 84 Zugang.

Erfindungagemäß wird der Verschluß an der Zentrifuge wie folgt hergestellt: Zunächst wird

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das Lager .21 so auf den Rotorfortsatz 14 aufgebracht, daß der innere Laufring 21a auf dem ringförmigen Anschlag 26 aufliegt. .Danach wird die ortsfeste „ Umkleidung 33 über· den Fortsatz» H und das Lager 21 geschoben, wobei der Schnappring 36 auf den äußeren Laufring 21b zu liegen konrat. Der Distanzring 27 und der Federring 31 werden auf den inneren Laufring 21a bzw. auf den . Schnappring 36 gelegt, und sodann wird das Lager 22 auf den-Fortsatz 14 aufgebracht. Anschließend wird das Verschlußaufnahmeteil23 auf den oberen Abschnitt des Fortsatzes 14 aufgeschraubt und fest gegen den inneren Laufring 22a angezogen, wodurch die inneren Lauf ringe 21a und 22a zusammengedrückt und am Fortsatz -14 befestigt werden. Während die inneren Laufringe 21a und 22a zu^A sammengedrückt werden, werden die äußeren Laufringe 21b und 22bV auseinandergepreßt und durch den Federring"31 vorgespannt. Nach-'. dem die Lager 21 und 22 vorgespannt sind, wird die Zugschraube 39 angezogen,"· wodurch die Umkleidung 33 auf den äußeren Laufringen 21b und 22b der Lager 21 und 22 festgezogen wird.

Anschließend wird das Verbindungsrohr 42 eingesetzt, und· das drehbare Verschlußglied 47 in die Bohrung des Verschlußaufnähmeteils 28 eingeführt. Danach werden das ruhende Verschlußglied 58 und das Gehäuse 63 eingebaut und die Schrauben 64 eingesetzt. Wenn diese Schrauben angezogen sind, preßt die Druckfeder 45 das Verbindungsrohr nach oben gegen das Verschlußglied 47 und infolgedessen auch dessen Dichtfläche 53 gegen die . Dichtfläche 59 und stellt eine flüssigkeitsdichte Verbindung ' zwischen beiden her. Wenn es nicht bereits geschehen ist, werden nun die Anschlußstutzen 71, 72 und 84 eingesetzt und die Sicherungshülse 76 über das Gehäuse 63 geschoben.

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- ίο -

Über leitungen, die an die Anschlußstutzen 71 und 72.angeschlossen sind, wird der Zentrifuge Flüssigkeit zugeführt. Im Normalbetrieb wird die Flüssigkeit durch den Anschlußstutzen 71 zugeführt und dann durch die Kanäle 61, 51 und 43 in den Kanal 17 im Hauptteil 12 des Rotors weitergeleitet, wo sie in Einklang mit der jeweiligen Zentrifugiermethode weiterverteilt wird. Nachdem sie den Rotorkörper 12 durchwandert hat, strömt die Flüssigkeit durch die Strömungskanäle 18, 4-4» 52 und 62,durch den ringförmigen Strömungsbereich 66 und schließlich durch den Anschlußstutzen 72 nach außen. Falls erforderlich, kann die Strömungarichtung umgekehrt werden. Wie bereits ausgeführt' : wurde, verhindern die an den Ansohlußstutzen 71 und 72 angeschlossenen Zuleitungen, daß das Gehäuse 63,die Umkleidung 33 sowie die damit verbundenen Teile in Rotation versetzt werden..

Jegliche aus einer mangelhaften Dichtwirkung der Dichtflächen 53 und 59 herrührende Flüssigkeit gelangt zum Ringraum 83, von wo sie über den Anschlußstutzen 84 abgezogen wird. Die schraubenförmig verlaufenden Nuten 81 und 82 verhindern, daß . die leckflüssigkeit in die Lager 21 und 22 hineinläuft. Wie bereits erwähnt, wird mittels dieser Nuten jegliche Flüssigkeit aus dem Bereich zwischen dem Aufnahmeteil 28 und der Umkleidung 33 von den lagern fort nach oben und aus dem Anschlußstutzen 84 hinausgepumpt. Flüssigkeit, die aus dem Anschlußstutzen nach außen gefördert wird, kann entweder an einen Aufnahmebehälter

abgegeben oder in der Zentrifugenkammer gesammelt werden.

Die Anwendbarkeit der Erfindung umfaßt sowohl die zonale Zentrifugierung als auch den Betrieb mit kontinuierlicher oder,

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halb-kontinuierlicher Zufuhr. Ια Palle zonaler Zentrifugierung kann der·Rotor sowohl in Ruhe als auch während der Rotation beschickt werden. Um den „Verschleiß der Dichtflächen und £ager zu verringern, werden die Anschlußstutzen 71, 72 und 84 sowie die daran angeschlossenen Zuleitungen entfernt, sobald der laufende Rotor beschickt iat und "bevor der 'eigentliche Lauf beginnt. Der normalerweise ruhende Seil des Verschlusses darf sich dann mit dem Rotor mitdrehen. Wenn der Lauf beendet ist, wird der Rotor auf geringe Geschwindigkeit abgebremst und das Gehäuse 63, die Umkleidung 33 sowie die daran befestig·; ten Teile werden angehalten, die Anschlußstutzen und Zuleitungen werden wieder angeschlossen und anschließend der Rotor entladen. Palis gewünscht, kann der Rotor aber auch schon vor dem Wiederanschließen der Anschlußstutzen und Zuleitungen angehalten werden.

Die Erfindung besitzt viele wünschenswerte Merkmale. Die axial vorgespannten Wälzlager erlauben ein genaues Ein- ■ richten der Dichtflächen 53 und 59, wobei die ruhende Dichtfläche 59 genau in einer Ebene quer zur Rotationsachse der rotierenden Dichtfläche gehalten ist. Diese genaue Ausrichtung gewährleistet eine gute, flüssigkeitsdichte Abdichtung und reduziert den Abrieb zwischen.den Dichtflächen auf ein Minimum. Das Vorspannen der Lager-führt zu einem derartigen Berührungswinkel, daß die effektive Unterstützungslänge grosser ist als der Abstand zwischen den Lagern. Da die äußeren Laufringe der Lager fest mit der Umkleidung 33 verklemmt sind, gibt es selbst dann an der Umkleidung keinerlei Verschleiß, wenn diese aus einem weichen. Material wie Aluminium'

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gefertigt ist. Die lager erfordern, keine Kühlung oder Schmierung von außen, und die gesamte Anordnung ist leicht zusammen zubauen und zu zerlegen.

- Patentansprüche - '

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Claims

Patentansprüche

Zentrifuge, deren Rotor mit einem axial verlaufenden !Fortsatz versehen ist und deren Verschluß außer einem drehbaren Verschlußglied, welches sich mit dem axial verlaufenden Fortsatz des Rotors mitdreht und wenigstens einen Strö mungskanal aufweist, der mit einem weiteren Strömungskanal im Rotorfortsatz in Verbindung steht, ein zweites,, ortsfestes Verschlußglied enthält, welches von einem ebenfalls ortsfesten Gehäuse getragen wird und einen Strömungskanal besitzt, der mit jenem im drehbaren Verschlußglied.in Verbindung steht, wobei beide Verschlußglieder radial verlaufende Dichtflächen aufweisen, die einander, berühren und da durch eine flüssigkeitsdichte Abdichtung bilden, wobei am: Verschluß Mittel zum Lagern des ortsfesten Gehäuses- auf dem Rotorfortsatz vorgesehen sind, dadurch, gekennzelehnet, daß die Mittel zum lagern ein Paar mit Abstand, in Achsrich tung angeordnete Wälzlager (21,22) umfassen, die jeweils einen inneren laufring (21a, 22a) und einen äußeren Laufring (21b, 22b) besitzen, daß Mittel (26, 27, 28) vorgesehen sind, um die inneren Laufringe (2Ia₁ 22a) in vorbestimmter Lage auf dem Ro tor fort satz. (14) zu befestigen,, daß weiterhin federnde Mittel (51) zwischen den äußeren Laufringen (21h, 22b) angeordnet sind, um die äußeren Lauf ringe (21b, 22b) auseinander zu drücken, und daß Befesti-

gungsmittel (39) zur Befestigung des ortsfesten Gehäuses (33, 63) auf den äußeren Laufringen (21b, 22b) vorgesehen sind.
2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Mittel (31) aus einem Federring bestehen.
3. Zentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum ortsfesten Gehäuse eine in einer Radialebene geschlitzte Umkleidung (33) gehört, die die äußeren laufringe (21b, 22b) der Wälzlager (21, 22) umgibt,
4. Zentrifuge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung des ortsfesten Gehäuses (33, 63) auf den äußeren Laufringen (21b, 22b) ein Gewindeteil (39) dient, mit dem die Umkleidung (33) auf die Laufringe (21b, 22b) aufgeklemmt wird.
5. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (26, 27, 28) zum Befestigen der inneren Laufringe (21a, 22a) auf dem Rotorfortsatz (14) einen Distanzring (27) zwischen den Laufringen (21a, 22a), eine Anschlagfläche (26) auf dem Rotorfortsatz (14) zur Aufnahme des einen Laufringes (21a) sowie ein Teil (28) enthalten, welches auf den Rotorfortsatz (14) aufgeschraubt ' ist und auf den zweiten Laufring (22a) drückt.
6. Zentrifuge nach. Anspruch. 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (28), welches auf den Rotorfortsatz (14) auXge-

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schraubt ist, eine axial verlaufende Bohrung (16) enthält, in der das drehbare Verschlußglied (47) angeordnet ist.
7. Verfahren zum Aufbau des Verschlusses einer Zentrifuge, deren Rotor mit einem axial verlaufenden Fortsatz versehen ist und deren Verschluß drehbare und ortsfeste Verschlußglieder mit sich radial erstreckenden Dichtflächen besitzt, die einander berühren und dadurch eine flüssigkeitsdichte Abdichtung bilden, wobei das ortsfeste Verschlußglied von einem ebenfalls ortsfesten Gehäuse getragen wird und der Verschluß ein Paar mit Abstand in Achsrichtung angeordnete Läger zum Anbringen des ortsfesten Gehäuses auf dem Rotorfortsatz enthält, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Aufbringen des ersten Lagers auf den Rotorfortsatz, Auflegen eines Eederteils unmittelbar auf den äußeren Laufring des Lagers, Aufbringen des zweiten Lagers auf den Rotorfortsatz, und zwar unmittelbar auf das Pederteil, Zusammenziehen der inneren Laufringe und Befestigen derselben in vorbestimmten Lage auf ueva Rotorfortsatz, so daß das Federteil die äußeren Laufringe auseinanderdrückt und dadurch die Lager vorspannt und schließlich Befestigen des ortsfesten Gehäuses auf den äußeren Laufringen der vorgespannten Lager.
8. Verfahren zum Zusammenbau des Verschlusses einer Zentrifuge gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ortsfeste Verschlußglied in das ortsfeste Gehäuse eingebaut wird, bevor dieses an den vorgespannten Lagern befestigt ist.

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