DE2901907A1

DE2901907A1 - Zentrifugenrotoraggregat

Info

Publication number: DE2901907A1
Application number: DE19792901907
Authority: DE
Inventors: Lee Gropper; Kenzo Ishimaru
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1978-01-27
Filing date: 1979-01-18
Publication date: 1979-08-02
Also published as: GB2013110A; FR2415485A1; US4142670A; FR2415485B1; DE2901907C2; GB2013110B

Description

F»aier.tanwältc Dip!.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

"3*" Dipl.-Ing.

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 1 8. JAN. 1979

Unser Zeichen: 1⁶5O1 xi/Bu

Beckman Instruments, Inc., Fullerton, Calif. 92634

Zentrifugenrotoraggregat

Die Erfindung betrifft allgemein Zentrifugen zur Trennung der Bestandteile eines Strömungsmittelgemischs und näherhin einen Zentrifugenrotor, welcher automatisch die aus dem Strömungsrittelgemisch abgetrennten Bestandteile in einer abgedichteten Kammer isoliert, um eine ansonsten mögliche Rückvermischung mit dem Rest des Strömungsmittelgemischs nach Abschluß des ZentrifugationsVorgangs zu verhindern.

Bekanntlich lassen sich die verschiedenen Bestandteile eines Strömungsmittelgemischs voneinander trennen, indem man das Strömungsmittelgemisch in einer Zentrifuge sehr hohen Rotationsdrehzahlen aussetzt. Ein Problem im Zusammenhang mit dem Zentrifugationsvorgang besteht dabei hinsichtlich einer möglichen Rückvermischung der verschiedenen abgetrennten Bestandteile während der Zeit, in welcher der Rotor von seiner hohen Drehzahl bis zum vollständigen Stillstand abgebremst wird. Es wurden daher verschiedene Anordnungen vorge-

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schlagen, wie sie etwa in den US-Patentschriften 3 239 136, 3 096 283 und 4 056 225 veranschaulicht sind, um die abgetrennten Strömungsmittelbestandteile in einer ringförmigen Kammer dicht abzuschließen.

Die gemäß den beiden eratgenannten Patentschriften vorgesehenen Anordnungen zur Erzielung dieser Abdichtung sind ziemlich kompliziert und bedingen höhere Gestehungskosten der Vorrichtung. Außerdem arbeiten diese beiden bekannten Vorrichtungen nicht automatisch in Abhängigkeit vom Zentrifügationsvorgang in dem Sinn, daß sie sowohl eine automatische Abdichtung und eine Aufhebung dieser Abdichtung, der Ringkammer gewährleisten. Eine derartige automatische Abdichtung und öffnung der Ringkammer während der^ Zentrifugation ist zwar bei der US-Patentschrift H O56 225 gegeben, jedoch ist hierbei ein gesondertes Dichtungselement vorgesehen, durch welches sich die Sesamtabmessung des Rotors vergrößert; außerdem bedeutet die Verwendung eines gesonderten Elements im Rotor zusätzliche Gestehungskosten für die Gesamtherstellung des Rotors.

Der Erfindung liegt daher als Aufgabe die Schaffung- eines Rotoraggregats zugrunde, bei welchem die automatische Abdichtung bzw. öffnung der Ringkammer in Abhängigkeit vom Zentrifugationsvargang in konstruktiv einfacher und betriebszuverlässiger Weise ohne-gesonderte Rotorteile gewährleistet ist.-

Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung bei einer elastischbiegsamen Rotorauskleidung mit einer Mittelkammer und einer Ringkammer zur Aufnahme eines ζιί zentrifugierenden Strömungsmittelgemischs eine solche Konfiguration bzw. Formgebung der Rotorauskleidung vorgesehen» daß sie bei Anbringung im Rotor automatisch in Abhängigkeit von den Zentrifugationskräften die öffnung des Dichtungsabschlusses bzw. die Wiederherstellung dea Dichtungsabschlusses der Ringkammer gegenüber der Mittel-

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kammer gewährleistet. Die Auskleidung ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß der abnehmbare Deckelteil des Rotors den Oberteil der Auskleidung zur Anlage gegen bzw. zum Eingriff mit einem ringförmigen Verbindungsteil im Unterteil der Rotorauskleidung drückt, unter Ausbildung einer Ringdichtung zwischen der Ringkammer und der Mittelkammer der Auskleidung. Im stationären Zustand des Rotors liegt ein Spalt zwischen dem Boden der Auskleidung und dem Boden der die Auskleidung aufnehmenden Ausnehmungen im Rotor vor, derart daß eine Verstellbewegung des Unterteils der Rotorauskleidung ermöglicht wird. Während der Zentrifu-;ation^behandlung wird das Unterteil der Rotorauskleidung infolge der durtti Zentrifugal wirkung erzeugten Kräfte des Strömungsmittel— gemischs in Richtung auf den Boden des Rotors verstellt, wodurch ein Spalt zwischen dem ringförmigen Verbindungsbereich im unteren Teil der Rohrauskleidung und einem oberen Teil der Rotorauskleidung zustande kommt, welcher eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Ringkammer und der Mittelkammer gestattet.

Bei Beendigung der Zentrifugation und Rückkehr des Rotors in seine stationäre- oder Ruhelage, bewirkt die Eigenelastizität infolge der Vorspannkonfiguration der Rotorauskleidung, daß das Unterteil der Rotoräuskleidung automatisch den ringförmigen Verbindungsbereich zur Berührung mit bzw. Anlage gegen den Oberteil der Rotorauskleidung verstellt. Diese Verstellung tritt auf, sobald die Eigenelastizitätskräfte der Rotorauskleidung größer als die durch die zentrifugierte Strömungsmitte!probe induzierten Kräfte sind.

Somit können während des Zentrifugationsvorgangs die Bestandteile höheren spezifischen Gewichts des in die Rotorauskleidung eingebrachten Strömungsmittelgemischs aus der InnenaderMittelkammer in die äußere oder Ringkammer strömen. Die

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Bestandteile mit geringerem spezifischen Gewicht als das Strömungsmittel verlagern sich in Richtung auf den Mittelbereich des Rotors und werden daher in der Mittelkammer angesammelt. Diese Querströmung zwischen den betreffenden -Kammern wird durch die automatische Öffnung der Abdichtung zwischen den Kammern als Folge der durch Zentrifugalwirkung induzierten, von dem Strömungsmittelgemisch in der Rotorauskleidung gegen das Unterteil der Auskleidung ausgeübten Kraft möglich . Bei der Abbremsung des Rotors zum Stillstand nach einer Zentrifugationsbehandlüng kommen die von dem Flüssigkeitsgemisch in der Rohrauskleidung durch Zentrifugalwirkung erzeugten Kräfte in Fortfall,'was die Wiederherstellung der Abdichtung der Ringkammer gegenüber der Innenkammer durch die Vorspannungs· kräfte in dem vorgeformten elastischen Äuskleidungselement zur Folge hat. Somit werden die Strömungsmittelbestandteile höheren spezifischen Gewichts in der Ringkammer isoliert und dicht abgeschlossen. Die Erfindung gewährleistet somit eine automatische Abdichtung bzw» Aufhebung der Abdichtung zwischen der Ring- und der Innenkammer des Rotorbehälters mit Hilfe einer konstruktiv einfachen und billigen Vorrichtung.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. i die Zentrifugenapparatur im Schnitt in

Seitenansicht;

Fig. 2 . in auseinandergezogener.perspektivischer

Darstellung die Einzelteile des Zentrifugenrotors ;

Fig. 3 eine Schnittansicht im Schnitt längs der

Linie 3-3 in Fig. 2;

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Fig. 4 eine Schnittansicht des Rotors zur Veranschaulichung der Lage der betreffenden Kanunern im abgedichteten Zustand in der Ruhelage des Rotors;

Fig. 5 in der Fig. 4 entsprechender Schnittansicht

den Rotor im Zustand der Aufhebung der Abdichtung zwischen den betreffenden Kammern und öffnung der Strömungsverbindung zwischen ihnen während des Zentrifugationsbetrlebs des Rotors.

Fig» 1 zeigt in etwas schematisierter Form die Gesaitt-Zentrifugenanordnung 10, mit einem Gehäuse 12 und einer in dem Gehäuse vorgesehenen Rotorkammer 14,- welche den Rotor l€ aufnimmt. Die obere Gehäuseöffnung IS ist durch einen um einen Schwenkzapfen 22 schwenkbaren Deckel 20 verschlossen. Der Rotor 16 ist in der Rotorkammer 14. auf einem aus einem Statorkörper 26 und einem Statorkissen 28 bestehenden Rotorsitz 24 angeordnet. Der Statorkörper weist einen sich abwärts erstreckenden Mittelteil 30 sowie einen äußeren ringförmigen Bereich 32 auf. Das Statorkisserl· 28 ist In einer Ausnehmung 3^ des Ringteils 32 des Statorkörpers freischwebend beweglieh angeordnet. An der Unterseite des Ringteils 32 des Statorkorpers Ist eine O-Ringdichtung 36 angebracht» welche den Statorkörper gegen den Boden 3& eier Rotorkammer 14 abdichtet.

Zwischen dem abwärts gerichteten Mittelteil 30 des Statorkörpers und dem Gehäuse 12 befindet sich eine ringförmige Sanunel- bzw. Verteilerleitung 40, die in Strömungsverbindung mit einem Antriebsluftkanal 42 steht. In dem Statorkörper 26 sind "mehrere Antriebsluftdüsen 44 in Strömungsmittelverbindung mit der ringförmigen Sammel- bzw. Verteilerkammer 40 vorgesehen. Aus diesen Luftdüsen wird Antriebsluft zum Drehantrieb des Rotors gegen den Rotor gerichtet. Die Unterseite 46 des ./.

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abwärts gerichteten Mittelteils 30 des Statorkörpers 26 ist am Boden 4 8 der Verteiler- bzw. Samme1kammer 40 durch einen O-Dichtungsring 49 abgedichtet.

Wie im einzelnen aus Fig. 2 ersichtlich, besteiit das Rotoraggregat 16 aus einem Unterteil 50 und einem Oberteil oder Deckel 52. Das Unterteil weist eine zentrale Mittelausnehmung 54 sowie eine ringförmige Ausnehmung 56 auf, die voneinander durch eine kreisförmige Wandung 58 getrennt sind. Am Boden 60 des Unterteils 50 ist eine Reihe von Luftschaufeln bzw. -ausnehmungen 62 vorgesehen, auf welche die Luft aus den Luftdüsen 44 in Fig. 1 zum Drehantrieb des Rotors im Zentrifugationszustand auftrifft.

Die Mittelausnehmung 54 und die Ringausnehmung 56 im Unterteil 50 des Rotors sind zur Aufnahme einer Rotorauskleidung 64 mit ihrem entsprechenden Mittelteil 66 und Ringteil 68 ausgebildet. Die Auskleidung 64 weist ein Unterteil 70 und ein Oberteil 72 auf. In der Mitte des Ober- oder Deckelteils 72 der Auskleidung ist ein erhöht ausgebildeter Mittelbereich

74 mit einer öffnung· 76 zum Zugang in das Innere der Auskleidung 64 vorgesehen. Vorzugsweise ist die Auskleidung, wie in Fig. 3 veranschaulicht, als einstückiges Teil ausgebildet, wodurch Abdichtverbindungen als potentielle Leckstellen während der Zentrifugation entfallen. Die in dem ringförmigen Teil 6 8 der Auskleidung enthaltene Ringkammer 78 steht in dem in Fig. 3 veranschaulichten nicht belasteten, kräftefreien Zustand der Auskleidung in Strömungsmittel.erbindung mit der Mittelkammer 80 des Mittelteils 66. Der Mittelteil 74 der Rotorauskleidung ist erhöht ausgebildet, zur besseren Zugänglichkeit durch die Mittelöffnung 76 unter Verwendung einer Pipette zur Einbringung einer Strömungsmittelprobe in die Ringkammer 78. Die öffnung

75 in dem Rotordeckel 52 in Fig. 2 nimmt den Mittelbereich 74 der Rotorauskleidung auf.

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Fig. 4 veranschaulicht das Rotoraggregat in seinem stationären Zustand. Die Rotorauskleidung 64 ist mit ihrem Mittelteil 66 und ihrem ringförmigen Teil 68 in den entsprechenden Ausnehmungen 54 bzw. 56 im Rotorunterteil 50 angeordnet * Wenn das Rotoroberteil bzw. der Rotordeckel 52 auf das Rotorunterteil 50 aufgesetzt und an diesem durch die Schraubverbindung 82 befestigt wird, wird das Oberteil 72 der Rotorauskleidung in Richtung auf einen ringförmigen Verbindungsbereich 84 im Unterteil 70 der Auskleidung bis zur Berührung mit diesem Verbindungsbereich 84 gedrückt. Der ringförmige Verbindungsbereich 84 ist am oberen Ende der Trenn-Doppelwandung zwischen der Mittelkammer 80 und der Ringkammer 78 vorgesehen. Somit wird die Ringkammer 78 dichtschließend von der Mittelkammer 80 abgeschlossen, wenn das Rotoraggregat 16 in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise montiert ist und aer Rotor sich im stationären Zustand befindet. Das Strömunpsmittelgemisch 86 in der Ringkammer ist hierbei von jeglichem Strömungsmittelgemisch 86 in der Mittelkammer 80 dichtschließend getrennt.

Der Boden bzw. die Unterseite 88 des Mittelteils 66, wie auch der Boden bzw. die Unterseite 90 des ringförmigen Teils 68 befinden sich dabei in einem Abstand vom Boden 92 der Mittelausnehmung 54 bzw. vom Boden 94 der Ringausnehmung 56. Zwischen dem oberen Ende 96 der die Ausnehmungen 54 und 56 des Rotors trennenden Wandung 58 und der einspringenden Verbindungsstelle 98 zwischen dem Mittelteil 66 und dem ringförmigen Teil 68 der Rotorauskleidung befindet sich ebenfalls ein Abstand,

Während der in Fig. 5 veranschaulichten Zentrifiigation übt das Strömungsmittelgemisch auf die gesamte Innenfläche 100 der Rotorauskleidung 64 Kräfte aus, während der Rotor um seine Drehachse 102 rotiert. Diese Kräfte werden durch die Zentrifugalwirkung hervorgerufen; überall dort, wo die biegsame

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Auskleidung 6^4 nicht durch die Innenkonfiguration des Rotors 16 begrenzt bzw. abgestützt ist, kommt es zu einer Ausbiegung bzw. Auslenkung der Rohrauskleidung 64, bis- diese zur Anlage gegen eine durch einen Festkörper gegebene Grenze gelangt. In dem in Fig. 5 veranschaulichten Zustand der Rotorauskleidung 64 bewirken daher die durch Zentrifugalwirkung erzeugten Kräfte auf die Innenseite 100 der Rotorauskleidung 64 eine Verbiegung bzw. Auslenkung des Unterteils 70 der Rotorauskleiaung nach unten in einer insgesamt zur Drehachse 102 parallelen Richtung auf die Bodenflächen 92 bzw. 94 der Mittelausnehmung 54 bzw. der Ringausnehmung 56 des Rotors zu. Sobald das Unterteil 70 der Rotorauskleidung sich aus seiner in Fig. 4 veranschaulichten Lage in die in Fig. 5 gezeigte Lage als Folge der durch Zentrifugalwirkung induzierten Kräfte des Strömungsmittelgemischs während der Zentrifugation verschiebt, entfernt sich die ringförmige Verbindungsstelle 84 an.den die Mittel- und Ringkammer der Rotorauskleidung voneinander trennenden Wandungen vom Ober- bzw. Deckelteil 72 der Rotorauskleidung» Daher kommt es zur Bildung eines Spalts zwischen dem ringförmigen Verbindungsbereich 84 und dem Ober- bzw. Deckelteil 72 der Rotorauskleidung, der eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Ringkammer 78 und der Mittelkamraer 80 der Rotorauskleidung eröffnet. Somit vermag sich während der Zentrifugation das gesamte Strömungsmittelgemisch frei zwischen den betreffenden Kammern zu bewegen, d.h. es wird beispielsweise_s wenn die Chylekomponente von Blutserum getrennt werden soll, die leichtere Chyle 106 sich in der Mittelkammer 80 ansammeln-*-während das schwere Serummaterial 108 des Bluts sich in der äußeren Ringkammer 78 sammelt.

Nach Abschluß des ZentrifugationsVorgangs und Rückkehr des Λ Rotors in seinen stationären Zustand wird die elastische Rotorauskleidung 64 aufgrund ihrer inneren Eigenvorspannung wieder in ihren, in Fig. 4 veranschaulichten, vorgespannten Zustand zurückkehren, unter Herstellung einer automatischen Abdichtung zwischen der Ringkammer 78 und der Mittelkammer

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Durch diese automatische Wiederherstellung der Abdichtung zwischen dem ringförmigen Verbindungsbereich 84 und dem Oberbzw. Deckelteil 72 der Rotorauskleidung wird jegliche Rückvermischung zwischen dem in der dicht abgeschlossenen Ringkammer 78 enthaltenen abgetrennten Serummaterial und dem in der Mittelkammer 80 befindlichen Chylematerial etwa bei unstabilen Bewegungen des Rotors während der Abbremsung in seinen stationären Zustand vermieden. Sobald der Rotor seinen stationären oder Ruhezustand erreicht hat, kann die Chyle durch die Öffnung 76 aus der Mittelkammer 80 entnommen werden. Das Ober- oder Deckelteil 52 des Rotors kann sodann vom Unterteil 50 abgenommen werden, wodurch sich das Ober- bzw. Deckelteil 72 der Rotorauskleidung nach oben in seine in Fig. 3 veranschaulichte Lage ausdehnt. Sodann kann eine Pipette durch die Öffnung 76 und einen dann zwischen dem ringförmigen Verbindungsbereich 84 und dem Oberteil 72 der Auskleidung vorliegenden Spalt in die Ringkammer 78 eingeführt werden, um das abgetrennte Serum zu entnehmen.

Gemäß einer alternativen Ausführung kann ein in Fig. 4 gestrichelt angedeutetes Federteil 104 vorgesehen werden, um zu gewährleisten, daß die Auskleidung 64 nach der Zentrifugation zuverlässig in ihre Konfiguration gemäß Fig. 4 zurückkehrt. Die Rotorauskleidung wird vorzugsweise aus einem Polyolefinpoly mer der gewünschten Biegsamkeit bzw. Elastizität hergestellt, jedoch können auch anderweitige Werkstoffe mit entsprechender Federungselastizität zur Herstellung der Rotorauskleidung verwendet werden. Falls aus einem Grund die Verwendung eines Materials geringerer Federelastizität erwünscht ist, müßte die alternative Ausführung mit Verwendung einer Feder 104 gemäß der gestrichelten Darstellung in Fig. 4 vorgesehen werden.

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Claims

Patentansprüche

fll Zentrxfugenrotoraggregat mit folgenden Teilen: einem Rotorunterteil (50) mit wenigstens zwei Ausnehmungen (54,56), einem an dem Rotorunterteil abnehmbar befestigten Rotoroberteil (52), einer in dem Rotorunterteil (50) angeordneten Rotorauskleidung (64) mit einem Unterteil (70) und einem Oberteil (72), wobei das Rotorunterteil (70) eine Mittel- oder Innenkammer (80) und eine äußere Ringkammer (78) zur Aufnahme einer Strömungsmittelprpbe aufweist und die Mittel- und Ringkammer miteinander einen ringförmigen Dichtungs-Verbindungs-Bereich (84) in der Auskleidung bilden, gegen welchen das Oberteil (72) der Rotorauskleidung bei der Befestigung des Rotoroberteils (52) an dem Rotorunterteil (50) gepreßt wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Unterteil (70) der Rotorauskleidung (64) im stationären oder Ruhezustand des Rotors einen Abstand von den Bodenwandungen (92,94, Pig. 4) der Ausnehmungen (54,56) des Rotorunterteils (50) aufweist und im Rotationszustand des Rotors in Richtung auf die Bodenwandungen (92,94, Fig. 5) der Ausnehmungen (54,56) gebogen wird, derart daß der ringförmige Dichtungs-Verbindungsbereich (84) der Rotorauskleidung sich vom Oberteil (72) der Rotorauskleidung wegbewegt und so eine Strömungsmittelverbxndung zwischen den beiden Kammern (80,78) der Rotorauskleidung zustande kommt.
2. Rotoraggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorauskleidung (64) ausreichende Biegsamkeit und Elastizität besitzt, daß der ringförmige Dichtungs-Verbindungsbereich (84) der Auskleidung bei der Abbremsung des Rotors in seine stationäre

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oder Ruhelage in ihre Dichtungsstellung-in Berührung mit dem Oberteil (72) der Rotorauskleidung zurückkehrt, in welcher^die Ringkammer (78) gegenüber der Mittelkammer (80) abgedichtet ist (Fig. 4).
3. Rotoraggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Rotorauskleidung (64) einstückig ausgebildet ist.
4. Rotoraggregat nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Vorrichtung (104, Fig. 4) zur Verstellung des Unterteils (70) der Rotorauskleidung (64) in Richtung auf das Oberteil (72) der Auskleidung.
5. Rotoraggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Verstellvorrichtung ein zwischen der Bodenwandung (92) einer (54) der beiden Ausnehmungen des Rotorunterteils (50) und der Bodenwandung (88) der Mittelkammer (80) der Rotorauskleidung angeordnetes Federglied (104) ist.

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