DE3784483T2

DE3784483T2 - Drehnadellagerdichtung, insbesondere für die kartuschen von kontinuierlich arbeitenden blutfiltersystemen.

Info

Publication number: DE3784483T2
Application number: DE19873784483
Authority: DE
Inventors: P Williamson
Original assignee: Baxter International Inc
Current assignee: Baxter International Inc
Priority date: 1986-08-11
Filing date: 1987-08-07
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2007-08-08
Also published as: CA1300212C; AU611648B2; EP0277227A1; AU8030687A; EP0277227B1; EP0277227A4; CA1327380C; JP2528684B2; WO1988001194A1; DE3784483D1; JPH01502493A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich direkt auf Filtrationsverfahren für biomedizinische Fluide und speziell auf Durchlauf-Blutfiltrationssysteme des Typs mit einer Plasmapherese-Einmalfilterpatrone mit einem Rotor, der von einer Drehzapfenlager/Dichtungseinrichtung drehbar abgestützt ist. Die resultierende Drehzapfenlager/Dichtungseinrichtung mit losem Ösenteil kann auch aufanderen Gebieten angewendet werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es ist viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit geleistet worden, um neue und verbesserte Verfahren zur Filtration von biologischen Fluiden und zum Trennen der Bestandteile solcher Fluide zu perfektionieren. Besonders wichtig sind Verfahren zum Trennen von Vollblut in seine Einzelbestandteile ("Hämapherese"). In der Vergangenheit wurde zwar die Hämapherese größtenteils durch chargenweises Zentrifugieren von Vollblut durchgeführt, aber die chargenweise Aufbereitung ist sehr teuer und zeitraubend. Wo immer es möglich ist, wird heute die chargenweise Aufbereitung durch wirkungsvollere Durchlauf-Blutfiltrationsverfahren ersetzt, wie es beispielsweise in US-A-3 519 201 und US-A-4 303 193 gezeigt ist.
Durchlauf-Blutfiltrationssysteme empfangen einen Vollblutstrom von einem Subjekt und koppeln diesen Blutstrom mit einem drehenden Rotor oder Schleuderkörper, der drehbar in einem fluiddichten Gehäuse angeordnet ist. Der Schleuderrotor trennt das Vollblut in seine Bestandteile (bei der Plasmapherese wird das Vollblut beispielsweise in gepackte Erythrozyten und Plasma aufgetrennt), und die getrennten Bestandteile werden durch verschiedene Auslässe des Gehäuses abgeführt.
Andere haben versucht, zuverlässige Drehzapfenlageranordnungen zu entwickeln, um den Rotor eines Fluidfiltrationssystems in einem Gehäuse drehbar abzustützen - siehe z. B. US-A-3 448 858 als ein Beispiel einer solchen Drehzapfenlageranordnung. Diejenigen, die Durchlauf-Plasmaphereseeinrichtungen für die großtechnische Produktion entwickeln, haben nach einem geeigneten, billigen und zuverlässigen Drehzapfenlager gesucht, das einen Trennrotor drehbar in einem Gehäuse abstützen und einen Fluidstrom mit dem Rotor koppeln/davon trennen und außerdem verhindern kann, daß der angeschlossene Fluidstrom aus dem Lager (mit Ausnahme durch einen Fluidabgabeauslaß) austritt, während gleichzeitig der angeschlossene Fluidstrom gegenüber Fluid außerhalb des Lagers isoliert wird.
Sterilität ist bei Durchlauf-Plasmaphereseeinrichtungen unabdingbar. Es ist erwünscht (wenn nicht sogar erforderlich), daß Teile des Plasmapheresystems, die dem Blutstrom tatsächlich ausgesetzt sind, wegwerfbar sind, so daß Krankheiten nicht von einem Spender auf einen anderen übertragen werden. Bekannte abdichtende Drehzapfenlager, die den Trennrotor zuverlässig drehbar in einem Gehäuse abstützen und außerdem einen Fluidstrom mit dem drehenden Rotor verbinden bzw. ihn davon trennen, sind relativ teuer in der Herstellung, so daß die Kosten von zum Einmalgebrauch bestimmten Durchfluß- Plasmapheresefiltrationspatronen erhöht werden.
Da die Filtrationspatronen nach nur einmaligem Gebrauch entsorgt werden, ist eine lange Lagerlebensdauer ohne Bedeutung. Für die Plasmapherese wird ein Dauerbetrieb von nur 25 bis 45 min benötigt (die Filtrationspatrone sollte eine Lebensdauer von zwei Stunden haben, wenn sie für die Plättchen-Apherese verwendet wird, eine Lebensdauer von vier Stunden haben, wenn sie für bestimmte therapeutische Zwecke verwendet wird, und eine Lebensdauer von bis zu sechs Stunden bei Verwendung zur Autotransfusion haben). Das Drehzapfenlager muß absolut zuverlässig während seiner gesamten erwarteten Lebensdauer arbeiten, da ein vorzeitiger übermäßiger Verschleiß das entnommene Blut unbrauchbar machen und/oder den Extraktions- und Filtrationsvorgang unterbrechen kann. Die in Filtrationspatronen verwendeten abdichtenden Drehzapfenlager müssen außerdem steriliserbar sein (indem sie z. B. Gammastrahlung ausgesetzt werden), und dürfen das sie durchströmende biologische Fluid nicht beschädigen bzw. beeinträchtigen.
Die Anmelderin hat viele Jahre nach einer zuverlässigen, kostengünstigen Lagerkonstruktion gesucht, die den obigen Anforderungen beim Einsatz in dem eigenen Durchlauf-Blutfiltrationssystem entspricht. Nachstehend wird in Verbindung mit Fig. 1 eine kurze Beschreibung dieses Blutfiltrationssystems sowie der bisher verwendeten Drehzapfenlager aus rostfreiem Stahl gegeben.
Fig. 1 ist teilweise im Querschnitt eine perspektivische Aufsicht auf ein bekanntes Plasmapheresystem 10 vom Filtrationstyp. Das Plasmapheresesystem 10 weist eine wegwerfbare Filtrationspatrone 12 und eine magnetische Antriebsanordnung 14 auf.
Die Patrone 12 umfaßt ein im allgemeinen zylindrisches, vertikal orientiertes Gehäuse 16, in dem ein langgestreckter zylindrischer Rotor ("Schleuderkörper") 18 drehbar in einer vertikalen Orientierung zwischen einem oberen Zapfenlager 20 und einem unteren Zapfenlager 22 abgestützt ist. Der Rotor 18 dreht sich in dem Gehäuse 16 um eine im allgemeinen vertikale Drehachse 19, die in Axialrichtung des Rotors verläuft.
Ein Ring 24 aus Magnetmaterial, der mit dem oberen vertikalen Ende 26 des Rotors 18 integral ist, wird von einem drehenden Magnetfeld beaufschlagt, das von einem äußeren sich drehenden magnetischen Antriebselement 28 (das über das Oberende des Gehäuses geschoben ist) erzeugt wird, so daß der Rotor 18 veranlaßt wird, sich relativ zum Gehäuse 16 zu drehen. Das magnetische Antriebselement 28 dreht sich mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit (3600 U/min bei der bevorzugten Ausführungsform) aufgrund des Drehmoments, das darauf von einem Antriebsmotor 30 aufgebracht wird.
Der Rotor 18 hat einen inneren Hohlraum 31, der von einer Nuten aufweisenden zylindrischen Wand 34 begrenzt ist. Ein membranartiger Filter 36 bedeckt die Außenfläche 35 der Nuten aufweisenden Wand 34. Ein Netzwerk von Kanälen 33, die in der Außenwandfläche 35 gebildet sind, kanalisiert Fluid, das zwischen dem Filter 36 und der Außenwandfläche eingeschlossen ist, in einen unteren Hohlraum 32 am Unterende 27 des Rotors.
Im Betrieb des Systems 10 wird einem Oberende 37 des Gehäuses 16 Vollblut durch eine Vollbluteinlaßöffnung 38 zugeführt. Das Vollblut strömt von der Einlaßöffnung 38 in das Gehäuse 16 und abwärts in Berührung mit dem Filter 36. Infolge der Drehung des Rotors 18 und der Wirkung des Filters 36 wird Vollblut in dem Zwischenraum 40 zwischen dem Filter 36 und einer Innenwand 42 des Gehäuses 16 in gepackte Erythrozyten (die im Zwischenraum 40 verbleiben) und Plasma (das durch den Filter 36 in einen Zwischenraum zwischen der Nuten aufweisenden Wand 34 und dem Filter strömt) getrennt. Die gepackten Erythrozyten fließen weiter abwärts zum Unterende 44 des Gehäuses 16 und aus dem Gehäuse durch einen Auslaß 46 für gepackte Erythrozyten. Das Plasma wird von den Nuten in der Rotorwand 34 und Kanälen 33 kanalisiert und fließt nach unten in den unteren Hohlraum 32.
Eine untere Kappe 48, die das Unterende 44 des Gehäuses 16 abschließt, bildet eine Bohrung 50 vorbestimmter Länge, die mit der Drehachse 19 des Rotors fluchtet. Die Bohrung 50 endet in einer kreisrunden Innenwand (einem Ringraum) 52 mit einer durch ihren Mittelpunkt definierten kreisrunden Öffnung 54 (der abschließende innere Ringraum 52 blockiert praktisch alles bis auf die Mitte der Bohrung 50).
Ein Plasmaauslaß 56 ist in der unteren Kappe 48 gebildet (in Verbindung mit der Bohrung 50 auf der anderen Seite des Ringraums 52). Plasma wird aus dem Gehäuse 16 durch den Plasmaauslaß 56 abgeführt. Das Unterende 58 eines unteren Drehzapfens 22 (der Drehzapfen ist bei der gezeigten Ausführungsform vertikal orientiert) ist in die Bohrung 50 gepreßt und liegt dort unter Blockierung des Ringraums 52 an. Das obere Ende 60 des unteren Drehzapfens 22 ist in einer Bohrung 62 am Unterende 64 des Rotors drehbar angeordnet und mit der Drehachse 19 des Rotors ausgefluchtet. Der Rotor 18 dreht sich in bezug auf den unteren Drehzapfen 22 und ist durch diesen Zapfen über der unteren Kappe 48 des Gehäuses abgestützt und davon wegweisend beabstandet.
Eine Axialbohrung 62, die an dem Unterende 64 des Rotors gebildet ist, endet in einer Rippe oder einem Ringkörper 66 mit einer durch ihn definierten Öffnung 68. Die Öffnung 68 ist mit dem Rotorhohlraum 32 in Fluidverbindung. Ein Fluiddurchgang 70 ist in Axialrichtung durch den unteren Drehzapfen 22 gebildet. Ein O-Dichtring oder eine andere elastische Dichtung 72 (Viton(Wz)-Elastomer wird bevorzugt verwendet) ist zwischen dem Ringkörper 66 und dem Oberende 60 des unteren Drehzapfens 22 angeordnet. Die Dichtung 72 bildet ein sie zentral durchsetzendes Loch, das die Öffnung 68 mit dem Durchgang 70 verbindet. Der Hohlraum 32 ist daher mit dem Plasmaauslaß 56 über die Öffnung 68, das Loch durch den O- Dichtring 72, den Durchgang 70, der in Axialrichtung durch den unteren Drehzapfen 22 hindurch gebildet ist, und die Öffnung 54 in Fluidverbindung.
Das untere Drehzapfenlager 22 stützt den Rotor 18 drehbar ab und bildet einen abgedichteten Fluiddurchgang, durch den das Plasma in dem Rotorhohlraum 32 austreten kann. Das obere Ende des unteren Drehzapfens ist lose in die Bohrung 62 eingesetzt, um es dem Rotor 18 zu gestatten, sich relativ zu dem Drehzapfen zu drehen - wobei der Drehzapfen in bezug auf das Gehäuse 16 feststeht, weil er in die Bohrung 50 eingepreßt ist. Der O-Dichtring 72 stellt eine fluiddichte Abdichtung zwischen dem Ringkörper 66 und dem Oberende 60 des unteren Drehzapfens 22 her, die verhindert, daß Plasma aus dem Hohlraum 32 mit Ausnahme durch den Durchgang 70 im Zapfen austritt. Die fluiddichte Abdichtung zwischen dem Ringkörper 66, dem O-Dichtring 72 und dem Oberende 60 des Drehzapfens verhindert außerdem, daß gepackte Erythrozyten, die sich in dem Raum 40 nahe dem Unterende 44 des Gehäuses sammeln, nach oben in die Bohrung 62 (zwischen dem Zapfen 22 und der die Bohrung definierenden Wand) und in Berührung mit dem Plasma fließen.
Die auf den O-Dichtring 72 von dem Rotor 18 aufgebrachte axiale Abwärtskraft stellt sicher, daß zwischen dem Ringkörper 66 des Rotors 18, dem O-Dichtring 72 und dem Oberende 60 des unteren Zapfens 22 eine fluiddichte Abdichtung besteht. Diese Abwärtskraft wird teilweise von der Schwerkraft abgeleitet, die auf den Rotor 18 wirkt, und teilweise von der Abwärtskomponente des drehenden Magnetfeldes, das durch das magnetische Antriebselement 28 auf den Rotor wirkt. Ungeachtet dieser Abwärtskraft zeigt das Oberende 60 des Zapfens keinen merklichen Verschleiß während der Lebensdauer der Patrone 12, wenn der Zapfen aus hartem rostfreiem Stahl hergestellt ist.
Der obere Drehzapfen 20 kann massiv sein (da bei der gezeigten Ausführungsform kein Fluid durchströmt), aber er hat bevorzugt einen Durchgang 84, der in Axialrichtung durch ihn gebildet ist, so daß der obere Drehzapfen und der untere Drehzapfen 22 gleich ausgebildet sein können und somit austauschbar sind (um Herstellungs-, Anschaffungs- und Montagekosten zu vermindern). Ein O-Dichtring und Öffnungen könnten am oberen Ende 26 des Rotors 18 vorgesehen sein (wie sie am unteren Ende 64 des Rotors vorgesehen sind), wenn eine Fluidverbindung durch den oberen Drehzapfen 20 gewünscht wird.
Es ist nunmehr ersichtlich, daß die fluiddichte Abdichtung zwischen dem Ringkörper 66 des Rotor 18 und dem Oberende 60 des unteren Drehzapfens 22 für den richtigen Betrieb des Systems 10 absolut kritisch ist. Die von dem Rotor 18 auf den O-Dichtring 72 aufgebrachte, abwärts gerichtete axiale Kraft kann zu einem Verschleiß des O-Dichtrings und/oder des Oberendes 60 des Zapfens 22 führen, was wiederum dazu führt, daß die fluiddichte Abdichtung sich verschlechtert, wenn der Zapfen aus ungeeignetem Material besteht. Eine Undichtheit dieser Abdichtung kann das aus dem Auslaß 56 abgegebene Plasma unbrauchbar machen. Ferner kann eine Abnutzung des Oberendes 60 des Zapfens den Durchgang 70 verschließen, so daß der gesamte Filtrationsbetrieb unterbrochen wird (was beim Spender zu Beschwerden und Unbequemlichkeiten führt).
Die Anmelderin hat bisher Präzisionszapfen 22 aus rostfreiem Stahl und Viton-O-Dichtringe 72 verwendet, um Drehzapfenlager mit hoher Verschleißfestigkeit bereitzustellen, die die durch Verschleiß bedingten Probleme überwinden. Leider sind Präzisionszapfen aus rostfreiem Stahl teuer in der Herstellung, und Viton-Material ist ebenfalls sehr teuer, so daß die Kosten der Patrone 12 erheblich steigen.
Rohstoff-Anschaffungskosten für Zapfen aus rostfreiem Stahl sind relativ hoch, und Bearbeitungs-, Polier-, Reinigungs- und sonstige Behandlungen des rostfreien Stahls, um einen fertigen Zapfen herzustellen, erhöhen die Anschaffungskosten weiter. Ferner ist ein hoher Prozentsatz von fertigen Zapfen unbrauchbar aufgrund der sehr engen dimensionsmäßigen Toleranzen, die verlangt werden, um eine richtige Passung zwischen den Zapfen und dem Rotor 18 und dem Gehäuse 16 zu garantieren.
Es wurde bereits eine neue, aus Spritzguß-Kunststoff hergestellte Zapfenlagerkonstruktion vorgeschlagen, die geeignet ist, Präzisionsdrehzapfen aus rostfreiem Stahl zu ersetzen. Solche Spritzguß-Drehzapfen sind aus einem Hartkunststoff mit kleiner Reibungszahl geformt. Durch die Wahl eines geeigneten Kunststoffmaterials für den Zapfen (z. B. Nylon 6/6(Wz) und RL 4730(Wz), mit PTFE und Silicon modifiziertes Polymer auf Polyamidbasis) hat der Zapfen eine glatte, rutschende, verschleißfeste Eigenschaft und erzeugt weder "überhitzte Stellen" an relativ zueinander drehenden Teilen, noch sondert er Abriebteilchen ab. Bei Verwendung in Verbindung mit einem O-Dichtring aus einem Viton-Material (eine Serie von Fluorelastomeren auf der Basis des Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymers, vertrieben von Dupont) ergibt die von dem Rotor 18 auf den unteren Kunststoffzapfen und den O-Dichtring gemeinsam aufgebrachte Kraft eine ausreichende fluiddichte Dichtung.
Eine solche fluiddichte Dichtung lebt hinreichend lang, um die Trennung und das Sammeln einer erforderlichen Plasmamenge zuzulassen. Da die Patrone 12 nach einmaligem Gebrauch entsorgt wird, spielt die Selbstzerstörung des Drehzapfenlagers infolge von Verschleiß aufgrund von einigen Stunden kontinuierlicher Drehung des Rotors 18 keine Rolle bei Anwendungen zur Blutfiltration.
Diese Drehzapfenlager-Konstruktion ist zwar für sich gesehen erfolgreich und funktioniert gut für den gewünschten Zweck, aber die Viton-Dichtung, die diese Konstruktion verwendet, ist sehr teuer, und ihre Komponenten müssen zur Anwendung bei der Blutfiltration genau geprüft werden. Es wäre hocherwünscht, eine billige spritzgegossene Kunststoff-Drehzapfenlagerkonstruktion zu haben, die einen annehmbaren Verschleiß zeigt, in bezug auf Elastomer-Zusammensetzungen für den Dichtungsring toleranter ist und kostengünstig und relativ leicht mit den präzisen dimensionsmäßigen Toleranzen herstellbar ist, die bei einer zum Einmalgebrauch bestimmten Plasmapherese-Filtrationspatrone erforderlich sind.
Die US-A-4 579 473 betrifft einen vollkommen fernliegenden Stand der Technik und sieht einen Drehmechanismus für ein Fernsehempfängergehäuse vor.
Der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 basiert auf dem unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläuterten Stand der Technik, der einen Rotor und eine Drehzapfenlageranordnung dafür vorsieht, die ein erstes Element zum Befestigen oder festgelegt in bezug auf einen Tragkörper und ein zweites Element, das den Rotor trägt, aufweist, wobei das erste und das zweite Element Drehlagerteile haben.
Die US-A-4 579 473 zeigt eine ähnliche Anordnung, wobei aber kein Rotor angegeben ist.
Der Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß eines der Lagerteile einen ringförmigen scharfen Rand aufweist, das andere Lagerteil eine Kontaktfläche hat und die einzigen Kontaktbereiche zwischen den Elementen sich zwischen dem Rand und der Kontaktfläche, die Radius-zu-Radius-Kontakt haben, befinden.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Zapfenlager angegeben, das besonders zur Verwendung in zum Einmalgebrauch bestimmten Plasmapherese-Filtrationspatronen geeignet ist, das sehr kostengünstig ist, das ausreichend verschleißfest ist, um eine gewünschte Vollblutmenge sicher filtrieren zu helfen, das sterilisiert werden kann und das aus Komponenten aufgebaut ist, die unter Anwendung von mit hoher Geschwindigkeit ablaufenden präzisen Vorgängen, die nur eine losweise Prüfung erfordern, hergestellt werden können.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat das erste Element eine Ausnehmung, die den scharfen Rand bildet, der die Ausnehmung umgibt, und das zweite Element weist ein Ösenteil auf, das einen Schaft mit einem nach außen verlaufenden Flansch an einem Ende hat, wobei die Kontaktfläche an der Verbindungsstelle zwischen dem Flansch und dem Schaft vorgesehen ist.
Einige der wesentlichen vorteilhaften Unterschiede zwischen dieser Ausführungsform der Erfindung und bekannten Drehzapfenlagern sind folgende: - ein Drehzapfen ist mit einer speziellen Ausnehmung geformt, die einen ungehinderten Fluiddurchfluß vereinfacht, während gleichzeitig die Schmiereigenschaften eines speziell zusammengesetzten Kunststoffs erhalten bleiben; - ein Ösenteil besteht aus rostfreiem Stahl und ist aus aufeinanderfolgenden Werkzeugen tiefgezogen und wird als Element verwendet, das für die Wärmeableitung und die Eigenschaft der kleinen Reibungszahl, die bei Anwendung als wegwerfbare Plasmapherese-Filtrationspatrone wesentlich ist, unabdingbar ist; - ein Siliconelastomer-Dichtring hat sich mit seiner überlegenen Verarbeitung, Biokompatibilität und niedrigen Kosten als äußerst vorteilhaft gegenüber Elastomeren auf Kohlenstoffbasis zur Verwendung in der Lager/Dichtungseinrichtung der Erfindung erwiesen.
Eine ringförmige Dichtung kann zwischen dem Flansch und der Körperinnenfläche angeordnet sein und koppelt den Flansch, um sich mit dem Körper zu drehen (z. B. relativ zu dem Zapfen), und belastet außerdem den Flansch in Axialrichtung durch Übertragen einer von dem Körper aufgebrachten Kraft. Wenn der Flansch sich dreht (z. B. relativ zu dem Zapfen), wird der scharfe Innenrand der Ausnehmung von der in Axialrichtung belasteten, in Kontakt befindlichen gewölbten Flanschoberfläche geglättet, so daß das Selbstbilden einer luft- und fluiddichten Dichtung zwischen dem harten Flansch und dem weichen Ende des Zapfens während der ersten wenigen Umdrehungen erfolgt.
Der Schaft und Flansch können Teile eines konventionellen tiefgezogenen Ösenteils aus rostfreiem Stahl sein. Solche Ösenteile können in großen Stückzahlen mit relativ niedrigen Kosten hergestellt werden und bieten auch gewölbte Flächen an den Unterseiten ihrer Flansche, die inhärent gerade so geformt sind, daß sie in einem sehr kleinen Toleranzbereich liegen. Das heißt, ein sehr hoher Prozentsatz von Ösenteilen einer gegebenen Charge von Ösenteilen hat einen geformten Radius, der sehr nahe bei einem Nennwert oder erwarteten Wert liegt (der durch die Dimensionen des letzten Tiefziehwerkzeugs bestimmt ist, das zum Formen der Ösenteile verwendet wird). Solche Ösenteile brauchen (außer der Reinigung) keine Behandlung, um gemäß der Erfindung verwendet zu werden.
Das durch die Erfindung bereitgestellte Drehzapfenlager ist zwar überall brauchbar, wenn eine kostengünstige, zum Einmalgebrauch bestimmte Abdichtung gewünscht wird, aber das Lager bietet Merkmale, die in Einrichtungen zum Trennen von biologischen Fluiden, wie etwa Einmal-Filtrationspatronen von Durchfluß-Plasmapheresesystemen besonders vorteilhaft sind. Das Gewicht des Rotors einer solchen Patrone plus die von dem magnetischen Antriebselement, das den Rotor dreht, aufgebrachte axiale Belastung gewährleisten eine ausreichende Kraft, um die gemäß der Erfindung vorgesehene Dichtung für den Betrieb rasch zu glätten und danach die Dichtfunktion aufrechtzuerhalten. Die kombinierte Lager/Dichtungseinrichtung ist schwebend und außerdem selbstzentrierend. Ferner bildet das Ösenteil eine signifikante Metallkonstruktion, die über eine wesentliche axiale Länge in Kontakt mit einem strömenden Fluid (z. B. der durch den Schaft des Ösenteils gehenden Blutkomponente) ist, um durch Reibung erzeugte Wärme infolge der Drehung der gebogenen Ösenteilfläche relativ zu dem scharfen Innenrand abzuführen, so daß ein unerwünschtes, durch Wärme erzeugtes plastisches Fließen (wie es bei einigen früheren Dichtungssystemen auftrat) zu minimieren. Außerdem wird durch das durch die Erfindung angegebene Lager die Querschnittskontaktfläche der drehenden Dichtung absolut minimiert, was ebenfalls die aufgrund von Reibung erzeugte Wärmemenge verringert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich im einzelnen durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 teilweise im Querschnitt eine perspektivische Aufsicht eines bekannten Durchfluß-Plasmapheresesystems mit einer Einmal-Blutfiltrationspatrone;
Fig. 2 teilweise im Querschnitt eine auseinandergezogene Aufsicht der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Drehzapfenlager/Dichtungseinrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2A eine Draufsicht von oben auf das ausgesparte Ende des Zapfens von Fig. 2;
Fig. 2B im Querschnitt eine Seitenansicht des Ösenteils von Fig. 2;
Fig. 2C eine Draufsicht von oben auf das Ösenteil von Fig. 2;
Fig. 3 im Querschnitt eine detaillierte Aufsicht der Drehzapfenlager/Dichtungseinrichtung von Fig. 2, eingebaut in eine wegwerfbare Plasmapherese-Filtrationspatrone der in Fig. 1 gezeigten Art;
Fig. 4 im Querschnitt eine detaillierte Teildarstellung des Endes des Zapfens 152 der Fig. 2, 2A und 3;
Fig. 5 eine detaillierte perspektivische Teildarstellung einer verformbaren Dichtlippe 174 des Zapfens 152 der Fig. 2 und 3 vor dem Einsetzen des Zapfens in die Gehäusebohrung;
Fig. 6 eine detaillierte perspektivische Teildarstellung der verformbaren Dichtlippe 174 des Zapfens 152 nach dem Einsetzen des Zapfens in die Gehäusebohrung;
Fig. 7 im Querschnitt eine Aufsicht einer weiteren Ausführungsform einer Blutfiltrationspatrone gemäß der Erfindung, wobei der Dichtring und der Drehzapfen entfallen und eine Dichtung direkt zwischen dem Patronengehäuse und dem Ösenteil von selbst gebildet wird;
Fig. 8 im Querschnitt eine Aufsicht einer weiteren Ausführungsform einer Blutfiltrationspatrone gemäß der Erfindung, wobei eine Dichtung zwischen einem mit dem Rotor integralen Zapfen und einem in dem Gehäuse angeordneten Metallbecher gebildet ist;
Fig. 9 im Querschnitt eine perspektivische Aufsicht einer weiteren Ausführungsform einer Blutfiltrationspatrone nach der Erfindung, die eine koaxiale geformte Drehzapfendichtungsanordnung aufweist, die Vielfachdichtungen zwischen dem Rotor und dem Gehäuse bildet; und
Fig. 10 im Querschnitt eine perspektivische Aufsicht einer alternativen weiteren Ausführungsform einer Blutfiltrationspatrone nach der Erfindung mit einer koaxialen geformten Zapfendichtungsanordnung, die Vielfachdichtungen zwischen dem Rotor und dem Gehäuse bildet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 2 ist teilweise im Querschnitt eine auseinandergezogene Aufsicht der Komponenten einer derzeit bevorzugten beispielsweisen Ausführungsform eines Drehzapfenlagers 150 gemäß der Erfindung. Das Drehzapfenlager 150 weist drei Komponenten auf: einen Zapfen 152, ein Ösenteil 180 und einen Dichtungsring 200.
Der Zapfen 152 kann ein durch Spritzgießen geformter langgestreckter Kunststoffzapfen sein mit einem unteren ("ersten") Ende 154 (wobei angenommen ist, daß der Zapfen vertikal orientiert ist, wie in Fig. 2 zu sehen ist) und einem oberen ("weiteren") Ende 156. Eine axiale Ausnehmung 158 ist von dem Zapfen an seinem oberen Ende 156 gebildet. Die axiale Ausnehmung 158 ist von einem scharfen kreisförmigen inneren Rand 160 und einem kreisförmigen Kranz 162 umgeben (siehe Fig. 2A).
Die axiale Ausnehmung 158 ist bei der bevorzugten Ausführungsform zylindrisch und mit einem Durchgang 166 in Verbindung, der in Axialrichtung durch den Zapfen 152 geht und an einem Zapfenunterende 154 in einer Öffnung 168 endet. Der Zapfen 152 ist hohl und läßt zu, daß Fluid ungehindert zwischen der Öffnung 170 der axialen Ausnehmung und der Öffnung 168 strömt.
Die Außenwand 172 des Zapfens kann zylindrisch sein und kann darin Umfangsnuten 175 bilden. Der Außendurchmesser des Zapfens 152 sollte präzise so vorgegeben sein, daß er nur ganz geringfügig größer als der Innendurchmesser der Bohrung 50 ist, die von einer unteren Patronengehäusekappe 48, die in Fig. 1 gezeigt ist, gebildet wird, um dicht zu passen.
Der Zapfen 152 ist bevorzugt spritzgegossen (unter Anwendung von konventionellen Verfahren), und zwar aus einem Gemisch von Polyethersulfon (PES) und Teflon (hergestellt von LNP Corporation, Malvern, PA, Katalog-Nummer JL 4010). Dieses Material erfüllt sämtliche der nachstehend aufgeführten Bedingungen:
A. Es besteht den FDA-Toxizitätstest, Klasse VI;
B. Es zeigt keine nachteiligen Auswirkungen nach Cobalt-60- Gammabestrahlung einer Dosis von 2,5 bis 3,5 Mrad;
C. Es hat eine ausreichend kleine Reibungszahl, um annehmbare Verschleißeigenschaften aufzuweisen; und
D. Es hat überlegene Verarbeitungs-(Form-)Charakteristiken.
Der Zapfenkranz 162 könnte im Querschnitt einen vollkommenen rechten Winkel (90º) mit einer Innenwand 164 der Ausnehmung bilden, um einen sehr scharfen Rand 160 zu bilden. Es kann eventuell nicht praktikabel sein, an einem durch Spritzgießen geformten Zapfen einen vollkommenen 90º-Rand zu bilden (da eine Form nicht zu einer perfekten 90º-Matrizengestalt geschliffen werden kann und eine Form nicht ausreichend hoch druckbeaufschlagt werden kann, um einen perfekten 90º-Formrand zu bilden). In der Praxis ist ein Kantenradius R von 0,08 mm bis 0,13 mm (0,003 bis 0,005 Inch) das Beste, was man beim üblichen Formen erwarten kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird dieser Radius auf einem Maximum von 0,13 mm (0,005 Inch) gehalten.
Das Oberende 156 des Zapfens kann geringfügig verjüngt sein, um einen sekundären äußeren ringförmigen Kranz 176 zu bilden, der den ringförmigen Kranz 162 umgibt. Der Zweck dieser Verjüngung ist es, zu verhindern, daß sich ein Kunststoffrand an dem Oberende der Rotorausnehmung 62 infolge der schnellen Drehung des Rotors 18 um den Zapfen bildet (der Zapfen ist nicht immer mit der Drehachse 19 des Rotors vollkommen ausgefluchtet).
Der Zapfen 152 weist eine verformbare Dichtlippe 174 auf (wie am besten in den Fig. 2 und 5 zu sehen ist), die als integraler Teil des Zapfens geformt ist. Beim Formen des Zapfens 152 wird natürlich eine Gratlinie (nicht gezeigt) in Längsrichtung an dem unteren Bereich des Zapfens nahe dem Ende 154 geformt. Der obere Bereich des Zapfens 152 (nahe dem Zapfenende 156) hat keine Gratlinie, da er aus einem verjüngungsfreien Abschnitt der zum Herstellen des Zapfens verwendeten Form zwangsgezogen wird. Nuten 175 bieten einen mechanischen Griff zum Ziehen des Zapfens 152 aus dem verjüngungsfreien Abschnitt der Form. Die verformbare Dichtlippe 174 wirkt als Kunststoff-"O-Dichtring", wie noch erläutert wird.
Das Ösenteil 180 kann ein konventionelles Ösenteil aus rostfreiem Stahl sein, das unter Verwendung eines Serientiefziehgesenks aus rostfreiem 305-Stahl tiefgezogen ist. Wie am besten in den Fig. 2, 2B und 2C zu sehen ist, ist das Ösenteil 180 ein im allgemeinen zylindrisches, hohles (rohrförmiges) metallisches Element mit einem zylindrischen Schaft 181, der einen seitlich nach außen verlaufenden Flansch 182 an einem äußersten (oberen) Ende 184 definiert. Das Ösenteil 180 ist hohl, ein Durchgang 186 in Axialrichtung der längeren Dimension des Ösenteils verläuft durch die Länge des Ösenteils. Der Durchgang 186 endet in dem Flansch 182 am oberen Ende 184 des Ösenteils und endet in einer kreisförmigen Öffnung 188 an dem unteren Ende 190 des Ösenteils. Eine innere Ösenteilwand 192 begrenzt den Durchgang 186.
Der Flansch 182 wölbt sich seitlich radial nach außen von dem Ösenteilschaft 181 (etwa so, wie sich der Schalltrichter eines Blasinstruments von der Röhre, mit der er verbunden ist, nach radial außen wölbt). Der Flansch 182 hat eine obere seitliche Fläche 191, die zu einer von dem Querschnitt der Schaftaußenwand 193 gebildeten Schnittlinie etwa senkrecht ist. Die obere seitliche Fläche 191 ist eine Verlängerung der Innenwand 192 in dem Schaft 181. Die seitliche Fläche 191 endet in einer zylindrischen Umfangslippe 191a an dem Bereich des Flanschs 182, der von dem Schaft 181 am weitesten entfernt ist.
Eine radial gewölbte äußere Fläche - "Kontaktfläche" - 194 (die eine Verlängerung der Außenwand 193 des Schafts 181 ist) ist an der Verbindungsstelle zwischen Schaft 181 und Flansch 182 gebildet (eigentlich dort, wo die Außenwand 193 des Schafts in eine unterseitige Seitenfläche 196 des Flanschs übergeht).
Die Dicke T der Wandungen des Ösenteils 180 (einschließlich des Flanschs 182) ist bevorzugt zwischen 0,11 mm und 0,14 mm (0,0045 und 0,0055 Inch) (wie in Fig. 2B zu sehen ist). Die gewölbte äußere Kontaktfläche 194 des Ösenteils 180 (d. h. die radiale Fläche an der Unterseite des Flanschs 182, wenn das Ösenteil vertikal mit seinem Flansch nach oben weisend orientiert ist) ist bei der bevorzugten Ausführungsform sehr präzise und glänzend und hat eine kontrollierte erforderliche Oberflächenstruktur bei 4RMS (diese wird durch den Tiefziehvorgang inhärent geformt). Die Dimensionen des Ösenteils 180 sind genau kontrolliert, so daß das Lager 150 an den richtigen Stellen abgenutzt wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform liegt die Länge l des Ösenteils 180 zwischen 6,22 mm und 6,35 mm (0,245 und 0,250 Inch), der Außendurchmesser E&sub1; des Flanschs 181 liegt zwischen 1,75 mm und 1,78 mm (zwischen 0,069 und 0,070 Inch); der Außendurchmesser E&sub2; des Flanschs 182 liegt zwischen 3,12 mm und 3,20 mm (zwischen 0,123 und 0,126 Inch); und der Radius R&sub1; der radialen Kontaktfläche 194 beträgt zwischen 0,30 mm und 0,36 mm (zwischen 0,012 und 0,014 Inch).
Eine bestimmte Gruppe von Parametern beschreibt die Kombination von Zapfen 152 und Ösenteil 180. Beispielsweise ist der Radius unter dem Flansch 182 speziell konstruiert. Die folgenden Beschränkungen sind wichtig bei der Wahl der Radien der Kontaktfläche 194 des Flanschs des Ösenteils und des Zapfenrands 160. Erstens muß der Zapfenrand möglichst scharf sein (z. B. sollte er den Formradius von 0,08 bis 0,13 mm (0,003 bis 0,005 Inch) bei einer Formzapfenkonstruktion haben). Zweitens muß die Beziehung Innendurchmesser/Außendurchmesser von Ösenteilschaft 182 und Formzapfenausnehmung 158 es dem Schaft des Ösenteils erlauben, sich in der Zapfenausnehmung frei zu drehen, wenn der Schaft in die Ausnehmung eingesetzt wird (diese Beziehung zwischen den Durchmessern hängt weitgehend davon ab, wo die Radien des Schafts und des Zapfens einander berühren). Drittens müssen die Fertigungstoleranzen des Ösenteils 180 und der Zapfenausnehmung 185 derart sein, daß jede Kombination den beiden Komponenten es nicht erlaubt, einander zu irgendeinem Zeitpunkt während des Betriebs der Drehzapfendichtung an irgendeiner anderen Fläche als mit Radius-zu-Radius-Kontakt zu berühren. Schließlich darf bei Anwendung für die Blutfiltration der kleinstmögliche Durchmesser der Zapfenausnehmung 150 und/oder des Durchgangs 186 des Ösenteils nicht unter einer vorbestimmten Querschnittsfläche mal Länge sein, um den Durchfluß nicht zu drosseln und keinen Staudruck durch das Filtrationssystem zu verursachen.
Wie Fig. 3 zeigt, ist der Schaft 181 in der Zapfenausnehmung 158 so angeordnet, daß die gewölbte Außenfläche 194 den scharfen Innenrand 160 berührt. Das Gewicht des Schafts 181 trägt dazu bei, das Ösenteil mit dem Durchgang 166 (und der axialen Ausnehmung 158) sowie mit der Drehachse 19 des Rotors auszufluchten, so daß die Drehzapfenlager/Dichtungseinrichtung gemäß der Erfindung selbstzentrierend gemacht wird. Der Außendurchmesser des Schafts 181 ist kleiner als der Innendurchmesser der Ausnehmung 158, so daß der Schaft sich in der Ausnehmung frei drehen kann (bevorzugt ohne jeglichen Kontakt zwischen der Schaftaußenfläche 193 und der Innenwand 164 der Ausnehmung).
Der einzige Kontaktpunkt zwischen dem Zapfen 152 und dem Ösenteil 180 ist der scharfe Innenrand 160 des Zapfens, der mit der gewölbten Außenfläche 194 des Flanschs in Kontakt ist. Der Außendurchmesser des Schafts 181 des Ösenteils ist relativ zu dem Innendurchmesser der Zapfenausnehmung 158 so gewählt, daß die gewölbte Außenfläche 194 den scharfen Innenrand 160 an dem Punkt berührt, an dem die radiale gewölbte Fläche 194 am stärksten gewölbt ist (bei der bevorzugten Ausführungsform), so daß die Oberfläche des Zapfens 152, die das Ösenteil 180 berührt, extrem klein gemacht wird.
Bei der bevorzugten Ausführungsform liegt der Abstand zwischen der seitlichen Fläche 196 an der Flanschunterseite und dem Zapfenkranz 162 in dem Bereich zwischen 0,6 mm (0,0025 Inch) und 1,3 mm (0,0050 Inch), wobei der Kranz 162 und die unterseitige seitliche Fläche 196 zueinander im wesentlichen parallel und voneinander beabstandet sind.
Der Dichtungsring 200 bei der bevorzugten Ausführungsform kann hergestellt sein, indem Siliconmaterial medizinischer Güte zu einem langen Rohr extrudiert wird und kontrollierte vorbestimmte Dicken in einem Hochgeschwindigkeits-Schneidvorgang abgeschnitten werden. Der Dichtungsring 200 bildet einen nachgiebigen Siliconringkörper 202 mit einer vorbestimmten Dicke. Der Ring 200 hat einen Durchgang 204 durch seine Mitte. Der Dichtungsring-Außendurchmesser kann ungefähr gleich dem Außendurchmesser der Umfangslippe 191a des Flanschs sein, während der Innendurchmesser des Dichtungsrings ungefähr gleich dem Innendurchmesser des Durchgangs 186 des Ösenteils sein kann.
Fig. 3 ist eine Aufsicht im Querschnitt auf die derzeit bevorzugte beispielhafte Drehzapfenlager/Dichtungseinrichtung 150, die in die Einmal-Patrone 10 von Fig. 1 anstelle des unteren Drehzapfens 22 aus rostfreiem Präzisionsstahl und des O-Dichtrings 72 eingebaut ist. Zur Montage des Drehzapfenlagers 150 wird das Unterende 154 des Zapfens zuerst in die Bohrung 50 gepreßt, die von der unteren Gehäusekappe 48 definiert ist, bis es an dem Ringkörper 52 anliegt. Der Zapfen 150 der bevorzugten Ausführungsform dreht sich nicht in bezug auf das Gehäuse, sondern ist statt dessen festgelegt.
Wenn der Zapfen 150 in die Bohrung 50 gepreßt wird, befindet sich die Öffnung 168 am Unterende 154 des Zapfens in Ausfluchtung mit der Öffnung 54, die durch die Mitte des Ringkörpers 52 gebildet ist. Die verformbare Dichtlippe 174 des Zapfens (die zum leichten Eintritt in die Bohrung konisch geformt ist und von dem Zapfenende 154 weg weist), wird verformt und paßt sich an die Wand der Bohrung an (wie am besten in den Fig. 3 und 6 zu sehen ist), so daß eine fluiddichte Einmal-Dichtung gebildet wird. Die Nut (Aussparung) 175 direkt angrenzend an die Lippe 174 bildet einen Raum, in den überschüssiges Material "kaltfließen" kann, so daß verhindert wird, daß das Gehäuse 48 einer übermäßigen Beanspruchung ausgesetzt wird.
Als nächstes wird der Dichtungsring 200 in die Rotorbohrung 62 eingesetzt. Dann läßt man das Ösenteil 180 mit dem Flansch 182 zuerst in die Rotorbohrung 62 gleiten, bis die Seitenfläche 191 des Flanschs den Ring 200 in Kontakt mit dem Rotor preßt (Ringkörper 66). Schließlich wird das Oberende 156 des Zapfens in die Rotorbohrung 62 eingesetzt, und der Schaft 181 des Ösenteils wird in die in dem Zapfenoberende gebildete axiale Ausnehmung 158 eingesetzt.
Das Ösenteil 180 ist im Einbauzustand lose - d. h. es besteht ein Spiel zwischen der Außenwand 193 des Schafts 181 des Ösenteils und der Wand 164 der Zapfenausnehmung. Wie bereits gesagt, das Ösenteil 180 ist in der axialen Ausnehmung 158 frei drehbar. Das Drehzapfenlager ist bei Drehung selbstausfluchtend und selbstzentrierend infolge der Länge des Schafts 181 des Ösenteils, der in der Zapfenausnehmung 158 angeordnet ist. Der Dichtungsring 200 liegt zwischen der oberen seitlichen Fläche 191 des Flanschs 182 und dem Ringkörper 66 und sorgt für Anpassung und eine wirksame Abdichtung zwischen Flansch 182 und Rotor 18.
Im Betrieb der Patrone 12 dreht sich der Rotor 18 mit einer Nenn-Winkelgeschwindigkeit von 3600 U/min in bezug auf das Gehäuse 16 aufgrund des von der magnetischen Antriebsanordnung 14 erzeugten, sich drehenden Magnetfelds. Der Rotor 18 beaufschlagt den Dichtungsring 200 mit zwei Komponenten einer abwärts gerichteten Kraft. Die erste Komponente ist das Gewicht des Rotors 18, und die zweite Komponente ist eine abwärts gerichtete Kraft, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnetring 24 des Rotors und dem von der magnetischen Antriebsanordnung 14 erzeugten, sich drehenden Magnetfeld erzeugt wird. Diese beiden Kräfte summieren sich auf ca. 380 Gramm (plus oder minus ca. 40 Gramm) bei der bevorzugten Ausführungsform.
Diese abwärts gerichtete Kraft veranlaßt den Dichtungsring 200, sich gemeinsam mit dem Rotor 18 zu drehen, und veranlaßt außerdem das Ösenteil 180, sich gemeinsam mit dem Dichtungsring zu drehen - die Reibung zwischen dem Rotorringkörper 66, dem Dichtungsring 200 und der oberen Seitenfläche 191 des Flanschs genügt, um eine relative Drehung dieser drei Teile zu verhindern. Der einzige Kontaktpunkt zwischen ortsfesten und sich drehenden Teilen in dem Unterende der Patrone 12 wird der scharfe Rand 160 des Zapfens 152 und der glatte Radius der gewölbten Außenfläche 194 des Ösenteils 180.
Wenn sich der Rotor auf seine Geschwindigkeit hochzudrehen beginnt, wird die gewölbte Fläche 194 an dem scharfen Rand 160 des Zapfens 152 geglättet (bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Zapfen weicher als das Ösenteil 180 aus hartem rostfreiem Stahl). Der scharfe Rand 160 nimmt den Radius des Ösenteils 180 nach einer kurzen Einlaufphase an (Tests zeigten, daß die gesamte Glättung im wesentlichen innerhalb der ersten zehn Sekunden der Relativdrehung erfolgt). Diese Grenzfläche zwischen scharfem Rand 160 und gewölbter Fläche 194 wird daher sehr schnell kontinuierlich bzw. durchgehend, so daß eine luft- und flüssigkeitdichte Dichtung gebildet wird. Da das Ösenteil 180 in Axialrichtung belastet wird (eine axiale Abwärtskraft wird von dem Rotor 18 auf das Ösenteil 180 über den Dichtungsring 20 aufgebracht), wird die fluiddichte Abdichtung zwischen der gewölbten Außenfläche 194 und dem scharfen Rand 160 (der nunmehr abgerundet ist) aufrechterhalten, wenn der Rotor, der Dichtungsring und das Ösenteil sich fortgesetzt relativ zu dem Zapfen 152 und dem Gehäuse 16 drehen. Tests haben gezeigt, daß eine abwärts gerichtete Kraft von nur 50 Gramm genügt, um die Dichtung zu bilden und zu unterhalten.
Die Selbstbildung einer funktionsfähigen Dichtung zwischen der gewölbten äußeren Fläche 194 und dem scharfen Rand 160 durch Glätten bietet gegenüber anderen Dichtungskonstruktionen viele Vorteile. Beispielsweise bildet dieser Polierbzw. Glättungsvorgang eine luft/flüssigkeitsdichte Abdichtung unmittelbar zwischen zwei getrennt hergestellten, lose verbundenen Komponenten (dem Ösenteil und dem Drehzapfen), ohne daß ein zusätzliches Element zwischen ihnen angeordnet werden muß. Außerdem können einige herstellungsbedingte Ungenauigkeiten (beispielsweise ein Preßgrat, Staub und dergleichen) durch den Eindreh/Glättungsvorgang der Erfindung beseitigt werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 sind die Abführauslässe 56 und 46 und der Einlaß 38 vor der Verwendung der Patrone 12 normalerweise zur Atmosphäre hin offen. Der Raum zwischen dem Zapfen 152 und der Wand der Rotorbohrung 62 ist normalerweise von Luft eingenommen, wenn der Rotor 18 mit dem schnellen Drehen beginnt. Bei der Blutfiltration erreicht Blut den Boden des Gehäuses 16 erst einige Sekunden nach dem Beginn der Schleuderbewegung des Rotors 18. Eine Dichtung wird daher normalerweise zwischen dem scharfen Rand 160 und dem Flansch 182 des Ösenteils selbstgebildet, bevor Fluid die Möglichkeit hat, in den Raum zwischen dem Zapfen 152 und der Wand der Rotorbohrung 62 zu fließen - so daß Luft in diesem Raum eingeschlossen wird. Diese Luftpufferzone hinter der Fluidkontaktfläche verhindert, daß gepackte Erythrozyten sich mit dem Plasma vermischen, das durch die Mitte des Ösenteils 180 strömt, falls die Dichtung zwischen der Kontaktfläche 194 und dem scharfen Rand 160 kurzzeitig ausfällt. Luft bleibt in diesem Raum eingeschlossen, da die selbstgebildete Dichtung zwischen dem Ösenteil und dem Zapfen sowohl luft- als auch fluiddicht ist. Ferner sind die in direktem Kontakt befindlichen Drehflächen aufgrund der eingeschlossenen Luft weg von dem Fluidpfad getrennt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird auf die Zapfenaußenwand 172 eine extrem geringe Menge Siliconöl (z. B. 360-"Polydimethylsiloxan"-Fluid medizinischer Qualität von Dow Corning®) aufgebracht, um zu verhindern, daß die Wand der Rotorbohrung 62 abgerieben wird und Material sich auf dem Zapfen 152 ablagert. Die Menge an aufgebrachtem Siliconöl ist extrem gering - in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 ul. Bei Tests ist zwar nicht ohne weiteres ersichtlich, daß Siliconöl notwendig ist (beispielsweise ist nicht ersichtlich, daß Siliconöl auf die das Ösenteil 180 berührenden Flächen des Zapfens 152 aufgebracht werden müßte), aber der Abrieb der Wand der Rotorbohrung 62 wird deutlich verringert und/oder ganz beseitigt, wenn Siliconöl aufgebracht wird.
Das Aufbringen von Siliconöl auf den Zapfen ist ein zusätzlicher Schritt, der die Kosten der Herstellung der Drehzapfenlager/Dichtungseinrichtung geringfügig erhöht. Es gibt Möglichkeiten, Silicon in Kunststoff einzuformen (und damit diesen zusätzlichen Schritt zu vermeiden). Beispielsweise liefert die LNP Corporation Legierungen mit einem diskreten Zusatz von Silicon (d. h., kleine Fluidtaschen sind in dem Kunststoff verteilt). Petrarch Systems, Inc. stellt ein "Polymer-Netzwerk mit gegenseitiger Durchdringung" zur Verfügung, bei dem Silicon sich tatsächlich auf molekularem Niveau mit dem Thermoplastharz verbindet. Diese Materialien könnten anstelle einer Kunststoffverbindung, die das Aufbringen von Silicon nach dem Formen notwendig macht, eingesetzt werden.
Bei der Wahl des speziellen Kunststoffmaterials zum Herstellen des Zapfens 152 wird auf unser Fachwissen in bezug auf Kunststoffe und Tribologie (die wissenschaftliche Erforschung von Reibung) zurückgegriffen. Erfahrungen und Tests zeigen, daß Kunststoffe mit inhärent niedrigen Reibungszahlen geeignete Kandidaten sind. Leider können viele solche Kandidaten bei der Anwendung von Patronen für die Blutfiltration nicht eingesetzt werden, weil sie den strengen FDA-Toxizitätsanforderungen nicht entsprechen können (obwohl sie zur Verwendung außerhalb von biomedizinischen Anwendungen gut geeignet sein können).
Blutfiltrations-Patronen werden typischerweise mit Gammastrahlung bestrahlt, um sie zu sterilisieren. Gammastrahlung kann die Eigenschaften von Materialien verschlechtern, die sich im übrigen zur Herstellung des Zapfens 152 eignen würden. Beispielsweise hat Frisch-Teflon eine extrem kleine Reibungszahl, baut sich aber bei Belichtung mit Gammastrahlung sehr rasch ab. Teflon(Wz), das in andere Kunststoffe in geringen Mengen (die typischerweise zwischen 3 und 15 Vol.-% betragen) einlegiert ist, beeinträchtigt offenbar die Konstruktionseigenschaften des Grundkunststoffs nicht, kann jedoch die Reibungszahlen von bestimmten Kunststoffen senken. Andere Kunststoffe, wie etwa ultrahochmolekulares Polyethylen haben inhärent niedrige Reibungszahlen, die geeignet sein können.
Eine weitere Einschränkung bei der Wahl des Materials des Zapfens 152 ist die Verarbeitbarkeit. Der Zapfen 152 ist ein relativ kleines Teil bei der bevorzugten Ausführungsform und muß doch innerhalb sehr enger Toleranzen geformt werden. Wenn der Kunststoff nicht fließen kann oder Anzeichen von Scherspannungsbruch aufgrund der Formkonfiguration zeigt, füllt er die Form nicht richtig aus. Probleme wie "kaltes Fließen", "Schweißlinien" an der Dichtungsgrenzfläche oder Schmelzbruch sind nicht selten. Ein Kunststoff, der getestet wurde und sich aus den genannten Gründen als ungeeignet zum Einsatz als Blutfiltrations-Patrone erwies, war ein Gemisch von Polyetherimid und Teflon. Andere Kunststoffe wie Polyether-Etherketon konnten zufriedenstellend verarbeitet werden und funktionieren gut - aber die Kosten dieses Kunststoffs sind um 2/3 höher als die des vorher beschriebenen bevorzugten Kunststoffs.
Das jeweilige Material, aus dem der Zapfen 152 hergestellt wird, hängt also davon ab, wie die Drehzapfenlager/Dichtungseinrichtung zu verwenden ist. Nominell sollte das Material eine ausreichend kleine Reibungszahl haben, um annehmbare Verschleißeigenschaften zu haben, und sollte außerdem überlegene Verarbeitungs-(Form-)Eigenschaften haben. Zapfen, die für biomedizinische Anwendungen zu verwenden sind (z. B. in Blutfiltrations-Patronen), sollten außerdem die FDA-Toxizitätsprüfungen der Klasse VI bestehen und keine nachteiligen Auswirkungen zeigen, wenn sie einer sterilisierenden Dosis von Gammastrahlung ausgesetzt werden.
Ein wesentlicher Vorteil der Dichtungs/Drehzapfenlagerkonstruktion der Erfindung ist ihre Fähigkeit, Wärme abzuleiten, die durch die Reibung zwischen den relativ zueinander drehenden Teilen erzeugt wird. Bei vielen bekannten Dichtungskonstruktionen wird die Reibung zu einem überwältigenden Faktor, der zu einer vorzeitigen Zerstörung der Dichtung führt. Drehzapfen aus Kunststoff können unter dem Einfluß der Wärme, die durch den Kontakt mit einem drehenden Rotor erzeugt wird, verformt werden und schmelzen, so daß jegliche fluiddichte Abdichtung zwischen dem Zapfen und dem Rotor zerstört und/oder ein Fluiddurchgang zwischen dem Rotor und dem Zapfen nach nur wenigen Minuten Drehung verschlossen wird.
Das gemäß der Erfindung vorgesehene Drehzapfenlager verwendet dagegen den Fluiddurchfluß durch den Durchgang 186 des Ösenteils, um Wärme abzuleiten, die durch den Reibungskontakt der gewölbten Fläche 194 mit dem scharfen Rand 160 erzeugt wird. Das Ösenteil 180, das aus rostfreiem Stahl (oder einem anderen wärmeleitenden Material) besteht, wirkt als integraler Wärmeübertrager, da es Wärme von der gewölbten Fläche 194 ableitet. Da sich das Ösenteil 180 über wesentliche Bereiche seiner axialen Länge in Kontakt mit einem strömenden Fluid (d. h. mit Plasma, das aus dem Hohlraum 32 durch den Durchgang 186 des Ösenteils und in den Plasmaauslaß 56 strömt) befindet, verteilt es die durch Reibungskontakt zwischen der gewölbten Fläche 194 und dem scharfen Rand 160 erzeugte Wärme sehr schnell und verhindert ein nachteiliges plastisches Fließen des Rands 160 oder anderer Bereiche des Oberendes 156 des Zapfens. Das Längenverhältnis zwischen dem Innendurchmesser des Ösenteils 180 und der Länge des Ösenteils ist groß und wird mindestens teilweise gewählt, um eine ausreichende Wärmeableitung zu erreichen.
Außerdem wird durch den Kontakt zwischen der gewölbten Flanschfläche 194 und dem scharfen Rand 160 relativ wenig Wärme erzeugt, weil die Querschnitts-Kontaktfläche der sich drehenden Dichtung dadurch absolut minimiert ist, daß der Radius der Dichtung auf sein Minimum gebracht ist - d. h., der Durchmesser des scharfen Rands 160 ist gleich dem Durchmesser der Innenwand 164 des Zapfens. Es besteht nur ein sehr kleiner Kontaktbereich zwischen dem scharfen Rand 160 und dem glatten Radius der gewölbten Kontaktfläche 194 des Flanschs, weil der scharfe Rand eine sehr kleine Querschnittsfläche hat und den Flansch an der Stelle berührt, an der er am stärksten gewölbt ist. Eine minimale Kontaktfläche ist zwar im allgemeinen erwünscht, aber es scheint, daß bestimmte Variable (z. B. Belastung und Geschwindigkeit) im Fall einer proportionsmäßigen Änderung der Kontaktfläche geändert werden könnten.
Wie oben gesagt, Fluid, das durch die Drehzapfendichtung 150 strömt (d. h. durch den Durchgang 186 des Ösenteils und durch den Durchgang 166 des Zapfens), trägt dazu bei, Wärme von dem Dichtungsbereich wegzuleiten, so daß die Lebensdauer der Dichtung verlängert wird. Trockentests, die durchgeführt wurden, ohne daß Fluid durch die Zapfendichtung 150 strömte (ein schlechtester Fall, bei dem keine Fluidkühlung der Dichtungsfläche stattfindet), haben gezeigt, daß die Erzeugung von Reibung und Wärme an der Dichtung auf ihren niedrigstmöglichen Werte vermindert wurde. Die Ausführungsform von Fig. 3 wurde "trocken" über Zeiträume getestet, die im Gebrauch typischerweise zu erwarten sind. Es handelt sich dabei zwar um eine grobe Übertreibung von tatsächlichen Arbeitsparametern, es zeigt aber, daß die durch die Erfindung angegebene Dichtung über beträchtliche Zeiträume (wie sie während einer Anlaufperiode auftreten könnten, bevor Fluid mit dem Dichtungsbereich in Kontakt gelangt) trocken laufen kann.
Die Komponenten der Dichtung 150 der Erfindung können nach der Montage mit Gammastrahlen bestrahlt werden, um sie zu sterilisieren. Die Bestrahlung des Zapfens 152 kann den Kunststoffzapfen sogar härten und einen Verschleiß des Rands 160 vermindern (jedoch nicht so weit, daß der Rand gehindert wird, von dem Ösenteil leicht geglättet zu werden).
Ein weiterer wichtiger Vorteil des durch die Erfindung angegebenen Drehzapfenlagers ist, daß es relativ billig herzustellen ist. Bei manchen früheren Konstruktionen überstiegen die Lohnkosten für die manuelle Prüfung der Lagerteile, die für die Qualitätskontrolle erforderlich ist, die Kosten der Einmal-Patrone 12 ganz erheblich.
Beispielsweise müssen O-Dichtringe 72 zum Gebrauch bei der bekannten, aus Präzisionsstahl bestehenden Lagerzapfenanordnung nach Fig. 1 zu 100 % mikroskopisch geprüft werden (d. h., jeder einzelne O-Dichtring muß manuell unter dem Mikroskop geprüft werden), was eine Ausschußrate von etwa 40 % aufgrund der inhärenten Probleme beim Formpressen eines so kleinen Rings ergibt. Jeder akzeptable O-Dichtring muß dann gereinigt und geschmiert werden.
Der aus rostfreiem Präzisionsstahl bestehende Drehzapfen 22 von Fig. 1 besteht aus einem geschweißten, gezogenen und gehärteten rostfreien Rohrstahl. Rohrlängen von 3,7 m (12 Fuß) werden spitzenlos geschliffen und auf einer Automatendrehmaschine auf Länge gedreht. Der Drehvorgang formt auch die Abschrägung und die Positioniernuten. Die gedrehten Zapfen werden dann chargenweise geprüft. Dann muß jeder einzelne Zapfen für sich in bezug auf Außendurchmesser-Übereinstimmung in einer Ringlehre vermessen werden. Jeder Zapfen wird dann auf einer Juwelierdrehbank handpoliert, wobei jeder Zapfen Polieren für 30 Sekunden, eine Schleifmittelspülung (indem ein Rohrreiniger durch seinen Innendurchmesser gestoßen wird), Ultraschallentfetten und schließlich Schmieren benötigt.
Die Herstellungskosten des durch die Erfindung angegebenen Lagers sind wesentlich geringer als die Kosten für die Herstellung von bekannten Lagern, da die drei Vorgänge zur Herstellung der Komponenten des Zapfenlagers der Erfindung (d. h. Spritzformen des Zapfens 152, Tiefziehen des Ösenteils 180 sowie Extrudieren und Schneiden des Dichtrings 200) jeweils präzise Hochgeschwindigkeits-Operationen sind, die nur chargenweise Inspektion verlangen (keine 100% Prüfung).
Ganz bedeutende Kosteneinsparungen ergeben sich daher durch das Drehzapfenlager der Erfindung. Wenn X die Kosten jedes losen Ösenteils 180, Z die Herstellungskosten eines bekannten Zapfenlagers des in Fig. 1 gezeigten Typs und Δ % die Kosteneinsparungen sind, die durch Verwendung des Drehzapfenlagers der Erfindung anstatt des bekannten Drehzapfenlagers realisierbar sind, so ergeben sich die Kosteneinsparungen der Erfindung gemäß der folgenden Gleichung:
$ % = X-Z/Z·100,
(wobei die gegebenen Werte X und Z die Prüfungs-, Labor- und Reinigungskosten sowie Herstellungskosten umfassen, so daß die obige Gleichung die Kosteneinsparungen für eingebaute Lager wiedergibt) - Durch Substitution von angenäherten Kostenwerten in die Gleichung entspricht Δ % ungefähr 760 %. Einfacher ausgedrückt, das durch die Erfindung angegebene Drehzapfenlager ist nur etwa 1/10 so teuer in der Herstellung und Montage wie das aus rostfreiem Präzisionsstahl bestehende Drehzapfenlager der in Fig. 1 gezeigten Art.
Die Drehzapfenlager/Dichtungseinrichtung der Erfindung nutzt die Schmiereigenschaften eines spritzgeformten Kunststoffzapfens und die Abriebfestigkeit eines Ösenteils aus rostfreiem Stahl. Bei der Entwicklung des Drehzapfenlagers der bevorzugten Ausführungsform wurde mit einer alternativen Konfiguration eines "engen Ösenteils" experimentiert. Bei dieser alternativen Konfiguration wurde das Ösenteil 180 in das Verschleißende (das obere Ende 156) des Kunststoffzapfens 152 gepreßt und drehte sich nicht relativ zu dem Zapfen (statt dessen drehten sich der Rotor 18 und der Dichtungsring 200 relativ zu dem Zapfen und der Öse). Diese Konfiguration funktioniert zwar recht gut (und könnte für manche Anwendungen sehr zweckmäßig sein), sie hat jedoch den Nachteil, daß die seitliche Fläche 191 des Ösenteils poliert werden muß, um den effektiven Abrieb des Dichtrings 200 zu verringern. Dieser zusätzliche Polierschritt erhöht die Kosten des Drehzapfenlagers.
Andererseits sieht man an stichprobenweise entnommenen "serienmäßigen" Ösenteilen des Typs, der von einer Reihe von Herstellern erhältlich ist, bei der Untersuchung unter dem Mikroskop einen Radius an der Unterseite des Flanschs 182 (d. h. an der gewölbten Fläche 194), der sehr präzise und glänzend ist. Diese präzise, glänzende Fläche ist das direkte Ergebnis des Tiefziehverfahrens, das zur Herstellung solcher Ösenteile angewandt wird. Durch Aufbringen von mäßigem Druck auf ein Ösenteil, das in eine in dem Ende eines Kunststoffzapfens geformte Ausnehmung eingesetzt ist, ist unter dem Mikroskop zu sehen, daß die gewölbte äußere Fläche 196 unter dem Flansch 182 den inneren Kunststoffrand des Zapfens glättet, wenn das Ösenteil relativ zu dem Zapfen gedreht wird. Auch grobe Modelle, die unter Verwendung von Ösenteilen mit nichtoptimaler Größe und Gestalt gebaut wurden, ergaben, daß eine Dichtung zwischen dem Rand der Zapfenausnehmung und dem Radius unter dem Flansch durch Drehen von selbst gebildet wird.
Eine zwanzigfache Konstruktions-Studie wurde durchgeführt, um zu sehen, welche Art von Toleranzen erwartet werden konnten und wie diese Toleranzen die Dichtungszuverlässigkeit beeinflussen würden. Diese Studie zeigte auf, daß der Zapfen 152, das Ösenteil 180 und der Dichtungsring 200 auf den drei Gebieten des Spritzformens, Tiefziehens und der Elastomerherstellung nach Standard-Spezifikationen hergestellt werden konnten. Zusätzliche Tests haben gezeigt, daß die durch die Erfindung gegebene Dichtungskonstruktion gegenüber den axialen Abwärtskräften, die von dem Rotor 18 auf den Dichtungsring 200 aufgebracht werden, weit toleranter ist, weil bei der Herstellung der kritischen Einmal-Teile der Einmal-Patrone 12 eine größere Freiheit möglich ist (so daß die dimensionsmäßigen Toleranzen dieser Teile weniger kritisch sind).
Die Fig. 7 und 8 zeigen alternative Ausführungsformen gemäß der Erfindung, wobei der Zapfen 152 als gesonderte Formteileinheit eliminiert ist. Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der der scharfe kreisförmige Kunststoffrand 160, der das Ösenteil 180 berührt, in das Kunststoffgehäuse 16 (das aus dem gleichen oder einem äquivalenten Material wie der für den Zapfen 152 verwendete Kunststoff bestehen sollte) eingeformt ist. Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform ist das Ösenteil 180 auch hinsichtlich der Gestalt modifiziert (d. h. der Flansch 182 ist mit einem in Axialrichtung verlaufenden zylindrischen Bereich 182a versehen), um zuzulassen, daß der Flansch in eine Bohrung 280 im Rotor 180 eingepreßt wird (so daß die Notwendigkeit für einen Dichtring zwischen dem Flansch des Ösenteils und dem Rotor entfällt).
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das Ösenteil 180 durch einen rostfreien Stahlbecher 300 mit großem Radius ersetzt ist, der in einer becherförmigen Vertiefung 302 angeordnet ist, die in dem Gehäuse 16 gebildet ist. Eine hohle Zapfenkonstruktion 306, die als ein Teil des Rotors 18 geformt ist (und in Axialrichtung von dem Rotor ausgeht), hat einen scharfen Rand 308 an ihrem Außendurchmesser. Der scharfe Rand 308 dreht sich in Kontakt mit dem Innenradius des Bechers 300 unter Selbstbildung einer Dichtung an der Grenzfläche zwischen den beiden Radien.
Manche Anwendungen des Drehzapfenlagers können eine doppelte oder Vielfachabdichtung erfordern. Beispielsweise kann es notwendig sein, drei verschiedene Flüssigkeiten zwischen einem Rotor und entsprechenden Auslässen eines Gehäuses durchzuleiten, während gleichzeitig jede der Flüssigkeiten von den beiden anderen getrennt ist (es ist nicht selten, daß Filter in Kaskade angeordnet werden, um Filtrate verschiedener Dichten und dergleichen zu erhalten). Die Fig. 9 und 10 zeigen zwei verschiedene alternative Ausführungsformen eines abdichtenden Drehzapfenlagers, das eine Zwei- oder Vielfachabdichtung vorsieht und koaxiale Dichtungskonstruktionen aufweist.
Bei der Ausführungsform von Fig. 9 dreht sich ein Rotor 18 in einer ersten Richtung und trennt ein Fluid in eine erste und eine zweite Komponente. Die erste Fluidkomponente strömt durch einen Raum 40 zwischen der Innenwand 42 des Gehäuses 16 und einer äußeren Rotorwand 34 (oder einer Filtermembran, die diese äußere Wand überdeckt) und tritt aus dem Gehäuse durch den Auslaß 46 aus. Die zweite Fluidkomponente strömt in ein Volumen 31, das in dem Inneren des Rotors 18 gebildet ist.
Ein weiterer Rotor ("Gegenrotor") 350 ist drehbar in dem Innenraum 31 des Rotors 18 angeordnet. Der Rotor 350 dreht sich unabhängig von dem Rotor 18 (und kann so gesteuert werden, daß er sich mit einer anderen Geschwindigkeit und/oder in einer anderen Richtung dreht). Der Rotor 350 trennt das Fluid weiter in dem Innenraum 31 des Rotors 18 in eine dritte und eine vierte Komponente.
Die dritte Fluidkomponente bleibt in dem Raum zwischen einer Außenwand 352 des Rotors 350 und einer Innenwand des Rotors 18. Die vierte Fluidkomponente strömt durch einen Durchgang 354, der durch den Rotor 350 gebildet ist, in einen Raum 356, der in dem Inneren des Rotors 350 definiert ist. Die dritte Fluidkomponente wird aus dem Gehäuse 16 durch einen weiteren Fluidauslaß 358 abgezogen, während die vierte Fluidkomponente durch den axialen Fluidauslaß 56 abgeführt wird. Sämtliche drei Fluidkomponenten (d. h. die erste, dritte und vierte Komponente) sollten nicht mehr miteinander vermischt werden, nachdem sie voneinander getrennt worden sind.
Die Ausführungsform von Fig. 9 weist den Zapfen 152, ein Ösenteil 180 und eine Dichtung 200 auf (mit einer Konstruktion und Funktionsweise, wie in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 beschrieben wurde), die die vierte Fluidkomponente in dem Innenraum 356 des Rotors 350 mit dem Abfuhrauslaß 56 verbinden, während gleichzeitig der Rotor 350 drehbar gehaltert wird. Eine zusätzliche Abdichtung ist zwischen dem Innenraum 31 des Rotors 18 und dem Austragsauslaß 358 durch ein weiteres Ösenteil 360, einen weiteren Dichtring 362 und einen weiteren scharfen Rand 364 vorgesehen, der in einem "stiftartigen" vorspringenden Bereich 366, der von der unteren Kappe 48 des Gehäuses ausgeht, gebildet ist. Der vorspringende Bereich 366 ist mit dem Zapfen 152 koaxial, und das Ösenteil 360 ist mit dem Ösenteil 180 koaxial.
Der Innendurchmesser des Ösenteils 360 ist größer als der Außendurchmesser des Zapfens 152, und das Ösenteil liegt auf dem scharfen Rand 364, der durch den vorspringenden Bereich 366 gebildet ist, so daß der einzige Kontakt zwischen dem Gehäuse 16 und dem Ösenteil 360 ein Radius-zu-Radius-Kontakt ist. Der vorspringende Bereich 366 ist in die untere Kappe 48 des Gehäuses eingesetzt und weist ausgesparte Stege 367 auf (die die Drehung des Ösenteils 360 nicht stören), um dazu beizutragen, die Drehachsen der Rotoren 18 und 350 auszufluchten. Zwischenräume zwischen Stegen 367 ermöglichen es einem Fluid, zwischen dem Zapfen 152 und dem vorspringenden Bereich 366 zu strömen. Der Rotor 18 bringt eine axiale Kraft auf das Ösenteil 360 über den Dichtungsring 362 auf, um zu veranlassen, daß zwischen dem Radius des Ösenteils und dem scharfen Rand 364 eine Dichtung von selbst gebildet wird. Wie bereits erläutert, wird eine Dichtung zwischen dem Ösenteil 360 und dem Rand 364 von selbst gebildet, wenn der Rotor 18 sich relativ zum Gehäuse 16 zu drehen beginnt und den scharfen Rand glättet. Diese selbstgebildete Dichtung verhindert, daß sich die in dem Innenvolumen 31 des Rotors vorhandene Fluidkomponente mit der in dem Raum 40 vorhandenen ersten Fluidkomponente vermischt.
Wie oben beschrieben, ist es wichtig, daß auf das Ösenteil 180 (und das Ösenteil 360) eine geeignete Dichtungskraft aufgebracht wird, wenn Dichtungen selbstgebildet und unterhalten werden sollen. Die Rotoren 18 und 350 sollten also so ausgelegt sein, daß auf den Dichtring 180 und den Dichtring 362 geeignete Abdichtkräfte aufgebracht werden.
Fig. 10 ist eine alternative Ausführungsform eines dichtenden Drehzapfenlagers mit einer koaxialen Dichtungsanordnung, wobei eine fluiddichte Abdichtung zwischen dem inneren Rotorraum 356 und dem Abführauslaß 56 durch eine Zapfen/Ösenteil/Dichtring-Anordnung des in den Fig. 2 und 3 gezeigten Typs gebildet und eine weitere fluiddichte Abdichtung zwischen dem Innenraum 31 des Rotors und dem Abführungsauslaß 358 durch ein konventionelles Lippendichtungselement 376 vorgesehen ist.
Bei der Ausführungsform von Fig. 10 wird zugelassen, daß der Rotor 18 ungehindert an der Außenwand 378 des Verlängerungsbereichs 366 schwimmt, wobei eine Abdichtung zwischen einem konventionellen Lippendichtungselement 376 und dieser Außenwand hergestellt wird. Das Lippendichtungselement 376 kann als Teil des Rotors 18 geformt sein (oder gesondert hergestellt und in einen im Rotor gebildeten ringförmigen Schlitz eingepreßt sein). Das Lippendichtungselement 376 ist in Richtung zu der Außenwand 378 des vorspringenden Bereichs selbstvorgespannt und hat eine Dichtungsfunktion, wenn der Rotor 18 sich dreht und sich in Axialrichtung in bezug auf das Gehäuse 16 bewegt. Stege 380 können über die Länge des vorspringenden Elements 366 bei dieser Ausführungsform verlaufen, weil bei dieser äußeren koaxialen Dichtung kein sich drehendes Ösenteil vorhanden ist.
Es wird also eine billige Drehzapfenlager/Dichtungseinrichtung angegeben, die besonders gut in Einmal-Filtrationspatronen für biologische Fluide brauchbar ist. Die vertikale Orientierung der in den Zeichnungen dargestellten beispielsweisen Ausführungsform sollte nicht als Einschränkung der Erfindung auf Anwendungen angesehen werden, bei denen ein vertikal orientierter Drehzapfen erforderlich ist. Außerdem kann die gemäß der Erfindung verwendete "Ösenteil"-Konstruktion viele verschiedene Gestalten haben.

Claims

1. Rotor und Drehzapfenlageranordnung dafür, die folgendes aufweist: ein erstes Element (152, 306) zum Befestigen oder festgelegt in bezug auf einen Tragkörper (16) und ein zweites Element (180, 300), das den Rotor (18) trägt, wobei das erste und das zweite Element selbstzentrierende Drehlagerteile (160, 194 und 306, 300) unter Axialbelastung haben, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Lagerteile einen ringförmigen scharfen Rand (160, 308) aufweist, das andere Lagerteil eine Kontaktfläche (194, 300) hat und die einzigen Kontaktbereiche zwischen den Elementen sich zwischen dem Rand (160, 308) und der Kontaktfläche (194, 300), die Radius-zu-Radius- Kontakt haben, befinden.

2. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach Anspruch 1, wobei die Kontaktfläche (194, 300) konkav ist.

3. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kontaktfläche (194) glatt ist.

4. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner folgendes aufweist: eine Dichtung, die zwischen der Kontaktfläche (194) und dem Rand (160) ausgebildet ist und die durch relative Drehung der Fläche und des Rands geglättet worden ist.

5. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Element (152) eine Ausnehmung (158) hat, die den scharfen Rand (160) bildet, der die Ausnehmung umgibt, und das zweite Element

ein Ösenteil (180) aufweist, das einen Schaft (181) mit einem nach außen verlaufenden Flansch (182) an einem Ende hat, wobei die Kontaktfläche (194) an der Verbindungsstelle zwischen dem Flansch und dem Schaft vorgesehen ist.

6. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach Anspruch 5, wobei die Kontaktfläche eine gebogene Außenfläche (194) an der Unterseite des Flansches (182) aufweist.

7. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei das erste Element einen langgestreckten Kunststoffzapfen (152) aufweist.

8. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei das erste Element (152) ein Material aufweist, das viel weicher als das Material des Ösenteils (180) ist.

9. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Rotor (18) den Flansch (182) axial belastet.

10. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei das Ösenteil (180) einen Hohlkanal (192) hat, der es für den hindurchgehenden Durchfluß von Kühlflüssigkeit in Axialrichtung durchsetzt.

11. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei das Ösenteil (180) ein Material aufweist, das Wärme von der Kontaktfläche (194) auf das Fluid überträgt, das durch den Ösenteilkanal strömt.

12. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei das Ösenteil auf dem Rand (160) schwimmt.

13. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei das erste Element (152) ein zylindrisches Teil (172) zum Einsetzen in eine Bohrung (50) des Tragkörpers (16) hat, das zylindrische Teil eine verformbare, ringförmige Dichtung (174) aufweist, die von seiner äußeren zylindrischen Fläche ausgeht, und wobei die ringförmige Dichtung sich in Dichtkontakt mit der Wand der Bohrung verformt, wenn das Element in die Bohrung eingesetzt wird.

14. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach Anspruch 13 in Kombination mit dem Tragkörper (16), wobei der Außendurchmesser des zylindrischen Teils größer als der Durchmesser der Bohrung (50) ist und das zylindrische Teil eine Ringnut (175) in der äußeren zylindrischen Fläche angrenzend an die ringförmige Dichtung hat, wobei die Nut ein Raum bildet, den überschüssige Bereiche der ringförmigen Dichtung einnehmen können.

15. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die ringförmige Dichtung (174) mit dem zylindrischen Teil (172) integral geformt ist.

16. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach Anspruch 13, 14 oder 15, wobei die ringförmige Dichtung (174) einen konischen Lippenbereich aufweist, der in einem kreisförmigen Rand endet, so daß der Rand vor dem konischen Bereich in die Bohrung (50) eingesetzt wird.

17. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Element, das den Rand (160) hat, mit dem Tragkörper (16) integral ausgebildet ist.

18. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach Anspruch 17, wobei das zweite Element ein Ösenteil (180) aufweist, das einen zylindrischen Bereich (182a) hat, der in eine Öffnung (280) in dem Rotor (18) eingesetzt ist, wobei der zylindrische Bereich an die Kontaktfläche (194) angrenzt.

19. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Element ein becherförmiges Element (300) ist und die Kontaktfläche von einer Innenfläche des becherförmigen Elements gebildet ist, wobei das Element an dem Tragkörper angebracht (16) ist.

20. Rotor und Drehzapfenlageranordnung nach Anspruch 19, wobei das erste Element (306), das den Rand (308) hat, mit dem Rotor (18) integral ausgebildet ist.

21. Fluidfiltrationsvorrichtung, die einen Tragkörper (16) sowie einen Rotor (18) und eine Drehzapfenlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei der Tragkörper eine darin ausgebildete Innenwand (42) hat, der Rotor (18) in dem Tragkörper drehbar angeordnet ist, der Rotor darin ausgebildete Bohrung (62) hat, die in dem Rotor an einer Innenfläche mit einer durch sie hindurchgehenden Einlaßöffnung (204) mündet, wobei die Öffnung die Rotorbohrung mit einer Fluidversorgung verbindet, die Elemente (152, 180) der Drehzapfenlageranordnung in der Bohrung (62) des Rotors (18) positioniert sind, das zweite Element (180) eine Bohrung (186) hat, die mit der Öffnung (204) in Verbindung steht, wobei das erste Element (152), das in bezug auf den Tragkörper (16) festgelegt ist, eine Bohrung (166) hat, die mit der Bohrung (186) des zweiten Elements und mit einem Auslaß (56) in Verbindung steht, um einen Durchgang von der Öffnung (204) zu dem Auslaß (56) zu bilden.

22. Verfahren zum Herstellen einer fluiddichten Dichtung für einen Rotor und eine Drehzapfenlageranordnung nach Anspruch 1, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(i) Vorsehen eines langgestreckten durch Spritzgießen hergestellten Kunststoffzapfens (152), der eine axiale Ausnehmung (158) an einem Ende davon bildet, die von einem scharfen kreisförmigen Rand (160) umgeben ist;

(ii) Vorsehen eines steifen metallischen Ösenteils (180), das einen rohrförmigen Schaftbereich (181) hat, der in einem nach außen verlaufenden Flansch (182) endet, wobei der Schaftbereich mit einer gebogenen Fläche (194) in den Flansch übergeht;

(iii) Einsetzen des Ösenteil-Schaftbereichs in die Zapfenausnehmung, bis die gebogene Fläche des Ösenteils den scharfen Rand berührt;

(iv) Drehen des Ösenteils (180) relativ zu dem Zapfen, während zugleich der Flansch (182) in Richtung zu dem scharfen Rand beaufschlagt wird; und

(v) Glätten des scharfen Rands an der drehenden gebogenen Fläche zum Selbstbilden einer fluiddichten Dichtung zwischen ihnen.

23. Verfahren nach Anspruch 22, das folgende Schritte aufweist:

(vi) Vorsehen eines Siliconelastomer-Dichtrings (200);

(vii) Anordnen des Dichtrings auf dem Flansch (182); und

(viii) Aufbringen eines Drehmomentes zusammen mit einer Axialkraft, die zum Ösenteil (180) gerichtet ist, auf den Dichtring, um zu bewirken, daß das Ösenteil sich relativ zu dem Zapfen dreht.