DE3806284C1

DE3806284C1 - Fixed angle rotor for a laboratory centrifuge

Info

Publication number: DE3806284C1
Application number: DE19883806284
Authority: DE
Inventors: Christian 6454 Bruchkoebel De Hirsch; Peter Dr. 6100 Darmstadt De Pantucek
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Heraeus Sepatech GmbH
Current assignee: Thermo Electron LED GmbH
Priority date: 1988-02-27
Filing date: 1988-02-27
Publication date: 1989-04-13

Description

Die Erfindung betrifft einen Festwinkelrotor für eine Laborzentrifuge mit einem einteiligen Rotorkörper, der zu einer vertikalen Rotor-Achse, die gleichzeitig die Drehachse bildet, Rotationssymmetrie aufweist, der in der Achse verlaufend an der Unterseite einen Antriebswellen-Verbindungsfuß besitzt, und der zur Aufnahme von Röhrchen um den Außenumfang verteilt im Querschnitt kreisförmige Sackloch-Bohrungen mit einem verbleibenden Steg der Breite 2× zwischen benachbarten Bohrungen und einen radialen Außensteg der mit einer minimalen Dicke s aufweist, wobei die Achsen der Bohrungen auf einem gemeinsamen Kegelmantel angeordnet sind und jeweils in einer Ebene liegen, die die Rotor-Achse enthält, und wobei die Böden der Bohrungen als Kugelkalotte ausgebildet sind, und bei dem die Außenkontur des Rotorkörpers im Bereich der Böden im Radialschnitt gesehen abgerundet konzentrisch zum Kugelkalotten-Boden im Abstand der Dicke s verläuft.

Ein solcher Festwinkelrotor ist aus der Produktinformation der Fa. Heraeus-Christ "Die neue Generation universell einsetzbarer Kühlzentrifugen", HC-D 14/2 (5C 3.83/VN Ku), bekannt.

Festwinkelrotoren der eingangs beschriebenen Art sind üblicherweise einteilig ausgebildet. An der Rotorunterseite verläuft die Kontur des Rotors von seiner Außenseite in Richtung seines Verbindungsfußes im wesentlichen horizontal. Solche Rotoren erreichen im Festigkeitstest, d. h. bei einer Beanspruchung, die üblicherweise im regulären Betrieb nicht erreicht wird, eine bestimmte Höchstzahl von Lastzyklen (Anfahren - Abbremsen des Rotors). Danach treten Risse im Material, insbesondere im Bereich der Oberseite oder Unterseite des Rotors auf. Solche Defekte sind dadurch zu erklären, daß der Rotor in seinen einzelnen Bereichen sehr unterschiedlich belastet wird. Versuche, den Rotor an seinen kritischen Stellen, insbesondere an der Rotorunterseite zu verstärken, führen nicht zu den erhofften Ergebnissen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festwinkelrotor der eingangs beschriebenen Art derart zu dimensionieren, daß er unter einer erhöhten Anzahl von Lastzyklen betreibbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß er an seiner Unterseite zwischen dem Verbindungsfuß und angrenzend an die Außenkontur der Böden der Bohrungen eine ringförmige Ausdrehung aufweist mit in radialer Richtung gesehen kreisbogenförmigem Querschnitt mit dem Radius r _k = 0,3 R _A , wobei die Mittelpunkte der Kreisbögen jeweils in Radialschnitten gesehen auf einem Zylindermantel, dessen Achse mit der Rotor-Achse zusammenfällt, mit dem Radius r _z = 0,55 R _A liegen und einen jeweiligen Abstand a von dem Zentrum der kugelkalottenförmigen Böden von a = 0,3 R _A + s + ¹/₂ d besitzen mit

R _A = R + ¹/₂ d + s
R = r + l · sin β

wobei

n = die Anzahl der Bohrungen,
l = die Länge des zylindrischen Röhrchenteiles
d = der Durchmesser der Sackloch-Bohrungen
β = der Winkel, unter dem die Achsen der Bohrungen die Rotor-Achse schneiden

ist, und mit einem Geltungsbereich für Dichtewerte ρ des zu zentrifugierenden Gutes zwischen 1 und 2 g/cm³ und für eine Auslastung des Rotors bis

m · r _s · ω 1,5 MN,

wobei

m = die Gesamtmasse des zu zentrifugierenden Gutes, die sich aus n mal den Einzelmassen m′ ergibt, und
r _s = der radiale Abstand, auf dem die einzelnen Schwerpunkte der mit Gut gefüllten Röhrchen zur Rotor-Achse angeordnet sind,

ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist im Unteranspruch angegeben. Wesentlich für diesen optimierten Festwinkelrotor ist, daß an seiner Unterseite zwischen der Außenfläche der Böden der Bohrungen und dem Verbindungsfuß eine ringförmige Ausdrehung mit genau definiertem kreisbogenförmigem Querschnitt vorgesehen ist. Mit dieser ringförmigen Ausnehmung wird der Rotor an der Unterseite nicht verstärkt, sondern definiert geschwächt. Durch diese Schwächung werden Steifigkeitssprünge vermieden, so daß eine gleichmäßige Lastverteilung im Rotor erzielt wird. Für die Dimensionierung wird vorausgesetzt, daß die in die Sackloch- Bohrungen eingesetzten Zentrifugenröhrchen bis zur Oberseite der Bohrungen reichen und vollständig mit der zu zentrifugierenden Masse gefüllt sind. Soche Zentrifugenröhrchen bestehen üblicherweise aus Glas oder Metall und sind mit einer Abdeckkappe dicht verschlossen. Die Masse dieser dünnwandigen Zentrifugenröhrchen ist bei der Dimensionierung vernachlässigbar.

Zur Überprüfung der Gültigkeit der Dimensionierung des Rotors wurde festgestellt, daß der Schwerpunkt der einzelnen in den Zentrifugenröhrchen eingefüllten Massen des zu zentrifugierenden Gutes zwischen dem Schnittpunkt einer horizontalen senkrecht zur Rotor-Achse verlaufenden Ebene mit der jeweiligen Achse der Bohrungen, die in einem Abstand r _b von 0,6 R _A zu der durch die Unterseite der Außenkontur des Rotorkörpers im Bereich der Böden aufgespannten Ebene verläuft, und dem Schnittpunkt eines Zylinders mit der Achse der entsprechenden Bohrung, der in einem Radius r _z von 0,6 R _A zur Rotor-Achse verläuft, liegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Rotor entlang der Rotorachse und

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Rotor in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1.

Der Rotor ist symmetrisch zur Rotor-Achse 1, die gleichzeitig die Drehachse bildet, aufgebaut. An seiner Unterseite 2 ist der Rotor mit einer nicht näher dargestellten Antriebswelle über einen Antriebswellen-Verbindungsfuß 3 verbindbar. An seiner Oberseite 4 ist im Bereich der Rotor-Achse 1 ein Vorsprung 5 gezeigt, an dem beispielsweise ein Deckel oder eine Abdeckhaube befestigt werden kann.

Um den Umfang des Rotors verteilt sind eine Vielzahl von Sackloch- Bohrungen 6 - im vorliegenden Beispiel beträgt die Anzahl n = 8, wie dies Fig. 2 zeigt - vorgesehen, deren Achsen 7 auf einem gemeinsamen Kegelmantel liegen. Die Sackloch-Bohrungen 6 besitzen jeweils einen Boden 8 in Form einer Kugelkalotte mit einem Radius, der dem halben Durchmesser d der Bohrungen 6 entspricht. Die Achsen 7 der Bohrungen 6 schneiden die Rotor-Achse 1 unter einem Winkel β , der von den geforderten Zentrifugier-Bedingungen abhängig ist. Die Länge l der Bohrungen 6 entspricht der Länge der in die Sackloch-Bohrungen 6 einzusetzenden, nicht dargestellten Proben-Röhrchen, die vollständig mit einem zu zentrifugierenden Gut angefüllt und üblicherweise mit einem Deckel dicht verschlossen sind. Ebenfalls abhängig von den Zentrifugier-Bedingungen ist die Schräge der Achsen 7 der Bohrungen 6, d. h. der Abstand r der Achsen 7 von der Rotor-Achse 1 an der Oberseite 4 des Rotors und der Abstand R des Zentrums 9 der kugelkalottenförmig ausgebildeten Böden 8 sind festgelegt bzw. ergeben sich aus der Anzahl n der in den Rotor einzusetzenden Zentrifugenröhrchen, dem Durchmesser d der Bohrungen 6 sowie dem zwischen benachbarten Bohrungen 6 verbleibenden Steg 10, der Breite 2x. Zur Außenseite 11 des Rotors hin verbleibt zu den einzelnen Bohrungen 6 hin ein radialer Außensteg 12 der minimalen Dicke s.

Im Bereich der Böden 8 verläuft die Außenkontur 13 des Rotors konzentrisch zum kugelkalottenförmig ausgebildeten Boden 8 der Bohrungen 6, und zwar mit einer Dicke des Bodens 8, die der Dicke des radialen Außensteges 12 entspricht.

Aus geometrischen Überlegungen ergibt sich ein maximaler Außendurchmesser des Rotors im Bereich der kugelkalottenförmigen Böden 8, der dem zweifachen Außenradius R _A = R + ¹/₂ d + s entspricht mit

R = r + l · sin β

An der Unterseite 2 zwischen dem Verbindungsfuß 3 und der Außenkontur 13 der Böden 8 weist der Rotor eine ringförmige Ausdrehung 14 auf, die im Querschnitt gesehen kreisbogenförmig verläuft mit einem Radius r _k = 0,3 R _A. Der Mittelpunkt 15 der Kreisbögen liegt, jeweils in Radialschnitten gesehen, auf einem Zylindermantel, dessen Achse mit der Rotor-Achse 1 zusammenfällt und der einen Radius r _z zur Rotor-Achse 1 von r _z = 0,55 R _A beschreibt und einen Abstand a vom Zentrum 9 der kugelkalottenförmigen Böden 8 von a = 0,3 R _A + s + ¹/₂ d besitzt. Gerade durch diese ringförmige Ausdrehung 14 wird der Rotor an seiner Unterseite 2 bewußt geschwächt im Sinne einer Erhöhung der Elastizität in diesem Bereich. Falls der Verbindungsfuß 3 einen größeren oder kleineren Durchmesser aufweisen muß, als in Fig. 1 gezeigt, so kann die ringförmige Ausdrehung 14 der Außenseite des Fußes 3 angepaßt werden, wobei jedoch im wesentlichen in den übrigen Bereichen der Radius r _k beizubehalten ist.

Die Dimensionierung des Rotors mit der ringförmigen Ausdrehung 14 an seiner Unterseite führt im Vergleich zu Rotoren, die an der Unterseite 2 im wesentlichen von der Außenkontur 13 im Bereich der Böden 8 horizontal verlaufend in den Verbindungsfuß 3 übergehen, zu einer wesentlich erhöhten Festigkeit (Lebensdauer), die eine größere Anzahl von Lastwechselzyklen, d. h. wiederholtes Anfahren und Abbremsen des Rotors, ermöglicht.

Die angegebene Dimensionierung des Rotors mit der definiert ausgeführten ringförmigen Ausdrehung 14 gilt für Dichtewerte ρ des zu zentrifugierenden Gutes zwischen 1 und 2 g/cm³ und für eine Auslastung des Rotors bis

m · r _s · ω ² 1,5 MN,

wobei

ist.

Die Gültigkeit der Dimensionierung der ringförmigen Ausdrehung 14 ist überprüfbar, indem die Lage des Schwerpunktes S der einzelnen in den Zentrifugenröhrchen eingefüllten Massen m′ berechnet wird, der dann auf der Achse 7 der einzelnen Bohrungen 6 zwischen dem Schnittpunkt einer horizontalen, senkrecht zur Rotor-Achse 1 verlaufenden Ebene 17 mit der jeweiligen Achse 7, die in einem Abstand r _b von 0,6 R _A zu der durch die Unterseite der Außenseite des Rotorkörpers im Bereich der Böden 8 aufgespannten Ebene 18 verläuft, und dem Schnittpunkt eines Zylinders, der in einem Radius r _z von 0,6 R _A zur Rotor-Achse 1 verläuft, liegt. Die Höhe des Rotors zwischen der Ebene 18 und der Rotor-Oberseite 4 ist mit 19 bezeichnet.

Claims

1. Festwinkelrotor für eine Laborzentrifuge mit einem einteiligen Rotorkörper, der zu einer vertikalen Rotor-Achse, die gleichzeitig die Drehachse bildet, Rotationssymmetrie aufweist, der in der Achse verlaufend an der Unterseite einen Antriebswellen-Verbindungsfuß besitzt, und der zur Aufnahme von Röhrchen um den Außenumfang verteilt im Querschnitt kreisförmige Sackloch- Bohrungen mit einem verbleibenden Steg der Breite 2× zwischen benachbarten Bohrungen und einen radialen Außensteg der minimalen Dicke s aufweist, wobei die Achsen der Bohrungen auf einem gemeinsamen Kegelmantel angeordnet sind und jeweils in einer Ebene liegen, die die Rotor-Achse enthält, und wobei die Böden der Bohrungen als Kugelkalotte ausgebildet sind, und bei dem die Außenkontur des Rotorkörpers im Bereich der Böden im Radialschnitt gesehen abgerundet konzentrisch zum Kugelkalotten-Boden im Abstand der Dicke s verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß er an seiner Unterseite (2) zwischen dem Verbindungsfuß (3) und angrenzend an die Außenkontur (13) der Böden (8) der Bohrungen (6) eine ringförmige Ausdrehung (14) aufweist mit in radialer Richtung gesehen kreisbogenförmigem Querschnitt mit dem Radius r _k = 0,3 R _A , wobei die Mittelpunkte (15) der Kreisbögen jeweils in Radialschnitten gesehen auf einem Zylindermantel, dessen Achse mit der Rotor-Achse (1) zusammenfällt, mit dem Radius r _z = 0,55 R _A liegen und einen jeweiligen Abstand a von dem Zentrum (9) der kugelkalottenförmigen Böden von a = 0,3 R _A + s + ¹/₂ d besitzen mit R _A = R + ¹/₂ d + s
R = r + l · sin β wobein = die Anzahl der Bohrungen (6),
l = die Länge des zylindrischen Röhrchenteiles
d = der Durchmesser der Sackloch-Bohrungen (6)
β = der Winkel, unter dem die Achsen (7) der Bohrungen (6) die Rotor-Achse (1) schneidenist und mit einem Geltungsbereich für Dichtewerte ρ des zu zentrifugierenden Gutes zwischen 1 und 2 g/cm³ und für eine Auslastung des Rotors bism · r _s · ω ² 1,5 MN,wobeim = die Gesamtmasse des zu zentrifugierenden Gutes, die sich aus n mal den Einzelmassen m′ ergibt, und
r _s = der radiale Abstand, auf dem die einzelnen Schwerpunkte S der mit Gut gefüllten Röhrchen zur Rotor-Achse (1) angeordnet sind,ist.

2. Festwinkelrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionierung der ringförmigen Ausdrehung (14) gültig ist für den Fall, daß der Schwerpunkt S der einzelnen in den Zentrifugenröhrchen eingefüllten Massen m′ des zu zentrifugierenden Gutes zwischen dem Schnittpunkt einer horizontalen senkrecht zur Rotor-Achse (1) verlaufenden Ebene (17) mit der jeweiligen Achse (7) der Bohrungen (6), die in einem Abstand r _b von 0,6 R _A zu der durch die Außenseite des Rotorkörpers im Bereich der Böden (8) aufgespannten Ebene (18) verläuft, und dem Schnittpunkt eines Zylinders mit der Achse (7) der entsprechenden Bohrung (6), der in einem Radius r _z von 0,6 R _A zur Rotor-Achse (1) verläuft, liegt.