DE3828285A1

DE3828285A1 - Zentrifuge

Info

Publication number: DE3828285A1
Application number: DE3828285A
Authority: DE
Inventors: Robert Warner Langley
Original assignee: Cobe Laboratories Inc
Current assignee: Terumo BCT Inc
Priority date: 1987-08-21
Filing date: 1988-08-19
Publication date: 1989-03-02
Anticipated expiration: 2008-08-20
Also published as: US4900298A; IT8867769A0; GB8819788D0; AU2108288A; JP2735234B2; JPS6470158A; FR2619518B1; CA1327556C; DE3828285C2; GB2208815A; IT1223782B; AU591605B2; GB2208815B; FR2619518A1

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Zentrifuge, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 als bekannt vorausgesetzt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Antriebs- und Lagerungsanordnung für eine Zentrifuge.

In Zentrifugen wird eine Trommel, die eine zu trennende Probe enthält, durch einen stationären Motor in Rotation versetzt, der häufig durch ein elastisches Lagerungssystem gehaltert ist. Bei kontinuierlich arbeitenden Bluttrennungs zentrifugen (Durchfluß-Zentrifugen) wird Gesamtblut in die rotierende Trommel eingespeist und die getrennten Fraktionen werden aus der rotierenden Trommel über Strömungswege ent nommen, welche Segmente oder Abschnitte enthalten, die sich mit der Trommel drehen, und andere stationäre Segmente oder Abschnitte, die mit dem Spender/Patient bzw. mit Sammel beuteln auf einem Kontrollmonitor verbunden sind. Manchmal ist zwischen den sich drehenden und den stationären Ab schnitten eine dichtungslose Verbindung durch Schläuche vorgesehen, die von einem Arm getragen werden, der sich mit der halben Trommeldrehzahl dreht. Bei den bekannten Zentrifugensystemen werden die rotierenden Komponenten be züglich der Rotationsachse statisch und dynamisch ausge wuchtet, um Vibrationen möglichst gering zu halten.

Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einer Zentrifugentrommel, die von einem mit elastischen Halterungsgliedern gelagerten Motor um eine Rotationsachse in Rotation versetzt wird, die Vibrationen der Zentrifuge dadurch verringert werden können, daß man die Halterungs glieder in einer Lagerungsebene anordnet, die senkrecht zur Rotationsachse verläuft und daß man dafür sorgt, daß sich der Schwerpunkt der Kombination aus Motor- und Trommel anordnung in oder in der Nähe dieser Lagerungsebene befindet.

Bevorzugte Ausführungsformen weisen einzelne, mehrere oder alle folgenden Merkmale auf: Die rotierende Trommel ist bezüglich der Rotationsachse statisch und dynamisch ausgewuchtet; die rotierende Trommel enthält einen rotierenden Schlauchhalterungsarm, der an der einen Seite an Zufluß- und Abfluß-Schläuchen angreift, während von der anderen Seite der Trommel ein Gegengewicht vorspringt; der Motor weist unten ein Gegengewicht auf; die elastischen Lagerungsglieder sind an einer Platte befestigt, die mit einer Basis- oder Grundplatte durch einen hohlen, säulenar tigen Träger verbunden ist, in dem sich der Motor befindet.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und aus den Ansprüchen hervor.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise auseinandergezogene Darstellung einer Trägeranordnung, einer Zentrifugen trommel und einer Antriebsmotoranordnung einer bevor zugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine vertikale Schnittansicht eines elastischen Lagerungsgliedes des Trägers in Fig. 1; und

Fig. 3 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Einsatzes für die Trommel der Zentrifuge gem. Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Zentrifuge (10) dargestellt, welche eine Trägereinrichtung (12) und eine Zentrifugentrommel- und Antriebsmotoranordnung (14), die auf ersterem befestigt ist, umfaßt. Die Trägereinrichtung (12) ist fest in einer Apparateeinheit oder einer Kontrollmonitoreinrichtung (nicht dargestellt), montiert, welche Räder hat, mit denen sie an eine gewünschte Stelle gefahren werden kann.

Die Trägereinrichtung (12) weist eine Basis oder Grundplatte (16), ein auf dieser angeordnetes hohles, säulenartiges Bauteil (18) und eine auf diesem angeordnete Plattform (20) auf. Auf der Plattform (20) sind drei elastische Lagerungs glieder (22) mit Abständen symmetrisch um ein Loch (24) und eine Rotationsachse (26) angeordnet.

Wie Fig. 2 zeigt, enthält jedes elastische Lagerungsglied (22) ein Gehäuse (28) aus nichtrostendem Stahl und eine elastische Scheibe (30) aus Naturgummi. In die Scheibe (20) ist ein kreisförmiger Metallring (32) eingebettet, der von einer nach innen weisenden ringförmigen Vertiefung (24) des Gehäuses (28) aufgenommen wird. Ein zylindrischer Metallmantel (36) bildet ein Mittelloch zur Aufnahme von Bolzen (38) (Fig. 1) zum Befestigen der Zentrifugentrommel und Antriebsmotoranordnung (14). Die elastischen Halterungs glieder haben jeweils eine axiale Federkonstante von etwa 2,29 kg/cm (128 lbs/in).

Wie die Fig. 1 und 3 zeigen, ist die Zentrifugentrommel und Antriebsanordnung (14) an den Lagerungsgliedern (22) über einen Lagerungsring (40) befestigt, welcher Löcher (42) zur Aufnahme der Bolzen (38) hat. Der Motor (44) und das Gegengewicht (46) befinden sich unter dem Lagerungsring (40). Vom Ring (40) erstrecken sich stationäre Schlauch halterungsarme (48, 50) nach außen und über die rotierende Trommel (52), welche einen entfernbaren Einsatz (54)

(Fig. 3) enthält, der eine Vertiefung (56) zur Aufnahme eines Kanals eines Einweg-Schlauchsets (nicht dargestellt) aufweist. Der Motor (44) ist mit dem Ring (40) über eine Getriebeanordnung (57) verbunden, die ein oberhalb des Rin ges (40) angeordnetes stationäres Kegelzahnrad (59) enthält.

Die rotierende Trommel (52) enthält alle rotierenden Elemen te der Anordnung (14) einschließlich eines Dornes (58), auf dem der Einsatz (54) montiert ist, vertikale Kegelzahn räder (60), ein Gehäuse (62), an dem die Kegelzahnräder (60) drehbar montiert sind, einen rotierenden Schlauch tragearm (64) und ein Gegengewicht (66). Der Arm (64) und das Gegengewicht (66) sind am Gehäuse (62) angebracht. Die Zahnräder (60) werden durch den Motor (44) angetrieben und bewirken zum einen, daß das Gehäuse (62) infolge des Eingriffes ihrer Zähne in das Zahnrad (59) rotiert und zum anderen daß sich der Dorn (58) wegen des Eingriffes ihrer Zähne mit dem Kegelzahnrad unter dem Dorn (58) in bezug auf sie dreht. Das Gehäuse (52), der Arm (64) und das Gegen gewicht (66) rotieren also mit der halben Drehzahl des Dornes (58). Wenn ein Einmal-Trennungskanal in den Einsatz (54) eingesetzt ist und beide auf dem Dorn angeordnet werden, erstrecken sich die Zufluß- und Abfluß-Schläuche von der Unterseite des Einsatzes durch das Loch (70) im Gehäuse (62), um den Arm (64) und nach oben durch einen Haken (72) des Arms (64) zu einem stationären Schlauchhalter (74) an den Halterungsarmen (48, 50).

Der Schwerpunkt der Anordnung (14) befindet sich in der Lagerungsebene, die durch die oben erwähnten Scheiben (30) geht. Die Verwendung des Gegengewichts (46) und die hohe Anordnung des Ringes (40) tragen dazu bei, diesen Zustand zu erreichen. Außerdem sind alle Rotationssysteme der rotierenden Trommel (52), d. h. diejenigen Komponenten,

die mit dem Dorn (58) mit der vollen Drehzahl rotieren und diejenigen, welche mit dem Gehäuse (62) mit halber Drehzahl rotieren, bezüglich der Rotationsachse (26) statisch und dynamisch ausgewuchtet. Die statische Auswuchtung oder Sym metrie wird dadurch erreicht, daß der Momentarm für die Massen auf der einen Seite einer Ebene durch die Achse (26) den Momentarm für die Massen auf der anderen Seite kompen siert. Für die dynamische Auswuchtung ist es erforderlich, daß die Massenmittelpunkte der Massen auf den gegenüberlie genden Seiten einer Ebene durch die Achse (26) in derselben horizontalen Ebene, die senkrecht zur Achse (26) verläuft, liegen. Die rotierende Trommel (52) ist geometrisch symme trisch mit Ausnahne des Armes (64), der durch das Gegen gewicht (66) ausgewuchtet ist und verschiedene Arten von Einsätzen (54) unter anderem solche, die innere Hohlräume und Gewichte zu ihrer eigenen Auswuchtung enthalten.

Arbeitsweise: Im Betrieb dreht der Motor (44) den Einsatz (54) und den in diesen eingesetzten Einwegkanal mit der gewünschten Drehzahl. Die Zuführung des Bluts in den Kanal und die Entnahme der getrennten Komponenten aus dem Kanal erfolgt über Schläuche, die vom Arm (64) getragen werden, der sich mit der halben Drehzahl des Einsatzes (54) dreht und verhindert, daß sich die Schläuche verdrehen.

Die Lagerung der Zentrifugentrommel- und Antriebsmotor anordnung in der Lagerungsebene bewirkt eine Verringerung von Vibrationen, wie unten noch genauer erläutert werden wird, sie ergibt eine einzige Eigenfrequenz, die vorzugs weise vermieden wird, sie erleichtert den Versand und die Handhabung (da die Anordnung bei verschiedenen Winkellagen nicht unwuchtig wird) und erlaubt ein Bewegen des Zentrifugenmonitors auch im Betrieb, ohne daß eine Kreisel bewegung auftritt. Für die Erläuterung des Vorteiles der geringen Schwingungsanfälligkeit der Einrichtung (10) ist die Eigenfrequenz und die Präzessionsfrequenz zu definieren.

Die Eigenfrequenz w _n der gelagerten Anordnung ist durch die folgende Gleichung gegeben:

hierin bedeuten:

I _C das polare Trägheitsmoment der Anordnung (14) um ihr Massenzentrum (ungefähr 3, 1 1b/in-sec²) und
K die Steifheit der dreiteiligen, gleich beabstandeten Motorlagerungen, die durch die folgende Gleichung gegeben ist:

K = 1/2a ²k

hierin bedeuten:

a = der Durchmesser des Kreises auf dem die Bolzen (38) angeordnet sind (hier etwa 17,8 cm) und
k = die axiale Federkonstante eines einzelnen elastischen Lagerungsgliedes (128 lbs/in)

K ist 3136 1b-in und w _n ist ungefähr 300 U/min. Die Eigen frequenz nimmt also mit zunehmender Steifheit der Motorla gerungen zu. Generell sollte die Betriebsfrequenz von der Eigenfrequenz wesentlich verschieden sein, um eine durch Unwucht hervorgerufene Schwingungsübertragung zu vermeiden.

Die Präzessionsfrequenz w _P, die unabhängig von der Unwucht und durch die folgende Gleichung gegeben ist, sollte sich wesentlich von der Eigenfrequenz unterscheiden, um eine Resonanz dieser beiden Frequenzen zu vermeiden:

w _p = (I _F/I _C) w _F,

wobei I _F, das Trägheitsmoment der Teile ist, die mit der Betriebsfrequenz um die Achse (26) rotieren (ungefähr 0,33 lb-in-sec²).

Die Präzessionsfrequenz ist daher immer ungefähr 1/10 der Betriebsfrequenz.

Bei der maximalen Betriebsfrequenz von 2400 U/min liegt die Präzessionsfrequenz bei ca. 240 U/min, also genügend unterhalb der Eigenfrequenz von 300 U/min, um eine wesent liche Präzession zu verhindern. Bei niedrigeren Betriebs drehzahlen verringert sich die Präzessionsfrequenz weiter, was den Unterschied vergrößert. Um die Gefahr einer Präzes sion noch weiter zu verringern, und die Amplitude der Schwingung bei der Eigenfrequenz herabzusetzen, werden die Systeme mit einer z. B. viskosen Dämpfung versehen, entweder durch Verwendung eines viskoelastischen Materials oder einer hydraulischen Dämpfungsvorrichtung, um eine Schwingungsbewe gung der Anordnung (14) in der Nähe der Eigenfrequenz zu verhindern. Beispielsweise können Gummiglieder (80) zwischen dem Gegengewicht (46) und der Innenseite des säulenartigen Bauteils (18) angeordnet werden; eine andere Position wäre zwischen den Armen (48, 50) und einem festen Bauteil der Zentrifuge.

Die maximale Betriebsfrequenz von 2400 U/min. ist wesent lich größer als die Eigenfrequenz. Die Betriebsfrequenz läuft jedoch durch die Eigenfrequenz, wenn die Drehzahl erhöht oder erniedrigt wird, und sie liegt bei manchen Ver fahrensweisen nahe der Eigenfrequenz. Selbst wenn die bei den Frequenzen nahe beieinander liegen, treten keine Reso nanzprobleme auf, da die durch die Unwucht verursachte Aus lenkung wegen der Auswuchtung und der oben erwähnten Lage rung sowie der in das System eingeführten Dämpfung sehr klein bleibt.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel läßt sich selbst verständlich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Insbesondere sind die angegebenen Werte und Bemessungen nur Beispiele.

Claims

1. Zentrifuge mit einer Zentrifugentrommel- und Antriebs motoranordnung (14), welche eine drehbare Zentrifugentrommel (52) und einen Antriebsmotor (44) zum Drehen der Trommel um eine Drehachse (26) aufweist, und mit einer Träger einrichtung (12), welche mehrere elastische Lagerungsglieder (22) zur Lagerung der Zentrifugentrommel- und Antriebsmotor anordnung (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerungsglieder (22) mit Abständen um die Drehachse (26) in einer Lagerungsebene angeordnet sind, die senkrecht zur Drehachse verläuft und daß der gemeinsame Schwerpunkt der Zentrifugentrommel- und Antriebsmotoranordnung (14) in oder in der Nähe der Lagerungsebene liegt, um Schwingungen zu verringern.

2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifugentrommel (52) statisch und dynamisch bezüglich der Drehachse (26) ausgewuchtet ist.

3. Zentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (52) auf der einen Seite einen drehbaren Schlauchtragarm (64) zur Halterung von Zu und Abflußschläuchen für einen Trennkanal der Zentrifugen trommel und ein sich von der anderen Seite weg erstreckendes Gegengewicht (66) aufweist.

4. Zentrifuge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (14) mindestens einen stationären Schlauch halterungsarm (48, 50) enthält, der am Motor angebracht ist und einen über der Trommel (52) angeordneten Schlauch halterungsteil aufweist.

5. Zentrifuge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (52) zwei auf entgegengesetzten Seiten der Achse angeordnete Getrieberäder (60) enthält, die den Schlauch tragearm (64) und das Gegengewicht (66) mit der halben Drehzahl des Flüssigkeitstrennkanals antreiben.

6. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägereinrichtung (12) eine Plattform (20) aufweist, die die Lagerungsglieder (22) an von der Achse (26) beabstandeten Stellen haltert und ein Loch (24), durch das sich die Trommel- und Motoranordnung (14) erstreckt, aufweist.

7. Zentrifuge nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägereinrichtung (12) eine Basis (14) und ein säulen artiges Bauteil (18) aufweist, auf dem die Plattform (20) angeordnet ist und das einen Bereich zur Aufnahme des Motors (44) aufweist.

8. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel- und Motoranordnung (14) ein unten am Motor (44) angebrachtes Gegengewicht (46) enthält.

9. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Lagerungsglieder (22) jeweils ein Metallgehäuse (28) und eine elastische Scheibe (30) aufweisen, die die Trommel- und Antriebsmotor anordnung (14) an einem mittleren Teil der Scheibe lagert und am Umfang der Scheibe durch das Metallgehäuse gehaltert ist.

10. Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dämpfungsvorrichtung zwischen der Trommel- und Antriebsmotoranordnung (14) und einem festen Bauteil angeordnet ist, welches mit der Trägereinrichtung (12) fest verbunden oder durch diesen gebildet ist.

11. Zentrifuge nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem am Motor (44) angebrachten Gegengewicht (46) und dem säulenartigen Bauteil (18) eine Dämpfungsvorrichtung (80) angeordnet ist.

12. Zentrifuge nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung eine viskose Dämpfungseinrichtung ist.