DE4027993C2 - Zentrifuge mit einem verkleideten Rotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentrifuge nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.

Derartige Zentrifugen werden beispielsweise bei biochemischen oder medizinischen Untersuchungen, insbesondere zur Blutuntersuchung, einge­ setzt.

Eine Zentrifuge besitzt einen Stator oder ein Gestell, der bzw. das einen im allgemeinen thermostatisierten Raum darstellt, und einen Rotor, der in diesem Raum durch einen Motor in Drehung versetzt werden kann. Wird der Rotor in seinem Raum gedreht, dann nimmt er die in diesem Raum befindliche Luft mit. Aus diesem Grunde besitzen der­ artige Zentrifugen häufig eine den Rotor umgebende Ver­ kleidung, die am Rotor fixiert ist, zusammen mit diesem in Drehung versetzt wird und verhindern oder zumindest teilweise verhindern soll, daß in der Atmosphäre des Raumes des Stators ein Überdruck oder ein Unterdruck auf­ tritt, wenn der Rotor in Drehung versetzt wird. In Abwesen­ heit einer Verkleidung wirkt der Rotor im wesentlichen wie eine Zentrifugalpumpe. Dies trifft insbesondere für Rotoren zu, die häufig "Sternrotoren" genannt werden. Diese besitzen mehrere Arme, die sich ausgehend von der Achse des Rotors radial erstrecken und zwischen denen Schiffchen befestigt sind, welche die zu zentrifugierenden Behälter aufnehmen sollen. Diese Arme verhalten sich somit im wesent­ lichen wie die Flügel eines Rades. Die Verkleidungen, mit denen diese Rotoren ausgestattet sind, machen es somit möglich, die bei der Rotation auftretenden Luftturbulenzen zu vermindern. Sie reduzieren dadurch die Energieverluste und die dabei resultierenden Erwärmungen.

Derartige Verkleidungen verhindern jedoch eine ausreichende Luftzirkulation um die Zentrifugenschiffchen. Der thermische Austausch zwischen dem, was außerhalb dieser Verkleidungen liegt, und den Schiffchen ist wenig zufriedenstellend. Es ist jedoch häufig sehr wichtig, die Temperaturen von derartigen Schiffchen genau kontrollieren zu können, ins­ besondere wenn es sich um eine Zentrifuge handelt, die für medizinische oder biochemische Zwecke eingesetzt wird. Eine Großzahl von biologischen Produkten müssen nämlich bei genau bestimmten Temperaturen gehalten werden, wobei diese Temperaturen zwischen 4°C und 37°C liegen können. Um die Temperatur der Schiffchen gut kontrollieren zu können, ist der Rotor häufig, wie oben angedeutet, in einem Wannenraum untergebracht, dessen Wände mit Kühlvorrichtungen (und gegebenenfalls mit Heizvorrichtungen) ausgestattet sind. In diesem Zusammenhang kann festgestellt werden, daß fast die gesamte Leistung des Motors in der Größenordnung von Kilowatt (kW) in Form von Hitze in die Wanne abgegeben wird. Dies macht es natürlich erforderlich, die Wärme ab­ zuführen, um die Temperatur der Luft der Wanne auf dem gewünschten Niveau zu halten. Es ist aus sich heraus ver­ ständlich, daß die Anwesenheit einer Verkleidung eine Trennung des Luftraumes zwischen der Wanne und der Ver­ kleidung einerseits und der im Inneren der Verkleidung be­ findlichen Luft andererseits bewirkt. Dies führt zu einer schlechten Temperaturjustierung der Zentrifugenschiffchen, und zwar insbesondere dann, wenn die Verkleidung mit Hilfe eines Deckels vollständig geschlossen ist.

In der DE-PS 867 077 ist eine gattungsgemäße Zentrifuge be­ schrieben, bei der eine Zentrifugenverkleidung eine Kreuz­ strebe besitzt, welche Becher trägt, in denen sich das zu zentrifugierende Produkt befindet. Diese Verkleidung besitzt Löcher, welche die Zirkulation von abgekühlter Luft ermöglicht, wodurch das Kühlsystem verbessert wird. Diese Löcher sind in der Nähe der Achse der Verkleidung und an ihrer Peripherie angeordnet. Eine derartige Vor­ richtung hat sich jedoch als nicht wirksam herausgestellt, und zwar unabhängig von der relativen Position der Löcher an der Peripherie der Verkleidung und der Becher, welche das zu zentrifugierende Produkt enthalten.

Aus der US 27 78 566 ist eine Zentrifugen-Heizvorrichtung bekannt, bei der ein den Rotor umgebendes, feststehendes Gehäuse mit Auslaßöffnungen für die Warmluft versehen ist. Die in diesem Dokument beschriebene Rohrkonstruktion ist jedoch für eine effektive Kühlung nicht geeignet und erschwert zudem einen einfachen Zugang zum Rotor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verkleideten Rotor bereitzustellen, welcher einen besseren thermischen Austausch zwischen den Kühl- oder Heiz­ systemen der Wanne und den Zentrifugenschiffchen möglich macht.

Diese Aufgabe wird durch den Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Falls die Verkleidung keinen Deckel aufweist, er­ möglichen diese Löcher eine gute Zirkulation ins Innere der Verkleidung während der Drehbewegung des Rotors. Es wurde auch festgestellt, daß die Wirksamkeit dann be­ sonders optimal ist, wenn die Löcher an der Seitenwand der Verkleidung angebracht sind, und zwar auf einer solchen Höhe, daß sich der Boden der Zentrifugenschiffchen im wesentlichen auf der Höhe dieser Löcher befindet, wenn der Rotor gedreht wird. Der verkleidete Rotor erzeugt in der Tat beim Drehen eine Zone mit hohem Druck an der Peripherie der Verkleidung und eine Zone mit niedrigem Druck im Zentrum. Daraus ergibt sich eine Luftzirkulation durch die Löcher der Verkleidung. Die Luft in der Wanne über­ streicht die gekühlte Wand des Raumes der Wanne und kehrt dann ins Zentrum der Verkleidung zurück, überstreicht die Wände der Schiffchen und tritt durch die auf Höhe der Böden dieser Schiffchen angeordneten Löcher aus. Daraus resultiert eine wesentliche Verbesserung des thermischen Ausgleichs.

Derartige Löcher machen es außerdem möglich, daß in der Verkleidung möglicherweise vorhandene Flüssigkeiten heraus­ treten können. Diese Flüssigkeiten können die Ursache von Unwuchten sein, welche zu Vibrationen in der Vor­ richtung führen und die Rotorachse belasten. Dadurch kann die Zentrifuge beschädigt oder sogar zerstört werden. Es ist in der Tat möglich, daß zu zentrifugierende Behälter (Reagenzglasröhrchen, Säckchen mit weichen Wandungen oder ähnliche Gerätschaften) im Laufe der Zentrifugation unter Einwirkung von starken Drücken zerbrechen, welche durch die Zentrifugalbeschleunigungen hervorgerufen werden. Es kann auch sein, daß sich, wenn die Wanne bei niedrigen Temperaturen gehalten wird, Kondensate im Inneren der Ver­ kleidung bilden, wenn die Temperatur in der Verkleidung niedriger ist oder wird als der Taupunkt der in der Ver­ kleidung enthaltenen feuchten Luft. Auch diese Phänomene können die Ursache für Unwuchten sein, welche für die Vorrichtung gefährlich sind. Aus diesem Grunde wird eine Verkleidung mit einer besonderen Form bereitgestellt. Diese Verkleidung besitzt eine zum Boden der Schiffchen parallelen Boden, wenn der Rotor sich in seiner Ruhelage befindet. Dieser Boden ist über eine umlaufende Ausweitung mit einem zylindrischen Abschnitt verbunden, wo die Löcher angebracht sind. Der zylindrische Abschnitt verlängert sich auf der dem Boden gegenüber­ liegenden Seite mittels eines zur Achse zurückspringenden ringförmigen inneren Randes und begrenzt eine auf dieser Achse zentrierte kreisförmige Öffnung.

Die Verkleidung besitzt einen Boden, der parallel zu dem Boden der Schiffchen ist, wenn sich der Rotor in seiner Ruhelage befindet. Dieser Boden ist über eine umlaufende Ausweitung (évasement de révolution) mit einem zylindrischen Teil bzw. einem zylindrischen Abschnitt ver­ bunden, an dem die Löcher angebracht sind.

Bei dem Rotor handelt es sich um einen Sternrotor bzw. sternförmigen Rotor. Die Verkleidung kann mindestens ein Loch pro Schiffchen und insbesondere ein Loch jedem Schiffchen gegenüberliegend besitzen. Um den Rotor dynamisch besser auszuwuchten, können die Löcher gleichen Durchmesser und einen gleichen Winkelabstand zu­ einander besitzen. Die Zentren der Löcher können in ein- und derselben, zur Achse des Rotors senkrechten Ebene ange­ ordnet sein und können sich auf Höhen befinden, die zueinander in Richtung der Achse des Rotors versetzt sind.

Die Zahl der Löcher kann gerade oder ungerade sein. Im allgemeinen wählt man eine ungerade Zahl, wenn man den Lärm bei der Rotation reduzieren möchte. Die Löcher können gleiche oder verschiedene Durchmesser besitzen. Für Zentrifugen mit einer mittleren Größe wurden gute Ergebnisse mit Löchern mit einem Durchmesser von 8 mm erzielt. Die Löcher befinden sich in dem Abschnitt der Ver­ kleidung mit dem größten Durchmesser.

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

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht entlang I-I der Fig. 2 einer Zentrifuge, wobei der Schnitt durch die Rotorachse verläuft; und

Fig. 2 eine Aufsicht gemäß II-II der Fig. 1 des Rotors der Zentrifuge der Fig. 1.

Die Zentrifuge besitzt einen sternförmigen Rotor 1, der sich um seine Achse 2 dreht und bei seiner Bewegung eine Verkleidung 3 mitnimmt. Das Ganze ist in einer Wanne 4 untergebracht.

Dieser sternförmige Rotor 1 besitzt vier Arme 5, die sich ausgehend von der Achse 2 des Rotors radial nach außen erstrecken. Diese Arme 5 bilden eine mittlere Ebene, die senkrecht zur Achse 2 angeordnet ist, um welche sie regelmäßig verteilt angeordnet sind. Jeder dieser Arme 5 endet an dem von der Achse 2 am entferntest liegenden Ende in zwei Schenkeln 6, die symmetrisch bezüglich des sie tragenden Armes 5 angeordnet sind und zwischen sich eine Gabel bilden, deren Öffnungswinkel 45° beträgt. Jeder Schenkel 6 eines Armes 5 verläuft parallel zum Schenkel 6 des benachbarten Armes 5, dem er direkt gegen­ überliegt, und trägt außerdem einen Drehzapfen 7, der sich in der Mittelebene des sternförmigen Rotors 1 senk­ recht erstreckt in Richtung auf den ihm gegenüberliegenden Schenkel 6. An den beiden Drehzapfen 7 der sich gegen­ überliegenden beiden Schenkel 6, welche die Enden von zwei benachbarten Armen 5 darstellen, sind Schiffchen 8 montiert, die sich unter Einwirkung der Zentrifugalkraft um die durch diese beiden Drehzapfen 7 gebildete Achse bei der Rotation des Rotors drehen können. Bei diesen Schiffchen 8 handelt es sich um Töpfe, die zur Aufnahme von zu zentrifugierenden Behältern dienen. Bei diesen Behältern kann es sich um Träger handeln, deren Außenform komplementär zur Innenform der Schiffchen 8 ist, und die mit Zellen ausgestattet sind, in welche Zentrifugenröhrchen 20 gestellt werden. Diese Behälter können auch aus Flakons oder aus Säckchen mit weichen Wänden (nicht gezeigt) bestehen.

Die Arme 5 des Rotors 1 sind aus Stahl mit einer Zugfestig­ keit in der Größenordnung von 800 bis 1000 N/mm² gefertigt. Der sternförmige Rotor 1 kann bis zu 240000 N pro Arm 5 halten. Seine Masse beträgt 40 kg.

Die Verkleidung 3 besitzt eine Wand, die bezüglich der Achse 2 rotationssymmetrisch ist und sich ausgehend von einem Boden 3a wesentlich ausweitet, der parallel zum Boden der Schiffchen 8 angeordnet ist, wenn sich diese sowie der Rotor 1 in ihrer Ruhestellung befinden. Der Boden 3a ist im Zentrum des sternförmigen Rotors 1 mit einer kegelstumpfförmigen Schürze 9 verbunden, die sich vom Rotor 1 bis zum Boden 3a erweitert. Diese Schürze 9 ist an ihren Enden am Rotor 1 und an der Verkleidung 3 ange­ schweißt oder angenietet. Der zylindrische Abschnitt 3b ist derjenige Teil bzw. Abschnitt der Verkleidung 3 mit größtem Durchmesser und befindet sich im wesentlichen auf Höhe der Mittelebene der Arme 5 des Rotors 1. Die Ver­ kleidung 3 besitzt an diesem zylindrischen Abschnitt 3b der Seitenwand, aus dem er besteht, mehrere kreisförmige Löcher 11 mit einem Durchmesser von etwa 8 mm. Die Zentren dieser Löcher 11 sind im wesentlichen auf Höhe der Mittelebene der Arme 5 des Rotors 1 verteilt. Der Boden des Schiffchens 8 befindet sich im wesentlichen auf der Höhe dieser Löcher 11, wenn der Rotor 1 sich dreht. Die Verkleidung 3 mündet außerdem oberhalb dieses zylindrischen Abschnitts 3b bezüglich des Bodens 3a in einen inneren ringförmigen Rand 3c, der eine kreisförmige Öffnung 10 eingrenzt bzw. begrenzt, die um die Achse 2 zentriert ist und deren Durchmesser geringfügig größer ist als der größte Durchmesser der aus dem Rotor 1 und dem Schiffchen 8 in der Ruhelage gebildeten Einheit. Eine derartige Verkleidung 3 kann beispielsweise durch Stanzen eines Metallblechs erhalten werden.

Die aus dem Rotor 1, der Verkleidung 3 und den Schiffchen 8 bestehende Einheit ist in einer Aussparung, dem Raum 12, der Wanne 4 befestigt. Diese Wanne 4 besitzt einen Boden 13, der von einer zylindrischen Wand 14 umlaufen wird und mit einem Deckel 15 dicht verschlossen werden kann. Diese Wanne 4 ist auf klassische Weise mit einer Kühl­ vorrichtung 16 (und/oder Heizvorrichtung) ausgestattet. Sie besitzt außerdem eine Schicht 17 aus einem isolierenden Material. Die Schicht 17 verläuft außen von der Wand 14 und dem Boden 13. In den Boden 13 mündet ein Drainage­ röhrchen 18, das sich durch die Schicht 17 erstreckt und es ermöglicht, in der Wanne 4 befindliche Flüssigkeiten abzuziehen.

Eine derartige Zentrifuge wird auf die folgende Weise benutzt. Nachdem der Benutzer durch die Öffnung 10 die zu zentrifugierenden Behälter 19 in die Schiffchen 8 gesetzt hat, bringt er die Deckel 15 in seine die Wanne 4 verschließende Position. Der sternförmige Rotor 1 wird mit Hilfe eines Motors in Drehung versetzt. Die er­ reichten maximalen Geschwindigkeiten können in der Größenordnung von 10⁴ bis 10⁵ U/min liegen. Die Luft wiederum in der Wanne 4 der Zentrifuge wird mitgerissen und streicht an der durch die Vorrichtung 16 gekühlten (oder erwärmten) Wand 14 vorbei. Dann wird sie durch die zwischen der Peripherie dieser Verkleidung 3 und dem Zentrum davon erzeugten Druckdifferenz angesaugt und strömt durch die Löcher 11 der Verkleidung 3, wodurch die Kühlung (oder die Erwärmung) der Schiffchen 8 und deren Inhalt sichergestellt wird.

In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, daß bei Betrieb die Temperaturdifferenz zwischen den Schiffchen 8 und der Wand 14 der Wanne 4 in der Größenordnung von 2°C liegt, während diese Temperaturdifferenz bei einer Zentrifuge mit einem verkleideten Rotor ohne Löcher größer als 10°C sein kann.

Sollte die Verkleidung 3 aus einem der zuvor näher er­ läuterten Gründen eine irgendwie geartete Flüssigkeit ent­ halten, dann wird diese beim Drehen des sternförmigen Rotors 1 auf den Innenwänden dieser Verkleidung 3 verteilt und steigt bis zum zylindrischen Abschnitt 3b dieser Ver­ kleidung 3, welcher der Abschnitt mit dem größten Durch­ messer ist, um dann durch die Löcher 11 zu entweichen, auf den Boden 13 herabzutröpfeln und durch das Drainage­ röhrchen 18 abgeführt zu werden.

Wie bei jeder Benutzung einer Zentrifuge sollte darauf ge­ achtet werden, daß der Abbremsvorgang nicht zu schnell erfolgt, um zu verhindern, daß die beim Zentrifugieren getrennten Produkte sich nicht ineinander suspendieren, wobei dies umsomehr gilt, je geringer die Dichteunter­ schiede sind. So kann man, um eine Größenordnung zu geben, innerhalb von 3 min von 4000 U/min auf 0 U/min abbremsen, wobei man in einer ersten Phase bis zu 800 U/min schnell abbremst, während man in einer zweiten Phase parabolisch verlangsamt. Zum Schluß des Abbremsvorganges kann man beispielsweise den Rotor des Motors kurzschließen, der den Rotor 1 der Zentrifuge mitnimmt.

Bei weiteren nicht-gezeigten Ausführungen, bei denen man insbesondere die Vibrationsprobleme oder das Auftreten von Lärm verhindern möchte, der durch die Existenz der Löcher in der Verkleidung auftreten kann, ordnet man diese Löcher auf Höhen an, die zueinander in der Axialrichtung des Rotors versetzt und/oder gleichmäßig auf der Wand der Verkleidung verteilt sind. Die Verkleidung wird dann übrigens duch zusätzliche Anbringung von Massen wieder ausgewuchtet.

Bei anderen Ausführungen wiederum besitzen die Löcher unterschiedliche Durchmesser und/oder sind in einer ungeraden Anzahl vorhanden, wodurch die Bildung von bestimmten Schwingungen vermieden wird.

Claims (11)

1. Zentrifuge, die in einem Raum (12) einer statischen Wanne (4) einen um seine Achse (2) und von einem Motor angetriebenen Rotor (1) besitzt, wobei dieser Rotor (1) Schiffchen (8) besitzt, die jeweils zur Aufnahme mindestens eines zu zentrifugierenden Be­ hälters (19) dienen, mit einer Verkleidung (3) für den Rotor (1), die mit dem Rotor (1) verbunden ist und ihn zumindest auf Höhe dieser Schiffchen (8) umgibt, wobei der Rotor (1) und die Verkleidung (3) eine bezüglich der Achse (2) dynamisch ausge­ wuchtete Einheit darstellen, wobei die Schiffchen (8) Töpfe darstellen, die mit Hilfe von Drehzapfen (7) an dem Rotor (1) befestigt sind, welche deren Schwenken unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft während der Drehung des Rotors(1)ermöglichen, und wobei die Verkleidung (3) mehrere auf ihrer Seitenwand ver­ teilte Löcher (11) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (11) auf der Seitenwand der Verkleidung (3) auf einer solchen Höhe angebracht sind, daß sich der Boden der Schiffchen (8) im wesentlichen auf Höhe dieser Löcher (8) befindet, wenn der Rotor (1) in seine Drehbewegung versetzt ist, und daß die Verkleidung (3) an der ihrem Boden (3a) gegenüberliegenden Seite einen ringförmigen, zur Achse (2) gerichteten Rand (3c) aufweist, der eine um die Achse (2) zentrierte kreisförmige Öffnung (10) begrenzt.

2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (3a) der Verkleidung (3) parallel zum Boden der Schiffchen (8) verläuft, wenn der Rotor (1) in seiner Ruhelage ist, wobei der Boden (3a) mittels einer umlaufenden Ausweitung mit einem zylindrischen Abschnitt (3b) verbunden ist, in dem die Löcher (11) ausgenommen sind, wobei sich dieser zylindrische Abschnitt (3b) an der dem Boden (3a) gegenüberliegenden Seite mittels des ringförmigen, inneren, zur Achse (2) gerichteten Randes (3c) verlängert und die um diese Achse zentrierte kreisförmige Öffnung (10) begrenzt.

3. Zentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rotor (1) ein sternförmiger Rotor ist.

4. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (3) mindestens ein Loch (11) pro Schiffchen (8) besitzt.

5. Zentrifuge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (3) ein Loch (11) gegenüber jedem Schiffchen (8) besitzt.

6. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (11) einen gleichen Winkelabstand voneinander haben.

7. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentren der Löcher (11) in einer Ebene senkrecht zur Achse (2) des Rotors (1) angeordnet sind.

8. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentren der Löcher (11) auf Höhen angeordnet sind, die voneinander in Richtung der Achse (2) des Rotors (1) versetzt sind.

9. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (11) im wesentlichen im Abschnitt (3b) mit größtem Durchmesser der Ver­ kleidung (3) angeordnet sind.

10. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (11) gleiche Durch­ messer besitzen.

11. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (11) unterschiedliche Durchmesser besitzen.