DE60010860T2

DE60010860T2 - Zentrifugenrotor

Info

Publication number: DE60010860T2
Application number: DE60010860T
Authority: DE
Inventors: Christopher Adrian Bury St Edmunds BUXTON
Original assignee: Seward Ltd
Current assignee: Seward Ltd
Priority date: 1999-02-11
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2020-02-09
Also published as: EP1150776A1; EP1150776B1; WO2000047328A1; US6579217B1; JP4542270B2; DE60010860D1; JP2002536169A; ATE267049T1; ES2220394T3; AU2448500A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Zentrifugenrotoren und Zentrifugenrotor-Probenträger.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung Zentrifugenrotoren der Art, die in der britischen GB-Patentschrift 2 233 584 B beschrieben ist. Die Erfindung befasst sich mit der Bereitstellung von Verbesserungen für die Vorrichtung des genannten GB-Patents, die es ermöglichen, höhere Geschwindigkeiten und konsistentere Leistung zu erzielen. Erwünscht ist ebenfalls, dass bei der Benutzung eines transparenten Rotors die Durchführung des Zentrifugierens der Probenröhrchen durch eine Stroboskop-Vorrichtung ohne weiteres überwacht werden kann.
Ein Problem bei dem zuvor beschriebenen Zentrifugenrotor lag darin, dass der Grad, bis zu dem die Probenröhrchen bei der Rotation ausschwenkten, variabel war, und außerdem trat variable Durchbiegung um den Scheibenträger herum auf, der deswegen eine ungleichmäßige Leistung erbrachte.
Ein weiteres Problem bei dem zuvor beschriebenen Zentrifugenrotor war die Effektivität der Dichtung.
In der Vorrichtung gemäß GB 2 233 584 wird ein einfacher Flachscheiben-Probenträger verwendet. Dies führt zu unerwünschter Verformung des Trägers während des Betriebs.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine alternative Form von Rotor und/oder Probenträger zur Verfügung zu stellen. Mindestens einige Ausführungsformen widmen sich den oben umrissenen spezifischen Problemen.
Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Zentrifugenrotor mit einem Probenträger bereitgestellt, der in einem Außengehäuse eingeschlossen und um eine Hauptrotationsachse des Rotors rotierbar ist, wobei der Probenträger einen Peripheriebereich zum Haltern von Probenröhrchen im Ruhezustand parallel zu der genannten Achse besitzt und der Probenträger die Eigenschaft hat, sich zu verbiegen, so dass Probenröhrchen unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen schwingen können, wobei der Probenträger blütenkranzartig angeordnete Einzelträger für jedes Röhrchen besitzt, die mit gleichem Abstand um den Probenträger herum angeordnet sind, und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Zentralbereich des Probenträgers aus einem dickeren Material besteht als dasjenige Material, das den blütenkranzartig angeordneten Einzelträger bildet, so dass jeder Biegevorgang im Bereich der blütenkranzartig angeordneten Einzelträger konzentriert ist.
In einer Weiterentwicklung besitzt der Außenmantel zwei Teile, die in einem Peripheriebereich durch eine Dichtung zusammengeschlossen sind, die so angeordnet ist, dass der Abdichtungseffekt durch die Wirkung der während des Zentrifugierens auftretenden Zentrifugalkraft vergrößert wird.
Die Dichtung besteht vorzugsweise aus einem Dichtungsring, der ein Profil in V-Form aufweist, dessen Scheitel nach außen zeigt. Die Schenkel des V-Profils biegen sich durch die Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen und dichten die beiden Teile auf wirksame Weise ab.
Der Zentrifugenrotor kann so ausgelegt werden, dass oberhalb einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit des Probenträgers die Ausbiegung der Röhrchen auf einen vorgegebenen Winkel beschränkt ist.
In der Praxis kann ein Rotor z. B. eine Betriebsdrehzahl im Bereich von ca. 12.000 U/min besitzen, und die Ausbiegung wird bei Drehzahlen über ca. 6.000–6.500 U/min. begrenzt. Somit schwenken die Röhrchen nach dem Start progressiv nach außen und werden ab etwa der halben Betriebsdrehzahl in der Bewegung gehemmt, während die Rotordrehzahl auf Betriebsniveau ansteigt.
Der vorgegebene Winkel, auf den die Röhrchen begrenzt sind, kann zweckmäßigerweise im Bereich von 40° bis 45° liegen. Die Begrenzung lässt sich erreichen, indem man dafür sorgt, dass das Röhrchen bis zu einem Punkt ausschwenkt, wo es anstößt und so durch das Außengehäuse der Zentrifuge gestoppt wird; eine alternative Möglichkeit zum Erreichen dieser Begrenzung ist die Verwendung eines Probenträgers mit einem peripheren Endbereich, der die Bewegung der Probenröhrchen beschränkt.
Folglich ist der Zentrifugenrotor vorzugsweise innerhalb eines transparenten Außengehäuses eingeschlossen, und man kann dann zur Untersuchung von Proben während des Zentrifugierens eine Stroboskop-Vorrichtung vorsehen.
Wie oben beschrieben, konzentriert sich jede Verbiegung des Probenträgers während des Zentrifugierens auf den Bereich der genannten blütenkranzartig angeordneten Einzelträger. Auf Grund dieser Anordnung können die blütenkranzartig angeordneten Einzelträger sich jeweils unabhängig bis zu einem kontrollierten Winkel verbiegen, ohne den Rest des Trägers wesentlich zu beeinflussen. Jeder blütenkranzartig angeordnete Einzelträger kann mit dem Zentralbereich entlang einer Schwächungslinie verbunden sein, die es ermöglicht, dass sich jeder blütenkranzartig angeordnete Einzelträger um die genannte Schwächungslinie biegt, wenn das Röhrchen unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen schwingt.
Der Begriff "blütenkranzartig angeordnete Einzelträger" wird hier verwendet, um einen Träger aus dünnem Material zu bezeichnen, das sich wie ein Blütenblatt oder gewöhnliches Blatt verhält, welches sich relativ zum Zentralbereich öffnet und schließt.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Zentrifugenrotor-Probenträger zur Verwendung in einem Zentrifugenrotor des oben definierten Typs bereitgestellt, bei dem der Probenträger einen Peripheriebereich zum Haltern von Probenröhrchen im Ruhezustand parallel zu der genannten Achse besitzt und der Probenträger die Eigenschaft hat, sich zu verbiegen, so dass Probenröhrchen unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen schwingen können, wobei der Probenträger blütenkranzartig angeordnete Einzelträger für jedes Röhrchen besitzt, die mit gleichem Abstand um den Probenträger angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralbereich des Probenträgers aus einem dickeren Material besteht als aus demjenigen Material, das die blütenkranzartig angeordneten Einzelträger bildet, so dass jeder Biegevorgang im Bereich der blütenkranzartig angeordneten Einzelträger konzentriert ist.
Nun wird eine Ausführungsform der Erfindung als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine seitliche Schnittansicht einer Zentrifuge ist,
2 eine Ansicht der in Betrieb befindlichen Zentrifuge ist, und
3 eine Draufsicht auf einen Probenträger ist.
Bezug nehmend auf 1, umfasst ein Probenträger 1 mit im wesentlichen der Form einer Scheibe einen Zentralbereich 2 aus einem steifen Kunststoffmaterial mit einer Mehrzahl von blütenkranzartig angeordneten Einzelträgern 3 (siehe 3). Die blütenkranzartig angeordneten Einzelträger bestehen jeweils aus einem dünneren Material als der Zentralbereich 2 und sind entlang einer Schwächungslinie 4 mit dem Zentralbereich verbunden. Es wird festgestellt, dass diese Schwächungslinie ein optionales Merkmal ist und in manchen Ausführungsformen keine besondere Schwächungslinie vorhanden ist.
Jeder blütenkranzartig angeordnete Einzelträger 3 umfasst eine Öffnung 5, um den Hals eines Probenröhrchens 6 aufzunehmen. Der Probenträger 1 besitzt verdickte Kragenteile aus Material um die einzelnen Röhrchen-Einführöffnungen 5. Der Scheibenträger ist in einem Außenmantel in Form eines aus zwei Teilen 7 und 8 bestehenden Gehäuses eingekapselt. Die Gehäuseteile 7 und 8 und alle Probenröhrchen bestehen aus transparentem Material, so dass die Proben bei Gebrauch und während des Zentrifugierens zu sehen sind.
Der Scheibenträger ruht auf einer Fläche des Gehäuses 7 und verleiht dadurch dem Zentralbereich des Probenträgers 2 größere Steifigkeit und Stabilität, und der gesamte Probenträger und das Gehäuse werden auf einer Welle eines Motors 9 mitgeführt. Der untere Abschnitt 7 des Gehäuses und der Probenträger 1 sind jeweils mit einer Mutter 10 an der Welle des Motors 9 befestigt, während der Deckelabschnitt 8 des Gehäuses mit einer Mutter 11 befestigt ist, welche mit der Mutter 10 konzentrisch ist und diese umschließt. Somit kann man je nach Wunsch die ganze Einheit vom Motor abtrennen, wobei die Träger- und Gehäusebauteile fest zusammengeschlossen bleiben, oder nur den Deckelabschnitt 8 abnehmen.
Der Deckelabschnitt 8 ist mit dem unteren Abschnitt 7 in einem Peripheriebereich verbunden, der eine V-förmige Dichtung 12 enthält. Das V-Profil 12 erhöht auf diese Weise die Abdichtungswirkung, während das System rotiert, weil Zentrifugalkräfte die Schenkel des V dazu zwingen, sich nach außen gegen die Gehäusebauteile zu spreizen, wodurch eine wirksame Abdichtung gewährleistet wird. Die V-Form der Dichtung 12 hilft auch sicherzustellen, dass bei Hochgeschwindigkeitsrotation die Dichtung nicht durch die Nahtstelle zwischen Deckelabschnitt 8 und dem unteren Abschnitt 7 herausgepresst wird. Während des Betriebs, wenn die V-förmige Dichtung 12 dazu neigt, sich zu öffnen, drücken der obere und untere Schenkel des V gegen die entsprechenden flachen, angrenzenden Flächen des Deckelabschnitts 8 bzw. unteren Abschnitts 7. Die Unterseite des Deckelabschnitts 8 im Bereich der Dichtung 12 und von der Dichtung 12 zum Rand des Deckelabschnitts ist im wesentlichen flach. Eine Rille zur Aufnahme der Dichtung 12 wird vollständig von einem hochstehenden Flansch am unteren Abschnitt 7 gebildet. Das bedeutet, dass die Dichtung 12 zweckmäßig und sauber auf dem unteren Abschnitt 7 sitzen kann. Der obere Teil, also der Deckelabschnitt 8, besitzt verstärkende, außen umlaufende Rippen 13, um zu gewährleisten, dass bei Hochgeschwindigkeitsrotation an der Abdichtungsstelle keine Verwindung auftritt.
2 zeigt eine Schnittansicht der in Betrieb befindlichen Zentrifuge, und es ist zu ersehen, dass das Probenröhrchen 6 wegen der entstehenden Zentrifugalkräfte sich bis zu einem Winkel von im wesentlichen 45° schräg nach außen gespreizt hat und der blütenkranzartig angeordnete Einzelträger sich um die Schwächungslinie 4 gedreht hat. Die Abmessungen sind so gewählt, dass das Probenröhrchen nur bis zu dieser 45°-Position ausschwenken kann, wo sein unteres Ende an der Flanke des Gehäuses 7 anliegt.
In der Praxis bewegen sich die Probenröhrchen beim Hochlaufen progressiv in dem Maße nach außen, wie die Drehzahl ansteigt, und sie erreichen bei etwa der halben Betriebsdrehzahl einen eingezwängten Zustand und bleiben in diesem Zustand, wenn die Drehzahl weiter zunimmt. So beträgt in dem speziellen Beispiel die Betriebsdrehzahl 11.750 U/min, und die Röhrchen erreichen den eingezwängten Zustand bei ca. 6.000–6.500 U/min.
Die Tatsache, dass die blütenkranzartig angeordneten Einzelträger 3 aus dünnerem Material bestehen, und die Anbringung der Schwächungslinie im Probenträger 1 sind wichtig, weil sie während des Betriebs die Verformung des die Röhrchen-Einführöffnungen 5 umgebenden Materials begrenzen. Ohne diese Merkmale würden die Öffnungen 5, die im Ruhezustand kreisförmig sind, im Betrieb zu einer ovalen Form neigen. Diese Verformung würde normalerweise dazu führen, dass die eingeführten Röhrchen 6 beschädigt werden und/oder die blütenkranzartig angeordneten Einzelträger 3 reißen und die Röhrchen 6 herausfallen.
Die Struktur des Probenträgers und insbesondere die blütenkranzartig angeordneten Einzelträger sowie jedes durch eine Schwächungslinie gebildete Kunststoff-Drehgelenk müssen stark genug sein, um das bei Betrieb eintretende "Ausschwenken" auszuhalten.
Es ist ersichtlich, dass in voll ausgeschwenkter Stellung jedes Röhrchenende direkten Kontakt mit der Innenseite des Außengehäuses 7 hat. Die hohen Belastungen, die während der Hochgeschwindigkeitsrotation auf die Proben/Röhrchen einwirken, werden gemeinsam von der Struktur des Probenträgers 1 selbst und dem Außenmantel 7 auf Grund des Kontakts zwischen ihm und den Röhrchenenden getragen. Die Konstruktion als Ganzes vermeidet die Verwendung von Röhrchenträgern des Typs, die im wesentlichen die Röhrchen 6 umgeben und stützen. Dies minimiert die Bauteilzahl und ermöglicht Alternativen, bei denen der gesamte Probenträger 1, einschließlich der Röhrchen 6, in einem Stück formgepresst wird.
Die linke Seite der Figur zeigt ein Probenröhrchen 6 mit einem bestimmten Fassungsvermögen; dagegen stellt 6' auf der rechten Seite der Figur ein Probenröhrchen mit leicht geringerem Fassungsvermögen dar, das so geformt ist, dass es ebenfalls im gleichen 45°-Winkel an der Wand anliegt.
Im Betrieb gestattet die Zentrifuge, dass die Probenröhrchen bei hoher Drehzahl mit kontrollierter Ausrichtung rotieren können, so dass bei Betrachtung mit einem Stroboskop sich ein stabiles Bild einstellt und der Zentrifugiervorgang im Probenröhrchen sichtbar ist.

Claims

Zentrifugenrotor mit einem Probenträger (1), der in einem Außengehäuse (7,8) eingeschlossen ist und um eine Hauptrotationsachse des Rotors rotierbar ist, wobei der Probenträger einen Peripheriebereich zum Haltern von Probenröhrchen (6) im Ruhezustand parallel zu der genannten Achse besitzt, und der Probenträger die Eigenschaft hat, sich zu verbiegen, so dass Probenröhrchen unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen schwingen können, wobei der Probenträger blütenkranzartig angeordnete Einzelträger (3) für jedes Röhrchen besitzt, die mit gleichem Abstand um den Probenträger angeordnet sind, und dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralbereich (2) des Probenträgers aus einem dickeren Material besteht als aus demjenigen Material, das den blütenkranzartig angeordneten Einzelträger bildet, so dass jeder Biegevorgang im Bereich der blütenkranzartig angeordneten Einzelträger konzentriert ist.
Zentrifugenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder blütenkranzartig angeordnete Einzelträger (3) mit dem Zentralbereich (2) des Probenträgers entlang einer Schwächungslinie (4) verbunden ist, die es ermöglicht, dass sich der blütenkranzartig angeordnete Einzelträger um die genannte Schwächungslinie biegt, wenn das Röhrchen (6) unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen schwingt.
Zentrifugenrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er so gestaltet ist, dass oberhalb einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit des Probenträgers die Ausbiegung der Röhrchen (6) auf einen vorgegebenen Winkel beschränkt ist.
Zentrifugenrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbiegung der Röhrchen (6) durch direkten Kontakt zwischen den Röhrchen und einer Innenseite des Außengehäuses (7) begrenzt ist.
Zentrifugenrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Außengehäuse eine Umschließung aus zwei Teilen (7, 8) darstellt, die den Probenträger umschließen, wobei die genannte zweiteilige Umschließung an einer peripheren Zone durch eine Dichtung (12) zusammengeschlossenen ist, die so eingestellt ist, dass der Abdichtungseffekt durch die Wirkung der Zentrifugalkraft vergrößert wird, die während des Zentrifugierens auftritt, und wobei die Dichtung aus einem Dichtungsring besteht, der ein Profil in V-Form besitzt, dessen Scheitel nach außen zeigt.
Zentrifugenrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (7) transparent ist, so dass ermöglicht ist, dass sein Inhalt bei Benutzung eingesehen werden kann.
Zentrifugenrotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stroboskop-Vorrichtung zur Untersuchung der Proben vorgesehen ist, wenn diese zentrifugiert werden.
Zentrifugenrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenträger (1) eine einstöckige Ausformung besitzt, die [auch] die Probenröhrchen (6) umfasst.
Zentrifugenrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kragenteile auf dem Probenträger vorgesehen sind, die die Probenröhrchen (6) umgeben und tragen.
Zentrifugenrotor-Probenträger (1) zur Verwendung in einem Zentrifugenrotor gemäß Anspruch 1, bei dem der Probenträger einen Peripheriebereich zum Haltern von Probenröhrchen (6) im Ruhezustand parallel zu der genannten Achse besitzt, und der Probenträger die Eigenschaft hat, sich zu verbiegen, so dass Probenröhrchen unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen schwingen können, wobei der Probenträger blütenkranzartig angeordnete Einzelträger (3) für jedes Röhrchen besitzt, die mit gleichem Abstand um den Probenträger angeordnet sind, und dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralbereich (2) des Probenträgers aus einem dickeren Material besteht als aus demjenigen Material, das die blütenkranzartig angeordneten Einzelträger bildet, so dass jeder Biege vorgang im Bereich der blütenkranzartig angeordneten Einzelträger konzentriert ist.
Zentrifugenrotor-Probenträger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder blütenkranzartig angeordnete Einzelträger (3) mit dem Zentralbereich (2) des Probenträgers entlang einer Schwächungslinie (4) verbunden ist, die es ermöglicht, dass sich der blütenkranzartig angeordnete Einzelträger um die genannte Schwächungslinie biegt, wenn das Röhrchen (6) unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen schwingt.
Zentrifugenrotor-Probenträger nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenträger (1) eine einstöckige Ausformung besitzt, die [auch] die Probenröhrchen (6) umfasst.
Zentrifugenrotor-Probenträger nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Kragenteile auf dem Probenträger (1) vorgesehen sind, die die Probenröhrchen (6) umgeben und tragen.