JP2009082922A - 遠心分離機のロータロック装置、ロータロック機構およびロータ組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロータの構造的な一体性への影響を最小にし、ロータを駆動システムへ安定して取り付けられる機構的に簡単なロック装置を提供すること。
【課題手段】 遠心分離機のロータロック装置は、駆動ハブ２００の回りのスナップ嵌合による係合のためのＣ形状の環状部材３０２を含む。環状部材３０２は、第１および第２の接触セグメント３１０，３１２と、第３の非接触セグメント３２０とを含む。遠心分離により、接触セグメント３１０，３１２は、外方へ撓み、取り付けられたロータ１０の駆動穴１２の内壁と接触する。環状部材３０２の不平衡な質量の分布により、環状部材は駆動ハブから離れるように滑動する傾向にある。これは、環状部材がロータ１０と駆動ハブ２００との間の所定の位置でくさび形状となるように環状部材／駆動ハブの組立体のロータ１０へのロック効果を高めて、接触セグメントをさらに分離させる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、一般に、遠心分離機および同様の機器に関し、特に、遠心分離機のロータのためのロック装置に関する。

遠心分離機は、生物学的または化学的な試料を質量（または分子量）の違いに基づいて構成成分に分離するために用いられている。これは、試料を適当な容器に配置し、遠心分離力の作用下に置くことによって達成される。遠心分離機のロータは、装置に収容された試料をそのような力の作用下に置くように適合された遠心分離機の相対的に大きくて重い構成部分である。一般に、ロータは、特定の分離実験のために必要な遠心分離力を達成するために、非常に高速な回転速度まで回転させられる。それゆえ、ロータに回転駆動力を伝える駆動軸にロータが安定して結合されていることが重要である。

種々のロータを利用できることは、生物学的および化学的な分離における遠心分離機器の実用性を高める。所定の分離処理に関して、ロータは、重要な試料およびロータの物理的特性によって選択される。遠心分離機は、種々のロータのすべてを駆動軸に交換可能に取り付けるために適合されなければならない。通常、遠心分離機のロータは、駆動ハブによって駆動システムに結合されている。ハブは、駆動システムの駆動軸に固定され、ロータに取りはずし可能に結合されている。ロータの駆動軸への容易な結合およびロータの駆動軸からの容易な取りはずしのために、数多くの取り組みが展開されてきた。

たとえば、米国特許第４，７５３，６３０号には、底面の突出部でロータとロック係合するロータロック機構が開示されている。駆動軸は、ロータに駆動力を与えるロック機構に受け入れられる。このロック機構を構成する材料およびそれ自体の設計では、ロータを損傷する可能性のある回転力がもたらされたとき、この機構は停止する。機構の停止により、その状態においては駆動軸をロータから解き、ロータを損傷から守る。

米国特許第４，８９０，９４７号には、取付アダプタを有するロータが記載されている。この取付アダプタは、結合部材が受け入れられる内部チャンバを含む。結合部材を下方へねじ留めすることによってロータ／アダプタは駆動軸に結合され、結合部材は、内部チャンバの下方側へ圧し、アダプタを駆動軸に固定する。逆に、結合部材のねじ留めを弛めることによってロータ／アダプタは駆動軸から取りはずされ、結合部材は、内部チャンバの上方側へ押し、アダプタを駆動軸から上昇させる。

米国特許第５，３６２，２９３号には、駆動軸の周囲の回りに適合するクラッチ機構を有するロータが開示されている。このクラッチは、軸の周囲の回りに軸の周囲と摩擦接触して配置された２組の枢軸要素を含む。軸が時計回りの方向に回転させられたとき、この摩擦接触は１組の枢軸要素を軸側へくさび留めする。このくさび留め作動がクラッチと軸との間の摩擦による係合関係を高め、クラッチによってロータを駆動させる。

米国特許第５，６５８，２３１号には、外周囲をロータの基部で堅く締めるために周囲の回りに配置された指状部材を有する遠心分離機チャックが記載されている。指状部材は、ロータへ向かってまたはロータから遠ざかって半径方向に枢軸に枢動可能に取り付けられている。各指状部材の質量中心は枢軸点の下方に位置され、遠心分離力の圧力は指状部材をロータ方向へ促し、所定の位置にロータを固定する。

これらの従来技術の取り組みは、製造するのに高価であり、時間の経過による故障の影響を受けやすい機構設計を含んでいる。他の設計では、ロータは、その全長に沿った軸穴が設けられている。駆動軸に固定され、外側に突出するプロングを有するハブは、ロータの軸穴内の対応する凹所と組になり、ロータを駆動軸に対して相対的な固定位置に固定する。固定ステムは、穴を経てロータの上部から挿入され、駆動軸に結合され、所定の位置にロータを固定する。しかし、軸穴の形成は、ロータの構造的な一体性を著しく弱め、ロータ／穴の境界で応力をもたらし、この応力は、ロータの実用的な寿命を制限し、ロータが作動できる最大速度を制限する。

それゆえ、ロータの構造的な一体性への影響を最小にし、遠心分離機のロータを駆動システムへ安定して取り付けられる機構的に簡単なロック装置を提供することが必要である。そのようなロック装置によりロータの寿命およびロータの作動速度への最小の影響がもたらされることが望ましい。

課題を解決するための手段、作用および効果

遠心分離機のロータロック装置は軸線方向の間隙を有する環状部材を含み、該環状部材を駆動ハブとロータとの間に配置し、前記間隙は、環状部材のスナップ嵌合（snap-fit）による係合をロータに受け入れられる駆動ハブに与えるのに十分に幅広である。環状部材は、第１の外側の接触面および第２の外側の接触面と、前記第１および第２の外側の接触面間に配置された外側の非接触面とを含む。接触面は、高速回転中において、遠心分離力によって外方へ撓まされ、非接触面に対して突き出ている。

遠心分離中において、接触面は駆動ハブとロータとの間でロックされた状態となり、ロータを駆動ハブにロックする。ロックピンは、環状部材の滑動を防止するために環状部材を駆動ハブに結合する。

ロック部材の使用は、ロータ本体の全長を貫通する駆動穴を形成することの必要性を除去し、駆動ハブ／ロック部材の組立体を受け入れるのに十分な深い穴を必要とするのみである。これは、その結果、ロータが影響を受ける応力を制限するロータ／穴の境界を最小限にする。本発明によるロック部材の設計により、現行のロータ組立体を、本発明のハブ／ロック部材を合体させた新しい機器に用いることができる。

図１Ａ、１Ｂを参照するに、本発明によるロータ組立体１００は遠心分離用の試料容器（図示しない）を受け入れる複数のチャンバ２０を有するロータ１０を含む。ロータ１０は軸線方向に設けられた駆動穴（ボア）１２を含み、駆動穴１２によってロータは駆動軸の組立体２００に取り付けられる。駆動穴１２はロータ１０の本体に短い寸法すなわちハブ組立体２００を受け入れるのに十分な寸法で形成されている。

図２ないし４に示すように、ハブ組立体２００は円筒状部分２５２と基部部分２５０とを含む。作動においては、ハブ組立体２００はロータ１０の駆動穴１２に受け入れられている。図３に示すハブ組立体２００の分解図には、基部３５０とネック部分３５２とを含むハブ副組立体３６０が示されている。遠心分離のための原動力を与えるために、基部３５０は、一般に、回転力を駆動モータ（図示しない）からロータ１０に伝えるために駆動モータの軸に結合されている。以下に説明するように、駆動ハブ組立体２００のロータ１０へのロック作動に関与するネック部分３５２は基部３５０から伸びている。ネック部分３５２はその上下にフランジ部材３５１，３５３が配置されている。開口３５４はネック部分３５２の本体に形成されている。

また、図３の分解図には、環状部材３０２を含むロック部材の副組立体３００が示されている。環状部材３０２は、ハブ副組立体３６０の縦方向のスピン軸に対して平行な方向に沿って形成された間隙を有する全体として円筒状の形状を有する。それゆえ、環状部材３０２は図４の平面図に示すようにＣ形状の平面輪郭を有する。環状部材３０２はネック部分３５２に形成された開口３５４に照準された開口３０４を含む。

環状部材３０２の間隙（開放端の開き）はフランジ部材３５１，３５３間のネック部分３５２（図４では点線にて示す）の中央部の直径Ｄより小である寸法Ｇを有する。環状部材の内径はネック部分３５２の中央部の直径Ｄよりわずかに大である。環状部材を製造するのに用いられる材料の弾力性はフランジ部材３５１，３５３間のネック部分３５２に環状部材のスナップ嵌合による係合を与える。好ましい実施例において、ステンレス鋼がその非腐食性の特性を有することから用いられている。これは試料の流出が起こる部分で特に重要である。また、ステンレス鋼の代わりに種々のプラスチックコンパウンドを用いることが予期される。

環状部材３０２は第１、第２のセグメント３１０，３１２に分割され、それらは第３のセグメント３２０によって分離されている。好ましくは、図４に示すように、セグメント３１０，３１２は直径方向に対立する関係である。セグメント３１０，３１２はセグメント３２０の外側の面３２０Ａに対してそれぞれ突き出ている外側の面３１０Ａ，３１２Ａを有する。中心Ａから外側の面３２０Ａまでの半径距離Ｒ３は、対応する半径距離Ｒ１，Ｒ２より小である。環状部材３０２の内側の面３０２Ａは、ネック部分３５２の回りに環状部材の適切な嵌合を与えるために、その回りに実質的に一定の半径寸法Ｒｉを有する。したがって、セグメント３１０の厚さｔ１およびセグメント３１２の厚さｔ２はそれぞれセグメント３２０の厚さｔ３より大である。

図５Ａを参照するに、この図は、１Ｂのロータ組立体の平面図で、静止の非スピン状態における組立体を細部を拡大して示している。この図は、図１Ｂの駆動穴１２を経る線５−５に沿って描かれており、ロータ１０の本体部分を示している。ロック副組立体３００の接触面３１０Ａおよび３１２Ａが駆動穴の内壁１２Ａから分離されていることがわかる。図５Ａの図は、説明の目的のために拡大しており、内壁１２Ａからの接触面３１０Ａおよび３１２Ａの分離量Ｃを示している。典型的には、分離量は約０．００３５ないし約０．００５インチである。

図５Ａ、５Ｂを参照するに、前記したように、ロック副組立体３００はロックピン３４０によってネック部分３５２に結合されている。したがって、駆動軸（およびハブ副組立体３６０）がスピンを開始したとき、ロック副組立体３００もスピンを行う。ロック副組立体は拡張し（図５Ｂの部分３００に示すように）、接触面３１０Ａおよび３１２Ａはロータ１０の駆動穴の内壁１２Ａを押す。ロック副組立体の十分な拡張があるとき、接触面はハブ副組立体のネック部分３５２とロータの内壁１２Ａとの間でロックされた状態となり、ロック副組立体は有効にロータをハブ副組立体にロックする。ロックピン３４０はロック副組立体およびハブ副組立体上のロータのいかなる回動や滑動をも防止する。

ロック副組立体３００の拡張は２つの効果に基づく。第１に、ロック副組立体が回転するとき、結果として生じる遠心分離力Ｃｒは、図に示すように接触セグメント３１０および３１２を外側の方向へ引き、したがって、環状部材の間隙を拡張させ、接触セグメントにロータの内壁１２Ａとの接触をもたらす。

第２に、環状部材３０２の不均整なＣ形状は、結果として質量の不平衡な分布となり、したがって、図に示すようにロック副組立体３００を重い側の方へ指向させる傾向を有する不均衡力Ｃｍを生じさせる。前記したように、外側の面３１０Ａおよび３１２Ａは外側の面３２０Ａに対して突き出ている。結果として、ロック副組立体がハブ副組立体３６０のネック部分３５２に嵌合されたとき、外側の面３２０Ａとロータ１０の内壁１２Ａとの間に間隙が形成される。

図５Ｂに示すように、前記間隙は、ロック副組立体の位置を不均衡力Ｃｍの方向へ移動させる。したがって、ロック副組立体３００の間隙での内端部は、駆動軸から離れるように滑動する傾向によってネック部分３５２に当たり、したがって、ロック副組立体の間隙を拡張する。ロック副組立体はこの方向にとどまる傾向があるので、接触セグメントはロータとハブとの間で係合されることとなる。ロータが停止させられたとき、力ＣｍおよびＣｒはもはや存在せず、ロック副組立体は図５Ａに示す静止位置へ弾性により戻る。

それゆえ、ロック副組立体３００は、遠心分離中における有効な自己ロック機能を与える。反対に、遠心分離が生じたとき、ロック副組立体の環状部材の弾力は弾性張力を生じさせ、この弾性張力は、副組立体をネック部分３５２の回りの所定位置に引き戻し、自動的なアンロック機能を与える。これが、ロータを下方にロックしたりロックを解除するラッチ機構の必要性を除去する。そのようなラッチ機構は、ロータの全長を貫通する駆動穴を形成することを必要とし、ロータの構造的な一体性を著しく損傷させ、実用的な寿命および／または使用可能な最大速度を制限する。本発明によるロック機構で必要とするものは、ロック機構が設けられた駆動軸を受け入れるのに十分な駆動穴のみである。これが、ロータが遠心分離中の応力にさらされることを最小限にし、したがって、装置構成部分の実用的な寿命を高める。

ロック副組立体の設計の容易性により、現行のロータを、本発明のロック機構を用いた新しい遠心分離機器に用いることができる。これは、新しい機器へ格上げするときの重要な節約を意味する。

本発明のロック装置を用いたロータ組立体を示す図。 本発明のロック装置を用いたロータ組立体を示す図。 本発明のロック装置を示す図。 本発明のロック装置を示す図。 図２に示す線４−４に沿って描かれたロック装置の平面図。 線５−５（図１Ｂ）に沿って描かれた、一部を切り取った図で、静止状態にあるロック装置を示す図。 線５−５（図１Ｂ）に沿って描かれた、一部を切り取った図で、遠心分離中のロック装置に作用する種々の力を示す図。

符号の説明

１０ ロータ
１２ 駆動穴
１２Ａ 内壁
２０ チャンバ
１００ ロータ組立体
２００ ハブ組立体
２５０ 基部部分
２５２ 円筒状部分
３００ ロック副組立体
３０２ 環状部材
３０２Ａ 内面
３０４，３５４ 開口
３１０ 第１のセグメント
３１０Ａ，３１２Ａ，３２０Ａ 外側の面
３１２ 第２のセグメント
３２０ 第３のセグメント
３４０ ロックピン
３５０ 基部
３５１，３５３ フランジ部材
３５２ ネック部分
３６０ ハブ副組立体

Claims (13)

1. 遠心分離中に遠心分離機のロータを該遠心分離機の駆動システムの駆動ハブに固定するためのロータロック装置であって、前記ロータは該ロータの底面に形成された駆動穴を有し、前記駆動ハブはネック部分を有し、
   前記ロータロック装置は、中心軸線の回りに配置された第１のセグメントと第２のセグメントと第３のセグメントとを有する可撓性のＣ形状のカラー部材を含み、
   前記第２のセグメントは前記第１のセグメントと前記第３のセグメントとの間に配置され、
   前記第１のセグメントおよび前記第３のセグメントはそれぞれ前記第２のセグメントの厚さ寸法より大きい厚さ寸法を有し、
   前記カラー部材は、前記ネック部分の回りに取り付けられ、遠心分離中に前記ロータの前記駆動穴に受け入れられ、
   遠心分離中において、前記駆動システムからの回転力を前記ロータに伝えることによって遠心分離力が前記カラー部材を撓ませ、前記ロータと摩擦によって係合する、ロータロック装置。
2. 前記第１のセグメントおよび前記第３のセグメントは互いに直径方向に相対する関係にある、請求項１に記載の装置。
3. ロックピンを受け入れるために肉厚を貫通して形成された開口を含み、前記ロックピンを前記開口を経て前記ネック部分の対応する開口へ挿入することにより前記カラー部材が前記駆動ハブと共に回転することを可能にする、請求項１に記載の装置。
4. 前記Ｃ形状のカラー部材の開放端の開きは、前記カラー部材の前記ネック部分へのスナップ嵌合による取付を可能にする量だけ前記ネック部分の直径より小である、請求項１に記載の装置。
5. 前記セグメントはそれぞれ外側の面を有し、前記第１のセグメントの外側の面および第３のセグメントの外側の面はそれぞれ前記第２のセグメントの外側の面の半径寸法より大きい半径寸法を有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記セグメントの前記外側の面は弓状の輪郭を有する、請求項５に記載の装置。
7. 遠心分離器のロータのためのロータロック機構であって、
   前記ロータは底面に形成された取付穴を有し、
   前記ロータロック機構は、
   前記ロータの前記穴に受け入れられる駆動ハブと、
   前記ロータの軸線方向に沿って形成された間隙を有する可撓性の環状部材であって、薄い非接触のセグメントによって結合された２つの拡大されたセグメントを有する、前記間隙に隣接した可撓性の環状部材とを含み、
   前記間隙は前記環状部材の前記駆動ハブへのスナップ嵌合による係合を可能にするために十分に幅広であり
   遠心分離中に前記非接触のセグメントが撓んだとき、前記拡大された２つのセグメントは、前記駆動軸と前記ロータとの間で該駆動軸および該ロータに係合する、ロータロック機構。
8. 前記拡大された２つのセグメントの外側の面は前記環状部材の残った部分の外側の面に対して突き出ている、請求項７に記載の機構。
9. 各拡大されたセグメントの外側の面までの半径距離は前記環状部材の残った部分の外側の面までの半径距離より大きい、請求項７に記載の機構。
10. ロックピンを含み、前記駆動ハブは前記ロックピンを受け入れるために形成された開口を含み、前記環状部材は前記ロックピンを受け入れるための対応する開口を含み、前記環状部材は、該環状部材が前記駆動ハブにスナップ嵌合され、前記ロックピンが前記開口のそれぞれに受け入れられたとき前記駆動ハブに対して相対的に実質的に不動とされる、請求項７に記載の機構。
11. 遠心分離機のロータ組立体であって、
    ロータであって該ロータの底面に該ロータの軸線方向に設けられた穴を有するロータと、
    駆動ハブと、
    前記駆動ハブに結合された環状のロータロック部材とを含み、
    前記ロータロック部材はＣ形状を有し、
    前記ロータロック部材は、前記穴の内壁と接触する相対する２つの接触部分と、前記２つの接触部分の間に配置された非接触部分とを有し、
    遠心分離中に発生する力によって、前記２つの接触部分は前記駆動ハブと前記ロータの前記内壁との間で前記駆動ハブおよび該ロータの該内壁に係止される、遠心分離機のロータ組立体。
12. 前記ロータロック部材の前記Ｃ形状の開放端の開きは、前記ロータロック部材の前記駆動ハブへのスナップ嵌合による結合を与えるように前記駆動ハブの直径より小さい、請求項１１に記載の組立体。
13. 前記２つの接触部分は前記環状部材の直径方向に相対する２つの部分に配置されている、請求項１１に記載の組立体。

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