JP4255667B2

JP4255667B2 - 遠心機

Info

Publication number: JP4255667B2
Application number: JP2002257123A
Authority: JP
Inventors: フリードリヒ・ヴィットハウス; ヴォルフラム・ヴェーバー
Original assignee: フレセニウス・ヘモケア・ベタイリグンクス・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-02
Also published as: DE50204009D1; JP2003159324A; EP1295642B1; EP1295642A1; ATE302650T1; US20030045419A1; DE10142744C1; ES2244702T3; US6716154B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心機、特に生体液を遠心分離するためのスライドシールレス流動遠心機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体液を流動状態で遠心分離する遠心機は既知である。液は管路を介して、回転する遠心室に供給されもしくはこの遠心室から排出される。しかし遠心室と管路の静止接続個所との間で相対運動が生ずるために管路を案内することには問題が多い。従来の流動遠心機では、管路の捩れを防止するために、回転するシールが接続個所で使用されてきた。このような流動遠心機は確かに高回転数を可能とするのではあるが、しかし回転継手は液中に含まれる諸成分の漏れおよび損傷をもたらすことがある。
【０００３】
従来技術のスライドシールレス血液遠心機が知られている。このスライドシールレス遠心機では管路が静止接続個所からループ状に遠心室の周りを案内される（例えば、特許文献１参照）。このため管路は遠心室に比べて半分の回転数で回転する回転フレームに結合されている。このような流動遠心機は別の先行技術文献にも開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
このスライドシールレス流動遠心機では、管路が比較的大きな機械的荷重に曝されており、回転数の増加に伴って機械的荷重は大きく上昇する。遠心力の影響を受けて管路は外方に張り出すループを形成し、これにより静止接続個所と分離室への接続部とに高い交番曲げ荷重が現れる。接続個所において鋭い入口角度、出口角度をつけると接続アダプタと管路との間でさらなる摩擦を生じ、それがやはり高い磨耗につながる。交番曲げ荷重と磨耗は、管路の寿命もしくは遠心機の最高回転数を制限する要因である。
【０００５】
管路を支持するための軸受を使用したスライドシールレス流動遠心機が知られている。かかる流動遠心機は、その遠心チューブが静止接続個所と分離室の接続部との間で２つの滑り軸受で支持されている。内側軸受胴と外側軸受胴とからなる滑り軸受は遠心チューブの構成要素である。滑り軸受は使い捨て品として確かに簡単かつ安価に製造できるのではあるが、しかし特に高回転数のとき摩擦損失が比較的大きい（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
また、遠心チューブがころ軸受で支持されており、このころ軸受が回転フレームに固着されている。回転体を備えた内側および外側軸受胴からなるころ軸受は管路の構成要素である流動遠心機が知られている（例えば、特許文献４参照）。このころ軸受は確かにベアリング摩擦が小さいという利点を有するが、しかし製造が困難であり、費用が比較的高い。これは、遠心管路が使用後に廃棄される使い捨て品である限りで重要である。液管路を支持するための軸受を備えたスライドシールレス流動遠心機もまた公知である（例えば、特許文献５参照）。
【０００７】
液管路が回転対称な支持面で支持され、この支持面は回転する円弧によって形成される部分を有する流動遠心機も知られている（例えば、特許文献６参照）。液管路を支持するための案内要素を提案しており、この案内要素はやはり回転対称な支持面を有する流動遠心機も知られている（例えば、特許文献７参照）。
【０００８】
【特許文献１】
独国特許出願公開第３２４２５４１号明細書
【特許文献２】
独国特許出願公開第４２２０２３２号明細書
【特許文献３】
欧州特許出願公開第０１１２９９０号明細書
【特許文献４】
国際公開第９５／１７２６１号パンフレット
【特許文献５】
独国特許出願公開第１９８０３５３５号明細書
【特許文献６】
米国特許第４２２１３２２号明細書
【特許文献７】
米国特許第４１１１３５６号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、液を供給し、または排出し、あるいはそれらの両方を行うための管路が一方で十分に支持された、特に簡単かつ安価に製造するができ、他方で、高い回転数が可能となるように、管路が比較的僅かな機械的荷重に曝される遠心機を提供することであり、さらに管路の製造が特に簡単かつ安価である遠心機を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決は、架台（２）に回転可能に設置された回転フレーム（１）と、該回転フレームに設置され、該回転フレームの２倍の回転数で同一の回転方向に中心回転軸（Ａ）の周りを回転する分離装置（４）と、該分離装置に接続されてループ状に該分離装置の周りを静止接続個所（５）へと案内される少なくとも１つの液を供給し、または排出し、あるいはこれらの両方を行うための管路（６）と、該管路を支持する管路用支持面（１０）を有する少なくとも１つの案内要素（７、８）とを有し、回転する平面曲線（１５）によって該案内要素の該支持面が形成される遠心機であって、点（Ｐ）で前記曲線に接する各々の曲率円の半径Ｒ２が、該接点と前記中心回転軸（Ａ）との間の距離Ｒ１が増加するに伴って増加することを特徴とする遠心機に明示された特徴でなされる。有利な諸構成は従属請求項の対象である。
【００１１】
本発明による遠心機の管路を支持する案内要素の支持面は回転する平面曲線によって形成され、１点でこの曲線に接する各々の曲率円の半径は、接点と遠心機の中心回転軸との間の距離が増すのに伴って増加する。このような形状の支持面により、案内要素および管路の磨耗が支持面全体にわたって十分に均一であることが達成される。磨耗が均一であると管路の寿命は向上することが判明した。
【００１２】
各曲率半径Ｒ２と接点、回転軸間の各距離Ｒ１との比は案内要素の支持面を描く曲線が推移しても、極力一定しているべきである。定数ａ＝Ｒ２／Ｒ１は使用する材料と幾何学的境界条件とに強く影響される。特に管路の曲げ剛性が重要である。寿命は特に１≦ａ≦２であるとき長くすることができることが判明した。
【００１３】
好ましい一実施形態では案内要素が、管路を取り囲むキャップ形状（hulsenformiger）体である。案内要素も管路も、好ましくは、潤滑剤なしに互いに容易に滑動できる耐磨耗性の材料からなる。
【００１４】
特別好ましい一実施形態では案内要素の支持面が円筒形状の案内部分に続き、この案内部分の直径は好ましくは管路がそのなかでゆるく案内されているように設計されている。円筒形状の案内部分が管路の直線部分を案内するのに役立つ一方、支持面はそれに続く湾曲管路部分を支持するのに役立つ。
【００１５】
遠心機は管路を支持するために好ましくは２つの案内要素を有する。第１の案内要素は、静止接続個所から離れた方の分離装置の側面に設けられている。この案内要素でもって、分離装置から延びる管路はループ状に分離装置の周りを静止接続個所へと案内され、管路は第１部分が案内要素の支持面で支持される。
【００１６】
静止接続個所に設けられる第２の案内要素は、その支持面で、分離装置の周りを案内される管路の第２部分を支持する。
【００１７】
本発明による両方の案内要素の支持面でもって、管路は比較的僅かな機械的荷重に曝されるように支持され、長期間にわたって高い回転数とすることが可能である。しかしながら、原理的には、一方または他方の案内要素のみが本発明による支持面を備えることもできる。
【００１８】
管路が案内されるループの形状に応じて、他の案内要素を設けておくこともできる。各案内要素は、管路を支持することができるようにするために２つの本発明による支持面を有することもできる。
【００１９】
以下、図面を参考に本発明の一実施例が詳しく説明される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は生体液、特に血液を遠心分離するためのスライドシールレス流動遠心機の概略図であり、この遠心機は特許文献１に述べられた遠心機とその構造および機能が対応する。流動遠心機は下側支持板１ａと上側支持板１ｂと２つの横部品１ｃ、１ｄとを備えた回転フレーム１を有する。回転フレーム１は垂直軸３の周りを回転可能に固定架台２に設置されており、図１には図示しない駆動装置によって回転数ｎ₁で駆動される。円筒形状のチャンバの形態の分離装置４が回転フレーム１の回転軸の周りを回転できるように、回転フレーム１の上側支持板１ｂに設置されている。分離装置４は、図示しない駆動装置で回転フレーム１と同じ回転方向に、２倍の回転数ｎ₂＝２ｎ₁で駆動される。分離装置４は、支持板１ｂの下面に固着しておくこともできる。
【００２１】
中心回転軸は図１において符号Ａで表され、分離装置４と回転フレーム１との両方が中心回転軸の周りを回転する。
【００２２】
血液もしくは血液成分を分離装置４に供給し、もしくは分離装置から排出するための単数または複数のチューブが撓み管路６内でまとめられており、この管路は遠心架台の静止接続個所５から分離装置４の周りを案内されて分離装置の下面に接続されている。管路６が分離装置４の半分の回転数で分離装置の周りを案内されることによって、管路の捩れは防止される。
【００２３】
管路６は、分離装置４に加えて、他に遠心分離された血液成分を収集するための袋をさらに含むディスポーザブル品の一部である。このディスポーザブル品は遠心機に挿入され、使用後に廃棄される。このようなチューブの配置は先行技術に属し、ここで詳しく説明する必要はない。複数の収集袋を含むディスポーザブル品は例えばＤＥ２８４５３６４Ａ１とＤＥ２８４５３９９Ａ１に述べられており、これらはここで引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【００２４】
遠心力による管路６の機械的荷重を減らすために、管路は静止接続個所５でも、静止接続個所５から離れた方の分離装置４の側面でも支持されている。このため分離装置の下面に第１の案内要素７が設けられて、管路６の第１の部分６ａを支持する。第２の管路部分６ｂを支持するために静止接続個所５に第２の案内要素８が設けられている。両方の案内要素７、８は同一の構造である。管路は、図示しない他の案内要素または軸受で、フレームの上側支持板１ｂの横アーム９に取り付けておくことができる。
【００２５】
図２は、図１を参照して説明した遠心機の２つの案内要素７、８の一方の概略を示す断面図である。
【００２６】
案内要素７、８は、特にＡＢＳプラスチック製のキャップ形状の物体であり、管路６の湾曲部分１１を支持するための回転対称な支持面１０を有する。管路６の直線部分１３を案内するための円筒形状の案内面１２がこの支持面に続いている。円筒形状の案内面１２の直径が管路６の外径よりも僅かに大きく、管路は案内要素内でゆるく案内されている。
【００２７】
案内要素７、８の回転対称な支持面１０は案内要素の縦軸１４の周りを回転する平面曲線１５によって形成され、この曲線の推移は図２に示されている。案内要素の縦軸１４は遠心機の回転軸Ａ上にある。
【００２８】
以下に、管路６および案内要素７、８の磨耗の理論的背景と、磨耗を最小化し、管路及び案内要素の寿命を長くするための、支持面の形状の正確な推移を説明する。
【００２９】
２つの擦り合う面の磨耗は以下の式で近似的に表すことができる。
Ａ〜Ｖ^*Ｐ
【００３０】
磨耗Ａは擦り合う両面の相対速度Ｖとそれらの面圧Ｐとに比例する。
【００３１】
チューブを結合した場合、相対速度は一定でなく、遠心機の中心回転軸Ａとの半径方向距離Ｒ１に比例する。
Ｖ〜Ｒ１
【００３２】
面圧は、一方で管路の曲げに起因し、他方で遠心に基づく引張力に起因する力に依存している。
Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２
【００３３】
Ｐ１は、曲げ梁の法則（Gesetzen des Biegebalkens）に従って、曲げ半径Ｒ２が小さくなるのに比例して増加し、Ｐ２は索巻掛けの法則（Gesetzen Seilumschlingu）に従って曲げ半径Ｒ２の減少にやはり比例して上昇する。こうして総面圧Ｐに次式が成り立つ。
Ｐ〜１／Ｒ２
その結果、磨耗について次の関係が成り立つ。
Ａ〜Ｒ１／Ｒ２
【００３４】
案内要素７、８の支持面１０の形状は、磨耗が支持面全体にわたって極力変化しないように仕上げておくべきであろう。そのことから、両方の半径Ｒ１、Ｒ２の比は支持面を描く曲線１５の推移にわたって極力一定することになる。
Ｒ２／Ｒ１＝ａ
【００３５】
図３は支持面を描く曲線の正確な推移を示す。遠心機の中心回転軸Ａがデカルト座標系の原点を通るものと仮定する（Ｙ軸）。
【００３６】
曲線の推移は次式で表される。
（１）ｘ_(i+1)＝Ｒ_1(i+1)＝Ｒ_1i＋Ｒ_1i ^*ａ^*（ｃｏｓα_i‐ｃｏｓ（α_i＋Δα））
（２）Ｙ_(i+1)＝Ｙ_i＋Ｒ_1i ^*ａ^*（‐ｓｉｎα_i＋ｓｉｎ（α_i＋Δα））
（３） Δα＝Δα_i＝一定
（４） α_i＝ｉ^*Δα
【００３７】
１点で曲線に接する各曲率円の半径Ｒ２は、接点と中心回転軸との間の距離Ｒ１が増すのに伴って増加する。
【００３８】
点Ｐ_iで曲線に接する曲率円は、例えば曲率半径がＲ_2iである。接点Ｐ_iと中心回転軸Ａ（Ｙ軸）との間の距離はＲ_1i＝ｘ_iである。点Ｐ_i+1で曲線に接する曲率円は半径がＲ_2i+1である。接点Ｐ_i+1と回転軸Ａ（Ｙ軸）との間の距離はＲ_1i+1＝ｘ_i+1である。図３から明らかなように、接点Ｐ_i+1は接点Ｐ_iよりもＹ軸との距離が大きい。したがって点Ｐ_i+1における曲率半径は、図３から明らかなように点Ｐ_iにおける曲率半径よりも大きくなければならない。曲率円の中心点は図３にＭ_iで示してある。
【００３９】
特に１≦ａ≦２であるとき、長い寿命を達成できることが実務においてわかった。図４はａ＝１、ａ＝１．６、ａ＝２の場合の支持面の形状を示す。このような形状はａ＝１とａ＝２の範囲内とすべきであろう。
【００４０】
定数ａ＝１．６のとき、磨耗は接触面全体にわたって十分均一に分布している。遠心機が４０００ｒｐｍの回転数で回転する場合、このような形状で寿命を約９時間に高めることができた。支持面を描く曲線は楕円で近似することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】生体液、特に血液を遠心分離するためのスライドシールレス流動遠心機の一実施例の簡略化した概略図である。
【図２】図１の遠心機の２つの案内要素のうちの一方を遠心管路部分と一緒に拡大して示す概略図である。
【図３】図２の案内要素の、支持面の形状を示す。
【図４】図２の案内要素の、支持面の異なる形状の他の実施例を示す。
【符号の説明】
１回転フレーム
１ｂフレームの上側支持板
２架台
３垂直軸
４分離装置
５静止接続箇所
６管路
６ａ管路の第２部分
６ｂ管路の第１部分
７第１の案内要素
８第２の案内要素
９横アーム
１０支持面
１１湾曲部分
１２円筒形状の案内面
１３直線部分
１４縦軸
１５平面曲線

Claims

架台（２）に回転可能に設置された回転フレーム（１）と、
該回転フレームに設置され、該回転フレームの２倍の回転数で同一の回転方向に中心回転軸（Ａ）の周りを回転する分離装置（４）と、
該分離装置に接続されてループ状に該分離装置の周りを静止接続個所（５）へと案内される少なくとも１つの液を供給し、または排出し、あるいはこれらの両方を行うための管路（６）と、
該管路を支持する管路用支持面（１０）を有する少なくとも１つの案内要素（７、８）と
を有し、前記中心回転軸（Ａ）上にある、前記案内要素（７、８）の縦軸（１４）の周りを回転する平面曲線（１５）によって該案内要素の回転対称な該支持面が形成される遠心機であって、点（Ｐ）で前記曲線に接する各々の曲率円の半径Ｒ２が、該接点と前記中心回転軸（Ａ）との間の距離Ｒ１が増加するに伴って増加することを特徴とする遠心機。
前記曲率半径Ｒ２と、前記接点（Ｐ）と前記中心回転軸（Ａ）との距離Ｒ１との比（Ｒ１／Ｒ２）が、定数ａであることを特徴とする請求項１に記載の遠心機。
前記定数ａについて、１≦ａ≦２が成り立つことを特徴とする請求項２に記載の遠心機。
前記案内要素（７、８）がスリーブ形状であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の遠心機。
前記案内要素（７、８）の前記支持面（１０）が、円筒形状の案内面（１２）に続いていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の遠心機。
前記案内要素（７、８）内で、前記管路（６）がゆるく案内されるように前記円筒形状の案内面（１２）の直径が設計されていることを特徴とする請求項５に記載の遠心機。
前記静止接続個所（５）から離れた方に面する前記分離装置（４）の側面に第１の案内要素（７）が設けられており、前記管路（６）が前記分離装置の周りを案内されており、前記管路の第１の部分（６ａ）が、前記第１の案内要素の支持面（１０）に支持されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の遠心機。
第２の案内要素（８）が前記静止接続個所（５）に設けられており、前記管路（６）が前記分離装置の周りを案内されており、前記管路の第２部分（６ｂ）が、前記第２の案内要素（８）の支持面（１０）に支持されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の遠心機。