KR100212950B1 - 원심분리기용 앵글 로터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 의학·화학분야 및 실험실과 연구실 등에서 시료를 고속으로 분리시키기 위한 원심분리기용 앵글 로터에 관한 것이다. 로터 본체의 두께와 높이 및 무게를 줄이면서도 고속회전시에 바람막이 등이 늘어나거나 파손되지 않고 밸런싱을 적절하게 할 수 있다. 로터 본체(21)는 원통 슬롯(26)이 로터축으로부터 일정 각도를 이루며 심부(28) 주위에 방사상으로 다수개 형성되며 상부 가장자리에 바람막이(27)가 형성되게 원통 슬롯(26) 간의 높이가 낮게 형성되고 바람막이(27)의 상단에 록킹홈(37)이 원주방향으로 형성된다. 원통 라이너(23)는 양단이 개방되며 바람막이(27)와 심부(28) 사이에 지지되면서 각 원통 슬롯(26)에 상향으로 돌출되게 끼워진다. 상부 바람막이(24)는 원통 라이너(23) 내에 끼워지는 튜브(41) 상면과 밀착되게 로터 본체(21) 상에 체결되고 록킹홈(37)과 일치하는 록킹턱(38)이 하단에 원주방향으로 형성된다.

Description

원심분리기용 앵글 로터

본 발명은 의학·화학분야 및 실험실과 연구실 등에서 시료를 고속으로 분리시키기 위한 원심분리기용 앵글 로터(Angle Type Rotor of Centrifuge)에 관한 것이다.

원심분리기의 모터축에 설치되는 로터는 크게 분류하여 일명 앵글 로터(Angle type rotor)와 스윙 로터(Swinging type rotor)가 있다. 앵글 로터는 시료를 일정한 각도로 고정시킨 상태에서 시료에 원심력이 작용하도록 한 것으로, 시료가 채워진 튜브를 끼울 수 있는 원통 슬롯의 축선이 로터축으로부터 약 20°∼30°정도의 기울기를 갖도록 한 것이고, 스윙 로터는 시료가 채워진 튜브를 끼울 수 있는 버킷을 로터 본체 내에서 원심력 작용방향으로 회전할 수 있도록 설치한 것이다. 이 스윙 로터는 비교적 소용량이면서 고속이고, 상기 앵글 로터는 비교적 대용량이면서 상기 스윙 로터 보다 회전속도가 다소 떨어진다. 본 발명은 상기에서 언급되는 앵글 로터에 관련한 것이다.

종래의 일반적인 앵글 로터는 원심력 작용시 금속 조직의 인장과 붕괴에 의하여 상, 하부의 바람막이(로터 본체의 외곽 부위)(Windshield) 측부와 저부가 늘어나거나 파손되지 않도록 하기 위하여 바람막이와 로터 본체의 심부를 두껍게 하고 있다. 그러나 이렇게 하므로서 오히려 로터의 무게가 무거워져 회전모멘트가 작용하게 되고, 이에 따라 로터를 회전시켜 주는 모터에 과부하가 걸려 9,000rpm 이하의 회전속도밖에 내지 못하는 문제가 있었다.

이러한 문제를 개선하기 위한 발명이 있는데, 미국특허 제5,411,465호에 그 내용이 개시되고 있다. 이 발명은 제3도에서 보는 바와 같이 섬유를 가지는 카본에 에폭시를 원주방향으로 회전주입하여 만든 지지링(1)과, 로터의 중심부에 위치하며 원심분리기 구동축(2)이 설치되고 고정너트(3)가 상부에 고정되는 원통대(4)와, 이 원통대(4)와 함께 하나의 허브(5)를 이루고 핀(6)을 보유하는 저부 플레이트(7)와, 상기 원통대(4)의 상부에 끼워지며 핀(8)을 보유하는 상부 플레이트(9)와, 경금속 또는 섬유충진의 플라스틱으로 만들어지고 상기 지지링(1)과 허브(5) 사이에 잡혀 있으며 원심분리기 상에서 상기 지지링(1)을 감을 때 반경의 외측으로 미끄러지지 않도록 상기 핀(6)과 핀(8)으로 허브(5)에 고정되고 원통 슬롯(10)이 로터축으로부터 20°를 이루며 원주방향으로 다수개 형성되어 있는 심재(芯材:Core segments)(11)와, 이 심재(11)의 원통 슬롯(11)에 각각 고정되면서 그 저부가 심재(11)의 하부로 돌출되며 시료가 들어 있는 튜브의 삽입 후 대기 덮개(Aerosol closures)(12)로 커버할 수 있도록 한 원통 라이너(13)와, 이 라이너(13)의 저부와 일치하면서 심재(11)의 저면에 눌려지도록 허브(5)에 너트(14)로 고정되는 저부 바람막이(15)와, 대기 덮개(12) 상면에 일치하는 리드(16)의 원주면에서 라이너(13)를 감쌀 수 있도록 리드(16)와 일체로 형성되는 상부 바람막이(17), 그리고 이 상부 바람막이(17)를 상기 상부 플레이트(9)에 체결시키는 볼트(18)로 이루어진 것이다.

이 종래 발명의 특징은 불필요한 두께와 중량을 줄이기 위해 비중이 낮은 재료를 여러개의 부품으로 구성하여 조립시킨 것이다. 다시 말해, 상부 바람막이와 저부 바람막이를 얇은 알루미늄판으로 하고, 지지링과 심재 및 원통 라이너를 모두 가벼운 탄소섬유(또는 경금속)로 하여 무게를 최소화하고 있는 것이다.

그러나, 상기와 같이 상부 바람막이와 저부 바람막이를 얇게 구성하면서 심재와 지지링 등을 탄소섬유로 하게 되면 고속에서 원심력 작용시 원심력 작용방향으로 오히려 늘어나거나 파손될 우려가 있다. 탄소섬유는 알미늄보다 가볍기는 하지만 동일한 두께를 조건으로 할 때 인장응력이 약하기 때문에 고속에서 파손될 우려가 있으며, 이에 따라 회전수를 10,000rpm에 훨씬 못미치는 속도로 설정할 수 밖에 없는 제한이 있다.

또, 상기와 같이 저부 바람막이를 얇은 알미늄판으로 구성하게 되면 밸런싱을 할 방법이 없게 된다. 밸런싱은 로터의 균형을 유지하는데 중요한 것으로, 바람막이의 살이 두꺼운 경우에는 통상 로터의 저부에서 안쪽 경사면에 구멍을 뚫고 그 구멍에 납을 메워 넣어 행한다. 저부의 안쪽 경사면에 밸런싱을 하는 이유는 다른 면, 예컨데 저부의 수평면이나 바깥면에 밸런싱을 하게 되면 고속 원심력의 작용에 의하여 납이 흘러 나오기 때문이다.

그리고, 종래의 발명은 상부 바람막이와 저부 바람막이의 원주방향 가장자리가 자유단을 이루고 있기 때문에 고속회전을 거듭하게 되면 원심력 작용방향으로 서서히 늘어나 파손되거나 균형을 잃게 되고 소음(바람소리)유발과 온도상승 및 모터의 과부하, 그리고 사용행태에 따라서는 인명피해도 줄 수 있는 등 안전성에 심각한 문제가 있게 된다.

본 발명의 목적은 로터의 심재와 바람막이 등을 일체화시킨 상태에서 전체적으로 로터 본체의 두께와 높이 및 무게를 줄이면서도 고속회전시에 바람막이 등이 늘어나거나 파손되지 않고 밸런싱을 적절하게 행할 수 있는 구조로 구성하는데 있는 것이다.

제1도는 로터 본체를 원통 슬롯이 있는 부분과 원통 슬롯이 없는 부분을 절단한 본 발명의 실시예의 로터 결합상태 종단면도.

제2도는 본 발명의 실시예의 로터 분리사시도.

제3도는 복합재료로 구성된 종래의 앵글 로터 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21 : 로터 본체 22 : 고정나사

23 : 원통 라이너 24 : 상부 바람막이

25 : 손잡이 26 : 원통 슬롯

27 : 바람막이 28 : 심부(芯部)

29 : 원심분리기 구동축 30 : 축구멍

35 : 밸런싱부 36 : 턱

37 : 록킹홈 38 : 록킹턱

41 : 튜브

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 위를 자른 하나의 원추체로 이루어진 로터 본체와, 이 로터 본체에 방사상으로 끼워지는 복수개의 원통 라이너, 그리고 상기 로터 본체의 상부에서 원심력 작용방향으로 잠겨지도록 씌워지는 하나의 상부 바람막이로 구성된다. 로터 본체는, 원통 슬롯이 로터축으로부터 일정 각도를 이루며 심부 주위에 방사상으로 다수개 형성되며, 상부 가장자리에 바람막이의 형성이 가능하게 상기 원통 슬롯과 원통 슬롯 사이의 높이가 낮게 형성되고, 상기 바람막이의 상단에 록킹홈이 원주방향으로 형성된 것이다 원통 라이너는, 양단이 개방되며, 상기 로터 본체의 바람막이와 심부 사이에 지지되면서 상기 각각의 원통 슬롯에 상향으로 돌출 가능하게 끼워진다. 상부 바람막이는, 상기 원통 라이너 내에 끼워지는 튜브 상면과 밀착 가능하게 상기 로터 본체 상에 체결되고, 상기 로터 본체의 록킹홈과 일치하는 록킹턱이 하단에 원주방향으로 형성된 것이다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 따라, 심부를 포함하는 로터 본체의 살은 대폭 줄어들어 중량이 감소하며, 이에 따라 형성되는 로터 본체의 바람막이는 응력분산구조를 이루어 원심력에 대한 인장강도가 증가하고, 원통 라이너는 살이 줄어든 로터 본체에 충분히 지지되면서 일정 높이를 갖는 튜브를 원심력으로부터 보호하며, 상부 바람막이의 하단은 로터 본체의 바람막이에 견고하게 잠겨져 원심력에 대한 인장응력이 감소한다.

이하 본 발명을 첨부된 실시예의 도면에 의하여 구체적으로 설명한다.

제1도는 로터 본체를 원통 슬롯이 있는 부분과 원통 슬롯이 없는 부분을 각각 절단한 본 발명의 실시예의 로터 결합상태 종단면도를 나타낸 것이고, 제2도는 그 로터의 분리사시도를 나타낸 것이다. 로터는, 로터 본체(21)와, 로터 본체(21)의 중앙에 고정되는 고정나사(22)와, 로터 본체(21)에 끼워지는 다수개의 원통 라이너(23)와, 로터 본체(21)에 씌워지는 상부 바람막이(24), 그리고 상부 바람막이(24)의 중앙에 설치되는 손잡이(25)를 포함한다.

상기 로터 본체(21)는 위가 잘려진 원추체를 이루는 것으로서, 알미늄을 가공한 것이다. 로터 본체(21)에는 중심으로부터 동일반경 내에 방사상으로 다수개의 원통 슬롯(26)이 일정 각도와 깊이를 가지고 형성되어 있다. 로터 본체(21)의 원통 슬롯(26)은 통상 6개가 형성되는데, 이 원통 슬롯(26)의 중심축은 로터축 Pt로부터 약 20°∼30°범위 내로 할 수 있다. 원심분리를 보다 효과적으로 행하기 위해서는 도시한 바와 같이 20°로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 로터 본체(21) 외면의 기울기를 상기한 원통 슬롯(26)의 각도(20°)와 일치하도록 하기 위하여 수평면으로부터 70°의 기울기를 주었을 때에는 원통 슬롯(26)의 하부에 해당하는 로터 본체(21)의 바닥면도 수평면으로부터 20°의 기울기를 주어야 로터 본체(21) 외벽의 두께가 일정해진다. 따라서, 원통 슬롯(26)과 원통 슬롯(26a) 사이에 해당하는 부위의 상면 기울기를 상기 로터 본체(21)의 바닥판 기울기와 일치되도록 하였을 때 그 바닥판으로부터 원통 슬롯(26)과 원통 슬롯(26a) 간의 상면까지의 높이 H₀는, 그 바닥판으로부터 바람막이(27) 상단까지의 높이 H₁보다 약 3/5∼4/5 낮은 높이로 하는 것이 바람직하다. 이때에 바람막이(27) 내면은 가공상 수직면을 갖게 되는데, 이러한 바람막이(27)의 내면과 외면간의 각도는 20°로 주어져 아래로 갈수록 두꺼워지기 때문에 원심력에 대응하는 인장강도가 높아진다.

로터 본체(21)의 심부(28) 중심에는 원심분리기 구동축(29)을 밑으로 끼워 고정시킬 수 있는 축구멍(30)이 형성된다. 이 축구멍(30)의 상부에는 고정나사(22)가 체결되어 고정된다. 고정나사(22)는 원심분리기 구동축(29)을 회전방향으로 고정시키기 위한 고정핀(31a,31b)이 하부에 인서트되어 있고, 중간에는 로터 본체(21)의 심부(28)에 가공된 암나사(32)에 체결될 수 있는 수나사(33)가 가공되어 있으며, 상부에는 상부 바람막이(24)의 손잡이(25)가 체결될 수 있도록 하기 위한 수나사(34)가 가공되어 있다. 그리고, 축구멍(30)의 하부에 해당하는 로터 본체(21)의 심부(28)는 테이퍼진 상태로 확장된 구멍을 형성하고 있다. 이 부분의 테이퍼면은 약 35°의 기울기를 가지고 있기 때문에 원통 슬롯(26)과 테이퍼면 간의 심부(28) 살두께가 두꺼워진다. 이에 따라 제1도에서 예시하고 있는 바와 같이 테이퍼면에 밸런싱을 할 수 있게 된다. 밸런싱한 밸런싱부(35)는 로터의 균형을 잡을 수 있는 쪽의 테이퍼면에 구멍을 뚫고 납을 메워 넣는 작업으로 달성할 수 있다.

원통 라이너(23)는 원통상의 알미늄 재질로서, 로터 본체(21)의 각 원통 슬롯(26)에 헐거운 끼워맞춤의 정도로 분리 가능하게 끼워진다. 원통 라이너(23)는 원통 슬롯(26)의 최하단까지 내려오게 할 필요가 없다. 다시 말해서, 이 원통 라이너(23)의 하단은 상기한 원통 슬롯(26)과 원통 슬롯(26a) 사이에 해당하는 부위의 상면 보다 약간 내려가도록 하면 된다. 이렇게 할 경우, 원통 라이너(23)는 원통 슬롯(26)에 하부가 끼워지고, 로터 중심을 향하는 외면과 그 반대면이 각각 로터 본체(21)의 심부(28)와 바람막이(27)에 의하여 지지되기 때문에 원심력에 대한 충분한 지지력을 발휘한다. 원통 라이너(23)의 하단이 원통 슬롯(26)의 중간에 끼워지도록 하기 위해서는, 원통 슬롯(26)의 상부 내경을 확장시키고, 이 확장된 내경이 끝나는 부위에 원통 라이너(23)의 하단이 일치되게 얹혀질 수 있는 턱(36)을 형성시킬 필요가 있다. 이때 원통 라이너(23)의 내경과 턱(36) 하부의 원통 슬롯(26) 하부 내경과는 동일한 직경을 갖는다.

또, 상기한 로터 본체(21)의 상단 가장자리에 형성되는 바람막이(27)의 록킹홈(37)은 바람막이(27)의 외면으로부터 약 30°의 경사면을 이루며 V자형 단면으로 들어가 있도록 형성되어 있다. 다시 말해, 바람막이(27)의 상단이 내측에서는 수직으로 파여져 내려오다가 수직면의 하단에서 수직면으로부터 70°의 각도로 경사면을 이루도록 형성시킨 것이다. 상부 바람막이(24)의 하단에 형성되는 록킹턱(38)은 상기한 록킹홈(37)과 서로 일치하는 단면으로 형성되어 있다. 이에 따라 상부 바람막이(24)의 하단이 로터 회전시 작용하는 원심력에 의하여 외측으로 인장 변형되려고(벌어지려고) 하지만 록킹홈(37)에 록킹턱(38)이 걸려 있기 때문에 상부 바람막이(24)의 하단은 로터 본체(21)의 바람막이(27)에 견고하게 잠겨져 원심력에 대한 인장응력이 감소한다.

상부 바람막이(24)의 중앙에 끼워지는 손잡이(25)는 중간에 스냅링(39)이 설치되기 때문에 상부 바람막이(24)에서 일정 길이로 상하유동한다. 이 손잡이(25)는 하부에 암나사(40)가 형성되어 있어서 상기 로터 본체(21)의 심부(28) 중앙에 고정되는 고정나사(22)에 체결될 수 있다.

따라서, 로터 본체(21)의 원통 슬롯(26)에 원통 라이너(23)를 각각 끼우게 되면 원통 라이너(23)의 상부가 로터 본체(21)의 상부로 약간 돌출한다. 시료가 들어 있는 튜브(41)가 각각의 원통 라이너(23)와 원통 슬롯(26)에 끼워진 상태에서 상부 바람막이(24)의 손잡이(25)를 돌려 고정나사(22)에 체결시키면 상부 바람막이(24)의 하단은 바람막이(27)의 상단과 맞물리고, 상부 바람막이(24)의 저면은 튜브(41)상면을 누르며 고정된다. 이 상태에서는 원통 라이너(23)의 양측이 로터 본체(21)의 반경방향으로 바람막이(27)와 심부(28)에 각각 지지되고, 튜브(41)가 원통 라이너(23)와 상부 바람막이(24)에 지지되기 때문에 로터 본체(21)를 고속회전시켜 원심분리를 행하더라도 튜브(41)나 원통 라이너(23)가 인장변형되지 않는다.

또, 상부 바람막이(24)도 강도가 보강된 바람막이(27)에 의하여 원심력 작용방향으로 잡혀 있기 때문에 인장변형되지 않는다. 그리고, 균형을 잡기 위하여 밸런싱을 할 경우에는 로터 본체(21) 하부의 내측 테이퍼면에 구멍을 뚫고 납을 메워 넣어 밸런싱을 행하면 밸런싱부(35)가 형성된다.

이하의 표 1에서는 500㎖들이 튜브 6본을 사용하여 원심분리할 수 있도록 할 경우의 본 발명의 로터와 미국 소발사(SORVAL INSTRUMENTS)의 제품명 GS-3의 제원을 비교한 것이다.

표 1에서 본 발명은 종래의 앵글 로터에 비하여 무게가 반으로 줄어드는데 반하여 최대 속도와 최대 상대원심력이 증가하는 것으로 나타났다.

이와 같은 본 발명은 로터 본체를 무게와 높이 및 두께가 줄어든 단품으로 구성되고, 분리가능한 원통 라이너를 사용하여 높이를 높여주기 때문에 내구성이 높아지면서 고속회전이 가능하다. 이에 따라, 고속회전시 회전모멘트가 걸리지 않아 모터의 과부하나 베어링 소손 등의 문제가 발생하지 않으며, 로터 본체의 각부와 상부 바람막이의 인장강도가 높아지기 때문에 10,000rpm의 고속회전에 따른 원심력이 작용하더라도 로터 본체와 원통 라이너 및 상부 바람막이의 각 부가 인장 변형되거나 파손되지 않아 소음과 기류의 비정규 마찰에 의한 온도상승 및 모터의 과부하 등을 유발하지 않게 되는 것이다. 그리고, 두께를 비교적 많이 줄인 상태에서도 로터 본체의 하부에 밸런싱을 효과적으로 행할 수 있다. 또한, 종래의 발명에 비하여 부품수가 대폭 줄어들고 가공이 용이하기 때문에 정도가 높아지고, 재료와 가공에 소요되는 원가와 가공시간이 절감되는 효과도 있다.

Claims (2)

1. 원통 슬롯이 로터축으로부터 일정 각도를 이루며 심부 주위에 방사상으로 다수개 형성되며, 상부 가장자리에 바람막이의 형성이 가능하게 상기 원통 슬롯과 원통 슬롯 사이의 높이가 낮게 형성되고, 상기 바람막이의 상단에 록킹홈이 원주방향으로 형성된 로터 본체와; 양단이 개방되며, 상기 로터 본체의 바람막이와 심부 사이에 지지되면서 상기 각각의 원통 슬롯에 상향으로 돌출 가능하게 끼워치는 원통 라이너; 그리고 이 원통 라이너 내에 끼워지는 튜브 상면과 밀착 가능하게 상기 로터 본체 상에 체결되고, 상기 로터 본체의 록킹홈과 일치하는 록킹턱이 하단에 원주방향으로 형성된 상부 바람막이를 구비하는 원심분리기용 앵글 로터.
2. 제1항에 있어서, 상기한 로터 본체의 록킹홈은 바람막이의 외면으로부터 30°의 경사면을 이루며 V자형 단면으로 들어가 있도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원심분리기용 앵글 로터.

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