KR19980083729A - 원심분리기용 스윙 로터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 의학·화학분야 및 실험실과 연구실 등에서 시료를 고속으로 분리시키기 위한 원심분리기용 스윙 로터에 관한 것이다. 앵글 로터의 장점을 도입하여 정밀한 회전체로의 가공성 제고와, 인장변형과 파손의 방지, 그리고 밸런싱이 용이하도록 하고,, 버킷의 조립 및 탈거용이성과 이 버킷의 힌지부분에 대한 내구성을 강화시킨 것이다. 로터 본체(21)는, 외측면과 저면이 후육의 바람막이(26)를 이루고, 바람막이(26)의 상단에 원주방향으로 록킹홈(36)이 형성되며, 복수의 버킷 설치공간(Sp)이 방사상으로 형성되는 버킷걸이부(27)가 중앙에 일체로 세워지고, 각 버킷설치공간(Sp) 양측의 버킷걸이부(27) 상면에 힌지받이홈(28a,28b)이 대향되게 형성된 것이다. 버킷(23)은, 스테인리스 재질이고, 상부에 후육의 플랜지(38)가 형성되며, 힌지받이홈(28a,28b)에 힌지결합되는 힌지암(39a,39b)이 플랜지(38)의 양측에 형성된 것이다. 상부 바람막이(24)는, 로터 본체(21) 상에 체결되고, 록킹홈(36)과 일치하는 록킹턱(40)이 하단에 원주방향으로 형성된 것이다.

Description

원심분리기용 스윙 로터

본 발명은 의학·화학분야 및 실험결과 연구실 등에서 시료를 고속으로 분리시키기 위한 원심분리기용 스윙 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 대부분 하나의 알미늄 덩어리를 가공한 회전체로 이루어지며, 시료를 일정한 각도로 고정시킨 상태에서 시료에 원심력이 작용하도록 한 것으로, 시료가 채원진 튜브를 끼울 수 있는 원통 슬롯의 축선이 로터축으로 부터 약 20°~30°정도의 기울기를 갖도록 한 것이고, 스윙 로터는 복수의 부품으로 이루어지며, 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 로터보타 회전속도가 다소 떨어진다. 본 발명은 상기에서 언급되는 스윙 로터에 관련한 것이다.

종래의 일반적인 스윙 로터는 바람막이가 얇은 알미늄판으로 구성되어 있고, 또 여러 부품의 조립체로 되어 있다. 도 5 내지 도 7은 종래의 스윙 로터를 나타내고 있다.

이 스윙 로터는 미국 소발사(SORVAL INSTRUMENTS)의 제품명 ST-H50으로서, 얇은 알미늄판을 가공하는 하부 바람막이(Windshield)(1)의 내부에 알미늄 재질의 버킷행잉매스(Bucket hanging mass)(2)를 설치하고, 이 버킷행잉매스(2)에 4개의 알미늄 버킷(3)을 원심력 작용방향으로 회전할 수 있도록 결합시킨 것이다. 보다 상세하게는, 상부가 개방되면서 오므라지고 저면의 중앙에 원심분리기 구동축(4)이 끼워지며 전체적으로 구면을 이루는 구대(球帶) 형상의 하부 바람막이(1)와, 이 하부 바람막이(1)의 내부에서 고정쇠(5)와 함께 고정되고 방사상으로 4개의 버킷설치공간(S)이 형성되는 버킷행잉매스(2)와, 이 버킷행잉매스(2)의 각 버킷설치공간(S)에 설치되고 양측에 힌지받이(6)가 형성되는 4개의 버킷(3)과, 상기 버킷설치공간(S) 내의 양측 중앙으로 돌출하여 상기 버킷(3)의 양측 힌지받이(6)와 결합되도록 상기 버킷행잉매스(2)의 외면에서 각각 인서트시킨 힌지핀(7), 그리고 상기 버킷행잉매스(2)의 중앙에 체결되는 손잡이(8)를 가지고 상기 하부 바람막이(1) 상에 씌워지는 상부 바람막이(9)를 구비한 것이다.

이 스윙 로터는 원심분리기 구동축(4)을 모터로 구동시키면 고속회전에 의하여 원심력이 작용하고, 이에 따라 각 버킷(3)이 버킷행잉매스(2)의 버킷설치공간(S) 내에서 힌지핀(7)을 중심으로 90°회전하여 각 버킷(3) 내에 끼워진 튜브(미도시) 내의 시료가 원심분리된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 스윙 로터는 하부 바람막이를 얇게 구성하고 있기 때문에 고속회전시 원심력 작용방향으로 늘어나거나 파손될 위험이 있다. 그래서. 고속회전을 거듭하게 되면 원심력 작용방향으로 서서히 늘어나 파손되거나 균형을 일게 되고 소음(바람소리)유발과 온도상승 및 모터의 과부하, 그리고 사용행태에 따라서는 인명피해도 줄 수 있는 등 안전성에 심각한 문제가 있게 된다.

또, 고속회전시의 원심력 P에 의하여 집중응력이 작용하는 부분은 도 7에서 보는 바와 같이 힌지핀(7)과 힌지받이(6)의 A,B부분인데, 이 A,B부분의 강도가 약해 힌지핀(7)과 힌지받이(6)의 접촉부 조직이 붕괴되면서 변형되어 버킷(3)이 탈출되는 사고가 발생할 위험이 매우 크다. 그래서 이러한 문제를 예방하기 위하여 힌지핀의 직경을 크게 하고 버킷의 두께를 두껍게 하는 경향도 있는데, 이러한 경우 오히려 무게가 증가되어 모터의 과부하만 초래하는 결과를 가져 오게 된다. 따라서, 이 스윙 로터는 최대 속도를 11,000rpm밖에 설정할 수 없는 제한이 있다.

또, 상기와 같이 하부 바람막이를 얇은 알미늄판으로 구성하게 되면 밸런싱을 할 방법이 없게 된다. 밸런싱은 로터의 균형을 유지하는데 중요한 것으로, 바람막이의 살이 두꺼운 앵글 로터의 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.

한편, 상기 종래의 스윙 로터는 힌지핀이 버킷행잉매스의 외측에서 버킷설치 공간의 중앙쪽으로 돌출되도록 억지끼워맞춤으로 인서트시키면서 버킷의 힌지받이에 일치시켜야 하므로 그 조립이 어렵고, 버킷이 변형되어 교환을 하거나 소제를 하고자할 경우에 버킷의 분리가 매우 어려운 단점이 있다.

본 발명의 목적은 하나의 덩어리로 이루어지는 앵글 로터의 장점을 도입하여 정밀한 회전체로의 가공성 제고와, 인장변형과 파손의 방지, 그리고 밸런싱이 용이하도록 하고, 버킷의 조립 및 탈거용이성과 이 버킷의 힌지부분에 대한 내구성을 강화시킨 구조로 구성하는데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예의 결합상태 종단면도.

도 2는 그 분해 사시도.

도 3은 도 1의 A-A선 단면도.

도 4는 본 발명의 버킷암이 원심력에 따라 최대로 변형되는 상태를 예시한 모식도.

도 5은 상부 바람막이를 제고시킨 종래의 스윙 로터 사시도.

도 6은 도 5의 B-B선에 해당하는 단면에 상부 바람막이가 씌워진 상태를 나타낸 종래의 스윙 로터 종단면도.

도 7은 종래의 버킷과 힌지핀의 변형 부위를 나타낸 부분 확대 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

21 : 로터 본체,22 : 고정나사

23 : 버킷24 : 상부 바람막이

25 : 손잡이26 : 바람막이

27 : 버킷걸이부28a,28b : 버킷받이홈

29 : 원심분리기 구동축30 : 축구멍

35 : 밸런싱부36 : 록킹홈

37 : 튜브38 : 플랜지

39a,39b : 힌지암40 : 록킹턱

Sp : 버킷설치공간

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 위가 개방된 하나의 원통체로 이루어진 로터 본체와, 이 로터 본체에 방사상으로 힌지결합되는 복수개의 버킷, 그리고 상기 로터 본체의 상부에서 원심력 작용방향으로 잠겨지도록 씌워지는 하나의 상부 바람막이로 구성된다. 로터 본체는, 외측면과 저면이 후육의 바람막이를 이루고, 이 바람막이 상단에 원주방향으로 록킹홈이 형성되며, 복수의 버킷설치공간의 방사상으로 형성되는 버킷걸이부가 중앙에 일체로 세워지고, 각 버킷설치공간 양측의 버킷걸이부 상면에 힌지받이홈이 대향되게 형성된 것이다. 버킷은, 스테인리스 재질이고 상부에 후육의 플랜지가 형성되며, 상기 로터 본체의 힌지받이홈에 힌지결합되는 힌지암이 상기 플랜지의 양측에 형성된 것이다. 상부 바람막이는, 상기 로터 본체 상에 체결되고, 상기 로터 본체의 록킹홈과 일치하는 록킹턱이 하단에 원주방향으로 형성된 것이다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 따라, 로터 본체의 바람막이쪽 살은 후육으로 이루어져 원심력에 대한 인장강도가 높아지고, 버킷걸이부와 바람막이를 일체로 형성하므로서 조립오차 등의 발생이 근원적으로 배제되며, 버킷은 사용할 때 버킷걸이홈 위에 걸기만 하면 되고, 분리할 때에도 특별한 도구없이 쉽게 분리되며, 버킷의 힌지암에 원심력에 의한 휨모멘트가 작용하더라도 힌지받이홈으로 부터 탈출하지 않고, 상부 바람막이의 하단은 로터 본체의 바람막이에 견고하게 잠겨져 원심력에 대한 인장응력이 감소한다.

이하 본 발명을 첨부된 실시예의 도면에 의하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본발명의 실시예의 결합상태를 종단면도를 나타낸 것이고, 도 2는 그 분해사시도를 나타낸 것이며, 도 3은 도 1의 A-A선 단면도를 나타낸 것이다. 로터는, 로터 본체(21)와, 로터 본체(21)의 중앙에 고정되는 고정나사(22)와, 로터 본체(21)에 현수되는 다수개의 버킷(23)과, 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 개방된 하나의 원통체를 이루는 것으로서, 알미늄을 가공한 것이다. 로터 본체(21)에는 비교적 두꺼운 살(7㎜)을 갖는 바람막이(26)가 외측면과 저면에 이어져 형성되어 있다. 이 로터 본체(21)의 내부 중앙에는 버킷걸이부(27)가 바람막이(26)로 부터 일정 간격, 즉 버킷(23)의 하부가 밑에서 위로 90°회전할 수 있는 공간을 형성한 상태에서 원기둥 형태로 일체를 이루며 세워져 있다. 이 로터 본체(21)의 버킷걸이부(27)에는 사방에 버킷(23)을 원심력 작용방향으로 회전가능하게 설치할 수 있는 4개의 버킷설치공간(Sp)이 위에서 밑으로 절개된 형태로 형성되어 있다. 이 버킷설치공간(Sp)은 로터 용량에 따라 4개 이상의 형성도 가능한 것이다. 그리고, 각 버킷설치공간(Sp) 양측의 버킷걸이부(27) 상면에는 버킷설치공간(Sp)의 절개방향에 대하여 직교하는 방향으로 힌지받이홈(28a,28b)이 U자형 단면을 이루며 서로 대향되게 형성되어 있다.

로터 본체(21)의 버킷걸이부(27) 중앙에는 원심분리기 구동축(29)을 밑으로 끼워고정시킬 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 버킷걸이부(27)의 축구멍(30) 상부에 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 하부에는 확장되어 있다. 이에 따라 도 1에서 예시하고 있는 바와 같이 축구멍(30)의 확장면에 밸런싱을 할 수 있게 된다. 밸런싱한 밸런싱부(35)는 로터의 균형을 잡을 수 있는 쪽의 한 면에 구멍을 뚫고 납을 메워 넣는 작업으로 달성할 수 있다.

또, 상기한 로터 본체(21)의 상단 가장자리에 형성되는 바람막이(26)의 록킹홈(36)은 바람막이(26)의 외면으로 부터 약 30°의 경사면을 이루며 V자형 단면으로 들어가 있도록 형성되어 있다. 다시 말해, 바람막이(26)의 상단이 내측에서는 수직으로 파여져 내려오다가 수직면의 하단에서 수직면으로 부터 70°의 각도로 경사면을 이루도록 형성시킨 것이다.

버킷(23)은 강도를 높이기 위하여 재질을 스테인리스 스틸, 예컨데, 마룬텐사이드계의 스테인리스 스틸(SUS 420x)로 하고 있고, 이 밖에도 가공이 용이한 다른 계의 스테인리스 스틸로 할 수 있다. 이 버킷(23)는 내부에 튜브(37)를 끼울 수 있는 U자형 단면 구조를 취하고 있는 것으로서, 상부에 사각의 플랜지(38)가 형성되고, 이 플랜지(38)의 양측에는 상기한 버킷걸이부(27)의 힌지받이홈(28a,28b)에 걸 수 있는 힌지암(39a,39b)이 돌출되어 있다. 플랜지(38)의 폭은 버킷설치공간(Sp)의 폭보다 작게 형성되며, 도 4와 같이 원심력 P의 작용시에 상부에 걸리는 휨모멘트 M에 변형되지 않도록 하기 위하여 보강시킨 것이다.

상부 바람막이(24)의 하단에 형성되는 록킹턱(40)은 상기한 록킹홈(36)과 서로 일치하는 단면으로 형성되어 있다. 이에 따라 상부 바람막이(24)의 하단이 로터 회전시 작용하는 원심력에 의하여 외측으로 인장변형되려고(벌어지려고) 하지만 록킹홈(36)에 록킹턱(40)이 걸려있기 때문에 상부 바람막이(24)의 하단은 로터 본체(21)의 바람막이(26)에 견고하게 잠겨져 원심력에 대한 인장응력이 감소한다.

손잡이(25)는 상부 바람막이(24)의 중앙에 끼워져 스냅링(41)으로 상하유동 가능하게 고정되며, 하부에 암나사(42)가 형성되어 있어서 상기 로터 본체(21)의 버킷걸이부(27) 중앙에 고정되는 고정나사(22)에 체결될 수 있다.

따라서, 각각의 버킷(23)을 버킷걸이부(27)의 각 버킷설치공간(Sp)내에 현수시킨 상태에서 시료가 들어 있는 튜브(37)를 각각의 버킷(23)에 끼우고 상부 바람막이(24)의 손잡이(25)를 돌려 고정나사(22)에 체결시키면 상부 바람막이(24)의 하단은 바람막이(26)의 상단과 맞물린다. 이 상태에서 원심분리기 구동축(29)을 모터로 구동시켜서 로터 본체(21)를 고속회전시키면 각각의 버킷(23)이 도 1의 실선 표시부분과 도 3의 상측 버킷(23a)과 같은 상태에서 도 1의 우측 가상선 표시부분과 도 3의 우측 버킷(23b)과 같이 원심력 작용방향으로 90° 회전하고, 이에 따라 튜브(37) 내의 시료가 원심분리된다. 원심분리를 지속적으로 행함에 의하여 도 4와 같이 원심력 P에 따른 휨모멘트 M이 작용하더라도 플랜지(38)의 형성에 의하여 버킷(23)의 찌그러짐은 발생하지 않고, 만일 힌지암(39a,39b)이 변형값 ε를 갖게 되더라도 힌지받이홈(28a,28b)과의 갭(gap)이 작게 주어지기 때무에 버킷(23)의 버킷설치공간(Sp)에서 탈출하거나 찌그러지는 일은 발생하지 않는다.

바람막이(26)의 경우에도 후육을 이루며 강도가 보강되어 있기 때문에 원심력에 대한 인장변형을 발생하지 않는다. 또, 상부 바람막이(24)도 강도가 보강된 바람막이(26)에 의하여 원심력 작용방향으로 잡혀 있기 때문에 인장변형되지 않는다. 그리고, 균형을 잡기 위하여 밸런싱을 한 경우에는 로터 본체(21) 하부의 내면에 구멍을 뚫고 납을 메워 넣어 밸런싱을 행하면 밸런싱부(35)가 형성된다.

이하의 표 1에서는 50㎖들이 튜브 4본을 사용하여 원심분리할 수 있도록 할 경우의 본 발명의 로터와 미국 소발사(SORVAL INSTRUMENTS)의 제품명 ST-H50의 제원을 비교한 것이다.

[표 1]

표 1에서 본 발명은 종래의 앵글 로터에 비하여 무게는 약간밖에 증가하지 않았지만 최대반경은 줄어들고, 최대 속도와 최대 상대원심력이 크게 증가하는 것으로 나타났다.

이와 같은 본 발명은 로터 본체를 고속회전이 가능한 단품으로 구성하고, 조립 및 탈거가 용이한 강도 보강구조의 버킷을 사용하기 때문에 내구성이 높아지면서 고속회전이 가능하다. 이에 따라, 로터 본체의 각 부와 버킷 및 상부 바람막이의 인장강도가 높아지기 때문에 14,000rpm의 고속회전에 따른 원심력이 작용하더라도 로터 본체와 버킷 및 상부 바람막이의 각 부가 인장변형되거나 파손되지 않고, 나아가 변형에 따른 제반 문제, 예컨데 소음과 기류의 비정규 마찰에 의한 온도상승 및 모터의 과부하 등을 유발하지 않게 되는 것이다. 그리고, 로터 본체의 하부를 후육으로 하므로서 밸런싱을 효과적으로 행할 수 있다. 또한, 종래의 발명에 비하여 부품수가 대폭 줄어들고 가공이 용이하기 때문에 정도가 높아지고, 재료와 가공에 소요되는 원가와 가공시간이 절감되며, 버킷의 교환과 소제가 용이해지는 등의 효과도 있다.

Claims (2)

1. 외측면과 저면이 후육의 바람막이를 이루고, 이 바람막이 상단에 원주방향으로 록킹홈이 형성되며, 복수의 버킷설치공간의 방사상으로 형성되는 버킷걸이부가 중앙에 일체로 세워지고, 각 버킷설치공간 양측의 버킷걸이부 상면에 힌지받이홈이 대향되게 형성된 로터 본체와; 스테인리스 재질이고, 상부에 후육의 플랜지가 형성되며, 상기 로터 본체의 힌지받이홈에 힌지결합되는 힌지암이 상기 플랜지의 양측에 형성된 복수개의 버킷; 그리고 상기 로터 본체 상에 체결되고, 상기 로터 본체의 록킹홈과 일치하는 록킹턱이 하단에 원주방향으로 형성된 상부 바람막이를 구비하는 원심분리기용 스윙 로터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기한 로터 본체의 록킹홈은 바람막이의 외면으로 부터 30°의 경사면을 이루며 V자형 단면으로 들어가 있도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원심분리기용 스윙 로터.