KR20140000443A - 원심분리기 - Google Patents

Abstract

회전 동력을 발생시키는 모터, 상기 모터에 결합되어 회전 동력을 전달하는 샤프트, 상기 샤프트의 일단에 고정 결합되어 상기 회전 동력을 전달받아 회전하며, 원심분리될 물질을 수용하는 시험관이 결합 가능한 결합부가 형성된 로터, 상기 샤프트의 타단에 결합되어 상기 샤프트에 평행으로 작용하는 하중을 지지하는 스러스트 베어링(Thrust Bearing) 및 상기 샤프트의 측부에 상기 샤프트를 둘러 싸도록 형성되어, 상기 샤프트에 수직으로 작용하는 하중을 지지하는 레이디얼 베어링(Radial Bearing)을 포함하고, 상기 스러스트 베어링 및 상기 레이디얼 베어링은 자기베어링인 것을 특징으로 하는 원심분리기가 개시된다.

Description

원심분리기{CENTRIFUGAL SEPARATOR}

본 발명은 원심분리기에 관한 것이다.

원심분리기는 원심력을 이용하여 성분이나 비중이 다른 물질을 분리, 정제, 농축하는 장치이며, 의료용으로서 혈액, 뇨, 타액 등의 분석에 이용되고, 폐수처리용, 우라늄 농축용 및 실험용 등으로 이용되고 있다.

저속 원심분리기는 6,000rpm 이하의 속도로 운영되고, 속도와 온도의 정밀한 조절이 어렵다. 저속 원심분리기는 세포나 핵 등과 같이 쉽게 침전되는 시료의 원심분리에 이용된다.

고속 원심분리기는 20,000-25,000rpm 의 속도로 운영되고, 냉각장치 및 진공장치를 구비하며, 주로 세포내 소기관 분리에 이용된다.

초원심분리기는 최고속도 40,000rpm 이상의 속도로 운영되고, RNA, DNA, 미토콘드리아, 리소좀 등의 분리에 효과적이다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0027615 (2009.03.17 공개, 원심분리기)에 개시되어 있다.

본 발명은 샤프트가 베어링에 접촉하지 않고 회전하므로, 샤프트 또는 베어링의 마찰 또는 마모가 없고, 윤활제가 필요하지 않으며, 유지 또는 보수 문제가 거의 없는 원심분리기를 제공하는 것이다.

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본 발명의 일 측면에 따르면, 회전 동력을 발생시키는 모터, 상기 모터에 결합되어 회전 동력을 전달하는 샤프트, 상기 샤프트의 일단에 고정 결합되어 상기 회전 동력을 전달받아 회전하며, 원심분리될 물질을 수용하는 시험관이 결합 가능한 결합부가 형성된 로터, 상기 샤프트의 타단에 결합되어 상기 샤프트에 평행으로 작용하는 하중을 지지하는 스러스트 베어링(Thrust Bearing), 및 상기 샤프트의 측부에 상기 샤프트를 둘러 싸도록 형성되어, 상기 샤프트에 수직으로 작용하는 하중을 지지하는 레이디얼 베어링(Radial Bearing)을 포함하고, 상기 스러스트 베어링 및 상기 레이디얼 베어링은 자기베어링인 것을 특징으로 하는 원심분리기가 제공된다.

레이디얼 베어링은 제1 도체부, 제1 도체부에 형성되는 영구자석, 및 제1 도체부에 설치되는 코일을 포함할 수 있다.

영구자석 및 코일은 자기장에 의해 샤프트에 가해지는 힘이 샤프트에 수직한 방향으로 작용할 수 있도록 배치될 수 있다.

제1 도체부는 'ㄷ'자 형상으로 형성되고, 코일은 상기 제1 도체부 'ㄷ'자 형상의 중앙에 설치될 수 있다.

스러스트 베어링은 제2 도체부, 제2 도체부에 형성되는 영구자석 및 상기 제2 도체부에 설치되는 코일을 포함할 수 있다.

제2 도체부는 회전축의 측면에 위치하도록 고리형으로 형성되고, 영구자석은 상기 제2 도체부의 내측에 고리형으로 형성되며, 코일은 상기 제2 도체부 및 상기 영구자석 사이에 설치될 수 있다.

로터 및 공기 사이의 마찰에 의한 손실을 방지하기 위하여 로터을 둘러싸는 진공챔버를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 샤프트가 베어링가 비접촉 회전하므로, 샤프트의 회전을 위한 윤활제가 필요하지 않고, 샤프트 또는 베어링의 마찰 또는 마모가 없어 유지 또는 보수 문제가 거의 발생하지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심분리기를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이디얼 베어링을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이디얼 베어링을 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스러스트 베어링을 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고리형 영구자석을 나타낸 사시도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 원심분리기 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.

또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심분리기는 모터(100), 샤프트(200), 로터(300), 스러스트 베어링(500) 및 레이디얼 베어링(400)을 포함할 수 있고, 스러스트 베어링(500) 및 레이디얼 베어링(400)은 자기베어링으로 형성될 수 있다.

원심분리기는 원심력을 이용하여 성분이나 비중이 다른 물질을 분리, 정제, 농축하는 장치로서, 모터(100)는 상기 원심력을 발생시기키 위하여 회전 동력을 제공하게 된다.

샤프트(200)는 상기 모터(100)로부터의 회전 동력을 전달받아, 로터(300)에 전달하는 역할을 한다.

로터(300)는 샤프트(200)의 일단에 고정 결합되어 샤프트(200)가 회전시 함께 회전하게 되고, 로터(300)에는 원심분리될 물질을 수용하는 시험관(310)이 결합되어 있어, 로터(300)가 회전시 시험관(310) 또한 회전하게 되는 것이다.

즉, 모터(100)로부터의 회전 동력은 샤프트(200)에 전달되고, 샤프트(200)에 전달된 회전 동력은 샤프트(200)에 고정 결합된 로터(300)에 전달되며, 로터(300)에 전달된 회전 동력은 결국 시험관(310)에 전달되어 시험관(310)을 회전시키게 된다.

시험관(310)이 회전함에 따라, 시험관(310)내 수용된 원심분리될 물질은 원심력을 받게 되고, 원심력을 받은 물질은 그 성분이나 비중에 따라 분리되게 된다.

본 발명에 따른 원심분리기는, 샤프트(200)가 모터(100)로부터 원심력을 받아 회전하게 되는 경우, 샤프트(200)의 측부에서 샤프트(200)를 둘러 싸도록 형성되어, 샤프트(200)의 길이 방향에 수직으로 작용하는 하중을 지지하는 레이디얼 베어링(400)을 포함할 수 있다.

레이디얼 베어링(400)은 제1 도체부(410), 영구자석(420), 코일(430)을 포함할 수 있다.

제1 도체부(410)는 'ㄷ'자 형상으로 형성되어 자기장의 경로의 형성에 관여하게 된다. 제1 도체부(410)의 일부에는 영구자석(420)이 결합되어 'ㄷ'자 형상의 제1 도체부(410)를 따라 자기장을 형성하게 된다.

코일(430)은 제1 도체부(410)의 'ㄷ'자 형상의 중앙에 설치되어 상기 영구자석(420)과 함께 자기장을 형성하는 역할을 하게 된다.

코일(430)에 전류가 흐르면 자속(magnetic flux)가 발생하게 되고, 자속을 따라 자기장이 형성되게 된다.

영구자석(420) 및 코일(430)에 의해 발생된 자기장에 의하여 샤프트(200)에 가해지는 힘이 샤프트(200)에 수직한 방향으로 작용하도록, 영구자석(420) 및 코일(430)이 배치된다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 레이디얼 베어링(400)은 샤프트(200)의 4 방향을 둘러싸도록 배치될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 레이디얼 베어링(400)은 모터(100)를 중심으로 샤프트(200)의 상하부에 배치되어 샤프트(200)의 회전시 샤프트(200)의 균형을 더욱 안정적으로 잡을 수 있다.

상술한 바와 같이, 영구자석(420)과 코일(430)을 이용한 전자석을 함게 사용하는 하이브리드(Hybrid)형을 적용함으로써 에너지 사용을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 원심분리기에 있어서, 샤프트(200)가 고속 회전 할수록 심하게 발생되는 와전류(eddy current)에 의한 발열이 회소화되고, 일반적인 베어링의 경우 와전류의 발생을 방지하기 위하여 샤프트(200)에 래미네이션(lamination)을 적층하였으나, 본 발명의 전자석과 영구자석(420)을 함께 사용한 복합 단극형(hybrid homopolar)의 레이디얼 베어링(400)은 래미네이션을 적층할 필요가 없어 샤프트(200) 제작도 용이해질 수 있다.

도 4 및 도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 스러스트 베어링(500)이 개시되어 있다.

스러스트 베어링(500)은 로터(300)가 결합된 샤프트(200)의 일단과는 다른 샤프트(200)의 타단에 결합되어, 샤프트(200)의 길이 방향에 평행으로 작용하는 하중을 지지하게 된다.

스러스트 베어링(500)은 제2 도체부(510), 영구자석(520) 및 코일(530)을 포함할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 제2 도체부(510)는 샤프트(200)의 외곽으로 샤프트(200)를 둘러 싸도록 배치되어 자기장의 경로 형성에 관여하게 된다.

제2 도체부(510)는 영구자석(520)에 의하여 형성되는 자기장, 및 코일(530)로 인한 전자석에 의하여 형성되는 자기장의 경로 형성에 관여한다.

영구자석(520)은 고리형으로 샤프트(200)의 외곽으로 샤프트(200)를 둘러 싸고, 제2 도체부(510)의 안쪽으로 배치된다.

즉 영구자석(520)은 제2 도체부(510) 및 샤프트(200)의 사이에서 제2 도체부(510)와 결합되어 배치되게 된다.

도 5는 고리형의 영구자석(520)을 나타낸 사시도로서, 이러한 영구자석(520)에 의하여 샤프트(200)의 편향에 관여하는 전류를 코일(530)에 공급하지 않은 상태에서도 영구자석(520)에 의해 발생된 자기장에 의하여 샤프트(200)를 부상시킬 수 있다.

코일(530)은 제2 도체부(510) 및 영구자석(520)의 사이에 배치되어 샤프트(200)를 감싸는 고리형으로 형성될 수 있다.

상기 영구자석(520) 및 코일(530)은 도 4 및 5에서 고리형으로 예시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니고, 회전축을 기준으로 서로 마주보게 쌍으로 형성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 코일(530)에 전류가 흐르면, 자기장을 형성하게 되고, 자기장이 형성됨으로써, 샤프트(200)의 부상정도를 결정할 수 있게 된다.

따라서, 코일(530)에 흐르는 전류의 양을 조절하여 고속으로 회전하는 샤프트(200)의 부상 위치를 조절할 수 있게 된다.

도 4에 따르면 스러스트 베어링(500)은 고리형의 영구자석(520) 위에 연결부(540)를 더 포함할 수 있다.

연결부(540)는 도체로 형성되어 영구자석(520)과 접촉 연결되고, 영구자석(520)에 의하여 발생하는 자기장의 경로가 연결부(540)를 통하여 샤프트(200)로 형성될 수 있다.

코일(530)에 흐르는 전류의 방향을 변화시킴으로써 코일(530)로 인하여 발생되는 자기장의 경로가 달라질 수 있고, 도 4에서 볼 수 있듯이, 코일(530)에 흐르는 전류로 인하여 발생된 자기장이 샤프트(200)를 윗방향으로 상승시키도록 설정될 수도 있고, 이와는 반대로 샤프트(200)를 아래방향으로 하강 시키도록 설정될 수 도 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 샤프트(200)와 스러스트 베어링(500) 사이에는 회전판(550)이 더 구비될 수 있다.

회전판(550)은 샤프트(200)와 연결되고, 영구자석(520)에 의하여 형성된 자기장은 연결부(540)를 통과하여 회전판(550)으로 전달되어 경로가 형성될 수 있다. 회전판(550)은 도체로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 원심분리기는 로터(300)가 고속으로 회전시 로터(300) 및 공기 사이의 마찰에 의한 손실(풍손)을 방지하기 위하여 로터(300)를 둘러 싸는 진공챔버를 더 포함할 수도 있다.

이러한 진공챔버는 로터(300) 뿐만 아니라 모터(100) 및 베어링부 전체를 둘러싸도록 형성되어 원심분리기 외측으로 진공 상태를 용이하게 유지할 수도 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100: 모터
200: 샤프트
300: 로터
310: 시험관
400: 레이디얼 베어링
410: 제1 도체부
420: 영구자석
430: 코일
500: 스러스트 베어링
510: 제2 도체부
520: 영구자석
530: 코일
540: 연결부
550: 회전판

Claims (7)

1. 회전 동력을 발생시키는 모터;
   상기 모터에 결합되어 회전 동력을 전달하는 샤프트;
   상기 샤프트의 일단에 고정 결합되어 상기 회전 동력을 전달받아 회전하며, 원심분리될 물질을 수용하는 시험관이 결합 가능한 결합부가 형성된 로터;
   상기 샤프트의 타단에 결합되어 상기 샤프트에 평행으로 작용하는 하중을 지지하는 스러스트 베어링(Thrust Bearing); 및
   상기 샤프트의 측부에 상기 샤프트를 둘러 싸도록 형성되어, 상기 샤프트에 수직으로 작용하는 하중을 지지하는 레이디얼 베어링(Radial Bearing)을 포함하고,
   상기 스러스트 베어링 및 상기 레이디얼 베어링은 자기베어링인 것을 특징으로 하는 원심분리기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 레이디얼 베어링은
   제1 도체부;
   상기 제1 도체부에 형성되는 영구자석; 및
   상기 제1 도체부에 설치되는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심분리기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 영구자석 및 상기 코일은 자기장에 의해 상기 샤프트에 가해지는 힘이 상기 샤프트에 수직한 방향으로 작용할 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 하는 원심분리기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 도체부는 'ㄷ'자 형상으로 형성되고,
   상기 코일은 상기 제1 도체부 'ㄷ'자 형상의 중앙에 설치되는 것을 특징으로 하는 원심분리기.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 스러스트 베어링은
   제2 도체부;
   상기 제2 도체부에 형성되는 영구자석; 및
   상기 제2 도체부에 설치되는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심분리기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2 도체부는 회전축의 측면에 위치하도록 고리형으로 형성되고,
   상기 영구자석은 상기 제2 도체부의 내측에 고리형으로 형성되며,
   상기 코일은 상기 제2 도체부 및 상기 영구자석 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 원심분리기.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 로터 및 공기 사이의 마찰에 의한 손실을 방지하기 위하여 로터을 둘러싸는 진공챔버를 더 포함하는 하는 원심분리기.

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