DE19516904A1 - Laborzentrifuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laborzentrifuge mit einem Trägerkörper, an dem ein mit einer Motor­ welle versehener Motor befestigt ist, mit einem einen Rotorschaft aufweisenden Rotor, und mit einer flexiblen Kupplung zwischen der Motorwelle und dem Rotor.

Die Qualität der Lagerung der Antriebs- und Rotoreinheit von herkömmlichen Zentrifugen spielt eine wesentliche Rolle für ein vibrationsarmes Laufverhalten. Für einen ruhigen Lauf ist es wichtig, den Rotor und den Antrieb möglichst weich aufzuhängen. Bei üblichen Laborzentrifu­ gen sind Zentrifugenrotor und Motor fest miteinander verbunden. Die im praktischen Betrieb auftretenden Unwuchten können bei hohen Drehzahlen sehr hohe Kräfte erzeugen, die von der Motorlagerung aufgenommen werden müssen. Zudem erzeugen die aufgenommenen Kräfte Vibrationen des Motors. Bei hohen Drehzahlen kann das zu deutlicher und unangenehmer Ge­ räuschentwicklung führen, zudem wird der Motor und die Lagerung durch die hochfrequente Vi­ bration mechanisch stark beansprucht. Um bei sehr schnell drehenden Zentrifugen (Ultrazentri­ fugen) die Kräfte und die daraus resultierenden Vibrationen in einem erträglichen Rahmen zu halten, werden dort die Rotore auf sogenannten "Nadeln", das sind sehr lange, dünne und bieg­ same Motorwellen gelagert. Diese haben die Funktion, dem Rotor den notwendigen radialen Versatz zu ermöglichen, um möglichst reaktionskräftefrei zu rotieren. Die auf den Motor wir­ kenden Kräfte reduzieren sich auf die geringeren Kräfte, die durch die entsprechende Verbie­ gung der Nadel entstehen. Ein besseres Laufverhalten ist die Folge.

Eine derartige Zentrifuge ist beispielsweise aus der FR-A1 2 160 920 bekannt. Die flexible Kupplung zwischen der Motorwelle und dem Rotor wird durch eine biegsame, "nadelförmige" Antriebswelle gewährleistet. Hierzu ist der Mittelteil der Antriebswelle besonders dünn ausgebil­ det, wogegen die beiden Enden dicker sind. Mit dem motorseitigen Ende sitzt die Antriebswelle auf der Motorwelle auf. Auf dieser wird die Antriebswelle mittels einer metallischen Hülse reibschlüssig gehalten. Das dünne, flexible Mittelteil der Antriebswelle ist von einer elastischen Dehnungsmuffe und diese ebenfalls von der metallischen Hülse umgeben.

Mit ihrem rotorseitigen Ende ragt die Antriebswelle in ein den Rotorschaft bildendes Kupplungs­ teil, das in eine zentrale Bohrung auf der Unterseite des Rotors eingreift.

Die nadelförmige Kupplung zwischen Motor und Rotor bei der bekannten Laborzentrifuge ge­ währleistet einen vibrationsarmen Betrieb. Die nadelförmige Antriebswelle erlaubt eine gewisse laterale Bewegung des Rotors in bezug auf die Motorwelle. Die seitliche Bewegungsfreiheit wird bestimmt durch die Biegsamkeit der Antriebswelle und der Dehnungsmuffe. Sie wird begrenzt durch die äußere metallische Hülse.

Nachteilig bei der bekannten Laborzentrifuge ist die große Bauhöhe. Der mittlere, dünne Teil der Antriebswelle erfordert eine gewisse Mindestlänge, um die gewünschte Elastizität der Kupplung zu gewährleisten. Die bekannte flexible Motor-Rotor-Verbindung ist daher filigran und dementsprechend empfindlich und relativ teuer in ihrer Herstellung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laborzentrifuge anzugeben, die bei guter Vibrationsdämpfung eine geringe Bauhöhe und eine mechanisch einfache und ro­ buste Motor-Rotor-Verbindung aufweist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der eingangs genannten Laborzentrifuge erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotorschaft in einer Lagereinheit rotierbar geführt ist, die mit einem La­ gerträger verbunden und über diesen radial flexibel am Trägerkörper gehalten ist.

Durch die flexible Kupplung kann sich der Rotor unabhängig von der Motorwelle mit einem der aktuellen Unwucht entsprechenden Achsversatz drehen. Unter Achsversatz wird dabei der Ab­ stand der Rotationsachse des Rotors zu der Rotationsachse der Motorwelle verstanden.

Dadurch, daß der Rotor in einer eigenen Lagereinheit rotierbar geführt ist, kann die Motorwelle von der Führung des Rotors entlastet werden. Die Lagereinheit kann zu diesem Zweck so aus­ gebildet sein, daß sie das Gewicht des Rotors vollständig aufnimmt. Die Kupplung dient dabei in erster Linie nur noch zur Übertragung der Drehbewegung der Motorwelle auf den Rotor. Es ist daher nicht erforderlich als flexible Kupplung den aus dem Stand der Technik bekannten "Nadelantrieb" einzusetzen. Als flexible Kupplung kann vielmehr jedes flexible Bauteil einge­ setzt werden, das in der Lage ist, die Drehbewegung der Motorwelle auf den Rotor zu übertragen. Insbesondere ist es nicht erforderlich, eine langgestreckte biegsame Welle vorzu­ sehen. Die Bauhöhe der erfindungsgemäßen Laborzentrifuge kann dadurch niedriger einge­ stellt werden. Die Lagereinheit stützt sich über den Lagerträger auf dem Trägerkörper ab. Der Trägerkörper ist beispielsweise das Gehäuse der Laborzentrifuge.

Als flexible Kupplung kann beispielsweise ein durch seine geometrische Gestaltung biegsames Bauteil, wie beispielsweise eine Feder, oder ein aufgrund seiner Materialeigenschaft elasti­ sches Bauteil, beispielsweise ein aus einem flexiblen Kunststoff bestehendes Bauteil, einge­ setzt werden. Die flexible Kupplung kann dadurch mechanisch einfach und robust ausgebildet sein und sie ist preisgünstig herstellbar.

Die flexible Kupplung und die eigene Lagereinheit für den Rotor erlauben darüberhinaus eine Entkopplung von Rotor und Motor in bezug auf alle Bewegungskomponenten, abgesehen von der Torsion. Aufgrund der Entkopplung läuft der Rotor und damit die gesamte Zentrifuge ruhig. Die Übertragung von Vibrationen des Rotors auf den Motor wird vermindert. Durch die Vibratio­ nen des Rotors bedingte Schädigungen am Motor oder an dessen Lagerung werden damit mi­ nimiert, die Lebensdauer des Motors wird erhöht. Die Zentrifuge wird insgesamt toleranter ge­ genüber Unwuchten; dies vereinfacht die Handhabung der Zentrifuge.

Die Längsachse des Rotorschaftes verläuft in der Rotationsachse des Rotors. Der Rotorschaft kann als integraler Bestandteil des Rotors ausgebildet sein oder als ein mit der dem Motor zu­ gewandten Unterseite des Rotors lösbar oder fest verbundenes separates Bauteil. Die Lage­ reinheit greift am Rotorschaft an. Dabei kann sie den Rotorschaft ringförmig umgeben. Die La­ gereinheit ist weiterhin mit dem Lagerträger verbunden. Dieser erlaubt eine gewisse radiale Be­ wegungsfreiheit der Lagereinheit und damit des Rotors. Der Lagerträger kann auch eine axiale Bewegung des Rotors erlauben.

Die Ausdrücke "radial" oder "axial" beziehen sich auf die Rotationsachse des Rotors.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Laborzentrifuge ist die Kupplung eine Gelenkwelle, insbesondere eine kardanische Gelenkwelle, eine Biegsame Welle oder eine Schraubenfeder­ verbindung (bekannt unter dem Warenzeichen "Helical"). Eine derartige Kupplung ist sowohl ra­ dial als auch axial flexibel; sie kann auch axial flexibel sein. Unter dem Ausdruck Gelenkwelle wird dabei jede Kupplung verstanden, die mehrere Bewegungsfreiheiten zuläßt. Sie kann bei­ spielsweise in Form einer Spiralfeder, in Form eines flexiblen Schlauches, als ein mit einer Vielzahl radial verlaufender Schlitze versehenes stabförmiges Bauteil oder auch als ein mit Ge­ lenken versehenes Bauteil ausgebildet sein.

Bewährt hat sich ein Lagerträger, der ein elastisches oder federndes Lagerelement umfaßt, das radiale und axiale Bewegungen zuläßt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein derarti­ ges Lagerelement einen Biegestab auf, der dadurch gelenkig ist, daß er an seinen beiden Stirn­ seiten mit einem Gummi-Metall-Element versehen ist. Wesentlich ist die radiale Beweglichkeit des Biegestabes; er kann aber auch eine geringe axiale Bewegung des Lagerträgers zulassen.

Es hat sich als günstig erwiesen, den Lagerträger mit mindestens drei Lagerelementen auszu­ bilden. Dabei können die Lagerelemente an einem Kreis um die Rotationsachse des Motors bzw. des Rotors gleichmäßig verteilt sein. In einer alternativen, gleichermaßen vorteilhaften Ausführungsform besteht das Lagerelement aus einem ringförmigen, flexiblen Kunststoffteil, das beispielsweise auf einem Kreisring um die Rotaionsachse des Rotors angeordnet ist.

Als besonders günstig hat sich ein Lagerträger erwiesen, der mit einem Schaltelement verbind­ bar ist, mittels dem die radiale Beweglichkeit der Lagerträgers variierbar ist. Die radiale Beweg­ lichkeit sollte beispielsweise beim Beschleunigen der Zentrifuge gering eingestellt werden, das heißt, der Lagerträger läßt nur geringe Amplituden seiner Bewegung beim Durchfahren der kriti­ schen Drehzahl zu. Oberhalb der kritischen Drehzahl kann dann die Beweglichkeit des Lager­ trägers vergrößert werden. Dadurch werden die von der Unwucht erzeugten Amplituden zwar zugelassen; diese sind aber oberhalb der kritischen Drehzahl sehr klein. Die Rotationskräfte werden dann in erster Linie von den Lagerelementen aufgenommen. Auf diese Weise werden die mechanische Belastungen der Lager von Rotor und Motor gering gehalten. Das Schaltele­ ment kann beispielsweise ein Gummipuffer sein, der zur Verringerung der Beweglichkeit gegen den Lagerträger gepreßt wird.

Als besonders vorteilhaft hat sich ein Lagerträger erwiesen, der ein Lagerteil aus Gußmetall aufweist, mittels dem die Lagereinheit an dem Lagerelement oder an den Lagerelementen ver­ bunden ist. Ein Gußteil ist einfach zu fertigen und robust.

Besonders bewährt hat sich eine Ausführungsform der Laborzentrifuge, bei der die Kupplung elastische Bereiche aufweist. Derartige elastische Bereiche in der Kupplung gewährleisten eine radiale und axiale Beweglichkeit der Kupplung ohne Gelenke und damit ohne mechanischen Verschleiß.

Bewährt hat sich eine Lagereinheit, die ein Wälzlager umfaßt. Das Wälzlager ist beispielsweise als Kugel-Tonnen- oder Nadellager ausgebildet. Das Gewicht des Rotors kann dabei aus­ schließlich von der Lagereinheit aufgenommen werden. Bevorzugt wird ein Wälzlager, das als ein gegeneinander vorgespanntes Kugellagerpaar ausgebildet ist. Ein derartiges Wälzlager zeichnet sich durch geringe Kosten, Robustheit und Alltagstauglichkeit aus.

Bevorzugt wird eine Ausführungsform der Laborzentrifuge, bei der der Motor ein Außenläufer- oder ein Scheibenläufermotor ist. Eine derartige Ausführungsform erlaubt eine besonders fla­ che Bauweise der Zentrifuge.

Vorteilhafterweise beträgt der Abstand zwischen der Unterseite des Rotors und dem oberen Motor-Lagerschild höchstens 15 cm. Mit der Unterseite des Rotors ist der Bereich gemeint, in dem der Rotorschaft am Rotorkörper angreift. Damit ist es möglich, die erfindungsgemäße La­ borzentrifuge beispielsweise unter einer Tischplatte unterzubringen, wobei ausreichend Bein­ freiheit unterhalb der Zentrifuge gewährleistet sein kann.

Als besonders geeignet hat sich eine erfindungsgemäße Laborzentrifuge erwiesen, bei der der Trägerkörper einen Tisch, eine Sicherheitswerkbank oder eine Laminar-Flow-Box mit einer Ar­ beitsplatte, sowie ein den Motor und den Rotor aufnehmendes Innengehäuse umfaßt, das un­ terhalb der Arbeitsplatte angeordnet an ihr befestigt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Laborzentrifuge in Höhe des Rotors und

Fig. 2 eine Vergrößerung des in der Fig. 1 mit "A" bezeichneten Details.

In Fig. 1 ist die Bezugsziffer 1 der Laborzentrifuge insgesamt zugeordnet. Die Laborzentrifuge 1 ist an einer Tischplatte 2 montiert. Hierzu ist sie mit einem Außengehäuse 3 versehen, in dem ein Innengehäuse 4 mittels einer Linearführung 5 verschiebbar gelagert ist. Das Innengehäuse 4 ist nach Art eines Einschubes ausgebildet und kann vollständig unter die Tischplatte 2 ge­ schoben werden. In dem Innengehäuse 4 sind der Motor 6 und der Rotor 7 untergebracht. Mo­ tor 6 und Rotor 7 sind über eine flexible Kupplung, der insgesamt die Bezugsziffer 8 zugeordnet ist, miteinander verbunden. Hierzu greift die flexible Kupplung 8 an der Motorwelle 9 einerseits und an dem Rotorschaft 11 andererseits an. Der Rotorschaft 11 ist als separates Bauteil mit der Unterseite 10 des Rotors 7 verbunden. Die flexible Kupplung 8 umfaßt eine zweiseitige Schraubenfederkupplung 12 der Marke "Helical".

Der Rotorschaft 11 wird in einem gegeneinander vorgespannten Kugellagerpaar 13 geführt. Das Kugellagerpaar 13 stützt sich über ein Dreibein 14 und über insgesamt drei Biegestäbe 15 auf das Innengehäuse 4 flexibel ab. Der Motor 6 ist ebenfalls über Gummifüße 22 am Innenge­ häuse 4 federnd gelagert.

Der Rotor 7 rotiert innerhalb eines Rotorkessels 16, dessen Öffnung nach oben von einer aku­ stisch und thermisch isolierenden Dämmplatte 17 abgeschlossen ist.

In Fig. 2 ist ein Biegestab 15 in einer Vergrößerung dargestellt. Der Biegestab 15 weist drei Teilbereiche auf, wobei der Mittelteil 18 im Ausführungsbeispiel aus Metall, das obere Ende 19 sowie das untere Ende 20 aus Gummi bestehen. Mit seinem unteren Ende 20 stützt sich der Biegestab 15 auf das Innengehäuse 4 ab. Mit seinem oberen Ende ist er mit dem Dreibein 14 fest verbunden. Er erlaubt eine radiale Bewegung des Rotors 7 und ermöglicht so einen gewis­ sen Achsversatz zwischen Rotor 7 und Motor 6. Außerdem läßt er dem Rotor 7 auch eine ge­ ringe axiale Bewegungsfreiheit.

Im Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zwischen der Unterseite 10 des Rotors 7 und dem oberen Lagerschild 21 des Motors 6 15 cm.

Die eigene Lagerung des Rotors 7 über das Kugellagerpaar 13, das Dreibein 14 und über die Biegestäbe 15 ermöglicht den Einsatz der Schraubenfederkupplung 12 als flexible Kupplung zwischen Rotor 7 und Motor 6. Die Schraubenfederkupplung 12 kann mit einer geringen Bau­ höhe ausgebildet sein. Sie gewährleistet eine Entkopplung von Motor und Rotor in bezug auf alle Bewegungen, außer der Drehbewegung. Im Ausführungsbeispiel wird das Gewicht des Ro­ tors 7 ausschließlich von seiner eigenen Lagereinheit 13,14,15 übernommen.

Die erfindungsgemäße Laborzentrifuge zeigt aufgrund der flexiblen Kupplung 8 ein sehr gutes Laufverhalten, wobei durch die eigene Lagerung des Rotors die Nachteile der sogenannten "Nadelantriebe", nämlich die große erforderliche Bauhöhe und die relativ teure, filigrane und empfindliche Ausführung, vermieden werden.

Claims (14)

1. Laborzentrifuge mit einem Trägerkörper, an dem ein mit einer Motorwelle versehener Mo­ tor befestigt ist, mit einem einen Rotorschaft aufweisenden Rotor, und mit einer flexiblen Kupplung zwischen der Motorwelle und dem Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Ro­ torschaft (10) in einer Lagereinheit (13) rotierbar geführt ist, die mit einem Lagerträger (14; 15) verbunden und über diesen radial flexibel am Trägerkörper (2; 4) gehalten ist.

2. Laborzentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (8) eine Gelenkwelle, insbesondere eine kardanische Welle, eine Biegsame Welle oder eine Schraubenfederverbindung (bekannt unter dem Warenzeichen "Helical") ist.

3. Laborzentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerträger (14; 15) ein elastisches oder federndes Lagerelement (15) umfaßt.

4. Laborzentrifuge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (15) mindestens einen Bereich aufweist, der radial bewegbar ist.

5. Laborzentrifuge nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerele­ ment einen Biegestab (15) aufweist, der dadurch gelenkig ist, daß er an seinen Stirnsei­ ten beidseitig mit einem Gummi-Metall-Element (19; 20) versehen ist.

6. Laborzentrifuge nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei La­ gerelemente (14; 15) vorgesehen sind, die auf einem Kreis um die Rotationsachse des Rotors (7) gleichmäßig verteilt sind.

7. Laborzentrifuge nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der La­ gerträger (14; 15) ein Lagerteil (14) aus Gußmetall aufweist, mittels dem die Lagereinheit (13) an dem Lagerelement (15) oder an den Lagerelementen (15) verbunden ist.

8. Laborzentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerträger (14; 15) mit einem Schaltelement verbindbar ist, mittels dem die ra­ diale Beweglichkeit der Lagerträgers (14; 15) variierbar ist.

9. Laborzentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinheit (13) ein Wälzlager umfaßt.

10 Laborzentrifuge nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Wälzlager als ge­ geneinander vorgespanntes Kugellagerpaar ausgebildet ist.

11. Laborzentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Kupplung (8) elastische Bereiche (12) aufweist.

12. Laborzentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Motor (6) ein Außenläufer- oder ein Scheibenläufermotor vorgesehen ist.

13. Laborzentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Unterseite (11) des Rotors (7) und dem oberen Motor-La­ gerschild (21) höchstens 15 cm beträgt.

14. Laborzentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (2; 4) einen Tisch, eine Sicherheitswerkbank oder eine Laminar- Flow-Box mit einer Arbeitsplatte (2), sowie ein den Motor und den Rotor aufnehmendes Innengehäuse (4) umfaßt, das unterhalb der Arbeitsplatte (2) angeordnet und an ihr befe­ stigt ist.