DE3922639A1 - Antrieb fuer zentrifugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Ultrazentrifugen, die in der Biologie, Biophysik, Medizin und auf an­ deren Gebieten der Wissenschaft und Technik verwendet werden; insbesondere betrifft sie den Antrieb für Zentrifugen.

Eines der wichtigen Probleme bei der Entwicklung von Zentrifugen ist die Schaffung einer stabilen ein­ fachen und zuverlässigen Konstruktion der Zentrifuge, im besonderen vom Standpunkt der Reparierbarkeit aus.

Weit bekannt ist ein Antrieb für Ultrazentrifugen, der ein Gehäuse mit darin untergebrachtem Ständer und zwei Lagerschilde enthält, in deren Lagern die Läufer­ welle des Elektromotors angeordnet ist. Mit der Läufer­ welle ist eine biegsame Welle starr verbunden, die in einer Dämpfungsvorrichtung drehbar gelagert ist. Im Gehäuse des Antriebs sind Hohlräume und Kanäle zum Kältemittelumlauf vorgesehen. Bei diesem Antrieb sind die Lager der Läuferwelle in verschiedenen Schilden montiert, was die Gewährleistung der Gleichachsigkeit der Konstruktion erschwert. Ein anderer Nachteil ist das Einpressen der Lager in die Lagerschilde, was die Austauschbarkeit sowohl der Lager selbst als auch ihrer Schilde ausschließt. Dabei erfordert die eigent­ liche Operation der Demontage des Antriebs viel Zeit und ist arbeitsintensiv. Ein weiterer Nachteil der be­ kannten Konstruktion besteht darin, daß ein Wärme­ widerstand zwischen der Oberfläche des Ständers des Elektromotors und dem umlaufenden Kältemittel vorhanden ist. Daher erfolgt die Kühlung der Ständeroberfläche ineffektiv. Schließlich ist in dieser Konstruktion keine Kühlung der Dämpfungsvorrichtung vorgesehen.

Es ist auch ein Antrieb für Zentrifugen bekannt (US, A, 43 22 030) mit einem Gehäuse mit darin unter­ gebrachten Ständer und Läufer, wobei die Läuferwelle in einem Traglager angeordnet und mit einer biegsamen Welle starr verbunden ist, welche in einer Dämpfungsvorrich­ tung drehbar fixiert ist, wobei das Gehäuse jeweilige Kanäle für den Umlauf von Kältemittel und Schmier­ mittel besitzt.

Der Hochgeschwindigkeitsantrieb befindet sich im Vakuum und sein Läufer kann zusammen mit der biegsamen Welle aus dem Gehäuse gänzlich entnommen werden, was bei seiner Reparatur bequem ist.

Da jedoch die Lager in einzelnen Elementen des Ge­ häuses angeordnet sind, ist eine genaue Gleichachsig­ keit im Gehäuse nicht gewährleistet. Außerdem ist für die Auswechselung der Lager entweder eine Präzisions­ herstellung der Elemente zur Befestigung der Lager oder eine vollständige Auswechselung des Gehäuses zusammen mit diesen Elementen erforderlich. Anderer­ seits erhöht selbst eine unbedeutende Achsabweichung der Lager das Schwingungsniveau und setzt folglich die Zuverlässigkeit des Antriebs der Zentrifuge herab. Ein anderer Nachteil des besagten bekannten Antriebs der Zentrifuge liegt darin, daß eine Kühlung der Däm­ pfungsvorrichtung fehlt, was die Betriebsbedingungen des Antriebs, insbesondere bei lang andauerndem Betrieb, ver­ schlechtert.

Noch ein Nachteil des bekannten Antriebs besteht im vorhandenen Wärmewiderstand zwischen der Oberfläche des Ständers des Antriebes und dem umlaufenden Kältemit­ tel. Selbst im Falle einer hohen Wärmeleitfähigkeit des Materials des Gehäuses ist die Ständerkühlung infolge der Unterbringung des ganzen Antriebs im Vakuum ineffek­ tiv. Aus demselben Grunde verschlechtern sich die Kühlungsbedingungen von Läufer und Dämpfungsvorrich­ tung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für Zentrifugen zu schaffen, bei dem durch Erzielung einer stabilen Lage des Lagers in bezug auf den Läufer ein hoher Grad der Gleichachsigkeit gewähr­ leistet und eine unerwünschte Vibration ausgeschlossen ist, was die Betriebszuverlässigkeit des Antriebs unter Verbesserung der Thermostabilität und der Reparierbarkeit der Konstruktion erhöhen würde.

Dies wird dadurch erreicht, daß im Antrieb für Zen­ trifugen, enthaltend ein Gehäuse mit, darin befindlich, einem Ständer und einem Läufer, dessen Welle in einem Traglager angeordnet und mit einer biegsamen Welle starr verbunden ist, die in einer Dämpfungsvorrichtung drehbar fixiert ist, wobei das Gehäuse Kanäle für den Umlauf jeweils von Schmiermittel und Kältemittel besitzt, erfindungsgemäß im Läufer eine Grundbohrung ausgeführt ist, die koaxial zur Drehachse des Läufers angeordnet ist, während das Traglager eine Trag-Gleitfläche und eine radiale Gleitfläche aufweist und im Läufer mit­ tels der Dämpfungsvorrichtung so fixiert ist, daß die radiale Gleitfläche sich zumindest teilweise in der Grundbohrung des Läufers befindet, wobei im genannten Traglager Kanäle ausgeführt sind, welche den Schmier­ mittelumlauf über die Tragfläche und die radiale Oberfläche des Traglagers gewährleisten.

Als Ergebnis wird eine stabile Lage des Trag­ lagers in bezug auf den Läufer und ein hoher Grad der Gleichachsigkeit sichergestellt, was unerwünschte Vib­ rationen ausschließt und die Betriebszuverlässigkeit des Antriebes günstig beeinflußt.

Die Demontage des Antriebs im Falle einer Reparatur läuft im wesentlichen auf die Abnahme der Dämpfungsvorrichtung hinaus. Hiernach werden das Traglager und der Läufer frei aus dem Gehäuse herausge­ zogen.

Ein wichtiger Vorteil ist auch, daß bei der Aus­ führung dieser Operation es nicht erforderlich ist, den Antrieb von der Zentrifuge abzunehmen. Ein weiterer wichtiger Vorteil liegt in der Möglichkeit, den Läufer des Elektromotors durch die Ausführung der genannten Operation auszuwechseln. Alle diese Faktoren bedingen die Einfachheit und Zuverlässigkeit der Konstruktion insbesondere vom Standpunkt ihrer Reparierbarkeit aus.

Es ist zweckmäßig, bei dem Antrieb das Gehäuse als ein einheitliches Element auszubilden und in diesem ver­ tikale Nuten auszuführen, die sich in der Nähe der Dämpfungsvorrichtung befinden und mit den im Gehäuse vorgesehenen Kanälen für den Kältemittelumlauf in Ver­ bindung stehen, während die im Gehäuse vorgesehenen Kanäle für den Schmiermittelumlauf mit den Kanälen des Traglagers zu verbinden sind.

Dies verbessert ebenfalls die Gleichachsigkeit dank der Schaffung einer monolithischen Konstruktion und optimiert die Wärmeführung.

Hierzu ist es zweckmäßig, auf der Außenfläche des Ständers eine Spiralnut einzuarbeiten, die mit der Innenfläche des Gehäuses einen Hohlraum bildet, welcher über die im Gehäuse vorgesehenen Kanäle für den Kältemit­ telumlauf in Verbindung steht.

Dadurch wird ein unmittelbarer Wärmeentzug von der Oberfläche des Ständers und eine zusätzliche Küh­ lung des Läufers des Elektromotors dank den geneigten Kanälen gewährleistet, in denen das Schmiermittel von der radialen Oberfläche des genannten Lagers abfließt. Diese beiden Faktoren optimieren die Wärmeverhältnisse des Elektromotors des Antriebes. Überdies sieht die Konstruktion eine Kühlung der Dämpfungsvorrichtung vor, weil die genannten vertikalen Nuten konzentrisch in be­ zug auf die Dämpfungsvorrichtung angeordnet sein können, was ebenfalls die Betriebsbedingungen des Antriebs verbes­ sert und folglich dessen Zuverlässigkeit erhöht.

Im folgenden wird die Erfindung durch Beschrei­ bung eines konkreten Ausführungsbeispiels und anhand von Zeichnungen erläutert; in diesen zeigt

Fig. 1 den Antrieb für Zentrifugen mit einem Läufer, gemäß der Erfindung, im Längsschnitt;

Fig. 2 gesondert die Dämpfungsvorrichtung mit dem Traglager und den Läufer des Elektromotors, gemäß der Erfindung, im Längsschnitt;

Fig. 3 das Gehäuse des Antriebs für Zentrifugen in der Axonometrie mit teilweisen Ausschnitt zum bes­ seren Verstehen des Wesens der Erfindung.

Der Antrieb für Zentrifugen (Fig. 1) enthält ein Gehäuse 1, das in Form eines einheitlichen Elementes ausgebildet ist, in welchem ein Ständer 2 untergebracht ist. Die Welle 3 des Läufers 4 des Elektromotors ist in einem Traglager 5 angeordnet, das durch eine Dämpfungs­ vorrichtung 6 fixiert ist. In der Vorrichtung ist eine biegsame Welle 7 drehbar gelagert. Das untere Ende der biegsamen Welle 7 ist mit der Welle 3 starr ver­ bunden, die mittels einer Schraube 8 mit dem Läufer 4 starr verbunden ist. Der Ständer 2 ist im Gehäuse 1 mit Hilfe eines Deckels 9 befestigt. Die Dämpfungsvorrich­ tung 6 (Fig. 2) besitzt ein Vakuumlager 10.

Der Umlauf des Schmiermittels für die Lager 5 und 10 (Fig. 1) erfolgt über die Kanäle 11, 12, 13 und 14 des Gehäuses 1, wobei das Schmiermittel den Lagern 10 und 5 über die jeweiligen Kanäle 11 und 12 zugeführt wird, während der Abfluß des Schmiermittels von diesen Lagern 10 und 5 über die jeweiligen Kanäle 13 und 14 geschieht. Auf der Außenfläche des Ständers 2 ist eine Spiralnut eingearbeitet, die mit der Innenfläche des Ge­ häuses 1 einen Hohlraum 15 bildet, welcher einerseits mit einem Eintrittskanal 16 für die Kältemittelzufuhr in Verbindung steht und andererseits mittels eines Kanals 17 mit vertikalen Nuten 18 verbunden ist, die im Gehäuse 1 konzentrisch in bezug auf die Dämpfungsvorrich­ tung 6 ausgeführt sind. Die Abführung des Kältemittels erfolgt über einen Kanal 19. Zur Verbesserung der Küh­ lung des Läufers 4 sind in diesem geneigte Kanäle 20 vorgesehen, über welche das Schmiermittel vom Trag­ lager 5 abgeführt wird. Der Abfluß des Schmiermittels von den Kanälen 20 geschieht über einen Auslaßka­ nal 21. Als Ergebnis wird eine effektive Kühlung des Ständers 2, des Läufers 4, der Dämpfungsvorrichtung 6 und des Gehäuses 1 im ganzen gewährleistet. Auf der biegsamen Welle 7 ist ein Aufsatz 22 zur Aufnahme des Rotors 23 der Zentrifuge befestigt. Bei der Arbeit des Antriebes kontrolliert man die Drehzahl des Ro­ tors 23 der Zentrifuge mit Hilfe eines Gebers 24. Zusätzlich in Fig. 2 ist ein Kanal 11 a in der Dämpfungs­ vorrichtung 6 gezeigt, über welchen das Schmiermittel zum Lager 10 gelangt, sowie sind Kanäle 12 a und 12 b für die Einführung des Schmiermittels in das Traglager 5 dargestellt. Der Abfluß des Schmiermittels vom Trag­ lager 5 erfolgt über einen Kanal 14 a und vom Lager 10 über die Kanäle 13 a, 13 b und 13 c der Dämpfungsvorrich­ tung 6. Das Traglager 5 besitzt eine Trag-Gleitfläche 5 a und eine radiale Gleitfläche 5 b. Das untere Ende 25 des Traglagers 5 ist in der Grundbohrung 26 des Läufers 4 untergebracht und mit der Stirnseite 27 nach unten angeordnet. Die Grundbohrung 26 ist koaxial zur Drehachse des Läufers 4 angeordnet. Das Traglager 5 ist in der Grundbohrung 26 des Läufers 4 mittels der Dämpfungsvorrichtung 6 fixiert, wobei die radiale Gleit­ fläche zumindest teilweise in der Grundbohrung 26 des Läufers 4 aufgenommen ist.

Auf der radialen Oberfläche 5 b ist eine Eindrehung 28 vorgesehen, welche die Kühlungsbedingungen des Ra­ dialachslagers 5 verbessert.

In Fig. 3 ist die Anordnung der Kanäle 11, 12, 13, 14, 19 im Gehäuse 1 sowie der Nuten 18 des Läufers 4 und des Traglagers 5 gezeigt.

Der Antrieb arbeitet folgendermaßen. Vor dem An­ lassen der Zentrifuge schiebt man auf den Aufsatz 22 (Fig. 1) den Rotor 23 der Zentrifuge auf. Bei der Stromzuführung beginnt der Elektromotor des Antriebs die biegsame Welle 7 und folglich den Rotor 23 der Zentrifuge zu drehen. Die Drehzahl des Rotors 23 der Zentrifuge wird stets durch den Geber 24 überwacht.

Zugleich wird das Schmiermittel den Kanälen 11 und 12 zwangsläufig zugeführt, wobei es zu den Lagern 5 und 10 über die Kanäle 12 a und 11 a (Fig. 2) gelangt. Das Schmiermittel gewährleistet den Normalbetrieb der Lager 5 und 10 und verhindert, daß ihre Temperatur ein unzulässiges Niveau erreicht.

Der Abfluß des Schmiermittels vom Traglager 5 geschieht über die Kanäle 14 (Fig. 1) und 14 a (Fig. 2) und vom Lager 10 über die Kanäle 13 a, 13 b, 13 c und 13 (Fig. 1). Das von der radialen Oberfläche 5 b (Fig. 2) abfließende Schmiermittel wird bei der Drehung des Läufers 4 in die geneigten Kanäle 20 eingesaugt und ge­ währleistet, indem es mit der Oberfläche des Läufers 4 kontaktiert, einen unmittelbaren Wärmeentzug und verbessert folglich die Kühlung desselben.

In ähnlicher Weise, aber mit Hilfe des Kältemittels, findet der Wärmeentzug von der Oberfläche des Stän­ ders 2 statt. Dabei gelangt das umlaufende Kältemittel über den Kanal 17 (Fig. 1) zur Dämpfungsvorrichtung 6 und gewährleistet deren Kühlung. Ein durch das (nicht gezeigte) Schmiersystem erzeugter Druck gewährleistet die Bildung eines dünnen Ölfilmes zwischen der Trag­ fläche 5 a (Fig. 2) des Traglagers 5 und der entsprechen­ den Oberfläche der Welle 3 des Läufers 4 sowie zwisch­ en der radialen Oberfläche 5 b und der entsprechenden Oberfläche dieser Welle 3. Als Ergebnis wird die Rei­ bung zwischen den genannten Oberflächen minimal, was für die Erzielung einer hohen Drehzahl des Rotors 23 (Fig. 1) der Zentrifuge sehr wichtig ist.

Die Dämpfungsvorrichtung 6 erfüllt zwei Funktio­ nen: erstens fixiert sie mit Drehungsmöglichkeit die biegsame Welle 7 und gewährleistet, daß der Rotor 23 der Zentrifuge die kritische Drehzahl passiert; zweitens erzeugt sie eine hermetische Abdichtung zwischen dem Antrieb der Zentrifuge und ihrer Kammer (nicht ge­ zeigt), in welcher sich der Rotor 23 der Zentrifuge befindet. Beim Anlassen der Zentrifuge erzeugt man in ihrer Kammer einen erforderlichen Grad des Unter­ drucks mit dem Ziel, den Widerstand des Luftmediums bei der Drehung des Rotors 23 der Zentrifuge zu mi­ nimieren.

Die Konstruktion besitzt eine optimale Steifig­ keit.

Die stabile Lage des Traglagers 5, das im Läufer 4 mittels der Dämpfungsvorrichtung 6 fixiert ist, sowie die Ausführung des Gehäuses 1 als ein einheitliches Ganzes gewährleisten einen hohen Grad der Gleichachsig­ keit dieser Baugruppen, was unerwünschte Vibrationen ausschließt und die Zuverlässigkeit der Konstruk­ tion erhöht.

Die Unterbringung des Traglagers 5, des Läufers 4 und der Dämpfungsvorrichtung 6 sowie des Ständers 2 im Gehäuse, das als ein einheitliches Ganzes ausge­ führt ist, optimiert die Steifigkeit des Antriebs und vereinfacht sehr sein Zusammen- und Auseinander­ bauen. Hierbei wird die Möglichkeit für die Austausch­ barkeit des Traglagers 5 und des Läufers 4 geschaffen, was die Reparierbarkeit des Antriebs im ganzen gewähr­ leistet.

Alles das bietet die Möglichkeit, mit einem Minimum an Demontagearbeiten und arbeitsinten­ siven Operationen die Abnahme des Antriebs von der Zentrifuge zu ermöglichen.

Im Falle der Auswechselung des Rotors 23 der Zen­ trifuge wird bei dieser Antriebskonstruktion eine ein­ fache und zuverlässige Abnahme desselben sicherge­ stellt.

Die Ausführung der Spiralnuten auf der Oberfläche des Ständers 2 sowie die Ausbildung der vertikalen Nuten 18 im monolithischen Gehäuse 1, welche in bezug auf die Dämpfungsvorrichtung 8 konzentrisch angeordnet sind, gewährleisten einen unmittelbaren Wärmeentzug von der Oberfläche des Ständers 2 und eine zusätzliche Kühlung des Läufers 4 sowie der Dämpfungsvorrichtung 6.

Claims (4)

1. Antrieb für Zentrifugen, enthaltend ein Ge­ häuse (1) mit, darin befindlich, einem Ständer (2) und einem Läufer (4), dessen Welle (3) in einem Traglager (5) angeordnet und mit einer biegsamen Welle (7) starr verbunden ist, die in einer Dämpfungsvorrichtung (6) drehbar gehalten ist, wobei das Gehäuse (1) Kanäle (11, 12, 13, 14, 16, 17, 19, 21) für den Umlauf je­ weils von Schmiermittel (11, 12, 13, 14) und Kältemit­ tel (16, 17, 19, 21) besitzt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - im Läufer (4) eine Grundbohrung (26) ausgeführt ist, die koaxial zur Drehachse des Läufers (4) angeordnet ist,
• - während das Traglager (5) eine Trag-Gleitfläche (5 a) und eine radiale Gleitfläche (5 b) aufweist
• - und im Läufer (4) mittels der Dämpfungsvorrich­ tung (6) so fixiert ist, daß sich die radiale Gleit­ fläche (5 b) zumindest teilweise in der Grundbohrung (26) des Läufers (4) befindet,
• - wobei im genannten Lager (5) Kanäle (12 a, 12 b, 14 a) ausgeführt sind, welche den Schmiermittelumlauf über die Tragfläche (5 a) und die radiale Oberfläche (5 b) des Lagers (5) gewährleisten.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (1) in Form eines einheitlichen Elementes ausgebildet ist, in dem ver­ tikale Nuten (18) ausgeführt sind, die sich in der Nähe der Dämpfungsvorrichtung (6) befinden und mit den im Gehäuse (1) ausgeführten Kanälen (16, 17, 19) für den Kältemittelumlauf in Verbindung stehen, wäh­ rend die im Gehäuse (1) vorgesehenen Kanäle (12, 14) für den Schmiermittelumlauf mit den jeweiligen Kanälen (12 a, 14 a) des Traglagers (5) verbunden sind.

3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der Außenfläche des Ständers (2) eine Spiralnut eingearbeitet ist, die mit der Innenfläche des Gehäuses (1) einen Hohlraum (15) bil­ det, welcher mit den im Gehäuse (1) vorgesehenen Ka­ nälen (16, 17) für den Kältemittelumlauf in Verbindung steht.

4. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die genannten vertikalen Nuten (18) konzentrisch in bezug auf die Dämpfungsvorrich­ tung (6) angeordnet sind.