专利名称：实验室离心机转子的制作方法
技术领域：
本发明所涉及的是关于在实验室里使用的一种离心机转子。转子带有一个向上张开的外壳。外壳中应至少留有一个可以夹紧离心容器的套管，使转子周围形成一个既有内壁、又有外壁、按同心环绕的环形槽；另外，本发明还涉及用于夹紧实验容器并在所述实验室离心机转子上使用的一种适配器。
背景技术：
在所列的相互关系一览中可以看出，一方面，离心容器可以是一个样品容器，用于分离式实验。另一方面，离心容器也可以当作转子中的适配器，并且样品容器可以放置其内。
实验室中之所以要用到转子，其原因是要夹紧离心容器。分离容器中含有尚待分离的物质。离心式的分离容器，例如反应试管，可放入圆柱形的空隙中。这些可以很方便地多次放入一个转子中，正如US 5,411,465所显示的那样。
DE 37 03 514 A1对带有可存放试验物质的套管的离心式分离机中的角状头做了说明。空隙位于转子的周围，作为同心环绕的环形槽。当你从空隙的边上向转子轴的方向观看时，空隙是与一个呈轴对称分布、向上逐渐缩小的截角锥相邻的。环形槽的外壁形似一个向上逐渐缩小的空心截角锥。离心容器在转子的空隙处排列成行。通过形成的环形槽空隙使转子的重量减轻，这样使转子的离心特性得以很好的体验；例如可在转速相等时，使作用在转子上的向心力减小。另一方面，环状的空隙可降低转子的稳定性，因为通过较小的质量以及所形成的空心截角锥可使转子周围抵抗向心力的阻力减小。这样，通过环形槽周围突出的转子轮毂，特别是在下方，会造成对转子外壳的损伤和裂痕。也可能由于环形槽的形成，例如当离心容器受力不均匀时，或离心式分离器的装载不均匀时，在离心工作过程中会造成转子头部的椭圆形状态。
此外，由于该设计设定了必须达到的高精确度，可能使离心容器在环形槽中进行适配调试时出现不准确，导致多次出现不平衡，以及在一定转数时会出现共振现象等危险。
在这种背景下，开发研制出具有更高的稳定性以及更高的运转平稳性的转子包括刚开始时所提到的适配器，就成了本发明的动机。完成这项任务，就是要完成权利要求1中的转子以及权利要求13中的适配器。具体的执行方法请参考各要求细则。
发明内容
符合本发明要求的实验室中使用的离心式转子有一个向上开口的转子外壳，至少带有一个套管用以夹紧至少一个分离式容器。转子周围的套管形成一个同心环绕的、分有内壁和外壁的环形槽。其优势在于，从转子轴的方向观看内壁时，好像一个呈轴对称分布的、向上逐渐缩小的截角锥，而外壁形似一个向上逐渐缩小的空心的截角锥。另外，环形槽通过辐射状以及通过周长分散分布的离心容器形成轮辐状的支撑，使离心容器从内壁和外壁被支撑住，不易被折弯。离心容器是用以支撑环形槽的，使基本分布均匀的、用离心容器装备起来的环形槽类似于一个“辐条轮”。转子头部的椭圆形现象就可以避免了。通过内、外壁的相互支撑，可使环形槽抵抗较大的离心力。当使用轴瓦式转子时，离心容器轮辐作用的优势表现得尤为明显。
在一个优选的结构形式中，在转子的切线方向上的离心容器的最大壁厚要超过在转子径向上的最大壁厚。通过增加离心容器在转子切线方向上的壁厚，使转子的稳定性增强，从而使得转子壳体承受径向作用的离心力的能力增加。通过增大切线方向的最大壁厚，转子壳体所承受的离心力在一个更大的横截面积上被分散，因此作用在充当唯一轮辐的离心容器上的压力减小。在这里更好的选择是，在径向上增大壁厚而且保持径向和切线方向的壁厚基本固定不变。离心容器的机壁样式原则上是没有要求的，只要在切线方向的最大壁厚超过径向上的即可。此外，通过加强离心容器的轮辐作用可使转子的损伤危险减少。
在另一种优选的结构形式中，离心容器要紧紧平贴在环形槽外壁的内表面，从而使作为轮辐的离心容器不会在某些点受到离心力，以确保安全。除此也可将相切平面上的离心力移除，从而使转子的稳定性总体增加，离心容器损坏的危险降低。另外，离心容器也可紧贴在环形槽的内壁的内表面上。
为了保证离心容器的水平安装，应当事先在外墙的内墙面——即离心容器的安装位置留好安装机器用的凹槽。此外，凹槽的设计应该使离心容器处于环形槽的切线位置。这样可以有效地减少机器位置的不平衡度，并且可以减少运行时的噪音。除上述之外，环形槽内墙的内壁面上的也应当留有相应一致的凹槽。
在设计安装离心容器的凹槽的半径时，半径的设计值应当大于内墙的外墙面与环形槽外墙的外墙面间距离的二分之一。这样做的好处是，可以使离心容器安装入环形槽后占有更大的面积。此离心容器的外形被设计成与可以装配进凹槽。这样做的目的是，通过离心容器相吻合的外形来补偿在环形槽内建造尺寸比所需要的大的凹槽时损失的原材料。与离心容器的占地面积较小时的情况相比，离心容器可以在占有较大的面积的情况下达到更大的转速，这个比较是以离心容器被稳定地安装为前提的。
在另一种优选的结构形式中，第一条半径属于第一段圆弧，在圆弧的尾部与另一段圆弧相连，为了在环形槽的切线方向更好地接受到力，第二段圆弧的半径比第一段的小，这样可以更好地固定住离心容器。另外，这样做可以得到更大的容器面积，因此离心容器不仅可以在转子半径方向而且还可以在转子切线方向很好地固定住。以此来减少在环形槽或者转子壳原料中的应力集中产生。
此发明相对应的结构形式沿着环形槽底部方向圆锥状变细，因此为离心容器得到更好的支架。
为了使在环形槽上分割的离心容器的存储能力得到加强，至少要用一个加紧装置，通过加强的存储能力，离心容器在转子中得以固定并确保其正对纵轴位移方向。通过现有的加紧装置离心容器被固定在轴向上并由此杜绝偶然性的以及未授权的取样。另外为了完全确保杜绝轴向位移，离心容器通过加紧装置在转子上将产生贴和压力。作用在离心容器上的聚集纵轴力至少要通过一个加紧装置来加强存储能力并另外改善离心器的固定。离心器的轴承结构稳定性也同时被改善。
通过作用在转子上的离心力，在离心过程中不仅转子壳、单独的离心容器也可能被椭圆化。为了避免离心容器椭圆化和减少所有转子稳定性，离心容器应采用适当的抗变形盖。通过这个盖子离心容器被支撑起来，从而避免了椭圆化。从选择的角度看这些盖子也是为了关紧离心容器而设计的。离心容器盖子的稳定性可以通过例如螺纹螺线或者夹子来实现。盖子由具有纤维强度的塑料或者金属构成会大有益处。另外盖子由抗断裂的透明塑料构成作为有益补充。
依照发明的另一种结构形式，转子壳体由金属，合金和纤维增强了的塑料构成。在由金属或合金构成的情况下，轻金属及轻金属合金应该特别优先考虑。以此可以制造一种柔软的并且非常坚固的转子壳体及与发明相适应的转子结构，这样可以实现低惯性矩。比如，铝或钛适宜作为轻金属原料。这样的优点是，以此在旋转中只须有很小比重的位移并且转子壳体的惯性矩呈现出很小值。如果能够保证足够的稳定性，碳纤维增强了的塑料也可作为转子壳体的原料。为了最大可能降低旋转中转子壳体的不平衡性，为环形槽中全部的缝隙配置离心容器是有意义的。尤其，这些缝隙按规定彼此保持有规律的距离，比如在转子轴60度角处。
依照发明的另一种结构形式，离心容器至少可以部分由金属或合金制造。通过使用金属或合金可以保证离心容器的自我承受结构，并且提高容器承受能力。例如，可以用钢，铝或者钛制造。
作为可供选择的或者补充的金属容器至少可以部分由碳纤维联合构造方式制造。以此可以减少离心容器的比重，并且同时提高单独容器的稳定度。值得优先考虑的是，通过所谓的金属丝技术，形成碳纤维联合结构构成的离心容器的区域。这里可称为核，轴套或“衬套”，用碳纤维缠绕。轴套保留在元件中并且可以由金属或塑料制造。它可以进一步在转子径向和转子切线方向上呈现出不同壁厚。缠绕后轴套留在离心容器中并构成相同的一部分。通过复合构造方式，进一步增强了离心容器的稳定度，同时使其占据一个相对低的比重，因此总体上增强了离心容器的离心特性。轴套也可以在制造离心容器后选择性的压入或贴入其中。它可以覆盖离心容器的整个内表面或者分段使用。更进一步，可以使衬套对离心容器的盖子进行接收。如果在离心容器的口径范围内有和盖子处的相反螺纹相联系的螺纹，则这应该被优先考虑。
在另一种优选的结构形式中，环形槽底面的定位方法呈现和离心容器定位一样的方法。对于离心容器的定位方法来说，这种定位方法通过内壁和外壁的内表面空隙成为可供选择的或附加的方法。例如定位方式可以以凸点或定位横档的形式构成，这样就可以和底面上相应的凹点或洞相衔接。优先在转子切线上进行定位。除此之外转子直径方向上的定位也可以。
此外本发明涉及到为样品容器设计的可以装到类似于之前描述过的一种转子的转子壳中的适配器。此外转子切线方向上的最大壁强度要高于转子直径方向上的最大壁强度。因此适配器的存储能力得以改善随之转子稳定性也得以提高。
在一种优选的结构形式中，适配器呈现椭圆形外轮廓。与之相关的是从适配器截面方向看到的外轮廓。其优势在于，基本上沿着适配器的全部长度均为椭圆形构造。被插入转子槽中的适配器要这样调整，椭圆适配器长边至少要在它的辐射中心区紧贴转子槽内壁。这种构造可直接出现在转子壁处和为此规定的空隙处。适配器至少要在外壁内表面区域紧贴壁表面。通过适配器的椭圆形构造适配器的外壁内表面构造面积被加大，因此可以通过更大的面积对作用在适配器上的力进行分散并且得到为适配器得到更大的安全面积。对于这种广为人知的技术层面的椭圆形外轮廓，适配器的总体稳定性得以加强。同时通过椭圆形构造可以用简单的制造方式在切线方向上加强壁体强度。
一种选择是优选的，那就是适配器总体上呈三角形外轮廓。在此要确保的是，在嵌入环形槽的状态下，适配器紧紧平贴于环形槽外壁内侧的一面。这是有利的，因为一方面适配器的这种构造形式容易制造，另一方面特别适合于外壁内侧的适配器的平面结构。通过这种三角形外轮廓可以不需更多的开支增强沿切线方向的壁厚。
另一种优选的构造是，为适配器在偏离中轴处留出一个缝隙，在缝隙中可以装入一个样品容器。适配器在转子中布置得很好，从而使样品容器的中轴与外壁内侧的中间距离小于它到内壁内侧的中间距离。与样品容器的中轴与适配器的中轴相一致的情况相比，通过此种方法可以使样品容器与转子中轴间的距离增大，并且提高在离心机区域的转速。
在另一种优选的结构中，适配器粘合到环形槽中。通过适配器构造平面与环形槽的粘合使得适配器的加固作用进一步提高。除了压力，通过这种粘合还可以接收来自适配器的拉力。对于置于环形槽内循环设置的适配器，只粘合几个适配器，其他的不粘合插入环形槽是可能的。
接下来将以图纸中的规格为范例对此设计进行具体说明。图表的内容为图1转子的切面纵剖图；图2装有适配器的转子的纵剖透视图；图3装有椭圆型适配器的转子外壳的部分结构平面图；图4装有三角形探测槽的转子外壳的部分结构平面图；图5装有梯形探测槽的转子外壳的部分结构平面图；图6装有梯形适配器的转子外壳的部分结构平面图；图7装有适配器的转子外壳的部分结构平面图，此适配器的切口由两个圆弧弓型组成；图8带有非同心探测槽的适配器；图9带有防弯曲盖子的适配器侧边切面图；图10带有衬垫的适配器侧边切面图。
具体实施例方式
在下列图中，相同零件将使用相同标记。
图1是整个转子外壳1的纵剖图，其转子毂2装配在由下向上不断减小的截锥体3的正中央，转子外壳的中间部位即由该截锥体与转子毂2组成。截锥体3是环状槽4的一部分，并且内壁40的很大一部分都是由截锥体3形成的。此外，在环状槽内，由下向上不断减小的凹面截锥体5位于与截锥体3相对的一边，即凹面截锥体5所形成的转子外壳1的外壁30上。环状槽4包括内壁41的内边和外壁31的内边，以及内壁42的外边和外壁32的外边。外围区域由环状槽4组成。转子转轴20由转子毂2中心经过，环状槽4的中轴21与转子转轴20的形成一个约为45°的夹角α。此夹角α在其他规格情况时也可能是其他值。环状槽4包括许多个切口10，切口10即为外壁31的内边。
图2是装有适配器的转子的纵剖透视，在圆周方向上以平均的间隔装配适配器24d。适配器24d实际为圆柱状，紧贴于切口10，切口10即外壁31的内边。通过适配器24d在环状槽4内的环形排列来实现辐条状支撑。甚至在转子进行不规则装载时，例如当只有一个适配器24d装上探测槽(此处图中未标注)而其他适配器为空时，转子体不会进行椭圆化调整，因为适配器24d会产生轮辐般的效果。使用适配器24d是为了缓解压力和拉力。使转子毂2像环形靶般同固定架26中心对齐。此固定架26在两个挡板之间可以弯曲，能够使适配器24d自由活动，同时也能使之固定在一静止位置上。在静止位置时，固定架26给适配器24d施加的只是一个轴向上的力，会对环状槽4进行挤压。由此会增加适配器24d的辐条效果。在确定固定架26的尺寸时，应使尺寸大小能够确保探测槽在任何时候——即使在静止位置时也一样——都能插入或拔出适配器24d。
图3是装有椭圆型适配器的转子外壳的部分结构平面图。在外壁31的内边有一切口10a，此切口与位于内壁41内边上的切口12a相临。在切口10a和切口12a的平面上紧贴就是以适配器24a为组成部分的离心分离机贮藏器。在适配器24a内是圆柱形的槽口25，探测槽11a的阳极插入其中。适配器24a的中轴及探测槽11a一致，也就是说，探测槽11a位于适配器24a的中央。当探测槽11a在间歇配合时能够与相应的适配器24a匹配，则说明探测槽11a位于适配器24a的中央。无论何时，只要当适配器24a在切口10a，12a中位于其长边顶点区域，则适配器24a的外型显示为椭圆形。应注意的是，适配器24a环形槽4周围的最大壁厚b应大于转子半径方向上的壁厚c。此外，切口10a在平面图内显示的形状为圆弧弓形，此圆弧初半径为R1。此初半径R1的中点M1位于环状槽以外，并位于转子中轴所在方向的那一边上。初半径R1大于内壁42外边到外壁32外边距离的一半。外壁32，42之间的距离在图2中标注为“a”。环状槽4的内壁41上的切口12a也可以以R1为半径，好处在于，当探测槽位于环形槽4内时，切口12a所在的区域与此切口12a能够在平面上完全吻合，使接触面积变大，并能够使探测槽在环形槽4内的静止状态得到保障。
离心分离机贮藏器也可以做成三角形。形状相应的适配器24b在图4中有标注。所以，适配器24b的内部和外部形状均为三角形。因此，装在适配器24b内的探测槽11b也为三角形。在周围方向上的最大壁厚b也要大于半径方向上的最大壁厚c。此三角形的边缘并非直线，而是为曲线。这样，三角形的一个尖角能够在内壁31的内边啮合，这个尖角也可以是圆角，见图3的切口12b。基本上，圆弧弓型也可以用类似圆弧的形状来代替可以用三边为圆弧的三角形来代替普通的三角形，也可以用圆形来代替三角形。实际上，此种离心分离机贮藏器的外型符合三弧线外旋轮线。适配器24b的三角形边实际上完全与切口10b紧贴。此处的切口10b的初半径也为R1。
为很好的承担半径方向和转子周围方向上的力，建议使用图5所示的规格。环状槽4的内边31和内边41此时带有切口10c和切口12c，这两个切口在相结合时其半径是不同的。切口10c开始时为圆弧弓型，其圆弧角度为Φ1，而在此圆弧弓型末尾又有另外一个圆弧弓型，其半径为R2，R2小于之前的初半径R1。第二个圆弧弓型15圆弧角度为Φ2。在极端条件下，半径R1是没有尽头的，则在两个圆弧弓型15之间是一条直线。在偶然的边界条件下，即当两个圆弧弓型涉及到轮廓15时，并且出现如图7所示的切口10d和12d的情况时，圆弧角度Φ1趋近于0°。圆弧弓型15也可以是摆线或四级曲线。图5的探测槽11c为近似梯形的外型轮廓，然而在切口10c和切口12c紧贴的一边则为圆弧弓型。图6所示的适配器24f的外型与图5中的探测槽11c类似。在适配器24f上有一个圆形切口25，用来接收一般的圆柱状的探测槽(此处未标注)。通过适配器24f在内边31和内边41上的相对较大的附加面，能够使半径方向上很好的受力。
图8为椭圆外型的适配器24c的平面图。适配器24c内的槽口25为圆柱探测槽的非同心型支架(此处未在图中标出)。圆形槽口25在适配器24c内的位置是不与之同心地方。槽口25在椭圆型适配器24c的中心18之外。此外，槽口25的中轴实际上应该与适配器24c的中轴平行。
图9是适配器24e的侧边截面图，以用碳纤维增强的塑料制成的抗弯曲的盖子26来支撑。用螺纹27将盖子26拧到适配器24e上。盖子26用来作为压力支撑并用来防止适配器24e椭圆化。另外，为起到支撑的作用，应将盖子26紧紧旋在适配器24e上。
图10是适配器24g的侧边截面图。适配器24g带有一个套管，其内部为衬垫28。衬垫28是不间断的，并且覆盖在适配器24g的完整内表面上。之前的范例中衬垫28为金属材料制成，且为圆柱形。此衬垫基本上也可以是其他形状，例如椭圆形，梯形，三角形等等。为了能围绕在衬垫28周围，因此以包裹工艺制造碳纤维覆层29。在制造适配器24g时，将碳纤维包裹在衬垫28周围，以便形成覆层29，并完全覆盖衬垫28。
权利要求
1.实验室离心机的转子，其中向上开启的实验室离心容器的转子壳体，至少带一个管套，以放置离心容器，转子外围区域的管套作为集中环绕的环型槽，规定具有一个内壁和一个外壁，其特征在于，通过沿径向并且以储存的方式在环形槽四周分散布置离心容器，环形槽得以稳固；离心容器使内壁和外壁相互抗弯曲支撑。
2.根据权利要求1的转子，其特征在于，离心容器沿转子切线方向的最大壁厚(b)大于离心容器(11c，24a，24b，24c)转子径向方向的最大壁厚(c)。
3.根据权利要求1或2的转子，其特征在于，离心容器(11c，24a，24b，24d)平整地贴覆在外壁(31)的内侧面。
4.根据权利要求3的转子，其特征在于，运行中的环形槽(4)在其外壁(31)的内侧区域有空隙(10，10a，10b，10c，10d)，离心容器(11c，24a，24b，24d)位于所述空隙内。
5.根据权利要求4的转子，其特征在于，空隙(10a，10b，10c，10d)有第一半径(R11)，该半径大于环形槽(4)内壁(42)外侧至外壁(32)外侧距离的一半(a)。
6.根据权利要求5的转子，其特征在于，第一半径(R1)属于第一圆弧{15}的一部分，在该圆弧的末端，另一圆弧(15)紧接着第二半径(R2)，该半径比第一半径(R1)小。
7.根据权利要求4至6中任一权利要求的转子，其特征在于，空隙(10，10a，10b，10c，10d)沿通向环形槽(4)底部方向呈锥体形状逐渐变细。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求的转子，其特征在于，至少有一个压板(26)，使离心容器(24d)保持在转子里，以防止发生轴向位移。
9.根据权利要求1至8中任一权利要求的转子，其特征在于，离心容器(24e)有一个抗弯曲的盖板(26)，用于闭合和紧固离心容器(24e)。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求的转子，其特征在于，转子壳体(1)由金属材料，合金或纤维强化的塑料构成。
11.根据权利要求1到10中任一权利要求的转子，其特征在于，离心容器(24e)至少部分由金属制成。
12.根据权利要求1至11中任一权利要求的转子，其特征在于，离心容器(24e)至少部分为合成碳纤维构成。
13.根据权利要求1至12中任一权利要求的转子，其特征在于，在环形槽(4)底部区域定位离心容器(11a，11bf 11c，24a，24b，24c，24d，24e，24f，24g)。
14.适配器用于接收样品容器(11a，11b)并装入实验室离心机转子，其中离心机向上开启的转子壳体(1)至少带一个管套，接收至少一个适配器{24a，24b，24c}转子外围区域的管套作为集中运转的环形槽(4)，规定有一个内壁(40)和一个外壁(30)，其特征在于，适配器(24a，24b，24c)沿转子切线方向最大壁厚(b)大于适配器(24a，24b，24c)沿转子径向的最大壁厚(c)。
15.根据权利要求14的适配器，其特征在于，适配器(24a，24c)外部轮廓为椭圆型，在纵面最高点区域紧贴着环形槽(4)的内侧(31，41)。
16.根据权利要求14的适配器，其特征在于，适配器外部呈三角形轮廓(24b)一面平挨着环形槽(4)外壁(31)的内侧。
17.根据权利要求14至15中任一权利要求的适配器，其特征在于，适配器(24c)与中轴呈离心状，表现为一个间隙，样品容器(11a，11b，11c)可置于其中。
18.根据权利要求14至17中任一权利要求的适配器，其特征在于，适配器(24a，24b，24c)与环形槽(4)内侧紧紧粘在一起。
全文摘要
该发明涉及到实验室离心机转子，该转子壳体向上开启，至少有一个管套放置离心容器，规定转子外围区域间隙作为中央循环环形槽，环形槽有一内壁和一外壁，沿径向并在环形槽圆周上以储存的方式分散布置离心容器以紧固环形槽，离心容器使内壁和外壁相互支撑以抗弯曲，此外，转接器用来接收样品容器，建议在安装时装到转子里。
文档编号B04B5/04GK1820855SQ200510132439
公开日2006年8月23日 申请日期2005年12月23日 优先权日2004年12月23日
发明者弗兰克·艾格梅尔, 苏珊娜·克罗尔, 莱蒙德·格罗特豪斯 申请人:科峻仪器公司