DE10142744C1

DE10142744C1 - Zentrifuge

Info

Publication number: DE10142744C1
Application number: DE10142744A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Witthaus; Wolfram Weber
Original assignee: Fresenius Hemocare GmbH
Current assignee: Fresenius Hemocare Beteiligungs GmbH
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2021-09-01
Also published as: JP2003159324A; EP1295642B1; DE50204009D1; EP1295642A1; US6716154B2; JP4255667B2; US20030045419A1; ATE302650T1; ES2244702T3

Abstract

Eine Zentrifuge weist einen Drehrahmen 1, der an einem Gestell 2 drehbar gelagert ist, und eine an dem Gestell gelagerte Separationseinheit 4 auf, die mit doppelter Drehzahl im gleichen Drehsinn wie der Drehrahmen um eine zentrale Rotationsachse A drehbar ist. An der Separationseinheit 4 ist eine Leitung 6 zum Zuführen und/oder Abführen eines Fluids angeschlossen, die in einer Schleife um die Separationseinheit zu einer ortsfesten Anschlussstelle 5 geführt ist. Zur Abstützung der Leitung ist mindestens ein Führungselement 7, 8 vorgesehen, das eine Anlagefläche 10 für die Leitung aufweist. Die Anlagefläche des Führungselements wird von einer rotierenden ebenen Kurve gebildet, wobei der Radius R2 des jeweiligen Krümmungskreises, der die Kurve in einem Punkt berührt, mit zunehmendem Abstand R1 zwischen dem Berührungspunkt und der zentralen Rotationsfläche A zunimmt. Mit der Kontur ist der Abrieb über die gesamte Berührungsfläche weitgehend gleichmäßig, so dass die Standzeit verlängert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentrifuge, insbesondere eine gleitdichtungsfreie Durchflusszentrifuge zum Zentrifugieren biologischer Fluide, gemäß Ober begriff des Anspruchs 1.

Es sind Zentrifugen bekannt, bei denen das biologische Fluid im Durchfluss zentrifugiert wird. Über eine Leitung wird das Fluid einer rotierenden Zentrifugenkammer zugeführt bzw. aus der Kammer abgeführt. Wegen der Relativbewegung von Zentrifugenkammer und ortsfester Anschlussstelle der Leitung erweist sich jedoch die Leitungsführung als problematisch. Um ein Verdrillen der Leitung zu vermeiden, finden bei herkömmlichen Durchflusszentrifugen an den Anschlussstellen rotierende Dichtungen Verwendung. Derartige Durchflusszentrifugen erlauben zwar eine hohe Drehzahl, allerdings können die Drehkupplungen zu Undichtigkeiten und zu Verletzungen von in dem Fluid enthaltenen Komponenten führen.

Eine gleitdichtungsfreie Blutzentrifuge ist aus der DE 32 42 541 A1 bekannt. Die Leitung wird bei der gleitdichtungsfreien Zentrifuge von einer ortsfesten Anschlussstelle in einer Schleife um die Zentrifugenkammer herumgeführt. Hierzu ist die Leitung mit einem Drehrahmen verbunden, der gegenüber der Zentrifugenkammer mit halber Drehzahl rotiert. Eine derartige Durchflusszentrifuge ist beispielsweise auch aus der DE 42 20 232 A1 bekannt.

Bei den gleitdichtungsfreien Durchflusszentrifugen ist die Leitung relativ großen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, die mit zunehmender Drehzahl stark ansteigen. Unter dem Einfluss der Zentrifugalkräfte bildet die Leitung eine nach außen ausladende Schleife, wodurch an der ortsfesten Anschlussstelle und dem Anschluss an die Separationskammer hohe Wechselbiegebelastungen auftreten. Der steile Eintritts- und Austrittswinkel an den Anschlussstellen führt zu einer zusätzlichen Reibung zwischen den Anschlussadaptern und der Leitung, was wiederum einen erhöhten Abrieb zur Folge hat. Die Wechselbiegebelastung und der Abrieb sind die Faktoren, die die Lebensdauer der Leitung bzw. die maximale Drehzahl der Zentrifuge beschränken.

Es sind gleitdichtungsfreie Durchflusszentrifugen bekannt, bei denen zur Abstützung der Leitung Lager Verwendung finden. Die EP 0 112 990 A1 beschreibt eine Durchflusszentrifuge, deren Zentrifugenschlauch zwischen der ortsfesten Anschlussstelle und dem Anschluss der Separationskammer mit zwei Gleitlagern abgestützt ist. Die Gleitlager, die aus einer inneren und äußeren Lagerschale bestehen, sind Bestandteile des Zentrifugenschlauches. Als Einmalartikel sind die Gleitlager zwar einfach und preiswert herzustellen, haben jedoch relativ große Reibungsverluste, insbesondere bei hohen Drehzahlen.

Die WO 95/17261 A1 beschreibt eine Durchflusszentrifuge, deren Zentrifugenschlauch mit einem Rollenlager abgestützt ist, das an dem Drehrahmen befestigt ist. Das Rollenlager, das aus der inneren und äußeren Lagerschale mit den Wälzkörpern besteht, ist Bestandteil der Leitung. Zwar bietet das Rollenlager den Vorteil einer geringen Lagerreibung, allerdings ist die Herstellung aufwendig und damit der Preis relativ hoch. Dies ist insofern von Bedeutung, als die Zentrifugenleitung ein Einmalartikel ist, der nach dem Gebrauch verworfen wird. Eine gleitdichtungsfreie Durchflusszentrifuge, die über ein Lager zur Abstützung der Fluidleitung verfügt, ist auch aus der DE 198 03 535 A1 bekannt.

Die US 4,221,322 beschreibt eine Durchflusszentrifuge, deren Fluidleitung sich an einer rotationssymmetrischen Anlagefläche abstützt, die einen Abschnitt aufweist, der von einem rotierenden Kreisbogen gebildet wird.

Aus der US 4,111,356 ist eine Durchflußzentrifuge bekannt, deren Fluidleitung mit einem Führungselement versehen ist, das sich auf einer rotationssymmetrischen Anlagefläche abstützt. Es wird eine besondere Kontur für die Anlagefläche vorgeschlagen, mit der die mechanischen Beanspruchungen beim Betrieb der Zentrifuge verringert werden sollen. Der Verlauf der Kontur wird durch eine Gleichung beschrieben, in die verschiedene Parameter eingehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders einfache und kostengünstig herzustellende Zentrifuge zu schaffen, deren Leitung zum Zuführen und/oder Abführen des Fluids einerseits ausreichend abgestützt wird und andererseits verhältnismäßig geringen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, so dass hohe Drehzahlen möglich sind, wobei die Herstellung der Leitung besonders einfach und kostengünstig ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Anlagefläche des Führungselements, an der sich die Leitung der erfindungsgemäßen Zentrifuge abstützt, wird von einer rotierenden ebenen Kurve gebildet, wobei der Radius des jeweiligen Krümmungskreises, der die Kurve in einem Punkt berührt, mit zunehmendem Abstand zwischen dem Berührungspunkt und der zentralen Rotationsachse der Zentrifuge zunimmt. Dadurch wird erreicht, dass der Abrieb des Führungselementes und der Leitung über die gesamte Anlagefläche weitgehend gleichmäßig ist. Es hat sich gezeigt, dass bei gleichmäßigem Abrieb die Standzeit der Leitung verbessert ist.

Der Quotient aus dem jeweiligen Krümmungsradius R2 und dem jeweiligen Abstand R1 zwischen dem Berührungspunkt und der Rotationsachse sollte über den Verlauf der die Anlagefläche des Führungselementes beschreibenden Kurve möglichst konstant sein. Die Konstante a = R2/R1 wird stark von den verwendeten Materialien und den geometrischen Randbedingungen beeinflusst. Insbesondere ist die Biegesteifigkeit der Leitung von Bedeutung. Es hat sich gezeigt, dass die Standzeit insbesondere dann erhöht werden kann, wenn 1 ≦ a ≦ 2 ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Führungselement ein hülsenförmiger Körper, der die Leitung umschließt. Sowohl das Führungselement als auch die Leitung bestehen vorzugsweise aus abriebfesten Materialien, die ohne Schmiermittel leicht aufeinander gleiten können.

Die Anlagefläche des Führungselements schließt sich bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform an einen zylindrischen Führungsabschnitt an, dessen Durchmesser vorzugsweise derart bemessen ist, dass die Leitung darin lose geführt ist. Der zylindrische Führungsabschnitt dient der Führung eines geraden Abschnitts der Leitung, während die Anlagefläche der Abstützung eines sich daran anschließenden gebogenen Leitungsabschnitts dient.

Die Zentrifuge weist zur Abstützung der Leitung vorzugsweise zwei Führungselemente auf. Das erste Führungselement ist an der Seite der Separationseinheit vorgesehen, die der ortsfesten Anschlussstelle abgewandt ist. Mit diesem Führungselement wird die sich aus der Separationseinheit erstreckende Leitung in einer Schleife um die Separationseinheit zu der ortsfesten Anschlussstelle geführt, wobei sich die Leitung mit einem ersten Abschnitt an der Anlagefläche des Führungselements abstützt.

Das zweite Führungselement, das an der ortsfesten Anschlussstelle vorgesehen ist, stützt mit seiner Anlagefläche einen zweiten Abschnitt der um die Separationseinheit geführten Leitung ab.

Mit den erfindungsgemäßen Anlageflächen der beiden Führungselemente wird die Leitung so abgestützt, dass sie verhältnismäßig geringen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, so dass hohe Drehzahlen bei langen Standzeiten möglich sind. Prinzipiell kann aber auch nur das eine oder andere Führungselement über die erfindungsgemäße Anlagefläche verfügen.

In Abhängigkeit von der Form der Schleife, in der die Leitung geführt werden soll, können auch weitere Führungselemente vorgesehen sein. Jedes Führungselement kann auch zwei der erfindungsgemäßen Anlageflächen aufweisen, um die Leitung abstützen zu können.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer gleitdichtungsfreien Durchflusszentrifuge zum Zentrifugieren von biologischen Fluiden, insbesondere Blut,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines der beiden Führungselemente der Zentrifuge von Fig. 1 in vergrößerter Darstellung zusammen mit einem Abschnitt der Zentrifugenleitung,

Fig. 3 die Kontur der Anlagefläche des Führungselements von Fig. 2 und

Fig. 4 weitere Ausführungsbeispiele verschiedener Konturen der Anlagefläche des Führungslementes von Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer gleitdichtungsfreien Durchflusszentrifuge zum Zentrifugieren eines biologischen Fluids, insbesondere Blut, die in ihrem Aufbau und in ihrer Funktion der Zentrifuge entspricht, die in der DE 32 42 541 A1 beschrieben ist. Die Durchflusszentrifuge weist einen Drehrahmen 1 mit einer unteren 1a und einer oberen Tragplatte 1b sowie zwei Seitenteilen 1c, 1d auf. Der Drehrahmen 1 ist an einem ortsfesten Gestell 2 um eine vertikale Achse 3 drehbar gelagert und wird von einer in Fig. 1 nicht dargestellten Antriebseinheit mit einer Drehzahl n₁ angetrieben. An der oberen Tragplatte 1b des Drehrahmens 1 ist um die Rotationsachse des Drehrahmens 1 drehbar eine Separationseinheit 4 in Form einer zylindrischen Kammer gelagert. Die Separationseinheit 4 wird mit einer nicht dargestellten Antriebseinheit in der gleichen Drehrichtung wie der Drehrahmen 1 aber mit doppelter Drehzahl n₂ = 2n₁ angetrieben. Die Separationseinheit 4 kann auch an der Unterseite der Tragplatte 1b befestigt sein.

Die zentrale Rotationsachse, um die sowohl die Separationseinheit 4 als auch der Drehrahmen 1 rotieren, ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen A versehen.

Von einer ortsfesten Anschlussstelle 5 des Zentrifugengestells ist eine flexible Leitung 6, in der ein oder mehrere Schläuche zum Zuführen und Abführen des Blutes bzw. der Blutbestandteile in die Separationseinheit 4 bzw. aus ihr zusammengefasst sind, um die Separationseinheit 4 herumgeführt und an ihrer Unterseite angeschlossen. Ein Verdrillen der Leitung wird dadurch vermieden, dass die Leitung 6 mit der halben Drehzahl wie die Separationseinheit 4 um diese herumgeführt wird.

Die Leitung 6 ist Bestandteil eines Disposables, das neben der Separationseinheit 4 noch Beutel zum Sammeln der durch die Zentrifugation separierten Blutkomponenten umfasst. Das Disposable wird in die Zentrifuge eingelegt und nach dem Gebrauch verworfen. Derartige Schlauchanordnungen gehören zum Stand der Technik, so dass sich hier eine weitere Erläuterung erübrigt. Eine mehrere Sammelbeutel umfassendes Disposable ist beispielsweise in der DE 28 45 364 A1 und DE 28 45 399 A1 beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Um die mechanische Beanspruchung der Leitung 6 in Folge der Zentrifugalkräfte zu verringern, ist diese sowohl an der ortsfesten Anschlussstelle 5 als auch an der Seite der Separationseinheit 4 abgestützt, die der ortsfesten Anschlussstelle 5 abgewandt ist. Hierzu ist an der Unterseite der Separationseinheit ein erstes Führungselement 7 vorgesehen, das einen ersten Abschnitt 6a der Leitung 6 abstützt. An der ortsfesten Anschlussstelle 5 ist zur Abstützung eines zweiten Leitungsabschnitts 6b ein zweites Führungselement 8 vorgesehen. Beide Führungselemente 7, 8 haben einen identischen Aufbau. An einem seitlichen Arm 9 an der oberen Tragplatte 1b des Rahmens kann die Leitung mit einem weiteren nicht dargestellten Führungselement oder Lager befestigt sein.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze eines der beiden Führungselemente 7, 8 der in Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Zentrifuge in geschnittener Darstellung.

Das Führungselement 7, 8 ist ein hülsenförmiger Körper, insbesondere aus ABS- Kunststoff. Es weist eine rotationssymmetrische Anlagefläche 10 zur Abstützung eines gebogenen Abschnitts 11 der Leitung 6 auf, an der sich eine zylindrische Führungsfläche 12 zur Führung eines geraden Abschnitts 13 der Leitung 6 anschließt. Die zylindrische Führungsfläche 12 hat einen Durchmesser, der geringfügig größer als der Außendurchmesser der Leitung 6 ist, so dass die Leitung in dem Führungselement lose geführt ist.

Die rotationssymmetrische Anlagefläche 10 des Führungselements 7, 8 wird von einer um die Längsachse 14 des Führungselements rotierenden ebene Kurve 15 gebildet, deren Verlauf in Fig. 2 nur andeutungsweise dargestellt ist. Die Längsachse 14 des Führungselements liegt auf der Rotationsachse A der Zentrifuge.

Nachfolgend wird der theoretische Hintergrund für den Abrieb von Leitung 6 und Führungselement 7, 8 sowie der genaue Verlauf der Kontur der Anlagefläche beschrieben, mit der sich der Abrieb minimieren und die Standzeit sowohl der Leitung als auch des Führungselements verlängern läßt.

Näherungsweise kann der Abrieb zweier aufeinander reibender Flächen durch folgende Formel beschrieben werden:

A ~ V.P

Der Abrieb A ist proportional der relativen Geschwindigkeit V der beiden miteinander reibenden Flächen und deren Flächenpressung P.

Im Fall der Schlauchanbindung ist die relative Geschwindigkeit nicht konstant, sondern proportional vom radialen Abstand R1 zur zentralen Rotationachse A der Zentrifuge.

V ~ R1

Die Flächenpressung ist abhängig von Kräften, die zum einen durch die Biegung der Leitung und zum anderen durch Zugkraft aufgrund der Zentrifugation verursacht werden.

P = P1 + P2

P1 nimmt gemäß den Gesetzen des Biegebalkens proportional mit kleiner werdendem Biegeradius R2 zu, und P2 steigt gemäß den Gesetzen Seilumschlingung ebenfalls proportional mit abnehmendem Biegeradius R2 an. Somit gilt für die Gesamtflächenpressung P:

P ~ 1/R2

Für den Abrieb folgt daraus die Beziehung

A ~ R1/R2

Die Kontur der Anlagefläche 10 des Führungselements 7, 8 sollte derart beschaffen sein, dass der Abrieb über die gesamte Anlagefläche möglichst unverändert bleibt. Daraus folgt, dass der Quotient der beiden Radien R1 und R2 über den Verlauf der die Anlagefläche beschreibenden Kurve 15 möglichst konstant ist.

R2/R1 = a

Fig. 3 zeigt den genauen Verlauf der die Anlagefläche beschreibenden Kurve. Es sei angenommen, dass die zentrale Rotationsachse A der Zentrifuge durch den Ursprung des kartesischen Koordinatensystems verläuft (y-Achse).

Der Verlauf der Kurve wird durch die folgenden Gleichungen beschrieben:

x_(i+1) = R_1(i+1) = R_1i + R_1i.a.(cos α_i - cos (α_i + Δα)) (1)

Y_(i+1) = Y_i + R_1i.a.(-sin α_i + sin (α_i + Δα)) (2)

Δα = Δα_i = konst. (3)

α_i = i.Δα (4)

Der Radius R2 des jeweiligen Krümmungskreises, der die Kurve in einem Punkt berührt, nimmt mit zunehmendem Abstand R1 zwischen dem Berührungspunkt und der zentralen Rotationsachse zu.

Beispielsweise hat der Krümmungskreis, der die Kurve in dem Punkt P_i berührt, den Krümmungsradius R_2i. Der Abstand zwischen dem Berührungspunkt P_i und der zentralen Rotationsachse A (y-Achse) ist R_1i = x_i . Der Krümmungskreis, der die Kurve im Punkt P_i+1 berührt, hat den Radius R_2i+1. Der Abstand zwischen dem Berührungspunkt P_i+1 und der Rotationsachse A (y-Achse) ist R_1i+1 = x_i+1. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, hat der Berührungspunkt P_i+1 einen größeren Abstand zu der y-Achse als der Berührungspunkt P_i. Folglich muß der Krümmungsradius am Punkt P_i+1 größer als der Krümmungsradius am Punkt P_i sein, was aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die Mittelpunkte der Krümmungskreise sind in Fig. 3 mit M_i bezeichnet.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass lange Standzeiten insbesondere dann erreicht werden können, wenn 1 ≦ a 2 ≦ ist. Fig. 4 zeigt die Kontur der Anlagefläche für a = 1, a = 1,6 und a = 2. Die Kontur sollte zwischen den Grenzen a = 1 und a = 2 verlaufen.

Bei einer Konstante a = 1,6 ist der Abrieb weitgehend gleichmäßig über die gesamte Berührungsfläche verteilt. Bei einer Zentrifuge, die mit einer Drehzahl von 4.000 l/min drehte, konnte mit einer derartigen Kontur die Standzeit auf ca. 9 Stunden erhöht werden. Die die Anlagefläche beschreibende Kurve kann auch mit einer Ellipse approximiert werden.

Claims

1. Zentrifuge mit einem Drehrahmen (1), der an einem Gestell (2) drehbar gelagert ist, einer an dem Gestell gelagerten Separationseinheit (4), die mit doppelter Drehzahl in gleichem Drehsinn wie der Drehrahmen um eine zen trale Rotationsachse (A) drehbar ist, einer an der Separationseinheit ange schlossenen Leitung (6) zum Zuführen und/oder Abführen mindestens eines Fluids, die in einer Schleife um die Separationseinheit zu einer ortsfesten An schlussstelle (5) geführt ist, und mindestens einem Führungselement (7, 8), das eine zur Rotationsachse (A) symmetrische Anlagefläche (10) für die Lei tung aufweist, an der sich die Leitung abstützt, wobei die Anlagefläche des Führungselements von einer rotierenden ebenen Kurve (15) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius R2 des jeweiligen Krümmungskrei ses, der die Kurve in einem Punkt (P) berührt, mit zunehmendem Abstand R1 zwischen dem Berührungspunkt und der zentralen Rotationsachse (A) zu nimmt.

2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quotienten (R1/R2) aus dem Krümmungsradius R2 und dem Abstand R1 zwischen dem Berührungspunkt (P) und der zentralen Rotationsachse (A) eine Konstante a sind.

3. Zentrifuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Konstante a 1 ≦ a ≦ 2 gilt.

4. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (7, 8) ein hülsenförmiger Körper ist.

5. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anlagefläche (10) des Führungselements (7, 8) an eine zylindrische Führungsfläche (12) anschließt.

6. Zentrifuge nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der zylindrischen Führungsfläche (12) derart bemessen ist, dass die Leitung (6) in dem Führungselement (7, 8) lose geführt ist.

7. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Führungselement (7) an der Seite der Separationseinheit (4) vorgesehen ist, die der ortsfesten Anschlussstelle (5) abgewandt ist, wobei die Leitung (6) mit einem ersten Abschnitt (6a) an der Anlagefläche (10) des ersten Führungselements abstützend um die Separationseinheit geführt ist.

8. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Führungselement (8) an der ortsfesten Anschlussstelle (5) vorgesehen ist, wobei die Leitung (6) mit einem zweiten Abschnitt (6b) an der Anlagefläche (10) des zweiten Führungselements (8) abstützend um die Separationseinheit (4) geführt ist.