流过式离心机和补偿转子导引装置的制作方法

本发明涉及一种流过式离心机，在该流过式离心机中，将至少一种介质(特别是流体、液体、悬浮液等)至少暂时提供给离心室和/或在离心室旋转期间将介质从离心室排出。在此，介质可以在容器中布置在离心室中。所述至少一种介质尤其是待离心介质、冲洗液、洗涤或缓冲溶液、从离心介质中提取的改性介质和/或离心室中的沉淀物。仅举几个不限制本发明的例子，流过式离心机可以是这样一种血液离心机，其中待离心介质为血液，提取的改性介质或沉淀物为血细胞或血颗粒；也可以是这样一种流过式离心机，通过该流过式离心机可从介质中获得细胞、微载体或介质中含有的其他颗粒。也有可能离心后的介质不是纯液体，而是含有细胞、细胞碎片或细胞微粒等颗粒的溶液或悬浮液。例如，流过式离心机可用于生物制药公司的生物制药产品生产或生物加工应用。例如，流过式离心机可用于获得和/或澄清细胞或微载体，这样获得的细胞也可用于细胞治疗。流过式离心机的另一个应用领域是生产疫苗等。本发明还涉及一种补偿转子导引装置。

背景技术：

1、例如，sartorius ag公司(地址：otto-brenner-街20号，37079哥廷根，德国)和相关公司以“ksep”商标(注册商标)销售同类型的流过式离心机。在与这些流过式离心机有关的网站www.sartorius.com/en/products/process-filtrati0n/cell-harvesting/ksep-systems上(检查日期：2022年7月6日)，流过式离心机的功能原理(也可用于本发明)根据链接视频描述如下：

2、流过式离心机的转子具有任意数量(如两个或四个)的离心室，这些离心室可设计为保持在转子体上的血袋并均匀分布在圆周上。这些离心室与转子旋转轴线的径向距离相等。第一连接管路在径内部通入离心室，而第二连接管路在径向外部通入离心室。在第一运行阶段，第一介质(例如血液)通过第二连接管路供应给离心室，同时离心室随转子旋转。在离心室中，血液中所含的颗粒(如血球)由于离心作用而在径向外部沉积，而残余介质(即在径向外部供应的减少了被径向向外挤压的颗粒的介质)则通过第一连接管路在径向内部从离心室排出。因此，在第一运行阶段，第一连接管路是排出管路，而第二连接管路是供应管路。随着该运行的继续，离心室内的颗粒比例及其浓度不断增加，直到离心室大部分并最终完全被颗粒填满。在随后可选的第二运行阶段中，对离心室中的颗粒进行洗涤。为此，洗涤或缓冲溶液通过第二连接管路进入离心室。洗涤或缓冲溶液冲洗离心室，并在径向内部通过第一连接管排出。在这一运行阶段，离心室也随转子一起旋转，以防止颗粒在离心力的作用下与洗涤或缓冲溶液一起通过第一连接管路流出离心室。在第二运行阶段期间，第一连接管路也作为洗涤或缓冲溶液的排出管路，而第一连接管路则作为洗涤或缓冲溶液的供应管路。在随后的第三运行阶段，离心室继续随转子扭转。在第三运行阶段，流经离心室的流动方向相反，颗粒通过第二连接管路从离心室中移出，而洗涤或缓冲溶液可通过第一连接管路补充输入到离心室。当所有颗粒都从离心室中移出后，第三运行阶段结束。随后，可连续进行上述三个运行阶段的循环。

3、ep3936601a1描述了介质网络的设计，该介质网络与连接管路相连，并确保不同的运行阶段。关于该介质网络、其中包含的泵装置、工艺控制单元、附加过滤器装置、用于不同介质的接收容器以及工艺流程方面，还可参考ep3936601a1、ep2310486b1和ep2485846b1。

4、ep2485846b1指出，在流过式离心机中，通过旋转导通装置与随转子旋转的连接管路进行流体连接可能存在问题，因为旋转导通装置容易发生泄漏，并带来介质受到意外污染的风险。另一方面，根据us4,216,770、us4,419,089、us4,389,206和us5,665,048，使用了连接线路，连接管路可以集成在该连接线路中。连接线路的一端部区域固定在壳体上，另一端部区域连接在转子上并与转子扭转。为了防止转子的扭转和连接线路端部的相对扭转导致连接线路的扭曲加剧，连接线路还附加地在导引管形式的转子补偿导引装置中被导引。导引管具有部分段，该部分段的形状为倒圆的u形，其侧脚长短不一，略微分开。所述u形的开口指向转子旋转轴线的方向。从固定在壳体上的端部区域开始，连接线路向外弯曲并进入所述u形的侧腿。在u形的部分区段中，连接线路在导引管的引导下围绕所述转子。所述导引管的u形的另一侧腿的自由端部区域向后弯曲，使其与转子的旋转轴线同轴，并与连接线路进入转子的位置直接相邻。然后以转子转速的一半驱动导引管。ep2485846b1参考了us3,586,413，解释了如何通过使用旋转的导引管来避免增加连接线路的扭曲。

5、更多现有技术可参见ep1295642a1。

技术实现思路

1、本发明的任务是提出一种流过式离心机以及一种用于流过式离心机的补偿转子导引装置，该补偿转子导引装置在应力和抗疲劳强度方面有所改进。

2、根据本发明，所述任务通过独立权利要求的特征解决。本发明的更多优选实施方案可以由从属权利要求得出。

3、本发明涉及一种流过式离心机。该流过式离心机具有转子，该转子具有(至少)一个离心室。待离心的介质可以直接或在合适的容器中布置在离心室中并且可以用其他介质(如洗涤或缓冲溶液)冲洗该离心室。在流过式离心机中，转子以一定的转子转速绕转子轴线扭转。流过式离心机具有连接线路。该连接线路具有连接管路，当流过式离心机在转子旋转的情况下运行时，介质可通过所述连接管路供应给离心室(特别是供应给布置在离心室中的容器)。此外，所述连接线路还具有连接管路，介质可通过该连接管路从离心室(尤其是布置在离心室中的容器)排出。根据当前的运行阶段，通过连接管路的流向可以颠倒。连接线路的一端部区域固定地布置在壳体上，而连接线路的另一端部区域随着转子扭转。为了避免连接线路扭曲，该连接线随着补偿转子扭转，其中该连接线路在补偿转子的补偿转子导引装置(尤其是导引管)中被导引。补偿转子和补偿转子导引装置以转子转速的一半绕转子轴线扭转。在这方面，流过式离心机的设计可以与开头提到的现有技术中的流过式离心机相同。

4、在传统的流过式离心机中，连接线路由柔性管或软管(优选波纹管)组成，所述连接管路穿过所述柔性管或软管。这种连接线路的成本很可能在5000欧元到15000欧元之间，其中一方面包括连接线路和通往转子的接口，另一方面包括通往介质网络的接口。由于在流过式离心机的运行过程中连接线路会受到很大的应力，可能只需运行5到20个小时就需要更换连接线路，这一方面会导致流过式离心机的更换时间和停机时间过长，另一方面也会造成可观的成本。由于通常不可能通过降低转子转速或增加连接线路尺寸和/或为连接线路选择高强度材料来延长连接线路的使用寿命，因此根据现有技术，必须忍受连接线路的使用寿命如此之短。

5、本发明首先基于对流过式离心机运行期间作用在连接线路上的应力的研究。本发明所依据的研究得出的结论是，在流过式离心机中，连接线路承受复杂的应力：

6、a)连接线路在补偿转子导引装置中围绕纵轴做相对旋转运动。这种相对旋转运动导致连接线路和补偿转子导引装置之间产生摩擦。这种摩擦会导致连接线路的扭转应力随连接线路的纵向延伸而变化。此外，连接线路和补偿转子导引装置内壁之间的摩擦会导致在接触和摩擦面区域中将热量引入到连接线路中并且在某些情况下会导致磨损。

7、b)连接线路在补偿转子导引装置中被如此导引，以至于连接线路跟随补偿转子导引装置的第一导引轮廓段从固定在壳体上的端部区域和相对于转子轴线的同轴布置向外弯曲。从一个拐点开始，连接线路在补偿转子导引装置的第二导引轮廓段中向相反的方向弯曲，直到连接线路以平行于转子轴线定向的区段在径向外部被引导经过转子。因此，在上述导引轮廓段中，连接线路根据细长的s形被导引，其中该s形的两端方向相互平行，一端与转子轴线同轴，而另一端则具有连接线路与转子轴线之间的最大距离。连接线路在补偿转子导引装置中按照上述导引轮廓段的导引轮廓弯曲，并因此从其拉长的初始位置开始承受弯曲。

8、由于连接线路的机械边界条件，即

9、-连接线路的一端部区域固定在静止的壳体上，

10、-连接线路的另一端部区域固定在以转子转速旋转的转子上，以及

11、-连接线路在以转子转速的一半扭转的补偿转子导引装置中的导引，

12、连接线路的弯曲不是静止的，而是一种周向弯曲。在远离(假想的)中性纤维的地方，由于周向弯曲，连接线路的临时径向外部材料区域、特别是柔性软管或柔性(波纹)管，会交替承受交变应力、即交变拉应力和交变压缩应力。

13、c)如果连接线路具有波纹管，则波纹管的周向弯曲会导致波纹管的波纹或肋在弯曲导引轮廓的径向内侧相互接触，从而会导致波纹管刚度的非线性，进而导致波纹管的应力机制发生变化。

14、d)本发明所基于的考虑得出的结论是，离心力作用在连接线路的纵向段(特别是软管或(波纹)管及布置在其中的管路以及布置在所述管路中的介质)上，其大小取决于各纵向段与转子轴线的距离。在此，作用在各纵向段上的离心力具有

15、-第一分量，其作用在补偿转子导引装置的导引面方向上，从而增加连接线路与补偿转子导引装置之间的接触压力和摩擦；以及

16、-第二分量，其沿连接线路的纵向方向定向并且导致在连接线路的纵向方向上的拉伸力或压力。

17、离心力被分为两个分量是以下角度的三角函数的结果，所述纵向段相对于转子轴线以该角度倾斜。

18、在第一导引轮廓段中，第二分量引起拉伸力，该拉伸力致使连接线路拉伸，而在第二导引轮廓段，第二分量引起压力，该压力致使连接线路压缩。

19、在这种情况下，在连接线路的第一纵向延伸坐标处(与转子轴线的距离较小)，连接线路的第一材料区域内离心力引起的拉伸力尤其大于在连接线路的第二纵向延伸坐标处(与转子轴线的距离较大)连接线路的第二材料区域内离心力引起的拉伸力。这是因为在连接线路的第一纵向延伸坐标处，连接线路的较长区段布置在连接线路第一材料区域的径向外侧，这可能导致离心力产生更大的拉伸力。

20、e)根据作用的应力的不同，连接线路中的边界条件可能会发生变化。例如，软管或(波纹)管中连接管路的伸长可能导致连接管路不再紧靠软管或(波纹)管的内表面，因此软管或(波纹)管不再受到内部支撑，并且连接线路的内部摩擦发生变化。也可能的是，由此使得连接线路的纵向强度和/或抗弯强度发生变化

21、f)连接线路的管路中介质的任何弹性都具有进一步的意义，因为弹性导致的离心力会引起连接管路内部的压力变化、与此相关的质量分布的变化和/或刚度的变化。

22、基于上述考虑、上述对连接线路应力的研究以及本发明所依据的实验，本发明提出在流过式离心机中使用补偿转子导引装置，该补偿转子导引装置具有导引轮廓，其曲率半径在距转子轴线的第一距离大于距转子轴线的第二距离，其中第一距离小于第二距离。

23、这可以通过不限制本发明的简化的例子来解释，即导引轮廓是按照沿水平方向拉长的s形设计的，其左下端部区域与转子轴线同轴地取向，右上端部区域与转子轴线平行地取向。在这两个端部区域之间的中心具有转向点，在该转向点的区域中，曲率在数学意义上发生了符号变化。对于这个简化的示例，在左下端部区域和转向点之间的第一导引轮廓段中，曲率半径恒定地对应于第一曲率半径，而在转向点和右上端部区域之间的第二导引轮廓段中，曲率半径恒定地对应于第二曲率半径，其中第二曲率半径小于第一曲率半径。

24、在第一导引轮廓段中，由于周向弯曲，横截面在各自的纵向延伸坐标处受到周向弯曲应力的作用，在第一导引轮廓段中，所述周向弯曲应力的大小在纵向延伸范围内可以是恒定的，但其符号会随着周向弯曲的谐波走向而改变。拉应力与所述周向弯曲应力叠加，该拉应力来自于连接线路的质量，由与转子轴线距离相对应的离心力产生并且与转速成二次方相关。在第一导引轮廓段的第一端，即从与转子轴线同轴开始弯曲的位置，离心力起作用，该离心力由第一导引轮廓段中连接线路的整个部分段产生，并且也可能由第二导引轮廓段中的部分段产生。对于第一导引轮廓段中与转子轴线距离较远的纵向延伸坐标，由于横截面中的离心力而作用在纵向延伸坐标上的拉伸力减小，因此在第一端，离心力引起的拉伸力和由此产生的拉应力最大。然后，周向弯曲应力和离心力引起的拉应力在各自纵向延伸坐标处的横截面上叠加。如果周向弯曲暂时导致周向弯曲压应力，那么与离心力引起的拉应力叠加会导致所产生的应力减小，这对材料应力是有利的。然而，不久之后，同一横截面区域在进一步周向弯曲时也会受到周向弯曲拉应力，此时与离心力引起的拉应力叠加会导致周向弯曲拉应力和离心力引起的拉应力相加。这导致所产生的最大应力的增加，这也是限制连接线路使用寿命的一个可能原因。

25、通过本发明的设计可以减少所产生的最大应力，从而延长(很可能显著延长)使用寿命：

26、根据本发明，在转子轴线或其邻近区域，曲率半径被选择得更大。通过增大曲率半径，可以减小周向弯曲应力的振幅，从而减小所产生的最大应力，进而减小应力，尽管如上所述，应力与离心力引起的拉应力相叠加。

27、根据本发明，导引轮廓具有第一导引轮廓段和第二导引轮廓段。对于上述例子，每个导引轮廓段都可以设计为四分之一圆的形状，它们的曲率方向相反，其中在这种情况下，导引轮廓段具有不同的半径。不过，完全也可以在至少一个导引轮廓段中存在曲率半径不同的导引轮廓段，其中曲率半径可以阶梯式变化，或者也可以连续变化。对于本发明的建议，导引轮廓段具有第一方向上的曲率，而第二导引轮廓段具有第二方向上的曲率。第一导引轮廓段和第二导引轮廓段通过中间段相互连接，该中间段优选相对于转子轴线径向地取向。对于开头介绍的四分之一圆形的导引轮廓段的例子，中间段可以由导引轮廓段的彼此面对的端部的局部连接点形成，其中也可以在这些端部之间延伸出直线的、优选径向取向的中间段。替换或累加地，第一导引轮廓段和第二导引轮廓段还可以通过转向段相互连接，在转向段中曲率符号发生变化。第一导引轮廓段与转子轴线的距离小于第二导引轮廓段。第一导引轮廓段中的曲率半径大于第二导引轮廓段中的曲率半径。仅举几个不限制本发明的例子，第一导引轮廓段中的曲率半径可以比第二导引轮廓段中的曲率半径大至少5％、至少10％、至少15％、至少20％、至少25％、至少30％、至少40％，甚至至少50％。例如，这可以：

28、-仅适用于导引轮廓段的特定纵向延伸坐标处的离散曲率半径，

29、-适用于曲率半径恒定的导引轮廓段的部分段，

30、-适用于导引轮廓段中的平均曲率半径，或

31、-适用于导引轮廓段中曲率半径连续变化的所有曲率半径。

32、替换或累加地，第一导引轮廓段中的曲率半径也可以沿纵向延伸方向并且随着与转子轴线距离的增加而连续减小或阶梯式减小。

33、原则上，在本发明的范围内，连接线路能够以任何方式构造。优选地，连接线路具有波纹管，连接线路的不同管路、特别是连接管路可以延伸穿过该波纹管。波纹管的作用包括捆绑管路、保护管路、引导和封装管路。

34、对于本发明的一个特别的建议，第一导引轮廓段中的曲率半径随着与转子轴线距离的增加而连续变小。这可能只适用于第一导引轮廓段。优选地，第二导引轮廓段中的曲率半径也随着与转子轴线距离的增加而连续变小。

35、如上所述，导引装置中连接线路的应力相当复杂，这也会使导流轮廓段的几何设计要求变得复杂。在流过式离心机的一种设计中，第一导引轮廓段和/或第二导引轮廓段在不同纵向延伸坐标处的曲率半径的尺寸是这样确定的：在这些或所有纵向延伸坐标处，在补偿转子导引装置中导引的连接线路的应力是恒定的，或者变化幅度最大为±20％、最大为±15％、最大为±10％或最大为±5％。在此，应保持恒定或仅以规定的百分比变化的应力由两个不同的分应力的叠加确定：

36、-纵向延伸坐标处连接线路的拉应力，其由于布置在纵向延伸坐标径向外侧的连接线路区段引起的离心力而产生；

37、-纵向延伸坐标处连接线路的周向弯曲应力，其由于连接线路相应于该连接线路的所述弯曲的周向弯曲而产生的。

38、这种设计一方面基于上述两个分应力对连接线路强度起决定性作用的假设，其中一方面可以通过规定的百分比变化范围考虑安全，另一方面可以考虑出现的其他应力(摩擦、加热、磨损......)。

39、对于替换或累加的设计标准，曲率半径的尺寸应使第一导引轮廓段和/或第二导引轮廓段中连接线路纵向延伸上的上述两个分应力至少比连接线路的允许应力小预定百分比。例如，制造商可以规定在连接线路中使用波纹管时的最大静态弯曲应力，因此在这种情况下，根据两个分应力确定的应力比制造商规定的弯曲应力小预定的百分比。用分应力确定的应力所对应的另一个允许应力可以是最大动态拉应力和/或弯曲应力，或者是连接线路或整个连接线路的某个部件的预定拉伸强度或抗疲劳强度。

40、如前所述，本发明任务的另一个解决方案是一种用于流过式离心机的补偿转子导引装置。该补偿转子导引装置具有导引管或由导引管组成，其中导引管具有导引轮廓，该导引轮廓具有第一导引轮廓段和第二导引轮廓段。第一导引轮廓段具有第一方向上的曲率，而第二导引轮廓段具有与第一方向相反的第二方向上的曲率。第一导引轮廓段和第二导引轮廓段通过优选相对于转子轴线径向地取向的中间段相互连接或者通过转向段相互连接。第一导引轮廓段与转子轴线的距离小于第二导引轮廓段。第一导引轮廓段中的曲率半径大于第二导引轮廓段中的曲率半径。在导引管中，第一导引轮廓段中的曲率半径有可能朝面向第二导引轮廓段的端部区域的方向变小，这可以阶梯式地进行，或者也可以连续地进行。

41、本发明的其他有利拓展由权利要求、说明和附图中得出。

42、说明书中提到的特征和若干特征组合的优点只是示例性的，可以替换或累积地生效，而这些优点不一定必须通过根据本发明的实施例来实现。

43、关于原始申请文件和专利的公开内容(而非保护范围)，以下内容适用：更多特征可从附图中获取--特别是图中所示的几何形状和若干组件之间的相对尺寸以及它们的相对布置和作用连接。本发明不同实施例的特征或不同权利要求的特征的组合也是可能的，可以偏离权利要求中选定的引用关系，并在此给出启示。这也适用于在单独附图中显示或其说明中提及的特征。这些特征也可以与不同权利要求中的特征相结合。同样，在本发明的进一步实施例中，也可以省略权利要求中列出的特征，但这不适用于已授权的独立权利要求。

44、权利要求书和说明书中提到的特征在其数量方面应理解为恰好是这个数量或比提到的数量更多，而不必明确使用副词“至少”。因此，举例来说，当提到一个元件时，应理解为具有恰好一个元件、两个元件或更多元件。权利要求中列出的特征可以由其他特征补充，也可以是各权利要求的主题所具有的唯一特征。

45、权利要求中所包含的附图标记并不构成对权利要求所保护对象范围的限制。它们只是为了使权利要求更容易理解。