Centrifuges, which are widely used in the fields of cellular and molecular biology, biochemistry, and polymer science, are devices that separate particles of different densities and sizes through the application of a centrifugal force. Ultracentrifuges, a kind of centrifuges, rotate the rotor more than 35,000 rpm and generate maximum RCF(relative centrifugal force) of 700,000 g. This study proposes a novel ultracentrifuge which doesn`t require tube-balancing and vacuum chamber, and presents its feasibility. The employment of magnetic bearings and rigid shaft instead of ball bearings and flexible shaft in the conventional ultracentrifuges is essential to the proposed novel ultracentrifuge. The proposed novel ultracentrifuges have the advantages over the conventional ultracentrifuges as follows. First, because they operates under atmospheric condition, all vacuum-related equipment such as vacuum chamber, vacuum pump, diffusion pump and sealing can be removed. Second, they do not require any additional time and power for vacuum chamber to create the specified vacuum level or release the vacuum. Third, they can be robust to the change of unbalance owing to the samples by using autobalancing function of magnetic bearings. Then, their usability could be improved because users do not have to control the unbalance of the samples by themselves. Forth, the maintenance costs caused by wear and tear due to ball bearings and sealings would be removed. Fifth, they do not need any additional lubrication system for ball bearings.
In this study, the core components such as rotor, shaft, motor, magnetic bearings were carefully prepared considering the ultra-high rotational speed and composed the prototype of the proposed novel ultracentrifuge. The following studies were performed to verify the principal performances for the ultracentrifugal operation, and they showed the feasibility of the proposed ultracentrifuge. First, the rotor and the shaft were designed to have the structural strength enough to withstand the centrifugal force by ultracentrifugal operation. The performances of rotor, shaft and magnetic bearings were verified by spin test under atmospheric condition up to 95,000 rpm for shaft only and 80,000 rpm for rotor-shaft assembly. Second, AM-HMB, a novel axial magnetic bearing using axially-magnetized ring magnet was proposed and employed in the proposed ultracentrifuge. Third, it was confirmed that users do not need to do tube-balancing before centrifugation by applying autobalancing function of magnetic bearing. Forth, it was confirmed through the centrifugal test at ultracentrifugal speed under atmospheric condition that the realization of the propose vacuum chamber-free ultracentrifuge is possible.
It is expected that the proposed ultracentrifuge can resolve many complex and difficult issues of the conventional ultracentrifuges such as design, manufacturing, maintenance, inconvenience in use.
원심분리기는 원심력을 이용하여 밀도나 크기가 다른 입자를 분리해내는 장치로서 세포생물학, 분자생물학, 생화학, 고분자 화학 등의 분야에서 폭넓게 사용된다. 초원심분리기는 35,000 rpm이상의 속도로 회전하면서 최대 700,000 g의 상대원심력을 발생해 낼 수 있는 원심분리기이다. 본 연구에서는 시료밸런싱 및 진공챔버가 불필요한 새로운 형태의 무진공챔버 초원심분리기를 제안하고 그 가능성을 확인하였다.
제안된 초원심분리기는 기존 원심분리기에서 사용하는 볼베어링 대신 자기베어링을 사용할 때 가능하다. 제안된 무진공챔버 초원심분리기는 다음과 같은 장점을 가진다. 첫째, 대기조건에서 동작할 수 있기때문에, 초원심분리기에서 진공챔버, 진공펌프, 확산펌프, 실링 등의 진공관련 장비들을 모두 제거할 수 있다. 둘째, 진공을 생성하거나 해제하기 위한 부가적인 시간이 필요하지 않다. 셋째, 자기베어링의 자동밸런싱 기능을 이용하여 원심분리용 시료에 의한 불균형량 변동에 강인하게 대처할 수 있다. 사용자가 시료밸런싱을 정밀하게 진행할 필요가 없어 사용 편의성이 향상된다. 넷째, 베어링, 실링 등에 대한 유지보수가 필요없다. 다섯째, 베어링을 위한 별도의 윤활장치가 필요없다.
본 연구에서는 초고속 회전을 고려하여 자기베어링을 이용한 무진공챔버 초원심분리기를 구성하는 로터, 샤프트, 모터, 자기베어링 등을 구성하였다. 대기 조건에서 샤프트만을 이용한 95,000 rpm, 로터-샤프트 조립체를 이용한 80,000 rpm 회전실험을 통해 회전체의 구조강도와 자기베어링 성능을 검증하였다. 새로운 방식의 축방향착자 영구자석을 이용한 축방향 자기베어링인 AM-HMB를 제안하고 적용하였다. 자기베어링의 자동밸런싱을 적용함으로써 시료밸런싱을 제거할 수 있음을 확인하였다. 대기조건 초원심분리급 회전을 통해 진공챔버가 제거된 초원심분리기가 실현가능한 것임을 확인하였다.
본 연구에서 제안된 자기베어링을 이용한 무진공챔버 초원심분리기를 적용하면 기존 초원심분리기의 복잡하고 어려운 설계, 제작, 유지보수, 사용상 번거로움 등의 문제를 모두 해결할 수 있을 것으로 기대한다.
