CN112410214B - 一种轨道式振荡培养箱 - Google Patents

Abstract

本公开描述了一种轨道式振荡培养箱，其包括限定培养腔的培养箱箱体和配置成振荡振荡托板的轨道式振荡器。轨道式振荡器包括驱动电机，该驱动电机包括定子和转子以及安装至转子的偏心轴承。轨道式振荡器固定在培养腔内或处于可移动形式，而无需固定，而是仅放置在培养腔内部。轨道式振荡器还包括轴承，其配置成将转子支撑在支撑装置上。转子、轴承和支撑装置配置成将定子与培养腔相互密封隔离。

Description

一种轨道式振荡培养箱

技术领域

本公开涉及轨道式振荡培养箱，尤其该振荡培养箱具备了培养箱和轨道式振荡器的复合功能。

背景技术

现在已知的轨道式振荡器用于实验室环境中，以轨道式运动混合实验或测试样本。轨道式振荡培养箱包括培养箱，用于在混合时将生物样品保持在预设的环境条件下。通过控制培养箱内的各种环境参数，例如温度，相对湿度，二氧化碳浓度等，上述已知的轨道式振荡培养箱可提供广泛的功能以满足生物培养需要的特定生长条件。

然而，所有已知的轨道式振荡培养箱具有某些缺点，导致在培养箱内的振荡器无法处于最理想的使用状态。

例如，专利号为US 2010/0330663A1的专利中涉及一种带振荡器的培养箱。所述培养箱腔体由包括一个用于培养细胞的培养腔体和一个相邻的装置腔体。振荡器的一部分位于培养腔体内，包括振荡托板，驱动臂，驱动轴以及偏心旋转接头；而振荡器的另一部分，位于相邻装置室，包括电机以及驱动皮带。底板将培养腔与相邻装置室相互密封隔离。因为振荡器的部分部件位于培养腔内，另一部分位于相邻装置室中清洁困难，且不能保证消毒杀菌的效果。

专利号为EP1626082B1的专利涉及一种用于细胞培养箱的振荡系统。培养箱的腔体由两部分构成，位于振荡托板上面的培养用腔体和位于振荡托板下面的安装振荡单元的装置腔体。为了振荡位于培养腔内装有细胞培养物的容器，一根在水平面上进行偏心运动的转动轴伸入到培养腔内。在所述轴的自由(非固定)端，有一个用于放置细胞培养容器的振荡托板。为了实现振荡运动，位于培养腔与装置腔之间的密封件为弹性波纹管型密封件。弹性波纹管型密封件可能会因为长期运动而产生裂纹，导致污染物可能会从装置腔进入到培养腔内。

本发明的发明人认识到，上述的振荡培养箱，由于其振荡器的开放式或分离式设计，导致外来物质，例如污染物、细菌等容易进入振荡器内部，可能造成难以清洁振荡器和污染细胞培养物的问题。

发明内容

本公开提供了一种轨道式振荡培养箱，可以克服上述问题。

根据一方面，提供一种轨道式振荡培养箱，其包括：限定培养腔的培养箱箱体；以及轨道式振荡器，其配置成振荡振荡托板；其中，轨道式振荡器包括驱动电机，驱动电机包括定子与转子；以及安装在转子上的偏心轴承；其中，轨道振荡器位于培养箱内，并且轨道式振荡器相对于培养腔密封，以防止培养腔内的物质进入轨道式振荡器的内部。应理解在一些实施例中，振荡托板在轨道式振荡器的带动下实现偏心往复运动。

培养腔可能是一种封闭或者可封闭的腔室，使生物样品在混合时可以处于预设环境条件下。例如，培养腔可以用于哺乳动物细胞的培养。振荡托板可以被固定在偏心轴承上。各种类型的生物培养瓶，如锥形瓶，可以固定在振荡托板上并且被振荡以混合其中的细胞培养物，并在振荡结束后可以从振荡托板移除该培养瓶。

偏心轴承可以引导振荡托板在椭圆形轨道中运动，特别是在不同的椭圆形轨道中运动。为此，偏心轴承可以包括封闭的球轴承。偏心轴承还可以包括机械引导件以通过强制旋转来使得偏心轴承进行轨道运动。偏心轴承可以以固定的方式安装到转子。也可以将偏心轴承在转子上的固定位置调整到不同的位置，从而可以改变轨道运动的振荡直径。为此，可以提供可以调整并且固定偏心轴承在转子上的固定位置的机械装置。该机械装置可以包括滑轨装置、螺纹连接装置等，只要其能够实现偏心轴承在转子的不同位置处的固定。

由于偏心轴承安装在转子上，且轨道式振荡器固定在培养腔内的结构，或者在可移动的设计中，所述轨道式振荡器被放置在培养腔内，因此这种在驱动电机与振荡托板之间的高度差较小的紧凑设计方式，还可以避免振荡托板产生强烈的震动。

轨道式振荡器可以包括一个支撑装置，该支撑装置将轨道式振荡器固定到培养箱体的底部，使得轨道式振荡器延伸到培养腔内部。优选地，轨道式振荡器可以直接固定到培养箱体底部，无需在轨道式振荡器和培养箱体底部之间增加额外的底板。

在可移动的设计中，轨道式振荡器也可以被放置在培养箱内，而无需固定至培养箱体的底部。在这种情况下，支撑装置可以包括底座，用于将轨道式振荡器放置在培养箱体的底部。

为了防止因为污染导致的细胞培养的损失，对培养箱(即培养腔内的所有表面)进行有效地清洁，消毒和杀菌是非常重要的。例如，这对于符合GMP(药品生产质量管理规范，Good Manufacturing Practice)要求的细胞培养至关重要。而且，精确控制在培养腔内的环境对于维持最佳的细胞培养条件是必要的。为了满足这些要求，轨道式振荡器可以包括轴承，该轴承将转子支撑在支撑装置或底座上，其中，转子，轴承，支撑装置或底座将定子与培养腔密封隔离。优选地，轴承包括球轴承。因此，轨道式振荡器(即定子)是完全密封的，并且完全密封的轨道式振荡器位于培养腔内。特别地，除了非移动式轨道式振荡器的支撑装置的某些部分之外，轨道式振荡器可以完全位于培养腔内部。因此，一方面，通过转子，轴承，支撑装置将定子与培养腔密封隔离，有利于提供易于清洁，消毒和灭菌的培养腔内表面。另一方面，将在运行时产生热量的定子与培养腔密封隔离有利于培养腔内的温度控制。

为了提高定子与培养腔的密封隔离，转子可以包括转子板，并且轴承可以是位于转子板与支撑装置之间的密封轴承。优选地，密封轴承包括密封球轴承。通过密封轴承，可以防止轨道式振荡器的任何移动部件穿透进入培养腔。此外，转子板可被螺纹连接至转子，并且密封轴承可包括具有迷宫式密封设计的轴承隔离器，以使得定子能够相对于培养腔密封隔离，并且另外防止润滑剂从轴承泄漏到培养腔内。

作为密封轴承的补充或替代，轨道式振荡器可以包括另一动态密封件。在该实施例中，转子，动态密封件以及支撑装置将定子与培养腔密封隔离。动态密封件可以使得其保持或分离水分与液体，阻止污染物并且控制培养腔内的温度和气候环境。而且，它在旋转轨道式振荡器的运动表面与静止表面之间构造了一层阻隔。动态密封件可以为接触式密封件，在正压力下与相对应的表面抵接且密封，也可以为间隙式密封件，与相对应的表面之间存在间隙，因此不会产生摩擦接触。

在一实施例中，动态密封件包括安装在转子上的唇形密封件。唇形密封件可以是柔性唇，并且可以指向培养腔，以确保保持培养腔内的清洁和消毒。动态密封件可以进一步包括弹簧，该弹簧有助于使唇形密封件与支撑装置或支架接触。优选地，唇形密封件是美国食品药品监督管理局(FDA)批准的紧密密封件。

在轨道式振荡器的非移动形式的另一实施例中，支撑装置可以包括衬套和轴，其中，衬套被安装到培养箱箱体，并且轴承被安装到轴。优选地，轴是空心轴。

在轨道式振荡器的可移动形式的另一实施例中，支撑装置可以包括基座元件和轴，其中，基座元件被放置在培养箱箱体的底部上，并且轴承被安装到轴。优选地，轴是空心轴。

在轨道式振荡器的非移动形式中，为了改进定子相对于培养腔的密封，可以设置静态密封，例如O形圈，其将衬套密封到培养箱箱体。

在优选的实施方式中，驱动电机是直驱电机，尤其是直驱旋转电机。直驱旋转电机可以是力矩电机。直驱电机的定子可以包括直流电磁体和传感器，并且转子可以在内周表面上包括永磁体。可以根据由传感器确定的转子的位置，通过控制单元(例如，微处理器)来切换定子的电磁体的磁场方向。由于直驱旋转电机不包括任何机械动力传递装置(例如皮带)，因此几乎没有磨损。此外，直驱旋转电机具有噪音低，功耗低和发热小的优点。此外，由于直驱旋转电机的电动机速度与振荡托板的振荡速度相同，因此控制单元可以容易地改变振荡托板的振荡直径。特别地，直驱旋转电机确保了关于振荡托板的振荡速度(rpm)和负载(kg)的高性能旋转运动。

为了能够排出由驱动电机产生的热量，非移动形式中的轨道式振荡器可以进一步包括延伸穿过培养箱箱体的基部的通道。优选地，通道可延伸穿过定子和培养腔外部之间的空心轴，从而将驱动电机产生的热量排放到外部。为了改善散热，还可以提供通风机。

轨道式振荡器还可以包括位于通道内的冷却通道。冷却通道配置成使得冷却液可以在冷却通道中流通。尤其是，通过利用来自冷却通道的液体进行主动冷却，定子可以用作散热器。

为了补偿由存储于被固定在振荡托板上的容器中的液体质量产生的离心力，轨道式振荡器还可包括安装至转子的可调节配重件。例如，可调节配重件可以螺纹连接至转子。配重件可在不平衡情况下进行手动校准，从而可以高速振荡储存在容器中的液体，而不至于引发强烈的振动。配重件也可以根据偏心轴承在转子上的位置变化来调节。

优选地，振荡托板的轨道运动的直径可以在19至50mm之间。进一步优选地，振荡托板的转速可以在80至200rpm之间，最大转速为400rpm。更优选地，需要振荡的负载的重量可以高达25kg。

为了确保培养箱内的所有表面耐腐蚀，耐化学腐蚀并易于清洁，转子，配重件和培养箱内壁中的至少一个由不锈钢制成，优选地均由不锈钢制成。

在振荡托板上可以放置一个或多个锥形瓶，例如1到15个锥形瓶。锥形瓶高度可达365mm，并且可以包括10ml至3000ml的液体，而且还可以以可拆卸方式被固定在振荡托板上。为了吸收在振荡期间的相应的杠杆力，偏心轴承可包括相互叠放的两个密封轴承。另外，振荡托板可以被机械地引导，使得其执行轨道运动而不是圆周运动。可替代地，这种稳定运动可以用两对片簧来获得。

附图说明

图1是示意地示出轨道式振荡培养箱的第一实施方式的剖视图；以及

图2是示意性地示出轨道式振荡培养箱的第二实施例的剖视图。

具体实施方式

通常，除非明确给出和/或从其所使用的上下文中暗示不同的含义，否则本文中使用的所有术语将根据其在相关技术领域中的普通含义来解释。除非明确说明，否则对一个元件，设备，组件，装置，步骤等的所有引用应公开解释为是指该元件，设备，组件，装置，步骤等的至少一个实例。在适当的情况下，本文公开的任何实施例的任何特征可以应用于任何其他实施例。同样，任何实施例的任何优点可以适用于任何其他实施例，反之亦然。通过下面的描述，所附实施例的其他目的，特征和优点将显而易见。

现在将参照附图更全面地描述本文所设想的一些实施例。然而，其他实施例包含在本文公开的保护范围内，所公开的主体不应解释为仅限于本文阐述的实施例。而是，通过示例的方式提供这些实施例，以将本公开的保护范围传达给本领域技术人员。

图1是示意地示出轨道式振荡培养箱的第一实施方式的剖视图。轨道式振荡培养箱包括培养箱箱体1和轨道式振荡器3，培养箱箱体1限定培养腔2。轨道式振荡器3相对于培养腔2密封，以防止培养腔2内的物质进入轨道式振荡器3的内部。培养箱还可以包括用于操作该培养箱的其他元件，这些元件并未在图1中示出，例如，用于加热空气的独立加热装置，将空气吸入培养腔2的吹气装置和其他迫使空气在整个培养腔中循环的装置，温度和气候控制装置以及用户界面等。

振荡托板4以可拆卸的方式固定在轨道式振荡器3上。三个锥形瓶5以可拆卸的方式固定在振荡托板4的顶部。在每个锥形瓶5内存储有生物液体6。当振荡托板4被轨道式振荡器3振荡时，生物液体6也被振荡。

轨道式振荡器3固定至培养箱箱体1的底部15并且位于培养腔2内。

轨道式振荡器3包括驱动电机，偏心轴承，可调节的配重件21，用于将轨道式振荡器3固定至培养箱箱体1的底部15的支撑装置，两个轴承16和唇形密封件18。图1还示出了控制单元25，其控制驱动电机。

驱动电机是直驱旋转电机，并且包括定子和转子。定子包括多个轴元件7，且电磁线圈8缠绕在多个轴元件7上以用作电磁体。在转子9的内周表面设有多个永磁体10。此外，还设有用于确定转子9的位置的传感器(图1中未示出)。根据所确定的转子9的位置，控制单元25控制供应至电磁线圈8的电流，以使转子9旋转。控制单元25可以通过通道20连接至电磁线圈8及确定转子9的位置的传感器等。

转子板17附接(例如，螺纹连接)至转子9的底部。转子9和转子板17围绕轴元件7，电磁线圈8和永磁体10。转子板17还可以支撑永磁体10。为了将转子9的底部密封至转子板17，在转子9和转子板17之间设置有O形圈22。

在轨道式振荡器3的非移动形式中，支撑装置包括衬套13和中空轴14。衬套13具有双T形横截面并且固定(例如螺纹连接)至培养箱箱体1的底部15。培养箱箱体1的底部15包括开口，衬套13延伸穿过该开口。可选地，衬套13附接至该开口的内壁。因此，衬套13在培养腔2的内部并且在培养箱箱体1的底部15的开口中延伸。另外，衬套13可以延伸到培养腔2的外部(图1中未示出)。为了将衬套13密封至培养箱箱体1的底部15，衬套13设有O形圈19。O形圈19与培养箱箱体1的底部15的内表面接触，使得外来物质不能从衬套13与培养箱箱体1的底部15之间的缝隙中穿过。

中空轴14附接至衬套13。中空轴14为圆筒形。在中空轴14的外周表面安装有两个球轴承16。中空轴14从转子9的上表面延伸到培养箱箱体1的底部15的开口。另外，中空轴14可以延伸到培养腔2的外部(图1中未示出)。转子9与附接的转子板17由两个球轴承16支撑，并且配置成围绕中空轴14旋转。

配重件21附接至转子9(例如，螺纹连接至转子9)。配重件21是可调节的，因为其与转子9的距离可以手动调节，以抵消由于放置在振荡托板4上的重负载(例如锥形瓶5和生物液体6)而造成的不平衡，从而抑制或防止轨道式振荡器3的强烈振动。

偏心轴承包括相互叠放的两个球轴承11和偏心件12。转子9包括位于其上端部的托盘形部分。两个球轴承11安装在托盘形部分的内部。偏心件12包括具有圆柱形形状的内轴，该内轴被支撑在两个球轴承11的内部，从而内轴可以旋转。另外，偏心件12机械地引导振荡托板4，使得其以轨道运行模式运动。偏心件12覆盖于转子9和球轴承11的上部。振荡托板4底面可以设置有与偏心件12的形状相匹配的凹部，以将振荡托板4放置在偏心件12的顶部上，并且同时将振荡托板4可拆卸地固定至偏心件12，由此可以防止振荡托板4在振荡时相对于偏心件12的移位。应理解的是所述偏心件12位于振荡托板4的非中心处。

在另一实施例中(图1中未示出)，可以在偏心件12处设置位移锁定装置，所述位移锁定装置用于使得偏心件12能够移动并锁定在水平面中的左侧和/或右侧的不同位置。由此，可以改变轨道运动的振荡直径。该位移锁定装置可以包括滑轨装置、螺纹连接装置等，只要其能够实现偏心件12在转子9上的不同位置处的固定。另外，可以同时调整配重件21。

所有球轴承11和16均为密封球轴承。因此，衬套13，O形圈19，中空轴14，密封球轴承16，转子板17，O形圈22和转子9将定子相对于培养腔2完全密封。应理解轴承11和16除了可以为球轴承外，还可以为圆柱滚子轴承。

另外，唇形密封件18用于实现衬套13和转子板17之间的密封。唇形密封件18是经FDA批准的柔性的紧密密封件，并且安装在转子板17上。唇形密封件18沿指向衬套13的方向进入到培养腔2(更准确地说，唇形密封件18的一端固定在转子板17上，另一端朝着衬套13的方向向下延伸直至与衬套13抵接)，以利于保持培养腔2清洁和消毒。

唇形密封件18也可以用于球轴承16不是密封球轴承16而仅是普通的球轴承的实施例中。在这种情况下，衬套13，O形圈19，唇形密封件18，转子板17，O形圈22和转子9相对于培养腔2密封并且完全密封定子，避免培养腔2内的物质与定子接触。

此外，在另一实施例中，可以省略唇形密封件18，并且仅衬套13，O形圈19，中空轴14，密封球轴承16，转子板17，O形圈22和转子9可以相对于培养腔2完全密封定子。该实施例具有的优点是，轨道式振荡器3的运动部分没有进入到培养腔2中。

为了便于清洁，消毒和净化轨道式振荡培养箱，培养箱箱体1的内表面，转子9，配重件21，中空轴14和/或衬套13可以由不锈钢制成。此外，培养箱箱体1的外表面或整个培养箱箱体1可以由不锈钢制成。另外，轨道式振荡器3面向培养腔2的表面可以被设计成不存在隐藏的拱顶或死空间。特别地，轨道式振荡器3的元件的所有连接不仅被覆盖而且被密封。特别地，轨道式振荡器3设计成符合规范ISO 14159：2002“机械安全-机械设计的卫生要求”，使得培养腔2内的所有部件可以清洁和消毒。

在中空轴14的内部设置有通道20。通道20从定子处延伸至培养箱箱体1外部。特别地，通道20从两个球轴承16之间的定子处延伸到培养箱箱体1的外部。通过通道20可以将驱动电机产生的热量排放到培养箱箱体1外部。

另外，可以在通道20中设置冷却通道(图1中未示出)。特别地，冷却通道可以从定子处延伸至培养箱箱体1外部。液体可以在冷却通道中流通以利于将驱动电机产生的热量排放到培养箱箱体1外部。

上述实施例具有以下优点：

轨道式振荡培养箱是按照已知的卫生设计原则设计的。通过选择材料，表面光洁度和无孔洞的结构可以轻松且深入地清洁，消毒和净化轨道式振荡培养箱，从而实现符合GMP的细胞培养。

轨道式振荡器3的密封保护定子和所有电气部件免受湿气干扰和微生物污染以及免受用于清洗，消毒和净化轨道式振荡培养箱的化学药品的污染。

除了唇形密封件18之外，没有其它旋转部分进入到培养腔2中。

轨道式振荡器3具有简单且干净的设计，并且轨道式振荡器3可以容易地拆卸，更换和/或修理。

直驱电机具有低的净能量消耗，从而导致低的热量散发。

直驱电机与负载(如锥形瓶5和位于锥形瓶5中的生物液体6)之间的高度差很小，从而可以减少振动的程度。

图2是示意性地示出轨道式振荡培养箱的第二实施例的剖视图。

图2所示的可移动形式的轨道式振荡培养箱与图1所示的非移动形式的轨道式振荡培养箱的不同之处在于，培养箱箱体1的底部15没有任何开口。此外，支撑装置包括基座元件30以代替衬套13，而且中空轴40仅从转子9延伸到基座元件30的顶部。而且，O形圈19不是必需的。所有其他元件是相同的，并且具有相同或相似的功能。因此，不再赘述。

如图2所示，密封的轨道式振荡器3可以放置在培养腔2中或从培养腔2中取出。特别地，可以将轨道式振荡器3与基座元件30一起放置在培养器箱体1的底部15上，而无需固定到培养器箱体1的底部15。基座元件30密封轨道式振荡器3的下部。基座元件30可以由不锈钢制成。中空轴40的功能与中空轴14的功能相同。此外，基座元件30和中空轴40可以一体成型。

Claims (14)

1.一种轨道式振荡培养箱，包括：

培养箱箱体，限定培养腔，以及

轨道式振荡器，配置成振荡振荡托板；

其中，所述轨道式振荡器包括：

驱动电机，包括定子与转子，所述转子包括转子板，所述转子板附接至所述转子的底部；

偏心轴承，安装至所述转子；

支撑装置，包括轴，所述轴从所述转子延伸；以及

轴承，安装在所述轴的外周表面上，并支撑所述转子和所述转子板围绕所述轴旋转；

其中，所述轨道式振荡器位于所述培养腔中，所述转子、所述转子板、所述轴承以及所述轴配置成将所述定子与所述培养腔相互密封隔离。

2.根据权利要求1所述的轨道式振荡培养箱，其中：

所述支撑装置配置成将所述轨道式振荡器固定至所述培养箱箱体的底部，或者配置成将所述轨道式振荡器保持在所述培养箱箱体的底部上，以使得所述轨道式振荡器在所述培养腔中延伸。

3.根据权利要求1所述的轨道式振荡培养箱，其中：

所述轴承是位于所述转子板与所述支撑装置之间的密封轴承。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的轨道式振荡培养箱，其中，所述轨道式振荡器还包括：

动态密封件；

其中，所述转子、所述动态密封件以及所述支撑装置配置成将所述定子与所述培养腔相互密封隔离。

5.根据权利要求4所述的轨道式振荡培养箱，其中：

所述动态密封件包括安装在所述转子上的唇形密封件。

6.根据权利要求1所述的轨道式振荡培养箱，其中：

所述支撑装置还包括衬套；

其中，所述衬套安装至所述培养箱箱体。

7.根据权利要求6所述的轨道式振荡培养箱，还包括：

O形圈，其配置成使得所述衬套与所述培养箱箱体相互密封隔离。

8.根据权利要求1所述的轨道式振荡培养箱，其中：

所述驱动电机为直驱旋转电机。

9.根据权利要求1所述的轨道式振荡培养箱，其中：

内置于所述培养箱箱体的所述轨道式振荡器还包括延伸穿过所述培养箱箱体的底部的通道。

10.根据权利要求9所述的轨道式振荡培养箱，其中：

所述通道从所述定子处延伸至所述培养腔的外部。

11.根据权利要求9或10所述的轨道式振荡培养箱，还包括：

位于所述通道内的冷却通道；

其中，所述冷却通道配置成使得冷却液在所述冷却通道中流通。

12.根据权利要求1所述的轨道式振荡培养箱，还包括：

安装至所述转子的可调节的配重件。

13.根据权利要求12所述的轨道式振荡培养箱，其中：

所述转子、所述配重件以及所述培养腔的内壁中的至少一个由不锈钢制成。

14.根据权利要求1所述的轨道式振荡培养箱，其中：

所述偏心轴承包括两个相互叠放的密封轴承。

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