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Die
Erfindung betrifft den Rotor einer Laborzentrifuge mit den Merkmalen
des Oberbegriffes des Anspruches 1.
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Gattungsgemäße Rotoren
sind aus dem Katalog der Anmelderin
Products and Applications
for the Laboratory 2003 Seiten 201–207
bekannt. Diese Konstruktionsweise
ist heute Standard bei allen Zentrifugenherstellern.
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Die
gattungsgemäße Konstruktion
bietet den Vorteil der ausschwingbaren Behälter, bei denen bei allen Drehzahlen
die Kraftrichtung konstant bleibt. Da die Behälter aushängbar sind, können sie
aus dem Rotor entnommen und bequem außerhalb der Zentrifuge be-
und entladen werden. Wie die vorgenannten Prospektseiten zeigen,
sind die Behälter
in unterschiedlichen Bauformen möglich,
um Probebehältnisse
unterschiedlicher Art aufnehmen zu können. Dies reicht von großen Flaschen über Proberöhrchen bis
hin zu in einem kastenförmigen
offenen Behälter aufgenommenen
Stapeln von Mikrotiterplatten (Seite 107 Mitte rechts).
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Zur
Erzeugung sehr hoher, die Zentrifugierzeit verkürzender Kräfte laufen gattungsgemäße Zentrifugen
mit sehr hohen Drehzahlen. Der Rotor mit den Behältern ist dabei sehr hohen
Luftanströmungsgeschwindigkeiten
ausgesetzt.
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Wie
die oben genannten Prospektseiten zeigen, sind die Behälter hauptsächlich in
Richtung auf ihre Einhängbarkeit
zwischen die Gabelarme, in Richtung auf gute Beladbarkeit sowie
mit einer ebenen Standfläche
zur sicheren Aufstellung beim Be- und Entladen ausgebildet. Die
Behälter
lassen sich daher kaum unter aerodynamischen Gesichtspunkten optimieren.
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Bei
den hohen Luftanströmungsgeschwindigkeiten
ergibt dies starke Verwirbelungen am Rotor und den Behältern. Daraus
resultiert bei den erheblichen Drehzahlen des Rotors ein hoher Luftwiderstand,
der zu einer starken Lufterwärmung
führt.
Der hohe Luftwiderstand muß mit
einem kräftigen,
ebenfalls viel Wärme
erzeugenden Motor ausgeglichen werden. Daraus ergibt sich eine hohe
Lufterwärmung in
dem aus Sicherheitsgründen
vorgesehenen, die gesamte Zentrifuge umgebenden Gehäuse. Diese Erwärmung würde die
zu zentrifugierenden Proben beeinträchtigen und muß mit einer
Kühleinrichtung ausgeglichen
werden. Durch diese Maßnahmen
erhöhen
sich auch wesentlich die Kosten einer Laborzentrifuge. Ferner entsteht
durch die Luftverwirbelung sehr starker Lärm, der durch das umgebende Gehäuse nur
unzulänglich
gedämpft
werden kann.
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Zur
Lösung
dieser Probleme sind Windkessel bekannt, wie sie die
DE 4027993 A1 zeigt. Der Windkessel
ist ein strömungsgünstig glatt
geformtes inneres Gehäuse,
das mitlaufend den Rotor umgibt. Innerhalb des Windkessels läuft die
Luft mit dem Motor, so daß an
diesem keine Verwirbelungen entstehen. Nachteilig am Windkessel
ist aber die Umschließung
des Rotors und der Behälter,
so daß eine
Temperierung der Proben auf gewünschte
Temperaturen stark erschwert wird. Die Kosten derartiger Konstruktionen
sind ebenfalls sehr hoch.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Rotor
zu schaffen, der bei hohen Drehzahlen mit geringerer Motorleistung
wenig Wärme
und Lärm
erzeugt.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß sind am
Rotor aerodynamische Verkleidungen vorgesehen, die wenigstens am
radial außenliegenden
Bereich der Behälter
die Aerodynamik verbessern. Energetische Effekte der Luftanströmung, wie
Wärme-
und Lärmerzeugung, wachsen
mit der 4. Potenz des radialen Abstandes von der Rotorachse. Im
ausgeschwungenen Zustand, also bei hohen Drehzahlen, überragen
die Behälter
die Rotorarme und bilden die radial am weitesten außenliegenden
Bereiche, an denen die höchsten
Luftgeschwindigkeiten vorliegen. Wegen der mit der 4. Potenz des
Radius ansteigenden störenden Effekte
ist hier eine aerodynamische Verkleidung am wichtigsten. Die aerodynamischen
Verkleidungen verringern an diesen Stellen die Luftverwirbelungen sehr
stark. Der Luftwiderstand wird stark gesenkt, so daß eine wesentlich
geringere Motorleistung zum Antrieb ausreicht. Die durch Luftverwirbelung
entstehende Wärme
wird ebenfalls stark verringert, ebenso wie die Lärmerzeugung.
Ein Windkessel ist nicht erforderlich, so daß die Proben in den Behältern durch Heiz-
und Kühleinrichtungen
im Gehäuse
der Zentrifuge in gewünschter
Weise temperiert werden können.
Die Behälter
selbst können
dabei in ihrer aus anderen Gründen
erforderlichen, aerodynamisch ungünstigen Formgebung bleiben,
so daß ihr
Gebrauchswert nicht eingeschränkt
wird. Die Verkleidungen können
als relativ einfache und kostengünstige
Anbau teile vorgesehen sein, die z.B. auch an bekannten gattungsgemäßen Rotoren
nachgerüstet werden
können.
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Vorteilhaft
sind gemäß Anspruch
2 die Verkleidungen an den Rotorarmen, z.B. an den Gabelarmen in
unmittelbarer Nähe
der Behälter
befestigt. Sie können
hier sicher befestigt werden, um die hohen einwirkenden aerodynamischen
Kräfte
und Zentrifugalkräfte
aufnehmen zu können.
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Die
Verkleidungen können
an die Rotorarme feststehend befestigt sein, wobei sie derart auszurichten
sind, daß sie
die in Ausschwingstellung stehenden Behälter abdecken. Vorteilhaft
können
sie jedoch auch gemäß Anspruch
3 ausschwingbar gelagert sein, um mit den Behältern auszuschwingen. Dadurch
ist auch bei niedrigen Drehzahlen bereits eine gute aerodynamische
Verkleidung der Behälter
erreicht. Vor allem ergibt sich durch die ausschwenkbaren Verkleidungen,
die bei stehender Zentrifuge mit den Behältern hängen, ein freierer Zugriff
von oben zu den Behältern,
so daß diese
bequem und ohne Störungen
durch die Verkleidungen entnehmbar sind.
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Gemäß Anspruch
4 ist es vorteilhaft auch möglich,
die Verkleidung unmittelbar an den Behältern anzubringen. Die Verkleidungen
müssen
dann jedoch abnehmbar sein, um das Herausheben der Behälter zwischen
den Gabelarmen zu ermöglichen.
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Die
Verkleidungen können
z.B. als leichte Vollkörper
z.B. aus hochfestem Schaummaterial ausgebildet sein, sind vorteilhaft
jedoch gemäß Anspruch
5 als Schalenkörper
ausgebildet. Sie können dadurch
sehr steif und leicht ausgebildet sein, um die mit der Masse der
Verkleidungen steigenden Zentrifugalkräfte zu verringern.
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Eine
aerodynamische Verkleidung gemäß Anspruch
1 in Fahrtrichtung vor den Behältern
ergibt den größten Effekt.
Jedoch kann eine zusätzlich rückwärtige Verkleidung
der Behälter
gemäß Anspruch
6, also eine Vollverkleidung, die Luftturbulenzen weiter vorteilhaft
verringern.
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Als
vorteilhafte Alternative zu einzelnen Verkleidungen vor und hinter
den Behältern
sind die Merkmale des Anspruches 7 vorgesehen. Hierbei sind die
Umfangsbereiche zwischen den Behältern mit
kreissektorförmig
ausgebildeten Verkleidungen geschlossen, so daß sich bis auf geringe Spalte
am Umfang des Rotors eine ringförmig
glatt geschlossene Konstruktion mit optimaler Aerodynamik ergibt.
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Vorteilhaft
sind die Merkmale des Anspruches 8 vorgesehen. Hierdurch ergibt
sich in den kritischen radial äußeren Bereichen
der Behälter
eine Vollverkleidung mit optimaler aerodynamischer Verbesserung.
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Vorteilhaft
sind die Merkmale des Anspruches 9 vorgesehen. Hierdurch ergibt
sich eine einfach am Behälter
befestigbare Konstruktion, die zugleich den ohnehin zum Verschließen des
Behälters benötigten Deckel
ausbildet.
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In
den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch
dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf einen Rotor mit Behältern unter Darstellung dreier
unterschiedlicher Ausführungsformen
von Verkleidungen,
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2 einen
Schnitt nach Linie 2-2 in 1,
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3 einen
Schnitt nach Linie 3-3 in 1,
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4 einen
Ausschnitt aus 1 mit einem auf alternative
Weise verkleideten Behälter,
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5 einen
Schnitt nach Linie 5-5 in 4 und
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6 in
Ansicht gemäß 4 eine
Variante zu dieser Ausführungsform
mit Deckel.
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In 1 ist
der Rotor 1 einer Laborzentrifuge in Draufsicht dargestellt.
Er weist im Ausführungsbeispiel
vier Rotorarme 2 auf und ist auf einer Welle 3 gelagert,
die lotrecht stehend von einem nicht dargestellten Motor in der
mit einem Pfeil dargestellten Drehrichtung angetrieben wird. Die
Gesamtkonstruktion ist von einem nicht dargestellten, im wesentlichen
Sicherungsgründen
dienenden Gehäuse
verschlossen, welches einen oberen Deckel aufweist, durch den der
Rotor, so wie in 1 dargestellt, von oben zugänglich ist.
Zu Einzelheiten dieser bekannten Konstruktionsweise wird auf die
eingangs genannten Prospektseiten verwiesen.
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Die
Rotorarme 2 gehen radial außen in Gabeln mit Gabelarmen 4 über, welche
nach innen ragende Drehzapfen 5 aufweisen, an denen zwischen den
Gabelarmen 4 Behälter 6 eingehängt sind.
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Wie 2 zeigt,
haben die im Ausführungsbeispiel
dargestellten Behälter 6 einen
im wesentlichen quadratischen Querschnitt und weisen jeweils an
ihrer in Fahrtrichtung nach vorn liegenden Stirnfläche sowie
der hinteren Stirnfläche 8 Längsnuten 9 auf,
die zur ebenen Bodenfläche 10 des
Behälters 6 hin
offen und an ihrem oberen Ende unterhalb des oberen Endes des Behälters 6 verrundet
geschlossen sind. Bei Stillstand des Rotors 1 hängen die
Behälter 6 mit
dem oberen geschlossenen Ende der Nuten 9 auf den Drehzapfen 5 und
können
nach oben zwischen den Gabelarmen 4 herausgehoben werden,
wobei die Drehzapfen 5 sich bis zum unteren Ende durch
die Nuten 9 bewegen. Umgekehrt können die Behälter wieder
eingehängt
werden und hängen
dann pendelnd mit Schwerpunkt unterhalb der Drehzapfen 5 an
diesen.
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1 zeigt
den ausgeschwungenen Zustand der Behälter 6 bei höheren Drehzahlen.
Dabei liegen die Behälter 6 waagerecht.
Der volle Ausschwingzustand wird schon bei relativ geringen Drehzahlen
erreicht.
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Wie
die 1 und 2 zeigen, sind die Behälter 6 aerodynamisch äußerst ungünstig geformt. Sie
stehen bei der in 1 mit einem Pfeil angedeuteten
Drehrichtung im Uhrzeigersinn der Luftanströmung mit der zur Anströmung senkrecht
stehenden vorderen Stirnfläche 7 entgegen
und haben somit einen sehr hohen Luftwiderstandsbeiwert. Die scharfen
Ecken und auch die Nut 9 sorgen für starke Luftverwirbelungen.
Andererseits ist der dargestellte quadratische Querschnitt sehr
günstig
zur Ausbildung vieler Bohrungen 11, die im schematischen Ausführungsbeispiel
zur Aufnahme von Probebehältnissen
vorgesehen sind.
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In
anderer Ausführungsform
können
die Behälter 6 auch
mit einem großen
Innenraum zur Aufnahme einer einzigen großen Flasche ausgebildet sein
oder als weitgehend offene Konstruktion, die im wesentlichen nur
Wandbereiche im Bereich der Bodenfläche 10 und der Stirnflächen 7 und 8 aufweist und
zur Aufnahme eines Stapels von Mikrotiterplatten vorgesehen ist.
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Zur
aerodynamischen Verbesserung des dargestellten Rotors 1 sind
erfindungsgemäß Verkleidungen
vorgesehen, die im Folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
beschrieben werden.
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In 1 und 2 ist
eine Verkleidung 12 dargestellt, die, wie in 2 mit
ausgezogenen Linien gezeigt, als gebogene Schale mit äußerer Halbzylinderform
ausgebildet ist. Sie ist z.B. mit Befestigungsmittel 13 an
einem Gabelarm 4 sicher befestigt und deckt, wie 4 zeigt,
die der Luftanströmung entgegengerichtete
vordere Stirnfläche 7 des
Behälters 6 ab.
Wie 2 zeigt, wird dadurch eine aerodynamisch äußerst günstige Abdeckung
des Behälters in
Fahrtrichtung erreicht, wodurch sich eine sehr starke Verringerung
der Luftverwirbelung an diesem Behälter ergibt.
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Wie
in den 1 und 2 gestrichelt dargestellt, kann
der radial außenliegende
Bereich der Verkleidung 12 bei 14 verrundet ausgebildet
sein und kuppelförmig
geschlossen bis zum Rand 15 (2) laufen.
Dadurch wird im radial äußeren Bereich
der Verkleidung 12 die aerodynamische Anpassung an den
Behälter 6 weiter
verbessert.
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Es
ist dabei zu beachten, daß die
Luftanströmungseffekte
bei gegebener Rotordrehzahl mit der 4. Potenz des Radius, also des
Abstandes von der Achse der Welle 3 ansteigen. Aerodynamische
Maßnahmen
sind also in den radial außenliegenden
Bereichen der Behälter 6,
in der Nähe
von deren Bodenflächen 10 am
wichtigsten.
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Die
beschriebene Verkleidung 12 kann an allen vier Rotorarmen 2 in
der dargestellten Weise vorgesehen sein.
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In
einer alternativen, ebenfalls in 1 dargestellten
Variante ist eine Verkleidung 16 vorgesehen, die in ihrem
radial innenliegenden Endbereich im wesentlichen der Formgebung
der Verkleidung 12 entspricht, wie sie in 2 dargestellt
ist. Im äußeren Endbereich
in der Nähe
des Bodens 10 des Behälters 6 ist
die Verkleidung 16 ebenfalls verrundet ausgebildet, wie
an der Verkleidung 12 bei 14 dargestellt. Sie
ist jedoch, wie 1 zeigt, um die unteren Ecken des
Behälters 4 bis über den
Boden 10 verlaufend ausgebildet und ergibt somit eine noch
bessere aerodynamische Verkleidung.
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Die
Verkleidung 16 liegt an ihren radial inneren Enden 17 weiter
außen
als das radial innere Ende der Verkleidung 12. Sie ist
im wesentlichen nur dort angebracht, wo maximale aerodynamische
Wirkung benötigt
wird, nämlich
am radial äußeren Bereich
des Behälters 6.
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Im
Gegensatz zur am Gabelarm 4 befestigten Verkleidung 12 ist
die Verkleidung 16 mit Stützen 18 unmittelbar
am Behälter 6 auf
der vorderen Stirnfläche 7 befestigt.
Die Befestigung mit den Stützen 18 ist
abnehmbar gestaltet. Die Stützen 18 können z.B. in
Löcher
auf der Stirnfläche 7 des
Behälters 6 gesteckt
sein. Die Abnehmbarkeit der Verkleidung 16 ist erforderlich,
da die Verkleidung 16 bei Stillstand des Rotors 1,
also bei hängendem
Behälter 6,
unterhalb der Gabelarme 4 hängt und somit das Herausziehen des
Behälters
nach oben behindern würde.
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In 1 ist
bei der Verkleidung 16 noch eine weitere Befestigungsmöglichkeit
angedeutet. Anstelle der Befestigung am Behälter 6 könnte die
Verkleidung 16 mit einem Arm 19 schwenkbar um
den Drehzapfen 5 befestigt sein. Sie würde dann mit dem Behälter 6 schwenken,
ohne diesen beim Herausnehmen zu behindern. Eine entsprechende schwenkbare
Befestigung am Gabelarm 4 könnte auch für die Verkleidung 12 vorgesehen
sein.
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In 1 ist
ferner eine dritte Ausführungsform
einer Verkleidung in Form einer Sektorverkleidung 20 vorgesehen,
die, wie 3 zeigt, ebenfalls als Schale
ausgebildet ist, welche nach oben, nach unten, sowie radial außen geschlossen
ausgebildet ist. Die Sektorverkleidung 20 ist an dem vorlaufenden Gabelarm 4 eines
Rotorarmes 2 und dem nachlaufenden Gabelarm 4 des
nächsten
Rotorarmes 2 mit Befestigungsmitteln 21 befestigt
und verkleidet aerodynamisch den Sektor zwischen einem Behälter 6 und
dem nächstfolgenden
Behälter 6.
Mit vier an einem Rotor vorgesehenen Sektorverkleidungen 20 und
den zwischen den Sektorverkleidungen angeordneten Behältern 6 ergibt
sich, bis auf Spalte, eine aerodynamisch perfekte Vollverkleidung.
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Wie 2 zeigt,
ist eine Verkleidung 12 in Fahrtrichtung vor der der Anströmung entgegengesetzten
vorderen Stirnfläche 7 des
Behälters 6 angeordnet.
Symmetrisch dazu kann eine z.B. identisch ausgebildete Verkleidung
auch vor der hinteren Stirnfläche 8 angeordnet
sein, um jedem Behälter 6 eine eigene
aerodynamische Vollverkleidung zu geben.
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Die 4 und 5 zeigen
eine Ausführungsvariante,
bei der der in der dargestellten Ausschwingstellung stehende Behälter 6 mit
seinen radial außenliegenden
Bereichen, und zwar jenseits der Enden der Gabelarme 4,
von einer in Form einer Wanne 25 ausgebildeten Verkleidungen
umgeben ist. Die Wanne 25 ist mit Armen 26 auf
einer in Flucht der Zapfen 5 stehenden Achse 27 gelagert,
kann jedoch auch, ähnlich
wie bei der Verkleidung 16, unmittelbar auf den Zapfen 5 gelagert
sein. Damit ist die Wanne 25 mit dem Behälter 6 ausschwingbar
angeordnet.
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In
einer Alternative, die in 4 gestrichelt angedeutet
ist, kann die Wanne 25 mit Armen 28, die z.B.
hakenförmig
den oberen Rand des Behälters 6 übergreifen,
unmittelbar an diesem befestigt sein, muß dann jedoch vor Herausnehmen
des Behälters aus
der Zentrifuge von diesem gelöst
werden.
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Die
Wanne 25 kann, wie sich aus den 4 und 5 ergibt,
aerodynamisch äußerst vorteilhaft gestaltet
sein und die kritischen radial außenliegenden Bereiche des Behälters 6 mit
hoher aerodynamischer Effektivität
verkleiden.
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Die
dargestellten Verkleidungen 12, 16, 20 und 25 sind
in den Figuren als Schalenkörper
dargestellt. Sie müssen
sehr hohe Kräfte
ohne Verformung aufnehmen können.
Es sind daher sehr stabile Materialien, wie z.B. Metalle oder äußerst feste,
z.B. faserverstärkte
Kunststoffe, zu ihrer Herstellung vorteilhaft. Gegebenenfalls können die
Schalen durch Versteifungsrippen verstärkt werden, vorteilhaft auf
ihrer Innenseite. Auch Ausschäumungen
mit Hartschaum können
zur Versteifung vorgesehen sein.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform, die
der in den 4 und 5 ähnlich ist.
Es wurde zu 4 bereits erwähnt, daß die Wanne 25 mit
gestrichelt dargestellten Armen 28 am oberen Rand des Behälters 6 befestigt
sein kann. Eine ähnliche
Lösung
ist in 6 dargestellt.
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Die
Wanne 25 kann im wesentlichen der gemäß 4 und 5 entsprechen.
Sie ist auf einer Seite, nämlich
auf der in 6 zu sehenden Seite des Behälters 6 mit
einer Lasche 30 mit einem Deckel 31 verbunden,
der von oben auf der Öffnung
des Behälters 6 aufgesteckt
und dort z.B. über
den gestrichelt dargestellten, in den Behälter eingesteckten Innenteil 32 gesichert
ist. Die Lasche 30 muß sehr
zugfest ausgebildet sein, gleichzeitig aber biegeelastisch, um das
Abnehmen des Deckels 31 zu ermöglichen.
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Der
Behälter 6 kann
vorzugsweise mit seinen gestrichelt dargestellten unteren Konturen
in einer entsprechenden Aufnahme in der aus Vollmaterial ausgebildeten
Wanne 25 formschlüssig
aufgenommen sein.
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Vor
dem Herausheben des Behälters 6 aus den
Gabelarmen 4 muß zunächst der
Deckel 31 unter Verbiegung der Lasche 30 vom Behälter abgehoben
und zur Seite geklappt werden. Dann kann die Wanne 25 vom
Behälter 6 nach
unten ab gezogen werden. Das Wiederansetzen an einen Behälter vor dem
Zentrifugiervorgang geschieht in umgekehrter Reihenfolge.
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Hierdurch
ergibt sich eine sichere Halterung der Wanne 25 am Behälter 6 unter
gleichzeitiger Ausbildung eines Deckels 31, der ohnehin
am Behälter 6 erforderlich
ist, um in gut abgedichteter Ausbildung die zu zentrifugierenden
Proben im Behälter 6 vor Luftverwirbelungen
zu schützen,
die zu einer Verschleppung der Proben zu anderen Proben und zu einer
Verschmutzung der Zentrifuge führen
könnten.