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Die
Erfindung betrifft ein Schüttelgerät für Probengefäße siehe
Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Schütteln von
Probengefäßen siehe
Oberbegriff des Anspruchs 18.
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Derartige
Schüttelgeräte werden
unter anderem zum Mischen von chemischen, biologischen oder pharmazeutischen
Proben in Laboren verwendet. Dazu werden die Mischungskomponenten
in Probengefäße z.B.
Mikrotiterplatten gefüllt
und auf einer, auch als Probengefäßträgertisch bezeichneten, Schwingplatte
des Schüttelgerätes angeordnet. Diese
wird dann zum Vermischen der Mischungskomponenten in Schwingungen
versetzt, so dass sich die Mischungskomponenten der Proben in gewünschter
Weise vermengen können.
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In
modernen Laboren ist es heute üblich,
als Probengefäßen standardisierte
Mikrotiterplatten zu verwenden, die in einer einzigen Platte eine
Vielzahl von Probengefäßen aufweisen.
Durch Verwendung dieser Mikrotiterplatten können so in einem Schüttelvorgang
eine ganze Reihe von unterschiedlichen Proben oder sogenannten Bibliotheken
gleichzeitig geschüttelt
werden. Dies verbessert zum einen die Arbeitseffizienz der Labore
und vergrößert zum
anderen in wünschenswerter
Weise die Zahl der Proben, die überhaupt
parallel bzw. gleichzeitig untersucht werden können. Daher werden Schüttelgeräte für Mikrotiterplatten
in modernen Laboren insbesondere für sogenannte High-throughput
Screening (HTS) Verfahren benötigt,
bei denen die Proben automatisiert z.B. durch Roboter bearbeitet
werden können.
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Ein
in hervorragender Weise dafür
geeignetes Schüttelgerät für übliche Mikrotiterplatten
ist das in der
DE
20018633 U1 offenbarte Schüttelgerät mit Magnetantrieb und automatischer
Schwingplattenzentrierung. Mit diesem Gerät gelingt es in sehr kurzer
Zeit durch kreisförmige Schwingbewegungen
der Schwingplatte in einer horizontalen Ebene, die Proben in den
Probengefäßen kräftig und
gut durchzuschütteln,
danach wieder schnell anzuhalten und in einer definierten Grundstellung
robotergerecht zu zentrieren.
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Um
den Durchsatz und die Größe der gleichzeitig
analysierbaren Bibliotheken weiter zu vergrößern, ist in der jüngsten Zeit
ein Bedarf an Schüttelgeräten für Mikrotiterplatten
mit gegenüber
den bisher üblichen
Größen nochmals
verkleinerten Probengefäßen stark
angewachsen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schüttelgerät für Probengefäße und ein Verfahren
zum Schütteln
von Probengefäßen der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei denen möglichst kleine Probengefäße bzw.
Mikrotiterplatten mit einer großen
Anzahl möglichst
kleiner Probengefäßen verwendet
werden können.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Schüttelgerät für Probengefäße gemäß Anspruch
1 und mit dem Verfahren gemäß Anspruch
18 dadurch gelöst,
dass die Schwingplatte in Resonanzschwingungen versetzt wird. Weitere
bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung bezieht sich also auf ein grundsätzlich bekanntes Schüttelgerät für Probengefäße, insbesondere
Mikrotiterplatten, mit einer die Probengefäße haltenden Schwingplatte
und einem Erregerantrieb zur Erzeugung der Schwingbewegungen der
Schwingplatte. Üblicherweise
werden bei Schüttelgeräten elektrische
Antriebe dazu benutzt, die Schwingplatte in Schwingungen zu versetzen, wobei
aber grundsätzlich
auch andere Antriebsformen verwendet werden können. Die bekannten Antriebe
umfassen Unwuchterreger, piezo-elektrische Schwingungserreger, hydraulische
Antriebe oder Magnetantriebe, wobei einzelne oder mehrere Antriebe
auf der Gerätebasis
angeordnet sind und in der Regel über ein geeignetes Kupplungsmittel
mit der Schwingplatte so verbunden sind, dass sie diese in Schwingungen
versetzen können.
Um eine sichere und positionsstabile Lagerung der Mikrotiterplatten während des
Schüttelvorganges
zu erreichen, sind auf den Schwingplatten der Schüttelgeräte im Allgemeinen
Haltevorrichtungen wie z.B. bewegliche Positionierstücke oder
Vertiefungen bzw. Ausnehmungen an den Schwingplatten vorgesehen,
die die Mikrotiterplatten während
des Schüttelvorganges
auf der Schwingplatte in Position halten.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass sich durch die Resonanzschwingungen
der Schwingplatte sehr große
bis zum 40-fachen der Erdbeschleunigung reichende Beschleunigungskräfte erzielen
lassen, die auf das in den Probengefäßen befindliche Probenmaterial
wirken. Diese hohen Beschleunigungskräfte erzeugen innerhalb kürzester
Zeit hohe Drehgeschwindigkeiten im Pro benmaterial, so dass sich
darin sehr schnell Wirbel bilden, die eine hervorragende Durchmischung
des Probenmaterials erzeugen. Dieser gute Wirkungsgrad der Durchmischung ermöglicht es,
sehr kleine Probengefäße zu verwenden.
Da die Bildung von Wirbeln innerhalb der Probengefäße von der
Rotationsgeschwindigkeit und der Größe der Probengefäße abhängt, erfordern
kleine Gefäßgrößen bzw.
kleine Durchmesser größere Rotationsgeschwindigkeiten
als große
Probengefäße.
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Durch
das Erregen der Schwingplatte zu Resonanzschwingungen wird es möglich, Mikrotiterplatten
mit 1536 oder mehr Probengefäßen, auch
als Wells bezeichnet, innerhalb von Sekunden hervorragend zu durchmischen.
Dabei sind Probengefäße mit eckiger
Grundfläche
grundsätzlich
vorteilhafter als runde Probengefäße, da sich die Probenflüssigkeit
in den Eckbereichen stärker
verfängt,
daher leichter in Drehungen versetzt wird und sich so schneller
Wirbel bilden können.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung des Schüttelgerätes bilden die Schwingplatte
und mindestens ein damit verbundenes Federelement ein Resonanz-Schwingsystem.
Dabei beeinflusst die Federsteifigkeit des Federelementes im Wesentlichen die
Systemfedersteifigkeit und gibt damit einen Bereich für die Eigenfrequenz
des Systems vor. Die sich dann tatsächlich einstellende Systemeigenfrequenz hängt dann
jedoch von den üblichen
Schwingungsparametern von Schwingsysteme wie der bewegten Masse,
der Frequenz, der Amplitude und anderen die Resonanzschwingung beeinflussenden
Parametern ab. Außerdem
wird die Schwingplatte ausschließlich vom Federelement getragen
und gestützt.
Die Auslenkung des Federelements an ihrem freien Ende bestimmt ferner
den Hub der Schwingplatte in allen Richtungen. Somit hat die Erfindung
den Vorteil, dass nur wenige Bauteile erforderlich sind.
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Die
in automatisierten Laboren eingesetzten Schüttelgeräte müssen so stillgesetzt werden
können,
dass die Probengefäße zuverlässig in
eine Stellung gelangen, die einen definierten Zugriff eines Roboters,
z.B. eine Bestückung
und Entnahme mittels Robotergreifern ermöglichen. In einer vorteilhaften Weiterbildung
nimmt daher das Federelement zum Einstellen einer Grundstellung
der Schwingplatte im Ruhezustand eine definierte Stellung ein. Dabei
kann also z.B. auch das zur Schaffung des Resonanz-Schwingsystems
angeordnete Federelement auch zur Justierung der Schwingplatte im
Ruhezustand benutzt werden. In diesem Fall entfallen also zusätzliche
grundsätzlich
durch Schwingungen zerstörbare
Bauteile, wie z.B. Rückstellstifte,
die sonst für
die Ausrichtung der Schwingplatte in einer vorgegebene Grundstellung
benötigt
wurden. Auch kann durch Anordnung eines sich selbst zurückstellenden Federelementes
ein im Stand der Technik üblicher aufwendiger
Regelungsmechanismus am Antrieb entfallen, da die Schwingplatte
durch das in seine Ausgangsstellung von alleine zurückschwingende Federelement
justiert wird.
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Für die Vergleichbarkeit
der unterschiedlichen Syntheseprodukte in den Probengefäßen ist
es zwingend erforderlich, dass über
die Oberfläche
auf der Schüttelplatte
durch geeignete Feststellmechanismen befestigte Probengefäße und die
darin befindlichen Proben identische Schüttelbewegungen in einer Horizontalebene
ausführen.
Daher kommt der Abstützung
der Schüttelplatte,
die auch als Probengefäß-Trägertisch
bezeichnet wird, gegenüber
der Gerätebasis
große
Bedeutung zu. Diese muss sicherstellen, dass die Schüttelplatte
nur translatorische Bewegungen ausführt.
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Daher
wird die Schwingplatte bevorzugt durch wenigstens vier Elemente
schwingfest mit einer Gerätebasis
verbunden und in einer Schwingebene gehalten. Hierbei übernehmen
die vier Federelemente, die bei einer rechteckigen Schwingplatte vorzugsweise
in deren vier äußersten
Ecken angeordnet sind, die Kopplung der Schwingplatte an eine üblicherweise
möglichst
schwer ausgeführte
Gerätebasis.
So werden die bei der Schwingung der Schwingplatte erzeugten Kräfte über die
Federelemente in die Gerätebasis
eingeleitet und von dieser aufgenommen. Gleichzeitig erfolgt über die
vier Federelemente die Lagerung der Schwingplatte derart, dass sich
diese nur in einer dadurch definierten Schwingebene, also in zwei
vorgegebenen Dimensionen, bewegen kann. Bei einer üblicherweise
horizontalen Anordnung der Schwingplatte werden daher nur Bewegungen,
die in der Horizontalen liegen ermöglicht.
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Jedes
Federelement weist erfindungsgemäß wenigstens
eine Einzelfeder auf. Es kann sich dabei um alle gängigen Formen
von Federn handeln, wobei auch Drehmomentfedern verwendet werden
können. Es
kommen grundsätzlich
alle handelsüblichen
Ausführungsformen
von Federn, wie zum Beispiel Stabfedern oder Spiralfedern, aus allen
geeigneten Materialien, wie zum Beispiel Federstahl oder dauerelastischem
Kunststoff in Frage.
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Weiterbildend
weist jedes Federelement wenigstens ein aus mehreren Einzelfedern
bestehendes Federpaket auf, wobei es sich bei den Einzelfedern bevorzugt
um Stabfedern handelt. Einzelne Stabfedern müssten aufgrund der hohen Belastung durch
die Resonanzschwingungen relativ massiv sein. Dies erfordert aber
aus schwingungstechnischen Gründen
wiederum eine größere Länge der Einzelfeder
bzw. Stabfeder, wodurch sich in unerwünschter Weise die Bauhöhe des Schüttelgerätes vergrößert. Durch
die Bündelung
mehrerer relativ dünner
Einzelfedern bzw. Stabfedern kann man insgesamt kürzere Federn
verwenden, dadurch die Gerätehöhe verkleinern
und gleichzeitig eine gute Dauerfestigkeit der Federelemente erreichen.
Außerdem wird
durch die parallele Anordnung der Stabfedern innerhalb des Federpaketes
ohne zusätzliche
Hilfsmittel gewährleistet,
dass sich die Schwingplatte nur in der Schwingebene bewegt.
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Bevorzugt
weist jedes Federelement an seiner der Schwingplatte zugewandten
Seite einen plattenseitigen Sockel und an seiner der Gerätebasis
zugewandten Seite einen basisseitigen Sockel auf, zwischen denen
die jeweils wenigstens eine Einzelfeder gehalten ist. Diese Sockel übernehmen
dabei zwei Funktionen. Zum Einen dienen sie der effektiven Krafteinleitung
von der Basis bzw. der Schwingplatte in die Feder, zum Anderen übernehmen
sie bei Anordnung mehrerer Einzelfedern sprich der Bildung von Federpaketen
eine Bündelungsfunktion.
So können
sich die einzelnen in den Sockeln an ihren Enden gehaltenen Einzelfedern
nicht gegenüber
den anderen Federenden verschieben und es ergeben sich gleichmäßige bzw.
homogene Schwingungseigenschaften der Federpaketen. Es wird mit
anderen Worten eine gleichmäßige Verformung
des Gesamtpaketes entsprechend einer Einzelfeder ermöglicht. Zudem
wird so auch die Handhabung der Federelemente insgesamt verbessert,
was bei der Herstellung und Wartung des Schüttelgerätes große Vorteile hat.
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Es
ist dabei von Vorteil, wenn sowohl der plattenseitige Sockel mit
der Schwingplatte als auch der basisseitige Sockel mit der Gerätebasis
jeweils biegesteif verbunden sind. Dies ergibt im Zusammenspiel
mit den selbst biegesteif ausgeführten
Sockeln ein besonders stabiles Schwingverhalten der Schwingplatte
gegenüber
der Gerätebasis.
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Weiterhin
ist es zu bevorzugen, dass die plattenseitigen Sockel der Federelemente
einstückig mit
der Schwingplatte verbunden sind. Mit einstückig wird dabei eine aus einem
Teil bestehende Konstruktion von plattenseitigem Sockel und Schwingplatte bezeichnet,
die z.B. in einem einzigen Herstellungsschritt wie einem Gussverfahren
hergestellt ist. Dies ergibt eine besonders steife Verbindung der
beiden Teile, die sich gut und schnell herstellen lässt.
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In
einer weiteren Weiterbildung weisen sowohl der plattenseitige Sockel
als auch der basisseitige Sockel jeweils wenigstens eine Ausnehmung
mit einem aufgeweiteten Rand zur biegesteifen Halterung wenigstens
einer Einzelfeder auf. Die Ausnehmung dient dabei der Einspannung
der Einzelfeder in den Sockel, wobei die Einzelfedern zusätzlich in
den Ausnehmungen verpresst, verklebt oder verschweisst sein können. Der
aufgeweitete Rand der Ausnehmung sichert eine gute Verformbarkeit
der Federstäbe
im Bereich der Einspannung. Dadurch verändern sich die effektiven Federlängen und
somit die Federeigenschaften der Einzelfedern nicht.
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Zudem
ist es vorteilhaft, wenn zur Hubbegrenzung wenigstens ein Anschlag
in definiertem Abstand zu einem plattenseitigen Sockel wenigstens
eines Federelementes angeordnet ist. Es wird also ein die maximale
seitliche Auslenkung, sprich Hub, der Schwingplatte nicht an der
Platte selbst, sondern an einem Federelement begrenzt. Dies hat
gegenüber dem
Stand der Technik den Vorteil, dass zusätzliche gegebenenfalls auch
störungsanfällige Bauteile
zwischen der Gerätebasis
und der Schwingplatte zur Hubbegrenzung entfallen, da die Sockel
der Federelemente stabil genug sind, um diese zusätzliche
Aufgabe ohne weiteres übernehmen
können.
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Weiterbildend
ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn der Anschlag eine den plattenseitigen
Sockel umgebende Ausnehmung in der Gerätebasis ist. So können Teile
der Gerätebasis
die sowie so schon vorhanden sind zur Hubbegrenzung verwendet werden.
Dies verringert die Zahl der im Gerät verbauten Teile. Diese Ausnehmung
in der Gerätebasis
ist zweckmäßig kreisförmig ausgeführt, um
eine in jeder Richtung gleich maximale Hubbegrenzung zu schaffen,
wobei der plattenseitige Sockel zumindest im Bereich der Ausnehmung
ebenfalls eine kreiszylinderförmige
Außenform
haben sollte. Dann ergibt sich bei zentrierter Anordnung des Federelementsockels
in der Ausnehmung durch die Differenz der beiden Durchmesser der
in jeder Schwingungsichtung gleiche maximale Hub.
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Auch
ist es gut, wenn zur Geräuschdämpfung ein
Dämpfungselement
zwischen dem Anschlag und dem der Hubbegrenzung dienenden plattenseitigen
Sockel angeordnet ist. Dies reduziert die durch das Anschlagen des
Sockels am Anschlag entstehenden Schlaggeräusche und verringert auch die mechanischen
Einwirkungen auf den Sockel durch die Schläge. Somit wird also sowohl
das Arbeitsgeräusch
gesenkt, als auch die Haltbarkeit und Festigkeit des Sockels verbessert.
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Besonders
bevorzugt wird eine Ausführung des
Schüttelgerätes, die
eine mit dem Erregerantrieb verbundene Regelungsvorrichtung zur
Regelung des Schwingungsverhaltens der Schwingplatte aufweist. Diese
Regelungsvorrichtung überwacht
das Schwingungsverhalten des Gerätes
und regelt automatisch den Antrieb so, dass die Resonanzschwingungen
zunächst
erzeugt werden und dann gerade für
eine vorbestimmte Zeit gleichmäßig erhalten
werden. Die Regelungsvorrichtung ermittelt dabei in Abhängigkeit der
Beladung der Probenbehälter
durch geeignete Messungen z.B. der Auslenkung das Schwingverhalten
der Schwingplatte und steuert den Antrieb so an, dass sich die gewünschten
Schwingungen einstellen. Dies führt
zu einem insgesamt sehr stabilen Schwingverhalten der Schwingplatte
und spart auch Energie, da die Regelungsvorrichtung während der Resonanzschwingung
kaum noch Antriebsleistung vom Antrieb anfordert. Zudem kann z.B. über eine
in der Regelungsvorrichtung implementierte Anfahrautomatik ein Über schwappen
des Probenmaterials beim Beginn der Schwingungsbewegung durch sanftes
In-Bewegung-Setzen
der Schwingplatte verhindert werden.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn der Erregerantrieb ein Magnetantrieb
ist und zur Regelung des Schwingungsverhaltens eine Strommessung durchgeführt wird.
Bei dieser besonders gut und fein regelbaren Antriebsform sind z.B.
vier Elektromagnete kreuzförmig
angeordnet und treiben einen in der Kreuzmitte beweglich gelagerten
Anker kreisförmig an.
Hierbei kann dann durch Einstellung der Magnetstärke auf einfache Weise während des
Betriebs sowohl die Amplitude als auch die Frequenz verändert werden.
Dabei erfolgt die Ermittlung des tatsächlichen Schwingungsverhaltens
der Schwingplatte z.B. durch Messung des Antriebsstroms. Insbesondere kann
so auf eine aufwendige Anordnung zusätzlicher oftmals schwingungsempfindlicher
Messmittel am Schüttelgerät verzichtet
werden.
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Weiterbildend
ist an der Gerätebasis
eine Dämpfungsvorrichtung
angeordnet, die z.B. der Schallreduzierung dient. Diese Dämpfungsvorrichtung
kann dabei eine Schaumstoffmatte oder ähnliches sein.
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Verfahrensgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass, zum Schütteln
von auf einer Schwingplatte angeordneten Probengefäßen, insbesondere Mikrotiterplatten,
die Schwingplatte in Resonanzschwingungen versetzt und für eine vorgegebene Zeit
in Resonanzschwingungen gehalten wird. Durch die Erzeugung von Resonanzschwingungen
werden die Probengefäße sehr
stark beschleunigt. Dies führt zu
besonders starken Turbulenzen in den Proben, wobei dieser Effekt
hier dazu verwendet wird, die Probengefäße bei gleicher Durchmischungsqualität und Durchmischungszeit
kleiner auszuführen.
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Bevorzugt
wird die Schwingplatte dazu in einer horizontalen Schwingebene gehalten.
Dies ist insbesondere bei nicht verschlossenen Probenbehältnissen
zweckmäßig, kann
sich aber auch bei der Durchmischung bestimmter Probenmaterialien
als vorteilhaft erweisen und ergibt zudem eine einfacher zu kontrollierende,
weil nur in einer Ebene erfolgende, Resonanzschwingung der Schwingplatte.
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Vorzugsweise
wird die Resonanzschwingung der Schwingplatte dadurch eingestellt,
dass zunächst
die Schwingungsfrequenz der Schwingplatte bei konstanter Amplitude
bis zum Erreichen der Resonanzfrequenz variiert wird und danach
die Amplitude in Abhängigkeit
der zu vermischenden Füllung
der Probengefäße auf einen
vorgegebenen Amplitudenwert eingestellt wird. Dabei kann z.B. über eine
Gewichtsmessung die Probenmasse vor Beginn der Durchmischung ermittelt
werden und in Abhängigkeit davon
bereits vordefiniert Schwingungsparameter am Erregerantrieb eingestellt
werden.
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Zudem
wird bevorzugt mit einer Strommessung am Erregerantrieb die Resonanzschwingung ermitelt.
Die Resonanzschwingung kann dann elektronisch sehr schnell und genau
z.B. durch Messung eines Stromminimums beim Erreichen erfasst werden.
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Auch
wird vorteilhafter Weise das Schwingungsverhalten der Schwingplatte
durch eine Regelungsvorrichtung geregelt, die automatisch die Resonanzfrequenz
und die Schwingungsamplitude an die Beladung der Schwingplatte anpasst.
Dies reduziert den Aufwand manuell vorzunehmender Einstellungen
und führt
zu einer wesentlich schnelleren und einheitlicheren Schwingungserzeugung.
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Es
ist dabei besonders zweckmäßig, wenn wenigstens
ein mit der Schwingplatte verbundenes Federelement ein Resonanz-Schwingsystem
bildet, wobei das Federelement zum Einstellen einer Grundstellung
der Schwingplatte im Ruhezustand stets eine definierte Stellung
einnimmt. So kann bereits über
die Federsteifigkeit des Federelementes ein grundsätzliches
Schwingungsverhalten des Schwingsystems vorbestimmt und gegebenenfalls schnell
und einfach durch Tausch gegen ein Federelemente mit einer anderen
Steifigkeit verändert
werden. Dies kann z.B. beim Schütteln
mit einer großen Bandbreite
der zu schüttelnden
Probenmengen zweckmäßig sein.
Auch ergibt sich durch das Federelement eine automatische Rückführung der Schwingplatte
in eine für
die automatisierte Beladung der Probengefäße notwendige Grundstellung.
So führt
das eigentlich zur Erreichung bestimmter Schwingungseigenschaften
verwendete Federelement dazu, dass auf zusätzliche Bauteile zur Grundstellungseinstellung
verzichtet werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
weiter erläutert.
Darin zeigen schematisch:
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1 eine
räumliche
Ansicht eines Schüttelgerätes für Probengefäße;
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2 einen
Querschnitt durch das Schüttelgerät entlang
einer Schnittlinie II – II;
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3 eine
räumliche
Ansicht unter eine mit vier Federelementen bestückte Schwingplatte; und
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4 einen
Schnitt durch ein Federelement.
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1 zeigt
eine dreidimensionale Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Schüttelgeräts 1 für Probengefäße in Form
einer Mikrotiterplatte. Das Gerät 1 weist
eine über
einer Gerätebasis 9 angeordnete
Schwingplatte 3 auf. Auf der Schwingplatte 3 sind
zur Halterung einer hier einer nicht dargestellten rechteckigen
Mikrotiterplatte acht Positionierstücke 27 vorgesehen,
von denen jeweils zwei zueinander rechtwinklig angeordnet sind,
um die Mikrotiterplatte an ihren vier Ecken zu halten.
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An
dem Schüttelgerät 1 ist,
dass wie in 2 und 3 zu sehen
ist, unterhalb der Schwingplatte 3 vier Federelemente 5, 6, 7, 8 schwingungsfest
so angebracht sind, dass sie zusammen mit der Schwingplatte 3 ein
Resonanz-Schwingsystem bilden. In diesem Masse-Feder-System ist die Schwingplatte
daher über
die Federelemente 5, 6, 7, 8 an
die vergleichsweise schwer ausgeführte Gerätebasis 9 elastisch
angebunden. Um ein Verrutschen des Schüttelgerätes 1 auf dem Untergrund
zu verhindern, sind dabei unterhalb der Gerätebasis 9 rutschfeste
Gummifüße 30 angeordnet.
Denkbar sind aber auch Lösungen,
bei denen die Geräteplatte
am Untergrund zum Beispiel mit Schrauben oder Klebstoff befestigt
ist.
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Die
vier Federelemente halten die Schwingplatte 3 in einer
horizontalen Schwingebene, so dass sich die Schwingplatte 3 nur
innerhalb der Ebene bewegen kann. Dieser Effekt ergibt sich daraus,
dass die Federelemente 5, 6, 7 und 8 jeweils
ein Federpaket aus fünf
parallel zueinander angeordneten, aus Federstahl bestehenden Stabfedern 10, 11, 12, 13 und 14 aufweisen,
die sich in ihrer Längsrichtung nicht
nennenswert verformen. Die zylindrisch runden Stabfedern weisen
in ihren Schwingrichtungen gleiche Federkonstanten, Federsteifigkeiten
und insgesamt geringe Dämpfungseigenschaften
auf.
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Wie
aus der 3 ersichtlich ist, sind die
vier Federelemente 5, 6, 7, 8 mit
der Schwingplatte 3 jeweils über plattenseitige Sockel 15 verbunden.
An ihrem anderen Ende weisen die vier Federelemente 5, 6, 7, 8 jeweils
basisseitige Sockel 16 auf, mit denen die Federelemente 5, 6, 7, 8 an
der Gerätebasis 9 befestigt
werden. Bei den hier gezeigten Sockeln 15 bzw. 16 handelt
es sich um biegesteife massiv ausgeführte Metallkörper in
denen die einzelnen Stabfedern 10, 11, 12, 13 und 14 biegesteif
gehalten werden.
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Sowohl
die plattenseitigen Sockel 15 als auch die basisseitigen
Sockel 16 sind jeweils kreiszylindrisch ausgeführt, wobei
die plattenseitigen Sockel 15 einen kleineren Außendurchmesser
als die basisseitigen Sockel 14 haben. Die Federelemente 5, 6, 7, 8 sind
in ebenfalls kreiszylindrische Ausnehmungen 20 eingesetzt,
die in der Gehäusewand 31 der
Gerätebasis 9 gebildet
sind.
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Zur
biegesteifen Befestigung der Federelemente 5, 6, 7, 8 an
der Gerätebasis 9 weisen
die Ausnehmungen 20 genau die Breite des basisseitigen Sockels 16 auf,
so dass sich dieser nicht gegenüber der
Gerätebasis 9 verdrehen
kann. Die basisseitigen Sockel 16 weisen an ihren Unterseiten
jeweils vier Schraubenlöcher 33 auf. Über diese
werden die basisseitigen Sockel 16 mit jeweils vier nicht
näher gezeigten
Schrauben an die Gerätebasis 9 angeschraubt.
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Demgegenüber ermöglichen
die schmaler ausgeführten
und mit der Schwingplatte 3 einstückig verbundenen, weil angegossenen,
plattenseitigen Sockel 15, dass die Schwinglatte 3 über eine
Kupplungsstange 34 von einem Erregerantrieb 4 in
horizontaler Richtung hin und her bewegt werden kann. Der maximale
Hub der Schwingplatte 3 ergibt sich aus dem Abstand zwischen
dem Durchmesser durch die der Ausnehmungen 20 und den plattenseitigen Sockeln 15.
Somit dienen die Federelemente 5, 6, 7, 8 der
Hubbegrenzung der Schwingplatte 3. Zur Dämpfung des
durch das Anschlagen der plattenseitigen Sockel 15 an den
Anschlägen 21 sind
ringförmige
Dämpfungselemente 23,
z.B. aus Gummi, in den Anschlägen 21 eingelassen,
wobei es auch möglich ist,
die Dämpfungselemente 23 an
den Sockeln 15 zu befestigen.
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Die
Sockel 15 und 16 der Federelemente 5, 6, 7, 8 verbinden
zum einen die einzelnen Federstäbe 10, 11, 12, 13, 14 so
miteinander, so dass sich diese wie eine einzige Feder gemeinsam
verformen. Zum anderen dienen die Sockel 15, 16 der
wirksamen Übertragung
der Schwingungskräfte
wie etwa der Fliehkräfte,
von der Schwingplatte 3 in die Federelemente 5, 6, 7, 8 und
von den Federelementen 5, 6, 7, 8 in
die Gerätebasis 9.
Dazu sind, wie in der 3 dargestellt, die Federstäbe 10, 11, 12, 13 und 14 über die
gesamte Höhe
zumindest der basisseitigen Sockel 16 in Ausnehmungen 18 jeweils
durch die Sockel 15 und 16 gesteckt und in Ausnehmungen 17, 18
mit den Sockeln 15, 16 fest verpresst. In dem
in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels eines Federelementes 5 durchdringen
die Ausnehmungen 17, 18 die Sockel 15, 16 nicht
vollständig
sondern sind buchsenförmig
geformt. Die äußeren Ränder der Ausnehmungen 17 und 18 weisen
jeweils konisch aufgeweitete Ränder 32 auf,
die dazu dienen im Übergangsbereich
zwischen dem Federstab und dem jeweiligen Sockel 16 eine
definierte Auslenkung im Resonanzbetrieb zuzulassen.
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Gegenüberliegend
ist der plattenseitige Sockel 13 einstückig mit der Schwingplatte 3 verbunden.
Bei der in 1 und 3 gezeigten
Ausführungsform
der Schwingplatte 3 handelt es sich um ein Druckgussteil,
so dass die plattenseitigen Sockel 15 zusammen mit Verstärkungselementen 35 und
einer Kupplungsaufnahme 36 für ein Kupplungsteil 34 in
einem Stück
hergestellt worden sind.
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Aufgrund
der biegefesten Ausführung
und Befestigung der Sockel 15, 16 ergibt sich
eine besonders gute Kraftübertragung
zwischen den Federstäben 10, 11, 12, 13, 14 und
den Sockeln 15, 16, so dass sich beim Schwingen
eine S-förmige
Verformungsfigur in den einzelnen Feder ausbildet, wobei die Endstücke der
Federstäbe 10, 11, 12, 13, 14 orthogonal
zur Schwingebene in den Sockeln einmünden. Mit anderen Worten ausgedrückt, können über die
Sockel 13, 14 der Federelemente 5, 6, 7, 8 Drehmomente
von der Feder in das jeweils angrenzende Bauteil übertragen
werden. Dies führt
zu einem besonders stabilen Schwingverhalten der Schwingplatte 3 in
der Schwingebene.
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Wie
weiter aus der 2 hervorgeht, befindet sich
am Erregerantrieb 4 eine Regelungsvorrichtung 24 die
den Erregerantrieb 4 so regelt, dass die Schwingplatte 3 gerade
in Resonanzschwingungen versetzt und gehalten wird. Dabei misst
die Regelungsvorrichtung 24 den Strom des Antriebs 4,
der bei Resonanz eine charakteristische Größe hat, und ermittelt daraus
das Schwingungsverhalten der Schwingplatte 3.
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Unterhalb
der Gerätebasis 9 ist
eine Dämpfungsvorrichtung 22 in
Form eine Dämmmatte
aus Schaumstoff angeordnet, die der Schallreduktion dient. Bei geeigneter
Ausführung
kann die Dämpfungsvorrichtung 22 auch
als schwingungsdämpfende
rutschsichere Unterlage für
das Schüttelgerät 1 denen.
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Das
eigentliche Schütteln
der auf der Schwingplatte 3 angeordneten Mikrotiterplatten 2,
erfolgt der Art, dass die Schwingplatte vom Erregerantrieb 4 über das
mit der Schwingplatte 3 in Eingriff stehende Kupplungsteil 34 durch Überlagerung
von Sinuns- und Cosines-förmigen
Schwingungen in eine kreis- oder ellipsenartige Bewegung versetzt
wird. Dabei fesseln die Federelemente 5, 6, 7, 8 die Schwingplatte 3 an
die horizontale Schwingebene und geben in Richtung der Ebene jeweils
nach. Bei Erreichen der Resonanzschwingung mit der 40-fachen Erdbeschleunigung
in der Schwingplatte 3 werden von der rund 60 g schweren
Schwingplatte 3 Belastungswerte von 1 kg pro Federpaket 5, 6, 7, 8 erzeugt.
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Zur
Erreichung der Resonanzschwingung in der Schwingplatte 3 wird
zunächst
der Antrieb 4 von einer Regelungsvorrichtung 24 so
angesteuert, dass bei zunächst
geringer Amplitude, die auch als Hub bezeichnet werden kann, oder
Auslenkung der Schwingplatte 3 die Frequenz, also die Zahl
der Hin- und Herbewegungen pro Zeiteinheit, der Schwingplatte 3 langsam
gesteigert wird, bis die Regelungsvorrichtung 24 durch
Strommessung am Antrieb 4 feststellt, dass die Schwingplatte 3 in
Resonanz schwingt. Die Frequenz wird anders ausgedrückt durch
Wobbeln ermittelt. Die Bestimmung der Resonanzschwingung erfolgt
wiederum durch Ausnutzung des Ef fekts, dass sich also die Impedanz
des Erregerantriebs ändert,
wobei der Strom bei Erreichen der Resonanzschwingung im Erregerantrieb 4 absinkt,
wenn die Schwingplatte 3 in Resonanz schwingt. Diese Stromveränderung
wird von der Regelungsvorrichtung 24 durch geeignete Messmittel ermittelt
und derart verarbeitet, dass sie die Antriebsleistung des Erregerantriebs 4 so
regelt, dass die Schwingplatte 3 für die festgelegte Dauer von
z.B. einigen Sekunden gerade noch in Resonanzschwingungen gehalten
wird. Im Folgenden wird dann die Amplitude der Schwingung auf einen
vorher festgelegten Wert gesteigert.
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Dieser
Amplitudenwert wird unter Berücksichtigung
der Befüllung
der Mikrotiterplatte 2 gewählt. So ist bei größerer Beladung
eine geringere Amplitude und bei weniger großer Beladung eine höhere Amplitude
wählbar.
Grundsätzlich
sollte das Probenmaterial nicht aus den Probenfächern überschwappen, so dass dies
die oberste Grenze der Amplitude darstellt. Andererseits soll in
möglichst
kurzer Mischzeit ein effektives Vermischen der Probenmaterialien
in den Probengefäßen 2 erreicht
werden, so sich hieraus die untere Grenze der Amplitude ergibt. Bei
der Einstellung der Amplitude kann es zu Änderungen in der Frequenz kommen,
so dass die Regelungsvorrichtung iterativ Amplitude und Frequenz
der Schwingung an die vorgegebenen Werte anpasst.
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Beim
Schütteln
in der Resonanzfrequenz ergeben sich dann besonders in eckigen Probengefäßen 2 bzw.
Wells 26 schnell Turbulenzen durch die die Probenflüssigkeit
als Welle verschoben wird. Dann vermischen sich die schweren und
langsamer schwingenden Feststoffe bzw. Partikel gut mit der Flüssigkeit.