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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gekühlten Aufbewahren und Abgeben
von Proben, insbesondere einen Probengeber für die Chromatographie. Die
Vorrichtung umfasst eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme einer
oder mehrere Proben, welche temperiert wird, um die Proben über längere Zeit
hin auf einer konstanten Temperatur halten zu können und auf diese Weise die
temperaturabhängigen
Eigenschaften der Probensubstanzen unabhängig von der Entnahmezeit konstant
zu halten. Des Weiteren gewährleistet
die Kühlung
auf eine konstante Temperatur, dass die einzelnen Probensubstanzen bei
gleicher Temperatur analysiert werden können und somit die Ergebnisse
vergleichbar sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine integrierte
Flüssigkeits-Kühleinheit, die für eine derartige
Vorrichtung zum gekühlten
Aufbewahren und Abgeben von Proben geeignet ist.
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Insbesondere
in der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie
(High Performance Liquid Chromatography; HPLC) finden überwiegend
automatische Probengeber Verwendung, die mit einer großen Anzahl
zu analysierender Proben, die gleiche oder unterschiedliche Probensubstanzen
enthalten können,
bestückbar
sind. Die Probengeber führen die
einzelnen Proben automatisch zum benötigten Zeitpunkt der weiteren
Verarbeitung zu. Die Proben befinden sich in einer geeigneten Aufnahmeeinrichtung,
die zum einen die Probenbehälter
als solche und ggf. Halterungen hierfür und zum anderen einen sogenannten
Probenteller umfassen können.
Die Entnahme der jeweiligen Probe aus dem Probenbehälter erfolgt über eine
Probennadel. Probennadel und die Aufnahmeeinrichtung können relativ
zueinander bewegbar ausgebildet sein, so dass jede Probe einzeln
und gezielt entnommen werden kann. In der Regel lässt sich
die Probennadel in mehreren Bewegungsachsen verschieben, um jede
gewünschte Probe
erreichen zu können.
In einem anderen Lösungsansatz
verwendet man einen beweglichen, insbesondere drehbaren oder verschiebbaren
Probenteller. Hierdurch vereinfacht sich die Mechanik, die die Probennadel
bewegen muss, da mindestens eine Bewegungsachse durch die Bewegung
des Probentellers realisiert werden kann. Dies hat gleichzeitig den
Vorteil, dass die fluidischen Leitungslängen zur Probennadel kurz gehalten
werden können.
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Da
die Analysen unter Umständen
sehr lange dauern können,
und außerdem
die Probenkapazität
in den Probengebern immer größer wird,
steigt die Aufenthaltsdauer der einzelnen Proben, die im Probengeber
für die
Messung bereit gehalten werden müssen.
Aus den bereits vorstehend genannten Gründen und auch aufgrund der
Tatsache, dass viele Probensubstanzen bei Zimmertemperatur ihre
Zusammensetzung verändern
können,
ist eine Kühlung der
Proben erforderlich.
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Hierzu
ist es bekannt, den Probenteller unmittelbar mittels einer Peltier-Kühleinheit,
also durch einen thermoelektrischen Kühler, entsprechend zu temperieren.
Neben der geforderten, ausreichend hohen Temperaturkonstanz kommt
es bei derartigen Probengebern auch auf eine gleichmäßige Temperaturverteilung
innerhalb der Aufnahmeeinrichtung für die Proben an, um vergleichbare
Analyseergebnisse zu erhalten.
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Bei
den bekannten Probengebern mit direkter Peltier-Kühlung ist
der Probenteller über
einen gut wärmeleitfähigen Metallkörper, der
auch Bestandteil des Probentellers sein kann, mit der Kalt-Seite
der Peltier-Kühleinheit
gekoppelt. Auf der Warmseite der Peltier-Kühleinheit ist ein Kühlkörper angebracht.
Die Abwärme
des Kühlkörpers wird
durch einen Luftstrom, der durch einen zusätzlichen Lüfter bereit gestellt werden
kann, abgeführt.
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Um
einen ausreichenden Wirkungsgrad zu erzielen, müssen die Wärmeübergangswiderstände zwischen
der Peltier-Kühleinheit
und dem Probenteller sowie zwischen der Peltier-Kühleinheit
und der Umgebungsluft so gering wie möglich sein. Aus dieser Forderung
ergibt sich als günstigste
geometrische Anordnung eine Platzierung der Peltier-Kühleinheit unmittelbar unterhalb
des zu kühlenden
Probentellers. Der Kühlkörper muss
damit an der Unterseite der Peltier-Kühleinheit befestigt sein. Im
Fall eines drehbaren Probentellers dreht sich die Peltier-Kühleinheit
einschließlich
Kühlkörper mit.
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Damit
ergibt sich für
diese Struktur der Nachteil, dass das gesamte Kühlsystem unterhalb des Probentellers
vorgesehen werden muss, was zwangsweise zu einer Vergrößerung der
Bauhöhe des
Gesamtgeräts
führt.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Wärmeabfuhr auf der Warmseite der
Peltier-Kühleinheit
zwangsläufig
in unmittelbarer Nähe
des Probentellers erfolgen muss. Somit ist eine aufwändige thermische
Isolierung möglich,
um eine Rückwirkung
auf den Probenteller bzw. die gesamte Aufnahmeeinrichtung und die
darin aufgenommenen Proben infolge einer Erwärmung durch die von der Warm-Seite
der Peltier-Kühleinheit
abgeführte
Wärme zu
vermeiden.
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Neben
einer direkten thermoelektrischen Kühlung der Aufnahmeeinrichtung
für die
Proben ist es bekannt, eine Luftkühlung einzusetzen. Die Luft wird
in einer entsprechenden Kühleinheit
auf die gewünschte
Temperatur gebracht. Ein Lüfter
erzeugt eine hinreichend starke Luftströmung, die am Probenteller bzw.
der Aufnahmeeinrichtung vorbeigeleitet wird und diese kühlt. Die
Kühleinheit
kann auf unterschiedliche Weise realisiert sein, beispielsweise thermoelektrisch
oder auf der Basis eines Verdampfungsprinzips.
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Wegen
der geringen Wärmekapazität von Luft
ist ein entsprechend großer
Volumenstrom nötig, um
einen ausreichenden Wärmetransport
zu erzielen. Dies bedingt große
Querschnitte für
die erforderlichen luftführenden
Kanäle,
was mit einem entsprechenden Platzbedarf und einer entsprechenden Baugröße einhergeht.
Die geringe Wärmekapazität des Kühlmittels
Luft macht es zudem schwierig, eine gleichmäßige Temperaturverteilung sicher
zu stellen.
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Aus
der
DE 199 37 952
A1 ist eine Probenkühlvorrichtung
bekannt, bei der die in einer Kammer befindlichen Proben mittels
zweier Kühleinrichtungen gekühlt werden.
Eine erste Kühleinrichtung
dient zur Kühlung
der in der Kammer befindlichen Luft, während eine zweite Kühleinrichtung
die Proben bzw. ein Gestell zur Aufnahme der Proben direkt kühlt. Die zweite
Kühleinrichtung
umfasst hierzu als Peltierelement, welches mit einem Metallblock
verbunden ist, auf den das Probenaufnahmegestell aufgesetzt wird. Es
müssen
bei einer derartigen Vorrichtung jedoch zwei Kühleinrichtungen realisiert werden,
was sich nachteilig auf den Aufwand für die Herstellung der Vorrichtung,
die damit verbundenen Kosten und die Baugröße auswirkt.
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Schließlich ist
es bekannt, eine Aufnahmeeinrichtung eines Probengebers mittels
eines externen Kühlsystems
zu kühlen.
Es ist beispielsweise bekannt, ein externes Flüssigkeits-Kühlsystem in Form eines Kryostaten
mit einem Probengeber zu koppeln. Der Kryostat stellt dabei eine
auf den gewünschten Wert
temperierte Kühlflüssigkeit
zur Verfügung.
Unterhalb des Probentellers ist ein Bereich vorgesehen, der von
der Kühlflüssigkeit
durchströmt
und damit auf etwa dieselbe Temperatur wie die Kühlflüssigkeit gebracht wird.
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Nachteilig
an dieser Lösung
ist vor allem der große
Platzbedarf durch das zusätzliche
externe Gerät.
Außerdem
muss zur Inbetriebnahme zuerst das Kühlsystem angeschlossen, befüllt und
entlüftet
werden.
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Da
derartige bekannte Probengeber einen ortsfesten Probenteller aufweisen,
ist es in diesem Fall erforderlich, einen aufwändigeren Nadelantrieb zur Probenentnahme
mit entsprechend langen Verbindungsleitungen vorzusehen. Ein weiterer
Nachteil ist, dass die Temperaturregelung für die Kühlflüssigkeit im externen Gerät erfolgt.
Damit hängt
die Temperatur der Aufnahmeeinrichtung von weiteren Faktoren ab,
wie z. B. der Umgebungstemperatur und der Luftbewegung sowie von
der Länge
der Leitungen für
die Kühlflüssigkeit.
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(Weiter
auf Seite 4, Zeile 11 der ursprünglichen
Unterlagen: „Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ...")
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum
gekühlten
Aufbewahren und Abgeben von Probensubstanzen, insbesondere einen
Probengeber für
die Chromatographie, zu schaffen, wobei die vorgenannten Nachteile
bekannter Systeme vermieden werden und insbesondere eine geringere
Gerätebauhöhe ermöglicht wird.
Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine integrierte
Flüssigkeits-Kühleinheit für eine derartige Vorrichtung
bereit zu stellen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 6.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass der Einsatz einer Flüssigkeitskühlung in
einer Vorrichtung zum gekühlten
Aufbewahren und Abgeben von Proben, wie beispielsweise einem Probengeber
für die
Chromatographie, dann auf einfache Weise möglich ist und zu einer geringen
Baugröße, insbesondere
geringen Bauhöhe,
führt,
wenn für
die Flüssigkeits-Kühleinheit
eine Peltier-Kühleinheit
verwendet wird. Derartige Peltier-Kühleinheiten sind entsprechend
bauklein und können
an einer beliebigen Stelle innerhalb der Vorrichtung zum gekühlten Aufbewahren
und Abgeben von Probensubstanzen vorgesehen werden, wenn durch den
Einsatz eines flüssigen
Kühlmediums
die Wärme
von der Aufnahmeeinrichtung an den Ort der Flüssigkeits-Kühleinheit transportiert wird.
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Durch
die von der Aufnahmeeinrichtung entfernte Positionierung der Flüssigkeits-Kühleinheit und insbesondere
der davon umfassten Peltier-Kühleinheit
ergibt sich der Vorteil, dass die von der Warm-Seite der Peltier-Kühleinheit
abzuführende Wärmeenergie
unter Vermeidung einer hierdurch bedingten Erwärmung der Aufnahmeeinrichtung
abgeführt
werden kann.
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung kann der wenigstens eine vom flüssigen Kühlmedium durchströmte Hohlraum,
der in zumindest einem Teil der Aufnahmeeinrichtung vorgesehen ist,
in Form eines Kanals ausgebildet sein.
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Durch
eine entsprechende Führung
des Kanals oder das Vorsehen mehrerer Kanäle mit den selben Querschnitten
und dem selben Strömungswiderstand
zwischen dem Vor- und
Rücklauf
kann eine gleichmäßige Temperierung
der Aufnahmeeinrichtung, insbesondere des Probentellers, erreicht
werden.
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Beispielsweise
ist es möglich,
den wenigstens einen Kanal so auszubilden, dass er mit einem ersten
Abschnitt von seinem Vorlaufanschluss bis zu einem Umkehrpunkt oder
Umkehrbereich verläuft und
mit einem zweiten Abschnitt von dem Umkehrpunkt oder Umkehrbereich
bis zu seinem Rücklaufanschluss,
wobei der erste Abschnitt im Wesentlichen über seine gesamte Länge parallel
zum zweiten Abschnitt verläuft.
Hierdurch ist gewährleistet,
dass bei einer angenommenen gleichmäßigen Wärmeabgabe pro Längeneinheit
in jedem Längenabschnitt des
Doppelkanals, in dem ein Teil des ersten Abschnitts und ein Teil
des zweiten Abschnitts des wenigstens einen Kanals verläuft, im
Wesentlichen die selbe Wärmeleistung
aufgenommen werden kann.
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Dabei
kann der wenigstens eine Kanal mit seinem ersten und zweiten Abschnitt
eine Doppelspirale oder eine doppelt mäanderförmige Struktur bilden.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, der die
Ist-Temperatur der Aufnahmevorrichtung, vorzugsweise an einem den
Probensubstanzen benachbarten Ort, erfasst. Durch das zusätzliche Vorsehen
einer Regeleinheit, welcher das Signal des Temperatursensors zugeführt ist,
kann durch eine Regelung der Pumpenleistung und/oder der Leistung der
Peltier-Kühleinheit
mittels der Regeleinheit die erfasste Ist-Temperatur innerhalb vorgegebener Schranken
gleich einer vorgegebenen Soll-Temperatur gehalten werden.
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Eine
für eine
derartige Vorrichtung zum gekühlten
Aufbewahren und Abgeben von Proben geeignete integrierte Flüssigkeits-Kühleinheit
umfasst eine Pumpe zur Förderung
des flüssigen
Kühlmediums
von einem Ansauganschluss zu einem Auslassanschluss, welche ein
Pumpengehäuse
aufweist, in dem der Ansauganschluss und der Auslassanschluss vorgesehen
sind oder mit welchem der Ansauganschluss oder der Auslassanschluss
verbunden sind. Die Wandung des Pumpengehäuses ist zumindest in einem
Kühlbereich
so ausgebildet, dass ein geringer Wärmedurchgangswiderstand gegeben ist.
In diesem Kühlbereich
ist wenigstens eine Peltier-Kühleinheit
mit dem Pumpengehäuse
gut wärmeleitend
verbunden, um einen Transport von Wärmeenergie aus dem das Pumpengehäuse durchströmenden Kühlmedium
zu einer Wärmesenke
zu bewirken. Die Wärmesenke
ist dabei unmittelbar mit der Warm-Seite der Peltier-Kühleinheit verbunden. Zwischen
dem Pumpengehäuse
und der Wärmesenke ist
außerhalb
des Bereichs, in dem die wenigstens eine Peltier-Kühleinheit
zwischen der Aussenwandung des Pumpengehäuses und der dieser zugewandten
Wandung der Wärmesenke
angeordnet ist, eine Isolierung vorgesehen. Hierdurch wird eine Rückwirkung
von der Warm-Seite der Peltier-Kühleinheit
auf deren Kalt-Seite und damit auf das Pumpengehäuse weitgehend vermieden und
der Gesamtwirkungsgrad verbessert.
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Die
Wärmesenke
kann insbesondere als Kühlkörper mit
einer die Oberfläche
vergrößernden Struktur
ausgebildet sein.
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Als
Pumpenantrieb kann ein Elektromotor vorgesehen sein, der innerhalb
der Einheit bestehend aus Wärmesenke,
Pumpengehäuse,
Peltier-Kühleinheit
und Isolierung, vorzugsweise innerhalb des Volumens der Wärmesenke,
angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich eine extrem baukleine Flüssigkeits-Kühleinheit.
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Der
Pumpenantrieb kann bei dieser Anordnung seine Verlustleistung unmittelbar
an die Wärmesenke
abgeben, so dass diese sowohl für
das Abführen
der Wärmeenergie
von der Warm-Seite der Peltier-Kühleinheit
dient als auch für
das Abführen der
Verlustleistung des Pumpenantriebs. Auch hierdurch wird eine extrem
kompakte Konstruktion der Flüssigkeits-Kühleinheit
möglich.
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Der
Elektromotor kann besonders zweckmäßig als elektronisch kommutierter
Motor mit Permanentmagnet-Rotor realisiert werden. In diesem Fall muss
dem Rotor keine elektrische Energie zugeführt werden, so dass dieser
unmittelbar im dichten Pumpengehäuse
angeordnet werden kann. Das zum Antrieb des Rotors erforderliche
elektromagnetische Drehfeld kann sowohl durch das Vorsehen entsprechender
Statorwicklungen, als auch durch das Vorsehen eines äußeren Rotors,
auf dem wiederum Permanentmagnete angeordnet sind.
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Durch
das Vorsehen der Permanentmagnete innerhalb des dichten Pumpengehäuses ergibt
sich der Vorteil, dass aus dem Pumpengehäuse keine Antriebswelle herausgeführt werden
muss. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass in einem Permanentmagnet-Rotor
nahezu keine Verlustwärme
freigesetzt wird. r Kühlkörper kann
mittels eines ebenfalls mit der Flüssigkeits-Kühleinheit integriert ausgebildeten
Lüfters
gekühlt
werden.
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Die
Welle des Elektromotors zum Antrieb der Pumpe kann selbstverständlich auch
aus dem Pumpengehäuse
herausgeführt
und mit dem Lüfterrad des
Lüfters
verbunden sein. Hierbei ist zwar die dichte Durchführung der
Welle des Pumpenantriebs durch das Pumpengehäuse erforderlich, jedoch kann ein
separater Lüftermotor
eingespart werden.
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Nach
einer anderen Ausführungsform
kann selbstverständlich
auch ein Lüfter
mit einem separaten elektromotorischen Antrieb vorgesehen sein.
Dieser elektromotorische Antrieb kann auch gleichzeitig für den Antrieb
eines äußeren Rotors
mit Permanentmagneten gekoppelt sein und diesen rotierend antreiben.
Durch das von den Permanentmagneten des äußeren Rotors erzeugte elektromagnetische
Drehfeld kann ein im Pumpengehäuse
dicht aufgenommener Rotor (ohne herausgeführte Welle) angetrieben werden.
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Nach
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Pumpe selbst als Kreiselpumpe mit einem Pumpenflügelrad ausgebildet.
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Das
Pumpenflügelrad
und die wenigstens eine Peltier-Kühleinheit können dabei so in bzw. an der
Pumpe angeordnet sein, dass durch das Pumpenflügelrad eine Durchmischung des
im Pumpengehäuse
befindlichen Kühlmediums
bewirkt wird, welches in einem an den Kühlbereich des Pumpengehäuse angrenzenden
Volumen enthalten ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf
ansonsten benötigte
Mischelemente zur Verwirbelung des Kühlmediums verzichtet werden
kann, die den Strömungswiderstand
innerhalb des Pumpengehäuses erhöhen würden.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten eines Probengebers
für die
Chromatographie mit einer Aufnahmeeinrichtung für die Probensubstanzen und
einer integrierten Flüssigkeits-Kühleinheit
nach der Erfindung;
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2 eine
schematische Schnittansicht der integrierten Flüssigkeits-Kühleinheit in 1 und
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3 eine schematische Darstellung der Aufnahmeeinrichtung
in 1 mit einem spiralförmigen Verlauf von Kanälen für das Kühlmedium
in Draufsicht (3a) und im Schnitt entlang der
Linie A-A (3b).
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Vorrichtung 1 zum gekühlten Aufbewahren
und Abgeben von Proben 3, die beispielsweise in kleinen Behältern 5 aufgenommen
sein können.
Die Behälter 5 können selbstverständlich in
entsprechenden Käfigen
(nicht dargestellt) gehalten sein. Alternativ können die Substanzen auch direkt
in einer Aufnahme mit entsprechenden Vertiefungen eingebracht sein. Im
Rahmen der folgenden Beschreibung seien jegliche Mittel zur Aufnahme
der eigentlichen Probensubstanzen 3 als Aufnahmeeinrichtung 7 bezeichnet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
umfasst die Aufnahmeeinrichtung 7 somit die Behälter 5 und
einen topfförmig
ausgebildeten Probenteller 9, der an seiner Unterseite
und an seinen Außenwandungen
mittels einer Wärmeisolierung 11 isoliert
ist. Die Wärmeisolierung 11 besteht
aus einem ausreichend gut wärmeisolierenden
Material und weist eine ausreichende Dicke auf.
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Zumindest
im Boden des Probentellers 9 ist wenigstens ein Hohlraum,
beispielsweise in Form eines Kanals 13 (3)
zum Führen
eines flüssigen Kühlmediums
vorgesehen. Das flüssige
Kühlmedium wird
dem Probenteller 9 über
eine geeignete Drehdurchführung 15 (3) zugeführt, die in einem koaxialen
Zapfen 17 des Probentellers 9 ausgebildet ist. An
dem koaxialen Zapfen 17 bzw. der Drehdurchführung 15 ist
jeweils ein Vorlaufanschluss und ein Rücklaufanschluss vorgesehen,
welche jeweils mit den betreffenden Enden des Kanals 13 verbunden ist.
Der Vorlaufanschluss und der Rücklaufanschluss ist
jeweils mittels einer Anschlussleitung 19 mit dem Vorlaufanschluss
bzw. dem Rücklaufanschluss
einer integrierten Flüssigkeits-Kühleinheit 21 verbunden. Die
integrierte Flüssigkeits-Kühleinheit 21 umfasst eine
Pumpe 23, zur Förderung
des flüssigen
Kühlmediums
durch die Anschlussleitungen 19 und den damit verbundenen
Kanal 13.
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Durch
die Drehdurchführung 15,
die in dem koaxialen Zapfen 17 des Probentellers 9 vorgesehen ist,
kann der Probenteller 9 um seine Achse rotierend angetrieben
ausgebildet sein, um den jeweiligen Behälter 5, aus dem die
Probensubstanz 3 entnommen werden soll, in eine Entnahmeposition
zu bewegen. Die Drehdurchführung 15 gewährleistet
dabei, dass unabhängig
von der Winkelstellung des Probentellers eine Verbindung des Kanals 13 mit
dem Vorlaufanschluss und Rücklaufanschluss
der Drehdurchführung 15 und
den damit verbundenen Anschlussleitungen 19 aufrecht erhalten
bleibt.
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Durch
das räumliche
Trennen der integrierten Flüssigkeits-Kühleinheit 21 und
des Probentellers 9 bzw. der Aufnahmeeinrichtung 7 und
den Transport der Wärme
mittels des flüssigen
Kühlmediums
von der Aufnahmeeinrichtung 7 zur Flüssigkeits-Kühleinheit 21 ergibt
sich der Vorteil einer flexiblen Anordnung der integrierten Flüssigkeits-Kühleinheit 21 innerhalb
eines gemeinsamen Gehäuses
(nicht dargestellt) der Vorrichtung 1. Gegenüber bekannten,
direkt mittels einer Peltier-Kühleinheit
an der Unterseite gekühlten
Probentellers 9 ergibt sich insbesondere der Vorteil einer
möglichen
geringeren Bauhöhe
einer derartigen Vorrichtung.
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Des
Weiteren kann durch die räumliche Trennung
der integrierten Flüssigkeits-Kühleinheit 21 von der
Aufnahmeeinrichtung 7 der Vorteil einer geringen Rückwirkung
hinsichtlich der von der Flüssigkeits-Kühleinheit 21 abgeführten Wärme auf
die Aufnahmeeinrichtung 7 erzielt werden. In jedem Fall kann,
selbst bei einer unmittelbar angrenzenden Positionierung der Flüssigkeits-Kühleinheit 21 an
die Aufnahmeeinrichtung 7 durch das Vorsehen einer entsprechenden
Isolierung eine derartige Rückwirkung
vermieden werden. In vielen Fällen
wird eine derartige Isolierung jedoch nicht erforderlich sein, da die
Flüssigkeits-Kühleinheit 21 ausreichend
weit entfernt von der Aufnahmeeinrichtung 7 positioniert
werden kann. Beispielsweise kann die Warm-Seite der Flüssigkeits-Kühleinheit 21 an
der Rückseite
oder einen anderen Außenwandung
des Gehäuses
der Vorrichtung 1 positioniert werden.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
einer integrierten Flüssigkeits-Kühleinheit 21 schematisch
im Schnitt. Die Flüssigkeits-Kühleinheit 21 umfasst
eine Pumpe 23, die als Kreiselpumpe ausgebildet ist. Das Pumpengehäuse 25 besteht
zumindest in einem Bereich, in welchem das Pumpengehäuse 25 mit
der Kalt-Seite einer Peltier-Kühleinheit 27 verbunden
ist, aus einem gut wärmeleitenden
Material, so dass der Wärmedurchgangswiderstand
für den
Wärmetransport
von dem im Pumpengehäuse 25 befindlichen flüssigen Kühlmedium 29 auf
die Kalt-Seite der Peltier-Kühleinheit 27 ausreichend
gering ist.
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Die
Kreiselpumpe 23 weist an ihrem Pumpengehäuse 25 einen
Ansauganschluss 31 und einen Auslassanschluss 33 auf.
Der Ansauganschluss 31 und der Auslassanschluss 33 können mittels
der Anschlussleitungen 90 mit dem Vorlauf- und Rücklaufanschluss
der Aufnahmeeinrichtung 7 bzw. der Drehdurchführung 15 verbunden
sein (1).
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Im
Pumpengehäuse 25 ist
das Flügelrad 35 der
Kreiselpumpe 23 vorgesehen. Das Flügelrad ist mittels einer Welle 37 rotierbar
im Pumpengehäuse 25 gehalten.
Das Pumpengehäuse 25 schließt dabei die
Welle und die hierfür
erforderlichen Lager vorzugsweise dicht ein, so dass keine abdichtende Durchführung der
Welle 37 aus dem Pumpengehäuse 25 heraus vorgesehen
sein muss. Aufwändige
abgedichtete Drehdurchführungen
durch das Pumpengehäuse
können
somit entfallen.
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Das
Flügelrad 35 befindet
sich in einem Volumen innerhalb des Pumpengehäuses 25, welches sich
in unmittelbarer Nachbarschaft des Bereichs der Gehäusewandung
befindet, durch die der Wärmetransport
in Richtung auf die Kalt-Seite der Peltier-Kühleinheit 27 erfolgt.
Damit wird in der Umgebung dieses Bereichs der Gehäusewandung
eine turbulente Strömung
erzeugt, die eine gute Durchmischung des von der Peltier-Kühleinheit bereits abgekühlten Kühlmediums
mit dem einströmenden,
relativ warmen Kühlmedium
bewirkt. Hierdurch wird der Wärmeübergang
von der Peltier-Kühleinheit
und damit der Wirkungsgrad des Gesamtsystems wesentlich verbessert.
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Die
Welle 37 kann vorzugsweise aus einem keramischen Material
bestehen, um den Verschleiß der
Lager im Pumpengehäuse
gering zu halten. Durch die im Vergleich zu metallischen Werkstoffen geringere
Wärmeleitfähigkeit
lässt sich
dadurch gleichzeitig das Einbringen von Wärmeenergie in das Pumpeninnere
und das Übertragen
dieser Wärme auf
das im Pumpengehäuse 25 geführte flüssige Kühlmedium 29 vermeiden.
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Wie
in 2 dargestellt, kann das Pumpengehäuse 25 auch
mit einem integrierten Vorratsbehälter 39 ausgebildet
sein, in dem ein zusätzliches Kühlmedium 29 enthalten
sein kann. Durch das Vorsehen des Vorratsbehälters 39 im oberen
Bereich erfolgt ein selbsttätiges
Zufügen
des darin bevorrateten Kühlmediums über eine
Zuführöffnung 41 in
den Kreislauf des Kühlmediums.
Für das
Befüllen
des Vorratsbehälters 39 kann
ein Befüllanschluss 43 vorgesehen
sein. Indem der Vorratsbehälter 39 nur
zum Teil mit Kühlmedium
gefüllt
wird, wirkt das mit Luft gefüllte
restliche Volumen des Vorratsbehälters 39 gleichzeitig
als Ausgleichsbehälter
für die
vom Betriebszustand abhängige
Wärmedehnung
der Kühlflüssigkeit.
Bei einer insgesamt höheren
Kühlmitteltemperatur
steigt der Volumenbedarf des Kühlmittels an,
so dass sich der Flüssigkeitsstand
im Vorratsbehälter 39 erhöht und die
darüber
befindliche Luft komprimiert wird.
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Die
Warm-Seite der Peltier-Kühleinheit 27 ist unmittelbar
mit einem Kühlkörper 45 verbunden.
Dieser kann in üblicher
Weise Kühlrippen 47 zur
Vergrößerung der
Oberfläche
zur Übertragung
der abzuführenden
Wärmeenergie
an die Umgebungsluft aufweisen.
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Zur
Verbesserung des Wärmeabtransports vom
Kühlkörper 45 kann
an dessen Abluftseite ein Lüfter 49 vorgesehen
sein. Der Lüfter 49 umfasst
vorzugsweise einen eigenständigen
elektromotorischen Antrieb für
den rotierenden Antrieb des Lüfterrads 51.
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Der
Antrieb der Pumpe erfolgt mittels eines elektromotorischen Antriebs 53,
der aus an der Welle 37 angeordneten Permanentmagneten 55 besteht, die
den Rotor des elektromotorischen Antriebs 53 innerhalb
des Pumpengehäuses 25 bilden,
und aus Statorspulen 57, die das für den Antrieb des Rotors erforderliche
elektromagnetische Wechselfeld erzeugen. Der elektromotorische Antrieb 53 ist
dabei, wie in 2 dargestellt, vorzugsweise
innerhalb des Volumens des Kühlkörpers 45 vorgesehen.
Hierdurch ergibt sich zum einen der Vorteil einer sehr kompakten
Bauweise und zum anderen der Vorteil, dass die vom elektromagnetischen
Antrieb 53, insbesondere den Statorspulen 57 erzeugte
Wärmeenergie
ebenfalls unmittelbar über
den Kühlkörper 45 abgeführt werden
kann.
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Selbstverständlich sind
jedoch auch andere elektromotorische Antriebe für die Kreiselpumpe 23 denkbar.
Beispielsweise kann anstelle der Statorspulen 57 ein äußerer Rotor
vorgesehen sein, der koaxial zur Welle 37 rotierbar gehalten
ist. Dieser äußere Rotor kann
Permanentmagnete umfassen, durch deren Rotation das für den Antrieb
des die Permanentmagneten 55 aufweisenden, pumpeninternen
Rotors nötige
Wechselfeld erzeugt wird. Dieser äußere Rotor kann seinerseits
beispielsweise mit dem elektromotorischen Antrieb des Lüfters 49 gekoppelt
und von diesem angetrieben sein.
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Nach
einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann
die Pumpenwelle 37 an der rückwärtigen Seite des Kühlkörpers 45 herausgeführt und
mit dem Lüfterrad 51 gekoppelt
sein. Auf diese Weise kann auf einen eigenständigen elektromotorischen Antrieb
für den
Lüfter 49 verzichtet werden.
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Zwischen
dem Kühlkörper 45 und
dem Pumpengehäuse
kann ein Isolationsmaterial 59 vorgesehen sein. Das Pumpengehäuse kann,
wie in 2 dargestellt, auch im Wesentlichen vollständig, dass heißt bis auf
den Bereich, in dem das Pumpengehäuse mit der Kalt-Seite der
Peltier-Kühleinheit 27 verbunden
ist, durch das Isolationsmaterial 59 umgeben sein. Selbstverständlich kann
das Isolationsmaterial 59 auch von einer Außenwandung
eines Isolationsgehäuses 61 umgeben
sein, wodurch ein Schutz des Isolationsmaterials 59 gegen
Umwelteinflüsse
von außen
gegeben ist. Aus dem Isolationsgehäuse 61 sind dann lediglich
der Ansauganschluss 31, der Auslassanschluss 33 und
gegebenenfalls der Befüllanschluss 43 herauszuführen.
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Die
in 2 dargestellte integrierte Flüssigkeits-Kühleinheit weist somit einen
extrem kompakten Aufbau auf, der baukleine Vorrichtungen zum gekühlten Aufbewahren
und Abgeben von Probensubstanzen ermöglicht.
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3a zeigt
schematisch eine Schnittansicht eines horizontalen Schnitts des
Bodens des Probentellers 9 in 1. Aus dem
horizontalen Schnitt in 3a und
der Schnittansicht in 3b wird klar, dass der Probenteller 9 in
seinem Boden über
einen Kanal 13 für
das flüssige
Kühlmedium
verfügt,
der im Wesentlichen in Form einer Doppelspirale verläuft. Ausgehend
von der Drehdurchführung 15 gelangt
das Kühlmedium
in Richtung des Pfeils X von einem Vorlaufanschluss in den Kanal 13 und
strömt im
Wesentlichen spiralförmig
bis zu einem Umkehrpunkt oder Umkehrbereich 63 des Kanals 13.
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Nach
dem Umkehrbereich 63 strömt das Kühlmedium im Wesentlichen parallel
zum Verlauf des ersten Abschnitts des Kanals 13 zwischen
dem Vorlaufanschluss und dem Umkehrbereich 63 zurück zum Rücklaufanschluss
der Drehdurchführung 15 (Pfeilrichtung
Y in 3a). Durch das parallele Führen des ersten Abschnitts
des Kanals 13 und des zweiten Abschnitts des Kanals 13 zwischen
dem Umkehrbereich 63 und dem Rücklaufanschluss wird eine hervorragend
gleichmäßige Temperaturverteilung über den
Boden des Probenbehälters 19 erreicht.
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Wie
in 3b dargestellt, kann der Kanal 13 dadurch
realisiert werden, dass beispielsweise zwischen einer unteren Wandung 65 und
einer oberen Wandung 67 des Bodens des Probentellers 9 ein
Kanalelement 69 eingebracht ist, wobei der Kanal 13 durch
das Zusammenwirken der Innenwandungen des Kanalelements 69 und
der unteren bzw. oberen Wandung 65, 67 gebildet
wird. Das Kanalelement 69 kann dabei beispielsweise durch
Prägen
der Doppelspiral-Struktur in ein zunächst ebenes Element, beispielsweise
aus Blech oder dergleichen, hergestellt werden.
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Selbstverständlich kann
anstelle einer Doppelspiral-Struktur auch eine beliebige andere
Struktur gewählt
werden, die gewährleistet,
dass jeweils ein erster Kanalabschnitt von einem Vorlaufanschluss
bis zu einem Umkehrpunkt und ein zweiter Kanalabschnitt vom Umkehrpunkt
bis zu einem Rücklaufanschluss
im Wesentlichen parallel zueinander geführt sind.
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Um
die Temperatur der Aufnahmeeinrichtung 7 innerhalb möglichst
enger Grenzen konstant halten zu können, kann, wie in 1 dargestellt,
an der Aufnahmeeinrichtung, insbesondere am oder im Boden des Probentellers 9 ein
Temperatursensor 71 vorgesehen sein, dessen Temperatursignal
einer Regeleinheit 73 zugeführt ist. Die Regeleinheit 73 kann dann
die Flüssigkeits-Kühleinheit 21,
insbesondere die Leistung der Pumpe 23 und die Leistung
der Peltier-Kühleinheit 27 so
ansteuern, dass die Temperatur der Aufnahmeeinrichtung 7 auf
einen konstanten Soll-Wert geregelt wird.