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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine Zentrifuge
und eine Zentrifuge.
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Eine
Zentrifuge ist so aufgebaut, daß eine aufzubereitende Probe
in einem Behälter wie einem Reagenzglas oder einer Flasche
in einen Rotor gegeben wird und der Rotor dann mit hoher Geschwindigkeit
gedreht wird, um die Probe aufzutrennen und zu raffinieren. Welcher
Rotor verwendet wird, hängt von der Drehzahl ab. Es gibt
verschiedene Arten von Rotoren, etwa Winkelrotoren mit festen Röhrchenlöchern
für Reagenzgläser und dergleichen und Schwingrotoren,
bei denen ein mit einem Reagenzglas beladener Korb entsprechend
der Umdrehung des Rotors vom vertikalen Zustand in einen horizontalen
Zustand schwingt.
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In
kleinen Hochgeschwindigkeitszentrifugen zum schnellen Aufbereiten
von kleinen Probenmengen werden hauptsächlich Winkelrotoren
verwendet. Die
JP-A-8-103689 beschreibt
zum Beispiel einen herkömmlichen Winkelrotor für
eine Zentrifuge, der aus einem Aluminiumblock hergestellt oder aus Kunststoff
gegossen wird und bei dem in gleichen Winkelabständen eine
Anzahl von Röhrchenlöchern zum Festhalten von
Reagenzgläsern um die Drehwelle angeordnet sind. Die offenen
Enden der Röhrchenlöcher liegen konzentrisch zur
Drehwelle auf einer konischen Oberfläche.
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Manche
Winkelrotoren sind mit einer Rotorabdeckung versehen, damit die
unebenen Oberflächen, die beim Einsetzen der Reagenzgläser
in den Rotor entstehen, nicht der freien Atmosphäre ausgesetzt
sind und der Rotationsverlust aufgrund des Luftwiderstands geringer
wird. Manche der in den letzten Jahren hergestellten Rotoren können
mit oder ohne eine Rotorabdeckung verwendet werden. Eine Rotorabdeckung
muß jedesmal beim Einsetzen und Entnehmen von Reagenzgläsern
abgenommen und wieder aufgesetzt werden. Insbesondere wenn die Anzahl
von Probengläsern groß ist, neigen die Bediener
von Zentrifugen dazu, die Zentrifuge ohne Abdeckung auf dem Rotor
zu verwenden.
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Bei
dem in der
JP-A-8-103689 beschriebenen
Winkelrotor können in Röhrchenlöchern,
in die kein Reagenzglas eingesetzt ist, durch Resonanz unangenehme
Pfeiftöne entstehen. Um dies zu verhindern, wird in der
JP-A-10-34019 vorgeschlagen,
zwischen dem Raum im Röhrchenloch und der Außenseite
des Rotors eine durchgehende Verbindung in der Form einer Öffnung
vorzusehen.
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Wenn
jedoch das Röhrchenloch mit einer Durchgangsöffnung
versehen wird, die mit der Außenseite des Rotors in Verbindung
steht, nimmt der Luftwiderstand des Rotors zu, so daß zum
Drehen des Rotors mehr Energie erforderlich ist. Außerdem stellt
sich zum Beispiel das Problem der Arbeitssicherheit, etwa der Biosicherheit
beim Umgang mit gefährlichen biologischen Materialien.
Das heißt, wenn der Rotor mit einer Durchgangsöffnung
versehen ist, die mit der Außenseite des Rotors in Verbindung
steht, kann die in einem Reagenzglas befindliche Probe beim Bruch
des Glases durch die Durchgangsöffnung nach außen
gelangen und dort verteilt werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Rotor für
eine Zentrifuge und eine Zentrifuge zu schaffen, der bzw. die trotz
unterdrückter Resonanzgeräusche sicher ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Rotor für
eine Zentrifuge nach Patentanspruch 1 oder 3 bzw. der Zentrifuge
nach Patentanspruch 4 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung ist im Patentanspruch 2 genannt.
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Die
Erfindung umfaßt somit einen Rotor für eine Zentrifuge
mit einem kreisringförmigen Abschnitt mit einer Anzahl
von Aufnahmebereichen für jeweils einen Probenbehälter,
der die aufzubereitende Probe enthält, wobei der kreisringförmige Abschnitt
eine Endfläche aufweist, an der sich die Aufnahmebereiche
derart öffnen, daß die Öffnungen der Aufnahmebereiche
in Umfangsrichtung ausgerichtet sind, wobei zwischen jeweils zwei
benachbarten Öffnungen für die Aufnahmebereiche
an oder in der Endfläche ein konvexer Abschnitt und/oder
ein konkaver Abschnitt vorgesehen ist.
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Mit
diesem Aufbau wird die Reibung zwischen der Endfläche und
der diese umgebende Luft erhöht. Die Geschwindigkeit der
Luft relativ zur Endfläche ist daher bei der Drehung des
Rotors herabgesetzt. Da die Oberflächengeschwindigkeit
der Luft an der Endfläche herabgesetzt ist, entstehen auch
keine Resonanzgeräusche.
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Da
bei dem erfindungsgemäßen Rotor die Entstehung
von Resonanzgeräuschen verhindert wird, braucht der Rotor
auch nicht mit Verbindungsöffnungen zwischen dem Aufnahmebereich
und dem äußeren Umfangsabschnitt versehen zu werden.
Bei einem Bruch eines Probenbehälters und dergleichen während
des Zentrifugierens kann die Probe aus dem Aufnahmebereich daher
nicht nach außen gelangen und die Umgebung kontaminieren.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Rotor für eine Zentrifuge
kann der konkave Abschnitt eine Nut sein, die benachbarte Öffnungen
für Aufnahmebereiche verbindet.
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Die
Tiefe der Aufnahmebereiche, die die Entstehung von Resonanzgeräuschen
beeinflußt, wird dabei durch die Nut verringert. Bei geringerer
Tiefe erhöht sich die Resonanzfrequenz derart, daß keine Resonanzgeräusche
entstehen.
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Alternativ
umfaßt die vorliegende Erfindung einen Rotor für
eine Zentrifuge mit einem kreisringförmigen Abschnitt mit
einer Anzahl von Aufnahmebereichen für jeweils einen Probenbehälter,
der die aufzubereitende Probe enthält, wobei der kreisringförmige
Abschnitt eine Endfläche aufweist, an der sich die Aufnahmebereiche
derart öffnen, daß die Öffnungen der
Aufnahmebereiche in Umfangsrichtung ausgerichtet sind, wobei der
kreisringförmige Abschnitt eine konische Form hat und sich
an eine Vertiefung anschließt, deren Seitenwand vom kreisringförmigen Abschnitt
gebildet wird, und wobei der kreisringförmige Abschnitt
des weiteren mit einer Durchgangsöffnung versehen ist,
die sich zu der Umfangsfläche der Vertiefung öffnet
und die die Vertiefung mit dem Inneren der Aufnahmebereiche verbindet.
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Auch
bei diesem Aufbau ist die Tiefe der Aufnahmebereiche, die die Entstehung
von Resonanzgeräuschen beeinflußt, klein. Auch
weist der Rotor keine Öffnungen auf, die die Aufnahmebereiche
mit dem äußeren Umfangsabschnitt verbinden, so
daß beim Zentrifugieren keine Proben aus dem Aufnahmebereich
nach außen gelangen können.
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Die
Erfindung umfaßt auch eine Zentrifuge mit einem auf die
obige Weise aufgebauten Rotor.
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Mit
dem erfindungsgemäß Rotor bzw. der erfindungsgemäßen
Zentrifuge kann die Entstehung von Resonanzgeräuschen verhindert
werden, ohne daß die Sicherheit darunter leidet.
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Die
Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung beispielhaft
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Zentrifuge;
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2 eine
Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Zentrifugenrotors;
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3 eine
schematische Darstellung der Beziehung zwischen den Luftwirbeln
und der Tiefe des Aufnahmebereichs bei dem Zentrifugenrotor der ersten
Ausführungsform;
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4 eine
graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Ablösefrequenz
der Luftwirbel und der Resonanzfrequenz bei dem Zentrifugenrotor der
ersten Ausführungsform;
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5 eine
perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines
Zentrifugenrotors;
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6 eine
Schnitt-Teildarstellung des Zentrifugenrotors der zweiten Ausführungsform;
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7 eine
graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Ablösefrequenz
der Luftwirbel und der Resonanzfrequenz bei dem Zentrifugenrotor der
zweiten Ausführungsform;
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8 eine
perspektivische Schnittansicht einer Modifikation des Zentrifugenrotors
der zweiten Ausführungsform; und
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9 eine
Schnitt-Teildarstellung der Modifikation des Zentrifugenrotors der
zweiten Ausführungsform.
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Anhand
der 1 bis 4 wird im folgenden eine erste
Ausführungsform eines Zentrifugenrotors und einer Zentrifuge
erläutert. Die in der 1 dargestellte
Zentrifuge 1 besteht hauptsächlich aus einem Gehäuse 2,
einem Motor 3, einer Rotationskammer 4, einem
Deckel 5 und einem Rotor 10.
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Das
Gehäuse 2 stellt die äußere
Umhüllung der Zentrifuge 1 dar, es enthält
den Motor 3, die Rotationskammer 4, den Rotor 10,
eine nicht gezeigte Steuervorrichtung usw. Am oberen Teil des Gehäuses 2 befindet
sich eine Öffnung 2a, die einen Zugang zu dem
weiter unten beschriebenen Rotationsraum 4a darstellt.
Die Öffnung 2a wird von dem Deckel 5 abgedeckt,
der so am oberen Teil des Gehäuses 2 angebracht
ist, daß die Öffnung 2a für
die Rotationskammer 4 und den Rotationsraum 4a geöffnet und
verschlossen werden kann.
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Der
Motor 3 weist eine Drehachse 3B auf, die die Ausgangswelle
des Motors 3 darstellt. Der Motor 3 ist mittels
Dämpfern 3A, 3A senkrecht so in das Gehäuse 2 eingebaut,
daß die Drehachse 3B nach oben weist. Der Motor 3 kann
den Rotor 10 mit einer Höchstgeschwindigkeit von
etwa 15.000 Umdrehungen pro Minute (Upm) drehen.
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Über
dem Motor 3 befindet sich unter der Öffnung 2a die
Rotationskammer 4 mit dem Rotationsraum 4a. Das
Ende der Drehachse 3B verläuft durch die Wand
der Rotationskammer 4 und steht in den Rotationsraum 4a vor.
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Der
Rotor 10 besteht hauptsächlich aus einem Wellenabschnitt 11,
einem kreisringförmigen Abschnitt 12 und einem
vertieften Abschnitt 13, der den Wellenabschnitt 11 mit
dem kreisringförmigen Abschnitt 12 verbindet.
Der Rotor 10 befindet sich im Rotationsraum 4a und
ist mit dem Wellenabschnitt 11 so an der Drehachse 3B des
Motors 3 befestigt, daß er sich damit koaxial
dreht. Der kreisringförmige Abschnitt 12 hat eine
konische Form mit einem Oberteil und enthält Aufnahmebereiche 12a,
die in der Umfangsrichtung des Rotors 10 ausgerichtet sind
und die jeweils von der Spitze der konischen Form am Oberteil zum
Fuß der konischen Form verlaufen. In jeden der Aufnahmebereiche 12a kann
ein Probenbehälter 15 mit einer aufzubereitenden
Probe eingesetzt werden.
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Der
kreisringförmige Abschnitt 12 weist eine Endfläche 12A auf,
an der sich die Aufnahmebereiche 12a in Öffnungen 12b öffnen.
Die Endfläche 12A schneidet die Richtung von der
Spitze der konischen Form zu deren Fuß und setzt sich in
der Rotationsrichtung des Rotors 10 fort. Auf der Endfläche 12A ist zwischen
jeweils zwei benachbarten Öffnungen 12b ein konvexer
Abschnitt 14 vorgesehen, der an der Endfläche 12A vorsteht.
Der konvexe Abschnitt 14 ist länglich und so angeordnet,
daß seine Längsrichtung im wesentlichen senkrecht
zur Rotationsrichtung (Umfangsrichtung) verläuft.
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Wenn
sich der Rotor 10 dreht, ohne daß sich in einem
der Aufnahmebereiche 12a ein Probenbehälter 15 befindet,
entsteht an der Endfläche 12A relativ dazu eine
Luftströmung. Wie in der 3 gezeigt,
entstehen in der Nähe der Öffnung 12b periodische
Luftwirbel. Die Wirbelablösefrequenz fc, die Frequenz,
mit der sich die Luftwirbel periodisch ablösen, ist durch
die Gleichung fc = (n – 0,25)/(M
+ 1,75)·U/LD (1)gegeben,
wobei M die Machzahl ist, U die repräsentative Luftgeschwindigkeit
bezeichnet, LD die Länge (den Durchmesser) der Öffnung 12b in
Strömungsrichtung angibt und n die Mode (1, 2, 3, ...)
bezeichnet.
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Die
Länge LD der Öffnung 12b in Strömungsrichtung
ist konstant. Die repräsentative Luftgeschwindigkeit U
nimmt mit der Drehzahl des Rotors 10 zu und ab. Der Machzahl
M hängt von der repräsentativen Luftgeschwindigkeit
U ab und ist gleich 0 oder größer, jedoch höchstens
gleich etwa 2. Wie in der 4 gezeigt,
steigt daher die Wirbelablösefrequenz fc proportional zur
Drehzahl des Rotors 10 an.
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Da
der Aufnahmebereich 12a mit der Öffnung 12b ein
einseitig geschlossenes Rohr darstellt, ist die Resonanzfrequenz
f der Luftschwingungen im Aufnahmebereich 12a durch die
Gleichung f = (2n – 1)/4·c/L (2)gegeben,
wobei c die Schallgeschwindigkeit, L die Länge des Rohrs
(die Tiefe des Aufnahmebereichs 12a) und n die Mode (1,
2, 3, ...) bezeichnet.
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Da
sowohl die Schallgeschwindigkeit c als auch die Länge L
des Rohrs konstant sind, ist auch die Resonanzfrequenz f ein konstanter
Wert, wie es in der 4 gezeigt ist.
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Wenn
die Drehzahl des Rotors 10 erhöht wird, nimmt
auch die relative Geschwindigkeit der Luftströmung in der
Nähe der Öffnung 12b zu und damit die
Wirbelablösefrequenz fc. Wenn die Wirbelablösefrequenz
fc gleich der Resonanzfrequenz f wird, tritt Resonanz auf, und es
entsteht ein pfeifender Ton.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform ist in der Nähe
der Öffnung 12b des Aufnahmebereichs 12a der
konvexe Abschnitt 14 vorgesehen, so daß bei der
vorliegenden Ausführungsform die Reibung zwischen der Endfläche 12A und
der Luft größer ist. Die Luft über der
Endfläche 12A wird damit stärker in Bewegung
gesetzt, so daß die Geschwindigkeit der Luft über
der Endfläche 12A relativ dazu in der Nähe der Öffnungen 12b abnimmt.
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Durch
das Vorsehen der konvexen Abschnitte 14 nimmt somit die
Wirbelablösefrequenz fc im Vergleich zu einer Endfläche 12A ohne
konvexe Abschnitte 14 bei gleicher Drehzahl des Rotors 10 ab. Wie
in der 4 gezeigt, erreicht auch bei der maximalen Drehzahl
des Motors 3 (15.000 Upm) und einem Rotor 10 mit
den konvexen Abschnitten 14 die Wirbelablösefrequenz
fc nicht die Resonanzfrequenz f, so daß kein pfeifendes
Resonanzgeräusch entsteht.
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Bei
der ersten Ausführungsform wird somit das Entstehen eines
Pfeiftons verhindert, ohne daß der Aufnahmebereich 12a mit
nach außen führenden Öffnungen usw. versehen
wird. Auch wenn im Aufnahmebereich 12a ein Probenbehälter
zu Bruch geht, bleibt die Probe im Aufnahmebereich 12a und kann
nicht nach außen gelangen.
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Anhand
der 5 bis 7 wird nun eine zweite Ausführungsform
der Zentrifuge und des Rotors für eine Zentrifuge erläutert.
Mit Ausnahme des Aufbaus des Rotors 20 der 5 entspricht
die Zentrifuge der zweiten Ausführungsform der Zentrifuge 1 der
ersten Ausführungsform.
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Der
Rotor 20 besteht hauptsächlich aus einem Wellenabschnitt 21,
einem kreisringförmigen Abschnitt 22 und einem
vertieften Abschnitt 23, der den Wellenabschnitt 21 mit
dem kreisringförmigen Abschnitt 22 verbindet.
Der Rotor 20 befindet sich im Rotationsraum 4a und
ist mit dem Wellenabschnitt 21 so an der Drehachse 3B des
Motors 3 (1) befestigt, daß er
sich damit koaxial dreht. Der kreisringförmige Abschnitt 22 hat
eine konische Form mit einem Oberteil und enthält Aufnahmebereiche 22a,
die in der Umfangsrichtung des Rotors 20 ausgerichtet sind und
die jeweils von der Spitze der konischen Form zu deren Fuß verlaufen.
In jeden der Aufnahmebereiche 22a kann ein Probenbehälter 15 (2)
mit einer aufzubereitenden Probe eingesetzt werden.
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Der
kreisringförmige Abschnitt 22 weist eine Endfläche 22A auf,
an der sich die Aufnahmebereiche 22a in Öffnungen 22b öffnen.
Die Endfläche 22A schneidet die Richtung von der
Spitze der konischen Form zu deren Fuß und setzt sich in
der Rotationsrichtung des Rotors 20 fort. In der Endfläche 22A ist zwischen
jeweils zwei benachbarten Öffnungen 22b ein konkaver
Abschnitt in Form einer Nut 24 vorgesehen, die in die Endfläche 22A eingearbeitet
ist und die die beiden benachbarten Öffnungen 22b, 22b miteinander
verbindet. Der konkave Abschnitt bzw. die Nut 24 verläuft
demnach im wesentlichen in der Rotationsrichtung (Umfangsrichtung).
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Durch
die Nuten 24 wird, wie in der 6 gezeigt,
die die Resonanzfrequenz f bestimmende wirksame Länge des
einseitig geschlossenen Rohrs, das ein Teil des Aufnahmebereichs 22a ist,
von L auf L' verkürzt. Aus der Gleichung (2) ergibt sich,
daß dadurch im Vergleich zu einem Rotor ohne Nuten 24 die Resonanzfrequenz
f der Aufnahmebereiche 22a zunimmt, wie in der 7 dargestellt
ist. Auch wenn sich der Motor 3 mit maximaler Drehzahl
(15.000 Upm) dreht, erreicht daher die Wirbelablösefrequenz fc
nicht die Resonanzfrequenz f, so daß kein Pfeifton entsteht.
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In
der 8 ist eine Modifikation der zweiten Ausführungsform
gezeigt, die einen Rotor 30 umfaßt, der eine Durchgangsöffnung 32c aufweist,
die sich zur inneren Umfangsfläche der Vertiefung 33 zwischen
dem Wellenabschnitt und dem kreisringförmigen Abschnitt
des Rotors 30 öffnet und die den Aufnahmebereich 32a mit
der Vertiefung 33 verbindet. Auch bei diesem Aufbau wird
die die Resonanzfrequenz bestimmende wirksame Länge des
einseitig geschlossenen Rohrs, das ein Teil des Aufnahmebereichs 32a ist,
von L auf L'' verkürzt, wie es in der 9 gezeigt
ist. Wie bei der zweiten Ausführungsform erreicht daher
bei dem modifizierten Rotor 30 mit den Durchgangsöffnungen 32c die
Wirbelablösefrequenz fc nicht die Resonanzfrequenz f, so
daß kein Pfeifton entsteht.
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Bei
der zweiten Ausführungsform und der Modifikation davon
ist der Aufnahmebereich 22a, 32a mit der Nut 24 bzw.
der Durchgangsöffnung 32c versehen. Es gibt jedoch
keine Öffnung, die zum äußeren Umfang
des kreisringförmigen Abschnitts durchgeht, so daß auch
dann, wenn während des Zentrifugierens ein Probenbehälter 15 bricht,
keine Probe zur Außenseite des Rotors 20, 30 gelangt.
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Die
erfindungsgemäße Zentrifuge und der erfindungsgemäße
Zentrifugenrotor sind nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt, sondern können auf vielfältige
Weise abgeändert werden. Zum Beispiel erhöhen
bei der ersten Ausführungsform die konvexen Abschnitte
die Reibung zwischen der Endfläche und der darüberliegenden
Luft und verringern die Relativgeschwindigkeit der Luft zur Endfläche.
Die Reibung kann auch durch konkave Abschnitte erhöht werden,
die nicht wie die Nuten 24 der zweiten Ausführungsform
ausgebildet sind, sondern die einfach Löcher oder Vertiefungen
in der Endfläche zwischen jeweils zwei benachbarten Aufnahmebereichen
sind. Darüberhinaus können zwischen den Öffnungen
in der Endfläche sowohl konvexe als auch konkave Abschnitte
vorgesehen werden, die zum Beispiel abwechselnd angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 8-103689
A [0003, 0005]
- - JP 10-34019 A [0005]