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Die Erfindung betrifft eine Ausschwingeinheit für eine Zentrifuge, einen Rotorkopf zur Aufnahme einer derartigen Ausschwingeinheit und eine zugehörige Zentrifuge für eine derartige Ausschwingeinheit.
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Eine Zentrifuge kann derart ausgestaltet sein, dass eine oder mehrere Ausschwingeinheiten eingesetzt werden können. Bei einer Ausschwingeinheit handelt es sich um eine Halterung mit meistens zwei seitlichen Aufnahmen, welche mit einem Rotorkopf einer Zentrifuge gelenkig verbunden werden kann. Dreht sich der Rotorkopf der Zentrifuge, wirkt auf eine Ausschwingeinheit eine Zentrifugalkraft. Diese Kraft hat zur Folge, dass sich eine Ausschwingeinheit mit ihrem Boden nach außen zur Wand des Zentrifugenkessels hin bewegt beziehungsweise ausschwingt. Ein solcher Vorgang kann mit der Bewegung einer Fahrgastgondel bei einem Karussell verglichen werden. Bei genügend hoher Rotationsgeschwindigkeit des Rotorkopfes schwingt die Ausschwingeinheit in eine horizontale Lage, wobei sich der Boden der Ausschwingeinheit nahe an der Wand des Zentrifugenkessels befindet, während der Kopf der Ausschwingeinheit nahe der Rotorachse angeordnet ist.
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Eine Ausschwingeinheit nimmt in den meistens Fällen röhrchenförmige Probengefäße auf, welche ein zu zentrifugierendes Gut enthalten. Die Probengefäße sind in parallel zueinander angeordneten Probengefäßausnehmungen eingesetzt. Diese Ausnehmungen sind entweder direkt in einer Ausschwingeinheit oder in einem Becher, Einsatz oder Adapter enthalten, welcher in eine derartige Ausschwingeinheit eingesetzt ist. Die Zahl der Probengefäße, die von einer solchen Ausschwingeinheit oder einem derartigen Becher aufgenommen werden können, ist durch den von der Ausschwingeinheit vorgegebenen Raum beschränkt. Eine Ausschwingeinheit der zuvor beschriebenen Art sowie eine korrespondierende Zentrifuge mit einem Rotorkopf sind beispielsweise aus der japanischen Patentschrift
JP H08-266 933 A oder der amerikanischen Patentschrift
US 4,941,867 A bekannt. Eine alternative Ausführungsart einer Zentrifuge mit einem Rotorkopf und daran befestigbaren Ausschwingeinheiten ist aus der
DE 101 45 171 A1 bekannt.
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Allgemein besteht ein Interesse daran, in kurzer Zeit möglichst viele Proben zu zentrifugieren. Die Zeit zum Zentrifugieren lässt sich meistens nicht verkürzen, da dies eine höhere Umdrehungsgeschwindigkeit bedeuten würde, wodurch eventuell die Proben beschädigt werden oder bei derart behandelten Proben ein nicht aussagekräftiges Ergebnis erreicht wird. Eine Abhilfe könnte darin bestehen, eine größere Zentrifuge zu verwenden, so dass mehr Probengefäße aufgenommen werden können. Dieser Ansatz bietet jedoch bei einem begrenzten Raumangebot für eine Zentrifuge keine Lösung. Auch bei vorhandenen Zentrifugen, bei denen die Abmessungen bereits unveränderbar feststehen, ist dieser Ansatz nicht hilfreich.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Ausschwingeinheit, einen Rotorkopf und eine Zentrifuge zu schaffen, so dass bei vorgegebenem Platz für eine Zentrifuge während eines Zentrifugiervorganges mehr Probengefäße als bisher in der gleichen Zeit zentrifugiert werden können. Eine derartige Ausschwingeinheit soll auch in bereits vorhandenen Zentrifugen eingesetzt werden können und somit abwärtskompatibel sein, wobei sie gleichzeitig kostengünstig sein soll.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Ausschwingeinheit für eine Zentrifuge weist Probengefäßausnehmungen auf und lässt sich in einem Zentrifugen-Rotorkopf um eine Ausschwingachse schwenkbar einsetzen, wobei die Achsen von mindestens zwei Probengefäßausnehmungen windschief zueinander angeordnet sind. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass für den Kopfbereich und den Bodenbereich einer Ausschwingeinheit ein ganz unterschiedliches Volumen zur Verfügung steht. Der Kopfbereich ist durch die Ausgestaltung des Rotorkopfes beziehungsweise Rotorkreuzes und der Bodenbereich durch die Wand des Zentrifugenkessels begrenzt. Der verfügbare Platz im Bereich des Rotorkopfes ist durch die Form der Rotorarme und die Gestaltung der Rotornabe des Rotorkopfes vorgegeben. Allgemein betrachtet nimmt der Platz zur Aufnahme von Probengefäßen immer mehr ab, je näher die Gefäße an den Mittelpunkt des Rotorkopfes platziert werden. Umgekehrt nimmt der Platz zur Aufnahme von Probengefäßen immer mehr zu, je näher die Gefäße im Bereich der Wand des Zentrifugenkessels angeordnet sind. Mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt des Rotorkopfes nimmt auch der Platz zur Aufnahme von Probengefäßen zu. Um die Außenabmessungen für eine Zentrifuge so klein wie möglich zu halten, können die Volumina im Kopfbereich und im Bodenbereich einer Ausschwingeinheit besser ausgenutzt werden und somit in diesen Bereichen mehr Probengefäße aufgenommen werden, wenn die Achsen von mindestens zwei Probengefäßausnehmungen windschief zueinander angeordnet sind. Es ist auch denkbar, dass die Achsen aller Probengefäßausnehmungen einer Ausschwingeinheit windschief zueinander angeordnet sind. Bei einer parallelen Anordnung von Probengefäßen, wie dies im Stand der Technik üblich ist, wird die im Kopfbereich und im Bodenbereich gemeinsam verfügbare Fläche genutzt. Durch die Erfindung ist man nicht mehr auf diese Schnittmenge von beiden Bereichen angewiesen, sondern kann die unterschiedlichen Volumina besser ausnutzen. Die üblichen Umdrehungsgeschwindigkeiten können unverändert eingestellt werden, so dass in der gleichen Zeit mehr Probengefäße als bisher zentrifugiert werden können. Durch Einsatz von computergesteuerten Fertigungsmaschinen ist es einfach und bei hoher Genauigkeit möglich, windschiefe Probengefäßausnehmungen zu fertigen. Die Ausschwingeinheiten können auch mittels Spritzgießen in großen Stückzahlen hergestellt werden. Dabei können die Ausschwingeinheiten jeweils aus einem Stück hergestellt oder aber auch aus mehreren Teilen zusammengefügt sein.
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Der verfügbare Platz zur Aufnahme von Probengefäßen kann weiter optimiert werden und damit möglichst groß sein, wenn der Außenrand des Bodenbereichs einer Ausschwingeinheit im ausgeschwungenen Zustand durch einen Schnitt einer ersten Ebene mit einer ersten gewölbten Fläche erzeugt ist, wobei die erste Ebene parallel zu der am Rotorkopf vorhandenen Ausschwingachse der Ausschwingeinheit in einer Erstreckung der Rotorkopfachse im Bereich zwischen Ausschwingachse und Kesselwand der Zentrifuge verläuft, und die erste gewölbte Fläche derart ausgebildet ist, indem ein Ausschnitt eines Kreisbogens, dessen Mittelpunkt in der Rotorkopfachse angeordnet ist und dessen Radius im Bereich zwischen Kesselwand und Ausschwingachse liegt, um die Ausschwingachse herum geschwenkt ist. Bei einer solchen Konstruktion ergibt sich als Außenrand die Form einer Ellipse, wobei im ausgeschwungenen Zustand der Ausschwingeinheit die lange Hauptachse der Ellipse waagerecht angeordnet ist und der Mittelpunkt der Ellipse in einer zugehörigen Hauptachse des Rotorkopfes und somit senkrecht zur Ausschwingachse angeordnet ist. Die Fläche innerhalb der Ellipse ist dann der Bodenbereich, der für die Platzierung von Probengefäßen genutzt werden kann. Die Probengefäße sind im Bereich des Bodens der Ausschwingeinheit in etwa auf einer gemeinsamen Höhe angeordnet. Eine kleine Variation der Bodenhöhen von Probengefäßen bringt zusätzlich zur windschiefen Anordnung Vorteile bezüglich Raumausnutzung.
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Eine größere Sicherheit bei der Rotation wird erreicht, wenn der Radius des oben erwähnten Kreisbogens aus dem Radius der Kesselwand der Zentrifuge vermindert um einen Sicherheitsabstand und einer Mindestdicke des Bodens der Ausschwingeinheit gebildet ist. Der Sicherheitsabstand berücksichtigt die Schwankungen im Rundlauf und Bewegungen einer Ausschwingeinheit in radialer Richtung zum Beispiel bei Erschütterungen, die von außerhalb oder innerhalb der Zentrifuge angestoßen werden. Bei einer solchen Konstruktion ist die Gefahr geringer, dass es zu einer Kollision zwischen der Ausschwingeinheit und der Kesselwand der Zentrifuge während einer Rotation des Rotorkopfes kommt.
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Im Kopfbereich der Ausschwingeinheit kann der größtmögliche Platz zur Aufnahme von Probengefäßen auf folgende Weise ermittelt werden: Der Außenrand des Kopfes der Ausschwingeinheit ist durch einen Schnitt einer zweiten Ebene mit einer zweiten gewölbten Fläche gebildet, wobei die zweite Ebene parallel zu der am Rotorkopf vorhandenen Ausschwingachse der Ausschwingeinheit in einer Erstreckung der Rotorkopfachse im Bereich zwischen Ausschwingachse und Rotorkopfachse verläuft, und die zweite gewölbte Fläche ist derart gebildet, indem eine dritte Ebene, welche durch die Ausschwingachse, der Ausschwingachse zugewandte Körperkanten der zugehörigen Rotorarme und der Rotornabe des Rotorkopfes gebildet ist, um die Ausschwingachse herum geschwenkt ist. Innerhalb einer durch einen derart gebildeten Außenrand gebildeten Fläche können Probengefäße angeordnet sein, ohne mit dem Rotorkopf zu kollidieren, wobei gleichzeitig die größtmögliche Fläche zur Verfügung gestellt wird. Die zweite Ebene stellt die Fläche dar, in der die Oberkanten der Probengefäße in etwa auf gemeinsamer Höhe angeordnet sind.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Einhüllende der Probengefäßausnehmungen in deren Bodenbereich ein Kreis, dessen Mittelpunkt in der Mittelachse der Ausschwingeinheit liegt. Damit kann die Ausschwingeinheit anstatt einer elliptischen Kontur eine kreisrunde Kontur aufweisen. Diese kann fertigungstechnisch und im Hinblick auf die Fertigungskosten einfacher herstellbar sein. Ferner kann eine bereits vorhandene Ausschwingeinheit, die einen kreisrunden Querschnitt aufweist und nur einen kreisrunden Einsatz bzw. Adapter mit Ausnehmungen für Probengefäße aufnehmen kann, mit einem Einsatz versehen sein, der windschief angeordnete Achsen für Probengefäßausnehmungen besitzt. Die Zahl der aufnehmbaren Probengefäße kann trotz der kreisrunden Geometrie höher sein als bisher, wenn die Probengefäße einen sich konusförmig verjüngenden Bodenbereich besitzen, so dass im Bodenbereich der Ausschwingeinheit ebenfalls konusförmige Ausnehmungen ausgebildet sind. Durch die konusförmige Geometrie kann der Raumbedarf im Bodenbereich schmaler ausgebildet sein als bei ausschließlich zylinderförmigen Ausnehmungen.
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Die Aufgaben werden auch durch einen Zentrifugenkopf mit einer vorstehend beschriebenen Ausschwingeinheit und einer Zentrifuge mit einem solchen Zentrifugenkopf gelöst.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausschwingeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine Seitenansicht eines Rotorkopfes für eine erfindungsgemäße Ausschwingeinheit;
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3 eine Draufsicht des Rotorkopfes gemäß 2 mit Schnittebenen für die Anordnung einer erfindungsgemäßen Ausschwingeinheit;
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4 eine perspektivische Ansicht des Rotorkopfes und Flächen zur Konstruktion des Kopfbereiches der erfindungsgemäßen Ausschwingeinheit;
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5 eine perspektivische Ansicht des Rotorkopfes und Flächen zur Konstruktion des Bodenbereiches der erfindungsgemäßen Ausschwingeinheit;
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6 eine perspektivische Ansicht von Achsen von Probengefäßausnehmungen bei der erfindungsgemäßen Ausschwingeinheit; und
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7 eine Zentrifuge mit einer erfindungsgemäßen Ausschwingeinheit.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ausschwingeinheit 100 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Ausschwingeinheit 100 besitzt am Rand eine Aussparung 101, welche mit einem Lagerzapfen eines Rotorkopfes 1 einer Zentrifuge 200 korrespondiert, siehe 7. Innerhalb der Ausschwingeinheit 100 ist ein Adapter oder Einsatz 102 angeordnet, der mit Ausnehmungen 24 zur Aufnahme von Probengefäßen 240 versehen ist.
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Eine Seitenansicht eines Rotorkopfes zeigt 2. Der Rotorkopf 1 weist in der geometrischen Mitte eine Rotorkopfachse 2 auf, wobei um die Achse 2 eine Rotorkopfnabe 3 vorgesehen ist, siehe auch 5. Der Rotorkopf 1 ist mit mehreren Armen 4 versehen, siehe 3, die von der Rotorkopfnabe 3 radial nach außen abstehen. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform sind an den Enden der Arme 4 dreiecksförmige Halterungen 5 ausgebildet, an deren Wangen 6 nach außen vorstehende Lagerzapfen 7 angeordnet sind. Ein Lagerzapfen 7 bildet mit einem gegenüberliegenden Lagerzapfen eines benachbarten Armes 4 eine Ausschwingachse 8, welche die Schwenkachse einer Ausschwingeinheit 100 bildet. Die Lagerzapfen 7 sind dazu vorgesehen, in die Aussparungen 101 der Ausschwingeinheit 100 einzugreifen. Zwischen der Ausschwingachse 8, den zugehörigen Armen 4 und der Seite der Rotornabe 3 ist ein Bereich 9, der von einer Ausschwingeinheit 100 beziehungsweise dessen Kopfbereich während eines Ausschwingens überdeckt werden darf, ohne dass es zu einer Kollision mit dem Rotorkopf 1 kommt. Die Begrenzungslinie des Bereiches 9, welche die zweite gewölbte Fläche ist, ist mit dem Bezugszeichen 10 versehen.
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Die äußere Begrenzung der Ausschwingeinheit ist durch die Kesselwand 11 der Zentrifuge bedingt, siehe 3. Um bei einem Unrundlauf des Rotors eine Kollision einer Ausschwingeinheit 100 mit der Kesselwand 11 zu vermeiden, ist bei der in 3 dargestellten Ausführungsform einer Zentrifuge ein Sicherheitsabstand 12 einschließlich der Dicke eines Bodens einer Ausschwingeinheit vorgesehen, so dass sich der für eine Ausschwingeinheit tatsächlich nutzbare Radius 13 ergibt. Ein Segment 131 dieses durch den Radius 13 gebildeten Kreises ist in 3 derart dargestellt, dass es etwa einen Winkel von 90° und somit den Bereich zwischen zwei Armen 4 des Rotorkopfes 1 überdeckt. Wird dieses Kreissegment 131 um die Ausschwingachse 8 geschwenkt, bildet sich eine erste gekrümmte Fläche 16 aus, die in 2 in der Seitenansicht, in 3 in der Draufsicht und in 5 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt ist.
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Wird parallel zu der Ausschwingachse 8 in einer Erstreckung der Rotorkopfachse 2, in 3 also senkrecht zur Zeichenebene, im Bereich zwischen Ausschwingachse 8 und der ersten gewölbten Fläche 16 eine erste Ebene 14 gelegt, schneidet diese die erste gewölbte Fläche 16. Wie aus 5 ersichtlich ist, erzeugt der Schnitt dieser ersten Ebene 14 mit der ersten gewölbten Fläche 16 eine erste Schnittlinie 17, welche den maximal zulässigen Außenrand des Bodens einer Ausschwingeinheit 100 bildet, ohne dass es unter Berücksichtigung eines Sicherheitsabstandes zu einer Kollision von Ausschwingeinheit 100 mit der Kesselwand 11 der Zentrifuge kommt. Die erste Schnittlinie 17 ist ellipsenförmig und in 5 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Ellipse weist eine erste Hauptachse 18 und eine senkrecht dazu angeordnete zweite Hauptachse 19 auf, wobei der Ellipsenmittelpunkt in einer Verlängerung senkrecht zur Ausschwingachse 8 durch eine Achse 20 die Rotorkopfachse 2 schneidet. Die von der Schnittlinie 17 umfasste Fläche 170 kann für die Anordnung von Ausnehmungen für Probengefäße genutzt werden
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Die Konstruktion eines zulässigen Kopfbereiches einer Ausschwingeinheit ist zum Beispiel mittels der 2 bis 4 ersichtlich. Bei einer um die Ausschwingachse 8 gedachten Rotation eines Bereiches, der von der Ausschwingachse 8, den angrenzenden Rotorarmen 4 und einer Seite der Rotornabe 3 umschlossen ist, wird im ausgeschwungenen Zustand eine zweite gewölbte Fläche 9 erzeugt. Wird parallel zu der Ausschwingachse 8 in einer Erstreckung der Rotorkopfachse 2, also in 3 senkrecht zur Zeichenebene, in einen Bereich zwischen der Ausschwingachse 8 und der Rotorkopfachse 2 eine zweite Ebene 21 gelegt, schneidet diese die zweite gewölbte Fläche 9 in der Weise, dass eine zweite Schnittlinie 22 gebildet wird. Wie aus 4 ersichtlich ist, ist die Schnittlinie 22 an den Hochseiten konvex gewölbt, wobei die obere und untere Begrenzung 23 horizontal verläuft. Dieser horizontale Anteil der Schnittlinie 22 ist durch die Kontur der Rotornabe 3 bedingt, welche in der Draufsicht eine gerade Linie 300 darstellt, siehe 3. Die von der Schnittlinie 22 umfasste Fläche 220 kann für die oberen Enden der Probengefäße 240 in einer Ausschwingeinheit genutzt werden, ohne dass es bei einer Rotation des mit einer Ausschwingeinheit versehenen Zentrifugen-Rotorkopfes zu einer Kollision mit dem Rotorkopf 1 kommt. In der Draufsicht, siehe 3, ergibt sich eine Fläche 30, in der die Ausschwingeinheit angeordnet sein kann.
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6 zeigt die erste Schnittlinie 17 für den Bodenbereich und zweite Schnittlinie 22 für den Kopfbereich einer Ausschwingeinheit. Es ist erkennbar, dass im Kopfbereich eine Fläche zur Verfügung steht, welche mehr hoch als breit ist, während im Bodenbereich eine Fläche genutzt werden kann, welche mehr breit als hoch ist. Bei der Anordnung in 6 sind zehn Ausnehmungen gezeichnet, welche mit den Zahlen P1 bis P10 durchnummeriert sind. Die Anordnung von Achsen der Ausnehmungen 24 für Probengefäße ist am Beispiel der Ausnehmung Nummer P5 durch einer Mittelachse 25 dargestellt. Die Ausnehmungen mit den Nummern P9 und P10 besitzen windschiefe Achsen 26 und 27, wobei im Kopfbereich die Ausnehmung Nummer P9 von den Ausnehmungen P8 und P10 benachbart ist, während im Bodenbereich die Ausnehmung Nummer P9 nur noch von der Ausnehmung Nummer P10, aber nicht mehr von der Ausnehmung Nummer P8 benachbart ist. Durch die windschiefe Anordnung der Achsen der Ausnehmungen kann sich somit die Reihenfolge der Ausnehmungen im Kopfbereich im Vergleich zu der Reihenfolge im Bodenbereich verändern.
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Die erste Schnittlinie 17 ist eine Ellipse, welche den maximal zur Verfügung stehenden Bereich 170 für Ausnehmungen von Probengefäßen umfasst. Dieser Bereich kann selbstverständlich kleiner gefasst und zum Beispiel als Kreis ausgebildet sein, siehe gestrichelte Linie 29 in 6. Eine solche Maßnahme ist sinnvoll, wenn der Adapter 102 im Bodenbereich kreisförmig gestaltet sein soll, um in eine vorhandene Ausschwingeinheit zu passen. Die Probengefäße können in einem solchen Fall im Bodenbereich zum Beispiel konusförmig ausgebildet sein, so dass der dort erforderliche Platz kleiner sein kann.
