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Das technische Gebiet der Erfindung betrifft Zentrifugen, die Probenbehältnisse aufnehmen und dazu verwendet werden, Bestandteile der darin enthaltenen Proben bei hoher Drehgeschwindigkeit eines Zentrifugenrotors voneinander zu trennen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Antriebskopf zur lösbaren Verbindung eines Antriebes mit einem Rotor einer Zentrifuge, der einen Grundkörper und mindestens ein Kupplungselement, welches an dem Grundkörper zwischen einer Freigabeposition und einer Verriegelungsposition bewegbar befestigt ist. Das Kupplungselement steht in der Verriegelungsposition weiter über den Außenumfang des Grundkörpers vor als in der Freigabeposition, kommt an dem Rotor in Anlage und verriegelt den Rotor dadurch so am Antriebskopf, dass er nicht mehr von diesem abgenommen werden kann. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Set für eine Zentrifuge mit einem Antriebskopf und mindestens einer Nabe für einen Rotor. Schließlich bezieht sich die Erfindung auf eine Zentrifuge, welche den Antriebskopf oder das Set umfasst.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits mehrere Lösungen bekannt, mittels denen ein Rotor einer Zentrifuge fest auf einer Antriebswelle befestigt werden kann. Es ist beispielsweise bekannt, den Rotor mit einem Gewinde auf einen konischen Sitz einer Antriebswelle zu pressen.
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Die
US 2 329 499 A betrifft eine Spinnvorrichtung mit einem Spinntopf
21 und einem Antriebskopf
24, deren Verbindung durch Stifte
26 bewirkt wird, welche Teil einer Hülse
25 sind, die wiederum Teil des Spinntopfes
21 ist. Die Stifte lassen sich entlang der Rotationsachse von oben nach unten verschieben und greifen dann in Ausnehmungen
27 in einem tellerartigen Vorsprung des Antriebskopfes ein. Es sind auch selbstarretierende Befestigungen für Zentrifugenrotoren bekannt, beispielsweise aus der
EP 0 911 080 A1 . Das beschriebene System eignet sich jedoch nur für spezielle Rotorarten, welche keine Kräfte (zum Beispiel Auftriebskräfte) entgegen der Kupplungsrichtung erzeugen.
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Die
DE 10 2008 045 556 A1 entwickelt das Prinzip der
EP 0 911 080 A1 weiter und berücksichtigt explizit wirkende Auftriebskräfte bis zu einer Kraft von ca. 100 N. Bis zu dieser Kraft ist ein axiales Entriegeln ausgeschlossen. Bei höheren Auftriebskräften und/oder bei sehr hohen Drehzahlen stößt aber auch dieses System an seine Grenzen. Bei hohen Auftriebskräften und gleichzeitigem Verdrehen der Kupplungspartner oder verminderten Eigenschaften der Reibpaarung wird die Selbsthemmung des Systems aufgehoben und ein axiales Entriegeln kann stattfinden. Bei sehr hohen Drehzahlen bewirken überdies die hohen Zentrifugalkräfte ein Verklemmen des Rotors, und die Kupplung lässt sich nicht immer problemlos lösen.
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In der
DE 10 2012 011 531 A1 ist ein sehr vielseitig einsetzbares System beschrieben, das sich zur selbstarretierenden Befestigung unterschiedlichster Rotoren an einem Antriebskopf eignet. Der Antriebskopf weist verschiedenartige Kupplungselemente auf, die in Abhängigkeit von dem jeweils zu befestigenden Rotor entweder einzeln oder in Kombination miteinander in zugehörige Ausnehmungen im Rotor einschwenken. Die Selbstarretierung wird durch gezielte Ausbildung von geneigten Rampenflächen an der Kupplungselementen und dem Rotor erreicht. Fertigungstechnisch ist dies vergleichsweise aufwendig.
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Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben angesprochenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Antriebskopf mit einer selbstarretierenden und schnell lösbaren Kupplung sowie ein Set für eine Zentrifuge und eine Zentrifuge, die diesen Antriebskopf aufweisen, bereitzustellen, die kostengünstig herstellbar sind, ohne dabei an Zuverlässigkeit und Bedienungsfreundlichkeit einzubüßen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1, 9 und 12. Abhängige Patentansprüche sind auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf einen Antriebskopf zur lösbaren Verbindung eines Antriebes mit einem Rotor einer Zentrifuge, der einen um eine Rotationsachse rotierbaren Grundkörper und mindestens ein Kupplungselement aufweist, welches an dem Grundkörper zwischen einer Freigabeposition und einer Verriegelungsposition bewegbar befestigt ist. Das Kupplungselement steht in der Verriegelungsposition weiter über den Außenumfang des Grundkörpers vor als in der Freigabeposition. Die Verriegelung erfolgt also grundsätzlich wie bei der
DE 10 2012 011 531 A1 oder
DE 10 2008 045 556 A1 dadurch, dass das in ihrer Verriegelungsposition über den Außenumfang des Grundkörpers vorstehende Kupplungselement an dem Rotor angreift und durch diesen Eingriff den Rotor am Antriebskopf befestigt. Im Unterschied zu den vorgenannten Druckschriften erfolgt aber der Übergang des Kupplungselements aus der Freigabeposition, in der der Rotor vom Antriebskopf abgenommen werden kann, in die Verriegelungsposition nicht durch eine Schwenkbewegung, sondern durch ein lineares Verschieben, und zwar derart, dass die Verschiebungsbewegung geneigt gegenüber der Rotationsachse und einer diese senkrecht schneidenden Ebene, nachfolgend als Schnittebene bezeichnet, erfolgt. Die Schnittebene und die Ebene, in der die Verschiebungsbewegung des jeweiligen Kupplungselementes stattfindet, stehen also in einem Winkel zueinander.
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Der Herstellung des Kontaktes zwischen Kupplungselement und Rotor, um eine Verriegelung zu bewirken, erfolgt durch eine lineare Bewegung. Diese ist leichter umzusetzen als die im eingangs besprochenen Stand der Technik ausgeführte Schwenkbewegung der Kupplungselemente. Beim Verschwenken wird zudem, abhängig von den Toleranzen, so gut wie nie ein Flächenkontakt zwischen den Kontaktflächen ereicht, sondern in der Regel nur ein Linien- oder Punktkontakt, bei dem sehr hohe Flächenpressungen auftreten, die zu einem Verkeilen von Kupplungselement und Rotor führen können. Bei der erfindungsgemäßen linearen Bewegung nähern sich die Kontaktflächen dagegen in paralleler Orientierung einander an. Damit ist ein großflächiger Kontakt gesichert und ein Verkeilen der Kontaktflächen ausgeschlossen. Zusätzlich kann bei der Schwenkbewegung das Einschwenken in die gewünschte Endposition des Kupplungselementes, in der eine sichere Selbsthemmung bereits vor dem Start der Rotationsbewegung des Rotors erreicht wird, durch Verschmutzung der Kontaktflächen von Kupplungselement und Rotor verhindert werden. Beispielsweise bremsen Staubkörner gelegentlich das vollständige Schwenken des Kupplungselementes und verhindern so dessen Einschwenken in die vorgesehene Endposition. Beim linearen Aufsetzen der Auflagefläche des Kupplungselements auf die Kontaktfläche des Rotors tritt diese Beeinträchtigung praktisch nicht auf.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Auflagefläche des Kupplungselementes, im Unterschied zum beschriebenen Stand der Technik, plan ist und waagerecht - die Rotationsachse senkrecht schneidend und parallel zur Schnittebene - verläuft. Damit kann auch die zugehörige Kontaktfläche am Rotor, auf der die Auflagefläche des Kupplungselementes in der Verriegelungsposition zu liegen kommen, eben und waagerecht ausgebildet werden. Dies erleichtert deren Herstellung erheblich und senkt die Kosten der Gesamtkonstruktion.
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Das Aufschieben des Kupplungselementes in Richtung auf den Rotor, um diesen mit dem Antriebskopf zu verriegeln, geschieht bevorzugt von der Aufschubseite des Rotors her gesehen schräg nach unten. Der Neigungswinkel der Ebene, in welcher die Verschiebung des Kupplungselementes erfolgt, bezüglich der Schnittebene, welche die Rotationsachse des Antriebskopfes senkrecht schneidet, wird dabei zweckmäßig in Abhängigkeit von den Materialien des Kupplungselementes und des Rotors gewählt. Dies geschieht unter Berücksichtigung der Reibwerte der Auflagefläche des Kupplungselementes einerseits und der zugehörigen Verriegelungsfläche des Rotors andererseits, auf der die Auflagefläche des Kupplungselementes zu liegen kommt. Wie stark die Selbstverriegelung ist, die sich beim Kontaktieren der Auflagefläche des Kupplungselements mit der zugehörigen Verriegelungsfläche des Rotors ergibt, hängt einerseits von der gewählten Materialpaarung ab und andererseits von dem Winkel, in welchem die beiden Kontaktflächen gegeneinander gepresst werden. Wie in der
DE 10 2008 045 556 A1 in Zusammenhang mit
3 und
4 beschrieben, tritt eine Selbsthemmung ein, wenn der Winkel α, der die Neigung der Kontaktfläche beschreibt, kleiner ist als arc tan µ
0, wobei µ
0 der Reibwert der verwendeten Materialpaarung ist. In der Regel wird sowohl für das Kupplungselement als auch für den Rotor Stahl eingesetzt. Der Reibwert µ
0 für eine Stahl-Stahl-Paarung liegt bei 0,3 für trockene Oberflächen. Hieraus ergibt sich für die vorliegende Erfindung ein besonders bevorzugter Neigungswinkel α der Verschiebungsebene bezüglich der Schnittebene von höchstens 17°, insbesondere ein Bereich von 10 bis 17 °. Für andere Materialpaarungen können jedoch auch andere Neigungswinkel α gewählt werden. Insgesamt liegen bevorzugte Neigungswinkel für die Erfindung im Bereich von 5 bis 30 ° und noch bevorzugter von 10 bis 20 °.
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Das schräge Verschieben des Kupplungselementes erlaubt es, die Auflagefläche, mit welcher das Kupplungselement an dem Rotor anliegt, waagerecht auszubilden. Entsprechend kann auch die wenigstens eine Verriegelungsfläche am Rotor, auf welcher die Auflagefläche des Kupplungselementes zu liegen kommen, waagerecht ausgebildet sein. Dies erleichtert die Herstellung des Rotors und den Aufwand dabei erheblich. Beispielsweise kann die Verriegelungsfläche im Rotor dadurch erzeugt werden, dass in die Mantelfläche der Rotornabe, welche die mittige Öffnung im Rotor zur Aufnahme des Antriebskopfes umgibt, eine ringförmige Nut mit in Radialrichtung rechteckigem Querschnitt eingefräst oder in sonstiger Weise eingebracht wird. Alternativ kann die Auflagefläche des wenigstens einen Kupplungselementes auch einfach auf einem oberen Rand der Nabe des Rotors zu liegen kommen und auf diese Weise den Rotor an dem Antriebskopf verriegeln. In jedem Fall ist die Erzeugung der waagerechten Verriegelungsfläche erheblich einfacher als die Erzeugung derselben mit einer bestimmten Neigung, wie dies im Stand der Technik notwendig war.
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Abgesehen von der anderen Orientierung des wenigstens einen Kupplungselementes als im Stand der Technik kann dieses ansonsten ähnlich wie die Kupplungselemente aus den vorstehend zitierten Druckschriften aufgebaut sein. Beispielsweise kann das Kupplungselement eine in Richtung auf die Aufschubseite des Rotors hinweisende obere Deckfläche und eine von der Aufschubseite des Rotors weiter entfernt liegende untere Deckfläche aufweisen. Beide Deckflächen sind vorzugsweise eben und verlaufen zueinander parallel. Die Deckflächen werden zweckmäßig so angeordnet, dass sie zu der Ebene, in welcher die Verschiebung des Kupplungselements erfolgt, ebenfalls parallel verlaufen.
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Bevorzugt wird pro Antriebskopf mehr als ein Kupplungselement eingesetzt. Diese Kupplungselemente können gleich oder voneinander verschieden sein. In einer bevorzugten Variante der Erfindung sind zwei oder drei gleiche Kupplungselemente gleichmäßig in Umfangsrichtung und besonders bevorzugt auf gleicher Höhe des Antriebskopfes um dessen Außenumfang verteilt angeordnet, um eine gleichmäßige und verkippungsfreie Arretierung des Rotors zu gewährleisten. Es können jedoch auch verschiedene Kupplungselemente eingesetzt werden, wie dies in der
DE 10 2012 011 531 A1 beschrieben ist. Letzteres ist besonders bei mehr als zwei und insbesondere mehr als drei Kupplungselementen bevorzugt, von denen sich dann zweckmäßig zumindest eines auf einer anderen Höhe des Antriebskopfes befindet als die übrigen. Grundsätzlich können auch linear verschiebbare und schwenkbare Kupplungselemente miteinander kombiniert werden. Bevorzugt ist jedoch die Verwendung nur linear verschiebbarer Kupplungselemente.
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Zur Führung des Kupplungselementes beim Verschieben ist dieses zweckmäßig in einer Aussparung im Grundkörper derart angeordnet, dass die obere Deckfläche an einer oberen Begrenzungsfläche der Aussparung flächig anliegt und die untere Deckfläche an einer unteren Begrenzungsfläche. Auch diese Begrenzungsflächen der Aussparung sind zweckmäßig so orientiert, dass sie parallel zur Verschiebungsebene verlaufen, in welcher das Kupplungselement linear verschoben wird. Bevorzugt handelt es sich bei den Aussparungen für das Kupplungselement um eine Nut mit einem bevorzugt rechteckigen Querschnitt quer zur Verschiebungsrichtung, die in den Außenumfang des Grundkörpers eingebracht, beispielsweise eingefräst, worden ist. Die Aussparung ist somit zum Äußeren des Grundkörpers hin offen, was das Einsetzen des Kupplungselementes in die Aussparung erleichtert. Das Kupplungselement kann auf jede beliebige Art verschiebbar in der zugehörigen Aussparung befestigt werden. Bevorzugt ist es, wie dies auch bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist, mittels eines elastischen Elementes wie beispielsweise einer Feder vorgespannt angeordnet, und zwar derart, dass das Kupplungselement in die Verriegelungsposition vorgeschoben wird. Die Verschiebung aus der Verriegelungsposition in die Freigabeposition, in welcher der Rotor von dem Antriebskopf abgenommen werden kann, erfolgt also entgegen der Federkraft.
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Zum Führen des Kupplungselementes in der Verschiebungsrichtung, also zum linearen Bewegen von der Freigabeposition in die Verriegelungsposition und zurück, können zudem Führungsmittel wie beispielsweise ein Führungsvorsprung in Kombination mit einer Führungsnut vorgesehen sein, die am Kupplungselement einerseits und am Grundkörper des Antriebskopfes andererseits ausgebildet sind. Beispielsweise kann das Kupplungselement eine lineare Führungsnut aufweisen, entlang derer ein Führungsvorsprung gleiten kann, welcher am Grundkörper vorsteht. Bevorzugt sind pro Kupplungselement zwei Führungsvorsprünge vorgesehen, die zueinander benachbart in eine Führungsnut eingreifen, um so für eine lineare Verschiebung zu sorgen.
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Die Auflagefläche des Kupplungselements, mit welchem dieses an der Verriegelungsfläche des Rotors zur Verriegelung anliegt, befindet sich bevorzugt auf der der Aufschubseite des Rotors abgewandten Seite des Kupplungselementes. Auf diese Weise wird ein unbeabsichtigtes Abheben des Rotors vom Antriebskopf besonders sicher verhindert. Das Kupplungselement gelangt bevorzugt, wie dies bereits beschrieben wurde, automatisch in die Verriegelungsposition, indem es durch das elastische Element aus dem Grundkörper heraus in Richtung auf den Rotor ausgefahren wird, sobald der Rotor sich in der Verriegelungsposition auf dem Antriebskopf befindet. Hat der Rotor die Verriegelungsposition erreicht, tritt automatisch eine Selbstarretierung ein, die es nicht mehr erlaubt, dass sich der Rotor unbeabsichtigt vom Antriebskopf löst. Zum Lösen des Rotors muss vielmehr eine Entriegelungsvorrichtung betätigt werden, mit welcher das Kupplungselement aus der Verriegelungsposition entgegen der Federkraft in die Freigabeposition zurückgeschoben wird. Die Entriegelungsvorrichtung kann beispielsweise aus geeigneten Stellelementen, zum Beispiel Schiebern, gebildet sein, wie dies grundsätzlich bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Auch der Antriebskopf selbst kann in seiner Grundform der Form der Antriebsköpfe des Standes der Technik entsprechen. Bevorzugt besitzt er einen in Aufschubrichtung des Rotors oberen Bereich, der eine im Wesentlichen zylindrische Außenkontur besitzt, und einen sich an den oberen Bereich anschließenden unteren Bereich in Form eine Kegelstumpfes. Die Kombination von zylindrischem Bereich und Kegelstumpf-Bereich ermöglicht ein einfaches Zentrieren des Rotors auf dem Antriebskopf. Ein besonders sicherer Halt wird erreicht, wenn sich an den kegelstumpfförmigen Bereich ein weiterer zylindrischer Bereich anschließt.
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Neben dem Antriebskopf betrifft die Erfindung außerdem ein Set für eine Zentrifuge, das den Antriebskopf und eine Nabe für einen Rotor umfasst. Die Nabe für den Rotor kann entweder mit dem Rotor selbst integral und einstückig ausgebildet sein, oder es kann sich um ein separates Teil handeln, welches in eine Innenöffnung des Rotors eingesetzt wird. In letzterem Fall ist die Nabe üblicherweise hülsenförmig ausgebildet. Die Nabe weist wenigstens eine Verriegelungsfläche auf, die parallel zur Schnittebene und damit senkrecht zur Rotationsachse des Antriebskopfes verläuft und zur Aufnahme der Auflagefläche eines Kupplungselementes dient. Ist die Nabe also auf den Antriebskopf aufgesetzt und befindet sich somit das wenigstens eine Kupplungselement in seiner Verriegelungsposition, kommt seine Auflagefläche auf der Verriegelungsfläche zu liegen und arretiert so den mit der Nabe verbundenen Rotor auf dem Antriebskopf. In einer Möglichkeit ist pro Auflagefläche eines Kupplungselementes eine gesonderte Verriegelungsfläche vorhanden. Aus Gründen der einfacheren Herstellung ist es allerdings bevorzugt, für mehrere oder alle Auflageflächen lediglich eine gemeinsame Verriegelungsfläche vorzusehen. Diese kann insbesondere derart ringförmig ausgebildet sein, dass sie sich mit den Auflageflächen von wenigstens zwei in Verriegelungsposition befindlichen Kupplungselementen des Antriebskopfes in Kontakt befindet, wenn die Nabe auf den Antriebskopf aufgesetzt ist. In der Nabe bzw. im Rotor muss damit lediglich eine einzige Verriegelungsfläche geschaffen werden, deren Auflagefläche zudem waagerecht verlaufen kann, was die Herstellung der Nabe bzw. des Rotors gegenüber dem Stand der Technik erheblich erleichtert.
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Gegenstand der Erfindung ist schließlich auch eine Zentrifuge, welche entweder den beschriebenen Antriebskopf oder das erfindungsgemäße Set umfasst.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen sind rein schematisch und dienen lediglich der Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Antriebskopfes;
- 2 den Antriebskopfes der 1 entlang der Linie B-B geschnitten;
- 3 ein erfindungsgemäßes Set aus dem Antriebskopf der 1 und einer Nabe eines Rotors in perspektivischer Ansicht;
- 4 das Set der 3 entlang der Linie C-C geschnitten;
- 5 eine teilweise durchsichtige Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebskopfes;
- 6 eine teilweise durchsichtige Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebskopfes und
- 7 eine erfindungsgemäße Zentrifuge in einer Querschnittsdarstellung.
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1 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Antriebskopf 1. Dieser Antriebskopf wird auf einer hier nicht dargestellten Antriebswelle eines Motors einer Zentrifuge befestigt und dient zum Antreiben eines Zentrifugenrotors. Der Antriebskopf 1 umfasst einen Grundkörper 2 mit einem im Wesentlichen zylindrischen oberen Teil 24 und einem sich daran anschließenden kegelstumpfförmigen Teil 25. Im oberen zylindrischen Bereich 24 sind in den Außenumfang des Grundkörpers 2 zwei entlang des Umfangs verlaufende langgestreckte Öffnungen zur Aufnahme von Kupplungselementen 3 und 4 vorhanden, von denen hier nur die erste Öffnung 20 zur Aufnahme des Kupplungselements 3 zu erkennen ist. Die nicht erkennbare Öffnung zur Aufnahme des Kupplungselements 4 ist jedoch in analoger Weise auf der rückwärtigen Seite des Grundkörpers 2 vorhanden. Die Kupplungselemente 3 und 4 sind in den Öffnungen linear verschiebbar befestigt. In 1 befinden sich die beiden Kupplungselemente 3 und 4 in ihrer Verriegelungsposition, die hier mit V bezeichnet ist. In ihrer Verriegelungsposition stehen die Kupplungselemente 3 und 4 mit einem ihrer Enden über den Außenumfang des zylindrischen Bereiches 24 des Grundkörpers 2 nach außen vor, so dass ihre Auflageflächen, von denen hier nur die Auflagefläche 40 des zweiten Kupplungselements 4 zu sehen ist, über den Grundkörper 2 herausstehen. Beim Aufsetzen eines Rotors von der Aufschubrichtung A her auf den Antriebskopf 1 oder beim Entriegeln werden die Kupplungselemente 3 und 4 in den Grundkörper 2 soweit zurückgeschoben, dass die im Grundkörper 2 aufgenommenen Enden der Kupplungselemente an den stirnseitigen Enden der Aufnahmeöffnungen im Grundkörper anschlagen und die gegenüberliegenden Enden der Kupplungselemente 3 und 4 nicht mehr oder nur noch so weit über den Außenumfang des Grundkörpers 2 vorstehen, dass der Rotor vom Antriebskopf 1 abgenommen werden kann. Die stiftförmigen Vorsprünge 26 dienen dem Ausrichten und Halten des Rotors, der zugehörige Aufnahmevertiefungen für die Vorsprünge 26 aufweist, auf dem Antriebskopf 1. Eine zentrale Öffnung 10 im oberen Bereich des Antriebskopfes 1 ermöglicht den Zugang zum inneren Bereich des Antriebskopfes und vereinfacht so die Montage und Wartung der Kupplungselemente 3 und 4 im Antriebskopf 1.
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2 zeigt eine Schnittansicht des Antriebskopfes 1 der 1 entlang der Linie B-B. Der Schnitt verläuft in etwa mittig in Längsrichtung durch das Kupplungselement 3. Wie erkennbar, ist die Aufnahmeöffnung 20 für das Kupplungselement 3 im zylindrischen Teil 24 des Grundkörpers 2 schräg von der Aufschubrichtung A des Rotors weg nach unten verlaufend ausgebildet. Die Öffnung 20 weist eine obere Begrenzungsfläche 200 und eine untere Begrenzungsfläche 201 auf, die parallel zueinander verlaufen. Das Kupplungselement 3 ist so in die Öffnung 20 eingepasst, dass seine obere Deckfläche 31 und seine untere Deckfläche 32, die ebenfalls parallel zueinander verlaufen, an den Begrenzungsflächen 200 bzw. 201 anliegen und so beim Verschieben entlang der Richtung des eingezeichneten Doppelpfeils zwischen der Verriegelungsposition V und der Freigabeposition F in der Öffnung 20 in der Verschiebungsrichtung geführt werden. Die Lage des vorderen Endes des Kupplungselements 3 in der Freigabeposition ist durch die zwei senkrechten gestrichelten Linien angedeutet. Das freie Ende kommt also in der Freigabeposition so zu liegen, dass das Kupplungselement 3 vollständig in der Öffnung 20 aufgenommen ist. Wie in 1 und 2 erkennbar, ist die Außenkontur des Kupplungselements 3 dabei gekrümmt ausgebildet und folgt dem Verlauf der Außenkontur des zylindrischen Teils 24 des Grundkörpers 2. In der Freigabeposition F verschwindet das Kupplungselement 3 somit vollständig in der Öffnung 20 im Grundkörper 2, und beide Oberflächen verlaufen bündig zueinander. Gleiches gilt für das hier nicht dargestellte Kupplungselement 4.
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Das Kupplungselement 3 ist an einem am Grundkörper 2 befestigten Führungsstab 34 gelagert und entlang diesem verschiebbar. Am Führungsstab 34 und am Kupplungselement 3 ist ein Federelement 7 befestigt, mit welchem das Kupplungselement 3 so vorgespannt ist, dass es automatisch in die Verriegelungsposition V geschoben wird. Zum Verschieben in die Freigabeposition F muss das Kupplungselement 3 also entgegen der Federkraft der Feder 7 bewegt werden. Die Verschiebung zwischen der Freigabeposition F und der Verriegelungsposition V geschieht innerhalb einer Verschiebungsebene E, welche gegenüber einer Schnittebene S geneigt ist, die die Rotationsachse R, um welche der Antriebskopf 1 rotiert wird, senkrecht schneidet. Die Ebene E ist mit einem Winkel α gegenüber der Schnittebene S derart geneigt, dass das Kupplungselement 3 aus seiner Freigabeposition F von der Aufschubrichtung A des Rotors her gesehen schräg nach unten in die Verriegelungsposition V verschoben wird. Die Auflagefläche 30, mit welcher das Kupplungselement 3 auf einer zugehörigen Verriegelungsfläche der Nabe des Rotors zu liegen kommt, ist dagegen waagerecht ausgebildet und liegt in der Schnittebene S. Damit wird die Auflagefläche 30 beim Verriegelungsvorgang schräg von oben auf die zugehörige Verriegelungsfläche der Rotornabe aufgesetzt.
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Wie bereits in der
DE 10 2008 045 556 A1 beschrieben, hängt die Haltekraft, mit welcher Antriebskopf und Rotor aneinander befestigt werden, zum Einen vom Haftreibwert ab, der zwischen den Kontaktflächen des Rotors und des Antriebskopfes - also hier der Auflagefläche des Kupplungselements und der Verriegelungsfläche der Rotornabe - und damit von den Materialeigenschaften der beiden Flächen, sowie zum Anderen vom Neigungswinkel gegenüber der Krafteinwirkungsrichtung. Als Material der Kontaktflächen wird häufig Stahl verwendet. Für eine Stahl-Stahl-Paarung der Auflagefläche des Kupplungselements und der Verriegelungsfläche des Rotors ergibt sich ein Reibwert µ
0 von etwa 0,3. Um eine Selbsthemmung zwischen den beiden Kontaktflächen zu erreichen und damit ein unbeabsichtigtes Lösen der beiden Flächen voneinander zu verhindern, sollte der Neigungswinkel α kleiner sein als arc tan µ
0. Hieraus ergibt sich für eine Stahl-Stahl-Paarung ein Winkel α von höchstens 17°. Im gezeigten Fall ist der Winkel α auf etwa 15° eingestellt. Für andere Materialpaarungen können jedoch auch andere Winkel gewählt werden. Was hier für das Kupplungselement
3 beschrieben wurde, gilt analog für das gleichartig ausgebildete Kupplungselement
4.
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Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen linear verschiebbaren Kupplungselemente gegenüber dem Stand der Technik, wie er eingangs beschrieben wurde, besteht darin, dass die Auflageflächen 30 und 40 der Kupplungselemente 3 und 4 waagerecht ausgebildet werden können. Entsprechend sind auch die Verriegelungsflächen der Rotornabe waagerecht. Dies erleichtert deren Herstellung gegenüber dem Stand der Technik erheblich. So ist es beispielsweise möglich, waagerechte Nuten in der Rotornabe zu erzeugen anstelle von Nuten, die eine bestimmte Neigung aufweisen müssen. In einer anderen Variante, welche in 3 und 4 beschrieben ist, können die Auflageflächen 30 und 40 der Kupplungselemente einfach auf einem waagerechten oberen Rand der Rotornabe zu liegen kommen. 3 und 4 zeigen ein solches Set 8 aus dem Antriebskopf 1 der 1 und 2 und einer zugehörigen Nabe 50, die üblicherweise in der Innenöffnung eines zugehörigen Rotors montiert ist. Zur Befestigung sind an einem vorstehenden unteren Rand 52 der Nabe 50 verschiedene Öffnungen 53 vorhanden, durch welche die Nabe mittels Schraubverbindungen am Rotor befestigt werden kann. Zur besseren Erkennbarkeit der Verbindung zwischen Antriebskopf und Rotornabe ist der Rotor hier jedoch weggelassen.
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Die Nabe 50 besitzt eine im Wesentlichen hutartige Form mit einem zylindrischen Hauptteil und dem bereits erwähnten ringförmigen Flanschrand 52. Die Nabe 50 ist in ihrem Inneren hohl, weist eine mittige Durchgangsöffnung und einen kegelstumpfförmigen Innenmantel 54 auf, der komplementär zum kegelstumpfförmigen Außenumfang 25 des Grundkörpers 2 des Antriebskopfes 1 ausgebildet ist. Die Nabe 50 kann also von der Aufschubseite A her über den Antriebskopf 1 gestülpt werden und kommt in ihrer Endposition so auf dem kegelstumpfförmigen Teil 25 des Antriebskopfes 1 zu liegen, dass der Innenmantel 54 der Nabe 50 auf dem Außenmantel des Kegelstumpfteils 25 formschlüssig zu liegen kommt. Beim Überstülpen schiebt der immer enger werdende Kegelstumpfmantel 54 die Kupplungselemente 3 und 4 entgegen der Federkraft immer weiter nach innen, bis diese beim Erreichen des oberen Randes der Durchgangsöffnung der Nabe 50 vollständig in den Grundkörper 2 des Antriebskopfes 1 - also in die Freigabeposition F - hineingeschoben sind. Wird die Nabe 50 noch weiter nach unten auf den Antriebskopf 1 aufgeschoben und gleitet dabei die ringförmige Verriegelungsfläche 51 an den Kupplungselementen 3 und 4 vorbei, werden die Kupplungselemente freigegeben, durch die Federelemente 7 nach außen in die Verriegelungspositionen geschoben und kommen so flächig mit ihren Auflageflächen 30 und 40 auf der ringförmigen Verriegelungsfläche 51 der Nabe 50 zu liegen. Damit wird die Nabe 50 an dem Antriebskopf 1 verriegelt, ohne dass es noch eines weiteren Zutuns des Benutzers bedürfte. Ein unbeabsichtigtes Lösen von Nabe und Antriebskopf voneinander ist nicht mehr möglich. Eine Trennung von beiden Teilen gelingt nur noch durch Betätigung einer hier nicht dargestellten, grundsätzlich aus dem Stand der Technik aber bekannten Betätigungsvorrichtung, mit der die Kupplungselemente 3 und 4 entgegen der Federkraft der Feder 7 in die Freigabeposition bewegt werden.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Antriebskopfes 1 in Draufsicht von der Aufschubseite A her. Der Bereich, in dem sich die Kupplungselemente 3 und 4 befinden, ist dabei teilweise durchsichtig gezeigt, um die Anordnung der Kupplungselemente zu verdeutlichen. Die Kupplungselemente 3 und 4 ähneln im Wesentlichen denjenigen der vorstehenden Figuren. Sie sind in ihrer Verriegelungsposition dargestellt. Sie sind in Öffnungen 20 und 21 im Grundkörper 2 angeordnet, die im Wesentlichen denjenigen der vorangegangenen Figuren entsprechen. Die Bewegung der Kupplungselemente 3 und 4 erfolgt entlang Führungsstäben 34 und 44, an denen, ähnlich wie in den vorstehenden Figuren beschrieben, Federelemente 7 die Kupplungselemente 3 und 4 unter Vorspannung setzen und in die Verriegelungsposition schieben. Das Bewegen der Kupplungselemente 3 und 4 zurück aus der Verriegelungsposition in die Freigabeposition erfolgt mittels einer Betätigungsvorrichtung, die einen drehbaren Schaft 27 mit einem im Wesentlichen Z-förmigen Querschnitt umfasst. In den beiden keilförmigen Aussparungen des Schafts sind Keilvorsprünge 35 und 45 der Kupplungselemente 3 und 4 gelagert. Auf diesen befindet sich jeweils ein kleinerer dreieckiger Vorsprung 35' bzw. 45'. Diese Anordnung erlaubt es, durch Drehen des Schaftes 27 im Uhrzeigersinn die Kupplungselemente 3 und 4 über ihre keilförmigen Vorsprünge 35 und 45 in den Grundkörper 2 hineinzubewegen, so dass ihre Enden nicht mehr über den Außenumfang des Grundkörpers 2 vorstehen.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebskopfes 1 in einer der 5 vergleichbaren Darstellung. Die Verriegelungselemente sind erneut in ihrer Verriegelungsposition V dargestellt. Ihre Form entspricht grundsätzlich derjenigen der vorstehend beschriebenen Kupplungselemente. Jedoch weisen sie jeweils eine sich in Längsrichtung erstreckende Durchgangsöffnung 33 bzw. 43 auf, die über die gesamte Dicke der Kupplungselemente 3 und 4 hindurchreicht. In jeder der Längsöffnungen 33 und 43 sind zwei Führungsvorsprünge vorhanden, nämlich im ersten Kupplungselement 3 die Vorsprünge 22 und 26 sowie im zweiten Kupplungselement 4 die Vorsprünge 23 und 26. Die Vorsprünge sind jeweils stabförmig ausgebildet und weisen einen Durchmesser auf, der der Breite der Längsöffnungen 33 und 43 entspricht. Die Vorsprünge 22, 23 und 26 sind jeweils fest an dem Grundkörper des Antriebskopfes 1 befestigt. Bei den Vorsprüngen 26 handelt es sich, wie in Zusammenhang mit 1 besprochen, um Haltestifte, deren obere Enden in entsprechende Ausnehmungen des Rotors eingreifen und diesen auf dem Antriebskopf 1 ausrichten. Werden die Kupplungselemente 3 und 4 durch eine hier nicht gezeigte Betätigungsvorrichtung aus der Verriegelungsposition V in die Freigabeposition F verschoben, gleiten die Längsöffnungen 33 und 43 dabei entlang der Führungsvorsprünge 22, 23 und 26, so dass eine lineare Bewegung der Kupplungselemente 3 und 4 zwischen definierten Position F und V ermöglicht wird.
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7 schließlich zeigt stark vereinfacht eine erfindungsgemäße Zentrifuge 6, bei der es sich beispielsweise um eine Standzentrifuge handelt. Grundsätzlich ist aber auch der Einsatz in kleineren Geräten wie einer Tischzentrifuge denkbar. Innerhalb eines Außengehäuses 60 befindet sich ein Rotorgehäuse 61, in dem ein Zentrifugenrotor 5 angeordnet ist. Dieser wiederum ist mit einer Nabe 50 verbunden, die auf einen Antriebskopf 1 gesteckt und an diesem auf die vorstehend beschriebene Weise mit hier nicht bezeichneten Kupplungselementen arretiert ist. Der Rotor 5 wird mittels eines Motors 62 über eine Antriebswelle 63 in Rotation versetzt.
