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ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung betrifft eine Stellplatte für eine Gefriertrocknungsanlage, eine Gefriertrocknungsanlage mit mindestens einer in einer Produktkammer angeordneten Stellplatte sowie ein Verfahren zur Herstellung von Stellplatten.
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Gefriertrocknung, auch als Lyophilisation oder Sublimationstrocknung bezeichnet, ist ein Verfahren zur schonenden Trocknung hochwertiger Produkte, insbesondere Pharmaprodukte oder Biotechprodukte, beispielsweise Impfstoffe. Bei der Gefriertrocknung werden Eiskristalle eines zuvor tiefgefrorenen Produkts sublimiert.
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Bekannte Gefriertrocknungsanlagen umfassen eine Produktkammer, welche mit einem Kondensator verbunden ist. In der Produktkammer sind mehrere beheiz- und kühlbare Stellplatten vorgesehen, auf welchen insbesondere kleine Fläschchen, sogenannte Vials, platziert sind, in welche das zu trocknende Produkt abgefüllt ist.
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Die Stellplatten werden zum Temperieren des Produkts verwendet. Zum Trocknen des Produkts wird beispielsweise in einem ersten Schritt das in dem Produkt enthaltene gefrorene Wasser sublimiert. Zum Kühlen und/oder Wärmen der Stellplatten wird ein Wärme- und/oder Kälteträgerfluid, insbesondere ein Silikonöl durch die Stellplatten geführt. Für einen guten Wärmeübergang ist es wünschenswert, eine Materialdicke der Stellplatten möglichst gering zu halten.
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Weiter ist es bekannt, die Stellplatten zum Verschließen vom Produktbehältern, insbesondere der Vials, zu verwenden. Hierfür werden beispielsweise nach Abschluss des Gefriertrocknungsprozesses sämtliche Stellplatten derart eng zusammengefahren, dass eine oberhalb der Vials angeordnete Stellplatte die jeweils auf den Vials locker aufgesetzten Verschlüsse in die Vials drückt. Die Stellplatten müssen daher eine zur Aufbringung der Kräfte ausreichende Festigkeit aufweisen.
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Aus
WO 2007/085869 A1 und
EP 2 306 130 A2 sind jeweils eine Stellplatte und ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt, wobei ein geeignet geformtes Stahlblech zwischen zwei Stahlplatten angeordnet ist und die so geschaffene Struktur mittels Endplatten verschlossen wird. Mittels des geformten Stahlblechs wird eine Vielzahl an parallel angeordneten Kanalabschnitten geschaffen, welche unter mehrfacher Umkehrung einer Strömungsrichtung seriell durchströmt werden.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Stellplatte für eine Gefriertrocknungsanlage, eine Gefriertrocknungsanlage mit mindestens einer in einer Produktkammer angeordneten Stellplatte sowie ein Verfahren zur Herstellung von Stellplatten zu schaffen, wobei die Stellplatte eine hohe Festigkeit und gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweist und kostengünstig herstellbar ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Stellplatte für eine Gefriertrocknungsanlage geschaffen, welche zumindest teilweise durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt ist, wobei die Stellplatte eine Unterplatte, eine dazu parallel angeordnete Oberplatte und Seitenwände, die einen Innenraum der Stellplatte begrenzen, sowie mehrere, in dem Innenraum der Stellplatte angeordnete, die Unterplatte und die Oberplatte miteinander verbindende Wandelemente, mittels der zwischen der Unterplatte und der Oberplatte ein Kanal mit mehreren seriell oder parallel durchströmten Kanalabschnitten für ein Wärme- und/oder Kälteträgerfluid gebildet ist, umfasst.
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Bei einem generativen Fertigungsverfahren, auch als additives Fertigungsverfahren oder 3D-Druckverfahren bezeichnet, wird ein Produkt schichtweise aufgebaut. Durch generative Fertigungsverfahren lassen sich somit Stellplatten erstellen, bei welchen auf ein zeitaufwändiges Verschweißen einzelner Bauteile zur Schaffung eines fluiddichten Innenraums verzichtet werden kann. Weiter bietet ein generatives Fertigungsverfahren die Möglichkeit, die Gestaltung der Stellplatte hinsichtlich einer Biegefestigkeit und hinsichtlich Wärmeübertragungseigenschaften zu optimieren.
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In einer Ausgestaltung ist in mindestens einem Kanalabschnitt eine von dem Wärme- und/oder Kälteträgerfluid umströmte Struktur zur Erzeugung von Turbulenzen und/oder zur Erhöhung einer Biegefestigkeit der Stellplatte angeordnet. Die Struktur und deren Anordnung können durch den Fachmann unter strömungstechnischen und fertigungstechnischen Aspekten geeignet gewählt werden.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Struktur eine Vielzahl an von der Unterplatte und/oder der Oberplatte abragender, von dem Wärme- und/oder Kälteträgerfluid umströmter Zapfen. Die Geometrie und/oder Anordnung der Zapfen ist durch den Fachmann je nach Anforderung geeignet wählbar, wobei aufgrund des generativen Fertigungsverfahrens beliebige Geometrien und/oder Anordnungen denkbar sind. Dabei ist in einer Ausgestaltung die Zahl und Anordnung der Zapfen derart gewählt, dass bei einer sachgemäßen Beladung der Stellplatte mit einer Vielzahl an Vials jeweils ein Zapfen unterhalb eines Vials angeordnet ist. Dies erlaubt eine optimale Krafteinleitung. In anderen Ausgestaltungen ist die Anordnung der Zapfen derart gewählt, dass die Vials bei einer ordnungsgemäßen Beladung nicht oberhalb eines Zapfens angeordnet sind, um eine Wärmeübertragung an das in den Vials angeordnete Produkt zu verbessern.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist die Struktur als Gitterstruktur umfassend eine Vielzahl an Streben gestaltet. Die Gitterstruktur erlaubt fallspezifisch eine Erhöhung der Biegefestigkeit und ist gleichzeitig strömungsgünstig für eine schnelle und gleichmäßige Wärmeverteilung.
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Die Streben der Gitterstruktur sind in einer Ausgestaltung parallel und senkrecht zu der Unterplatte angeordnet. In vorteilhaften Ausgestaltungen sind die Streben der Gitterstruktur schräg, insbesondere in einem Winkel zwischen 20° und 75° gegenüber der Unterplatte und der Oberplatte sowie gegenüber den Seitenwänden angeordnet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Gefriertrocknungsanlage umfassend eine Produktkammer und mindestens eine in der Produktkammer angeordnete, durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellte Stellplatte geschaffen. Die Gestaltung der Stellplatte kann dabei individuell an die Anforderungen der Gefriertrocknungsanlage angepasst werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Stellplatte für eine Gefriertrocknungsanlage geschaffen, wobei die Stellplatte zumindest teilweise durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt wird. Dank des generativen Fertigungsverfahrens ist es möglich, ein Innenleben der Stellplatte bezüglich der Anforderungen in einem Gebrauch geeignet zu gestalteten, wobei das Fertigungsverfahren keine oder zumindest keine generelle Struktur festlegt.
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Die Wahl eines geeigneten generativen Fertigungsverfahrens kann durch einen Fachmann je nach Anforderung getroffen werden. Grundsätzlich sind sowohl Pulverbettverfahren als auch Freiraumverfahren und Flüssigmaterialverfahren denkbar.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen wird die Stellplatte mittels Lasersintern oder mittels selektivem Laserschmelzen hergestellt.
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In einer Ausgestaltung wird eine in einem Innenraum der Stellplatte anzuordnende Innenstruktur einteilig in einem generativen Fertigungsverfahren hergestellt, wobei die den Innenraum begrenzenden Elemente zumindest teilweise separat dazu hergestellt werden und mit der Innenstruktur verschweißt werden. Vorzugsweise wird um auf teure und störanfällige zusätzliche Schweißverfahren zu verzichten, die gesamte Stellplatte als einteiliges Bauteil in einem generativen Fertigungsverfahren hergestellt. Dabei werden – um eine ausreichende Oberflächengüte zu gewährleisten – in einer Ausgestaltung zumindest die Unterplatte und die Oberplatte an einer Außenseite mit einem Aufmaß für eine Schleifbearbeitung gefertigt.
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Die Gestaltung der Stellplatte ist – wie erwähnt – durch den Fachmann hinsichtlich strömungstechnischer Anforderungen, Anforderungen an die Biegefestigkeit und/oder fertigungstechnischer Anforderungen optimierbar. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein Aufbau der Stellplatte in mehreren, gegenüber der Unterplatte oder Oberplatte schräg verlaufenden Schichten erfolgt. Die Schichten verlaufen insbesondere in einem Winkel von ca. 45° gegenüber der Unterplatte und der Oberplatte.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen schematisch:
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1 eine Gefriertrocknungsanlage mit einer Produktkammer,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellplatte in einer Draufsicht,
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3 eine geschnittene Ansicht der Stellplatte gemäß 2 bei einem Schnitt entlang einer Ebene III-III in 2,
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4 eine Seitenansicht der Stellplatte gemäß 2,
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5 eine geschnittene Seitenansicht der Stellplatte gemäß 2 bei einem Schnitt entlang einer Ebene V-V in 2,
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6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellplatte in einer Draufsicht,
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7 eine geschnittene Ansicht der Stellplatte gemäß 6 bei einem Schnitt entlang einer Ebene VII-VII in 6,
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8 eine geschnittene Ansicht der Stellplatte gemäß 2 bei einem Schnitt entlang einer Ebene VIII-VIII in 6 und
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9 ein Detail IX gemäß 6 in einer vergrößerten Darstellung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt schematisch eine Gefriertrocknungsanlage 1 mit einer Produktkammer 10, in welcher mehrere, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel fünf Stellplatten 2 vertikal verstellbar gelagert sind. Oberhalb der Stellplatten 2 ist ein Drucktisch 14 vorgesehen. Der Drucktisch 14 ist mittels einer Hydraulikstange 15 mit einem außerhalb der Produktkammer 10 angeordneten Hydraulikzylinder 16 wirkverbunden. An einer Wand der Produktkammer 10 ist eine Be- und Entladetüre 18 vorgesehen. In anderen Ausgestaltungen erfolgen ein Beladen und ein Entladen über zwei, beispielsweise an gegenüberliegenden Seiten angeordnete Türen.
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Das in einer Gefriertrocknungsanlage zu trocknende Produkt kann in kleinen Fläschchen, sogenannten Vials (nicht dargestellt), oder andere Primärpackmittel abgefüllt sein.
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Zum Beladen der Produktkammer werden in einer Ausgestaltung die Stellplatten 2 nacheinander innerhalb der Produktkammer 10 auf Höhe der Be- und Entladetüre 18 angeordnet. Mit einem noch offenen Deckel versehene Vials werden über die Be- und Entladetüre 18 in die Produktkammer 10 auf eine der Stellplatten 2 transportiert. Nach dem Beladen wird die Stellplatte 2 zusammen mit bereits zuvor beladenen Stellplatten 2 in Vertikalrichtung nach oben verstellt. Dieser Vorgang wird bedarfsweise wiederholt.
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Für den Gefriertrocknungsvorgang wird zunächst das Produkt tiefgefroren und anschließend getrocknet. Der Trocknungsvorgang umfasst beispielsweise zwei Phasen, wobei in einer ersten Phase, der Primärtrocknung, in der Produktkammer 10 ein Vakuum erzeugt wird, um das in dem Produkt gefrorene Lösungsmittel oder Wasser zu sublimieren. Bei der Sublimation wird Energie aufgenommen. Diese Energie wird aus der Stellplatte bezogen. Um ein Abkühlen der Stellplatten 2 während der Sublimation zu vermeiden, wird den Stellplatten 2 so viel Wärme zugeführt, wie von dem Lösungsmittel oder Wasser als Sublimationsenergie aufgenommen wird. In einer zweiten Phase, der sogenannten Sekundärtrocknung, wird beispielsweise durch weiteres Erwärmen stärker gebundenes Lösungsmittel oder Wasser aus dem Produkt entfernt. Dabei werden die Stellplatten 2 gekühlt.
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Zum Kühlen und/oder Wärmen der Stellplatten 2 wird ein Wärme- und/oder Kälteträgerfluid durch die Stellplatten 2 geführt. Bei dem Wärme- und/oder Kälteträgerfluid handelt es sich beispielsweise um Silikonöl.
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Nach Beendigung des Gefriertrocknungsvorgangs werden die Stellplatten 2 zusammengeführt. Beim Zusammenführen kommt jeweils eine Unterseite einer Stellplatte 2 auf den Deckeln der Vials einer darunter angeordneten Stellplatte 2 zur Anlage, sodass die Deckel in die Vials mittels der Druckplatte 14 hineingedrückt werden, um die Vials zu verschließen.
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Nach Verschließen der Vials werden die Stellplatten 2 wieder voneinander entfernt und über die Be- und Entladeöffnung 18 wird die Produktkammer 10 Stellplatte 2 für Stellplatte 2 entladen.
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2 bis 5 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer in einem generativen Fertigungsverfahren hergestellten Stellplatte 2 in einer Draufsicht, einer geschnittenen Ansicht bei einem Schnitt entlang einer Ebene III-III in 2, einer Seitenansicht bzw. einer geschnittenen Seitenansicht bei einem Schnitt entlang einer Ebene V-V.
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Die Stellplatte 2 umfasst eine Unterplatte 20, eine dazu parallel angeordnete Oberplatte 21 sowie vier Seitenwände 22. Durch die Unterplatte 20, die Oberplatte 21 und vier Seitenwände 22 wird ein Innenraum der Stellplatte 2 begrenzt. An der Stellplatte 2 sind zwei Stutzen 23 vorgesehen, welche als Einlass- und Auslassstutzen für ein die Stellplatte 2 durchströmendes Wärme- und/oder Kälteträgerfluid zu- und abgeführt wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stutzen 23 an zwei gegenüberliegenden Seitenwänden 22 angeordnet. Eine Wandstärke der Unterplatte 20 und der Oberplatte 21 ist bei der Ausgestaltung gemäß den 2 bis 5 minimiert und die Wandstärke ist geringer als die der Seitenwände 22.
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In dem Innenraum der Stellplatte 2 sind mehrere die Unterplatte 20 und die Oberplatte 21 jeweils miteinander verbindende Wandelemente 24 angeordnet, mittels welcher zwischen der Unterplatte 20 und der Oberplatte 21 ein Kanal für das Wärme- und/oder Kälteträgerfluid mit mehreren Kanalabschnitten 25 gebildet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind mittels der abwechselnd zu gegenüberliegenden Seitenwänden 22 versetzt angeordneten Wandelemente 24 sechs Kanalabschnitte geschaffen, welche nacheinander durchströmt werden, wobei es zwischen den einzelnen Kanalabschnitte zu einer Umkehrung der Strömungsrichtung kommt. In anderen Worten wird ein mäanderförmiger Kanal zwischen den Stutzen 23 geschaffen.
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Für einen guten Wärmeübergang zwischen dem Wärme- und/oder Kälteträgerfluid und der Stellplatte 2 ist eine turbulente Strömung vorteilhaft.
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Eine turbulente Strömung wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zum einen wie in bekannten gebauten Stellplatten durch die Umkehr der Strömungsrichtung zwischen den Kanalabschnitten 25 erzielt.
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Zudem ist in jedem Kanalabschnitt 25 eine geeignete Struktur zur Erzeugung von Turbulenzen vorgesehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Struktur eine Vielzahl an Zapfen 26, welche in mehreren, auf Lücke versetzt angeordneten Reihen in den Kanalabschnitten 25 angeordnet sind. Durch die Zapfen wird aufgrund der turbulenten Strömung mit einem erhöhten Druckverlust eine schnelle und gleichmäßige Wärmeverteilung in der Stellplatte 2 und damit ein verbesserter Wärmeübergang im Vergleich zu herkömmlichen gebauten Stellplatten 2 erzielt.
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Die Zapfen 26, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sich über die gesamte Höhe des Innenraums erstrecken, sodass die Unterplatte 20 und die Oberplatte 21 darauf abgestützt sind, erhöhen zudem die Biegefestigkeit der Stellplatte 2. Dadurch ist es möglich, im Vergleich zu Stellplatten ohne eine derartige Struktur in den Kanalabschnitten 25 eine Unterplatte 20 und eine Oberplatten 21 mit einer geringeren Wandstärke vorzusehen. Dadurch wird ein Wärmeübergang zwischen dem Wärme- und/oder Kälteträgerfluid in der Stellplatte 2 und der Produktkammer 10 weiter verbessert.
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Die dargestellte Stellplatte 2 ist zumindest teilweise durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt, wobei mindestens eine der Unterplatte 20 und der Oberplatte 21, die Wandelemente 25 und die Zapfen 26 als integrales Bauteil gefertigt werden. Die fehlende Unterplatte 20 bzw. Oberplatte 21 und die Seitenwände 22 werden in einem Ausführungsbeispiel anschließend an dem so geschaffenen Grundkörper befestigt, insbesondere mit dem Grundkörper verschweißt. Vorzugsweise wird die gesamte Stellplatte 2 als integrales Bauteil in einem generativen Fertigungsverfahren hergestellt.
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6 bis 8 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellplatte 2 in einer Draufsicht, einer geschnittenen Ansicht bei einem Schnitt entlang einer Ebene VII-VII in 6 bzw. einer geschnittenen Ansicht bei einem Schnitt entlang einer Ebene VIII-VIII in 6. 9 zeigt ein Detail IX gemäß 6 in einer vergrößerten Darstellung.
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Die Stellplatte 2 gemäß den 6 bis 8 ist ähnlich der Stellplatte 2 gemäß den 2 bis 5 und für gleiche oder ähnliche Bauteile werden einheitliche Bezugszeichen verwendet. Die Stellplatte 2 umfasst ebenfalls eine Unterplatte 20, eine dazu parallel angeordnete Oberplatte 21 sowie vier Seitenwände 22. Eine Wandstärke der Unterplatte 20 und der Oberplatte 21 ist auch bei der Ausgestaltung gemäß den 6 bis 9 minimiert und die Wandstärke ist ebenfalls geringer als die der Seitenwände 22.
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An zwei gegenüberliegenden Seitenwänden 22 sind zwei Stutzen 23 vorgesehen, wobei in der Darstellung der links dargestellte Stutzen 23 als Einlassstutzen und der rechts dargestellte Stutzen 23 als Auslassstutzen für ein die Stellplatte 2 durchströmendes Wärme- und/oder Kälteträgerfluid verwendet wird. Selbstverständlich ist es denkbar, dass die Stellplatte 2 in entgegengesetzter Richtung durchströmt wird.
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In dem Innenraum der Stellplatte 2 sind mehrere die Unterplatte 20 und die Oberplatte 21 jeweils miteinander verbindende Wandelemente 24 angeordnet, mittels welcher zwischen der Unterplatte 20 und der Oberplatte 21 ein Kanal für das Wärme- und/oder Kälteträgerfluid mit mehreren Kanalabschnitten 25 gebildet ist. In dem in den 6 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiel sind mittels der abwechselnd zu gegenüberliegenden Seitenwänden 22 versetzt angeordneten Wandelemente 24 sechzehn Kanalabschnitte 25 geschaffen, welche nacheinander durchströmt werden, wobei es zwischen den einzelnen Kanalabschnitte 25 zu einer Umkehrung der Strömungsrichtung kommt. Die Kanalabschnitte 25 weisen jeweils nur einen geringen Durchmesser auf. Eine turbulente Strömung wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bereits durch die häufige Umkehr der Strömungsrichtung zwischen den Kanalabschnitten 25 erzielt. Die Vielzahl sich zwischen der Unterplatte 20 und der Oberplatte 21 erstreckenden Wandabschnitte 24 bewirken eine Versteifung der Stellplatte 2 im Vergleich zu Stellplatten mit geringer Anzahl an Wandabschnitten.
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Zudem ist bei dem in den 6 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiel in jedem Kanalabschnitt 25 eine geeignete Struktur 27 vorgesehen, welche eine Turbulenzsteigerung und eine Erhöhung der Biegefestigkeit bewirkt.
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In dem in den 6 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Struktur als Gitterstruktur 27 umfassend eine Vielzahl an miteinander an Kreuzungspunkten gekoppelten Streben 28 gestaltet. Die einzelnen Streben 28 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils quer, nämlich in einem Winkel zwischen 20° und 75° gegenüber der Unterplatte 20 und der Oberplatte 21 angeordnet. Wie in 9 erkennbar, sind die Streben 28 zudem jeweils quer, nämlich in einem Winkel zwischen 20° und 75°, insbesondere in einem Winkel von ca. 45° gegenüber den Seitenwänden 22 angeordnet.
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Die in den 6 bis 9 dargestellte Stellplatte 2 ist sowohl hinsichtlich der späteren Anforderungen, nämlich eine schnelle Wärmeübertragung und eine ausreichende Biegefestigkeit für ein Verschließen der Vials, als auch hinsichtlich der Herstellung in einem generativen Fertigungsverfahren optimiert.
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Ein Aufbau der in den 6 bis 9 dargestellten Stellplatte 2 erfolgt in einer Ausgestaltung in mehreren, parallel zu der Unterplatte 20 verlaufenden Schichten. In vorteilhaften Ausgestaltungen erfolgt ein Aufbau in mehreren, gegenüber der Unterplatte 20 oder der Oberplatte 21 schräg verlaufenden Schichten, insbesondere in mehreren parallel oder senkrecht zu den Streben 28 verlaufenden Schichten.
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Die in einem generativen Fertigungsverfahren hergestellten Stellplatten 2 sind vorzugsweise aus einem Metall mit guten Wärmeübertragungseigenschaften und einer ausreichenden Biegefestigkeit. Eine Fertigung erfolgt dabei in vorteilhaften Ausgestaltungen mittels Lasersintern oder selektivem Laserschmelzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/085869 A1 [0006]
- EP 2306130 A2 [0006]
