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Die Erfindung betrifft eine Zentrifuge gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.
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Während des Betriebs einer Zentrifuge entsteht unerwünschte Wärme, die für das zu zentrifugierende Gut schädlich ist. Der Rotor der Zentrifuge, durch dessen Drehung und infolge der dabei entstehenden Luftreibung ein Großteil der Wärme verursacht wird, ist aus Sicherheitsgründen in der Regel in einem durch einen Deckel fest verschlossenen Sicherheitskessel angeordnet. Die Wärme kann daraus nur schwer entweichen. Oft ist bei biologischen Proben aber gefordert, dass eine Temperatur von 4°C während der Zentrifugation gehalten wird. Eine aktive Kühlung ist daher besonders bei längeren Betriebszeiten und hohen Drehzahlen und Probentemperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur unabdingbar.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze für die aktive Kühlung von Zentrifugen bekannt.
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Besonders häufig werden Kompressor-Kühlvorrichtungen verwendet. Diese Art der Kühlung ist zwar erprobt und zuverlässig, sie weist jedoch auch eine Reihe von Nachteilen auf. Zum einen ist es auf Grund der Verwendung verdichteter Medien zur Wärmeentnahme erforderlich, Leitungsmittel wie etwa Kupferrohre einzusetzen, die hohen Drücken in einem Bereich von ca. 25 bar standhalten können. Kupferrohre sind aber nicht nur teuer in der Anschaffung, durch ihre Starrheit sind sie auch nur an bestimmten Stellen einer Zentrifuge anzubringen und bieten eine vergleichsweise geringe wärmeübertragende Fläche. Zum anderen erfolgt die Temperaturregelung üblicherweise in Form einer Zweipunktregelung, also durch Ein- und Ausschalten des Kompressors. Je genauer die Temperatur eingestellt werden soll, ein desto häufigeres Ein- und Ausschalten ist erforderlich. Dadurch kommt es zusätzlich zu den gewöhnlichen betriebsbedingten Vibrationen zu einem zusätzlichen Schütteln des Rotors bzw. der Zentrifuge, was sich negativ auf das Zentrifugiergut und auf die Lebensdauer der Zentrifuge auswirkt.
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Ein häufiges Ein- und Ausschalten erhöht außerdem den Energieverbrauch der Zentrifuge.
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Ferner ist der Einsatz von Kältemitteln, abgesehen von den oben erwähnten hohen Drücken, unter verschiedenen weiteren Gesichtspunkten problematisch. Einerseits dürfen aus Sicherheitsgründen in Zentrifugen keine brennbaren Kältemittel verwendet werden. Andererseits werden vom Gesetzgeber immer höhere Auflagen bezüglich der Umweltverträglichkeit der Kältemittel gemacht. Für die Verwendung zur Kühlung von Zentrifugen geeignete, zulässige und wirtschaftlich günstige Kältemittel zu finden, stellt daher mitunter eine Herausforderung dar.
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Aus der
EP 3 145 638 B1 ist eine effiziente Kühlung bekannt, die kostengünstig ist, die im Betrieb vibrationsarm und somit schonend für das zu zentrifugierende Gut ist und die unter Sicherheitsaspekten unbedenklich ist. Hierbei wird die herkömmliche Kühlvorrichtung für Zentrifugen, also eine Kompressionskältevorrichtung, durch eine magnetokalorische Kühlung ersetzt. Der Innenraum des Sicherheitskessels wird durch einen ersten Kühlkreislauf von außen gekühlt. Dies hat den Vorteil, dass auf die Verwendung einer Kompressionskältevorrichtung und eines hierfür geeigneten Kühlmittels verzichtet werden kann. Durch den Wegfall des Kompressors wird ein für die Zentrifuge und besonders für das Zentrifugiergut schonenderer Betrieb erreicht, da keine Vibrationen und kein dadurch bedingtes Schütteln entstehen. Ferner sinkt der Energiebedarf, da das ständige Ein- und Ausschalten eines Kompressors, welches viel Energie erfordert, wegfällt. Darüber hinaus ist die thermodynamische Effizienz von Magnetkühlsystemen höher als von herkömmlichen Kompressionskühlungen.
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Eine gattungsgemäße Zentrifuge ist auch aus der
EP 2 335 830 A1 oder der
DE 1 033 446 A bekannt. Die Zentrifuge weist dabei einen Sicherheitskessel mit einer Kesselwandung und einen in dem Sicherheitskessel angeordneten Rotor auf, der über eine Antriebswelle mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist. Die Antriebswelle durchgreift den Sicherheitskessel. Ein Kühlsystem zur Kühlung eines Innenraums des Sicherheitskessels ist vorgesehen, das ein Wärmeträgermedium zur Wärmeaufnahme aus dem Sicherheitskessel, eine Kälteeinheit und Leitungsmittel für das Wärmeträgermedium umfasst.
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Gemäß dem Stand der Technik muss somit unabhängig vom eben beschriebenen Kühlsystem der komplette Sicherheitskessel, in dem sich der Rotor mit den Proben, also dem Zentrifugiergut, befindet, gekühlt werden. Dazu wird jeweils eine Kühlleitung um den Sicherheitskessel gewickelt. Die gesamte Antriebsenergie, welche zum Überwinden der Luftreibung in den Sicherheitskessel eingebracht wird, wird dabei über das Kühlsystem abgeführt. Das Kühlsystem kühlt konstant die Luft im Sicherheitskessel, den Rotor mit den Probenbehältern und die Proben. Hierdurch wird ein Erwärmen des Rotors mit den Proben verhindert. Ein Temperatursensor zur Erfassung der Ist-Temperatur als Teil der Regelung der Temperatur und somit des Kühlsystems sitzt dabei am Sicherheitskessel.
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Nachteilig an diesen bekannten Zentrifugen ist aber, dass vielfach die Lufttemperatur im Sicherheitskessel von der Probentemperatur abweicht. Es gibt Temperaturdifferenzen zwischen der Luft im Sicherheitskessel und den Proben. Zudem ist die Kühlung nicht effizient, da ein sehr großes Volumen gekühlt werden muss, was zu einem hohen Energieverbrauch führt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zentrifuge nach der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, dass unter Vermeidung der genannten Nachteile die Effizienz der Kühlung verbessert wird. Insbesondere soll dabei auch der notwendige Energieverbrauch für das Kühlsystem verringert werden.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine möglichst probennahe Kühlung mögliche Temperaturdifferenzen zwischen der Wärmeenergiesenke und der jeweiligen Probe von vornherein verhindert. Zudem kann dadurch die Effizienz der Kühlung auf einfache Weise erhöht sowie die zu kühlenden Volumen minimiert werden.
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Nach der Erfindung sind daher zumindest Teile des Kühlsystems innerhalb des Sicherheitskessels angeordnet. Hierdurch entfällt zunächst die Kühlbarriere Sicherheitskessel, wodurch schon die Effizienz und die Reaktionszeit der Kühlung verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das gesamte Kühlsystem innerhalb des Sicherheitskessels angebracht. Lediglich die Energiezufuhr zum Betrieb des Kühlsystems erfolgt von außen. Hierdurch ergibt sich eine Reihe von vorteilhaften konstruktiven Möglichkeiten zur Optimierung des Kühlsystems, wie im Folgenden aufgezeigt wird.
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Beispielsweise kann das Kühlsystem in den Rotor integriert oder am Rotor angebracht sein, um eine möglichst probennahe Anordnung zu gewährleisten. Durch Kühlung des Rotors oder Bereiche des Rotors kann eine zielgerichtete Kühlung der Proben erfolgen. Eine Kühlung des Innenraums des Sicherheitskessels ist dann nicht mehr zwingend notwendig. Die Kühlung kann auf die Bereiche des Rotors begrenzt werden, in denen die Probe angeordnet ist. Die Effizienz der Kühlung wird dadurch erheblich gesteigert. Der Energieaufwand zur Kühlung der Proben wird drastisch reduziert.
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Vorzugsweise weist das Kühlsystem zumindest ein Peltier-Element auf und die Kühlung arbeitet nach dem Peltier-Prinzip. Ein Peltier-Element ist ein elektrothermischer Wandler, der basierend auf dem Peltier-Effekt bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz am Peltier-Element erzeugt. Es gibt dabei eine Wärmeseite und eine Kälteseite des Peltier-Elements. Die größten Vorteile eines Peltier-Elements sind die geringe Größe, das geringe Gewicht, die Vermeidung jeglicher bewegter Bauteile, Gase und Flüssigkeiten. Eine Kältemaschine benötigt dagegen immer ein Kältemittel und in den meisten Fällen einen Kompressor, wie dies einleitend ausgeführt wurde. All dies erübrigt sich durch die Verwendung eines Peltier-Elements zum Kühlen der Probe.
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Um die beim Peltier-Element während des Betriebs entstehende Wärmeenergie einfach abführen zu können, weist der Rotor eine wärmeleitende Rotoraußenwand auf. Dabei kann die Rotoraußenwand mit einer ersten Seite zumindest bereichsweise einer Wärmeseite des Peltier-Elements zugeordnet sein, insbesondere an dieser anliegen. Die Rotoraußenwand nimmt dabei die während des Betriebs des Peltier-Elements entstehende Wärmeenergie auf der dem Peltier-Element zugeordneten ersten Seite auf. Auf der dem Peltier-Element abgewandten zweiten Seite der Rotoraußenwand wird die Wärmeenergie dann wieder an die Umgebungsluft im Sicherheitskessel abgeben.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Peltier-Elemente vorgesehen, welche mit einer Rotoraußenwand oder mit mehreren Rotoraußenwänden zusammenwirken.
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Um einen Eintrag von Wärmeenergie in den gekühlten Bereich des Rotors zu verhindern, ist eine Isolierwand vorgesehen, welche die Probenbehälteraufnahme des Rotors, also den zu kühlenden Bereich des Rotors, zumindest bereichsweise begrenzt. Insbesondere umgibt die Isolierwand die Probenbehälteraufnahme des Rotors.
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Die Isolierwand kann dabei Teil eines Isolierelements sein, in welchem zumindest ein Probenbehälteraufnahmeteil eingebracht und von diesem zumindest bereichsweise umgeben ist. Eine einteilige Ausführung des Isolierelements ist im Hinblick auf die während der Zentrifugation entstehenden Kräfte günstiger. Ein Isolierelement kann die bei der Rotation des Rotors entstehenden Zentrifugalkräfte besser kompensieren als mehrere einzelne, miteinander verbundene Teile. Der Rotor ist dadurch betriebssicherer, wechselfester und standfester.
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Vorzugsweise begrenzt der Probenbehälteraufnahmeteil des Rotors die Probenbehälteraufnahme zumindest bereichsweise. Die Rotoraußenwand ist von der Isolierwand oder dem Isolierelement zumindest bereichsweise umgeben.
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Um die Probe effizient zu kühlen, besteht das Probenbehälteraufnahmeteil aus einem wärmeleitenden Werkstoff, insbesondere Leichtmetall wie Aluminium, Magnesium oder Titan.
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Eine der Wärmeseite entfernt gelegene Kühlseite des Peltier-Elements kann an einem die Probenbehälteraufnahme zumindest bereichsweise begrenzenden Teil anliegen. Das die Probenbehälteraufnahme zumindest bereichsweise begrenzende Teil, an dem die Kühlseite des Peltier-Elements anliegt, ist insbesondere durch das Probenbehälteraufnahmeteil gebildet. Über das Probenbehälteraufnahmeteil wird somit die Probe probennah gekühlt, was sich als äußerst energieeffektiv erweist.
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Um zu verhindern, dass innerhalb des Sicherheitskessels befindliche oder während des Betriebs entstehende Wärmeenergie zu der Probe gelangt und diese erwärmt, ist die Probenbehälteraufnahme des Rotors von einem Deckel begrenzt. Vorzugsweise ist daher die Probenbehälteraufnahme unter anderem über den Deckel hermetisch gegenüber dem Innenraum des Sicherheitskessels abgeschlossen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere, fluidisch voneinander separierte Aufnahmeräume des Rotors vorgesehen. Jede Probenbehälteraufnahme ist von einem dieser Probenbehälteraufnahme zugeordneten Deckel begrenzt. Somit sind mehrere Deckel vorgesehen. Jeder Deckel ist somit einer Probenbehälteraufnahme zugeordnet. Eine zielgerichtete Abdichtung und Isolierung pro Probenbehälteraufnahme wird hierdurch ermöglicht.
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Dabei kann jede Probenbehälteraufnahme Teil eines im Rotor schwenkbar gelagerten Gehänges sein.
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Beispielsweise kann zur Kühlung der Probenbehälteraufnahme jede Probenbehälteraufnahme von einer Kühlwand bereichsweise begrenzt sein, welche mit einer der Wärmeseite entfernt gelegenen Kühlseite des Peltier-Elements zusammenwirkt. Auch hierüber wird eine zielgerichtete Kühlung der Probenbehälteraufnahme und somit der Probe ermöglicht. Der zu kühlende Raum ist begrenzt. Die benötigte Energie zur Kühlung des Raumes wird somit gegenüber dem bisher zu kühlenden Innenraum des Sicherheitskessels erheblich verringert.
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Vorzugsweise ist ein Temperatursensor vorgesehen, der im Rotor, insbesondere in der Probenbehälteraufnahme des Rotors oder im Bereich der Probenbehälteraufnahme angeordnet ist. Der Temperatursensor kann neben der Probe oder dem Probenbehälter angeordnet sein. Der Temperatursensor wirkt mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung zusammen, welche das Kühlsystem steuert/regelt. Durch die probennahe Anordnung des Temperatursensors kann die tatsächliche Temperatur der Probe unverfälscht jederzeit erfasst und dadurch die Kühlung entsprechend nachgesteuert/nachgeregelt werden. Eine Sicherheit dafür, dass eine Probe nicht durch zu hohe Temperaturen beschädigt wird, wird hierdurch auf einfache Weise erreicht. Die Effekte, dass es in einem Raum zu unterschiedlichen Temperaturniveaus kommen kann, spielen bei der probennahen Temperaturmessung dann keine Rolle mehr.
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Das Peltier-Element wird über elektrische Leitungen mit elektrischer Spannung versorgt. Die Spannung kann dabei über Induktion generiert werden. Ergänzend oder alternativ kann die Spannung auch über einen mit einer Spannungsquelle verbundenen Schleifkontakt und elektrischen Leitungen dem Peltier-Element zugeführt werden.
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Von Vorteil ist weiterhin, wenn der Rotor von der Antriebswelle thermisch entkoppelt ist oder Bereiche des Rotors von der Antriebswelle thermisch entkoppelt sind. Eine Erwärmung des Rotors über die Antriebswelle wird dadurch verhindert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Zentrifuge zusätzlich als luftgekühlte Zentrifuge ausgebildet. Hierdurch wird die Wärmeenergie, welche durch die Luftreibung, den Motor, aber auch durch das Peltier-Element entsteht, über den während des Betriebs der Zentrifuge entstehenden Luftstrom abgeführt.
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Vorzugsweise schließt dafür der Sicherheitskessel oben mit einem Gehäuse der Zentrifuge dicht ab.
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Insbesondere weist ein Deckel des Gehäuses der Zentrifuge eine Zuluftöffnung auf. Ergänzend oder alternativ ist der Sicherheitskessel im unteren Bereich mit einer Strömungsöffnung versehen, so dass eine Strömung am Rotor vorbei durch den Sicherheitskessel nach unten ermöglicht wird.
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Diese Strömungsöffnung des Sicherheitskessels kann dabei bei der Antriebswelle vorgesehen sein, wo diese den Sicherheitskessel durchgreift.
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Zum Ausbringen der Strömung durch den Sicherheitskessel weist das Gehäuse im unteren Bereich eine Ausgangsöffnung auf, welche mit der Strömungsöffnung im Sicherheitskessel zusammenwirkt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
- 1 eine perspektivische Ansicht von schräg oben auf eine luftgekühlte Zentrifuge nach der Erfindung;
- 2 eine perspektivische Ansicht auf die Zentrifuge von 1 mit geöffnetem Deckel des Gehäuses der Zentrifuge und Blick auf den mit einem Deckel verschlossen Rotor der Zentrifuge gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 3 eine Längsschnittansicht durch die Zentrifuge von 1, aus der der Strömungsverlauf und die Ausbildung des Rotors im Einzelnen hervorgeht;
- 4 eine perspektivische Darstellung des Rotors und des Motors von 3;
- 5 eine Querschnittsansicht durch den Rotor und den Motor von 4;
- 6 eine Seitenansicht des Rotors und des Motors von 4;
- 7 eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von 6;
- 8 eine perspektivische Ansicht auf den Rotor der Zentrifuge gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
- 9 eine Seitenansicht im Schnitt auf den Rotor der Zentrifuge von 8.
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In den 1 ist eine luftgekühlte Zentrifuge 10 dargestellt, welche aus einem Gehäuse 12 und einem an dem Gehäuse 12 schwenkbar angeordneten Gehäusedeckel 14 besteht. Mittig ist eine erste Lufteinlassöffnung 16 vorgesehen, über die während des Betriebs der Zentrifuge 10 kontinuierlich Luft zum Kühlen in den Innenraum der Zentrifuge 10 zugeführt wird. Zudem kann im Gehäusedeckel 14 auf der Rückseite eine weitere Lufteinlassöffnung 16a vorgesehen sein, über die ebenfalls Zuluft in den Gehäusedeckel 14 und anschließend über die zentrale Lufteinlassöffnung 16 in den Innenraum der Zentrifuge 10 eingebracht wird.
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In den 2 bis 7 ist eine erste Ausführungsform eines Rotors 18 der luftgekühlten Zentrifuge 10 nach der Erfindung dargestellt.
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Der Rotor 18 ist mit einer Antriebswelle 20 verbunden, welche von einem Elektromotor 22 angetrieben wird. Der Elektromotor 22 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und mit dem Boden 24 des Gehäuses 12 fest verschraubt. Hierfür ist ein Befestigungsflansch 22a im unteren Bereich des Elektromotors 22 vorgesehen. Die Antriebswelle 20 ist an den Elektromotor 22 angeschlossen. Auf dem Elektromotor 22 ist eine nach unten weisende Strömungsleitschüssel 26 angeordnet, welche über ihren Boden 26a fest mit dem Elektromotor 22 verbunden und zylindrisch ausgebildet ist. Die Seitenwand 26b der Strömungsleitschüssel 26 ist im Bereich ihres freien Endes 26c schräg nach außen geformt, um die Strömung entsprechend zu leiten.
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In dem Gehäuse 12 ist konzentrisch zur Antriebswelle 20 und somit zum Rotor 18 ein Sicherheitskessel 28 angeordnet, der im oberen Bereich mit dem Gehäuse 12 verbunden ist. Der Sicherheitskessel 28 und das Gehäuse 12 schließen den Innenraum außerhalb des Sicherheitskessels 28 im Gehäuse 12 der Zentrifuge 10 hermetisch ab. Im unteren Bereich ist eine Bohrung 30 im Boden 28a im Sicherheitskessel 28 vorgesehen. Die Bohrung 30 im Sicherheitskessel 28 umgibt den im Wesentlichen zylindrischen Elektromotor 22 im oberen Drittel und bildet dabei einen ringförmigen Strömungsspalt 32. Im Gehäuse 12 ist im unteren Bereich an der Rückwand 34 des Gehäuses 12 eine Luftauslassöffnung 36 mit Lüftungsschlitzen vorgesehen. Hierdurch wird eine Luftströmung von der Lufteinlassöffnung 16, durch den Sicherheitskessel 28 hindurch, am Elektromotor 22 vorbei sowie über den Boden 24 des Gehäuses 12 der Zentrifuge 10 zur Luftauslassöffnung 36 gewährleistet.
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Bei dem Rotor 18 handelt es sich um einen sogenannten Festwinkelrotor, der in dem Sicherheitskessel 28 angeordnet und von diesem seitlich umgeben ist. Dieser Rotor 18 umfasst einen Isolierkörper 38. In den Isolierkörper 38 ist ein Ausnehmung 40 eingebracht, in dem ein Rotorinnenteil 42 eingebracht ist, das eine Vielzahl von zylindrischen Probenbehälteraufnahmen 44 für hier nicht dargestellte Probenbehälter mit Proben als Zentrifugiergut aufweist. Die Probenbehälteraufnahmen 44 sind in einem Winkel von ca. 45° zu einer Rotorachse 58 des Rotors 18 ausgerichtet. Das Rotorinnenteil 42 ist einstückig ausgebildet und besteht aus einem wärmeleitenden Werkstoff, insbesondere Leichtmetall wie Aluminium, Magnesium oder Titan. Auf dem Rotorinnenteil 42 ist ein lösbar angeordneter Rotordeckel 46 aufgebracht, der einen Raum - Rotorinnenraum 18a - mit den hier nicht dargestellten Probenbehältern und den Probenbehälteraufnahmen 44 begrenzt.
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Der obere Bereich des Rotorinnenteils 42 verläuft horizontal, sodass der Rotordeckel 46 rundum dicht auf dem Rotorinnenteil 42 aufliegen kann. Neben dem Rotordeckel 46 sind auf dem Rotorinnenteil 42 über den Umfang des Rotorinnenteils 42 gleichmäßig verteilt mehrere Peltier-Elemente 48 angeordnet, wie dies insbesondere der 7 zu entnehmen ist. Die Peltier-Elemente 48 liegen mit ihrer Kühlseite auf dem Rotorinnenteil 42 auf. Über elektrische Leitungen 50 wird an die Peltier-Elemente 48 eine elektrische Spannung angelegt, sodass nach dem Peltier-Prinzip der Kühlseite der Peltier-Elemente 48 jeweils Wärmeenergie entzogen und über die gegenüberliegenden Wärmeseiten der Peltier-Elemente die Wärmeenergie abgegeben wird. Eine ringförmige Rotoraußenwand 52 liegt dabei auf den Wärmeseiten der Peltier-Elemente auf, ist mit dem Isolierkörper 38 verschraubt und umgreift bereichsweise seitlich den Isolierkörper 38. Die Rotoraußenwand 52 ist aus einem wärmeleitenden Material, sodass die von den Wärmeseiten der Peltier-Elemente 48 abgegebene Wärmeenergie über die Rotoraußenwand 52 in den Innenraum des Sicherheitskessels 28 abgegeben und über die Luftströmung abgeführt wird.
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Am unteren Bereich des Rotors 18 ist ein mit dem Rotor 18 mitdrehender Tragring 54 vorgesehen, der mit dem Rotor 18 verschraubt ist und die Antriebswelle 20 konzentrisch umfasst. Wenn der Rotor 18 auf der Antriebswelle 20 aufsitzt und fest fixiert ist, ist der Tragring 54 im Abstand zu einem weiteren, ebenfalls konzentrisch zur Rotorachse 58 angeordneten Tragring 56 auf der Oberseite der Strömungsleitschüssel 26 und somit auf dem Elektromotor 22 angeordnet. Die Antriebswelle 20 erstreckt sich aus einem Elektromotor 22 über den weiteren Tragring 56, über den Tragring 54 in den Rotor 18 hinein. Der Rotor 18 liegt auf einem Absatz 20a der Antriebswelle 20 auf und ist im oberen Bereich mit einer Mutter 20b fixiert. Der weitere Tragring 56 ist somit Teil des fest im Gehäuse 12 der Zentrifuge 10 angeordneten Teils des Elektromotors 22, wohingegen der Tragring 54 Teil des um die Rotorachse 58 drehenden Teils der Zentrifuge 10 mit Antriebswelle 20 und Rotor 18 ist.
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Der weitere Tragring 56 weist mit seiner nach oben weisenden Stirnseite auf die nach unten weisende Stirnseite des Tragrings 54. Der Tragring 54 weist eine zweite Sende-/Empfangseinheit und der weitere Tragring 56 eine erste Sende-/Empfangseinheit auf, welche hier im Einzelnen nicht dargestellt sind. Die zweite Sende-/Empfangseinheit des Tragrings 54 ist mit einem Temperatursensor 60 und mit den Peltier-Elementen 48 über Signalleitungen verbunden. Die erste Sende-/Empfangseinheit des Tragrings 56 ist mit einer hier im Einzelnen nicht dargestellten Steuereinrichtung der Zentrifuge 10 verbunden, welche unter anderem in Abhängigkeit des Temperatursensors 60 die Peltier-Elemente steuert/regelt. Die beiden Sende-/Empfangseinheiten der Tragringe 54 und 56 basieren auf dem NFC-Standard. Über diesen NFC-Standard erfolgt der Datenaustausch zwischen den beiden Sende-/Empfangseinheiten. Durch den NFC-Standard ist eine kostengünstige und sichere Möglichkeit der Datenübertragung gegeben.
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Zudem ist in dem Tragring 54 zumindest eine elektrische Spule enthalten, über welche im Zusammenwirken mit Magneten im Tragring 56 ein Induktionsfeld und somit elektrische Spannung in der elektrischen Spule des Tragrings 54 geschaffen wird. Die Spule des Tragrings 54 ist über die elektrischen Leitungen 50 mit den Peltier-Elementen 48 zur Spannungsversorgung verbunden. Auf einfache Weise werden hierdurch berührungslose elektrische Energie auf den beweglichen Rotor 18 und die Temperaturmessdaten des Temperatursensors 60 vom Rotor 18 an die Steuereinrichtung der Zentrifuge 10 übertragen.
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Durch die auf dem Rotor 18 bereitgestellte elektrische Energie kann ein Kühlprozess mit den Peltier-Elementen 48 in der Zentrifuge 10 betrieben werden. Insbesondere sind dazu die Peltier-Elemente 48 geeignet, da diese einfach und kompakt aufgebaut sind.
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Die Peltier-Elemente 48 sind zwischen zwei leitenden Komponenten des Rotors 18 eingebracht, nämlich zwischen dem Rotorinnenteil 42 und der Rotoraußenwand 52. Den zu kühlenden, temperaturempfindlichen Proben, dem zu kühlenden Probenbehälter sowie dem zu kühlenden Rotorinnenteil 42 wird über die Kühlseite des Peltier-Elements jeweils Wärmeenergie entzogen. Über die Rotoraußenwand wird die Wärmeenergie dann in den Innenraum des Sicherheitskessels 28 und somit an die den Rotor 18 umgebende Luft abgegeben.
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Das Rotorinnenteil 42 ist von dem Isolierkörper 38 weitestgehend umschlossen. Der Isolierkörper besteht üblicherweise aus Kunststoff, der verhindert, dass sich das Rotorinnenteil 42 durch die Luftreibung während des Betriebs der Zentrifuge durch Drehen des Rotors 18 und durch die sich im Sicherheitskessel 28 befindliche Umgebungsluft erwärmt. Weiterhin ist das Rotorinnenteil 42 von der Antriebswelle 20 thermisch entkoppelt. Alternativ oder ergänzend kann auch der Rotor 18 insgesamt von der Antriebswelle 20 thermisch entkoppelt sein.
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Nach oben hin ist der Rotor 18 von dem Rotordeckel 46 verschlossen. Aus dem Inneren des Rotors 18, dem Rotorinnenraum 18a, muss nach seiner Abkühlung somit nur die Wärmeenergie abgeführt werden, die durch den Isolierkörper 38 in die Ausnehmung 40 mit dem Rotorinnenteil 42 gelangt.
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Um die vom Rotor 18 abzuführende Wärme als auch um die während des Betriebs entstehende Wärme durch Luftreibung des Rotors 18 aus dem Sicherheitskessel 28 der Zentrifuge 10 abzuführen, ist die oben beschriebene Luftströmung durch die Zentrifuge 10 derart realisiert, wie es von handelsüblichen luftgekühlten Zentrifugen bekannt ist. Dabei wird Umgebungsluft durch die zur Antriebswelle axial ausgerichtete Lufteinlassöffnung 16 im Gehäusedeckel 14 hindurch in den Sicherheitskessel 28 gesaugt. Dies geschieht durch den sich drehenden Rotor 18. Diese Luft wird im Sicherheitskessel 28 um den Rotor 18 herum geführt, nimmt die Wärme auf und wird durch den ringförmigen Strömungsspalt 32 zwischen Sicherheitskessel 28 und Elektromotor 22 um den Motor herum durch den Boden 28a des Sicherheitskessels 28 ausgeblasen und verlässt über in die Luftauslassöffnung 36 im Gehäuse 12 eingebrachte Lüftungsschlitze das Gehäuse 12 der Zentrifuge 10.
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In einer weiteren Variante können anstelle des Festwinkelrotors auch die einzelnen Gehänge eines Ausschwingrotors mit solch einem Aufbau gekühlt werden.
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In den 8 und 9 ist ein zweiter Rotor 62 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die luftgekühlte Zentrifuge 10 ist ansonsten genauso aufgebaut, wie dies oben beschrieben wurde. Daher werden für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der zweite Rotor 62 wird ebenfalls auf die Antriebswelle 20 aufgebracht und über den Absatz 20a in axialer Richtung nach unten fixiert. In entsprechender Weise wird der zweite Rotor 62 oben durch die Mutter 20b in axialer Richtung nach oben fixiert.
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Der zweite Rotor 62 ist als Ausschwingrotor ausgebildet, welcher ein Rotorgehäuse 64 aufweist, in dem vier Behälter 66 bis 72 jeweils um eine quer zur Rotorachse 58 angeordnete Schwenkachse schwenkbar angeordnet sind. Die Aufhängung der Behälter 66 bis 72 am Rotorgehäuse 64 ist jeweils seitlich in der oberen Hälfte des jeweiligen Behälter 66 bis 72 vorgesehen. Jeder Behälter 66 bis 72 ist mit einem Behälterdeckel 66a bis 72a verschlossen.
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Der Behälter 66 bis 72 umfasst eine Behälteraußenwand 66b bis 72b aus einem wärmeleitenden Material, im vorliegenden Fall Metall. An die zylindrische Behälteraußenwand 66b bis 72b schließt sich jeweils ein hohlzylindrischer Isolierkörper 74 aus Kunststoff an. Der Isolierkörper 74 begrenzt seitlich die Probenbehälteraufnahme 44, der nach oben durch den Behälterdeckel 66a bis 72a begrenzt wird. In unmittelbarer Nähe jeder Probenbehälteraufnahme 44 ist ein Temperatursensor 60 angeordnet, der über Signalleitungen mit der zweiten Sende-/Empfangseinheit im Tragring 54 zur Signalübertragung an die Steuer-und Regeleinrichtung der Zentrifuge 10 verbunden ist. Alternativ kann der Temperatursensor 60 auch jeweils in der Probenbehälteraufnahme 44 angeordnet sein.
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Nach unten wird die Probenbehälteraufnahme 44 durch eine Kühlwand 76 begrenzt. Unterhalb der Kühlwand 76 liegt zumindest ein Peltier-Element 48 mit seiner Kühlseite an. Die Wärmeseite des Peltier-Elements 48 liegt an der Behälteraußenwand 66b bis 72b an. Die Wärmeenergie wird somit über die Kühlwand 76, das Peltier-Element 48, die Behälteraußenwand 66b bis 72b an die Umgebungsluft im Sicherheitskessel 28 abgegeben und über die während des Betriebs der Zentrifuge 10 herrschende Strömung wie oben beschrieben aus dem Gehäuse 12 der Zentrifuge 10 transportiert.
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Das Rotorgehäuse 64 ist mehrteilig aufgebaut und weist den Tragring 54 im unteren Bereich auf.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zentrifuge
- 12
- Gehäuse
- 14
- Gehäusedeckel
- 16
- Lufteinlassöffnung
- 16a
- weitere Lufteinlassöffnung im Gehäusedeckel 14
- 18
- Rotor gemäß einer ersten Ausführungsform
- 18a
- Rotorinnenraum
- 20
- Antriebswelle
- 20a
- Absatz in der Antriebswelle 20 zum axialen Fixieren des Rotors 18 nach unten
- 20b
- Mutter zum axialen Fixieren des Rotors 18 nach oben
- 22
- Elektromotor
- 22a
- Befestigungsflansch
- 24
- Boden des Gehäuses 12
- 26
- Strömungsleitschüssel
- 26a
- Boden der Strömungsleitschüssel
- 26b
- Seitenwand der Strömungsleitschüssel
- 26c
- freies, nach außen geformtes Ende der Strömungsleitschüssel
- 28
- Sicherheitskessel
- 28a
- Boden des Sicherheitskessels 28
- 30
- Bohrung im Boden 28a des Sicherheitskessels 28
- 32
- Strömungsspalt zwischen Sicherheitskessel 28 und Elektromotor 22
- 34
- Rückwand des Gehäuses 12
- 36
- Luftauslassöffnung im Gehäuse 12
- 38
- Isolierkörper
- 40
- Ausnehmung
- 42
- Rotorinnenteil
- 44
- Probenbehälteraufnahme
- 46
- Rotordeckel
- 48
- Peltier-Element
- 50
- elektrische Leitung
- 52
- ringförmige Rotoraußenwand
- 54
- Tragring - oben - mit zweiter Sende-/Empfangseinheit
- 56
- weiterer Tragring - mit erster Sende-/Empfangseinheit
- 58
- Rotorachse
- 60
- Temperatursensor
- 62
- zweiter Rotor
- 64
- Rotorgehäuse
- 66
- Behälter - links vorne
- 66a
- Behälterdeckel
- 66b
- Behälteraußenwand
- 68
- Behälter - rechts vorne
- 68a
- Behälterdeckel
- 68b
- Behälteraußenwand
- 70
- Behälter - rechts hinten
- 70a
- Behälterdeckel
- 70b
- Behälteraußenwand
- 72
- Behälter - links hinten
- 72a
- Behälterdeckel
- 72b
- Behälteraußenwand
- 74
- Isolierkörper
- 76
- Kühlwand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3145638 B1 [0007]
- EP 2335830 A1 [0008]
- DE 1033446 A [0008]
