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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf die Vorbereitung von
Probelösungen
in Gefäßen gerichtet.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf das Rühren derartiger
Lösungen,
und das Verhindern eines Verlusts von erwärmten Lösungsmengen aus derartigen
Gefäßen durch
Verdampfung, gerichtet.
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Stand der Technik
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Als
Teil vieler Arzneimittelentwicklungsprozesse wird eine Anordnung
von Reagenz- bzw. Probegläsern,
oder anderen derartigen Gefäßen, üblicherweise
ein einer Heizeinheit platziert, die im Allgemeinen aus einem Metallblock
mit Reihen und Spalten von Löchern,
um die Probegläser
aufzunehmen, besteht. Die Heizeinheit ist häufig als eines von vielen Modulen
in einer Arbeitsstation integriert vorgesehen, wobei jedes Modul
eine spezielle Funktion verrichtet, die durch den einzelnen Entwicklungsprozess
diktiert wird.
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Als
ein Beispiel, stellt
1 eine herkömmliche Probevorbereitungsarbeitsstation
für flüssige Proben
dar, die im Allgemeinen mit
10 bezeichnet wird. Beispiele
derartiger Arbeitsstationen sind aus
EP 0501665 A ,
US 4,879,917 A und WO 95/23329 A bekannt.
Die Arbeitsstation
10 umfasst typischerweise einen Rahmen
12,
ein motorangetriebenes Roboter-Flüssigkeitshandhabungsmodul,
im Allgemeinen mit
20 bezeichnet, das mit einer Probenahmenadel
22,
einem im Allgemeinen mit
30 bezeichneten Verdünnungsmodul,
einer im Allgemeinen mit
40 bezeichneten Heizeinheit, und
einer im Allgemeinen mit
50 bezeichneten Gefäßgestellanordnung,
ausgestattet ist. Das Flüssigkeitshandhabungsmodul
20 umfasst
einen horizontalen Arm
24, der entlang einer seitlichen
Spur
12A in dem Rahmen
12 bewegbar ist, und einen
vertikalen Arm
26, der entlang einer seitlichen Spur (nicht
gezeigt) in dem horizontalen Arm
24 bewegbar ist. Die Probenahmenadel
22 ist
in einer vertikalen Spur (nicht gezeigt) des vertikalen Arms
26 angebracht.
Schrittmotoren (nicht gezeigt) sind typischerweise vorgesehen, um
die Bewegung von jeder relevanten Komponente des Flüssigkeitshandhabungsmoduls
20 entlang
seiner zugehörigen
Spur anzutreiben. Als eine Folge davon, ist die Probenahmenadel
22 entlang
drei Achsen bewegbar, um Arbeitsvorgänge bzw. -verfahren an verschiedenen
Orten der Arbeitsstation
10 auszuführen.
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Das
Verdünnungsmodul 30 ist
ein Spritzpumpentyp und umfasst folglich eine Spritze 32 und ein
Ventil 34. Das Verdünnungsmodul 30 wird
betrieben, um ein Verdünnungsmedium,
wie beispielsweise ein Lösungsmittel
aus einem Lösungsmittelreservoir 35, über Transferleitungen 37a und 37b an
die Probenahmenadel 22 zu überführen. Die Heizeinheit 40 umfasst
einen Gestellabschnitt 42 und einen unteren umschlossenen
Abschnitt 44, der sich hinter der Vorderseite der Heizeinheit 40 befindet.
Der Gestellabschnitt 42 ist im Wesentlichen eine wärmeleitende Metallplatte
mit einer Anordnung von Bohrlöchern, durch
die Heizgefäße 45 stützbar sind,
derart, dass sich die Heizgefäße 45 in
den umschlossenen Abschnitt 44 erstrecken, und durch eine
darin enthaltene Heizvorrichtung erwärmt werden. Der umschlossene
Abschnitt 44 kann auch Magnetantriebe enthalten, die sich
unter jedem Bohrloch befinden. Wenn sie aktiviert sind, koppeln
die Magnetantriebe mit einzelnen magnetischen Rühr- bzw. Bewegungselementen,
die in jedes Heizgefäß 44 fallen
gelassen werden, um das in den Heizgefäßen 44 enthaltene Medium
zu rühren.
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Die
Heizgefäße 45 werden
dafür verwendet, dass
sie Massen von Probearzneimitteln, -chemikalien, -zusammensetzungen
und dergleichen enthalten. Eine Heizsteuervorrichtung 46 ist
vor dem umschlossenen Abschnitt 44 angebracht, um ein Programmieren
des Heizprofils für
die Mengen von in den Heizgefäßen 45 enthaltenen
Probelösungen
zuzulassen, und auch um die Magnetantriebe zu aktivieren. Die Gefäßgestellanordnung 50 umfasst
eine Anzahl von Gestellträgern 52,
zum Stützen
von unterschiedlichen Arten von Gefäßgestellen 54. Die Gefäßgestelle 54 werden
wiederum vorgesehen, um Anordnungen von Gefäßen unterschiedlicher Größe und Design
aufzunehmen, wie beispielsweise Probegläser 56 und 57 und
Flaschen 59.
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Bei
einer allgemeinen Anwendung der Arbeitsstation 10, bewegt
sich das Flüssigkeitshandhabungsmodul 20 in
eine Position über
der Heizeinheit 40, und die Probenahmenadel 22 wird
derart abgesenkt, dass ihre Spitze 22A das Septum von jedem Heizgefäß 45 durchsticht,
um eine abgemessene Menge von Lösungsmittel
darin abzugeben. Sobald die verdünnten
Flüssigkeitsproben
auf eine gewünschte
Temperatur erwärmt
sind, entnimmt die Probenahmenadel 22 Mengen der Proben
aus einem oder mehreren der Heizgefäße 45, und bewegt
sich zu der Gefäßgestellanordnung 50.
Die Probenahmenadel 22 kann dann verwendet werden, um abgemessene
Probemengen in die Gefäße 56, 57 und/oder 59 an
den Gefäßgestellen 54 abzugeben. An diesem
Punkt kann eine Anzahl von Arbeitsvorgängen an der Gestellanordnung 50 auftreten,
die von dem speziellen Probevorbereitungs- und Versuchsablauf der
durchgeführt
wird, abhängen
wird. Als ein Beispiel, könnten
Proben von der Gestellanordnung 50 zur weiteren Verarbeitung
durch analytische Geräte,
wie beispielsweise eine Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie-Vorrichtung, überführt werden.
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Wie
von Fachleuten bestätigt,
ist die Verdampfung der in den Heizgefäßen 45 enthaltenen Substanzen,
insbesondere das Lösungsmittel,
ein sich wiederholendes Problem. Eine Lösungsmittelverdampfung kann
zu einer unerwünschten Änderung
in der Konzentration der chemischen Bestandteile in jedem Heizgefäß 45 führen, wodurch
die Gültigkeit
der Probenahme- und Analyseverfahren beeinträchtigt wird. Folglich wurde
die Heizeinheit 40 herkömmlich
mit einer Gebläseeinheit 48 ausgestattet,
die Luft um die oberen Abschnitte der Heizgefäße 45 bläst, um verdampfte
Fluide, und insbesondere das Lösungsmittel,
zu kondensieren. Auf diese Art ist die Gebläseeinheit 48 bestrebt
zu verhindern, dass derartige Dämpfe
den Heizgefäßen 45 entweichen, und
bewirkt, dass die Dämpfe
an den Wänden
der Heizgefäße 45 derart
kondensieren, dass das Kondensat zurück an die unteren Abschnitte
der Heizgefäße 45 gelangt.
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Dieses
herkömmliche
Verfahren des Blasens von Raumluft an die oberen Abschnitte der
Heizgefäße 45,
obwohl es recht einfach einzubauen ist, hat sich als ziemlich uneffektiv
erwiesen. Bei der Verwendung der Gebläseeinheit 48 wird
Wärme von
den oberen Abschnitten der Heizgefäße 45 primär durch den
Mechanismus der Zwangskonvektion überführt. Als ein allgemeiner Umstand
tritt Konvektion auf, wenn ein Fluid wie beispielsweise Luft über einen Festkörper oder
in einem Kanal strömt,
während
die Temperaturen des Fluids und der festen Oberfläche verschieden
sind. Eine Wärmeübertragung
zwischen dem Fluid und der festen Oberfläche findet als Folge der Bewegung
des Fluids relativ zu der Oberfläche statt.
Ohne die Gebläseeinheit 48 würde eine
natürliche
(oder freie) konvektive Fluidbewegung auftreten, als eine Folge
von Auftriebskräften,
die durch Dichtegradienten in dem Fluid induziert werden, wobei
die Dichtegradienten die Folge von Temperaturgradienten, die von
der festen Oberfläche
in das Fluid gerichtet sind, und Temperaturänderungen im Fluid selbst, sind.
Die Gebläseeinheit 48 wird
betrieben, um die Fluidbewegung mechanisch zu induzieren, was in diesem
Fall ein Zwingen des Flusses von Umgebungsluft um die äußeren Oberflächen der
oberen Abschnitte der Heizgefäße 45 mit
sich bringt.
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Es
ist bekannt, dass eine Zwangskonvektion, wie beispielsweise durch
ein Gebläse
oder eine Pumpe, die Rate der Wärmeübertragung
verglichen mit natürlicher
Konvektion erheblich erhöht.
Während
jedoch der Zwangskonvektionsmodus der Wärmeübertragung in anderen Zusammenhängen sehr
angemessen sein kann, ist er unangemessen, wenn er auf eine Anordnung
von Gefäßen, wie
beispielsweise die Heizgefäße 45,
aufgebracht wird. Die Menge der Wärmeenergie, die an die Heizgefäße 45 durch
die Heizeinheit 40 zugeführt wird, und die Rate, mit
der eine derartige Wärmeenergie
zugeführt
wird, kann bewirken, dass sich eine relativ große Menge von Lösungsmittel
schnell in seine dampfförmige
Phase ändert,
derart, dass die Zwangskonvektion von Raumluft um die oberen Abschnitte
der Heizgefäße 45 herum
nicht genug Wärmeenergie
von den oberen Abschnitten entfernt, um zu bewirken, dass das Lösungsmittel
zurück
in eine flüssige
Phase kondensiert. Als Folge davon entweicht viel von dem bei einer
hohen Temperatur verdampften Lösungsmittel den
Heizgefäßen 45,
sogar wenn Septa oder andere Dichtkomponenten vorgesehen sind, aufgrund
der Temperatur- und Druckdifferentiale zwischen den Innenräumen der
Heizgefäße 45 und
dem Umgebungsluftraum.
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Ein
anderes Problem entstammt der Tatsache, dass häufig viskose Komponenten in
den Heizgefäßen 45 verarbeitet
werden. Es ist häufig
erforderlich, dass derartige Zusammensetzungen bzw. Verbindungen
gerührt
werden, entweder konstant oder periodisch, während sie erwärmt werden.
Die Zusammensetzungen in den Heizgefäßen 45 sind häufig zu viskos,
um durch herkömmliche
Verfahren, wie beispielsweise die Verwendung von magnetisch angetriebenen
Rührelementen,
gerührt
zu werden. Das Problem wird durch die relativ engen Innenräume der Heizgefäße 45,
und ihre dichte Nähe
zueinander in der Gefäßanordnung,
verschlimmert. Es gibt wenig Platz um die Heizgefäße 45 herum,
um die externen Magnetantriebanordnungen anzubringen, die bei der Verwendung
von magnetischen Rührelementen
erforderlich sind. Außerdem
gibt es wenig Platz in jedem einzelnen Heizgefäß 45, zum Einführen einer Schaufel
oder eines anderen mechanisch angetriebenen Rührelements auf eine Art, die
nicht andere Komponenten stört,
die in dem Heizgefäß 45 betrieben
werden, wie beispielsweise eine Probenahmekanüle.
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Die
vorliegende Erfindung wird geschaffen, um diese und andere Probleme,
die mit der Verarbeitung von Substanzen in Gefäßen assoziiert werden, zu lösen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Geometrie der Kondensatoreinheit ist derart, dass eine Reihe von
Oberflächen
in dem oberen Abschnitt des Gefäßes vorhanden
sind, um eine Wärmeübertragung
davon zuzulassen. Außerdem
ist ein Kanal für
das Wärmeübertragungsfluid
als eine Multi-Durchgangsflussanordnung ausgebildet, die, in Verbindung
mit der Kompaktheit der Kondensatoreinheit, die Gesamteffektivität der Kondensatoreinheit als
ein Wärmetauscher
erhöht.
Eine große
Menge von Wärmeenergie
wird von dem Gefäß weggetragen,
durch ein Zirkulieren eines Wärmeübertragungsfluids,
wie beispielsweise Wasser, durch die Kondensatoreinheit. Diese Zirkulation
hält den
Körper
und die Oberflächen
der Kondensatoreinheit recht kühl,
was wiederum eine Reihe von komplexen Temperaturgradienten entlang
mehrerer Richtungen, von der lokalen Luft und dem Lösungsmitteldampf
in dem oberen Abschnitt des Gefäßes zu dem
Wärmeübertragungsfluid,
das in der Kondensatoreinheit zirkuliert, aufbaut. Eine signifikante
konvektive Wärmeübertragung
tritt an den Oberflächen
der Kondensatoreinheit, an dem Fluidkanal, sowie an der Umgebungsoberfläche des
oberen Abschnitts des Gefäßes auf.
Eine signifikante konduktive Wärmeübertragung tritt
durch den Körper
der Kondensatoreinheit, sowie über
die Wand des Gefäßes auf.
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Die
vorliegende Erfindung schafft auch im Allgemeinen eine Rühreinheit
mit einer Konfiguration, die zulässt,
dass die Rühreinheit
ständig
in dem Gefäß betrieben
wird, ohne andere Arbeitsabläufe, die
an dem Gefäß ausgeführt werden,
nachteilig zu beeinflussen. Zum Beispiel kann die Rühreinheit
zur gleichen Zeit wie eine Probenahmenadel betrieben werden, die
verwendet wird, um Lösungsmittel
oder Probelösung
an das oder aus dem Gefäß abzugeben oder
zu entnehmen. Die Rühreinheit
umfasst eine mechanisch angetriebene Schaufel, die ausreichend Kraft
vorsieht, um hochviskose Flüssigkeiten
zu rühren,
und eher das Verfahren nachahmt, das verwendet wird, wenn ein Scale-Up
mit den Probeprodukten durchgeführt
wird, wie es von Fachleute der pharmazeutischen Entwicklung verstehen.
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Die
jeweiligen Ausgestaltungen der Kondensatoreinheit und der Rühreinheit
lassen zu, dass jede Einheit zusammen und im gleichen Zeitraum,
in dem gleichen Gefäß, betrieben
wird. Diese einzigartige funktionelle Kombination des Schaufelrührens und Fluid-gekühltem Kondensierens
in dem Gefäß, oder in
jedem Gefäß einer
gegebenen Gefäßanordnung, schafft
ein höchst
nützliches
und effektives Werkzeug für
die pharmazeutische Entwicklung.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Probevorbereitungs-Arbeitsstation gemäß Anspruch 1 hiervon geschaffen.
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Vorzugsweise
ist jedes der Einlass- und Auslassenden nahe den jeweiligen ersten
Enden des inneren Rohrs und der äußeren Hülse angeordnet.
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Die
vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Verhinderung
des Entweichens von dampfförmigen
Phasen einer Substanz aus einem Behälter, gemäß Anspruch 23 hiervon.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine Vorderansicht einer herkömmlichen
Probevorbereitungs-Arbeitsstation;
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s2 ist
eine Perspektivansicht einer Kondensatoreinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2A ist
eine Pespektivansicht der in 2 dargestellten
Kondensatoreinheit, wobei Kühlrippen
bzw. -stege hinzugefügt
sind;
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3 ist
eine Ansicht in aufgelösten
Einzelteilen der Kondensatoreinheit von 2;
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4 ist
eine detaillierte Perspektivansicht eines Abschnitts der Kondensatoreinheit
von 2;
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5 ist
eine Perspektivansicht einer Kondensatoranordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 ist
ein Diagramm eines Wärmeübertragungsfluid-Zirkulationssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 ist
eine Perspektivansicht einer Rühreinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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8 ist
eine Ansicht in aufgelösten
Einzelteilen einer Rühranordnung
gemäß der vorliegenden Erfindung;
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9 ist
eine Perspektivansicht der Rühranordnung
von 8 in zusammengebauter Form;
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10 ist
eine Perspektivansicht einer kombinierten Rühr- und Kondensieranordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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11 ist
eine andere Perspektivansicht der kombinierten Rühr- und Kondensieranordnung
von 10;
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12 ist
eine Perspektivansicht der kombinierten Rühr- und Kondensieranordnung
von 10, an einer Probevorbereitungs-Arbeitsstation gemäß der vorliegenden
Erfindung installiert; und
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13 ist
eine perspektivansicht einer alternativen Ausführungsform der kombinierten
Rühr- und Kondensieranordnung
von
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10.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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sUnter
Bezugnahme auf die 2 bis 4, ist eine
im Allgemeinen mit 65 bezeichnete Kondensatoreinheit gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Wie in 2 gezeigt,
umfasst die Kondensatoreinheit 65 einen Kondensatorkörper 70 und
einen Montage- bzw. Befestigungskopf 90, wobei jeder vorzugsweise
aus einem gut wärmeleitenden
Material, wie beispielsweise Stahl, aufgebaut ist. Wie in 3 gezeigt,
umfasst der Kondensatorkörper 70 ein
inneres Rohr 72 und eine koaxiale äußere Hülse 76. Strukturell
weist das innere Rohr 72 eine Innenwand 74 auf,
und die äußere Hülse 76 weist
eine Außenwand 78 auf.
Unter Bezugnahme auf 4, definiert die Innenwand 74 einen
hohlen Innenraum bzw. ein hohles Inneres 65A für den Kondensatorkörper 65.
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Ein
Wärmeaustauschkanal 80 zum
Zirkulieren eines Wärmeaustauschfluids
durch den Kondensatorkörper 70 (wobei
er somit als eine Kühlschlange dient)
ist im Allgemeinen zwischen dem inneren Rohr 72 und der äußeren Hülse 76 angeordnet.
Bei der bevorzugten Ausführungsform,
die am besten in 4 gezeigt wird, nimmt der Wärmeaustauschkanal 80 die
Form einer kontinuierlichen Nut 82 an, die maschinell in
die Innenwand 74 gearbeitet ist, derart, dass die Nut 82 und
die Außenwand 78 (siehe 3) gemeinsam
den Wärmeaustauschkanal 80 definieren.
Um die Effektivität
des Kondensatorkörper 70 als eine
Wärmeübertragungsvorrichtung
zu optimieren, wird die Länge
der Nut 82 maximiert. Die Konstruktion innerhalb des Kontextes
der dargestellten zylindrischen Strukturen, diese Optimierung wird
dadurch implementiert, dass die Nut 82 entlang wechselnder Serpentinenverläufe verläuft, derart,
dass die Nut 82 viele axiale Abschnitte 82A aufweist,
die entlang der Höhe
des Kondensatorkörpers 70 verlaufen,
und viele Übergangsabschnitte 82B,
die im Allgemeinen entlang von Umfangsabschnitten des Kondensatorkörpers 70 verlaufen.
Man kann somit sehen, dass der Kanal 80 eine Multi-Durchgangsflussanordnung
bildet, welche die Gesamteffektivität der Kondensatoreinheit 65 als
eine Wärmetauschervorrichtung
erhöht.
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Wie
am besten in 4 gezeigt wird, beginnt der
Wärmeaustauschkanal 80 an
einem Einlassende 84 und endet an einem Auslassende 86.
Vorzugsweise befinden sich beide, die Einlass- und Auslassenden 84 und 86,
nahe dem oberen Teil der Kondensatoreinheit 65, z.B. nahe
dem Befestigungskopf 90, so dass sich externe Fluidleitungen
nicht in das Gefäß hinunter
erstrecken müssen,
in dem die Kondensatoreinheit 65 ist, um betrieben zu werden.
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Zurück unter
Bezugnahme auf 2, weist der Befestigungskopf 90 eine
Zentral- bzw. Hauptbohrung 92 auf, die sich durch seine
axiale Ausdehnung von einer oberen Öffnung 92A zu einer
unteren Öffnung 92B (siehe 4)
erstreckt. Die Einlass- und Auslassöffnungen 94 und 96 sind
an einer äußeren Seitenoberfläche 98 des
Befestigungskopfes 90 ausgebildet. Die Einlass- und Auslassöffnungen 94 und 96 stehen
jeweils mit den Einlass- und Auslassenden 84 und 86 des
Wärmeaustauschkanals 80, über innere
Durchgänge
(nicht gezeigt) in dem Befestigungskopf 90, in Fluidverbindung.
Ein Lüftungsloch 101 erstreckt
sich radial von der äußeren Seitenoberfläche 98 zu
der Bohrung 92. Wie in 4 gezeigt,
ist das Innenrohr 72 an dem Befestigungskopf 90 an
der unteren Öffnung 92B befestigt,
wie beispielsweise durch eine Presspassung oder Mikroschweißen.
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Unter
Bezugnahme auf 3, wird die Kondensatoreinheit 65 dadurch
zusammengebaut, dass ein Dichtungsring 103 über das
Innenrohr 72 geschoben wird, bis der Dichtungsring 103 an
die Unterseite des Befestigungskopfes 90 anstößt, und
dass die äußere Hülse 76 über das
Innenrohr 72 geschoben wird. Der Dichtungsring 103 ist
vorzugsweise eine TEFLON®-Scheibe, und dient als
eine Dichtung für die Öffnung bzw.
Mündung
eines Reagenzglases oder anderen Gefäßes, in das der Kondensatorkörper 70 einzuführen ist.
Die angrenzenden Enden des Innenrohrs 72 und der äußeren Hülse 76 sind
mikrogeschweißt,
um sicherzustellen, dass kein Lecken auftritt. Unter Verwendung
herkömmlicher
Verfahren wird ein Lüftungsrohr 105 an
oder in dem Lüftungsloch 101 befestigt,
ein Einlass-Anschlussstück 107 wird
an oder in der Einlassöffnung 94 befestigt,
ein Auslass-Anschlussstück 109 wird
an oder in der Auslassöffnung 96 befestigt,
und eine Drehdichtung 111 wird in der oberen Öffnung 92A des
Befestigungskopfes 90 platziert, und befindet sich über dem
Lüftungsloch 101.
Die Anschlussstücke 107 und 109 und
die Öffnungen 94 und 96 könnten zum
Beispiel mit zusammenpassenden Gewinden zu Befestigungszwecken versehen
sein. 2 zeigt die Kondensatoreinheit 65 in
zusammengebauter Form. Die Kondensatoreinheit 65 ist ziemlich
kompakt, und wurde zum Beispiel erfolgreich in ein Probeglas mit einem
Hauptaußendurchmesser
von 2,54 cm (1 Inch), der sich nahe dem Oberteil auf 1,78 cm (0,7 Inch)
verjüngt,
eingebaut.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform,
ist die äußere Hülse 76 fest
um das Innenrohr 72 angebracht, damit der Wärmeaustauschkanal 80 dicht
geschlossen bzw. abgedichtet ist. Als eine Alternative, könnte die äußere Hülse 76 von
dem Innenrohr 72 radial beabstandet sein, um eine ringförmige Kammer (nicht
gezeigt) zu definieren, in welcher der Wärmeaustauschkanal 80 die
Form eines Rohrs mit einem kleinen Durchmesser, das entlang einem
Serpentinen- oder Spiralverlauf verläuft, annehmen könnte.
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Es
ist auch bevorzugt, dass der Wärmeaustauschkanal 80 einzeln
und kontinuierlich ist. Eine Vielzahl von Wärmeaustauschkanälen 80 könnte für jede Kondensatoreinheit 65 vorgesehen
werden, aber eine derartige Alternative würde zusätzliche Einlass- und Auslass-Anschlussstücke 107 und 109, und
folglich eine zusätzliche
Komplexität,
erfordern.
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Man
kann somit sehen, dass die Kondensatoreinheit 65 als ein
indirekter (oder Oberflächen-) Wärmetauscher
des Kontakt-Typs mit einer Multi-Durchgangsflusstauglichkeit erachtet
werden kann.
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Unter
Bezugnahme auf 2A, kann die Kondensatoreinheit 65 alternativ
mit einem Satz von ringförmigen
Kühlrippen 70A ausgestattet
sein, die um den Umfang des Kondensatorkörpers 70 angeordnet
sind. Die Kühlrippen 70A können als
separate Komponenten vorgesehen sein, die an dem Kondensatorkörper 70 angebracht
sind, oder können
durch ein Vermindern des Durchmessers von mehreren Abschnitten des
Kondensatorkörper 70 ausgebildet werden.
Das Zufügen
der Kühlrippen
kann zu verbesserten Wärmeübertragungscharakteristika
führen, durch
ein Erhöhen
der Gesamtoberfläche,
die für
den Wärmeübergang
zur Verfügung
steht, einem Beeinflussen der Richtung des Fluidflusses um den Kondensatorkörper 70,
und/oder dem Fördern
von Turbulenzen. Wie Fachleute verstehen werden, muss die Geometrie,
Größe und Beabstandung
der Kühlrippen 70A ausgewählt werden,
um die Effizienz der Rippen zu optimieren und möglicherweise einer resultierenden
Zunahme des thermischen Widerstands oder des Flusswiderstands entgegenzuwirken.
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Unter
Bezugnahme auf 5, kann eine im Allgemeinen
mit 115 bezeichnete Kondensatoranordnung dadurch aufgebaut
sein, dass eine Dichtungsplatte 120 vorgesehen wird, um
als ein Deckensäulenstativ
(overhead support) für
eine oder mehrere Kondensatoreinheiten 65 zu dienen. Bei
dem dargestellten Beispiel, stützt
die Dichtungsplatte 120 eine 2×5 Anordnung von zehn Kondensatoreinheiten 65. Die
Dichtungsplatte 120 umfasst vorzugsweise Öffnungen 122,
die mit jeder Befestigungskopfbohrung 92 (siehe 2)
ausgerichtet sind, sowie Dichtungsplatten-Befestigunglöcher 124 und
Aussparungen 126. Wie unten ausführlicher beschrieben wird,
kann die Dichtungsplatte 120 Motor-Anbringungslöcher 128, eine Motorausgangsbohrung 131,
und eine Vielzahl von Vorspannelementen, wie beispielsweise Scheibenfedern 133,
die sich in jede Dichtungsplattenöffnung 122 erstrecken,
umfassen. Bei einem Beispiel wird jede Kondensatoreinheit 65 in
ihrer entsprechenden Dichtungsplattenöffnung 122 durch eine
ringförmige
Leiste oder Schulter (nicht gezeigt) der Dichtungsplattenöffnung 122,
oder durch eine zweite Öffnung
(nicht gezeigt) mit einem kleineren Durchmesser, gestützt.
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Unter
Bezugnahme auf 6, kann ein im Allgemeinen mit 140 bezeichnetes
Wärmeübertragungsfluid-Zirkulationssystem
zusammengebaut werden, zur Verwendung in Verbindung mit einer oder
mehreren Kondensatoreinheiten 65. Eine geeignete Fluidpumpe 142 ist
vorgesehen, um ein Fluidwärmeübertragungsmedium,
wie beispielsweise Wasser, aus einer Quelle (nicht gezeigt) über ein Paar
von Eingangs- und Ausgangsleitungen 144A und 144B zu
und von der Kondensatoreinheit 65 zu übertragen. In dem Fall, wo
mehrere Kondensatoreinheiten verwendet werden, kann eine Anordnung wie
beispielsweise ein Verteiler 146, der angemessenen mit
Ventilen und Richtungsdurchgängen
ausgestattet ist, die Schnittstelle mit einzelnen Paaren von Eingangs-
und Ausgangsleitungen 148A und 148B, die mit jeder
Kondensatoreinheit 65 verbunden sind, bilden.
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Bezug
nehmend auf 12, schafft die vorliegende
Erfindung eine neue, im Allgemeinen mit 200 bezeichnete
Probevorbereitungs-Arbeitsstation. Die
Arbeitsstation 200 umfasst eine im Allgemeinen mit 205 bezeichnete
Gefäßgestellanordnung,
mit einer Rahmenkonstruktion die vordere Gestellstützelemente 207 und
ein hinteres Gestellstützelement 209 umfasst.
Viele der Module, die üblicherweise
in Verbindung mit Flüssigkeitshandhabungs-
und/oder Probevorbereitungseinrichtungen, wie die in 1 dargestellten,
verwendet werden, können
in die Arbeitsstation 200 integriert werden, je nachdem
wie es für die
von dem Nutzer erwägten
Arbeitsabläufe
passend ist. Eine Heizeinheit 210 ist somit vorgesehen, um
eine Anordnung von Heizgefäßen 212 heizen. Eine
Gebläseeinheit
(z.B. Gebläseeinheit 40 in 1)
ist jedoch nicht erforderlich. Stattdessen wird eine verbesserte
Wärmeaustauschfähigkeit
in Form der oben beschriebenen Kondensatoranordnung 115 vorgesehen.
Folglich kann die Kondensatoranordnung 115 abnehmbar an
der Arbeitsstation 200 angebracht, und über der Heizeinheit 210 gemäß der vorliegenden
Erfindung positioniert werden, unter Verwendung geeigneter Befestigungskomponenten,
wie beispielsweise Befestigungsstützen bzw. -klammern 214 und 216,
und Befestigungsstifte 218, durch die Dichtungsplatte-Befestigungslöcher 122 eingeführt (siehe 5).
Die Dichtungsplattenaussparungen 126 könnten verwendet werden, um
abnehmbare Komponenten (nicht gezeigt) zum Transportieren der Kondensatoranordnung 115 zu
der Arbeitsstation 200 und/oder zum Ausrichten der Kondensatoranordnung 115 über der
Heizeinheit 210 aufzunehmen, oder könnten verwendet werden, um
die Kondensatoranordnung 115 an einer anderen Stelle der
Arbeitsstation 200 (wie beispielsweise die Gefäßgestellanordnung 205)
zu montieren, wenn die Kondensatoranordnung 115 in einem
nicht-betriebsbereiten Bereitschaftsmodus ist.
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Bezug
nehmend auf die 7 bis 9, wird
auch eine Rühreinheit
in Form eines im Allgemeinen mit 150 bezeichneten Rührstabs
gemäß der vorliegenden
Erfindung geschaffen. Der Rührstab 150 umfasst
vorzugsweise einen Schaft 152 und ein Rührelement, wie beispielsweise
eine Schaufel 154, die abnehmbar an dem Schaft 152 angebracht
ist, wie beispielsweise durch zusammenpassende Gewinde. Das Oberteil
des Schafts 150 weist ein Gewinde auf, so dass er eine
Kunststoffkappe 156 aufnehmen kann, die mit einem Septum 156A ausgestattet ist.
Wie in 7 gezeigt, um zuzulassen, dass ein Instrument
(z.B. die Probenahmenadel 22 in 1, eine
Lichtleitfaser-Sonde, oder dergleichen) durch den Rührstab 150 in
ein Gefäß durchgeht,
in dem der Rührstab 150 betrieben
werden soll, weist der Schaft 152 eine Bohrung 152A auf,
die entlang seiner Länge verläuft, und
die Schaufel 154 weist gleichermaßen eine Bohrung 154A auf,
die sich zu ihrer Schaufelspitze 154B erstreckt. Um zu
helfen, dass die Probenahmenadel die Länge des Rührstabs 150 zurücklegt,
insbesondere wenn ein Roboter-Flüssigkeitshandhabungsmodul
(z.B. das Flüssigkeitshandhabungsmodul 20 in 1)
verwendet wird, umfasst die Schaufel 154 einen sich verjüngenden
konischen Abschnitt 154C an der Schnittstelle zwischen
der Schaufelbohrung 154A und der Schaftbohrung 152A.
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Unter
Bezugnahme auf die 8 und 9, kann
eine im Allgemeinen mit 155 bezeichnete Rühranordnung
dadurch konstruiert werden, dass eine Lagerplatte 160 und
zugehörige
Lager- und Antriebskomponenten vorgesehen werden, die alle anpasst
sind, um einen oder mehrere Rührstäbe 150 aufzunehmen.
Bei dem dargestellten Beispiel, stützt die Lagerplatte 160 eine
2×5 Anordnung
von zehn Rührstäben 150.
Zu diesem Zweck umfasst die Lagerplatte 160 vorzugsweise Öffnungen 162,
durch welche sich jeder entsprechende Rührstab 150 drehbar
erstreckt. Die Lagerplatte 160 kann auch Motorbefestigungslöcher 164 und
eine Motorausgangsbohrung 166 umfassen. Ein Rollenlager 168 ist
in jeder Lagerplattenöffnung 162 angeordnet,
um jeden entsprechenden Rührstab 150 drehbar
zu stützen. Zusätzlich ist
ein Rührstabantriebszahnrad 171 an
jedem Rührstab 150 angebracht.
Ein endloses, flexibles Antriebselement, wie beispielsweise eine
Polymer-Antriebskette 173 mit doppelseitigen Zähnen (nicht
besonders gezeigt), ist um die Antriebszahnräder 171 und ein Motor-Abtriebsritzel 175 (siehe 10)
gewickelt, um eine formschlüssige
Antriebsmöglichkeit
vorzusehen. Falls gewünscht,
könnte
die Rühranordnung 155 operativ
an die Arbeitsstation 200 in 12 angebracht
werden, neben der Kondensatoranordnung 115, um Rührarbeitsabläufe auszuführen.
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Unter
Bezugnahme auf die 10 und 11, kombiniert
eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Kondensator- und Rühranordnungen 115 und 155 in
eine integrierte Rühr-/Kondensator-
oder Probevorbereitungsanordnung, die im Allgemeinen mit 180 bezeichnet
wird. Lagerplattenöffnungen 162 (siehe 8)
sind mit entsprechenden Dichtungsplattenöffnungen 122 (siehe 5)
ausgerichtet. Entsprechende Motorbefestigungslöcher 128 und 164,
und Motorausgangsbohrungen 131 und 166, sind auch
ausgerichtet. Die Schäfte 152 der
Rührstäbe 150 sind
durch die Lagerplattenöffnungen 162,
Dichtungsplattenöffnungen 122,
Befestigungskopfbohrung 92 (siehe 2) und das
Innere 65A der Kondensatorkörper (siehe 4) eingeführt. Die
Schaufeln 154 sind an den Schäften 152 unter den
Kondensatoreinheiten 65 befestigt. Ein Motor 182 ist
durch ein Einführen
geeigneter Befestigungselemente 184 durch die Motorbefestigungslöcher 128 und 164,
eine Abstandshalterplatte 186, und einen Motormontageflansch 188,
installiert. Ein Ausgangsschaft 182A für den Motor 182 erstreckt sich
durch die Ausgangsbohrungen 131 und 166, und das
Abtriebsritzel 175 wird daran angebracht. Eine Abdeckungsplatte 191, in 11 gezeigt,
schützt den
Nutzer vor den drehenden Zahnrädern 171 und 175.
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Unter
Bezugnahme auf 12, sind beide Kondensator-
und Rühreinheiten 115 und 155 (gemeinsam
die Probevorbereitungsanordnung 180) in einer betriebsbereiten
Position an der Arbeitsstation 200 dargestellt. Eine Schaufelgeschwindigkeits-Steuer-
und Anzeigeeinheit 220 ist mit dem Motor 182 verdrahtet.
Die Scheibenfedern 133 (in 5 gezeigt)
sind zwischen der Lagerplatte 160 und der Dichtungsplatte 120 angeordnet,
und werden durch die Lagerplatte 160 nach unten gehalten,
und wirken so, dass sie die Dichtungplatte 120 nach unten
in eine verbesserte Dichtungsbeziehung mit den Mündungen von jedem Heizgefäß 212 zwängen. Die Drehdichtungen 11 (in 3 gezeigt),
in jeder Befestigungskopfbohrung 92 positioniert, verhindern,
dass erwärmte
Dämpfe
in den Heizgefäßen 212 um
die Rührstäbe 150 entweichen,
während
sie zulassen, dass sich die Rührstäbe 150 frei
drehen. Die Lüftungsrohre 105 (am
besten in den 2 und 3 gezeigt)
verhindern, dass sich eine übermäßige Menge
an Druck in den Heizgefäßen 212 aufbaut,
durch das Vorsehen einer Entweichungsroute für Dämpfe, da jedes Lüftungsrohr 105 und
sein zugehöriges
Lüftungsloch 101 mit
der entsprechenden Befestigungskopfbohrung 92, dem Kondensatorkörperinnerem 65A und
dem Inneren des Heizgefäßes 212 in
offener Verbindung stehen. Es sollte angemerkt werden, dass unter
normalen Umständen
die thermodynamische Druck-Volumen-Temperatur- (P-V-T) Beziehung,
die den Kondensierungsablauf charakterisiert, diktiert, dass keine
Dämpfe
durch die Lüftungsrohre 105 lecken.
Dies ist deshalb so, weil die Kondensatoranordnung 115 bewirkt,
dass sich derartige Dämpfe
in die flüssige
Phase zurück ändern, bevor
die Dämpfe
eine Möglichkeit
haben, sich in den Lüftungsrohren 105 auszuweiten.
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Es
sollte auch angemerkt werden, dass einige Arbeitsvorgänge erfordern,
dass Reaktionen in den Heizgefäßen 212 in
der Gegenwart eines Inertgases, wie beispielsweise zweiatomiger
Stickstoff oder Argon, auftreten. In solchen Fällen können die Lüftungslöcher 101 als Gaseinlässe genutzt
werden, um eine Menge von Inertgas in die Heizgefäße 212 zu
lassen, und somit können
die Lüftungsrohre 105 als
die Anschlussstücke
für diese
Gaseinlässe
genutzt werden. Folglich kann, wie hierin verwendet, der Begriff „Lüftungsloch" so verstanden werden, dass
er „Gaseinlass" bedeutet, und der
Begriff „Lüftungsrohr" kann so verstanden
werden, dass er „Gaseinlassanschlussstück" bedeutet.
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Unter
Bezugnahme auf 13, kann die Probevorbereitungsanordnung 180 so
angepasst werden, dass sie in Verbindung mit weniger als einer vollen
Anordnung von Heizgefäßen 212 betrieben wird.
In einem derartigen Fall kann eine Antriebskette 233 mit
einer kürzeren
Länge genutzt
werden und, abhängig
von der Anzahl der verwendeten Kondensatoranordnungen 115 und/oder
Rühranordnungen 155,
und ihren Positionen an der Lagerplatte 160, können ein
oder mehrere Spannrollenelemente 235 an den freien Lageranordnungsstellen 237 installiert werden.
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Ein
exemplarisch allgemeiner Betrieb der Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 12, mit
untergeordnetem Bezug auf 1, beschrieben.
Der Forscher platziert die Heizgefäße 212, die Massen
von Arzneimitteln oder dergleichen enthalten, in der Heizeinheit 210.
Die Rühranordnung 155,
die Kondensatoranordnung 115, oder die kombinierte Rührer-/Kondensatoranordnung 180 wird
aus einer Bereitschaftsposition aufgenommen, und über die
Anordnung von Heizgefäßen 212 abgesenkt.
Die Position der Rührer-/Kondensatoranordnung 180 wird
durch ein Einführen
der Befestigungsstifte 218 in die Befestigungsstützen 214 und 216 begründet. Zu
vorbestimmten Zeitintervallen treibt die Arbeitsstation 200 automatisch
das Flüssigkeitshandhabungsmodul 20 an,
und führt
die Probenahmenadel 22 durch das Septum von jeder Rührstabkappe 156q,
durch den entsprechenden Rührstab 150 und
in das entsprechende Heizgefäß 212,
ein. Das Verdünnungsmodul 30 überführt ein
Lösungsmittel
in jedes Heizgefäß 212,
um die Probemasse darin auf ein angemessenes Volumen zu verdünnen, wodurch
eine Probelösung
hergestellt wird. Ein Fluidfluss zu jeder operativen Kondensatoreinheit 65 der
Kondensatoranordnung 115 wird über das Wärmeübertragungsfluid-Zirkulationssystem 140 (siehe 6)
begründet,
der Motor 182 wird angeschaltet, um jede operative Schaufel 154 der
Rühranordnung 155 anzutreiben, und
die Heizeinheit 210 wird angeschaltet, um die Probelösungen zu
heizen. Die Schaufeldrehgeschwindigkeit kann durch die Steuer- und
Anzeigeeinheit 220 angepasst werden.
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Zu
weiteren vorbestimmten Zeitintervallen kann das Flüssigkeitshandhabungsmodul 20 programmiert
werden, die Probenahmenadel 22 zurück in jedes Heizgefäß 212 einzuführen, so
dass das Verdünnungsmodul 30 eine
abgemessene Menge von erwärmter
Probelösung
aus dem Heizgefäß 212 abziehen
kann. Aufgrund des Designs der Rühranordnung 155,
kann der Probe-Extraktionsprozess
auftreten, während
sich die Schaufeln 154 drehen. Das Flüssigkeitshandhabungsmodul 20 kann
dann genutzt werden, um die Probelösung an Stellen an der Gestellanordnung 205,
oder an ein Gerät
zur chemischen Analyse, abzugeben, wie es für das bestimmte Verfahren erforderlich
ist.
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Man
kann aus der vorhergehenden Beschreibung sehen, dass das Design
von jeder Kondensatoreinheit 65 der Kondensatoranordnung 115, ob
sie einen Teil der kombinierten Rührer-/Kondensatoranordnung 180 bildet
oder nicht, eine erhebliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Kondensierversuchen
ist. Dies beruht teilweise auf der Tatsache, dass jede Kondensatoreinheit 65 eine
große Menge
von beidem, Konduktions-Wärmestrom
und Konvektions-Wärmestrom,
weg von dem oberen Abschnitt von ihrem zugehörigen Heizgefäß 212,
erzeugt. Für
den Zweck der vorliegenden Offenbarung, kann der Wärmestrom
im Allgemeinen als die pro Einheit Fläche pro Einheit Zeit übertragene
Menge von Wärmeenergie
definiert werden. Hinsichtlich der Konduktion sind die entscheidenden
Bereiche diejenigen Oberflächenbereiche,
die senkrecht zu der Richtung der Temperaturgradienten, und somit
des Wärmestroms,
sind.
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Zurück auf die 2 bis 5 Bezug
nehmend, bietet der Kondensatorkörper 70 eine
große Menge
von Oberflächenbereich,
durch den ein konduktiver Wärmeübergang
auftreten kann, wobei er dennoch kompakt genug ist, um in dem Heizgefäß 212 betrieben
zu werden. In dem vorliegenden Fall ist ein Konduktions-Wärmestrom
eine Funktion von beidem, der thermischen Konduktivität des Materials des
Kondensatorkörpers 70,
und der Temperaturgradienten, die von den äußeren Oberflächen des
Kondensatorkörpers 70 zu
den kühleren
Grenzen des Kanals 80 in dem Kondensatorkörper 70 gerichtet sind.
Aufgrund der Konfiguration des Kondensatorkörpers 80 sind Temperaturgradienten
vorherrschend in Richtungen radial nach innen von der äußeren Oberfläche der
Außenwand 78 der äußeren Hülse 76 zu
dem Kanal 80, und in Richtungen radial nach außen von
der inneren Oberfläche
der Innenwand 74 des inneren Rohrs 72. Die letzteren
Richtungen sind vielleicht die erheblichsten, da sich das meiste
des Verdampfungslösungsmittels
nach oben in dem Kondensatorkörperinneren 65A,
das durch die Innenwand 74 definiert ist, bewegen wird.
Weil ein Wärmeübertragungsmedium
ständig
durch den Kanal 80 zirkuliert wird, und weil sich der Kanal 80 entlang
eines langen Serpentinenverlaufs erstreckt, wird der gesamte massive
Abschnitt des Kondensatorkörpers 70 sehr
kühl gehalten.
Dies führt
zu großen
Temperaturgradienten, die zum Hauptfaktor werden, der zu dem großen Konduktions-Wärmestrom beiträgt. Weil
die thermische Konduktivität
ein weniger erheblicher Faktor ist, kann ein kostengünstiges, moderat
leitendes Material für
den Kondensatorkörper 70 gewählt werden.
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Große Mengen
von Konvektions-Wärmestrom
werden an den Grenzen zwischen dem gekühlten Kondensatorkörper 70 und
dem heißen
Verdampfungslösungsmittel,
das in das Kondensatorkörperinnere 65A fließt, und
entlang der äußeren Oberfläche des
Kondensatorkörpers 70 beobachtet. Außerdem begründet die
Zirkulation des Wärmeübertragungsmediums
durch den Kanal 80 eine starke gezwungene Konvektion, welche
die Schnittstellen zwischen dem Kondensatorkörper 70 und dem Kanal 80 kühl hält. In dem
vorliegenden Fall, sind die Konvektions-Wärmeströme eine Funktion der Temperaturunterschiede
zwischen den Kondensatorkörperoberflächen und
dem dampfförmigen
Lösungsmittel, und
zwischen den Fluidkanaloberflächen
und dem Wärmeübertragungsmedium.
Die an diesen verschiedenen Grenzen begründeten Wärmeübertragungskoeffizienten sind
auch ein Faktor. Diese Koeffizienten hängen unter anderem von der
Art des Fluidflusses (d.h. laminar oder turbulent), und der Geometrie
des Kondensatorkörpers 70 und
des Kanals 80, ab. Die Länge und die Form des Kondensatorkörpers 70 und
seine entsprechenden großen
Oberflächenbereiche,
die Mu1ti-Durchgangsflussanordnung des
Kanals 80, und die kontinuierliche Zirkulation des Wärmeübertragungsmediums
durch den Kanal 80, führen
alle zu einem großen
durchschnittlichen Gesamt-Wärmeübertragungskoeffizienten.
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Folglich
ermöglichen
die verschiedenen durch die Kondensatoreinheit 65 begründeten Wärmeübertragungsmechanismen,
dass eine große Menge
von Wärmeenergie
schnell aus dem Lösungsmitteldampf
dissipiert wird, und nachfolgend durch das Wärmeübertragungsmedium, das zirkuliert durch
den Kanal 80, wegbefördert
wird. Der Lösungsmitteldampf
wird, nachdem er die Oberflächen
des Kondensatorkörpers 70 bei
einer Temperatur unter der Sättigungstemperatur
des Lösungsmittels
bei normalen Drücken
trifft, schnell an den Oberflächen kondensieren,
und es wird verhindert, dass er aus dem Heizgefäß 212 entweicht. Es
sollte auch angemerkt werden, dass die Kondensierfunktion der Kondensatoreinheit 65 in
dem oberen Abschnitt des Heizgefäßes 212 ausreichend
lokalisiert ist, um nicht den Erwärmungsprozess zu beeinträchtigen,
der von der Heizeinheit 210 an der in dem unteren Abschnitt des
Heizgefäßes 212 enthaltenen
Probelösung durchgeführt wird.
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Man
wird verstehen, dass verschiedene Details der Erfindung geändert werden
können,
ohne von dem Bereich der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert,
abzuweichen. Des Weiteren dient die vorangehende Beschreibung lediglich dem
Zweck der Veranschaulichung, und nicht zum Zweck der Beschränkung – die Erfindung
wird durch die Ansprüche
definiert.