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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Set, umfassend wenigstens einen Zentrifugenbehälter und einen Zentrifugenrotor. Der Zentrifugenbehälter für den Zentrifugenrotor umfasst einen eine Öffnung, einen Gefäßboden und eine Längsachse aufweisenden Grundkörper, wobei die Öffnung und der Gefäßboden sich gegenüberliegen und der Grundkörper sich mit seiner Gesamtlänge zwischen der Öffnung und dem Gefäßboden erstreckt, und wobei der Zentrifugenbehälter entlang der Gesamtlänge des Grundkörpers einen von der Öffnung ausgehenden ersten Abschnitt und einen bis zum Gefäßboden reichenden zweiten Abschnitt aufweist.
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Das erfindungsgemäße Set ist zur Verwendung in einer Zentrifuge, insbesondere in einer Laborzentrifuge, ausgebildet. Laborzentrifugen werden beispielsweise in der Biochemie, Chemie, Biologie und Medizin für verschiedene Anwendungen, beispielsweise das Trennen von Stoffgemischen, eingesetzt. Dazu wird ein Probengefäß, in dem sich das zu trennende Stoffgemisch befindet, in einen Zentrifugenbehälter gestellt. In einigen Fällen wird das Probengefäß zuvor in einem Adapter aufgenommen. Der Zentrifugenbehälter wird an einem Rotor befestigt, der wiederum an einem Antriebskopf einer Antriebswelle eines Zentrifugenantriebes gelagert wird. Mittels des Antriebs wird der Rotor der Zentrifuge um eine Rotationsachse in Rotation versetzt, wobei es durch die auf die Proben einwirkenden Zentrifugalkräfte zu einer Auftrennung des Gemisches kommt. Laborzentrifugen unterscheiden sich beispielsweise von industriell genutzten Zentrifugen dadurch, dass sie zumeist mit vergleichsweise kleinen Probenvolumina arbeiten, wobei die Proben teilweise sehr empfindlich und wertvoll sein können und deshalb besonders präzise Geräte benötigt werden, die die Proben möglichst sauber auftrennen, ohne dabei einen negativen Einfluss auf die Probenqualität zu nehmen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich vorwiegend und bevorzugt auf Laborzentrifugen, in denen Probenvolumina bis maximal 50 ml, beispielsweise bis zu 15 ml, bei einer Kapazität von bis zu 16 Proben, zumeist bis zu 8 Proben, gleichzeitig pro Lauf und einer Zentrifugalbeschleunigung von maximal ca. 6000 g, beispielsweise bis zum 4000-fachen der Erdbeschleunigung (g), aufgetrennt werden.
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Derartige Laborzentrifugen können sowohl mit Zentrifugenbehältern betrieben werden, die mit den Probengefäßen so hängend im Rotor gelagert werden, dass sie während des Zentrifugenlaufs aufgrund der Zentrifugalkraft in eine horizontale Lage ausschwingen (sogenannte „Ausschwingbehälter“) als auch mit Zentrifugenbehältern, die im Rotor mit einem festen Winkel zur Rotationsachse angeordnet werden, wobei sich dieser Winkel während des Zentrifugenlaufs nicht verändert (sogenannte „Festwinkelbehälter“). Beide Arten der Zentrifugenbehälter können beispielsweise in einem Hybridrotor gemäß der
DE 10 2015 005 195 A1 der Anmelderin verwendet werden, auf die zum grundsätzlichen Aufbau der Zentrifugenbehälter und des Hybridrotors Bezug genommen wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf solche Sets, bei denen der Zentrifugenbehälter nur teilweise im Rotor aufgenommen wird und mit einem Teil über den Rotor nach außen vorsteht.
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Durch die Rotation des Zentrifugenrotors werden die Zentrifugenbehälter im Betrieb der Zentrifuge stark beschleunigt und auf hoher Geschwindigkeit gehalten. Bei gattungsgemäßen Laborzentrifugen treten während des Zentrifugenlaufes aufgrund des Strömungswiderstandes der Zentrifugenbehälter und des Rotors bzw. aufgrund von deren Luftreibung mehrere Probleme auf. Zum einen benötigt die Zentrifuge zur Überwindung des Strömungswiderstandes eine starke Antriebsleistung. Um diese bereitstellen zu können, muss der Zentrifugenmotor ausreichend groß dimensioniert werden, wobei die Luftreibung ebenfalls zu einem erhöhten Energieaufwand führt. Insgesamt steigen so die Kosten für die Herstellung des Zentrifugenmotors und dessen Betrieb an. Darüber hinaus können sich die Zentrifugenbehälter während des Zentrifugenlaufes aufgrund der Luftreibung erwärmen, was zur potentiellen Schädigung der Proben führt und durch aufwendige Kühlmaßnahmen verhindert werden muss. Darüber hinaus kommt es zu erhöhter Lärmentwicklung während des Laufs der Laborzentrifuge, die von den Bedienern als störend empfunden wird. Hinzu kommt, dass die Form der Zentrifugenbehälter nicht frei wählbar ist, um den Strömungswiderstand während des Zentrifugenlaufes zu verringern, da insbesondere auf eine leichte Bedienbarkeit und eine vorteilhafte Ausnutzung des in der Laborzentrifuge vorhandenen Platzes Rücksicht genommen werden muss. So sollen die Zentrifugenbehälter möglichst einfach am Zentrifugenrotor gelagert und von diesem entfernt werden können, während sperrige Formen der Zentrifugenbehälter die maximale Anzahl an pro Zentrifugenlauf zentrifugierbaren Behältern begrenzt. Die
DE 101 55 955 A1 beschreibt einen Zentrifugenbehälter ähnlichem denjenigen, die im erfindungsgemäßen Set aus Zentrifugenbehälter und Zentrifugenrotor verwendet werden. Der Zentrifugenbehälter weist unlösbar mit diesem verbundene Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes auf, die sich über die gesamte Länge des Behälters erstrecken. Die
DE 10 2004 012 025 A1 offenbart einen Zentrifugenbehälter mit einem abnehmbar im Bereich des Gefäßbodens angebrachten Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Set aus einem Zentrifugenrotor und mindestens einem Zentrifugenbehälter anzugeben, der die oben geschilderten Nachteile nicht verursacht und den Betrieb einer (Labor)zentrifuge bei geringer Geräuschentwicklung und geringer Antriebsleistung erlaubt. Darüber hinaus soll eine leichte Bedienbarkeit gewährleistet sein und die Anzahl der zentrifugierbaren Zentrifugenbehälter pro Zentrifugenlauf gegenüber herkömmlichen Zentrifugenbehältern möglichst beibehalten werden.
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Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Set gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Konkret gelingt die Lösung bei dem erfindungsgemäßen Set dadurch, dass der Zentrifugenbehälter ein unlösbar mit diesem verbundenes Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes aufweist, wobei das Mittel ausschließlich im Bereich des zweiten Abschnittes vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße Mittel befindet sich also ausschließlich im Bereich des freien Endes des Zentrifugenbehälters und gerade nicht im Bereich der Öffnung, in dem der Zentrifugenbehälter üblicherweise in den Zentrifugenrotor eingehängt wird. Der zweite Abschnitt des Zentrifugenbehälters erreicht während des Zentrifugenlaufes die größten Geschwindigkeiten und verursacht einen Großteil der Luftreibung. Entsprechend sind Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes im zweiten Abschnitt besonders effektiv. Im ersten Abschnitt, in dessen Bereich der Zentrifugenbehälter am Zentrifugenrotor eingehängt bzw. gelagert wird, kann dagegen Bauraum gespart werden, indem hier kein Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes vorgesehen ist. Durch Vorsehen des Mittels zur Reduzierung des Strömungswiderstandes wird der Strömungswiderstand im zweiten Abschnitt des Zentrifugenbehälters gegenüber dem Zustand verringert, in dem das Mittel nicht vorhanden wäre. Gleichzeitig ist der Strömungswiderstand im zweiten Abschnitt, in dem das Mittel vorgesehen ist, geringer als in dem in Längserstreckungsrichtung des Zentrifugenbehälters gesehen über dem zweiten Abschnitt befindlichen ersten Abschnitt.
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Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Mittels ist es möglich, die Luftreibung während des Zentrifugenlaufes um bis zu 20 % zu senken, was erhebliche Einsparungen an Rotationsenergie ermöglicht und somit sowohl den Betrieb kostengünstiger gestaltet als auch den Einsatz von leistungsschwächeren Motoren ermöglicht und somit Herstellungskosten der Laborzentrifuge senkt. Mit der verringerten Reibung sinkt auch die Gefahr übermäßiger Erwärmung der zentrifugierten Proben, was wiederum eine Verringerung der Kühlleistung gestattet.
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Dadurch, dass das Mittel unlösbar am Zentrifugenbehälter befestigt ist, wird sichergestellt, dass es nicht verloren gehen oder sich unbeabsichtigt lösen kann. Das Mittel wird also nicht erst am Zentrifugenbehälter befestigt, nachdem dieser in den Rotor eingesetzt wurde, sondern es verbleibt permanent am Zentrifugenbehälter. Trotzdem wird erfindungsgemäß Platz am Zentrifugenrotor eingespart, da die Zentrifugenbehälter im Bereich ihres ersten Abschnitts am Zentrifugenrotor gelagert werden, in dem sich kein erfindungsgemäßes Mittel befindet. So kann eine möglichst große Anzahl an Zentrifugenbehältern in einem Zentrifugenlauf gleichzeitig zentrifugiert werden.
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Das Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes wird zweckmäßig auf derjenigen Seite des Zentrifugenbehälters ausgebildet, die in Rotationsrichtung des Zentrifugenrotors liegt, wenn der Zentrifugenbehälter im Zentrifugenrotor angeordnet ist. Die Rotationsrichtung bezeichnet vorliegend also diejenige Richtung, in der der Zentrifugenbehälter während des Laufs der Laborzentrifuge bewegt wird. Die Rotationsrichtung verläuft mit anderen Worten in einem beliebigen Punkt des Zentrifugenbehälters senkrecht zu einer Ebene, die diesen Punkt enthält und in der ebenfalls die Rotationsachse des Zentrifugenrotors liegt. Es wird dabei davon ausgegangen, dass der Zentrifugenbehälter durch eine seine Längsachse und die Rotationsachse des Zentrifugenrotors umfassende Ebene in zwei Bereiche geteilt wird, wobei die Oberfläche desjenigen Bereichs, der in Rotationsrichtung des Zentrifugenbehälters vorne liegt, diejenige Seite ist, auf der zweckmäßig das Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes vorgesehen ist. Bestimmt man den Strömungswiderstand auf dieser in Rotationsrichtung nach vorne orientierten Seite, ist dieser - wie erwähnt - insgesamt geringer, als wenn das Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes nicht vorhanden wäre, und zudem im Bereich des zweiten Abschnitts geringer als im Bereich des über diesem liegenden ersten Abschnitts. Zur Messung des Strömungswiderstandes können die bekannten Verfahren des Standes der Technik verwendet werden. Zudem ist eine indirekte Bestimmung über die Rotationsenergie möglich, die zum Antrieb eines mit den Zentrifugenbehältern bestückten Rotors aufgewendet werden muss. Benötigt werden dabei keine absoluten Werte, sondern lediglich relative Werte, die Werte für Zentrifugenbehälter mit und ohne Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes bzw. für ersten und zweiten Abschnitt vergleichen. In vielen Fällen können die relativen Werte bereits unter Heranziehung der Querschnittsformen des Zentrifugenbehälters in seinen beiden Abschnitten mit hinreichender Genauigkeit rechnerisch ermittelt oder abgeschätzt werden.
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Grundsätzlich kann das Mittel jede Ausbildung haben, die insgesamt zu einer aerodynamischeren, stromlinienförmigeren bzw. windschnittigeren Form des Zentrifugenbehälters im zweiten Abschnitt führt. In einer bevorzugten Variante der Erfindung besteht das Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes in einer Änderung des Querschnitts des Zentrifugenbehälters. Um den zweiten Abschnitt des Zentrifugenbehälters gegenüber dem ersten Abschnitt aerodynamischer auszubilden, ist es daher bevorzugt, dass sich die senkrecht zur Längsachse liegende Querschnittsfläche des Zentrifugenbehälters im zweiten Abschnitt in Rotationsrichtung stärker verschmälert als im ersten Abschnitt. Die Breite des Zentrifugenbehälters nimmt mit anderen Worten in Rotationsrichtung gesehen nach vorne hin ab, so dass der Luftstrom sich an dieser Seite des Zentrifugenbehälters leichter teilt und am Zentrifugenbehälter vorbei geführt werden kann. Wird von der Querschnittsfläche oder einem Querschnitt des Zentrifugenbehälters gesprochen, so bezieht sich dies immer auf eine Ebene, die senkrecht zur Längsachse des Zentrifugenbehälters liegt.
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Eine besonders effiziente Reduzierung des Strömungswiderstandes kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Querschnittsfläche im Bereich des erfindungsgemäßen Mittels eine halbovale oder keilförmige Kontur aufweist. Der in Rotationsrichtung vorne liegende Bereich des Zentrifugenbehälters kann sowohl spitz zulaufend als auch abgerundet sein. Durch die entsprechende Form des Mittels wird der Luftstrom während des Zentrifugenlaufs seitlich am Zentrifugenbehälter abgeleitet, wodurch der Strömungswiderstand sinkt.
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Im Allgemeinen kann das Mittel so ausgebildet sein, dass sich die gesamte Form des Zentrifugenbehälters im zweiten Abschnitt grundsätzlich ändert, einschließlich der Form des Innenraumes. Beispielsweise besteht also das Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes in einer aerodynamisch geformten Ausstülpung der Wand des Zentrifugenbehälters im Bereich des zweiten Abschnitts. Da eine Änderung der Form des Innenraumes aber Probleme bei der Entnahme der Proben nach sich ziehen kann, ist es vorteilhaft, wenn die Kontur der inneren Oberfläche des Zentrifugenbehälters im Querschnitt im Wesentlichen über die Länge des Zentrifugenbehälters konstant bleibt. Das erfindungsgemäße Mittel ist daher bevorzugt derart ausgebildet, dass es lediglich die äußere Form des Zentrifugenbehälters beeinflusst, nicht aber die Form des Innenraumes. Bevorzugt ist das Mittel deshalb an die Außenoberfläche des zweiten Abschnitts des Zentrifugenbehälters ansetzend ausgebildet und ragt über dessen Grundkörper nach außen weg, beispielsweise in Form einer sich nach außen verjüngenden Finne. Eine Finne ist dabei eine in Rotationsrichtung des Zentrifugenbehälters spitz oder stumpf zulaufende, keilförmige Struktur, die sich zumindest über einen Teil des zweiten Abschnittes erstreckt, am einfachsten parallel zur Längsachse des Zentrifugenbehälters. Diese Form des erfindungsgemäßen Mittels lässt sich besonders einfach und damit kostengünstig herstellen.
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Um eine Reduzierung des Strömungswiderstandes zu bewirken, reicht es aus, wenn das erfindungsgemäße Mittel an zumindest einer Stelle im zweiten Abschnitt des Zentrifugenbehälters angeordnet ist. Mit zunehmender Länge des Mittels zur Reduzierung des Strömungswiderstandes entlang der Höhe des zweiten Abschnittes reduziert sich dabei der Strömungswiderstand. Es ist daher bevorzugt, dass das Mittel durchgehend vom ersten Abschnitt über den gesamten zweiten Abschnitt hinweg bis zum Gefäßboden ausgebildet ist. Im Idealfall befindet sich das Mittel überall dort am Zentrifugenbehälter, wo dieser während des Zentrifugenlaufs über den Zentrifugenrotor hinausragt. Auf diese Weise ist die bestmögliche Reduzierung des Strömungswiderstandes des Zentrifugenbehälters realisierbar. Es ist daher weiterhin bevorzugt, dass der zweite Abschnitt derjenige Abschnitt des Zentrifugenbehälters ist, der während des Zentrifugenlaufs über den Zentrifugenrotor hinausragt und damit einen wesentlichen Teil der gesamten Luftreibung der Gesamtheit aus Zentrifugenbehältern und Zentrifugenrotor ausmacht.
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Um den Strömungswiderstand möglichst klein zu halten, ist es in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der zweite Abschnitt zumindest 10 %, bevorzugt mindestens 15 % und besonders bevorzugt zwischen 15 % und 50 % und insbesondere zwischen 15 % und 30 %, der Gesamtlänge des Grundkörpers umfasst. Besonders effizient ist die Anordnung des Mittels im Bereich des Gefäßbodens des Zentrifugenbehälters, da dieser während des Zentrifugenlaufs die höchste Geschwindigkeit erreicht. Eine weitere Reduzierung des Strömungswiderstandes ist durch die Verlängerung des Mittels in Richtung zur Öffnung des Zentrifugenbehälters realisierbar. Ein Maximum ist erreicht, wenn das erfindungsgemäße Mittel den gesamten Bereich des Zentrifugenbehälters abdeckt, der während des Zentrifugenlaufes über den Rotor hinausragt bzw. nicht vom Rotor gegenüber der Strömungsluft abgeschirmt wird.
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Der Strömungswiderstand des Zentrifugenbehälters lässt sich durch die Anbringung des erfindungsgemäßen Mittels in Rotationsrichtung am Zentrifugenbehälter bereits deutlich reduzieren. Noch geringer wird der Strömungswiderstand in der Regel, wenn Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes einander gegenüberliegend am Zentrifugenbehälter angeordnet sind - also sowohl in als auch entgegen der Rotationsrichtung. Auf diese Weise wird der Bildung von Turbulenzen während des Zentrifugenlaufs entgegengewirkt, wodurch die Wärme- und Geräuschentwicklung verringert werden kann. Zusätzlich können die Zentrifugenbehälter aufgrund der Symmetrie in zwei verschiedenen Ausrichtungen im Zentrifugenrotor gelagert werden, wobei beide Ausrichtungen denselben Effekt haben und es damit nicht auf die Auswahl einer spezifischen Ausrichtung ankommt. Die Bedienung einer Laborzentrifuge mit den Zentrifugenbehältern wird dadurch vereinfacht.
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Während eines Zentrifugenlaufs sind die Zentrifugenbehälter teilweise extremen Kräften ausgesetzt. Um ein unbeabsichtigtes Lösen des Mittels zur Reduzierung des Strömungswiderstandes zu verhindern, ist das Mittel einstückig mit dem Zentrifugenbehälter ausgebildet. Bevorzugt ist der das Mittel aufweisende Zentrifugenbehälter als Spritzgussteil ausgebildet. Die Herstellung im Spritzgussverfahren ist, gerade bei hohen Stückzahlen, vergleichsweise günstig. Als geeignete Materialien kommen Kunststoffe in Frage, vor allem solche, die bereits grundsätzlich für Zentrifugenbehälter verwendet werden. Kunststoff-Zentrifugenbehälter haben den Vorteil, dass sie besonders leicht sind. Besonders bevorzugt sind faserverstärkte Kunststoffe, die die Bruchsicherheit der Zentrifugenbehälter weiter erhöhen. Geeignete Kunststoffe sind unter anderem Polyolefine wie insbesondere Polypropylen. Zu Faserverstärkung sind beispielsweise Glasfasern oder Kohlefasern geeignet. Dieselben Materialien und das Spritzgussverfahren eignen sich auch zur Herstellung des Zentrifugenrotors, der nachstehend näher beschrieben wird. Durch die Gewichtseinsparung kann der Energieverbrauch beim Betrieb der Laborzentrifuge weiter gesenkt werden.
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Das erfindungsgemäße Set umfasst neben wenigstens einem der vorstehend beschriebenen Zentrifugenbehälter auch einen Zentrifugenrotor mit den Zentrifugenrotor vollständig durchdringenden Durchgangsöffnungen zur Aufnahme des wenigstens einen Zentrifugenbehälters. Im Bereich der Durchgangsöffnungen sind Lager für den wenigstens einen Zentrifugenbehälter angeordnet. Der wenigstens eine Zentrifugenbehälter ragt mit seinem zweiten Abschnitt zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, aus dem Zentrifugenrotor heraus, wenn der Zentrifugenbehälter im Zentrifugenrotor gelagert ist. Der erfindungsgemäße Zentrifugenrotor entspricht beispielsweise demjenigen, der in der
DE 10 2015 005 195 A1 der Anmelderin beschrieben ist. Auf den Inhalt dieser Anmeldung wird hiermit Bezug genommen. Der Zentrifugenrotor umgibt die an ihm gelagerten Zentrifugenbehälter nicht vollständig, sondern weist lediglich Lager für die Zentrifugenbehälter auf, an denen diese eingehängt bzw. gelagert werden können. Die Zentrifugenbehälter werden in Durchgangsöffnungen des Zentrifugenrotors, die diesen vollständig durchdringen, eingesteckt und ragen mit ihrem freien Ende bzw. mit ihrem Gefäßboden über den Rotor auf dessen der Aufnahmeseite gegenüberliegenden Seite (der Antriebsseite) hinaus. Dies gilt sowohl für Ausschwingbehälter in Ausschwinganwendungen als auch für Festwinkelbehälter in Festwinkelanwendungen des Zentrifugenrotors. Nur dadurch, dass die Zentrifugenbehälter nicht komplett im Rotor aufgenommen werden, kommen sie überhaupt mit ihrem freien Ende mit der Luftströmung um den Zentrifugenrotor während des Zentrifugenlaufes in Kontakt, wodurch die Notwendigkeit des erfindungsgemäßen Mittels überhaupt erst ergibt. Bei der Verwendung eines Zentrifugenbehälters in einem entsprechenden Zentrifugenrotor als Set treten die Vorteile der Erfindung also besonders hervor.
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Durch das Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes an den Zentrifugenbehältern sind diese im Vergleich zu herkömmlichen Zentrifugenbehältern insbesondere im zweiten Abschnitt breiter ausgebildet. Um die Zentrifugenbehälter am Zentrifugenrotor zu lagern, müssen diese durch die Durchgangsöffnungen des Zentrifugenrotors hindurchgeführt werden, bevor sie im Bereich der Öffnung der Zentrifugenbehälter am Zentrifugenrotor gelagert werden können. Die Durchgangsöffnungen müssen also groß genug sein, damit die Zentrifugenbehälter durch sie hindurchgeführt werden können. Wollte man die Zentrifugenbehälter in der Ausrichtung durch die Durchgangsöffnungen führen, in der sie sich dann auch während des Zentrifugenlaufes befinden, so müssten die Durchgangsöffnungen ihre größte Ausdehnung in Umfangsrichtung beziehungsweise in Rotationsrichtung des Zentrifugenrotors aufweisen. Eine derartige Dimensionierung der Durchgangsöffnungen führt allerdings dazu, dass nur vergleichsweise wenige Durchgangsöffnungen über den Umfang des Zentrifugenrotors verteilt an diesem angeordnet sein können. Eine zu hohe Zahl an derartigen Durchgangsöffnungen beließe zwischen ihnen nur noch sehr wenig Rotormaterial, wodurch die Stabilität des Zentrifugenrotors verringert würde. Im Ergebnis könnte also für einen sicheren Betrieb nur eine geringe Anzahl an Zentrifugenbehältern pro Zentrifugenlauf am Zentrifugenrotor gelagert werden, wodurch die Kapazität der Laborzentrifuge abnähme.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem zweckmäßig dadurch umgangen, dass die Durchgangsöffnungen des Zentrifugenrotors ihre größte Ausdehnung in Radialrichtung von der Rotationsachse des Zentrifugenrotors aus gesehen besitzen. Konkret entspricht die Größe der Durchgangsöffnungen in Radialrichtung zweckmäßig mindestens der größten Ausdehnung im zweiten Abschnitt des Zentrifugenbehälters quer zu dessen Längsachse. Die Zentrifugenbehälter können demnach mit ihrem Gefäßboden-Ende in die Durchgangsöffnungen eingesteckt und durch diese hindurchgeführt werden, wenn sie mit ihrer größten Breitenausdehnung im zweiten Abschnitt, der das Mittel zur Reduzierung des Strömungswiderstandes aufweist, in Radialrichtung von der Rotationsachse des Zentrifugenrotors aus gesehen gedreht werden. Die genaue Form der Durchgangsöffnungen spielt dabei eine untergeordnete Rolle, sie kann beispielsweise oval oder rechteckig sein. Wichtig zur platzsparenden Anordnung am Zentrifugenrotor ist lediglich, dass die größte Ausdehnung der Durchgangsöffnungen nicht in Umfangsrichtung beziehungsweise in Rotationsrichtung des Zentrifugenrotors, sondern in Radialrichtung von der Rotationsachse des Zentrifugenrotors aus gesehen liegt. Auf diese Weise können eine größere Zahl von Durchgangsöffnungen nebeneinander am Zentrifugenrotor vorgesehen werden, ohne dass dieser an Stabilität einbüßt. In der Folge können mehr Zentrifugenbehälter pro Zentrifugenlauf eingesetzt werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Laborzentrifuge steigt.
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Die Zentrifugenbehälter werden also nicht in derjenigen Ausrichtung durch die Durchgangsöffnungen hindurchgeführt, in der sie sich während des Zentrifugenlaufes befinden. Dies bedeutet, dass die Zentrifugenbehälter nach dem Einstecken in die Durchgangsöffnungen noch in diejenige Lage gebracht werden müssen, in der sie sich während des Zentrifugenlaufs befinden. Es ist daher bevorzugt, dass die Lager im Bereich der Durchgangsöffnungen des Zentrifugenrotors und die Zentrifugenbehälter derart ausgebildet sind, dass der in die Durchgangsöffnung eingeführte Zentrifugenbehälter nach einer Drehung um 90 ° um seine Längsachse am Zentrifugenrotor lagerbar ist. Mit anderen Worten wird der Zentrifugenbehälter zuerst so ausgerichtet, dass das erfindungsgemäße Mittel zur Rotationsachse des Rotors hin oder von dieser weg zeigt. In dieser Position wird der Zentrifugenbehälter in die Durchgangsöffnung des Zentrifugenrotors eingesteckt, bis sein Gefäßboden und bevorzugt ebenfalls das bzw. die Mittel auf der der Aufnahmeöffnung gegenüberliegenden Seite des Zentrifugenrotors aus diesem herausragen. Sodann wird der Zentrifugenbehälter um 90 ° gedreht, so dass das Mittel in Rotationsrichtung des Zentrifugenrotors ausgerichtet ist. In dieser Ausrichtung kann der Zentrifugenbehälter an einem Lager des Zentrifugenrotors eingehängt bzw. gelagert werden.
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Damit die Mittel benachbarter Zentrifugenbehälter sich, wenn sie am Zentrifugenrotor gelagert sind, nicht gegenseitig behindern, sind die Zentrifugenbehälter zweckmäßig während des Zentrifugenlaufes in an sich üblicher Weise nicht mit ihrer Längsachse parallel zur Rotationsachse des Zentrifugenrotors ausgerichtet, sondern in einem Winkel zu dieser. Dies gilt sowohl für Festwinkelals auch für Ausschwinganwendungen. Durch das Ausstellen der Zentrifugenbehälter gegenüber der Rotationsachse des Zentrifugenrotors stehen die freien Enden der Zentrifugenbehälter radial auseinander, so dass die Mittel ausreichend Platz haben und es nicht zur Berührung der Zentrifugenbehälter untereinander kommt. Noch mehr Platz kann gewonnen werden, wenn benachbarte Zentrifugenbehälter gestaffelt im Rotor gelagert sind, und zwar bevorzugt so, dass sich die Neigungswinkel voneinander unterscheiden. Die freien Enden der Zentrifugenbehälter und die Mittel befinden sich dann auf unterschiedlicher Höhe bezüglich der Rotationsachse des Zentrifugenrotors.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Es zeigen schematisch:
- 1 einen als Ausschwingbehälter konfigurierten Zentrifugenbehälter;
- 2 einen als Festwinkelbehälter konfigurierten Zentrifugenbehälter;
- 3 einen Zentrifugenrotor;
- 4 einen Zentrifugenrotor im Mischbetrieb;
- 5 einen Zentrifugenrotor im Ausschwingbetrieb;
- 6 einen Zentrifugenrotor im Festwinkelbetrieb;
- 7 eine stark vereinfachte Draufsicht auf eine Einstecköffnung des Zentrifugenrotors mit einem hindurchgeführten, noch nicht am Zentrifugenrotor gelagerten Zentrifugenbehälter; und
- 8 eine stark vereinfachte Draufsicht auf eine Einstecköffnung eines Zentrifugenrotors und einen am Zentrifugenrotor gelagerten Zentrifugenbehälter.
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Gleiche Bauteile sind in sämtlichen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Sich wiederholende Bauteile sind nicht in jeder Figur gesondert bezeichnet.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils einen Zentrifugenbehälter 2, 3. Die Zentrifugenbehälter 2, 3 umfassen jeweils einen Grundkörper 21, 31 mit einer Öffnung 20, 30 zur Aufnahme eines Probengefäßes und einem Gefäßboden 22, 32. Von der Öffnung 20, 30 bis zum Gefäßboden 22, 32 erstreckt sich der Zentrifugenbehälter 2, 3 mit seiner Gesamtlänge 202, 302. Die Gesamtlänge 202, 302 teilt sich einen ersten Abschnitt 200, 300, der auf der Seite der Öffnung 20, 30 liegt, und einen zweiten Abschnitt 201, 301, der sich vom ersten Abschnitt 200, 300 bis zum Gefäßboden 22, 32 zieht. Der zweite Abschnitt 201, 301 umfasst hier ca. ein Drittel der Gesamtlänge 202, 302 der Zentrifugenbehälter 2, 3. Die Gesamtlänge 202, 302 der Zentrifugenbehälter 2, 3 erstreckt sich parallel zur jeweiligen Längsachse 25, 35 der Zentrifugenbehälter 2, 3.
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Ein zugehöriger Zentrifugenrotor
1 ist in
3 dargestellt. Zentrifugenrotor
1 und wenigstens ein Zentrifugenbehälter
2,
3 bilden ein erfindungsgemäßes Set. Der Zentrifugenrotor
1 umfasst einen Rotorgrundkörper
10 und ist zur Rotation um die Rotationsachse
R in Rotationsrichtung r ausgebildet. Der Rotorgrundkörper
10 weist eine Aufnahmeseite
16, eine Antriebsseite
17 und eine Seitenfläche
18 auf. Mit der Antriebsseite
17 wird der Zentrifugenrotor
1 im Betrieb einer Laborzentrifuge auf einen Antriebskopf eines Zentrifugenmotors (nicht dargestellt) aufgesetzt. Zur Aufnahme der Zentrifugenbehälter
2,
3 weist der Rotorgrundkörper
10 auf der Aufnahmeseite
16 Durchgangsöffnungen
11 auf. Die Durchgangsöffnungen
11 durchdringen den Rotorgrundkörper
10 vollständig und bilden ebenfalls Öffnungen
19 in der Seitenfläche
18 und auf der Antriebsseite
17 des Rotorgrundkörpers
10. Aus den Öffnungen
19 stehen die Zentrifugenbehälter
2,
3 während des Zentrifugenlaufes aus dem Zentrifugenrotor
1 hervor, wie nachstehend beschrieben. Weitere Details des Zentrifugenrotors sind in der
DE 10 2015 005 195 A1 beschrieben, auf die hier nochmals Bezug genommen wird.
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Die Zentrifugenbehälter 2, 3 werden von der Aufnahmeseite her in Einstecköffnungen 110 der Durchgangsöffnungen 11 eingeführt und dann am Zentrifugenrotor 1 gelagert. Dafür sind am Zentrifugenrotor 1 bzw. am Rotorgrundkörper 10 Lager in Form von Drehlagern 12 und Festlagern 13 vorgesehen. Der Zentrifugenbehälter 2 aus 1 ist als Ausschwingbehälter ausgebildet. Er weist Zapfen 23 auf, mit denen er im Drehlager 12 des Rotorgrundkörpers 10 gelagert werden kann. In einem Set 4, umfassend einen Zentrifugenrotor 1 und zumindest einen Zentrifugenbehälter 2, 3, wie in den 4 und 5 dargestellt, bilden das Drehlager 12 und die Zapfen 23 zusammen ein Drehgelenk 40, das ein Ausschwingen des Zentrifugenbehälters 2 während des Zentrifugenlaufes in eine Ausschwingposition ermöglicht. In der Ausschwingposition befindet sich die Längsachse 25 des Zentrifugenbehälters 2 in einem Winkel α zu einer Parallelen P zur Rotationsache R des Zentrifugenrotors 1. Der Ausschwingwinkel α beträgt hier knapp 90 °, beispielsweise zwischen 85 und 89 °.
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Der Zentrifugenbehälter 3 gemäß 2 ist als Festwinkelbehälter ausgebildet. Er weist Zapfen 33 auf, die dazu ausgebildet sind, das Drehlager 12 des Zentrifugenrotors 1 auszufüllen. Darüber hinaus weist der Zentrifugenbehälter 3 einen Kragen 36 auf, der komplementär zum Festlager 13 ausgebildet ist und an diesem angelegt werden kann. Der Kragen 36 verhindert ein Ausschwingen des Zentrifugenbehälters 3 während eines Zentrifugenlaufs und gibt einen festen Winkel β vor, den der Zentrifugenbehälter 3 mit seiner Längsachse 35 gegenüber einen Parallelen P zur Rotationsachse R des Zentrifugenrotors 1 einschließt. Dieser Festwinkel β ändert sich während des Zentrifugenlaufes nicht, sondern bleibt konstant. Der Winkel β beträgt vorzugsweise maximal 60 ° und insbesondere zwischen 25 und 50 °. Der Kragen 36 des Zentrifugenbehälters 3 kann alternativ ebenfalls als abnehmbarer Adapter 37 ausgeführt sein, durch den ein Zentrifugenbehälter 2 in Ausschwingbauweise in einen Zentrifugenbehälter 3 in Festwinkelbauweise umgewandelt werden kann.
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Die erfindungsgemäßen Mittel 24, 34 zur Reduzierung des Strömungswiderstandes sind im zweiten Abschnitt 201, 301 der Zentrifugenbehälter 2, 3 angeordnet. In den gezeigten Ausführungsbeispielen der 1 und 2 sind die Mittel 24, 34 über den gesamten zweiten Abschnitt 201, 301 hinweg bis zum Gefäßboden 22, 32 ausgebildet und weisen die Form von Finnen auf. Es handelt sich um Vorsprünge an den Zentrifugenbehältern 2, 3, die in Radialrichtung von der Längsachse 25, 35 der Zentrifugenbehälter 2, 3 weg schmaler werden. Damit bilden die Mittel 24, 34 einen Keil, an dessen Seitenflächen die Luftströmung geteilt und an den Zentrifugenbehältern 2, 3 vorbeigeführt wird. Durch diese Teilung der Luftströmung wird der Strömungswiderstand bzw. die Luftreibung der Zentrifugenbehälter 2, 3 während des Zentrifugenlaufes deutlich reduziert. Die Finnen sind massiv und einstückig mit den Zentrifugenbehältern 2, 3 ausgebildet. Bevorzugt erfolgt die Herstellung des finnenbewehrten Zentrifugenbehälters durch Spritzgießen, beispielsweise aus faserverstärktem Polypropylen. Die Zentrifugenbehälter 2, 3 weisen einen herkömmlichen zylindrischen Innenraum auf, in dem konventionelle Probengefäße gelagert werden können.
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Wie aus den 4, 5 und 6 hervorgeht, sind an den Zentrifugenbehältern 2, 3 jeweils zwei gegenüberliegende Mittel 24, 34 in und entgegen der Rotationsrichtung r ausgebildet. Diese Mittel 24, 34 springen im Vergleich zum ersten Abschnitt 200, 300 seitlich über den Grundkörper 21, 31 des Zentrifugenbehälters 2, 3 vor, sodass dieser - abgesehen von den Lagerungen 23, 33, 36 im öffnungsseitigen Bereich - im zweiten Abschnitt die größte Ausdehnung quer zur Längsachse 25, 35 hat. Die Lagerungen müssen jedoch - im Unterschied zu den Mittel 24, 34 - nicht durch die Öffnungen 11 im Rotor hindurchgeführt werden. Würde man nun die Durchgangsöffnungen 11 im Rotor in Umfangsrichtung so groß machen, dass man die Zentrifugenbehälter 2, 3 mit in Rotationsrichtung r ausgerichteten Mitteln 24, 34 durch die hindurchstecken könnte, müsste man zum einen die Breite der Öffnungen 11 in Umfangsrichtung vergrößern und zum anderen die Lagerungen 23, 33, 36 seitlich verbreitern. Dies hätte zur Folge, dass weniger Durchgangsöffnungen 11 und damit weniger Zentrifugenbehälter im Rotor Platz fänden und/oder bei zu enger Anordnung der Öffnungen 11 nebeneinander der Rotor geschwächt würde, was wiederum das Bruchrisiko steigern würde. Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die größte Ausdehnung der Durchgangsöffnungen 11 des Zentrifugenrotors 1, also diejenige Ausdehnung, die notwendig ist, um die Mittel 24, 34 hindurchführen zu können, von der Rotationsachse R des Zentrifugenrotors 1 aus gesehen in Radialrichtung liegt. Damit kann die Breite der Durchgangsöffnungen 11 in Umfangsrichtung des Rotors so bleiben wie für Zentrifugenbehälter, die die Mittel 24, 34 nicht aufweisen. Es gibt also weder Kapazitäts- noch Sicherheitseinbußen am Rotor selbst noch müssen die Lagerungen der Zentrifugenbehälter vergrößert werden, was im Hinblick auf deren Handhabung und Kosten nachteilig wäre.
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Für die Zentrifugenbehälter 2, 3 mit den Mitteln 24, 34 bedeutet dies, dass sie in einer anderen Orientierung durch die Durchgangsöffnungen 11 geführt werden als derjenigen, in der sie sich während des Zentrifugenlaufes befinden. Konkret müssen die Zentrifugenbehälter 2, 3 nach dem Durchführen des finnenbewehrten zweiten Abschnitts durch die Durchgangsöffnungen 11 gedreht werden, bevor sie am Rotor gelagert werden. Dieser Vorgang ist schematisch in den 7 und 8 dargestellt. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine Einstecköffnung 110, in die gerade das gefäßbodenseitige Ende eines Zentrifugenbehälters 2, 3 eingesteckt wird. Der Zentrifugenbehälter ist lediglich durch einen Strich wiedergegeben, der die Breite seines freien, von den Lagerungen 23, 33, 36 abgewandten Endes repräsentiert. Die Strichlänge entspricht also der Breite im Bereich des zweiten Abschnitts des Zentrifugenbehälters, der die Finnen 24, 34 aufweist. Der Punkt 25, 35 verdeutlicht die Längsachse des Zentrifugenbehälters. Um den Zentrifugenbehälter in die Einstecköffnung 110 einführen zu können, wird er zunächst so gedreht, dass seine größte Breitenausdehnung an seinem gefäßbodenseitigen Ende in Radialrichtung von der Rotationsachse R des Zentrifugenrotors 1 aus gesehen liegt. In dieser Ausrichtung wird der Zentrifugenbehälter 2, 3 so weit in die Durchgangsöffnung 11 eingesteckt, bis der zweite Abschnitt 201, 301 des Zentrifugenbehälters 2, 3 komplett auf der Antriebsseite 17 den Zentrifugenrotors 1 über den Rotorgrundkörper 10 hinausragt. Dann wird der Zentrifugenbehälter 2, 3, wie in 8 dargestellt, um 90 ° um seine Längsachse 25, 35 gedreht. Damit sind die Mittel 24, 34 in Rotationsrichtung r ausgerichtet. In dieser Ausrichtung stehen die Mittel 24, 34 seitlich über den Umfang der Einstecköffnung 11 über, was in 8 durch die gepunkteten Striche angedeutet wird. In dieser Position sind auch die Zapfen 23 zum Drehlager 12 bzw. die Zapfen 33 und der Kragen 36 zum Festlager 13 des Zentrifugenrotors 1 ausgerichtet, sodass der Zentrifugenbehälter am Rotor gelagert werden kann. Das Entnehmen eines Zentrifugenbehälters 2, 3 nach einem Zentrifugenlauf erfolgt genauso wie der Einhängevorgang, nur in umgekehrter Reihenfolge.
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Die Erfindung vereint in vorteilhafter Weise eine Reduzierung des Strömungswiderstandes der Zentrifugenbehälter 2, 3 mit einer platzsparenden Ausbildung des Zentrifugenrotors 1, ohne dadurch Betriebssicherheit und Kapazität zu verringern, Herstellungs- und Betriebskosten zu erhöhen oder die Handhabung zu verschlechtern.
