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Die Erfindung betrifft eine Zentrifuge, insbesondere eine Laborzentrifuge. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen des Innenraums einer Rotorkammer dieser Zentrifuge, insbesondere Laborzentrifuge.
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Zentrifugen und insbesondere Laborzentrifugen umfassen üblicherweise einen Rotor, der im Innenraum einer Rotorkammer rotierbar gelagert und zur Aufnahme von Probengefäßen ausgebildet ist, wobei die Proben durch die während der Rotation des Rotors auf sie wirkende Zentrifugalkraft in verschiedene Fraktionen getrennt werden. Hierfür weisen die Zentrifugen einen Antriebsmotor auf, um den Rotor in Rotation zu versetzen. Die Rotoren werden abhängig von der Art der Lagerung und Zentrifugation der Proben in unterschiedliche Klassen eingeteilt, nämlich in Ausschwingrotoren und Festwinkelrotoren. In letzteren sind die Proben mit einem unveränderlichen Winkel zur Rotationsachse im Rotor angeordnet. Bei Ausschwingrotoren ändert sich der Winkel der Proben zur Rotationsachse während des Zentrifugationsvorgangs dadurch, dass der Zentrifugenbecher, in dem die Proben angeordnet sind, von einer Ruheposition, in welcher der Zentrifugenbecher in Richtung der Schwerkraft nach unten hängt, während der Rotation nach außen ausschwenkt. Derartige Zentrifugen werden in Laboratorien zur Auftrennung von Stoffgemischen in ihre Bestandteile unter Einsatz der Zentrifugalkraft verwendet. In vielen Anwendungsfällen handelt es sich bei den Stoffgemischen um biologische oder mikrobiologische Proben. Ein Beispiel sind Zellsuspensionen, die beispielsweise aus Gärbehältern, Bioreaktoren oder ähnlichen Behältnissen stammen und durch Zentrifugation in ihre Bestandteile aufgeteilt werden sollen. Vor dem Zentrifugieren muss die Zellsuspension aus dem Behältnis in geeignete Probenbehälter umgefüllt werden, in denen sie zentrifugiert werden kann. Gattungsgemäße Zentrifugen werden allerdings auch vielfach in anderen Bereichen, beispielsweise der Chemie, der Lebensmitteltechnik und der Mineralölindustrie eingesetzt. Da viele der eingesetzten Proben nicht über bestimmte Temperaturen hinaus erwärmt werden dürfen, ist es üblich, dass die Zentrifugen eine Kühleinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Wärme über ein Kühlmittel aus dem Innenraum der Rotorkammer abzuführen. Eine typische Betriebstemperatur ist beispielsweise 4 °C. Da durch die Luftreibung bei der Rotation des Rotors kontinuierlich Wärme entsteht, muss die Rotorkammer auch durchgehend gekühlt werden.
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Gattungsgemäße Zentrifugen sind beispielsweise aus der
DE 10 2012 021 986 B4 und der
DE 10 2019 004 958 A1 der Anmelderin bekannt. Problematisch an den bekannten Zentrifugen ist, dass aktuelle Kühleinrichtungen, oftmals Kompressorkühlungen, umweltschädliche oder brennbare Kühlmittel benötigen. Auf der einen Seite steigen die gesetzlichen Anforderungen an die Umweltfreundlichkeit der verwendeten Kühlmittel stetig. Aus der
DE 10 2014 107 294 A1 ist daher bereits eine Zentrifuge mit magnetokalorischer Kühlung bekannt. Darüber hinaus ist die Sicherheit bei Zentrifugen ein wichtiges Kriterium, da auch zum Beispiel bei einem Bersten des Rotors oder anderen Defekten Gefahren für Bediener und Umstehende vermieden werden müssen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, eine Zentrifuge und ein Verfahren zum Kühlen einer Zentrifuge anzugeben, bei denen sowohl die Umweltfreundlichkeit erhöht als auch die Sicherheit verbessert ist. Gleichzeitig muss eine ausreichende Kühlung der Proben während des Zentrifugierens sichergestellt werden. Schlussendlich sollen die Herstellungs- und Betriebskosten der Zentrifuge möglichst gering gehalten werden.
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Die Lösung gelingt mit einer Zentrifuge und einem Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Konkret gelingt die Lösung bei einer eingangs erwähnten gattungsgemäßen Zentrifuge, insbesondere Laborzentrifuge, dadurch, dass die Kühleinrichtung zur Nutzung des elastokalorischen Effekts ausgebildet ist. Sie weist wenigstens eine Kühleinheit auf, die ein zwischen einem Gegenblock und einem Stempel angeordnetes elastokalorisches Material umfasst. Der Stempel ist dazu ausgebildet, das elastokalorische Material periodisch mit einer Kraft zu beaufschlagen und das elastokalorische Material sich danach wieder entspannen zu lassen. Dies gelingt beispielsweise, indem der Stempel selbst von einem Antrieb mit einer Kraft beaufschlagt wird und diese auf das elastokalorische Material überträgt. Darüber hinaus ist die Kühleinrichtung dazu ausgebildet, sowohl Wärme vom elastokalorischen Material auf das Kühlmittel zu übertragen als auch vom Kühlmittel auf das elastokalorische Material.
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Der elastokalorische Effekt beschreibt das Phänomen, dass verschiedene Materialien, typischerweise Metalllegierungen, aber beispielsweise auch Gummi, unter Zugspannung oder unter Druck ihre Wärmekapazität reversibel ändern. Dies macht sich in einer Temperaturänderung des elastokalorischen Materials bemerkbar. Beispielsweise erhitzen sich elastokalorische Materialien, wenn ein ausreichend hoher Druck auf sie ausgeübt wird. Wird die überschüssige Wärme dann von den elastokalorischen Materialien abtransportiert, so sinkt die Temperatur des elastokalorischen Materials bei einer Entspannung unter die Ausgangstemperatur. Die entsprechenden Effekte treten bei periodischer Wiederholung immer wieder auf. Auf diese Weise kann der elastokalorische Effekt zur Kühlung eingesetzt werden. Der elastokalorische Effekt an sich ist bekannt und beispielsweise in der US 2012 / 0 273 158 A1 beschrieben. Kreisprozessbasierte Systeme zu seiner Nutzung sind beispielsweise in der
DE 10 2016 100 596 A1 sowie in der Veröffentlichung „Elastokalorische Systeme - Effiziente Kühlsysteme ohne schädliche Kältemittel“ des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM, August 2019, offenbart.
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Die wenigstens eine Kühleinheit der Kühleinrichtung umfasst das elastokalorische Material und die Mittel, die notwendig sind, um das elastokalorische Material periodisch mit einer Kraft zu beaufschlagen. Konkret ist das elastokalorische Material in einem Raum zwischen dem Gegenblock und dem Stempel angeordnet. Der Stempel wird von einem Antriebsmotor mit einer Kraft beaufschlagt, die auf das elastokalorische Material übertragen wird. Der Gegenblock wiederum ist ortsfest in der Kühleinrichtung angeordnet und dient als Widerlager. Sowohl der Stempel als auch der Gegenblock sind bevorzugt in direktem Kontakt mit dem elastokalorischen Material. Darüber hinaus weist die Kühleinheit Anschlüsse auf, über die ein Kühlmittel mit Elementen der Kühleinheit in Kontakt bringbar ist, beispielsweise mit dem elastokalorischen Material und/oder dem Gegenblock.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung sowohl Wärme vom elastokalorischen Material auf das Kühlmittel überträgt als auch vom Kühlmittel auf das elastokalorische Material. Das Kühlmittel nimmt also insbesondere mehrfach Wärme auf, einmal aus dem Innenraum der Rotorkammer der Zentrifuge, und wenigstens einmal die bei der Beaufschlagung des elastokalorischen Materials mit einer Kraft freiwerdende Wärme. Das entsprechend aufgeheizte Kühlmittel wird dann zu einem Kühler transportiert, der typischerweise mit einem Ventilator ausgestattet ist und der dazu ausgebildet ist, Wärme vom Kühlmittel auf die Umgebungsluft zu übertragen. Im Kühler wird das Kühlmittel daher abgekühlt und dann zurück zur Kühleinheit transportiert. Das Kühlmittel gibt weitere Wärme an das durch die Entspannung abgekühlte elastokalorische Material ab und wird dadurch noch kälter. Dieses abgekühlte Kühlmittel wiederum wird zur Rotorkammer der Zentrifuge transportiert, um dort erneut Wärme aus dem Innenraum aufzunehmen. Es ergibt sich ein Nettotransport von Wärme aus dem Innenraum der Rotorkammer der Zentrifuge in die Umgebungsluft. Das Aufheizen des Kühlmittels durch das elastokalorische Material dient dazu, das von der Rotorkammer kommende Kühlmittel, welches sich zum Beispiel im Bereich von 4 °C befindet, über die Umgebungstemperatur aufheizen zu können, die beispielsweise 21 °C beträgt. Allein hierdurch wird es überhaupt möglich, Wärme vom Kühlmittel auf die Umgebungsluft zu übertragen.
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Insgesamt ist die Kühleinrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, Wärme von der Rotorkammer der Zentrifuge zu einem mit einem Lüfter ausgestatteten Kühler zu transportieren, der ausgebildet ist, zumindest einen Teil der Wärme in die Umgebungsluft abzugeben. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung zwei Kühlmittelkreisläufe aufweist, wobei die Kühleinheit über Ventile jeweils einem der beiden Kühlmittelkreisläufe zuschaltbar ist. Das Kühlmittel der beiden Kühlmittelkreisläufe ist daher nicht strikt voneinander getrennt, sondern es besteht ein gewisser Austausch über die Kühleinheit. Bevorzugt handelt es sich bei dem Kühlmittel der beiden Kühlmittelkreisläufe daher um das gleiche Kühlmittel. Beispielsweise umfasst die Kühleinrichtung einen ersten Kühlmittelkreislauf zwischen der Rotorkammer, die typischerweise mit Kühlmittelleitungen umwunden ist, und der Kühleinheit. Dieser erste Kühlmittelkreislauf ist dazu ausgebildet, an der Rotorkammer Wärme aufzunehmen und diese dadurch zu kühlen, die Wärme dann zur Kühleinheit zu transportieren und an diese abzugeben. Mit anderen Worten wird das Kühlmittel an der Kühleinheit gekühlt und dann gekühlt zurück zur Rotorkammer transportiert. Darüber hinaus umfasst die Kühleinrichtung beispielsweise einen zweiten Kühlmittelkreislauf zwischen der Kühleinheit und einem Kühler. Der Kühler ist beispielsweise als Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet und mit einem Lüfter ausgestattet, der für einen Luftstrom um den Kühler sorgt. Dieser zweite Kühlmittelkreislauf ist dazu ausgebildet, Wärme von der Kühleinheit aufzunehmen und zum Kühler zu transportieren, wo die Wärme zumindest teilweise auf die Umgebungsluft übertragen wird. Mit anderen Worten wird das Kühlmittel am Kühler gekühlt und dann zurück zur Kühleinheit geleitet. Die Kühleinheit wird über zwei Ventile, beispielsweise zwei 2-Wege-Ventile jeweils dem ersten oder dem zweiten Kühlmittelkreislauf zugeschaltet. Bevorzugt wird die Kühleinheit in der Phase, in der das elastokalorische Material mit einer Kraft beaufschlagt wird - und dadurch Wärme frei wird -, dem zweiten Kühlmittelkreislauf zugeschaltet, so dass die freiwerdende Wärme vom Kühlmittel zum Kühler transportiert wird. Im Gegenzug ist es bevorzugt, dass die Kühleinheit in der Phase, in der sich das elastokalorische Material entspannt - und sich dabei abkühlt -, dem ersten Kühlmittelkreislauf zugeschaltet wird, so dass das elastokalorische Material Wärme vom von der Rotorkammer kommenden Kühlmittel aufnimmt und dieses kühlt. Die beiden Kühlmittelkreisläufe können derart ausgebildet sein, dass das Kühlmittel in derselben Richtung durch die Kühleinheit strömt, egal welchem Kühlmittelkreislauf die Kühleinheit zugeschaltet ist. Alternativ kann es ebenfalls vorgesehen sein, dass das Kühlmittel die Kühleinheit in den beiden Kühlmittelkreisläufen jeweils in entgegengesetzter Richtung durchströmt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine Pumpe vorgesehen, die das Kühlmittel in beiden Kühlmittelkreisläufen fördert. Beispielsweise ist jeweils eine Pumpe pro Kühlmittelkreislauf, also insgesamt zwei Pumpen, vorgesehen. Jeweils eine Pumpe fördert das Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufes. Insbesondere sind die Pumpen mit den Schaltungsintervallen der Ventile synchronisiert, die die Kühleinheit den Kühlmittelkreisläufen zuschalten. Da jeweils zu einem gegebenen Zeitpunkt immer nur Kühlmittel aus einem der beiden Kühlmittelkreisläufe durch die Kühleinheit strömt, reicht es aus, dass zu diesem Zeitpunkt auch nur die Pumpe des jeweiligen Kühlmittelkreislaufes betrieben wird, dem die Kühleinheit zugeschaltet ist. Der Vorteil der Verwendung von zwei Pumpen liegt darin, dass die von beiden Kühlmittelkreisläufen geteilte Strömungsstrecke sich im Wesentlichen auf die Kühleinheit beschränkt und dadurch eine besonders geringe Vermischung des kalten Kühlmittels auf der Seite der Rotorkammer mit dem warmen Kühlmittel auf der Seite des Kühlers eintritt. In einer alternativen Ausführungsform ist nur eine einzige Pumpe für beide Kühlmittelkreisläufe vorhanden. Die Pumpe ist beispielsweise direkt stromaufwärts oder stromabwärts von der Kühleinheit angeordnet und wird ebenfalls, zusammen mit der wenigstens einen Kühleinheit, von den Ventilen jeweils dem einen oder dem anderen Kühlmittelkreislauf zugeschaltet. Dadurch kann die Pumpe kontinuierlich betrieben werden. Das in der Pumpe vorhandene Volumen des Kühlmittels senkt zwar durch eine Vermischung des Kühlmittels der beiden Kühlmittelkreisläufe die Kühlleistung, je nach Anwendungsfall kann dies allerdings durch die Einsparung einer weiteren Pumpe und deren Betriebskosten dennoch vorteilhaft sein.
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Neben den Ausführungsformen, in denen die Kühlmittelkreisläufe über Pumpen umgewälzt werden, umfasst die Erfindung ebenfalls bevorzugte Ausführungsformen, die völlig ohne Pumpen auskommen. Beispielsweise ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass jeder der beiden Kühlmittelkreisläufe ein Wärmerohr umfasst und der Transport des Kühlmittels in den Kühlmittelkreisläufen ausschließlich passiv erfolgt. Die Wärmerohre können jeweils beispielsweise als Heatpipe oder als Zwei-Phasen-Thermosiphon ausgebildet sein. Wärmerohre sind Wärmeüberträger mit besonders hoher Wärmestromdichte, beispielsweise Metallrohre, in deren Inneren ein Kühlmittel vorhanden ist. Das Wärmerohr kann an einer Seite Wärme aufnehmen, beispielsweise an der Rotorkammer, wodurch das Kühlmittel verdampft. Das gasförmige Kühlmittel verteilt sich gleichmäßig im Wärmerohr und kondensiert an einer Seite, an der Wärme abgegeben wird, beispielsweise an die Kühleinheit. Das flüssige Kühlmittel wird innerhalb des Wärmerohres zur Verdampferseite zurücktransportiert, und zwar rein passiv, beispielsweise über Kapillarkräfte oder die Schwerkraft. So entsteht innerhalb des Wärmerohres ein Kühlmittelkreislauf, der allein durch die Aufnahme und die Abgabe von Wärme durch das Kühlmittel angetrieben wird und keine separate Pumpe benötigt. Die beiden Kühlmittelkreisläufe können daher beispielsweise jeweils als ein Wärmerohr realisiert sein, wobei ein Wärmerohr Wärme von der Rotorkammer zur Kühleinheit und das andere Wärmerohr Wärme von der Kühleinheit zum Kühler transportiert. Der Anschluss der Wärmerohre an die Kühleinheit kann beispielsweise wieder über ein Ventil, beispielsweise ein 2-Wege-Ventil, erfolgen. Dieses Ventil wird wieder derart mit den Phasen der Beaufschlagung des elastokalorischen Materials mit einer Kraft synchronisiert, so dass dieses von der Rotorkammer kommende Wärme aufnimmt und Wärme in Richtung des Kühlers abgibt. Alternativ kann die Kühleinheit beispielsweise derart in Zusammenspiel mit den Wärmerohren ausgebildet sein, dass das Kühlmittel des Wärmerohres, welches Wärme zum Kühler transportiert, mit dem Innenraum der Kühleinheit in Kontakt steht, während das Kühlmittel desjenigen Wärmerohres, welches Wärme von der Rotorkammer zur Kühleinheit transportiert, mit dem Gegenblock der Kühleinheit in thermischem Kontakt steht. Die beiden Kühlmittelräume der Wärmerohre sind also voneinander getrennt. Die Kühleinheit bildet mit ihrem Innenraum, in dem sich das elastokalorische Material befindet, beispielsweise das Ende des vom Kühler kommenden Wärmerohres. Der Gegenblock ist entweder in Kontakt mit dem Ende des von der Rotorkammer kommenden Wärmerohres oder bildet dieses Ende. Im Betrieb wird das Kühlmittel des von der Rotorkammer kommenden Wärmerohres daher am Gegenblock oder in der Nähe des Gegenblocks kondensiert, während das Kühlmittel des vom Kühler kommenden Wärmerohres direkt am elastokalorischen Material erhitzt, vorzugsweise verdampft, wird. Auf diese Weise wird Wärme von der Rotorkammer zum Kühler transportiert. Eine weitere Alternative besteht darin, einen weiteren, separaten Kühlmittelkreislauf zwischen den Wärmerohren anzuordnen, der Wärme über die Kühleinheit von einem Wärmerohr auf das andere überträgt. Ebenso wäre es möglich, eine Transporteinrichtung vorzusehen, die die Kühleinheit während der Beaufschlagung mit einer Kraft, also während das elastokalorische Material sich erhitzt, in Kontakt mit dem vom Kühler kommenden Wärmerohr bringt, während sie die Kühleinheit während der Entspannungsphase, also während das elastokalorische Material sich abkühlt, in Kontakt mit dem von der Rotorkammer kommenden Wärmerohr bringt. Die Transporteinrichtung bewegt die Kühleinheit also zwischen einer wärmeaufnehmenden Position in Kontakt mit dem von der Rotorkammer kommenden Wärmerohr und einer wärmeabgebenden Position in Kontakt mit dem vom Kühler kommenden Wärmerohr. Auch auf diese Weise wird Wärme von der Rotorkammer zum Kühler transportiert.
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Die Kühleinrichtung der Erfindung kann durch eine Reihe von verschiedenen Merkmalen vorteilhaft weitergebildet werden. Um beispielsweise einen ausreichenden Temperaturhub zu realisieren, sodass der Innenraum der Rotorkammer effizient gekühlt werden kann, ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Kühleinrichtung mehrere in Reihe geschaltete Kühleinheiten aufweist. Auf diese Weise wird die Menge des verwendeten elastokalorischen Materials gesteigert, ohne die auf den Stempel aufzubringende Kraft in nicht mehr realisierbare Höhen zu treiben.
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Grundsätzlich kann die Kühleinrichtung sowohl derart betrieben werden, dass das elastokalorische Material über die aufgebrachte Kraft unter Zugspannung belastet wird. Es hat sich allerdings gezeigt, dass die elastokalorischen Materialien periodisch mit einer Zugspannung beaufschlagt eine deutlich geringere Lebensdauer aufweisen, als wenn diese periodisch mit einem Druck beaufschlagt werden. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass der Gegenblock und der Stempel dazu ausgebildet sind, das elastokalorische Material periodisch mit einem Druck zu beaufschlagen.
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Das elastokalorische Material kann grundsätzlich in verschiedenen Formen eingesetzt werden, beispielsweise als auf Trägermaterialien aufgebrachte Folien oder Filme. Bevorzugt ist allerdings, dass das elastokalorische Material stabförmig ausgebildet ist, beispielsweise als runde oder eckige Stäbe. Insbesondere es bevorzugt, dass die Kühleinrichtung mehrere Elemente mit elastokalorischem Material, beispielsweise mehrere derartige Stäbe, umfasst. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Stäbe aus elastokalorischem Material entlang ihrer Längserstreckungsachse mit einer Kraft, beispielsweise mit einem Druck, beaufschlagt werden.
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Grundsätzlich kann die Kühleinrichtung derart ausgebildet sein, dass das verwendete Kühlmittel beispielsweise immer flüssig ist. Besonders bevorzugt ist es allerdings, wenn die Kühleinrichtung dazu ausgebildet ist, die latente Wärme des Kühlmittels zu nutzen. Hierunter wird die Nutzung der Umwandlungsenthalpie verstanden, also beispielsweise die Aufnahme von Wärme bei der Verdampfung und deren Abgabe bei der Kondensation des Kühlmittels. Dies wird ebenfalls bei den vorstehend bereits beschriebenen Wärmerohren genutzt. Besonders bevorzugt ist es nun, dass die Kühleinrichtung derart ausgebildet ist, dass es in den Kühleinheiten zumindest zu einem Verdampfen des Kühlmittels kommt, so dass das Kühlmittel Wärme aufnimmt und diese Aufnahme zu einem Phasenübergang führt. Darüber hinaus ist bevorzugt, dass das Kühlmittel innerhalb des Kühlers kondensiert und hierbei Wärme an den Kühler abgibt, die zumindest teilweise auf die Umgebungsluft übertragen wird. Durch die Nutzung der latenten Wärme des Kühlmittels wird ein erheblich effizienterer Wärmetransport erreicht.
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Die Effizienz des Wärmetransports wird bevorzugt auch dadurch gesteigert, dass das Kühlmittel in direktem Kontakt mit dem Gegenblock und/oder dem elastokalorischen Material ist. Da der Gegenblock das elastokalorische Material unmittelbar kontaktiert, ist der Gegenblock bevorzugt ebenfalls aus einem wärmeleitenden Material, beispielsweise einem Metall, gefertigt, sodass der Gegenblock beispielsweise vom sich entspannenden elastokalorischen Material gekühlt wird. Beispielsweise wird die bei der Kraftbeaufschlagung freiwerdende Wärme am elastokalorischen Material auf ein Kühlmittel übertragen und von diesem abtransportiert. Das sich entspannende elastokalorische Material kühlt ab und kühlt dabei ebenfalls den Gegenblock. Auf diese Weise kann der gekühlte Gegenblock dann zur Kühlung des Kühlmittels mit diesem in Kontakt treten.
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Das Kühlmittel selbst ist bevorzugt umweltverträglich und/oder nicht brennbar und/oder nicht explosiv. Insbesondere handelt es sich um ein wässriges Kühlmittel, und vorteilhaft umfasst das Kühlmittel Wasser und/oder Ethanol. Das Kühlmittel beziehungsweise dessen Zusammensetzung wird beispielsweise derart ausgewählt, dass dessen latente Wärme im in der Kühleinrichtung vorhandenen Temperaturbereich nutzbar ist. Die Verwendung nicht brennbarer, nicht explosiver und insbesondere wässriger Kühlmittel hat den Vorteil, dass von ihnen selbst dann keine Gefahr ausgeht, wenn der Rotor in einem Crash zerbricht und herumfliegende Rotorbruchstücke Teile des Kühlmittelkreislaufs zerstören und so Kühlmittel austritt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der grundsätzliche Aufbau bekannter Zentrifugen, beispielsweise solcher mit Kompressorkühlung, zur Anwendung der Erfindung nur unwesentlich geändert werden muss. Rotorkammer und sie umgebende Kühlrohre sowie gegebenenfalls ein die Rotorkammer einschließender Panzerring können praktisch unverändert in die erfindungsgemäße Zentrifuge übernommen werden. Da die elastokalorische Kühleinheit gegenüber einer Kompressorkühleinheit einen eher geringen Platzbedarf besitzt, kann sie ohne weiteres an deren Stelle in herkömmliche Zentrifugengehäuse eingebaut werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung einen Antriebsmotor umfasst, der dazu ausgebildet ist, den Stempel periodisch mit der Kraft zu beaufschlagen. Hierbei kann es sich um einen separaten Antriebsmotor handeln, der ausschließlich zu diesem Zweck verwendet wird. Es ist eine Vielzahl von Linearaktuatoren verfügbar, die in der Erfindung eingesetzt werden können. Hierzu gehören beispielsweise elektromagnetische Linearantriebe, spindelmechanische Linearantriebe, Hydraulikaggregate, Piezoaktuatoren, Pneumatikaggregate und Hubmagneten. All diese Antriebe sind grundsätzlich geeignet, eine ausreichende Kraft auf den Stempel aufzubringen. je nach der tatsächlich aufzubringenden Kraft, die sehr stark von der verwendeten Menge des elastokalorischen Materials pro Kühleinheit abhängt, kann ein geeigneter Antriebsmotor ausgewählt werden. Auch möglich und vorliegend sogar bevorzugt ist ein rotierender Antrieb, beispielsweise über einen Exzenter oder einen Kolben, wie nachstehend noch näher erläutert wird.
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Grundsätzlich kann die Erfindung mit einer Vielzahl von verschiedenen elastokalorischen Materialien umgesetzt werden. Wichtig ist hierbei, dass zum einen sowohl ein ausreichender Temperaturhub zur Kühlung des Innenraums der Rotorkammer realisierbar ist, und dass zum anderen die Standzeit des Materials bei periodischer Belastung ausreichend hoch ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem elastokalorischen Material um eine Metalllegierung, insbesondere eine Formgedächtnislegierung. Insbesondere kommen hierfür die folgenden Legierungen infrage: Nickel-Titan-Legierung (NiTi), Nickel-Titan-Kupfer-Legierung (NiTiCu), Nickel-Eisen-Gallium-Legierung (Ni2FeGa), Kuper-Zink-Aluminium-Legierung (CuZnAl), Nickel-Titan-Hafnium-Legierung (NiTiHf), Kupfer-Aluminium-Nickel-Legierung (CuAINi), Kupfer-Aluminium-Beryllium-Legierung (CuAlBe), Titan-Nickel-Eisen-Legierung (TiNiFe), Titan-Nickel-Kupfer-Cobalt-Legierung (TiNiCuCo). Es ist daher bevorzugt, dass das elastokalorische Material wenigstens eines dieser Materialien umfasst. Besonders bevorzugt ist eine Nickel-Titan-Legierung mit 54,5 bis 57 Gewichtsprozent Nickel, maximal 0,05 Gewichtsprozent Sauerstoff und Stickstoff sowie maximal 0,02 Gewichtsprozent Kohlenstoff und dem Rest Titan (Nitinol).
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Die Erfindung sieht vor, dass die Kühleinrichtung eine Kühlgruppe umfasst, die mehrere in Reihe geschaltete Kühleinheiten aufweist, wobei die Kühleinheiten derart angeordnet und ausgebildet sind, dass ihre Stempel nacheinander von einem rotierenden Exzenter mit einer Kraft beaufschlagbar sind. Es werden also mehrere in Reihe geschaltete Kühleinheiten zu einer Kühlgruppe zusammengefasst. Sämtliche Kühleinheiten der Kühlgruppe werden von einem einzigen Antriebsmotor angetrieben, der die Stempel der Kühleinheiten der Kühlgruppe nacheinander mit einer Kraft beaufschlagt. Hierfür ist insbesondere vorgesehen, dass der Antriebsmotor einen Exzenter in Rotation versetzt und der Exzenter jeweils während der Rotation nacheinander auf die Stempel der Kühleinheiten drückt. Hierfür ist der Exzenter bevorzugt in der Mitte der Kühleinheiten angeordnet, die insbesondere kreisförmig um den Exzenter angeordnet sind, wobei jeweils der Stempel der Kühleinheit zum Exzenter hin ausgerichtet ist. Das Kühlmittel durchströmt die Kühleinheiten ebenfalls kreisförmig, bevorzugt mit einer Strömungsrichtung, die der Rotationsrichtung des Exzenters entspricht. Bei dieser Ausführungsform muss der Antriebsmotor also kein Linearmotor sein, sondern lediglich den Exzenter in Rotation versetzen.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Kühleinheiten der Kühlgruppe an ihrer Zuflussseite und an ihrer Abflussseite für das Kühlmittel jeweils mit einem Überdruckventil ausgestattet sind, wobei die Überdruckventile jeweils nur in eine, und zwar in dieselbe, Richtung öffnen. Die Kühleinheit ist darüber hinaus derart ausgebildet, dass durch die Kraftbeaufschlagung des elastokalorischen Materials so viel Wärme frei wird, dass das Kühlmittel verdampft. Hierdurch tritt folgender Effekt ein: Kühlmittel tritt in die Kühleinheit ein und ist in direktem Kontakt mit dem elastokalorischen Material. Dieses wird dann mit einer Kraft beaufschlagt, wodurch Wärme frei wird, die auf das Kühlmittel übergeht. Das Kühlmittel verdampft (oder ein bereits verdampftes Kühlmittel wird weiter erwärmt), wodurch der Druck in der Kühleinheit steigt. Aufgrund des angestiegenen Druckes öffnet sich das Überdruckventil am Auslass der Kühleinheit, wodurch das verdampfte Kühlmittel zumindest teilweise aus der Kühleinheit herausströmt und dadurch einen Teil der frei gewordenen Wärme mitnimmt. Als nächstes entspannt sich das elastokalorische Material wieder und kühlt dabei ab. Dadurch sinkt der Druck innerhalb der Kühleinheit wieder, so dass neues Kühlmittel über das Überdruckventil am Eingang der Kühleinheit nachströmen kann. Dies passiert allerdings nicht sofort, so dass beispielsweise der Gegenblock der Kühleinheit sich ebenfalls abkühlt. Derartige Kühleinheiten mit den jeweiligen Ventilen sind innerhalb der Kühlgruppe in Reihe geschaltet. Durch den rotierenden Exzenter werden die Kühleinheiten nacheinander aktiviert, wodurch das Kühlmittel über den Druckanstieg immer in die nachfolgende Kühleinheit transportiert wird und dabei Wärme mitnimmt. Auf diese Weise wird das Kühlmittel zum einen durch die Kühlgruppe hindurch gefördert, wobei ein Rückfluss dadurch verhindert wird, dass die genutzten Überdruckventile nur in eine Richtung öffnen. Darüber hinaus nimmt das Kühlmittel beim Transport durch die Kühlgruppe hindurch immer mehr Wärme auf und wird immer mehr erhitzt. Gleichzeitig kühlen die Gegenblöcke der Kühleinheiten immer weiter ab. Der von der Kühlgruppe getriebene Kühlmittelstrom kann dann, ohne Einsatz einer separaten Pumpe, zum Kühler geleitet werden, wo dem Kühlmittel überschüssige Wärme entzogen wird. Dieses derart gekühlte Kühlmittel kann dann zurück zur Kühlgruppe geführt und mit den Gegenblöcken der Kühleinheiten in Kontakt gebracht werden. Auf diese Weise wird das Kühlmittel noch weiter abgekühlt, bis es die erforderliche Temperatur zum Kühlen der Rotorkammer aufweist. Von den Gegenblöcken wird das Kühlmittel dann zur Rotorkammer geleitet, nimmt hier Wärme auf und fließt dann zurück zum Eingang der Kühlgruppe. Insgesamt zeichnet sich diese bevorzugte Ausführungsform also dadurch aus, dass die Kühleinrichtung nur einen Kühlmittelkreislauf aufweist und der Transport des Kühlmittels in diesem Kühlmittelkreislauf ausschließlich passiv stattfindet. Unter einem passiven Transport wird verstanden, dass keine Pumpe vorhanden ist, die das Kühlmittel fördert. Der Transport des Kühlmittels erfolgt dagegen ausschließlich durch die Aufnahme von Wärme vom elastokalorischen Material und/oder aus dem Innenraum der Rotorkammer und die Abgabe von Wärme an das elastokalorische Material und/oder die Umgebungsluft. Die Kühlgruppe selbst, in der lediglich eine Kraft auf das elastokalorische Material ausgeübt wird, wird daher explizit nicht als Pumpe angesehen.
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Vorstehend wurde bereits erwähnt, dass die wenigstens eine Kühleinheit beispielsweise von einem extra für diesen Zweck vorgesehenen Antriebsmotor angetrieben werden kann. In einer bevorzugten Alternative ist es allerdings vorgesehen, dass der Antriebsmotor sowohl den Rotor als auch den Exzenter antreibt. Es handelt sich also hierbei um denselben Antriebsmotor, der in der Zentrifuge bereits vorhanden ist, um den Rotor in Rotation zu versetzen. Es wird daher kein separater Antriebsmotor vorgesehen, um das elastokalorische Material mit einer Kraft zu beaufschlagen. Vielmehr wird ein und derselbe Motor zum Antrieb des Rotors und zur Beaufschlagung des elastokalorischen Materials mit einer Kraft, beispielsweise durch das Versetzen des Exzenters in Rotation, eingesetzt. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass dieser eine Antriebsmotor ebenfalls zum Antrieb des Lüfters des Kühlers verwendet wird. Besonders bevorzugt betreibt also ein und derselbe Antriebsmotor sowohl den Rotor der Zentrifuge als auch den Lüfter des Kühlers und beaufschlagt darüber hinaus das elastokalorische Material mit der Kraft, beispielsweise durch Rotation eines Exzenters.
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Der eingesetzte Exzenter, der durch seine Exzentrizität während der Rotation periodisch auf den Stempel der wenigstens einen Kühleinheit beziehungsweise der Kühleinheiten der Kühlgruppe drückt, kann grundsätzlich auf verschiedene Weisen ausgebildet sein. Der Exzenter muss typischerweise, um eine Kraft auf den Stempel aufzubringen, über eine gewisse Strecke am Stempel entlang gleiten. Hierbei entstehen nicht zu vernachlässigende Reibungskräfte, die zum einen zu Schäden am Stempel als auch am Exzenter führen können. Zum anderen wird auch der Antrieb des Exzenters durch diese Reibung erschwert. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass der Exzenter eine exzentrisch rotierende Welle aufweist, die von einer gegenüber der Welle rotierbaren Hülse umgeben ist. Mit der Hülse wiederum tritt der Exzenter in Kontakt mit dem Stempel der Kühleinheit. Dadurch, dass die Hülse an der Außenumfangsfläche der rotierenden Welle entlang gleiten kann, entstehen deutlich geringere Kräfte zwischen dem Exzenter und dem Stempel. Um das Gleiten weiter zu vereinfachen, ist die exzentrisch rotierende Welle bevorzugt mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet. Um die Reibung zwischen der Hülse und der Welle möglichst gering zu halten, es ist bevorzugt, dass die Hülse über ein Kugellager an der Welle gelagert ist. Tritt die Hülse mit dem Stempel in Kontakt, so rollt sie gegenüber der exzentrisch angetriebenen Welle über das Kugellager ab, wodurch sich die Reibungskräfte beim Kontakt des Exzenters mit dem Stempel im Wesentlichen auf die Reibung innerhalb des Kugellagers reduziert, was sowohl Schäden verhindert als auch den Antrieb vereinfacht.
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Die Lösung der eingangs genannten Aufgabe gelingt ebenfalls mit einem Verfahren zum Kühlen des Innenraums einer Rotorkammer einer Zentrifuge gemäß den vorhergehenden Ausführungen. Sämtliche für die erfindungsgemäße Zentrifuge beschriebenen Merkmale, Wirkungen und Vorteile gelten im übertragenen Sinne genauso für das Verfahren und andersherum. Es wird lediglich zur Vermeidung von Wiederholungen auf die jeweils anderen Ausführungen Bezug genommen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte: Übertragen von Wärme aus dem Innenraum der Rotorkammer auf ein Kühlmittel, Übertragen von Wärme von einem elastokalorischen Material auf das Kühlmittel, Kühlen des Kühlmittels in einem Kühler, Übertragen von Wärme von dem Kühlmittel auf das elastokalorische Material und Zuleiten des Kühlmittels zur Rotorkammer der Zentrifuge. Das Verfahren beginnt dann von vorne und sorgt insgesamt für ein Abkühlen der Rotorkammer der Zentrifuge oder für das Halten einer gewünschten tiefen Temperatur, bei der die Proben, die in der Zentrifuge zentrifugiert werden sollen, aufbewahrt werden müssen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, ohne dass diese auf die Beispiele beschränkt wäre. Gleiche beziehungsweise gleich wirkende Bauteile werden mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Sich wiederholende Bauteile werden nicht in jeder Figur gesondert bezeichnet. Es zeigen schematisch:
- 1: eine perspektivische Ansicht einer Zentrifuge;
- 2: die Zentrifuge gemäß 1 ohne Deckel;
- 3: die Zentrifuge gemäß den 1 und 2 ohne Gehäuse;
- 4: einen Querschnitt durch eine Kühleinheit;
- 5: eine erste Ausführungsform einer Kühleinrichtung (nicht als solche beansprucht);
- 6: eine zweite Ausführungsform einer Kühleinrichtung mit mehreren Kühleinheiten (nicht als solche beansprucht);
- 7: eine dritte Ausführungsform einer Kühleinrichtung mit nur einer Pumpe (nicht als solche beansprucht);
- 8: eine vierte Ausführungsform einer Kühleinrichtung mit Wärmerohren (nicht als solche beansprucht);
- 8a: eine erste Ausführungsform der Verbindung der Wärmerohre gemäß 8 mit der Kühleinheit (nicht als solche beansprucht);
- 8b: eine zweite Ausführungsform der Verbindung der Wärmerohre gemäß 8 mit der Kühleinheit (nicht als solche beansprucht);
- 8c: eine dritte Ausführungsform der Verbindung der Wärmerohre gemäß 8 mit der Kühleinheit (nicht als solche beansprucht);
- 9: einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Kühleinheit;
- 10: einen Querschnitt durch eine Kühlgruppe mit Kühleinheiten gemäß 9;
- 11: eine fünfte Ausführungsform einer Kühleinrichtung mit einer Kühlgruppe gemäß 10;
- 12: einen Antrieb für die Kühleinheit mit einer exzentrischen Welle und einer Hülse; und
- 13: ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.
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Die 1 bis 3 zeigen eine erfindungsgemäße Zentrifuge, hier eine Laborzentrifuge 1, deren Grundaufbau einer herkömmlichen Zentrifuge - hier einer Standzentrifuge - gleicht. Die Laborzentrifuge 1 umfasst ein Gehäuse 10 und einen Deckel 11. Das Gehäuse 10 weist Lüftungsöffnungen 13 auf, durch die hindurch warme Luft aus dem Gehäuse 10 der Laborzentrifuge 1 in die Außenumgebung abgegeben werden kann. Darüber hinaus weist die Laborzentrifuge 1 eine Bedieneinheit 12 auf, über die ein Bediener verschiedene Parameter an der Zentrifuge einstellen kann, beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit und die gewünschte Temperatur, auf der die Proben gehalten werden sollen. In 2 ist der Deckel 11 und in 3 das gesamte Gehäuse 10 entfernt, so dass in 3 der Tragrahmen 15 der Laborzentrifuge 1 sichtbar ist. Wie aus diesen Figuren hervorgeht, weist die Laborzentrifuge 1 eine Rotorkammer 14 auf, in deren Innenraum 141 ein Rotor 16 rotierbar gelagert ist. Der Rotor 16 ist zur Aufnahme von Probengefäßen ausgebildet, beispielsweise als Festwinkelrotor oder als Ausschwingrotor. Damit die Proben im Rotor 16 während der Zentrifugation weiterhin auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt bleiben, muss die Rotorkammer 14 während des Betriebs der Zentrifuge gekühlt werden. Hierfür weist die Laborzentrifuge 1 eine Kühleinrichtung 18 auf, die nachstehend noch näher beschrieben wird. Zum Antrieb des Rotors 16 und insbesondere auch der Kühleinrichtung 18 weist die Laborzentrifuge 1 ebenfalls einen Antriebsmotor 17 auf.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine elastokalorische Kühleinheit 2. Die Kühleinheit 2 umfasst einen Gegenblock 20, der als Widerlager für das elastokalorische Material 22 und als Gehäuse der Kühleinheit 2 dient. Das elastokalorische Material 22 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als eine Vielzahl von Stäben ausgebildet, die zwischen dem Gegenblock 20 und einem Stempel 21 angeordnet sind. Der Stempel 21 ist gleitend an den Seitenwänden des Gegenblocks 20 gelagert, sodass er eine Kraft F, die durch den schwarzen Pfeil symbolisiert wird, eins zu eins auf das elastokalorische Material 22 überträgt. Darüber hinaus weist die Kühleinheit 2 eine Zuleitung 23 auf, durch die hindurch Kühlmittel in den vom Gegenblock 20 gebildeten Hohlraum, in dem sich das elastokalorische Material 22 befindet, eintreten kann. Wird das elastokalorische Material 22 mit einer Kraft F beaufschlagt, so erhitzt sich dieses, wodurch Wärme auf das Kühlmittel übertragen wird. Im Gegenzug kühlt sich das elastokalorische Material 22 ab, während es sich entspannt. In diesem Fall wird auch das Kühlmittel gekühlt. Das erwärmte oder gekühlte Kühlmittel kann die Kühleinheit 2 über die Ableitung 24 verlassen, die wie die Zuleitung 23 einen Kanal durch den Gegenblock 20 bildet.
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Die 5, 6, 7, 8, 8a, 8b und 8c zeigen Beispiele ohne Kühlgruppe 3, wie sie in den 10 und 11 gezeigt ist, und sind daher nicht erfindungsgemäß. Sie dienen jedoch der Erläuterung einzelner Komponenten und Anordnungen, wie sie mit einer Kühlgruppe 3 zum Einsatz kommen können. 5 zeigt eine erste, aber nicht als solche beanspruchte, Ausführungsform einer Kühleinrichtung 18 unter Verwendung der Kühleinheit 2. Die Kühleinrichtung 18 ist dazu ausgebildet, Wärme von der Rotorkammer 14 der Laborzentrifuge 1 zu einem Kühler 180 zu transportieren. Der Kühler 180 ist beispielsweise als Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet und überträgt zumindest einen Teil der Wärme des Kühlmittels mithilfe des Lüfters 181 an die Umgebungsluft. Die Kühleinrichtung 18 umfasst einen ersten Kühlmittelkreislauf A, der dazu ausgebildet ist, Wärme von der Rotorkammer 14 zur Kühleinheit 2 zu transportieren. Der erste Kühlmittelkreislauf A umfasst eine Kühlmittelleitung 182, die beispielsweise die Rotorkammer 14 umwindet und so Wärme aus dieser aufnimmt. Darüber hinaus umfasst die Kühleinrichtung 18 einen zweiten Kühlmittelkreislauf B, der dazu ausgebildet ist, Wärme von der Kühleinheit 2 zum Kühler 180 zu transportieren und der hierfür ebenfalls eine Kühlmittelleitung 182 aufweist. In beiden Kühlmittelkreisläufen A, B wird dasselbe Kühlmittel eingesetzt. Das Kühlmittel in den Kühlmittelleitungen 182 wird über jeweils eine Pumpe 183 gefördert, die sich in dem jeweiligen Kühlmittelkreislauf A, B befindet. Schließlich umfasst die Kühleinrichtung 18 ebenfalls zwei Ventile, konkret ein erstes Ventil 184 und ein zweites Ventil 185, die jeweils als 2-Wege-Ventile ausgebildet sind. Über die beiden Ventile 184, 185 kann die Kühleinheit 2 über die Zu- und Ableitung 23, 24 jeweils entweder dem ersten Kühlmittelkreislauf A oder dem zweiten Kühlmittelkreislauf B zugeschaltet werden. Hierfür werden die Ventile 184, 185 gleichzeitig zwischen ihren gezeigten Schaltstellungen verstellt.
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In der in 5 gezeigten Position ist die Kühleinheit 2 beispielsweise dem zweiten Kühlmittelkreislauf B zugeschaltet. Die Kühleinrichtung 18 wird beispielsweise in dieser Schaltstellung betrieben, während das elastokalorische Material 22 der Kühleinheit 2 mit der Kraft F beaufschlagt wird. Durch die Veränderung der Wärmekapazität des elastokalorischen Materials 22 wird an diesem Wärme frei. Diese wird vom Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs B aufgenommen und zum Kühler 180 transportiert. Es wird dann die Schaltstellung der beiden Ventile 184, 185 umgeschaltet, sodass sich die Kühleinheit 2 im ersten Kühlmittelkreislauf A befindet. Die Kraft F wird vom Stempel 21 und damit vom elastokalorischen Material 22 genommen, wodurch sich dieses entspannt. Hierbei ändert es wieder seine Wärmekapazität, insbesondere derart, dass das elastokalorische Material 22 abkühlt. Auf diese Weise nimmt das elastokalorische Material 22 Wärme vom Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs A auf und kühlt dieses dadurch ab. Das gekühlte Kühlmittel im ersten Kühlmittelkreislauf A wird sodann zur Rotorkammer 14 transportiert und kühlt diese.
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6 zeigt eine weitere, nicht als solche beanspruchte Ausführungsform einer Kühleinrichtung 18. Im Unterschied zur Kühleinrichtung 18 der 5 sind in derjenigen der 6 mehrere Kühleinheiten 2 im Einsatz. Insbesondere sind diese zwischen den Ventilen 184, 185 in Reihe geschaltet. Zwar sind in dieser Ausführungsform zwei Kühleinheiten 2 gezeigt, es können allerdings auch mehr als zwei Kühleinheiten 2 Verwendung finden. Durch die Verwendung von mehreren Kühleinheiten 2 wird ebenfalls mehr elastokalorisches Material 22 eingesetzt, wodurch sich größere Temperaturhübe erreichen lassen. Gleichzeitig muss die Summe des verwendeten elastokalorischen Materials 22 nicht auf einmal über einen Stempel 21 mit einer Kraft F beaufschlagt werden, die ausreichen würde, dieses gesamte elastokalorische Material 22 beispielsweise zu komprimieren. Es reicht aus, die Stempel 21 der einzelnen Kühleinheiten 2 mit einer kleineren Kraft F zu beaufschlagen, die für das jeweils in der einzelnen Kühleinheit 2 verwendete elastokalorische Material 22 ausreicht.
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In 7 ist eine weitere, nicht als solche beanspruchte Ausführungsform einer Kühleinrichtung 18 dargestellt. Diese unterscheidet sich von derjenigen der 5 dadurch, dass nur eine einzige Pumpe 183 zur Förderung des Kühlmittels in den Kühlmittelleitungen 182 beider Kühlmittelkreisläufe A, B eingesetzt wird. Insbesondere befindet sich die einzige Pumpe 183 dieser Ausführungsform ebenfalls zwischen den Ventilen 184, 185. Sie ist daher in Reihe mit der wenigstens einen Kühleinheit 2 geschaltet und kann ebenfalls wie diese über die Ventile 184, 185 jeweils einem der Kühlmittelkreisläufe A, B zugeschaltet werden.
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In 8 ist noch eine weitere, nicht als solche beanspruchte Ausführungsform der Kühleinrichtung 18 dargestellt. Die Ausführungsform der 8 unterscheidet sich dadurch von den vorhergehenden, dass die beiden Kühlmittelkreisläufe A, B nicht mehr über Kühlmittelleitungen 182, sondern über jeweils ein Wärmerohr 186 pro Kühlmittelkreislauf A, B realisiert sind. Sowohl der Hin- als auch der Rückfluss des Kühlmittels erfolgt dabei innerhalb desselben Wärmerohrs 186. Der Wärmefluss von der Rotorkammer 14 zum Kühler 180 wird über ein einziges Zu- und Abflussventil 187 realisiert, welches analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen mit der Kraftbeaufschlagung beziehungsweise dem Entspannen des elastokalorischen Materials 22 synchronisiert ist. Das Zu- und Abflussventil 187 kann allerdings auch weggelassen werden beziehungsweise stellt rein funktional dar, dass der Wärmetransport über die Kühleinheit 2 auch in diesem Ausführungsbeispiel über die Betriebsphasen der Kühleinheit 2 getaktet ist.
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Die 8a, 8b und 8c stellen verschiedene Möglichkeiten dar, die Wärmerohre 186 mit der Kühleinheit 2 beziehungsweise den Kühleinheiten 2 in thermische Verbindung zu setzen. 8a beispielsweise zeigt eine Ausführungsform, bei der die Kühleinheit 2 direkt mit den Wärmerohren 186 verbaut ist. Konkret ist die Kühleinheit 2 derart mit dem vom Kühler 180 kommenden Wärmerohr 186 verbunden, dass das Kühlmittel dieses Wärmerohrs 186 im Inneren der Kühleinheit 2 in direktem Kontakt mit dem elastokalorischen Material 22 steht. Erhitzt sich das elastokalorische Material 22, so verdampft das Kühlmittel und verteilt sich im gesamten Innenraum des Wärmerohres 186, wodurch es zu einem schnellen Abtransport von Wärme aus der Kühleinheit 2 heraus kommt. Während des Entspannens des elastokalorischen Materials 22 wird der Gegenblock 20 abgekühlt, der in thermischen Kontakt mit dem von der Rotorkammer 14 kommenden Wärmerohr 186 steht. Beispielsweise ist der Gegenblock 20 unmittelbar am Wärmerohr 186 angeordnet, wie in der 8a gezeigt. Alternativ wäre es beispielsweise ebenfalls möglich, die Kühleinheit 2 so in dieses Wärmerohr 186 zu integrieren, dass der Gegenblock 20 in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel des Wärmerohrs 186 steht. Insgesamt wird daher Wärme über die Kühleinheit 2 vom einen Wärmerohr 186 auf das andere übertragen.
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Die Ausführungsform gemäß 8b zeigt die thermische Verbindung der beiden Wärmerohre 186 über die Kühleinheit 2 durch separate Kreisläufe. Hier werden also zusätzlich Kühlmittelleitungen 182 mit Kühlmittel angeordnet, die die Wärme vom einen Wärmerohr 186 zum anderen übertragen sollen. Die entsprechende Ausführungsform entspricht daher im Wesentlichen den Anordnungen der Kühlmittelkreisläufe, wie sie in den 5, 6 und 7 gezeigt und in den entsprechenden Beschreibungspassagen beschrieben sind, wobei lediglich keine Wärmeübertragung direkt zwischen der Rotorkammer 14 und dem Kühler 180 erfolgt, sondern zwischen den beiden Wärmerohren 186. Auf die entsprechenden Ausführungen wird daher zur Vermeidung von Wiederholungen Bezug genommen.
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Eine weitere Ausführungsform ist in 8c gezeigt. Diese umfasst eine Transporteinrichtung 27, die dazu ausgebildet ist, die Kühleinheit 2 zwischen zwei Positionen zu verstellen, wobei die Kühleinheit 2 in jeder der Positionen mit einem der beiden Wärmerohre 186 in Kontakt steht. Die Transporteinrichtung 27 kann dabei beispielsweise einen Linearaktuator, beispielsweise mit einer Schiene oder ähnlichem, umfassen. Die Verstellung der Kühleinheit 2 zwischen den beiden Positionen ist mit den Betriebsphasen der Kühleinheit 2 getaktet, so dass die Kühleinheit 2 mit dem von der Rotorkammer 14 kommenden Wärmerohr 186 in Kontakt steht, während das elastokalorische Material 22 sich entspannt und dabei abkühlt, und so dass die Kühleinheit 2 mit dem vom Kühler 180 kommenden Wärmerohr 186 in Kontakt steht, während das elastokalorische Material 22 mit der Kraft F beaufschlagt wird und sich dabei erhitzt. Auch auf diese Weise wird über die Kühleinheit 2 Wärme vom einen Wärmerohr 186 auf das andere übertragen.
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Darüber hinaus zeigt 8 beispielhaft einen Antriebsmotor 189, der dazu ausgebildet ist, den Stempel 21 der Kühleinheit 2 und damit das elastokalorische Material 22 mit der Kraft F zu beaufschlagen. Der Antriebsmotor 189 kann auch bei den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, wurde allerdings aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt. Insbesondere treibt der Antriebsmotor 189 sämtliche Kühleinheiten 2 der Kühleinrichtung 18 an. Grundsätzlich kann es sich beim Antriebsmotor 189 um den Antriebsmotor 17 handeln, der den Rotor 16 der Laborzentrifuge 1 antreibt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich allerdings um einen separaten Antriebsmotor 189, der ausschließlich zum Antrieb der Kühleinheit 2 ausgebildet ist.
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9 zeigt eine Kühleinheit 2, die in vorteilhafter Weise zur Ausnutzung der latenten Wärme des Kühlmittels ausgebildet ist. Hierfür weist die Kühleinheit 2 im Unterschied zu Kühleinheit 2 der 4 in ihrer Zuleitung 23 ein Einlassventil 25 und in ihrer Ableitung 24 ein Auslassventil 26 auf. Bei den Ventilen 25, 26 handelt es sich beispielsweise um Überdruckventile, die allerdings nur in eine Richtung öffnen können, konkret in dieselbe Richtung, im gezeigten Ausführungsbeispiel der 9 nach rechts. Die Funktionsweise der Kühleinheit 2 gemäß 9 ist wie folgt: Durch die Beaufschlagung des elastokalorischen Materials 22 mit der Kraft F wird Wärme frei. Diese wird vom Kühlmittel, welches sich in direkter Umgebung des elastokalorischen Materials 22 befindet, aufgenommen, wodurch das Kühlmittel verdampft. Hierdurch erhöht sich der Druck im Innenraum der Kühleinheit 2, wodurch wiederum das Auslassventil 26 öffnet und zumindest ein Teil des verdampften Kühlmittels nach rechts aus der Kühleinheit 2 entweicht und dabei die aufgenommene Wärme mitnimmt. Es folgt die Phase des Entspannens des elastokalorischen Materials 22, wodurch dieses abkühlt. Durch das Abkühlen sinkt der Druck im Innenraum der Kühleinheit 2. Der Druck sinkt so weit, bis das Einlassventil 25 öffnet und Kühlmittel von links in die Kühleinheit 2 nachströmt. Da das Abfallen des Druckes eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, kühlt das elastokalorische Material 22 ebenfalls den Gegenblock 20, der aus einem gut wärmeleitfähigen Material, beispielsweise Metall, besteht. Dieser Ablauf wird periodisch wiederholt, so dass unter dem Strich die vom elastokalorischen Material 22 freigesetzte Wärme mit dem Kühlmittel in Strömungsrichtung, also nach rechts, aus der Kühleinheit 2 abtransportiert wird, während der Gegenblock 20 immer weiter abkühlt und weiteres Kühlmittel in die Kühleinheit 2 von links nachströmt. Die Beaufschlagung des elastokalorischen Materials 22 mit einer Kraft F über den Stempel 21 führt daher zum einen zu einem Stofftransport des Kühlmittels durch die Kühleinheit 2 und zum anderen zu einer Erwärmung des Kühlmittels und einem Abkühlen des Gegenblocks 20.
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10 zeigt eine Kühlgruppe 3, in der diese Effekte ausgenutzt werden. Konkret umfasst die Kühlgruppe 3 eine Mehrzahl von, hier fünf, Kühleinheiten 2 gemäß 9. Die Kühleinheiten 2 sind über eine Kühlmittelleitung 182 miteinander in Verbindung und in Reihe geschaltet. Darüber hinaus umfasst die Kühlgruppe 3 einen Exzenter 30, der zur Rotation um eine Rotationsachse R ausgebildet ist. Durch die Rotation des Exzenters 30 werden die Stempel 21 der kreisförmig um den Exzenter 30 angeordneten Kühleinheiten 2 nacheinander mit der Kraft F beaufschlagt. Auf diese Weise wird, wie vorstehend zur 9 erläutert, das in den Kühleinheiten 2 befindliche Kühlmittel in Rotationsrichtung des Exzenters 30 durch die Kühlmittelleitung 182 und die Kühleinheiten 2 gefördert. Hierbei wird das Kühlmittel immer weiter aufgeheizt, während sich die Gegenblöcke 20 der Kühleinheiten 2 abkühlen. Insgesamt realisiert die Kühlgruppe 3 daher sowohl eine Förderung des Kühlmittels als auch eine Auftrennung der durch das elastokalorische Material 22 zur Verfügung gestellten Wärme und Kälte.
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11 zeigt eine Ausführungsform einer Kühleinrichtung 18 unter Verwendung einer Kühlgruppe 3 gemäß 10. Die Kühleinrichtung 18 nutzt aus, dass die Kühlgruppe 3 eine Förderleistung für das Kühlmittel zur Verfügung stellt, die allerdings allein auf den Wärmetransport zurückgeht und daher ausschließlich passiv ist. Eine aktive Förderung des Kühlmittels ist nicht notwendig, weshalb diese Ausführungsform komplett ohne Pumpe auskommt. Sie umfasst einen einzigen Kühlmittelkreislauf C, der beispielsweise von Kühlmittelleitungen 182 gebildet wird, genauso gut allerdings von Wärmerohren 186 gebildet sein könnte. Konkret nimmt das Kühlmittel an der Rotorkammer 14 der Laborzentrifuge 1, die bei ungefähr 4 °C arbeitet, Wärme auf. Diese Wärme wird mit dem Kühlmittel über die Kühlmittelleitung 182 zur Kühlgruppe 3 transportiert. Wie vorstehend erläutert, wird das Kühlmittel durch die Kühlgruppe 3 geleitet und erhitzt sich dabei immer weiter, während die Gegenblöcke 20 der Kühleinheiten 2 der Kühlgruppe 3 abkühlen. Das erhitzte Kühlmittel wird dann über die Kühlmittelleitungen 182 zum Kühler 180 transportiert, der typischerweise bei Raumtemperatur, beispielsweise 21 °C, arbeitet, und wo das Kühlmittel mithilfe des Lüfters 181 abgekühlt wird. In Strömungsrichtung hinter dem Kühler 180 passiert das Kühlmittel ein Ventil 188, welches die Warm- von der Kaltseite trennt und den Durchfluss regelt. Das vom Kühler 180 gekühlte Kühlmittel wird sodann in Kontakt mit den Gegenblöcken 20 der Kühleinheiten 2 der Kühlgruppe 3 gebracht, bevorzugt unmittelbar. insbesondere entspricht die Reihenfolge des Kontakts des Kühlmittels auf der Rückstromseite zur Rotorkammer 14 mit den Gegenblöcken 20 der Kühleinheiten 2 der entgegengesetzten Durchströmungsrichtung der Kühleinheiten 2 durch das Kühlmittel. Der Gegenblock 20 der Kühleinheit 2, die innerhalb der Kühlgruppe 3 als letztes vom Kühlmittel durchströmt wird, wird also zuerst mit dem Kühlmittel kontaktiert, während der Gegenblock 20 der Kühleinheit 2, die innerhalb der Kühlgruppe 3 als erstes vom Kühlmittel durchströmt wird, als letztes mit dem Kühlmittel kontaktiert wird. Das Kühlmittel überträgt dabei Wärme auf die Gegenblöcke 20 beziehungsweise wird von diesen abgekühlt, bis es schließlich kalt genug ist, um wieder an der Rotorkammer 14 Wärme aus deren Innenraum 141 aufzunehmen. Für den Betrieb dieser Kühleinrichtung 18 ist es lediglich notwendig, den Exzenter 30 der Kühlgruppe 3 sowie den Lüfter 181 anzutreiben. Wie ebenfalls in 11 dargestellt ist, erfolgt der Antrieb des Rotors 16 der Laborzentrifuge 1 innerhalb der Rotorkammer 14 sowie der Antrieb des Exzenters 30 der Kühlgruppe 3 bevorzugt durch denselben Antriebsmotor 17. Dieser Antriebsmotor 17 kann auch zum Antrieb des Lüfters 181 eingesetzt werden.
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12 zeigt einen Exzenter 30, der eine exzentrische Welle 31 aufweist, die um die Rotationsachse R rotierbar ist. Auf der Außenumfangsfläche der exzentrischen Welle 31 ist ein Kugellager 33 angeordnet, über welches wiederum eine Hülse 34 an der exzentrischen Welle 31 gelagert ist. Insbesondere umschließt die Hülse 34 sowohl das Kugellager 33 als auch die exzentrische Welle 31 vollständig. Der Exzenter 30 gemäß 12 tritt daher mit der Hülse 34 mit den Stempeln 21 der Kühleinheiten 2 in Kontakt. Dadurch, dass die Hülse 34 allerdings über das Kugellager 33 gegenüber der exzentrischen Welle 31 rotierbar gelagert ist, rollt die Hülse 34 auf der exzentrischen Welle 31 ab, wodurch Schäden an der Hülse 34 oder dem Exzenter 30 als Ganzem und dem Stempel 21 vermieden werden. Gleichzeitig muss eine geringere Antriebsenergie aufgewendet werden. Der Exzenter 30 gemäß 12 eignet sich daher ganz besonders für den Einsatz in der Kühlgruppe 3. Die exzentrischen Wellen 31 und der Exzenter 30 können von dem jeweils verwendeten Antriebsmotor 17, 189 antreibbar sein.
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13 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens 4. Das Verfahren 4 beginnt mit dem Übertragen 40 von Wärme aus dem Innenraum 141 der Rotorkammer 14 auf ein Kühlmittel. Das Kühlmittel wird sodann zum elastokalorischen Material 22 der Kühleinheit 2 transportiert. Dort folgt das Übertragen 41 von Wärme von dem elastokalorischen Material 22 auf das Kühlmittel, welches dadurch über die Umgebungstemperatur hinaus erhitzt wird. Im nächsten Schritt erfolgt das Kühlen 42 des Kühlmittels in einem Kühler 180, der bei Umgebungstemperatur arbeitet. Das derart gekühlte Kühlmittel wird dann zurück zur Kühleinheit 2 geleitet, wo ein Übertragen 43 von Wärme von dem Kühlmittel auf das elastokalorische Material 22 erfolgt, wodurch das Kühlmittel wenigstens auf die Betriebstemperatur der Rotorkammer 14 heruntergekühlt wird. Schlussendlich folgt dann das Zuleiten 44 des Kühlmittels zur Rotorkammer 14 der Laborzentrifuge 1. Dort kann das Kühlmittel erneut Wärme aus dem Innenraum 141 der Rotorkammer 14 aufnehmen, und das Verfahren 4 beginnt erneut. Alles in allem lässt sich durch die erfindungsgemäße Verwendung des elastokalorischen Effektes zur Kühlung einer Zentrifuge, insbesondere einer Laborzentrifuge 1, der Einsatz von typischerweise bei Kompressorkühlungen verwendeten umweltschädlichen und brennbaren Kühlmitteln verhindern. Durch den Einsatz der beschriebenen Ausführungsformen lässt sich darüber hinaus eine hohe Wirtschaftlichkeit sowohl in Bezug auf Herstellungs- als auch auf Betriebskosten erreichen.
