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Die Erfindung betrifft einen Labortemperierapparat zum Temperieren mindestens einer Probe.
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Bei solchen Labortemperierapparaten, zu denen z. B. Thermostate, Inkubatoren, Thermomischer oder Thermocycler gezählt werden, spielt die Kontrolle der Temperatur eine zentrale Rolle. Thermocycler sind Labortemperierapparate, mit denen zyklisch verschiedene Temperaturstufen der zu temperierenden Proben eingestellt werden können. Sie kommen insbesondere zum Einsatz, wenn eine Polymerase-Kettenreaktion (polymerase chain reaction, „PCR”) durchgeführt werden soll. Bei dieser Reaktion wird DNA zyklisch vervielfältigt, indem Produkte eines Vervielfältigungszyklus, der verschiedene Temperaturstufen erfordert, als Edukte für den nächsten Zyklus verwendet werden. Die Effizienz eines PCR-Zyklus hängt insbesondere von der möglichst genauen und schnellen Einstellung der Temperaturstufen in den wässrigen Proben ab. Es ergeben sich deshalb besondere Anforderungen an die Temperieranordnung und Steuerung solcher Labortemperierapparate.
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Eine Temperieranordnung für Proben weist in der Regel einen Probenhalter auf, der ein metallischer Temperierblock sein kann, der eine Oberseite mit Vertiefungen zur Aufnahme eines oder mehrerer Probengefäße aufweist. Die Unterseite des Temperierblocks ist gewöhnlich mit Temperiereinrichtungen, zum Beispiel Peltierelementen, thermisch gekoppelt, die ihre Abwärme über einen Kühlkörper an die Umgebung abgeben. Mittels Temperatursensoren am Temperierblock und einer elektrischen Regeleinrichtung kann die Temperatur im Temperierblock, bzw. in der Probe, geregelt werden. Die Temperaturen, die bei Thermocyclern für PCR-Verfahren in solchen Temperierblöcken eingestellt werden, liegen typischerweise zwischen inkl. 4°C und 99°C. Wünschenswerte Heiz- bzw. Kühlraten liegen typischerweise bei einigen Grad Celsius pro Sekunde. Die Temperiereinrichtungen der Temperieranordnung müssen zum Erbringen einer entsprechenden Leistung ausgelegt sein und produzieren eine entsprechende Abwärme, die abgeführt werden muss. Die Richtigkeit für die Temperaturen im Temperierblock liegt idealerweise bei wenigen Zehntel Grad Kelvin und die Temperaturauflösung liegt in der Größenordnung von 0,01 Grad Kelvin. Ferner ist in bestimmten Betriebsmodi eines Labortemperierapparates eine zumindest abschnittsweise möglichst konstante Temperatur des Probenhalters gewünscht, insbesondere eine räumliche Uniformität der Temperatur im Probenhalter im Rahmen der Regelgenauigkeit.
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Bei Labortemperierapparaten, insbesondere Thermocyclern, des Stands der Technik werden zahlreiche, teilweise aufwändige, Maßnahmen vorgeschlagen, um die Kontrolle der Temperatur im Temperierblock bzw. in den Proben zu verbessern. Dies kann zum Beispiel durch eine aufwändigere Verteilung von Peltierelementen am Temperierblock, durch bauliche Optimierungen des Temperierblocks oder durch eine intelligentere Temperaturregelung erfolgen. Temperaturstörungen, die von oberhalb der Probenaufnahmen auf die Proben wirken, werden meist durch Deckelanordnungen eliminiert, insbesondere durch Heizdeckel, die eine definierte, kondensationsverhindernde Temperatur auf die Oberseite der Probengefäßabdeckungen aufbringen. Ein Beispiel für einen Thermocycler des Stands der Technik beschreibt die
WO 98/43740 A2 .
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einem Labortemperierapparat die Kontrolle der Temperatur weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Labortemperierapparat gemäß Anspruch 1 und eine Formkörpereinrichtung für diesen Labortemperierapparat gemäß Anspruch 10. Bevorzugte Ausgestaltungen des Labortemperierapparats sind Gegenstände der Unteransprüche. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Labortemperierapparats beschrieben.
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Der Erfindung liegt der Ansatz zu Grunde, bei einem Labortemperierapparat den Einfluss von Wärmequellen und Wärmesenken bzw. Temperaturschwankungen zu reduzieren, die Insbesondere von (oder über) Abschnitte des Labortemperierapparates auf die Temperieranordnung wirken könnten, möglichst ohne zusätzliche Bauteile des Labortemperierapparates zu benötigen. Dies erfolgt, indem eine Formkörpereinrichtung vorgesehen ist, die zumindest teilweise aus einem Poren und Kunststoff aufweisenden Material geformt ist, das durch die Poren und den Kunststoff eine thermisch isolierende Wirkung erzeugt. Durch den thermisch isolierenden Wandabschnitt der Formkörpereinrichtung wird der Wärmeaustausch zwischen der Temperieranordnung und deren Umgebung, insbesondere einem Abschnitt des Labortemperierapparates, verringert. Auf diese Weise wird insbesondere der Einfluss von Wärmequellen oder Wärmesenken, die von außerhalb der Temperieranordnung zeitweilig oder permanent auf die Temperieranordnung wirken, insbesondere aus dem Inneren des Labortemperierapparats, reduziert.
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Solche störenden thermischen Einflüsse, die auf die Temperieranordnung einwirken und die insbesondere die Effizienz der Temperaturregelung des Probenhalters beeinträchtigen, können verschiedene Ursache haben. Z. B. kann die Abwärme der Temperieranordnung selber, insbesondere die des Probenhalters, der Temperiereinrichtungen oder des Kühlkörpers oder die Abwärme von elektrischen Komponenten des Labortemperiergeräts, oder eine sonstige Umgebungswärme in unerwünschter Weise auf den Trägerrahmen oder das Gehäuse des Labortemperierapparates übertragen werden. Diese Wärme wird dann über diese Bauteile via Wärmediffusion und/oder Wärmestrahlung zum Probenhalter übertragen. Ein solcher unerwünschter zusätzlicher Übertragungsweg für die Wärme führt dazu, dass die Temperaturregelung angepasst werden muss bzw. die Temperaturregelung aufwändiger ist.
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Durch die Erfindung wird insbesondere eine solcher, störender Wärmeübertragungsweg in effizienter Weise gehemmt oder blockiert. Die Temperaturregelung und die Genauigkeit der Zieltemperatur im Temperierblock werden hierdurch stabilisiert bzw. die Regelgeschwindigkeit wird erhöht. Die anfallende Abwärme der Temperiereinrichtungen kann zuverlässiger und kontrollierter abgeführt werden, insbesondere, um den Aufwand bei der elektronischen Regelung der Temperatur im Probenhalter möglichst gering zu halten und ein schnelles Erreichen der Solltemperatur und deren stabiles Halten zu gewährleisten. Darüber hinaus wird der Vorteil erzielt, dass Abschnitte des Labortemperierapparates, die gegenüber Temperatureinflüssen empfindlich sind, vor den teilweise hohen Temperaturen der Temperieranordnung und anderen Wärmequellen/-senken geschützt werden, indem sie durch den thermisch isolierenden Wandabschnitt abgeschirmt werden.
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Die Formkörpereinrichtung ist vorzugsweise teilweise oder im Wesentlichen im Ganzen auch als Trägergestell zum Tragen mindestens einer Komponente des Labortemperierapparats ausgestaltet und weist vorzugsweise ein Trägergestell auf oder bildet ein Trägergestell, oder weist vorzugsweise mindestens einen Wandabschnitt und/oder einen Halteabschnitt zum Tragen dieser mindestens einen Komponente auf. Diese Komponente ist vorzugsweise die Temperieranordnung und vorzugsweise werden weitere Komponenten des Labortemperierapparats getragen. Insbesondere wenn die Formkörpereinrichtung teilweise oder vollständig aus diesem Poren und Kunststoff aufweisenden Material besteht, kann auf diese Weise bei einem Labortemperierapparat mit relativ geringem Aufwand die Kontrolle der Temperatur weiter verbessert werden. Bei bekannten Labortemperierapparaten wird oftmals eine Trägerstruktur aus Metall vorgesehen oder ein (relativ schlecht isolierendes) Gehäuse wird als Trägerstruktur genutzt, wobei diese Trägerstrukturen eine erfindungsgemäß unerwünschte thermische Kopplung der Temperieranordnung mit dieser Trägerstruktur und anderen Komponenten des Labortemperierapparats eher begünstigen.
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Die Erfindung schlägt ferner verschiedene Maßnahmen vor, um die Formkörpereinrichtung derart zu gestalten, dass die Temperieranordnung und die Temperaturregelung unter möglichst konstanten Temperaturbedingungen in der Umgebung der Temperieranordnung, insbesondere der Umgebung innerhalb des Labortemperierapparats, betrieben werden kann.
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Der thermisch isolierende Wandabschnitt des Labortemperierapparates ist vorzugsweise zumindest teilweise oder im Wesentlichen vollständig aus einem Poren und Kunststoff aufweisenden Material geformt oder besteht vorzugsweise vollständig aus diesem Material. Vorzugsweise weist die Formkörpereinrichtung mehrere solcher Wandabschnitte auf oder besteht im Wesentlichen aus diesen Wandabschnitten. Die mehreren Wandabschnitte können zumindest teilweise integral ausgebildet sein oder können miteinander verbunden sein, insbesondere durch eine stoffschlüssige, formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung. Ein solcher Wandabschnitt kann ein Formkörperteil sein, das separat geformt wurde, oder das durch Trennen von einem Ausgangsformkörperteil gewonnen wurde. Die Verwendung mehrerer Formkörperteile bietet insbesondere Vorteile beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Labortemperierapparates, was nachfolgend noch beschrieben wird. Bei Formschlussverbindungen (engl.: positive connection) entstehen Verbindungen zur Lagesicherung zwischen Bauteilen oder Kraftübertragung durch das Ineinandergreifen von Teilekonturen der Verbindungselemente (siehe Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 21. Auflage, 2005, Springer Verlag, Kapitel G, 1.5.1).
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Vorzugsweise weist der Labortemperierapparat ferner mindestens eine Gehäuseeinrichtung auf, die ein Innenvolumen des Labortemperierapparats zumindest teilweise umhüllt, wobei die Formkörpereinrichtung zumindest teilweise oder vorzugsweise im Wesentlichen vollständig in diesem Innenvolumen angeordnet ist. Die Gehäuseeinrichtung kann ein Gehäuse sein, das insbesondere Metall oder Kunststoff aufweisen kann oder aus einem oder mehrerer dieser Materialien bestehen kann. Die durchschnittliche Dicke des Wandabschnitts der Formkörpereinrichtung ist vorzugsweise um einen Faktor C größer als die durchschnittliche Dicke der Gehäusewand, wobei C vorzugsweise ausgewählt ist aus einem der Bereiche mit den bevorzugten Unter- und Obergrenzen zwischen {2; 4; 6; 8; 10} <= C <= {12; 15; 20; 40; 60; 80; 100; 500}. Insbesondere auf diese Weise erhält die Formkörpereinrichtung vorzugsweise ausreichend mechanische Stabilität und kann insbesondere zum Tragen der Komponenten des Labortemperierapparates zumindest zu 60%, 80%, 90% oder im Wesentlichen vollständig eingesetzt werden. Ferner kann bei dieser Ausgestaltung des Labortemperierapparates durch die Formkörpereinrichtung eine effiziente thermische Isolierung der Temperieranordnung gegenüber deren Umgebung, insbesondere gegenüber dem Gehäuse erreicht werden. Das Gehäuse kann sich beispielsweise der Umgebungstemperatur des Labortemperierapparates anpassen, ohne von der Temperieranordnung zum Beispiel aufgeheizt zu werden, was für den Benutzer komfortabel ist. Andererseits wirkt sich die Temperatur des Gehäuses nicht (oder kaum) auf die Temperieranordnung aus, was deren Zuverlässigkeit erhöht.
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Vorzugsweise weist die Temperieranordnung mindestens einen Kühlkörper auf und der Wandabschnitt der Formkörpereinrichtung ist vorzugsweise derart in Relation zum Kühlkörper angeordnet, dass der Wandabschnitt den Wärmefluss zwischen dem Kühlkörper und der Umgebung des Kühlkörpers verringert. Vorzugsweise weist die Formkörpereinrichtung mehrere Wandabschnitte auf, die derart angeordnet und ausgestaltet sind, dass sie die Temperieranordnung gegenüber deren Umgebung, insbesondere gegenüber Abschnitten des Labortemperierapparates, thermisch isolieren. Vorzugsweise weist die Formkörpereinrichtung mehrere Wandabschnitte auf, die derart angeordnet und ausgestaltet sind, dass sie einen Kühlkörper der Temperiereinrichtung zumindest teilweise einrahmen. Durch das thermische Isolieren des Kühlkörpers kann dessen Temperatur zuverlässiger durch ein Kühlmedium eingestellt werden.
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Vorzugsweise weist die Formkörpereinrichtung mindestens einen Halteabschnitt auf, und definiert vorzugsweise mindestens drei Auflagepunkte, durch den (die) die Temperieranordnung von der Formkörpereinrichtung gehalten und insbesondere getragen wird. Vorzugsweise ist die Temperieranordnung (oder eine Komponente des Labortemperierapparates) derart an der Formkörpereinrichtung angeordnet, dass sie in einer von der Formkörpereinrichtung definierten Aussparung eingelassen ist, und vorzugsweise nur formschlüssig und/oder auch kraftschlüssig mit dieser verbunden ist. Das Fixieren der Temperieranordnung an der Formkörpereinrichtung erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die Temperieranordnung zwischen Formkörpereinrichtung und der Gehäuseeinrichtung oder zwischen zwei Formkörperteilen gehalten wird, insbesondere mittels einer Presskraft, die durch Zusammenpressen der vorzugsweise nachgiebig ausgestalteten Formkörpereinrichtung innerhalb der montierten Gehäuseeinrichtung aufgebracht wird. Diese bevorzugte Befestigungsmethode kann generell für diverse Komponenten des Labortemperierapparates verwendet werden, die an (in) diesem fixiert werden müssen, insbesondere für eine Benutzerschnittstelleneinrichtung, z. B. Bedienpanel und -Display, eine E-Box-Rahmeneinrichtung, eine Ventilatoreinrichtung oder ein Kabel. Vorzugsweise werden solche Komponenten an (in) der Formkörpereinrichtung gehalten, ohne zusätzliche Befestigungsmittel wie Schrauben, Nieten, Klammern, Klebstoff, etc., zu verwenden. Auf diese Weise werden der Aufbau und die Herstellung des erfindungsgemäßen Labortemperierapparates vereinfacht. Es ist aber auch möglich und bevorzugt, eines oder mehrere dieser zusätzlichen Befestigungsmittel zur Befestigung der Komponente im Labortemperierapparat zu verwenden.
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Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung so ausgestaltet, dass sie einen Kühlkörper-Aufnahmeraum einrahmt, der nachfolgend auch als zweiter Aufnahmeraum bezeichnet wird, wobei die Formkörpereinrichtung vorzugsweise ferner so ausgestaltet ist, dass sie mindestens eine Aussparung aufweist, durch die die Temperieranordnung in diesen Aufnahmeraum hineinragt, mindestens eine Aussparung, durch die ein Kühlmedium, insbesondere Luft, in den Aufnahmeraum eintreten kann und mindestens eine Aussparung, durch die das Kühlmedium aus dem Aufnahmeraum austreten kann.
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Vorzugsweise weist der Labortemperierapparat, insbesondere die Formkörpereinrichtung, ferner mindestens einen Wandabschnitt auf, der als Bodenabschnitt des Kühlkörper-Aufnahmeraums dient. Dies erlaubt eine zuverlässige thermische Isolierung gegenüber unterhalb des Bodenabschnitts angeordnete Komponenten. Ferner kann der Wandabschnitt insbesondere an seiner Oberseite zur Strömungsführung eines Kühlmediums, insbesondere Luft, ausgebildet sein, und kann insbesondere mindestens eine oder mehrere, vorzugsweise gewölbt geformte, Erhebungen aufweisen, mittels derer der Strom des Kühlmediums in Richtung des mindestens einen Kühlkörpers gelenkt wird. Vorzugsweise ist die Temperieranordnung und der mindestens eine Kühlkörper gegenüber dem Bodenabschnitt so angeordnet, dass zwischen den untersten Enden des Kühlkörpers und der Oberseite des Bodenabschnitts eine Lücke verbleibt, durch die der Strom des Kühlmediums auch am Kühlkörper vorbei strömen kann. Auf diese Weise kann das Kühlmedium auch zu stromabwärts gelegenen Bereichen des Kühlkörpers gelenkt werden, ohne zuvor von stromaufwärts gelegenen Bereichen des Kühlkörpers stark erwärmt worden zu sein. Auf diese Weise ist eine gute innere Kühlung des Kühlkörpers möglich. Es ist aber auch möglich und bevorzugt, dass keine solche Lücke vorgesehen ist. Dadurch ergibt sich eine kompakte Bauweise bei geeigneten konstanten Strömungs- und Kühleigenschaften.
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Vorzugsweise weist der Labortemperierapparat ferner mindestens eine elektrische Einrichtung, insbesondere eine elektrische Steuereinrichtung oder eine Spannungsversorgungskomponente, z. B. ein Netzteil, auf, die in einer Umgebung der Temperieranordnung angeordnet ist, so dass die elektrische Einrichtung und die Temperieranordnung durch den Wandabschnitt thermisch voneinander isoliert sind und sich insbesondere nicht negativ gegenseitig beeinflussen.
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Vorzugsweise weist der Labortemperierapparat ferner eine Benutzerschnittstelleneinrichtung, insbesondere ein Bedienpanel und/oder ein Display etc, und eine elektrische Steuereinrichtung auf, wobei die Formkörpereinrichtung ferner so ausgestaltet ist, dass die Temperieranordnung und die Benutzerschnittstelleneinrichtung sowie die Temperieranordnung und die elektrische Steuereinrichtung jeweils voneinander räumlich getrennt und thermisch isoliert sind, insbesondere mittels wenigstens eines Wandabschnitts der Formkörpereinrichtung.
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Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung so ausgestaltet, dass sie mindestens einen ersten Aufnahmeraum zumindest teilweise einrahmt, der als Strömungskanal zur Aufnahme für das Kühlmedium zum Kühlen des Kühlkörpers der Temperieranordnung dient, einen zweiten Aufnahmeraum zur Aufnahme mindestens eines Kühlkörpers der Temperieranordnung zumindest teilweise einrahmt und einen dritten Aufnahmeraum zur Aufnahme der elektrischen Steuereinrichtung zumindest teilweise einrahmt, und vorzugsweise einen vierten Aufnahmeraum zur Aufnahme einer Benutzerschnittstelleneinrichtung zumindest teilweise einrahmt. Durch diese Aufgliederung des Innenvolumens des Labortemperierapparates wird dessen Wärme-Management vereinfacht und/oder verbessert.
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Vorzugsweise rahmt die Formkörpereinrichtung ein Teilvolumen, insbesondere Innenvolumen des Labortemperierapparates, zumindest teilweise oder im Wesentlichen vollständig ein, wobei dieses Volumen zumindest diesen ersten, zweiten und/oder dritten Aufnahmeraum aufweist. Auf diese Weise sind die jeweiligen Teilvolumen mittels der Formkörpereinrichtung optimal thermisch voneinander isoliert.
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Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung ferner so ausgestaltet, dass sie den ersten Aufnahmeraum zumindest teilweise oder vollständig umschließt, wobei der erste Aufnahmeraum mindestens eine Eintrittsöffnung für den Eintritt eines Kühlmediums aufweist und mindestens eine Austrittsöffnung für den Austritt des Kühlmediums aufweist. Auf diese Weise kann der erste Aufnahmeraum als Strömungskanal geformt sein und thermisch von Abschnitten seiner Umgebung isoliert sein.
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Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung so ausgestaltet, dass der zweite Aufnahmeraum und der dritte Aufnahmeraum jeweils eine Eintrittsöffnung für den Eintritt und eine Austrittsöffnung für den Austritt des Kühlmediums aufweist. Auf diese Weise können die beiden Aufnahmeräume im Wesentlichen unabhängig voneinander gekühlt werden. Sie können aber auch eine gemeinsame Eintritts- und/oder Austrittsöffnung aufweisen.
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Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung so ausgestaltet, dass die Eintrittsöffnungen des zweiten und dritten Aufnahmeraums in Strömungsverbindung mit der Eintritts- oder Austrittsöffnung des ersten Aufnahmeraums stehen. Auf diese Weise kann ein einzelner, den Strom des Kühlmediums erzeugender erste Aufnahmeraum, insbesondere eine einzige Ventilatoreinrichtung, zur Kühlung von zwei, insbesondere getrennten, Aufnahmeräumen verwendet werden. Vorzugsweise ist in dem ersten Aufnahmeraum mindestens eine Ventilatoreinrichtung mit vorzugsweise genau einem Ventilator oder mehreren Ventilatoren angeordnet. Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung so ausgestaltet, dass sie mindestens einen Halteabschnitt zum Halten der Ventilatoreinrichtung aufweist. Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung so ausgestaltet, dass sie die Ventilatoreinrichtung umrahmt, insbesondere konzentrisch umschließt, wobei insbesondere der erste Aufnahmeraum durch die Ventilatoreinrichtung in einen Eintrittsraum für den Eintritt des Kühlmediums und einen Austrittsraum für den Austritt des Kühlmediums unterteilt ist. Auf diese Weise wird eine im Wesentlichen vollständige Querschnittsfläche des ersten Aufnahmeraums zur Erzeugung des Stroms des Kühlmediums verwendet, wodurch die Kühlung effizient ist.
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Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung so ausgestaltet, dass der Austrittsraum eine Eintrittsöffnung für den Eintritt des Kühlmediums aufweist, die einen kreisrunden Querschnitt aufweist, und insbesondere ferner eine Austrittsöffnung aufweist, die vorzugsweise eine gleich große oder größere Querschnittsfläche besitzt als die Eintrittsöffnung, wobei die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung des Austrittsraums des ersten Aufnahmeraums vorzugsweise durch mindestens einen Wandabschnitt verbunden sind, der vorzugsweise so ausgestaltet ist, dass sich der Austrittsraum des ersten Aufnahmeraums in Strömungsrichtung trichterartig erweitert. Auf diese Weise kann vom Kühlmedium ausgehend vom ersten Aufnahmeraum ein größerer Zielbereich angeströmt werden. Die Eintrittsöffnung kann aber auch einen größeren Querschnitt aufweisen als die Austrittsöffnung.
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Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung so ausgestaltet, dass der mindestens eine Wandabschnitt des Austrittsraums des ersten Aufnahmeraums gewölbt, insbesondere vorzugsweise im Wesentlichenstufenlos verläuft. Auf diese Weise bleibt die Strömung des Kühlmediums weitestgehend laminar, weist insbesondere möglichst geringe Verwirbelungen auf, wodurch weniger Strömungsgeräusche erzeugt werden und der Betrieb des Labortemperierapparates vibrationsärmer und komfortabler ist.
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Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung so ausgestaltet, dass der Eintrittsraum eine Eintrittsöffnung für den Eintritt des Kühlmediums aufweist, und insbesondere ferner eine Austrittsöffnung aufweist, die einen kreisrunden Querschnitt aufweist, der vorzugsweise die gleich große oder eine kleinere Querschnittsfläche besitzt als die Eintrittsöffnung, wobei die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung des Eintrittsraums des ersten Aufnahmeraums vorzugsweise durch mindestens einen Wandabschnitt verbunden sind, der vorzugsweise so ausgestaltet ist, dass sich der Eintrittsraum des ersten Aufnahmeraum in Strömungsrichtung trichterartig verjüngt. Auf diese Weise sind insbesondere die Strömungsgeschwindigkeiten an der Eintrittsöffnung des Eintrittsraums geringer, wodurch weniger Geräusche erzeugt werden. Die Eintrittsöffnung kann aber auch einen größeren Querschnitt aufweisen als die Austrittsöffnung.
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Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung so ausgestaltet, dass der mindestens eine Wandabschnitt des Eintrittsraums des ersten Aufnahmeraums gewölbt, insbesondere vorzugsweise im Wesentlichen stufenlos verläuft, was insbesondere dem Akustikmanagement dient. Andererseits wird durch die Wölbung der Strom des Mediums in die gewünschte Richtung gelenkt. Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung derart ausgestaltet, dass der erste Aufnahmeraum von mindestens einem gewölbt geformten Wandabschnitt begrenzt wird, wobei insbesondere eine Austrittsöffnung des ersten Aufnahmeraums von einem gewölbt geformten Wandabschnitt begrenzt wird, der den austretenden Strom des Kühlmediums umlenkt.
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Vorzugsweise weist die Temperieranordnung einen Probenhalter, insbesondere Temperierblock, auf, der eine horizontale und planare Oberseite mit Aufnahmeöffnungen zur Aufnahme von Probenbehältern aufweist, wobei unterhalb des Probenhalters mindestens eine Temperiereinrichtung, insbesondere ein Peltier-Element, mit einer Unterseite des Probenhalters thermisch gekoppelt ist, und wobei unterhalb der mindestens einen Temperiereinrichtung der mindestens eine Kühlkörper, der insbesondere ein Aluminium oder Kupfer aufweisender Kühlkörper mit Kühlfinnen oder Kühlstiften ist, angeordnet und mit der Temperiereinrichtung thermisch gekoppelt ist, wobei vorzugsweise die Formkörpereinrichtung so ausgestaltet ist, dass die Ventilatoreinrichtung im Wesentlichen unterhalb einer horizontalen Ebene und zu dieser Ebene vorzugsweise geneigt angeordnet ist, nämlich jene Ebene, welche die Unterseite der Temperieranordnung oder des Kühlkörpers berührt. Die Ventilatoreinrichtung kann ferner neben der Temperieranordnung oder zumindest teilweise senkrecht unterhalb der Temperieranordnung angeordnet sein.
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Der Kühlkörper ist insbesondere ein Aluminium und/oder Kupfer aufweisender Kühlkörper mit von einem Fluid umströmbaren Wärmetauschelementen, die z. B. Kühlfinnen oder Kühlstifte sein können. Er kann integral oder mehrteilig ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise so ausgestaltet, z. B. mittels programmierbarer Schaltkreise und geeignetem Programmcode, dass der Kühlkörper oberhalb der Raumtemperatur (z. B. 23°C) betrieben wird. Er kann aber auch unterhalb der Raumtemperatur betrieben werden. Vorzugsweise weist der Kühlkörper im Bereich der Wärmetauschelemente mindestens einen Hohlraum, insbesondere eine Aussparung auf, die sich durch eine ganze Länge des Kühlkörpers erstreckt und von einem linearen Kühlfluidstrom durchströmbar ist. Auf diese Weise kann Wärme verwirbelungsärmer, insbesondere geräuschloser, abtransportiert werden.
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Vorzugsweise ist die Ventilatoreinrichtung so angeordnet, dass eine Normale der Ventilatorfläche auf die Eintrittsöffnung des zweiten Aufnahmeraums, insbesondere auf dem Kühlkörper trifft, und dass vorzugsweise eine Normale der Ventilatorfläche auf die Eintrittsöffnung des dritten Aufnahmeraums trifft, so dass zumindest ein Teil des strömenden Kühlmediums vom Ventilator über die kürzeste mögliche Strecke in den zu kühlenden Bereich gelangt.
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Vorzugsweise sind Mittel zur Änderung der Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung des zweiten und/oder des dritten Aufnahmeraums vorgesehen. Solche Mittel können zum Beispiel eine oder mehrere ansteuerbare und bewegliche Blenden, Klappen und/oder Lamellen aufweisen. Auf diese Weise kann der Luftstrom, der in den jeweiligen Aufnahmeraum gelangt, verteilt und/oder angepasst und insbesondere geregelt werden. Auf diese Weise kann die Temperaturkontrolle, insbesondere die Temperaturregelung, des Kühlkörpers und/oder des Probenhalters des Labortemperierapparates erweitert und effizienter gestaltet werden.
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Vorzugsweise weist die Formkörpereinrichtung mindestens einen Wandabschnitt auf, der derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass der zweite Aufnahmeraum und der dritte Aufnahmeraum thermisch voneinander isoliert sind.
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Vorzugsweise weist die Formkörpereinrichtung mehrere Formkörperteile auf oder besteht aus diesen, insbesondere mindestens ein unteres Formkörperteil, das mindestens ein oberes Formkörperteil stützt oder trägt, wobei der obere Bestandteil insbesondere so ausgestaltet ist, dass er mindestens einen Halteabschnitt zum Halten oder Tragen der Temperieranordnung aufweist. Vorzugsweise weist das untere und/oder das obere Formkörperteil mindestens ein erstes und ein zweites Formkörperteilelement auf.
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Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung derart ausgestaltet, insbesondere durch das Vorsehen von Nutelementen und Federelementen, die mittels Stecken verbindbar sind, dass mindestens zwei, oder paarweise mehr, der folgenden Komponenten der Formkörpereinrichtung insbesondere formschlüssig miteinander verbindbar sind: unteres Formkörperteil, oberes Formkörperteil, jeweils deren optionales erstes Formkörperteilelement, zweites Formkörperteilelement. Auf diese Weise ist ein einfacher Aufbau und weitere Herstellung des Labortemperierapparates ermöglicht.
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Vorzugsweise umrahmt ein oberes Formkörperteil den zweiten Aufnahmeraum für den Kühlkörper zumindest teilweise, wobei vorzugsweise ein unteres Formkörperteil den dritten Aufnahmeraum für eine elektrische Steuereinrichtung zumindest teilweise umrahmt.
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Vorzugsweise umrahmen ein unteres Formkörperteil und ein oberes Formkörperteil, insbesondere ein Formkörperteilelement, den ersten Aufnahmeraum zumindest teilweise.
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Vorzugsweise weist der Labortemperierapparat ferner eine als E-Box-Rahmeneinrichtung bezeichnete Rahmeneinrichtung auf, die zumindest eine elektrische Komponente des Labortemperierapparates umrahmt oder umschließt, wobei die Formkörpereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass die E-Box-Rahmeneinrichtung formschlüssig in der Formkörpereinrichtung, insbesondere im dritten Aufnahmeraum gehalten wird. Vorzugsweise sind einige oder im Wesentlichen alle elektrische Einrichtungen, z. B. elektrische Steuereinrichtungen, Regeleinrichtungen, Mikroprozessor, Recheneinrichtungen, z. B. CPU, Speichereinrichtungen, Datentransfereinrichtungen, Spannungsversorgungskomponenten, z. B. Netzteil, die insbesondere nicht der unmittelbaren Funktion der Benutzerschnittstelleneinrichtung oder anderer an der Außenseite angebrachter Funktionselemente dienen, innerhalb der E-Box-Rahmeneinrichtung angeordnet, wodurch ein einfacher und kompakter Aufbau des Labortemperierapparates ermöglicht wird. Ferner kann diese Komponente getrennt von der Temperieranordnung und insbesondere thermisch isoliert und separat gekühlt angeordnet sein.
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Vorzugsweise weist der Labortemperierapparat mindestens eine Rahmeneinrichtung auf, die zumindest eine elektrische Komponente des Labortemperierapparates abschirmt, oder zumindest teilweise oder voliständig umrahmt oder umhüllt. Die Rahmeneinrichtung kann ein Metallrahmen oder eine Metallplatte oder ein Metallgehäuse sein, das Öffnungen aufweisen kann und z. B. aus Blech gefertigt sein kann. Auf diese Weise lässt sich eine weitere Isolation und Schutzwirkung im Labortemperierapparat erzielen, insbesondere ein Schutz gegen Flammen, Hitze, elektromagnetische Strahlung, die zwischen der elektrischen Komponente und der Umgebung der Rahmeneinrichtung wirkt. Insbesondere kann die Formkörpereinrichtung gegen Flammen aus der Rahmeneinrichtung geschützt werden, was der Brandschutzsicherheit dient.
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Vorzugsweise weist die E-Box-Rahmeneinrichtung mindestens eine Eintrittsöffnung für den Eintritt eines Kühlmediums und mindestens eine Austrittsöffnung für den Austritt des Kühlmediums auf. Vorzugsweise weist die E-Box-Rahmeneinrichtung einen Deckenabschnitt auf und die Formkörpereinrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie mindestens einen Wandabschnitt aufweist, der derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass er den Deckenabschnitt nach oben thermisch isoliert. Der Deckenabschnitt kann aber auch durch die Formkörpereinrichtung gebildet werden.
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Vorzugsweise weist die E-Box-Rahmeneinrichtung ein Innenvolumen auf und ferner mindestens eine innere Trennwand, die eine Platine sein kann, die dieses Innenvolumen insbesondere in mindestens zwei getrennte Räume aufteilt, die vorzugsweise jeweils eine eigene Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung für das Kühlmedium aufweisen. Auf diese Weise wird eine unabhängige Kühlung der beiden Räume ermöglicht. Die durch diese Räume gelenkten Kühlfluidströme können eine unterschiedliche Stromstärke und/oder Stromdichte aufweisen, die insbesondere dem Kühlbedarf der Räume angepasst sein können.
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Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung ferner derart ausgestaltet, dass sie mindestens einen Wandabschnitt aufweist, der zwischen der Temperieranordnung und der Benutzerschnittstelleneinrichtung angeordnet ist und letztere vorzugsweise formschlüssig einfasst. Auf diese Weise kann die Benutzerschnittstelleneinrichtung leicht an der Formkörpereinrichtung gehalten werden, was insbesondere die Montage vereinfacht.
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Das poröse Material der Formkörpereinrichtung und vorzugsweise auch das Material des thermisch isolierenden Wandabschnitts der Formkörpereinrichtung weist vorzugsweise eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als Polypropylen. Porosität bezeichnet die Eigenschaft des Materials, viele Poren, nämlich Hohlräume aufzuweisen, die offen und/oder geschlossen sein können, wobei insbesondere geschäumte Kunststoffe, wie z. B. EPP, Kunststoffe mit geschlossenen Poren sind. Im Bereich der Labortemperierapparate sind z. B. Polypropylen oder Polycarbonat-ABS gebräuchliche Werkstoffe, um Gehäuse und insbesondere Einfassungen für Temperieranordnungen zu gestalten. Das poröse Material der vorliegenden Erfindung weist im Vergleich zu diesen bekannten Materialien besonders gute thermisch isolierende Eigenschaften auf, die eine besonders effiziente thermische Isolierung der Temperieranordnung von anderen Bereichen des Labortemperierapparates und in der Umgebung der Temperieranordnung ermöglichen und auf diese Weise erfindungsgemäß der besseren Temperaturkontrolle dienen. Die Wärmeleitfähigkeit des porösen Kunststoffes der Formkörpereinrichtung ist vorzugsweise geringer als die von nicht-porösen Kunststoffen, insbesondere die von Polypropylen oder Polycarbonat-ABS. Die Wärmeleitfähigkeiten des Materials der Formkörpereinrichtung beträgt nach DIN 52612 bei einer mittleren Temperatur von 20°C vorzugsweise weniger als 0,05 W/(m·K), liegt vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,05 W/(m·K), vorzugsweise zwischen 0,03 und 0,05 W/(m·K) und vorzugsweise zwischen 0,035 und 0,045 W/(m·K). Das poröse Material bietet deshalb vorzugsweise, gemessen bei derselben Materialdicke, im Vergleich zu Polypropylen mit ca. 0,22 W/(m·K), PC-ABS mit 0,2 W/(m·K) und vorzugsweise auch im Vergleich zu PU-Weichschaum mit 0,05 W/(m·K) eine bessere thermische Isolationswirkung.
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Vorzugsweise ist das Material der Formkörpereinrichtung nachgiebig, insbesondere elastisch verformbar, wie dies z. B. bei EPP der Fall ist. Dadurch wird eine Rückstellkraft erzeugt, wenn die Formkörpereinrichtung komprimiert wird, was bei der Montage des Labortemperierapparates dazu benutzt werden kann, um Komponenten des Labortemperierapparates an der Formkörpereinrichtung mittels einer Presskraft zu fixieren.
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Vorzugsweise ist das Material der Formkörpereinrichtung, aus dem diese vorzugsweise im Wesentlichen vollständig besteht, ein geschäumter Kunststoff, insbesondere geschäumtes Polypropylen (EPP, „Expanded Polypropylene”).
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Ein aus EPP bestehender Formkörper und dessen Herstellung ist zum Beispiel von der
EP 0 546 211 A1 offenbart.
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Das Material kann auch andere geschäumte Kunststoffe aufweisen oder daraus bestehen, z. B. ein EPS (Expanded Polystyrole), EPE (Expanded Polyethylene), oder PS-PE-Copolymerisate oder Modifikationen solcher Stoffe.
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Vorzugsweise ist das Material der Formkörpereinrichtung hitzeresistent, insbesondere im Temperaturbereich von 0°C bis 120°C langfristig zerstörungsfrei verwendbar, und weist vorzugsweise gemäß ISO 75-2/A eine Dauergebrauchstemperatur TD bei 20000 Stunden in bevorzugten Bereichen mit den bevorzugten Unter- und Obergrenzen zwischen {70; 90; 100°C} <= TD <= {100; 120; 150°C} auf.
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Vorzugsweise ist das Material der Formkörpereinrichtung ein geschäumter Kunststoff, der gemessen nach ISO 1183 eine Dichte zwischen vorzugsweise 15 bis 300 kg/m3 (Kilogramm/Kubikmeter) aufweist, vorzugsweise 15 bis 100 kg/m3, vorzugsweise 30 bis 100 kg/m3, vorzugsweise 40 bis 100 kg/m3, mehr bevorzugt 30 bis 80 kg/m3, und mehr bevorzugt 50 bis 70 kg/m3. Auf diese Weise kann eine gute thermische Isolationswirkung erzielt werden. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu bekannten Materialien, die für Gehäuseteile von Thermostaten verwendet werden, z. B. Polypropylen mit ca. 910 kg/m3 und PC-ABS mit ca. 1130 kg/m3.
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Vorzugsweise ist das Material der Formkörpereinrichtung ein geschäumter Kunststoff, der schwer entflammbar ist, vorzugsweise gemäß UL-94 (UL-Listung, Underwrites Laboratories Inc.®) schwer entflammbar ist, entsprechend vorzugsweise der Spezifikation HBF oder HF-2 und besonders bevorzugt HF-1. Auf diese Weise ist stets ein sicherer Betrieb des Labortemperierapparats möglich.
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Vorzugsweise ist der Labortemperierapparat, insbesondere die Formkörpereinrichtung so gestaltet, dass zwischen der Formkörpereinrichtung und einer elektrischen Komponente des Labortemperierapparats mindestens ein Abschirmabschnitt, z. B. eine Trennwand, vorgesehen ist. Die elektrische Komponente kann z. B. eine elektrische Benutzerschnittstelleneinrichtung, eine Spannungsversorgungskomponente oder ein elektrisches Schaltkreisteil oder Platine sein. Die Formkörpereinrichtung, insbesondere der Wandabschnitt aus Poren und Kunststoff aufweisendem Material, kann so gegenüber der elektrischen Komponente abgeschirmt werden, um z. B. Hitze oder Flammen im Falle einer defekten elektrischen Komponente von der Formkörpereinrichtung abzuhalten und gegebenenfalls in die Umgebung des Labortemperierapparats oder in einen vorbestimmten Bereich innerhalb des Labortemperierapparats zu lenken oder die Flammen am Austreten aus einem solchen Bereich zu hindern. Der Abschirmabschnitt weist vorzugsweise Metall auf, z. B. Stahlblech, Aluminium, oder besteht daraus. Der Abschirmabschnitt kann mit einer Komponente des Labortemperierapparats integral ausgebildet oder verbunden oder separat angeordnet sein, wobei diese Komponente die Formkörpereinrichtung vorzugsweise kontaktiert, vorzugsweise abstützt, oder vorzugsweise in geringerem Maße oder nicht kontaktiert, wobei vorzugsweise ein Hohlraum zwischen dieser Komponente und der Formkörpereinrichtung vorgesehen sein kann, um eine weitere thermische Isolationsschicht (Luft) zu erzeugen.
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Vorzugsweise ist der porösen Kunststoff aufweisende Wandabschnitt der Formkörpereinrichtung oder die Formkörpereinrichtung antistatisch ausgebildet.
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Vorzugsweise ist die Formkörpereinrichtung oder mindestens eines ihrer Bestandteile durch eine Urformverfahren, insbesondere durch Schäumen, in einem chemischen, physikalischen oder mechanischen Treibverfahren, oder ein Umformverfahren, insbesondere Thermoformen, gebildet.
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Vorzugsweise weist der Labortemperierapparat mindestens einen mit einem Kühlkörper der Temperieranordnung thermisch gekoppelten Temperatursensor und eine Ventilatoreinrichtung zum Kühlen des Kühlkörpers, und ferner vorzugsweise eine elektrische Steuereinrichtung auf, die eine elektrische Regeleinrichtung aufweist, die anhand der mit diesem Temperatursensor gemessenen Temperatur des Kühlkörpers die Umdrehungszahl der Ventilatoreinrichtung regelt. Vorzugsweise ist die elektrische Regeleinrichtung zur Regelung der Temperatur im Probenhalter so ausgestaltet, insbesondere durch Vorsehen und Verwenden einer entsprechend ausgestalteten Steuerungs-Software, dass das Halten einer vorbestimmten, konstanten Temperatur über einen vorbestimmten Zeitraum, insbesondere von mindestens 0,1; 1; 2; 5; 10; 15 oder mehr Minuten, erfolgt.
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Als erfindungsgemäß wird auch eine Formkörpereinrichtung für einen erfindungsgemäßen Labortemperierapparat mit einer Temperieranordnung zum Temperieren mindestens einer Probe angesehen, wobei die Formkörpereinrichtung zumindest teilweise aus einem Poren und Kunststoff aufweisenden Material geformt ist, mindestens einen Trägerabschnitt aufweist, der als Trägergestell zum Tragen der Temperieranordnung ausgestaltet ist, und mindestens einen Wandabschnitt aufweist, der bezüglich der Temperieranordnung derart angeordnet und als thermischer Isolationskörper ausgestaltet ist, dass er den Wärmefluss zwischen der Temperieranordnung und deren Umgebung verringert.
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Ferner wird als erfindungsgemäß angesehen die Verwendung einer Formkörpereinrichtung zum Halten oder Tragen einer Temperieranordnung in einem erfindungsgemäßen Labortemperierapparat und zum thermischen Isolieren der Temperieranordnung zu einer Umgebung der Temperieranordnung, insbesondere zu einem Innenvolumen des Labortemperierapparats.
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Ferner wird als erfindungsgemäß angesehen ein Verfahren zum Herstellen oder Montieren des Labortemperierapparat gemäß Anspruch 1, umfassend vorzugsweise die Schritte, vorzugsweise in dieser oder einer anderen Reihenfolge:
- – Bereitstellen der Formkörpereinrichtung, insbesondere eines unteren Formkörperteils, das insbesondere ein erstes und ein zweites Formkörperteilelement aufweist;
- – vorzugsweise: Anordnen einer E-Box-Rahmeneinrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Formkörperteilelement des unteren Formkörperteils, vorzugsweise: Verbinden des ersten und des zweiten Formkörperteilelementes des unteren Formkörperteils;
- – vorzugsweise: Anordnen einer Ventilatoreinrichtung am unteren Formkörperteil;
- – vorzugsweise: Anordnen eines oberen Formkörperteils über dem unteren Formkörperteil;
- – Anordnen der Temperieranordnung an der Formkörpereinrichtung, insbesondere: Bereitstellen eines oberen Formkörperteils, insbesondere ersten Formkörperteilelements des oberen Formkörperteils, und insbesondere: Anordnen der Temperieranordnung in (oder an) dem ersten Formkörperteilelement des oberen Formkörperteils;
- – vorzugsweise: Anordnen einer Benutzerschnittstelleneinrichtung an der Formkörpereinrichtung, insbesondere: Bereitstellen eines oberen Formkörperteils, insbesondere zweiten Formkörperteilelements des oberen Formkörperteils, und insbesondere: Anordnen der Benutzerschnittstelleneinrichtung in (oder an) dem zweiten Formkörperteilelement des oberen Formkörperteils;
- – vorzugsweise: Anordnen der Formkörpereinrichtung, an der insbesondere die Temperieranordnung und/oder weitere oder im Wesentlichen alle Komponenten des Labortemperierapparates angeordnet sind, an einem ersten Gehäuseteils einer Gehäuseeinrichtung; Anordnen mindestens eines zweiten Gehäuseteils an der Anordnung aus dem ersten Gehäuseteil und der Formkörpereinrichtung;
- – vorzugsweise: Befestigen des ersten Gehäuseteils und des zweiten Gehäuseteils mit der dazwischen angeordneten Formkörpereinrichtung, an der insbesondere die Temperieranordnung und/oder weitere oder im Wesentlichen alle Komponenten des Labortemperierapparates angeordnet sind, insbesondere mittels Verschrauben, wobei durch die Befestigung des ersten Gehäuseteils und des zweiten Gehäuseteils eine Presskraft auf die Formkörpereinrichtung und die an dieser angeordneten bzw. von dieser aufgenommenen Komponente(n), insbesondere Temperieranordnung, aufgebracht wird, wodurch diese Komponente(n) im Labortemperierapparat fixiert wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels und der Figuren. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen gleiche Bauteile.
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1 zeigt eine perspektivische und durchgeschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Labortemperierapparats, hier eines Thermocyclers.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht des Thermocyclers aus 1
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3 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht des Thermocyclers aus 1.
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4 zeigt die Explosionsansicht des Thermocyclers aus 3 mit durchgeschnittenen Bauteilen.
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5 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht der Formkörpereinrichtung des Thermocyclers aus der 1.
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6 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht der Formkörpereinrichtung und von Komponenten, die zur Anordnung in Aufnahmeräumen der Formkörpereinrichtung vorgesehen sind.
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7 zeigt eine Querschnittsansicht durch die Formkörpereinrichtung des Thermocyclers aus der 1.
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8 zeigt eine Querschnittsansicht durch die Formkörpereinrichtung des Thermocyclers aus der 1, mit E-Box-Rahmeneinrichtung 20 und darin angeordneten elektronischen Bauteilen.
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9 zeigt einen Querschnitt durch die Formkörpereinrichtung des Thermocyclers aus der 7, 8, entlang der Linie B mit Aufsicht auf die geneigte Formkörpereinrichtung.
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1 zeigt eine perspektivische und in einer zentralen x-z-Ebene durchgeschnittene Ansicht des Labortemperierapparats 1, nämlich eines Thermocyclers 1. Der Labortemperierapparat 1 weist eine Temperieranordnung 2 auf. Zu dieser gehört insbesondere der Aluminium-Temperierblock 3 zur Aufnahme von Probengefäßen (nicht gezeigt). Der Temperierblock 3 weist beispielsweise 8 × 12 gitterartig angeordnete Aufnahmen 4 für Probengefäße auf, deren kreisrunde Öffnungen in einer horizontalen Ebene der Oberseite des Temperierblocks angeordnet sind und die insbesondere zur Aufnahme von 96er-Mikrotiterplatten oder Einzelgefäßen ausgebildet sind. Die planare, horizontal angeordnete Unterseite des Temperierblocks 3 ist zu 95–100% flächig mit der Oberseite von sechs Peltierelementen 5 kontaktiert und thermisch mit diesen gekoppelt, so dass der Temperierblock im Wesentlichen über seine gesamte Unterseite temperiert wird. Die Unterseite der Peltierelemente 5 ist von der oben gelegenen Kontaktierseite des Kühlkörpers 6 kontaktiert und thermisch mit dieser gekoppelt. Die Peltierelemente 5 sind mittels einer Verschraubung 7 zwischen dem Temperierblock 3 und dem Kühlkörper 6 verpresst, um die thermische Kopplung zu verbessern.
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Die Temperaturregelung des Temperierblocks 3 kann in einem ersten Betriebsmodus des Thermocyclers 1 mit einer einzigen, konstanten Solltemperatur im Temperierblock erfolgen, oder kann mit mehreren, verschiedenen Solltemperaturen im Temperierblock erfolgen. Letzteres führt zu einem Temperaturprofil im Temperierblock, das verschiedenen Segmenten des Temperierblocks eine im Wesentlichen konstante Temperatur verleiht, oder führt zu einem anderen Temperaturprofil. Dazu können die Peltierelemente 5 paarweise oder einzeln angesteuert werden und die Temperatur im Temperierblock 3 kann mittels mehrerer Temperatursensoren, insbesondere sechs Temperatursensoren (Messglieder eines Regelkreises, nicht gezeigt) im/am Temperierblock 3 erfasst werden. Mittels verschiedener, unabhängig oder paarweise arbeitender oder abhängig arbeitender Regelkreise (nicht gezeigt) einer elektronischen Steuereinrichtung des Labortemperierapparates kann die gewünschte Temperatur im Temperierblock geregelt und das gewünschte (räumlich konstante oder veränderliche) Temperaturprofil eingestellt werden. Die Regelung wird von einer elektronischen Steuereinrichtung, insbesondere Regeleinrichtung, gesteuert und folgt vorzugsweise einem vorgegebenen Programmverlauf. Dazu weist die elektronische Steuereinrichtung vorzugsweise Mittel zum Speichern und Mittel zum Ausführen eines Programms für das zeitliche Steuern der Temperaturregelung im Temperierblock auf. Solche Programme sind zum Beispiel darauf optimiert, eine Polymerase-Kettenreaktion (PCR) in effizientester Weise durchzuführen.
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Um das gewünschte Temperaturprogramm, welches die PCR-Reaktion in den Proben steuert, in optimaler Weise einzustellen sollte gewährleistet sein, dass die Regelvorgänge zur Temperaturregelung in der Temperieranordnung 2 möglichst ungestört verlaufen, und dass die Kühlung der Abwärme produzierenden Bauteile des Thermocyclers möglichst effizient gestaltet ist. Der Thermocycler 1 weist dazu eine Formkörpereinrichtung 100 auf, welche die Temperieranordnung 2 thermisch von deren Umgebung isoliert, so dass die unerwünschten Wechselwirkungen der Temperieranordnung mit deren Umgebung unterdrückt werden und insbesondere die Funktion der Temperieranordnung im Wesentlichen ungestört verläuft. Der Aufbau, die Gestaltung und die Anordnung der erfindungsgemäßen Formkörpereinrichtung 100 mit Bezug auf die Anordnung der Komponenten des Thermocyclers 1 wird nachfolgend weiter erläutert.
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Wie ferner in der 1 gezeigt ist, weist der Thermocycler 1 ferner weitere Komponenten auf: eine Deckeleinrichtung 8, die mittels eines manuell zu bedienenden Schwenkhebels 9 aus der in 1 gezeigten geschlossenen Stellung des Deckels 8 geöffnet und wieder geschlossen werden kann. Die Deckeleinrichtung 8 weist ferner einen Anpressmechanismus auf, nämlich eine Getriebemechanik 10 und eine Zwangsführungseinrichtung, deren Bewegung mit der Bewegung des Hebels 9 gekoppelt ist, so dass ein weiteres Schwenken des Hebels 9 um die parallel zur y-Achse angeordnete Schwenkachse des Hebels 9 in die negative x-Richtung des eingezeichneten kartesischen Koordinatensystems ein Absenken der Anpressgruppe 11 in negative z-Richtung bewirkt, so dass in den Aufnahmen 4 des Temperierblocks 3 angeordnete Probengefäße (nicht gezeigt) gegen den Temperierblock 3 gepresst werden, wodurch der thermische Kontakt zwischen den Probengefäßen und dem Temperierblock optimiert wird. Die Temperatur der Pressplatte 12 der Anpressgruppe 11 wird gewöhnlich auf ein höheres Temperaturniveau geregelt als maximal im Temperierblock als Solltemperatur anliegt. Auf diese Weise wird die Kondensation von Probenflüssigkeit an der Innenseite der Probengefäßdeckel verhindert.
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Wie in 1 ferner gezeigt ist, weist der Thermocycler 1 ferner eine E-Box-Rahmeneinrichtung 20 auf, die im Wesentlichen ein quaderförmiges Kastenelement mit einem Rahmengehäuse 20 aus Metallblech ist. Das Rahmengehäuse 20 weist eine Vorderseite mit ersten Eintrittsöffnungen 21 und darunter gelegenen zweiten Eintrittsöffnungen 22 und eine Rückseite mit Austrittsöffnungen 29 auf. Ein Platinenelement 23 mit elektronischen Komponenten der elektronischen Steuereinrichtung des Labortemperierapparates, die auf der Oberseite des Platinenelementes 23 angeordnet sind, dient als Trennwand des Innenvolumens des Rahmengehäuses 20. Der untere Raum enthält insbesondere ein Netzteil des Labortemperierapparates. Durch die Trennwand wird Kühlungsluft, die vom Ventilator 14 in Richtung der Eintrittsöffnungen 21, 22 bewegt wird, innerhalb des inneren Volumens in einen oberen Strömungsweg und einen unteren Strömungsweg aufgeteilt. Der obere und der untere Raum des Rahmengehäuses 20 werden deshalb separat gekühlt. Temperatur-Abweichungen in den beiden getrennten Räumen sind deshalb möglich. Der untere Raum weist ferner die Platine 23', die insbesondere Spannungsversorgungskomponenten des Labortemperierapparats trägt, und die beiden Kühlbleche 23'' und 23''' auf, welche die Platine 23' kühlen.
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Die E-Box-Rahmeneinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, um bei einem Störfall, bei dem z. B. im Inneren der E-Box-Rahmeneinrichtung 20 Flammen auftreten, diese Flammen im Inneren zurück zu halten und ein Austreten der Flammen in das Innere des Labortemperierapparats zu verhindern. Die E-Box-Rahmeneinrichtung 20 weist ferner zwei als vertikale Wandabschnitte ausgebildete Abschirmabschnitte 27, 28 auf (siehe 3), die sich seitlich der Oberseite der E-Box-Rahmeneinrichtung vertikal nach oben erstrecken und die im Falle einer solchen Störung verhindern, dass Flammen oder Hitze, die durch die Ventilieröffnungen in der E-Box-Rahmeneinrichtung 20 direkt auf den Formkörperabschnitt bzw. die Bodenplatte 135 wirken (siehe 5). In Kombination mit der hitzeresistenten Gestaltung des Formkörpers in diesem Ausführungsbeispiel wird so eine besonders sichere Gestaltung des Labortemperierapparats erreicht.
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Der Thermocycler 1 weist ferner eine Benutzerschnittstelleneinrichtung 30 auf, die Bedienknöpfe und ein Display aufweist, um dem Benutzer die komfortable Bedienung des Thermocyclers 1 zu ermöglichen. Der Thermocycler 1 weist ferner eine Gehäuseeinrichtung 40 auf, die insbesondere ein unteres Bodengehäuse Teil 41 und ein oberes Deckelgehäuse Teil 42 aufweist. Durch diese Gestaltung des Gehäuses 40 ist die einfache Montage des Labortemperierapparates 1 möglich, da nach Anordnung von im Wesentlichen allen Komponenten des Labortemperierapparates auf dem Bodengehäuseteil 41 das Aufsetzen und anschließende Verbinden des Deckelgehäuseteils 42 mit dem Bodengehäuseteil 41, insbesondere das Verpressen der Formkörpereinrichtung 100 mit daran angeordneten Komponenten des Labortemperierapparates 1 zwischen dem unteren und oberen Gehäuseteil, möglich ist, wodurch diese Komponenten am/im Labortemperierapparat fixiert werden.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht des Thermocyclers 1 parallel zur x-z-Ebene durch die Mitte des Thermocyclers.
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3 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht des Thermocyclers 1. Die Temperieranordnung 2 weist ein Plattenelement 15 einer Probenhalterplattform auf, in der der Temperierblock 3 zentral angeordnet ist. Die Oberseite des Plattenelements 15 wird im geschlossenen Zustand des Deckels 8 mit einer Dichtlippe 13 (siehe 1) kontaktiert. Dadurch wird ein Probenaufnahmeraum 16 oberhalb des Plattenelements 15 und unterhalb der inneren Deckeleinrichtung 17, die die beheizbare Pressplatte 12 trägt, von der Umgebung getrennt, insbesondere durch Verhindern von entsprechender, Wärme übertragender Konvektion, thermisch isoliert. An der Temperieranordnung 2 sind ferner zwei Halteelemente 18 zur Verriegelung des geschlossenen Deckels 8 und zwei Scharnierelemente 19 zum Aufschwenken des Deckels 8 befestigt. Das Plattenelement 15 besteht aus einem Material mit thermisch isolierender Wirkung, vorzugsweise aufweisend Polypropylen. Das Material ist ferner geeignet, um dauerhaft und zerstörungsfrei erhalten zu bleiben, wenn der Labortemperierapparat 1 wiederholt zum Temperieren des Temperierblocks 3 betrieben wird.
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Das Plattenelement 15 ist fest, insbesondere unlösbar, mit der Stapelanordnung der Temperieranordnung 2 verbunden, die den Temperierblock 3, die Peltierelemente 5 und den Kühlkörper 6 aufweist, die mittels Verschraubung 7 verpresst sind. Zwischen Plattenelement 15 und Stapelanordnung ist ein Isolationsmittel zur thermischen Isolierung angeordnet, vorliegend eine Silikonmasse, wodurch die Temperaturkontrolle weiter verbessert wird. Das Plattenelement 15 weist ein unterhalb der Ebene der Oberseite des Plattenelements 15 angeordnetes Halterungselement 15', nämlich hier Rinnenelement 15' auf, das mittels eines vertikal angeordneten Verbindungssteges integral mit dem Plattenelement 15 ausgebildet ist. Das Halterungselement 15' dient einerseits als Abstützelement, mit dem sich die Temperieranordnung 2 durch Auflage auf dem Auflageabschnitt 121 und den Auflageabschnitten 122, 123 der Formkörpereinrichtung 100 an dieser abstützt. Bei der Montage des Labortemperierapparates 1 wird die Temperiereinrichtung in der entsprechenden Aussparung in der Oberseite des ersten Formkörperteilelements 102a (siehe 5) angeordnet, und von diesem und dem zweiten Formkörperteilelement 102b gehalten, bzw. an diesem aufgehängt, indem die Unterseite des Halterungselementes 15 auf der Auflagefläche des Auflageabschnitts 121 am zweiten Formkörperteilelement 102b und den Auflageabschnitten 122, 123 (siehe 6) des ersten Formkörperteilelements 102a aufliegt. Ferner liegt ein Auflageabschnitt 6' des Kühlkörpers 6 auf den Auflageflächen 124, 125 des ersten Formkörperteilelements 102a auf, wobei diese unterhalb der Auflageflächen 122, 123 angeordnet sind.
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Bei der Montage des Labortemperierapparates 1 wird die montierte Baugruppe aus Gehäuseunterteil 41, Formkörpereinrichtung 100 und daran angeordneten Komponenten des Labortemperierapparates bereitgestellt, insbesondere ist die Temperieranordnung 2 formschlüssig mit der Formkörpereinrichtung 100 verbunden. Dann wird das Gehäuseoberteil 42 auf diese Baugruppe aufgesetzt und das Gehäuseoberteil 42 wird durch Verschraubung fest mit dem Gehäuseunterteil 41 verbunden. Durch dieses Verbinden wird insbesondere ein Auflage- und Anpressbereich 43 (siehe 2) des Gehäuseoberteils 42 gegen einen im Rinnenelement 15' umlaufenden Dichtungsring gepresst, der z. B. aus einem Kunststoff-Material, insbesondere einem Elastomer besteht, und ferner letztlich gegen den Rinnenrand des Rinnenelementes 15', also gegen das Plattenelement 15, gepresst. Das Plattenelement 15 wird auf diese Weise gegen die genannten Auflageflächen 121, 122, 123, 123, 125 der Formkörpereinrichtung 100 gepresst, die auf diese Weise elastisch verformt werden. Die Formkörpereinrichtung reagiert mit einer entsprechenden elastischen Rückstellkraft, wodurch insbesondere die Temperieranordnung 2 dauerhaft fest im Labortemperierapparat gehalten wird, insbesondere ohne dass weitere Befestigungsmittel wie Schrauben oder Klammern oder dergleichen benötigt werden. In ähnlicher Weise wird die Benutzerschnittstelleneinrichtung 30 an der Formkörpereinrichtung 100 fixiert.
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Insbesondere mit Bezug auf 5 wird die Formkörpereinrichtung 100 weiterbeschrieben. Die Formkörpereinrichtung 100 weist ein unteres Formkörperteil 101 auf, das aus einem ersten Formkörperteilelement 101a und einem zweiten Formkörperteilelement 101b besteht. Diese werden im montierten Zustand der Formkörpereinrichtung 100 mittels einer Nut 111- und Feder 112-Verbindung formschlüssig aneinander gehalten. Die Formkörpereinrichtung 100 weist ferner ein oberes Formkörperteil 102 auf, das aus einem ersten Formkörperteilelement 102a und einem zweiten Formkörperteilelement 102b besteht. Diese werden im Wesentlichen nebeneinander auf dem unteren Formkörperteilelement montiert, und zwar dort insbesondere mittels Nut 111'- und Feder 112'-Verbindung (bzw. Nut 111''- und Feder 112''-Verbindung, siehe auch 6) formschlüssig gehalten.
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Das erste Formkörperteilelement 102a des oberen Formkörperteils 102 weist Wandabschnitte 131, 132 und 135 auf, insbesondere eine erste Seitenwand 131 und eine zweite Seitenwand 132, die integral mit der Bodenplatte 135 des ersten Formkörperteilelementes 102a verbunden sind. Diese Wandabschnitte 131, 132 und 135 umrahmen einen zweiten Aufnahmeraum 202 (siehe 7 und 8) zur Aufnahme des Kühlkörpers 6, der mit geringem Spiel in diesem Aufnahmeraum 202 angeordnet wird. Diese Wandabschnitte 131, 132 und 135 sowie die Wandabschnitte 133 und 134 des zweiten Formkörperteilelements 102b des oberen Formkörperteils 102 (siehe 7) sind in der Art ausgestaltet und angeordnet, dass die Temperieranordnung wirksam von ihrer Umgebung thermisch isoliert wird, insbesondere vom dritten Aufnahmeraum 203 und vierten Aufnahmeraum 204 thermisch isoliert sind, die der Aufnahme von empfindlichen und Abwärme produzierenden elektrischen Komponenten dienen, insbesondere der Benutzerschnittstelleneinrichtung 30, die im vierten Aufnahmeraum 204 angeordnet wird, und der E-Box-Rahmeneinrichtung 20 mit elektrischer Steuereinrichtung, insbesondere CPU, und Spannungsversorgung, insbesondere Netzteil, die im dritten Aufnahmeraum 203 des Labortemperierapparates 1 angeordnet wird.
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Die Formkörpereinrichtung gliedert oder trennt das Innenvolumen des Labortemperierapparates 1, wie in den 7 und 8 gezeigt ist, in verschiedene Aufnahmeräume, die verschiedenen Zwecken dienen und deshalb unterschiedlich temperiert und gelüftet werden. Der erste Aufnahmeraum 201 bildet mit dem zweiten Aufnahmeraum 202 und den dritten Aufnahmeraum 203 einen sich Y-förmig aufteilenden Strömungskanal, der bei Betrieb des Ventilators 14 mit der Kühlungsluft durchströmt wird. Der zweite Aufnahmeraum 202 befindet sich am Ende eines oberen Strömungspfades 204 und der dritte Aufnahmeraum befindet sich am Ende eines unteren Strömungspfades 205, an deren stromaufwärts gelegenen Enden sich ihre Eintrittsöffnungen 136, 137 für den Eintritt und an deren stromabwärts gelegenen Enden sich ihres Austrittsöffnungen 138, 139 für den Austritt der Abwärmeluft befinden. Die Abwärmeluft wird also direkt aus dem Innenvolumen des Labortemperierapparates 1 an dessen Umgebung abgegeben, insbesondere ohne weitere Strömungsstrecken innerhalb des Innenvolumens zurückzulegen. Der vierte Aufnahmeraum 204 dient der Aufnahme der Benutzerschnittstelleneinrichtung 30.
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Die Bodenplatte 135 der Formkörpereinrichtung 100, die eine hohe thermisch isolierende Wirkung aufweist, ist derart geformt und zwischen dem zweiten und dem dritten Aufnahmeraum angeordnet, dass sie diese Aufnahmeräume thermisch voneinander isoliert. Auf diese Weise wird eine unerwünschte thermische Wechselwirkung zwischen dem Kühlkörper 6 und der unterhalb der Bodenplatte 135 angeordneten E-Box-Rahmeneinrichtung eingedämmt. Der Kühlkörper 6, der bei der Temperaturregelung der Temperieranordnung 2 vorzugsweise möglichst konstant mit Solltemperaturen zwischen 40°C und 70°C angesteuert wird, um eine einfache Temperaturregelung zu ermöglichen, wird auf diese Weise einerseits nicht von Wärmequellen oder Wärmesenken aus dem dritten Aufnahmeraum beeinträchtigt und stört andererseits selber den Betrieb der elektrischen Einrichtungen innerhalb des dritten Aufnahmeraum nicht.
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Die Formkörpereinrichtung 100, insbesondere deren Bestandteile, bestehen aus einem geschäumten, hitzeresistenten Kunststoff, nämlich einem entsprechend ausgestalteten EPP, mit einer Dichte von 60 kg/m3 (Kilogramm pro Kubikmeter) und einer sehr geringen thermischen Leitfähigkeit von ca. 0,034 W (m·K). Damit weist das Material der Formkörpereinrichtung eine starke Porosität auf und wirkt stark thermisch isolierend. Ferner ist es elastisch verformbar, dauerhaft mechanisch stabil und somit geeignet, auch die benötigten Trägerfunktionen zum Tragen der Komponenten des Labortemperierapparates 1 bereitzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 98/43740 A2 [0004]
- EP 0546211 A1 [0046]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 21. Auflage, 2005, Springer Verlag, Kapitel G, 1.5.1 [0012]
- DIN 52612 [0043]
- ISO 75-2/A [0048]
- ISO 1183 [0049]
