EP3731969B1 - Laborgerätsystem und laborgerät zum erhitzen und kühlen von proben - Google Patents

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EP3731969B1
EP3731969B1 EP19712963.8A EP19712963A EP3731969B1 EP 3731969 B1 EP3731969 B1 EP 3731969B1 EP 19712963 A EP19712963 A EP 19712963A EP 3731969 B1 EP3731969 B1 EP 3731969B1
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EP
European Patent Office
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laboratory apparatus
heat
receiving element
sample receiving
laboratory
Prior art date
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EP19712963.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3731969A1 (de
EP3731969C0 (de
Inventor
Stefan Peters
Dirk Seifferth
Achim STAPELFELDT
Uwe KÜLZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hans Heidolph GmbH and Co KG
Original Assignee
Hans Heidolph GmbH and Co KG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/45—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers
    • B01F33/452—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers using independent floating stirring elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0663—Whole sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1805—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • B01L2300/1822—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using Peltier elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1838—Means for temperature control using fluid heat transfer medium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1838—Means for temperature control using fluid heat transfer medium
    • B01L2300/185—Means for temperature control using fluid heat transfer medium using a liquid as fluid

Definitions

  • the present invention relates to a laboratory device system with a laboratory device for treating a sample and to such a laboratory device.
  • Such a laboratory device is, for example, a rotary evaporator for evaporating a mixture of substances.
  • the mixture is provided in a rotary piston and is evaporated by supplying heat using a heating bath and a rotational movement of the piston while applying a negative pressure in the piston.
  • Another such laboratory device is, for example, a magnetic or heating stirrer.
  • the sample for example a liquid
  • a heating plate is heated by means of a heating plate and at the same time mixed by means of a rod (stirring fish) rotating in the sample container, in that this is magnetically driven to a rotational movement by a drive of the magnetic stirrer.
  • Shaking and mixing devices can also be used, for example, in the invention.
  • a shaking and mixing device mixing (or shaking and mixing) of the sample or several samples is achieved by causing them to undergo periodic one-, two- or three-dimensional movements. such as rotating, vibrating, circular, tumbling or rocking movements.
  • periodic one-, two- or three-dimensional movements such as rotating, vibrating, circular, tumbling or rocking movements.
  • by arranging the device in an incubator it is possible to heat the sample(s) at the same time.
  • the laboratory devices mentioned as examples are therefore capable of causing various movements in or in a sample and at the same time supplying thermal energy to it.
  • thermo energy from a sample may also be desirable not only to heat a sample in such a laboratory device, but also to cool it, i.e. to remove thermal energy from it, for example as a downstream process after a heating process and / or to avoid undesirable, for example chemical reactions in the sample.
  • the object is achieved by a laboratory device system according to claim 1 and a laboratory device according to claim 13. Further developments of the invention are stated below or in the subclaims.
  • the laboratory device can also be further developed by the features of the laboratory device system listed below or in the subclaims and vice versa, if this makes sense.
  • a laboratory device system comprises at least one laboratory device and at least one sample receiving element and at least one heat transport device.
  • the heat transport device transports heat from a drive element of the device to a sample receiving element of the laboratory device.
  • the heat transport device serves to supply and/or remove thermal energy to or from the sample receiving element.
  • the heat transport device transports heat between the sample receiving element and the laboratory device and/or a temperature control device provided outside the laboratory device and/or a heat and/or cold source provided outside the laboratory device.
  • the heat transport can be directed towards or away from the sample, i.e. the sample can be heated and/or cooled.
  • the heat transport device also referred to as a heat transport system
  • the sample receiving element can each either be integral parts of the laboratory device (i.e. provided in or on the laboratory device), or they can be provided separately from the laboratory device.
  • tempering means “heating and/or cooling”.
  • the sample receiving element can be, for example, a container (e.g. a flask or a beaker) for holding a sample (e.g. a liquid) and/or the sample receiving element can be, for example, a plate or platform on which the sample or a container containing the sample are positioned can.
  • a container e.g. a flask or a beaker
  • a sample e.g. a liquid
  • the sample receiving element can be, for example, a plate or platform on which the sample or a container containing the sample are positioned can.
  • the laboratory device system it is possible, for example, to use waste heat generated in the laboratory device itself to (pre-)heat a sample and/or to heat a sample to be treated in the laboratory device using an external heating and/or cooling device (e.g. also by the waste heat from another laboratory device) or to cool and/or to heat or cool the sample through heat exchange with, for example, the ambient air and/or a heating or cooling bath.
  • an external heating and/or cooling device e.g. also by the waste heat from another laboratory device
  • cool and/or to heat or cool the sample through heat exchange with, for example, the ambient air and/or a heating or cooling bath.
  • the sample receiving element can be part of the laboratory device or can be provided outside the laboratory device.
  • heat can be supplied and/or removed to a sample positioned in or on the laboratory device, or to a sample intended for the laboratory device in advance (ie before treatment in the laboratory device).
  • Thermal energy can be supplied and/or removed (e.g. for preheating) and/or the waste heat from the laboratory device can be used to heat a sample provided outside the laboratory device.
  • the laboratory device preferably further comprises a temperature control device for supplying or removing thermal energy to or from a sample receiving element of the laboratory device.
  • a temperature control device for supplying or removing thermal energy to or from a sample receiving element of the laboratory device. This makes it possible, for example, to heat or cool the sample receiving element, on which a sample or a container containing the sample is provided, directly, i.e. immediately and with as little energy loss as possible.
  • the sample receiving element is a plate, this can either be designed as a temperature control device itself, or a temperature control device can be provided separately from the plate in order to temperature control it, preferably directly adjacent to the plate in order to enable the best possible energy transfer.
  • the temperature control device of the laboratory device is a Peltier element, with the heat transport device preferably supplying and/or removing thermal energy to the Peltier element.
  • a Peltier element comprises two plates with semiconductors provided between them, with a temperature difference being established between the plates when current flows through them.
  • the Peltier element can be used both for heating and, when the current direction is reversed, for cooling the sample receiving element. The effect of cooling or heating can be further enhanced by cooling the warm side of the Peltier element or by warming the cold side of the Peltier element.
  • the heat is supplied or removed by the heat transport device.
  • thermo energy can be quickly removed from the sample by the heat transport device when changing from heating to cooling or when changing from cooling Thermal energy can be supplied quickly for heating.
  • the heat transport device can comprise a fluid circuit, preferably a liquid circuit, which preferably further has a pump. With that you can For example, thermal energy can be transported to or removed from the sample receiving element in a simple manner.
  • the heat transport device can also each comprise a gas inlet and a gas outlet provided in the laboratory device and preferably further a gas passage provided in the laboratory device. This makes it possible, for example, to enable heat transport through a gas stream (e.g. an air stream).
  • a gas stream e.g. an air stream
  • the heat transport device can also be a heat pipe, wherein the heat pipe is preferably arranged so that it has a local gradient from a colder to a warmer location.
  • a heat pipe is a heat exchanger from a warm place to a cold place.
  • the working medium contained in the heat pipe e.g. water or ammonia
  • the resulting steam flows in the heat pipe to the end of the heat pipe that is connected to the cold location (heat sink), where it condenses again and thus gives off heat.
  • the reliquefied working medium returns to the point where the heat is introduced by gravity (thermosiphon) or by capillary forces (heat pipe).
  • the arrangement of the heat pipe in a gradient from the colder place to the warmer place is important for the functioning of the heat transport, that is, that the heat pipe has a gradient from the warmer to the colder place.
  • the return transport can be supported by arranging the heat pipe in a gradient from cold to warm, or in the worst case, the return transport can be prevented by gravity by arranging the heat pipe in the opposite direction (ie in a gradient from the warmer to the colder place). become.
  • the heat transport device transports heat from a drive element (i.e. in particular an electrically operated component) of the device, preferably a rotary drive and/or a pump and/or a compressor, to a sample receiving element of the laboratory device.
  • a drive element i.e. in particular an electrically operated component
  • the (electrical) energy supplied to the laboratory device can be used optimally, since the waste heat from the motor is used to heat the sample and is therefore not released into the environment unused.
  • the drive element of the device is thereby cooled, which prevents the drive element from overheating and/or increases its service life or useful life.
  • the laboratory equipment system further comprises at least one sensor, preferably a temperature measuring device.
  • a temperature measuring device preferably a temperature measuring device.
  • a current temperature in the device in particular in a sample
  • this to be compared, for example, with a target temperature value.
  • the sample receiving element is preferably a container which is preferably thermally insulated and/or comprises a temperature control device. This makes it possible, for example, to reduce heat losses from a heated sample to the environment and/or to achieve better heat transfer into the sample (i.e. the medium).
  • the laboratory device preferably comprises a magnetic stirrer and/or a rotary evaporator and/or a shaking and mixing device and/or an incubator and/or a freeze dryer or is designed as one of these devices.
  • At least the heat transport device is provided as an upgrade or retrofit kit for the laboratory device.
  • an existing laboratory device can be retrofitted with a heat transport device, for example, so that the Effects of the invention described above can also be achieved with existing laboratory equipment.
  • a laboratory device comprising at least one sample receiving element and at least one heat transport device for supplying and/or dissipating thermal energy to or from the sample receiving element, wherein the heat transport device enables heat to be transported between the sample receiving element and the laboratory device and/or a temperature control device provided outside the laboratory device and/or a heat and/or cold source provided outside the laboratory device.
  • the laboratory device according to the invention in particular a magnetic stirrer, comprises a Peltier element for temperature control of the sample receiving element, wherein the heat transport device is preferably a heat pipe for supplying and/or dissipating heat to or from the Peltier element and wherein the heat pipe is preferably arranged in this way is that it has a local gradient from a colder to a warmer place. It is therefore possible, for example, to selectively heat and/or cool a substrate plate (sample receiving element) of the magnetic stirrer and to quickly dissipate (or supply) heat when switching between heating and cooling (or vice versa).
  • a method is used to transport energy in a laboratory device system, wherein the laboratory device system comprises at least one laboratory device, at least one sample receiving element and at least one heat transport device for supplying and/or dissipating thermal energy.
  • the method comprises a step of heat transport, ie the supply and/or removal of thermal energy, wherein the heat transport between the sample receiving element and the laboratory device, in particular a drive element and/or a temperature control device of the laboratory device, and/or between the sample receiving element and a temperature control device provided outside the laboratory device and/or between the sample receiving element and a heat and/or cold source provided outside the laboratory device.
  • the heat transport can also take place between the laboratory device and a temperature control device provided outside the laboratory device and/or between the laboratory device and a heat and/or cold source provided outside the laboratory device.
  • a magnetic stirrer 1 The laboratory device shown is a magnetic stirrer 1. It comprises a housing 3 and a sample receiving element designed as a substrate plate 2 for positioning an in Fig. 1 sample, not shown, which is, for example, a liquid stored in a sample container (e.g. a beaker).
  • a magnetic rod (stirring fish) is provided in the sample container (not shown), which can be magnetically driven to a rotational movement by means of a drive (not shown) provided in the housing 3 of the magnetic stirrer 1.
  • the magnetic stirrer 1 (then also referred to as a heating stirrer) further comprises a heating device 8, which is arranged under the substrate plate 2 and is suitable for heating it, preferably to a predetermined target temperature.
  • the housing 3 of the magnetic stirrer 1 has an air inlet opening 4 to allow air to enter and an air outlet opening 5 to allow air to escape.
  • a chimney-shaped air passage 6 is provided which extends vertically from the inlet opening 4 upwards in the direction of the substrate plate 2.
  • a continuous passage opening or passage from the inlet opening 4 to the air outlet opening 5 is provided via a second air passage 7.
  • the drive During operation of the magnetic stirrer, ie when the drive provided in the housing 3 magnetically drives the rod provided in the sample container to a rotational movement, the drive generates heat. As a result, the area within the housing 3 around the inlet opening 4 is heated, ie the air located there heats up and, due to its lower density, rises in the chimney-shaped passage 6 upwards towards the substrate plate 2 (chimney effect) and then passes through the second air passage 7 and the air outlet opening 5 out of the housing 3 again.
  • the air flowing in through the air inlet opening 4 forms a first air flow L1 and the air emerging from the outlet opening 5 forms a second air flow L2.
  • the first air flow L1 has a lower temperature than the second air flow L2, ie the heat generated by the drive is transported by the air flow inside the housing towards the substrate plate 2 and then out of the housing 3. This cools the drive, which increases its performance and service life.
  • the waste heat from the drive can be used, for example, to warm the substrate plate 2 and the sample arranged thereon.
  • the air flow inside the housing 3 adjusts itself due to the chimney effect, i.e. it does not have to be actively controlled and/or generated.
  • a passive heat transport device or a passive heat transport system is thus provided by the air flow.
  • the air flow can also be increased, i.e. the air can, for example, be actively blown into the air inlet opening 4 and/or sucked in from the air outlet opening 5. It is also possible to cool or heat the air flow L1, i.e. to allow cooled or heated air to flow into the inlet opening 4 or to introduce it. This allows the effect of cooling the drive or heating the substrate plate 2 to be further enhanced.
  • an air line for example a pipe 9
  • the tube 9 is preferably connected to the heating device 8 and/or the substrate plate 2 via a material 10 with high thermal conductivity and is made of a material with a high thermal conductivity, for example a metal such as copper. This allows the effect of heating the substrate plate to be further enhanced by using the waste heat from the drive.
  • the heating device 8 of the magnetic stirrer 1 can also be designed as a temperature control device, in particular as a Peltier element. It is therefore possible not only to heat the substrate plate 2 and thereby the sample arranged thereon, but also to cool it.
  • the Peltier element is suitable for generating a temperature difference between the upper plate (facing the substrate plate) and the lower plate (facing away from the substrate plate) of the Peltier element when current flows through. If the substrate plate 2 is to be heated, the temperature of the upper (in this case warm) plate of the Peltier element can be further increased by also heating the lower plate by the air flow passed through the interior of the housing. This allows the substrate plate to be heated faster and/or to a higher temperature. Analogously, a cooling effect can be increased and/or accelerated by the lower plate of the Peltier element being cooled by the air flow.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a heat transport system (heat transport device) for use according to the invention in a laboratory device, for example a magnetic stirrer.
  • the heat transport device shown is a fluid circuit, in particular a liquid circuit 20, with a line 21 for conducting a liquid therethrough.
  • the line 21 connects a temperature control device 22, for example a heating device and/or a cooling device, in particular an electrically operated temperature control device, with a heat exchange device 23.
  • the heat exchange device 23 is connected to an in Fig. 3 sample receiving element, not shown (eg the substrate plate 2 of a magnetic stirrer 1) and is suitable for carrying out a heat exchange between the sample receiving element and the liquid of the liquid circuit 20.
  • the liquid (heating and/or coolant), for example water, is circulated within the line 21 transported between the temperature control device 22 and the heat exchange device (heat exchanger) 23.
  • the liquid circuit 20 can also include an expansion and/or storage container 25 for the liquid, which is integrated into the circuit formed by the line 21, the pump 24, the temperature control device 22 and the heat exchange device 23.
  • the expansion and/or storage container 25 is integrated into the circuit downstream of the heat exchange device 23.
  • the liquid is heated by the temperature control device 22 (i.e. it absorbs thermal energy, which is symbolized by the arrow 26) and then transported by means of the pump 24 through the line 21 to the heat exchange device 23, where the liquid transfers its heat to the sample receiving element of the laboratory device (symbolized by the arrow 27) and thereby cools down, with the sample receiving element warming up due to the heat absorbed.
  • the sample receiving element can be cooled by cooling the liquid in the temperature control device 22 and then heating it in the heat exchange device 23 by supplying thermal energy from the sample receiving element.
  • the liquid heated by the temperature control device 22 or in the heat exchange device 23 can also be brought into the vapor phase, i.e. heated above its boiling point and the resulting steam can then be passed on to the heat exchange device 23 or the temperature control device 22 or the expansion and / or storage container 25 are directed.
  • the liquid or vapor can be stored and/or expanded in the expansion and/or storage container 25 after heat energy has been released or absorbed in the heat exchange device 23.
  • vaporous coolant is liquefied again through expansion, ie an increase in its volume.
  • the fluid or liquid circuit 20 can be provided in the laboratory device itself (ie, formed integrally with it) or it can be provided separately from the laboratory device and thus form a laboratory device system with it.
  • the fluid or liquid circuit 20 may be used instead of that referred to Fig. 1 and 2 shown air flow of the substrate plate 2 and / or a temperature control device 8 provided in the magnetic stirrer, in particular a Peltier element, supply and / or remove thermal energy.
  • the temperature control device 22 of the fluid or liquid circuit 20 for example, the waste heat from the drive of the magnetic stirrer 1 can also be used to heat the liquid in the line 21 of the circuit.
  • FIG. 4a shows a rear view of the magnetic stirrer 1 with the housing 3.
  • An inlet opening 30 and an outlet opening 31 for the line 21 of the liquid circuit are provided in the housing 3.
  • Fig. 4b shows a sectional view of the magnetic stirrer 1.
  • the Peltier element 11 is surrounded by a material 12 with high thermal conductivity, for example aluminum or another metal.
  • the line of the liquid circuit runs from the inlet opening 30 through the material 12 with high thermal conductivity.
  • a first line section 21 ' runs inside the housing from the inlet opening 30 in the direction of the substrate plate 2 up to a distance d from it.
  • the Material 12 thus serves as a heat exchange device 23 in a fluid or liquid circuit 20 described above.
  • FIG. 5a and 5b show a further exemplary embodiment of an arrangement option for a heat transport device in a magnetic stirrer 1 3 a drive, not shown, is provided.
  • a heat pipe 15 is provided as the heat transport device, which is arranged essentially in a plane between the inner lower region 13 of the housing 3 and the substrate plate 2 and temperature control device 8 and is connected to cooling fins 19.
  • the cooling fins 19 are preferably connected to the outside air outside the housing 3.
  • a layer 18 of a material with high thermal conductivity (eg a metal layer) is provided between the heat pipe 15 and the inner lower region 13.
  • Above the heat pipe 15, ie towards the substrate plate 2 and the temperature control device 8, an insulating layer 17 is provided above the heat pipe 15, ie towards the substrate plate 2 and the temperature control device 8, an insulating layer 17 is provided.
  • Fig. 5a shows a top view of the magnetic stirrer 1.
  • the heat pipe runs essentially in a plane parallel to the substrate plate 2 from a first end 15a of the heat pipe, which is connected to the cooling fins 19, in a spiral shape essentially under the substrate plate 2 up to one second end 15b of the heat pipe, the heat pipe approaching a center point of the substrate plate 2.
  • Fig. 5b the cross sections 15 of the spiral heat pipe are shown as circles arranged next to one another.
  • the inner lower area 13 is heated by the waste heat from the drive. Thermal energy is released from the inner lower region 13 to the heat pipe 15 via the layer 15 and to the ambient air via the cooling fins 19. This cools the inner lower area 13 and thus the drive. Through the insulation layer 17, essentially no heat energy is released to the substrate plate 2 and the temperature control device 8, which is particularly advantageous when cooling the substrate plate 2.
  • the heat pipe is not arranged in one plane, but has a uniform slope from the second (warmer) end 15b to the first (colder) end 15a, which facilitates the return transport of the re-condensed working medium.
  • a heat transport device air flow, liquid circuit or heat pipe
  • a spiral course which is preferably arranged directly below the substrate plate or within a medium with high thermal conductivity that is in contact with the substrate plate.
  • the waste heat from a drive or electrically operated device provided in the laboratory device can be removed from the laboratory device by means of a heat transport device (air flow, liquid circuit or heat pipe) and fed to a sample provided outside of it and/or to a sample provided in another laboratory device.
  • a heat transport device air flow, liquid circuit or heat pipe

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laborgerätsystem mit einem Laborgerät zum Behandeln einer Probe und auf ein derartiges Laborgerät.
  • Ein solches Laborgerät ist beispielsweise ein Rotationsverdampfer zum Verdampfen eines Stoffgemischs. Das Gemisch ist dabei in einem Rotationskolben bereitgestellt und wird durch Wärmezufuhr mittels eines Heizbads und einer Rotationsbewegung des Kolbens unter Anlegen eines Unterdrucks in dem Kolben verdampft.
  • Ein weiteres derartiges Laborgerät ist beispielsweise ein Magnet- oder Heizrührer. In einem solchen Gerät wird die in einem Probenbehälter vorgesehene Probe (beispielsweise eine Flüssigkeit) mittels einer Heizplatte erhitzt und gleichzeitig mittels eines sich in dem Probenbehälter drehenden Stäbchens (Rührfisch) durchmischt, indem dieses durch einen Antrieb des Magnetrührers magnetisch zu einer Rotationsbewegung angetrieben wird.
  • Auch Schüttel- und Mischgeräte können beispielsweise bei der Erfindung zum Einsatz kommen. In einem Schüttel- und Mischgerät wird eine Durchmischung (bzw. Schütteln und Mischen) der Probe bzw. mehrerer Proben dadurch erzielt, dass diese in periodische ein-, zwei- oder dreidimensional ausgeführte Bewegungen versetzt wird bzw. werden, wie z.B. rotierende, vibrierende, kreisförmige, taumelnde oder wippende Bewegungen. Zudem ist durch Anordnen des Geräts in einem Inkubator zugleich ein Beheizen der Probe(n) möglich.
  • Die beispielhaft genannten Laborgeräte sind somit in der Lage, verschiedene Bewegungen einer bzw. in einer Probe zu bewirken und dieser gleichzeitig Wärmeenergie zuzuführen. Dabei ist in der Regel die Zufuhr elektrischer Energie sowohl zu der Heizvorrichtung als auch zu einem Antrieb der die Bewegung initiiert bzw. zu weiteren in dem Laborgerät vorgesehenen elektrisch betriebenen Komponenten (z.B. einer Vakuumpumpe) nötig.
  • Ferner kann es auch gewünscht sein, eine Probe in einem derartigen Laborgerät nicht nur zu heizen, sondern auch zu kühlen, d.h. Wärmeenergie von ihr abzuführen, beispielsweise als nachgeschalteten Prozess nach einem Heizvorgang und/oder zum Vermeiden unerwünschter, beispielsweise chemischer Reaktionen in der Probe.
  • Beispiele für Laborsysteme finden sich z.b. in der Patentliteratur US 2003/000224 A1 , US 2009/116333 A1 , US 2008/013400 A1 und US 2002/072112 A1 .
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Laborgerätsystem bzw. ein verbessertes Laborgerät bereitzustellen, mit dem insbesondere eine bessere Nutzung der zugeführten, insbesondere elektrischen, Energie möglich ist und/oder das in der Lage ist, eine Probe wahlweise zu heizen und/oder zu kühlen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Laborgerätsystem gemäß Anspruch 1 und ein Laborgerät gemäß Anspruch 13. Weiterbildungen der Erfindung sind unten stehend bzw. in den Unteransprüchen angegeben. Dabei kann das Laborgerät auch durch die unten stehenden bzw. in den Unteransprüchen gegebenen Merkmale des Laborgerätsystems weitergebildet sein und umgekehrt, sofern dies sinnvoll ist.
  • Ein erfindungsgemäßes Laborgerätsystem umfasst zumindest ein Laborgerät sowie zumindest ein Probenaufnahmeelement und zumindest eine Wärmetransportvorrichtung. Gemäß der Erfindung erfolgt durch die Wärmetransportvorrichtung ein Wärmetransport von einem Antriebselement der Vorrichtung zu einem Probenaufnahmeelement des Laborgeräts.
  • Die Wärmetransportvorrichtung dient zum Zuführen und/oder Abführen von Wärmeenergie zu bzw. von dem Probenaufnahmeelement. Durch die Wärmetransportvorrichtung wird ein Wärmetransport zwischen dem Probenaufnahmeelement und dem Laborgerät und/oder einer außerhalb des Laborgeräts vorgesehenen Temperiervorrichtung und/oder einer außerhalb des Laborgeräts vorgesehenen Wärme- und/oder Kältequelle erfolgt.
  • Der Wärmetransport kann dabei zu der Probe hin oder von dieser weg gerichtet sein, d.h. die Probe kann geheizt und/oder gekühlt werden. Die Wärmetransportvorrichtung (auch als Wärmetransportsystem bezeichnet) und das Probenaufnahmeelement können jeweils entweder integrale Bestandteile des Laborgeräts sein (d.h. in oder an dem Laborgerät vorgesehen sein), oder sie können separat von dem Laborgerät bereitgestellt sein. Generell ist mit "Temperieren" gemeint "Heizen und/oder Kühlen".
  • Das Probenaufnahmeelement kann beispielsweise ein Behälter (z.B. ein Kolben oder ein Becherglas) zur Aufnahme einer Probe sein (z.B. eine Flüssigkeit) und/oder das Probenaufnahmeelement kann beispielsweise eine Platte bzw. Plattform sein, auf der die Probe oder ein die Probe enthaltender Behälter positioniert werden kann.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Laborgerätsystem ist es beispielsweise möglich, eine in dem Laborgerät selbst erzeugte Abwärme zum (Vor-) Heizen einer Probe zu nutzen und/oder eine in dem Laborgerät zu behandelnde Probe durch eine externe Heiz- und/oder Kühlvorrichtung zu heizen (z.B. auch durch die Abwärme eines anderen Laborgeräts) bzw. zu kühlen und/oder die Probe durch Wärmeaustausch mit z.B. der Umgebungsluft und/oder einem Heiz- bzw. Kältebad zu heizen bzw. zu kühlen.
  • Das Probenaufnahmeelement kann dabei ein Teil des Laborgeräts sein oder außerhalb des Laborgeräts vorgesehen sein. So kann beispielsweise einer in bzw. auf dem Laborgerät positionierten Probe Wärme zu- und/oder abgeführt werden, oder einer für das Laborgerät vorgesehenen Probe vorab (d.h. vor Behandlung in dem Laborgerät) Wärmeenergie zu- und/oder abgeführt werden (z.B. zum Vorwärmen) und/oder die Abwärme des Laborgeräts zum Heizen einer außerhalb des Laborgeräts vorgesehenen Probe genutzt werden.
  • Vorzugsweise umfasst das Laborgerät weiter eine Temperiervorrichtung zum Zu- bzw. Abführen von Wärmeenergie zu bzw. von einem Probenaufnahmeelement des Laborgeräts. Dadurch ist es beispielsweise möglich, das Probenaufnahmeelement, auf dem eine Probe bzw. ein die Probe enthaltender Behälter vorgesehen ist, direkt, d.h. unmittelbar und mit möglichst wenig Energieverlust, zu heizen bzw. zu kühlen. Wenn das Probenaufnahmeelement eine Platte ist, so kann diese entweder selbst als Temperiervorrichtung ausgebildet sein, oder eine Temperiervorrichtung kann separat von der Platte vorgesehen sein um diese zu temperieren, wobei sie vorzugsweise direkt an die Platte angrenzt um einen möglichst guten Energieübertrag zu ermöglichen.
  • Weiter bevorzugt ist die Temperiervorrichtung des Laborgeräts ein Peltier-Element, wobei die Wärmetransportvorrichtung dem Peltier-Element vorzugsweise Wärmeenergie zu- und/oder abführt. Ein Peltier-Element umfasst zwei Platten mit dazwischen vorgesehenen Halbleitern, wobei sich zwischen den Platten bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz einstellt. Das Peltier-Element kann sowohl zum Heizen als auch, bei Stromrichtungsumkehr, zum Kühlen des Probenaufnahmeelements verwendet werden. Der Effekt des Kühlens bzw. Heizens kann durch Kühlen der warmen Seite des Peltier-Elements bzw. durch Wärmen der kalten Seite des Peltier-Elements noch verstärkt werden. Die Wärmezufuhr bzw. Wärmeabfuhr erfolgt dabei durch die Wärmetransportvorrichtung. Somit ist es beispielsweise auf einfache Art und Weise möglich, eine in dem Laborgerät angeordnete Probe wahlweise zu heizen oder zu kühlen, wobei durch die Wärmetransportvorrichtung bei einem Wechsel von Heizen zu Kühlen Wärmeenergie schnell von der Probe abgeführt werden kann bzw. bei einem Wechsel von Kühlen zu Heizen schnell Wärmeenergie zugeführt werden kann.
  • Die Wärmetransportvorrichtung kann einen Fluidkreislauf, vorzugsweise einen Flüssigkeitskreislauf, umfassen, der vorzugsweise weiter eine Pumpe aufweist. Damit kann beispielsweise auf einfache Art und Weise Wärmeenergie zu dem Probenaufnahmeelement transportiert bzw. von diesem abtransportiert werden.
  • Alternativ kann die Wärmetransportvorrichtung auch jeweils einen in dem Laborgerät vorgesehenen Gaseinlass und Gasauslass umfassen und vorzugsweise weiter einen in dem Laborgerät vorgesehenen Gasdurchlass. Dadurch ist es beispielsweise möglich, durch einen Gasstrom (z.B. einen Luftstrom) einen Wärmetransport zu ermöglichen.
  • Alternativ kann die Wärmetransportvorrichtung auch ein Wärmerohr sein, wobei das Wärmerohr vorzugsweise so angeordnet ist, dass es ein örtliches Gefälle von einem kälteren zu einem wärmeren Ort hin aufweist. Ein Wärmerohr ist ein Wärmeübertrager von einem warmen Ort zu einem kalten Ort. An dem warmen Ort (Wärmequelle) verdampft das in dem Wärmerohr enthaltene Arbeitsmedium (z.B. Wasser oder Ammoniak). Der so entstandene Dampf strömt in dem Wärmerohr aufgrund des dadurch entstehenden Druckgefälles zu dem mit dem kalten Ort (Wärmesenke) in Verbindung stehenden Ende des Wärmerohres, wo er wieder kondensiert und so Wärme abgibt. Das wiederverflüssigte Arbeitsmedium kehrt durch Schwerkraft (Thermosiphon) bzw. durch Kapillarkräfte (Heatpipe) wieder zurück zu der Stelle, an der die Wärme eingeleitet wird.
  • Insbesondere bei einem schwerkraftgetriebenem Rücktransport des Arbeitsmediums ist die Anordnung des Wärmerohrs in einem Gefälle von dem kälteren Ort zum wärmeren Ort hin für das Funktionieren des Wärmetransportes wichtig, d.h. dass das Wärmerohr eine Steigung von dem wärmeren zum kälteren Ort hin aufweist. Bei einem kapillargetriebenem Rücktransport des Arbeitsmediums kann der Rücktransport durch die Anordnung des Wärmerohres in einem Gefälle von kalt zu warm unterstützt werden, bzw. durch entgegengesetzte Anordnung des Wärmerohres (d.h. in einem Gefälle vom wärmeren zum kälteren Ort hin) der Rücktransport durch die Schwerkraft schlimmstenfalls verhindert werden.
  • Gemäß der Erfindung erfolgt durch die Wärmetransportvorrichtung ein Wärmetransport von einem Antriebselement (d.h. insbesondere eine elektrisch betriebene Komponente) der Vorrichtung, vorzugsweise einem Rotationsantrieb und/oder einer Pumpe und/oder einem Kompressor, zu einem Probenaufnahmeelement des Laborgeräts. Dadurch kann beispielsweise die dem Laborgerät zugeführte (elektrische) Energie optimal genutzt werden, da die Abwärme des Motors zum Erwärmen der Probe verwendet wird und somit nicht ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Zudem wird dadurch das Antriebselement der Vorrichtung gekühlt, was einem Überhitzen des Antriebselements vorbeugt und/oder dessen Lebens- bzw. Nutzungsdauer erhöht.
  • Vorzugsweise umfasst das Laborgerätsystem weiter zumindest einen Sensor, vorzugsweise eine Temperaturmesseinrichtung. Damit kann beispielsweise eine aktuelle Temperatur in der Vorrichtung, insbesondere in einer Probe, gemessen werden und diese beispielsweise mit einem Soll-Temperaturwert verglichen werden. Insbesondere ist es damit auch möglich den Wärmetransport über die Wärmetransportvorrichtung sensorgesteuert, vorzugsweise automatisch, durchzuführen.
  • Vorzugsweise ist das Probenaufnahmeelement ein Behälter, der vorzugsweise thermisch isoliert ist und/oder eine Temperiervorrichtung umfasst. Dadurch ist es beispielsweise möglich, Wärmeverluste von einer beheizten Probe an die Umgebung zu verringern und/oder einen besseren Wärmeübertrag in die Probe (d.h. das Medium) zu erzielen.
  • Vorzugsweise umfasst das Laborgerät einen Magnetrührer und/oder einen Rotationsverdampfer und/oder ein Schüttel- und Mischgerät und/oder einen Inkubator und/oder einen Gefriertrockner bzw. ist als eines dieser Geräte ausgebildet.
  • Vorzugsweise ist zumindest die Wärmetransportvorrichtung als Aus- oder Nachrüstsatz für das Laborgerät bereitgestellt. Damit kann ein bereits vorhandenes Laborgerät beispielsweise mit einer Wärmetransportvorrichtung nachgerüstet werden, so dass die oben beschriebenen Effekte der Erfindung auch mit einem bereits vorhandenen Laborgerät erzielt werden können.
  • Ein erfindungsgemäßes Laborgerät umfassend zumindest ein Probenaufnahmeelement und zumindest eine Wärmetransportvorrichtung zum Zuführen und/oder Abführen von Wärmeenergie zu bzw. von dem Probenaufnahmeelement, wobei durch die Wärmetransportvorrichtung ein Wärmetransport zwischen dem Probenaufnahmeelement und dem Laborgerät und/oder einer außerhalb des Laborgeräts vorgesehenen Temperiervorrichtung und/oder einer außerhalb des Laborgeräts vorgesehenen Wärme- und/oder Kältequelle erfolgt. Damit sind die oben in Bezug auf das erfindungsgemäße Laborgerätsystem beschriebenen Wirkungen auch mit einem Laborgerät erzielbar, d.h. wenn die Wärmetransportvorrichtung und das Probenaufnahmeelement integrale Bestandteile des Laborgeräts sind.
  • Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Laborgerät, insbesondere ein Magnetrührer, ein Peltier-Element zum Temperieren des Probenaufnahmeelements, wobei die Wärmetransportvorrichtung vorzugsweise ein Wärmerohr ist zum Zu- und/oder Abführen von Wärme zu bzw. von dem Peltier-Element und wobei das Wärmerohr vorzugsweise so angeordnet ist, dass es ein örtliches Gefälle von einem kälteren zu einem wärmeren Ort hin aufweist. Somit ist es beispielsweise möglich, eine Substratplatte (Probenaufnahmeelement) des Magnetrührers wahlweise zu beheizen und/oder zu kühlen und bei einem Wechsel zwischen Heizen und Kühlen (oder umgekehrt) Wärme schnell abzuführen (bzw. zuzuführen).
  • Ein Verfahren dient dem Energietransport in einem Laborgerätsystem, wobei das Laborgerätsystem zumindest ein Laborgerät, zumindest ein Probenaufnahmeelement und zumindest eine Wärmetransportvorrichtung zum Zuführen und/oder Abführen von Wärmeenergie umfasst. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Wärmetransports, d.h. des Zu- und/oder Abführens von Wärmeenergie, wobei der Wärmetransport zwischen dem Probenaufnahmeelement und dem Laborgerät, insbesondere einem Antriebselement und/oder einer Temperiervorrichtung des Laborgeräts, und/oder zwischen dem Probenaufnahmeelement und einer außerhalb des Laborgeräts vorgesehenen Temperiervorrichtung und/oder zwischen dem Probenaufnahmeelement und einer außerhalb des Laborgeräts vorgesehenen Wärme- und/oder Kältequelle erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmetransport auch zwischen dem Laborgerät und einer außerhalb des Laborgeräts vorgesehenen Temperiervorrichtung und/oder zwischen dem Laborgerät und einer außerhalb des Laborgeräts vorgesehenen Wärme- und/oder Kältequelle erfolgen.
  • Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Dabei kann das Verfahren auch durch die mit Bezug auf die Vorrichtungen beschriebenen Merkmale weitergebildet sein.
    • Fig. 1
    ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Magnetrührers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
    Fig. 2
    ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Magnetrührers gemäß einer Weiterbildung der Erfindung,
    Fig. 3
    ist eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitskreislaufs als Wärmetransportvorrichtung gemäße einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
    Fig. 4a
    ist eine schematische Seitenansicht eines Magnetrührers mit einem derartigen Flüssigkeitskreislauf und Fig. 4b eine schematische Schnittansicht dieses Magnetrührers und
    In Fig. 5a
    ist eine schematische Draufsicht auf einen Magnetrührer mit einer Wärmetransportvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 5b zeigt eine schematische Schnittansicht dieses Magnetrührers.
  • Im Folgenden wird mit Bezug auf Fig. 1 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das in Fig. 1 dargestellte Laborgerät ist ein Magnetrührer 1. Er umfasst ein Gehäuse 3 und ein als Substratplatte 2 ausgebildetes Probenaufnahmeelement zum Positionieren einer in Fig. 1 nicht gezeigten Probe darauf, welche beispielsweise eine in einem Probenbehälter (z.B. einem Becherglas) bevorratete Flüssigkeit ist. In dem Probenbehälter ist ein magnetisches Stäbchen (Rührfisch) vorgesehen (nicht gezeigt), welches mittels eines in dem Gehäuse 3 des Magnetrührers 1 vorgesehenen Antriebs (nicht gezeigt) magnetisch zu einer Rotationsbewegung antreibbar ist.
  • Optional umfasst der Magnetrührer 1 (dann auch als Heizrührer bezeichnet) weiter eine Heizvorrichtung 8, welche unter der Substratplatte 2 angeordnet ist und dazu geeignet ist diese zu Heizen, vorzugsweise zu einer vorbestimmten Soll-Temperatur aufzuheizen.
  • Das Gehäuse 3 des Magnetrührers 1 weist eine Lufteintrittsöffnung 4 auf um einen Lufteintritt zu erlauben und eine Luftaustrittsöffnung 5 um einen Luftaustritt zu erlauben. Ausgehend von der Lufteintrittsöffnung 4 ist ein kaminförmiger, sich vertikal von der Eintrittsöffnung 4 nach oben in Richtung der Substratplatte 2 erstreckender Luftdurchlass 6 vorgesehen. Über einen zweiten Luftdurchlass 7 wird eine durchgängige Durchlassöffnung bzw. ein Durchgang von der Eintrittsöffnung 4 zur Luftaustrittsöffnung 5 bereitgestellt.
  • Im Betrieb des Magnetrührers, d.h. wenn der in dem Gehäuse 3 vorgesehene Antrieb das in dem Probenbehälter vorgesehene Stäbchen magnetisch zu einer Rotationsbewegung antreibt, erzeugt der Antrieb Wärme. Dadurch wird der Bereich innerhalb des Gehäuses 3 um die Eintrittsöffnung 4 erwärmt, d.h. die sich dort befindliche Luft erwärmt sich und steigt aufgrund ihrer geringeren Dichte in dem kaminförmigen Durchlass 6 nach oben in Richtung der Substratplatte 2 (Kamineffekt) und tritt dann durch den zweiten Luftdurchlass 7 und die Luftaustrittsöffnung 5 wieder aus dem Gehäuse 3 aus. Die durch die Lufteintrittsöffnung 4 nachströmende Luft bildet einen ersten Luftstrom L1 und die aus der Austrittsöffnung 5 austretende Luft einen zweiten Luftstrom L2. Der erste Luftstrom L1 hat eine geringere Temperatur als der zweite Luftstrom L2, d.h. durch den Luftstrom im Inneren des Gehäuses wird die vom Antrieb erzeugte Wärme in Richtung der Substratplatte 2 und dann aus dem Gehäuse 3 heraus transportiert. Somit wird der Antrieb gekühlt, was dessen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer erhöht. Andererseits kann die Abwärme des Antriebs z.B. genutzt werden um die Substratplatte 2 und die darauf angeordnete Probe zu wärmen.
  • Der Luftstrom im Inneren des Gehäuses 3 stellt sich dabei aufgrund des Kamineffekts selbst ein, d.h. er muss nicht aktiv gesteuert und/oder erzeugt werden. Somit ist durch den Luftstrom eine passive Wärmetransportvorrichtung bzw. ein passives Wärmetransportsystem bereitgestellt.
  • Alternativ kann der Luftstrom auch verstärkt werden, d.h. die Luft kann z.B. aktiv in die Lufteinlassöffnung 4 eingeblasen und/oder aus der Luftaustrittsöffnung 5 angesaugt werden. Es ist auch möglich, den Luftstrom L1 zu kühlen oder zu heizen, d.h. gekühlte bzw. erwärmte Luft in die Eintrittsöffnung 4 einströmen zu lassen bzw. einzuleiten. Dadurch kann der Effekt des Kühlens des Antriebs bzw. des Heizens der Substratplatte 2 weiter verstärkt werden.
  • Alternativ zu Luft kann auch ein anderes Gas bzw. ein Gasstrom L1 verwendet werden.
  • In einer in Fig. 2 gezeigten Weiterbildung des Magnetrührers 1 ist anstelle des mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen zweiten Luftdurchlasses 7 eine Luftleitung, beispielsweise ein Rohr 9, vorgesehen. Das Rohr 9 steht vorzugsweise über ein Material 10 mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit der Heizvorrichtung 8 und/oder der Substratplatte 2 und ist aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, z.B. einem Metall wie beispielsweise Kupfer gefertigt. Dadurch kann der Effekt des Heizens der Substratplatte durch Nutzen der Abwärme des Antriebs noch verstärkt werden.
  • In einer in den Figuren nicht gezeigten Weiterbildung der Erfindung kann die Heizvorrichtung 8 des Magnetrührers 1 auch als eine Temperiervorrichtung, insbesondere als ein Peltier-Element ausgebildet sein. Somit ist es möglich die Substratplatte 2 und dadurch die darauf angeordnete Probe nicht nur zu heizen, sondern auch zu kühlen.
  • Das Peltier-Element ist dabei dazu geeignet, bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz zwischen der oberen (der Substratplatte zugewandten) Platte und der unteren (der Substratplatte abgewandten) Platte des Peltier-Elements zu erzeugen. Wenn die Substratplatte 2 geheizt werden soll, so kann die Temperatur der oberen (in diesem Falle warmen) Platte des Peltier-Elements weiter erhöht werden, indem die untere Platte durch den durch das Gehäuseinnere geleiteten Luftstrom ebenfalls erwärmt wird. Dadurch kann die Substratplatte schneller und/oder auf eine höhere Temperatur beheizt werden. Analog dazu kann ein Kühleffekt dadurch verstärkt und/oder beschleunigt werden, dass die untere Platte des Peltier-Elements durch den Luftstrom gekühlt wird.
  • Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Wärmetransportsystems (Wärmetransportvorrichtung) für den erfindungsgemäßen Einsatz in einem Laborgerät, z.B. einem Magnetrührer. Die in Fig. 3 gezeigte Wärmetransportvorrichtung ist ein Fluidkreislauf, insbesondere ein Flüssigkeitskreislauf 20, mit einer Leitung 21 zum hindurch Leiten einer Flüssigkeit. Die Leitung 21 verbindet eine Temperiervorrichtung 22, beispielsweise eine Heizvorrichtung und/oder eine Kühlvorrichtung, insbesondere eine elektrisch betriebenen Temperiervorrichtung, mit einer Wärmeaustauschvorrichtung 23. Die Wärmeaustauschvorrichtung 23 steht in Verbindung mit einem in Fig. 3 nicht gezeigten Probenaufnahmeelement (z.B. die Substratplatte 2 eines Magnetrührers 1) und ist dazu geeignet, einen Wärmeaustausch zwischen dem Probenaufnahmeelement und der Flüssigkeit des Flüssigkeitskreislaufs 20 durchzuführen.
  • Mittels einer in der Leitung 21 vorgesehenen Pumpe 24 wird die Flüssigkeit (Heiz- und/oder Kühlmittel), beispielsweise Wasser, in einem Kreislauf innerhalb der Leitung 21 zwischen der Temperiervorrichtung 22 und der Wärmeaustauschvorrichtung (Wärmeübertrager) 23 transportiert. Optional kann der Flüssigkeitskreislauf 20 noch einen Expansions- und/oder Speicherbehälter 25 für die Flüssigkeit umfassen, der in den von der Leitung 21, der Pumpe 24, der Temperiervorrichtung 22 und der Wärmeaustauschvorrichtung 23 gebildeten Kreislauf integriert ist. Der Expansions- und/oder Speicherbehälter 25 ist dabei stromabwärts von der Wärmeaustauschvorrichtung 23 in den Kreislauf integriert.
  • Zum Heizen des Probenaufnahmeelements des Laborgeräts wird die Flüssigkeit durch die Temperiervorrichtung 22 erwärmt (d.h. sie nimmt Wärmeenergie auf, was durch den Pfeil 26 symbolisiert ist) und dann mittels der Pumpe 24 durch die Leitung 21 zu der Wärmeaustauschvorrichtung 23 transportiert, wo die Flüssigkeit ihre Wärme an das Probenaufnahmeelement des Laborgeräts abgibt (symbolisiert durch den Pfeil 27) und dadurch abkühlt, wobei sich das Probenaufnahmeelement durch die aufgenommene Wärme erwärmt. Ebenso kann das Probenaufnahmeelement gekühlt werden, indem die Flüssigkeit in der Temperiervorrichtung 22 gekühlt wird und dann in der Wärmeaustauschvorrichtung 23 durch Zufuhr von Wärmeenergie von dem Probenaufnahmeelement erwärmt wird.
  • Dabei kann die durch die Temperiervorrichtung 22 bzw. in der Wärmeaustauschvorrichtung 23 erwärmte Flüssigkeit auch in die dampfförmige Phase gebracht, d.h. über ihren Siedepunkt erhitzt werden und der so entstehende Dampf dann weiter zu der Wärmeaustauschvorrichtung 23 bzw. der Temperiervorrichtung 22 bzw. dem Expansions- und/oder Speicherbehälter 25 geleitet werden.
  • Optional kann die Flüssigkeit bzw. der Dampf nach dem Abgeben bzw. Aufnahmen von Wärmeenergie in der Wärmaustauschvorrichtung 23 in dem Expansions- und/oder Speicherbehälter 25 gespeichert und/oder expandiert werden. Insbesondere wird dampfförmiges Kühlmittel dabei durch Expansion, d.h. Zunahme seines Volumens, wieder verflüssigt.
  • Der Fluid- oder Flüssigkeitskreislauf 20 kann in dem Laborgerät selbst vorgesehen sein (d.h. integral mit diesem gebildet sein) oder er kann separat von dem Laborgerät bereitgestellt sein und so mit diesem ein Laborgerätsystem bilden. Beispielsweise kann der Fluid- oder Flüssigkeitskreislauf 20 anstelle des mit Bezug auf Fig. 1 und 2 gezeigten Luftstroms der Substratplatte 2 und/oder einer in dem Magnetrührer vorgesehene Temperiervorrichtung 8, insbesondere ein Peltier-Element, Wärmeenergie zu- und/oder abführen. Anstelle der Temperiervorrichtung 22 des Fluid- bzw. Flüssigkeitskreislaufs 20 kann beispielsweise auch die Abwärme des Antriebs des Magnetrührers 1 zum Beheizen der Flüssigkeit in der Leitung 21 des Kreislaufs verwendet werden.
  • In Fig. 4a und 4b ist ein Ausführungsbeispiel eines Magnetrührers 1 mit einem Peltier-Element 11 zum Temperieren der Substratplatte 2 gezeigt, wobei dem Peltier-Element 11 mittels eines oben beschriebenen Flüssigkeitskreislaufs durch Leitungen 21 Wärmeenergie zu- oder abgeführt wird. Fig. 4a zeigt dabei eine Rückansicht des Magnetrührers 1 mit dem Gehäuse 3. In dem Gehäuse 3 sind eine Eingangsöffnung 30 und eine Ausgangsöffnung 31 für die Leitung 21 des Flüssigkeitskreislaufs vorgesehen. Fig. 4b zeigt eine Schnittansicht des Magnetrührers 1. Das Peltier-Element 11 ist von einem Material 12 mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Aluminium oder ein anderes Metall, umgeben. Die Leitung des Flüssigkeitskreislaufs verläuft von der Eintrittsöffnung 30 durch das Material 12 mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Ein erster Leitungsabschnitt 21' verläuft im Gehäuseinneren von der Eintrittsöffnung 30 in Richtung der Substratplatte 2 bis zu einem Abstand d zu dieser. Ein zweiter, an den ersten Leitungsabschnitt 21' anschließender zweiter Leitungsabschnitt 21" des Flüssigkeitskreislaufs verläuft parallel zu der Substratplatte unterhalb in einem Abstand d zu dieser durch das gut wärmeleitende Material 12.
  • Zum Heizen bzw. Kühlen der Substratplatte 2 wird der unteren (der Substratplatte abgewandten) Platte des Peltier-Elements 11 durch die Leitungsabschnitte 21', 21" des Flüssigkeitskreislaufs Wärmeenergie zu- bzw. abgeführt, wobei durch das Material 12 mit hoher Wärmeleitfähigkeit ein guter Wärmeaustausch zwischen den Leitungsabschnitten 21', 21" und der unteren Platte des Peltier-Elements 11 gewährleistet ist. Das Material 12 dient somit als Wärmeaustauschvorrichtung 23 in einem oben beschriebenen Fluid- bzw. Flüssigkeitskreislauf 20.
  • Fig. 5a und 5b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnungsmöglichkeit einer Wärmetransportvorrichtung in einem Magnetrührer 1. Fig. 2b zeigt eine Schnittansicht des Magnetrührers 1, welcher eine Substratplatte 2 umfasst und eine optional unter dieser angeordnete Temperiervorrichtung 8, sowie ein Gehäuse 3. In einem inneren unteren Bereich 13 des Gehäuses 3 ist ein nicht gezeigter Antrieb vorgesehen. Als Wärmetransportvorrichtung ist ein Wärmerohr 15 vorgesehen, welches im Wesentlichen in einer Ebene zwischen dem inneren unteren Bereich 13 des Gehäuses 3 und der Substratplatte 2 und Temperiervorrichtung 8 angeordnet ist und mit Kühlrippen 19 in Verbindung steht. Die Kühlrippen 19 stehen vorzugsweise mit der Außenluft außerhalb des Gehäuses 3 in Verbindung. Zwischen dem Wärmerohr 15 und dem inneren unteren Bereich 13 ist eine Schicht 18 eines Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z.B. eine Metallschicht) vorgesehen. Oberhalb des Wärmerohrs 15, d.h. zu der Substratplatte 2 und der Temperiervorrichtung 8 hin, ist eine Isolierschicht 17 vorgesehen.
  • Fig. 5a zeigt eine Draufsicht auf den Magnetrührer 1. Das Wärmerohr verläuft dabei im Wesentlichen in einer Ebene parallel zu der Substratplatte 2 von einem ersten Ende 15a des Wärmerohrs, welches mit den Kühlrippen 19 in Verbindung steht, spiralförmig im Wesentlichen unter der Substratplatte 2 bis hin zu einem zweiten Ende 15b des Wärmerohres, wobei sich das Wärmerohr einem Mittelpunkt der Substratplatte 2 annähert. In Fig. 5b sind die Querschnitte 15 des spiralförmigen Wärmerohres als nebeneinander angeordnete Kreise gezeigt.
  • Durch die Abwärme des Antriebs wird der innere untere Bereich 13 erwärmt. Über die Schicht 15 wird Wärmeenergie von dem inneren unteren Bereich 13 an das Wärmerohr 15 und über die Kühlrippen 19 an die Umgebungsluft abgegeben. Dadurch wird der innere untere Bereich 13 und somit der Antrieb gekühlt. Durch die Isolationsschicht 17 wird im Wesentlichen keine Wärmeenergie an die Substratplatte 2 und die Temperiervorrichtung 8 abgegeben, was insbesondere bei einem Kühlen der Substratplatte 2 vorteilhaft ist.
  • Vorzugsweise ist das Wärmerohr nicht in einer Ebene angeordnet, sondern weist von dem zweiten (wärmeren) Ende 15b zu dem ersten (kälteren) Ende 15a hin eine gleichmäßige Steigung auf, was den Rücktransport des wieder kondensierten Arbeitsmediums erleichtert.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können auch beliebig miteinander kombiniert werden, soweit dies sinnvoll ist. So kann beispielsweise eine zum Temperieren der Substratplatte verwendete Wärmetransportvorrichtung (Luftstrom, Flüssigkeitskreislauf oder Wärmerohr) mit einem spiralförmigen Verlauf verwendet werden, die vorzugsweise direkt unterhalb der Substratplatte angeordnet ist oder innerhalb eines Mediums mit hoher Wärmeleitfähigkeit, das in Kontakt zu der Substratplatte steht.
  • Ferner ist es beispielsweise auch möglich, eine außerhalb des Laborgeräts vorgesehene Probe zu temperieren, insbesondere (vor) zu heizen. So kann beispielsweise die Abwärme eines in dem Laborgerät vorgesehenen Antriebs bzw. elektrisch betriebenen Vorrichtung mittels einer Wärmetransportvorrichtung (Luftstrom, Flüssigkeitskreislauf oder Wärmerohr) aus dem Laborgerät abgeleitet und einer außerhalb dieses vorgesehener Probe und/oder einer in einem anderen Laborgerät vorgesehenen Probe zugeführt werden.
  • Auch wenn die Erfindung am Beispiel eines Magnetrührers beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Weitere Laborgeräte, in denen ein Wärmetransport durch eine der oben beschriebenen Wärmetransportvorrichtungen erfolgen kann, sind z.B. Rotationsverdampfer und Schüttel- und Mischgeräte. Anstatt die Abwärme eines Antriebs des Magnetrührers zum magnetischen Antreiben eines Rührfisches zu einer Rotationsbewegung in der Probe zu nutzen (z.B. zum Heizen der Probe), kann bei anderen Laborgeräten die Abwärme entsprechender elektrisch betriebener Komponenten (z.B. Rotationsantriebs oder Vakuumpumpe eines Rotationsverdampfers) verwendet werden.

Claims (14)

  1. Laborgerätsystem, umfassend zumindest ein Laborgerät (1) sowie zumindest ein Probenaufnahmeelement (2) und zumindest eine Wärmetransportvorrichtung (6, 7, 9, 15, 20) zum Zuführen und/oder Abführen von Wärmeenergie zu bzw. von dem Probenaufnahmeelement (2),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass durch die Wärmetransportvorrichtung ein Wärmetransport von einem Antriebselement der Vorrichtung zu einem Probenaufnahmeelement (2) des Laborgeräts (1) erfolgt.
  2. Laborgerätsystem nach Anspruch 1, wobei das Probenaufnahmeelement (2) ein Teil des Laborgeräts (1) ist.
  3. Laborgerätsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Laborgerät (1) weiter eine Temperiervorrichtung (8) zum Zu- bzw. Abführen von Wärmeenergie zu bzw. von einem Probenaufnahmeelement (2) des Laborgeräts (1) umfasst.
  4. Laborgerätsystem nach Anspruch 3, wobei die Temperiervorrichtung (8) ein Peltier-Element (11) ist und wobei die Wärmetransportvorrichtung (6, 7, 9, 15, 20) dem Peltier-Element vorzugsweise Wärmeenergie zu- oder abführt.
  5. Laborgerätsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmetransportvorrichtung einen Fluidkreislauf (20), vorzugsweise einen Flüssigkeitskreislauf, umfasst, der vorzugsweise weiter eine Pumpe (24) aufweist.
  6. Laborgerätsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmetransportvorrichtung jeweils einen in dem Laborgerät vorgesehenen Gaseinlass (4) und Gasauslass (5) umfasst und vorzugsweise weiter einen in dem Laborgerät vorgesehenen Gasdurchlass (6, 7, 9).
  7. Laborgerätsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmetransportvorrichtung ein Wärmerohr (15) ist und wobei das Wärmerohr vorzugsweise so angeordnet ist, dass es ein örtliches Gefälle von einem kälteren zu einem wärmeren Ort hin aufweist.
  8. Laborgerätsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Antriebselement der Vorrichtung ein Rotationsantrieb und/oder eine Pumpe und/oder ein Kompressor ist.
  9. Laborgerätsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Laborgerätsystem weiter zumindest einen Sensor, vorzugsweise eine Temperaturmesseinrichtung, umfasst.
  10. Laborgerätsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Probenaufnahmeelement ein Behälter ist, der vorzugsweise thermisch isoliert ist und/oder eine Temperiervorrichtung umfasst.
  11. Laborgerätsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Laborgerät einen Magnetrührer (1) und/oder einen Rotationsverdampfer und/oder ein Schüttel- und Mischgerät und/oder einen Inkubator und/oder einen Gefriertrockner umfasst.
  12. Laborgerätsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zumindest die Wärmetransportvorrichtung (6, 7, 9, 15, 20) als Aus- oder Nachrüstsatz für das Laborgerät (1) bereitgestellt ist.
  13. Laborgerät, umfassend zumindest ein Probenaufnahmeelement (2) und zumindest eine Wärmetransportvorrichtung (6, 7, 9, 15, 20) zum Zuführen und/oder Abführen von Wärmeenergie zu bzw. von dem Probenaufnahmeelement,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass durch die Wärmetransportvorrichtung ein Wärmetransport von einem Antriebselement der Vorrichtung zu einem Probenaufnahmeelement (2) des Laborgeräts (1) erfolgt.
  14. Laborgerät nach Anspruch 13, insbesondere ein Magnetrührer (1), wobei das Laborgerät ein Peltier-Element (11) umfasst zum Temperieren des Probenaufnahmeelements (2) und wobei die Wärmetransportvorrichtung vorzugsweise ein Wärmerohr (15) ist zum Zu- und/oder Abführen von Wärme zu bzw. von dem Peltier-Element und wobei das Wärmerohr vorzugsweise so angeordnet ist, dass es ein örtliches Gefälle von einem kälteren zu einem wärmeren Ort hin aufweist.
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