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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Strömungsunruhe
in einer Probe mit einer Halterung für ein Laborgefäß, das die
Probe aufzunehmen geeignet ist, wobei das Laborgefäß zentralsymmetrisch
zu einer Mittelachse und lösbar
an der Halterung arretierbar und wobei die Halterung in motorisch
angetriebene Bewegung bezüglich
einer ortsfesten Vertikalachse versetzbar ist.
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Laborgefäße sind üblicherweise
von axialsymmetrischer Rundform. Man denke an Probenflaschen, -gläser, -röhrchen,
-schalen, -teller in diversen Formen und Größen, beispielsweise Erlenmeyer-Kolben,
Petri-Schalen, Meßzylinder,
Reagenzgläser,
Zentrifugenröhrchen.
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Rüttelgeräte für ein Laborgefäß sind aus
der Praxis vielfältig
bekannt. Sie dienen dazu, eine Probe in dem Laborgefäß zu durchmischen,
Bestandteile der Probe aufzuwirbeln, zu emulgieren, in Lösung zu bringen,
Reaktionskinetiken zu beeinflussen u. a. m. Die Proben werden gerüttelt, geschüttelt, gevortext, vibriert
und dazu die Laborgefäße motorisch
in wiederkehrende (alternierende, oszillierende, periodische, pulsierende,
zyklische) Bewegung mit translatorischen und/oder rotatorischen
Komponenten versetzt. Die Bewegung der Laborgefäße wird als Dreh-, Kipp-, Kreis-,
Orbital-, Pendel-, Schwenk-, Schwing-, Taumel-, Wackel-, Wipp-,
Wobbelbewegung, ein- oder mehrdimensionale Horizontal- und/oder Vertikalbewegung,
hin- und hergehende (reziproke) Bewegung und Über-Kopf-Bewegung bezeichnet.
Unter „Rütteln” einer
Probe wird im allgemeinen eine Bewegung mit großer Amplitude und niedriger
Frequenz, unter „Vibrieren” eine Bewegung
mit kleiner Amplitude und hoher Frequenz verstanden. Die verwendeten
Begriffe sind nicht eindeutig und die Übergänge fließend.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
dient dazu, ein Laborgefäß von axialsymmetrischer
Rundform, das eine Probe enthält,
in motorisch angetriebene Bewegung zu versetzen, um Strömungsunruhe in
der Probe zu erzeugen. Dabei kommt es weder auf die Form und Größe des Laborgefäßes, noch
auf den Betrag der Bewegungsamplitude, noch auf die Frequenz der
wiederkehrenden Bewegung, noch auf deren Richtung und eventuellen
Richtungswechsel an. Es steht dahin, die Vorrichtung als Rüttel- oder
Vibriergerät
zu deklarieren und zum Durchmischen einer Flüssigkeit, Homogenisieren eines
Pulvers, Aufmischen eines Pulvers in eine Flüssigkeit, Emulgieren, Lösen u. a.
m. zu verwenden.
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Die
Vorrichtung hat eine Halterung für
das Laborgefäß, das in
Rüttel- oder Vibrierbewegung
versetzt werden soll. Das Gefäß nimmt
im Betrieb an der Halterung eine Arretierstellung ein. Es wird vor
Inbetriebnahme der Vorrichtung in die Arretierstellung gebracht
und nach Beendigung des Rüttel-
oder Vibriervorgangs aus der Arretierstellung gelöst. Das
kann von Hand oder automatisch mit einem Förderer, Roboter oder sonstigen
Zusatzgerät
geschehen.
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Die
Halterung ist an die Form und Größe des zu
rüttelnden
oder vibrierenden Laborgefäßes angepaßt. Ein
und dieselbe Vorrichtung kann wechselweise mit Halterungen für verschiedene
Gefäße bestückt werden.
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Das
Gefäß sitzt
während
des Rüttel-
oder Vibriervorgangs an der Halterung im wesentlichen starr fest.
Tatsächlich
wird also die Halterung der Vorrichtung in eine motorisch angetriebene
Rüttel-
oder Vibrierbewegung versetzt, die sich auf das in Arretierstellung
befindliche Laborgefäß und die
Probe darin überträgt.
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Unbenommen
ist es, die Probe während
des Rüttel-
oder Vibriervorgangs anderweitig zu behandeln, beispielsweise zu
bestrahlen, zu heizen, zu kühlen
u. a. m.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art
zu schaffen, die bei unaufwendigem, bedienungsfreundlichen Aufbau
ein schnelles, effektives Durchmischen speziell kleiner Proben mit
optimal homogenem Ergebnis ermöglicht.
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Die
diese Aufgabe lösende
Vorrichtung hat eine in motorische Bewegung angetriebene Halterung
für ein
Laborgefäß, das die
zu rüttelnde
oder vibrierende Probe aufnimmt. Das Laborgefäß ist zentralsymmetrisch zu
einer Mittelachse. Es nimmt an der Halterung eine Arretierstellung
ein. Ein oberer Punkt der Mittelachse des an der Halterung arretierten
Laborgefäßes liegt
auf einer ortsfesten Vertikalachse. An diesem Punkt schließt die Mittelachse
des Gefäßes mit
der Vertikalachse einen spitzen Winkel ungleich Null ein. Bei angetriebener
Halterung ist das Laborgefäß bezüglich seiner
Mittelachse drehfest. Die Mittelachse des Laborgefäßes läuft auf
einem Kegelmantel um die Vertikalachse um.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
stellt die Bewegung eines Reagenzglases o. a. langen, schlanken
Laborgefäßes nach,
das der Benutzer oben zwischen Daumen und Zeigefinger hält und auf einem
Kegelmantel um eine Vertikalachse mitten durch den Haltebereich
kreisen läßt. Diese
Bewegung ist gar nicht so einfach. Das Reagenzglas dreht sich zwischen
Daumen und Zeigefinger nicht. Es wird im Handgelenk geschwenkt,
d. h. mathematisch betrachtet mit Phasenversatz um zwei zueinander senkrechte
Horizontalachsen hin- und hergedreht. Daß so eine gute Durchmischung
der Probe in dem Gefäß erreicht
wird, ist allgemein bekannt.
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Der
Punkt, mit der die Mittelachse des Laborgefäßes auf der ortsfesten Vertikalachse
liegt, ist die stationäre
Spitze des Bewegungskegels, den die Mittelachse des Gefäßes beschreibt.
Es empfiehlt sich, das Gefäß so mit
der Probe zu beschicken und an der Halterung so zu arretieren, daß sich die
Kegelspitze auf Höhe
des oberen Pegels oder Meniskus der Probe befindet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
hat die Vorrichtung einen Drehteller, der motorisch in Drehung um
die Vertikalachse angetrieben wird. Die Halterung ist in exzentrischer
Stellung drehbar an dem Drehteller angebracht und gegen ein Mitdrehen festgehalten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
trägt der
Drehteller eine Ausgleichsmasse, die die Exzentrizität von Halterung
und Laborgefäß kompensiert. Die
Ausgleichsmasse reduziert die Lagerbelastung, und sie dient der
Laufruhe.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
läßt sich
die Ausgleichsmasse baulich skalieren und/oder in der Position verstellen.
Bei der baulichen Skalierung ist an den Austausch oder die Ergänzung von Ausgleichsmassen
zu denken. Dadurch ist eine Anpassung an die Form, Größe und den
Füllstand
des Laborgefäßes möglich.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Halterung mit einem Gelenkarm gegen das Mitdrehen festgehalten.
Der Gelenkarm muß translatorisches
Spiel in einer Ebene quer zu der Vertikalachse und Drehspiel um
zwei orthogonale Achsen gewährleisten,
die diese Ebene aufspannen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist dazu der Gelenkarm mit einem Scharniergelenk ortsfest gelagert.
Er greift mit einem zweiten Scharniergelenk an der Halterung an und
weist zwischen den Scharniergelenken ein Kugelgelenk auf.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Halterung mit einer Neigung an dem Drehteller angebracht,
die dem Winkel zwischen der Mittel achse des an der Halterung arretierten
Laborgefäßes und
der Vertikalachse entspricht.
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Die
Neigung der Halterung kann sich baulich skalieren und/oder verstellen
lassen, und zwar manuell oder motorisch, kontinuierlich oder in
Stufen. Eine Voreinstellung der Neigung ist ebenso möglich wie
eine Änderung
der Neigung im laufenden Betrieb. Dadurch läßt sich die in der Probe hervorgerufene Strömungsunruhe
beeinflussen.
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Die
erfindungsgemäße Rüttel- oder
Vibrierbewegung eines Laborgefäßes läßt sich
mit verschiedenen Geräteaufbauten
realisieren. So kann die Halterung für das Laborgefäß auch eine
Kurven- oder Nockenscheibe abgreifen, die motorisch in Drehung um
die Vertikalachse angetrieben wird.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
wird die Halterung mit gegen die Vertikalachse versetzten, vorzugsweise
parallel dazu wirkenden Linearmotoren in der Neigung verstellt.
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Schließlich kann
die Halterung auch ein Kardangelenk mit der Vertikalachse im Zentrum
haben und um die beiden zu der Vertikalachse orthogonalen Achsen
des Kardangelenks motorisch drehverstellbar sein.
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In
allen Drehfreiheitsgraden der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht die
Möglichkeit,
Drehrichtung und/oder Drehzahl variabel zu steuern, die Vorrichtung
kontinuierlich oder taktweise, hoch- oder niedertourig zu betreiben
und insbesondere in mehr oder weniger schnell hin- und hergehende
Drehbewegung zu versetzen.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von fünf in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 die
schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung von Strömungsunruhe
in einer Probe, teilweise im Schnitt;
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2 ein
perspektivisches Aufbauschema der Vorrichtung gemäß
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1;
und 3 bis 6 perspektivische Aufbauschemata
von vier weiteren Vorrichtungen.
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Die
Vorrichtung gemäß 1 und 2 hat einen
Maschinensockel 10, mit dem sie auf einem Labortisch steht.
In den Maschinensockel 10 ist oben bündig ein horizontaler, kreisrunder
Drehteller 12 eingelassen. Der Drehteller 12 ist
mit einem Kugellager 16 an dem Sockel 10 gelagert
und um eine zentrale Vertikalachse 18 in Drehung angetrieben.
Dazu dient ein Elektromotor, der auf gleicher Achse mit dem Drehteller 12 in
dem Maschinensockel 10 untergebracht ist.
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An
der von außen
zugänglichen
Oberseite 14 des Drehtellers ist in exzentrischer Anordung
eine Halterung für
ein Laborgefäß angebracht.
In 1 ist die Halterung als U-förmiger Bügel 20 dargestellt. Das
Laborgefäß ist ein
Reagenzglas 22. In den übrigen
Abbildungen sind Halterung und Laborgefäß zusammen als Kreiszylinder 24 stilisiert.
Die Zylinderachse 26 repräsentiert eine Mittelachse 28,
bezüglich derer
das Laborgefäß von zentralsymmetrischer Rundform
ist.
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Das
Laborgefäß enthält eine
Probe 30, die gerüttelt
oder vibriert werden soll. Dazu wird das Laborgefäß an der
Halterung in eine Arretierstellung gebracht, in der es wohlpositioniert
im wesentlichen starr an der Halterung festsitzt. Nach Beendigung des
Rüttel-
oder Vibriervorgangs wird das Laborgefäß von der Halterung wieder
gelöst.
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Gemäß 1 und 2 ist
die Halterung mit einem exzentrischen Fuß 32 an der Oberseite 14 des
Drehtellers 12 befestigt. Der Fuß 32 hat eine Auflagefläche 34 für die Halterung,
die gegen die vertikale Drehachse 18 des Drehtellers 12 nach
innen geneigt ist.
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Der
Drehteller 12 trägt
eine Ausgleichsmasse 36, die die Exzentrizität des Fußes 32 und
der Halterung mit dem Laborgefäß und der
Probe 30 kompensiert.
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Die
Halterung ist mit einem Kugellager 38 drehbar in den Fuß 32 eingelassen.
Die Drehachse 40 der Halterung steht senkrecht zu der Auflagefläche 34 des
Fußes 32.
Sie ist gegen die Vertikalachse 18 des Drehtellers 12 unter
einem spitzen Winkel geneigt. Die Mittelachse 28 des an
der Halterung arretierten Laborgefäßes ist parallel zu der Drehachse 40 der
Halterung orientiert.
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Bei
angetriebener Drehung des Drehtellers 12 um die Vertikalachse 18 läuft die
Halterung dank der Exzentrizität
des Fußes 32 um
die Vertikalachse 18 um. Die Halterung ist mit einem Gelenkarm
gegen ein Mitdrehen um ihre Drehachse 40 festgehalten. Der
Gelenkarm hat zwei Schwingen 42, 44, von denen
die eine 42 mit einem Scharniergelenk 46 an dem
Maschinensockel 10 und die andere 44 mit einem
Scharniergelenk 48 an der Halterung angebracht ist. Die
Anlenkachsen der Scharniergelenke 46, 48 sind
parallel. Die Schwingen 42, 44 sind etwa in Gelenkarmmitte
durch ein Kugelgelenk 50 miteinander verbunden.
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Bei
jeder vollen Umdrehung des Drehtellers 12 um die Vertikalachse 18 dreht
sich die Halterung einmal im Gegensinn um ihre Achse 40.
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In
Arretierstellung an der Halterung ist das Laborgefäß so positioniert,
daß seine
Mittelachse 28 die Vertikalachse 18 schneidet,
um die sich der Drehteller 12 dreht. Der Schnittpunkt 52 liegt
auf Höhe
des Meniskus der Probe 30 in dem Laborgefäß.
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An
dem Schnittpunkt 52 bildet die Mittelachse 28 des
Laborgefäßes mit
der Vertikalachse 18 einen spitzen Winkel, der dem Neigungswinkel
der Halterung entspricht. Der Schnittpunkt 52 der Achsen 18, 28 stellt
die stationäre
Spitze eines Kegels dar, auf dessen Mantel die Mittelachse 28 des
Laborgefäßes umläuft, wenn
sich der Drehteller 12 dreht. Durch die Halterung ist das
Laborgefäß gegen
ein Mitdrehen um seine Mittelachse 28 festgehalten. Während die
Probe 30 um die Vertikalachse 18 umläuft, vollführt das
Laborgefäß eine phasenversetzt
hin- und hergehende Schwenkbewegung um zwei zueinander senkrechte
Horizontalachsen durch die Kegelspitze 52. Dadurch wird
eine effektive Durchmischung der Probe 30 erreicht.
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Gemäß 2 läßt sich
die Halterung für
das Laborgefäß an einer
Rampe 54 des Fußes 32 in
Exzentrizität
und Neigung verstellen.
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Gemäß 3 wird
wie vor eine kreisrunde ebene Scheibe 56 um eine zentrale
Vertikalachse in angetriebene Drehung versetzt. Die Scheibe 56 ist gegen
die Achse geneigt. Ihre Oberseite wird von drei Tastern 58,
Fühlern,
Stellgliedern o. ä.
abgegriffen, die in vertikaler Richtung linear beweglich geführt sind
und eine Plattform 60 mit dem Laborgefäß tragen. Die Taster 58,
Fühler
oder Stellglieder sind auf einem Kreis um die Vertikalachse um 120° winkelversetzt.
Sie fahren je nach Winkelstellung der rotierenden Scheibe 56 parallel
zu der Vertikalachse mehr oder weniger ein und aus. Dabei ist eine
Bewegungsuntersetzung oder -übersetzung
möglich.
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Gemäß 4 wird
eine Plattform 60 mit dem Laborgefäß von drei Linearmotoren 62 angetrieben, die
in der gleichen Konfiguration wie die Taster 58, Fühler, Stellglieder
o. ä. der 3 angeordnet
sind.
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Gemäß 5 und 6 hat
die Halterung für
das Laborgefäß ein Kardangelenk
mit der Vertikalachse im Zentrum. Das Laborgefäß wird motorisch mit Phasenversatz
um zwei zueinander senkrechte Horizontalachsen des Kardangelenks
hin und her gedreht. Bei 5 geschieht das mit zwei elektrischen Drehmotoren 64,
und bei 6 mit zwei Elektromagneten 66.
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- 10
- Maschinensockel
- 12
- Drehteller
- 14
- Oberseite
- 16
- Kugellager
- 18
- Vertikalachse
- 20
- Bügel
- 22
- Reagenzglas
- 24
- Kreiszylinder
- 26
- Zylinderachse
- 28
- Mittelachse
- 30
- Probe
- 32
- Fuß
- 34
- Auflagefläche
- 36
- Ausgleichsmasse
- 38
- Kugellager
- 40
- Drehachse
- 42
- Schwinge
- 44
- Schwinge
- 46
- Scharniergelenk
- 48
- Scharniergelenk
- 50
- Kugelgelenk
- 52
- Schnittpunkt/Kegelspitze
- 54
- Rampe
- 56
- Scheibe
- 58
- Taster
- 60
- Plattform
- 62
- Linearmotor
- 64
- Drehmotor
- 66
- Elektromagnet