實驗室離心機及其運行方法與流程

2023-06-02 01:13:36 1

本發明涉及一種實驗室離心機及其運行方法。例如此類實驗室離心機可用於生物技術、製藥工業、醫療和環境分析領域。藉助於實驗室離心機能夠以每分鐘3,000轉以上(例如15,000轉/分鐘或者更多)的轉速對某種產品進行離心分離，尤其可對其中布置有樣品或物質的容器或者器皿進行離心分離，其中，由此所產生的作用於產品的加速度可以大於15,000g，例如大於16,000g、大於20,000g直至大於60,000g。通過離心分離將樣品或者物質所形成的混合物分解成不同密度的成分。視混合物的化學和/或物理性質而定，在離心分離過程中可能還要適當控制壓力和/或溫度條件。舉例來說，可以將實驗室離心機用於：

-聚合酶鏈式反應(PCR)，

-測定血細胞比容，

-細胞學研究，或者

-對微量滴定離心機、血袋、石油器皿或者血液器皿進行離心分離。

背景技術：

原則上可在實驗室離心機中使用設計成角度轉子(Winkelrotor)或者衰減振動轉子(Ausschwingrotor)並且繞著豎直旋轉軸線旋轉的轉子。

U S 2,821,339 A公開了一種實驗室離心機，可使得轉子以很小的轉速繞著水平旋轉軸線轉動。由電驅動裝置的傳動軸頭直接支承轉子。轉子被設計成具有空心圓柱形轉鼓壁的轉鼓。轉鼓在朝向驅動裝置的一側被圓盤形支承板封閉，而在背向驅動裝置的一側則敞開。將多個分布在圓周方向的、用於離心分離樣品容器的保持部在內側固定在轉鼓上。所述保持部被設計成彈性夾，所述彈性夾具有兩個徑向向內、呈V形向內張開的彈性臂。可以從轉鼓的敞開側將容器平行於轉子的旋轉軸線要麼放入保持部的彈性臂之間，或者放入兩個相鄰支架的相鄰彈性臂之間，由彈性臂將容器夾緊。容器的縱軸線平行於轉子的旋轉軸線，將容器的蓋子或者塞子布置在背向驅動裝置的一側上。可以將不同直徑的多個轉鼓壁彼此同心嵌套，從而提高可以利用轉子進行同心分離的容器的數目。

專利US 2008/0182742 A1公開了一種多個圓盤形轉子繞著共同水平旋轉軸線旋轉的離心機。可以通過一個共同的驅動裝置或者通過多個獨立的驅動裝置共同驅動轉子，但也可以在利用其它轉子進行離心分離的過程中將某個轉子與至少一個驅動裝置分離，可以從該轉子中取出離心分離的樣品，並且可以給轉子裝上新的樣品，隨後通過相應的驅動裝置重新驅動轉子。當想要給另一個轉子裝載或者卸載的時候，以這種方式不必中斷利用單個或者多個轉子進行離心分離。垂直於旋轉軸線移動某個轉子，就能使該轉子脫離傳動連接，例如脫離傳動鼓。通過裝載和卸載裝置給轉子裝載和卸載，所述裝載和卸載裝置可以通過軌道平行於旋轉軸線移動，使得裝載和卸載裝置能夠各自與不同的轉子相互作用。此外，裝載和卸載裝置還具有執行器，可以利用該執行器在旋轉軸線方向將新樣品從外面提供給轉子的保持部，並且反過來可以在轉子旋轉軸線的徑向從保持部上移除離心分離完畢的樣品。

DE 10 2012 201 717 A1公開了一種離心機，其多個模塊各自具有一個轉子。轉子具有水平旋轉軸線，並且形成一個盆狀的容納部，其縱軸線平行於旋轉軸線，並且具有U形的橫截面，且U形的側邊略微擴散，旋轉軸線垂直於U形的延伸平面大致居中穿過U形延伸。可以在旋轉軸線方向將多個樣品容器依次布置、固定在容納部中，多個樣品容器的樣品管道縱軸線相互平行布置在沿徑向指向旋轉軸線的共同平面中。這些模塊均具有用來檢測容納部旋轉位置的旋轉位置傳感器。若要將樣品裝入容納部中以及離心分離之後從容納部中取出樣品，可利用旋轉位置傳感器的信號使得容納部進入裝載和卸載位置，樣品管道縱軸線在該位置中平行於重力加速度方向。這裡以每分鐘3,000轉以上的轉速進行離心分離，因此重力加速度引起的作用於樣品的加速度的交變分量應為影響小於1％的幹擾量。可以通過具有補償質量體的補償裝置消除轉子的失衡。應進行離心分離的樣品載體優選是具有多個樣品管道的所謂「Gel Carts」。應通過鎖止構件將樣品載體固定在容納部上。為了讓轉子有很小的結構空間，可以讓樣品載體與旋轉軸線相隔適當小的間距，使得樣品管道的一端在旋轉軸線上。可以通過自動裝載機的抓取工具或者利用移液裝置進行裝載和/卸載。在容納部的裝載和卸載位置中進行裝載和卸載，從上方將樣品或者樣品載體放入到U形容納部的側邊之間，在離心分離之後同樣向上取出樣品或者樣品載體。

EP 2 835 178 A1公開了一種用來清洗微量滴定板的離心機。在離心機中使得微量滴定板繞著水平旋轉軸線旋轉。為了排空或者清洗微量滴定板，將微量滴定板的開口指向徑向外側，使得作用於微量滴定板中的流體的離心力將流體從微量滴定板中排擠出來。以每分鐘5轉至3,000轉的轉速驅動離心機。對於另一種實施例，將離心機用來對反應容器或者血庫的血液進行離心分離。在該情況下將反應器皿的開口指向徑向內側。從靜止角度位置開始在180°角度範圍內將反應器皿適當加速，從而在所達到的反轉角度位置中至少達到1g的離心加速度，以此避免物質從反應器皿中向下滴落。將具有小孔的微量滴定板加速對於布置在反應器皿中的物質來說有問題，因為加速可能會導致物質從某個反應器皿意外潑出到相鄰的反應器皿。所推薦的解決辦法是使用每分/每秒500轉至每分/每秒1,200轉的加速度。

US 2005/0026765 A1公開了另一種現有技術。

技術實現要素：

本發明的任務在於改進：

-一種運行實驗室離心機的方法，其中，轉子繞著水平旋轉軸線旋轉，以及

-一種實驗室離心機

尤其對離心分離結果和/或利用實驗室離心機進行離心分離的產品的使用範圍加以改進。

根據本發明，本發明的任務藉助相關獨立權利要求所述的特徵來解決。關於本發明的其它優選構型可參閱從屬權利要求。

本發明涉及一種用於運行對產品離心分離用的實驗室離心機的方法。所述產品優選是含有某種樣品或者物質的容器或者器皿。所述容器或者器皿可以具有上方開口，可以通過該上方開口放入和/或取出樣品或物質。器皿或容器的上方開口在離心分離過程中可以敞開，或者(例如使用塞子或蓋子)將其封閉。

本發明所使用的實驗室離心機具有任意結構型式的轉子，該轉子可繞著水平旋轉軸線旋轉，並且，將產品保持在轉子上，使其與旋轉軸線相隔一定距離，從而可產生離心力。可以將產品任意保持在轉子上，其中，原則上可按照衰減振動轉子或者類似於「摩天輪吊艙(Gondel)」以不動或者可動方式保持在轉子上。僅舉另一個非限制性實例：可以將產品適當保持在轉子上，使得產品的縱軸線沿徑向指向旋轉軸線，然後容器或者器皿的開口可以朝向旋轉軸線。

按照現有技術，在實驗室離心機啟動和制動的同時必然會使得產品暫時遭受豎直加速度或加速度分量的作用，加速度方向隨產品在轉子上相對於旋轉軸線的角度位置而變化。如果產品容器的縱軸線例如沿徑向指向旋轉軸線且容器的開口指向旋轉軸線(以下也稱作「示例性布置方式」)，那麼在啟動過程開始以及制動過程結束時，產品處於6:00點鐘位置，由於離心力很小可以忽略不計，重力加速度作用於容器底部方向，也就是遠離容器的上方開口，而在12:00點鐘位置中，重力加速度則作用於相反方向，也就是遠離容器底部並且朝向容器的開口。只要轉子以一定的角速度旋轉，儘管該角速度所產生的離心加速度不夠充分，然而在12:00中位置中仍然會導致離心加速度與重力加速度相疊加所產生的作用於樣品或物質的合成加速度減小。然而由於產品繞著旋轉軸線迴轉，在豎直方向上作用於樣品的合成加速度會改變。這不僅在實驗室離心機的啟動過程中、而且在實驗室離心機制動的過程中也會在某些情況下導致樣品意外混合，最終對離心分離結果造成不良影響。另一方面，合成加速度在上半平面中反轉也隱藏著樣品從容器的上方開口流出的風險。因此在某些情況下，實驗室離心機的使用僅限於已將容器或器皿的上方開口封閉的產品。對於敞口容器或者器皿，實驗室離心機的使用僅限於樣品或物質的流動性和/或毛細作用經過適當規定而使得樣品或物質至少在樣品處於上半平面的角度範圍內的期間不會「流出」的產品。

對於本發明所述的方法，為了避免這些缺點和/或限制，可選擇或者附加使用以下兩項措施：

a)本發明的一種構型涉及到實驗室離心機的啟動。按照本發明，產品在轉子上首先處於靜止角度位置中(或者使其進入該位置)。在靜止角度位置中，轉子與產品的角速度為零。在該靜止角度位置中，將產品布置在3:00點鐘位置至9:00點鐘位置之間(也就是在假想的時鐘錶盤的下半部中)。因此，在靜止角度位置中，任何情況下重力加速度至少都具有從旋轉軸線沿徑向向外作用的分量。在「示範性布置方式」中，在靜止角度位置中，至少一個重力加速度分量朝向容器底部作用於樣品。然後，從該靜止角度位置開始使得轉子加速，直至將產品首次布置在12:00點鐘位置中，在該位置中，重力作用方向已經相對於6:00點鐘位置反轉，因此將其稱作反轉角度位置。

為了避免重力加速度和離心加速度相疊加所產生的合成加速度的方向在反轉角度位置中反轉，按照本發明，將轉子適當定向加速，使其在到達反轉角度位置時就已達到一定大小的角速度，使得作用於產品的離心加速度大於重力加速度。採用這種方式，在反轉角度位置中略微大於零並且沿徑向向外的合成加速度就會起作用，這對於「示範性布置方式」來說意味著：即使在反轉角度位置中也可使得容器中的樣品朝向底部至少略微加速。因此，按照本發明，在實驗室離心機啟動過程中作用於產品的合成加速度不具有改變其方向的豎直分量。

b)同樣可以在反轉角度位置中的角速度處於某個預定角速度範圍內的時候，才開始從反轉角度位置進入靜止角度位置的制動過程(只要保證反轉角度位置中的角速度大小足以使得作用於產品的離心加速度大於重力加速度)。同樣可以在事前適當引起預給定的角速度，然後在到達產品的反轉角度位置時從這個預定的角速度起引起上述制動過程，直至到達靜止角度位置。

按照本發明，啟動過程中的加速和/或從離心加速度大於重力加速度的角速度減至為零的角速度(或者反過來)在小於270°角度範圍內進行。

有多種方法可產生所需的加速或制動。舉一個非限制性例子，可以適當設計驅動裝置及其控制器，從而能夠在指定的角度範圍內產生所需的加速或制動力矩。按照另一種非限制性示例，可以通過慣性質量體的適當耦接或脫耦來引起或者支持加速或制動。例如對於加速過程來說，可以首先(某些情況下也要在持續時間較長的加速過程中)使得慣性質量體具有一定的旋轉動能，該旋轉動能至少與轉子和慣性質量體共同以某一角速度旋轉時的動能一樣大，其離心加速度大於重力加速度，而在慣性質量體加速期間轉子與產品首先處於靜止角度位置中。然後在達到所需動能的同時使得慣性質量體與轉子耦接，慣性質量體因此「帶動」轉子。此時可以突然或者逐漸閉合離合器(耦接部)，使用可控閉合的離合器(耦接部)，或者使用滑動式離合器(滑動式耦接部)。慣性質量體的旋轉運動與轉子的旋轉運動完全耦合，直至到達反轉角度位置，然後產品與轉子就已因此達到所需的角速度。

假設轉子在反轉角度位置中應具有一定大小的角速度，使得作用於產品的離心加速度大於重力加速度，則僅僅指定下限。反轉角度位置中的角速度優選具有適當的大小，使得作用於產品的離心加速度至少相當於重力加速度的兩倍。

原則上產品的靜止角度位置可以相當於6:00點鐘角度位置，從而需要在180°角度範圍內的反轉角度位置中引起角速度。但是按照本發明，靜止角度位置不同於6:00點鐘角度位置(但還是將產品在靜止角度位置中布置在3:00點鐘位置至9:00點鐘位置之間)。例如在極端情況下當靜止角度位置處於3:00點鐘位置的時候(構成樣品的非流動性介質正好無法朝著旋轉軸線方向加速)，樣品就會在朝向反轉角度位置的途中經過270°的角度範圍，在90°角度範圍內加速之後並且在到達6:00點鐘位置時就已將產品加速到某個不同於零的角速度。總而言之，通過該措施可以使得轉子和產品必須加速才能增大在反轉角度位置中達到所需角速度的角度範圍。增大該角度範圍一方面可以減小所需的加速力和制動力，從而可以降低對驅動裝置及其控制器的要求。另一方面，在靜止角度位置與反轉角度位置之間某些情況下，很強的加速度或制動度會引起作用於產品的不需要的切向加速度，通過增大所必須進行制動或加速的角度範圍可以減小上述切向加速度。

按照本發明，在相當於6:00點鐘位置的裝載和卸載位置中給轉子裝載和卸載。隨後首先利用驅動裝置使得轉子以第一旋轉方向轉化到靜止角度位置中，然後從該靜止角度位置起以相反的第二旋轉方向朝著反轉角度位置方向加速。同樣也適用於制動過程，為此，在制動過程中使轉子以第一旋轉方向旋轉直至到達靜止角度位置，隨後以相反的第二旋轉方向從靜上角度位置反轉到卸載位置。換句話說，利用根據本發明的措施可以在加速或制動時進行「啟動」，或者，在制動時使樣品以「越振」方式越過6:00點鐘角度位置。

可以手動將產品提供給轉子、與轉子相耦接、與轉子脫耦、和/或從轉子上移除。在本發明的優選的構型中，將產品自動地提供給轉子和/或自動從轉子上移除，附加也可以使產品與轉子自動地耦接和/或脫耦。事實證明，如果這裡所述的實驗室離心機具有可繞著水平旋轉軸線旋轉的轉子，那麼這種自動操作產品的方式特別適用，原因在於：對於具有水平旋轉軸線的轉子來說，在水平的操作平面中特別便於自動操作產品，可以使得樣品自動接近轉子並且保證與其之間的距離。

完全能夠以不同的旋轉方向(自動或者手動)將產品提供給轉子，並且在離心分離之後從轉子上移除產品，就是說以向前運動提供產品，以向後運動移除產品。然而按照本發明，針對一種優選的改進方案建議的是，自動將產品提供給轉子，並且在離心分離之後以同一旋轉方向從轉子上移除產品。以這種方式可以在離心分離之前操作產品，並且在轉子的一側上提供產品，而在轉子的另一側上移除和繼續操作離心分離後的產品。轉子繞著水平軸線旋轉意味著：轉子的旋轉平面將可以在其中準備和提供產品的半腔與可以在其中移除產品(某些情況下還要繼續處理)的半腔相分開。在提供和移除產品時優選使其平行於轉子的旋轉軸線運動，將需要提供的產品放入轉子的通孔中，並且在另一側從轉子的通孔中取出需要移除的產品。例如可以將孔設計成圓盤狀轉子在橫截面中邊緣封閉的孔。但是完全也可以在例如圓盤狀轉子上的邊緣側上形成孔，因此也可以是在橫截面中邊緣敞口的孔。

在本發明所述方法的另一種實施方式中，通過補償裝置減小與產品質量有關的轉子失衡(Unwucht)。可以自動或者手動操作補償裝置。例如可以利用附加質量體形成補償裝置，將附加質量體與產品對置地保持在轉子上，並且可以根據產品的質量來改變其距離。可以利用執行器或者手動調整裝置，連續或者分級地調整補償質量體與旋轉軸線的距離。補償質量體也可以與刻度尺相互作用，從而可在產品類型已知的情況下適當引起通過刻度尺所設定的補償質量體位置。

在本發明的另一種實施方式中，通過保持部將產品固定在轉子上。完全可以將產品直接固定在轉子的保持部上。可以用任意方式實現固定，尤其可以夾緊產品，或者通過保持裝置、鎖止裝置或者鎖定裝置來保持產品。也可以通過轉子旋轉所引起的離心力作用進行固定。在極端情況下，保持部甚至可以僅僅具有一個用於產品的容納部，可以沿徑向向外將產品放入其中，並且，產品沿徑向向外支撐在其凸肩或底部上。這種情況下，在靜止位置中以及轉子啟動過程中，通過重力和所形成的離心力將產品朝向容納部的底部或凸肩擠壓。隨著轉子的角速度逐漸增大，就會增強產品在容納部底部或凸肩上的壓緊。顯而易見，在容納部與產品之間還可以附加地作用有：起鎖定作用的摩擦力；鎖止或鎖定裝置或者任意另一種鎖定裝置。

在本發明的另一種實施方式中，利用容納體形成保持部。容納體一方面形成容納部，可將產品布置在該容納部中，和/或可將產品保持在該容納部上。另一方面，容納體形成耦接區域，可以通過耦接區域將容納體與布置在容納部中的產品固定在轉子上。因此一方面可以有針對性地設計與產品相互作用的容納部，另一方面可以有針對性地設計與轉子相互作用的耦接區域，這種情況下就可以在容納體已被固定在轉子上時將產品提供給容納體的容納部。但是在利用容納體將產品提供給轉子並且使得容納體在耦接區域中與轉子相耦接之前，優選將產品放入容納體的容納部中。例如，如果希望使用同一轉子對具有不同幾何特性的不同產品進行離心分離，則使用容納體就會有好處。在這種情況下可以使用容納體，所述容納體具有相同的耦接區域，但也可以具有不同的容納部，以便容納具有不同幾何特性的不同產品。可想而知，也可利用適配器(Adapter)形成容納部，所述適配器可調整容納部使之適應於產品的相應幾何特性。也可以通過離心力操縱的鎖止或鎖定裝置將容納體固定在轉子上。

在本發明的另一種實施方式中，通過傳感器檢測轉子的旋轉角度，然後根據所檢測的旋轉角度控制或調節轉子的驅動單元。例如可以根據所檢測的旋轉角度適當引起轉子的卸載和/或裝載位置和/或轉子的靜止角度位置。此外，還可以根據傳感器檢測的旋轉角度通過驅動單元控制或調節加速力矩和/或制動力矩，從而在到達反轉角度位置時達到所需的角速度。

在本發明的另一種實施方式中，使用基於旋轉角度進行控制或調節的驅動單元，優選使用一種利用旋轉的場所形成的驅動單元。與電機的傳統調節器相比，具有場(磁場)定向控制(Field Oriented Control，縮寫為FOC)的驅動單元能根據轉矩和速度進行精準控制或調節。為了調節轉場式電機(Drehfeldmaschine)，可將電機參量分解為形成磁通和轉矩的分量，從而可以實現電機狀態的技術解耦，與直流電機的已知物理特性一樣。除了可以通過場(磁場)定向控制實現高的電效率之外，場(磁場)定向控制的兩個特性對於本發明很重要：場(磁場)定向控制一方面可以使得可用轉矩最大化，這有利於這裡所需的高加速度。另一方面，這裡優選利用旋轉角度編碼器(Drehwinkelgeber)(在驅動單元中原本已存在，或者可以是轉子的旋轉角度編碼器)執行的場(磁場)定向控制能夠精確定位轉子，例如這是調整裝載和卸載位置所必需的性能。使用具有場(磁場)定向控制的驅動單元就可以省去用於精確定位轉子的附加執行電機(伺服馬達)。

本發明的另一任務通過配有驅動單元的實驗室離心機來解決，通過控制單元(其中也應包括調節單元)適當控制所述驅動單元，使得利用實驗室離心機來執行以上所解釋的方法。

在根據本發明的實驗室離心機的另一種實施方式中，轉子形成產品用的容納部。在轉子的一側上形成有容納部的供給口，可以通過該供給口將產品提供給容納部。在轉子的另一側上形成容納部的取出口，在離心分離之後可以通過該取出口從容納部中取出產品。可以將產品穿過轉子的通孔進行裝載和卸載，所述通孔的端側一方面構成取出孔，另一方面構成供給孔。

完全可以將驅動單元的縱軸線或者驅動軸線設計成與轉子的旋轉軸線同軸。對於本發明的另一建議，可通過與轉子旋轉軸線平行且間隔開布置的驅動單元縱軸線或者驅動軸線來驅動轉子，這樣可在某些情況下改善結構空間條件。

對於該實施方式，如果將驅動單元在繞著旋轉軸線的周向方向上與產品的容納部或保持部錯開布置，就能進一步改善結構空間條件。這樣就能將驅動單元布置在轉子的局部圓周區域中，而在包括容納部或保持部的轉子的另一局部圓周區域中可以採取提供產品和從容納部或保持部中移除產品所需的措施，因此可以產生特別緊湊的結構。

根據本發明的實驗室離心機設有用於檢測轉子旋轉角度的傳感器。此外，實驗室離心機還具有控制單元，該控制單元配有控制邏輯(機構)，該控制邏輯(機構)可根據所檢測的轉子旋轉角度來控制或調節轉子的驅動單元。

關於本發明的有利的改進方案可參閱權利要求書、說明書和附圖。說明書中所述的特徵和多種特徵組合的優點僅為示例，並且可以起到替代或累積作用，並非一定由本發明所述的實施方式來實現這些優點。權利要求所保護的主題並不因此而改變，關於原始申請資料和專利申請的公開內容，可查閱其它特徵和附圖——尤其是附圖所示的幾何形狀和多個部件相互間的關係尺寸及其相對布置和相互作用關係。同樣可以不同於權利要求的所選關係，將本發明不同實施方式的特徵和不同權利要求的特徵組合使用，並且也鼓勵這麼做。這也涉及到各個附圖中所示的或者其說明部分中所述的那些特徵。也可以將這些特徵與不同權利要求的特徵進行組合。同樣可以省去權利要求中列出的本發明其它實施方式的特徵。

應適當理解權利要求和說明書中所述特徵的數目，即，恰好存在該數目，或者，存在大於所述數目的數目，不需要明確使用副詞「至少」。如果所討論的例如是某一個元件，則應理解為恰好存在一個元件、兩個元件或者更多的元件。這些特徵可以通過其它特徵予以補充，或者可以是用來構成相應產品的幾個特徵。

權利要求書中所包含的附圖標記並不限制這些專利權利要求所保護的範圍，僅用來使得專利權利要求更加易於理解。

附圖說明

以下將根據附圖所示的優選實施例對本發明進行詳細解釋和描述。

圖1：從前面斜向觀察實驗室離心機一部分的立體示意圖。

圖2：從後面斜向觀察圖1所示實驗室離心機這一部分的立體示意圖。

圖3：從上方觀察圖1和圖2所示實驗室離心機這一部分的示意圖。

圖4：用於運行實驗室離心機的方法的高程度示意圖。

圖5：實驗室離心機啟動過程中隨時間變化的產品角度位置、隨時間變化的產品角速度以及隨時間變化的產品角加速度。

圖6：實驗室離心機啟動過程中的產品與作用於產品的力以及相應的受力圖。

圖7和圖8：實驗室離心機另一種實施方式的一部分的不同示意圖。

圖9：控制單元與驅動單元以及傳感器相互作用的實驗室離心機示意圖。

圖10：從前面斜向觀察實驗室離心機另一種實施方式的一部分的立體示意圖。

圖11：圖10所示實驗室離心機的補償裝置區域內的細節圖XI。

圖12：產品用的容納體的立體示意圖。

圖13：橫向於旋轉軸線觀察圖12所示容納體的側視圖。

圖14：用於將容納體鎖定在轉子中的離心力操縱式鎖定裝置的細節圖。

具體實施方式

在圖1至圖3以及圖7、圖8中使用x、y、z笛卡爾坐標系表示空間方向，其中，方向x、y定義水平面，方向z表示豎直方向。此外，在這些附圖中還使用g表示重力加速度。

在本申請書中，參照時鐘錶盤來解釋產品基於實驗室離心機旋轉軸線的角度位置。假想時鐘錶盤的12:00點鐘位置與z坐標相關聯，其中，時鐘的小指針在這裡與重力加速度g的作用方向相反，而時鐘的小指針在6:00點鐘位置中的指向則相當於重力加速度的方向，並且，時鐘的小指針在3:00點鐘位置中的指向相當於x方向。

為了簡化起見，在本申請中涉及的是「離心力」或者「離心加速度」。申請人意識到這些嚴格來說並不存在，離心力和離心加速度僅僅針對向心加速度而出現(參考達朗貝爾力學研究方法「d′Alembertsche mechanische Betrachtungsweise」)。

這裡僅僅部分繪出的實驗室離心機1具有轉子2，該轉子繞著沿y方向的水平旋轉軸線3旋轉。對於圖中所示的實施例，轉子2大致近似於圓盤形狀，但並非一定是這種情況。轉子2構成保持部4或容納部5，藉助於該保持部4或容納部5或者在該保持部4或容納部5中將產品6以可鬆脫的方式保持在轉子2上。對於圖中所示的實施例，藉助轉子2的通孔7形成了保持部4或者容納部5，所述通孔在y方向上穿過轉子2延伸並且在此構造成具有邊緣封閉的橫截面。通孔7在朝向圖1的一側上形成供給口8，可以通過該供給口將產品6提供給保持部4或容納部5。通孔7在背向圖1的一側上相應地形成了取出口9，可以通過該取出口將產品6從保持部4或容納部5中取出。如果實驗室離心機1用來自動地提供產品6以及自動地取出產品6，則以這種方式就能在y方向(也就是平行於旋轉軸線3)以統一的輸送運動來保證產品6的連續流，在該統一的輸送運動的情況下，通過供給口8將產品6送入容納部5中或者提供給保持部4，與在離心分離之後通過取出口9從保持部4或者容納部5中取出產品6的方向相同。

轉子2具有與產品6的保持部4或容納部5徑向對置的補償裝置10，該補償裝置用來減小或消除該轉子2的失衡。為此，補償裝置10具有補償質量體11，可以改變該補償質量體與旋轉軸線3的距離來彌補可能的失衡。對於圖中所示的實施例，補償裝置10具有刻度尺12，改變補償質量體11與旋轉軸線3的距離即可使得補償質量體11的標識13(這裡是箭頭14)沿著刻度尺移動。在調整補償裝置10時可以利用刻度尺12適當地選定補償質量體11的預定位置，所述預定位置例如各自與不同的產品6相關聯，尤其與產品6的不同質量相關聯。

按照圖2所示，轉子2可以相對於支架15旋轉地支承，對於附圖所示的實施例，所述支架利用三個相對於旋轉軸線3徑向延伸的支臂16a、16b、16c構成，這些支臂均在徑向外側端部區域中支撐在實驗室離心機1的底座、框架或外殼上(圖中沒有繪出)。通過驅動單元17驅動所述轉子2。對於圖1至圖3所示的實施例，將驅動單元17的驅動軸與旋轉軸線3同軸地布置。

以下將基於圖4參考圖5所示隨時間變化的角度、角速度以及角加速度對圖1至圖3所示用於運行實驗室離心機的方法進行解釋：

在方法步驟18中提供產品6。在位於轉子2前面並且通過轉子2的旋轉平面與轉子2後面的半腔20分開的半腔19中提供產品6。可以單個地提供將要利用實驗室離心機1逐步離心分離的產品6、分組地提供產品6、或者在不連續或連續的輸送過程中提供多個產品6。如果不是直接、而是利用容納體21(也可以是樣品載體)將產品6放入轉子2的保持部4或容納部5中，那麼在方法步驟22中將至少一個產品6放入容納體21的容納部中。隨後，在方法步驟23中，使得轉子處於形成裝載位置的角度位置中。該裝載位置例如是圖1中所示的6:00點鐘位置。隨後，在方法步驟24中，通過合適的執行器或者操作裝置，將至少一個產品6(優選利用容納體21)經由供給口8放入到容納部5中。在隨後的方法步驟25中，將產品6固定在由容納部5所形成的轉子2保持部4上。如果通過容納體21將產品6固定在轉子2的保持部4上，則在該方法步驟中使得容納體21的耦接區域與保持部4所形成的、轉子2的相應的對應耦接區域相耦接。然後在方法步驟26中，驅動單元17使得轉子2從圖1所示的6:00點鐘位置(在這裡形成供給位置或裝載位置27)直至時刻28緩慢轉入到靜止角度位置29。為此，將轉子2首先逆時針方向加速到時刻30，隨後將其適當制動，使其在時刻28在靜止角度位置29中具有為零的角速度。轉子2可以在靜止角度位置29中停留一段時間。但是角速度優選在靜止角度位置29中直接反轉。靜止角度位置29優選是介於3:00點鐘位置至6:00點鐘位置之間範圍內的角度位置，其中，由於減小了樣品或者物質的流出傾向、物質的粘度較大、並且毛細作用(Kapillarwirkung)較大，因此可以使得靜止角度位置29更接近於3:00點鐘位置。在隨後的方法步驟32中，使得轉子2與保持在其上的產品6從靜止角度位置29以相反的旋轉方向(也就是順時針方向)加速。產品6在時刻33經過6:00點鐘位置，對於附圖所示的實施例來說，也就是經過供給或裝載位置27。由於從靜止角度位置29開始加速，因此轉子2與產品6在經過6:00點鐘位置時已具有大於零的角速度34。因此預先從供給或裝載位置27轉動到靜止角度位置29，並且從靜止角度位置29開始加速「獲得動量」，使得轉子2和產品6在6:00點鐘位置中的能量水平比直接從6:00點鐘位置啟動時要大。產品6以不斷增大的角速度繼續順時針加速經過9:00點鐘位置進入12:00點鐘位置，其中，視驅動單元17的驅動功率而定，結果就能進一步提高加速的力矩，或者，使該力矩在達到最大力矩時保持恆定，因此產生的角加速度保持恆定(參考圖5)。隨後，在方法步驟35中，以預定的角速度或者預定的角速度變化曲線進行真正的離心分離。當離心分離結束時，將轉子2制動。該制動方式是在方法步驟36中適當控制驅動單元17，從而保證在形成反轉角度位置的12:00點鐘位置中使角速度處於離心加速度略大於重力加速度的角速度範圍內。離心加速度：

az＝ω2r

式中，ω：角速度，並且

r：樣品重心與旋轉軸線的距離

優選的是，該離心加速度處於ng≤az≤(n+1)g的範圍內，式中，n＝1、2、3、4、5或6。也可以適當控制驅動單元17，從而在反轉角度位置中存在精確設定的角速度進而存在大於重力加速度的離心加速度。對於如此引起的狀態，在方法步驟37中，將轉子2與保持在其上的產品6制動到為零的角速度，直至到達介於3:00點鐘位置至9:00點鐘位置之間、優選介於6:00點鐘位置至9:00點鐘位置之間的靜止角度位置。由此，在小於270°的角度範圍內實現制動。隨後，在方法步驟38中，在反轉旋轉方向的情況下，使轉子2與保持在其上的產品6逆時針方向旋轉返回到卸載或排出位置中，該位置優選是6:00點鐘位置。然後，在方法步驟39中，使產品6從保持部4脫離。最後，在方法步驟40中，從轉子2中取出產品6，優選通過取出口9取出產品。

圖6所示為大致在10:00點鐘位置中啟動的過程中產品6與作用於產品的力的示意圖(為了簡化起見，省略了啟動過程中轉子2的加速度所引起的切向加速度)。從圖6可以看出，在沒有離心力的情況下，由於存在重力44，將會以重力44的分量使得布置在產品的容器41中的樣品42沿徑向向內加速，也就是從容器41的底部離開朝向蓋子加速。為了讓離心力43和重力44所產生的合力45不具有徑向向內的力分量，必須如圖6所示的受力圖一樣滿足以下條件：

式中，Fz：離心力，

FG：重力，以及

旋轉軸線3和產品6重心的徑向連接軸線與水平面之間的夾角。

由於離心力Fz等於角速度的平方乘以產品6重心與旋轉軸線3的距離，因此對於9:00點鐘位置以上的角度位置來說，利用驅動單元17所引起的速度必須滿足以下條件：

由此得出，若在反轉角度位置中則離心加速度必須等於或大於重力加速度g。

圖7和圖8所示為實驗室離心機1的另一種實施方式，驅動單元17並非與旋轉軸線3同軸地布置。更確切地說，驅動單元17及其驅動軸的驅動軸線或縱軸線46相對於旋轉軸線3間隔開且平行。在這種情況下，驅動單元17通過傳動連接部47(例如通過牽引傳動機構48)與轉子2相耦接，其中，傳動連接部47也保證了驅動軸線或縱軸線46相對於旋轉軸線3偏移，其中，還可以利用傳動連接部47實現制動或傳動。對於附圖所示的實施例，在6:00點鐘位置中，驅動單元17的旋轉軸線46與轉子2的容納部5以對角線相對置的方式布置。優選地，將驅動單元17布置在轉子的上半平面中(9:00點鐘位置至3:00點鐘位置)，而在供給或裝載位置27和/或在卸載位置中則可以將容納部5布置在下半平面中(3:00點鐘位置至9:00點鐘位置)，由此，驅動單元17就不會妨礙從轉子2提供和移除產品6並且改善了結構空間條件。為此，支架15如圖所示在容納部5範圍內以及在其前面及後面在裝載位置27和/或卸載位置中具有空缺或者空隙，通過該空缺或者空隙可以觸及到容納部5。

圖9所示為檢測轉子2的角度位置的傳感器49以及檢測轉子2的角速度的傳感器50的示意圖。將傳感器49、50的測量信號提供給控制單元51，控制單元據此控制所述驅動單元17，用於執行之前所解釋的方法。在此，控制單元51也可以與其它控制單元(例如用於控制操作裝置和產品6裝載和卸載用的裝載和卸載裝置)進行通信。也可以僅僅通過傳感器49檢測到旋轉角度，並且據此導出角速度信號。本來也可以根據旋轉角度控制所述驅動單元17，從而控制單元51僅僅提供一預定的旋轉角度，和/或由控制單元48處理所述驅動單元17的角度信號。在圖9中，以虛線表示也可以將用來檢測轉子2角度位置的傳感器49(或者用來檢測轉子2角速度的傳感器50)設計成直接集成到驅動單元17中的傳感器，該傳感器例如在驅動單元17中本來設置用於運行。

產品6例如涉及到採血管，所述採血管通常具有13mm x 75mm、13mm x 100mm或者16mm x 100mm的尺寸。優選進行適當加速，使得在產品到達水平方位(9:00點鐘位置)時就已達到大於2g的離心加速度。同理也適用於制動，其中，在這裡優選在反轉角度位置中(也就是在12:00點鐘位置中)至少2g的離心加速度起作用，然後，在180°的角度範圍直至6:00點鐘位置將其制動到角速度為零。可以適當越過6:00點鐘位置，使得儘可能抵消作用於產品6的重力場、重力和制動力，以防止之前利用離心分離所分開的樣品42成分重新混合。某些情況下可以使用凝膠管作為容器41，凝膠管在某些情況下可形成對樣品42來說問題不大的加速和制動過程。如果將容器41開口朝向旋轉軸線3並且底部從旋轉軸線3沿徑向向外布置在容納部5或者保持部4中，且容器41的縱軸線沿徑向指向，那麼重力場就會符合目的地朝向容器41的底部方向作用，用於通過離心離進行分離。由於在取出容器41時分離界線水平延伸，因此從實驗室離心機1中取出時至少減小了混合的風險。否則，只有通過使轉子衰減振動(Ausschwingen)才能實現這樣的結果，而在轉子具有固定角度的情況下則通常在不垂直於器皿底部法線的角度下實現分離界線。

優選地，將容納體21設計成可以與轉子2固定安裝在一起或者可以更換的器皿保持部。可以更換的器皿保持部可用作直線或者盤形輸送系統的一部分，可以通過該輸送系統將器皿輸送至其它流程步驟。將驅動單元17和支架15安裝在圖中沒有繪出的、能保證安全的外殼中。通過驅動裝置17、支架15和/或外殼之間的阻尼元件大幅度減小了傳遞給外殼的振動。

圖10和圖11所示為轉子2與補償裝置10的另一種實施方式。將補償質量體11布置在邊緣封閉的通孔52中，所述通孔在這裡具有矩形的橫截面。通孔52的徑向邊界形成了兩個徑向平行的導向部53、尤其是肋條54，在此之間引導有補償質量體11，用以改變其與旋轉軸線3的距離。為了能夠進行安裝，補償質量體11可以是兩件式或者多件式構造。補償質量體11具有相對於旋轉軸線3徑向貫通的螺紋孔55，操縱杆56穿過該螺紋孔延伸。操縱杆56在與補償質量體11及其螺紋孔55相互作用的軸向區域中具有在這裡沒有繪出的外螺紋。操縱杆56在其兩個端部區域中可以轉動，但是相對於轉子2軸向固定。操縱杆56的徑向外側端部區域從具有操縱面或作用面57的轉子2周面向外伸出。例如將螺絲刀、六角批頭等等插入到操縱面或作用面57中，就可以用手或者自動地通過控制單元51所操縱的執行器對操縱杆56轉動，就能以螺杆傳動方式適當移動所述補償質量體，使得補償質量體11與旋轉軸向3的距離改變，從而可以補償可能的失衡。

圖10、12、13和14所示為容納體21及其與轉子2耦接的其它實施方式。如圖12和圖13所示，容納體21呈塊狀或者方體形狀。容納體21具有可以從上方將產品6放入其中的容納部58。容納部58優選是從上方與z方向相反地置入到容納體21中的盲孔59，可以將具有柱形周面的產品6(例如容器或者試管)放入到盲孔中，其中，優選以摩擦鎖合方式或者僅僅通過重力加速度和可能的離心力將產品6確保在容納部58中。此外，容納體21還具有耦接區域60，容納體21可以通過該耦接區域與轉子2耦接。附圖所示實施例的耦接區域60具有兩個子耦接區域61、62：

子耦接區域61在這裡利用兩個沿y方向取向的槽63形成，這些槽均布置在容納體21的相對側上。附圖所示實施例的槽63具有呈梯形向外擴大的橫截面。轉子2在相對側上的通孔7區域內形成導向部64(這裡是肋條65)，其形狀和位置與槽63的形狀和位置一致。將容納體21與布置在其中的產品一起放入到容納部5中，則導向部64或者肋條65就會進入到槽63中，由此引導所述容納體21平行於旋轉軸線3運動。相應地可以沿著旋轉軸線3的方向(向前和/或向後)取出容納體21。可以僅僅利用很小的摩擦力將容納體21的軸向位置確保在槽63與肋條65之間。由於槽63和肋條65之間的相互作用，因此在容納體21與轉子2之間僅保留有平行於旋轉軸線3的軸向自由度。

子耦接區域62可用來消除離心分離過程中的上述軸向自由度。該子耦接區域利用沿著x方向(也就是橫向於旋轉軸線3)延伸的容納體21的底側上的槽66形成。如圖14所示，沿徑向向外對通孔7限界的轉子2的壁部具有凹進部分67，將可以繞著平行於y軸的擺動軸線69擺動的搖杆68支承在該凹進部分中。搖杆68的一端部區域承載有鎖定元件70，而搖杆68的另一端部區域利用彈簧71適當地加載，使得搖杆68在轉子2沒有轉動的情況下佔據如下擺動位置：在該擺動位置中，鎖定元件70沿徑向向外適當移動，使其不會與容納體21相互作用。反之如果將容納體21居中地布置在通孔7中(也就是按照預定的軸向位置)，那麼槽63和鎖定元件70連同搖杆68就處於橫向於旋轉軸線3的共同平面中。搖杆68在背向鎖定元件70的一側上承載有質量體72。如果在容納體21的預定軸向位置中使轉子2旋轉，離心力就會作用於質量體72，該離心力在彈簧71加載的情況下就會導致了鎖定元件70進入到槽63中，從而以形狀鎖合方式形成鎖定，同時在y方向上消除上述軸向自由度。在此，隨著轉子2的角速度增大，鎖定元件70壓入到槽63中的壓緊力會提高。反之，隨著轉子2制動並且停止，離心力就會消失，在彈簧71的作用下自動地重新解除鎖定，從而可以簡單地取出容納體21。利用槽63和搖杆68與彈簧71、質量體72以及鎖定元件70之間的相互作用，形成了離心力操縱的鎖定裝置73。同樣可以使用任意其它鎖止和/或鎖定裝置來固定所述容納體21的一個、多個或者所有自由度。

對於圖中所示的實施例，容納體21具有僅一個容納部58。可想而知，也可以在唯一的容納體21上設置多個容納部58用於多個產品6。

利用大面積的接觸面來防止補償質量體11和容納體21繞著旋轉軸線3旋轉。有利的是，轉子2具有平坦的端面，容納體21和補償質量體11尤其不平行於旋轉軸線3從所述端面向外伸出，否則將會提高空氣阻力，也會提高產生轉子2的旋轉運動所需的功率。能夠以「燕尾形導向部」方式在轉子2上對補償質量體11和/或容納體21進行導向。在離心分離過程中，也可以例如通過離心力操縱自動關閉或者手動關閉的蓋板將容納部7、52對外封閉。

由於轉子的加速度很高，因此根據角動量守恆(Drallerhaltung)而產生的傾翻力矩可能會作用於實驗室離心機1的支架15或者外殼。為了避免實驗室離心機1因為該傾翻力矩而脫離底座或者其它保持部，則可以使附加轉子(尤其是轉子盤)沿著相反的旋轉方向加速，同時使轉子2加速。由此能獨立於起作用的加速度而對傾翻力矩進行角動量平衡或補償。如果附加轉子具有與轉子2一樣的慣性矩，則能以同樣的角速度和加速度驅動該附加轉子。如果使用具有其它慣性矩的附加轉子，則必須實現旋轉運動的加速或者制動。

顯而易見，必須保證了運行時所必須使用的、轉子2的可能的空隙或者開口(例如供給口8和/或取出口9)至少在重要的工作位置中不會被附加轉子遮蓋。

之前討論的出發點在於，實驗室離心機1立在優選水平的底座上，對於本發明的實施方式來說，也可以將實驗室離心機1安裝在實驗室牆壁上，或者安裝在家具的其它豎直承載壁、承載件等類似構件上，其中，由此使得轉子2的旋轉平面可以平行於壁部，從而能實現特別平坦且節省空間的結構。

優選形成輕量化結構的轉子2。這樣一方面有利於減小質量或減小慣性矩，使得之前所述的傾翻力矩變得更小。另一方面，對於具有較小慣性矩的轉子2來說，能夠利用驅動單元17的比較小的驅動力矩引起所需的高加速度。例如可以將輕質鋁合金、碳纖維增強塑料、複合塑料/金屬結構用於輕量化結構設計。除了實心轉子2之外，同樣可以將轉子的材料挖空進行減重(例如沿著徑向方向和/或平行於旋轉軸線開挖通孔或者不通孔)。

本申請方案是部分地參照了旋轉方向「順時針方向」或「逆時針方向」。相應地，也適用於其它旋轉方向。

在某些情況下，希望將轉子2在裝載和/或卸載位置中固定。對於本發明的一種實施方式，驅動單元17可以對轉子2施加起固定作用的保持力矩，從而不需要附加的固定裝置。但是完全也可以通過鎖止或鎖定裝置來固定轉子2、驅動單元17和/或傳動連接部47，可以手動和/或通過受控制單元51控制的執行器來自動地操縱和/或分離所述鎖止或鎖定裝置。

附圖標記列表

1 實驗室離心機

2 轉子

3 旋轉軸線

4 保持部

5 容納部

6 產品

7 通孔

8 供給口

9 取出口

10 補償裝置

11 補償質量體

12 刻度尺

13 標識

14 箭頭

15 支架

16 支臂

17 驅動單元

18 方法步驟

19 半腔

20 半腔

21 容納體

22 方法步驟

23 方法步驟

24 方法步驟

25 方法步驟

26 方法步驟

27 供給或裝載位置

28 時刻

29 靜止角度位置

30 時刻

32 方法步驟

33 時刻

34 角速度

35 方法步驟

36 方法步驟

37 方法步驟

38 方法步驟

39 方法步驟

40 方法步驟

41 容器

42 樣品

43 離心力

44 重力

45 合力

46 驅動軸線或縱軸線

47 傳動連接部

48 牽引傳動機構

49 傳感器

50 傳感器

51 控制單元

52 通孔

53 導向部

54 肋條

55 螺紋孔

56 操縱杆

57 操縱面或者作用面

58 容納部

59 盲孔

60 耦接區域

61 子耦接區域

62 子耦接區域

63 槽

64 導向部

65 肋條

66 槽

67 凹進部分

68 搖杆

69 擺動軸線

70 鎖定元件

71 彈簧

72 質量體

73 離心力操縱的鎖定裝置