Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermischen/ Trennen von in wenigstens einem Behälter befindliche Substanzen unter¬ schiedlicher Masse und/oder Dichte, der in einer Halterung gehaltert ist, welche durch eine Antriebseinheit unter Mitnahme des Behälters bewegt wird, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.

Stand der Technik:

Für vielerlei Untersuchungen in Labors aller Art müssen Proben untersucht werden, die aus Flüssigkeiten bestehen, welche unterschiedlich schwere Teilchen enthalten. Dabei müssen oftmals unterschiedlich schwere Teilchen miteinander innig gemischt oder vermischte Teilchen auch getrennt werden, zu welchem Zweck diese Proben in Behälter abgefüllt und nach dem bekannten Stand der Technik verrührt oder verquirlt oder geschüttelt oder bei gewünschter Separation die Proben in Zentrifugen durch schnelles Bewegen auf einer Kreisbahn zentrifugiert werden. Bei einer Separation wandern die schwereren Bestandteile nach außen und die leichteren Bestandteile verbleiben näher dem Zentrum der Kreisbewegung. Es ist aber bekannt, daß eine lange Zeit konstanter Krafteinwirkung auf die Proben, wie es beim Zentrifugieren der Fall ist, für eine Reihe von Substanzen nachteilig ist.

Durch die DE-2354368-A1 ist eine Einrichtung zur Zentrifugaltrennung einer Flüssigkeit in Fraktionen unterschiedlicher Dichte bekannt, die einen Trenn¬ behälter aufweist, der auf einem Zentrifugenmotor angebracht und von diesem auf einer Umlaufbahn um eine erste Achse bewegt wird. Ein den Trennbehälter umschließendes Gehäuse ist um eine zweite Achse drehbar angeordnet, so daß sich bezüglich des Trennbehälters beide Drehbewegungen überlagern. Jeder Punkt des Trennbehälters behält dabei stets den gleichen Abstand von der ersten Achse bei.

Durch die DE-1432853-A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von Stoffen durch Gyrofugation bekannt geworden, bei dem ein geschlossener Behälter um zwei verschiedene Achsen rotiert.

Durch die US-2,222,266-A ist eine Zentrifuge bekannt geworden zur Trennung und Neugruppierung von Teilchen. Die Zentrifuge besitzt mehrere antreibbare Achsen, um die die zu zentrifugierenden Teilchen gleichzeitg rotieren können, so daß die Teilchen eine überlagerte, zusammengesetzte Bahnkurve durchlaufen.

Technische Aufgabe:

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermischung oder auch Trennung von entweder zu vermischenden oder zu trennenden Substanzen gemäß der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welche eine verbesserte Vermischung oder auch Trennung von Bestandteilen gestatten, die ansonsten schwer zu vermischen sind oder bei Trennung nur einen geringen Unterschied im spezifischen Gewicht aufweisen, wobei das Verfahren und die Vorrichtung für viele Anwendungen eine verbesserte Probenbehandlung gestatten sollen.

Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile:

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Vermischen Trennen von in wenigstens einem Behälter befindliche Substanzen unter¬ schiedlicher Masse und/oder Dichte, der in einer Halterung gehaltert ist, welche durch eine Antriebseinheit unter Mitnahme des Behälters bewegt wird, dadurch gelöst, daß der Behälter bzw. die Halterung entlang einer zyklisch durchlaufe¬ nen offenen oder geschlossenen Bewegungssbahn mit zumindest zwei Bereichen starker Bahnkrümmungsänderung oder zumindest zwei Umkehrpunkten mit in diesen Bereichen bzw. Umkehrpunkten stattfindender großer Bahnbeschleu- nigung durch die Antriebseinheit, unter Ausschluß einer Rotation des Behälters, im Wesentlichen tangential vor und zurück bewegt wird. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter bzw. die Halterung mittels der Antriebseinheit entlang einer zyklisch durchlau¬ fenen offenen oder geschlossenen Bewegungssbahn mit zumindest zwei Berei- chen starker Bahnkrümmungsänderung oder zumindest zwei Umkehrpunkten mit in diesen Bereichen bzw. Umkehrpunkten stattfindender großer Bahn- beschleunigung, unter Ausschluß einer Rotation des Behälters, im Wesentlichen tangential vor und zurück geführt ist.

In vorteilhafter Weise macht sich die Erfindung dabei den Effekt zunutze, daß in Umkehrpunkten oder in Teilen starker sich ändernder Bahnkrümmungen die auf die Teilchen wirkenden Beschleunigungskräfte sehr groß werden und für eine Bewegungsumkehr um 180 Grad sogar gegen unendlich gehen, wenn nur

- - die Zeit für die Bewegungsumkehr genügend klein gemacht wird. Daher ist beim erfindungsgemäßen Verfahren und beim Einsatz der Vorrichtung selbst bei sich sehr schlecht vermischenden Substanzen oder bei der Separation von vermisch¬ ten Substanzen selbst bei kleinen Unterschieden in der Masse und oder Dichte eine optimale Vermischung bzw. Trennung gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind insbesondere zum Vermischen von Substanzen unterschiedlicher Massen und oder Dichten geeig¬ net, die sich nur schwer vermischen lassen.

Daneben ist die Erfindung auch zum Trennen von Substanzen nach der Masse und/oder Dichte geeignet, wobei in diesem Fall eine kurzzeitige Krafteinwirkung zur Trennung von Teilchen, unterbrochen von Phasen ohne wesentliche Krafteinwirkung, wie es durch das erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht wird, keine oder praktisch keine negativen Beeinflussungen ergibt, sondern sich in vielen Fällen im Hinblick auf weitere Analysen oder Nachbehandlungen der Proben vorteilhaft auf dieselben auswirken kann.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist der Behälter länglich in Form eines Probenglases gestaltet und erstreckt sich in seiner Längsausdehnung in Richtung der Bewegungsbahn auf der Halterung, wobei das Probenglas im Wesentlichen tangential auf einer offenen Bewegungsbahn entlang eines Teils eines Kreisbogens mit vorgegebenem Radius (r) und mit zwei Umkehrpunkten oder entlang einer Geraden mit zwei Umkehrpunkten jeweils in den Enden der Bewegungssbahn vor und zurück bewegt wird. Dabei ist eine besonders einfache Kopplung mit der Antriebseinheit möglich, die bei herkömmlicher Auslegung beispielsweise als Elektromotor vorzugsweise eine Drehbewegung hervorruft.

Der Behälter kann auch entlang einer Ellipse oder entlang einer "oo" mit jeweils zwei Bereichen starker Bahnkrümmungsänderung auf einer geschlossenen Bewegungssbahn oder entlang einer Halbellipse mit einem Bereich starker Bahnkrümmungsänderung und zwei Umkehrpunkten auf einer offenen Bewe¬ gungssbahn sowie jeweils mit einem vorgegebenen Radius (r) auf einer Kugelschale im Wesentlichen tangential vor und zurück bewegt werden. Vorzugsweise ist das Achsverhältnis lange Achse zu kurzer Achse eine große Zahl. Gleichermaßen kann die Halterung entlang einer Halbellipse mit einem Bereich starker Bahnkrümmungsänderung und zwei Umkehrpunkten geführt sein.

In weiterer Ausgestaltung ist der Behälter länglich in Form eines Probenglases gestaltet und erstreckt sich in seiner Längsausdehnung in Richtung der Bewegungsbahn auf der Halterung; mittels der Antriebseinheit ist der Behälter auf einer offenen Bewegungssbahn entlang eines Teils eines Kreisbogens mit vorgegebenem Radius (r) und mit zwei Umkehrpunkten oder entlang einer Geraden mit zwei Umkehrpunkten oder entlang einer räumlichen Halbellipse mit einem Bereich starker Bahnkrümmungsänderung und zwei Umkehrpunkten oder auf einer geschlossenen Bewegungsbahn entlang einer räumlichen Ellipse mit zwei Bereichen starker Bahnkrümmungsänderung sowie jeweils vorgegebenem Radius (r) im Wesentlichen tangential vor und zurück geführt.

Zur Erzielung der zyklisch durchlaufenen offenen oder geschlossenen Bewe¬ gungssbahn mit zumindest zwei Bereichen starker Bahnkrümmungsänderung oder zumindest zwei Umkehrpunkten mit in diesen Bereichen bzw. Umkehr- punkten stattfindender großer Bahnbeschleunigung besteht die Antriebseinheit aus wenigstens zwei exzentrisch drehbar gelagerten Exzenterrädern oder Exzen¬ terwalzen, welche synchron angetrieben sind und die einen gleichbleibenden Spalt ausbilden, innerhalb desselben ein Träger geführt ist, der an seinem unteren, unterhalb des Spaltes befindlichen Ende schwenkbar gehaltert ist und der an seinem oberen, oberhalb des Spaltes befindlichen Ende die Halterung für den Behälter trägt, wobei bei Drehung der Exzenterrädern der Spalt unter Mitnahme des Träger vor und zurück wandert.

Des Weiteren kann zur Erzielung einer offenen Bewegungsbahn entlang eines Teils eines Kreisbogens mit vorgegebenem Radius (r) und mit zwei Umkehr¬ punkten die Antriebseinheit aus zwei Zahnrädern bestehen, deren Drehachsen in Abstand voneinander in Wandungen drehbar gelagert und mittels eines Zahnriemens synchron angetrieben sind, wobei auf jedem Zahnrad mit gleicher Exzentrizität ein Exzenterrad angeordnet ist, die zwischen sich den gleichblei- benden Spalt definieren, innerhalb desselben der Träger geführt ist, der von seinem unteren Drehpunkt aus bis zur Halterung des Behälters die Länge des Radius (r) definiert, wobei der Behälter tangential zum Träger angeordnet ist.

Zur Erzielung der zyklisch durchlaufenen geschlossenen räumlichen Bewegungs- bahn mit zumindest zwei Bereichen starker Bahnkrümmungsänderung mit in diesen Bereichen stattfindender großer Bahnbeschleunigung kann oberhalb der Antriebseinheit, die Exzenterwalzen aufweist, eine zweite derartige Antriebs¬ einheit mit Exzenterwalzen um 90 Grad versetzt angeordnet sein, wobei jeweils

zwischen den unteren und oberen Exzenterwalzen der Träger geführt ist, welcher als Rundstange ausgebildet und an seinem unteren Ende kardanisch befestigt ist, wobei bei Drehung der Exzenterwalzen der jeweils gebildete untere und obere Spalt, gegenseitig um 90 Grad versetzt sich zum Teil überdecken und unter Mitnahme des Trägers vor und zurück wandern; die Walzenpaare rotieren auf Spalt.

Eine einfache Steuerung der Antriebseinheit und ein einfacher Aufbau der Vorrichtung ist möglich, wenn gemäß einem weiteren Merkmal die Antriebs- einheit einen Gleichstrommotor, vorzugsweise mit Drehzahlregelung, umfaßt.

Vorteilhafterweise ist dabei der Gleichstrommotor für Drehzahlen zwischen 30 und 500 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise zwischen 60 und 300 Umdrehungen pro Minute ausgelegt. Diese Drehzahlwerte ergeben unter Berücksichtigung der Übersetzung der Drehbewegung in eine Doppelhub¬ bewegung des Trägers mit den Probenbehältern eine optimale Bewegungs¬ anzahl pro Zeiteinheit, welche vorzugsweise zwischen 100 und 200 Doppelhüben pro Minute liegt. Dabei bedeutet Doppelhub die Bewegung von einem Umkehrpunkt auf der offenen Bewegungssbahn des Trägers zum anderen Umkehrpunkt und wieder zurück zum ersten Umkehrpunkt. Vorzugsweise ergibt eine Motorumdrehung einen Doppelhub des Trägers.

Um eine einfache Eingabe von Prozeßparametern zu ermöglichen, enthält eine Speichereinrichtung ein Programm, welches die Bedienungselemente abfragt und entsprechend deren Stellung die Antriebseinheit ansteuert.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen: Figur 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung Figur 2 eine Vorderansicht der Vorrichtung der Figur 1, in welcher Bedienungselemente dargestellt sind

Figur 3 eine Ansicht der Antriebseinheit Figur 4 eine Ansicht der Antriebseinheit in drei unterschiedlichen

Bewegungsstellungen Figur 5 eine Teilansicht der Draufsicht auf die Antriebseinheit Figur 6 eine Draufsicht von oben auf das Gehäuse unter Weglassung des

Trägers und der Halterung und unter Darstellung eines Teils der

Antriebseinheit

Figur 7 eine weitere Antriebseinheit zur Ermöglichung einer elyptischen

Bewegung Figur 8 verschiedene mögliche Bewegungen der Behälter.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung:

Die in Figur 1 beispielhaft dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse 1 mit einer schrägen Vorderwand la sowie mit Seitenwänden lb und lc, einem senkrecht nach oben stehenden Träger 2 und einem auf dem Träger 2 vorzugsweise abnehmbar montierten Aufnahmerahmen 3 als Halterung für Probenbehälter 7, 7', 7", 7"', 7"", vorzugsweise Zentrifugengläser, welche fest aber lösbar innerhalb des Aufnahmerahmens gehaltert sind, welcher waagrecht angeordnet ist. Der Aufnahmerahmen 3 kann für eine prinzipiell beliebige Anzahl von Behältern ausgelegt sein. Das vorzugsweise aus leichtem, aber stabilem Material, wie Aluminium, bestehende Gehäuse 1 enthält eine Antriebseinheit 12 für die Bewegung des Trägers 2 und auch eine dazugehörige Steuerung, vorzugsweise auf elektronischer Basis. Der Bereich, in welchem der Träger 2 aus dem Gehäuse 1 herausragt, ist zur Ermöglichung der Bewegung des Trägers 2 als Langloch gestaltet zur Ermöglichung der Bewegung des Trägers 2 und zur Vermeidung des Eindringens von Schmutz oder Feuchtigkeit mit einem elastischen Balgen 4, vorzugsweise aus Gummi, abgedeckt. Der Antrieb des Trägers 2 erfolgt vorzugsweise durch die Antriebseinheit 12, die einen Gleichstrommotor mit Drehzahlregelung umfaßt.

Vorzugsweise ist der Träger 2 derart im Gehäuse 1 gelagert, daß sich der Aufnahmerahmen 3 auf einem Abschnitt eines Kreisbogens immer zwischen zwei gegenüberliegenden Umkehrpunkten hin und her bewegt. Dabei wirken in den Umkehrpunkten je nach Geschwindigkeit der Bewegungsumkehr sehr hohe Kräfte auf die Teilchen in den Flüssigkeiten ein, die sich in den Probenbehältern befinden können, wodurch eine gute Vermischung von unterschiedlichen Substanzen oder Flüssigkeiten gewährleistet ist.

Der Träger 2 ist an seinem unteren Ende um einen Drehpunkt 8 schwenkbar gelagert und mittels einer Antriebseinheit 12, welche im wesentlichen aus zwei synchron angetriebenen Antriebsrädern 10, 11 besteht, antreibbar. Dadurch wird der Behälter 7 auf einem Kreisbogen mit dem Radius r vor und zurück geschwenkt, wobei der Behälter 7 tangential und in Ruhestellung waagrecht bezüglich seiner Bewegungsbahn gerichtet ist.

Auf der schrägen Vorderwand 1 a können vorteilhafterweise die Bedienungs¬ elemente vorgesehen sein. Diese sind, wie in Fig. 2 dargestellt, zur leichten Eingabe jeder gewünschten Zahl von Motorumdrehungen bzw. von Doppelhüben des Trägers pro Zeiteinheit als Zahlentastatur 5 mit Tasten von 0 bis 9 ausgeführt. Die richtige Eingabe kann dann über eine separate Eingabetaste 5a bestätigt werden. Weiters ist im dargestellten Beispiel ein Ein/Ausschalter 5 b in die Tastatur integriert.

Um zwischen verschiedenen Betriebsarten - Bedienung über die Tastatur 5, 5a oder Ansteuerung über eine Schnittstelle beispielsweise über einen Computer - umschalten zu können, ist eine Umschalttaste 5c vorgesehen. Die Betätigung einer Modetaste 5d bewirkt die Umschaltung des Vorrichtunges in einen Modus, in dem über die Zahlentastatur 5 die gewünschte Anzahl von Umdrehungen pro Minute bzw. die Anzahl der Doppelhübe pro Minute eingegeben werden kann.

Weitere Betriebszustandstasten 5e, 5f erlauben die Umschaltung in Betriebszustände für Testläufe über eine wieder über die Tastatur 5 wählbare Anzahl von Umdrehungen bzw. über eine bestimmte Zeitspanne, sowie eine Umschaltung in den Eingabe- und Editiermodus für die Anzahl der Umdrehungen bzw. Zeit für den tatsächlichen Betrieb mit den jeweiligen Proben, die über die Tastatur 5 bis 5f eingegebenen Werte, der jeweilige aktuelle Betriebszustand des Vorrichtunges, gegebenenfalls Fehlermeldungen usw. können auf einer optischen Anzeigeeinheit 6 abgelesen werden.

Die Figuren 3 bis 6 zeigen eine technische Ausgestaltung der Antriebseinheit 12, wie sie in der Vorrichtung innerhalb des Gehäuses 1 Verwendung findet. Innerhalb von zwei Wandungen 26, 26' sind Kugellager 25 gehaltert, durch die im Abstand voneinander Achsen 22, 23 geführt sind, auf denen der Wandung 26 benachbart Zahnräder 15, 16 angeordnet sind, über die ein Zahnriemen 18 läuft zum sychronen Antrieb der Zahnräder 15, 16, von denen eines mittels eines (nicht gezeigten) Motors antreibbar ist. Auf den Zahnrädern 15, 16 ist je ein Exzenterrad 19, 20 drehbar angeordnet, wobei die Exzentrizität durch den Abstand der Drehpunkte 19', 20' der Exzenterräder 19, 20 von den Drehachsen 15', 16' der Zahnräder 15, 16 angedeutet ist. Die Exzentrizität der beiden Exzenterräder 19, 20 ist gleich, wodurch zwischen den Exzenterrädern 19, 20 ein in der lichten Breite gleichbleibender Spalt 21 gebildet ist.

Mittig zwischen den Zahnrädern 15, 16 und innerhalb des Spalts 21 ist ein länglicher Quader 14 angeordnet, der nach unterhalb der Zahnräder 15, 16 reicht und der sich parallel der Drehachsen 22, 23 der Zahnräder 15, 16 erstreckt. Durch den Quader 14 führt an seinem unteren Ende eine Drehachse 24, welche geeignet mittels Kugellager 25 innerhalb der Wandungen 26, 26, ' gelagert ist und die zu den Drehachsen 22, 23 parallel verläuft. Aus dem Quader 14 ragen nach oben Tragstäbe 13, die dem Träger 2 der Figur 1 entsprechen.

Bei Drehung der Zahnräder 15, 16 werden die Exzenterräder 19, 20 mitgenommen, so daß sich der Spalt 21 in senkrechter Projektion hin und her bewegt. Durch diesen Spalt 21 wird der Quader 14 mitgenommen und somit hin und her um die Drehachse 24 geschwenkt. Zur Minimierung der Reibung ist auf den Exzenterrädern 19, 20 je ein kugelgelagerter Außendrehkranz 27 angeordnet, der sich bei Drehung der Exzenterräder 19, 20 auf den sich gegenüberliegenden Oberflächen des Quaders 14 abrollt. Auf diese Weise beschreibt der Quader 14 bzw. die Tragstäbe 13 eine Bewegungsbahn, die Teil eines Kreisbogens ist, mit je an einem Ende gelegenen Umkehrpunkt; diese Bewegung ist in Figur 4 für drei unterschiedliche Auslenkungen des Quaders 14 um seinen Drehpunkt (17) gezeigt.

Figur 7 zeigt eine Ausfuhrungsform der Antriebseinheit, die zur Erzielung einer zyklisch durchlaufenen geschlossenen Bewegungsbahn mit zumindest zwei Bereichen starker Bahnkrümmungsänderung und mit in diesen Bereichen stattfindender großer Bahnbeschleunigung mit gegebenem Radius auf einer Kugelschale dient. Die Antriebseinheit besteht aus zwei Zahnrädern 28, 29, die wiederum sychron, wie im vorhergehenden Beispiel, gehaltert und angetrieben sind. Auf den Zahnrädern 28, 29 ist je eine Exzenterwalze 30, 31 mit gleicher Exzentrizität angeordnet, die bei Drehung der Zahnräder 28, 29 wiederum einen in der Breite gleichbleibenden Mitnahmespalt ausbilden, wie es für das vorhergehende Beispiel beschrieben ist. Oberhalb der Exzenterwalzen 30, 31 befinden sich gleichermaßen an Zahnrädern 28', 29' gehalterte Exzenterwalzen 30', 31', welche identisch dem unteren Exzenterwalzenpaar 30, 31 gestaltet sind. Auf diese Weise definieren auch die Exzenterwalzen 30', 31' einen Mitnahmespalt gleichbleibender Breite zwischen sich. Durch die sich deckenden Spalte zwischen den unteren Exzenterwalzen 30, 31 und den oberen, um 90° hier gedrehten Exzenterwalzen 30', 31' ist ein Träger 32 geführt, der als Rundstange ausgebildet ist, um den Bewegungen der Exzenterwalzenpaare 30, 31 und 30', 31' folgen zu können. Das untere Ende des Trägers 32 ist kardanisch gelagert, so

Liste der Bezugszeichen:

1 Gehäuse la schräge Seitenwand lb, c senkrechte Seitenwände

2, 32 Träger

3 Halterung, wie Aufhahmerahmen

4 Gummibalg

5a Eingabetaste

5b Ein-Ausschalter

5c Umschalttaste

5d Modetaste

5e, f Betriebszustandstasten

6 Anzeigeeinheit

7, 7', 7", 7"', 7"" Probenröhrchen oder Zentrifugengläser

8 Drehpunkt

9 Achse

10, 11 Antriebsräder

12 Antriebseinheit

13, 13', 13" Tragstäbe in verschiedenen Auslenkungen

14 länglicher Quader

15, 16, 28, 29 Zahnräder

15', 16' Drehachsen der Zahnräder

17 Drehpunkt des Quaders

18 Zahnriemen

19, 20 Exzenterräder

19', 20" Drehpunkte der Exzenterräder

21 beweglicher Spalt

22, 23 Drehachsen der Zahnräder

24 Drehachse des Quaders

25 Kugellager

26, 26' Wandungen

27 Außendrehkranz

30, 31 Exzenterwalzen