DE102016221090B3

DE102016221090B3 - Fallturm-magazin mit wirbelstrombremse

Info

Publication number: DE102016221090B3
Application number: DE102016221090.4A
Authority: DE
Inventors: Arne Runkel; Malte Avenhaus; Christian Münzenmayer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2036-10-27
Also published as: WO2018077569A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) mit einem Fallturm-Magazin (102) zum Aufnehmen eines darin lagerbaren Objekts (101). Das Fallturm-Magazin (102) weist einen sich entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins (102) erstreckenden Hohlraum (103) auf. Außerdem weist das Fallturm-Magazin (102) eine erste Öffnung (104), durch die das Objekt (101) in das Fallturm-Magazin (102) einbringbar ist, und eine zweite Öffnung (105), durch die das Objekt (101) aus dem Fallturm-Magazin (102) entnehmbar ist, auf. Die erste Öffnung (104) des Fallturm-Magazins (102) ist von der zweiten Öffnung (105) des Fallturm-Magazins (102) beabstandet angeordnet, sodass das Objekt (101) beim Einlegen schwerkraftbedingt innerhalb des Hohlraums (103) des Fallturm-Magazins (102) in Richtung der zweiten Öffnung fällt (105). Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung (100) außerdem eine Wirbelstrombremse mit einer Magnetanordnung (106) und einem elektrischen Leiter (107) auf, um die Fallgeschwindigkeit des fallenden Objekts (101) zu reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Fallturm-Magazin mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Mikroskopiervorrichtung mit einer solchen Vorrichtung gemäß Anspruch 17.
In klinischen Laboren und in der Pathologie werden täglich Gewebe, Zellen und Körperflüssigkeiten unter dem Mikroskop untersucht. Je nach Größe des Labors können mehrere tausend Objektträger anfallen. Zunehmend werden die Objektträger nicht mehr manuell unter das Mikroskop gelegt, sondern sequentiell und automatisch von Scanningsystemen durch eine Mikroskopoptik auf eine Kamera abgebildet, großflächig durch Rasterung abgescannt und digitalisiert.
Dabei ist es wünschenswert, einen weitgehend automatisierten Ablauf zu schaffen, bei möglichst geringem Erfordernis für manuelle Eingriffe durch Bedienpersonal. Hierfür sollte es ermöglicht werden, dem Scanner effizient neue Objektträger für seine Arbeit zur Verfügung zu stellen. Ein erster Schritt stellt die häufig genutzte Bündelung mehrerer Objektträger in einer Kassette dar. Diese Kassette wird in den Scanner eingelegt, und ihm steht somit ein Reservoir mehrerer Objektträger für die Digitalisierung zur Verfügung.
In einer nächsten Ausbaustufe mancher Hersteller ermöglicht ein Kassettenzuführungssystem den autonomen Wechsel von Kassetten, um ein noch größeres Reservoir an Probenmaterial auf Objektträgern zur Verfügung zu stellen.
Beispielsweise gibt es von der Fraunhofer eine SCube^® genannte Mikroskopieplattform mit einem solchen Kassettenzuführungssystem. In diesem Zuführungssystem gibt es vier Lagertürme für Kassetten. Die Kassetten müssen manuell von oben in einen Lagerturm in Form eines Fallschachts eingeführt werden. Die Kassetten werden dann durch einen Greifer von unten aus den Schächten entnommen und dem Scanner zugeführt. Je nach Füllstand des Lagerturms könnten die Kassetten unterschiedlich tief fallen. Um möglichem Glasbruch oder generell einer mechanischen Belastung beim Aufprall vorzubeugen, dürfen die Kassetten nicht fallen gelassen werden, sondern müssen händisch bis in die Endlage heruntergeführt werden. Dieses Zuführungssystem weist jedoch Nachteile auf. Langfristig ist beispielsweise dem Benutzer dieser eben beschriebene manuelle Einlege-Vorgang der Kassetten nicht zumutbar. Daher bedarf es einer Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit, auch um unbeabsichtigte Fehler in der Bedienung zu vermeiden.
Viele Firmen haben derzeit unterschiedliche Ansätze zur Lösung dieses Problems auf dem Markt.
Beispielsweise sind Produkte bekannt, in denen Kassetten in einem Rondell aufbewahrt werden. Durch Drehung des Rondells wird dem Nutzer durch eine Tür bzw. einen Schlitz Zugang zu jedem Kassettenaufnahmefach ermöglicht.
Nachteilig hierbei ist jedoch der erhöhte mechanische Aufwand bei Drehung und Zugriff auf Kassetten im Rondell, sowohl bei der Zufuhr und Entnahme von der Bedienerperspektive, als auch von der Scannerseite, der eine bestimmte Kassette laden möchte. Nachteilig ist ebenfalls, dass der Abarbeitungsstand nicht direkt erkennbar ist.
Die DE 297 12 535 U1 beschreibt ein ähnliches System zum Zuführen von plattenförmigen Probenträgern. Hier wurde jedoch das zuvor erwähnte Rondell durch ein lineares Magazin ersetzt, in welchem die Probenträger gestapelt aufeinander angeordnet werden können.
Weitere Ansätze sind beispielsweise aus der DD 23 350 A1 bekannt. Hier wird eine automatisch arbeitende Vorrichtung zum gruppenweisen Sortieren kleiner und zerbrechlicher Werkstücke beschrieben, wobei die Sortierung durch ein horizontal drehbares Rohr erfolgt, welches das Sortiergut in sternförmig angeordnete Behälter leitet.
Die DE 39 29 153 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Abbremsen von schnell bewegten Aluminum-Dosendeckeln auf einer, in Form einer schiefen Ebene ausgestalteten, Gleitbahn, wobei eine Bremsmagnetvorrichtung zum Abbremsen der auf der Gleitbahn gleitenden Aluminium-Dosendeckel vorgesehen ist bevor diese aufeinander gestapelt werden.
Weitere Bremsmagnetvorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 295 06 374 U1 sowie aus der WO 2004/082764 A1 bekannt, wobei erstere eine Magnetbremse für eine Belustigungsvorrichtung und zweitere ein magnetgebremstes Express-Evakuierungssystem zum Evakuieren von Personen aus Gebäuden beschreibt.
Ein anderer bekannter Ansatz sieht die Bestückung eines Regalsystems vor, um ein Reservoir an Kassetten zugänglich zu machen. Auch hierfür sind Systeme am freien Markt erhältlich, bei denen der Nutzer die freien Slots des Regalsystems mit Kassetten bestücken kann. Hier entnimmt ein Greifer einen Objektträger direkt aus einer Kassette im Regal und führt sie dem Mikroskop zu.
Bei anderen bekannten Systemen werden nicht direkt Kassetten eingesetzt, sondern ein Halter (Tray), in dem nebeneinander bis zu vier Objektträger Platz haben. Es existiert ein Regalsystem mit mehreren Schächten für je ein Tray. Ein Greifer der Zuführungsvorrichtung entnimmt in diesem Fall einen ganzen Tray und führt es dem Mikroskopiersystem zu. Nach dem Scan wird der Tray wieder in seinen ursprünglichen Lagerschacht zurückgefahren.
Nachteile sind im ersten Fall eine längere Wegstrecke der Objektträger zur Optik des Mikroskops und somit eine potentiell langsamere Zuführung. Verbunden in beiden Fällen ist ein erhöhter mechanischer Aufwand, der Abarbeitungsstatus ist, wie bei der Rondell-Lösung, nicht direkt ersichtlich.
Demnach besteht immer noch Bedarf an Vorrichtungen, die es ermöglichen, Behälter auf sichere, d. h. beschädigungsfreie, Art aufzunehmen und zu lagern, und zwar unter Vermeidung der oben genannten Nachteile.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt ebenfalls das oben erwähnte Fallturm-Prinzip. Die Vorrichtung weist ein Fallturm-Magazin zum Aufnehmen eines darin lagerbaren Objekts auf. Das Fallturm-Magazin weist einen sich entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins erstreckenden Hohlraum auf, in dem das Objekt aufnehmbar ist. Außerdem weist das Fallturm-Magazin mindestens eine erste Öffnung, durch die das Objekt in das Fallturm-Magazin einlegbar ist, und mindestens eine zweite Öffnung, durch die das Objekt aus dem Fallturm-Magazin entnehmbar ist, auf. Erfindungsgemäß ist die erste Öffnung des Fallturm-Magazins von der zweiten Öffnung des Fallturm-Magazins beabstandet angeordnet, sodass das Objekt beim Einlegen schwerkraftbedingt innerhalb des Hohlraums des Fallturm-Magazins in Richtung der zweiten Öffnung fällt. Die erste Öffnung kann daher auch als eine Einschuböffnung und die zweite Öffnung als eine Entnahmeöffnung bezeichnet werden. Ein eingeschobenes Objekt würde nun allerdings aufgrund der Schwerkraft ungebremst bis zum Boden des Fallturms herunterfallen. Je nach Fragilität des Objekts, oder aber auch z. B. je nach Inhalt des Objekts, sowie in Abhängigkeit der Länge der Fallstrecke ist die Wahrscheinlichkeit doch eher hoch, dass beim Aufprall des Objekts auf dem Boden des Fallturm-Magazins das Objekt oder dessen Inhalt zu Bruch geht. Um dieses Problem zu lösen, sieht die Erfindung vor, eine eine Magnetanordnung und einen elektrischen Leiter aufweisende Wirbelstrombremse bereitzustellen, um die Fallgeschwindigkeit des fallenden Objekts zu reduzieren. Das Fallturm-Magazin wird in der Regel so angeordnet sein, dass ein in die obere Einschuböffnung eingeführtes Objekt nach unten, d. h. in Richtung der Entnahmeöffnung, rutscht. Das heißt, die Einschuböffnung ist in Fallrichtung des Objekts oberhalb von der Entnahmeöffnung angeordnet. Natürlich können in das Fallturm-Magazin auch mehrere darin zu lagernde Objekte eingelegt werden, die nacheinander eingelegt werden und sich dementsprechend übereinander in dem Hohlraum des Fallturm-Magazins stapeln. Auf diese Weise kann das Fallturm-Magazin vollständig mit solchen Objekten befüllt werden. Die Objekte können wiederum einzeln aus der Entnahmeöffnung entnommen werden, wobei das jeweils unterste Objekt an der Entnahmeöffnung zugänglich ist. Sobald das unterste Objekt entnommen wird, rutschen die darüber liegenden Objekte nach, und es kann bei Bedarf wieder ein neues Objekt durch die Einschuböffnung eingeführt werden. Wie soeben erwähnt, rutschen bei diesem Entnahmevorgang die darüber liegenden Objekte nach, und zwar ebenfalls schwerkraftbedingt. Die erfindungsgemäße Wirbelstrombremse wirkt auch hierbei auf die Objekte, um auch bei diesem Nachrutschen einen zu heftigen Aufprall auf dem Boden des Fallturm-Magazins und somit eine mögliche Beschädigung des Objekts und/oder dessen Inhalts zu vermeiden.
Es ist denkbar, dass das in dem Fallturm-Magazin lagerbare Objekt ein Behälter ist.
Der Behälter kann beispielsweise eine Kassette sein, die mit einem oder mehreren Mikroskopieobjektträgern bestückbar ist. Die Mikroskopieobjektträger dienen zum Tragen von zu untersuchenden Proben. Derartige Mikroskopieobjektträger sind in der Regel Glasträger, die dementsprechend empfindlich auf mechanische Belastung reagieren. Der Einsatz einer Wirbelstrombremse bei Fallturm-Magazinen für mit Mikroskopieobjektträgern bestückbaren Kassetten ist nicht bekannt.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Objekt die Magnetanordnung der Wirbelstrombremse und das Fallturm-Magazin den elektrischen Leiter der Wirbelstrombremse aufweisen. Die Magnetanordnung kann einen oder mehrere Magnete aufweisen. Die Magnetanordnung kann beispielsweise eine an dem Objekt angeordnete Magnetanordnung sein. Das Objekt selbst kann aber auch aus einem magnetischen Material hergestellt sein und somit selbst die Magnetanordnung bilden. Der elektrische Leiter weist ein elektrisch leitfähiges Material auf, in dem die Wirbelströme erzeugbar sind. Der elektrische Leiter kann beispielsweise in Form einer Platte ausgebildet sein, die wiederum an dem Fallturm-Magazin angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich wäre es denkbar, dass das Fallturm-Magazin selbst elektrisch leitend ist.
Es wäre denkbar, dass der elektrische Leiter entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins an diesem angeordnet ist. Beispielsweise erstreckt sich der elektrische Leiter von der ersten Öffnung, d. h. von der Einschuböffnung, bis zu der zweiten Öffnung, d. h. bis zu der Entnahmeöffnung. Somit setzt die Wirkung der Wirbelstrombremse bereits direkt nach dem Einschieben des Objekts ein und bremst dieses gegen das schwerkraftbedingte Herunterfallen ab.
Der elektrische Leiter weist vorzugsweise keine ferromagnetischen Eigenschaften auf. Dadurch wird erreicht, dass das in dem Fallturm-Magazin lagernde Objekt im freien Fall durch den Fallturmschacht fällt, ohne von der Wandung des Fallturmschachts aufgrund von Ferromagnetismus angezogen zu werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Fallturm-Magazin zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material (z. B. Aluminium) hergestellt sein, sodass das Fallturm-Magazin selbst den elektrischen Leiter der Wirbelstrombremse bilden kann. Ein Fallturm aus z. B. Aluminum wäre einfach und verhältnismäßig kostengünstig herstellbar und er weist ein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Stabilität auf. Außerdem weist Aluminium eine gute elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig keine ferromagnetischen Eigenschaften auf.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Fallturm-Magazin die Magnetanordnung aufweisen, und das Objekt kann den elektrischen Leiter aufweisen. Beispielsweise können Platten, Spulen, Drähte und dergleichen aus elektrisch leitfähigem Material an dem Objekt bzw. um das Objekt herum angeordnet sein. Es ist aber auch denkbar, dass das Objekt selbst aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist bzw. ein elektrisch leitfähiges Material aufweist. Die Magnetanordnung kann beispielsweise einen oder mehrere Magnete aufweisen, die an dem Fallturm-Magazin angeordnet sind. Das Fallturm-Magazin kann aber selbst auch aus einem magnetischen Material hergestellt sein.
Es ist denkbar, dass die Magnetanordnung einen Magneten mit einem Nordpol und einem Südpol aufweist, wobei der Magnet derart an dem Fallturm-Magazin angeordnet ist, dass die Magnetausrichtung vorzugsweise senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins polarisiert ist. die Magnetanordnung entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins an diesem angeordnet ist, wobei die Magnetanordnung senkrecht zur Erstreckungsrichtung polarisiert ist. Ein oder mehrere solcher Magnete können entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins bzw. entlang der schwerkraftbedingten Fallrichtung des Behälters an dem Fallturm-Magazin angeordnet sein, und zwar derart, dass sich die Polarisierung der Magnetanordnung senkrecht zur Erstreckungsrichtung bzw. Fallrichtung ausbildet. Das heißt, ein Südpol und ein Nordpol sind entlang der Erstreckungsrichtung bzw. Fallrichtung angeordnet, sodass sich Nordpol und Südpol entlang der Erstreckungsrichtung bzw. Fallrichtung benachbart sind und die Magnetfelder der Magnete vorzugsweise in den Bereich des Holraums weisen. Die Magnetanordnung kann innen, d. h. im Bereich des Hohlraums, und/oder außen, d. h. auf der dem Hohlraum abgewandten Seite des Fallturm-Magazins, an diesem angeordnet sein.
Es ist vorstellbar, dass die Magnetanordnung mehrere Magnete mit jeweils einem Nordpol und einem Südpol aufweist, wobei die Magnete entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins nacheinander an dem Fallturm-Magazin derart angeordnet sind, dass sich die einzelnen Pole abwechseln. Die Magnetanordnung kann also mehrere Magnete aufweisen, die mit jeweils entgegengesetzter Polung entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins an diesem angeordnet sind. Die einzelnen Magnete der Magnetanordnung sind sozusagen alternierend an dem Fallturm-Magazin angeordnet. Das heißt, die einzelnen Magnete der Magnetanordnung sind derart an dem Fallturm-Magazin angeordnet, dass in Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins ein Südpol eines ersten Magneten stets einem Nordpol eines benachbarten zweiten Magneten gegenüberliegt.
Es ist denkbar, dass die Magnetanordnung mindestens zwei Magnete mit jeweils einem magnetischen Pol aufweist, wobei die mindestens zwei Magnete unmittelbar nacheinander oder mit einer Beabstandung zueinander in Erstreckunsgrichtung des Fallturm-Magazins an diesem angeordnet sind. Die Magnete können demnach also jeweils mit einem Nordpol und einem Südpol in das Innere des Fallturm-Magazins weisen. Die Magnete können aber auch mit genau gleicher Polung in das Innere des Fallturm-Magazins weisen. Wenn also diese Magnete in Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins derart an dem Fallturm-Magazin angeordnet sind, dass sie zueinander in Erstreckunsgrichtung beabstandet ist, bildet sich sozusagen eine Lücke zwischen den beiden Magneten. Wenn sich nun das fallende Objekt im Fall an den Magneten vorbeibewegt, so tritt das Objekt zunächst in das Magnetfeld des in Fallrichtung ersten Magneten ein, tritt dann wieder aus diesem Magnetfeld aus (tritt also in die Lücke ein), um anschließend in das Magnetfeld des nachfolgenden Magneten einzutreten und aus diesem anschließend wieder auszutreten. Hierdurch ändert sich das Magnetfeld, was zu einer Strominduktion in dem am Objekt vorgesehenen Leiter führt, sodass sich ein entgegengesetztes Magnetfeld aufbaut, dass das Objekt abbremst.
Es wäre auch vorstellbar, dass die Magnetanordnung entlang der Erstreckunsgrichtung des Fallturm-Magazins eine veränderliche Magnetfeldstärke senkrecht zur Erstreckungs- bzw. Fallrichtung aufweist. Die Magnetfeldstärke senkrecht zur Fallrichtung kann in Erstreckunsgrichtung zunehmen, abnehmen oder wechseln. Eine stark wechselnde Magnetfeldstärke wäre präferiert, da sich so die Bremswirkung in Fallrichtung des Objekts erhöht.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Magnetanordnung einen oder mehrere Permanentmagnete aufweisen. Permanentmagnete sind günstig und eignen sich gut für die Herstellung einer Wirbelstrombremse. Ein großer Vorteil hierbei ist, dass keine elektrischen bzw. elektronischen Komponenten benötigt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Magnetanordnung einen oder mehrere Elektromagnete aufweisen. Der Vorteil hierbei besteht darin, dass die Elektromagnete selektiv angesteuert werden können, um beispielsweise die Fallgeschwindigkeit des fallenden Objekts zu beeinflussen. Es ist beispielsweise denkbar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuerung aufweist, die ausgebildet ist, um den durch die Elektromagnete fließenden Strom zu regulieren, um den durch den Induktionsstrom bedingten Magnetfluss und somit die Wirkung auf die Fallgeschwindigkeit des fallenden Objekts zu regeln.
Außerdem wäre es denkbar, dass die Vorrichtung eine Steuerung aufweist, die ausgebildet ist, um die elektromagnetische Magnetanordnung anzusteuern, sodass ein oder mehrere Elektromagnete entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins einzeln aktivierbar und deaktivierbar sind. Das heißt, einzelne entlang der Fallstrecke des Objekts angeordnete Elektromagnete können einzeln zu- bzw. abgeschaltet werden. Dies kann beispielsweise eingesetzt werden, um Energie zum Erzeugen der Elektromagnete entlang der Fallstrecke zu sparen. Wenn beispielsweise das Fallturm-Magazin eine Aufnahmekapazität von 20 Objekten hat, aber lediglich zwei Objekte in dem Fallturm-Magazin eingelegt sind, dann entspricht die von einem eingeführten dritten Objekt zurückzulegende Fallstrecke einer Länge von 18 Objekten. Der freie Fall des Objekts muss nicht über die gesamte Fallstrecke gebremst werden. Es kann ausreichend sein, das freifallende Objekt beispielsweise erst ab der Hälfte abzubremsen. Demnach müsste die Bremswirkung der Wirbelstrombremse erst ab der Hälfte der Fallstrecke bereitgestellt werden. Somit wäre es ausreichend, wenn lediglich die Elektromagnete in der unteren Hälfte aktiviert sind.
Es wäre aber auch denkbar, dass die Steuerung ausgebildet ist, um einen oder mehrere um die zweite Öffnung herum angeordnete Elektromagnete zu deaktivieren. Wenn ein oder mehrere aktive Elektromagnete um die Entnahmeöffnung herum angeordnet sind, dann wirken diese der zum Entnehmen des Objekts aufgebrachten Kraft entgegen, d. h. sie würden die Entnahmebewegung abbremsen. Um ein ungebremstes Entnehmen des Objekts aus der Entnahmeöffnung zu ermöglichen, können die um die Entnahmeöffnung herum angeordneten Elektromagnete, zumindest während eines Entnahmevorgangs, deaktiviert werden.
Außerdem ist es vorstellbar, dass die Steuerung ausgebildet ist, um die Induktionsspannung, die aufgrund des freien Falls des Objekts in dem Fallturm-Magazin erzeugt wird, zu ermitteln und basierend darauf den Füllstand des Fallturm-Magazins zu bestimmen. Bei der Bewegung des Objekts relativ zu der elektromagnetischen Magnetanordnung wird eine Induktionsspannung in der Magnetanordnung induziert. Der Betrag der induzierten Spannung hängt unter anderem von dem zurückgelegten Weg des Objekts ab. Die Fallstrecke verkürzt sich mit jedem in dem Fallturm-Magazin bereits eingelegten Objekt. Somit kann die Höhe der induzierten Spannung als Maß für den Füllstand des Fallturm-Magazins betrachtet werden. Anstelle der Induktionsspannung kann natürlich auch der Induktionsstrom gemessen und als Indikator für den Füllstand des Fallturm-Magazins herangezogen werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Mikroskopiervorrichtung mit einem Mikroskop und einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Hierbei kann das Fallturm-Magazin zum Aufbewahren von in dem Fallturm-Magazin lagerbaren Objekten eingesetzt werden. Sofern es sich bei den Objekten um Behälter handelt, könnte das Fallturm-Magazin somit beispielsweise zum Aufbewahren von in diesen Behältern angeordneten Proben eingesetzt werden. Die Mikroskopiervorrichtung kann eine vollautomatisierte Mikroskopiervorrichtung sein, bei der die Objekte bzw. Behälter automatisiert, z. B. mittels eines ablaufgesteuerten Roboters, aus dem Fallturm-Magazin entnommen und auch wieder in das Fallturm-Magazin zurückgelegt werden können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine isolierte Perspektivansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels,
3 eine isolierte Perspektivansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
4 eine seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
5 ein Diagramm, das die von einem fallenden Objekt zurückgelegte Strecke als Funktion der Zeit darstellt,
6 ein Diagramm, das die Fallgeschwindigkeit eines fallenden Objekts als Funktion der Zeit darstellt, und
7 ein Diagramm, das die Fallbeschleunigung eines fallenden Objekts als Funktion der Zeit darstellt.
1 zeigt eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 weist ein Fallturm-Magazin 102 zum Aufnehmen eines darin lagerbaren Objekts 101 auf.
Das Fallturm-Magazin 102 weist einen sich entlang der Erstreckungsrichtung L des Fallturm-Magazins 102 erstreckenden Hohlraum 103 auf. Das Fallturm-Magazin 102 weist außerdem eine erste Öffnung 104, durch die das Objekt 101 in das Fallturm-Magazin 102 einbringbar ist, auf. Das Fallturm-Magazin 102 weist ferner eine zweite Öffnung 105, durch die das Objekt 101 aus dem Fallturm-Magazin 102 entnehmbar ist, auf.
Die erste Öffnung 104 ist von der zweiten Öffnung 105 beabstandet angeordnet. Somit fällt das Objekt 101 beim Einlegen schwerkraftbedingt innerhalb des Hohlraums 103 des Fallturm-Magazins 102 in Richtung der zweiten Öffnung 105 hinunter.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 weist außerdem eine Wirbelstrombremse zum Reduzieren der Fallgeschwindigkeit des freifallenden Objekts 101 auf. Die Wirbelstrombremse weist eine Magnetanordnung 106 und einen elektrischen Leiter 107 auf.
Das Fallturm-Magazin 102 ist ein Magazin zum Aufnehmen eines einzelnen Objekts 101 oder mehrerer Objekte 101. Das Fallturm-Magazin 102 ist hohl, wobei die ein oder mehreren Objekte 101 in diesem Hohlraum 103 gelagert werden.
Das Fallturm-Magazin 102 weist eine in Fallrichtung des Objekts 101, bzw. in Erstreckungsrichtung L des Fallturm-Magazins 102, oben angeordnete erste Öffnung 104 und eine unten angeordnete zweite Öffnung 105 auf. Wie in 1 zu erkennen ist, kann zwischen den beiden Öffnungen 104, 105 optional eine Ausnehmung 111 in der Wand des Fallturm-Magazins 102 vorgesehen sein. Diese Ausnehmung 111 kann sich quer zur Erstreckungsrichtung L des Fallturm-Magazins 102 über einen Teil der Wand des Fallturm-Magazins 102 erstrecken (siehe 1), oder aber auch über die gesamte Breite der Wand des Fallturm-Magazins 102 erstrecken (siehe z. B. 2).
Die Objekte 101 können nacheinander durch die erste Öffnung 104, die im Folgenden auch als Einschuböffnung bezeichnet wird, in das Fallturm-Magazin 102 eingeschoben werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Fallturm-Magazin 102 auch auf einer der Freifallrichtung des Objekts 101 gegenüberliegenden Oberseite 109 eine Öffnung 108 aufweisen, durch die ein Objekt 101 von oben in das Fallturm-Magazin 102 eingeworfen wird. Das heißt, auch die oberseitige Öffnung 108 kann als die erste Öffnung bzw. Einschuböffnung oder als eine Einwurföffnung bezeichnet werden.
Nach dem Einbringen, d. h. Einwerfen oder Einschieben, des Objekts 101 in das Fallturm-Magazin 102 fällt das Objekt 101 in dem Hohlraum 103 des Fallturm-Magazins 102 aufgrund der auf das Objekt 101 wirkenden Schwerkraft nach unten, d. h. in Richtung der zweiten Öffnung 105.
Die zweite Öffnung 105 ist so ausgebildet, dass ein in dem Fallturm-Magazin 102 lagerndes unterstes Objekt 101 durch diese Öffnung 105 aus dem Fallturm-Magazin 102 herausgenommen werden kann. Diese zweite Öffnung 105 wird daher im Folgenden auch als eine Entnahmeöffnung bezeichnet.
In 1 ist die Entnahmeöffnung 105 von dem Boden beabstandet, d. h. zwischen der dem Boden zugewandten Unterseite der Entnahmeöffnung 105 und dem Boden ist ein Teil des Fallturm-Magazins 102 in Form eines optionalen Stegs 110 vorhanden. Es wäre aber ebenso denkbar, dass dieser Steg 110 nicht vorhanden ist und die Entnahmeöffnung 105 sich durchgehend bzw. unterbrechungsfrei bis zu dem Boden hin erstreckt (siehe z. B. 2).
Um eine Zerstörung des Objekts 101, oder gegebenenfalls des Inhalts des Objekts 101, zu vermeiden, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 die zuvor erwähnte Wirbelstrombremse auf. Die Wirbelstrombremse beinhaltet einen elektrischen Leiter 107 und eine Magnetanordnung 106, die miteinander wechselwirken, um die Fallgeschwindigkeit des Objekts 101 zu reduzieren. Daher bietet es sich an, dass eine der beiden Komponenten der Wirbelstrombremse an dem Objekt 101 und die jeweils andere der beiden Komponenten der Wirbelstrombremse an dem Fallturm-Magazin 102 vorgesehen ist.
In dem in 1 abgebildeten Ausführungsbeispiel ist die Magnetanordnung 106 an dem Objekt 101 angeordnet, und der elektrische Leiter 107 ist an dem Fallturm-Magazin 102 angeordnet. Es wäre aber ebensogut anders herum denkbar, d. h. dass der elekrtische Leiter 107 an dem Objekt 101 und die Magnetanordnung 106 an dem Fallturm-Magazin 102 angeordnet wäre.
2 zeigt eine isolierte Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 in einer denkbaren Ausführungsform. Es ist ein Ausschnitt des Fallturm-Magazins 102 zu sehen, wobei zur besseren Erkennbarkeit die dem Betrachter zugewandte Seite des Fallturm-Magazins 102 weggelassen ist.
In 2 ist zu erkennen, dass sich ein Objekt 101 in dem Hohlraum 103 des Fallturm-Magazins 102 befindet. In diesem sowie in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird das in dem Fallturm-Magazin 102 zu lagernde Objekt 101 beispielhaft als ein Behälter beschrieben.
Das Fallturm-Magazin 102 weist in diesem Ausführungsbeispiel den elektrischen Leiter auf. In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist das Fallturm-Magazin 102 aus einem Material hergestellt, das eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, d. h. das Fallturm-Magazin 102 selbst bildet den elektrischen Leiter 107 der Wirbelstrombremse.
Es wäre aber ebenso denkbar, dass ein elektrischer Leiter 107 an dem Fallturm-Magazin 102 angeordnet ist. Dies könnte beispielsweise durch eine elektrisch leitfähige Platte realisiert werden, die vorzugsweise innerhalb des Hohlraums 103 angeordnet ist. Genauer gesagt wäre der elektrische Leiter 107 an einer dem Hohlraum 103 zugewandten Innenseite des Fallturm-Magazins 102 angeordnet, und zwar vorzugsweise an einer Innenseite des Fallturm-Magazins 102, die der an dem Behälter 101 angeordneten Magnetstruktur 106 gegenüberliegt.
Unabhängig davon, ob das Fallturm-Magazin 102 nun selbst den elektrischen Leiter ausbildet oder ein elektrischer Leiter 107 an dem Fallturm-Magazin 102 angeordnet ist, sehen Ausführungsbeispiele der Erfindung vor, dass sich der elektrische Leiter 107 entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins 102, bzw. entlang der Fallrichtung des Behälters 101 in dem Fallturm-Magazin 102, erstreckt.
Ebenfalls unabhängig davon, ob das Fallturm-Magazin 102 nun selbst den elektrischen Leiter ausbildet oder ein elektrischer Leiter 107 an dem Fallturm-Magazin 102 angeordnet ist, weist der elektrische Leiter 107 vorzugsweise keine ferromagnetischen Eigenschaften auf. Geeignete Materialien für den elektrischen Leiter 107 wären beispielsweise Kupfer, Aluminium, Gold und dergleichen. So kann beispielsweise das Fallturm-Magazin 102 aus einem dieser Materialien hergestellt sein, um den elektrischen Leiter der Wirbelstrombremse zu bilden. Das Fallturm-Magazin 102 kann aber auch aus Legierungen bestehen, die zumindest einen nicht-ferromagnetischen elektrisch leitfähigen Werkstoff, wie z. B. Aluminium, Gold oder Kupfer aufweisen.
Wie zuvor bereits erwähnt, weist also der Behälter 101 in dem in 2 abgebildeten Ausführungsbeispiel die Magnetanordnung 106 der Wirbelstrombremse auf. Die Magnetanordnung 106 kann einen einzelnen Magneten mit einem Nordpol und einem Südpol aufweisen. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Magnetanordnung 106 jedoch mehrere einzelne Magnete 106a bis 106e auf.
Die einzelnen Magnete 106a bis 106e sind derart an dem Behälter 101 angeordnet, dass sie in einer Richtung L entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins 102, bzw. entlang der Fallrichtung des Behälters 101, abwechselnde Polarisierung aufweisen. So weist beispielsweise der in Fallrichtung L oberste abgebildete Magnet 106a einen Nordpol auf. Der in Fallrichtung L unmittelbar benachbarte nächste Magnet 106b weist einen Südpol auf. Der zu diesem Magneten 106b in Fallrichtung unmittelbar benachbarte nächste Magnet 106c weist dann wiederum einen Nordpol auf, und so weiter.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind auf je einer von zwei Seiten des Behälters 101 jeweils fünf einzelne Magnete 106a bis 106e angeordnet. Erfindungsgemäß können jedoch beliebig viele Einzelmagnete an dem Behälter 101 angeordnet sein. Die Einzelmagnete können derart an dem Behälter 101 angeordnet sein, dass sich deren jeweilige Polarisierung entlang der Erstreckungsrichtung L des Fallturm-Magazins 102, bzw. entlang der Fallrichtung des Behälters 101, abwechselt.
Dabei ist es außerdem vorteilhaft, wenn sich die einzelnen Pole möglichst häufig abwechseln, denn dadurch werden häufige Magnetfeldwechsel während der Relativbewegung des Behälters 101 relativ zu dem Fallturm-Magazin 102 erzeugt, die die Wirksamkeit der Wirbelstrombremse erhöhen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die einzelnen Magnete 106a bis 106e der Magnetanordnung 106 relativ dünn sind, d. h. eine sich entlang der Erstreckungsrichtung L des Fallturm-Magazins 102 erstreckende Breite B aufweisen, die geringer ist als die Länge L des Fallturm-Magazins.
Die einzelnen Magnete 106a bis 106f können, wie in 2 gezeigt ist, unmittelbar nacheinander angeordnet sein, so dass sich quasi kein Spalt zwischen ihnen befindet. Es wäre aber ebenso denkbar, dass die einzelnen Magnete 106 bis 106f zueinander beanstandet angeordnet sind, d. h. zwischen den Magneten 106a bis 106f wäre eine Lücke.
Wie eingangs erwähnt, liegt jeweils eine Magnetanordnung 106 einer Innenseite des Fallturm-Magazins 102 gegenüber. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Magnetanordnungen 106 mit jeweils mehreren Einzelmagneten 106a bis 106e auf der linken und der rechten Seite des Behälters 101 angeordnet. Natürlich ist es ebenso denkbar, dass alle Seiten des Behälters 101 jeweils eine Magnetanordnung 106 aufweisen.
Damit der Behälter 101 in dem Hohlraum 103 des Fallturm-Magazins 102 im Freifall hinunterfallen kann, sind die äußeren Abmessungen des Behälters 101 einschließlich der daran angeordneten Magnetstrukturen 106 kleiner als die inneren Abmessungen des Fallturm-Magazins 102. Somit ist also der Behälter 101 von den Wänden bzw. Innenseiten des Fallturm-Magazins 102 beabstandet.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 gezeigt. Hier sind im Vergleich zu dem zuvor mit Bezug auf 2 diskutierten Ausführungsbeispiel die Komponenten der Wirbelstrombremse vertauscht, d. h. das Fallturm-Magazin 102 weist hier nun die Magnetanordnung 106 auf und der Behälter 101 weist den elektrischen Leiter 107 auf. Alles was zuvor mit Bezug auf 2 erwähnt wurde, gilt auch für das in 3 abgebildete Ausführungsbeispiel.
In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist der Behälter 101 aus einem Material hergestellt, das eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, d. h. der Behälter 101 selbst bildet den elektrischen Leiter 107 der Wirbelstrombremse.
Es wäre aber ebenso denkbar, dass ein elektrischer Leiter 107 an dem Behälter 101 angeordnet ist. Dies könnte beispielsweise durch eine elektrisch leitfähige Platte realisiert werden, die vorzugsweise auf einer oder mehreren Seiten des Behälters 101 angeordnet ist. Genauer gesagt wäre der elektrische Leiter 107 an einer dem Hohlraum 103 zugewandten Außenseite des Behälters 101 angeordnet.
Unabhängig davon, ob der Behälter 101 nun selbst den elektrischen Leiter ausbildet oder ein elektrischer Leiter 107 an dem Behälter 101 angeordnet ist, sehen Ausführungsbeispiele der Erfindung vor, dass sich der elektrische Leiter 107 an den Außenseiten des Behälters 101 entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins 102, bzw. entlang der Fallrichtung des Behälters 101 innerhalb des Fallturm-Magazins 102, erstreckt.
Ebenfalls unabhängig davon, ob der Behälter 101 nun selbst den elektrischen Leiter ausbildet oder ein elektrischer Leiter 107 an dem Behälter 101 angeordnet ist, weist der elektrische Leiter 107 vorzugsweise keine ferromagnetischen Eigenschaften auf. Geeignete Materialien für den elektrischen Leiter 107 wären beispielsweise Kupfer, Aluminium, Gold und dergleichen. So kann beispielsweise der Behälter 101 aus einem dieser Materialien hergestellt sein, um den elektrischen Leiter der Wirbelstrombremse zu bilden. Der Behälter 101 kann aber auch aus Legierungen bestehen, die zumindest einen nicht-ferromagnetischen elektrisch leitfähigen Werkstoff, wie z. B. Aluminium, Gold oder Kupfer aufweisen.
Wie zuvor bereits erwähnt, weist also das Fallturm-Magazin 102 in dem in 3 abgebildeten Ausführungsbeispiel die Magnetanordnung 106 der Wirbelstrombremse auf. Die Magnetanordnung 106 kann einen einzelnen dual polarisierten Magneten mit einem Nordpol und einem Südpol aufweisen. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Magnetanordnung 106 jedoch mehrere einzelne Magnete 106a bis 106f auf. Genauer gesagt weist die Magnetanordnung 106 mehrere Magnete 106a bis 106f auf, die mit jeweils abwechselnder Polarisierung abwechselnd entlang der Erstreckungsrichtung L des Fallturm-Magazins 102 an diesem angeordnet sind.
Die einzelnen Magnete 106a bis 106f sind also derart an dem Fallturm-Magazin 102 angeordnet, dass sie in einer Richtung L entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins 102, bzw. entlang der Fallrichtung des Behälters 101, abwechselnde Polarisierung aufweisen. So weist beispielsweise der in Fallrichtung L oberste abgebildete Magnet 106a einen Nordpol auf. Der in Fallrichtung L unmittelbar benachbarte nächste Magnet 106b weist einen Südpol auf. Der zu diesem Magneten 106b in Fallrichtung unmittelbar benachbarte nächste Magnet 106c weist dann wiederum einen Nordpol auf, und so weiter.
In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind lediglich beispielhaft auf einer Innenseite des Fallturm-Magazins 102 sechs einzelne Magnete 106a bis 106f angeordnet. Erfindungsgemäß können jedoch beliebig viele Einzelmagnete an dem Fallturm-Magazin 102 angeordnet sein. Die Einzelmagnete können derart an dem Fallturm-Magazin 102 angeordnet sein, dass sich deren jeweilige Polarisierung senkrecht zur Erstreckungsrichtung L des Fallturm-Magazins 102 entlang der Fallrichtung des Behälters 101 abwechselt.
Dabei ist es außerdem vorteilhaft, wenn sich die einzelnen Pole möglichst häufig abwechseln, denn dadurch werden häufige Magnetfeldwechsel während der Relativbewegung des Behälters 101 relativ zu dem Fallturm-Magazin 102 erzeugt, die die Wirksamkeit der Wirbelstrombremse erhöhen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die einzelnen Magnete 106a bis 106f der Magnetanordnung 106 relativ dünn sind, d. h. eine sich entlang der Erstreckungsrichtung L des Fallturm-Magazins 102 erstreckende Breite B aufweisen, die um ein vielfaches kleiner ist als die Länge L des fallturm-Magazins 102.
Ein oder mehrere Magnetanordnungen 106, gegebenenfalls mit jeweils einzelnen Magneten 106a bis 106f, können aber auch an zwei oder mehreren Innenseiten des Fallturm-Magazins 102 angeordnet sein. Außerdem können ein oder mehrere Magnetanordnungen 106, gegebenenfalls mit jeweils einzelnen Magneten 106a bis 106f, auch an den Außenseiten des Fallturm-Magazins 102 angeordnet sein, sofern die Magnetfeldstärke der ein oder mehreren Magnetanordnungen 106 groß genug ist, dass die Wandstärke des Fallturm-Magazins 102 von den Magnetfeldlinien durchquert werden kann.
Es ist aber auch denkbar, dass eine Magnetanordnung 106 lediglich einen dual polarisierten Magneten aufweist. In diesem Falle wäre die Magnetanordnung 106 derart an dem Fallturm-Magazin 102 angeordnet, dass sie im wesentlichen senkrecht zur Erstreckungsrichtung L des Fallturm-Magazins 102 polarisiert ist. Das heißt, die Magnetanordnung 106 weist entlang Fallrichtung des Behälters 101 mindestens einen Pol auf. Der andere Pol des Magneten könnte ebenfalls genutzt werden um an zweiter Stelle in Fallrichtung senkrecht zu dieser seinen Pol auszurichten.
Die Magnetanordnung 106 kann beispielsweise einen oder mehrere Permanentmagnete aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Magnetanordnung 106 aber auch einen oder mehrere Elektromagnete aufweisen.
Eine elektromagnetische Magnetanordnung 106 kann beispielsweise mittels Spulen realisiert werden, die vorzugsweise an dem Fallturm-Magazin 102 angeordnet sind. Vorteilhafter Weise erstrecken sich die ein oder mehreren Spulen dann in Erstreckungsrichtung L des Fallturm-Magazins 102 bzw. in Fallrichtung des Behälters 101.
Als Elektromagnete können ein oder mehrere extern versorgte stromdurchflossene Spulen verwendet werden, die aufgrund des Stromflusses ein Magnetfeld aufbauen. In diesem Fall würde die jeweilige Stromflussrichtung zweier benachbarter Spulen gleich sein, sodass sich in jeder Spule jeweils ein magnetischer Nordpol und ein magnetischer Südpol ausbilden, und sich die magnetischen Pole der einzelnen Spule dann jeweils abwechselnd gegenüberliegen. Der elektrische Leiter wäre dann an dem Behälter angeordnet.
Es kann aber auch denkbar sein, dass die Spulen nicht stromdurchflossen sind und somit den elektrischen Leiter bilden. An dem Behälter 101 können dann beispielsweise Permanentmagnete angeordnet sein. Aufgrund der Bewegung des an den Spulen vorbeifallenden Behälters 101 wird in den Spulen eine Induktionsspannung induziert. Der Induktionsstrom wiederum baut in den Spulen ein Magnetfeld auf, das den fallenden Behälter 101 abbremst.
4 zeigt eine Querschnittsansicht der in 1 abgebildeten Vorrichtung 100. Das Fallturm-Magazin 102 weist eine erste Öffnung 104 auf, durch die der Behälter 101 in den Hohlraum 103 des Fallturm-Magazins 102 einbringbar ist. Nach dem Einschieben des Behälters 101 fällt dieser innerhalb des Hohlraums 103 nach unten, d. h. in Richtung der zweiten Öffnung 105, durch die ein Behälter 101 aus dem Fallturm-Magazin 102 entnehmbar ist.
Das Fallturm-Magazin 102 weist auf dessen Innenseiten mehrere Magnetanordnungen 106', 106'' auf. Sowohl die dem Betrachter frontal zugewandte erste Magnetanordnung 106' als auch die dem Betrachter seitlich und somit geschnitten dargestellte zweite Magnetanordnung 106'' weisen jeweils mehrere einzelne Magnete 106'a bis 106'l und 106''a bis 106''l auf. Die einzelnen Magnete 106'a bis 106'l und 106''a bis 106''l sind mit jeweils abwechselnder Polarisation nacheinander angeordnet. Derartige Magnetanordnungen können außerdem auf allen (vier) Seiten (Innen- und/oder Außenseiten) des Fallturm-Magazins 102 angeordnet sein, oder auch mehrere Reihen entlang mindestens einer Seite aufweisen.
Die Magnetanordnungen 106', 106'' sind jeweils elektromagnetische Magnetanordnungen, d. h. die einzelnen Magnete 106'a bis 106'l und 106''a bis 106''l sind Elektromagnete.
Die in 4 abgebildete Vorrichtung 100 weist ferner eine Steuerung 400 auf. Die Steuerung 400 ist ausgebildet, um eine oder mehrere der elektromagnetischen Magnetanordnungen 106', 106'' anzusteuern, sodass ein oder mehrere der zuvor erwähnten Elektromagnete 106'a bis 106'l und 106''a bis 106''l einzeln aktivierbar und deaktivierbar sind, und zwar entlang der Erstreckungsrichtung L des Fallturm-Magazins 102 bzw. entlang der Fallrichtung L des Behälters 101. Somit kann die Bremswirkung der Wirbelstrombremse reguliert werden.
Die Steuerung 400 ist ferner ausgebildet, um einen oder mehrere um die zweite Öffnung 105 herum angeordnete Elektromagnete 106'a bis 106'l und 106''a bis 106''l einzeln zu deaktivieren. IN dem in 4 abgebildeten Ausführungsbeispiel könnten beispielsweise die einzelnen Elektromagnete 106'k, 106'l und 106''k, 106''l deaktiviert werden.
Somit würde beim Herausnehmen des Behälters 101 aus der zweiten Öffnung 105 keine Wirbelstrombremsenkraft auf den Behälter 101 wirken, d. h. der Behälter 101 könnte ungebremst aus dem Fallturm-Magazin 102 entnommen werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Steuerung 400 ausgebildet ist, um die Induktionsspannung, die aufgrund des freien Falls des Behälters 101 innerhalb des Fallturm-Magazins 102 in den ein oder mehreren Spulen erzeugt wird, zu ermitteln und basierend darauf den Füllstand des Fallturm-Magazins 102 zu bestimmen.
So wird beispielsweise bei noch leerem Fallturm-Magazin 102 ein eingelegter Behälter 101 bis ganz nach unten fallen. Hierbei induziert der hinunterfallende Behälter 101 entlang seiner Fallstrecke eine Induktionsspannung in den an dem Fallturm-Magazin 102 angeordneten Spulen. Die Höhe der induzierten Spannung hängt von der beim Fall des Behälters 101 zurückgelegten Fallstrecke ab. Somit kann die Steuerung 400 anhand der Induktionsspannung die zurückgelegte Wegstrecke des Behälters 101 ermitteln, und basierend darauf auf den Füllstand des Fallturm-Magazins 102 bestimmen.
Zur Bestätigung der Realisierbarkeit der Erfindung wurden Experimente durchgeführt. In einer experimentellen Realisierung wurden dünne Neodym Magnete 106 an den Seiten eines Behälters 101 bzw. einer Kassette 101 befestigt. Die Magnete 106 hatten eine Abmessung (l × b × h) von 40 mm × 12 mm × 1 mm (wobei sich die Länge l quer zur Fallrichtung und die Breite b längs der Fallrichtung erstreckt).
Um den Abstand zwischen den Magneten 106 und der Turmwand, d. h. der Innenseiten des Fallturm-Magazins 102, zu verringern und gleichzeitig das Magnetfeld zu verstärken, wurden jeweils drei Magnete aufeinander gestapelt (d. h. radial bzw. in einer Richtung senkrecht zur Fallrichtung). Der Abstand des radial äußersten Magneten zur Turmwand betrug ca. 0,7 mm. Um die Bremswirkung zu verstärken, wurden die gestapelten Magnete alternierend nebeneinander (d. h. entlang der Fallrichtung) an der Kassette 101 befestigt. Dadurch ist die zeitliche Änderung des Magnetfeldes beim Fall im Turm 102 höher und somit auch die Bremswirkung.
Für die Fallversuche kam ein Turm 102 aus Aluminium zum Einsatz. Die Versuche wurden mit einer mit Objektträgern beladenen Standardkassette 101 durchgeführt. Zum Vergleich der Bremseffektivität wurde der Fall einer Kassette 101 mit Wirbelstrombremse und Magneten 106 (m = 162 g) sowie einer Kassette 101 ohne Magneten 106 und Wirbelstrombremse aufgezeichnet. Zur Aufzeichnung wurde eine Kamera mit einer Bildrate von 400 Bildern pro Sekunde eingesetzt. Es wurde die Höhe der Kassetten 101 pro Frame, also Zeiteinheit bestimmt und mithilfe von Matlab ausgewertet.
5 zeigt ein erstes Diagramm, in dem die zurückgelegte Strecke über die Zeit angetragen ist. Das Diagramm zeigt also den von dem Behälter 101, d. h. Kassette 101, in dem Fallturm-Magazin 102 zurückgelegten Weg als Funktion der Zeit. Es ist zu erkennen, dass der Behälter 101 ohne Wirbelstrombremse, dargestellt mittels der Kurven 501 und 502, nach etwa 0,25 Sekunden auf dem Boden ankommt. Mit Wirbelstrombremse, dargestellt mittels der Kurven 503 und 504, fällt der Behälter 101 hingegen wesentlich langsamer, d. h. er erreicht erst nach etwa 0,72 Sekunden den Boden.
6 zeigt ein zweites Diagramm, in dem die Geschwindigkeit über die Zeit angetragen ist. Das Diagramm zeigt also die von dem Behälter 101, d. h. Kassette 101, in dem Fallturm-Magazin 102 erreichte Geschwindigkeit als Funktion der Zeit. Es ist zu erkennen, dass die Geschwindigkeit des frei fallenden Behälters 101 ohne Wirbelstrombremse, dargestellt mittels der Kurve 601, konstant bis etwa 2,5 m/s ansteigt. Mit Wirbelstrombremse, dargestellt mittels der Kurve 602, fällt der Behälter 101 hingegen wesentlich langsamer, d. h. die Fallgeschwindigkeit steigt zunächst an, pendelt sich aber bereits nach etwa 0,2 Sekunden bei etwa 0,5 m/s ein.
7 zeigt ein drittes Diagramm, in dem die Beschleunigung über die Zeit angetragen ist. Das Diagramm zeigt also die von dem Behälter 101, d. h. Kassette 101, in dem Fallturm-Magazin 102 erreichte Beschleunigung als Funktion der Zeit. Es ist zu erkennen, dass der Behälter 101 ohne Wirbelstrombremse, dargestellt mittels der Kurve 701, keine Verzögerung der Beschleunigung erfährt. Mit Wirbelstrombremse, dargestellt mittels der Kurve 702, erfährt der Behälter 101 hingegen eine deutliche Verzögerung, d. h. bereits nach 0,1 Sekunden ist die Fallbeschleunigung des Behälters 101 auf etwa 1 m/s² reduziert worden.
Die Erfindung wird nachfolgend nochmals in anderen Worten beschrieben.
Die Erfindung löst das beschriebene Problem des freien Falls bei einer vorgeschlagenen Lagerung und Zuführung von Kassetten 101 in einem Fallturm 102. Mittels des Abbremseffekts einer Wirbelstrombremse 106, 107 wird dem freien Fall eine Kraft entgegengesetzt, so dass das fallende Objekt 101 nach kurzer Zeit nicht weiter beschleunigt. Das frühzeitige Erreichen der Endgeschwindigkeit limitiert die beim Aufprall der fallenden Kassette 101 freiwerdende Energie des weitestgehend beobachteten unelastischen Stoßes.
Die autonome Selbstabbremsung funktioniert gänzlich ohne Steuerung oder mechanische Interaktion des Lagersystems 100. Es verlangt keinerlei elektrische oder elektronische Komponenten. Die Funktion ist ein rein physikalischer Effekt und passiver Natur.
Die limitierte Fallgeschwindigkeit und Aufprallenergie ergibt eine Reihe von Vorteilen bei der Bestückung von Lagersystemen 100. Prinzipiell können die Lagertürme 102 beliebig hoch gebaut werden. Im vorliegenden Fall erhöht sich die Usability bei der Einführung von Kassetten 101, die nicht mehr sorgfältig manuell zum Boden des Lagerturms 102 geführt werden müssen. Fehler bei der Bestückung können so vermieden werden, die beim freien Fall die Objektträger mechanisch zu sehr belasten könnten.
Aus der Sicht eines elektrischen Leiters 107 werden durch eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses Ströme induziert, die nach der Lenz'schen Regel der Änderung des Magnetfeldes entgegenwirken. Bei einer leitenden Fläche 106 entsteht so ein Kreis- oder auch Wirbelstrom, der beim Stromfluss durch den Leiter 106 durch dessen Widerstand in Wärme umgewandelt wird. Im vorliegenden Fall entspricht die Magnetfeldänderung der (relativen) Bewegung eines Magneten 106 am betrachtet stationären Ort des Leiters 107 vorbei. Durch das rückinduzierte Magnetfeld wirkt eine der Bewegung entgegengesetzte Kraft, die kinetische Energie des Fallkörpers 101 wird im elektrischen Leiter 107 in Wärmenergie umgewandelt.
Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, das fallende Objekt 101 (also den Behälter bzw. eine Kassette) mit Permanentmagneten 106 auszustatten (siehe 2) und im Fallturm 102 eine leitende Fläche 107 zu realisieren. Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, die Kassette 101 mit einer leitenden Fläche 107 auszustatten und die Permanentmagneten 106 im Fallturm 102 unterzubringen (siehe 3). Vorteilhaft für die Bremswirkung ist:

1. Eine hohe Feldstärke der Permanentmagnete 106.
2. Ein geringer Abstand zwischen Magnet 106 und leitender Fläche 107.
3. Die Magnete 106 gegenpolig aneinander zu reihen, um die lokale Änderung der Feldstärke zu erhöhen.
4. Die räumliche Frequenz des alternierenden Magnetfelds zu erhöhen, d. h. schmale Magnetstreifen 106 zu verwenden, um bei der zu bremsenden Bewegung häufig Magnetfeldänderungen in den Leiter 107 zu induzieren.
5. Die leitende Fläche 107 nicht aus ferromagnetischen Materialien fertigen.

Ausführungsmöglichkeiten:

1. Permanentmagneten 106 im fallenden Objekt 101 (Behälter/Kassette); Leitende Fläche 107 im Fallturm 102
2. Permanentmagneten 106 im Fallturm 102; Leitende Fläche 107 an Behälter/Kassette 101
3. Elektromagnet/Spulen-System im Fallturm 102
a) Damit Möglichkeit zur gezielten Steuerung der Bremswirkung; z. B. Abbremsung gezielt deaktivieren, um schnellere Entnahme der Behälter/Kassetten 101 unten aus den Schächten 103 zu ermöglichen; Einfache Steuermöglichkeit (auch zur Stromersparnis) mittels Lichtschranken.
b) Zusatzfunktion zur Detektion des „Füllstands” in den Schächten 103 über den in den Spulen induzierten Stromfluss möglich.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die vereinfachte Möglichkeit zur manuellen Bestückung eines Kassettenzuführsystems 100 in Form von Lagertürmen 102 mit Kassetten 101. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit ließe sich dieses Verfahren generell bei der Bestückung von Objekten 101 in Lagertürmen 102 anwenden.
In den vorgenannten Ausführungsbeipsielen und Zeichnungen wurden sowohl das Fallturm-Magazin 102 als auch das darin lagerbare Objekt 101 als viereckig beschrieben bzw. abgebildet. Prinzipiell sind sowohl für das Fallturm-Magazin 102 als auch für das darin lagerbare Objekt 101 beliebige geometrische Formen denkbar. Zwar ist es vorteilhaft, wenn das Fallturm-Magazin 102 und das darin lagerbare Objekt 101 jeweils dieselbe geometrische Form aufweisen. Allerdings können die Formen des Fallturm-Magazin 102 und des darin lagerbaren Objekts 101 auch voneinader abweichen.

Claims

Vorrichtung (100) mit einem Fallturm-Magazin (102) zum Aufnehmen eines in dem Fallturm-Magazin (102) lagerbaren Objekts (101), wobei das Fallturm-Magazin (102) einen sich entlang der Erstreckungsrichtung des Fallturm-Magazins (102) erstreckenden Hohlraum (103) aufweist, und wobei das Fallturm-Magazin (102) eine erste Öffnung (104), durch die das Objekt (101) in das Fallturm-Magazin (102) einbringbar ist, und eine zweite Öffnung (105), durch die das Objekt (101) aus dem Fallturm-Magazin (102) entnehmbar ist, aufweist wobei die erste Öffnung (104) des Fallturm-Magazins (102) von der zweiten Öffnung (105) des Fallturm-Magazins (102) beabstandet angeordnet ist, sodass das Objekt (101) beim Einlegen schwerkraftbedingt innerhalb des Hohlraums (103) des Fallturm-Magazins (102) in Richtung der zweiten Öffnung fällt (105), und einer eine Magnetanordnung (106) und einen elektrischen Leiter (107) aufweisenden Wirbelstrombremse zum Reduzieren der Fallgeschwindigkeit des fallenden Objekts (101).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das in dem Fallturm-Magazin (102) lagerbare Ojekt (101) ein Behälter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Behälter (101) eine Kassette ist, die mit einem oder mehreren Mikroskopieobjektträgern bestückbar ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Objekt (101) die Magnetanordnung (106) aufweist und das Fallturm-Magazin (102) den elektrischen Leiter (107) aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Leiter (107) entlang der Erstreckungsrichtung (L) des Fallturm-Magazins (102) an diesem angeordnet ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Leiter (107) keine ferromagnetischen Eigenschaften aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fallturm-Magazin (102) zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist, sodass das Fallturm-Magazin (102) den elektrischen Leiter (107) der Wirbelstrombremse bildet.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Fallturm-Magazin (102) die Magnetanordnung (106) aufweist und das Objekt (101) den elektrischen Leiter (107) aufweist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 8, wobei die Magnetanordnung (106) einen Magneten mit einem Nordpol und einem Südpol aufweist, wobei der Magnet derart an dem Fallturm-Magazin (102) angeordnet ist, dass die Magnetausrichtung vorzugsweise senkrecht zur Erstreckungsrichtung (L) des Fallturm-Magazins (102) polarisiert ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei die Magnetanordnung (106) mehrere Magnete (106a bis 106f) mit jeweils einem Nordpol und einem Südpol aufweist, wobei die Magnete (106a bis 106f) entlang der Erstreckungsrichtung (L) des Fallturm-Magazins (102) nacheinander an dem Fallturm-Magazin (102) derart angeordnet sind, sodass sich die einzelnen Pole abwechseln.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 8, wobei die Magnetanordnung (106) mindestens zwei Magnete (106a bis 106f) mit jeweils einem magnetischen Pol aufweist, wobei die mindestens zwei Magnete (106a bis 106f) unmittelbar nacheinander oder mit einer Beabstandung zueinander in Erstreckunsgrichtung (L) des Fallturm-Magazins (102) an diesem angeordnet sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetanordnung (106) entlang der Erstreckunsgrichtung (L) des Fallturm-Magazins (102) eine veränderliche Magnetfeldstärke senkrecht zur Erstreckungsrichtung aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetanordnung (106) einen oder mehrere Permanentmagnete aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetanordnung (106) einen oder mehrere Elektromagnete aufweist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei die Vorrichtung (100) ferner eine Steuerung (400) aufweist, die ausgebildet ist, um die elektromagnetische Magnetanordnung (106) anzusteuern, sodass ein oder mehrere Elektromagnete (106'a bis 106'l; 106''a bis 106''l) entlang der Erstreckungsrichtung (L) des Fallturm-Magazins (102) einzeln aktivierbar und deaktivierbar sind.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 15, wobei die Steuerung (400) ausgebildet ist, um einen oder mehrere um die zweite Öffnung (105) herum angeordnete Elektromagnete (106'a bis 106'l; 106''a bis 106''l) zu deaktivieren.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei die Steuerung (400) ausgebildet ist, um die Induktionsspannung, die aufgrund des freien Falls des Objekts (101) in dem Fallturm-Magazin (102) erzeugt wird, zu ermitteln und basierend darauf den Füllstand des Fallturm-Magazins (102) zu bestimmen.
Mikroskopiervorrichtung mit einem Mikroskop und einer Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.