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Die
Erfindung betrifft eine Pipettiervorrichtung mit einem Magazinanzug,
wie sie gattungsgemäß aus der
WO 02/096562 bekannt ist.
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Der
Zweck einer Pipettiervorrichtung, umfassend eine oder mehrere luftverdrängende
Kolbenhubpipetten, besteht ganz allgemein darin, im Laborbetrieb
Flüssigkeiten aus einem Gefäß aufzunehmen und
in ein anderes abzugeben. Dabei kann die Flüssigkeitsaufnahme
und/oder -abgabe auch in Schritten aus oder in verschiedene Gefäße
und mit verschiedenen Flüssigkeiten erfolgen.
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Bei
häufigem Wechsel der Flüssigkeiten ist es zur
Vermeidung von Verschleppungen bzw. aufwändiger Spülschritte
beim Flüssigkeitswechsel sinnvoll, die Pipettenspitzen,
welche mit der zu transferierenden Flüssigkeit in Berührung
kommen, auswechselbar und preiswert zu gestalten.
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Die
Pipettenspitzen oder auch Tips genannt, werden deshalb in der Regel
aus Kunststoff gespritzt. Die dafür benutzten Kunststoffe
müssen sehr rein sein, dürfen also möglichst
wenig Zusätze oder Weichmacher enthalten, um die transferierte
Flüssigkeit nicht zu verunreinigen, dürfen von
den im Laborbetrieb üblichen Chemikalien und Lösungsmitteln nicht
angegriffen werden und sollen preiswert sein. Als geeignete Kunststoffe
hat sich Polypropylen durchgesetzt.
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Pipettiervorrichtungen
wurden zunächst mit nur einem Kanal und manuellem Antrieb
hergestellt. Dabei sitzt in der Pipette ein Pumpsystem, welches über
einen Luftkanal (Pipettierkanal) mit der wechselbaren Pipettenspitze
verbunden ist.
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Das
aufzunehmende oder abzugebende Volumen wird durch das Pumpsystem
vorgegeben und mittels der Luft im Pipettierkanal auf die Flüssigkeit
in der Pipettenspitze übertragen. Für die Präzision
des aufgenommenen oder abgegebenen Flüssigkeitsvolumens
spielt außer dem Pumpsystem, der Luftmenge im Pipettierkanal,
der Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels in der
Pipettenspitze und der Sauberkeit der Ein- und Ausströmöffnung
der Pipettenspitze insbesondere die vollständige Abdichtung
zwischen Pipettierkanal und Pipettenspitze eine wichtige Rolle.
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Diese
Abdichtung erfolgt üblicherweise durch die Ausbildung einer
Dichtung zwischen der Pipettenspitze und dem Pipettierkanal, ausgeführt
als Konus. Bei verschiedenen Systemen wird diese Dichtung unterstützt
durch einen O-Ring auf dem Pipettenkonus. Dieses Prinzip hat bei
manuell bedienten Pipetten den Vorteil, dass die Pipettenspitze
einfach durch Aufschieben des Pipettenkonus auf den Pipettierkanalkonus
zum Pipettierkanal hin abgedichtet werden kann. Mit einem Abwerfer
kann sie dann ebenso einfach vom Pipettierkanalkonus abgestoßen werden.
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Neben
der beschriebenen einkanaligen Pipettiervorrichtung wurden mehrkanalige
Pipettiervorrichtungen mit einer Reihenanordnung von bis zu 16 Pipettierkanälen
entwickelt.
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Hinzu
kamen Pipettiervorrichtungen mit Pipettierkanälen in zweidimensionaler
Anordnung (8 × 12 und 16 × 24), wobei die Anzahl
und Anordnung der Pipettierkanäle von den sich inzwischen
in der Praxis durchgesetzten Probenträgern, unter anderem
Mikrotitrationsplatten, bestimmt wurde.
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Mit
zunehmender Anzahl gleichzeitig aufzunehmender und abzuwerfender
Pipettenspitzen führt das beschriebene Konus-Prinzip zu
immer mehr mechanischem Aufwand.
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Wegen
der gegebenen Toleranzen der Pipettenspitzen im Dichtbereich wird
es mit zunehmender Anzahl von Pipettierkanälen immer schwieriger,
alle Pipettenspitzen dicht aufzuziehen. Die Fertigungstoleranzen
der Pipettenspitzen müssen dann über ihre Elastizität
oder Dichtmittel, wie O-Ringe auf den Konen kompensiert werden,
was wegen der dafür notwendigen Kräfte insbesondere
bei 96- und 384-kanaligen Pipettiervorrichtungen schwierig wird.
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Aus
diesem Grund ist für mehrkanalige Pipettiervorrichtungen
ein Dichtprinzip eingeführt worden, bei dem die Pipettenspitzen
mit ihrer Stirnseite gegen eine elastische Dichtplatte gedrückt
werden, die an einer biegesteifen Planplatte der Pipettiervorrichtung,
in welche die Pipettierkanäle ragen, anliegt. Zum Lösen
wird einfach der Andruck aufgehoben. Durch eine sinnvolle Gestaltung
der Pipettenspitzenstirnfläche und eine darauf abgestimmte
Dichtfläche der Dichtplatte lassen sich auch 384 Pipettenspitzen problemlos
gleichzeitig dichten, solange die Dichtfläche vor Oberflächenschäden
und Verunreinigungen geschützt wird.
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Auch
für dieses Dichtprinzip ist für eine gleichzeitige
und sichere Abdichtung aller Pipettenspitzen eine nicht unerhebliche
Andruckkraft notwendig.
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Um
diese gleichmäßig in alle, vor allem die inneren,
in einem Raster angeordneten Pipettenspitzen einzuleiten, ist an
ihnen ein Bund ausgebildet, an dem die Pipettenspitzen in einer
massiven, biegesteifen Platte, Magazin genannt, aufgehängt
sind. Für die gleichmäßige Abdichtung
aller Pipettenspitzen ist dann pipettenspitzenseitig nur noch deren
Bundhöhe von Bedeutung, ein spritztechnisch einfach zu
beherrschender Parameter.
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Um
den Wechsel der Pipettenspitzen zu beschleunigen, ist dieses Magazin
nicht fest mit der Pipettiervorrichtung verbunden, sondern bildet
mit den Pipettenspitzen eine Einheit, die von der Pipettiervorrichtung
lösbar ist.
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Das
Magazin, gefüllt mit Pipettenspitzen wird an der Pipettiervorrichtung
in eine geeignete Aufnahme, nachfolgend Magazinaufnahme genannt,
eingesetzt und zur Abdichtung gegen die genannte Dichtplatte gedrückt
bzw. gezogen.
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Wegen
der dafür notwendigen Kräfte müssen alle
im Kraftfluss liegenden Teile sehr stabil ausgeführt werden.
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In
der
WO 02/096562 ist
ein automatisches Pipettiersystem (Pipettiervorrichtung) beschrieben, bei
welchem die Pipettenspitzen gegenüber den Pipettierkanälen
nach dem beschriebenen Dichtprinzip über eine dazwischenliegende
Druckplatte abgedichtet werden.
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Gemäß der
hier dargestellten Zeichnungen, insbesondere in den 16 und 17, weist die Pipettiervorrichtung 500 einen
Pipettierkopf 600 auf, dessen untere Planplatte 606 (Basisplatte)
nach dem Einschieben des Pipettierkopfes 600 in die Pipettiervorrichtung 500 an
zwei seitlichen Blöcken 510 zur Anlage kommt.
Auf den Blöcken 510 aufgesetzt und mit diesen
fest verbunden befindet sich ein Gehäuse 502 mit
einer Deckwand 506 und Seitenwänden 508.
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Die
untere Planplatte 606 weist eine rasterförmige
Anordnung von Durchgangslöchern auf, hier beispielhaft
8 × 12, durch welche jeweils das ausgangsseitige Ende eines
Pipettierkanals ragt.
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An
der unteren Planplatte 606 ist eine Dichtplatte 672 angebracht,
in welcher die Enden der Pipettenkanäle hineinragen und
die die untere Außenfläche der Pipettiervorrichtung
bildet.
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Der
Pipettierkopf 600 kann bei Bedarf ausgetauscht werden,
um die Pipettiervorrichtung an Probenträger mit einer anderen
Anzahl und Anordnung von Gefäßen so anzupassen,
dass die Pipettiervorrichtung mit einer gleichen Anordnung von Pipettierkanälen
arbeitet, wie sich Gefäße auf dem Probenträger
befinden.
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Die
durch die Dichtplatte 672 ragenden Pipettierkanalenden
sollen nun jeweils mit einer Pipettenspitze 702 zueinander
abgedichtet und wieder lösbar miteinander verbunden werden.
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Wie
bereits in der allgemeinen Beschreibung zum Stand der Technik dargelegt,
weisen die Spitzen 702 einen Bund 704 auf, über
dem sie in einem Magazin 700, in einer Rasteranordnung
gleich dem Raster der Pipettierkanäle, hängen.
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Als
Magazinaufnahme sind an den Seitenwänden 508 zwei
Klammern 530 vorgesehen, die jeweils ein Bodenteil 534,
ein Seitenteil 532 und einen Sims 544 aufweisen.
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Die
beide Bodenteile 534 dienen dem Magazin 700 als
Auflagefläche und damit als Magazinaufnahme.
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An
den beiden Simsen 544 greifen jeweils Zugfedern 540 an,
die anderen Endens über Abstandsbolzen 542 an
den Seitenwänden 508 hängen. Die Federkraft
der Zugfedern 540 bewirkt, dass die sich im Magazin 700 befindenden
Pipettenspitzen 702 mit ihrem Bund an die Dichtplatte 672 angedrückt
werden. Die auf die Dichtplatte 672 wirkende Andruckkraft
wird begrenzt durch einen an der Halterung 574 ausgebildeten
Anschlag, der an den Unterseiten der Blöcke 510 anliegt.
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Im
Sinne der vorliegenden Erfindung bilden die Klammern 530 mit
den an den Seitenwänden 508 über die
Splinte 542 befestigten Zugfedern 540 den Magazinanzug.
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Die
vorangehende Beschreibung eines automatischen Pipettiersystems nach
der
WO 02/096562 ist
auf die Bauteile beschränkt, die vom Kraftfluss betroffen
sind, wenn ein bestücktes Magazin
700 mittelbar über
die Bünde der Pipettenspitzen
702 und die Dichtplatte
672 an
die untere Planplatte angedrückt wird.
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Um
eine durch die Zugfedern 540 bestimmte, hohe definierte
Andruckkraft zu erhalten, müssen alle am Kraftfluss beteiligten
Bauteile zumindest in Richtung des Kraftflusses biegesteif ausgeführt
sein. Das verlangt insbesondere eine massive und folglich schwere
Ausführung der beiden Seitenwände 508 und
der beiden Klammern 530.
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Darüber
hinaus kann es für verschiedene Anwendungen von Nachteil
sein, wenn wie bei dem hier beschriebenen Pipettiersystem, der Antrieb
des Magazinanzugs mit dem gleichen Motor erfolgt, wie das Pumpsystem
angetrieben wird. Die Hubbewegung der oberen Platte 514,
welche den Hub der Kolben verursacht, wird in einem vorgegebenen
kleinen Hubbereich der Platte 514 innerhalb des Pipettierzyklus
auf die beiden Klammern 530 übertragen. Zu diesem
Zweck ragen mit den Klammern 530 jeweils fest verbundene
Abstandsbolzen 546 durch Langlöcher in den Seitenwänden
in das Innere des Gehäuses 502.
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In
einer bestimmten Position der Abwärts-Hubbewegung kommt
die obere Platte 514 auf den freien Enden der Abstandsbolzen 546 zur
Auflage, nimmt diese und damit die Klammern 530, auf deren
Bodenteilen 534 das Magazin aufliegt, mit und der mittelbare
Kraftschluss zwischen dem Magazin 700 und der unteren Platte 606 wird
aufgehoben. Nachteilig ist, dass zur Aufhebung des Kraftschlusses
eine noch größere, den Federkräften entgegenwirkende
Kraft, erforderlich ist.
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Zusammengefasst
bestehen die Nachteile der beschriebenen Lösung zum einen
in der zwingend massiven Ausführung der Gehäusewände,
da der Kraftfluss über die gesamte Gehäusehöhe
verläuft.
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Zum
anderen erfordert die Verwendung von Zugfedern zur Krafterzeugung
die Erzeugung einer noch größeren, entgegenwirkenden
Kraft, um den Kraftschluss zwecks Magazinaustausch aufzuheben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst leichte
und damit handliche Pipettiervorrichtung zu schaffen, die als Modul
einer Laborausrüstung flexibel einsetzbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Pipettiervorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Anhand
der Zeichnung wird die Pipettiervorrichtung im Folgenden beispielhaft
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Vorrichtung in perspektivischer Ansicht von oben
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2 eine
Vorrichtung gemäß 1 in perspektivischer
Ansicht von unten
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3 eine
Schnittdarstellung einer Detailansicht einer Vorrichtung gemäß 1
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4 ein
auf der Basisplatte montiertes Schneckengetriebe
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In
den 1 und 2 ist eine vorteilhafte Ausführung
einer erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung in
zwei verschiedenen perspektivischen Ansichten mit geöffnetem
Gehäuse dargestellt.
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Das
Gehäuse der Pipettiervorrichtung wird gebildet durch einen
quaderförmigen Gehäuserahmen 16, auf
dem eine tragende Deckplatte 17 befestigt ist, auf der
außenseitig ein Schrittmotor 18 für das Pumpsystem
und ein Antriebsmotor 7 für den Magazinanzug der
Pipettiervorrichtung montiert sind, eine Gehäuseaufsatzwand 19,
an der eine nicht dargestellte Gehäusekappe befestigt ist,
um die beiden Motoren 7 und 18 abzudecken, sowie
vier ebenfalls hier nicht dargestellte seitliche Abdeckplatten,
die am Gehäuserahmen 16 montiert sind, um das
Gehäuse seitlich zu verschließen.
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Vorteilhaft
können die vier seitlichen Abdeckplatten dünnwandig
und damit sehr leicht ausgeführt werden, da sie lediglich
die Aufgabe haben, das Innere der Pipettiervorrichtung vor Verschmutzung
zu schützen und mechanisch nicht beansprucht werden.
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Den
bodenseitigen Abschluss des Gehäuses bildet eine Basisplatte 1.
In der Basisplatte 1 sind in einem vorgegebenen Raster
eine Vielzahl von Durchgangslöchern vorgesehen, hier 16 × 24,
durch die Kolben 24 der Pipettierkanäle 3 des
Pumpsystems geführt sind. Bei dem Pumpsystem handelt es sich
um ein übliches Kolben-Hub-System für eine Pipettiervorrichtung.
Die Pipettierkanäle 3 werden im Wesentlichen jeweils
durch eine Führung 20 und eine Buchse 25 gebildet,
die jeweils in ein Durchgangsloch der Basisplatte 1 eingepasst
sind, sowie einen in diesen beiden Bauteilen geführten
Kolben 24, siehe hierzu 3.
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An
der Basisplatte 1 ist gehäuseaußenseitig, flächig
anliegend, eine Dichtplatte 2 fixiert, die in gleicher
Rasteranordnung wie die Basisplatte 1 Durchgangslöcher
aufweist, in welche die Buchsen 25 ragen.
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Unterhalb
der Basisplatte 1 ist ein gegenüber der Basisplatte 1 beweglicher
Magazinrahmen 12 vorhanden, in den ein mit Pipettenspitzen 4 bestücktes
Magazin 6 eingelegt und vertikal an die Basisplatte 1 angestellt
wird. Der Magazinrahmen 12 ist U-förmig gestaltet,
mit einer vorteilhaft durchgängigen Auflagefläche 13.
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Wesentlich
ist, dass die Basisplatte 1 zum einen als Andruckplatte
und zum anderen als Gestell für ein die Andruckkraft übertragendes
Excentergetriebe 9 dient. Auf diese Weise wird die für
die beiden mechanischen Funktionen notwendige Stabilität
und Biegefestigkeit durch ein und dasselbe Bauteil realisiert.
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Die
dreiseitig tolerierten Außenflächen des Magazins 6 bewirken
eine definierte Lage des Magazins 6 im U-förmigen
Magazinrahmen 12 und damit eine definierte Lage der Pipettenspitzen 4 zu
den Pipettierkanälen 3.
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Das
Magazin 6 und die Basisplatte 1 sind hochebene,
biegesteife Platten, sodass die Pipettenspitzen 4 gleichmäßig
jeweils mit ihrem Bund 5, ein Ende eines Pipettierkanals 3 umschließend,
auf die Dichtplatte 2 gedrückt werden. Die vertikal
wirkende Andruckkraft verteilt sich in der elastischen Dichtplatte 2 und
führt zu einem kraftschlüssigen Presssitz der Enden
der Pipettierkanäle 3, gebildet durch die Buchsen 25,
in der Dichtplatte 2. Dieses Dichtprinzip zwischen den
Pipettenspitzen 4 und den Pipettierkanälen 3 entspricht
grundsätzlich dem aus dem Stand der Technik bekannten Dichtprinzip.
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Neu
ist der Magazinanzug. Unter dem Magazinanzug sollen alle die Bauteile
verstanden werden, die erforderlich sind, um ein Magazin 6 an
die Basisplatte 1 zu ziehen bzw. zu drücken, womit
eine dichte Verbindung zwischen den Pipettenspitzen 4 und
den Pipettierkanälen 3 hergestellt wird.
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Der
Magazinanzug zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die von
einem Antriebsmotor 7 erzeugte Drehbewegung über
zwei gleiche Excentergetriebe 9 in eine Hubbewegung des
Magazinrahmens 12 umgesetzt wird. Die Excentergetriebe 9 sind gestellfest
auf der Basisplatte 1 gelagert, weshalb das Gehäuse
der Pipettiervorrichtung vom Kraftfluss während des Anziehens
des Magazins 6 völlig unbeeinflusst bleibt.
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Der
Magazinanzug umfasst bei dem in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen den auf der Deckplatte 17 montierten Antriebsmotor 7,
einen Zahnriementrieb 21, Wellenkupplungen 22,
zwei gleiche Untersetzungsgetriebe, hier als Schneckengetriebe 15 ausgeführt,
zwei gleiche Excentergetriebe 9 mit je einer Excenterwelle 8 und
einem T-förmigen Schwerkraftpendel 11, deren Querstücke 14 mit
den Schenkeln des Magazinrahmens 12 verbunden sind.
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Ein
an der Abtriebswelle des Antriebsmotors 7 vorhandenes Abtriebsritzel 23 treibt
den Zahnriementrieb 21 und damit die Antriebswellen zweier Wellenkupplungen 22 an.
Die beiden Wellenkupplungen 22 sind gegenüberliegend
außerhalb des Pumpsystems vertikal angeordnet und übertragen
die motorische Drehbewegung jeweils über eine weitere Wellenkupplung 22,
um einen axialen Ausgleich zu ermöglichen, auf jeweils
eine Antriebswelle 26 eines Schneckengetriebes 15,
siehe hierzu 4.
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Die
Abtriebtriebswellen der Schneckengetriebe 15 werden jeweils
durch eine am Schneckenrad 27 ausgebildete Hohlwelle 28 gebildet,
siehe hierzu 3.
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In
den Hohlwellen 28 ist jeweils ein Ende einer Excenterwelle 8 gelagert
und rotiert somit um die Achse eines Schneckenrades 27.
Am anderen Ende der Excenterwellen 8 ist jeweils ein Excenterzapfen 10 um
einen Abstand v zur Achse eines Schneckenrades 27 versetzt
ausgebildet, an dem jeweils ein T-förmiges Schwerkraftpendel 11 hängt.
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Die
Schwerkaftpendel 11 und somit der Magazinrahmen 12 führen
während der motorischen Drehbewegung der Excenterwelle 8 eine
Taumelbewegung aus, wobei lediglich der Hubanteil der Taumelbewegung
funktionell von Bedeutung ist, um das Magazin 6 zwischen
zwei möglichen Endlagen anzuheben und abzusenken.
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In
der abgesenkten Endlage kann das Magazin 6 ausgetauscht
werden.
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In
der angehobenen Endlage wird das Magazin 6 mit maximaler
Andruckkraft über die Bünde 5 der Pipettenspitzen 4 an
die Dichtplatte 2 angedrückt.
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Der
Versatz v ist bestimmend für den Hubbereich und damit auch
für die erzeugte Andruckkraft.
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Eine
Feineinstellung der Andruckkraft ist möglich, indem die
Verbindung zwischen dem Querstück 14 des Schwerkraftpendels 11 und
den Schenkeln des Magazinrahmens 12 durch kleine, drehbare Excenterstifte 29 gebildet
ist.
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Ein
Excentergetriebe 9 für den Magazinanzug zu verwenden,
ist deshalb wesentlich, weil ein nur keiner vertikaler Bewegungsbereich
(Hubbereich) erforderlich ist, jedoch große Andruckkräfte
am Ende des Bewegungsbereiches benötigt werden.
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Die
Wahl eines Schneckengetriebes 15 als dem Excentergetriebe 9 vorgeschaltetes
Untersetzungsgetriebe ist besonders vorteilhaft aufgrund seiner
hohen Untersetzung. Durch dessen Selbsthemmung sind außerdem
weitere Einrichtungen zur Aufrechterhaltung der Andruckkraft nicht
notwendig.
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Das
aufgrund der hohen Untersetzung des Schneckengetriebes 15 nur
sehr geringe notwendige Eingangsdrehmoment des Antriebsmotors 7 erlaubt es
auch, die Übertragungsglieder, wie den Zahnriementrieb 21 und
die Wellenkupplungen 22 sehr klein und leicht auszuführen,
was einen zusätzlichen Beitrag zur Masse- und somit Gewichtsreduzierung
leistet.
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Mit
dem beschriebenen Magazinanzug verläuft der Kraftfluss
beim Dichten der Pipettenspitzen 4 auf direktem und kürzesten
Weg von der Basisplatte 1, über die Excentergetriebe 9 mit
den Schwerkraftpendeln 11, den Magazinrahmen 12,
das Magazin 6, die Bünde 5 zur Dichtplatte 2,
wodurch nur eine geringe Anzahl von Bauteilen der Pipettiervorrichtung
durch die dabei entstehende mechanische Belastung betroffen sind.
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Die
Pipettiervorrichtung kann gegenüber gattungsgemäßen
gleichen Vorrichtungen kleiner und leichter ausgeführt
werden und ist damit in Laborabläufen als Modul flexibler
einsetzbar. Das heißt sie kann stationär fest
montiert werden oder auch beweglich, um eine notwendige Relativbewegung
zwischen den Pipettenspitzen 4 und einem Gefäß zur Aufnahme
und Abgabe von Flüssigkeiten zu vollziehen.
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- 1
- Basisplatte
- 2
- Dichtplatte
- 3
- Pipettierkanäle
- 4
- Pipettenspitze
- 5
- Bund
- 6
- Magazin
- 7
- Antriebsmotor
- 8
- Excenterwelle
- 9
- Excentergetriebe
- 10
- Excenterzapfen
- 11
- Schwerkraftpendel
- 12
- Magazinrahmen
- 13
- Auflagefläche
- 14
- Querstück
eines Schwerkraftpendels
- 15
- Schneckengetriebe
- 16
- Gehäuserahmen
- 17
- Deckplatte
- 18
- Schrittmotor
- 19
- Gehäuseaufsatzwand
- 20
- Führung
- 21
- Zahnriementrieb
- 22
- Wellenkupplung
- 23
- Abtriebsritzel
- 24
- Kolben
- 25
- Buchse
- 26
- Antriebswelle
des Schneckengetriebes
- 27
- Schneckenrad
- 28
- Hohlwelle
- 29
- Excenterstift
- v
- Versatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 02/096562 [0001, 0018, 0029]