CN101099067A - 免受大气湿气影响的热循环仪 - Google Patents

Abstract

热循环仪中的局部温度控制通过热电模块来实现，热电模块受到一对环状垫圈的保护以免暴露于大气湿气中，这对环状垫圈对由取样部件、散热器以及支撑框架组成的封壳进行密封，散热器等构件固定在支撑框架上。散热器是带多个散热片的部件，并且通过一个或多个夹杆而固定在热电模块上，夹杆装配在散热片之间，并设置成可消除与散热片的几何形状及散热片功能表面区域之间的干涉。电导线埋置在模制的保持器元件中，各导线为“U”形的形状，两个裸露的引脚通过一端的夹杆连接起来，其中一个引脚延伸到相对于大气而密封隔开的区域中，而另一引脚延伸到该区域的外部。

Description

免受大气湿气影响的热循环仪

发明背景

1.发明领域

本发明致力于实验室装置，其用于执行要求同时对多容座取样部件中的多个样本进行温度控制的工序。具体地说，本发明解决了由于使用用于温度调节和控制的热电模块而引起的问题。

2.现有技术的描述

聚合酶链反应(PCR)是需要对在不同的工序阶段之间，温度快速变化的反应混合物进行精密温度控制的化学过程的许多示例中的其中一个示例。PCR是一种用于扩增DNA的过程，即，从单个拷贝中生产出DNA序列的多个拷贝。PCR通常在仪器中执行，这种仪器在多个反应器例如反应井、试管或毛细管中提供试剂传送、温度控制和光学检测。这种过程包括一系列热敏感的阶段，不同的阶段在不同的温度下执行，并且该温度在反复的温度变化中循环。在典型的PCR过程中，各样本被加热和冷却到三个不同的目标温度，在该温度下将样本保持指定的时间周期。第一目标温度大约为95℃，其是分开双链所需要的温度。随后冷却至55℃的目标温度，用于使分开的链杂化，并加热到72℃的目标温度，用于涉及聚合酶的反应。之后重复循环，以获得多个DNA制品，并且各循环所消耗的时间根据设备，反应规模和自动化程度而可能从几分之一分钟变化至两分钟。这种热循环是对于成功的过程性能是关键的，并且是任何要求对温度和不同温度下的阶段顺序进行完全控制的过程的重要特征。这些过程许多涉及同时处理大量的样本，各样本具有通常在微升比例范围内的相对较小的尺寸。在某些情况下，该工序需要将某些样本保持在一定温度下，而将其它样本保持在另一温度下。已经研制出作为热循环仪而为人所知的实验设备，以允许这些工序以自动的方式来执行。

其中一种用于对热循环仪中或任何平面阵列中的多个样本进行温度控制，以及用于将分离的样本组放置在不同温度下的方法，是使用热电模块。这些模块是基于半导体的电子元件，其用作利用珀耳帖效应的小热泵，并且可造成热量根据经过元件的电流方向而在任一方向上流动。热电模块的许多用途包括小的激光二极管冷却器、便携式制冷器和液体冷却器。

热电模块在热循环仪中对于局部温度效应、电子控制和模块提供的快速响应具有特定的重要性。该模块通常在平面阵列中边靠边地设置，从而提供在广泛区域上对多个样本的加热或冷却，当样本包含在取样部件中时尤其如此，取样部件是整体件，其具有平的底表面和许多以标准的几何结构排列而成形于其上表面的样本井或容座。在典型的排列中，该模块放置在取样部件下面，并且通常带散热片的散热器放置在模块下面。

虽然这些模块是高效且通用的，但是其效率可能由于循环器的构造中的各种因素而被削弱。温度变化例如可能造成模块表面上的冷凝，并且用于确保这些构件处于完全热接触下的夹具可能干扰散热器片。通过本发明可解决这些以及其它问题。

发明概要

根据本发明，热循环仪中的热电模块放置在封壳的内部，外科由取样部件、散热器和支撑框架组成，并且被垫圈密封，以免大气湿气的侵入，其中一个垫圈被压缩在取样部件和支撑框架之间，而另一垫圈被压缩在散热器和支撑框架之间。这些垫圈允许构件的快速组装，并且不需要手动定位或对准。通过简单地将取样部件、模块和散热器放置在框架中，并将这些部件固定在一起，可实现密封。

本发明还致力于一种用于将带散热片的散热器固定到热电模块中的结构，从而不会在散热片的表面积或空气穿过散热片的散热片通道方面削弱散热器的散热片性能。固定是通过一个或多个夹杆而实现的，所述夹杆足够薄，以便装配在散热片之间，并且具有比散热片小得多的深度，使得各相邻散热片的大部分表面仍暴露在外。夹杆优选延伸达相邻散热片的全长度，并且实际上最优选比散热片更长，使得夹杆的末端将伸出散热片以外，而被固定在组件的其余构件上。

由本发明提供的更进一步的改进之处是一种模制部件中的电导线的新颖结构，该模制部件用作将被密封而免于暴露在大气中的区域与相邻区域分隔开的分隔件。电导线具有两个通过横杆而在一端相连以形成″U″形的引脚。横杆埋置在模制部件中，并且两个引脚暴露在外，并可用于电连接，一个引脚延伸到密封区域中，而另一引脚延伸到相邻的区域中。″U″形状便于围绕着导线而模制该部件，并且如此埋置导线的部件可用于任何电子装置或仪器中，这些电子装置或仪器包含电子元件，这些电子元件需要一种受保护以免暴露于大气湿气中的环境。这样一种仪器是热循环仪，导线的其中一个引脚电连接在封壳内部的热电模块上，并且另一引脚电连接在外部电气构件上，例如电源、控制器或任何为模块提供或调节电流的这种构件上。

附图简介

图1是根据本发明的热循环仪组件的分解透视图。

图2是图1的热循环仪组件沿着图1的线2-2所表示的平面剖开的剖视图。

图3是图1的热循环仪组件沿着图1的线3-3所表示的平面剖开的剖视图。

本发明和优选实施例的详细描述

就各构件的结构、构件在组件中的排列、包含的特定仪器或装置以及设计的仪器所执行的功能等而言，本发明的几个不同的方面各有着很广泛的变动范围。然而，其中一个特定实施例的详细描述将提供对本发明在其许多实施例中的各个实施例中的功能和操作的理解。这里的附图显示了一种用于作为一个这种实施例的PCR仪器的热循环仪。

图1的分解透视图中所显示的构件包括取样部件11、热电模块12和带散热片的散热器13。这三个构件形状加工成可允许其堆叠成一种构造，其将热电模块的上面、下面上的宽面分别与取样部件和散热器保持热接触。用语″热接触″和″热对接″在这里用于表示物理接触，其允许热能在两个构件之间沿着各构件的整个接触区域而自由流动。取样部件11可以是整体模制的、铸造的或机械加工的构件，其带有平的底表面14和位于其上面的样本井15。所显示的取样部件具有设置在规则地间隔开的两维阵列中的48个样本井。热电模块12位于取样部件的下面，并且与取样部件的底表面14保持热接触。图中显示了四个热电模块。在本发明的各种其它特征中，样本井的数量和热电模块的数量都不是关键的，并且可以宽泛地变动。散热器13定位在热电模块的下面，并且包括一排远离热电模块而延伸的散热片16。在散热器的上表面上的是导热材料薄层17，从而在散热器和热电模块之间提供了增强的热对接。散热器13在这里还被称为″散热器块″，因为其通常是整体的(单件)构件。

图1中所显示的其余构件用于将取样部件、热电模块和散热器固定在一起，并提供用于控制热电模块的电连接。这些构件如下：

安装裙部21，其将整个组件连接到热循环仪器的其余部分上，该组件本身是热循环仪器的一个构件；

一对夹杆22，23，其装配在散热器13的散热片16之间，用于将散热器压靠在热电模块的下侧，以获得完全的热接触；

内部电路板24，其直接为热电模块提供电连接；

外部电路板25，其为该组件外部的热循环仪的构件提供电连接；

保持器元件26，其用作图中所显示的其它构件的安装或支撑框架，而且使构件对准，并提供带螺纹的凸缘以及其它将构件保持在一起的紧固连接件；

环状垫圈31，其环绕着取样部件11，并将取样部件相对保持器元件的向内面向的表面密封起来；和

第二环状垫圈32，其环绕着散热器13，并将散热器相对保持器元件的另一向内面向的表面密封起来。

图1中未显示的构件包括普通的紧固元件，例如将这些部件保持在一起的螺钉、垫片等等。螺钉容纳在保持器元件26的螺纹孔或凸缘中。

图2的横截面在图1中通过线2-2指示其定向，其显示了图1的各部件。装配起来的部件形成了围绕热电模块12的封壳，其中取样部件11和保持器元件26的一部分形成了封壳的顶部，散热器块13形成了封壳的底部，并且保持器元件26的其它部分形成了侧壁。这两个环状垫圈31中的较小垫圈置于取样部件11的周边和沿着保持器元件26的内部开口的表面41之间，并且这两个环状垫圈32中的较大垫圈置于散热器块13的周边和沿着保持器元件26的内部开口的不同表面42之间。在所示的实施例中，垫圈各位于分别沿着取样部件和散热器块周边的凹槽中，并且当这些部件位于保持器元件26的内部时，这两个垫圈都与保持器元件的内部平面相接触。这两个垫圈将封壳密封起来，并且保护热电模块以免暴露于保持器元件26的外部(即，上面、下面或侧面的)区域，以及取样部件11上面的区域和散热器块13下面的区域中。总地说来，封壳保护热电模块以免暴露于大气湿气下。

图2中还可看到夹杆22，23。夹杆的宽度小于相邻散热片16之间的间隙，从而允许各夹杆很容易地装配在散热片之间。各夹杆的深度同样小于各散热片的深度，因此与散热片表面暴露于空气或任何流动的冷却剂介质中产生最小的干涉，这种冷却剂介质可用于耗散散热片的热量。在优选的结构中，各夹杆在其上边缘，在夹杆末端的向内位置具有两个凸起部分。这些凸起部分与散热器的下侧相接触，从而允许散热器与空气更大的接触，对施加在热电模块上的压力的更好控制，以及使夹杆中的应力最小化。

保持器元件26的轮廓具有T形部分，其带有垂直段43和位于垂直段一端的水平段44。垂直段43用作将密封的封壳与外部区域分开的分隔件。水平段44用作上述紧固螺钉(只是在图3中有所显示，并在下面进行讨论)，螺纹孔和凸缘(也是在图3中显示)的安装面。

在图2中还显示了电导线45，其将内部电路板24与外部电路板25连接起来。导线是U形的，其中两个引脚46，47通过横杆48而连接起来。这两个引脚分别连接在内部电路板和外部电路板上，而横杆埋置在保持器元件中。如上所述，U形导线适用于通常要求将内部构件密封在仪器的内部区域中、从而与仪器的环境或其它部分分开的仪器。在所有这种应用中，导线部分地埋置在模制部件中，其中导线的横杆部分完全埋置于其中，并且两个引脚暴露于外，以允许它们用于电连接。导线可埋置在任何模制的用作密封区域和非密封区域之间的分隔件的外壳中。在图2所显示的实施例中，上述封壳由热电偶12和保持器元件壁43之间的间隙49形成。电导线的内部暴露的引脚延伸到这个间隙中。

图3的横截面的定向在图1中由线3-3指示，并且横向于图2的横截面的定向。图3显示了除了裙部21和内部电路板及外部电路板24，25之外的图1所示各部件。除了图1中所显示的部件之外，图3还显示了与夹杆22，23相接合、并将取样部件11、热电模块14和散热器块15固定在一起的紧固构件。根据横截面的定向，图3显示了一个散热片16的宽面和一个夹杆23的宽面。紧固件是弹簧加载的紧固件，并且其构件包括位于保持器元件26底面上的凸缘51、螺栓52、平垫片24和若干个弹簧垫片25。凸缘51是带内部螺纹的，以便与螺栓上的螺纹相配合。螺栓52装配在这两个夹杆之间，并且平垫片24足够宽，从而与夹杆接触，并将夹杆压靠在散热器决上。因而这两个夹杆与单个紧固件相接合。弹簧垫片25显示为处于压缩状态下，并且其作用是将压力以一致且可重现的方式施加在夹杆上。

虽然图中只显示了夹杆一端的螺栓、垫片和带螺纹的凸缘，但另一端设有相同的螺栓、垫片和带螺纹的凸缘，与所显示的那些构成对称的排列。

在本发明实践中所使用的构件可以是在提出本申请时就存在的构件，包括那些容易从供应商那里获得的构件。热电模块也被称为珀耳帖效应装置，其是在实验室仪器和设备中广泛用作构件的单元，其属于在熟知这种设备的人员中众所周知的、并且商业上容易从电气构件的供应商那里获得的单元。热电模块是用作热泵的小型固态装置，其在这样的理论下工作，即，当电流流过两个不相似的导体时，这两个导体的接点将根据电流的方向而吸收或释放热量。典型的热电模块由两个被半导体材料分开的陶瓷或金属板组成，半导体材料的普通示例是碲化铋。除了电流以外，热传输的方向还可由半导体中的电荷载体的性质(即N型相对于P型)来确定。因而可将热电模块设置和/或电连接在本发明的装置中，以加热或冷却取样部件或取样部件的部分。单个热电模块可薄至几毫米，具有几平方厘米的表面尺寸，但存在并可使用更小和更大的热电模块。可使用单个热电模块，或将两个或更多个热电模块组合在一起，来控制横向尺寸超过单个模块的取样部件区域的温度。还可控制相邻的热电模块，以产生不同的热流速率或方向，从而将不同的样本或样本组置于不同的温度下。

其它变化也在本发明的范围内。环状垫圈例如显示为不同的尺寸，但是可调整或改变构件的形状以允许使用相同尺寸的垫圈。图中所显示的结构包含两个夹杆，但有效的固定还可利用单个夹杆或利用三个或更多个夹杆来获得。如图所示，夹杆长度上比散热片更长，并且在两个方向上超过散热片，留下夹杆的末端可被接触到，以便固定在保持器元件上。作为备选，夹杆可等于或小于各散热片的长度，或只在一端而非两端固定在保持器元件上。另一备选方案是使用这对朝着散热片中心延伸小于一半距离的夹杆，使这对夹杆中的其中一个夹杆从散热片阵列的一端进入散热片区域，而另一夹杆从另一端进入散热片区域。还有另一备选方案是使用一对在两端连接起来的夹杆，这对夹杆形成环绕一个散热片或两个或更多个散热片的环。还可改变夹杆之间的间距。在所示的实施例中，夹杆被间隔开，使得在它们之间只有一个散热片穿过。作为备选，可增加间距以允许在夹杆之间穿过两个或更多散热片。图中所显示的散热器包含十五个散热片，但这个数量可宽泛地变动，从少至三个或四个到多至五十或更多个。优选的范围是六至二十个散热片。此外，还可使用替代螺栓的备选部件，例如夹子或凸轮，并且这对本领域中的技术人员将是很容易明白的。

构造材料将优选选择成可允许各构件以最佳方式提供其功能。例如，与样本相接触的构件将由惰性材料例如聚碳酸酯或其它塑料制成，并且对由热电模块引起的热传递速率变化快速响应的取样部件和散热器可通过使用细薄材料或容易导热的材料来获得。还有的其它一些变化对于实验设备的设计、构造和使用领域中的技术人员而言将是显而易见的。

Claims (12)

1.一种用于控制多个样本中的温度的装置，所述装置包括：

多容座取样部件、热电模块和散热器块，所有这些部件成形成能够设置成堆叠构造，其中，所述取样部件与所述热电模块保持热接触，并且所述热电模块与所述散热器块保持热接触，

支撑框架，其尺寸适于容纳所述堆叠构造中的所述取样部件、所述热电模块和所述散热器块，

第一环状垫圈，其尺寸适于沿着所述取样部件的周边表面而环绕所述取样部件，从而在所述取样部件和所述支撑框架之间形成密封，和

第二环状垫圈，其尺寸适于沿着所述散热器块的周边表面而环绕所述散热器块，从而在所述散热器块和所述支撑框架之间形成密封，

所述取样部件、所述散热器块、所述支撑框架和所述环状垫圈因而一起形成包围所述热电模块、并保护所述热电模块免受大气湿气影响的密封封壳。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括位于所述取样部件的所述周边表面中以用于容纳所述第一环状垫圈的第一凹槽，以及位于所述散热器块的所述周边表面中以用于容纳所述第二环状垫圈的第二凹槽，其中，所述支撑框架具有平表面，在所述平表面上，所述支撑框架与所述第一环状垫圈和第二环状垫圈相接触。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，包括在平面阵列中边靠边地设置的多个热电模块，并且在所述堆叠构造中，所述取样部件与所述平面阵列保持热接触，并且所述平面阵列与所述散热器块保持热接触。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述密封封壳限定了在所述热电模块和所述支撑框架的边缘之间的间隙。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑框架是整体模制件，其中电导线部分地埋置在所述模制件中。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述密封封壳限定了在所述热电模块和所述支撑框架的边缘之间的间隙，并且所述电导线具有延伸到所述间隙中的裸露端。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，各电导线包括由U形横杆连接在一起的第一引脚和第二引脚，所述横杆埋置在所述模制件中，并且所述第一引脚和第二引脚暴露在外，所述第一引脚延伸到所述密封封壳的内部，并且所述第二引脚延伸到所述密封封壳的外部。

8.一种用于电子仪器的模制外壳，所述外壳包括密封封壳，其包括：

将内部间隔开以免暴露于大气中的模制的分隔件，和

由末端横杆连接起来的第一引脚和第二引脚所限定的U形电导线，所述末端横杆埋置在所述分隔件中，其中，所述第一引脚延伸到所述分隔件的一侧，并且所述第二引脚延伸到所述分隔件的另一侧。

9.一种用于控制多个样本中的温度的装置，所述装置包括：

多容座取样部件、热电模块和带散热片的散热器块，所有这些部件成形成能够设置成堆叠构造，其中，所述取样部件与所述热电模块保持热接触，并且所述热电模块与所述散热器块保持热接触，

支撑框架，其尺寸适于容纳所述堆叠构造中的所述取样部件、所述热电模块和所述带散热片的散热器块，和

尺寸适于装配在所述带散热片的散热器块的相邻散热片之间的夹杆，以及用于将所述夹杆固定到所述支撑框架上的机构，从而当处于所述堆叠构造中时，所述机构用于将所述带散热片的散热器块固定在所述热电模块上。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，包括多个所述夹杆。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述夹杆在长度上大于所述带散热片的散热器块的所述散热片，并且用于将所述夹杆固定在所述支撑框架上的所述机构包括弹簧加载的紧固件，所述夹杆的每一端设有一个这样的紧固件。

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，包括其中刚好两个所述夹杆，并且用于将所述夹杆固定在所述支撑框架上的所述机构包括定位在所述散热片的相对两端上的一对弹簧加载的紧固件，各个所述紧固件都与所述两个夹杆相接合。

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