CN103243017A - 利用整体结构储热和散热的薄型pcr仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄型PCR仪，包括一个机壳、整体式散热结构的可升降温的机芯，和机芯上一个用于放置样品管的样品架，其中：整体式散热结构包含一个质量远远大于样品架的并带有储热功能的金属底板。通过在金属底板的上表面或下表面安放散热片结构来节省散热器所占空间。机壳与底板可连成一体，采用热容率和热导率都较高的材料制成，也作为储热和散热结构的一部分。该PCR仪通过一个整体的散热结构，避免了采用过高过大的散热片来散热，从而可将传统的半导体加热制冷型PCR仪做的更薄。该PCR仪通过引入大热容储热模块，可将PCR仪的吸放热效率最优化，也将PCR仪的功率最小化，进一步减小了仪器的体积和能耗。
Description
技术领域
本发明涉及生物医药实验仪器，特别涉及一种聚合酶链式反应用仪器——PCR仪。
背景技术
PCR仪是一种通过循环式的加热和制冷来对样品进行升温和降温的仪器。目前最常见的PCR仪是由半导体制冷片(TE片)来实现升降温的。以下讨论将以制冷为例，加热与制冷原理相同，只是制冷的热效率相对较低。以制冷为例，TE片的作用像一个热泵，输入电能后，TE片可以从工作板一端(冷端)吸热，另一端(热端)接触散热器，通过散热器向环境释放大量的热，实现降温功能。热泵的吸热的量与冷热端的温差相关。当热端温度越高，冷端的吸热量越少。由于TE片除了吸放热外自身也是一个热源，这样热端的热量会越积越多。为了不使热端温度升高，常规的方法是用大型的散热器来加大散热器的表面积，再用相对较大的风扇将散热器的热传导到空气，由空气带出机箱。与此同时，PCR仪是重复不断快速升温降温的仪器，升降温速度是衡量PCR仪性能的重要指标。这样市场上的PCR仪往往配置了非常高的且体积庞大的散热片和大功率的风扇，以使得散热器保持一个较低温度。为了减小散热器到空气的热阻，散热器的表面面积要尽可能的大。但是用加大散热器的方式所能起到的向空间散热的效果有一定限度。这是因为散热器的热传导是有限的。如果把散热器做大来增加表面积，散热叶片做的很细，虽然加大了表面积，但增加了散热器表面到TE片之间的热阻。这样也就造成了散热器靠近TE片的一端及远离TE片的一端产生温度梯度，使得TE片两端的温度差加大，需要的TE片的功率也随之加大。显而易见，加大散热器和风扇带来如下缺点：体积大，机器笨重，噪音大。散热器装在机箱内部，使得整机体积也相应的增大。市场上常见的PCR仪的结构设计如图1所示，机芯下面是散热器，散热器下面是风扇。有时，风扇也安装在散热器的两侧以提高散热速度。因此，目前市场上的PCR仪多体积庞大，未曾出现过薄型的TE片型PCR仪。
发明内容：
本发明的目的在于发明一种PCR仪，在维持其原有性能不变的情况下，可使其体积变小，整体机器变薄。本发明的特点之一是由一个导热良好的热惯量大的结构作为整机的底板，甚至可延伸到整个机壳。此结构也是散热器的主体。此材料可为银、铜、铝等导热良好的材料。散热器的叶片可以和底盘做为一个整体结构，或可用插片的方式镶嵌入底板的上表面或下表面。此底板也作为仪器的主体结构框架，其他结构可安装在此底板上，比如机壳、机芯、电路板等。底板不宜过薄，应为6mm以上，以保证其热传导和机械强度。
本发明的技术方案如下：
一种PCR仪(如图2所示)，包括一个机壳、整体式散热结构的可升降温的机芯，和机芯上一个用于放置样品管的样品架。其中：整体式散热结构包含一个质量远远大于样品架的，带有储热功能的金属底板，以及在金属底板的上表面或下表面可安放散热片结构。机壳与底板可连成一体，也作为储热和散热结构的一部分。金属底板及机壳都采用热容率和热导率都较高的材料制成。为了达到较好的传热效果，金属底板内可安装热管或液体冷却液，以便机芯产的热量可快速排放到底板边缘。由于热容量较高，金属底板的温度可通过控制开关风扇来维持在一个较恒定的温度，以使机芯达到最优升降温效果。
本发明通过两个相辅相成的方案实现了将PCR仪体积做小，机身做薄的目标。
1，本发明充分利用了仪器的内部空间和结构，把包括底板、机壳等部分都用来散热。除了传统的朝下放置的散热器叶片，也可将叶片朝上放置在底板上，或两面都放置散热器叶片。这样，同样高度的散热片，可利用机芯上TE片、导热块等高度空间，节省了整体的机身高度，充分利用了样品管到底板之间的空间，在给定外壳尺寸下，该PCR仪的结构比传统的安装方式散热面积更大；在有厚度限制的时候又可大幅度的压缩空间，达到将仪器做薄的效果。
2，本发明根据PCR仪不断升降温的工作模式，引入了储热和快速导热的概念，将散热器一端金属底板做的有一定厚度，且质量远远大于样品架。该金属底板采用高热容率和热导率的材料制成。该PCR仪利用带有一定厚度的铝板可以缩短在金属内传热途径的长度，提高热导率，同时也可以通过加热管等辅助手段增加热量从机芯向两边的传导速度。质量大及高热容率的材料可以增加储热能力。由于底板的储热能力远远大于样品架，因此在升降温过程中，底板的温度变化要远低于样品架，且产生的热量会很快传导到四周，再通过周围的散热器和边缘的外壳将热量散到空气中去。此方案一方面通过快速导热避免了由于传统散热器中间热两端冷带来的散热效率低下的问题，另一方面也通过对底板储热能力的加强，减小升降温过程中底板的温度变化，甚至可通过风扇调节控制底板在较恒定温度范围，以使得TE片升降温速度和效率达到最优化，所需功率也达到最小。因此，在同样升降温性能下，小功率的TE片所需散热片也越小，其仪器的整体体积也越小。
该PCR仪通过一个整体的散热结构，避免了采用过高过大的散热片来散热，从而可将传统的半导体加热制冷的PCR仪做的更薄。该PCR仪通过引入大热容及高热导的储热模块，可将散热端控制在温度恒定均匀的状态，以使得TE片升降温速度和效率达到最优化，也将PCR仪的功率最小化，减小了仪器的体积和能耗。
附图说明：
图1是传统TE片结构的PCR仪纵向剖视图。
图2a是本发明所述薄型PCR仪的纵向剖视图；
图2b是本发明所述薄型PCR仪的结构示意图。
图3是实施例1的PCR仪的结构示意图。
图4是实施例2的PCR仪的结构示意图。
图5是实施例3的PCR仪的结构示意图。
图中：
1-传统离心管支架 2-传统TE片 3-传统散热片 4-轴流风扇 5-离心管支架 6-TE片 7-储热块 8-导热管 9-散热片 10-储热式机壳11-离心风扇 12-导热液体
具体实施方式：
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：
如图3所示的PCR仪，TE片的上端是一个孔壁很薄且质量很轻的铝制样品架，可成放16个体孔的0.2mLPCR试管。TE片的下端为一块带有储热效果的铜块，铜的热容率和热导率都大于铝，更适合于做储能器的核心部件。在铜块的下方，有一个相对大质量的铝块作为储能器，同时在结构上作为整体机壳的底板和四周壳体。铝块热传导在固体中性能很高，仅仅低于金银铜，能够较好的满足储能器的要求之一；铝的特征热容也优于很多其他的固体材料；铝的价格相对低，容易加工，是一个很有实用价值的材料。铜块和铝底板的厚度不小于6mm，以达到良好的热导和储能效果。此结构可基本保证热量在整体机壳上均匀分布，避免出现机芯部分热量过度集中的问题。如图2b所示，在铝底板的上方放置了两排散热片，靠近机壳一端为排风口，散热器另一端为风扇，风扇下方有进风口，再通过一些密封结构形成有效风道，达到良好散热效果。通过散热片下方的风扇开关来控制整个铝底板维持在某一恒定温度。
实施例2：
如图4所示的PCR仪，TE片的上端是一个孔壁很薄且质量很轻的铝制样品架，可成放16个体孔的0.2mLPCR试管。TE片的下端为一块带有储热效果的铜块，铜的热容率和热导率都大于铝，更适合于做储能器的核心部件。在铜块的下方，有一个相对大质量的铝块作为储能器，同时在结构上作为整体机壳的底板和四周壳体。铝块热传导在固体中性能很高，仅仅低于金银铜，能够较好的满足储能器的要求之一；铝的特征热容也优于很多其他的固体材料；铝的价格相对低，容易加工，是一个很有实用价值的材料。铜块和铝底板的厚度不小于6mm，以达到良好的热导和储能效果。在底板上开槽将热管铺进去，以增强铝块的热导率，使得热能很快的从机芯传到边缘。此结构可更好的保证热量在整体机壳上均匀分布，避免出现机芯部分热量过度集中的问题。如图2b所示，在铝底板的上方放置了两排散热片，靠近机壳一端为排风口，散热器另一端为风扇，风扇下方有进风口，再通过一些密封结构形成有效风道，达到良好散热效果。通过散热片下方的风扇开关来控制整个铝底板维持在某一恒定温度。
实施例3：
如图5所示的PCR仪，TE片的上端是一个孔壁很薄且质量很轻的铝制样品架，可成放16个体孔的0.2mLPCR试管。TE片的下端为一块带有储热效果的铜块，铜的热容率和热导率都大于铝，更适合于做储能器的核心部件。在铜块的下方，有一个相对大质量的铝块作为储能器，同时在结构上作为整体机壳的底板和四周壳体。铜块和铝底板的厚度不小于6mm，以达到良好的热导和储能效果。底板铝块储能器为铝和水的复合结构。在铝块内有一个空腔，空腔内注有水(或其它大热容的液体)。在这一结构中，水为主要的储能媒介。水的特征热容量极大，是一个很好的储能材料。水是液体，可以用对流的方式传导热，只要设计的好，就能够很好的满足储热的另一条件。由于这里的水是注入一个简单的几何尺寸的封闭的空腔中，无须水泵、水管和接头。所以不会增加生产成本，不会影响使用的可靠性和寿命。由于水的热容量大，在其它条件相同的时候，可以将储能器的体积和重量减小。此结构可非常好的保证热量在整体机壳上均匀分布，避免出现机芯部分热量过度集中的问题。如图2b所示，在铝底板的上方放置了两排散热片，靠近机壳一端为排风口，散热器另一端为风扇，风扇下方有进风口，再通过一些密封结构形成有效风道，达到良好散热效果。通过散热片下方的风扇开关来控制整个铝底板维持在某一恒定温度。
上述实施例和附图只是本发明的举例，并非用于限定本发明，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
Claims (11)
1.一种PCR仪，包括一个机壳、整体式散热结构的可升降温的机芯，和机芯上一个用于放置样品管的样品架。
2.如权利要求1所述的PCR仪，其特征在于：机芯内包含可升降温的半导体制冷片(TE片)。
3.如权利要求1所述的PCR仪，其特征在于：所述整体式散热结构包含一个质量远远大于样品架的，并带有储热功能的金属底板。
4.如权利要求3所述的PCR仪，其特征在于：所述金属底板的上表面或下表面可安放散热片结构，以便将所储热能排出。
5.如权利要求3所述的PCR仪，其特征在于：所述金属底板的上表面或下表面可安放风扇或设计风道，以便将所储热能排出。
6.如权利要求5所述的PCR仪，其特征在于：所述金属底板的温度可通过开关风扇来控制维持在一个较恒定的温度，以使机芯达到最优升降温效果。
7.如权利要求3所述的PCR仪，其特征在于：所述金属底板采用热容率和热导率都较高的金属或复合金属材料制成。
8.如权利要求3所述的PCR仪，其特征在于：为了达到较好的传热效果，金属底板内可安装热管或液体冷却液，以便机芯产的热量可快速排放到底板边缘。
9.如权利要求1所述的PCR仪，其特征在于：所述样品架上带有一个加热盖，在PCR过程中，该加热盖压在样品管上。
10.如权利要求1所述的PCR仪，其特征在于：机壳与底板可连成一体，也作为储热和散热结构的一部分。
11.如权利要求10所述的PCR仪，其特征在于：所述机壳采用热容率和热导率都较高的材料制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: KAYOUDI BIOTECHNOLOGY (BEIJING) CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: LI XIANG Effective date: 20140630 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20140630 Address after: 100085, Beijing, Haidian District Road No. 36, five, room 506 Applicant after: COYOTE BIOSCIENCE CO.,LTD. Address before: 100085, room 36, 504 Middle Road, Haidian District, Beijing Applicant before: Li Xiang |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Thin-type PCR instrument for heat storage and heat radiation by utilization of overall structure Effective date of registration: 20200426 Granted publication date: 20150429 Pledgee: Haidian Beijing science and technology enterprise financing Company limited by guarantee Pledgor: COYOTE BIOSCIENCE CO.,LTD. Registration number: Y2020990000382 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Date of cancellation: 20220408 Granted publication date: 20150429 Pledgee: Haidian Beijing science and technology enterprise financing Company limited by guarantee Pledgor: COYOTE BIOSCIENCE CO.,LTD. Registration number: Y2020990000382 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Room 506, floor 5, No. 36, Chuangye Middle Road, Haidian District, Beijing 100085 Patentee after: Beijing kayudi Biotechnology Co.,Ltd. Address before: Room 506, floor 5, No. 36, Chuangye Middle Road, Haidian District, Beijing 100085 Patentee before: COYOTE BIOSCIENCE CO.,LTD. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220707 Address after: Room 102-3 and 102-4, building 4, Yixing Optoelectronic Industrial Park, No. 10 Xingli Road, Yixing Economic and Technological Development Zone, Wuxi, Jiangsu 214200 Patentee after: COYOTE BIOSCIENCE YIXING CO.,LTD. Address before: Room 506, floor 5, No. 36, Chuangye Middle Road, Haidian District, Beijing 100085 Patentee before: Beijing kayudi Biotechnology Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |