CN105219638B - 一种基于相变蓄热材料和热管的pcr仪器 - Google Patents

Abstract

一种基于相变蓄热材料和热管的PCR仪器，包括试剂加热台、第一半导体制冷片、金属散热板、第一相变蓄热装置、第二风扇、第二半导体制冷片、丝杠、步进电机、第一风扇、金属散热片、控制器、第一热管、第二热管、第二相变蓄热装置、滑轨及温度传感器。本发明第二相变蓄热装置与第二热管的一端、第一相变蓄热装置与第二热管的另一端形成两个热开关，通过热开关的设计实现了对热量传递方向的控制，通过热管的使用有效提高了热导率，通过相变材料的使用实现了废热的二次利用，通过以上的发明可以实现比当前的设计方案的升温速率提升一倍以上，降温速率提高两倍以上，同时设备的总功耗减低一半，对PCR仪的升降换代具有重要意义。

Description

一种基于相变蓄热材料和热管的PCR仪器

技术领域

本发明涉及一种基于相变蓄热材料和热管的PCR仪器，属于科学仪器领域。

背景技术

PCR(Polymerase Chain Reaction，聚合酶链反应)仪器是一种应用广泛、十分重要的生命科学仪器。广泛应用在生命科学研究、生化分析、临床诊断、药物分析、法医鉴定和疫情快速检验等各个领域中作为基因扩增分析的首选仪器设备。

传统PCR仪器的基本构造由四层组成，如图1所示，最上面一层是试剂控温台，一般由高导热率金属组成，上面加工有试剂腔，用于安装试管，同时还嵌入有铂电阻温度传感器用于高精度的温度测量，第二层是半导体制冷片层，用于实现对试剂控温台的加热或制冷，第三层是散热片层，接收半导体散热片排散的废冷或废热，第四部分是第一风扇层用于将散热片层废冷或废热排散到空气中。

PCR仪的工作过程如图2所示。

第一步“变性"。把样品加热至94-96℃耗时30秒到数分钟，DNA双链被解开为两个单链。

第二步“退火"。让样品的温度下降至50-65℃耗时30秒到数分钟，两个单链与试剂中预先加入的DNA引物结合。

第三步“延伸"。让样品的温度上升至72℃耗时30秒到数分钟，试剂中离散的碱基与两个单链的剩余部分结合成两个独立的双链。

大约经过30个循环完成一次培养过程。

当前的PCR仪器设计方案升温和降温速度提升较慢，能耗高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于相变蓄热材料和热管的PCR仪器，提高了升降温速度，降低了能耗。

本发明的技术解决方案是：一种基于相变蓄热材料和热管的PCR仪器，包括试剂加热台、第一半导体制冷片、金属散热板、第二风扇、第一相变蓄热装置、第二半导体制冷片、丝杠、步进电机、第一风扇、金属散热片、控制器、第一热管、第二热管、第二相变蓄热装置及温度传感器；

试剂加热台、第一半导体制冷片和金属散热板通过导热硅脂依次粘接，试剂加热台上面加工有用于安装试管的试剂腔，第二风扇通过螺钉固定在金属散热板下方；

第一相变蓄热装置、第二半导体制冷片、金属散热片和第一风扇依次紧固连接，且第一相变蓄热装置、第二半导体制冷片和金属散热片之间通过导热硅脂粘接；丝杠的一端与步进电机连接，另一端与由第一相变蓄热装置、第二半导体制冷片、金属散热片和第一风扇组成的整体结构螺纹副配合连接；

金属散热片通过第一热管与第二相变蓄热装置连接；第二热管穿过金属散热板，其两端分别与第一相变蓄热装置和第二相变蓄热装置相对，所述第二热管的两端均焊接有铜板；

温度传感器嵌在试剂加热台、第一相变蓄热装置、金属散热板、金属散热片和第二相变蓄热装置中，用于采集试剂加热台、第一相变蓄热装置、金属散热片和第二相变蓄热装置的温度，并输出给控制器；控制器用于控制第一半导体制冷片和第二半导体制冷片的加电极性和加电功率，以及步进电机、第一风扇和第二风扇的工作。

所述第一相变蓄热装置采用凝固点为25℃—35℃的石蜡制成；第二相变蓄热装置采用凝固点为60℃—80℃的石蜡制成。

所述金属散热片与第一风扇相接触的一面设计有翅片，金属散热板与第二风扇相接触的一面设计有翅片。

还包括滑轨，所述滑轨穿过由第一相变蓄热装置、第二半导体制冷片、金属散热片和第一风扇组成的整体结构，并固定在放置PCR仪器的台面上，用于控制第一相变蓄热装置、第二半导体制冷片、金属散热片和第一风扇的运动方向。

所述第一相变蓄热装置采用凝固点为30℃的石蜡制成，第二相变蓄热装置采用凝固点为70℃的石蜡制成。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明第二热管穿过金属散热板，可以使第一半导体制冷片产生的热量或冷量尽快导出，有效提高了热导率。

(2)本发明的第二相变蓄热装置与第二热管的一端、第一相变蓄热装置与第二热管的另一端形成两个热开关，实现了对热量传递方向的控制；同时将第二半导体制冷片产生的冷量或热量通过相变蓄热装置传输到试剂加热台，实现了废热的二次利用。

(3)本发明通过第二相变蓄热装置与第二热管的一端、第一相变蓄热装置与第二热管的另一端形成两个热开关的使用，提高了半导体制冷片的效率，实现比传统设计方案的升温速率提升一倍以上，降温速率提高两倍以上，同时设备的总功耗减低一半，对PCR仪器的升降换代具有重要意义。

(4)本发明在金属散热片与第一风扇相接触的一面设计有翅片，金属散热板与第二风扇相接触的一面设计有翅片，增大了散热面积，加快了散热速度。

(5)第一相变蓄热装置、第二半导体制冷片、金属散热片和第一风扇组成的整体结构中设计了滑轨，从而保证了在电机驱动丝杠运动时，第一相变蓄热装置、第二半导体制冷片、金属散热片和第一风扇的运动方向不偏移。

附图说明

图1为传统PCR仪器的基本构造图；

图2为PCR仪器的工作过程示意图；

图3为基于相变蓄热材料和热管的PCR仪器示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提出一种基于相变蓄热材料和热管的PCR仪器，如图3所示，包括试剂加热台1、第一半导体制冷片2、金属散热板3、第一相变蓄热装置4、第二半导体制冷片5、丝杠6、步进电机7、第一风扇8、金属散热片9、控制器10、第一热管11、第二热管12、第二相变蓄热装置13、滑轨14、第二风扇15及温度传感器。

试剂加热台1、第一半导体制冷片2和金属散热板3通过导热硅脂依次粘接，试剂加热台1上面加工有用于安装试管的试剂腔，用于对放入其中的试剂进行加热或降温，第一半导体制冷片2为试剂加热台1的热量或冷量来源，当第一半导体制冷片2直流电源正接时，第一半导体制冷片2的上表面加热，下表面制冷，反接时功能相反，金属散热板3用于接收半导体制冷片的废热或废冷，第二风扇15通过螺钉固定在金属散热板3下方，第二风扇15当在对试剂加热台1降温时开启，用于加快降温速度。

第二热管12直接埋入金属散热板3中，两者紧密接触，其接触热阻很低，第二热管12的两端焊接有铜板，其表面经过抛光，分别和第一相变蓄热装置4和第二相变蓄热装置13相对，第二相变蓄热装置13、金属散热片9通过第一热管11焊接在一起，第一相变蓄热装置4、第二半导体制冷片5、金属散热片9和第一风扇8刚性连接，且第一相变蓄热装置4、第二半导体制冷片5和金属散热片9之间通过导热硅脂粘接；丝杠6的螺母插入并固定在由第一相变蓄热装置4、第二半导体制冷片5、金属散热片9和第一风扇8组成的整体结构中，丝杠6的一端与螺母连接(形成螺纹副配合结构)，丝杠6的另一端与步进电机7连接；步进电机7旋转时丝杠6随着转动，驱动上述刚性连接部分左右移动，当向左移动时，第二热管12的右端铜板与第一相变蓄热装置4紧密接触，当向右移动时，第二热管12的左端与第二相变蓄热装置13紧密接触。

试剂加热台1、第一相变蓄热装置4、金属散热片9和第二相变蓄热装置13中预埋有铂电阻温度传感器，由控制器10对温度信号进行采集。

控制器13控制整个装置的电器部分，具体来说，控制第一半导体制冷片2和第二半导体制冷片5的加电极性和加电功率，以及步进电机7的正反转和转动圈数以及第一风扇8、第二风扇15的启停。

该仪器在传统方案的金属散热片上埋入了热管，可以使半导体制冷片产生的热量或冷量尽快导出，在热管的两端分别焊接了铜板，在步进电机的作用下，相变蓄热装置移动，铜板和相变蓄热装置充分接触，实现热开关的作用，可以将相变蓄热装置中的热量或冷量导热到金属散热片中。

相变蓄热装置中采用石蜡类相变材料，第二相变蓄热装置选用的是凝固点为60℃—80℃左右的石蜡，优选为70℃，主要是第二相变蓄热装置是用于加热的，其最高加热温度为95℃，温度要尽量高，同时其热量是半导体制冷片制冷时产生的，其温度不会太高，综合实验结果优选70℃，第一相变蓄热装置采用的是凝固点为25℃—35℃左右的石蜡，优选为30℃，主要是第一相变蓄热装置是用于降温的，温度要尽量低，同时其热量是半导体制冷片制热时产生的，其温度不会太低，同时还有保证室温时必须为固态，综合实验结果优选30℃，。

本发明进一步在金属散热片9与第一风扇8相接触的一面和金属散热板3与第二风扇15相接触的一面设计有翅片，增大散热面积，加快散热速度。

在控制器10通过控制步进电机7驱动丝杠6带动第一相变蓄热装置4、第二半导体制冷片5、金属散热片9和第一风扇8固定向左或向右移动时，为了保证移动方向不偏斜，设计了滑轨14，滑轨14穿过由第一相变蓄热装置4、第二半导体制冷片5、金属散热片9和第一风扇8组成的整体结构中，滑轨14两端通过支脚固定在放置PCR仪器的台面上，从而保证了在电机驱动丝杠运动时，第一相变蓄热装置4、第二半导体制冷片5、金属散热片9和第一风扇8的运动方向不偏移。

在本发明中，尽量提高半导体制冷片的效率，当使用一个端面加热时，其另一个端面的温度尽量高才能达到最高效率，当使用一个端面制冷时，其另一个端面的温度尽量低才能达到最高效率，本发明即按此思路进行设计，当使用一个端面加热时，让另外一个面与高温的相变装置接触，当使用一个端面制冷时，让另一个面与低温的相变蓄热装置接触，为了保持高温相变蓄热装置和低温相变蓄热装置的温度，又另外使用了一块第二半导体制冷片，其产生的热量存入高温相变装置，低温的冷量存入低温相变装置。

本发明PCR仪器的工作过程如下：

控制器10通过温度传感器采集试剂加热台1的温度，当需要对试剂加热时，控制器10控制第一半导体制冷片2的电源正接，其上表面发热下表面制冷，同时控制器10通过控制步进电机7驱动丝杠6带动第一相变蓄热装置4、第二半导体制冷片5、金属散热片9和第一风扇8固定向右移动，第二相变蓄热装置13与第二热管12的左端铜板接触，这时第二相变蓄热装置13蓄的热通过第二热管12、金属散热板3，到达第一半导体制冷片2的底部，第一半导体制冷片2的底部温度越高，第一半导体制冷片2上部的发热效率就越高。

控制器10通过温度传感器采集第二相变蓄热装置13的温度，当第二相变蓄热装置13的温度降低的一定程度时，控制器10给第二半导体制冷片5反接加电，第二半导体制冷片5的左端将制冷，右端将制热，左端产生的冷量存入第一相变蓄热装置4中，右端产生的热量传递给金属散热片9，再通过第一热管11传导到第二相变蓄热装置13，以保持第二相变蓄热装置13温度的稳定。

当需要对试剂降温时，控制器10控制第一半导体制冷片2的电源反接，其上表面制冷下表面发热，控制器10开启第二风扇15，为金属散热板3散热，并通过温度传感器实时采集金属散热板3的温度，同时控制器10通过控制步进电机7驱动丝杠6带动第一相变蓄热装置4、第二半导体制冷片5、金属散热片9和第一风扇8固定向左移动，第一相变蓄热装置4与第二热管12的右端铜板接触，这时第一相变蓄热装置4蓄的冷通过第二热管12、金属散热板3，到达第一半导体制冷片2的底部，第一半导体制冷片2的底部温度越低，第一半导体制冷片2上部的制冷效率就越高。

控制器10通过温度传感器采集第一相变蓄热装置4的温度，当第一相变蓄热装置4的温度升高到一定程度，其内部的相变蓄热材料全部融化时，控制器10给第二半导体制冷片5反接加电，第二半导体制冷片5的左端将制冷，右端将制热，左端产生的冷量存入第一相变蓄热装置4中，使第一相变蓄热装置4保持较低温度。右端产生的热量传递给金属散热片9，再通过第一热管11传导到第二相变蓄热装置13，使第二相变蓄热装置13蓄热，保持第二相变蓄热装置13温度在一个较高水平。

在上述升温和降温过程中，控制器10通过温度传感器采集金属散热片9的温度，当其温度过高需要为金属散热片9散热时，控制器10控制第一风扇开启，用于将金属散热片9的废热排散到空气中。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于相变蓄热材料和热管的PCR仪器，其特征在于：包括试剂加热台(1)、第一半导体制冷片(2)、金属散热板(3)、第一相变蓄热装置(4)、第二半导体制冷片(5)、丝杠(6)、步进电机(7)、第一风扇(8)、金属散热片(9)、控制器(10)、第一热管(11)、第二热管(12)、第二相变蓄热装置(13)、第二风扇(15)及温度传感器；

试剂加热台(1)、第一半导体制冷片(2)和金属散热板(3)通过导热硅脂依次粘接，试剂加热台(1)上面加工有用于安装试管的试剂腔，第二风扇(15)通过螺钉固定在金属散热板(3)下方；

第一相变蓄热装置(4)、第二半导体制冷片(5)、金属散热片(9)和第一风扇(8)依次紧固连接，且第一相变蓄热装置(4)、第二半导体制冷片(5)和金属散热片(9)之间通过导热硅脂粘接；丝杠(6)的一端与步进电机(7)连接，另一端与由第一相变蓄热装置(4)、第二半导体制冷片(5)、金属散热片(9)和第一风扇(8)组成的整体结构螺纹副配合连接；

金属散热片(9)通过第一热管(11)与第二相变蓄热装置(13)连接；第二热管(12)穿过金属散热板(3)，其两端分别与第一相变蓄热装置(4)和第二相变蓄热装置(13)相对，所述第二热管(12)的两端均焊接有铜板；

温度传感器嵌在试剂加热台(1)、第一相变蓄热装置(4)、金属散热板(3)、金属散热片(9)和第二相变蓄热装置(13)中，用于采集试剂加热台(1)、第一相变蓄热装置(4)、金属散热片(9)和第二相变蓄热装置(13)的温度，并输出给控制器(10)；控制器(10)用于控制第一半导体制冷片(2)和第二半导体制冷片(5)的加电极性和加电功率，以及步进电机(7)、第一风扇(8)和第二风扇(15)的工作。

所述第一相变蓄热装置(4)采用凝固点为25℃—35℃的石蜡制成；第二相变蓄热装置(13)采用凝固点为60℃—80℃的石蜡制成。

2.根据权利要求1所述的基于相变蓄热材料和热管的PCR仪器，其特征在于：所述金属散热片(9)与第一风扇(8)相接触的一面设计有翅片，金属散热板(3)与第二风扇(15)相接触的一面设计有翅片。

3.根据权利要求1或2所述的基于相变蓄热材料和热管的PCR仪器，其特征在于：还包括滑轨(14)，所述滑轨(14)穿过由第一相变蓄热装置(4)、第二半导体制冷片(5)、金属散热片(9)和第一风扇(8)组成的整体结构，并固定在放置PCR仪器的台面上，用于控制第一相变蓄热装置(4)、第二半导体制冷片(5)、金属散热片(9)和第一风扇(8)的运动方向。

4.根据权利要求1所述的基于相变蓄热材料和热管的PCR仪器，其特征在于：所述第一相变蓄热装置(4)采用凝固点为30℃的石蜡制成，第二相变蓄热装置(13)采用凝固点为70℃的石蜡制成。