CN109929753B - 一种数字化核酸扩增仪的风机模块 - Google Patents

Abstract

本发明属于核酸扩增仪技术领域，具体涉及一种数字化核酸扩增仪的风机模块，包括风机模块框架、散热片、制冷片，其中所述风机模块还包括变速风扇、温度传感器、温度控制器、风扇转速控制器；变速风扇、温度传感器、温度控制器、风扇转速控制器彼此之间为电气连接，变速风扇的转速与芯片温度存在一一对应关系，可根据芯片温度实时调节变速风扇转速，使散热快速进行并且散热过程受控；并能够结合PID算法，精确控制温度，不易发生温度过冲的现象。

Description

一种数字化核酸扩增仪的风机模块

技术领域

本发明涉及核酸扩增仪技术领域，具体涉及一种数字化核酸扩增仪的风机模块。

背景技术

核酸扩增仪是一种基因分析仪器，具体指利用核酸扩增技术对特定的待测基因进行体外扩增合成，实现基因扩增，进而可对DNA进行基因分析。核酸扩增技术，也即PCR(聚合酶链式反应，Polymerase Chain Reaction)扩增技术，该技术模拟了生物体内DNA的天然复制过程，具体过程包括：第一步，DNA变性(94℃)，双链DNA模板在热作用下氢键断裂，形成单链DNA；第二步，退火(55℃)，系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部双链；第三步，延伸(72℃)，在Taq酶(DNA聚合酶)的作用下，以dNTP(脱氧核糖核苷三磷酸，deoxy-ribonucleoside triphosphate)为原料从引物的5端到3端延伸，通过聚合反应，合成与模板互补的DNA链。为了实现DNA片段的扩增，核酸扩增仪需要控制样品达到不同的温度，进行上述三个步骤的反应，实现DNA片段的倍速扩增。而核酸扩增仪的温度控制精确程度，升温和降温的速度就会直接影响DNA片段的扩增效率，因此确保核酸扩增仪具有良好的散热性能，才能够保证核酸扩增仪具有良好的工作性能。

数字化核酸扩增仪能够利用数字化PCR技术提供精确定量的数据，在进行基因测序前进行文库定量、低丰度mRNA检测和稀有DNA突变检测以及拷贝数微量差异研究等方面具有显著的优势；基于数字化核酸扩增仪的精确性，实现数字化核酸扩增仪良好的散热性能达到更好的温度控制性能就显得尤为重要，传统的数字化核酸扩增散热系统是在散热片上加装一个常速风扇，散热效果有限，极易产生温度过冲，影响仪器的精确性。

中国实用新型专利(CN206269421U，应用于便携式定量PCR仪的散热器)公开了一种PCR仪的散热器，包括基座、L形管、散热翅片和风扇，通过对L形管和散热翅片的结构和材质进行改造，并限定基座、L形管和散热翅片的材质为紫铜，得到了具有良好散热效果的散热器。该散热器需要利用风扇将散热翅片上的热量吹走，尽管散热翅片的结构和材质的设计利于散热，但是由于风扇转速恒定，当热量过多时不能及时将热量吹走，仍然存在散热效果较差、且散热过程不可控的缺陷。

中国实用新型专利(CN201245664Y，基于热管散热器的基因扩增仪)公开了一种基因扩增仪的散热器，散热器包括热管和铜块，利用热管散热器内部的冷却介质将热量传导到远处，在远处利用其扩大面积的翅片散热，散热翅片上安装有风机，并可以使用强制风冷措施来获得更大的散热能力。这种散热方法也是依靠散热翅片进行散热，风机恒速吹出热量，散热效果仍然较差、散热过程也不可控。

发明内容

本发明欲解决的问题是现有的数字化核酸扩增仪的散热效果较差，且散热过程不受控，易产生温度过冲的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种数字化核酸扩增仪的风机模块，包括风机模块框架、散热片、制冷片，所述风机模块还包括变速风扇、温度传感器、温度控制器、风扇转速控制器；

所述风机模块框架的顶部与数字化核酸扩增仪的芯片框架连接；

所述芯片框架内设有芯片；

所述风机模块框架的中心位置处开设有通孔；

所述通孔内设有制冷片；

所述风机模块框架的底部设有散热片；

所述变速风扇设于散热片的底部；

所述温度传感器的感温部位与芯片接触，用于直接测量芯片的温度；

所述变速风扇、温度传感器、温度控制器、风扇转速控制器彼此之间为电气连接；

所述变速风扇的转速与芯片温度之间存在如下对应关系：

当T3<t≦T1时，

当T2≦t≦T3时，

其中：T1为DNA变性温度；T2为退火温度；T3为中间温度；T2<T3<T1；V为变速风扇实时转速；t为芯片实时温度；V_max为变速风扇最大转速；η₁为第一修正值，且0.1≦η₁≦5；η₂为第二修正值，且0.1≦η₂≦5。

进一步地，所述变速风扇的转速与芯片温度之间的对应关系为：

当T3<t≦T1且时，0.8≦η₁≦1.1；

当T3<t≦T1且时，1.2≦η₁≦1.8；

其中，X为第一芯片温度系数，且0<X≦1。

进一步地，所述变速风扇的转速与芯片温度之间的对应关系为：

当T2≦t≦T3且时，0.5≦η₂≦1.0；

当T2≦t≦T3且时，0.8≦η₂≦1.5；

其中，Y为第二芯片温度系数，且0<Y≦1。

进一步地，所述制冷片为两片，分别为第一制冷片和第二制冷片，在所述通孔内第一制冷片的底部设有导热片，导热片与芯片接触；在第一制冷片和第二制冷片之间设有缓冲片，且缓冲片分别与第一制冷片和第二制冷片接触。

进一步地，所述散热片、制冷片、导热片和缓冲片的材质可以相同，也可以不同，均为金属铜、金属铝或铜铝合金等，利于散热。

进一步地，第二制冷片与散热片接触。由此一来，由于数字化核酸扩增仪的芯片是反应试剂进行核酸扩增的物理载体，试剂需要在芯片的微反应池内实现扩增过程，因此需要及时地将芯片的热量散出，提高芯片的散热效果。

本发明同时还保护了一种使用风机模块对变速风扇的转速进行调控的方法，包括如下步骤：

(1)按照变速风扇转速与芯片温度之间的对应关系式对温度控制器进行程序设置；

(2)在数字化核酸扩增仪的散热降温运行模式下，温度传感器测量芯片的温度；

(3)温度传感器将芯片的温度信号传输给温度控制器，温度控制器通过程序对比，判断芯

片所处的温度区间；

(4)温度控制器将芯片所处的温度区间信号传输给风扇转速控制器，由风扇转速控制器调

节变速风扇的转速，直到芯片温度达到退火温度。

本发明中芯片与导热片接触，可及时迅速地将芯片中的热量导出，导热片中的热量又依次通过第一制冷片、缓冲片、第二制冷片扩散到设置在风机模块框架顶部即通孔之外的散热片上，通过变速风扇的转动，将热量吹出至数字化核酸扩增仪的外部，可实现芯片的实时散热；并且温度传感器的感温部位与芯片接触，可实时监测芯片的温度，并将温度信号传递给温度控制器，通过对温度控制器的程序设置，可实时调节变速风扇的转速，使芯片的散热过程受控。这种设置方法可以实时调控风扇转速，及时将芯片的热量散出，实现芯片的良好散热和散热过程受控。

本发明的风机模块在使用过程中，导热片用于传导芯片的热量至制冷片上，为了增加散热效果，设置了两块制冷片，第一制冷片与导热片接触，第二制冷片与第一制冷片中间设置缓冲片进行温度的缓冲；第二制冷片与散热片接触，可将热量导出至风机模块框架之外，通过风扇将热量吹出，以此实现散热；当温度传感器测量到芯片温度较高时，风扇转速控制器会控制变速风扇加大转速，增大散热量，反之则减小转速，实现温度的精确控制。变速风扇配合PID算法，使得温度控制更加精确，不容易产生温度过冲的情况。

与现有技术相比，本发明的数字化核酸扩增仪风机模块具有以下优点：

1、采用变速风扇，并根据芯片温度实时调控变速风扇的转速，既能是芯片热量及时散出，又能确保散热过程受控。

2、能够结合PID算法，精确控制温度，不易产生温度过冲的情况。

附图说明：

图1：风机模块的立体图

图2：风机模块框架的立体图

图3：风机模块的爆炸图

图4：风机模块与芯片框架的连接关系示意图

图5：风机模块与芯片框架的连接关系爆炸图

图6：本发明实施例中风机模块对变速风扇转速进行控制的流程图

附图标记说明：1-风机模块框架；2-散热片；3-变速风扇；4-导热片；5-第一制冷片；6-缓冲片；7-第二制冷片；8-芯片盖；11-通孔；12-安装孔；81-压片；82-芯片框架；83-硅片电池；84-硅胶垫。

具体实施方式：

下面通过具体实施例进行详细阐述，说明本发明的技术方案。

图1-图5给出了数字化核酸扩增仪的风机模块的结构示意图，包括风机模块框架1、散热片2、变速风扇3，在风机模块框架1的中心位置处开设有通孔11，为了与数字化核酸扩增仪的其他部件连接，在风机模块框架1上设有多个安装孔12，可用螺栓和螺母实现安装。

在风机模块框架1的通孔11内，从顶部至底部依次安装有导热片4、第一制冷片5、缓冲片6、第二制冷片7。

风机模块框架1的顶部直接与芯片盖8连接，在芯片盖8上也设有安装孔，与风机模块框架1上设置的安装孔12相匹配，可实现安装。在芯片盖8的内部，从顶部至底部依次设置有压片81、芯片框架82、硅片电池83、硅胶垫84，芯片框架82内放置芯片。

散热片2、第一制冷片5和第二制冷片6、导热片4和缓冲片6的材质均为金属铜。

此外，该风机模块还包括温度传感器、温度控制器和风扇转速控制器，其中变速风扇3、温度传感器、温度控制器、风扇转速控制器彼此之间为电气连接；温度传感器的感温部位与芯片接触，可实时监测芯片的温度。

如图6所示，给出了本发明实施例中风机模块对变速风扇转速进行控制的流程图，具体为：

(1)按照变速风扇3转速与芯片温度之间的对应关系式对温度控制器进行程序设置；

(2)在数字化核酸扩增仪的散热降温运行模式下，温度传感器测量芯片的温度；

(3)温度传感器将芯片的温度信号传输给温度控制器，温度控制器通过程序对比，判断芯

片所处的温度区间；

(4)温度控制器将芯片所处的温度区间信号传输给风扇转速控制器，由风扇转速控制器调

节变速风扇的转速，直到芯片温度达到退火温度。

在该实施例中，变速风扇转速的具体调控方法为：

DNA变性温度为T1，例如94℃，退火温度为T2，例如55℃，提前设置好温度控制器的程序，温度传感器用于测量芯片温度t，将芯片温度传输至温度控制器：

设置中间温度T3，中间温度T3大于退火温度而小于DNA变性温度，即T2<T3<T1；

在第一温度区间T3<t≦T1内，变速风扇的转速公式为:

其中，η₁是第一修正值，V_max是变速风扇的最高转速。设置第一芯片温度系数X＝0.6，当时，η₁＝1；当时，η₁＝1.5。

在第二温度区间T2≦t≦T3内，变速风扇的转速公式为:

其中，η₂是第二修正值，V_max是变速风扇的最高转速。设置第二芯片温度系数Y＝0.6，当时，η₂＝0.8；当时，η₂＝1。

由上述公式计算得出变速风扇3转速随着芯片的温度而持续变化的数值，如下表1所示。

表1变速风扇的转速与芯片温度对照表

由上表1可看出，当芯片温度t由T1逐渐降至T2时，变速风扇的转速并不是持续变小的过程，而是按照先变小、再变大、再变小、再变大......这一过程循环往复进行。

整体上对比变速风扇的转速，可看出：当芯片温度较高时，变速风扇的转速也较高，此时可以将芯片上通过导热片、制冷片等扩散至散热片上的热量快速吹走，从而快速降低芯片温度；本发明还设置了第一温度区间和第二温度区间，当芯片处于不同的温度区间时，变速风扇的转速与芯片的温度值存在唯一的对应关系，可实现对芯片温度的精确调控。

此外，在芯片的不同温度区间内，变速风扇以由大变小、再增大后变小的转速旋转，这是因为在较高温度时变速风扇转速较大可快速将散热片上的热量吹走，能够使芯片迅速散热降温；随后，风扇转速随芯片温度的下降而降低，这是因为温度传感器测量的芯片温度只是芯片上某一点或某几个点的温度，并不是芯片的真实温度，此时降低风扇转速，芯片上的热量有更多时间扩散至散热片，热量扩散地更加彻底；然后，当芯片温度达到温度区间内设定的中间临界温度(即和)时，风扇转速又迅速增加，将散热片上存留的热量快速吹走......这一过程可多次重复进行，直到芯片温度降低至退火温度T2为止。这一变速风扇随芯片温度变化而变化的过程，可有效防止变速风扇的转速一直处于较高转速时迅速降温带来的芯片温度回升，导致芯片温度在T2附近发生的温度波动，从而影响仪器的精确度。

利用风机模块对变速风扇的转速进行调控的过程配合PID算法，能够精确控制散热过程芯片的温度，不易发生温度过冲的现象。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制发明，凡在本发明的设计构思之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种数字化核酸扩增仪的风机模块，包括风机模块框架、散热片、制冷片，其特征在于：所述风机模块还包括变速风扇、温度传感器、温度控制器、风扇转速控制器；

所述风机模块框架的顶部与数字化核酸扩增仪的芯片框架连接；

所述芯片框架内设有芯片；

所述风机模块框架的中心位置处开设有通孔；

所述通孔内设有制冷片；

所述风机模块框架的底部设有散热片；

所述变速风扇设于散热片的底部；

所述温度传感器的感温部位与芯片接触；

所述变速风扇、温度传感器、温度控制器、风扇转速控制器彼此之间为电气连接；

所述变速风扇的转速与芯片温度之间存在如下对应关系：

当T3<t≦T1时，

当T2≦t≦T3时，

其中：T1为DNA变性温度；T2为退火温度；T3为中间温度；T2<T3<T1；V为变速风扇实时转速；t为芯片实时温度；V_max为变速风扇最大转速；η₁为第一修正值，η₂为第二修正值；

所述变速风扇的转速与芯片温度之间的对应关系为：当T3<t≦T1且时，0.8≦η₁≦1.1；

当T3<t≦T1且时，1.2≦η₁≦1.8；

其中，X为第一芯片温度系数，且0<X≦1；

所述变速风扇的转速与芯片温度之间的对应关系为：当T2≦t≦T3且时，0.5≦η₂≦1.0；

当T2≦t≦T3且时，0.8≦η₂≦1.5；

其中，Y为第二芯片温度系数，且0<Y≦1。

2.如权利要求1所述的风机模块，其特征在于：所述制冷片为两片，分别为第一制冷片和第二制冷片，在所述通孔内第一制冷片的顶部设有导热片，导热片与芯片接触；在第一制冷片和第二制冷片之间设有缓冲片，且缓冲片分别与第一制冷片和第二制冷片接触。

3.如权利要求1所述的风机模块，其特征在于：所述散热片的材料为铝或铜。

4.如权利要求2所述的风机模块，其特征在于：所述第二制冷片与散热片接触。

5.一种使用如权利要求1-4中任一项所述的风机模块对变速风扇转速调控的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按照变速风扇转速与芯片温度之间的对应关系式对温度控制器进行程序设置；

(2)在数字化核酸扩增仪的散热降温运行模式下，温度传感器测量芯片的温度；

(3)温度传感器将芯片的温度信号传输给温度控制器，温度控制器通过程序对比，判断芯片所处的温度区间；

(4)温度控制器将芯片所处的温度区间信号传输给风扇转速控制器，由风扇转速控制器调节变速风扇的转速，直到芯片温度达到退火温度。