CN111836683B

CN111836683B - 实验室调温装置和方法

Info

Publication number: CN111836683B
Application number: CN201980018180.7A
Authority: CN
Inventors: 弗雷德里克·圣厄勒; 帕特里克·舒尼曼; 卢茨·蒂曼; 豪克·马尔岑
Original assignee: Eppendorf SE
Current assignee: Epedov Europe
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2039-03-18
Also published as: US20210024871A1; WO2019175432A1; CN111836683A; EP3539660A1; JP2021517458A; JP7387620B2; EP3539660B1

Abstract

本发明涉及一种用于在目标温度下储存实验室样品的实验室调温装置。它尤其涉及一种用于生长细胞培养物的培养箱(1)。本发明还涉及一种用于在实验室调温装置中设定目标温度的方法，该方法尤其基于对腔室内温度的估计。

Description

实验室调温装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于调温实验室样品使其在目标温度的实验室调温装置。它尤其涉及一种用于生长细胞培养物的培养箱。本发明还涉及一种在实验室调温装置中设定目标温度的方法。本发明还涉及一种用于估计所述实验室调温装置的腔室内温度的方法。

背景技术

实验室调温装置对于将实验室样品维持在特定目标温度下，特别是保持在受保护的环境中是必需的。生物和医学实验室使用培养箱将细胞培养物中的细胞保持在受控的环境条件下，从而促进活细胞的体外生长。为此，通过培养箱的部件将与环境隔离的培养箱腔室内的温度和气体成分、或湿度分别保持在期望值。真核细胞必须在CO₂培养箱中培养。所述气氛是由具有特定CO₂和O₂含量以及特定湿度的空气形成；通常，合适的温度是37℃。这种实验室调温装置具有围绕培养箱腔室的壳体，例如具有壳体开口的外壳，通过该开口，用户可以将样品放入壳体内，并从壳体(特别是培养箱腔室)中取出样品。

实验室调温装置的一个关键要求是精确维护或设置实验室调温装置腔室内的用户期望的目标温度。培养箱通常具有控制电路，在该控制电路中，培养箱内部或与培养箱内部相连的温度传感器被配置为测量元件，并且培养箱的温度控制单元被配置为控制元件。温度控制的准确性和可靠性决定性地影响温度传感器的准确性和可靠性。位于培养箱内的温度传感器在使用寿命期间会受到各种不利影响，这些不利影响是由实验室样品、清洁剂以及灭菌所需的高达180℃的各种不同温度造成的。还有用户的干扰，如实验室工作人员和维护人员，他们定期操纵腔室内部。温度传感器的可靠性可能由于所述影响而受损。为了确保其可靠性，温度传感器可以定期校准，然而，这需要一些努力。因此，需要有利于实验室调温装置可靠和有效运行的措施。

US 6,518,059 B1公开了一种实验室微孔板培养箱，该培养箱包括壳体和温度控制组件，所述壳体具有封闭的培养腔室，所述温度控制组件将培养箱内的温度均一地保持在期望的范围内。所述温度控制组件包括位于壳体内用于加热腔室的加热器、温度传感器和控制器。

US 6,063,619公开了一种培养箱，该培养箱在培养罐内提供厌氧和恒温环境，并且包括培养箱主体、设置在所述培养箱主体中的顶部开口的培养罐、由铝制成的外圆柱形套管和由不锈钢制成的内圆柱形套管。平面加热器设置成与所述外圆柱形套管的外表面紧密接触，并且温度传感器安装在所述外圆柱形套管的壁中。加热器对培养罐的加热由设置在培养箱主体前部的开关控制。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种能够以可靠和有效的方式运行的增强的实验室调温装置，以及一种能够以可靠和有效的方式运行实验室调温装置的方法。

本发明通过提供实验室调温装置和方法来解决这个问题。

根据本发明所述的实验室调温装置，其用于调温实验室样品使其在目标温度T_目标，并且包括：-用于将实验室样品接收在腔室内的腔室，所述腔室的外侧由至少一个腔室壁和关闭腔室开口的腔室门形成，用户可以通过所述腔室开口进入腔室内部；-用于对所述腔室进行调温的温度控制单元，所述温度控制单元被安装成与该腔室的外侧热接触；-温度传感器，其被安装成与所述腔室的外侧热接触，以记录温度T_ak；-绝缘元件，其使温度控制单元、温度传感器和腔室与环境热绝缘；以及-电子控制器，提供它来通过温度传感器和温度控制单元将温度T_ak控制到具有预定值T_x0的设定点温度，使得温度设定T_ak＝T_x0将导致腔室内的温度T_K被设定为T_K＝T_目标。

利用根据本发明的实验室调温装置，通过由位于腔室外的温度传感器进行测量来控制温度控制单元，从而设定腔室内的温度。利用这种布置，温度传感器位于不受环境和腔室内部影响的区域中。由于采用了绝缘元件，尤其是外壳，对于设置内部温度非常重要的温度传感器被充分保护起来。这将延长温度传感器的可靠使用寿命，并且实验室调温装置可以更有效地运行。术语“调温”通常描述通过加热和/或冷却来实现的温度设定，其可隐含控制单元或其他温度设定控制。所述温度T_目标尤其可以是用户可选择的。

根据本发明的这一概念基于原型测量，其令人惊讶地表明，为了能够可靠地设定通过绝缘装置与外部绝缘的腔室内的温度，不需要腔室内的温度传感器。相反，很明显，通过位于腔室外部的温度传感器和外部温度控制单元来控制温度就足够了。对于这种通常在外部温度介于18℃和28℃之间运行的实验室调温装置，腔室内温度按照不可变关系遵循在腔室外侧的控制温度，该不可变关系仅取决于使用的相应实验室调温装置。具体而言，所述不可变关系仅取决于实验室调温装置的个体配置，其被称为“装置特定的(device-specific)”，并且在实验室调温装置总是相同配置的情况下，它们仅取决于实验室调温装置的类型，其被称为“设备特定的(apparatus-specific)”。

在设备特定的不可变关系或特性的情况下，相同的实验室调温装置在所述不可变关系或特性方面没有各自不同，并且所述不可变关系可以应用于所有相同的实验室调温装置(即一种类型的实验室调温装置)。在这种情况下，所述不可变关系涉及恒定的、装置特定的或设备特定的值T_x0：腔室内温度T_K与腔室外测得的温度T_ak相关，腔室外测得的温度T_ak跟随腔室内的温度T_K，并且在实验室调温装置的热流的静态平衡中，总是获得相同的值T_ak＝T_x0。因此，为了能够可靠且准确地设置腔室内的温度T_K，必须仅将外部温度传感器设置为T_ak＝T_x0。对于腔室内每个期望的目标温度T_K＝T_目标，值T_x0均不同。值对(T_目标；T_x0)或这些值中的几个值分别用实验室调温装置(如以下将要解释的)预先确定，然后在装置特定的不可变关系的情况下，可以在单独的实验室调温装置中使用，或者在设备特定的不可变关系的情况下，可以在所有相同的实验室调温装置中使用。

T_x0或其他特性的装置特定的技术参数是有利的，因为并非所有生产系列的装置都必须配置相同，这允许在选择组件时有更大的灵活性。

优选地，所述实验室调温装置不包括测量腔室内温度的温度传感器。因此，人们可以不用温度传感器，并节省了其维修成本。这将提高所述实验室调温装置的成本效率。

优选地，所述实验室调温装置不包括控制腔室内温度T_K的控制单元。优选地，所述实验室调温装置不包括这样的控制单元，该控制单元包括测量腔室内温度T_K并且特别用作所述控制单元的测量元件的温度传感器。特别地，仅由于温度设定T_ak＝T_x0，腔室内的温度T_K被设定为期望值，这是所述实验室调温装置的固有特性或上述不可变关系的必然结果。换句话说，根据本发明，通过运行至少一个温度控制单元，将腔室外侧上的测量传感器的温度T_ak设定为设定点温度T_x0，并且，通过预定的装置特定或设备特定的、T_x0与期望的目标温度T_K＝T_目标(腔室内)的相关性(T_目标；T_x0)，腔室内的温度T_K遵循该设定。因此，腔室内的这种温度控制也可以称为腔室内温度T_K的“间接设定”，尽管它不是传统意义上的T_K的温度设定。

电子控制器优选包括数据存储单元。优选地，至少一个预定值T_x0被存储在所述数据存储单元中，其值从所述数据存储单元中获取以用于设置温度T_ak＝T_x0。然而，值T_x0不仅可以数字化也可以模拟化提供。

优选地，所述电子控制器被配置为在温度设定T_ak＝T_x0期间，根据时间t以电功率P_调温(t)来运行所述温度控制单元。具体地，所述实验室调温装置可以被配置为通过电流的脉宽调制(PWM)来运行温度控制单元。由于电流的幅度优选是不变的，因此功率尤其是通过PWM占空比来确定。

优选地，所述电子控制器被配置为所述电子控制器能够确定所述功率P_调温(t)和时间依赖性值T_ak(t)。所述电子控制器优选包括数据处理单元，特别是计算机处理器。优选地，所述数据处理单元被配置成确定或计算温度值T_Kb，该温度值描述或估计腔室内的温度T_K。具体来说，这样做使得所述数据处理单元将值T_Kb确定为依赖于至少一个其他参数的值，特别是借助于计算规则或至少一个等式。所述数据处理单元优选地被配置为根据功率P_调温(t)和所测量的温度T_ak(t)来计算温度T_Kb。所述数据处理单元优选地被相应地编程以确定T_Kb。特别地，所述电子控制器或数据处理单元包括计算机程序，当由控制器或数据处理单元执行时，该计算机程序计算T_Kb。所述计算机程序可以存储在实验室调温装置的数据存储单元中。具体地，所述控制器或数据处理单元被配置成执行根据本发明的方法之一和/或根据本发明的方法之一的至少一个、几个或所有方法步骤。

所述实验室调温装置优选包括记录所述腔室门打开和关闭的腔室门传感器。在实验室调温装置具有外壳和壳体门的情况下(如培养箱最常见的情况)，优选具有壳体门传感器，其记录壳体门的打开和关闭。实验室调温装置优选包括具有壳体门的外壳，以及特别记录壳体门的打开和关闭的壳体门传感器，当壳体门打开时，允许用户通过打开的腔室门进入腔室的内部。电子控制器优选地被配置成记录作为时间函数的腔室门或壳体门的打开和关闭，并且还根据腔室门或壳体门打开和关闭的时间点来计算作为腔室内温度的温度T_Kb。这解决了要知道腔室内温度的问题，尽管其不一定在本发明中测量。

所述电子控制器优选地被配置为，在打开和关闭实验室调温装置的腔室门或壳体门之后，按照以下优选的等式来计算作为时间t的函数的腔室内温度T_Kb(t)，

T_Kb(t)＝T_ak(t)+T_偏移-(P_调温(t)–P_基线(t))*F (等式1),

其中T_偏移(T_offset)由T_偏移＝T_x0-T_目标来定义，P_基线(t)(P_basis(t))是在打开腔室门或壳体门之前，在给定环境温度在稳定状态下，由温度控制单元或几个温度控制单元施加的功率，并且F是比例因子。它的确定将在下面描述。优选地，值F是设备特定的，并且优选地被数字化存储在电子控制器的数据存储单元中或者以模拟方式提供。然而，F值也可以是装置特定的。

P_基线(t)尤其是可能随时间变化的P_基线(t)值的移动平均值。这种平均导致更高的精度。所述电子控制器优选地被配置为存储作为时间函数的多个值P_基线(t)。特别地，所述电子控制器优选地被配置成记录和存储作为时间函数的、腔室门或壳体门的打开和关闭，缩写为ZT(t)(“门的状态”)。所述电子控制器优选地被配置为通过组合信息P_基线(t)和ZT(t)，来确定在门打开之前处于静态平衡的功率的平均值，特别是作为数据P_基线(t)的移动平均值，特别是作为占空比值的移动平均值，简称为PWM。在实验室调温装置的热流静态平衡中，P_基线(t)取决于外部温度(通常在18℃和28℃之间)。

对于特定类型的实验室调温装置，T_x0优选由制造商指定。在腔室的热平衡中执行的校准程序中，T_x0优选地通过外部温度传感器T_ak在实验室调温装置处或在相同的实验室调温装置处在腔室内部的预定温度T_K＝T_目标下测量。在该校准程序中，T_K＝T_目标优选地以验证的方式设定，即，使用校准的传感器，特别是通过将移动校准的温度传感器(该移动校准的温度传感器放置在腔室内用于校准目的)连接到实验室调温装置的电子控制器来控制，以建立控制电路，在该控制电路中，腔室内的移动温度传感器T_内部作为控制电路的测量元件运行，而温度控制单元作为控制电路的控制元件运行。

对于特定类型的实验室调温装置，比例因子F优选由制造商指定。为此，实验室调温装置被放置在具有已知外部温度T_环境的环境中，该T_环境例如为＝18℃。腔室内温度T_K被设定为值T_K＝T_{目标_0}，例如T_{目标_0}＝50℃。特别地，T_环境不等于T_{目标_0}(T_环境<>T_{目标_0})。为此，将已放置在腔室内的移动温度传感器T_内部与实验室调温装置的电子控制器相连，以建立控制电路，在该控制电路中，位于腔室内的移动温度传感器T_内部作为控制电路的测量元件运行，而温度控制单元作为控制电路的控制元件运行。控制是在腔室门和/或壳体门(如果是培养箱，则是壳体门传感器)关闭的情况下进行的。腔室门在某个时间点t0打开，并在稍后的时间点t1关闭，t1可以是例如比t0晚1到10分钟。在打开和关闭之前、期间、及之后，测量并存储作为时间函数的腔室内温度T_内部(t)。优选地，上述“等式1”或另一个等式然后被用作拟合曲线，以通过拟合曲线和值T_内部(t)之间的误差补偿来确定因子F，其中这种误差补偿应该特别地，优选地仅考虑腔室门或壳体门的打开和关闭之间的时期。优选地，如此确定的因子F被存储在所有其他相同类型的实验室调温装置中，并用于估计或计算腔室内温度。它优选地被存储在实验室调温装置的电子控制器的数据存储单元中。

优选地，实验室调温装置包括具有显示单元的用户界面单元，该显示单元被配置为在显示单元上显示视觉显示。用户界面单元可以是实验室调温装置(特别是培养箱)的必不可少的一部分，或者它可以是可以与几个相同类型的实验室调温装置一起使用的模块。所述实验室调温装置的电子控制器或用户界面单元优选包括：控制器，用于用户界面单元；通信单元，用于通过实验室装置或培养箱的界面单元建立与该实验室装置、特别是与培养箱的数据连接；输入单元，用于记录用户的用户输入；输出单元，特别是显示单元或显示器(特别是触摸屏显示器)，用于向用户输出信息。用户界面单元的控制器优选地被配置成通过数据连接与实验室调温装置或培养箱的控制器交换数据。所述实验室调温装置和/或其控制器和所述用户界面单元可以特别地被配置成使得用户可以经由用户界面单元选择或输入期望的目标温度T_目标，并且特别地，这样输入的目标温度T_目标被存储在实验室调温装置的数据存储单元中。

优选地，所述电子控制器被配置为在显示单元上输出计算的值T_Kb(t)，并且以指定的间隔更新它，特别是当连续重新计算显示值T_Kb(t)变化时。

本发明还涉及一种用于在根据本发明的实验室调温装置的腔室内设定目标温度T_目标的方法，其包括以下步骤:

·特别是根据上述方法确定设备特定值T_x0，其中T_x0是预定的，这样使得腔室内温度T_K为T_K＝T_目标的设定是由温度设定T_ak＝T_x0产生的。

·将外部温度T_ak设置为T_ak＝T_x0，这将导致腔室内温度T_K被设置为T_K＝T_目标。

优选地，根据本发明的实验室调温装置，特别是其控制器，被配置为用于在实验室调温装置的腔室内执行上述设定目标温度T_目标的方法，特别是通过为此目的而编程的控制器的数据处理单元，该数据处理单元被特别配置为执行实现上述方法的计算机程序。

本发明还涉及一种用于在根据本发明的实验室调温装置的腔室内估计温度T_K的方法，其包括以下步骤:

·特别是根据上述方法确定设备特定的值T_x0，T_x0是预定的，这样使得腔室内温度T_K为T_K＝T_目标的设定是由温度设定T_ak＝T_x0产生的；

·特别是根据上述方法确定设备特定值F；

·特别是：通过温度设定T_ak＝T_x0，将腔室内温度T_K设定为T_K＝T_目标；

·特别是：打开和关闭实验室调温装置的腔室门和/或壳体门；

·通过计算估计腔室内的T_K值，使得

T_K＝T_Kb＝T_Kb(t)＝T_ak(t)+T_offset-(P_temp(t)–P_basis(t))*F

其中，T_偏移由T_偏移＝T_x0-T_目标定义，P_基线(t)是由温度控制单元在打开腔室门或壳体门之前在给定环境温度下在稳定状态下所施加的功率，P_调温(t)是温度控制单元持续获取的和温度传感器T_ak进行温度控制所需的电功率。当振幅已知时，如果参数P_调温(t)、P_基线(t)表示为PWM的占空比，则因子F的单位为“开尔文”。

优选地，根据本发明的实验室调温装置，特别是其控制器，被配置为用于在实验室调温装置的腔室内执行估计温度T_K的上述方法，特别是通过为此目的而编程的控制器的数据处理单元，该数据处理单元被特别配置为执行实现上述方法的计算机程序。

用于调温实验室样品的实验室调温装置尤其是用于储存实验室样品的温控柜。这种装置是电子化运行的，并且包括电压端子。然而，根据本发明的实验室调温装置也可以被配置成不仅调温实验室样品，而且对至少一个实验室样品进行不同的处理。所述实验室调温装置可以被配置成处理至少一个实验室样品。所述实验室调温装置尤其可以是被配置成自动处理至少一种液体实验室样品的实验室机器。这种实验室机器也被称为液体处理机器人。所述实验室机器的腔室可以是与环境分离的工作空间，并且在该工作空间中，至少一个实验室样品可以由自动处理单元、特别是自动移液机器人来运输和/或计量。

所述温控柜对实验室样品进行调温，即保持壳体内部以及储存在其中的实验室样品处于设定点温度，该设定点温度特别是可由用户使用温度控制器在特定容差范围内设定的。所述温度可以高于室温(环境温度)，例如在加热柜或培养箱的情况下，或者可以低于室温，例如在冰箱或冰柜的情况下。优选地，在设计为空调柜的实验室柜中，存在于壳体内部的气候参数也被控制在一定的容差范围内。所述气候参数可以是湿度和/或气体浓度，例如CO₂、O₂和/或N₂浓度。这种空调柜例如是用于由活细胞培养物组成的实验室样品的培养箱。

优选地，所述实验室调温装置包括壳体。所述壳体优选是外壳，所述外壳的壁与环境接触。因此，所述壳体门可以是在关闭时与环境邻接的外壳门。

所述壳体门尤其包括铰链单元，该铰链单元将壳体门与壳体枢轴连接。这种铰链门通过在打开和关闭位置之间的旋转而移动。铰链单元尤其可以位于与壳体开口邻接的长方体壳体的垂直定向的外边缘上(如果预期使用实验室柜)。如果所述实验室柜如预期的那样使用，所述长方体壳体的底板水平布置，壳体的侧壁特别地垂直布置，并且壳体的盖板特别地在水平方向与底板相对地布置。

然而，所述腔室门或壳体门也可以是通过在打开和关闭位置之间的平移运动而移动的滑动门。所述腔室门或壳体门的混合枢转/平移运动也是可能的。

优选地，所述数据处理单元是控制所述实验室调温装置功能的电子控制器的必不可少的一部分。所述控制器的功能尤其通过电子电路来实现。所述控制器可以包括用于处理数据的中央处理单元(CPU)和/或可以包括数据处理单元的微处理器。所述控制器和/或数据处理单元优选地被配置成执行也被称为控制软件或控制程序的控制过程。所述培养箱和/或控制器的功能可以在方法步骤中描述。它们可以被视为控制程序的一部分，特别是控制程序的子程序。

所述实验室调温装置优选为培养箱。所述培养箱是实验室培养箱，因此是一种用于为各种生物学发育和生长过程产生和实现受控气候条件的装置。它特别用于在培养箱腔室中产生和维持具有受控气体和/或湿度和/或温度条件的微气候，其中这种处理可以依赖于时间。所述实验室培养箱，特别是实验室培养箱的处理单元，可以特别包括计时器(特别是计时器时钟)、设计为加热和/或冷却单元的温度控制单元(优选为用于控制供给到培养箱腔室的替换气体的调节器)、用于在培养箱的培养箱腔室中合成气体的调节装置(特别是用于调节气体的CO₂和/或O₂和/或N₂含量的调节装置，和/或用于调节培养箱的培养箱腔室中的湿度的调节装置)。

所述培养箱尤其包括培养箱腔室(＝腔室)以及优选地还包括控制单元，所述控制单元具有至少一个控制电路(至少一个温度控制单元作为控制元件被分配给所述控制电路)，以及至少一个作为测量元件的温度传感器。根据实施方案，它也可以用于控制湿度。培养箱腔室内的装满水的盘可以被加热或冷却，以通过蒸发来控制湿度。CO₂培养箱特别用于培养动物或人类细胞。培养箱可以包括用于转动至少一个细胞培养容器的转动装置和/或用于震动或移动至少一个细胞培养容器的震动器。

所述控制装置可以被配置为使得培养箱的程序参数或控制参数根据其他数据(特别是ZT(t))被自动选择。在培养箱中，通过控制参数控制的至少一个细胞培养容器中的至少一个细胞培养物的处理尤其等于对至少一个细胞培养物进行的气候处理。用于影响气候处理的潜在参数(特别是程序参数，特别是用户参数)，特别定义了在其中培养至少一个样品的培养箱空间的温度、培育箱腔室内O₂和/或CO₂和/或N₂的相对气体浓度、培育箱腔室内的湿度和/或影响或定义过程的至少一个流参数(flow parameter)，特别是包含几个步骤的培养处理程序的顺序。

提供了一个或多个温度传感器，这些温度传感器尤其被布置成与外侧、尤其是腔室壁、尤其是上腔室壁热接触。为了创建热接触，所述温度传感器可以接触外侧，特别是直接或通过导热介质(例如导热膏、导热箔或导热部件)接触外侧。所述温度传感器可以压靠外侧安装。此外，可以提供多个(>＝10)温度传感器。温度传感器可以是例如Pt100或Pt1000温度探针。

所述温度控制单元可以是组合的加热/冷却单元。优选地，它只是加热单元。它尤其可以通过电阻丝产生热量。所述控制器可以包括一个或多个控制电路，每个控制电路包括至少一个温度控制单元，以及特别包括至少一个温度传感器，该温度传感器特别安装成与腔室的外侧热接触，以记录外侧温度T_ak。在几个控制电路的情况下，用作控制元件的温度控制单元和用作测量元件的温度传感器特别地布置在腔室外侧的不同位置，尤其是在腔室的不同外侧，例如在顶壁、底壁、侧壁、前壁和/或后壁上。在几个控制电路的情况下，优选地，相同数量的装置特定值T_x0被存储在实验室调温装置的数据存储单元中，每个控制电路被分配其自己的值T_x0，相应的温度传感器的温度被调节到该值T_x0，以便设定腔室内的目标温度T_目标。优选地，提供N个控制电路，其温度控制单元和温度传感器特别地布置在腔室外壁的不同位置，而优选地，1<N<10，并且优选地，N特别地选自{1、2、3、4、5、6}。特别优选N＝4。

如果所述实验室调温装置包括通过绝缘元件或其他绝缘装置彼此热隔离的几个腔室，则可以为每个腔室提供单独的目标温度T_目标，其通过相应的设置T_ak＝T_x0来设定。

所述实验室调温装置或培养箱可以精确地具有一个腔室，但是也可以包括几个腔室，这些腔室的气氛(温度、相对气体浓度、湿度)尤其可以单独或共同调节。内腔室的典型尺寸在50到400升之间。

根据本发明的实验室调温装置的优选实施方案尤其可以从根据本发明的方法之一的描述中获得。根据本发明的方法的优选实施方案尤其可以从根据本发明的实验室调温装置的描述中获得。

根据本发明的实验室柜的进一步优选实施方案可以从根据附图的示例性实施方案的描述中获得。

附图说明

图1a示出了根据示例性实施方案的、根据本发明的培养箱的透视前视图。

图1b示出了图1a的培养箱的透视后视图。

图2示出了图1a、1b的培养箱的示意性横向剖视图。

图3示出了所述温度顶部加热电路＝T_ak+T_偏移与用移动温度传感器测量的真实腔室温度的比较图。

图4示出了当腔室门和壳体门先打开再关闭时培养箱的各种温度相关参数随时间变化的示意图。

图5示出了真实腔室温度T_K随时间变化的曲线。该曲线是用移动温度传感器测量的，而拟合曲线是基于误差补偿计算的。

图6、7、8、9和10示出了根据本发明的方法的示例性实施方案。

具体实施方式

图1a显示了用于生长细胞培养物的、被配置为培养箱1的实验室调温装置，在这种情况下是用于生长真核细胞的CO₂培养箱。所述培养箱具有用于容纳至少一个细胞培养容器的培养箱腔室(见图2)和以热接触方式附接到腔室壁2a的外侧的温度传感器3，所述细胞培养容器包括在其中生长的细胞培养物。所述培养箱包括：

*腔室2，用于在腔室空间9内接收实验室样品，腔室空间9的外侧由至少一个腔室壁2a和一个腔室门16b形成，腔室门16b关闭腔室开口2b，用户可以通过该开口进入腔室的内部，

*用于调温腔室2的温度控制单元6，其以热接触的方式附接到由腔室壁2a上部形成的腔室的外侧上，

*温度传感器3，其以热接触的方式附接到腔室2的同一外侧，用于记录温度T_ak，

*绝缘元件(4)，其包括绝缘层和壳体门16，其将温度控制单元、温度传感器和腔室与环境热绝缘，以及

*电子控制器5，其被配置为借助于温度传感器和温度控制单元将温度T_ak调节到具有值T_x0的设定点温度，T_x0是预定的，使得温度设定T_ak＝T_x0将导致腔室内的温度T_K被设定为T_K＝T_目标。

所述培养箱1包括用户界面单元8的显示器，所述电子控制器5通过该显示器向用户输出信息，并且用户可以通过该显示器进行输入。所显示的信息尤其包括腔室空间9内的估计温度T_Kb。所述培养箱不包括这样的传感器，利用该传感器可以用机载器件(on-boardmeans)测量腔室内的温度T_K。所述电子控制器5位于壳体7的电子隔室14中，而绝缘层(布置在腔室2和壳体7之间)外部的电子隔室14被布置在所布置的培养箱的后侧。电子隔室14还包括所述培养箱的电源6a。此外，用于N₂和CO₂的气体连接件17设置在所述培养箱的后侧。

图3示出了腔室温度T_K，其可以在腔室2的内部空间9中通过验证的移动温度传感器来测量(“测量的温度”)，所述腔室温度T_K在壳体门16和腔室门16b打开后从37℃下降到大约26℃，并且一旦门再次关闭，所述腔室温度缓慢回到初始值37℃。这是通过将布置在外侧的温度传感器3的温度T_ak(“顶部加热电路”)调节到预定值(在这种情况下是装置特定的值T_x0)来实现的。所述值T_x0可以并且通常将不同于目标温度，但也未必。在示例性培养箱的特定情况下，所述值低于37℃，这是由于用于测量T_ak的温度传感器没有校准；这种传感器校准是不必要的，因为实验室调温装置的温度精度的校准是通过预定值T_x0来完成的。可以看出，所述顶部加热电路值＝T_ak+T_偏移的变化很小。然而，根据本发明的教导，该值与腔室温度T_K紧密相关。

图4示出了当腔室门和壳体门先打开(t₀＝70s处的第一条垂直线)再关闭(t₁＝370s处的第二条垂直线)时，培养箱的各种温度相关参数相对于时间变化的图。在时间点t₀＝70s，记录表征温度控制单元6(加热电路)的功率输入的基线性能值P_基线(t)(“PWM_基线”)，该基线性能值被计算为此处的30个P_基线(t)值的移动平均值(其在该时间点已经过去，但是被存储在电子控制器的存储器中)。温度控制的功率输入曲线P_基线(t)被称为PWM，刻度位于右垂直轴上。这些值约为0.01至0.3，表示通过脉宽调制控制的温度控制单元的电源的时间依赖性占空比。为了解释和更好的理解，还示出了通过放置在培养箱的内部空间9中用于测试的经过验证的移动温度传感器测量的真实腔室温度T_K。腔室壁2a外侧的温度传感器3的温度显示为曲线“T_测量”。曲线“T_顶部电路”从T_偏移(“T_偏移”)值开始，按照T_顶部电路＝T_ak(t)+T_偏移。曲线T_Kb(t)也被输入，称为“T_anz”。根据该曲线变化的温度值T_Kb在显示器8中显示为计算的腔室温度。腔室内部空间9中的T_K值通过根据在该实施例中应用的等式1进行计算来估计：

T_K＝T_Kb＝T_Kb(t)＝T_ak(t)+T_偏移-(P_调温(t)–P_基线(t))*F.

这里，设备特定的值T_x0＝T_目标+T_偏移。这里，T_目标＝37℃。

图5示出了用于说明如何确定设备特定值F的图(温度对时间)。再次应用真实的腔室温度T_K(“18/50–10min-真实的”)，T_K通过放置在培养箱内部空间9中用于测试目的的经过验证的移动温度传感器进行测量。环境温度为18℃，腔室内温度设置为50℃。门打开后，腔室温度T_K下降。通过参数变化(误差补偿)，拟合曲线理想地应用于门打开和关闭之间时期的曲线T_K(t)(“18/50–10min-计算的”)。在这个实施例中，拟合曲线遵循等式1，从等式1可以导出因子F，该因子F是为培养箱定义的。设备特定值T_x0和F都存储在数据存储单元中。腔室内温度可以通过T_x0和温度传感器T_ak的温度控制来设定。打开门后腔室内的温度分布可以通过比例因子F估计。

图7示出了根据本发明的方法100的一个实施例，该方法用于在实验室调温装置(特别是在根据图1至5的根据本发明的实验室调温装置)的腔室内设定目标温度T_目标，包括以下步骤:

·特别是通过校准方法200来确定设备特定值T_x0，T_x0是预定的，这样使得腔室内的温度T_K设定为T_K＝T_目标是由温度设定T_ak＝T_x0产生的。(101)

·将外部温度T_ak设置为T_ak＝T_x0，这将导致腔室内温度T_K被设置为T_K＝T_目标。(102)

图6示出了根据本发明的校准方法200的一个实施例，该校准方法用于校准实验室调温装置(特别是根据图1至5的根据本发明的实验室调温装置)，包括以下步骤:

·等待腔室的热平衡；(201)

·以经过验证的方式将腔室内的温度T_K调节到腔室热平衡时的T_K＝T_目标；(202)

·通过实验室调温装置的腔室外侧上的外部温度传感器T_ak在当前可靠设置的腔室内温度T_K＝T_目标下确定T_x0。(203)

·将T_x0存储在实验室调温装置或其数据存储单元中。(204)

这里，通过控制T_K＝T_目标，以可验证的方式将腔室内的温度T_K设定为T_K＝T_目标，这是通过将放置在腔室内用于校准目的的移动温度传感器T_内部连接到实验室调温装置的电子控制器以建立控制电路来实现的，在该控制电路中，腔室内的移动温度传感器T_内部作为控制电路的测量元件运行，温度控制单元作为控制电路的控制元件运行。

图10示出了根据本发明的方法300的一个实施例，该方法用于在实验室调温装置(特别是在根据图1至5的根据本发明的实验室调温装置)的腔室内估计温度T_K，包括以下步骤:

·特别地，根据校准方法来确定设备特定值T_x0，其中预先确定T_x0，这样使得腔室内温度T_K为T_K＝T_目标的设定是由温度设定T_ak＝T_x0产生的；(301)

·确定设备特定值F；(302)

·特别是：通过温度设定T_ak＝T_x0，将腔室内温度T_K设定为T_K＝T_目标；(303)

·特别是：记录打开和关闭实验室调温装置的腔室门和/或壳体门；(304)

·通过计算估计腔室内的T_K值，使得

T_K＝T_Kb＝T_Kb(t)＝T_ak(t)+T_offset-(P_temp(t)–P_basis(t))*F

其中，T_偏移由T_偏移＝T_x0-T_目标定义,P_基线(t)是打开腔室门或壳体门之前在给定环境温度下在稳定状态下，由温度控制单元施加的功率。(305)

图9示出了用于确定设备特定值F的根据本发明的方法400的一个实施例，其包括以下步骤：

·将实验室调温装置置于具有已知外部温度T_环境的环境中；(401)

·以验证的方式将腔室内的温度T_K设置为值T_K＝T_{目标_0}，其中T_环境特别是<>T_{目标_0}；(402)

·在某一时间点t0打开腔室门和/或壳体门，并在稍后的时间点t1关闭同一门；(403)

·在打开和关闭之前、期间、及之后：测量腔室内温度T_内部(t)，并存储作为时间函数的腔室内温度T_内部(t)；(404)

·应用计算规则，优选等式，特别是用于等式和测量值T_内部(t)之间的误差补偿的“等式1”，来确定因子F。(405)

这里，通过将移动温度传感器T_内部放置在腔室内并将移动温度传感器T_内部连接到实验室调温装置的电子控制器以建立控制电路来以可验证的方式将腔室内温度T_K设定为值T_K＝T_{目标_0}，在该控制电路中，腔室内的移动温度传感器T_内部作为控制电路的测量元件运行，而温度控制单元作为控制电路的控制元件运行。通过腔室门和/或壳体门进行控制。

图8示出了根据本发明的方法(500)的一个实施例，该方法用于对用于在温度T_目标下存储实验室样品的实验室调温装置进行诊断，所述实验室调温装置包括:

*腔室，其用于将实验室样品接收在腔室空间内，该腔室空间的外侧由至少一个腔室壁和一个腔室门形成，该腔室门可关闭腔室开口，用户可以通过该开口进入腔室的内部，

*温度控制单元，其用于调温所述腔室，该温度控制单元以热接触的方式附接到腔室的外侧，

*外部温度传感器，其以热接触的方式附接到所述腔室的外测，用于记录温度T_ak，

*内部温度传感器，其以热接触的方式附接到所述腔室的内部，用于记录特别位于内部的温度T_内部，

*绝缘元件，其可将温度控制单元、温度传感器和腔室与周围环境热绝缘，和

*电子控制器，其被配置为借助于内部温度传感器和温度控制单元将温度T_ak调节到具有值T_目标的设定点温度，其中设备特定值T_x0被存储在数据存储单元中，

该方法包括以下步骤:

·将腔室内温度调节至值T_目标；(501)

·当将腔室内温度调节到值T_目标并存在静态平衡时，测量温度T_ak，(502)

·将T_ak与T_x0进行比较，(503)

·优选地：将T_ak与T_x0的比较结果存储在实验室调温装置的数据存储单元中；(504)

·优选地：如果比较显示T_ak<>T_x0，则通过实验室调温装置的用户界面单元输出错误信息。(505)。

Claims

1.用于调温实验室样品使其在目标温度T_目标的实验室调温装置(1)，其包括：

*腔室(2)，其用于将实验室样品接收在腔室空间(9)内，所述腔室空间(9)的外侧由至少一个腔室壁(2a)和一个腔室门(16b)形成，所述腔室门(16b)关闭腔室开口，通过所述腔室开口，用户可以进入腔室的内部，

*温度控制单元(6)，其用于调温所述腔室，所述温度控制单元以热接触的方式附接到所述腔室的外侧，

*温度传感器(3)，其以热接触的方式附接到所述腔室的外侧，用于记录温度T_ak，

*绝缘元件(4)，其可将所述温度控制单元、所述温度传感器和所述腔室与环境热绝缘，和

*电子控制器5，其被配置为借助于温度传感器和温度控制单元将温度T_ak调节到具有值T_x0的设定点温度，其中T_x0是预定的，这样使得温度设定T_ak＝T_x0将导致腔室内温度T_K被设定为T_K＝T_目标；

其中，在温度设定T_ak＝T_x0期间，所述温度控制单元根据时间以电功率P_调温(t)运行，并且所述电子控制器记录所述功率P_调温(t)和时间依赖性值T_ak(t)，并且所述电子控制器包括数据处理单元，所述数据处理单元被配置为计算作为所述功率P_调温(t)和所测量的温度T_ak(t)的函数的腔室内温度T_Kb。

2.根据权利要求1所述的实验室调温装置，其不包括这样的温度传感器，所述温度传感器测量腔室内的温度，并用作所述电子控制器的温度控制的测量元件，所述电子控制器通过所述温度传感器和温度控制单元将T_ak调节到具有值T_x0的设定点温度。

3.根据权利要求1所述的实验室调温装置，其中所述电子控制器包括数据存储单元，在所述数据存储单元中存储至少一个预定值T_x0，为了设定温度T_ak＝T_x0，可从所述数据存储单元中提取所述预定值T_x0。

4.根据前述权利要求任一项所述的实验室调温装置，

其中，所述实验室调温装置包括记录所述腔室门打开和关闭的腔室门传感器

或

所述实验室调温装置包括具有壳体门的外壳，以及记录所述壳体门的打开和关闭的壳体门传感器，当壳体门打开时，允许用户通过打开的腔室门进入腔室的内部，

其中，所述电子控制器被配置成记录作为时间函数的腔室门或壳体门的打开和关闭，并且计算作为腔室门或壳体门打开和关闭的时间点的函数的腔室内温度T_Kb。

5.根据权利要求1所述的实验室调温装置，其中，所述电子控制器被配置为计算在打开和关闭实验室调温装置的腔室门或壳体门之后的、作为时间t的函数的腔室内温度T_Kb(t)，所述计算按照下式进行

T_Kb(t)＝T_ak(t)+T_偏移-(P_调温(t)–P_基线(t))*F

其中，T_偏移由T_偏移＝T_x0-T_目标定义，P_基线(t)是打开腔室门或壳体门之前，在给定环境温度下在稳定状态下由温度控制单元施加的功率，并且F是比例因子。

6.根据权利要求1所述的实验室调温装置，其为用于细胞培养的CO₂培养箱。

7.方法，其用于在根据权利要求1至6中任一项所述的实验室调温装置的所述腔室内设定目标温度T_目标，所述方法包括以下步骤:

·确定设备特定值T_x0，其中T_x0是预定的，这样使得腔室内温度T_K为T_K＝T_目标的设定是由温度设定T_ak＝T_x0产生的；

8.根据权利要求7所述的方法，其中T_x0通过以下校准方法预先确定：

·等待腔室的热平衡；

·以经过验证的方式将腔室内的温度T_K调节到腔室热平衡时的T_K＝T_目标；

·通过实验室调温装置的腔室外侧上的外部温度传感器T_ak在当前可靠设置的腔室内温度T_K＝T_目标下确定T_x0。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，T_K＝T_目标是通过以下设定的：将已放置在腔室内的用于校准目的的移动温度传感器T_内部与所述实验室调温装置的所述电子控制器连接，以建立控制电路，在所述控制电路中，位于腔室内的移动温度传感器T_内部作为控制电路的测量元件运行，而所述温度控制单元作为所述控制电路的控制元件运行。

10.方法，其用于估计根据权利要求1至6中任一项所述的实验室调温装置的腔室内温度T_K，其包括以下步骤:

·根据权利要求8或权利要求9所述的方法来确定值T_x0，其中预先确定T_x0，这样使得腔室内温度T_K为T_K＝T_目标的设定是由温度设定T_ak＝T_x0产生的；

·确定设备特定值F；

·通过温度设定T_ak＝T_x0，将腔室内温度T_K设定为T_K＝T_目标；

·打开和关闭实验室调温装置的腔室门和/或壳体门；

·通过计算来估计所述腔室内的值T_K。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过计算来估计所述腔室内的值T_K，使得

T_K＝T_Kb＝T_Kb(t)＝T_ak(t)+T_偏移-(P_调温(t)–P_基线(t))*F，

其中，T_偏移由T_偏移＝T_x0-T_目标定义,P_基线(t)是在打开腔室门或壳体门之前，在给定环境温度下在稳定状态下，由温度控制单元施加的功率，并且F是设备特定或装置特定值。

12.根据权利要求11所述的方法，其中F值按照如下确定:

·将实验室调温装置置于具有已知外部温度T_环境的环境中；

·以验证的方式将腔室内的温度T_K设置为值T_K＝T_{目标_0}，其中T_环境是<>T_{目标_0}；

·在某一时间点t0打开腔室门和/或壳体门，并在稍后的时间点t1关闭同一门；

·在打开和关闭之前、和期间、以及之后：测量腔室内温度T_内部(t)，并存储作为时间函数的腔室内温度T_内部(t)；

·应用等式，用于等式和测量值T_内部(t)之间的误差补偿的“等式1”，来确定因子F。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，以可验证的方式将腔室内温度T_K设定为值T_K＝T_{目标_0}是如下进行的:

·将移动温度传感器T_内部置于所述腔室内，并将所述移动温度传感器T_内部与实验室调温装置的电子控制器相连，以建立控制电路，在该控制电路中，位于所述腔室内的移动温度传感器T_内部作为所述控制电路的测量元件运行，而所述温度控制单元作为所述控制电路的控制元件运行，所述控制通过腔室门和/或壳体门进行。

14.生产根据上述权利要求1至6中任一项所述的实验室调温装置，其中值T_x0根据权利要求8或9中描述的方法预先确定。