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Die Erfindung betrifft ein Labortemperiergerät der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
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Derartige Geräte dienen im chemischen, klinischen oder biologischen Labor der Temperierung von Reaktionsgemischen auf die gewünschte Reaktionstemperatur. Der Temperierblock kann im einfachsten Falle eines Laborthermostaten wie eine Kochplatte ein zu temperierendes größeres Gefäß tragen. Er kann selbst als Gefäß zur Aufnahme einer Flüssigkeit ausgebildet sein oder kann an einer Oberfläche eine Anzahl von Mulden aufweisen, in die kleine Mengen von Reaktionsgemisch unmittelbar zur Temperierung eingegeben werden oder die zur Aufnahme von Reaktionsgefäßen bestimmt sind.
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Der Temperierblock soll die Reaktionsgemische möglichst schnell auf die an der Regelvorrichtung einstellbare Solltemperatur bringen und für die gewünschte Zeit auf genau dieser Temperatur halten. Dabei sind Temperaturgenauigkeiten unter 1/10°C einzuhalten. Üblicherweise wird der Temperierblock, zur Einhaltung gleichmäßiger Temperaturen an allen Stellen des Temperierblockes, aus gut wärmeleitfähigem Material ausgebildet. Es sind jedoch auch Gradientenblöcke bekannt, die an einem Ende geheizt und am anderen Ende gekühlt werden, um an unterschiedlichen Stellen kontaktierende Reaktionsgemische auf genau bestimmte unterschiedliche Temperaturen zu bringen.
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Bei einfachen Laborthermostaten soll der Temperierblock dauernd eine über die Regeleinrichtung vorgebbare Temperatur halten. Bei Temperiergeräten für die PCR (Polymerase Chain Reaction) müssen in einem Zyklus unterschiedliche Temperaturen bei etwa 40°C, 70°C und 90°C für jeweils eine bestimmte Zeit durchlaufen werden. Hierbei kommt es auf sehr rasche Änderung der Blocktemperatur und präzise Einstellung der jeweiligen Solltemperatur für den gewünschten Zeitraum an.
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Wird bei einem gattungsgemäßen Labortemperiergerät mit der Regelvorrichtung eine Solltemperatur eingestellt, so soll diese Temperatur sehr schnell erreicht und dann sofort ohne Über- oder Unterschwinger konstant gehalten werden. Dies läßt sich nur mit der gattungsgemäßen Konstruktion erreichen, bei der der Temperierblock sowohl von einer Kühleinrichtung als auch von einer Heizeinrichtung geregelt beaufschlagbar ist. Durch die Regelvorrichtung kann z. B. beim Aufheizen mit hoher Heizleistung die Solltemperatur sehr schnell erreicht werden und anschließend durch Gegenkühlen sehr schnell konstant eingestellt werden.
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Die
US 5,038,852 A zeigt in ihrer
2 eine gattungsgemäße Konstruktion eines Labortemperiergerätes, bei der der Temperierblock über einen Flüssigkeitskreislauf mit Umschaltventilen abwechselnd an einen Vorrat von Heißwasser oder Kaltwasser anschließbar ist. Der Wärmetransport zum Heizen und Kühlen geschieht hier über Flüssigkeitstransport.
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Nachteilig bei dieser Konstruktion ist der erhebliche Bauaufwand, insbesondere auch hinsichtlich der Baugröße und der vorzusehenen Ventilanordnungen sowie die geringe, mittels Flüssigkeitstransport erreichbare Heiz- und Kühlleistung, die für sehr rasche Temperaturänderungen nicht ausreichend ist.
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Aus der
DE 31 22 008 A1 sowie der
WO 89/12502 A1 ist es bekannt, den Temperierblock durch unmittelbar kontaktierende Peltiermodule zu heizen und zu kühlen. Dies stellt eine konstruktiv sehr einfache und bequem regelbare Lösung dar, wobei die Peltiermodule durch Stromrichtungsumkehr abwechselnd zum Heizen und Kühlen verwendbar sind. Peltiermodule haben jedoch nur eine niedrige Temperierleistung. Sie sind außerdem teuer und bei häufigen Temperaturwechseln störanfällig. Sie sind zudem wenig effektiv beim Abkühlen auf niedrige Temperaturen.
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Aus der
US 4,950,608 A ist es bekannt, in einem Temperierblock mit stark zerklüfteter Formgebung mittels innerhalb des Blockes angeordneter Heat Pipes überall im Block gleichmäßige Temperatur einzustellen. Die Heizung und Kühlung dieses Temperierblockes erfolgt in üblicher Weise durch unmittelbaren Kontakt mit Heiz- und Kühleinrichtungen.
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Aus der
DE 690 07 305 T2 ist ein Laborgerät mit einer Kühl- und/oder Heizeinrichtung bekannt, welche über eine kapillar gepumpte Zweiphasen-Wärmetransportvorrichtung mit dem Temperierblock verbunden sind.
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Aus der
JP 11-063722 A ist eine Konstruktion bekannt, die einen Luftstrom über eine Heat Pipe kühlt und die Wärme von dieser über ein Peltierelement an eine Kühlwasserleitung oder einen kühlenden Luftstrom abgibt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Labortemperiergerät bei einfacherer Konstruktion mit besserer Temperierleistung auszubilden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Kapillar gepumpte Zweiphasen-Wärmetransporteinrichtungen (CPHTS = Capillary Pumped Heat Transportation Systems) sind Wärmetransportelemente, die eine verdampfbare Flüssigkeit, z. B. Wasser, enthalten. Wird ein Ende der Einrichtung beheizt, so verdampft dort Wasser. Der Dampf breitet sich bis zum anderen gekühlten Ende aus und kondensiert dort. Das kondensierte Wasser wird zum beheizten Ende zurücktransportiert. Dies geschieht durch die Kapillarpumpwirkung von Kapillarmaterial. Solche Einrichtungen sind als einfache einrohrige Heat Pipes verfügbar sowie auch als mehrrorige Systeme (Capillary Pumped Loop), bei denen die Wasserführung getrennt von der Dampfführung erfolgt. Bei all diesen Einrichtungen wird die am einen Ende eingebrachte Verdampfungswärme am anderen Ende als Kondensationswärme abgegeben. Die Wärmetransportleistung bzw. das Wärmeleitvermögen ist um mehrere Zehnerpotenzen höher als beispielsweise bei einem aus Kupfer bestehenden Wärmeleitstab. Mit sehr geringem Bauaufwand können sehr hohe Wärmemengen übertragen werden, wie sie zum sehr schnellen Aufheizen oder Abkühlen des Temperierblockes erforderlich sind. Dabei ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß eine Heiz- oder Kühleinrichtung vom Temperierblock getrennt angeordnet werden kann, wobei schon eine einfache Heat Pipe geringen Querschnittes zum Wärmetransport ausreicht. Eine Rückleitung, wie bei einem Wasserkreislauf erforderlich, kann entfallen. Es entstehen somit größere konstruktive Freiheiten beim Bau des Labortemperiergerätes. Dieses kann beispielsweise sehr flach konstruiert werden. Die eigentlichen Heiz- und Kühleinrichtungen können größer und leistungsfähiger gebaut werden und sind von konstruktiven Beschränkungen befreit, wie sie bei der unmittelbaren Anordnung am Temperierblock gegeben sind. Die Heiz- und Kühleinrichtungen sind über eine Wärmepumpe gekoppelt, die die bei einer Kühleinrichtung anfallende Abwärme zur Vorversorgung der Heizeinrichtung bereitstellt. Auf diese Weise kann Energie gespart werden. Als Wärmepumpe werden Peltierelemente verwendet, die einen besonders günstigen Aufbau ermöglichen und bei dem hier gegebenen Betrieb unter im wesentlichen konstanten Bedingungen auch ausreichend langlebig sind.
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Insbesondere bei Kühleinrichtungen, die üblicherweise aus einem verrippten Kühlblock mit einem Luftgebläse bestehen und daher großvolumig sind, ergibt der Anschluß an den Temperierblock über eine Heat Pipe große konstruktive Vorteile.
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Der Temperierblock kann beispielsweise über eine Heat Pipe an eine Kühleinrichtung mit Grobregelung der Kühlleistung angeschlossen sein. Der Temperierblock ist ferner mit einer Heizeinrichtung gekoppelt. Möglichkeiten zur Steuerung der Wärmetransportleistung bzw. des Wärmewiderstandes einer kapillar gepumpten Zweiphasen-Wärmetransporteinrichtung sind aus der Literatur bekannt, z. B. aus
US 5,417,686 A ,
6 in Form eines Gasventiles in einer Heat Pipe. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, unmittelbar durch Steuerung einer Heat Pipe in sehr effektiver und schneller Weise die Steuerung der Heizung bzw. Kühlung des Temperierblockes über die Regelvorrichtung zu ermöglichen. Auch bei mehrrohrigen Hochleistungseinrichtungen nach dem System der ”Capillary Pumped Loop” sind solche Steuerungen der Wärmetransportleistung möglich, beispielsweise vermittels druck- bzw. temperaturgeregelter Ausgleichsgefäße.
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Wie bereits erwähnt, sind zumindest eine einzelne Heiz- und eine Kühleinrichtung über Heat Pipes an den Temperierblock angeschlossen. Vorteilhaft sind jedoch alle vorhandenen Heiz- und Kühleinrichtungen über Heat-Pipes angeschlossen. Hierdurch wird der Temperierblock von allen Heiz- und Kühleinrichtungen befreit und wird für alle Temperierzwecke mit höchster Leistung versorgt.
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In den Zeichnungen sind zur Erläuterung der Erfindung Temperiergeräte beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1: einen Schnitt durch einen Temperierblock mit einer steuerbaren Heat Pipe,
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2: im Schnitt durch eine Heat Pipe ein Steuerventil und
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3: einen erfindungsgemässen Temperierblock mit zwei Heat Pipes und mit durch eine Wärmepumpe verbundenen Heiz- und Kühleinrichtungen.
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1 und 2 beschreiben keine Ausführungsbeispiele des Anspruchs 1, dienen jedoch dem Verständnis der Erfindung.
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1 zeigt ein Labortemperiergerät mit einem Temperierblock 1, der an seiner Oberfläche mehrere Vertiefungen 2 aufweist, in die zu temperierende Reaktionsgemische direkt oder, wie dargestellt, in einem in die Vertiefung 2 passenden Reaktionsgefäß 3 einsetzbar sind.
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Der Temperierblock 1 weist eine herkömmliche elektrische Heizeinrichtung 4 auf, die über eine Leitung 5 zur Steuerung an eine Regelvorrichtung 6 angeschlossen ist. Im Temperierblock 1 ist ferner ein Temperatursensor 7 eingesteckt, der über eine Leitung 8 an die Regelvorrichtung 6 angeschlossen ist.
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Zum Kühlen ist der Temperierblock 1 an eine Kühleinrichtung angeschlossen in Form eines Kühlblockes 9 mit von einem Ventilator 10 angeblasener Verrippung. Es kann auch eine andere, z. B. wassergekühlte Kühleinrichtung vorgesehen sein.
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Die Verbindung zwischen dem Kühlblock 9 und dem Temperierblock 1 erfolgt über eine Heat Pipe 11, die als Rohr ausgebildet ist, das mit seinen Endbereichen in Bohrungen des Kühlblockes 9 und des Temperierblockes 1 gut wärmeleitend eingesteckt ist. Für gute Kontaktierung der Endbereiche der Heat Pipe 11 mit dem Kühlblock 9 bzw. dem Temperierblock 1 kann auch auf andere Weise Sorge getragen werden. In diesen Bereichen kann die Heat Pipe 11 beispielsweise auch abgeplattet ausgebildet sein zur Schaffung größerer Wärmekontaktflächen.
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Die Heat Pipe 11 ist in üblicher Technologie ausgebildet, wie 2 im Querschnitt zeigt. Die Heat Pipe ist als einfaches Rohr ausgebildet, das an den Enden geschlossen ist. Im Inneren verläuft zwischen den Endbereichen der Heat Pipe 11 ein Kapillarmaterial 12. Ein größerer Querschnitt der Heat Pipe 11 ist durchgehend gasdurchlässig offen. In die Heat Pipe 11 ist eine Menge verdampfbarer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, eingefüllt.
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Der Temperierblock 1 ist warm und der Kühlblock 9 ist kalt. Am temperierblockseitigen Ende der Heat Pipe 11 wird Wasser verdampft. Der Dampf strömt durch die Heat Pipe bis zum kühlblockseitigen Ende und kondensiert dort. Das bei der Kondensation anfallende Wasser wird durch das Kapillarmaterial 12 in umgekehrter Richtung transportiert, wie in 2 mit Pfeilen dargestellt. Die im Temperierblock 1 zur Kühlung abgezogene Verdampfungswärme wird am anderen Ende im Kühlblock 9 als Kondensationswärme frei. Es entsteht ein sehr hoher Wärmetransport.
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Bei einer ungeregelten Heat Pipe kann ständig mit der Heat Pipe 11 Wärme vom Temperierblock 1 abgezogen werden und über entsprechende Steuerung der Regelvorrichtung 6 die Heizeinrichtung 4 derart gegenheizen, daß sich die gewünschte konstante Temperatur des Temperierblockes 1 ergibt.
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Wie 1 zeigt, kann die Heat Pipe steuerbar ausgebildet sein, mit einem von der Regeleinrichtung 6 über die Leitung 13 gesteuerten Ventil 14, das dort nur schematisch dargestellt ist. In 2 ist eine mögliche Ausführungsform des Ventiles 14 dargestellt.
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Dabei ist der gasführende Querschnitt der Heat Pipe 11 von einer Lochblende 15 versperrt, deren Loch 16 von einem Ventilkörper 17 verschließbar ist, der mit einer Ventilstange 18, die längsverschiebbar, abgedichtet durch die Wand der Heat Pipe 11 geführt ist, mit einer nicht dargestellten Stelleinrichtung zum Öffnen und Verschließen des Ventiles 16, 17 verstellbar ist. Durch dieses Ventil läßt sich die Gasströmungsrate und somit die Wärmetransportleistung bzw. der Wärmewiderstand der Heat Pipe 11 steuern.
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Mit Hilfe des Ventiles 14 läßt sich zum raschen Hochheizen des Temperierblockes 1 auf eine gewünschte Solltemperatur die Kühlung abschalten und erst bei Bedarf wieder einschalten.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Labortemperiergerät mit einem stark schematisiert angedeuteten Temperierblock 51, der über eine Heat Pipe 52 mit Ventil 53 an einen Kühlblock 54 sowie über eine zweite Heat Pipe 55 mit Ventil 56 an einen Heizblock 57 angeschlossen ist. Die beim Kühlblock 54 anfallende Abwärme wird über zwei Peltierelemente 58 mit dazwischenliegendem Zwischenblock 59 zur Heizung des Heizblockes 57 rückgewonnen. Der Zwischenblock 59 kann mit einer Heizung 60 und einer Kühlung 61 versehen sein, um seine Temperatur dem gewünschten Temperaturniveau anzupassen, das eine optimale Temperierung des Temperierblockes 51 auf die gewünschte Temperatur ermöglicht.
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An Stelle der Heat Pipes können auch andere bekannte kapillar gepumpte Zweiphasen-Wärmetransporteinrichtungen verwendet werden, bei denen z. B. nach dem ”Capillary Pumped Loop”-Prinzip Gas und Flüssigkeit über getrennte Rohrleitungen transportiert werden und bei denen beispielsweise die Steuerung der Wärmetransportleistung über druck- bzw. temperaturgeregelte Ausgleichsgefäße erfolgt. Solche aufwendige Einrichtungen sind insbesondere für sehr hohe Wärmetransportleistungen vorteilhaft.
