DE102011119174A1

DE102011119174A1 - Vapor Chamber

Info

Publication number: DE102011119174A1
Application number: DE102011119174A
Authority: DE
Inventors: Günter Tenzler; Christian GEORGE; Torsten BURDACK
Original assignee: INHECO INDUSTRIAL HEATING AND COOLING GmbH; INHECO Ind HEATING AND COOLING GmbH
Current assignee: INHECO INDUSTRIAL HEATING AND COOLING GmbH; INHECO Ind HEATING AND COOLING GmbH
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2013-05-23
Also published as: WO2013075839A3; EP2782676A2; US20140311706A1; ES2758883T3; WO2013075839A2; EP2782676B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vapor Chamber (1) umfassend eine Unterschale (3) und eine Oberschale (4), wobei zwischen Unterschale (3) und Oberschale (4) zumindest ein gas- und flüssigkeitsdichter Zwischenraum (11) ausgebildet ist, in welchem ein fluides Arbeitsmedium aufgenommen sowie ein mit dem fluiden Arbeitsmedium zusammenwirkendes poröses Material (12, 13) angeordnet ist, wobei das poröse Material (12, 13) zumindest bereichsweise die Oberschale (4) und/oder die Unterschale (3) berührt, dabei jedoch den wenigstens einen Zwischenraum (11) unter Ausbildung wenigstens eines hohlraumartigen Dampfspaltes (14) nicht vollständig ausfüllt. Die Vapor Chamber (1) ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschale (4) der Vapor Chamber (1) oberseitig eine Mehrzahl an über deren Oberfläche (5) verteilten, sich in Richtung zur Unterschale (3) erstreckenden und als Probenaufnahme fungierende Einbuchtungen (6) aufweist, in welche unter Verwendung der Vapor Chamber (1) zu temperierende Proben (7) von oben einbringbar sind, wobei wenigstens ein zumindest teilweise durch das poröse Material (12, 13) begrenzter Dampfspalt (14) sich derart dreidimensional erstreckt, dass er innerhalb des zwischen Ober- und Unterschale (4, 3) befindlichen Zwischenraums (11) eine oder mehrere Einbuchtungen (6) der Oberschale (4) zumindest teilweise seitlich umlaufend umgibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vapor Chamber umfassend eine Unterschale und eine Oberschale, wobei zwischen Unterschale und Oberschale zumindest ein gas- und flüssigkeitsdichter Zwischenraum ausgebildet ist, in welchem ein fluides Arbeitsmedium aufgenommen sowie ein mit dem fluiden Arbeitsmedium zusammenwirkendes poröses Material angeordnet ist, wobei das poröse Material zumindest bereichsweise die Oberschale und/oder die Unterschale berührt, dabei jedoch den wenigstens einen Zwischenraum unter Ausbildung wenigstens eines hohlraumartigen Dampfspaltes nicht vollständig ausfüllt.
Solche Vapor Chambers, die in Art eines in der Regel flächig und flach gestalteten Wärmerohrs (sog. Heatpipe) ausgestaltet sind und auf dessen Funktionsprinzip beruhen, sind aus dem Stand der Technik, z. B. aus der WO 2005/114084 A1 , hinlänglich bekannt und haben bekanntermaßen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Ferner zeigt auch 7 der US 3,680,189 eine Vapor Chamber der eingangs genannten Art, bei welcher die Unter- und Oberschale jeweils plattenförmig ausgestaltet sind, wobei Ober- und Unterschale zur Bildung des für eine Vapor Chamber erforderlichen Zwischenraums über randseitig angeordnete Stäbe mit rechteckigem Querschnitt – gas- und flüssigkeitsdicht – miteinander verbunden sind.
Eine bestehende Temperaturdifferenz zwischen der Unter- und Oberschale einer Vapor Chamber wird dadurch ausgeglichen, dass das fluide Arbeitsmedium z. B. im Bereich der heißeren Unterschale verdampft, woraufhin der Dampf – wegen eines sich einstellenden Druckgefälles – durch den Dampfspalt (also einen geeignet in der Vapor Chamber verlaufenden Dampfkanal) in Richtung zur kühleren Oberschale wandert, wo er wieder kondensiert. Das poröse Material innerhalb der Vapor Chamber dient der Aufnahme und dem Transport der kondensierten, also flüssigen Phase des Arbeitsmediums, um diese innerhalb des Zwischenraums zwischen Ober- und Unterschale durch Kapillarkräfte wieder in Richtung der wärmeren Seite der Vapor Chamber zu befördern, wo das Arbeitsmedium dann – sofern sich durch Temperaturausgleich noch kein Gleichgewichtszustand eingestellt hat – erneut verdampfen kann. Das poröse Material stellt dabei vorteilhaft eine im Inneren der Vapor Chamber verlaufende Verbindung zwischen Ober- und Unterschale her, um einen effektiven Transport der flüssigen Phase des Arbeitsmediums zwischen den beiden einander zugewandten (Innen-)Seiten der Ober- und Unterschale zu gewährleisten.
Die bei den betreffenden Phasenübergängen in einem kontinuierlichen Prozess vom Arbeitsmedium aufgenommene bzw. abgegebene latente wärme und der durch den Dampfspalt und das poröse Medium erfolgende Transport der dampfförmigen und flüssigen Phase des Arbeitsmediums sorgen für einen sehr raschen Ausgleich einer zwischen Ober- und Unterschale bestehenden Temperaturdifferenz, so dass, z. B. bei aktiver Beheizung der Unterschale, welche mittels daran unterseitig befestigter Heizmittel erfolgen kann, eine sehr schnelle Aufheizung der Oberschale erfolgt. Von Vorteil ist dabei weiterhin, dass – auch bei einer ggfs. nur punktuell oder an mehreren Stellen/Bereichen erfolgenden Beheizung der Unterschale – eine für die meisten Anwendungen durchaus akzeptable Homogenität in der Temperaturverteilung auf der Oberschale erreicht wird.
Ferner kann mittels einer Vapor Chamber auch auf sehr effektive Weise wärme von der Ober- oder Unterschale (bzw. einem hiermit thermisch gekoppelten Bauteil) abgeführt werden, indem die jeweils andere Schale thermisch mit einer geeigneten Wärmesenke gekoppelt wird.
Der Arbeitsbereich einer Vapor Chamber wird durch die Eigenschaften des darin enthaltenen Arbeitsmediums (z. B. Wasser) und des in der Vapor Chamber vorherrschenden Drucks vorgegeben und lässt sich daher z. B. durch eine geeignete Wahl des (wenigstens einen) Arbeitsmediums einstellen.
Vapor Chambers – also in flacher Bauweise gestaltete Heatpipes – der gattungsgemäßen Art dienen häufig in Zusammenwirkung mit geeigneten Heiz- und/oder Kühlmitteln zur möglichst uniformen Temperierung von mit der Heatpipe in (direktem oder indirektem) Wärmekontakt stehenden Formkörpern, welche ihrerseits – z. B. in Form von oberseitig daran vorgesehen Einbuchtungen – eine Mehrzahl an Aufnahmen für darin einer bestimmten Temperatur auszusetzende Proben aufweisen.
Insbesondere kommen Vapor Chambers der gattungsgemäßen Art dabei in so genannten Thermocyclern zum Einsatz, bei denen im Rahmen der gleichzeitigen Temperierung einer Mehrzahl an (biologischen) Proben zum Zwecke der DNA-Vervielfältigung ein zur Durchführung der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) geeigneter Temperaturverlauf mehrfach zyklisch durchlaufen werden muss. Es versteht sich von selbst, dass dabei eine besonders präzise Temperierung der verschiedenen Proben ebenso erwünscht ist wie ein möglichst schneller Durchlauf des Temperaturzyklus, bei dem es wesentlich darauf ankommt, dass die verschiedenen Proben in zeitlicher Abfolge verschiedenen Temperaturen (für einen jeweils vorgegebenen Zeitraum) ausgesetzt werden. Ein typischer Zyklus beinhaltet zunächst die Aufheizung der Proben auf ca. 95°C (für den Verfahrensschritt der sog. Denaturierung; Schmelzen), eine anschließende Abkühlung auf ca. 55°C (für den Verfahrensschritt der sog. Primerhybridisierung) und ein erneutes Aufheizen auf ca. 72°C (für den Verfahrensschritt der sog. Elongation), woraufhin der Zyklus durch ein weiteres Aufheizen auf wiederum 95° C erneut beginnt. Diese Temperaturniveaus sollen – für alle gleichzeitig zu temperierenden Proben – möglichst exakt eingehalten werden, wobei die zwischen den Temperaturniveaus benötigten Aufheiz- und Abkühlvorgänge möglichst schnell durchführbar sein sollen.
Die aus dem Stand der Technik bisher bekannten Thermocycler, wie sie z. B. in der EP 1 710 017 A1 , der WO 01/24930 A1 oder der WO 2004/105947 A1 beschrieben sind, umfassen typischerweise einen sandwichartigen Aufbau aus einer Wärmesenke, wenigstens einer gattungsgemäßen Vapor Chamber (”thermal base”, ”heat pipe”), ein ggfs. aus mehreren Elementen bestehendes Heiz- und ggfs. Kühlmittel (z. B. in Ausführung wenigstens eines Peltier- oder PTC-Elements), welches Ober- oder unterhalb der Vapor Chamber angeordnet sein kann, und einen mit dem Heizmittel und/oder der Vapor Chamber in direktem thermischem Kontakt stehenden Probenaufnahmekörper (”thermal block” bzw. ”sample block” bzw. ”Reaktionsgefäßaufnahmekörper”) mit einer Mehrzahl an oberseitig auf dessen Oberfläche angeordneten Einbuchtungen, in welche die einem bestimmten Temperaturverlauf auszusetzenden Proben – ggfs. innerhalb geeigneter Probenbehältnisse – zum Zwecke ihrer Temperierung einbringbar sind. Jede Einbuchtung fungiert als Aufnahme für eine darin zu temperierende Probe und ist vorteilhaft derart gestaltet, dass ein darin von oben einsetzbares – zumeist aus einem dünnen Kunststoff bestehendes – Probenbehältnis, welches die zu temperierende Probe enthält, zum Zwecke eines guten Wärmeübergangs in flächigen Kontakt zu der als Probenaufnahme fungierenden Einbuchtung gebracht werden kann.
Der seinerseits unter Zuhilfenahme der wenigstens einen Vapor Chamber temperierte Probenaufnahmekörper ist dabei in der Regel massiv aus Silber (oder Aluminium) ausgestaltet, was neben dem hohen Gewicht eines solchen Formkörpers und einer vergleichsweise hohen Wärmekapazität, die besonders schnellen Temperaturänderungen im Wege steht, mit einem nicht unerheblichen Material- und Kastenaufwand verbunden ist. Ferner erweist sich dabei die Realisierung einer guten Uniformität der Temperatur in den verschiedenen Probenaufnahmen (Einbuchtungen) als besonders schwierig, dies insbesondere im Bereich der randseitig oder in einem Eckbereich des Probenaufnahmekörpers angeordneten Einbuchtungen.
Zur Verbesserung der Homogenität der sich in den einzelnen Probenaufnahmen einstellenden Temperatur wurde dabei in der WO 01/24930 A1 bereits vorgeschlagen, anstelle der Verwendung einer separaten Vapor Chamber bzw. Heatpipe (”Temperaturausgleichsplatte”) unterhalb des – dort aus mehreren Segmenten bestehenden – Reaktionsgefäßaufnahmekörpers, einzelne rohrförmige Heatpipes in den verschiedenen Segmenten des Reaktionsgefäßaufnahmekörpers derart zu integrieren, dass diese in einer Richtung zwischen je zwei Reihen von Reaktionsgefäßhaltern verlaufen. Auch hierbei weist der Reaktionsgefäßaufnahmekörper wegen seiner ansonsten massiven Bauweise eine vergleichsweise hohe Wärmekapazität auf.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vapor Chamber der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche insbesondere zur Verwendung in hocheffizienten Thermocyclern (oder in sonstigen Geräten zur Temperierung von Proben) geeignet ist und dabei im Rahmen der Temperierung von unter Verwendung der Vapor Chamber zu temperierenden Proben besonders schnelle Temperaturänderungen gestattet. Ferner soll unter Zuhilfenahme einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber eine Mehrzahl an Proben gleichzeitig temperierbar sein, und zwar unter Verbesserung der Homogenität der auf die einzelnen Proben einwirkenden Temperatur.
Diese Aufgabe wird mit einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber nach Anspruch 1 gelöst, die – neben den bereits einleitend genannten Merkmalen – dadurch gekennzeichnet ist, dass die Oberschale der Vapor Chamber oberseitig eine Mehrzahl an über deren Oberfläche verteilten, sich in Richtung zur Unterschale erstreckenden und als Probenaufnahme fungierende Einbuchtungen aufweist, in welche unter Verwendung der Vapor Chamber zu temperierende Proben von oben einbringbar sind, wobei wenigstens ein zumindest teilweise durch das poröse Material begrenzter Dampfspalt sich derart dreidimensional erstreckt, dass er innerhalb des zwischen Ober- und Unterschale befindlichen Zwischenraums eine oder mehrere Einbuchtungen der Oberschale zumindest teilweise seitlich umlaufend umgibt.
Die erfindungsgemäße Vapor Chamber zeichnet sich also u. a. dadurch aus, dass sie oberseitig eine Mehrzahl an Probenaufnahmen aufweist, die durch Einbuchtungen in der den Zwischenraum für das (wenigstens eine) fluide Arbeitsmedium begrenzenden Oberschale gebildet sind.
Anders als im Stand der Technik dienen der Aufnahme der zu temperierenden Proben somit nicht die Einbuchtungen in einem im Wesentlichen massiven Bauteil, welches unter Zuhilfenahme wenigstens einer Vapor Chamber oder Heatpipe zu temperieren ist, sondern die Vapor Chamber wird selbst zum Probenaufnahmekörper, indem die den Zwischenraum für das Arbeitsmedium begrenzende Oberschale oberseitig geeignete Einbuchtungen aufweist, welche als Probenaufnahme fungieren. Im Vergleich mit einem aus massivem Silber bestehenden Probenaufnahmeblock, wie er derzeit in hocheffizienten Thermocyclern eingesetzt wird, lässt sich dabei eine erheblich verbesserte Wärmeleitfähigkeit ([W/mK]) (um bis zu einem Faktor 7) realisieren, so dass im Rahmen der Temperierung der Mehrzahl an Probenaufnahmen erfolgende Aufheiz- und Abkühlvorgänge erheblich schneller durchgeführt werden.
Dadurch dass vorliegend wenigstens ein Dampfspalt, d. h. der wenigstens eine innerhalb des Zwischenraums ausgebildete Dampfspalt, derart dreidimensional verläuft, dass er innerhalb des Zwischenraums wenigstens eine oder mehrere Einbuchtungen – zumindest teilweise – seitlich umlaufend umgibt, kann dabei gleichzeitig eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Temperaturhomogenität, d. h. eine stets besonders geringe Differenz der Temperatur in den verschiedenen Probenaufnahmen, erzielt werden, insbesondere wenn dabei ansonsten üblicherweise nicht hinreichend schnell bzw. effektiv zu temperierende Probenaufnahmen, insbesondere die randseitig oder in einem Eckbereich angeordneten Probenaufnahmen, entweder jeweils separat und/oder blockweise von dem (wenigstens einen) Dampfspalt umgeben sind, wobei es im Rahmen der vorliegenden Erfindung ersichtlich von besonderem Vorteil ist, wenn dabei jeweils ein einziger ununterbrochener Dampfspalt (jeweils) eine oder mehrere Einbuchtungen vollständig umlaufend umgibt.
Unter einem Dampfspalt ist dabei dasjenige Volumen innerhalb des zwischen Ober- und Unterschale befindlichen Zwischenraums zu verstehen, in welchem innerhalb der erfindungsgemäßen Vapor Chamber die Dampfphase des Arbeitsmediums transportiert wird. Sofern vorliegend von ”wenigstens einem” Dampfspalt gesprochen wird, so schließt dies selbstverständlich die Möglichkeit ein, dass vorliegend nicht zwingend ein einziger zusammenhängender Dampfspalt die gesamte Vapor Chamber über ihre gesamte flächige Ausdehnung durchdringen muss, sondern dass stattdessen auch eine Mehrzahl an Dampfspalten vorgesehen sein können, die voneinander z. B. durch das dem Transport der flüssigen Phase dienende poröse Material und/oder durch wenigstens ein den Zwischenraum unterteilendes Element der Unter- und/oder Oberschale separiert sind.
Das in einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber zur Verwendung kommende poröse Material kann grundsätzlich jedwedes Material sein, welches sich – infolge seiner Porosität – unter Ausbildung einer Kapillarwirkung auf die flüssige Phase des Arbeitsmedium (z. B. Wasser) zur Aufnahme und zum Transport der flüssigen Phase des Arbeitsmediums eignet.
Der Umstand, dass vorliegend die Vapor Chamber durch geeignete Einbuchtungen an ihrer Oberseite selbst den Probenaufnahmekörper bildet, erweist sich auch deshalb als außerordentlich vorteilhaft, da hiermit das Gewicht und die Wärmekapazität eines z. B. in Thermocyclern zum Einsatz kommenden Probenaufnahmekörpers gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik deutlich reduziert werden können, wobei sich – neben der verbesserten Leistung im Hinblick auf den Wärmetransport zu den einzelnen Einbuchtungen/Probenaufnahmen – gleichzeitig eine massive Kostenersparnis im Hinblick auf den verringerten Materialaufwand ergibt.
Die die Probenaufnahmen bildenden Einbuchtungen in der Oberschale einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber sind vorteilhaft in einem regelmäßigen Muster über die Oberfläche der Oberschale verteilt und besonders bevorzugt in Anzahl und Geometrie an die Anzahl und Geometrie der Kavitäten (engl.: ”wells”) handelsüblicher Microtiterplatten, wie Sie im Rahmen der industriellen Prozessierung von (biologischen) Proben Verwendung finden, angepasst, so dass eine Microtiterplatte derart auf die Oberseite der Vapor Chamber aufgesetzt werden kann, dass die einzelnen (von oben mit z. B. flüssigen Proben befüllten und nach unten frei hervorstehenden) Kavitäten der Microtiterplatte in je eine Einbuchtung der Oberschale unter möglichst guter (flächiger) Anlage an die jeweilige Seitenwand der Einbuchtung hineinreichen. Vorteilhaft sind somit in der Oberschale insbesondere z. B. 24, 48 oder 96 entsprechend regelmäßig angeordnete Einbuchtungen vorgesehen, um unter Zuhilfenahme der erfindungsgemäßen Vapor Chamber eine möglichst große Vielzahl an Proben gleichzeitig und definiert temperieren zu können.
Soweit im Rahmen der vorliegenden Erfindung davon gesprochen ist, dass die Vapor Chamber eine Unterschale und eine Oberschale aufweist, so sollen die insoweit gewählten Begriffe keine konkrete Geometrie der betreffenden Bauteile beschreiben, sondern vielmehr zum Ausdruck bringen, dass die erfindungsgemäße Vapor Chamber wenigstens zwei Teile (man könnte also auch von einem Oberteil und einem Unterteil sprechen) aufweist, zwischen denen der gas- und flüssigkeitsdichte Zwischenraum zur Aufnahme des Arbeitsmediums und des porösen Materials ausgebildet ist. Ersichtlich müssen Ober- und Unterschale (bzw. Oberteil und Unterteil) nicht zwingend durch zwei separate Beuteile gebildet sein, sondern können – z. B. unter Anwendung geeigneter Umformprozesse – ggfs. auch einstückig ausgebildet sein, wobei jedoch stets ein gas- und flüssigkeitsdichter Zwischenraum zwischen dem die Vapor Chamber nach oben bzw. unten begrenzenden Ober- bzw. Unterteil ausgebildet sein muss. Bevorzugt ist jedoch zumindest die Unterschale oder die Oberschale mit einem daran ausgebildeten umlaufenden Rand auch tatsächlich schalenartig ausgestaltet, wodurch sich auf einfache Weise die seitliche Berandung der Vapor Chamber durch den betreffenden Rand der Unter- oder Oberschale bilden lässt.
In einer ersten bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass bei einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber zwischen Ober- und Unterschale wenigstens ein Dampfspalt vorgesehen ist, der alle Einbuchtungen seitlich außen umläuft und hierzu innerhalb des Zwischenraums zwischen der seitlichen Berandung der Vapor Chamber und den randseitig angeordneten Einbuchtungen ausgebildet ist. Selbstverständlich kann dabei vorteilhaft vorgesehen sein, dass insbesondere die randseitigen Einbuchtungen (auf ihrer jeweils dem Zwischenraum zugewandten Seite) mit dem innerhalb des Zwischenraums angeordneten porösen Material (zumindest teilweise) in Kontakt stehen bzw. damit beschichtet sind, so dass (auch) in diesem Bereich ein besonders effektiver Wärmetransport realisiert wird.
Ein solcher alle Einbuchtungen bzw. Probenaufnahmen en bloc umlaufender Dampfspalt führt – bei einer durch geeignete Gestaltung der Ober- und Unterschale (sowie des porösen Materials) einfach zu realisierenden Geometrie der Vapor Chamber – dazu, dass auch die randseitig und im Eckbereich der Oberschale angeordneten Einbuchtungen allesamt von der hervorragenden thermischen Leitfähigkeit einer Vapor Chamber profitieren und somit gleichförmig und schnell beheizt und/oder gekühlt werden können.
Ferner ist in besonderer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorteilhaft vorgesehen, dass jede Einbuchtung von wenigstens einem Dampfspalt vollumfänglich umgeben ist, womit die hervorragende Wärmeleitfähigkeit einer Heatpipe im Bereich jeder der Probenaufnahme dienenden Einbuchtung mit der Folge einer besonders guten Temperaturhomogenität über alle Probenaufnahmen vollumfänglich zum Tragen kommt. Wenn dabei in der Vapor Chamber insgesamt ein die gesamte Vapor Chamber durchdringender und gleichzeitig jede Einbuchtung vollumfänglich seitlich umlaufender Dampfspalt vorgesehen ist, so kann im Rahmen der Temperierung aller Probenaufnahme (bzw. der darin angeordneten Proben) die Erzielung einer beinahe bestmöglichen Temperaturhomogenität realisiert werden.
Ferner kann dabei in besonders zweckmäßiger Weise vorgesehen sein, dass jede Einbuchtung der Oberschale zwischenraumseitig mit dem porösem Material kontaktiert ist, so dass insbesondere auch unmittelbar an den Einbuchtungen anliegendes poröses Material zum stoffgebundenen Wärmetransport in der auf dem Heatpipe-Prinzip basierenden Vapor Chamber beitragen kann.
In besonders bevorzugter Weise kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ferner vorgesehen sein, dass das poröse Material durch wenigstens zwei poröse Materialschichten gebildet ist, von denen eine erste Materialschicht zwischenraumseitig an der Oberschale und eine zweite Materialschicht zwischenraumseitig an der Unterschale ausgebildet ist, wobei die erste und zweite Materialschicht einander bereichsweise berühren und in anderen Bereichen zur Ausbildung des wenigstens einen Dampfspalts voneinander beabstandet sind.
Das in einer Heatpipe zur Verwendung kommende poröse Material bzw. die beiden vorgenannten porösen Materialschichten können z. B. aus einem zunächst im wesentlichen pulverartigen Material mit kugel- und/oder stäbchenförmigen Materialbestandteilen (z. B. aus Kupfer) gleicher oder verschiedener Abmessungen bestehen, welches zunächst in geeigneter Schichtdicke auf die jeweilige Innenseite der Unter- und Oberschale aufgebracht und anschließend unter Einwirkung geeignet hoher Temperaturen (in einer Art Sinterprozess) dort gewissermaßen gebacken wird, womit es sich einerseits – unter Ausbildung der gewünschten porösen Struktur – verfestigt und sich andererseits an der Unter- bzw. Oberschale, die vorteilhaft erst in einem späteren Verfahrensschritt zusammengefügt werden, anheftet bzw. sich damit metallurgisch verbindet.
Die Oberschale und/oder die Unterschale einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber können prinzipiell aus jedwedem geeigneten Material mit vergleichsweise guter Wärmeleitfähigkeit sowie hinreichend einfacher Verarbeitbarkeit gefertigt sein (z. B. aus Silber), sind jedoch – auch aus Kostengründen – besonders bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium gefertigt.
Bevorzugt sind die Ober- und Unterschale einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber an einem umlaufenden – vorteilhaft in einer Ebene – verlaufenden Rand gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden, insbesondere verschweißt und/oder verlötet.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich ferner, wenn Ober- und/oder Unterschale – mit Ausnahme von gegebenenfalls zu Versteifungszwecken vorgesehenen Stegen – eine Schichtdicke von kleiner gleich 2 mm, nochmals bevorzugt von kleiner gleich 1 mm, aufweisen. Bevorzugt kann dabei die Wandstärke so dünn wie möglich realisiert, wobei unter Berücksichtigung der innerhalb der Vapor Chamber vorherrschenden Druckverhältnisse selbstverständlich noch eine hinreichende mechanische Stabilität gewährleistet sein muss. Solchermaßen dünne Schichtdicken sorgen für einen nochmals verbesserten Wärmetransport sowie eine besonders geringe Wärmkapazität und ein auch im Hinblick auf konstruktive Aspekte anzustrebendes besonders geringes Gewicht einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber.
Eine Oberschale mit für vorliegenden Zweck geeigneten Einbuchtungen kann z. B. durch Tiefziehen aus einem geeigneten Metallblech hergestellt werden. Ferner eignen sich zur Herstellung einer Oberschale geeigneter Geometrie, insbesondere wenn diese – was besonders vorteilhaft ist – eine sehr geringe Schichtdicke von deutlich kleiner als 1 mm aufweisen soll, auch elektrogalvanische Herstellungsverfahren, insbesondere das so genannte ”electroforming”.
Insbesondere die als Probenaufnahmen fungierenden Einbuchtungen der Oberschale können besonders bevorzugt dünnwandig (vorteilhaft < 1 mm, nochmals vorteilhaft 5 mm) ausgestaltet sein, da hierdurch – wegen der insoweit geringen Masse der die Einbuchtung begrenzenden Wand – eine geringere spezifische Wärmekapazität im unmittelbaren Bereich der zu temperierenden Probenaufnahme erzielbar ist, wodurch schnellere Temperaturänderungen gestattet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Teil der an der Oberschale ausgebildeten und sich in Richtung zur Unterschale erstreckenden Einbuchtungen, insbesondere alle Einbuchtungen, unterseitig die Unterschale berühren, wobei wenigstens ein Teil (bzw. nochmals bevorzugt alle) der die Unterschale berührenden Einbuchtungen unterseitig mit der Unterschale verbunden, insbesondere verlötet sind. Hiermit lässt sich zum einen die mechanische Stabilität einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber verbessern, da somit die die Probenaufnahmen bildenden Einbuchtungen – zumindest teilweise – eine mechanische Abstützung bzw. Verbindung zwischen Oberschale und Unterschale herstellen. Zum anderen wird hierdurch gleichzeitig auch die thermische Leitfähigkeit zwischen Unter- und Oberschale, insbesondere im Bereich der die Probenaufnahmen bildenden Einbuchtungen erhöht, insbesondere wenn dann noch – im Bereich der jeweiligen Einbuchtungen oder zumindest eines Teils hiervon – das an die Unterschale angrenzende poröse Material mit dem zwischenraumseitig an den Einbuchtungen angrenzenden porösen Material zur Berührung kommt, was dann auch den stoffgebundenen Wärmetransport innerhalb der Vapor Chamber verbessert.
Außerdem kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Vapor Chamber wenigstens einen in den Dampfspalt hineinreichenden Temperatur- und/oder Drucksensor aufweist.
Ein in den Dampfspalt hineinreichender Temperatursensor erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn dessen Temperaturmesswert unter Zuhilfenahme einer geeigneten Überwachungs- und Vergleichseinheit (z. B. kontinuierlich oder in vorbestimmten Abständen) mit demjenigen eines zweiten Temperatursensors, der z. B. bodenseitig in der Vapor Chamber (d. h. in Kontakt mit der Unterschale) angeordnet ist, verglichen wird.
Denn die beiden dabei gemessenen Temperaturwerte der an verschiedenen Stellen angeordneten Temperatursensoren stehen in fester Relation zueinander, so dass – sofern sich insoweit eine Abweichung ergibt – eine Fehlfunktion der Vapor Chamber zuverlässig und schnell erkannt werden kann. Eine solche Fehlfunktion, bei der dann ersichtlich nicht mehr mit einer ordnungsgemäßen Temperierung und ggfs. einer Zerstörung von möglicherweise unwiederbringlichen Proben gerechnet werden kann, kann z. B. durch ein Leck in der Gasdichtigkeit des Zwischenraums verursacht sein, welches eine ggfs. schleichende Änderung der in der Vapor Chamber vorherrschenden Druckverhältnisse bis hin zum Funktionsverlust verursacht.
In konstruktiver Hinsicht erweist es sich bei einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber als besonders vorteilhaft, wenn an der Unterseite der Unterschale – z. B. in einem extra hierfür verstärkten Bereich – wenigstens ein Gewindesackloch ausgebildet ist, um die Vapor Chamber unterseitig mittels einer Schraubverbindung mit einem benachbarten Bauteil verbinden zu können.
Und schließlich betrifft die vorliegende Erfindung nicht nur eine Vapor Chamber als solche, die prinzipiell in verschiedensten Vorrichtungen – z. B. auch in einem Inkubator – Verwendung finden könnte, sondern insbesondere auch einen Thermocycler, welcher – zur Temperierung von Proben mit vordefinierten Temperaturzyklen – zumindest eine Wärmesenke, (wenigstens) ein bevorzugt elektrisches Heizmittel (z. B. in Art eines PTC-Elements) und eine Vapor Chamber der erfindungsgemäßen und vorbeschriebenen Art umfasst. Hierfür gelten ersichtlich alle bereits genannten Aspekte in gleicher Weise, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen hierauf verwiesen wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber zusammen mit einer darin einsetzbaren Microtiterplatte in Explosionsdarstellung,
2 eine perspektivische – teilweise gebrochene Darstellung – der Vapor Chamber aus 1,
3 eine Schnittdarstellung durch die Vapor Chamber aus den 1 und 2 mit darin eingesetzter Mikrotiterplatte gemäß der gewinkelt verlaufenden Schnittlinie III-III aus 2,
4 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiel der wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Thermocyclers. und
5 eine Darstellung zum Vergleich der Temperaturhomogenität einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber mit derjenigen eines aus massivem Silber aufgebauten Probeaufnahmekörpers.
Die 1–3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber 1 in verschiedenen Ansichten, wobei in der perspektivischen Explosionsdarstellung aus 1 sowie in der Schnittdarstellung aus 3 ergänzend auch eine darin einsetzbare bzw. eingesetzte Microtiterplatte 2 dargestellt ist.
Die Vapor Chamber 1 umfasst eine vorliegend aus Kupfer hergestellte Unterschale 3 sowie eine aus dem gleichen Material hergestellte Oberschale 4, wobei die Oberschale 4 oberseitig eine Mehrzahl, vorliegend insgesamt 96, an über deren Oberfläche 5 verteilte Einbuchtungen 6 aufweist, die sich in Richtung zur Unterschale 3 erstrecken. Die Einbuchtungen 6 fungieren dabei als Probenaufnahmen, in welche – unter Verwendung der Vapor Chamber 1 zu temperierende – Proben 7 (vgl. 3) entweder mittelbar oder unmittelbar eingebracht werden können. Unterschale 3 und Oberschale 4 können dabei jedoch auch aus anderen geeigneten Materialien, z. B. aus Aluminium oder aus Silber hergestellt sein.
Die zu temperierenden (flüssigen) Proben 7 sind vorliegend in einzelnen Kavitäten bzw. Probenbehältnissen 8 der Mikrotiterplatte 2 aufgenommen, wozu die betreffende Probe 7 durch eine von oben zugängliche Öffnung 9 in das jeweilige Probenbehältnis 8 eingefüllt wurde. Die Proben 7 werden innerhalb der von der Mikrotiterplatte 2 nach unten hervorstehenden Probenbehältnissen 8 – durch lagerichtiges Aufsetzen der Mikrotiterplatte 2 auf die in ihrer Geometrie hieran angepasste Oberschale 4 – in die der betreffenden Probe 7 jeweils zugeordnete Einbuchtung 6 eingebracht. Dabei stehen die Probenbehältnisse 8 der Mikrotiterplatte 2 mit ihrer jeweiligen Außenseite in flächiger Anlage mit der Seitenwand der Einbuchtung 6, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten.
Oberschale 4 und Unterschale 3 sind längs eines – die Vapor Chamber 1 vollständig umlaufenden – Randes 10 gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden, was z. B. durch eine geeignete Schweiß- und/oder Lötverbindung erfolgen kann. Innerhalb des zwischen Oberschale 4 und Unterschale 3 ausgebildeten Zwischenraums 11 ist ein fluides Arbeitsmedium (nicht dargestellt) aufgenommen sowie – schichtartig an Ober- und Unterschale 3, 4 – ein poröses Material 12, 13 angeordnet, welches in dem Sinne mit dem fluiden Arbeitsmedium zusammenwirkt, dass es die flüssige Phase des Arbeitsmediums aufnehmen und unter Ausnutzung von Kapillarkräften transportieren kann. Das fluide Arbeitsmedium kann z. B. durch eine geeignet verschließbare Zugangsöffnung in der Ober- oder Unterschale in den Zwischenraum 11 eingebracht werden.
Zwischen dem die Unter- und Oberschale 3, 4 zwischenraumseitig bedeckenden porösen Material 12, 13 ist vorliegend ein die gesamte Vapor Chamber 1 durchdringender Dampfspalt 14 ausgebildet, der vorliegend zwischen den beiden porösen Materialschichten 12, 13 verläuft und dabei unter anderem – gemäß der in 1 dargestellten Strichlinie 14' – en bloc alle Einbuchtungen 6 der Oberschale 4 seitlich vollumfänglich umlaufend umgibt, und zwar zwischen der seitlichen Berandung der Vapor Chamber 1 und den randseitig angeordneten Einbuchtungen 6. Ferner wird durch den Dampfspalt 14 auch gleichzeitig jede Einbuchtung 6 separat vollumfänglich umlaufend umgeben, wie dies durch die beiden gestrichelten Linien 14'' in 2 angedeutet ist.
Bei aktiver Beheizung der Unterschale 3 verdampft die in der daran angrenzenden Schicht aus porösem Material 12 aufgenommene flüssige Phase des Arbeitsmediums unter Aufnahme latenter Wärme in den Dampfspalt 14 hinein und wird dort aufgrund eines sich geeignet einstellenden Druckgefälles in Richtung zur kälteren Oberschale 4 bzw. der daran ausgebildeten Einbuchtungen 6 transportiert. Von Vorteil ist insoweit für die angestrebte Temperaturhomogenität im Bereich der verschiedenen Einbuchtungen 6, dass sich der Dampfspalt 14 in dreidimensionaler und zusammenhängender Weise über die gesamte Querschnittsfläche der Vapor Chamber 1 erstreckt und dabei die Einbuchtungen 6 umläuft, womit sich die Dampfphase auch transversal bzw. lateral um die Einbuchtungen 6 herum ausbreiten kann. Das Arbeitsmedium kann sodann unter Abgabe latenter Wärme im Bereich der Oberschale wieder kondensieren. Dort wird es von dem oberschalenseitig angeordneten porösen Material 13 aufgenommen. Wegen der Kapillarkraft des porösen Materials 12, 13 und der Verbindung des Ober- und unterschalenseitig angeordneten porösen Materials 12, 13, die zumindest bereichsweise – vorliegend insbesondere jedoch auch um jede Einbuchtung 6 herum umlaufend – besteht, wird die kondensierte flüssige Phase des Arbeitsmediums anschließend wieder zum unterschalenseitigen Bereich des porösen Materials 12 befördert, wo sie bei noch nicht erfolgtem Temperaturausgleich erneut verdampfen kann.
Dadurch dass jede Einbuchtung 6 innerhalb des Zwischenraums vorliegend vollumfänglich von dem wenigstens einen Dampfspalt 14 der Vapor Chamber 1 umgeben ist, kann eine besonders effektive Beheizung der einzelnen als Probenaufnahmen fungierenden Einbuchtungen 6 – und damit auch der darin aufgenommenen Proben 7 – erfolgen.
Insbesondere in den 2 und 3 ist gut zu erkennen, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung sämtliche Einbuchtungen 6 der Oberschale 4 im Bereich ihrer Unterseite 15 mit der Unterschale 3 in Kontakt stehen, wobei in diesem Bereich die unterschalenseitig angeordnete Schicht aus porösem Material 12 unterbrochen ist. Ein Teil oder alle Einbuchtungen 6 können dort zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Vapor Chamber 1 – und zur Verbesserung des Wärmetransports – mit der Unterschale 3 verbunden sein, insbesondere auf metallurgische Weise.
An der Unterschale 3 sind – über die Unterschale 3 in einem quadratischem Muster verteilt – eine Mehrzahl an Stegen 16 angeordnet, die gegenüber der sonstigen Schichtdicke der Unterschale 3, die kleiner als 2 mm oder gar kleiner als 1 mm gewählt sein kann, erhaben sind und somit eine mechanische Verstärkung der Struktur der Unterschale 3 bewirken.
Ferner weist die Unterschale 3 unterseitig eine Mehrzahl an Gewindesacklochbohrungen 17 auf, von denen eine in der Schnittdarstellung aus 3 erkennbar ist und die zur lagefesten Montage der Vapor Chamber 1 an ein benachbartes Bauteil, z. B. ein Heiz- und Kühlelement, dienen. In diesem Bereich weist die Unterschale 3 ebenfalls eine geeignete Verstärkung 18 auf.
Im rechten unteren Bereich des in 3 dargestellten Schnitts durch die Vapor Chamber 1 sind ferner zwei – zur Einbringung eines Temperatursensors von außen zugängliche – Bohrungen 19, 20 erkennbar, von denen eine Bohrung 19 bodennah angeordnet ist, während die andere Bohrung 20 innerhalb der Vapor Chamber 1 etwas höher gelegen ist und dort bis in den im Zwischenraum 11 vorhandenen Dampfspalt 14 hineinreicht bzw. hieran angrenzt. Mittels darin angeordneter Temperatursensoren (nicht dargestellt) und einer geeigneten Elektronik kann, wie dies bereits weiter oben erläutert wurde, die korrekte Funktionsweise der Vapor Chamber 1 überwacht werden, um die Temperierung der Vapor Chamber 1 im Falle einer Fehlfunktion zur Vermeidung einer Zerstörung von Proben 7 rechtzeitig – ggfs. automatisch – abschalten zu können.
4 zeigt in perspektivischer Ansicht ein – zur besseren Darstellung der dabei zur Verwendung kommenden Komponenten teilweise geschnittenes – Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Thermocyclers 21, der vorliegend in schichtweisem Aufbau mit thermischer Kopplung der einander benachbarten Bauteile von unten nach oben

– eine geeignet groß dimensionierte Wärmesenke 22,
– eine erste flache Vapor Chamber 23 (ohne oberseitige Einbuchtungen zur Probenaufnahme),
– eine Mehrzahl an Heiz-/Kühlelementen 24a, 24b, 24c (z. B. Peltierelementen) sowie
– eine zweite über den Heiz-/Kühlelementen 24a, 24b, 24c angeordnete Vapor Chamber 25 erfindungsgemäßer Bauart mit daran oberseitig ausgebildeten Einbuchtungen 6 zur Aufnahme der mittels des Thermocyclers 1 zu temperierenden Proben

Die Wärmesenke 22 weist unterseitig eine lamellenartige Struktur 26 auf, die zur Erzielung einer hohen Kühlleistung eine besonders große Oberfläche zum effektiven Wärmetausch einem zwischen den Lamellen hindurchströmenden Kühlfluid (z. B. Luft) bereitstellt.
Die untere Vapor Chamber 23, welche vorliegend mittels mehrerer Schraubverbindungen 27 zwischen einer Montageplatte 28 und der Oberseite der Wärmesenke 22 montiert ist, stellt einen hervorragenden thermischen Kontakt zwischen Wärmesenke 22 und den – in einer Aussparung der Montageplatte 28 angeordneten – Heiz-/Kühlmitteln 24a, 24b, 24c her, insbesondere indem sie zur Ableitung von Wärme an die Wärmesenke 22 eine größere Kontaktfläche bereit stellt, als diese durch die demgegenüber deutlich kleinere Fläche der Heiz-/Kühlelemente 24a, 24b, 24c gegeben wäre. Zum Zwecke der Verschraubung der unteren Vapor Chamber 23 mit der Wärmesenke 22 und der Montageplatte 28 sind in der Vapor Chamber zu Verschraubungszwecken dienende Durchgangsbohrungen vorgesehen, wie diese z. B. in der WO 2005/114084 A1 beschrieben sind.
Letztlich ist jedoch festzustellen, dass die untere Vapor Chamber 23 zwar den thermischen Kontakt zwischen Heiz-/Kühlelementen 24a, 24b, 24c verbessert, jedoch nicht notwendigerweise vorhanden sein muss ist und – unter Inkaufnahme einer ggfs. etwas langsamer verlaufenden Kühlung von Proben – auch ganz weggelassen werden könnte, also vorliegend nur fakultativ im Sinne einer bevorzugten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Thermocyclers vorgesehen ist.
Zwischen Wärmesenke 22 bzw. unter Vapor Chamber 23 und der oberen (erfindungsgemäßen) Vapor Chamber sind vorliegend insgesamt sechs jeweils flächig gestaltete Heiz- und Kühlelemente 24a, 24b, 24c (z. B. Peltierelemente) in zwei nebeneinander liegenden Reihen zu je drei Stück angeordnet, die – je nach elektrischer Beschaltung – zur unterseitigen Beheizung oder Kühlung der oberen Vapor Chamber 25 bzw. der in deren Einbuchtungen 6 auf geeignete Weise eingebrachten Proben fungieren.
Die obere Vapor Chamber ist beinahe identisch zu derjenigen aus den 1–3 aufgebaut, so dass bezüglich deren Funktionsweise und der hierfür relevanten Merkmale auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden kann. Als einziger Unterschied zu dem in den 1–3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist insoweit festzuhalten, dass die obere Vapor Chamber 25 in 4 eine dickwandigere Oberschale 4 aufweist, wobei auch hier zumindest die Wandstärke der in den Zwischenraum zwischen Oberschale 4 und Unterschale 3 hineinreichenden Einbuchtungen 6, die als Probenaufnahme fungieren, noch immer dünn – mit einer Wandstärke von bevorzugt kleiner gleich 2 mm oder nochmals bevorzugt kleiner gleich 1 mm – ausgestaltet sind.
Und schließlich zeigt 5 ein Diagramm mit Messwerten von Vergleichsmessungen zur Veranschaulichung der gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserten Temperaturhomogenität bzw. -uniformität einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber.
Dabei wurde – mit jeweils verschiedenen und nachfolgend erläuterten Messaufbauten – ein typischer PCR-Zyklus mit jeweils für 10 Sekunden gehaltenen Temperaturniveaus bei +95°C, bei +55°C und bei +72°C durchfahren.
Das erstgenannte Temperaturniveau bei +95°C wurde durch geeignete Steuerung der Heiz-/Kühlmittel mit einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von +3°C/s (bzw. 3 K/s) angefahren und dann für 10 Sekunden gehalten. Hieran anschließend wurde die Temperatur in den Probenaufnahmen mit einer Rate von –1,5 K/s auf +55°C gesenkt und auch dieses Temperaturniveau für 10 Sekunden gehalten, woraufhin ein erneuter Aufheizvorgang mit einer Rate von wiederum +3 K/s auf +72°C und anschließendes Halten dieser Temperatur für 10 Sekunden erfolgte. Gleichzeitig erfolgte mittels geeigneter Temperatursensoren eine Überwachung der sich in insgesamt acht verschiedenen Probenaufnahmen einstellenden Temperatur des jeweiligen Probenaufnahmekörpers, der jeweils 96 Probenaufnahmen aufwies. Die Lage der mittels der Temperatursensoren überwachten Probenaufnahmen kann der in 5 rechts oben eingezeichneten Prinzipskizze entnommen werden, wobei besagte Prinzipskizze eine Draufsicht auf den jeweiligen Probenaufnahmekörper darstellt. Die überwachten Probenaufnahmen sind darin durch schwarze Einfärbung kenntlich gemacht.
Vier der überwachten Probenaufnahmen entsprachen somit den eckseitig am Probenaufnahmekörper angeordneten Probenaufnahmen. Zwei weitere überwachte Probenaufnahmen befanden sich randseitig ungefähr mittig. Und die letzten beiden überwachten Probenaufnahmen waren ungefähr mittig in der jeweils linken und rechten Hälfte der gegebenen Anordnung aus insgesamt 96 Probenaufnahmen angeordnet.
Bei den Messungen wurden jeweils im letzten Abschnitt des für 10 Sekunden gehaltenen Temperaturniveaus drei Mal knapp aufeinanderfolgend die Temperatur in allen überwachten Probenaufnahmen zeitgleich bestimmt und anschließend die sich – unter Berücksichtung aller Messungen in den verschiedenen Probenaufnahmen – ergebende Differenz aus dem Maximalwert und dem Minimalwert der dabei gemessenen Temperaturen berechnet, was vorliegend als ”Uniformität” (engl.: uniformity) definiert wurde und auf der y-Achse des Balkendiagramms in 5 aufgetragen wurde.
Die Messungen wurden zum einen an einem erfindungsgemäßen Thermocycler der in 4 gezeigten Art (”96 well 3D-VCM”) und zum anderen an einer aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung durchgeführten Anordnung durchgeführt, bei welcher – verglichen mit der Anordnung aus 4 – die obere Vapor Chamber 25 durch einen ebenfalls 96 Probenaufnahmen aufweisenden Probenaufnahmekörper aus massivem Silber (”96 well Silvermount”) ersetzt wurde, der seinerseits unterseitig an einer flächigen Heatpipe montiert war, die den thermischen Kontakt zu den darunterliegenden Heiz- und Kühlelementen herstellte.
Die Messungen zeigen, dass die die maximale Temperaturdifferenz zwischen den gemessenen Temperaturen in den verschiedenen Probenaufnahmen bei einer erfindungsgemäßen Anordnung stets (d. h. bei allen drei angefahrenen Temperaturniveaus) deutlich niedriger liegt als dies bei der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung der Fall ist. Sie betrug beim 95°C-Temperaturplateau nur 0,25 K (gegenüber 0,49 Kelvin bei der im Stand der Technik verwendeten Anordnung), beim 55°C Temperaturplateau nur 0,13 K (gegenüber 0,26 K bei der im Stand der Technik verwendeten Anordnung) und beim 72°C-Temperaturplateau nur 0,23 K (gegenüber 0,31 K bei der im Stand der Technik verwendeten Anordnung). Es zeigt sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung also – neben den weiter oben ausführlich erläuterten Vorteilen – auch eine deutlich verbesserte Homogenität der Temperatur bei der gleichzeitigen Temperierung einer Vielzahl von Proben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/114084 A1 [0002, 0058]
US 3680189 [0002]
EP 1710017 A1 [0009]
WO 01/24930 A1 [0009, 0011]
WO 2004/105947 A1 [0009]

Claims

Vapor Chamber (1) umfassend eine Unterschale (3) und eine Oberschale (4), wobei zwischen Unterschale (3) und Oberschale (4) zumindest ein gas- und flüssigkeitsdichter Zwischenraum (11) ausgebildet ist, in welchem ein fluides Arbeitsmedium aufgenommen sowie ein mit dem fluiden Arbeitsmedium zusammenwirkendes poröses Material (12, 13) angeordnet ist, wobei das poröse Material (12, 13) zumindest bereichsweise die Oberschale (4) und/oder die Unterschale (3) berührt, dabei jedoch den wenigstens einen Zwischenraum (11) unter Ausbildung wenigstens eines hohlraumartigen Dampfspaltes (14) nicht vollständig ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschale (4) der Vapor Chamber (1) oberseitig eine Mehrzahl an über deren Oberfläche (5) verteilten, sich in Richtung zur Unterschale (3) erstreckenden und als Probenaufnahme fungierende Einbuchtungen (6) aufweist, in welche unter Verwendung der Vapor Chamber (1) zu temperierende Proben (7) von oben einbringbar sind, wobei wenigstens ein zumindest teilweise durch das poröse Material (12, 13) begrenzter Dampfspalt (14) sich derart dreidimensional erstreckt, dass er innerhalb des zwischen Ober- und Unterschale (4, 3) befindlichen Zwischenraums (11) eine oder mehrere Einbuchtungen (6) der Oberschale (4) zumindest teilweise seitlich umlaufend umgibt.
Vapor Chamber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ober- und Unterschale (4, 3) wenigstens ein Dampfspalt (14, 14') vorgesehen ist, der alle Einbuchtungen (6) seitlich außen umläuft und hierzu innerhalb des Zwischenraums (11) zwischen der seitlichen Berandung der Vapor Chamber (1) und den randseitig angeordneten Einbuchtungen (6) ausgebildet ist.
Vapor Chamber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einbuchtung (6) von wenigstens einem Dampfspalt (14, 14'') vollumfänglich umgeben ist.
Vapor Chamber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einbuchtung (6) der Oberschale (4) zwischenraumseitig mit dem porösem Material (13) kontaktiert ist.
Vapor Chamber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (12, 13) durch wenigstens zwei poröse Materialschichten (12, 13) gebildet ist, von denen eine erste Materialschicht (13) zwischenraumseitig an der Oberschale (4) und eine zweite Materialschicht (12) zwischenraumseitig an der Unterschale (3) ausgebildet ist, wobei die erste und zweite Materialschicht (12, 13) einander bereichsweise berühren und in anderen Bereichen zur Ausbildung des wenigstens einen Dampfspalts (14) voneinander beabstandet sind.
Vapor Chamber nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ober- und Unterschale (4, 3) aus Kupfer oder Aluminium gefertigt sind.
Vapor Chamber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ober- und Unterschale (4, 3) an einem umlaufenden Rand (10) gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden, insbesondere verschweißt und/oder verlötet, sind.
Vapor Chamber nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ober- und/oder Unterschale (4, 3) mit Ausnahme von gegebenenfalls zu Versteifungszwecken vorgesehenen Stegen (16) eine Schichtdicke von kleiner gleich 2 mm, nochmals bevorzugt von kleiner gleich 1 mm, aufweisen.
Vapor Chamber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der an der Oberschale (4) ausgebildeten und sich in Richtung zur Unterschale (3) erstreckenden Einbuchtungen (6), insbesondere alle Einbuchtungen (6), unterseitig die Unterschale (3) berühren, wobei wenigstens ein Teil der die Unterschale (3) berührenden Einbuchtungen (6) unterseitig mit der Unterschale (3) verbunden sind.
Vapor Chamber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vapor Chamber (1) wenigstens einen in den Dampfspalt (14) hineinreichenden Temperatur- und/oder Drucksensor aufweist.
Vapor Chamber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite der Unterschale (3) wenigstens ein Gewindesackloch (17) ausgebildet ist, um die Vapor Chamber (1) unterseitig mittels einer Schraubverbindung mit einem benachbarten Bauteil verbinden zu können.
Thermocycler (21) umfassend – eine Wärmesenke (22), – wenigstens ein elektrisches Heizmittel (24a, 24b, 24c), welches vorteilhaft auch zum Kühlen geeignet sein kann, – und eine Vapor Chamber (1) nach einem der vorangehenden Patentansprüche.