DE102015114043B4

DE102015114043B4 - Temperiervorrichtung

Info

Publication number: DE102015114043B4
Application number: DE102015114043.8A
Authority: DE
Inventors: Nora Haber; Cornelia Stiel; Jörg Nestler
Original assignee: Biflow Systems GmbH
Current assignee: Biflow Systems GmbH
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: DE102015114043A1

Abstract

Temperiervorrichtung (1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e) mit einem ersten Substrat (2) mit wenigstens einem mit einer elektrischen Kontaktierung (21) kontaktierten Thermoelement (22, 22') und einem zweiten Substrat (3, 3', 3") mit wenigstens einem zu temperierenden Bereich (31, 31'), wobei das Thermoelement (22, 22', 22") relativ zu dem zweiten Substrat (3, 3', 3") beweglich ist,
und
das Thermoelement (22, 22', 22") durch wenigstens eine in oder auf dem ersten Substrat (2) ausgebildete Federvorrichtung (24) gefedert aufgehangen und durch die Federvorrichtung (24) gegen den zu temperierenden Bereich (31, 31') gedrückt ist, dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Substrat (3, 3', 3") eine Fluidikvorrichtung (32, 32', 32") aufweist, in der ein erster Fluidkanal (33) und ein zweiter, von dem ersten Fluidkanal (33) durch wenigstens eine in dem zweiten Substrat ausgebildete Wand (35, 35') getrennter Fluidkanal (34, 34') vorgesehen sind, wobei zwischen dem ersten Fluidkanal (33) und dem zweiten Fluidkanal (34, 34') ein thermosensitives Fluidventil (36, 36') zum Öffnen und/oder Schließen einer Fluidverbindung (37, 37', 37") zwischen dem ersten Fluidkanal (33) und dem zweiten Fluidkanal (34, 34') vorgesehen ist, wobei das Fluidventil (36, 36') dem zu temperierenden Bereich (31, 31') entspricht, gegen den das Thermoelement (22, 22', 22") gedrückt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung mit einem ersten Substrat mit wenigstens einem mit einer elektrischen Kontaktierung kontaktierten Thermoelement und einem zweiten Substrat mit wenigstens einem zu temperierenden Bereich, wobei das Thermoelement relativ zu dem zweiten Substrat beweglich ist.
Temperiervorrichtungen der oben genannten Gattung können in verschiedensten technischen Bereichen Anwendung finden. Unter anderem können solche Temperiervorrichtungen bei so genannten „lab-on-a-chip“-Systemen, also „Labor-auf-einem-Chip“-Systemen, welche mikrostrukturierte Kanäle, Reservoirs, Ventile und/oder andere Fluidmanipulationselemente auf einem Substrat aufweisen, zur Anwendung kommen. Mikrostrukturiert bedeutet dabei, dass wenigstens eine Ausdehnung eines Fluidmanipulationselementes in einem Bereich von weniger als 500 µm liegt. Daher werden solche Vorrichtungen auch Mikrofluidikvorrichtungen genannt.
Diese Mikrofluidikvorrichtungen sind beispielsweise geeignet, chemische und/oder biologische Proben in Reservoirs aufzunehmen, diese durch Kanäle in andere Bereiche zu leiten, Vermischungen mit anderen Substanzen und/oder Analysereagenzien herbei zu führen, chemische Reaktionen zu initiieren und/oder eine Analyse einer Flüssigkeit und/oder eines Gases durchzuführen. Aufgrund der kleinen Abmessungen der eingesetzten Fluidmanipulationselemente sind Mikrofluidikvorrichtungen in handlicher Größe herstellbar und somit leicht zu verschiedenen Orten zu transportieren. Dies ist insbesondere für die Analyse von Umweltproben oder biologischen Proben direkt an der Position, von der die jeweilige Probe stammt, vorteilhaft. Ein Transport und eine Lagerung der Probe wird vermieden und es kann zeitlich effizient an der zu untersuchenden Position ein Analyseergebnis erhalten werden. Außerdem müssen durch die geringen Abmessungen der Fluidmanipulationselemente nur geringe Mengen an Flüssigkeit oder Gas als Probe verwendet werden, wodurch eine sparsame Verwendung des Probenmaterials garantiert wird und auch nur wenig chemische und/oder biologische Abfälle produziert werden.
Eine Temperiervorrichtung kann für verschiedene Funktionen einer Mikrofluidikvorrichtung notwendig sein. Die Temperiervorrichtung kann mithilfe eines Thermoelementes wenigstens einen Bereich der Mikrofluidikvorrichtung kühlen und/oder heizen. Beispielsweise können empfindliche Proben in Reservoirs gekühlt werden oder es kann ein Reaktionsraum beheizt werden, um eine chemische Reaktion zu initiieren oder zu ermöglichen.
Als mit einer elektrischen Kontaktierung kontaktiertes Thermoelement kann beispielsweise ein Peltierelement dienen. Ein Peltierelement kann je nach Stromrichtung einer anliegenden Gleichspannung zum Kühlen oder Heizen verwendet werden. Insofern das Thermoelement lediglich zum Heizen des zu temperierenden Bereiches verwendet werden soll, können beispielsweise sogenannte PTC-Widerstände oder NTC-Widerstände verwendet werden, wobei PTC für „Positive Temperatur Coefficient“ und NTC für „Negative Temperature Coefficient“ steht. Beispiele für PTC-Widerstände sind Metalle, während Halbleiter als NTC-Widerstände fungieren. Die Verwendung von PTC- und/oder NTC-Widerständen als Thermoelement bringt zusätzlich den Vorteil, dass mithilfe des PTC- bzw. NTC-Widerstandes auch die Temperatur des jeweiligen Widerstandes zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelt werden kann, das heißt, man kann auf einen gesonderten Temperatursensor verzichten. Weiterhin können als Thermoelement beispielsweise Keramikheizelemente, Induktionsheizer oder Infrarotheizer verwendet werden.
Eine Temperiervorrichtung der eingangs genannten Gattung ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2006 030 380 A1 bekannt. In dieser Druckschrift ist in einer Assay-Prozessor-Kartusche ein Prozessraum mit einem Biochip vorgesehen, der die Untersuchung einer Probe auf das Vorhandensein verschiedener Moleküle ermöglicht. Zum Abkühlen des Prozessraumes ist ein Kühlstempel vorgesehen, der bezüglich einer zu kühlenden Oberfläche des Prozessraumes mit einem Linearantrieb beweglich ist. Der Kühlstempel kann insbesondere als Peltierelement ausgeführt sein. Um den Kühlstempel also räumlich nah an der zu kühlenden Oberfläche zu positionieren, ist der Betrieb des Linearantriebes notwendig, wofür einerseits Energie aufgewandt werden muss und andererseits der Linearantrieb Raum benötigt, was eine kompakte Bauweise verhindert.
In der Druckschrift DE 10 2009 015 739 A1 ist eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Biosensors gezeigt, wobei die Vorrichtung einen Klappmechanismus umfasst, durch den im geschlossenen Zustand des Klappmechanismus der Biosensor gleichzeitig elektrisch, fluidisch und thermisch angekoppelt ist. Für die thermische Ankopplung steht der Biosensor in einer Sensoraufnahme mit einem Peltierelement in Kontakt. Das Peltierelement ist dabei an einer festen Position des Klappmechanismus unbeweglich vorgesehen.
Die Druckschrift US 5 929 438 A beinhaltet eine Scanvorrichtung zum Erfassen eines thermischen Oberflächenprofils eines Prüfkörpers. Zum Scannen der Oberfläche des Prüfkörpers besitzt die Scanvorrichtung einen Kragarm, welcher einen Tastkopf aufweist. Der Kragarm ist an einer Kragarmhaltevorrichtung angebracht. Der Kragarm weist eine Trägerplatte auf, von welcher sich eine flexible Platte erstreckt. An einem Ende der flexiblen Platte sind ein Tastkopf sowie eine Heizvorrichtung vorgesehen. Die Heizvorrichtung dient der Erwärmung der Oberfläche des Prüfkörpers. Hierbei wird durch die Heizvorrichtung der Tastkopf erwärmt, welcher bei Kontaktieren des Prüfkörpers Wärme an diesen abgibt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Heizvorrichtung haarnadelförmig um den Tastkopf herum ausgebildet. Die Heizvorrichtung wird durch einen Draht elektrisch kontaktiert. Die Heizvorrichtung kann auch andere Formen aufweisen.
In der Druckschrift DE 10 2010 033 991 A1 ist eine Messvorrichtung zur Erfassung eines Messsignals von einer auf einem Wafer aufgebrachten Schaltungsstruktur beschrieben. Die Messvorrichtung weist eine mit einem Verbindungselement gekoppelte Messeinheit auf. Die Messeinheit besteht aus einem Messwandler und einer Messspitze. Die Messspitze weist eine Messsignalkontaktierung und eine Massekontaktierung auf. Die einzelnen Messspitzen sind derart dünn ausgestaltet, dass diese beim Anpressen auf einen Anschlussbereich des Wafers leicht durchgebogen werden, wodurch sich eine leicht federnde Verbindung zwischen dem Wafer und dem Messwandler einstellt. Das Messsignal wird von der Messspitze über eine Streifenleitung oder Koplanarleitung zwei Heizwiderständen zugeführt und über diese gegen die Bezugsmasse abgeleitet. Die Heizwiderstände erwärmen sich, wobei die abgestrahlte Wärmeenergie dafür sorgt, dass in den in unmittelbarer Umgebung angebrachten Thermoelementen eine Thermospannung entsteht. Die Thermoelemente sind beispielsweise in einer Schicht oberhalb der Heizwiderstände angeordnet.
Eine Detektionsvorrichtung zur Analyse einer Flüssigkeit ist in der Druckschrift EP 1 852 703 A1 beschrieben. Die Detektionsvorrichtung weist unter anderem eine Detektionskartusche auf. Die Detektionskartusche weist ein Loch auf, welches durch eine dünne Platte verschlossen ist. Die dünne Platte erstreckt sich von einer Grundplatte der Detektionskartusche, in welcher das Loch vorgesehen ist. Die Detektionskartusche wird zur Analyse einer Flüssigkeit in eine Haltevorrichtung eingebracht, welche mittels eines Klappmechanismus verschlossen und geöffnet werden kann.
Die Druckschrift US 2005/0034302 A1 beinhaltet eine Vorrichtung zum Verbinden von Komponenten, insbesondere von elektronischen Komponenten mit einer Leiterplatte. Die Vorrichtung weist hierzu eine Heizvorrichtung zum Aufschmelzen von Lötstellen auf, an welchen die zu verbindenden Komponenten miteinander verbunden werden. Um eine thermische Zerstörung der zu verbindenden Teile zu vermeiden, besitzt die Vorrichtung ferner einen oberen und einen unteren Kühlkörper zum Kühlen der restlichen Komponenten der zu verbindenden Teile, insbesondere zum Kühlen von Verbindungspunkten, welche nicht aufgeschmolzen werden sollen. Die Vorrichtung kann eine Pressvorrichtung zum Ausüben eines Druckes während des Verbindens der beiden Teile aufweisen. Hierbei umfasst die Pressvorrichtung eine Vielzahl von Nadeln, mit welchen die zu verbindenden Teile gegeneinander gepresst werden. Die Nadeln können mittels einer Feder beweglich gelagert sein.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Temperiervorrichtung der eingangs genannten Gattung bereitzustellen, bei der das Thermoelement den zu temperierenden Bereich besonders effizient thermisch beeinflussen kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Thermoelement durch wenigstens eine in oder auf dem ersten Substrat ausgebildete Federvorrichtung gefedert aufgehangen und durch die Federvorrichtung gegen den zu temperierenden Bereich gedrückt ist, wobei das zweite Substrat eine Fluidikvorrichtung aufweist, in der ein erster Fluidkanal und ein zweiter, von dem ersten Fluidkanal durch wenigstens eine in dem zweiten Substrat ausgebildete Wand getrennter Fluidkanal vorgesehen sind, wobei zwischen dem ersten Fluidkanal und dem zweiten Fluidkanal ein thermosensitives Fluidventil zum Öffnen und/oder Schließen einer Fluidverbindung zwischen dem ersten Fluidkanal und dem zweiten Fluidkanal vorgesehen ist, wobei das Fluidventil dem zu temperierenden Bereich entspricht, gegen den das Thermoelement gedrückt ist..
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass die Beweglichkeit des Thermoelementes relativ zu dem zweiten Substrat durch eine durch die Federvorrichtung realisierte federnde Aufhängung des Thermoelementes an dem ersten Substrat ermöglicht werden kann.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn es darauf ankommt, einen thermisch leitenden Kontakt zwischen dem Thermoelement und dem zu temperierenden Bereich herzustellen, was durch das Drücken des Thermoelementes gegen den zu temperierenden Bereich möglich ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird kein Energie verbrauchender elektromechanischer oder elektropneumatischer Antrieb für die Relativbewegung des Thermoelementes zu dem zweiten Substrat benötigt. Durch die federbelastete Bewegbarkeit des Thermoelementes kann, je nach gewählter Federkraft und Vorspannung der Federvorrichtung, eine Bewegung des zu temperierenden Bereiches ausgeglichen werden, wobei der thermisch leitende Kontakt zwischen dem Thermoelement und dem zu temperierenden Bereich aufrecht erhalten bleibt. Die Federkraft der Federvorrichtung ermöglicht dabei eine Mitbewegung des Thermoelementes, wenn sich der zu temperierende Bereich in Richtung des Thermoelementes bewegt. Die Vorspannung der Federvorrichtung hingegen ermöglicht eine Mitbewegung des Thermoelementes, wenn sich der zu temperierende Bereich von dem Thermoelement weg bewegt. Dadurch kann stets gewährleistet werden, dass zwischen dem Thermoelement und dem zu temperierenden Bereich ein wärmeleitender Kontakt besteht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist das erste Substrat eine Leiterplatte mit der Federvorrichtung und einer elektrischen Kontaktierung für das Thermoelement. Eine Leiterplatte ist ein Träger für elektronische Bauteile und dient zu deren mechanischen Befestigung und elektrischen Kontaktierung. Leiterplatten bestehen vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material und weisen leitende Verbindungen, sogenannte Leiterbahnen, auf. Leiterplatten sind typischerweise, aber nicht unbedingt, als flächige Platten ausgebildet. Die Leiterbahnen einer Leiterplatte sind dabei auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite der Leiterplatte vorgesehen. Die Leiterbahnen können beispielsweise gedruckte Leiterbahnen sein. Die Leiterplatte kann je nach Anwendungsgebiet aus einem starren und/oder einem flexiblen Grundmaterial bestehen. Leiterplatten sind zudem günstig erhältlich und einfach strukturierbar, sodass die mechanischen Anforderungen, die an die Federvorrichtung und die Halterung des Thermoelementes gestellt werden, an der Leiterplatte leicht umgesetzt werden können. Außerdem kann die Leiterplatte, je nach den konkreten Anforderungen, in gewissen lokalen Bereichen oder auch insgesamt eine verstärkte Dicke aufweisen, um somit möglichst starr und/oder in bestimmten Bereichen flexibel ausgeführt zu sein. Die Federvorrichtung kann in dem Leiterplattengrundmaterial und/oder in der Ebene der Leiterbahnen der Leiterplatte ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung weist die Federvorrichtung wenigstens einen aus einem Material der Leiterplatte ausgebildeten, das Thermoelement haltenden oder eine Trägerplatte für das Thermoelement bildenden Federarm auf. Der Federarm kann beispielsweise aus einer blockartigen Leiterplatte durch lokale Materialentfernung und/oder Materialabdünnung herausgebildet werden. Vorzugsweise weist der wenigstens eine Federarm eine dünnere Dicke als wenigstens ein neben dem Federarm befindlicher Bereich der Leiterplatte auf, wodurch eine höhere Flexibilität des Federarms im Vergleich zu dem übrigen Bereich der Leiterplatte erreicht werden kann. Der wenigstens eine Federarm kann beispielsweise linear, mäanderförmig, gezackt, gebogen oder in einer anderen Form ausgestaltet sein.
Das Thermoelement kann auf der Leiterplatte also als sogenanntes „Surface-mounted device“, also als oberflächenmontierte Vorrichtung, vorgesehen sein. Das Thermoelement kann beispielsweise auf die Leiterplatte gelötet sein, wodurch ein geringeres Gewicht sowie eine platzsparendere Bauweise möglich ist als bei einer verdrahteten Durchsteckmontage. Die Leiterplatte fungiert erfindungsgemäß also im Wesentlichen als ein mechanisches Bauelement mit wenigstens einem Federelement, das Bestandteil der Federvorrichtung ist.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Leiterplatte eine aus wenigstens einem starren ersten Trägerbereich und wenigstens einem flexiblen und/oder flexibel an den ersten Trägerbereich angebundenen zweiten Trägerbereich bestehende Hybridleiterplatte ist, wobei das Thermoelement und/oder eine Trägerplatte für das Thermoelement auf dem zweiten Trägerbereich der Hybridleiterplatte vorgesehen ist/sind. Als solche Hybridleiterplatten können beispielsweise sogenannte „Starrflex“-Leiterplatten verwendet werden. Bei diesen Hybridleiterplatten ist wenigstens ein starrer Trägerbereich der Leiterplatte neben wenigstens einem flexiblen Trägerbereich der Leiterplatte vorgesehen. Der flexible Leiterplattenbereich kann beispielsweise aus Polyimid oder Polyester ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann als eine solche Hybridleiterplatte auch eine sogenannte „Semi-Starrflex“-Leiterplatte eingesetzt werden, bei der der flexible Trägerbereich aus dem gleichen Material wie der starre Trägerbereich besteht, jedoch dünner ausgebildet ist.
Wenn die Federvorrichtung bei einer „Starrflex“-Leiterplatte aus flexiblem Leiterplattenmaterial, also beispielsweise aus Polyimid oder Polyester, ausgebildet ist, ist die Federmechanik der Federvorrichtung weniger anfällig gegenüber Bruch als bei einer Ausführung der Federvorrichtung aus starrem Leiterplattenmaterial bei einer „Semi-Starrflex“-Leiterplatte. Das Thermoelement kann also ausschließlich mit dem flexiblen Leiterplattenmaterial, beispielsweise an wenigstens zwei Randseiten des Thermoelementes, verbunden sein, und das flexible Leiterplattenmaterial kann an einer von dem Thermoelement abgewandten Seite mit dem starren Leiterplattenmaterial verbunden ausgebildet sein. Das Thermoelement kann aber auch auf einem Abschnitt der Hybridleiterplatte vorgesehen sein, welche aus dem flexiblen Leiterplattenmaterial besteht. Weiterhin ist es vorstellbar, dass das Thermoelement auf einer Trägerplatte aus starrem Leiterplattenmaterial vorgesehen und die Trägerplatte lediglich durch Abschnitte des flexiblen Leiterplattenmaterials mit einer umliegenden Leiterplatte aus starrem Leiterplattenmaterial verbunden sein kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sind auf dem wenigstens einen Federarm und/oder dem flexiblen Trägerbereich Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des Thermoelementes vorgesehen. Die Leiterbahnen können beispielsweise aus Kupfer oder einem anderen leitenden Material ausgebildet sein. Die Leiterbahnen können beispielsweise gedruckte Leiterbahnen sein, wodurch sie vorteilhaft materialsparend und leicht ausgeführt sein und eine mögliche Bewegung des Federarms und/oder des flexiblen Leiterplattenmaterials ohne Bruch oder Zerstörung mit ausführen können.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist das erste Substrat an oder in einer ersten Platte eines Klappmechanismus gehalten oder haltbar und das zweite Substrat ist an oder in einer gegen das erste Substrat verschwenkbaren zweiten Platte des Klappmechanismus gehalten oder haltbar, wobei in einer geschlossenen Position des Klappmechanismus das wenigstens eine Thermoelement gegen den wenigstens einen zu temperierenden Bereich gedrückt ist. Der Klappmechanismus weist vorzugsweise ein Gelenk auf, beispielsweise ein Scharnier, welches an einer Randposition der ersten Platte und einer Randposition der zweiten Platte vorgesehen ist und die erste Platte mit der zweiten Platte verbindet. Dadurch sind die beiden Platten in einer Schwenkbewegung gegeneinander bewegbar, ähnlich einer Film-Klappe. Dabei sind das erste Substrat und das zweite Substrat zueinander so angeordnet, dass das wenigstens eine Thermoelement des ersten Substrates gegen den wenigstens einen zu temperierenden Bereich des zweiten Substrates bei Schließen des Klappmechanismus gedrückt wird.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die erste Platte und die zweite Platte linear aufeinander beweglich ausgebildet. Die erste Platte ist dann mit der zweiten Platte nicht durch ein Gelenk verbunden, sondern durch einen linearen Schließmechanismus, und die erste und zweite Platte sind in jeder Position der Temperiervorrichtung, ob geschlossen oder geöffnet, parallel zueinander ausgerichtet.
Besonders bevorzugt weist die erste Platte und/oder die zweite Platte eine Aufnahme mit einer elektrischen Kontaktierung für das erste Substrat und/oder das zweite Substrat auf. Vorzugsweise ist in der ersten Platte eine an das erste Substrat formangepasste Aufnahme für das erste Substrat mit dem Thermoelement vorgesehen. Somit kann das erste Substrat mit dem Thermoelement an der ersten Platte verliersicher befestigt werden. Besonders günstig ist es, wenn die zweite Platte eine an das zweite Substrat formangepasste Aufnahme für das zweite Substrat, also eine für eine verliersichere Befestigung des zweiten Substrates, aufweist. Zusätzlich weisen die Aufnahmen jeweils eine elektrische Kontaktierung für die elektrischen Komponenten der jeweiligen Substrate auf. Die Aufnahme in der ersten Platte kann also besonders bevorzugt eine elektrische Kontaktierung für das Thermoelement aufweisen.
Bei der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung weist das zweite Substrat eine Fluidikvorrichtung auf, in der ein erster Fluidkanal und ein zweiter, von dem ersten Fluidkanal durch wenigstens eine in dem zweiten Substrat ausgebildete Wand getrennter Fluidkanal vorgesehen sind, wobei zwischen dem ersten Fluidkanal und dem zweiten Fluidkanal ein thermosensitives Fluidventil zum Öffnen und/oder Schließen einer Fluidverbindung zwischen dem ersten Fluidkanal und dem zweiten Fluidkanal vorgesehen ist, wobei das Fluidventil dem zu temperierenden Bereich entspricht, gegen den das Thermoelement gedrückt ist. Die Fluidikvorrichtung kann vorzugsweise als Mikrofluidikvorrichtung in Form eines „lab-on-a-chip“-Systems ausgeführt sein. Die Fluidikvorrichtung weist wenigstens zwei durch die Wand voneinander getrennte Fluidkanäle auf, welche beispielsweise für einen Transport einer flüssigen Probe verwendet werden können. Für eine Steuerung des Fluidtransportes steht das Fluidventil zur Verfügung, welches eine Fluidverbindung zwischen diesen beiden Fluidkanälen öffnen und schließen kann. Das Fluidventil ist thermosensitiv, das heißt, eine Temperaturänderung kann zum Betätigen des Fluidventils verwendet werden. Durch das Thermoelement der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung, das gegen da Fluidventil drückt, kann das Fluidventil temperiert und dadurch geschaltet werden. Entsprechend ergibt sich ein thermisch öffnendes Fluidventil mit einer gefederten Temperiermechanik.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung weist das Fluidventil eine Abdecklage auf, welche in einer Schließstellung des Fluidventils wenigstens eine Fluidausgangsöffnung des ersten Fluidkanals und/oder wenigstens eine Fluideingangsöffnung des zweiten Fluidkanals dicht anliegend verschließt und in einer Öffnungsstellung des Fluidventils lokal von dem zweiten Substrat unter Freigabe der zwischen der Abdecklage und dem zweiten Substrat verlaufenden Fluidverbindung gelöst ist. Das Fluidventil funktioniert also derart, dass eine Abdecklage in einer Schließstellung wenigstens einen der Fluidkanäle verschließt, indem die Abdecklage dicht an einer Oberfläche des zweiten Substrates anliegt, an der die Fluideingangs- und/oder -ausgangsöffnung in das zweite Substrat zu dem ersten und/oder zweiten Fluidkanal mündet. In einer Öffnungsstellung des Fluidventils liegt die Abdecklage nicht mehr dicht an der Oberfläche an, sondern kann sich beispielsweise von der Oberfläche wenigstens teilweise wegwölben. Somit kann die Fluidverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidkanal freigegeben werden.
Dabei hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Abdecklage auf einer dem zweiten Substrat zugewandten Seite eine Klebeschicht aufweist, welche bei einer Temperaturerhöhung oder -verringerung eine verringernde Klebewirkung aufweist. Durch die Klebeschicht kann insbesondere gewährleistet werden, dass die Abdecklage in der Schließstellung des Fluidventils die Fluideingangs- und/oder -ausgangsöffnung dicht anliegend verschließt. Durch die Verringerung der Klebewirkung bei einer Temperaturänderung löst sich die Abdecklage und das Fluidventil öffnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sind zwischen der Klebeschicht und der Abdecklage und/oder in der Klebeschicht sich bei einer Temperaturerhöhung ausdehnende Partikel vorgesehen. Die sich durch Temperaturänderung ausdehnenden Partikel verringern die Haftung der Abdecklage an dem zweiten Substrat, wodurch die Fluidverbindung in der Öffnungsstellung freigegeben werden kann. Die Partikel können beispielsweise mit einem Gas gefüllt und ballonähnlich ausgeführt sein, sodass sie sich bei einer Temperaturerhöhung durch ein zunehmendes Gasvolumen vergrößern. Je nachdem, wie dicht die Partikel in der Klebeschicht und/oder zwischen der Klebeschicht und der Abdecklage angeordnet sind, können sich in einem ausgedehnten Zustand der Partikel bei der Öffnungsstellung unterschiedlich breite Partikelzwischenräume ergeben, durch die ein jeweiliges Fluid von der Fluidausgangsöffnung zu der Fluideingangsöffnung strömen kann.
Als vorteilhaft hat es sich außerdem herausgestellt, wenn die Abdecklage ein Band, eine Folie oder eine Membran ist, auf dem bzw. der ein- oder beidseitig eine Klebeschicht vorgesehen ist. Die Abdecklage ist in dieser Ausführungsform eine dünne, zweidimensionale, flexible Lage, welche besonders bevorzugt sowohl die Fluideingangsöffnung als auch die Fluidausgangsöffnung überdeckt. Des Weiteren kann die Abdecklage auch räumlich so ausgedehnt sein, dass sie eine komplette, dem Thermoelement zugewandte Oberfläche des zweiten Substrats bedecken kann. Vorzugsweise weist die Abdecklage an ihrer dem zweiten Substrat zugewandten Seite eine Klebeschicht auf, um dicht anliegend an diesem haften zu können. Weiterhin kann die Abdecklage auch vorteilhaft an ihrer dem Thermoelement zugewandten Seite eine Klebeschicht aufweisen, um auch an dem Thermoelement, sowohl in der Öffnungs- als auch in der Schließstellung des Fluidventils, haften zu können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung weist die Abdecklage einschließlich der Klebeschicht eine Dicke auf, die in einem Bereich von 20 µm bis 500 µm, besonders bevorzugt zwischen 50 µm und 250 µm, insbesondere zwischen 70 µm und 150 µm, liegt. Beispielsweise kann die Abdecklage selbst eine Dicke zwischen 50 µm und 100 µm und die wenigstens eine vorgesehene Klebeschicht eine zusätzliche Dicke aufweisen. Somit ist die Abdecklage sehr dünn, also insbesondere platz- und gewichtssparend. Außerdem ist die Abdecklage nicht zu dünn, wodurch die Abdecklage eine ausreichende Stabilität als Bestandteil des Fluidventils aufweist. Je nach gewählter Dicke der Abdecklage kann ein Wärmetransport durch die Abdecklage angepasst werden.
Besonders bevorzugt ist das Thermoelement bei der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung der zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidkanal befindlichen Wand gegenüber angeordnet. Das Thermoelement ist also mit anderen Worten bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung der Fluidverbindung zwischen der Fluidausgangsöffnung und der Fluideingangsöffnung gegenüber angeordnet. Somit wirkt eine Temperaturänderung des Thermoelementes vorteilhafterweise genau an der Position, an dem das Fluidventil die Fluidverbindung freigeben oder verschließen soll.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile sind im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei

1 schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einem Klappmechanismus in einer Querschnittsansicht zeigt;
2 schematisch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einem linearen Schließmechanismus in einer Querschnittsansicht zeigt;
3 schematisch eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einem Klappmechanismus in einer Querschnittsansicht zeigt;
4 schematisch eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einem linearen Schließmechanismus in einer Querschnittsansicht zeigt;
5 schematisch eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einem Klappmechanismus in einer Querschnittsansicht zeigt;
6 schematisch eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einem linearen Schließmechanismus in einer Querschnittsansicht zeigt;
7 schematisch eine Detailansicht einer ersten Variante einer Fluidikvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit geschlossenem Fluidventil in einer Querschnittsansicht zeigt;
8 schematisch eine Detailansicht der Fluidikvorrichtung von 4 mit geöffnetem Fluidventil in einer Querschnittsansicht zeigt;
9 schematisch eine Detailansicht einer zweiten Variante einer Fluidikvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit geschlossenem Fluidventil in einer Querschnittsansicht zeigt;
10 schematisch eine Detailansicht der Fluidikvorrichtung von 6 mit geöffnetem Fluidventil in einer Querschnittsansicht zeigt;
11 schematisch eine Detailansicht einer dritten Variante einer Fluidikvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit geschlossenem Fluidventil in einer Querschnittsansicht zeigt;
12 schematisch eine Detailansicht der Fluidikvorrichtung von 8 mit geöffnetem Fluidventil in einer Querschnittsansicht zeigt;
13 schematisch eine Variante eines ersten Substrates einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einem auf einem in einer Leiterplatte ausgebildeten, breiten Federarm vorgesehenem Thermoelement in einer Draufsicht zeigt;
14 schematisch eine zweite Variante eines ersten Substrates einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einem mittels zwei, in einer Leiterplatte ausgebildeter, mäanderförmiger Federarme gehaltenen Thermoelement in einer Draufsicht zeigt;
15 schematisch eine dritte Variante eines ersten Substrates einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einem mittels zwei in einer Leiterplatte ausgebildeter, diagonal angeordneter Federarme gehaltenen Thermoelement mit rundem Querschnitt in einer Draufsicht zeigt;
16 schematisch eine vierte Variante eines ersten Substrates einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einer mittels zwei in einer Leiterplatte einander gegenüber ausgebildeter Federarme gehaltenen Thermoelement mit rundem Querschnitt in einer Draufsicht zeigt;
17 schematisch eine fünfte Variante eines ersten Substrates einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung unter Nutzung einer Hybridleiterplatte mit einer zweiseitig von flexiblem Leiterplattenmaterial umgebenen Trägerplatte für das Thermoelement in einer Draufsicht zeigt; und
18 schematisch eine sechste Variante eines ersten Substrates einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung unter Nutzung einer Hybridleiterplatte mit einer vierseitig von flexiblem Leiterplattenmaterial umgebenen Trägerplatte für das Thermoelement in einer Draufsicht zeigt.

In 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 1 mit einem Klappmechanismus 4 in einer Querschnittsansicht gezeigt. Der Klappmechanismus 4 besteht aus einer ersten Platte 41 und einer zweiten Platte 42, welche in 1 an einer rechten unteren Ecke der ersten Platte 41 und an einer rechten oberen Ecke der zweiten Platte 42 durch ein Gelenk 45 miteinander verbunden sind. Das Gelenk 45 kann beispielsweise ein Scharnier sein, sodass der Klappmechanismus 4 in einer Kippbewegung einer der Platten 41, 42 auf und zu geklappt werden kann. In 1 ist der Klappmechanismus 4 in einer geöffneten Position gezeigt, die erste Platte 41 ist also in einem von 0° und 180° verschiedenen Winkel zu der zweiten Platte 42 angeordnet. In einer geschlossenen Position des Klappmechanismus 4 ist die erste Platte 41 parallel zu der zweiten Platte 42 und über der zweiten Platte 42, an die zweite Platte 42 anliegend, angeordnet.
Die erste Platte 41 weist an einer zu der zweiten Platte 42 weisenden Oberfläche eine Aufnahme 44 in Form einer Vertiefung auf. In der Aufnahme 44 ist ein erstes Substrat 2 angeordnet. Das erste Substrat 2 ist aus einer Leiterplatte 23 ausgebildet, an welcher auf einer der zweiten Platte 42 zugewandten Oberfläche mehrere Thermoelemente 22 angeordnet sind. Die Thermoelemente 22 können vorzugsweise mit elektrischem Strom betrieben werden. Die Leiterplatte 23 weist eine elektrische Kontaktierung 440 auf, welche in der Ausführungsform von 1 an zwei Positionen mit der ersten Platte 41 eine Verbindung mit der Leiterplatte 23 herstellend ausgebildet ist. Die elektrische Kontaktierung 440 kann außerdem als ein Befestigungsmittel für die Leiterplatte 23 an der ersten Platte 41 wirken.
Die zweite Platte 42 ist als eine auf einer Unterlage abstellbare Grundplatte ausgeführt, bezüglich der die erste Platte 41 schwenkbar ist. Die zweite Platte 42 weist an einer zu der ersten Platte 41 weisenden Oberfläche eine Aufnahme 43 in Form einer Vertiefung auf. In der Aufnahme 43 ist ein zweites Substrat 3 angeordnet, wobei das zweite Substrat 3 an einer zu der ersten Platte 41 weisenden Oberfläche einen zu temperierenden Bereich 31 aufweist. In der Aufnahme 43 sind elektrische Kontakte 430 zur Kontaktierung des zweiten Substrates 3 angeordnet, wobei das zweite Substrat 3 mit einer von der ersten Platte 41 weg weisenden Oberfläche mit den elektrischen Kontakten 430 in Berührung steht. Das zweite Substrat 3 kann insbesondere als eine Mikrofluidikvorrichtung in Form einer so genannten Kartusche ausgebildet sein.
Das erste Substrat 2 in der Aufnahme 44 und das zweite Substrat 3 in der Aufnahme 43 sind derart zueinander angeordnet, dass das wenigstens eine Thermoelement 22 in einer geschlossenen Position des Klappmechanismus 4 auf den wenigstens einen zu temperierenden Bereich 31 gedrückt ist. Dafür ist die Aufnahme 44 in der ersten Platte 41 als eine Vertiefung ausgebildet, welche eine größere Tiefe als eine Dicke D₁ des ersten Substrates 2 aufweist. Das erste Substrat 2 ist also in der Aufnahme 44 versenkt ausgebildet. Die Aufnahme 43 in der zweiten Platte 42 hingegen ist weniger tief ausgebildet als eine Dicke D₂ des zweiten Substrates 3, sodass das zweite Substrat 3 nicht komplett in der Aufnahme 43 versenkt ist.
In 2 ist schematisch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 1a mit einem alternativen Schließmechanismus in einer Querschnittsansicht gezeigt. Dabei bezeichnen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten wie in 1, auf deren obige Beschreibung hiermit Bezug genommen wird. In der Variante von 2 ist anstelle eines Klappmechanismus 4 von 1 eine Alternative gezeigt, in der die zweite, als Grundplatte ausgeführte Platte 42a stets parallel zu der ersten Platte 41a angeordnet ist. Anstelle durch das Gelenk 45, wie in 1, sind die Platten 41a und 42a durch einen linearen Schließmechanismus 46 miteinander verbunden. In 2 ist die Ausführungsform in einer geöffneten Position gezeigt, in der die Platten 41a, 42a beabstandet voneinander sind. Wenn der lineare Schließmechanismus 46 schließt, liegen die Platten 41a, 42a dicht aufeinander auf, sodass die Thermoelemente 22 mit dem wenigstens einen zu temperierenden Bereich 31 in wärmeleitenden Kontakt stehen.
In 3 ist schematisch eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 1b mit einem alternativen Klappmechanismus 4' in einer Querschnittsansicht gezeigt, wobei hier wiederum auf obige Beschreibung bereits erläuterter Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen verwiesen wird. In der Ausführungsform von 3 ist die erste Platte 41b als auf einer Unterlage abstellbare Grundplatte ausgeführt, bezüglich der die zweite Platte 42b schwenkbar ist. Das erste Substrat 2 ist nicht vollständig in der Aufnahme 44' der ersten Platte 41b versenkt. Das zweite Substrat 3 ist dahingegen vollständig in der Aufnahme 43' der zweiten Platte 42b versenkt, wobei die zweite Platte 42b das zweite Substrat 3 auch an einer der ersten Platte 41b zugewandten Seite an zwei gegenüber liegenden Seiten umgreift, nämlich von einer dem Gelenk 45 zugewandten und einer dem Gelenk 45 abgewandten Seite. Somit wird das zweite Substrat 3 verliersicher von der zweiten Platte 42b gehalten. Es ist auch möglich, dass die erste Plate 41b von allen Seiten das zweite Substrat 3 umgreifend ausgebildet ist, wobei ein dem ersten Substrat 2 zugewandter Bereich des zweiten Substrates 3 frei bleibt.
In 4 ist schematisch eine weitere Alternative der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 1c mit einem linearen Schließmechanismus gezeigt. Dabei sind die erste Platte 41c und die zweite Platte 42c wie die Platten 41b, 42b von 3 ausgeführt, jedoch nicht durch das Gelenk 45 verbunden. Vielmehr sind die erste und zweite Platte 41c, 42c in 4 mit dem linearen Schließmechanismus 46 miteinander verbunden, sodass die beiden Platten 41c, 42c stets parallel zueinander angeordnet sind, sowohl in einer geschlossenen als auch in einer offenen Position der Temperiervorrichtung 1c.
In 5 ist schematisch eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 1d mit einem weiteren alternativen Klappmechanismus 4" in einer Querschnittsansicht gezeigt, wobei hier wiederum auf obige Beschreibung bereits erläuterter Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen verwiesen wird. In dieser Ausführungsform ist die zweite Platte 42d als die Grundplatte ausgeführt, bezüglich der die erste Platte 41d schwenkbar ist. Die erste Platte 41d weist dabei eine größere Länge auf als die zweite Platte 42d, wobei die erste Platte 41d in einem Bereich, welche über die zweite Platte 42d übersteht, eine rechtwinklig von der ersten Platte 41d ausgehende Ausstülpung aufweist, welche in einer geschlossenen Position des Klappmechanismus 4" die zweite Platte 42d überdeckt. Das erste Substrat 2 ist in der Aufnahme 44" der ersten Platte 41d gar nicht versenkt, vielmehr ist das erste Substrat 2 an einer zu der zweiten Platte 42d weisenden Oberfläche der ersten Platte 41d mithilfe zweier Kontaktierungen 440 befestigt, ohne dass die Aufnahme 44" eine Vertiefung für das erste Substrat 2 aufweist. Das zweite Substrat 3 ist in der Aufnahme 43" der zweiten Platte 42d vollständig versenkt und wird durch die zweite Platte 42d an einer der ersten Platte 41d zugewandten Seite von wenigstens einer dem Gelenk 45 zugewandten Seite umgriffen.
In 6 ist eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 1e mit einem linearen Schließmechanismus 46 anstelle des Gelenks 45 gezeigt. Die erste Platte 41e und die zweite Platte 42e sind ähnlich wie die Platten 41d, 42d von 5 ausgeführt, jedoch durch den linearen Schließmechanismus 46 miteinander verbunden und nicht mit dem Gelenk 45 von 5. Dadurch sind die beiden Platten 41e, 42e sowohl in einer geöffneten als auch in einer geschlossenen Position der Temperiervorrichtung 1e parallel zueinander angeordnet.
7 zeigt schematisch eine Detailansicht einer ersten Variante einer Fluidikvorrichtung 32 mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung, wobei auf obige Ausführungen zu deren Komponenten verwiesen wird. Die Temperiervorrichtung weist ein erstes Substrat 2 mit einem Thermoelement 22 und ein zweites Substrat 3 mit einem eine Abdecklage 360 aufweisenden Fluidventil 36 auf. In der gezeigten Darstellung ist das Fluidventil 36 geschlossen. Das zweite Substrat 3 ist, wie in den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 6, gegenüber dem ersten Substrat 2 angeordnet. In dem zweiten Substrat 3 sind beispielhaft zwei Fluidkanäle 33, 34 vorgesehen, welche horizontal innerhalb des zweiten Substrates 3 verlaufen. Der erste und der zweite Fluidkanal 33, 34 treffen dabei nicht direkt in dem zweiten Substrat 3 aufeinander, stattdessen ist zwischen dem ersten Fluidkanal 33 und dem zweiten Fluidkanal 34 eine Wand 35 aus dem Material des zweiten Substrates 3 ausgebildet. Der erste Fluidkanal 33 weist eine Abwinklung zu einer Fluidausgangsöffnung 330 an einer dem Thermoelement 22 zugewandten Oberfläche des zweiten Substrates 3 auf, und der zweite Fluidkanal 34 weist eine Abwinklung zu einer Fluideingangsöffnung 340 an der dem Thermoelement 22 zugewandten Oberfläche des zweiten Substrates 3 auf.
Oberhalb benachbart zu der Fluidausgangsöffnung 330 und der Fluideingangsöffnung 340 sind zunächst die Klebeschicht 361 und dann die Abdecklage 360 angeordnet, welche sich in der Ausführungsform gemäß 7 über das gesamte zweite Substrat 3 erstrecken. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es ebenfalls vorstellbar, dass die Klebeschicht 361 und die Abdecklage 360 lediglich einen Bereich des zweiten Substrates 3 um die Fluidausgangsöffnung 330 und die Fluideingangsöffnung 340 abdecken. Die Abdecklage 360 liegt in der in 4 dargestellten geschlossenen Position des Fluidventils 36 mithilfe der Klebeschicht 361 dicht an dem zweiten Substrat 3 an.
Auf einer von dem zweiten Substrat 3 abgewandten Seite der Abdecklage 360 ist das erste Substrat 2 in Form einer Leiterplatte 23 angeordnet. An einer der Wand 35 sowie der Fluidausgangsöffnung 330 und der Fluideingangsöffnung 340 gegenüber liegenden Position an der Leiterplatte 23 ist das Thermoelement 22 vorgesehen. Das Thermoelement 22 dient einer Abkühlung und/oder Erhitzung des Bereiches der Abdecklage 360 und des zweiten Substrates 3, welche in lokaler Nähe zu der Wand 35 angeordnet sind. Das Thermoelement 22 ist in 7 über einen Federarm 27 einer Federvorrichtung 24 mit der Leiterplatte 23 mechanisch verbunden. Besonders vorteilhaft kann über auf dem Federarm 27 vorgesehene, hier nicht gezeigte Leiterbahnen auch eine elektrische Kontaktierung des Thermoelementes 22 mit der Leiterplatte 23 realisiert werden.
Auf der von der Abdecklage 360 abgewandten Seite des ersten Substrates 2 ist in der Ausführungsform von 7 eine Abdeckplatte 5 angeordnet. Die Abdeckplatte 5 dient insbesondere als eine obere Barriere für die Federvorrichtung 24, sodass die Federvorrichtung 24 durch die Abdeckplatte 5 an einem Durchschwingen gehindert wird. Ist die Federvorrichtung 24 aus starrem Leiterplattenmaterial, beispielsweise durch Abdünnung, ausgebildet, kann durch die Abdeckplatte 5 eine Beschädigung der Federvorrichtung 24 durch beispielsweise Bruch verhindert werden.
In 8 ist die Fluidikvorrichtung 32 aus 7 in einer geöffneten Position des Fluidventils 36 gezeigt. Im Vergleich zu der in 7 gezeigten geschlossenen Position des Fluidventils 36 ist das Thermoelement 22 bei ansonsten gleicher Position der Leiterplatte 23 bezüglich des zweiten Substrates 3 durch Anwinklung der Federvorrichtung 24 angehoben. Im Bereich des Thermoelementes 22 wölben sich die Abdecklage 360 und die Klebeschicht 361 von dem zweiten Substrat 3 nach oben, während die übrigen Bereiche der Abdecklage 360 und der Klebeschicht 361 an dem zweiten Substrat 3 anliegen. Durch das teilweise Aufwölben der Abdecklage 360 und der Klebeschicht 361 ist eine Fluidverbindung 37 zwischen der Fluidausgangsöffnung 330 und der Fluideingangsöffnung 340 freigegeben. Das Aufwölben der Abdecklage 360 und der Klebeschicht 361 kann beispielsweise durch Beheizen des zu temperierenden Bereiches 31 mithilfe des Thermoelementes 22 erfolgen, wodurch sich beispielsweise in der Abdecklage 360 oder in der Klebeschicht 361 befindliche Partikel ausdehnen und damit ein teilweises Verbiegen der Abdecklage 360 und der Klebeschicht 361 in dem Bereich des Thermoelementes 22 verursachen.
In 9 ist schematisch eine Detailansicht einer zweiten Variante einer Fluidikvorrichtung 32' einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einem ersten Substrat 2 mit einem Thermoelement 22 und einem zweiten Substrat 3' mit einer Abdecklage 360 und einer Klebeschicht 361, wie oben erläutert, dargestellt. 9 zeigt die Temperiervorrichtung mit einem geschlossenen Fluidventil 36 in einer Querschnittsansicht. Im Gegensatz zu der in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsform verläuft ein zweiter Fluidkanal 34' an einer der Abdecklage 360 zugewandten Oberfläche des zweiten Substrates 3', während ein erster Fluidkanal 33 in einem inneren Bereich des zweiten Substrates 3' verläuft wie in der Ausführungsform nach 7. Eine Fluideingangsöffnung 340' ist somit als ein Bereich des zweiten Fluidkanals 34' ausgebildet, welcher räumlich nah an dem Thermoelement 22 angeordnet ist. Eine Wand 35' ist, wie in der bereits in 7 gezeigten Ausführungsform, zwischen dem ersten Fluidkanal 33 und dem zweiten Fluidkanal 34' angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, dass der erste Fluidkanal 33 in anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ebenso wie der zweite Fluidkanal 34' an der Oberfläche des zweiten Substrates 3' verlaufend ausgebildet ist. Auch in dieser und den weiteren Ausführungsformen kann, wie in 7 und 8 gezeigt, eine Abdeckplatte 5 vorgesehen sein.
10 zeigt schematisch die Fluidikvorrichtung 34' von 6 in einer geöffneten Position des Fluidventils 36. Es wird deutlich, dass die Fluideingangsöffnung 340' durch den Bereich des zweiten Fluidkanals 34' ausgebildet wird, welcher durch die sich aufwölbende Klebeschicht 361 und durch die Fluidverbindung 37' frei gegeben wird.
In 11 ist schematisch eine Detailansicht einer dritten Variante einer Fluidikvorrichtung 32" einer weiteren erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einem ersten Substrat 2 mit einem Thermoelement 22' und einem zweiten Substrat 3" in einer Querschnittsansicht gezeigt. Die gezeigte Temperiervorrichtung weist ein geschlossenes Fluidventil 36' auf. Das zweite Substrat 3", welches gegenüber dem ersten Substrat 2 angeordnet ist, weist in einem zu temperierenden Bereich 31' eine Einbuchtung auf. Gegenüber der Einbuchtung ist an dem ersten Substrat 2 das Thermoelement 22' angeordnet, welches an der zu dem zweiten Substrat 3" weisenden Seite gewölbt und formangepasst zu der Einbuchtung ausgebildet ist. Zwischen dem ersten Substrat 2 und dem zweiten Substrat 3" erstreckt sich eine Abdecklage 360' mit einer Klebeschicht 361', die durch das Thermoelement 22' passgenau in die Einbuchtung gedrückt werden. Der erste und der zweite Fluidkanal 33, 34 sind in 11 nicht dargestellt, es ist jedoch in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch möglich, dass sich der erste und der zweite Fluidkanal 33, 34 vor oder hinter der Bildebene, jeweils senkrecht zu der Bildebene erstrecken. Die Fluidkanäle 33, 34 können dabei sowohl eine größere als auch eine geringere Tiefe aufweisen als die Einbuchtung in dem zweiten Substrat 3". Ebenso können die Fluidkanäle 33, 34 genau so tief sein wie die Einbuchtung.
12 zeigt schematisch die Fluidikvorrichtung 32" aus 11 in einer geöffneten Position des Fluidventils 36'. Durch die Aufwölbung der Klebeschicht 361' und der Abdecklage 360' entsteht in dem zu temperierenden Bereich 31' ein Abstand zwischen dem zweiten Substrat 3" und der Abdecklage 360', wodurch eine Fluidverbindung 37" zwischen den nicht gezeigten Fluidkanälen 33, 34 freigegeben ist.
In 13 ist schematisch eine Variante eines ersten Substrates 2 einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung gezeigt. Das erste Substrat 2 ist hier aus einer Leiterplatte 23 ausgebildet, auf der auf mit einem einzigen, breiten Federarm 27 ein Thermoelement 22 gehalten ist. Der Federarm 27 ist an drei Seiten nicht mit der übrigen Leiterplatte 23 verbunden ausgebildet, sondern durch Ausnehmungen von der Leiterplatte 23 von dieser getrennt. Lediglich an einer Seite ist der Federarm 27 mit der Leiterplatte 23 verbunden. Gegenüber eines mit der übrigen Leiterplatte 23 verbundenen Bereiches des Federarmes 27 bildet der Federarm 27 eine das Thermoelement 22 haltende Trägerplatte 26 aus. Der Federarm 27 kann für eine ausreichende Flexibilität insbesondere dünner ausgebildet sein als die übrige Leiterplatte 23. Auf der Leiterplatte 23 verlaufen über den Federarm 27 zwei Leiterbahnen 25 als elektrische Kontaktierung 21 für das Thermoelement 22.
Eine zweite Variante eines ersten Substrates 2 einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist in 14 schematisch in einer Draufsicht dargestellt. Das erste Substrat 2 ist hier aus einer Leiterplatte 23a ausgebildet, in der Federarme 27a ausgebildet sind, die innerhalb der Leiterplatte 23a eine Trägerplatte 26' halten, auf der ein Thermoelement 22 vorgesehen ist. Die rechteckige Trägerplatte 26' für das Thermoelement 22 wird an zwei gegenüberliegenden Seiten von zwei Federarmen 27a gehalten, welche die Trägerplatte 26' mit der Leiterplatte 23a verbinden. Die Federarme 27a verlaufen dabei nicht direkt von der Trägerplatte 26' zu der Leiterplatte 23a, sondern weisen eine Abwinklung auf, verlaufen also im Prinzip mäanderförmig. Dadurch wird eine Federwirkung der Federarme 27a gegenüber einem geraden, direkten Verlauf verbessert. Auf beiden Federarmen 27a verläuft jeweils eine Leiterbahn 25, jeweils dem Verlauf des Federarms 27a folgend, als elektrische Kontaktierung 21 für das Thermoelement 22.
Eine weitere Ausführungsform des ersten Substrates 2 einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist in 15 in einer Draufsicht gezeigt. In dieser Ausführungsform wird als erstes Substrat 2 eine Leiterplatte 23b verwendet, in der eine an Federarmen 27b aufgehangene Trägerplatte 26" ausgebildet ist, auf der ein Thermoelement 22" vorgesehen ist. Die Trägerplatte 26" und das Thermoelement 22" sind in dem gezeigten Beispiel jeweils mit rundem Querschnitt ausgebildet. Die Federarme 27b münden diagonal gegenüber liegend tangential in der Trägerplatte 26". Alternativ ist auch möglich, dass mehr als zwei Federarme 27b verwendet werden oder dass die Federarme 27b, wie in der Ausführungsform von 14, mäanderförmig verlaufend ausgebildet sind.
Eine weitere Alternative eines ersten Substrates 2 einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist in 16 in einer Draufsicht gezeigt. Wie in der Ausführungsform gemäß 15 sind die Trägerplatte 26" und das Thermoelement 22" rund ausgebildet. Von der Trägerplatte 26" verlaufen die Federarme 27c mittig einander gegenüber liegend. Auch in diesem Fall können alternativ mehr als zwei Federarme 27c vorgesehen oder die Federarme 27c mäanderförmig verlaufend ausgebildet sein. Weiterhin ist es möglich, dass die Trägerplatte 26" und das Thermoelement 22" andere Geometrien als rund oder rechteckig, beispielsweise oval, aufweisen.
In 17 ist eine weitere Variante eines ersten Substrates 2 einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung in einer Draufsicht dargestellt. Das erste Substrat 2 ist hier aus einer als Hybridleiterplatte 28 ausgeführten Leiterplatte 23d ausgebildet. Die Hybridleiterplatte 28 weist einen starren ersten Trägerbereich 280, welcher zentral eine rechteckige Ausnehmung aufweist, sowie einen flexiblen zweiten Trägerbereich 281 auf. Die Hybridleiterplatte 28 ist also als sogenannte „Starrflex“-Leiterplatte ausgebildet. In der Ausnehmung befindet sich eine rechteckige Trägerplatte 26' mit einem Thermoelement 22, wobei die Trägerplatte 26' kleiner als die Ausnehmung ist. Die Trägerplatte 26' ist durch den zweiten Trägerbereich 281 an zwei gegenüber liegenden Seiten mit dem ersten Trägerbereich 280 verbunden. Somit wirkt der zweite Trägerbereich 281 jeweils als Federarm 27d. Auf der Hybridleiterplatte 28 verlaufen Leiterbahnen 25 von dem ersten Trägerbereich 280 über den zweiten Trägerbereich 281 zu dem Thermoelement 22. Die Leiterbahnen 25 können dabei beispielsweise als gedruckte Leiterbahnen ausgeführt sein.
In 18 ist eine alternative Variante eines ersten Substrates 2 einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung in einer Draufsicht gezeigt. Hier kommt als erstes Substrat 2 eine als Hybridleiterplatte 28' ausgebildete Leiterplatte 23e zum Einsatz. Im Unterschied zu der Leiterplatte 23d aus 17 ist in der Ausführungsform von 18 die in der Leiterplatte 23e ausgebildete Trägerplatte 26' an vier Seiten durch den flexiblen zweiten Trägerbereich 281' mit dem starren ersten Trägerbereich 280 verbunden. Sowohl in der Ausführungsform von 17 als auch in der Ausführungsform von 18 kann die Trägerplatte 26' lediglich am Rand mit dem zweiten Trägerbereich 281, 281' verbunden ausgebildet sein. Andererseits kann die Trägerplatte 26' in beiden Fällen auch auf einem ununterbrochenen, flexiblen, zweiten Trägerbereich 281, 281' angeordnet ausgebildet sein, sodass der zweite Trägerbereich 281, 281' teilweise von den Trägerplatten 26' in den 17 und 18 verdeckt ist.
Die Trägerplatte 26' in den 17 und 18 kann dabei einerseits aus starrem Leiterplattenmaterial, wie der erste Trägerbereich 280, ausgebildet sein. Andererseits kann die Trägerplatte 26' auch aus dem gleichen flexiblen Leiterplattenmaterial wie der zweite Trägerbereich 281, 281' ausgebildet sein. Außerdem können die Federarme 27d aus 17 und 27e aus 18 alternativ auch mäanderförmig vorgesehen sein, wie beispielsweise der Federarm 27a von 14, sodass in einer „Starrflex“-Leiterplatte ein mäanderförmig ausgeformter flexibler, zweiter Trägerbereich 281, 281' das Thermoelement 22 aufweisend ausgebildet sein kann.

Claims

Temperiervorrichtung (1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e) mit einem ersten Substrat (2) mit wenigstens einem mit einer elektrischen Kontaktierung (21) kontaktierten Thermoelement (22, 22') und einem zweiten Substrat (3, 3', 3") mit wenigstens einem zu temperierenden Bereich (31, 31'), wobei das Thermoelement (22, 22', 22") relativ zu dem zweiten Substrat (3, 3', 3") beweglich ist, und das Thermoelement (22, 22', 22") durch wenigstens eine in oder auf dem ersten Substrat (2) ausgebildete Federvorrichtung (24) gefedert aufgehangen und durch die Federvorrichtung (24) gegen den zu temperierenden Bereich (31, 31') gedrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Substrat (3, 3', 3") eine Fluidikvorrichtung (32, 32', 32") aufweist, in der ein erster Fluidkanal (33) und ein zweiter, von dem ersten Fluidkanal (33) durch wenigstens eine in dem zweiten Substrat ausgebildete Wand (35, 35') getrennter Fluidkanal (34, 34') vorgesehen sind, wobei zwischen dem ersten Fluidkanal (33) und dem zweiten Fluidkanal (34, 34') ein thermosensitives Fluidventil (36, 36') zum Öffnen und/oder Schließen einer Fluidverbindung (37, 37', 37") zwischen dem ersten Fluidkanal (33) und dem zweiten Fluidkanal (34, 34') vorgesehen ist, wobei das Fluidventil (36, 36') dem zu temperierenden Bereich (31, 31') entspricht, gegen den das Thermoelement (22, 22', 22") gedrückt ist.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (2) eine Leiterplatte (23, 23a, 23b, 23c, 23d, 23e) mit der Federvorrichtung (24) und einer elektrischen Kontaktierung (21) für das Thermoelement (22, 22', 22") ist.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (24) wenigstens einen aus einem Material der Leiterplatte ausgebildeten, das Thermoelement (22, 22', 22") haltenden oder eine Trägerplatte (26, 26', 26") für das Thermoelement (22, 22', 22") bildenden Federarm (27, 27a, 27b, 27c, 27d, 27e) aufweist.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (23, 23a, 23b, 23c, 23d, 23e) eine aus wenigstens einem starren ersten Trägerbereich (280) und wenigstens einem flexiblen und/oder flexibel an den ersten Trägerbereich angebundenen zweiten Trägerbereich (281, 281') bestehende Hybridleiterplatte (28, 28') ist, wobei das Thermoelement (22, 22', 22") und/oder eine Trägerplatte (26, 26', 26") für das Thermoelement (22, 22', 22") auf dem zweiten Trägerbereich (28, 28') vorgesehen ist/sind.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem wenigstens einen Federarm (27, 27a, 27b, 27c, 27d, 27e) und/oder dem zweiten Trägerbereich (281, 281') Leiterbahnen (25) zur elektrischen Kontaktierung des Thermoelementes (22, 22', 22") vorgesehen sind.
Temperiervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (2) an oder in einer ersten Platte (41, 41b, 41d) eines Klappmechanismus (4, 4', 4") gehalten oder haltbar ist und das zweite Substrat (3, 3', 3") an oder in einer gegen das erste Substrat (2) verschwenkbaren zweiten Platte (42, 42b, 42d) des Klappmechanismus (4, 4', 4") gehalten oder haltbar ist, wobei in einer geschlossenen Position des Klappmechanismus (4, 4', 4") das wenigstens eine Thermoelement (22, 22', 22") gegen den wenigstens einen zu temperierenden Bereich (31, 31') gedrückt ist.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (41, 41a, 41b, 41c, 41d, 41e) und/oder die zweite Platte (42, 42a, 42b, 41c, 41d, 41e) eine Aufnahme (43, 43', 43", 44, 44', 44") mit einer elektrischen Kontaktierung (430, 440) für das erste Substrat (2) und/oder das zweite Substrat (3, 3', 3") aufweist.
Temperiervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidventil (36, 36') eine Abdecklage (360, 360') aufweist, welche in einer Schließstellung des Fluidventils (36, 36') wenigstens eine Fluidausgangsöffnung (330) des ersten Fluidkanals (33) und/oder wenigstens eine Fluideingangsöffnung (340, 340') des zweiten Fluidkanals (34, 34') dicht anliegend verschließt und in einer Öffnungsstellung des Fluidventils (36, 36') lokal von dem zweiten Substrat (3, 3', 3") unter Freigabe der zwischen der Abdecklage (360, 360') und dem zweiten Substrat (3, 3', 3") verlaufenden Fluidverbindung (37, 37', 37") gelöst ist.
Temperiervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdecklage (360, 360') auf einer dem zweiten Substrat (3, 3', 3") zugewandten Seite eine Klebeschicht (361) aufweist, welche bei einer Temperaturerhöhung oder -verringerung eine verringernde Klebewirkung aufweist.
Temperiervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Klebeschicht (361) und der Abdecklage (360, 360') und/oder in der Klebeschicht (361) sich bei einer Temperaturerhöhung ausdehnende Partikel vorgesehen sind.
Temperiervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdecklage (360, 360') ein Band, eine Folie oder eine Membran ist, auf dem bzw. der ein- oder beidseitig eine Klebeschicht (361) vorgesehen ist.
Temperiervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdecklage (360, 360') einschließlich der Klebeschicht (361) eine Dicke aufweist, die in einem Bereich von 20 µm bis 500 µm liegt.
Temperiervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (22, 22', 22") der Wand (35, 35') gegenüber angeordnet ist.