DE102022109312A1 - Device for accelerated, miniaturized cooling and heating in medical technology - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum beschleunigten, miniaturisierten Kühlen und Heizen, insbesondere für die PCR- bzw. mRNA-Analyse unter Einsatz von ThermoCyclern zur Vervielfältigung der DNA- bzw. mRNA-Substanzen in der MedizintechnikAufgabe ist es eine Vorrichtung zum beschleunigten, miniaturisierten Kühlen und Heizen in der Medizintechnik zu schaffen, welche eine erheblich verbesserte Lebensdauer besitzt, welche eine höhere Geschwindigkeit der PCR- bzw. mRNA-Analyse sowie präzisere Temperaturverläufe ermöglicht und die Exaktheit der Temperatursteuerung verbessert.Erfindungsgemäß ist in der neuartigen Vorrichtung zum beschleunigten, miniaturisierten Kühlen und Heizen in der Medizintechnik eine massiv ausgebildete Wärmespreiz-Platte 2 ausgebildet, welche bei bester Performance aus hoch-wärmeleitfähigem Silber besteht. Ein oder mehrere in die massive Wärmespreiz-Platte 2 angeordnete, eingelassene und verlötete Wärmerohre 5 vervielfachen die schnelle Wärmeverteilung. Im Prinzip ist es auch möglich anstelle des. bzw. der Wärmerohre 5 geschlossene Kanäle anzuordnen, in denen ein hochwärmeleitfähiges Medium zirkulieren kann und für eine effektive Wärmeverteilung sorgt. Von besonderen Vorteil ist es das alles mitThe invention relates to a device for accelerated, miniaturized cooling and heating, in particular for PCR or mRNA analysis using thermocyclers for duplicating DNA or mRNA substances in medical technology To create heating in medical technology, which has a significantly improved service life, which enables a higher speed of the PCR or mRNA analysis and more precise temperature profiles and improves the accuracy of the temperature control. According to the invention, the novel device for accelerated, miniaturized cooling and heating in medical technology, a massive heat spreader plate 2 is formed, which consists of highly thermally conductive silver with the best performance. One or more heat pipes 5 arranged, embedded and soldered in the solid heat spreader plate 2 multiply the rapid heat distribution. In principle, it is also possible to arrange closed channels instead of the heat pipe(s) 5, in which a highly thermally conductive medium can circulate and ensure effective heat distribution. Of particular advantage is it all with
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum beschleunigten, miniaturisierten Kühlen und Heizen, insbesondere für die PCR- bzw. mRNA-Analyse unter Einsatz von ThermoCyclern zur Vervielfältigung der DNA- bzw. mRNA-Substanzen in der Medizintechnik.The invention relates to a device for accelerated, miniaturized cooling and heating, in particular for PCR or mRNA analysis using thermocyclers for amplifying DNA or mRNA substances in medical technology.
Es sind eine Reihe unterschiedlicher Anordnungen zum Aufbau von ThermoCyclern bekannt. Immer wieder wurden Lösungsideen zum beschleunigten, miniaturisierten Kühlen und Heizen publiziert, ohne dass der Wunsch nach noch höherer Geschwindigkeit sowie Präzision der Temperaturverläufe und die Exaktheit der Temperatursteuerung gestillt werden konnte. Es wurde zur Verbesserung der Geschwindigkeit der PCR- bzw. mRNA-Analyse, sowie des damit einhergehenden Fertigungsaufwandes in der Vergangenheit zahlreiche Lösungen entwickelt und schutzrechtlich gesichert. So gibt es ULTRA FAST PCR -Geräte, welche extrem dünne Polypropylen-Röhrchen einsetzen. Solche sind beispielsweise unter der Adresse https://www.intas-shop.com/de/thermocycler/next-genpcr.html im Internet zu finden.A number of different arrangements for constructing ThermoCyclers are known. Again and again ideas for solutions for accelerated, miniaturized cooling and heating were published, without satisfying the desire for even higher speed and precision of the temperature curves and the exactness of the temperature control. In order to improve the speed of the PCR or mRNA analysis, as well as the associated production costs, numerous solutions have been developed and protected in the past. There are ULTRA FAST PCR devices that use extremely thin polypropylene tubes. Such can be found, for example, at https://www.intas-shop.com/de/thermocycler/next-genpcr.html on the Internet.
Ein weiterer Lösungsansatz nutzt magnetische nano-Partikel zur Umhüllung der PCR- bzw. mRNA- Substanz und zu deren schneller Kühlung und Erwärmung. Dies ist zu finden unter der Adresse https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/ifbs-dohl20720.php.Another approach uses magnetic nano-particles to encapsulate the PCR or mRNA substance and to cool and heat it more quickly. This can be found at https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/ifbs-dohl20720.php.
Schnellste Temperaturwechsel lassen sich auch mit zirkulierenden kalten und warmen Flüssigkeiten erreichen, wie unter
In der Praxis gibt es vielerorts Zurückhaltung gegenüber ULTRA FAST PCR - Geräten. Als sogenannter Goldstandard hat sich der Einsatz von Peltier-Elementen zum Heizen und Kühlen etabliert, da sich damit die Temperaturverläufe und die Exaktheit der Temperatursteuerung am besten beherrschen lassen.In practice there is a lot of reluctance to use ULTRA FAST PCR devices. The use of Peltier elements for heating and cooling has established itself as the so-called gold standard, since this is the best way to control the temperature curves and the precision of the temperature control.
Eine bekannte Lösung des Goldstandards, besteht im Einsatz diskreter Peltier-Elemente, welche nach dem Stand der Technik mittels Wärmeleitpasten oder Wärmeleitklebern mit den weiteren separaten Komponenten des ThermoCyclers verbunden sind. So setzt beispielsweise die
Eine mehr als zehnmal höhere Wärmeleitfähigkeit als massives Kupfer versprechen sogenannte Quadratic-Heatdiffuser bekannt von der Internetseite https://www.quick-coolshop.de/en/heatdiffuser/heatdiffuser-quadratic/heat-diffuser-quadratic.html (Flächen-Wärmespreiz-Platte) nach der
Voraussetzungen für eine Verbindung von Peltier-Element und einer Wärmespreiz-Platte mittels Lötung ist, dass beide Komponenten lötfähige Oberflächen haben. Hierzu schlägt
Bekannt ist weiterhin, dass die typischerweise mit gut wärmeleitenden Keramikplatten versehenen Peltier-Elemente mit Gold beschichtet oder mit Graphitfolien, wie in der
Aus der technischen Lösung gemäß der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Vorrichtung zum beschleunigten, miniaturisierten Kühlen und Heizen in der Medizintechnik zu schaffen, welche eine erheblich verbesserte Lebensdauer besitzt, welche eine höhere Geschwindigkeit der PCR- bzw. mRNA-Analyse sowie präzisere Temperaturverläufe ermöglicht und die Exaktheit der Temperatursteuerung verbessert.The invention is based on the object of creating a device for accelerated, miniaturized cooling and heating in medical technology, which has a significantly improved service life, which enables a higher speed of the PCR or mRNA analysis and more precise temperature profiles and the exactness of the temperature control improved.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Oberbegriffs und des kennzeichnenden Teils des ersten Patentanspruches gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen rückbezüglichen Unteransprüchen beschrieben. Erfindungsgemäß ist in der neuartigen Vorrichtung zum beschleunigten, miniaturisierten Kühlen und Heizen in der Medizintechnik eine massiv ausgebildete Wärmespreiz-Platte 2ausgebildet, welche bei bester Performance aus hoch-wärmeleitfähigem Silber besteht. Ein oder mehrere in die massive Wärmespreiz-Platte 2 angeordnete und eingelassene Wärmerohre 5 vervielfachen die schnelle Wärmeverteilung. Im Prinzip ist es auch möglich anstelle des. Bzw. der Wärmerohre 5 geschlossene Kanäle anzuordnen, in denen ein hochwärmeleitfähiges Medium zirkulieren kann und für eine effektive Wärmeverteilung sorgt. Durch neuartigen Einsatz eines Niedertemperaturlotes und das alles mittels einfachen herzustellenden Lötverbindungen verbunden ist, gewährleistet eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit.The object is achieved with the features of the preamble and the characterizing part of the first claim. Further advantageous refinements are described in the dependent references same subclaims described. According to the invention, a massive
Zum Ersten entfaltet sich die nützliche Wirkung nach Anspruch 1,
Zum Zweiten entfaltet sich die nützliche Wirkung, indem Niedertemperaturlot (z.B. Bi57.6Sn42Ag0.4) eine signifikant höhere Wärmeleitfähigkeit von typische 40 W/m*K gegenüber 10 W/m*K (Wärmeleitpaste) oder Wärmeleitkleber 5 W/m*K aufweist.Secondly, the useful effect unfolds in that low-temperature solder (e.g. Bi57.6Sn42Ag0.4) has a significantly higher thermal conductivity of typically 40 W/m*K compared to 10 W/m*K (thermal paste) or thermal adhesive 5 W/m*K.
Zum Dritten entfaltet sich die nützliche Wirkung, indem die Verlötung im Prinzip eine lösbare Verbindung herstellt, indem durch Temperaturanwendung über den Schmelzpunkt des Lotes (≈ 138°C) die Einzelteile wieder ohne Beeinträchtigung der Funktionalität separierbar sind. Für die Peltier-Elemente 1 werden Betriebstemperaturen von über 175 °C (Laird, TEC, Marlow) erlaubt. Damit wird ein Bauteilwechsel z.B. bei Ausfall oder Erreichen der Lebensdauer ermöglicht.Thirdly, the useful effect unfolds in that the soldering creates a detachable connection in that the individual parts can be separated again without impairing the functionality by applying temperatures above the melting point of the solder (≈ 138°C). Operating temperatures of over 175° C. (Laird, TEC, Marlow) are permitted for the
Zum Vierten entfaltet sich die nützliche Wirkung vorteilhafterweise besonders gut, wenn mehrere zueinander in räumlicher Nähe angeordnete Peltier-Elemente 1, bei zeitlich versetztem Heizen und Kühlen über die integrierte gemeinsame Wärmespreiz-Platte Verlust-Wärme-Spitzen vermitteln.Fourth, the useful effect advantageously unfolds particularly well when several
Zum Fünften entfaltet sich die nützliche Wirkung indem im Gegensatz zu vollflächigen Quadratic-Heatdiffuser das Einlassen von Wärmerohren in der Wärmespreiz-Platte die Gestaltung von Flächen erlaubt, welche für Durchbrüche 3 und 4zur Befestigung (Schrauben) oder elektrische Verbindungen geeignet sind.Fifth, the useful effect unfolds in that, in contrast to the full-surface quadratic heat diffuser, the letting of heat pipes into the heat spreader plate allows the design of surfaces which are suitable for
Zum Sechsten entfaltet sich die nützliche Wirkung indem je nach Auslegung die Miniaturisierung um mehr als den Faktor drei der üblichen Größe reduziert oder die verfügbare thermische Leistung bei gleichem Platzbedarf um mehr als den Faktor drei erhöht werden kann, d.h. die Leistungsdichte erhöht sich insgesamt um mehr als den Faktor drei.Sixth, the useful effect unfolds in that, depending on the design, the miniaturization can be reduced by more than a factor of three of the usual size or the available thermal power can be increased by more than a factor of three with the same space requirement, i.e. the power density increases by more than the factor of three.
Zum Siebenten entfaltet sich die nützliche Wirkung indem bei der Verlötung eine elastische Silikonmatte mit einem Negativabdruck der Gesamtanordnung verwendet wird, was insbesondere bei einem Feld von Peltier-Elementen 1 zu einer wesentlichen Aufwandsverringerung bei der Anfertigung führt.Seventh, the useful effect unfolds in that an elastic silicone mat with a negative impression of the overall arrangement is used during the soldering, which leads to a significant reduction in the effort involved in production, particularly in the case of a field of Peltier
Zum Achten entfaltet sich die nützliche Wirkung auch dann, wenn die Grundplatte 9 des Peltier-Elementes 1 aus einem anderen lötfähigen Material (z.B. Kupfer, Bronze) außer dem in Anspruch 1 genannten nicht oxydierenden Silber besteht. In diesem Fall ist zwar nicht die beste Performance verfügbar, aber es ergeben sich geringere Materialkosten. Die beste Performance ergibt sich, wenn sowohl die Grundplatte 9 als auch die Deckplatte des Peltier-Elementes 1 aus nicht oxydierendem Silber besteht.Eighth, the useful effect also unfolds when the
Der wesentliche Lösungsansatz der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Erschließung der Lötfähigkeit von an sich aus dem Stand der Technik bekannten Peltier-Elementen 1, massiven Wärmespreiz-Platten und Wärmerohren. Die zur Lötung erforderliche Temperatur muss in dem Temperaturbereich zwischen der maximal zulässigen Betriebstemperatur von Peltier-Element 1 und Wärmerohr 5 einerseits und der Schmelztemperatur des Niedertemperaturlotes andererseits liegen. Die sich daraus ergebende lösbare Verbindung bietet die beschriebenen neuen vorteilhaften Merkmale. Von besonderem Vorteil ist die erhebliche Steigerung der Geschwindigkeit der PCR- bzw. mRNA-Analyse, indem das Kühlen und Heizen bei der Vervielfältigung der Probesubstanzen in kürzeren Zeitabständen bei genauerer Temperatursteuerung möglich ist. Zudem besteht hier erstmals die Möglichkeit von Durchkontaktierungen in den Quadratic - Heatdiffuser.The essential solution approach of the present device according to the invention consists in the development of the solderability of Peltier
Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll an Hand der
-
1 eine Vorrichtung mit einem Peltier-Element 1 -
2 eine Vorrichtung mit mehreren Peltier-Elementen 1
-
1 a device with aPeltier element 1 -
2 a device with severalPeltier elements 1
Bei Bedarf kann die Erfindung und 6 skaliert werden, so dass mehrere Peltier-Elemente respektive ein Feld von Peltier-Elementen oberhalb des Verlaufes der Wärmerohre 5, 6 platziert werden können, wie in
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Peltier-ElementPeltier element
- 22
- Wärmespreiz-Platteheat spreader plate
- 33
- Durchbruch zur Befestigung und Kontaktierung zur GegenseiteBreakthrough for attachment and contacting to the opposite side
- 44
- ein weiterer Durchbruch zur Befestigung und Kontaktierung zur Gegenseiteanother opening for fastening and contacting the other side
- 55
- Wärmerohrheat pipe
- 66
- weiteres Wärmerohranother heat pipe
- 77
- Reservierter Platz für weitere Befestigungen und Kontaktierungen zur GegenseiteReserved space for further attachments and contacts to the opposite side
- 88th
- Anschlussfahnen des Peltier-ElementesTerminal lugs of the Peltier element
- 99
- Lötfähige Grundplatte des Peltier-ElementesSolderable base plate of the Peltier element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R082 | Change of representative |