DE69007305T2

DE69007305T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Schnellregulierung einer Wandtemperatur.

Info

Publication number: DE69007305T2
Application number: DE69007305T
Authority: DE
Inventors: Daniel Cohen; Frederic Dufau; Bernard Dutertre; Dominique Duval; Frederic Ginot; Jean Hache; Troton Agnes Marcadet
Original assignee: Bertin et Cie SA
Current assignee: Bertin Technologies SAS
Priority date: 1989-01-20
Filing date: 1990-01-19
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2010-01-20
Also published as: US5161609A; FR2642156B1; ES2053128T3; WO1990008298A1; DE69007305D1; JPH03503445A; EP0379437A1; AU4963190A; FR2642156A1; CA2025465A1; EP0379437B1; ATE103062T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Schnellregelung einer Mehrzahl von Bereichen einer Wand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der US-A 4 679 615 bekannt. Ein solches Verfahren wird insbesondere bei molekularbiologischen Arbeiten verwendet, die Reaktionen bei kontrollierten Temperaturen erfordern, wie z. B. enzymatische Behandlungen der DNS.
Einige dieser Arbeitsgänge erfordern es, Zellproben oder makromolekulare Proben thermischen Zyklen auszusetzen, die Temperaturstufen aufweisen, welche in bezug auf ihre Dauer und Temperatur sehr genau bestimmt sind (ΔT< 0,1 ºC). In gewissen Fällen müssen diese Zyklen mehrmals wiederholt werden.
Weiters ist es aus wirtschaftlichen Überlegungen erwünscht, diese Arbeiten zugleich an einer großen Anzahl von Proben auszuführen. Es ist daher notwendig, die Temperatur einer großen Anzahl von Proben zeitlich sehr genau zu steuern, die Temperatur dieser Proben gleichmäßig zu verändern und die Temperaturänderungen zwischen den Stufen so rasch wie möglich durchzuführen, sodaß die Gesamtzeit eines bestimmten Arbeitsganges für eine industrielle Nutzung geeignet ist (die biologischen Reaktionszeiten können, sofern diese selbst betroffen sind, nicht verringert werden).
Aus der US-A 4 679 615 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Heizung und Kühlung von biologischen Proben mittels einer wärmeleitenden Platte bekannt geworden, welche die Proben trägt und deren Enden mit einer Flüssigkeit in Kontakt stehen, die geheizt oder gekühlt werden kann. Es ist vorgesehen, daß die Enden der Platte unterschiedliche Temperaturen aufweisen, um in der Platte einen Temperaturgradienten zu erzeugen, sodaß die biologischen Proben unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung ermöglichen es jedoch nicht, biologische Proben gleichzeitig identischen thermischen Zyklen auszusetzen.
Das Dokument FR-A-2 193 187 beschreibt eine isotherme Heizungsvorrichtung mit mehreren "Caloduc"-Heizkammern, das heißt, sie umfaßt einen Behälter, der ein Fluidum zum Transportieren der Wärme in flüssiger Phase und in Dampfphase enthält, und eine diesem Behälter zugeordnete Wärmequelle, wie einen Brenner oder einen elektrischen Widerstand. Mittels dieser Vorrichtung ist es möglich, die Heizkammern auf konstanter Temperatur zu halten, jedoch nicht, darin gleichzeitig Temperaturzyklen zu realisieren, die Temperaturstufen aufweisen, welche durch abrupte Übergänge voneinander getrennt sind.
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Temperaturregelung, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und den oben angeführten Bedingungen genügt.
Ebenso ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art anzugeben, die insbesondere zum gleichzeitigen Ausführen molekularbiologischer Arbeitsgänge der genannten Art an einer großen Anzahl biologischer Proben geeignet sind.
Die Erfindung hat weiters ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art zum Ziel, die für andere Falle anwendbar sind, bei welchen die Temperatur eines Elementes oder einer Anordnung von Elementen rasch und genau geändert werden muß, wie es zum Beispiel bei Reaktoren mit temperaturgesteuerten Wänden, bei enzymatischen Reaktoren, bei Zellreaktoren, Reaktoren für Polymerisation, zur Behandlung oder Transformation von Kunststoffmaterialien, für fotografische Zwecke (Filmverarbeitung) u.s.w. der Fall ist.
Anhand der Erfindung wird daher ein Verfahren zur thermischen Schnellregelung einer Mehrzahl von Bereichen einer Wand, insbesondere von Behältern, welche biologische Proben enthalten, um sie zugleich identischen thermischen Zyklen zu unterwerfen, die aufeinanderfolgende Stufen mit vorbestimmter Dauer und Temperatur aufweisen, welche durch Übergänge voneinander getrennt sind, wobei ein diese Wandbereiche umschließendes Gehäuse, welches ein wärmeübertragendes Fluidum enthält, das mit den Wandbereichen thermisch in Kontakt steht, und eine externe Wärmequelle, welche dem Gehäuse zugeordnet ist, Verwendung findet, um Wärme an dieses Fluidum abzugeben und von diesem aufzunehmen und so die Temperatur von Wandbereichen an einer von der Quelle vorgegebenen Solltemperatur zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeits/Dampf-Gleichgewicht des Fluidums in diesem Gehäuse dicht eingeschlossen ist, welches eine freie Zirkulation der Dampfphase des Fluidums ermöglicht und eine innere Auskleidung für eine kapillare Zirkulation der Flüssigphase des Fluidums aufweist, und diese Quelle gesteuert wird, um die gemäß der Stufen des thermischen Zyklus vorgegebene Temperatur zu ändern und zwischen diesen Stufen einen abrupten Übergang heibeizuführen, wobei die Temperatur dieser Wandbereiche durch lokale Kondensation und Verdampfung des Fluidums in dem Gehäuse quasi-unverzüglich den Änderungen der Solltemperatur folgt.
Im Rahmen der Erfindung wird eine besondere Anwendung der "Caloduc"-Technik vorgenommen, die ursprünglich in der Raumfahrtindustrie zum raschen Abführen einer großen Wärmemenge benutzt wird, die durch ein Heizelement erzeugt wird, welches im allgemeinen ein in einem Satelliten eingebautes Elektronikgehäuse ist. Ein "Caloduc" besteht im wesentlichen aus einer geschlossene Röhre mit einer inneren Auskleidung, bestehend aus einem porösen Material zur kapillaren Zirkulation von Flüssigkeit und aus einer bestimmten, in der Röhre bei den angestrebten Bedingungen im Zustand der zwei Phasen Flüssigkeit und Dampf vorliegende Fluidum. Von den beiden Enden der Röhre ist eines mit einem Heizelement und das andere mit einer Oberfläche zur Wärmeableitung nach außen durch Strahlung verbunden. Der Wärmeübergang zwischen dem Heizelement und dem Äußeren findet im Caloduc durch Änderung der Phase des Fluidums statt, welches in der Nähe des Heizelementes kontinuierlich verdampft und nach außen hin in der Nahe der Diffusionsoberfläche kondensiert, wobei die Auskleidung mit kapillarem Material einen kontinuierlichen und raschen Übergang der Flüssigkeit von dem kalten zu dem warmen Ende des "Caloducs" sicherstellt. Die thermische Leitfähigkeit eines "Caloducs" ist äußerst hoch, mehrere Größenordnungen höher als beispielsweise jene von Kupfer.
Dieses Prinzip wurde, wie bereits erwähnt, auch zur Heizung von Kammern auf eine konstante Temperatur verwendet.
Durch die Erfindung wird dieses bekannte Prinzip für einen unterschiedlichen Zweck verwendet, um Zyklen von Temperaturänderungen an Wänden, die mit einem geeigneten Fluidum in Kontakt stehen, präzise und quasi-unverzüglich herbeizuführen. Genauer gesagt, wird durch die Erfindung je nach Wunsch ein quasi-unverzügliches Heizen und Kühlen von Proben, die mit einem geeigneten Fluidum thermisch in Kontakt stehen, welches sich in einem Gleichgewicht der zwei Phasen Flüssigkeit und Dampf befindet, und ein Halten dieser Proben an einer genauen Temperatur über eine vorgegebene Zeitdauer ermöglicht.
In anderen Worten wird anhand der Erfindung durch Verwendung ein und desselben Mittels das Aufrechterhalten einer vorgegebenen Temperatur und ein abruptes Ändern dieser Temperatur auf einen anderen vorgegebenen Wert ermöglicht, da das verwendete Mittel gegenüber dem äußeren entweder im wesentlichen thermisch unendlich träge ist (wodurch das Halten der genau vorgegebenen Temperatur und das Verringern parasitärer äußerer Einflüsse möglich ist) oder eine thermische Trägheit gleich Null besitzt (wodurch das rasche Verändern dieser Temperatur auf einen anderen vorgegebenen Wert möglich ist).
Gemäß einer besonderen Form der Erfindung weist das Verfahren das Bestimmen der Eigenschaften und der Gesamtmasse des Fluidums in Abhängigkeit von dem Volumen des Gehäuses auf sodaß das Flüssigkeits/Dampf-Gleichgewicht des Fluidums und die Anreicherung der kapillaren Auskleidung mit Fluidum in der flüssigen Phase für alle Temperaturen in einem vorbestimmten Bereich vorgebbarer Temperaturen liegt.
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren für molekularbiologische Arbeitsgänge verwendet wird, bei welchen die Temperatur einer Probe nach einem vorgegebenen Zyklus beispielsweise zwischen den Extremwerten 0 und 100ºC variieren kann, wird anhand der Erfindung ermöglicht, die Temperatur der an der Reaktion beteiligten Proben nahezu unverzüglich zu verändern, um zu verhindern, daß diese einem Wert unterliegen, der zwischen den beiden Extremwerten liegt.
Die verwendete Wärmequelle kann reversibel sein, um ein selektives Erhöhen und Verringern der Solltemperatur des Fluidums zu ermöglichen oder zwei vertauschbare Wärmequellen besitzen, von welchen eine das Erhöhen und die andere das Verringern der Temperatur des Fluidums ermöglicht.
Bei einer Variante kann die externe Energiequelle Mittel umfassen, welche das Verändern des Dampfdruckes des Fluidums in dem Gehäuse ermöglichen.
Tatsächlich bewirkt eine Veränderung des Dampfdrucks des Fluidums in dem Gehäuse entweder ein Erhöhen der Temperatur dieses Fluidums (Kompression der Dampfphase) oder ein Verringern der Temperatur (Ausdehnen der Dampfphase). Mittels Eichung und genauer Detektion des Drucks und der Temperatur des Fluidums, beispielsweise einem klassischen Mittel zur Veränderung des Drucks mittels einer deformierbaren Wand, ist eine Bestimmung der Solltemperatur des Fluidums möglich.
Falls die Erfindung bei molekularbiologischen Reaktionen angewendet wird, können die Elemente, deren Temperatur zu regeln ist, Röhren sein, die mit Filtermembranen versehen sind und biologische Proben, wie Zellen oder Makromoleküle enthalten, wobei das erfindungsgemaße Verfahren, beispielsweise zur Behandlung von DNS, darin besteht, zyklische Temperaturänderungen mit Reagenzien und mit Druckänderungen in den Röhren zu kombinieren.
In diesem Fall sind die Übergangszeiten zwischen vorgegebenen Temperaturstufen bezüglich der Dauer der biologischen Reaktionen im wesentlichen vernachlässigbar.
Anhand der Erfindung wird ebenso eine Vorrichtung zur thermischen Schnellregelung einer Mehrzahl von Bereichen einer Wand vorgeschlagen, insbesondere von Behältern, welche biologische Proben enthalten, um sie zugleich identischen thermischen Zyklen zu unterwerfen, die aufeinanderfolgende Schritte mit vorbestimmter Dauer und Temperatur aufweisen, welche durch Übergänge voneinander getrennt sind, wobei diese Vorrichtung ein Gehäuse, welches die Wandbereiche umschließt, und ein warmeübertragendes Fluidum enthält, das mit den Wandbereichen thermisch in Kontakt steht, sowie eine externe Wärmequelle aufweist, die dem Gehäuse zugeordnet ist, um Wärme an dieses Fluidum abzugeben und von diesem aufzunehmen und so die Temperatur von Wandbereichen an einer von der Quelle vorgegebenen Solltemperatur zu halten, dadürch gekennzeichnet, daß das Gehäuse dicht abgeschlossen ist und ein Flüssigkeits/Dampf-Gleichgewicht enthält, wobei dieses Gehäuse eine freie Zirkulation der Dampfphase des Fluidums ermöglicht und eine innere Auskleidung für eine kapillare Zirkulation der Flüssigphase des Fluidums aufweist, und diese Vorrichtung Mittel zum Steuern der Quelle aufweist, um die gemäß der Stufen thermischer Zyklen vorgegebene Temperatur zu ändern und zwischen diesen Stufen einen abrupten Übergang herbeizuführen, wobei die Temperatur dieser Wandbereiche durch lokale Kondensation und Verdampfung des Fluidums in dem Gehäuse quasi-unverzüglich den Änderungen der Solltemperatur folgt.
Bei einer Ausführungsform dieser Vorrichtung, die insbesondere für molekularbiologische Reaktionen anwendbar ist, weist das Gehäuse parallele Durchgänge auf, welche nach außen führen und Behälter und/oder Aufnahmen für Röhren bilden, in welchen die biologischen Proben, wie Zellen oder Makromoleküle angeordnet werden.
Die Wände dieser Durchgange bilden Mittel zur Wärmeübertragung durch eine Verbindung zwischen dem Inhalt der Behälter oder der Röhren und dem in dem Gehäuse enthaltenen Fluidum, wogegen die Wände des Gehäuses, an welchen die Enden der Durchgänge münden, mittels Abdeckhauben dicht verschlossen sind, welche Mitteln zum Komprimieren oder Dekomprimieren des Inhaltes der Behälter oder Röhren zugeordnet sind.
Vorzugsweise sind die Röhren an einem Ende durch ein und dieselbe transversale Platte gehalten, die an einer Wand angeordnet wird, wenn die Röhren in dem Durchgang des Gehäuses untergebracht sind.
So kann gleichzeitig eine sehr große Anzahl von Röhren verarbeitet werden, in welchen je eine biologische Probe enthalten ist.
Anhand der folgenden, beispielhaften Beschreibung wird die Erfindung leichter verständlich und weitere Merkmale und Vorteile derselben werden klarer ersichtlich, wobei darin auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen wird, die zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für molekularbiologische Arbeiten
Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch einen wesentlichen Teil der Vorrichtung nach Fig. 2,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante der Vorrichtung.
Vorerst wird auf die Figur 1 Bezug genommen, um das Prinzip der Erfindung zu erläutern.
Mit dem Bezugsszeichen 10 ist ein dicht geschlossenes Gehäuse bezeichnet, welches zumindest teilweise wärmedämmend ausgebildet ist und eine beispielsweise röhrenförmige Wand 12 aufweist, deren Temperatur veränderbar ist. Die Wand 12 steht mit einem in dem Gehause 10 eingeschlossenen Fluidum in Kontakt, dessen Flüssigkeits- und Dampfphase sich im gesamten Temperaturbereich für die Wand 12 im Gleichgewicht befinden. Das flüssig vorliegende Fluidum benetzt zur Gänze eine Auskleidung 14, beispielsweise aus einem porösen oder fasrigen Material, welche eine kapillare Zirkulation der Flüssigkeit ermöglicht und das Gehause 10 und die Wand 12 bedeckt, um einen kontinuierlichen Pfad für die kapillare Zirkulation der Flüssigkeit zwischen der Wand 12 und einem außen liegenden Teils der Wand des Gehäuses 10 zu ermöglichen.
Diese periphere Wand des Gehäuses 10 steht mit einer äußeren Energiequelle S, wie einer reversiblen Wärmequelle (Peltier Element oder ein Kreislauf eines Fluidums) thermisch in Kontakt. Diese Quelle S ist dazu vorgesehen, an dem Fluidum, das in dem Gehäuse in einem Flüssigkeits- Dampfgleichgewicht vorliegt, eine Solltemperatur Tc einzustellen, sodaß die Temperatur Te der Wand 12 so rasch wie möglich die Temperatur Tc erreicht. Wenn die Solltemperatur Tc höher als die Temperatur des Fluidums ist, findet im thermischen Kontaktbereich mit der äußeren Wärmequelle S eine lokale Verdampfung eines Teils des flüssigen Fluidums statt, welche zu einer Erhöhung des Drucks im Inneren des Gehäuses 10 führt. Da die Temperatur des Gleichgewichts zwischen der flüssigen und dampfförmigen Phase sich gleichsinnig mit dem Druck verändert, führt eine oben angeführte Erhöhung des Drucks zu einer Erhöhung der Gleichgewichtstemperatur zwischen Flüssigkeit und Dampf in dem Gehäuse. Diese Temperatur kann höher sein als die Temperatur der Wand 12, wodurch eine lokale Kondensation des Fluidums stattfindet. Diese Kondensation führt zu einer Wärmeentwicklung, wobei das Fluidum seine latente Kondensationswärme auf die kalten Teile des Gehäuses abgibt. Wenn das Gehäuse 10 ausreichend wärmegedämmt ist, bildet die Wand 12 die einzig verfügbare Kältequelle, welche daher die latente Kondensationswärme des kondensierten Teils des Fluidums aufnimmt. Diese Aufnahme von Wärme führt zu einer Erhöhung der Temperatur Te der Wand 12.
Diese Zweifachwirkung der lokalen Verdampfung des Fluidums im thermischen Kontaktbereich mit der externen Wärmequelle S und die lokale Kondensation im Kontaktbereich mit der Wand 12 führt zu einer kapillaren Zirkulation der Flüssigkeit von der Wand 12 zu dem Kontaktbereich mit der Quelle S und findet solange statt, bis das Temperaturgleichgewicht Tc=Te vorliegt. Wenn die latente Kondensationswärme des Fluidums viel höher als die spezifische Wärme der vorgesehenen Temperaturänderungen ist, erfolgt die Temperaturerhöhung augenblicklich. Tatsächlich sind es die durch Wärmeleitung stattfindenden Übergänge durch die Gehäusewand 10, welche die Temperaturregelung verlangsamen.
Wenn im Gegensatz dazu ein Verringern der Temperatur der Wand 12 bezüglich der Gleichgewichtstemperatur erwünscht ist, wird die Solltemperatur Tc bis auf den gewünschten Wert abgesenkt, was zu einer lokalen Kondensation des Fluidums in dem Gehäuse 10, einer Verringerung des Drucks in diesem Gehäuse und einer entsprechenden Verringerung der Temperatur des Flüssigkeits-Dampfphasengleichgewichts des Fluidums führt und daher eine Verdampfüng der Flüssigkeit in der Nähe der Wand 12 zur Folge hat. Die verdampfende Flüssigkeit entnimmt ihre latente Verdampfungswärme von der Wand 12, welche die einzige verfügbare Wärmequelle ist. Die Temperatur der Wand 12 verringert sich daher aufgrund der Überfuhr von flüssigphasigem Fluidum in der kapillaren Auskleidung des Gehäuses 10 zwischen dem thermischen Kontaktbereich mit der Quelle S und der Wand 12 bis auf die Solltemperatur Tc.
Die Wahl eines geeigneten Materials kann die Überführ von Wärme durch Leitung zwischen dem in dem Gehäuse 10 enthaltenen Fluidum, der Wand 12 und der externen Warmequelle S verbessern. Auf das letztere bezogen, können die Verbindungsmittel mit dem Gehäuse 10 nötigenfalls durch ein Wärmerohr realisiert sein und eventuell zur gleichzeitigen Aufnahme mehrerer Gehäuse eingerichtet sein.
Selbstverstandlich kann anstelle der Verwendung einer reversiblen Wärmequelie S selektiv eine äußere Wärmequelle und eine äußere Kältequelle verwendet werden, von welchen eine zum Erhöhen und die andere zum Verringern der Temperatur dient.
Bei einer Variante kann ebenso die externe Wärmequelle durch ein geeignetes Mittel zum Verändern des Dampfdrucks im Inneren des Gehäuses 10 ersetzt sein. Diese Veränderung des Druckes kann entweder durch Einbringen von unter Druck stehendem Fluidum in das Gehäuse oder durch Verringern des Gehäusevolumens mittels einer beweglichen Wand oder einer elastisch deformierbaren membranartigen Wand vorgenommen werden.
In allen Fallen ermöglicht eine externe Energiequelle S eine rasche unverzügliche Änderung der Temperatur der Wand 12 durch Änderung der Phase des in dem Gehäuse 10 enthaltenen Fluidums.
Das Gehäuse 10 ermöglicht ebenso das Halten der Temperatur der Wand 12 an einem durch die Quelle S vorgegebenen Sollwert. Alle Veränderungen der Temperatur der Wand 12, die zum Beispiel durch Abgabe oder Aufnahme von Wärme im Lauf einer chemischen Reaktion entstehen, werden automatisch sofort durch das Gehäuse 10 kompensiert, welches die Wand 12 auch vor äußeren parasitären Einflüssen schützt.
In Figur 2 ist eine Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips dargestellt. Zur Erleichterung des Verständnisses werden in Figur 2 für die entsprechenden, in Figur 1 dargestellten Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet wie in Figur 1.
In Figur 2 ist daher ein dicht geschlossenes Gehäuse 10 zu sehen, welches ein im Gleichgewicht der zwei Phasen Flüssigkeit und Dampf befindliches Fluidum und eine innere Auskleidung enthält, welche eine kapillare Zirkulation des flüssigphasigen Fluidums sicherstellt und in welcher Durchgänge zur Aufnahme von Elementen vorgesehen sind, deren Temperatur zu regeln ist. Die externe Wärmequelle S steht durch Wärmeleitung mit der äußeren Wand des Gehäuses 10 thermisch in Kontakt, deren obere und untere Querwande 16, 18 wärmedämmend ausgebildet sind.
Die Elemente sind Röhren 12, die durch eine einzelne Platte 20 gehalten werden und dazu bestimmt sind, in parallele, quer verlaufende Durchgänge 22 des Gehäuses 10 eingesetzt zu werden, die so ausgebildet sind, daß sie Röhren 12 aufnehmen und zu diesen einen guten thermischen Kontakt herstellen können. Aus diesem Grund können die Röhren 12 eine etwas kegelstumpfförmige äußere Oberfläche besitzen, wobei die Durchgänge 22 eine entsprechende innere Oberfläche aufweisen.
In dem vorliegenden Fall sind die Röhren 12 an ihren zwei Enden geöffnet, wobei ihre oberen Enden in die obere Fläche der Platte 20 münden. Zum dichten Verschließen der die Röhren 12 tragenden Platte 20 bzw. der unteren Fläche 18 des Gehäuses 10 sind Abdeckungen 24, 26 vorgesehen. Diese Abdeckungen 24, 26 sind mit Mitteln 28 zum Steuern des Druckes an beiden Seiten der Röhren 12, das heißt zu beiden Seiten einer Filtermembran, die quer im Inneren jeder Röhre 12 angeordnet ist verbunden.
Durch die Mittel 28 wird ebenso die Funktion der externen Energiequelle S gesteuert, um die Temperatur in den Röhren 12 zu regeln.
Figur 3 ist ein etwas detallierterer schematischer Schnitt durch den wesentlichen Teil dieser Vorrichtung in ihrem Betriebszustand dargestellt.
In Figur 3 sind die eine Filtermembran 30 aufweisenden zylindrischen Röhren 12, die in quer verlaufenden Durchgängen 22 des Gehäuses 10 angeordnet sind, und die Abdeckungen 24 und 26 zu sehen, welche dicht mit der die Röhren 12 tragenden Platte 20 bzw. der unteren Wand des Gehäuses 10 verbunden sind. Zwischen den oberen und unteren Wänden des Gehäuses 10 einerseits und zwischen der Platte 20 und der unteren Abdeckung 26 andererseits sind thermisch isolierende, an der Mündung der Durchgänge 22 perforierte Platten oder Folien 32 angeordnet.
Das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Fluidum ist beispielsweise Freon (geschützte Marke), welches die erforderlichen Eigenschaften aufweist.
Die Auskleidung, beispielsweise aus einem porösen oder faserigen Material, welches die kapillare Zirkulation der Flüssigkeit im Inneren des Gehauses 10 gewährleistet, kann z. B. ein durch Flüssigkeit benetzbares Sintermaterial sein, das traditionellerweise in der Kühlindustrie verwendet wird.
Das Gehäuse 10 ist aus einem druckbeständigen Material (in der Größenordnung von ±15% des mittleren Druckes bei einer Temperaturänderung von 0 auf 100ºC) hergestellt, welches entweder für einen optimalen Wärmetransfer zur Wärmequelle S ein guter Wärmeleiter, wie Messing, oder ein thermisch isolierendes Material sein soll, um einen Wärmeübergang von den oberen und unteren Wänden 16, 18 des Gehäuses zu verringern. Im ersten Fall sind die Flächen 16, 18 des Gehäuses wärmeisoliert, wogegen im zweiten Fall Mittel für den Wärmeübergang durch die Außenwand des Gehäuses vorgesehen sind.
Bei der schematisch in Figur 4 dargestellten Ausführungsvariante weist die Vorrichtung ein Gehäuse 10 der vorhin genannten Art auf, welches einer externen Wärmequelle S zugeordnet ist und in welcher in Ausnehmungen seiner Deckfläche Bohrungen oder Röhren 12 aufgenommen sind, die an ihren oberen Enden durch eine einzelne Platte 20 gehalten sind. Diese Platte 20 ist durch eine undurchlässige Folie 34 abgedeckt, welche die Bohrungen oder Röhren 12 verschließt. Die Platte 20 wird durch einen Heiz- oder Kühlkopf 36 abgedeckt, welcher mit Mitteln 38 zur thermischen Regelung verbunden ist, welche seine Temperatur im wesentlichen auf jener der Röhren 12 halten.
Selbstverständlich kann die Abdeckung 36 in derselben Weise wie das Gehäuse 10 aufgebaut und an dieselbe Quelle S angeschlossen sein. Die Anzahl der von der Platte 20 gehaltenen Röhren kann relativ hoch sein (z.B. in üblicher Weise 96 Röhren in 8 Reihen und 12 Spalten) und die Röhren 12 können mit der Platte 20 einstückig ausgebildet sein.
Bei einer -erfindungsgemäßen Vorrichtung können eine reversible externe Wärmequelle oder zwei vertauschbare Wärmequellen, von welchen eine warm und die andere kalt ist, verwendet werden.
In der Praxis ist die erfindungsgemäße Vorrichtung einem computergesteuerten Roboter zugeordnet, welcher die zu behandelnden Proben und gegebenenfalls die Zusatzstoffe und Reagenzien in die Röhren 12 einbringt, die Platte 20, welche eine Reihe von Röhren 12 trägt, in das Gehäuse 10 einbringt und eventuell dieses Gehäuse von einer Wärmequelle zur anderen verschiebt u.s.w.... Die Drucksteuerung an den Enden der Röhren 12 ermöglicht das Durchführen von Filterungen, Dialysen, das Zurückgewinnen von festem Material durch Umkehr der Druckdifferenz u.s.w...

Claims

1. Verfahren zur thermischen Schnellregelung einer Mehrzahl von Bereichen einer Wand (12, 20), insbesondere von Behältern, weiche biologische Proben enthalten, um sie zugleich identischen thermischen Zyklen zu unterwerfen, die aufeinanderfolgende Stufen mit vorbestimmter Dauer und Temperatur aufweisen, welche durch Übergänge voneinander getrennt sind, wobei ein diese Wandbereiche umschließendes Gehäuse (10), welches ein wärmeübertragendes Fluidum enthält, das mit den Wandbereichen thermisch in Kontakt steht, und eine externe Wärmequelle (S), weiche dem Gehäuse zugeordnet ist, Verwendung findet, um Wärme an dieses Fluidum abzugeben und von diesem aufzunehmen und so die Temperatur von Wandbereichen an einer von der Quelle vorgegebenen Solltemperatur zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeits/Dampf-Gleichgewicht des Fluidums in diesem Gehause (10) dicht eingeschlossen ist, welches eine freie Zirkulation der Dampfphase des Fluidums ermöglicht und eine innere Auskleidung für eine kapillare Zirkulation der Flüssigphase des Fluidums aufweist, und diese Quelle (S) gesteuert wird, um die gemäß der Stufen des thermischen Zyklus vorgegebene Temperatur zu ändern und zwischen diesen Stufen einen abrupten Übergang herbeizuführen, wobei die Temperatur dieser Wandbereiche durch lokale Kondensation und Verdampfung des Fluidums in dem Gehäuse (10) quasi-unverzüglich den Änderungen der Solltemperatur folgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften und die Gesamtmasse des Fluidums in Abhängigkeit von dem Volumen des Gehäuses (10) bestimmt werden, sodaß das Flüssigkeits/Dampf-Gleichgewicht des Fluidums und die Anreicherung der Auskleidung (14) mit Fluidum in der flüssigen Phase für alle Temperaturen in einem vorbestimmten Bereich vorgebbarer Temperaturen liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (S) reversibel ist und ein selektives Erhöhen und Verringern der vorgegebenen Temperatur (Tc) ermöglicht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gehäuse (10) zwei kommutierende Wärmequellen zugeordnet sind, von denen eine warm und die andere kalt ist, und daß diese alternierend angesteuert werden, um die Temperatur der Wandbereiche zu vergrößern bzw. zu verkleinern.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (S) Mifteln zugeordnet ist, welche das Verändern des Dampfdruckes des Fluidums in dem Gehäuse (10) ermöglichen.

6. Vorrichtung zur thermischen Schnellregelung einer Mehrzahl von Bereichen einer Wand (12, 20), insbesondere von Behältern, welche biologische Proben enthalten, um sie zugleich identischen thermischen Zyklen zu unterwerfen, die aufeinanderfolgende Schritte mit vorbestimmter Dauer und Temperatur aufweisen, welche durch Übergänge voneinander getrennt sind, wobei diese Vorrichtung ein Gehäuse (10), welches die Wandbereiche umschließt und ein wärmeübertragendes Fluidum enthält, das mit den Wandbereichen thermisch in Kontakt steht, sowie eine externe Wärmequelle (S) aufweist, die dem Gehäuse zugeordnet ist, um Wärme an dieses Fluidum abzugeben und von diesem aufzunehmen und so die Temperatur von Wandbereichen an einer von der Quelle vorgegebenen Solltemperatur zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) dicht abgeschlossen ist und ein Flüssigkeits/Dampf-Gleichgewicht enthält, wobei dieses Gehäuse eine freie Zirkulation der Dampfphase des Fluidums ermöglicht und eine innere Auskleidung (14) für eine kapillare Zirkulation der Flüssigphase des Fluidums aufweist, und diese Vorrichtung Mittel (28) zum Steuern der Quelle (S) aufweist, um die gemäß der Stufen thermischer Zyklen vorgegebene Temperatur zu ändern und zwischen diesen Stufen einen abrupten Übergang herbeizuführen, wobei die Temperatur dieser Wandbereiche durch lokale Kondensation und Verdampfung des Fluidums in dem Gehäuse (10) quasi-unverzüglich den Änderungen der Solltemperatur folgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (S) reversibel ist und dem Fluidum selektiv Wärme zuführen oder entnehmen kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Quelle zwei kommutierende Wärmequellen aufweist, von denen eine warm und eine kalt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle Mittel zum Verändern des Dampfdruckes des in dem Gehäuse enthaltenen Fluidums aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Quelle (S) über zumindest einen Teil einer Wand des Gehäuses (10) mit dem Fluidum thermisch in Kontakt steht, wobei die anderen Wände (16, 18) zumindest teilweise wärmeisoliert sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Gehäuse (10) parallele Durchgänge (22) aufweist, welche nach außen führen und Behälter und/oder Aufnahmen für Röhren (12) aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände dieser Durchgänge (22) durch eine Verbindung zwischen dem Inhalt der Behälter oder der Röhren (12) und dem in dem Gehäuse (10) enthaltenen Fluidum die Mittel zur Wärmeübertragung bilden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (16, 18) des Gehäuses, an welchen die Enden der Durchgänge (22) münden mittels Abdeckhauben (24, 26) dicht verschlossen sind, welche Selektionsmitteln (28) zum Komprimieren oder Dekomprimieren des Inhaltes der Behälter oder Röhren (12) zugeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (12) an ihren beiden Enden offen und mit Filtermembranen (30) versehen sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (12) an einem Ende mittels einer einzigen Querplatte (20) gehalten sind, die an einer Wand (16) des Gehäuses (10) befestigt werden kann.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (12) an ihren oberen Enden mittels einer einzigen Platte (20) gehalten und durch einen Film (34) abgedeckt sind, welcher aus undurchlässigem Material besteht, das an dieser Platte aufgebracht ist, die in dem Gehäuse (10) befestigt und durch eine Abdeckhaube (36) zum Heizen oder Kühlen abgedeckt ist, welche Mitteln (38) zur thermischen Regelung zugeordnet ist, die ihre Temperatur im wesentlichen auf jener der Röhren (12) halten.