WO1990008298A1 - Procede et dispositif de regulation rapide d'une temperature de paroi - Google Patents

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WO1990008298A1
WO1990008298A1 PCT/FR1990/000042 FR9000042W WO9008298A1 WO 1990008298 A1 WO1990008298 A1 WO 1990008298A1 FR 9000042 W FR9000042 W FR 9000042W WO 9008298 A1 WO9008298 A1 WO 9008298A1
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fluid
enclosure
temperature
wall
source
Prior art date
Application number
PCT/FR1990/000042
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English (en)
Inventor
Bernard Dutertre
Frédéric Dufau
Dominique Duval
Frédéric Ginot
Jean Hache
Daniel Cohen
Agnès MARCADET-TROTON
Original Assignee
Bertin & Cie
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B01L7/52—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0233—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the conduits having a particular shape, e.g. non-circular cross-section, annular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/06—Control arrangements therefor

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for rapidly regulating the temperature of a plurality of wall zones, as well as the applications of this method and of this device, in particular to molecular biology operations comprising temperature reactions. controlled such as for example enzymatic DNA treatment operations.
  • Some of these operations require submitting samples of cells or macro ⁇ molecules to thermal cycles comprising temperature stages each determined very precisely in duration and in temperature ( ⁇ T ⁇ 0.1 ° C). In some cases, these temperature cycles must be repeated many times.
  • the subject of the invention is precisely a method and a device for rapidly regulating a temperature, which make it possible to satisfy the conditions expressed above.
  • the subject of the invention is also a method and a device of this type, which are particularly applicable to carrying out biology operations.
  • molecular of the aforementioned type simultaneously on a large number of biological samples.
  • the subject of the invention is also a method and a device of this type, which are applicable to other cases, when the temperature of an element or a set of elements has to be varied quickly and precisely. , as is the case for example with reactors with controlled wall temperature, enzymatic reactors, cellular reactors, reactors for polymerization, treatment or transformation of plastic materials, in photography (film treatment), etc.
  • the invention therefore provides a method for rapid thermal regulation of a plurality of wall zones in particular of receptacles containing biological samples, in order to simultaneously submit them to identical thermal cycles comprising successive stages of predetermined durations and temperatures, separated by abrupt transitions, characterized in that said wall areas are surrounded by a closed, sealed enclosure which contains a liquid-vapor balance of a suitable heat transfer fluid in thermal contact with said wall areas, this enclosure allowing on the one hand the free circulation of the vapor phase of the fluid and comprising on the other hand an internal coating of capillary circulation of the liquid phase of the fluid, and in that one yields and one draws heat from said fluid by means of '' at least one external source by heat exchange with the fluid, to maintain equal to a set temperature by said source, the temperature of said wall zones, by local condensations and vaporizations of the fluid in said enclosure.
  • the invention makes a particular, new and inventive application of the "heat pipe” technique used initially in the space industry to quickly dissipate a large amount of heat produced by a heating element, which is generally an electronic unit integrated into a satellite.
  • the heat pipe is essentially a closed tube containing an internal coating of a porous material with capillary circulation of liquid, and a determined fluid remaining in the liquid-vapor diphase state in the tube under the envisaged working conditions.
  • the two ends of the tube are connected, one to the heating element, the other to a surface for dissipating heat outside by radiation.
  • the transfer of heat between the heating element and the outside takes place in the heat pipe by phase change of the fluid which, in a continuous manner, vaporizes in the vicinity of the heating element and condenses in the vicinity of the surface of diffusion towards the exterior, the coating of capillary material ensuring in a continuous and almost instantaneous manner the transfer of the liquid from the cold end to the hot end of the heat pipe.
  • the thermal conductivity of a heat pipe is very high, several orders of magnitude greater than that of copper, for example.
  • the invention uses this known principle, not to continuously evacuate a large amount of heat from a heating element to a cold outside environment, but to achieve precise and almost instantaneous cycles of temperature variation of walls in contact with a suitable fluid. More specifically, the invention makes it possible to heat and cool at will and almost instantaneously samples in thermal contact with an appropriate fluid in two-phase liquid-vapor equilibrium, and to maintain these samples at a precise temperature for a determined period.
  • the invention makes it possible, using the same means, to maintain a temperature at a predetermined value and to vary suddenly this temperature up to another predetermined value, thanks to the fact that the means used has vis-à-vis the outside, a substantially infinite thermal inertia (which allows it to maintain the precise predetermined temperature and to remove it from influences parasitic external phenomena), that is to say a substantially zero thermal inertia (which allows it to vary this temperature very quickly, to another predetermined value).
  • the method also consists in determining the nature and the total mass of the fluid as a function of the volume of said enclosure so that the liquid-vapor balance of the fluid and the impregnation of the capillary coating by the fluid in the liquid phase are maintained for any temperature within a predetermined range of set temperatures.
  • the invention makes it possible to vary the temperature of the samples subjected to these reactions almost instantaneously, to make it take any value between the aforementioned extreme values.
  • the heat source used can be of the reversible type, making it possible to selectively increase and decrease the set temperature of the fluid, or else can comprise two switchable heat sources, one making it possible to increase the set temperature of the fluid and the other to decrease it.
  • the external energy source may comprise means making it possible to vary the vapor pressure of the fluid in the enclosure.
  • a variation of the pressure of the fear of the fluid in the enclosure makes it possible either to raise the temperature of this fluid (compression of the vapor phase), or to decrease this temperature (expansion of the vapor phase).
  • a conventional means of pressure variation of the deformable wall type makes it possible to determine the set temperature of the fluid.
  • the elements whose temperature will be regulated can be tubes provided with filtration membranes and containing biological samples such as cells or macro-molecules, and the method according to the invention then consists in combining the cyclic temperature variations with additions of reagents and pressure variations in the tubes, for example for the treatment of DNA.
  • the invention also provides a device for rapid thermal regulation of a plurality of wall zones, in particular of receptacles containing biological samples, for simultaneously submitting them to identical thermal cycles comprising successive stages of predetermined durations and temperatures, at abrupt transitions, characterized in that it comprises a sealed closed enclosure which contains an appropriate liquid-vapor balance of heat transfer fluid in thermal contact with said wall areas, this closed enclosure allowing the free circulation of the vapor phase of the fluid and comprising an internal coating for capillary circulation of the liquid phase of the fluid, this description further comprising at least one external source in heat exchange with the fluid and means for controlling this source for taking and transferring heat to said fluid and maintaining the temperature of said wall zones equal to a set temperature imposed by said source, by local condensation and vaporization of the fluid in the enclosure.
  • the enclosure has parallel passages opening outwards and forming receptacles or tube housings in which biological samples such as cells or macromolecules.
  • the walls of these passages form means of heat transfer by conduction between the contents of the receptacles or the tubes and the fluid contained in the enclosure, while the walls of the enclosure on which the ends of the passages open are covered by sealing by hoods associated with means for pressurizing or vacuuming the content of the receptacles or tubes.
  • the tubes are carried at one end by a same transverse plate intended to be applied to a wall of the enclosure when the tubes are housed in the passages of the enclosure.
  • a very large number of tubes can thus be treated simultaneously, each containing a biological sample.
  • FIG. 1 is a block diagram of the invention
  • FIG. 2 schematically represents a device according to the invention, for molecular biology operations
  • Figure 3 is a schematic sectional view of an essential part of the device of Figure 2
  • FIG. 4 schematically represents an alternative embodiment of the device.
  • the reference 10 designates a closed sealed enclosure and preferably at least locally insulated, comprising a wall 12, for example tubular, whose temperature is to be varied.
  • the wall 12 is in contact with a fluid enclosed in the enclosure 10 and which is in liquid-vapor equilibrium for all the values between which it is desired to vary the temperature of the wall 12.
  • the fluid in the liquid phase completely impregnates a coating 14 of porous or fibrous material for example, capable of ensuring capillary circulation of the liquid, and which lines the enclosure 10 and the wall 12 by providing continuous paths for capillary circulation of liquid between the wall 12 and a peripheral part of the wall of the enclosure 10.
  • This peripheral wall of the enclosure 10 is in thermal contact with an external source of energy S such as a heat source of the reversible type (with Peltier effect for example or with circulation of fluid).
  • This source S is intended to impose a setpoint temperature Te on the fluid which is in the enclosure 10 in liquid-vapor equilibrium, so that the temperature Te of the wall 12 becomes equal to the setpoint temperature Te most quickly. possible.
  • the setpoint temperature Te is higher than the temperature of the fluid, there is locally, in the zone of thermal contact with the external heat source S, vaporization of part of the fluid in liquid phase, which results in an increase in the pressure inside the enclosure 10.
  • the aforementioned increase in pressure results in an increase in the value of the liquid-vapor equilibrium temperature in the enclosure.
  • This temperature becomes higher than the temperature of the wall 12, which causes local condensation of the fluid.
  • This condensation results in the release of heat, the fluid yielding its latent heat of condensation to the cold parts of the enclosure.
  • the enclosure 10 is suitably insulated, the only available cold source is the wall 12, which therefore receives the latent heat of condensation from the condensed part of the fluid. This heat supply results in an increase in the temperature Te of the wall 12.
  • the set temperature Te is reduced to the desired value, which results in local condensation of fluid in the pregnant 10, a decrease in the pressure in this enclosure and a corresponding decrease in the liquid-vapor equilibrium temperature of the fluid, and therefore by vaporization of liquid in the vicinity of the wall 12.
  • the liquid which vaporizes takes its latent heat of vaporization on the wall 12, which is the only hot spring available.
  • the temperature of the wall 12 therefore decreases until it becomes equal to the set temperature Te, thanks to the transfer of fluid in the liquid phase in the capillary coating of the enclosure 10, between its zones of thermal contact with the source S and the wall 12.
  • the means of connection with the enclosure 10 can also be of the heat pipe type if necessary and optionally shaped to receive several enclosures simultaneously. It is of course possible, instead of using a heat source S of the reversible type, to selectively use a hot outside source and a cold outside source, one of which will serve to increase the set temperature, and the other to decrease it. . It is also, as a variant, this external heat source can be replaced by an appropriate means for varying the vapor pressure of the fluid inside the enclosure 10. This pressure variation can be done, either by injecting fluid under pressure in the enclosure, either by reducing the volume of the enclosure, by means of a movable wall or an elastically deformable wall of the membrane type.
  • an external energy source S makes it possible, by changing the phase of the fluid contained in the enclosure 10, to vary the temperature of the wall 12 rapidly, almost instantaneously.
  • the enclosure 10 also makes it possible to maintain the temperature of the wall 12 at a set value imposed by the source S. Any variation in the temperature of the wall 12 which would be due for example to the release or absorption of heat during a chemical reaction is immediately and automatically compensated for by the enclosure 10 which also protects the wall 12 from parasitic external influences.
  • FIG. 2 represents a device for applying the principle according to the invention.
  • the same references have been given in FIG. 2 as in FIG. 1 to the elements of the device which correspond to those shown in FIG. in two-phase liquid-vapor equilibrium and an internal coating ensuring capillary circulation of the fluid in the liquid phase, and in which are arranged passages for receiving the elements whose temperature must be regulated.
  • the external heat source S is in thermal contact by conduction with the peripheral wall of the enclosure 10, the two upper and lower transverse walls 16,18 of which are insulated.
  • the elements are tubes 12 carried by the same plate 20 and are intended to engage in parallel through passageways 22 of the enclosure 10 which are shaped so as to receive the tubes 12 by establishing good thermal contact with them .
  • the tubes 12 may be frustoconical outer surface slightly ⁇ , the passages 22 having a corresponding inner surface.
  • the tubes 12 are in the present case open at their two ends, and their upper ends open onto the upper face of the plate 20.
  • Des covers 24 and 26 are provided for sealingly covering, respectively, the plate 20 carrying the tubes 12 and the underside 18 of the enclosure 10. These covers 24, 26 are connected to means 28 for controlling the pressure prevailing at the two ends of the tubes 12, on either side of a filtration membrane mounted transversely inside each tube 12.
  • the means 28 also control the operation of the external energy source S, to regulate the temperature in the tubes 12.
  • Figure 3 is a schematic sectional view, in more detail, of the essential part of this device in the operating position.
  • the cylindrical tubes 12 comprising a filtration membrane 30, which are encas ⁇ very in the through passages 22 of the enclosure 10, and the covers 24 and 26 mounted in sealed manner, respectively on the plate 20 carrying the tubes 12 and on the lower wall of the enclosure 10.
  • Plates or sheets 32 of thermally insulating material perforated at the outlet of the passages 22, are interposed between the upper and lower walls of the enclosure 10 on the one hand, and the plate 20 and the lower cover 26, respectively, on the other hand.
  • the fluid used in the device according to the invention is for example a "freon" (registered trademark) having the required characteristics.
  • the coating of material, for example porous or fibrous, ensuring the capillary circulation of the liquid inside the enclosure 10 can be a material, for example sintered, wettable by the liquid and conventionally used in the refrigeration industry.
  • the enclosure 10 is made of material resistant to pressure variations (these are of the order of about 15% on either side of an average pressure when the temperature varies from 0 to 100 ° C) , the material which can be either a good thermal conductor such as brass for optimal heat transfer with the external source S, or a thermally insulating material to reduce heat transfers through the upper and lower faces 16, 18 of the enclosure.
  • the faces 16, 18 of the enclosure are insulated while, in the second case, heat transfer means are provided through the peripheral wall of the enclosure.
  • the device comprises an enclosure 10 of the aforementioned type, associated with an external heat source S and receiving, in the cavities of its upper face, wells or tubes 12 carried at their upper ends by the same plate 20.
  • This plate 20 is covered with a film 34 of impermeable material which closes the wells or tubes 12.
  • a heating or cooling hood 36 covers the plate 20 and is associated with means 38 for thermal regulation maintaining its temperature substantially equal to that of the tubes 12.
  • the cover 36 can also be constituted by an enclosure of the same type as the enclosure 10, associated with the same source S as the latter.
  • the number of tubes 12 carried by the plate 20 can be relatively large (for example and conventionally 96 tubes in 8 rows and 12 columns) and the tubes 12 can be molded in one piece with the plate 20.
  • the invention with a single external heat source, of the reversible type, or else with two switchable heat sources, one hot and the other cold.
  • the device according to the invention will, in practice, be associated with a robot controlled by computer, which will arrange the samples to be processed and the any additives or reagents in the tubes 12, place the plate 20 carrying the series of tubes 12 on the enclosure 10, possibly move this enclosure from one heat source to the other, etc.
  • the pressure control at the ends of the tubes 12 will allow filtration, dialysis, recovery of solid matter by inversion of the pressure difference, etc.

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Abstract

Procédé et dispositif de régulation thermique rapide d'éléments (12) en contact thermique avec un fluide contenu en équilibre liquide-vapeur dans une enceinte (10) fermée de façon étanche et calorifugée, au moyen d'une source d'énergie extérieure (S) imposant une température de consigne (Tc) au fluide contenu dans l'enceinte (10) et provoquant, par changement de phase de ce fluide, une variation correspondante de la température (Te) des éléments (12). L'invention s'applique en particulier à la réalisation de réactions de biologique moléculaire à température contrôlée.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE REGULATION RAPIDE D'UNE TEMPERATURE DE PAROI
L'invention concerne un procédé et un dispositif de régulation rapide de la température d'une pluralité de zones de paroi, ainsi que les applications de ce procédé et de ce dispositif, notamment à des opérations de biologie moléculaire comportant des réac¬ tions à température contrôlée telles que par exemple des opérations de traitement enzymatique d'ADN.
Certaines de ces opérations nécessitent de soumettre des échantillons de cellules ou de macro¬ molécules à des cycles thermiques comprenant des paliers de température chacun déterminé de façon très précise en durée et en température ( Δ T < 0,1° C) . Dans certains cas, ces cycles de température doivent être répétés de nombreuses fois.
Il est de plus souhaitable, pour des raisons de rendement, de réaliser ces opérations simultanément sur un grand nombre d'échantillons. Il faut alors pouvoir contrôler dans le temps, de façon très précise, la température d'un grand nombre d'échantillons, faire varier de façon uniforme la température de ces échantillons, et réaliser les transitions entre les paliers de température aussi rapidement que possible pour que la durée totale d'une opération déterminée soit compatible avec une application industrielle (les durées des réactions biologiques ne pouvant quant à elles pas être réduites) . L'invention a précisément pour objet un procédé et un dispositif de régulation rapide d'une température, qui permettent de satisfaire aux conditions exprimées ci-dessus.
L'invention a également pour objet un procédé et un dispositif de ce type, qui soient notamment applicables à la réalisation d'opérations de biologie moléculaire du type précité, simultanément sur un grand nombre d'échantillons biologiques.
L'invention a encore pour objet un procédé et un dispositif de ce type, qui soient applicables à d'autres cas, lorsqu'il faut faire varier de façon rapide et précise la température d'un élément ou d'un ensemble d'éléments, comme c'est par exemple le cas dans des réacteurs à température de paroi contrôlée, des réacteurs enzymatiques, des réacteurs cellulaires, des réacteurs de polymérisation, de traitement ou de transformation des matériaux plastiques, en photographie (traitement des films) , etc.
L'invention propose donc un procédé de régulation thermique rapide d'une pluralité de zones de paroi en particulier de réceptacles contenant des échantillons biologiques, pour les soumettre simultanément à des cycles thermiques identiques comportant des paliers successifs de durées et de températures prédéterminées, séparés par des transitions brusques, caractérisé en ce qu'on entoure lesdites zones de paroi d'une enceinte fermée, étanche qui contient un équilibre liquide-vapeur d'un fluide approprié de transfert de chaleur en contact thermique avec lesdites zones de paroi, cette enceinte permettant d'une part la libre circulation de la phase vapeur du fluide et comportant d'autre part un revêtement interne de circulation capillaire de la phase liquide du fluide, et en ce qu'on cède et on prélève de la chaleur audit fluide au moyen d'au moins une source extérieure par échange thermique avec le fluide, pour maintenir égale à une température de consigne imposée par ladite source la température desdites zones de paroi, par condensations et vaporisations locales du fluide dans ladite enceinte.
L'invention fait une application particulière, nouvelle et inventive, de la technique du "caloduc" utilisée initialement dans 1'industrie spatiale pour évacuer rapidement une grande quantité de chaleur produite par un élément chauffant, qui est en général un boîtier d'électronique intégré à un satellite. Le caloduc est essentiellement un tube fermé contenant un revêtement interne d'un matériau poreux à circulation capillaire de liquide, et un fluide déterminé restant à l'état dipha- sique liquide-vapeur dans le tube dans les conditions de travail envisagées. Les deux extrémités du tube sont rac¬ cordées, l'une à l'élément chauffant, l'autre à une surface de dissipation de chaleur à l'extérieur par rayonnement. Le transfert de chaleur entre l'élément chauffant et l'extérieur se fait dans le caloduc par changement de phase du fluide qui, de façon continue, se vaporise au voisinage de l'élément chauffant et se condense au voisinage de la surface de diffusion vers l'extérieur, le revêtement de matériau capillaire assurant de façon continue et quasi-instantanée le transfert du liquide de l'extrémité froide à l'extrémité chaude du caloduc. La conductibilité thermique d'un caloduc est très élevée, de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle du cuivre, par exemple.
L'invention utilise ce principe connu, non pour évacuer de façon continue une quantité importante de chaleur d'un élément chauffant vers un environnement extérieur froid, mais pour réaliser de façon précise et quasi-instantanée des cycles de variation de température de parois en contact avec un fluide approprié. Plus précisément, l'invention permet de chauffer et de refroidir à volonté et de façon quasi-instantanée des échantillons en contact thermique avec un fluide approprié en équilibre diphasique liquide-vapeur, et de maintenir ces échantillons à une température précise pendant une durée déterminée.
En d'autres termes, l'invention permet, en utilisant le même moyen, de maintenir une température à une valeur prédéterminée et de faire varier brusquement cette température jusqu'à une autre valeur prédéterminée, grâce au fait que le moyen utilisé présente vis-à-vis de l'extérieur, soit une inertie thermique sensiblement infinie (qui lui permet de maintenir la température précise prédéterminée et de la soustraire aux influences des phénomènes extérieurs parasites) , soit une inertie thermique sensiblement nulle (ce qui lui permet de faire varier très rapidement cette température, jusqu'à une autre valeur prédéterminée) . Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste également à déterminer la nature et la masse totale du fluide en fonction du volume de ladite enceinte de telle sorte que l'équilibre liquide-vapeur du fluide et l'imprégnation du revêtement capillaire par le fluide en phase liquide soient maintenus pour toute température comprise dans une gamme prédéterminée de températures de consigne.
Lorsque le procédé selon l'invention est uti¬ lisé pour des opérations de biologie moléculaire, où la température d'un échantillon peut varier selon un cycle déterminé entre des valeurs extrêmes de 0 et 100° C environ par exemple, l'invention permet de faire varier de façon quasi-instantanée la température des échantillons soumis à ces réactions, pour lui faire prendre n'importe quelle valeur comprise entre les valeurs extrêmes précitées.
La source de chaleur utilisée peut être du type réversible, permettant sélectivement d'augmenter et de diminuer la température de consigne du fluide, ou bien peut comprendre deux sources de chaleur commutables, l'une permettant d'augmenter la température de consigne du fluide et l'autre de la diminuer.
En variante, la source d'énergie extérieure peut comprendre des moyens permettant de faire varier la pression de vapeur du fluide dans l'enceinte. En effet, une variation de la pression de va¬ peur du- fluide dans l'enceinte permet soit d'élever la température de ce fluide (compression de la phase vapeur) , soit de diminuer cette température (détente de la phase vapeur) . Moyennant un étalonnage et une détection précise de la pression et de la température du fluide, un moyen classique de variation de pression du type paroi déformable par exemple, permet de déterminer la température de consigne du fluide. Dans le cas où l'invention est appliquée à des réactions de biologie moléculaire, les éléments dont on va réguler la température peuvent être des tubes munis de membranes de filtration et contenant des échantillons biologiques tels que des cellules ou des macro-molécules, et le procédé selon l'invention consiste alors à combiner les variations cycliques de température avec des additions de réactifs et des variations de pression dans les tubes, par exemple pour le traitement d'ADN.
Dans ce cas, les durées des transitions entre des paliers prédéterminés de température deviennent sensiblement négligeables par rapport à la durée cumulée des réactions biologiques elles-mêmes.
L'invention propose également un dispositif de régulation thermique rapide d'une pluralité de zones de paroi, en particulier de réceptacles contenant des échantillons biologiques, pour les soumettre simultanément à des cycles thermiques identiques comportant des paliers successifs de durées et de températures prédéterminées, à transitions brusques, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte fermée étanche qui contient un équilibre liquide-vapeur de fluide approprié de transfert de chaleur en contact thermique avec lesdites zones de paroi, cette enceinte fermée permettant la libre circulation de la phase vapeur du fluide et comprenant un revêtement interne de circulation capillaire de la phase liquide du fluide, ce descriptif comprenant encore au moins une source extérieure en échange thermique avec le fluide et des moyens de commande de cette source pour prélever et céder de la chaleur audit fluide et maintenir égale à une température de consigne imposée par ladite source la température desdites zones de paroi, par condensations et vaporisations locales du fluide dans l'enceinte.
Dans un mode de réalisation de ce dispositif, applicable notamment aux réactions de biologie mo- léculaire, l'enceinte comporte des passages parallèles débouchant à l'extérieur et formant réceptacles ou loge¬ ments de tubes dans lesquels sont placés des échantillons biologiques tels que des cellules ou des macromolécules.
Les parois de ces passages forment des moyens de transfert thermique par conduction entre le contenu des réceptacles ou les tubes et le fluide contenu dans l'enceinte, tandis que les parois de l'enceinte sur lesquelles débouchent les extrémités des passages sont recouvertes à êtanchéité par des capots associés à des moyens de mise en pression ou en dépression du contenu des réceptacles ou des tubes.
De préférence, les tubes sont portés à une ex¬ trémité par une même plaque transversale destinée à être appliquée sur une paroi de l'enceinte lorsque les tubes sont logés dans les passages de l'enceinte.
On peut ainsi traiter simultanément un très grand nombre de tubes contenant chacun un échantillon biologique.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma de principe de l'invention ; la figure 2 représente schématiquement un dis¬ positif selon l'invention, pour des opérations de biologie moléculaire ; la figure 3 est une vue schématique en coupe d'une partie essentielle du dispositif de la figure 2; la figure 4 représente schématiquement une variante de réalisation du dispositif.
On se réfère tout d'abord à la figure 1, pour expliquer le principe de l'invention. La référence 10 désigne une enceinte étanche fermée et de préférence au moins localement calorifugée, comprenant une paroi 12, par exemple tubulaire, dont on veut faire varier la température. La paroi 12 est en contact avec un fluide enfermé dans l'enceinte 10 et qui se trouve en équilibre liquide-vapeur pour toutes les va¬ leurs entre lesquelles on veut faire varier la température de la paroi 12. Le fluide en phase liquide imprègne complètement un revêtement 14 en matériau poreux ou fibreux par exemple, capable d'assurer une circulation capillaire du liquide, et qui tapisse l'enceinte 10 et la paroi 12 en ménageant des chemins continus de circulation capillaire de liquide entre la paroi 12 et une partie périphérique de la paroi de l'enceinte 10.
Cette paroi périphérique de l' enceinte 10 est en contact thermique avec une source d'énergie extérieure S telle qu'une source de chaleur du type réversible (à effet Peltier par exemple ou à circulation de fluide) . Cette source S est destinée à imposer une température de consigne Te au fluide qui se trouve dans l'enceinte 10 en équilibre liquide-vapeur, de telle sorte que la température Te de la paroi 12 devienne égale à la température de consigne Te le plus rapidement possible. Lorsque la température de consigne Te est supérieure à la température du fluide, il se produit localement, dans la zone de contact thermique avec la source de chaleur exté¬ rieure S, une vaporisation d'une partie du fluide en phase liquide, qui se traduit par une augmentation de la pression à l'intérieur de l'enceinte 10. Comme la température d'équilibre liquide-vapeur varie dans le même sens que la pression, l'augmentation précitée de la pression se traduit par une augmentation de la valeur de la température d'équilibre liquide-vapeur dans l'enceinte. Cette température devient supérieure à la température de la paroi 12, ce qui provoque une condensation locale du fluide. Cette condensation se traduit par un dégagement de chaleur, le fluide cédant sa chaleur latente de condensation aux parties froides de l'enceinte. Si l'enceinte 10 est convenablement calo- rifugée, la seule source froide disponible est la paroi 12, qui reçoit donc la chaleur latente de condensation de la partie condensée du fluide. Cet apport de chaleur se traduit par une augmentation de la température Te de la paroi 12.
Ce double phénomène de vaporisation locale du fluide dans la zone de contact thermique avec la source de chaleur extérieure S, et de condensation locale dans la zone de contact avec la paroi 12 se traduit par une circulation capillaire du liquide de la paroi 12 vers la zone de contact avec la source S, et se poursuit jusqu'à l'équilibre des températures obtenu pour Te - Te. Comme la chaleur latente de condensation du fluide est très supérieure à sa chaleur spécifique pour les variations de température considérées, l'élévation de la température de la paroi 12 est quasi-instantanée. Ce sont en fait les transferts de chaleur par conduction à travers la paroi de l'enceinte 10, qui vont ralentir la régulation de température.
Inversement, lorsque l'on souhaite diminuer la température de la paroi 12 par rapport à la température d'équilibre, on diminue la température de consigne Te jusqu'à la valeur souhaitée, ce qui se traduit par une condensation locale de fluide dans l'enceinte 10, une diminution de la pression dans cette enceinte et une diminution correspondante de la température d'équilibre liquide-vapeur du fluide, et donc par une vaporisation de liquide au voisinage de la paroi 12. Le liquide qui se vaporise prélève sa chaleur latente de vaporisation sur la paroi 12, qui est la seule source chaude disponible. La température de la paroi 12 diminue donc jusqu'à devenir égale à la température de consigne Te, grâce au transfert de fluide en phase liquide dans le revêtement capillaire de l'enceinte 10, entre ses zones de contact thermique avec la source S et la paroi 12.
Un choix de matériaux appropriés permet d'améliorer le transfert de chaleur par conduction entre le fluide contenu dans l'enceinte 10, la paroi 12 et la source de chaleur extérieure S. En ce qui concerne cette dernière, les moyens de liaison avec l'enceinte 10 peuvent également être du type caloduc si nécessaire et conformés éventuellement pour recevoir simultanément plusieurs enceintes. On peut bien entendu, au lieu d'utiliser une source de chaleur S du type réversible, utiliser sélectivement une source extérieure chaude et une source extérieure froide, dont l'une servira à augmenter la température de consigne, et l'autre à la diminuer. On peut également, en variante, remplacer cette source de chaleur extérieure par un moyen approprié de variation de la pression de vapeur du fluide à l'intérieur de l'enceinte 10. Cette variation de pression peut se faire, soit par injection de fluide sous pression dans l'enceinte, soit par diminution du volume de l'enceinte, au moyen d'une paroi mobile ou d'une paroi élastiquement déformable du type membrane.
Dans tous les cas, une source d'énergie exté¬ rieure S permet, par changement de phase du fluide contenu dans l'enceinte 10, de faire varier rapidement, quasi-instantanément, la température de la paroi 12. L'enceinte 10 permet également de maintenir la température de la paroi 12 à une valeur de consigne imposée par la source S. Toute variation de la température de paroi 12 qui serait due par exemple à un dégagement ou une absorption de chaleur au cours d'une réaction chimique est immédiatement et automatiquement compensée par l'enceinte 10 qui protège également la paroi 12 des influences extérieures parasites.
La figure 2 représente un dispositif d'application du principe selon l'invention. Pour faciliter la compréhension, on a donné en figure 2 les mêmes références qu'en figure 1 aux éléments du dispositif qui correspondent à ceux représentés en figure 1. On retrouve donc en figure 2 une enceinte 10 fermée de façon etanche, contenant un fluide approprié en équilibre diphasique liquide-vapeur et un revêtement in¬ terne assurant une circulation capillaire du fluide en phase liquide, et dans laquelle sont ménagés des passages de réception des éléments dont il faut réguler la température. La source extérieure de chaleur S est en contact thermique par conduction avec la paroi périphérique de l'enceinte 10, dont les deux parois transversales supérieure et inférieure 16,18 sont calori- fugées.
Les éléments sont des tubes 12 portés par une même plaque 20 et sont destinés à s'engager dans des pas¬ sages parallèles traversants 22 de l'enceinte 10 qui sont conformés de façon à recevoir les tubes 12 en établissant un bon contact thermique avec eux. Pour cela, les tubes 12 peuvent être à surface extérieure légèrement ^tronconique, les passages 22 ayant une surface intérieure correspondante.
Les tubes 12 sont dans le cas présent ouverts à leurs deux extrémités, et leurs extrémités supérieures débouchent sur la face supérieure de la plaque 20. Des capots 24 et 26 sont prévus pour recouvrir de façon etanche, respectivement, la plaque 20 portant les tubes 12 et la face inférieure 18 de l'enceinte 10. Ces capots 24,26 sont reliés à des moyens 28 de commande de la pression régnant aux deux extrémités des tubes 12, de part et d'autre d'une membrane de filtration montée transversalement à l'intérieur de chaque tube 12.
Les moyens 28 commandent également le fonctionnement de la source d'énergie extérieure S, pour régler la température dans les tubes 12.
La figure 3 est une vue schématique en coupe, plus détaillée, de la partie essentielle de ce dispositif en position de fonctionnement.
On voit en figure 3 les tubes cylindriques 12 comprenant une membrane de filtration 30, qui sont encas¬ trés dans les passages traversants 22 de l'enceinte 10, et les capots 24 et 26 montés de façon étanche, respectivement sur la plaque 20 portant les tubes 12 et sur la paroi inférieure de l'enceinte 10. Des plaques ou feuilles 32 de matériau thermiquement isolant perforées au débouché des passages 22, sont interposées entre les parois supérieure et inférieure de l'enceinte 10 d'une part, et la plaque 20 et le capot inférieur 26, respectivement, d'autre part. Le fluide utilisé dans le dispositif selon l'invention est par exemple un "fréon" (marque déposée) présentant les caractéristiques requises.
Le revêtement de matériau par exemple poreux ou fibreux assurant la circulation capillaire du liquide à l'intérieur de l'enceinte 10 peut être un matériau par exemple fritte, mouillable par le liquide et utilisé de façon classique dans l'industrie frigorifique.
L'enceinte 10 est réalisée en matériau résis¬ tant aux variations de pression (celles-ci sont de l'ordre de 15 % environ de part et d'autre d'une pression moyenne lorsque la température varie de 0 à 100° C) , le matériau pouvant être, soit un bon conducteur thermique tel que le laiton pour un transfert de chaleur optimal avec la source extérieure S, soit un matériau thermiquement isolant pour réduire les transferts de chaleur par les faces supérieure et inférieure 16, 18 de l'enceinte. Dans le premier cas, les faces 16, 18 de l'enceinte sont calorifugées tandis que, dans le second cas, on prévoit des moyens de transfert de chaleur à travers la paroi périphérique de l'enceinte. Dans la variante de réalisation représentée schématiquement en Figure 4, le dispositif comprend une enceinte 10 du type précité, associée à une source de chaleur extérieure S et recevant, dans les cavités de sa face supérieure, des puits ou tubes 12 portés à leurs extrémités supérieures par une même plaque 20. Cette plaque 20 est recouverte d'un film 34 de matière imperméable qui obture les puits ou tubes 12. Un capot chauffant ou refroidissant 36 recouvre la plaque 20 et est associé à des moyens 38 de régulation thermique maintenant sa température sensiblement égale à celle des tubes 12.
Bien entendu, le capot 36 peut également être constitué par une enceinte de même type que l'enceinte 10, associé à la même source S que celle-ci. Le nombre de tubes 12 portés par la plaque 20 peut être relativement important (par exemple et de façon classique 96 tubes en 8 rangées et 12 colonnes) et les tubes 12 peuvent être moulés d'une pièce avec la plaque 20. On peut utiliser le dispositif selon
1'invention avec une seule source de chaleur extérieure, de type réversible, ou bien avec deux sources de chaleur commutables, l'une chaude et l'autre froide.
Le dispositif selon 1'invention sera, dans la pratique, associé à un robot commandé par ordinateur, qui viendra disposer les échantillons à traiter et les additifs ou réactifs éventuels dans les tubes 12, placera la plaque 20 portant la série de tubes 12 sur l'enceinte 10, déplacera éventuellement cette enceinte d'une source de chaleur à l'autre, etc.. La commande de pression aux extrémités des tubes 12 permettra de réaliser des filtrations, des dialyses, des récupérations de matière solide par inversion de la différence de pression, etc..

Claims

REVENDICATIONS 1) Procédé de régulation thermique rapide d'une pluralité de zones de paroi (12, 20) en particulier de réceptacles contenant des échantillons biologiques, pour les soumettre simultanément à des cycles thermiques identiques comportant des paliers successifs de durées et de températures prédéterminées séparés par des transitions brusques, caractérisé en ce qu'on entoure lesdites zones de paroi d'une enceinte fermée (10) étanche, qui contient un équilibre liquide-vapeur d'un fluide approprié de transfert de chaleur en contact thermique avec lesdites zones de paroi, cette enceinte
(10) permettant d'une part la libre circulation de la phase vapeur du fluide et comportant d'autre part un revêtement interne (14) de circulation capillaire de la phase liquide du fluide, et en ce qu'on cède et on prélève de la chaleur audit fluide au moyen d'au moins une source extérieure (S) par échange thermique avec le fluide, pour maintenir égale à une température variable de consigne (Te), imposée par la .source (S), la température desdites zones de paroi, par condensations et vaporisations locales du fluide dans ladite enceinte (10) .
2) Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il consiste à déterminer la nature et la masse totale du fluide en fonction du volume de l'enceinte (10) de telle sorte que l'équilibre liquide- vapeur du fluide et l'imprégnation du revêtement (14) par le fluide en phase liquide soient maintenus pour toute température comprise dans une gamme prédéterminée de températures de consigne.
3) Procédé selon la revendication 1, caracté¬ risé en ce que ladite source (S) est d'un type ré¬ versible, permettant d'augmenter et de diminuer sélecti- vement la température de consigne (Te) . 4) Procédé selon la revendication 1, caracté¬ risé en ce que ladite source fixant la température de consigne comprend deux sources de chaleur commutables, l'une permettant d'augmenter la température de consigne, et l'autre de la diminuer.
5) Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite source (S) fixant la température de consigne comprend des moyens permettant de faire varier la pression de vapeur du fluide dans l'enceinte (10) .
6) Dispositif de régulation thermique rapide d'une pluralité de zones de paroi (12, 20) en particulier de réceptacles contenant des échantillons biologiques, pour les soumettre simultanément à des cycles thermiques identiques comportant des paliers successifs de durées et de températures prédéterminées séparés par des transitions brusques, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte (10) fermée étanche qui contient un équilibre liquide-vapeur d'un fluide approprié de transfert de chaleur en contact thermique avec lesdites zones de paroi, cette enceinte fermée permettant la libre circulation de la phase vapeur du fluide et comprenant un revêtement interne (14) de circulation capillaire de la phase liquide du fluide, le dispositif comprenant également au moins une source extérieure (S) en échange thermique avec le fluide, et des moyens (28) de commande de cette source, pour prélever et céder de la chaleur audit fluide afin de maintenir égale à une température variable de consigne (Te) , imposée par la source (S) , la température desdites zones de paroi, par condensations et vaporisations locales du fluide dans ladite enceinte.
7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite source (S) est réversible, et peut sélectivement fournir de la chaleur au fluide et lui en prélever. 8) Dispositif selon la revendication 6, carac¬ térisé en ce que ladite source extérieure comprend deux sources de chaleur commutables, l'une chaude et l'autre froide. 9) Dispositif selon la revendication 6, carac¬ térisé en ce que ladite source comprend des moyens de variation de la pression de vapeur du fluide contenu dans l'enceinte (10).
10) Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la source extérieure (S) est en contact thermique avec ledit fluide par au moins une partie d'une paroi de l'enceinte (10), dont les autres parois (16,18) sont au moins localement calorifugées.
11) Dispositif selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que ladite enceinte (10) comprend des passages parallèles (22) débouchant à l'extérieur et formant réceptacles et/ou logement de tubes (12) .
12) Dispositif selon la revendication 11, ca- racterisé en ce que les parois desdits passages (22) for¬ ment des moyens de transfert thermique par conduction entre le contenu des réceptacles ou les tubes (12) et le fluide contenu dans l'enceinte (10).
13) Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que les parois (16,18) de l'enceinte sur lesquelles débouchent les extrémités des passages (22) sont recouvertes à étanchéité par des capots (24,26) associés à des moyens sélectifs (28) de mise en pression ou dépression du contenu desdits réceptacles ou des tubes (12) .
14) Dispositif selon la revendication 13, ca¬ ractérisé en ce que les tubes (12) sont ouverts à leurs deux extrémités et munis de membranes de filtration (30) .
15) Dispositif selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que lesdits tubes (12) sont portés à une extrémité par une même plaque transversale (20) destinée à être appliquée sur une paroi (16) de l'enceinte (10) .
16) Dipositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que les tubes (12) sont portés à leurs extrémités supérieures par une même plaque (20) et sont obturés par un film (34) de matière imperméable posé sur cette plaque, celle-ci étant montée dans l'enceinte (10) précitée et recouverte d'un capot chauffant ou refroidissant (36) associé à des moyens (38) de régulation thermique maintenant sa température à une valeur sensiblement égale à celle des tubes (12) .
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