热泵设备和组件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年1月14日提交的美国临时专利申请第62/792,345号的优先权，其全文为了所有目的而以参见的方式纳入本文。

技术领域

本发明涉及热泵和散热器组件，特别是用于化学或生物样本的热循环的热泵和散热器。

背景技术

热泵广泛用于样本块的热循环，样本块是保持用于化学和生化测试的反应容器的金属块，特别是多管或多容器板件。这种样本块通常包含凹陷或孔的平面阵列，每个孔中具有单独的样本容器。通常对样本块中的样本执行的测试程序常常需要保持精确的温度控制以及以离散的、程序化的步骤加热和冷却样本。

聚合酶链式反应(PCR)是在多个样本上进行的化学过程并且需要精确的温度控制的许多示例之一，在该过程的不同阶段之间具有快速的温度变化。PCR扩增DNA，即它从单个拷贝产生多个拷贝的DNA序列。PCR通常在提供试剂转移、温度控制和光学检测的仪器中、在诸如例如微孔板件、试管或毛细管之类的多种反应器皿中进行。该过程的各个阶段对温度很敏感，不同阶段在不同温度下进行并保持指定的时间段，并且该顺序循环重复。在典型的过程中，样本首先被加热到大约95℃以使双链“熔化”(分离)，然后冷却至大约55℃以将引物退火(杂交)到分离的链上，然后再加热至大约72℃以通过使用聚合酶实现引物延伸。重复此序列以实现产物DNA的倍增，并且每个循环消耗的时间可以从几分之一分钟到两分钟不等，具体取决于设备、反应规模和自动化程度。涉及温度变化和高度控制的化学过程的另一个示例是核酸测序。其它示例对于那些在一般分子生物学和生物化学领域有知识的人来说将是显而易见的。

上述过程经常使用自动化实验室设备在大量样本上执行，每个样本体积相对较小，通常为微升规模。该设备的核心部件是反应模块，它包括样本块、接触样本块底侧的热电设备或此类设备的阵列，以及与热电设备相关的散热器，所有这些都具有适当的热界面并在组件内紧密地夹紧在一起，以实现最大的热传导。在一些实施例中，相邻部件彼此直接接合。在其它实施例中，可以在相邻部件之间使用热界面材料，例如合成石墨(例如Tgon)以改善热分布。

虽然已经提出了改进的散热器，其利用沟槽或特别沿着或靠近散热器板的边缘布置的离散的空隙来减少边缘损失，但是在样本块内仍然存在异常和不均匀的温度分布。因此，需要进一步改进的热泵和散热器组件，其提供更一致、更均匀的温度分布和热导率，以在对样本块进行热循环时提供改进的温度控制。

发明内容

常规技术的热泵阵列和散热器通常包括在整体组件中，其中散热器的导热板被夹到热泵以确保散热器板的凸起顶表面和热泵的一个或多个热电设备之间的热接触一致。一个或多个热电设备可包括一个或多个热电元件。通常，热泵包括热电设备，该热电设备具有热联接在作用面和参考面之间的热电设备的阵列。在一些实施例中，热泵可包括多个热电设备，每个热电设备具有一个或多个热电元件。已经发现，施加到导热材料的力或压力(例如压缩、拉伸)在夹紧时会改变材料的固有导热性能，从而导致热循环期间温度分布不均匀和样本加热和冷却不一致。因此，进一步需要热泵和散热器组件，它们可以被夹紧并固定在组件内，同时仍然为样本块的精确控制的热循环提供均匀、更一致的温度分布。

一方面，本发明涉及一种改进的热泵，该热泵具有带有导热板的散热器，该导热板具有凸起的中心区域，该中心区域被特殊地成形以补偿热导率的不均匀分布。中心区域可以被一个或多个空隙包围，通常单个连续的空隙包围中心凸起区域以提高热阻。但是，一些实施例还可以包括凸起区域内部的空隙。在一些实施例中，一个或多个支承件或较低导热率的材料也可包括在空隙区域内以改善结构支承同时保持增加的热阻。可以理解，可以将该设备设计为在空隙区域中没有任何支承件。

在一些实施例中，热泵包括与多个热电元件操作地联接的平面(例如，珀耳帖设备的参考面)；以及与平面热接触的散热器。散热器可包括导热材料板，板的顶表面与平面热联接。板包括对应于平面的尺寸和形状的外周边和以对应于平面的不均匀温度分布的形状限定的中心凸起区域，以及外周边和中心凸起区域之间的空隙。空隙基本上围绕中心凸起区域以提高该区域中的热阻。在一些实施例中，空隙基本上是连续的，并且可以包括部分或几乎完全去除平板材料。在一些实施例中，散热器板具有矩形外周边和中心凸起区域，该中心凸起区域的形状基本上为与椭圆形或圆形，其对应于不均匀温度分布的形状。虽然本文描述了椭圆形或圆形的示例，但是应当理解，凸起区域的形状可以是任何形状或形状的组合，只要它对应于不均匀的温度分布即可。例如，可以将凸起区域限定为正方形、矩形，或者甚至是不均匀不规整的几何形状，比如环形、八字形等。形状可以是连续的，或者可以是不连续的，比如柱子、多个相同或不同尺寸的形状(例如多个矩形、圆形等)或不同形状的组合。在一些实施例中，散热器包括在空隙区域内的一个或多个支承件，以支承邻近空隙区域的热电元件。一个或多个支承件由导热率低于板的材料形成并且可以是弹性的以在热电元件的膨胀和收缩期间提供一致的支承。在一些实施例中，板可包括在空隙区域内的凹穴，以合适地接纳一个或多个支承件。

附图说明

图1是根据一些实施例的热电设备/散热器组件的散热器部分的立体图。

图2是根据一些实施例的样本块/热电设备/散热器组件的散热器部分的侧视图。

图3A是根据一些实施例的适合与热电设备/散热器组件一起使用的示例样本块的立体图。

图3B-3C示出了固定样本块/热电设备/散热器组件的部件的示例性夹紧机构。

图4是示出了当由常规热电设备/散热器组件进行热循环时示例样本块中的热分布的热图。

图5是根据一些实施例的替代散热器部分的立体图。

图6是图5中的替代散热器部分的俯视图。

图7示出了具有下面的热电热泵的常规样本块。

图8示出了用于在热循环时监测样本块的热分布的实验装置。

图9-10示出了实验结果，其示出了当利用根据本发明的方面的热泵进行热循环时样本块中的热分布的改进。

图11-13示出了根据一些实施例的热电设备/散热器组件的散热器部分的替代实施例，其具有不同的规则、不规则和不均匀的形状、尺寸和数量的中心凸起部分。

具体实施方式

用于生物样本热循环的热泵利用热电设备，通常是珀尔帖设备或珀尔帖热电设备，它们是单一的电子设备，其利用众所周知的珀尔帖效应以根据通过设备的电流方向在两个相反方向中的任一个方向上引起热流。本发明适用于包含一个或多个这样的热电设备的系统，但可以利用任何类型的热泵设备。每个热电设备的形状通常为矩形，并且当存在两个或更多个热电设备时，它们通常以矩形阵列连续布置。当使用热电设备阵列时，该阵列较佳地包括二至二十个热电设备，并且在最佳实施例中，包括四到十个热电设备。描述“热电设备”在本文中用于包括单个热电设备和热电元件阵列以及相关联的平面。将热电设备或这种设备的阵列布置成形成与样本块接触的平坦平面，并且热量通过该平面在样本块和热电设备之间横跨该区域主动传递。样本块可以与热电设备占据的平坦区域共同延伸，也可以延伸超出它。

如本文所用，术语“空隙”或“空隙区域”表示散热器的导热板中已被移除或保持敞开的区域，即，在导热板材料中形成不连续性并且通常填充有空气。术语“空隙”还表示仅部分地延伸穿过板并因此仅向板的一侧敞开的凹陷，较佳地面向热电设备的侧部，并且还可以包括材料的完全去除(例如延伸穿过板的厚度并在板的两侧敞开)。空隙可以是厚度减少达50％、75％、90％，或基本上完全去除板的一部分或多个部分。空隙与不与板接触的一个或多个热电元件占据的区域共同延伸。在一些实施例中，空隙的全部或一部分可以填充有非传导性材料或支承件。

板以及包括板和散热翅片的散热器整体可以是任何导热材料，并且较佳地，由金属或金属合金制成。铝、铜和不锈钢是示例；其它示例对于熟悉热循环仪的制造和/或使用的人将是显而易见的。板或者与翅片集成在一起，或者板和翅片可以作为单独的件制造，通过焊接或其它传统的连结装置将它们连结以实现热界面，这意味着接触的性质是横跨界面的热传递基本上不受界面自身阻碍。尽管使用了不同的材料，但板和热电设备之间的接触也是热界面。为了在板和热电设备之间实现热界面，可以将诸如GRAFOIL(UCAR优卡有限公司(UCAR Company,Inc.)，威明顿市，特拉华州，美国)、Tgon(莱尔德技术公司)、各种导热油脂之类的材料或任何合适的材料放置在这些部件之间。

由于暴露于夹紧压力的热材料界面的非线性表现，发现样本块的热均匀性可根据所施加的夹紧力的均匀性而改变。诸如Grafoil之类的热材料界面的热阻随着压力的增加呈指数下降。因此，沿着夹紧力明显高于中间的某些区域(例如在角部处和沿着样本块的边缘)，有更多的热通量通过热电元件流向散热器。这导致边缘和角部区域比中间区域更冷，这会对热循环期间生物产品的均匀性产生不利影响。在将矩形散热器板夹到热电元件的矩形阵列的情况下，在样本块中观察到椭圆形状的热均匀性(见图4中的计算机模拟)。为了减轻或补偿这种异常，在被空隙包围的散热器板(参见图1和5中的实施例)的基部上形成椭圆形中心区域。空隙限制了热传导并因此限制了通过热电元件的热损失，使边缘保持期望的温暖，这使得样本块更热均匀。空隙可以通过从顶表面去除材料来形成，比如通过机械加工或任何合适的方法，使得板的厚度沿着空隙区域减小。在一些实施例中，散热器可以在空隙内包括一个或多个支承件，比如O形环，该支承件具有比板材料更低的导热率。在其它实施例中，空隙可以部分地或完全地填充有导热率低于板材料的材料(例如陶瓷、弹性体)。

虽然限定本发明的特征能够以多种结构实施，但是通过对具体实施例的详细说明将最好地理解作为整体的本发明。在附图中示出了若干这样的实施例。

图1示出了根据本发明的各方面的用于热泵的示例性散热器10。散热器包括导热材料的板11，其具有用于抵靠热泵的平面放置的凸起区域12和在与板相对的下侧上的散热翅片18。凸起部分12的外周边14的尺寸与热电设备占据的面积基本相同。凸起部分12包括被限定为椭圆形并且被空隙区域15围绕的凸起中心区域13，空隙区域15围绕凸起的中心区域13并且基本上是连续的。

图2示出了散热器10的侧视图，其中板11的凸起区域12从侧面看在其上方具有热电设备20的阵列，热电设备本身在板上方抬高一小段距离以强调由热电设备20的表面形成的平面与板的凸起区域12共同延伸。在使用中，热电设备20与板的凸起区域12直接接触。图2还示出了与板11一起构成散热器的散热翅片18。在热电设备20上方是样本块30，其同样保持与热电设备20的作用面(活动面)直接接触，以便为保持在样本块30内的样本提供均匀、精确控制的热循环。

如图1所示，该实施例中的空隙区域是限定为椭圆形的围绕中心凸起区域12的单个连续空隙。该形状对应于没有任何空隙的矩形板的不均匀温度分布的形状(如图4中所见)。当板11被热电设备和样本块夹紧时，施加到板的力通常沿着角部和外周边更集中。因此，包括包围边缘和角部区域的连续空隙会降低这些区域中的热导率，从而横跨样本块提供更均匀的温度。虽然此处将凸起的中心区域13示出为椭圆形，但应理解，取决于板的尺寸，凸起的中心区域13可以限定为各种其它形状，例如，凸起区域112可以形成为圆形(例如，对应于方形板)。

样本块的示例在图3A中示出，其可以通过参考美国专利第7,955,573号进一步理解，其全部内容为了所有目的以参见的方式纳入本文。图3A是具有标准间距的55个孔的12×8阵列的样本块30的立体图。该块是单块机加工金属，具有相对较厚的基部31，该基部比块的其余部分稍长和稍宽，以形成凸缘32。凹槽34环绕基部边缘，以容纳0形环并且与整个板的外周边接合。以凸缘为边界的块的中心部段上升到块的顶表面33。顶表面33是平坦和平面的，并且被样本孔35的开口中断。在顶表面33下方具有中空通道网络。定位在样本孔35之间另外的开口36将中空部开通到块的顶表面33。中心平台37占据了否则将被质量减少孔洞36占据的空间并且便于对准。通常，样本块30用作一次性塑料孔板件(未示出)的支承块，该塑料孔板件具有对应于块中每个孔34的塑料孔。虽然此处示出了特定的样本块，但应理解，此处描述的概念适用于利用具有不同构造、尺寸、孔数和形状(例如正方形)的样本块的各种其它组件。

图3B-3C示出了用于固定样本块/热电设备/散热器组件的部件的示例性夹紧机构。较佳地，夹持机构施加足够的夹持力，使得部件牢固地接合，从而确保相邻部件之间的热界面一致。为了进一步改善热泵的热不均匀性，可以使用诸如合成石墨(例如Tgon)之类的高导热材料作为部件之间的热界面，由于其热特性，可以更均匀地分布热量。在图3B-3C所示的实施例中，热泵组件借助四个精密带肩螺钉40夹紧在一起。每个螺钉40将保持环43夹紧抵靠图2所示的散热器10。夹紧力由四个碟形弹簧42的堆叠件决定，如图3C所示。结果，样本块30、热泵20、任何热材料界面材料(如果存在的话)和散热器10通过预定力保持在一起。在一些实施例中，热敏电阻嵌入在样本块的底部处，其能够用于读取和控制样本块的温度，例如可以使用六个热敏电阻来确定/监测温度分布。由于碟形弹簧的变化导致每个螺钉位置处的夹紧力存在一些变化，因此夹紧力变得有些不均匀。这种变化会导致热不均匀性，这由本文描述的改进的散热器/热泵构造解决。虽然此处描述了特定的夹紧构造，但是可以理解，由于夹紧力的变化而导致的不均匀性问题也存在于各种其它夹紧方法中。其它夹紧机构可以包括更少或更多的螺钉、替代紧固件(例如卡扣配合、过盈配合)以及其它位置的螺钉或紧固件(例如延伸穿过组件中心的中心螺钉)。可以理解的是，本文描述的改进的热泵和散热器的方面可以根据需要进行修改以解决任何夹紧方法的细节。

图4示出了在利用传统的热泵的组件内的热循环期间上述样本块的热图，该热泵具有的散热器具有与样本块共同延伸的实心凸起部分。热图显示区域A具有不同的温度分布。值得注意的是，施加的夹紧力较大的角部区域和外周边具有降低的热阻，从而导致较冷的区域，这对样本块的样本孔内的单个样本的热循环产生不利影响。

在一些实施例中，为了进一步提高热均匀性，使用特殊的热材料界面，比如合成石墨(例如，莱尔德技术公司的Tgon)。有利地，Tgon的柔顺性足以补偿表面的任何不平整度，并且同时具有铜的4倍的全厚度和10倍的面向热导率。

另一方面，由于热电元件在空隙区域上方膨胀、收缩和弯曲，一个或多个支承件可定位在空隙区域内，以便为空隙区域上方的热电元件提供适当的支承。这种支承件可由具有低导热率的材料和/或弹性材料形成以提供支承，同时允许相应热电元件的膨胀和收缩。支承件可构造成一个或多个橡胶O形圈，例如方形轮廓O形圈，其尺寸适合装配在每个角部内。应当理解，支承件不需要是圆形的并且可以是任何期望的形状(例如正方形、矩形、三角形、任何合适的形状和/或形状的任何组合)。这种实施例在图5-6中示出。

图5示出了具有矩形板12的散热器10'，该矩形板12具有凸起的内部区域，其中椭圆形凸起的中心区域13被周边14和凸起的中心区域13之间的空隙区域15围绕。圆形凹穴16已经在每个角部中被加工以用于插入O形环17以便于组装，如图6所示。虽然此处描述了橡胶O形圈，但可以理解，可以使用各种其它形状和材料。在其它实施例中，空隙可以部分或全部填充有任何合适的低导热率和/或弹性材料。

图7-8示出了实验装置，以表明上述热泵构造的用途和优点。图7示出了具有底层热电元件阵列的两个样本块。每个阵列有近20个热泵。左侧的设备组件包括具有96个孔的样本块31，而右侧的设备包括具有384个孔的样本块32。样本块的热均匀性借助15个温度探针40测量，如图8的装置所示。实验结果表明，通过使用具有被空隙区域包围的椭圆形凸起中心区域的改进的热泵，热不均匀性降低了35-40％，例如图1和图5中所示的。

利用常规实心散热器操作的系统的典型热迹线在图9中示出，而用椭圆形散热器改装的系统的热轨迹在图10中示出。

图11示出了类似于图1中的热电设备/散热器组件的散热器部分10”的立体图，然而，根据一些实施例，中心凸起部分13的形状为矩形。

图12示本命年根据一些实施例示出了热电设备/散热器组件的散热器部分10”'的立体图，其具有多个非连续形状的中心凸起部分13，包括不规则形状和不同尺寸的多个圆形形状。

图13根据一些实施例示出了热电设备/散热器组件的散热器部分10””'的立体图，其具有非均匀圆环形状的中心凸起部分13，在凸起区域内具有内部空隙

虽然前面的描述描述了各种替代方案，但其它替代方案对于本领域技术人员来说将是显而易见的并且在本发明的范围内。

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