用于实验室器皿的温度控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于容纳实验室器皿的温度控制装置，以便在较长的时间段上在预设的温度的情况下保持实验室器皿的内含物。

背景技术

专利公开WO92/12071A1示出一种用于热敏感的产品的储存和运输装置。借助所描述的装置，特别是生物活性的物质应该在确定的温度窗口（Temperaturfenster）中在冷却的并且非冰冻的状态中被储存。对此，所述装置的容器载体具有加深部用于具有包含在其中的并且要保护的物质的玻璃注射液瓶（Glasampullen）。容器载体由热塑性材料制造并且形成围绕加深部的并且绕空心的、环绕的、突出通过加深部的边缘区域的封闭的空间。在封闭的空间之内直至加深部的高度上存在有转变其聚集态的温度控制介质，所述温度控制介质具有大的融化热。为此，水或凝胶材料能够应用为温度控制介质。空心的边缘区域用于实施相转变的温度控制介质的膨胀。

在所述装置中不利的是，在所述装置的热调节时，温度控制介质在空心的空间的外侧处以相转变开始并且体积膨胀在如下区域中最强烈地出现，在所述区域中最后进行相转变。因为空心的以空气填充的空间仅仅占据边缘区域，所以引起在容器载体的中心的变形，其中，加深部不再处于与容器载体的支承面相同的高度上。只有在相反的相转变时，才又给出几何上的限定（Bestimmung）。

这样的容器载体在自动化的实验室仪器中使用以操纵在玻璃注射液瓶或其它的器皿中的物质在有缺陷的恒定的几何上的限定的情况下是不可行的。即使在手动地操纵在相邻的加深部中的多个物质时，通过容器载体的变形决定地能够出现缺陷。

此外，在这种容器载体中，不均匀地走向的相反的相转变是不利的，所述相转变在空心的空间的边缘区域中开始并且在容器载体的中心结束。在所需的时间段上的预设的温度不是在每个加深部中都是可行的。在相转变时的融化热也没有被恒定地利用并且没有分布到所有加深部上。

另外的专利公开EP2428273A1公开了一种用于试样器皿的以非自给自足的结构类型的温度控制装置。所述温度控制装置具有两个、相对于彼此绝缘的温度控制区，其区段式地加热和冷却试样器皿。在第一温度控制区中借助于加热元件并且在第二温度控制区以流过的热传递介质调整所期望的温度。也就是说，所述温度控制装置需要电能和热能的联接部并且在结构和功能元件的数量方面是复杂的。

发明内容

本发明以如下任务为基础，即提供用于容纳开头所提及的类型的实验室器皿的温度控制装置，所述温度控制装置使实验室器皿的内含物在容纳部的尽可能整个面上并且在没有热能的供应或排出的情况下在较长的时间段上恒定地保持在预设的温度上以及在功能方面通过其能够被弱地热影响的尺寸进行改善并且能够成本适宜地进行制造。

所述任务通过开头所提及的类型的温度控制装置借助权利要求1的特征和根据权利要求11的用于实验室器皿的温度控制方法来解决。有利的设计方案在从属权利要求中进行说明。

根据本发明，用于容纳实验室器皿的温度控制装置设有空心的、具有内部区域的并且以温度控制介质填充的壳体。温度控制装置在其使用之前在没有实验室器皿的情况下进行热调节。在其使用期间，温度控制装置在有限的时间进程中要么从实验室器皿吸收被调节的热能（也就是说，热）要么将其放出到实验室器皿处。对此，壳体在下方具有底部并且相对地在上方具有容纳区域，所述容纳区域向上方限制壳体的空心的内部区域。在容纳区域的上侧处，向内指向的加深部用作用于待被温度控制的实验室器皿的容纳部。

优选地，空心的壳体除了容纳温度控制介质的内部区域之外具有被分开的空气室。在备选的方案中，内部区域能够具有分隔部，所述分隔部将内部区域分成子空间，尤其分成第一内部区域和第二内部区域。最后，起决定作用的是，空气室通过壳体的结构上的设计与温度控制介质分开，也就是说，至少基本上不进行空气室与温度控制介质的混合。这能够尤其通过相应的结构部件、如分隔壁来实现。根据本发明，此外如下设计方案也是可行的，在其中，壳体的内部空间仅仅以温度控制介质和以空气进行填充，其中，在本发明的意义上，所包含的空气最终形成空气室。在此，尤其构造有在温度控制介质与空气室之间的边界面。

在空心的壳体的内部区域中布置有吸收元件，所述吸收元件水平地在内部区域中延伸并且由温度控制介质环流和/或流过。吸收元件与容纳区域导热地连接。在容纳区域中被置入到加深部中的实验室器皿因此通过温度控制介质在较长的时间段上保持在恒定的温度上。吸收元件尤其构造为板。

在本发明的范围内，材料或结构部件当其导热性平均至少为5W/(m∙K)时被视作“导热的”。

温度控制介质的融化热由吸收元件吸收并且均匀地传输到容纳区域。在温度控制介质中水平延伸的吸收元件实现，温度控制介质的质量的热能被完全利用。在温度控制装置的热调节时，吸收元件还使从周围环境经过容纳区域到温度控制介质中的热传输加速。用于调节的时间是较短的。“水平的”延伸当前关于在使用状态中的温度控制装置的取向并且意味着吸收元件至少基本上横向于重力作用进行延伸。这尤其还一同包括这样的组件，在所述组件的情况下，吸收元件没有平行于底部进行走向。

在优选的构造方案中，壳体的内部区域平行于支承面，也就是说，平行于底部被分隔。空气室能够以有利的方式相对于容纳区域进行布置，其中，内部区域的与容纳区域毗邻的部分容纳或包含温度控制介质。由此实现温度控制介质与吸收元件和容纳区域的直接的接触和热交换。

在另外的优选的构造方案中，在壳体的内部区域之间布置有分隔壁。分隔壁将这两个内部区域相对于彼此密封并且柔性地实施。分隔壁实现在形状稳定的壳体中的温度控制介质的体积改变。分隔壁的柔性通过应用弹簧弹性的原料、例如硅酮得到。借助分隔壁的弹性改善温度控制介质与吸收元件和容纳区域的直接接触。

在本发明的意义上，材料或结构部件当其具有足够的弹性时是“柔性的”，以便在由于力发生变形之后又回到原始形状，所述力由于温度控制介质在相转变时的体积改变作用于材料或结构部件。尤其合适的平面的结构部件、如分隔壁能够具有小于每平方毫米5N/mm的弹簧刚度。面积标准化在此关于结构部件的施加有相应的压力的面积。

根据一个设计方案，温度控制装置能够用于冷却或保温。对此，具有温度控制介质的壳体被加热或冷却，其中，优选地温度控制介质转变其聚集态并且所述能量被用于相转变。

以成本适宜的方式，作为温度控制介质应用水或水溶液，其在冷却时被冰冻。

根据有利的设计方案，温度控制介质在固相中具有比在其液相中小或高的密度。在来自外部的相转变时，已经部分又是液体的温度控制介质使还是固体的温度控制介质漂浮或下沉。所述固体的温度控制介质由于不同的密度在此压抵吸收元件。以特别的方式，具有被置入的实验室器皿的容纳区域的热能通过固体的温度控制介质与吸收元件的接触、所述吸收元件到容纳区域处的导热的联结和热传递改变。如果进行从吸收元件到容纳区域的热传递，那么容纳区域的热能被提高并且实验室器皿被加热。如果进行从容纳区域到吸收元件的热传递，那么容纳区域的热能被降低并且实验室器皿被冷却。

从容纳区域或到容纳区域的热传递均匀地并且足够地进行。在相转变时温度控制介质的恒定的温度能够在较长的时间上被利用并且保持实验室器皿的确定的、基本上由温度控制介质的物理特性界定的温度。在之前进行的调节时，从液体到固体的相转变在处于温度控制介质中的吸收元件的几乎整个表面上同时地并且不仅仅逐点地在容纳区域的中心进行。

根据优选的实施方案，吸收元件相对于容纳区域有空间间距地进行布置。在此，吸收元件能够实施为板并且吸收元件与容纳区域借助于一个或多个导热的间隔元件连接。在有利的实施方案中，板、间隔元件和容纳区域由具有至少为10W/(m∙K)的导热性的材料制成。借助所述最小值能够保证通过吸收元件或板的完全的热吸收并且同时在到温度控制介质处的热传递的情况下保证实验室器皿的均匀的温度控制。

根据另外的优选的实施方案，壳体的容纳区域实施为分离的部分。这实现壳体的减小的热放出或以有利的方式实现容纳区域能够由具有较高的至少为100W/(m∙K)的导热性的材料实施。在此，铝是一种形状较稳定的并且能够突出地加工的、成本效益的原料。在此，空心的壳体的其它的部分能够由具有显著较小的最大为1W/(m∙K)的导热性的材料制成并且由塑料生产。

恰好当使用如下温度控制介质时，其密度和/或体积在其聚集态的相转变时能够改变，在温度控制介质上的空气室用于体积平衡并且限制到壳体和容纳区域上的压力建立。在根据本发明的温度控制装置中，吸收元件以其朝着底部指向的下侧或作为板突入到温度控制介质中。根据本发明，吸收元件能够朝着容纳区域柔性地或弹性地变形。优选地，吸收元件具有关于面积的、为吸收元件的下侧的每平方毫米的面积小于1N/mm的弹簧刚度或如下地被保持，使得得出吸收元件的下侧的每平方毫米的面积小于1N/mm的弹簧刚度。

吸收元件要么实施为板要么作为备选的实施方案是具有一定结构的弹性的模制品，其中，所述板或还有模制品优选地附加地借助间隔元件弹性地保持在容纳区域处。温度控制装置的这两个变型方案在相转变时没有受到损伤并且在没有其功能的损失或壳体的变形的情况下实现还在固体的状态中的温度控制介质的体积改变。

根据本发明的温度控制装置的另外的优选的设计方案从随后的结合图的描述和其描述中得出。

附图说明

随后，根据优选的实施方案的附上的附图更详细地阐释本发明。

图1以剖切视图示出根据本发明的温度控制装置。

图2示出图1的以优选的实施方式的温度控制装置。

图3示出图1的以备选的优选的实施方式的温度控制装置的详细视图。

图4示出图1的以备选的优选的实施方式的温度控制装置的详细视图。

图5示出关于在温度控制装置处的温度曲线的线图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的用于容纳实验室器皿2的温度控制装置1。温度控制装置1在使用前，也就是说在没有实验室器皿2的情况下进行热调节并且对此在冷却或加热柜中进行温度控制。在使用时，温度控制装置1在有限的时间进程中要么从实验室器皿和周围环境吸收被调节的热能要么放出所述热能。

在图1和2中示出的温度控制装置1构造有空心的壳体3，所述空心的壳体在壳体3的内部区域中至少部分地以温度控制介质4填充。壳体3在实验室中作为独立的装置进行应用并且对此在使用状态中在下侧之下或在下侧处具有底部3.2并且相对地在上侧之上或在上侧处具有容纳区域3.1，所述容纳区域向上方限制壳体3的空心的内部区域。

在容纳区域3.1处构造有从上方沿朝着底部3.2的方向并且向内指向的加深部5，所述加深部用作用于待被温度控制的实验室器皿2的容纳部。底部3.2能够以SBS标准（Society of Biomolecular Screening，生物分子筛选学会）来定尺寸并且一定数量的加深部5布置在SBS标准的12x8、24x16等的格栅中。

温度控制装置1能够在底部3.2上或在加深部5上无论如何在其被实验室器皿2使用之前被热调节，也就是说被加热或冷却，以便呈现确定的与使用环境不同的温度。

在图1中示出温度控制装置1，所述温度控制装置呈现一种实施例。容纳区域3.1能够在壳体3处、然而与图示相反尤其能够从上方脱开地进行布置。壳体3能够如示出的那样覆盖绕加深部5的中间空间。与图示相反，所述部分能够与壳体3分离地进行实施。与图示相反，容纳区域3.1能够同样能够从上方脱开地布置在壳体3处。

图2示出根据本发明的具有空心的壳体3的温度控制装置1，所述壳体具有与容纳或包含温度控制介质4的内部区域分开的空气室6。内部区域的分隔部至少基本上平行于底部3.2走向，所述底部尤其用作支承面。与根据图1的实施方案相反，空气室6相对于容纳区域3.1进行布置并且呈现内部区域的一部分。内部区域的毗邻容纳区域3.1的剩余的部分容纳温度控制介质4。由此，还直接进行在温度控制介质4与容纳区域3.1之间的热传递。

在有利的实施方案中，在空心的内部区域或支承面、也就是说底部3.2与壳体3之间布置有分隔壁3.3，所述分隔壁将这两个内部区域相对于彼此进行密封并且柔性地实施。分隔壁3.3还能够布置在壳体3的其它的部分之间。根据图（根据图1和2）的实施方案就此而言是有利的实施方案，在其中，支承面或底部3.2具有空心的内部区域的一部分。

在根据图2的实施方案中，支承面或底部3.2具有孔3.4，所述孔对空气室6进行通风和/或排风。备选地，空气室6密封地被围住并且能够利用所述空气室的压力改变以将温度控制介质4压抵容纳区域3.1。

如在图2中示出的那样，虽然在实践中力争，温度控制介质4至少基本上完全填满壳体3的与容纳区域3.1毗邻的内部区域，但是大多数情况下仅仅不完全是可行的。在以温度控制介质4填充内部区域并且接着以分隔壁3.3进行封闭时，还能够一同围住空气。也就是说，内部区域完全以温度控制介质4或部分地以温度控制介质4和空气填充。温度控制介质4与容纳区域3.1越靠近并且越直接，其热连接就越好。也就是说，温度控制介质4与容纳区域3.1的间距越小并且热传递经过越少的中间元件，热传递能够越高效地进行。在此，在温度控制介质4与容纳区域3.1之间的直接接触是最佳的。因此优选的是，毗邻容纳区域3.1的内部区域以温度控制介质4进行填充至尽可能大的部分。因此，内部区域的毗邻容纳区域3.1的部分优选地以温度控制介质4填充至大部分。尤其温度控制介质的包含在内部区域的毗邻容纳区域3.1的部分中的体积大于包含在此处的空气的体积。

根据图2的温度控制装置1具有在空心的壳体3中的吸收元件7，所述吸收元件实施为板并且在壳体3中水平延伸。在此，吸收元件7相对于容纳区域3.1和壳体3有空间间距地如此进行布置并且温度控制介质4的量如此进行选择，使得吸收元件7由温度控制介质4至少部分地环流，也就是说，与被温度控制的温度控制介质4有接触和/或沉入在其中。

吸收元件7能够具有一个或多个开口7.1，所述开口实现了气泡的流过并且根据开口7.1的尺寸和温度控制介质4的粘度实现温度控制介质4至少部分地流过吸收元件7。

吸收元件7为了传递热能与容纳区域3.1导热地良好地连接并且因此将温度控制介质4的温度传递到实验室器皿2上。

根据本发明的温度控制装置1在其被使用之前足够久地经受期望的温度。根据在实验室器皿2中的物质的所需的温度窗口，具有温度控制装置1的温度控制介质4的壳体被加热或冷却。

在壳体3中置入的温度控制介质4在加热或冷却时转变其聚集态。在冷却时，温度控制介质4被冷冻，并且在加热时其融化。在此，有效地利用相变的能量（例如在水的情况下：333.4KJ/Kg在0°C时）。

作为成本适宜的用于冷却实验室器皿2的温度控制介质4优选使用水、水溶液、乙二醇/水混合物和/或凝胶材料、尤其含水的羧甲基纤维素凝胶。备选于实验室器皿2的加热或保温，作为温度控制介质4应用由环糊精和4-甲基吡啶构成的混合物。还能够使用由多种可溶解的具有不同的相温度和取决于浓度的互溶间隙的材料构成的聚合物溶液、如苯酚/水混合物。

备选于实验室器皿2的加热，根据图1和2的温度控制装置1应用在30℃与45℃之间。对此，壳体3以已经提到的由环糊精和4-甲基吡啶构成的混合物填充。温度控制装置1在大约50℃或更高的温度的情况下被调节。与在图1或2中示出的实施方案相反，吸收元件7在此延伸经过在壳体3的内部区域中的较大的伸展部。

在图1和2中示出的温度控制装置1特别设计用于如下温度控制介质4，所述温度控制介质在其固相中具有比其液相小的密度。这样的在融化时已经部分地又是液体的温度控制介质4在还部分是固体的状态中漂浮并且压抵吸收元件7。

在根据图2的实施方案中，还是固体的温度控制介质4还被压抵容纳区域3.1。通过温度控制介质4与吸收元件7并且必要时附加地与容纳区域3.1的接触，温度控制介质4大量地融化。如此被温度控制的吸收元件7将热从具有置入的实验室器皿2的容纳区域3.1供应给温度控制介质4并且提高所述温度控制介质的热能或反之亦然。在由壳体3和容纳区域3.1包围的容积中的温度控制介质4的冰冻的状态在此尤其完全被利用。实验室器皿2能够在长时间段上进行冷却或和加热。

图5以两个实施方案的以水填充的壳体3的相应地在其加深部5中测量的相应的曲线示出，根据本发明的根据图1或2的实施方案相对于没有吸收元件7的实施方案是多有效的。温度曲线“A”相应于没有吸收元件的实施方案并且“B”相应于根据本发明的根据图1或2的实施方案。在“B”的情况下，是在“A”的情况下的两倍久地低于为7℃的温度极限。根据温度控制介质4相应于其物理特性得到其它的温度极限和曲线。

图2示出根据本发明的具有壳体3的温度控制装置1，所述壳体具有与内部区域分开的空气室6。内部区域的分隔部至少基本上平行于底部3.2走向。

根据图2的实施方式不仅呈现出结构上的改善。令人意外地，在效果方面并且在所引起的温度曲线“B”方面也表现出了优点。柔性的分隔壁3.3实现温度控制介质4与空气室6的空间上的分开以及对进入到空气室6中或远离所述空气室的温度控制介质4的体积改变的补偿。

在图1和2中示出的特别优选的设计方案中，分隔壁3.3由柔性的、也就是说弹簧弹性的原料实施，例如由硅酮实施。

固体的或冰冻的温度控制介质4的体积增加通过分隔壁3.3的由于预紧而到空气室6中的伸展来实现。固体的温度控制介质4在此压抵吸收元件7。在应用温度控制装置1时，通过压紧来使热传递增加并且温度曲线“B”还较久地保持在温度极限之下。当分隔壁3.3附加地具有低的导热性时，这种效应还较久地持续。

图2示出具有板作为吸收元件7的实施方式，所述板水平布置在空心的壳体3中。所述板在本实施方式中以多个间隔元件8固定在容纳区域3.1处。在此，间隔元件8还将板7与容纳区域3.1导热地连接并且具有这样的数量，使得温度控制介质4的温度被传递到实验室器皿2上。

在根据本发明的根据图1或2的实施方案中，起决定作用的还有所使用的材料。吸收元件7或板、间隔元件8和/或容纳区域3.1尤其由具有至少为10W/(m∙K)的导热性的材料构造。

根据优选的实施方案，壳体3的容纳区域3.1实施为分离的部分。与壳体3材料分隔的容纳区域3.1由具有至少为100W/(m∙K)的导热性的材料构成。作为合适的原料，尤其使用铝。空心的壳体3的其它的部分能够由塑料构成或具有塑料并且优选地具有最大为1W/(m∙K)的导热性并且由此具有更确切地说热绝缘的效果。

在此，壳体3还能够进一步分散地进行构建。在图1和2中，壳体3设有分离的底部3.2，所述底部相对于容纳区域3.1呈现支承面。底部3.2和容纳区域3.1借助密封部3.5相对于壳体3被密封。如在图2中示出的那样，在底部处布置有突出的支承脚3.6。

根据温度控制装置1的另外的优选的实施方案，吸收元件7以其朝着底部3.2指向的吸收下侧朝着容纳区域3.1柔性地进行构造。温度控制介质4的体积增加通过吸收元件7承受。在优选的实施方案中，吸收元件7是具有一定结构的弹性的模制品7'，如图3示出的那样。优选地，所述平面的模制品7'具有带有模制品7'的下侧的每平方毫米的面积小于1N/mm的弹簧刚度的足够的挠性，以便防止壳体3的变形。

在图3中示出的模制品7'是一层金属网或泡沫。模制品7'布置在容纳区域3.1的下侧处。这样的网或泡沫用作吸收器，以用于容纳并且同时用于将热能传输到容纳区域3.1。所述网或泡沫同样被定位，使得所述网或所述泡沫在容纳区域3.1之下延伸穿过空气室6并且由温度控制介质4至少部分地围住并且在此尽可能完全被穿过。所述结构本身实现所要求的柔性和原料以及横截面密度的选择、朝着容纳区域3.1的足够的热传导。作为简化的变型方案，所述网或泡沫还能够仅仅用作板的柔性地弹性的间隔元件8'。

在具有间隔元件8的板的实施方案中，间隔元件8关于容纳区域3.1柔性地弹性地保持所述板。如在图1中示出的那样，所述板由温度控制介质4至少部分地围住。在固体的状态中的温度控制介质4的体积膨胀的情况下，所述温度控制介质被压抵所述板并且通过其柔性的定位或其弹性的形状改变来承受。

此外，吸收元件7优选地能够脱开地或不能够脱开地连接在容纳区域3.1处。在图3中，吸收元件7与容纳区域3.1的下侧多重地逐点地连接，例如以超声的方式焊接。在根据图1或2的实施方案中，间隔元件8一件式地模制在容纳区域3.1处和/或在所述板处，从而进行良好的热传导。在图4中示出柔性的间隔元件8'的实施方式。所述间隔元件8'是所述板的一部分。

没有示出的切割部露出间隔元件8'并且实现波纹形的弯曲部，如在图4中描绘的那样。如此弯曲的间隔元件8'的自由的端部尤其焊接到容纳区域3.1处。备选地，间隔元件8能够是能够脱开地进行旋紧，也就是说，力/形状/摩擦配合地被保持或能够脱开地固定地连接，如焊接、钎焊、粘结、粘接或以其它方式材料连接。