ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛУНОЧНЫХ ПЛАНШЕТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОБРАЗЦЫ Российский патент 2006 года по МПК F28D20/00 

Область изобретения

Данное изобретение относится к устройству для охлаждения или нагревания образцов, содержащихся в лунках луночных планшетов.

Описание предшествующего уровня техники

В лабораториях фармацевтических, геномных и протеомных исследований, в лабораториях по разработке медикаментов, а также в других прикладных задачах биотехнологии используются автоматизированные манипуляторы для работы с жидкостями, предназначенные для обработки лабораторных образцов во многих лабораторных процедурах. Например, манипуляторы для работы с жидкостями используются при биотехнологических и фармацевтических процедурах анализа жидкостей, приготовлении образцов, распределении смесей и т.п. Обычно используются содержащие образцы планшеты, включающие в себя массив из множества содержащих образцы сосудов, другими словами - лунок. Например, один из широко используемых луночных планшетов имеет Х-Y массив из 96 глубоких лунок с комбинацией лунок 8×12. Известны другие луночные планшеты, имеющие массивы лунок, отличные от указанных. Обычно планшеты отформованы из пластмассы как одно целое и имеют периферическую краевую стенку, верхнюю стенку и множество содержащих образцы отдельных лунок, которые отделены промежутком от соседних лунок и проходят вниз от верхней стенки.

В некоторых случаях образцы в лунках желательно держать при пониженной температуре или при повышенной температуре. Чтобы подводить тепло к луночным планшетам или отводить от них тепло, используют устройство, основанное на эффекте Пельтье. В эффекте Пельтье тепло выделяется или поглощается в спае двух металлов в ответ на пропускание электрического тока. В известном ранее устройстве луночный планшет размещен на теплопроводящем блоке или пластине, которые нагреваются или охлаждаются по меньшей мере одним модулем на эффекте Пельтье. Луночный планшет может быть закрыт теплоизолирующей крышкой или может быть помещен ниже второго теплопроводящего блока или пластины, которые нагреваются или охлаждаются по меньшей мере одним модулем на эффекте Пельтье.

Кроме того, из RU 2041263 С1 известно теплообменное устройство для луночных планшетов, имеющих множество содержащих образцы вертикальных лунок, которые пространственно разнесены и образуют массив, содержащее теплообменную сотовую структуру, включающую в себя панель основания и источник для подвода или поглощения тепла, который находится настолько близко от теплообменной сотовой структуры, что обеспечивает теплообмен с ней.

Эти известные системы не могут эффективно и должным образом охлаждать или нагревать образцы в луночных планшетах. Пластмасса луночного планшета не является хорошим проводником тепла. В результате нагреваемые или охлаждаемые пластины или блоки, расположенные сверху и/или снизу луночного планшета, недостаточно хорошо передают тепло образцам в луночных планшетах. Тепло передается, главным образом, в вертикальных направлениях. Глубокие луночные планшеты имеют лунки с глубиной примерно один-полтора дюйма (2,5-3,75 см), результатом чего являются большие вертикальные расстояния между частями содержащегося образца и источником тепла или теплоотводом, расположенным выше или ниже планшета. Если луночный планшет хорошо изолирован от внешней температуры, известные системы могут, в конечном счете, довести образцы до вполне подходящей температуры или поддерживать ее постоянной, но вследствие плохой передачи тепла это требует значительного времени. Это серьезный недостаток, потому что задержка не позволяет проводить процедуры при высокой производительности, и может привести к ухудшению или изменению подготовленных для анализа образцов.

Сущность изобретения

Главной целью данного изобретения является создание усовершенствованного устройства для передачи тепла к образцам в лунках луночного планшета или для отвода тепла от них. Другие цели заключаются в создании теплообменного устройства с луночным планшетом, которое может нагревать или охлаждать лунки с образцами с высокой степенью однородности и за относительно короткое время; в создании теплообменного устройства, которое передает тепло к лункам с образцами или отводит тепло от них в поперечном, или горизонтальном, направлениях, а не только в вертикальном направлении; и в создании теплообменного устройства с луночным планшетом, в котором устранены недостатки предыдущих устройств.

Короче говоря, согласно изобретению предложено теплообменное устройство для луночных планшетов, имеющих множество вертикальных содержащих образцы лунок, которые пространственно разнесены и образуют массив с заданной конфигурацией промежутков вокруг лунок. Теплообменное устройство содержит теплообменную сотовую структуру с панелью основания и множеством вертикальных стержней, присоединенных к указанной панели с возможностью передачи тепла. Расположение стержней соответствует заданной комбинации промежутков вокруг лунок планшета. Источник для подвода или поглощения тепла находится настолько близко от теплообменной сотовой структуры, что обеспечивает с ней теплообмен.

В частности, согласно изобретению, предложено теплообменное устройство для луночных планшетов, имеющих множество содержащих образцы вертикальных лунок, которые пространственно разнесены и образуют массив с заданной конфигурацией промежутков вокруг лунок, содержащее: теплообменную сотовую структуру, включающую в себя панель основания и множество вертикальных теплопроводящих стержней, присоединенных к панели основания с возможностью передачи тепла, причем расположение стержней соответствует указанной заданной конфигурации промежутков вокруг лунок луночного планшета; и источник для подвода или поглощения тепла, который находится настолько близко от теплообменной сотовой структуры, что обеспечивает теплообмен с ней.

Луночный планшет, предпочтительно, имеет X-Y массив лунок, состоящий из прямолинейных рядов и столбцов, где в каждом ряде Х содержится n лунок, а в каждом столбце Y содержится m лунок, при этом стержни образуют массив, состоящий из прямолинейных рядов и столбцов, с по меньшей мере n+1 стержнем в каждом ряду Х и по меньшей мере с m+1 стержнем в каждом столбце Y. Стержни образуют массив с n+1 стержнем в каждом ряду Х и m+1 стержнем в каждом столбце Y.

Указанный источник предпочтительно содержит модуль на эффекте Пельтье, соприкасающийся с возможностью передачи тепла с нижней стороной панели основания. Теплообменное устройство дополнительно может содержать радиатор, соприкасающийся с возможностью передачи тепла с нижней стороной модуля на эффекте Пельтье. Теплообменное устройство также может содержать вентилятор для продувки воздуха через радиатор.

Панель основания, предпочтительно, имеет систему отверстий, причем указанные стержни размещены в этих отверстиях. Стержни могут быть запрессованы в указанные отверстия.

Теплообменное устройство, в котором источник для подвода и поглощения тепла содержит модуль на эффекте Пельтье, также может содержать:

теплоизоляционный кожух, имеющий по меньшей мере одно гнездо для модуля, причем указанный модуль на эффекте Пельтье установлен в указанном гнезде и имеет верхнюю и нижнюю поверхности, открытые у верхней и нижней частей кожуха; и

радиатор, расположенный ниже указанного кожуха настолько близко от нижней поверхности модуля, что обеспечивает с ней теплообмен; при этом панель основания теплообменной сотовой структуры удерживается у верхней части кожуха с возможностью теплообмена с верхней стороной указанного модуля.

При этом теплообменное устройство может дополнительно содержать теплоизолирующую крышку, которая заключает в себе указанную теплообменную сотовую структуру. Крышка может иметь отверстия для доступа к лункам, расположенные рядами и столбцами и соответствующие лункам луночного планшета.

Кроме того, теплообменное устройство может дополнительно содержать основной корпус, окружающий радиатор, и вентилятор для продувания воздуха через указанные основной корпус и радиатор.

Теплообменное устройство может дополнительно содержать в указанном кожухе опорный участок, который может удерживать температурный датчик, который, предпочтительно, находится в контакте с панелью основания указанной теплообменной сотовой структуры.

Краткое описание чертежей

Данное изобретение, а также его цели и преимущества (как вышеуказанные, так и другие), лучше всего можно понять из следующего подробного описания предпочтительного варианта изобретения, проиллюстрированного чертежами, на которых:

Фиг.1 в аксонометрии изображает предложенное теплообменное устройство, предназначенное для охлаждения или нагревания образцов, содержащихся в луночных планшетах для хранения этих образцов;

Фиг.2 в аксонометрии и в уменьшенном масштабе изображает элементы показанного на фиг.1 теплообменного устройства, находящегося в разобранном состоянии;

Фиг.3 в аксонометрии изображает тепловой блок теплообменного устройства, находящийся в разобранном состоянии;

Фиг.4 в аксонометрии и в разобранном состоянии изображает теплообменную сотовую структуру теплового блока;

Фиг.5 в аксонометрии изображает теплоизоляционный кожух теплового блока;

Фиг.6 изображает частичный аксонометрический вид теплообменной сотовой структуры и установленного планшета для содержания образцов, имеющего глубокие лунки, причем часть луночного планшета удалена, чтобы показать теплообменную сотовую структуру.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Вначале обратимся к фиг.1 и 2, на которых показано теплообменное устройство, обозначенное в целом номером 10 и выполненное в соответствии с принципами данного изобретения. Устройство 10 содержит основной корпус 12 и сопрягающуюся с ним крышку 14, которая заключает в себе камеру 16 луночного планшета, приспособленную для размещения двух 96-луночных микропланшетов 18 для титрования с глубокими лунками (фиг.6). Указанные планшеты охлаждаются или нагреваются тепловым блоком, который установлен в корпусе 12 и в целом обозначен номером 20.

Один из луночных планшетов 18 показан на фиг.6. Он представляет собой цельную отформованную из пластмассы конструкцию и имеет верхнюю стенку 22 и периферическую, или краевую, стенку 24 с нижней кромкой 26. От верхней стенки 22 отходят вниз многочисленные открытые сверху лунки 28, содержащие образцы. Каждая лунка 28 имеет цилиндрическую боковую стенку и закрытую донную стенку. Лунки 28 образуют регулярный массив, в котором каждая лунка одинаково удалена от соседних. В представленной конструкции теплообменное устройство 10 содержит два луночных планшета 18 с глубиной примерно один-полтора дюйма (2,5 - 3,75 см), причем лунки 28 образуют Х - Y массив из 96 лунок с комбинацией лунок 8 х 12. Принципы изобретения могут быть применены к другим конфигурациям, включающим большее или меньшее количество планшетов, при этом и сами планшеты могут иметь разные конфигурации, например состоять из большего или меньшего числа лунок 28. По сторонам каждой лунки 28 находятся окружающие ее четыре вертикальных открытых промежутка 30. Луночный планшет 18 и каждый промежуток 30 открыты снизу. В приведенной комбинации лунок 8х12 промежутки 30 образуют комбинацию 9х13.

Тепловой блок 20 (фиг.3) содержит в целом ровный, плоский теплоизоляционный кожух 32 с периферическим фланцем 34. Между верхней и нижней поверхностями 38 и 40 кожуха 32 проходят два гнезда 36 для модулей. В каждом гнезде 36 для модулей установлен модуль 42 на эффекте Пельтье, открытый у верхней и нижней поверхностей 38 и 40 кожуха. Модули 42 проводами 44 соединены с источником питания, воздействующим на указанные модули таким образом, что они избирательно передают тепло в восходящем или нисходящем направлениях между верхом и низом модуля 42.

Радиатор 46 имеет плоскую верхнюю поверхность 48, которая расположена под нижней поверхностью 38 кожуха 32 и находится в теплообмен ном контакте с нижними частями модулей 42 на эффекте Пельтье. От верхней поверхности 48 проходят вниз ребра 50, чтобы увеличить площадь поверхности и теплоотдачу радиатора 46.

Вентиляторный блок 52 содержит полку или колпак 54 с центральным отверстием, совмещенным с вентилятором 56. Ребра 50 вставляются в полку 54 внутри корпуса 12. Корпус 12 имеет нижнюю стенку 58, торцевые стенки 60 и боковые стенки 62. При работе вентилятора 56 воздух движется следующим образом: через отверстия 64 для потока в торцевых стенках 60, через отверстие в полке 54, а также через вентиляционные отверстия 66 и 68 в торцевых стенках 60 и боковых стенках 62. Отверстия 64 для потока совмещены с концами ребер 50 (фиг.1), и воздух протекает через поверхности ребер 50, отбирая тепло от радиатора 46 или передавая ему тепло.

В соответствии с изобретением, теплообменная сотовая структура 70 передает тепло лункам 28 или отводит его от них. Сотовая структура 70 содержит плоскую в целом панель 72 основания и многочисленные выступающие вверх стержни 74. Панель 72 основания размещена на верхней поверхности 38 внутри периферического фланца 34 кожуха 32 и находится в контакте с верхними поверхностями модулей 42 на эффекте Пельтье. Стержни 74 имеют контакт с панелью 72 основания, достаточный для хорошего теплообмена. Как видно из фиг.4, панель 72 основания имеет массив отверстий 76, причем в предпочтительном варианте конструкции стержни 74 запрессованы в отверстия 76 с натягом.

Когда работа модулей 42 направлена на отвод тепла от их верхних частей, сотовая структура 70, содержащая стержни 74, охлаждается до температуры, которая значительно ниже температуры окружающей среды. Тепло отводится при помощи радиатора 46 и воздуха, приводимого в движение вентилятором 56. Когда работа модулей 42 направлена на подвод тепла к их верхним частям, сотовая структура 70, содержащая стержни 74, нагревается до температуры, которая значительно выше температуры окружающей среды. Тепло подводится при помощи радиатора 46 и воздуха, приводимого в движение вентилятором 56.

Расположение стержней 74 теплообменной сотовой структуры 70 обуславливает быструю и эффективную передачу тепла к каждой лунке 28, содержащей образец, или отвод тепла от нее. Расположение стержней 74 является таким же, как и расположение промежутков 30. Если луночные планшеты 18 помещены в камеру 16 для луночных планшетов, стержень 74 проходит вверх, в каждый из промежутков 30. Каждая лунка 28 окружена четырьмя расположенными по сторонам от нее стержнями 74, которые проходят вертикально, по существу, через всю глубину лунок 28. Любая часть содержащегося в лунке 28 образца находится в непосредственной близости с четырьмя окружающими стержнями 74, и тепло передается горизонтально на короткие расстояния между содержимым каждой из лунок 28 для образцов и окружающими ее стержнями 74. Короткие горизонтальные пути передачи тепла при незначительном взаимном влиянии обеспечивают быстрое и равномерное охлаждение или нагрев содержащихся образцов.

Кожух 32 имеет опорный участок 78, который может удерживать температурный датчик, находящийся в контакте с панелью 72 основания теплообменной сотовой структуры 70. Датчик может обеспечивать подачу сигнала, используемого, например, для контроля работы теплообменного устройства 10.

Для того чтобы снизить утечку тепла из камеры 16 или его поступление в эту камеру и помочь охлаждению или нагреванию образцов в лунках 28, над луночными планшетами 18, находящимися в камере 16, размещена крышка 14. Крышка 14 имеет отверстия 80, совмещенные с открытыми верхними частями лунок 28 для образцов. Отверстия 80 обеспечивают доступ к лункам 28, например, для зондов автоматизированного манипулятора для жидкостей или для наконечников пипетки, управляемой вручную.

Хотя данное изобретение описано со ссылкой на частности варианта, показанного на чертежах, из приложенной формулы изобретения следует, что указанные частности не ограничивают объем его правовой охраны.

Изобретение предназначено для применения в устройствах для охлаждения или нагрева образцов, содержащихся в лунках луночных планшетов. Теплообменное устройство для луночных планшетов, имеют множество содержащих образцы вертикальных лунок, которые пространственно разнесены и образуют массив с заданной конфигурацией промежутков вокруг лунок, при этом указанное теплообменное устройство содержит теплообменную сотовую структуру, включающую в себя панель основания и множество вертикальных стержней, присоединенных к панели основания с возможностью передачи тепла, причем расположение стержней соответствует указанной заданной конфигурации промежутков вокруг лунок планшета и источник для подвода или поглощения тепла, который находится настолько близко от теплообменной сотовой структуры, что обеспечивает теплообмен с ней. Луночный планшет имеет X-Y массив лунок, состоящий из прямолинейных рядов и столбцов, где в каждом ряде Х содержится n лунок, а в каждом столбце Y содержится m лунок, при этом стержни образуют массив, состоящий из прямолинейных рядов и столбцов, с, по меньшей мере, n+1 стержнем в каждом ряду Х и, по меньшей мере, с m+1 стержнем в каждом столбце Y. Источник для подвода и поглощения тепла содержит модуль на эффекте Пельтье, при этом теплообменное устройство также содержит: теплоизоляционный кожух, имеющий, по меньшей мере, одно гнездо для модуля, причем указанный модуль на эффекте Пельтье установлен в указанном гнезде и имеет верхнюю и нижнюю поверхности, открытые у верхней и нижней частей кожуха; и радиатор, расположенный ниже указанного кожуха настолько близко от нижней поверхности модуля, что обеспечивает с ней теплообмен, причем панель основания теплообменной сотовой структуры удерживается у верхней части кожуха с возможностью теплообмена с верхней стороной модуля. Изобретение позволяет создать усовершенствованное устройство для передачи тепла к образцам в лунках луночного планшета или для отвода тепла от них. 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Теплообменное устройство для луночных планшетов, имеющих множество содержащих образцы вертикальных лунок, которые пространственно разнесены и образуют массив с заданной конфигурацией промежутков вокруг лунок, содержащее теплообменную сотовую структуру, включающую в себя панель основания и множество вертикальных теплопроводящих стержней, присоединенных к панели основания с возможностью передачи тепла, причем расположение стержней соответствует указанной заданной конфигурации промежутков вокруг лунок планшета, и источник для подвода или поглощения тепла, который находится настолько близко от теплообменной сотовой структуры, что обеспечивает теплообмен с ней.2. Теплообменное устройство по п.1, в котором луночный планшет имеет X-Y массив лунок, состоящий из прямолинейных рядов и столбцов, где в каждом ряду Х содержится n лунок, а в каждом столбце Y содержится m лунок, при этом стержни образуют массив, состоящий из прямолинейных рядов и столбцов с, по меньшей мере, n+1 стержнем в каждом ряду Х и, по меньшей мере, с m+1 стержнем в каждом столбце Y.3. Теплообменное устройство по п.2, в котором стержни образуют массив с n+1 стержнем в каждом ряду Х и m+1 стержнем в каждом столбце Y.4. Теплообменное устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором указанный источник содержит модуль на эффекте Пельтье, соприкасающийся с возможностью передачи тепла с нижней стороной панели основания.5. Теплообменное устройство п.4, дополнительно содержащее радиатор, соприкасающийся с возможностью передачи тепла с нижней стороной модуля на эффекте Пельтье.6. Теплообменное устройство по п.5, дополнительно содержащее вентилятор для продувки воздуха через радиатор.7. Теплообменное устройство по п.1, в котором панель основания имеет систему отверстий, причем указанные стержни размещены в этих отверстиях.8. Теплообменное устройство по п.7, в котором стержни запрессованы в указанные отверстия.9. Теплообменное устройство по п.1, в котором указанный источник для подвода и поглощения тепла содержит модуль на эффекте Пельтье, при этом теплообменное устройство также содержит теплоизоляционный кожух, имеющий, по меньшей мере, одно гнездо для модуля, причем указанный модуль на эффекте Пельтье установлен в указанном гнезде и имеет верхнюю и нижнюю поверхности, открытые у верхней и нижней частей кожуха, и радиатор, расположенный ниже указанного кожуха настолько близко от нижней поверхности модуля, что обеспечивает с ней теплообмен, причем панель основания теплообменной сотовой структуры удерживается у верхней части кожуха с возможностью теплообмена с верхней стороной указанного модуля.10. Теплообменное устройство по п.9, дополнительно содержащее теплоизолирующую крышку, которая заключает в себе указанную теплообменную сотовую структуру.11. Теплообменное устройство по п.10, в котором крышка имеет отверстия для доступа к лункам, расположенные рядами и столбцами и соответствующие лункам луночного планшета.12. Теплообменное устройство по п.9, дополнительно содержащее основной корпус, окружающий радиатор, и вентилятор для продувания воздуха через указанные основной корпус и радиатор.13. Теплообменное устройство по п.8, дополнительно содержащее в указанном кожухе опорный участок, который может удерживать температурный датчик.14. Теплообменное устройство по п.13, в котором температурный датчик находится в контакте с панелью основания указанной теплообменной сотовой структуры.