專利名稱：一種低溫生物實驗用微型實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種生物實驗用實驗裝置，特別涉及一種低溫生物實驗用微型實驗裝置，該微型實驗裝置為一種利用半導(dǎo)體制冷原理制成的用于低溫生物學(xué)實驗用的微型實驗裝置。
低溫生物醫(yī)學(xué)是近年來新興的交叉學(xué)科，隨著其深入發(fā)展，從微觀角度揭示生命熱機理并將其充分地應(yīng)用于臨床實踐引起了廣泛的關(guān)注。由于細胞是最小的生命組成單元，因而低溫生物醫(yī)學(xué)工程的首要任務(wù)就在于充分揭示溫度對各類細胞生命活動的作用規(guī)律。許多細胞如血液細胞、造血干細胞、生殖細胞受冷、熱因素影響的研究具有重要意義。細胞尺寸從數(shù)個微米(如精子及血紅細胞)到數(shù)百微米(如卵母細胞)的范圍，但大多數(shù)在數(shù)十微米。長期以來人們采用各種各樣的途徑對發(fā)生在細胞內(nèi)外的傳熱、傳質(zhì)以及一系列由此引起的物理、化學(xué)行為進行研究，但迄今對此機制的認識仍嚴重匱乏，其中最關(guān)鍵的原因之一就是缺乏對微小生物樣品熱狀態(tài)的準確控制。所以，對微小生物樣品實驗環(huán)境的建立具有重要的意義。
目前，在低溫生物學(xué)研究實驗中，大都采用制冷劑如液氮來達到對生物樣品降溫的目的，這需要一系列配套設(shè)施，如需要制備液氮的專門設(shè)備或大量購買液氮，還需要對液氮進行保存，長期保存液氮需要用到有一定價格而體積較大的杜瓦瓶，這對于大多數(shù)醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究單位不方便。而且，采用液氮容器如杜瓦瓶對生物樣品進行降溫無法實現(xiàn)復(fù)雜的降溫程序。僅就降溫而言，當生物樣品投入液氮后，由于液氮和生物樣品之間的大溫差，在生物樣品周圍會形成大量的氮蒸汽泡，會阻礙液氮和樣品間的傳熱從而降低降溫效果。而且，此時若需要對生物樣品進行復(fù)溫，更是一件困難的事。所以采用液氮降溫對于低溫生物學(xué)研究有很大的局限性，因為低溫生物學(xué)研究中常常需要隨意地對生物樣品降溫或升溫，甚至需要對其交替地降溫、升溫；此外，美國，1979年“低溫生物學(xué)”第16卷，第497-505頁“用于低溫保存的由微處理器控制的速率控制器”(Baartz G.,Brock,M.A.,A microprocessor-controlled rate controller for use in cryopreservation,Cryobiology,vol.16,pp.497-505,1979)介紹了一種直接對生物體噴射液氮來實現(xiàn)其降溫的儀器但這種儀器需要一系列復(fù)雜的輔助設(shè)備，如冷卻室、電磁閥、風扇、微處理器、液氮容器等，顯然，需要的配套設(shè)施多，價格高昂，而且需要占用較大的實驗空間。
之外，中國實用新型專利(ZL91215370)提出了一種低溫生物降溫控制裝置，即利用液氮的自然蒸發(fā)在杜瓦瓶內(nèi)形成溫度梯度，通過控制生物樣品在此溫度區(qū)內(nèi)的上下移動，來控制生物樣品的降溫，該結(jié)構(gòu)中除要用到杜瓦瓶及相應(yīng)的液氮外，尚需采用步進電機及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)及控制裝置來控制生物樣品的上下移動，因此，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造和加工難度較大，成本高。
本實用新型的目的在于克服上述生物實驗中存在的諸多缺陷，提供一種低溫生物實驗用微型實驗裝置，該實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，成本低廉，操作十分簡便，而且溫度范圍寬，控溫精度高，響應(yīng)速度快，僅需有電源即可實現(xiàn)對生物樣品的降溫，適合于醫(yī)學(xué)及生物工程研究機構(gòu)使用，對于推動低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的進步有重要意義。
本實用新型的實施方案如下本實用新型提供的低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特征在于包括制冷器1、固定在制冷器1冷端5上的微型樣品室2及固定在制冷器1熱端6上的肋片散熱器3；制冷器1由串聯(lián)在一起的1-8級呈寶塔形的由半導(dǎo)體制冷Peltier元件集成封裝在兩金屬平板之間形成的制冷單元組成，制冷單元之間隔有陽極化鋁板13；固定在制冷器1冷端5上的微型樣品室2由圓形室壁7、固定在圓形室壁7底端的基底9、扣蓋在圓形室壁7上端的絕熱蓋8構(gòu)成的圓筒型室腔12和覆蓋于圓筒型室腔12外表面上的筒型絕熱襯墊10組成，基底9上鑲嵌或焊接有溫度傳感器11；圓筒型室腔12的直徑和高度均控制在5mm-25m范圍內(nèi)；基底9采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，如銅片制作；微型樣品室2與半導(dǎo)體制冷器1的冷端5焊接在一起，之間設(shè)置有導(dǎo)熱硅脂，以保證良好的熱耦合；圓形室壁7采用導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料，如不銹鋼制作；固定于制冷器1熱端6的肋片散熱器3由散熱肋片31和風扇4組成，風扇4位于散熱肋片31下方，制冷器1熱端6固定于散熱肋片31的凹平面32上。
本實用新型可方便地通過改變制冷器1電流來改變制冷溫度，從而可對生物材料實施不同的降溫速率，且連續(xù)性較好，操作十分簡便，而且，一旦改變電流方向，其降溫面隨即變?yōu)榧訜崦妫蚨挚裳杆賹崿F(xiàn)對生物樣品的升溫，而生物樣品與降溫或升溫平臺之間的直接接觸使得二者之間的傳熱性能較好，不像液氮冷卻時會產(chǎn)生大量蒸汽泡而阻礙傳熱，降溫或升溫的響應(yīng)速度快，且由于待實驗的生物樣品量少，熱載荷低，通過控制半導(dǎo)體制冷器的級數(shù)可以實現(xiàn)較大的低溫，如理論上最低可達145K，所以本實驗臺能滿足多種低溫生物學(xué)實驗要求。最顯著的一個特點是不依賴于任何冷源，無須采用制冷劑，只需電源即可，因而任何研究機構(gòu)均可購置使用，且成本相對于以往完成同樣目的的裝置而言十分低廉。
半導(dǎo)體制冷器直接利用電能制冷，與一般機械制冷相比具有很多優(yōu)點無運動部件，無噪聲，啟動時間短，體積小，重量輕，壽命長，可靠性高，與工作方位或重力無關(guān)
本實用新型提供低溫生物實驗用微型實驗臺，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，成本低廉，操作十分簡便，而且溫度范圍寬，控溫精度高，響應(yīng)速度快，僅需有電源即可實現(xiàn)對生物樣品的降溫，適合于醫(yī)學(xué)及生物工程研究機構(gòu)使用，對于推動低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的進步有重要意義。
以下結(jié)合附圖及實施例進一步描述本實用新型


圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為肋片散熱器3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為微型樣品室2的結(jié)構(gòu)示意圖；其中制冷器1微型樣品室2 肋片散熱器3風扇4 制冷器1冷端5制冷器1熱端6圓形室壁7 絕熱蓋8 基底9筒型絕熱襯墊10 溫度傳感器11圓筒型室腔12半導(dǎo)體制冷元件陽極p半導(dǎo)體制冷元件陰極n由圖可知，本實用新型提供的低溫生物實驗用微型實驗臺，包括制冷器1、固定在制冷器1冷端5上的微型樣品室2及固定在制冷器1熱端6上的肋片散熱器3；制冷器1由串聯(lián)在一起的1-8級呈寶塔形的由半導(dǎo)體制冷Peltier元件集成封裝在兩金屬平板之間形成的制冷單元組成，制冷單元之間隔有陽極化鋁板13；固定在制冷器1冷端5上的微型樣品室2由圓形室壁7、固定在圓形室壁7底端的基底9、扣蓋在圓形室壁7上端的絕熱蓋8構(gòu)成的圓筒型室腔12和覆蓋于圓筒型室腔12外表面上的筒型絕熱襯墊10組成，基底9上鑲嵌或焊接有溫度傳感器11；圓筒型室腔12的直徑和高度均控制在小5mm-25mm范圍內(nèi)；基底9采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，如銅片制作；微型樣品室2與半導(dǎo)體制冷器1的冷端5焊接在一起，之間設(shè)置有導(dǎo)熱硅脂，以保證良好的熱耦合；圓形室壁7采用導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料，如不銹鋼制作；固定于制冷器1熱端6的肋片散熱器3由散熱肋片31和風扇4組成，風扇4位于散熱肋片31下方，制冷器1熱端6固定于散熱肋片31的凹平面32上。
圖1為本實用新型一實施例結(jié)構(gòu)示意圖，該實施例中，制冷器1由串聯(lián)在一起的3級由半導(dǎo)體制冷Peltier元件(該元件的陽極用p表示，陰極用n表示)集成封裝在兩金屬平板之間形成的制冷單元組成，可獲得接近干冰的溫度(-78℃)，微型樣品室2焊接固定在制冷器1的冷端5上，肋片散熱器3焊接固定在制冷器1的熱端6上；一旦制冷器1接通電源(與變壓器連接，以獲得安全電壓和電流)，則熱端6發(fā)熱，冷端5降溫，可通過改變電流方向調(diào)整熱端6或冷端5的相對位置。冷端5即制冷面是發(fā)明的關(guān)鍵部分，用作生物樣品溫度的改變；不同尺寸的樣品室適用不同尺寸生物樣品實驗時選用。而且，配備一定的抽真空裝置后，本系統(tǒng)還可作微型冷凍干燥實驗系統(tǒng)用。
由圖2可知，肋片散熱器3由散熱肋片31和風扇4組成，風扇4放在散熱肋片31的下方；圖3為微型樣品室2的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，固定在制冷器1冷端5上的微型樣品室2由圓形室壁7、固定在圓形室壁7底端的基底9、蓋在圓形室壁7上端的絕熱蓋8構(gòu)成的圓筒型室腔12和覆蓋在圓筒型室腔12外表面上的筒型絕熱襯墊10組成，基底9上鑲嵌或焊接有溫度傳感器11；圓筒型室腔12的直徑和高度均控制在小于5mm-25mm范圍內(nèi)；基底9采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，如銅片制作；微型樣品室2與半導(dǎo)體制冷器1的冷端5焊接在一起，之間設(shè)置有導(dǎo)熱硅脂，以保證良好的熱耦合；圓形室壁7采用導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料，如不銹鋼制作。
高熱導(dǎo)率制成的導(dǎo)熱肋片散熱器3，在制冷器1熱端6和散熱肋片31底部之間的空隙內(nèi)充填有高熱導(dǎo)率介質(zhì)，以減小二者之間的導(dǎo)熱熱阻，從而保證熱端產(chǎn)生的熱量能很快就傳到高熱導(dǎo)率散熱肋片31上，由于散熱肋片31表面積很大，可以達到很高的散熱量。制冷器1的熱端置于空氣中，為進一步加大散熱效果，本實用新型在熱端上加有肋片散熱器3，并布置一小風扇4進行鼓風，通過迫使肋片周圍空氣對流將肋片表面上熱量迅速移走，由此可保證整個裝置的安全使用。
本實用新型可方便地通過改變制冷器1電流來改變制冷溫度，從而可對生物材料實施不同的降溫速率，且連續(xù)性較好，操作十分簡便，而且，一旦改變電流方向，其降溫面隨即變?yōu)榧訜崦?，因而又可迅速實現(xiàn)對生物樣品的升溫，而生物樣品與降溫或升溫平臺之間的直接接觸使得二者之間的傳熱性能較好，不像液氮冷卻時會產(chǎn)生大量蒸汽泡而阻礙傳熱，降溫或升溫的響應(yīng)速度快，且由于待實驗的生物樣品量少，熱載荷低，通過控制半導(dǎo)體制冷器的級數(shù)可以實現(xiàn)較大的低溫，如理論上最低可達145K，所以本實驗臺能滿足多種低溫生物學(xué)實驗要求。最顯著的一個特點是不依賴于任何冷源，無須采用制冷劑，只需電源即可，因而任何研究機構(gòu)均可購置使用，且成本相對于以往完成同樣目的的裝置而言十分低廉。
半導(dǎo)體制冷器直接利用電能制冷，與一般機械制冷相比具有很多優(yōu)點無運動部件，無噪聲，啟動時間短，體積小，重量輕，壽命長，可靠性高，與工作方位或重力無關(guān)；本制冷系統(tǒng)中，在接頭處放熱或制冷量的多少，主要取決于半導(dǎo)體材料的性能和電流的大小，但電流有最佳值，通過調(diào)節(jié)電流的大小，可在一定程度上實現(xiàn)不同的制冷量。要獲得較低的溫度，需要采用多級制冷。
圖1為示意的三級半導(dǎo)體制冷器結(jié)構(gòu)圖，它可獲得接近干冰的溫度(-78℃)，上下兩級間用導(dǎo)熱的硅脂，以保證良好的熱耦合。多級制冷器在穩(wěn)定工作時，任意一級熱端放出的熱量應(yīng)等于下一級冷端吸收的熱量，因而第二級冷端吸收的熱量為第一級熱端放出的熱量，其它級依此類推(張國剛，微型制冷器，北京國防工業(yè)出版社，1984,pp.149-159)。由于所需的冷卻能力要逐級增加，所以多級制冷器的Peltier元件數(shù)目必須逐級增加，形成寶塔形，但級數(shù)不能無限制增加，目前最多八級，能獲得145K的低溫(張國剛，微型制冷器，北京國防工業(yè)出版社，1984,pp.149-159)，其尺寸一般在100mm×100mm×60mm左右。多級制冷器的冷端采用陶瓷片作絕熱傳熱層，熱端采用肋片散熱或流水冷卻。本實用新型可根據(jù)不同的制冷要求，構(gòu)建級數(shù)不同的制冷部件。
由上所述，本實用新型采用的制冷來源于半導(dǎo)體元件，其響應(yīng)速度較快，且精度較高，制作相對容易，數(shù)據(jù)采集及處理十分方便，無復(fù)雜電路，結(jié)構(gòu)簡單，控溫范圍廣。本系統(tǒng)適宜于不同低溫生物學(xué)研究。而且，樣品室可接抽真空設(shè)備或置于真空環(huán)境，因而本系統(tǒng)還可充當微型冷凍干燥儀用。
進行實驗研究時，可根據(jù)需要將本制冷系統(tǒng)接通電流，則制冷開始，將生物樣品置于樣品室基底上，即可實施降溫。開通微處理芯片，記錄下所測試基底溫度，然后通過控制機構(gòu)調(diào)整電流大小，從而實現(xiàn)不同的降溫程度。結(jié)合生物學(xué)檢驗和觀察，即可對不同降溫程度對各種細胞的作用規(guī)律作出判斷。
權(quán)利要求1．一種低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特征在于包括制冷器(1)、固定在制冷器(1)冷端(5)上的微型樣品室(2)及固定在制冷器(1)熱端(6)上的肋片散熱器(3)；制冷器(1)由串聯(lián)在一起的1-8級呈寶塔形的由半導(dǎo)體制冷Peltier元件集成封裝在兩金屬平板之間形成的制冷單元組成，制冷單元之間隔有陽極化鋁板(13)；固定在制冷器(1)冷端(5)上的微型樣品室(2)由圓形室壁(7)、固定在圓形室壁(7)底端的基底(9)、扣蓋在圓形室壁(7)上端的絕熱蓋(8)構(gòu)成的圓筒型室腔(12)和覆蓋于圓筒型室腔(12)外表面上的筒型絕熱襯墊(10)組成，基底(9)上鑲嵌或焊接有溫度傳感器(11)；其基底(9)采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料制作；圓形室壁(7)采用導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料制作。
2．按權(quán)利要求1所述的低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特征在于微型樣品室(2)與半導(dǎo)體制冷器(1)的冷端(5)焊接在一起，之間設(shè)置有導(dǎo)熱硅脂。
3．按權(quán)利要求1所述的低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特征在于固定于制冷器(1)熱端(6)的肋片散熱器(3)由散熱肋片(31)和風扇(4)組成，風扇(4)位于散熱肋片(31)下方，制冷器(1)熱端(6)固定于散熱肋片31的凹平面(32)。
4．按權(quán)利要求1所述的低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特征在于所述的基底(9)采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的銅制作。
5．按權(quán)利要求1所述的低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特征在于所述的圓形室壁(7)采用導(dǎo)熱系數(shù)較小的不銹鋼制作。
6．按權(quán)利要求1所述的低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特征在于所述的圓筒型室腔(12)的直徑和高度均控制在5mm-25mm。
專利摘要低溫生物實驗用微型實驗裝置,包括制冷器、固定在制冷器冷端上的微型樣品室及固定在制冷器熱端上的帶風扇的肋片散熱器;制冷器由串聯(lián)一起的Peltier元件集成封裝在兩金屬平板之間形成的制冷單元組成,微型樣品室基底上鑲嵌或焊接有溫度傳感器;僅需有電源即可實現(xiàn)對生物樣品的降溫,而且溫度范圍寬,控溫精度高,響應(yīng)速度快。
文檔編號B01L7/00GK2442748SQ0025782
公開日2001年8月15日 申請日期2000年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者劉靜, 周一欣 申請人:中國科學(xué)院低溫技術(shù)實驗中心