专利名称：一种低温生物实验用微型实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种生物实验用实验装置，特别涉及一种低温生物实验用微型实验装置，该微型实验装置为一种利用半导体制冷原理制成的用于低温生物学实验用的微型实验装置。
低温生物医学是近年来新兴的交叉学科，随着其深入发展，从微观角度揭示生命热机理并将其充分地应用于临床实践引起了广泛的关注。由于细胞是最小的生命组成单元，因而低温生物医学工程的首要任务就在于充分揭示温度对各类细胞生命活动的作用规律。许多细胞如血液细胞、造血干细胞、生殖细胞受冷、热因素影响的研究具有重要意义。细胞尺寸从数个微米(如精子及血红细胞)到数百微米(如卵母细胞)的范围，但大多数在数十微米。长期以来人们采用各种各样的途径对发生在细胞内外的传热、传质以及一系列由此引起的物理、化学行为进行研究，但迄今对此机制的认识仍严重匮乏，其中最关键的原因之一就是缺乏对微小生物样品热状态的准确控制。所以，对微小生物样品实验环境的建立具有重要的意义。
目前，在低温生物学研究实验中，大都采用制冷剂如液氮来达到对生物样品降温的目的，这需要一系列配套设施，如需要制备液氮的专门设备或大量购买液氮，还需要对液氮进行保存，长期保存液氮需要用到有一定价格而体积较大的杜瓦瓶，这对于大多数医学生物学研究单位不方便。而且，采用液氮容器如杜瓦瓶对生物样品进行降温无法实现复杂的降温程序。仅就降温而言，当生物样品投入液氮后，由于液氮和生物样品之间的大温差，在生物样品周围会形成大量的氮蒸汽泡，会阻碍液氮和样品间的传热从而降低降温效果。而且，此时若需要对生物样品进行复温，更是一件困难的事。所以采用液氮降温对于低温生物学研究有很大的局限性，因为低温生物学研究中常常需要随意地对生物样品降温或升温，甚至需要对其交替地降温、升温；此外，美国，1979年“低温生物学”第16卷，第497-505页“用于低温保存的由微处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)介绍了一种直接对生物体喷射液氮来实现其降温的仪器但这种仪器需要一系列复杂的辅助设备，如冷却室、电磁阀、风扇、微处理器、液氮容器等，显然，需要的配套设施多，价格高昂，而且需要占用较大的实验空间。
之外，中国实用新型专利(ZL91215370)提出了一种低温生物降温控制装置，即利用液氮的自然蒸发在杜瓦瓶内形成温度梯度，通过控制生物样品在此温度区内的上下移动，来控制生物样品的降温，该结构中除要用到杜瓦瓶及相应的液氮外，尚需采用步进电机及相应的结构及控制装置来控制生物样品的上下移动，因此，其结构比较复杂，制造和加工难度较大，成本高。
本实用新型的目的在于克服上述生物实验中存在的诸多缺陷，提供一种低温生物实验用微型实验装置，该实验装置结构简单、紧凑，成本低廉，操作十分简便，而且温度范围宽，控温精度高，响应速度快，仅需有电源即可实现对生物样品的降温，适合于医学及生物工程研究机构使用，对于推动低温生物医学技术的进步有重要意义。
本实用新型的实施方案如下本实用新型提供的低温生物实验用微型实验装置，其特征在于包括制冷器1、固定在制冷器1冷端5上的微型样品室2及固定在制冷器1热端6上的肋片散热器3；制冷器1由串联在一起的1-8级呈宝塔形的由半导体制冷Peltier元件集成封装在两金属平板之间形成的制冷单元组成，制冷单元之间隔有阳极化铝板13；固定在制冷器1冷端5上的微型样品室2由圆形室壁7、固定在圆形室壁7底端的基底9、扣盖在圆形室壁7上端的绝热盖8构成的圆筒型室腔12和覆盖于圆筒型室腔12外表面上的筒型绝热衬垫10组成，基底9上镶嵌或焊接有温度传感器11；圆筒型室腔12的直径和高度均控制在5mm-25m范围内；基底9采用导热系数较高的材料，如铜片制作；微型样品室2与半导体制冷器1的冷端5焊接在一起，之间设置有导热硅脂，以保证良好的热耦合；圆形室壁7采用导热系数较小的材料，如不锈钢制作；固定于制冷器1热端6的肋片散热器3由散热肋片31和风扇4组成，风扇4位于散热肋片31下方，制冷器1热端6固定于散热肋片31的凹平面32上。
本实用新型可方便地通过改变制冷器1电流来改变制冷温度，从而可对生物材料实施不同的降温速率，且连续性较好，操作十分简便，而且，一旦改变电流方向，其降温面随即变为加热面，因而又可迅速实现对生物样品的升温，而生物样品与降温或升温平台之间的直接接触使得二者之间的传热性能较好，不像液氮冷却时会产生大量蒸汽泡而阻碍传热，降温或升温的响应速度快，且由于待实验的生物样品量少，热载荷低，通过控制半导体制冷器的级数可以实现较大的低温，如理论上最低可达145K，所以本实验台能满足多种低温生物学实验要求。最显著的一个特点是不依赖于任何冷源，无须采用制冷剂，只需电源即可，因而任何研究机构均可购置使用，且成本相对于以往完成同样目的的装置而言十分低廉。
半导体制冷器直接利用电能制冷，与一般机械制冷相比具有很多优点无运动部件，无噪声，启动时间短，体积小，重量轻，寿命长，可靠性高，与工作方位或重力无关
本实用新型提供低温生物实验用微型实验台，结构简单、紧凑，成本低廉，操作十分简便，而且温度范围宽，控温精度高，响应速度快，仅需有电源即可实现对生物样品的降温，适合于医学及生物工程研究机构使用，对于推动低温生物医学技术的进步有重要意义。
以下结合附图及实施例进一步描述本实用新型
图1为本实用新型结构示意图；图2为肋片散热器3的结构示意图；图3为微型样品室2的结构示意图；其中制冷器1微型样品室2 肋片散热器3风扇4 制冷器1冷端5制冷器1热端6圆形室壁7 绝热盖8 基底9筒型绝热衬垫10 温度传感器11圆筒型室腔12半导体制冷元件阳极p半导体制冷元件阴极n由图可知，本实用新型提供的低温生物实验用微型实验台，包括制冷器1、固定在制冷器1冷端5上的微型样品室2及固定在制冷器1热端6上的肋片散热器3；制冷器1由串联在一起的1-8级呈宝塔形的由半导体制冷Peltier元件集成封装在两金属平板之间形成的制冷单元组成，制冷单元之间隔有阳极化铝板13；固定在制冷器1冷端5上的微型样品室2由圆形室壁7、固定在圆形室壁7底端的基底9、扣盖在圆形室壁7上端的绝热盖8构成的圆筒型室腔12和覆盖于圆筒型室腔12外表面上的筒型绝热衬垫10组成，基底9上镶嵌或焊接有温度传感器11；圆筒型室腔12的直径和高度均控制在小5mm-25mm范围内；基底9采用导热系数较高的材料，如铜片制作；微型样品室2与半导体制冷器1的冷端5焊接在一起，之间设置有导热硅脂，以保证良好的热耦合；圆形室壁7采用导热系数较小的材料，如不锈钢制作；固定于制冷器1热端6的肋片散热器3由散热肋片31和风扇4组成，风扇4位于散热肋片31下方，制冷器1热端6固定于散热肋片31的凹平面32上。
图1为本实用新型一实施例结构示意图，该实施例中，制冷器1由串联在一起的3级由半导体制冷Peltier元件(该元件的阳极用p表示，阴极用n表示)集成封装在两金属平板之间形成的制冷单元组成，可获得接近干冰的温度(-78℃)，微型样品室2焊接固定在制冷器1的冷端5上，肋片散热器3焊接固定在制冷器1的热端6上；一旦制冷器1接通电源(与变压器连接，以获得安全电压和电流)，则热端6发热，冷端5降温，可通过改变电流方向调整热端6或冷端5的相对位置。冷端5即制冷面是发明的关键部分，用作生物样品温度的改变；不同尺寸的样品室适用不同尺寸生物样品实验时选用。而且，配备一定的抽真空装置后，本系统还可作微型冷冻干燥实验系统用。
由图2可知，肋片散热器3由散热肋片31和风扇4组成，风扇4放在散热肋片31的下方；图3为微型样品室2的结构示意图，由图可知，固定在制冷器1冷端5上的微型样品室2由圆形室壁7、固定在圆形室壁7底端的基底9、盖在圆形室壁7上端的绝热盖8构成的圆筒型室腔12和覆盖在圆筒型室腔12外表面上的筒型绝热衬垫10组成，基底9上镶嵌或焊接有温度传感器11；圆筒型室腔12的直径和高度均控制在小于5mm-25mm范围内；基底9采用导热系数较高的材料，如铜片制作；微型样品室2与半导体制冷器1的冷端5焊接在一起，之间设置有导热硅脂，以保证良好的热耦合；圆形室壁7采用导热系数较小的材料，如不锈钢制作。
高热导率制成的导热肋片散热器3，在制冷器1热端6和散热肋片31底部之间的空隙内充填有高热导率介质，以减小二者之间的导热热阻，从而保证热端产生的热量能很快就传到高热导率散热肋片31上，由于散热肋片31表面积很大，可以达到很高的散热量。制冷器1的热端置于空气中，为进一步加大散热效果，本实用新型在热端上加有肋片散热器3，并布置一小风扇4进行鼓风，通过迫使肋片周围空气对流将肋片表面上热量迅速移走，由此可保证整个装置的安全使用。
本实用新型可方便地通过改变制冷器1电流来改变制冷温度，从而可对生物材料实施不同的降温速率，且连续性较好，操作十分简便，而且，一旦改变电流方向，其降温面随即变为加热面，因而又可迅速实现对生物样品的升温，而生物样品与降温或升温平台之间的直接接触使得二者之间的传热性能较好，不像液氮冷却时会产生大量蒸汽泡而阻碍传热，降温或升温的响应速度快，且由于待实验的生物样品量少，热载荷低，通过控制半导体制冷器的级数可以实现较大的低温，如理论上最低可达145K，所以本实验台能满足多种低温生物学实验要求。最显著的一个特点是不依赖于任何冷源，无须采用制冷剂，只需电源即可，因而任何研究机构均可购置使用，且成本相对于以往完成同样目的的装置而言十分低廉。
半导体制冷器直接利用电能制冷，与一般机械制冷相比具有很多优点无运动部件，无噪声，启动时间短，体积小，重量轻，寿命长，可靠性高，与工作方位或重力无关；本制冷系统中，在接头处放热或制冷量的多少，主要取决于半导体材料的性能和电流的大小，但电流有最佳值，通过调节电流的大小，可在一定程度上实现不同的制冷量。要获得较低的温度，需要采用多级制冷。
图1为示意的三级半导体制冷器结构图，它可获得接近干冰的温度(-78℃)，上下两级间用导热的硅脂，以保证良好的热耦合。多级制冷器在稳定工作时，任意一级热端放出的热量应等于下一级冷端吸收的热量，因而第二级冷端吸收的热量为第一级热端放出的热量，其它级依此类推(张国刚，微型制冷器，北京国防工业出版社，1984,pp.149-159)。由于所需的冷却能力要逐级增加，所以多级制冷器的Peltier元件数目必须逐级增加，形成宝塔形，但级数不能无限制增加，目前最多八级，能获得145K的低温(张国刚，微型制冷器，北京国防工业出版社，1984,pp.149-159)，其尺寸一般在100mm×100mm×60mm左右。多级制冷器的冷端采用陶瓷片作绝热传热层，热端采用肋片散热或流水冷却。本实用新型可根据不同的制冷要求，构建级数不同的制冷部件。
由上所述，本实用新型采用的制冷来源于半导体元件，其响应速度较快，且精度较高，制作相对容易，数据采集及处理十分方便，无复杂电路，结构简单，控温范围广。本系统适宜于不同低温生物学研究。而且，样品室可接抽真空设备或置于真空环境，因而本系统还可充当微型冷冻干燥仪用。
进行实验研究时，可根据需要将本制冷系统接通电流，则制冷开始，将生物样品置于样品室基底上，即可实施降温。开通微处理芯片，记录下所测试基底温度，然后通过控制机构调整电流大小，从而实现不同的降温程度。结合生物学检验和观察，即可对不同降温程度对各种细胞的作用规律作出判断。
权利要求1．一种低温生物实验用微型实验装置，其特征在于包括制冷器(1)、固定在制冷器(1)冷端(5)上的微型样品室(2)及固定在制冷器(1)热端(6)上的肋片散热器(3)；制冷器(1)由串联在一起的1-8级呈宝塔形的由半导体制冷Peltier元件集成封装在两金属平板之间形成的制冷单元组成，制冷单元之间隔有阳极化铝板(13)；固定在制冷器(1)冷端(5)上的微型样品室(2)由圆形室壁(7)、固定在圆形室壁(7)底端的基底(9)、扣盖在圆形室壁(7)上端的绝热盖(8)构成的圆筒型室腔(12)和覆盖于圆筒型室腔(12)外表面上的筒型绝热衬垫(10)组成，基底(9)上镶嵌或焊接有温度传感器(11)；其基底(9)采用导热系数较高的材料制作；圆形室壁(7)采用导热系数较小的材料制作。
2．按权利要求1所述的低温生物实验用微型实验装置，其特征在于微型样品室(2)与半导体制冷器(1)的冷端(5)焊接在一起，之间设置有导热硅脂。
3．按权利要求1所述的低温生物实验用微型实验装置，其特征在于固定于制冷器(1)热端(6)的肋片散热器(3)由散热肋片(31)和风扇(4)组成，风扇(4)位于散热肋片(31)下方，制冷器(1)热端(6)固定于散热肋片31的凹平面(32)。
4．按权利要求1所述的低温生物实验用微型实验装置，其特征在于所述的基底(9)采用导热系数较高的铜制作。
5．按权利要求1所述的低温生物实验用微型实验装置，其特征在于所述的圆形室壁(7)采用导热系数较小的不锈钢制作。
6．按权利要求1所述的低温生物实验用微型实验装置，其特征在于所述的圆筒型室腔(12)的直径和高度均控制在5mm-25mm。
专利摘要低温生物实验用微型实验装置,包括制冷器、固定在制冷器冷端上的微型样品室及固定在制冷器热端上的带风扇的肋片散热器;制冷器由串联一起的Peltier元件集成封装在两金属平板之间形成的制冷单元组成,微型样品室基底上镶嵌或焊接有温度传感器;仅需有电源即可实现对生物样品的降温,而且温度范围宽,控温精度高,响应速度快。
文档编号B01L7/00GK2442748SQ0025782
公开日2001年8月15日 申请日期2000年9月29日 优先权日2000年9月29日
发明者刘静, 周一欣 申请人:中国科学院低温技术实验中心