专利名称：变温装置的制作方法
技术领域：
本发明关于一种变温装置，且特别是有关于一种能改变且控制液体温度的变温装置。
背景技术：
由于各种生物基因体被定序的数目越来越多，再加上发现更多的人类致病基因， 分子生物学渐渐成为分子检测技术与医疗诊断研究不可缺的知识。自从聚合酶连锁反应 (Polymeerase Chain Reaction, PCR)的发明，分子生物学更凸显了其在未来主导分子医疗 诊断的地位。随着科技的进步，分子生物检测与医疗临床诊断上的需求倍增，精确、快速且 具即时定量分析功能的相关检测技术与设备(例如即时PCR)已然成为重点发展方向之一。 而目前在分子诊断的领域上，仍然以即时PCR为主要的应用技术，其主要优点有检测时间 短、检测灵敏度高、临床样本范围广。 然而，利用即时PCR达到高灵敏度的分析，稳定且高精准度的热传元件是不可或 缺的重要因素。因为当进行聚合酶连锁反应时，需经过不断反复的热循环过程，例如变性 (denaturation)、退火(annealing)、延展(extension)。因此，能满足快速的升降温需求与 高精准的温控要求的变温装置是进行即时PCR检测的关键。 传统的变温装置是先将盛有液体的多个塑料试管放置于加热区，而后热源加热该 加热区，再由加热区同时加热多个塑料试管。换句话说，热源通过加热区对液体加热。因此， 液体的实际温度必须由加热区的温度及根据经验法则(多次实验的结果)去推算而得，因 此无法得知精确的液体温度。此外，由于是单一加热区对多个塑料试管加热，因此无法控制 个别试管的温度。并且，由于加热区有一定的体积，因此各处的温度不可能完全一致而有温 度梯度分布，造成无法精确控制每个试管的温度变化。 总而言之，传统的变温装置无法达到即时PCR检测的精确控温需求，因此本发明 提供一种变温装置，能精确地变温并控温，以解决上述问题。
发明内容
本发明的一个范畴在于提供一种变温装置，能轻易地控制及改变液体的温度。
根据一优选具体实施例，本发明的变温装置用以改变液体的温度，并包括金属 管、供电器、导热体及热电致冷器。金属管用以盛装液体；供电器具有正极及负极，分别 电连接至金属管的两端，使得金属管通电后发热；导热体包围及接触金属管；热电致冷器 (Thermo-Electric Cooler, TEC)与该导热体接触。 再者，变温装置还可包括非接触式测温器及控温器。非接触式测温器对准金属管
的开口，以测量液体的温度；控温器电性连接至供电器、热电致冷器及非接触式测温器。控
温器根据液体的温度及目标温度，选择性地调节供电器及热电致冷器的电压。 综上所述，本发明的变温装置通过金属管的比热小的特性以及直接通电金属管以
加热液体的方式，达到易于改变液体温度的目的。此外，本发明通过控温器控制供电器及热电致冷器的电压，进而可调节供电器对金属管的加温速率及热电致冷器对金属管的降温速 率。因此，本发明的变温装置可达到容易控制液体温度及温度变化程度的目的，就能准确地 做到即时PCR检测实验所需的周期性温度变化。 关于本发明的优点与精神可以借由以下的发明详述及附图得到进一步的了解。
图1示出根据本发明--具体实施例的变温装置的示意图。图2示出图1中的正极接头、金属管及负极接头的示意图。
图3示出图1中的变温装置的剖面图。
主要元件符号说明3 :变温装置30 :金属管300 :金属环302 :锥形部304 :开口310 :第一绝缘承载体312 :第二绝缘承载体314 :第三绝缘承载体32 :供电器320 :正极接头322 :负极接头34 :导热体36 :热电致冷器37 :非接触式测温器38 :控温器39 :散热片Ll L6 :导线4 :液体
具体实施例方式为了了解本发明的实施方式，以下分成三部分说明A、变化温度(升温)，B、变化 温度(降温)，C、控制温度，D、区域控温。
A、变化温度(升温) —般来说，变温装置用以改变特定物体的温度，因此需要加热元件及冷却元件。在 本发明中，待变温的特定物体为图1中的液体4。并且，由于液体4不具有固定形状，因此还 需要盛装液体4的元件，如图1中的金属管30。由于金属材质的比热小，因此金属管30的 升温及降温也快，进而容易控制温度变化幅度及变化速率。 一般而言，金属管30约盛装有 30至40毫升的液体4，液体量不多，因此金属管30的温度变化相当于液体4的温度变化。
需注意的是，若本发明的变温装置3用于即时PCR检测，则因为盛装的液体4包括 有生物体，亦即具有脱氧核糖核酸(DeoxyriboNucleic Acid， DNA)，所以金属管30的材质 (例如铝、铜、金)的选择以高温时不会游离出对生物体有害物质为准则。或者，在金属管 30内壁涂布化学性质稳定的材料，如氮化镓(GaN)，以阻挡金属管30在高温时释放出的物 质，并且不与盛装的液体4产生化学反应。进而，降低金属管30 (非控制变因)对实验的影 响程度。 此外，由于一般的金属材质可导电及具有电阻不大的特性，因此金属管30通电后 易于控制发热量，而可根据需求适当地加热所盛装的液体。在本发明中，变温装置3所需的 加热元件为图1中的供电器32。当然，金属管30两端需分别接有正负极，才能导电而发热。 在此实施例中，如图1及图2所示，供电器32的正极(未示出)通过导线L2连接到正极接头320，供电器32的负极(未示出)通过导线L3连接到负极接头322 ;供电器32提供一电 压差在正极接头320与负极接头322之间。 正极接头320与负极接头322与金属管30的连接关系，如图2所示，并且同时参阅 图1及图3。由于正极接头320被第一绝缘承载体310所承载，因此第一绝缘承载体310朝 向承载有金属管30的第二绝缘承载体312移动并贴近后，正极接头320就可与金属环300 接触，金属环300围绕金属管30的开口 304。当第二绝缘承载体312朝向承载有导热体34 的第三绝缘承载体314移动后，金属管30可置入到导热体34内，位于导热体34内的负极 接头322就可与金属管30的锥形部302接触。进而，供电器32就可通过正极接头320与 负极接头322与金属管30电性连接，进而电流会流经金属管30，致使金属管30发热。
B、变化温度(降温) 此外，变温装置3不只是对金属管30加温而已，当然也需要对金属管30降温。然 而，一般冷却方式是将热源接触散热片，甚至通过气冷(风扇)或水冷(流动液体)来加强 冷却速率。但是，这些散热方式都没有办法有效地控制降温程度及降温速率，而无法满足精 确控温的需求。因此，本发明的变温装置3通过热电致冷器36来达成精确降温的目的。大 致而言，热电致冷器36为半导体材料，当施予一电压时，热电致冷器36的一侧面的温度会 比另一侧面的温度高。所以，金属管30可贴附于热电致冷器36的低温侧面来达到降温效 果。当然，热电致冷器36的高温侧面可贴覆散热片39，如图1所示，以避免高温侧面的温度 过高而毁损热电致冷器36。 需注意的是，金属管30的材质的选择不是以导热性佳为准则，而是以高温时不游 离出对生物体有害物质为准则。针对散热方面，由于热电致冷器36无法完全包覆金属管 30，而且金属管30不一定采用最佳导热性的材质来制成，因此为了让散热最佳化，将导热 体34包围及接触金属管30，来帮助金属管30的热量能迅速地被传导至导热体34与热电 致冷器36的接触点(温度较低的区域)，如图3所示。换句话说，导热体34位于金属管30 与热电致冷器36之间，作为热传递的中间介质，让热电致冷器36可以迅速地带走金属管30 的热量。 C、控制温度 上述内容说明了本发明的变温装置3用以变化液体4温度的主要元件，然而为了 能精准控制液体4的目前温度，变温装置3还需要温度回馈元件及控温元件，温度回馈元件 将测量温度回传给控温元件，继而控温元件能根据测量温度及目标温度，适当地进行升温 或降温动作。 在此实施例中，温度回馈元件为非接触式测温器37，例如红外线测温器。如图2及 图3所示，非接触式测温器37对准金属管30的开口 304并发射一信号(如红外光)，继而 根据反射的信号来判断液体4的目前温度。由于非接触式测温器37不需与液体4接触，因 此测温时不会对液体4有所影响，进而降低非接触式测温器37(非控制变因)对实验的影 响程度。 再者，本发明的控温元件为控温器38。如图1所示，控温器38通过导线L6电连 接至供电器32，通过导线L4及导线L5电连接至热电致冷器36，通过导线L1电连接至非接 触式测温器37。由于即时PCR检测需要进行周期性的升温及降温，因此可事先设定多个目 标温度及其顺序并存于控温器38内；继而，控温器38就可根据目标温度及非接触式测温器37所测量的目前温度，调整供电器32的电压(加热速率)及热电致冷器36的电压(冷却 速率)。举例来说，若液体4的目前温度为摄氏30度，目标温度为70度，则可提高供电器 32的电压并同时降低热电致冷器36的电压，以达到升温的效果；相反地，若欲达到降温的 效果，则需降低供电器32的电压并同时提高热电致冷器36的电压。此外，若液体4的目前 温度高于室温且欲保持目前温度，则可适当地调节供电器32的电压并关闭热电致冷器36 的电压，让金属管30的加热速率能与自然散热速率一致。 在即时PCR实验中，温度是十分重要的变因，因此温度控制的精确度关系到实验 的准确度。 一般升温或降温至特定温度时，实际温度值都会在特定温度值附近振荡。举例 来说，欲降温至40度，但实际降温过程可能是41度、40. 5度、39. 7度、40. 2度等依序振荡并 递减至40度。但是，以即时PCR检测而言，这样的温度振荡对于实验有相当大的影响，因此 本发明通过金属管、供电器及热电致冷器的设计就可尽量避免温度振荡现象的发生，以提 升实验精准度。
D、区域控温 —般来说，即时PCR检测的控制变因可能很多种，例如液体中不同成份的比例、 温度变化时间点、目标温度、温度变化速率等。由于一次实验只能针对一种控制变因进行改 变，因此重复实验并改变控制变因需花费相当多的时间。 本发明配置了多个热电致冷器36，供电器32具有多个电极对(未示出)。每个电 极对为一正极及一负极，每个电极对对应一个正极接头及一个负极接头，亦即每个电极对 电连接至一个金属管30。因此，本发明的变温装置3可同时控制多个金属管30的变温幅度 及变温速率。同一时间下，盛装在不同金属管30的不同液体4，就可进行不同的实验变因 (例如不同的目标温度)。 如图1所示，三个热电致冷器36位于第三绝缘承载体314的下方，每个热电致冷 器36接触8个导热体34，相当于可冷却8个金属管。因此，图1中的变温装置3可分成三 个区域进行不同控温需求的实验，例如提升温度、保持温度、降低温度。当然，本发明的变 温装置3不但可以区域性的控温，还可控制每个金属管30的温度。 需补充说明的是，为了让图示清楚，图1只示出了供电器32电连接至单一正极接 头320 (继而电连接至金属管30)及单一热电致冷器36的情形，并且只示出了控温器38电 连接单一非接触式测温器37的情形。实际上，供电器32可电连接至图1中所有的正极接 头320及所有的热电致冷器36，控温器38可电连接至图1中所有的非接触式测温器37。
所以，本发明的变温装置3可达到区域控温的功效，同时进行不同控制变因的不 同实验。继而，本发明的变温装置3充分利用每个变温元件及控温元件，降低实验所需的整 体时间。 与先前技术相比较，本发明的变温装置通过金属管的比热小的特性以及直接通电 金属管以加热液体的方式，达到易于改变液体温度的目的。此外，本发明通过控温器控制供 电器及热电致冷器的电流，进而可调节供电器对金属管的加温速率及热电致冷器对金属管 的降温速率。因此，本发明的变温装置可达到容易控制液体温度及温度变化程度的目的，就 能准确地做到即时PCR检测实验所需的周期性温度变化。此外，本发明的变温装置通过多 个热电致冷器及多个电极对的配置，来达到区域控温的效果，继而能同时进行不同实验，降 低多控制变因的实验整体时间。
借由以上优选具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而 并非以上述所公开的优选具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望 能涵盖各种改变及具相等性的安排在本发明的范畴内。因此，本发明的范畴应该根据上述 的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。
权利要求
一种变温装置，用以改变一液体的一温度，包括一金属管，用以盛装该液体；一供电器，具有一正极及一负极，分别电连接至该金属管的两端，使得该金属管通电后发热；一导热体，包围及接触该金属管；以及一热电致冷器，与该导热体接触。
2. 根据权利要求1所述的变温装置，还包括一非接触式测温器，对准该金属管的一开口，以测量该液体的该温度。
3. 根据权利要求2所述的变温装置，还包括一控温器，电性连接至该供电器、该热电致冷器及该非接触式测温器，该控温器根据该液体的该温度及一 目标温度，选择性地调节该供电器及该热电致冷器的电压。
4. 根据权利要求1所述的变温装置，进一步包括一散热片，接触于该热电致冷器，该热电致冷器位于该导热体与该散热片之间。
5. 根据权利要求1所述的变温装置，其中该金属管的两端分别包括一金属环及一锥形部，该金属环围绕该金属管的一开口 ，该供电器电连接至该金属环及该锥形部。
6. —种变温装置，包括多个金属管，所述金属管其中之一金属管用以盛装一液体，该液体具有一温度；一供电器，具有多个电极对，每一电极对包括一正极及一个负极，分别连接至所述金属管其中之一金属管的两端，使得该金属管通电后发热；多个导热体，每一所述导热体包围及接触所述金属管其中之一金属管；以及多个热电致冷器，每一热电致冷器接触于所述导热体其中至少一导热体。
7. 根据权利要求6所述的变温装置，还包括多个非接触式测温器，每一非接触式测温器对准所述金属管其中之一金属管的一开口，以测量该液体的该温度。
8. 根据权利要求7所述的变温装置，还包括一控温器，电性连接至该供电器、所述热电致冷器及所述非接触式测温器，该控温器根据被测量的该液体的该温度及一 目标温度，选择性地调节该供电器及所述热电致冷器其中之一热电致冷器的电压。
9. 根据权利要求7所述的变温装置，进一步包括一第一绝缘承载体，承载所述非接触式测温器。
10. 根据权利要求6所述的变温装置，进一步包括一散热片，接触于所述热电致冷器，所述热电致冷器位于所述导热体与该散热片之间。
11. 根据权利要求6所述的变温装置，其中该金属管的两端分别包括一金属环及一锥形部，该金属环围绕该金属管的一开口 ，该供电器的所述电极对其中之一电极对电连接至该金属环及该锥形部。
12. 根据权利要求6所述的变温装置，进一步包括一第二绝缘承载体，承载所述金属管。
13. 根据权利要求6所述的变温装置，进一步包括一第三绝缘承载体，承载所述导热体。
全文摘要
本发明公开一种变温装置，用以改变液体的温度，并包括金属管、供电器、导热体及热电致冷器。金属管用以盛装液体。供电器具有正极及负极，分别电连接至金属管的两端，使得金属管通电后发热。导热体包围及接触金属管，热电致冷器与导热体接触。
文档编号C12M1/38GK101735949SQ20081017482
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月5日 优先权日2008年11月5日
发明者吴育民, 廖冠乔, 蔡逸勤 申请人:广达电脑股份有限公司