基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法和装置与流程

1.本发明涉及散热技术领域，尤其是一种基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法和装置。


背景技术：

2.扩增pcr是核酸聚合酶链式反应（polymerase chain reaction）的英文简称，pcr反应条件为温度、时间和循环次数。基于pcr原理三步骤而设置变性-退火-延伸3个温度点。在标准反应中，双链dna在90~95℃变性，再迅速冷却至40~60℃，引物退火并结合到靶序列上，然后快速升温至70~75℃，在taqdna聚合酶的作用下，使引物链沿模板延伸。pcr反应通过变性-退火-延伸的热循环得以实现，一次pcr扩增实验通常需要30-40个连续的热循环。每次温度变化所需的时间直接影响到pcr反应的总时间。提高pcr热循环中不同温区之间的升降温速率，不仅能够缩短整个pcr扩增过程所需时间，而且会提高核酸扩增结果的特异性。
3.pcr热循环仪通常由热盖部件、热循环部件、控制部件和电源部件等部分组成。热循环部件用于实现控制过程中温度的升降控制。pcr热循环仪通常采用热电制冷片和金属pcr热块作为热循环部件。热电制冷片提供热循环的特种热源。当热电制冷片中有电流通过时，热电制冷片两个端面之间就会产生热量转移，热量从一端面转移到另一端面，在热电制冷片的两个端面产生温差δt，并形成冷热端面。随着电压或电流作用的时间增长，热电制冷片两端面之间的温差δt增大，其输出热量降低，从而导致pcr热循环的升降温速率下降。
4.特别是在热循环的降温阶段，热电制冷片的热量除了冷端吸收的热量还包括其制冷本身产生的热量，叠加后的热量如果不能快速散热，将导致冷端面温度就很难降下来，并使热循环降温速率降低，这也是热电制冷片降温速率要明显低于升温速率的原因之一。
5.现有热循环部件温度控制技术，采用pid控制的温度控制部件来控制热块热电制冷片的温度，单一pid控制只是通过控制热块热电制冷片的输出热量，来控制热块温度t0，但随着热块温度t0升高，热块热电制冷片两端的温差δt增大，热块热电制冷片的特性导致输出热量降低，以致热块温度t0升温速率降低。
6.pcr热循环仪的热循环执行单元和散热单元的热界面通常采用导热硅脂或石墨膜作为导热介质。导热硅脂目前最高导热系数仅能达到11w／m
·
k。石墨膜由于其结构的原因，石墨膜表面的导热系数在180w/m
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k。但面间（厚度方向）的导热系数仅为5w/m
·
k左右。这一“热障”瓶颈导致热块热电制冷片的制热或制冷量较难快速向pcr热块vc均温板和散热模块上传递，这也直接影响固定式热循环仪的变温速率。而液态金属的导热系数能够达到73w／m
·
k，是传统硅脂或石墨膜的数倍，用液态金属介质作为导热剂，液态金属介质减少热界面的热阻，实现快速热传导。
7.固定式pcr热循环仪的散热器通常采用导热率高的材料制作，如铜、铝及不锈钢等。但是这些材料的比热容比较低，也就是它在单位温度下吸收的热量少，不能快速传导大量热量。vc（vapor chambers蒸汽腔）均温板和热管利用在金属包络内密封的液体的蒸发和
冷凝来输送热量，利用液汽两相热传输来快速在组件内移动热量，传导热量比固体金属结构高10至50倍，以提高其整体热性能。热管主要在管道的轴上移动热量，将热源连接到远端翅片的理想选择，尤其是对于相对曲折的路径来说；vc均温板则将热量扩散到整个平面上，使整个平面的温度更均匀，提高整个平面的热均匀性，vc均温板和液态金属介质减少热界面的热阻，实现快速热传导。


技术实现要素：

8.本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法和装置，以能够提高pcr热循环仪的热循环执行单元升降温速率、降低单次pcr扩增实验的时间。
9.本发明为解决技术问题采用以下技术方案。
10.基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法，用于对热循环仪的热块热电制冷片进行主动散热；所述热循环仪主动式快速散热方法包括如下步骤：步骤1：将用于对热块热电制冷片进行主动散热的主动式快速散热装置设置于所述热块热电制冷片上，使得主动式快速散热装置的散热vc均温板的一侧与所述热块热电制冷片相贴合；步骤2：在所述散热vc均温板的另一侧贴合设置有至少一个散热热电制冷片；步骤3：通过所述散热热电制冷片为散热vc均温板升温或者降温，使得散热vc均温板能够为热块热电制冷片升温或者降温，进而使得热块热电制冷片的上表面和下表面之间的温差δt始终保持在预定值域内，确保所述热块热电制冷片处于最佳工作状态。
11.本发明的一种基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法的特点也在于：优选地，所述热块热电制冷片和所述主动式快速散热装置均与温度控制器相连接；所述温度控制器用于控制热块热电制冷片，使得热块热电制冷片升温或者降温；所述温度控制器用于控制主动式快速散热装置，使得主动式快速散热装置的散热热电制冷片升温或者降温。
12.优选地，所述温度控制器中内置有温度控制程序，所述温度控制程序用于执行温度控制算法。
13.优选地，所述温度控制算法包括串级pid控制算法。
14.优选地，所述温度控制算法中，当热块热电制冷片需要为pcr热循环仪的热块vc均温板降温前，通过散热热电制冷片先主动对散热vc均温板进行提前降温。
15.优选地，所述温度控制算法中，当热块热电制冷片需要为热块vc均温板升温时，控制主动式快速散热装置的散热vc均温板与热块vc均温板同步升温，使得热块热电制冷片上下两个表面之间的温差δt在预定值域内。
16.优选地，所述温度控制算法中，针对pcr热循环的各个变温温度节点，设置有至少一组温度控制pid值。
17.另外，本发明还公开了一种基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热装置，其特点是，所述主动式快速散热装置设置于作为被散热对象的热块热电制冷片之上，用于使
得热块热电制冷片的上表面和下表面之间的温差δt始终保持在预定值域内；主动式快速散热装置包括至少一个散热vc均温板、至少一个散热热电制冷片、液态金属介质、传导式散热器和对流式散热器。
18.优选地，所述散热vc均温板与热块热电制冷片之间进行热交换，所述散热vc均温板与所述热块热电制冷片之间通过所述液态金属介质进行快速热传导；所述散热vc均温板与所述散热热电制冷片之间进行热交换，所述散热vc均温板与所述散热热电制冷片之间通过所述液态金属介质进行快速热传导；所述散热热电制冷片与所述传导式散热器之间设置有液态金属介质，所述散热热电制冷片与所述传导式散热器之间通过液态金属介质进行快速热传导。
19.优选地，所述液态金属介质包括但不限于液态金属导热剂、液态金属合金、液态金属导热膏、液态金属导热胶或相变液态金属合金片。
20.优选地，所述散热vc均温板内部密封的冷凝剂包括但不限于水、乙醇、甲醇、丙酮或丁烷。
21.优选地，基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热装置还包括有温度控制器；所述温度控制器与散热vc均温板的温度传感器、热块热电制冷片、散热热电制冷片相连接。
22.本发明还公开了一种电子设备，其中包括：至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法。
23.本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法。
24.与已有技术相比，本发明有益效果体现在：本发明公开了一种基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法和装置，适用于基于热电制冷片的pcr热循环仪，包括用于核酸扩增仪的热循环执行单元快速散热；所述核酸扩增仪的热循环执行单元包括pcr热块vc均温板、pcr热块vc均温板液态金属介质和热块热电制冷片；在所述热块热电制冷片上设置有主动式快速散热装置，用于使得热块热电制冷片的上表面和下表面之间的温差δt始终保持在预定值域内；所述热循环执行单元和所述主动式快速散热装置均与温度控制器相连接，所述温度控制器用于控制热循环执行单元和所述主动式快速散热装置。
25.现有技术中，主流pcr管核酸扩增pcr仪产品的热循环升降温速率通常在升温4℃/秒，降温3℃/秒；一些高端产品在升温6℃/秒，降温4℃/秒。
26.本发明采用主动式快速散热技术方案的pcr管核酸扩增pcr仪样机已达到升温8℃/秒，降温6℃/秒，升降温速率为现有技术中主流产品的2倍，为高端产品的1.5倍。
27.本发明的固定pcr腔微流控芯片核酸扩增pcr仪样机已达到升温12℃/秒，降温10℃/秒的水平，升降温速率为现有技术中主流产品的3倍多，为高端产品的2倍多。图13为温度升降的曲线图，其中温度升降的曲线的斜率的绝对值为温度升降的速率。
28.本发明用于各种实验仪器和检测仪器的电路板或电子器件的散热，尤其适用于生命科学仪器和医疗器械。
29.本发明的基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法和装置，能够确保核酸扩增仪的热循环执行单元快速散热、提高热循环过程中升温和降温的变温速率，并实现对热循环执行模块快速热量传递，从而缩短热循环的总体时间等优点。
附图说明
30.图1为本发明的基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热装置的原理框图。
31.图2为本发明的基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法的控制算法的控制原理框图。
32.图3为本发明的基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热装置的第一实施例的主视图。
33.图4为图3的a-a剖视图。
34.图5为图3的爆炸图。
35.图6为本发明的基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热装置的第二实施例的主视图。
36.图7为图6的b-b剖视图。
37.图8为图6的爆炸图。
38.图9为在一个具体实施例中，8个通道的温度梯度的控制效果示意图。
39.图10为本发明的基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热装置的第三实施例的的主视图。
40.图11为图10的c-c剖视图。
41.图12为图10的爆炸图。
42.图13为温度升降的曲线图。
43.以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
44.参见图1-图12，本发明提供了一种基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法，用于对热循环仪的热块热电制冷片120进行主动散热；所述热循环仪主动式快速散热方法包括如下步骤：步骤1：将用于对热块热电制冷片120进行主动散热的主动式快速散热装置设置于所述热块热电制冷片120上，使得主动式快速散热装置的散热vc均温板210的一侧与所述热块热电制冷片120相贴合；步骤2：在所述散热vc均温板210的另一侧贴合设置有至少一个散热热电制冷片220；步骤3：通过所述散热热电制冷片220为散热vc均温板210升温或者降温，使得散热vc均温板210能够为热块热电制冷片120升温或者降温，进而使得热块热电制冷片120的上表面和下表面之间的温差δt始终保持在预定值域内，确保所述热块热电制冷片120处于最佳工作状态。
45.具体实施时，所述热块热电制冷片120和所述主动式快速散热装置均与温度控制器相连接；
所述热块热电制冷片120上设置有用于对热块热电制冷片120进行主动散热的主动式快速散热装置；所述主动式快速散热装置包括散热vc均温板210和至少一个散热热电制冷片220；所述散热vc均温板210与所述热块热电制冷片120相贴合，所述散热热电制冷片220与所述散热vc均温板210相贴合；所述温度控制器用于控制热块热电制冷片120，使得热块热电制冷片120升温或者降温；所述温度控制器用于控制主动式快速散热装置，使得主动式快速散热装置的散热热电制冷片220升温或者降温。
46.本发明中，所述预定值域为2℃~10℃。热块热电制冷片120的冷热端面之间的温度差在2℃~10℃范围之内，能够保证热块热电制冷片处于最佳的工作状态，即确保热块热电制冷片120以稳定且较大的热量输出方式来工作，使得热块热电制冷片能够以较大的变温速率工作。
47.所述温度控制器通过分别设置在pcr热循环的热块vc均温板110和散热vc均温板210的温度传感器采集热块vc均温板110的实际温度t0和散热vc均温板的实际温度t1，并由所述温度控制器中内置的特定逻辑算法温度控制程序来控制热块热电制冷片120和散热热电制冷片220的热量输出。
48.所述散热热电制冷片220通过所述温度控制器和温度传感器，主动控制所述散热vc均温板的实际温度t1，使其与热块vc均温板110的实际温度t0的温差δt保持在2℃~10℃之间的预定值域内，确保热块热电制冷片120以稳定且较大的热量输出，从而实现pcr热循环仪的快速变温。所述温差δt的计算公式为：δt=t1-t0。
49.图1中，本发明的方法和装置制冷的对象是pcr热循环执行模块。pcr热循环执行模块包括位于最上方的至少一个热块vc均温板110，热块vc均温板110下方为液态金属介质导，液态金属介质导下方为热块热电制冷片120。如图1，本发明包括与作为被散热对象的热循环执行模块（图1中的虚线部分）进行热传导的主动式快速散热装置和温度控制器（图1中的实线部分）。
50.由图1可以看出，热块热电制冷片120的上端面通过液态金属介质与热块vc均温板110相贴合，由于液态金属介质导热速度非常快，因此热块热电制冷片120的上端面的温度与热块vc均温板110的实际温度t0基本一致；故此可以通过设置在热块vc均温板110上的温度传感器来测量t0，获得热块热电制冷片120的上端面的温度。具体实施时，认定热块热电制冷片120的上端面为t0。
51.同样地，热块热电制冷片120的下端面通过液态金属介质与散热vc均温板210相贴合，因此热块热电制冷片120的下端面的温度与散热vc均温板210的实际温度t1基本一致；故此可以通过设置在散热vc均温板210上的温度传感器来测量t1，获得热块热电制冷片120的下端面的温度。具体实施时，认定热块热电制冷片120的下端面为t1。
52.具体实施时，所述温度控制器中内置有温度控制程序，所述温度控制程序用于执行温度控制算法。
53.具体实施时，所述温度控制算法包括但不限于串级pid控制算法；也可选用模糊pid控制算法或智能pid控制算法。
54.具体实施时，所述温度控制算法中，当热块热电制冷片需要为pcr热循环仪的热块
vc均温板降温前，通过散热热电制冷片先主动对散热vc均温板进行提前降温。
55.具体实施时，所述温度控制算法中，当热块热电制冷片需要为热块vc均温板升温时，控制主动式快速散热装置的散热vc均温板与热块vc均温板同步升温，使得热块热电制冷片上下两个表面之间的温差δt在预定值域内。
56.具体实施时，所述温度控制算法中，针对pcr热循环的各个变温温度节点，设置有至少一组温度控制pid值。
57.如图2所示，所述特定逻辑算法控制软件采用串级pid控制。图2中：pcr热循环的热块vc均温板的pid控制循环为主控制循环（图1中外循环），热块vc均温板110温度t0为主对象，与pcr热块vc均温板温度t0传感器构成串级pid控制的主控制循环回路；散热pid控制器为副控制循环（图2中内循环），散热温度t1为副对象，与散热温度t1传感器构成串级pid控制的副回路；在通常的pcr热块vc均温板pid控制中，pid控制通过pwm脉宽调试控制热块热电制冷片120的工作电流和输出热量，从而控制pcr热块vc均温板温度t0。
58.但随着热块vc均温板110的温度t0升高，热块热电制冷片120上下两端面的温差δt减小，输出热量会随之降低，导致pcr热块vc均温板温度变温速率降低。采用串级pid控制，即串联了一个散热pid控制器为副控制器，并以热块热电制冷片的背面温度直接相关的散热温度t1为副对象，协同驱动和控制散热热电制冷片的工作电流和输出热量，保持热块热电制冷片两端面之间的温度差在2℃~10℃范围之内，保证热块热电制冷片处于最佳的热量输出状态，提高了pcr热块vc均温板温度t0的变温速率。
59.本发明还公开了一种基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热装置，其特征是，所述主动式快速散热装置设置于作为被散热对象的热块热电制冷片120之上，用于使得热块热电制冷片120的上表面和下表面之间的温差δt始终保持在预定值域内；主动式快速散热装置包括至少一个散热vc均温板210、至少一个散热热电制冷片220、液态金属介质230、传导式散热器和对流式散热器。
60.所述传导式散热器为热管散热器240。所述的主动式快速散热装置包括至少一个所述的热管散热器，所述的热管散热器包括至少一个热管。
61.所述对流式散热器为散热风扇250，用于为热管散热器240通过风冷的方式来散热。至少一个所述的散热风扇安装在所述的热管散热器的散热翅片侧面。
62.热管散热器和散热风扇，本实例采用热管散热器与散热热电制冷片进行热传导散热，在其热传导界面之间采用液态金属介质进行快速导热。散热风扇安装在热管散热器的散热翅片处，通过空气流通对热管散热器的散热翅片进行降温或升温，最终对热管散热器进行降温或升温，保证散热热电制冷片处于最佳工作状态。所述热管的一端通过热管散热座和所述散热热电制冷片热接触，另一端既可以和至少一个散热翅片热接触，也可以和散热金属块热接触；所述散热热电制冷片端面的热量通过热管内壁蒸汽流和液相流进行快速轴向传导；热管散热器、散热电制冷片、散热vc均温板自下而上依次设置，各个部件之间的热界面均设置有液态金属介质。
63.具体实施时，所述散热vc均温板210与热块热电制冷片120之间进行热交换，所述散热vc均温板210与所述热块热电制冷片120之间通过所述液态金属介质230进行快速热传导；
所述散热vc均温板210与所述散热热电制冷片220之间进行热交换，所述散热vc均温板210与所述散热热电制冷片220之间通过所述液态金属介质230进行快速热传导；所述散热热电制冷片220与所述传导式散热器之间设置有液态金属介质230，所述散热热电制冷片220与所述传导式散热器之间通过液态金属介质230进行快速热传导。
64.具体实施时，所述液态金属介质230包括但不限于液态金属导热剂、液态金属合金、液态金属导热膏、液态金属导热胶或相变液态金属合金片，具体实施时可以选用其中的任意一种作为液态金属介质。
65.所述液态金属介质230相变温度小于30℃、黏度合适、与界面材料湿润性良好，并采用密封圈有效防止液态金属外溢。
66.所述液态金属介质放置在所述的主动式快速散热装置中的相邻两个热界面之间。所述液态金属介质具有较高的导热系数有助于降低各热界面的热阻，实现各热界面的快速传导热量；液体金属介质在0.1mm至0.5mm之间，不限于液态金属导热剂、液态金属导热膏和相变液态金属片，本实施例采用的液态金属介质，相变温度小于30℃、黏度合适、与界面材料湿润性良好，能够有效防止液态金属外溢。
67.具体实施时，所述散热vc均温板210内部密封的冷凝剂包括但不限于水、乙醇、甲醇、丙酮或丁烷，具体实施时可以选用其中的任意一种作为冷凝剂。
68.所述散热vc均温板210的蒸汽腔内和热管散热器240的热管内部密封有冷凝剂。
69.所述散热vc均温板包括至少一个蒸汽腔，所述蒸汽腔壳体采用包括但不限于铜、铝、不锈钢等金属构成。所述散热vc均温板利用汽化和冷凝的高传导热量实现对热块热电制冷片端面快速均匀散热；所述散热vc均温板210的蒸汽腔内和热管散热器240的热管内部密封的冷凝剂包括但不限于水（沸点100℃）、乙醇（沸点78.3℃）、甲醇（沸点64.8℃）、丙酮（沸点56.53℃）、丁烷或其他制冷剂液体，不同沸点的液体用于不同温度的热量传导；散热vc均温板通常采用高导热率的金属材料制作，通常包括金、银、铜、铝等金属材料作为真空腔外壁材料，本实施例采用铜。一般冷凝剂是利用相变（固态变为液态或气态、气态与液态之间的转换等）来吸热或放热的，属于物理变化。不是化学反应。例如空调利用氟利昂从气态被压缩成液态（冷凝）时放出热量、从液态变为气态（蒸发）吸收热量而工作。
70.具体实施时，本发明的基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热装置还包括有温度控制器；所述温度控制器与散热vc均温板210的温度传感器、热块热电制冷片120、散热热电制冷片220相连接。
71.本发明还公开了一种电子设备，其中包括：至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法。
72.本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于热电制冷片的热循环仪主动式快速散热方法。
73.所述特定逻辑算法控制软件，采用串级pid控制协同驱动和控制散热热电制冷片220和热块热电制冷片120的工作电流和输出热量，保持热块热电制冷片的冷热端面之间的温度差在2℃~10℃范围之内，保证热块热电制冷片处于最佳的工作状态。
74.当pcr热循环执行模块对热块vc均温板110进行升温时，特定逻辑算法温度控制软件的温度控制模块主动启动散热热电制冷片对散热vc均温板进行同步升温，维持热块热电制冷片120上下两个表面之间的温差δt在较小的范围，使热块热电制冷片在整个升温过程一直保持较大的制热量，热块vc均温板110快速升温。同时，散热热电制冷片与热管散热器的热界面间温度降低，通过热管散热器进行温度补偿。
75.当pcr热循环执行模块对pcr热块vc均温板110进行降温前，特定逻辑算法温度控制软件的温度控制模块主动启动散热热电制冷片220对散热vc均温板210进行提前降温。此时热块热电制冷片120还处于制热恒温状态，预先对与热块热电制冷片120下端面热接触的散热vc均温板210进行主动降温，使热块热电制冷片120在转为制冷状态时，瞬间达到温度较低的高效率制冷状态，避免热块热电制冷片120在高温度时低效率制冷，导致pcr管pcr热块vc均温板110降速率较低。同时，散热热电制冷片与热管散热器的热界面间温度升高，通过热管散热器进行快速散热。
76.所述的特定逻辑算法温度控制软件，针对pcr核酸扩增热循环的各个变温温度节点，设置了至少一组温度控制pid值和开关控制值，并存储在所述的温度控制器的存储器中。
77.所述的特定逻辑算法温度控制软件，在pcr核酸扩增热循环的各个变温温度节点，控制热块热电制冷片的过冲温度在1℃~5℃之间，过冲时间在1秒~3秒之间。
78.所述的特定逻辑算法温度控制软件，在pcr核酸扩增热循环从变性温度降到退火温度的变温节点，采用串级pid控制驱动和控制散热热电制冷片提前降温到比退火温度低20℃~30℃的温度范围内。
79.如图1，所述主动式快速散热装置包括至少一个所述散热热电制冷片。所述散热热电制冷片作为主动式快速散热装置的冷热源，受所述特定逻辑算法控制软件通过温度控制器驱动和控制；散热热电制冷片可以是单个也可以是多个串并联组合，其功率为热块热电制冷片功率的1.5-3倍。
80.具体实施时，所述温度控制器包括温度控制板和温度传感器。所述温度控制器包括至少一个具有特定逻辑算法控制软件的温度控制板和至少一个温度传感器。所述特定逻辑算法（图2）包括但不限于串级pid控制算法；也可选用模糊pid控制算法或智能pid控制算法。所述的温度传感器用于监测所述的散热vc均温板的实时温度值。
81.如图3、图4和图5为第一实施例，为8个pcr管核酸扩增pcr热循环执行模块的主动式快速散热装置。
82.本实施例中，目标散热对象为8个pcr管的pcr热循环模块，属于平板固定式热循环装置，通过pcr热块vc均温板110的8个pcr管孔，为每个pcr管中的pcr试剂进行pcr热循环扩增反应。
83.本实施例的pcr热循环执行模块包括pcr热块vc均温板110、热块热电制冷片120；采用2列8个与vc均温板联接为一体的0.2ml pcr管热块，采用一个热块热电制冷片作为冷热源，热循环执行热电制冷片端面尺寸为长40mm
×
宽30mm。
84.进一步的，以此端面尺寸可以采用3列12个0.2ml pcr管热块，若采用端面尺寸为长40mm
×
宽40mm的热电制冷片，可以采用4列16个0.2ml pcr管热块。
85.本实施例的主动式快速散热装置包括散热vc均温板210，散热热电制冷片220，液
态金属介质230，热管散热组件240和散热风扇250。
86.pcr热循环执行模块、主动式快速散热装置与温度控制器构成pcr热循环模块。
87.液体金属介质230分别涂覆或放置在各传热界面之间，包括：pcr温度执行热电制冷片120与散热vc均温板210之间、散热vc均温板210与散热热电制冷片220之间以及散热热电制冷片220与热管散热组件240的各个传热界面之间，液体金属介质230厚度在0.1mm至0.5mm之间。
88.液态金属介质230包括包括但不限于液态金属导热剂、液态金属合金、液态金属导热膏、液态金属导热胶或相变液态金属合金片，具体实施时可以选用其中的任意一种作为液态金属介质，本实施例采用的液态金属介质相变温度小于30℃、黏度合适、与界面材料湿润性良好，能够有效防止液态金属外溢。
89.散热vc均温板210通常采用高导热率的金属材料制作，通常包括金、银、铜、铝等金属材料作为真空腔外壁材料，本实施例采用铜。
90.散热热电制冷片220可以是单个也可以是多个串联或并联组合，本实施例采用1个40mm
×
40mm的热电制冷片，其功率为温度执行热电制冷片功率的1.5-2倍。
91.热管散热组件240和散热风扇250，本实例采用热管散热组件240与散热热电制冷片220进行热传导，在其热传导界面之间采用液态金属介质230进行快速导热。
92.散热风扇250安装在热管散热组件240的散热翅片处，通过空气流通对热管散热组件240的散热翅片进行降温或升温，最终对热管散热组件240进行降温或升温，保证散热热电制冷片220处于最佳工作状态。
93.当pcr温度执行单元100对pcr管热块均温板110进行升温时，温度控制单元主动启动散热热电制冷片220对散热均温板210进行同步升温，维持pcr温度执行热电制冷片120上下两个表面之间的温差δt在较小的范围，使pcr热块热电制冷片120在整个升温过程一直保持较大的制热量，pcr管热块均温板110快速升温。同时，散热热电制冷片220与热管散热器240的热界面间温度降低，通过热管散热组件进行温度补偿。
94.当pcr温度执行单元100对pcr管热块均温板110进行降温前，温度控制单元主动启动散热热电制冷片220对散热均温板210进行提前降温，此时温度执行热电制冷片120还处于制热恒温状态，预先对与温度执行热电制冷片120下端面热接触的散热vc均温板210进行主动降温，使温度执行制冷片120在转为制冷状态时，瞬间达到温度较低的高效率制冷状态，避免pcr热循环温度执行制冷片120在高温度时低效率制冷，导致pcr管热块均温板110降速率较低。同时，散热热电制冷片220与热管散热器240的热界面间温度升高，通过热管散热组件进行快速散热。
95.如图6、图7和图8为第二实施例，为3组8个pcr管梯度核酸扩增pcr温度执行单元的主动式快速散热装置。
96.本实施例中，由3个相同的pcr管热块均温板110组成梯度pcr管热块均温板，并由3路独立控制的温度执行热电制冷片120组成梯度温度执行单元。本实施例的温度执行热电制冷片120采用3片40mm
×
10mm热电制冷片，可以通过3路独立温度控制单元产生不同的温度梯度，分别为一组2列8个与vc均温板连接为一体的0.2ml pcr管热块提供冷热源，可以满足梯度pcr反应的需要；若当3路独立温度控制单元产生相同的温度，则可以实现24个pcr管的pcr反应的需要。
97.具体实施时，例如可将3个相同的pcr管热块均温板110的温度分别控制为59℃、60℃和61℃。通过将3个相同的pcr管热块均温板110控制在不同的温度，能够一次性地在同一个仪器上进行不同温度下的试验，使得试验结果具有更好地对比性。
98.如图9，将6个相同的pcr管热块均温板110的温度，从低到高控制在6个不同的梯度上，从而实现同时进行6组试验的目的。如图9在，第1-6个通道的温度分别控制为：52.2℃、53.0℃、54.0℃、55.0℃、56.0℃、57.0℃，温度按照预定的控制要求依次升高。如此一来，就可以满足同样的试验在不同温度下的情况，工作人员很容易就对各种温度情况下进行对比分析，提高试验效果。
99.pcr热循环执行模块、主动式快速散热装置与温度控制器构成pcr热循环模块。
100.液体金属介质230分别涂覆或放置在各传热界面之间，包括：pcr温度执行热电制冷片120与散热vc均温板210之间、散热vc均温板210与散热热电制冷片220之间以及散热热电制冷片220与热管散热组件240的各个传热界面之间，液体金属介质230厚度在0.1mm至0.5mm之间。
101.液态金属介质230包括但不限于液态金属导热剂、液态金属导热膏和相变液态金属片，本实施例采用的液态金属介质相变温度小于30℃、黏度合适、与界面材料湿润性良好，能够有效防止液态金属外溢。
102.散热vc均温板210通常采用高导热率的金属材料制作，通常包括金、银、铜、铝等金属材料作为真空腔外壁材料，本实施例采用铜作为散热vc均温板210的真空腔外壁材料，并且散热vc均温板210表面能够完全包容梯度pcr的3个温度执行热电制冷片120，可以同时为3个温度执行热电制冷片120进行主动快速散热。
103.本实施例的散热热电制冷片220由2个40mm
×
30mm的热电制冷片串联或并联组合，其总体功率为3个温度执行热电制冷片总体功率的1.5-3倍。
104.热管散热组件240和散热风扇250，本实例采用u型热管散热组件240为2个40mm
×
30mm的热电制冷片进行热传导，在其热传导界面之间采用液态金属介质230进行快速导热。
105.散热风扇250安装在u型热管散热组件240的翅片处，按装配空间位置向下方排风，通过空气流通对热管散热组件240的翅片进行降温或升温，最终对热管散热组件240进行降温或升温，保证散热热电制冷片处于最佳工作状态。
106.当pcr温度执行单元100对pcr管热块均温板110进行升温时，温度控制单元主动启动散热热电制冷片220对散热vc均温板210进行同步升温，维持pcr温度执行热电制冷片120上下两个表面之间的温差δt在较小的范围，使pcr热块热电制冷片120在整个升温过程一直保持较大的制热量，pcr管热块均温板110快速升温。同时，散热热电制冷片220与热管散热器240的热界面间温度降低，通过热管散热组件进行温度补偿。
107.当pcr温度执行单元100对pcr管热块均温板110进行降温前，温度控制单元主动启动散热热电制冷片220对散热均温板210进行提前降温，此时温度执行热电制冷片120还处于制热恒温状态，预先对与温度执行热电制冷片120下端面热接触的散热vc均温板210进行主动降温，使温度执行制冷片120在转为制冷状态时，瞬间达到温度较低的高效率制冷状态，避免pcr热循环温度执行制冷片120在高温度时低效率制冷，导致pcr管热块均温板110降速率较低。同时，散热热电制冷片220与热管散热器240的热界面间温度升高，通过热管散热组件进行快速散热。
108.如图10、图11和图12为第三实施例，为固定pcr腔微流控芯片温度执行单元的主动式快速散热模块。
109.本实施例中，由1个固定pcr腔微流控芯片热块vc均温板110和温度执行热电制冷片120组成的pcr温度执行单元。
110.固定pcr腔微流控芯片热块vc均温板110为平板式vc均温板，没有pcr管热块。
111.主动快速散热单元200，及其散热vc均温板210，散热热电制冷片220，液态金属介质230，热管散热组件240和散热风扇250。
112.pcr温度执行单元100和主动快速散热单元200与温度控制单元300构成pcr热循环模块。
113.液体金属工质230分别涂覆或放置在各传热界面之间，包括：pcr温度执行热电制冷片120与散热vc均温板210之间、散热vc均温板210与散热热电制冷片220之间以及散热热电制冷片220与热管散热组件240的各个传热界面之间。
114.液态金属介质230包括但不限于液态金属导热剂、液态金属导热膏、相变液态金属导热膏和相变液态金属片，本实施例采用的液态金属介质相变温度小于30℃、黏度合适、与界面材料湿润性良好，能够有效防止液态金属外溢。
115.散热均温板210通常采用高导热率的金属材料制作，通常包括金、银、铜、铝等金属材料。
116.散热热电制冷片220可以是单个也可以是多个串联或并联组合，热管散热组件240和散热风扇250，本实例采用热管散热组件240与散热热电制冷片220进行热传导，在其热传导界面之间采用镓基液态金属工质230进行快速导热，并用导热硅胶对镓基液态金属工质230进行密封。
117.散热风扇250安装在热管散热组件240的翅片处，通过空气流道对热管散热组件240的翅片进行降温或升温，最终对热管散热组件240进行降温或升温，保证散热热电制冷片处于最佳工作状态。
118.当pcr温度执行单元100对pcr管热块均温板123进行升温时，温度控制单元主动启动散热热电制冷片220对散热均温板210进行同步升温，维持pcr温度执行热电制冷片120上下两个表面之间的温差t在较小的范围，使pcr热块热电制冷片120在整个升温过程一直保持较大的制热量，pcr管热块均温板110快速升温。同时，散热热电制冷片220与散热器2的热界面间温度降低，通过热管散热组件进行温度补偿。
119.当pcr温度执行单元100对pcr管热块均温板110进行降温前，温度控制单元主动启动散热热电制冷片220对散热均温板210进行提前降温，此时温度执行热电制冷片120还处于制热状态，预先对与温度执行热电制冷片120下端热接触的散热均温板210进行主动降温，使温度执行制冷片120在转为制冷状态时，瞬间达到温度较低的高效率制冷状态，避免pcr热循环温度执行制冷片120在高温度时低效率制冷，导致pcr管热块均温板110降降速率较低。同时，散热热电制冷片220与热管散热器240的热界面间温度升高，通过热管散热组件进行快速散热。
120.本实施例中，固定pcr腔微流控芯片核酸扩增pcr仪样机已达到升温12℃/秒，降温10℃/秒的水平，升降温速率为现有技术中主流产品的3倍多，为高端产品的2倍多。
121.所述的主动式快速散热装置包括至少一个作为主动散热冷热源的热电制冷片；所
述的主动式快速散热装置包括至少一个vc均温板和置于每个热界面之间的液态金属介质。
122.所述的温度控制器包括采用串级pid控制逻辑算法的温度控制软件（如图2所示）的温度控制器，协同驱动和控制热循环执行模块和主动式快速散热装置中的热电制冷片。所述的温度控制模块包括至少一个温度传感器，分别监测热循环执行模块和主动式快速散热装置的目标温度。
123.本发明方法可以同时为至少一个热循环执行模块提供主动快速散热。本发明方法保障热循环执行模块处于最佳工作状态，提高热循环过程中升温和降温的变温速率，并实现对热循环执行模块快速热量传递，从而缩短热循环的总体时间，尤其适用于基于热电制冷片的pcr热循环仪的温度控制。
124.本发明具有以下几个方面的特点。
125.1）采用不少于一个散热热电制冷片对pcr核酸扩增热循环仪的热循环执行热电制冷片进行主动散热，包括多个热循环执行热电制冷片的组合（如：第一实施例中的单一热循环执行热电制冷片，第二实施例中的多个热循环执行热电制冷片）；2）采用不少于一个散热热电制冷片对pcr核酸扩增热循环仪的温度热循环执行热电制冷片进行主动散热，包括不同pcr样本装置的pcr核酸扩增热循环仪（如：实施例1和实施例2中的pcr管热循环（pcr）单元，第三实施例中的反应腔微流控芯片热循环（pcr）单元）；3）通过温度控制器中的特定逻辑算法软件，所述特定逻辑算法包括但不限于串级pid控制算法；也可选用模糊pid控制算法或智能pid控制算法，协同散热热电制冷片和热循环执行热电制冷片的工作温度和变温速率，包括但不限于以下内容：（3-1）温度控制器中的特定逻辑算法软件驱动散热热电制冷片与热循环执行制冷片同步变温，减小热块热电制冷片冷热端面之间的温度差，保证热块热电制冷片在整个变温阶段处于最佳工作状态，以达到较快的变温速率。
126.（3-2）温度控制器中的特定逻辑算法软件针对pcr核酸扩增热循环的各个变温温度节点，设置了不少于一组温度控制pid值，保证热块热电制冷片和散热热电制冷片在各个变温温度节点达到最佳变温速率；（3-3）温度控制器中的特定逻辑算法软件在pcr核酸扩增热循环的各个变温温度节点，对热块热电制冷片的过冲温度和过冲时间进行控制，缩短pcr样本试剂的变温时间。
127.4）在温度执行单元和散热执行单元均使用高导热系数的液态金属介质作为导热材料，液态金属介质包括但不限于液态金属导热剂、液态金属合金、液态金属导热膏、液态金属导热胶或相变液态金属合金片。
128.5）液态金属介质涂覆或放置在温度执行单元的pcr热块vc均温板和温度执行热电制冷片的传热界面之间，也涂覆或放置在散热执行单元的散热vc均温板与散热热电制冷片和散热热电制冷片与热管散热器的热界面之间，同样，在温度执行单元的温度执行热电制冷片与散热执行单元的散热vc均温板的热界面之间也涂覆或放置了液态金属介质。
129.6）液态金属介质周围必须采取密封措施，防止液态金属从传热界面之间外溢，密封材料包括但不限于：硅橡胶、导热硅橡胶、硅橡胶泡棉和聚氨酯泡棉等。
130.7）特制的液态金属介质导热膏相变温度小于30℃、黏度合适、与界面材料湿润性良好，防止液态金属外溢。
131.8）使用vc均温板作为温度执行单元pcr热块的底板，降低扩散热阻，达到快速导热
和均温的效果，包括pcr管热块、pcr生物芯片热块和pcr微流控芯片热块，pcr管热块的底部为vc均温板，pcr生物芯片热块和pcr微流控芯片热块整体为vc均温板。
132.9）使用vc均温板作为散热执行单元的散热均温板，所述散热vc均温板的蒸汽腔内充满包括但不限于水（沸点100℃）、乙醇（沸点78.3℃）、甲醇（沸点64.8℃）、丙酮（沸点56.53℃）、丁烷或者其他制冷剂液体。
133.10）采用热管作为最终散热器组件，所述热管的蒸汽腔内充满包括但不限于水（沸点100℃）、乙醇（沸点78.3℃）、甲醇（沸点64.8℃）、丙酮（沸点56.53℃）、丁烷或者其他制冷剂液体，热管截面包括圆环或矩形，热管可以与翅片配合散热，也可以和其他金属板材等配合散热。
134.本发明中的特定逻辑算法温度控制软件，针对pcr核酸扩增热循环的各个变温温度节点，设置了至少一组温度控制pid值和开关控制值，并存储在所述的温度控制器的存储器中。
135.所述的特定逻辑算法温度控制软件，在pcr核酸扩增热循环的各个变温温度节点，控制热块热电制冷片的过冲温度在1℃~5℃之间，过冲时间在1秒~3秒之间。
136.所述的特定逻辑算法温度控制软件，在pcr核酸扩增热循环从变性温度降到退火温度的变温节点，采用串级pid控制驱动和控制散热制冷片，提前降温到比退火温度低20℃~30℃的温度范围内。
137.本发明的主要目的是提供一种基于热电制冷片的主动快速散热装置和方法，采用液态金属、蒸汽腔均温板和热管散热器等新材料，以及优化热块结构和串级pid温度控制软件等新技术，旨在解决现有pcr核酸扩增热循环仪的热循环升降温速率较低的关键技术问题，并为生命科学仪器和医疗器械提供快速升降温的技术方案。
138.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
139.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。