EP2782676B1 - Vapor chamber - Google Patents

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EP2782676B1
EP2782676B1 EP12791434.9A EP12791434A EP2782676B1 EP 2782676 B1 EP2782676 B1 EP 2782676B1 EP 12791434 A EP12791434 A EP 12791434A EP 2782676 B1 EP2782676 B1 EP 2782676B1
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EP
European Patent Office
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lower shell
porous material
vapor chamber
shell
thermal cycler
Prior art date
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EP12791434.9A
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English (en)
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EP2782676A2 (de
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Günter Tenzler
Christian George
Torsten Burdack
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inheco Industrial Heating and Cooling GmbH
INHECO Ind HEATING AND COOLING GmbH
Original Assignee
Inheco Industrial Heating and Cooling GmbH
INHECO Ind HEATING AND COOLING GmbH
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Publication date
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Publication of EP2782676A2 publication Critical patent/EP2782676A2/de
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Publication of EP2782676B1 publication Critical patent/EP2782676B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B01L7/52—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0233—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the conduits having a particular shape, e.g. non-circular cross-section, annular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F28D15/046—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure characterised by the material or the construction of the capillary structure
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    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0829—Multi-well plates; Microtitration plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1805—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • B01L2300/1822—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using Peltier elements

Definitions

  • the present invention relates to a thermal cycler comprising a heat sink, at least one electric heating element, which may also be advantageously suitable for cooling, and arranged above the at least one electric heating element Vapor Chamber according to the preamble of claim 1.
  • the vapor chamber comprises a lower shell and an upper shell, wherein at least one gas- and liquid-tight intermediate space is formed between the lower shell and upper shell, in which a fluid working medium is accommodated and a cooperating with the fluid working medium porous material is arranged, wherein the porous material at least partially touches the upper shell and / or the lower shell , but it does not completely fill the at least one intermediate space while forming at least one cavity-like steam gap.
  • Vapor Chambers which are designed in the manner of a generally flat and flat-shaped heat pipe (so-called heat pipe) and based on its operating principle, are known from the prior art, for example from the WO 2005/114084 A1 , well known and have been known to have a very good thermal conductivity. Further also shows Fig. 7 of the US 3,680,189 a vapor chamber of the type mentioned, in which the lower and upper shell are each designed plate-shaped, wherein the upper and lower shell to form the space required for a Vapor Chamber via edge arranged rods with rectangular cross-section - gas and liquid-tight - are interconnected ,
  • An existing temperature difference between the lower and upper shell of a Vapor Chamber is compensated by the fact that the fluid working medium evaporates, for example, in the area of the hotter lower shell, whereupon the steam paths due to a pressure gradient - through the steam gap (ie a suitable in the Vapor Chamber steam channel) migrates towards the cooler upper shell, where it condenses again.
  • the porous material within the Vapor Chamber serves to receive and transport the condensed, ie liquid phase of the working medium in order to convey these within the gap between the upper and lower shell by capillary forces in the direction of the warmer side of the Vapor Chamber, where the working medium - if so has not adjusted any equilibrium state by temperature compensation - can evaporate again.
  • the porous material advantageously produces a connection between the upper and lower shell extending in the interior of the vapor chamber in order to ensure effective transport of the liquid phase of the working medium between the two mutually facing (inner) sides of the upper and lower shell.
  • the latent heat taken up by the working fluid at the respective phase transitions in a continuous process and the transport of the vaporous and liquid phase of the working fluid through the vapor gap and the porous medium ensure a very rapid compensation of a temperature difference between the upper and lower shell. so that, for example with active heating of the lower shell, which can be done by means of underside mounted heating medium, a very rapid heating of the upper shell takes place.
  • Another advantage is that - even with a possibly only selectively or at several points / areas ensuing heating of the lower shell - an acceptable for most applications homogeneity in the temperature distribution on the upper shell is achieved.
  • heat can also be dissipated from the upper shell or lower shell (or a thermally coupled component) in a very effective manner, by thermally coupling the respective other shell to a suitable heat sink.
  • the working range of a Vapor Chamber is determined by the characteristics of the working medium contained therein (eg water) and that in the Vapor Chamber given prevailing pressure and can therefore be adjusted for example by a suitable choice of (at least one) working medium.
  • the working medium contained therein eg water
  • the Vapor Chamber given prevailing pressure and can therefore be adjusted for example by a suitable choice of (at least one) working medium.
  • Vapor Chambers in thermal cyclers are used, in which in the context of the simultaneous temperature control of a plurality of (biological) samples, for example.
  • a temperature course suitable for carrying out the polymerase chain reaction (PCR) must be run through several times cyclically.
  • PCR polymerase chain reaction
  • a particularly precise temperature control of the various samples is just as desirable as the fastest possible passage of the temperature cycle, in which it is essential that the different samples in different time sequence at different temperatures (for a given period) exposed become.
  • a typical cycle involves first heating the samples to about 95 ° C (for the process step of the so-called.
  • thermocyclers such as those in the EP 1 710 017 A1 , of the WO 01/24930 A1 or the WO 2004/105947 A1 typically comprise a sandwich-type construction consisting of a heat sink, at least one generic vapor chamber ("thermal base", “heat pipe”), a possibly consisting of several elements heating and, if necessary, coolant (eg in the execution of at least one Peltier or PTC element) which may be disposed above or below the vapor chamber and a sample holding body ("thermal block” or “sample block”) in direct thermal contact with the heating means and / or the vapor chamber ”) with a plurality of on top of its surface arranged indentations, in which the samples to be exposed to a specific temperature profile - if necessary.
  • Each indentation acts as a receptacle for a sample to be tempered therein and is advantageously designed in such a way that a sample container which can be inserted from above, usually consisting of a thin plastic and which contains the sample to be tempered, makes contact with the surface for good heat transfer can be brought as a sample recording acting indentation.
  • the temperature-controlled in turn with the aid of at least one vapor chamber sample receiving body is usually solid made of silver (or aluminum), which in addition to the high weight of such a shaped body and a comparatively high heat capacity, which is particularly rapid temperature changes in the way, not with one inconvenient material and cost associated. Furthermore, the realization of a good uniformity of the temperature in the various sample receptacles (indentations) proves to be particularly difficult, in particular in the region of the recesses arranged at the edge or in a corner region of the sample receiving body.
  • a first embodiment of the in US 5,161,609 A For the purpose of accommodating a plurality of sample containers to be tempered, cylindrical passages through the vapor chamber are provided, which are each opened to the top and bottom of the vapor chamber and surrounded by a vapor gap.
  • This Vapor Chamber is heated or cooled by a heating / cooling source at its laterally peripheral edge and is provided with thermal insulation on the top and bottom and covered with a cap.
  • a plurality of acting as a sample receiving indentations are provided on the upper side, in which respect no details on the internal structure of the Vapor Chamber are given.
  • This Vapor Chamber is also in contact with a heating / cooling source at its peripheral edge, with a heating or cooling cap covering the Vapor Chamber on the upper side.
  • the coating of the inner walls of the vapor chamber is carried out with the porous material.
  • the working fluid for controlling the temperature of the non-edge-mounted sample holders must travel relatively long transport paths, e.g. if this is condensed for the purpose of heating a sample in the region of the passage passages or indentations and is returned through the porous material to the heated edge again.
  • the upper shell of the vapor chamber on the upper side a plurality of distributed over the surface, extending toward the lower shell and acting as a sample receiving indentations, in which using the Vapor Chamber to be tempered samples from above can be introduced, wherein at least one at least partially limited by the porous material vapor gap extends in such a three-dimensional manner that it surrounds at least partially laterally within the intermediate space located between the upper and lower shell one or more indentations of the upper shell.
  • the object of the present invention to provide a generic and in particular highly efficient thermal cycler, which allows particularly rapid temperature changes in the context of the temperature of using the vapor chamber to be tempered samples. Furthermore, it should thus with the aid of a Vapor Chamber designed according to the invention a plurality of samples be tempered at the same time, while improving the homogeneity of the temperature acting on the individual samples and the mechanical stability of the vapor chamber.
  • thermocycler provides that at least a portion of the formed on the upper shell and extending towards the lower shell indentations, preferably all indentations, underside touch the lower shell, that at least a portion of the lower shell touching indentations are connected on the underside with the lower shell in a metallurgical manner in that each indentation of the upper shell is contacted on the interstice side with the porous material and that the porous material adjoining the indentations on the interstitial side touches the porous material adjoining the lower shell in the region of the respective indentations.
  • the inventively used for use Vapor Chamber is thus characterized u.a. characterized in that it has on the upper side a plurality of sample receptacles, which are formed by indentations in the upper space bounding the intermediate space for the (at least one) fluid working medium.
  • the recording of the samples to be tempered thus do not serve the indentations in a substantially solid component, which is to be tempered with the aid of at least one vapor chamber or heat pipe, but the vapor chamber itself becomes the sample receiving body by the upper space bounding the space for the working medium upper side has suitable indentations, which act as a sample holder.
  • a significantly improved thermal conductivity [W / mK]) can be achieved (by up to a factor of 7), so that in the course of the temperature control of the Majority of samples Successful heating and cooling processes are carried out considerably faster.
  • At least one vapor gap i. the at least one vapor gap formed within the intermediate space running in such a three-dimensional manner that it surrounds at least one or more indentations laterally, at least in part, can at the same time improve the temperature homogeneity, that is to say that of the prior art.
  • a vapor gap is to be understood as the volume within the interspace between the upper shell and lower shell, in which the vapor phase of the working medium is transported within the vapor chamber used according to the invention. If this is spoken of "at least one" steam gap, this of course includes the possibility that in this case not necessarily a single contiguous steam gap must penetrate the entire vapor chamber over its entire areal extent, but that instead a plurality of steam gaps can be provided , which are separated from each other, for example, by the porous material serving to transport the liquid phase and / or by at least one element of the lower and / or upper shell dividing the intermediate space.
  • the porous material used in the Vapor Chamber may basically be any material which, due to its porosity, is capable of capillary action on the liquid phase of the working medium (e.g., water) for receiving and transporting the liquid phase of the working medium.
  • the working medium e.g., water
  • the vapor chamber itself forms the sample-receiving body by means of suitable indentations on its upper side, also proves to be extraordinarily advantageous since it reduces the weight and heat capacity of e.g. can be significantly reduced compared to massively designed sample receiving bodies used in thermal cyclers from the prior art, which - in addition to the improved performance in terms of heat transfer to the individual indentations / sample recordings - at the same time a massive cost savings in terms of reduced material costs results.
  • each indentation of the upper shell is contacted on the interspace side with the porous material can in particular also contribute to the material directly bonded to the indentations porous material for material-bound heat transfer in the based on the heat pipe principle Vapor Chamber.
  • the indentations forming the sample receptacles in the upper shell of a vapor chamber according to the invention are advantageously distributed in a regular pattern over the surface of the upper shell and particularly preferably in number and geometry to the number and geometry of the wells of commercially available microtiter plates, such as They are used as part of the industrial processing of (biological) samples, adapted so that a microtiter plate can be placed on the top of the vapor chamber such that the individual (from above filled with eg liquid samples and downwardly protruding) cavities of In each case, extend the microtiter plate into one indentation of the upper shell under the best possible (flat) contact with the respective side wall of the indentation.
  • the terms chosen so far should not describe a specific geometry of the components in question, but rather express that the Vapor Chamber used in the invention at least two parts (One could also speak of an upper part and a lower part), between which the gas- and liquid-tight space for receiving the working medium and the porous material is formed.
  • the upper and lower shell (or upper part and lower part) need not necessarily be formed by two separate parts, but can - for example if appropriate also be formed in one piece, but always a gas- and liquid-tight space between the Vapor Chamber up or down limiting upper or lower part must be formed.
  • at least the lower shell or the upper shell with a peripheral edge formed thereon is actually designed cup-shaped, which can be easily formed by the edge of the lower or upper shell, the lateral boundary of the vapor chamber.
  • At least one steam gap is provided which rotates laterally on the outside all the indentations and for this purpose within the space between the lateral boundary of the vapor chamber and the recesses arranged on the edge is trained.
  • the edge-side indentations on their respective side facing the gap
  • the inside of the space arranged porous material at least partially in contact or are coated with it, so that (also) in this area a particularly effective heat transfer is realized.
  • each indentation is completely surrounded by at least one steam gap, so that the excellent thermal conductivity of a heat pipe in the region of each of the sample receiving indentation with the result of a particularly good temperature homogeneity over all sample recordings fully comes to fruition. If, in the Vapor Chamber, a vapor gap permeating the entire Vapor Chamber is provided and at the same time each indentation is completely circumferential, the tempering of all sample receptacles (or the samples arranged therein) can achieve almost the best possible temperature homogeneity.
  • the porous material is formed by at least two porous material layers, of which a first material layer is formed on the space side on the upper shell and a second material layer on the space side on the lower shell, wherein the first and second material layer touch each other in some areas and are spaced from each other in other areas to form the at least one vapor gap.
  • the porous material used in a heat pipe or the two abovementioned porous material layers can, for example, be made of an initially substantially powder-like material with spherical and / or rod-shaped material Material components (eg made of copper) of the same or different dimensions, which - first applied in a suitable layer thickness on the respective inner side of the lower and upper shell - eg as part of a liquid or pasty mass and then under the action of suitable high temperatures (in a kind of sintering process) There it is baked, so to speak, with what it on the one hand - solidified to form the desired porous structure - and on the other hand to the lower or upper shell, which are advantageously joined together in a later process step, or attaches itself metallurgically.
  • Material components eg made of copper
  • suitable high temperatures in a kind of sintering process
  • the contact of the gap side adjacent to the indentations porous material and adjacent to the lower shell porous material is effected in that the porous material on the upper and lower shell as a total contiguous inner coating of the vapor Chamber is formed.
  • the contact of the porous material provided on the top and bottom is thus given by a continuous and uninterrupted layer of porous material, the top and bottom shell, in particular in the area Indentations, connects.
  • the porous material at least partially, in particular in that region in which the porous material adjacent to the indentations on the interspace touches the porous material adjacent to the lower shell in the region of the respective recesses, from an originally pasty mass is prepared, which was applied before assembly to corresponding areas of the upper and / or lower shell and after assembly of the upper and lower shell under the action of suitably high temperatures (with evaporation of liquid components) was solidified.
  • either the entire the upper and lower shell interspaces suitably covering and connecting porous material be prepared using a pasty mass in the above sense, on the other hand, only a partial use of a pasty mass in the above sense, in particular, can also offer, otherwise produced material layers of porous material, which are already formed on the lower and / or upper shell, while avoiding the formation of gaps or compressions to connect with each other.
  • porous material is at least partially formed by at least one prefabricated molded part of porous material, which is attached before the assembly of upper and lower shell from below to at least one recess of the upper shell and is designed such that the molding after assembly the upper and lower shell on the space side which contacts at least one indentation and the lower shell.
  • a single molded part of porous material may be provided, which is plugged onto all indentations of the upper shell and each indentation and the lower shell - in the region of the respective indentation - connects.
  • a separate molded part can also be provided for each indentation (or one group of indentations), which is attached to the relevant indentation (or the group of indentations) in the aforementioned sense.
  • areas of the lower and / or upper shell which are not contacted by the molded parts or any intermediate areas within the molded parts can then, for example, be filled with further porous material using a pasty mass in the above-mentioned sense.
  • the porous material contacting the upper and lower shell has a varying layer thickness and / or a varying porosity and / or varying pore diameter.
  • the layer thickness of the porous material has an influence on its absorption capacity and the evaporation rate given in a specific range
  • specific areas of the lower and / or upper shell can be used for the evaporation of liquid working medium or the absorption of the condensing working medium be optimized.
  • the capillary forces which arise as a result can be adapted specifically to the desired liquid transport in the porous layer.
  • both underside cooling and underside-side heating of the vapor chamber can be provided in the context of the present invention, it is particularly advantageous if the abovementioned variation of the layer thickness and / or the porosity of the porous material takes into account the desired heat transport in both directions, by in the porous material - eg distributed in the region of each indentation or alternately across the vapor chamber - a first fluid path with improved liquid transfer properties from the top to the bottom shell and a second fluid path with improved liquid transport properties from the bottom to the top shell and / or with correspondingly improved ones Evaporation rate is created on the lower or upper shell.
  • the upper shell and / or the lower shell of a vapor chamber according to the invention can in principle be made of any suitable material with comparatively good thermal conductivity and sufficiently simple processability (for example of silver), but are also made of copper or aluminum, for reasons of cost.
  • the upper and lower shell of the present invention for use vapor chamber to a circumferential - advantageously in a plane - extending edge gas and liquid-tightly connected to each other, in particular welded and / or soldered.
  • the wall thickness can be realized as thin as possible, whereby, of course, taking into account the prevailing pressure within the vapor chamber, a sufficient mechanical stability still has to be ensured.
  • Such thin layer thicknesses ensure a further improved heat transfer and a particularly low heat capacity and also in the With regard to constructive aspects to be striven for particularly low weight of a vapor chamber according to the invention.
  • An upper shell with indentations suitable for the present purpose can e.g. be made by deep drawing from a suitable metal sheet. Furthermore, suitable for producing an upper shell of suitable geometry, in particular if this - which is particularly advantageous - should have a very small layer thickness of significantly smaller than 1 mm, also electro-galvanic manufacturing process, in particular the so-called "electroforming".
  • the indentations of the upper shell acting as sample receptacles may be particularly preferably thin-walled (advantageously ⁇ 1 mm, again advantageously ⁇ 5 mm), since this - because of the extent small mass of the indentation bounding wall - a lower specific heat capacity in the immediate area of temperature-sensitive sample holder is achievable, whereby faster temperature changes are allowed.
  • the vapor chamber has at least one extending into the steam gap temperature and / or pressure sensor.
  • a temperature sensor extending into the steam gap proves to be advantageous, in particular, when its temperature reading is compared with that of a second temperature sensor, e.g. Bottom of the Vapor Chamber (i.e., in contact with the lower shell) is arranged.
  • a second temperature sensor e.g. Bottom of the Vapor Chamber (i.e., in contact with the lower shell) is arranged.
  • thermocycler comprises - at least one heat sink for tempering samples with predefined temperature cycles - (at least) a preferably electric heating means (for example in the manner of a PTC element) and a vapor chamber of the type described above
  • Fig. 1-3 show an embodiment of a coming into use in a thermal cycler invention Vapor Chamber 1 in different views, wherein in the exploded perspective view of Fig. 1 as well as in the sectional view Fig. 3 in addition, a microtiter plate 2 which can be used or inserted therein is also shown.
  • the vapor chamber 1 comprises a lower shell 3 made of copper and an upper shell 4 made of the same material, the upper shell 4 having on the upper side a plurality, in the present case a total of 96, recesses 6 distributed over its surface 5, which extend in the direction of the lower shell 3 extend.
  • the indentations 6 act as sample receptacles, in which - using the vapor chamber 1 to be tempered - samples 7 (see. Fig. 3 ) can be introduced either directly or indirectly.
  • lower shell 3 and upper shell 4 can also be made of other suitable materials, such as aluminum or silver.
  • the (liquid) samples 7 to be tempered are accommodated in individual cavities or sample containers 8 of the microtiter plate 2, for which purpose the relevant sample 7 was filled into the respective sample container 8 through an opening 9 accessible from above.
  • the samples 7 are introduced within the sample containers 8 which protrude downwards from the microtiter plate 2 - by placing the microtiter plate 2 in the correct position on the upper shell 4 adapted in terms of its geometry - into the recess 6 respectively associated with the respective sample 7.
  • the sample containers 8 of the microtiter plate 2 with their respective outer side are in planar contact with the side wall of the indentation 6 in order to ensure good heat transfer.
  • the upper shell 4 and the lower shell 3 are connected to one another along an edge 10, which completely surrounds the vapor chamber 1, in a gas-tight and liquid-tight manner. can be done by a suitable welding and / or solder joint.
  • a fluid working medium (not shown) is accommodated and, arranged like a layer on upper and lower shell 3, 4, a porous material 12, 13 which interacts with the fluid working medium in the sense of that it can absorb the liquid phase of the working medium and transport it using capillary forces.
  • the fluid working medium may e.g. be introduced through a suitably closable access opening in the upper or lower shell in the intermediate space 11.
  • Vapor Chamber 1 penetrating steam gap 14 is formed, which in the present case between the two porous material layers 12, 13 and thereby inter alia - according to the Fig. 1 shown dash-line 14 '- en bloc all indentations 6 of the upper shell 4 laterally fully circumferentially surrounding, between the lateral boundary of the vapor chamber 1 and the edges arranged indentations 6. Furthermore, by the steam gap 14 at the same time each indentation 6 is surrounded by the circumference, as indicated by the two dashed lines 14 "in FIG Fig. 2 is indicated.
  • the liquid phase of the working medium received in the adjoining layer of porous material 12 evaporates into the steam gap 14 by absorbing latent heat and is there due to a suitably adjusting pressure gradient in the direction of the colder upper shell 4 or the thereto trained indentations 6 transported.
  • the steam gap 14 extends in a three-dimensional and continuous manner over the entire cross-sectional area of the vapor chamber 1 and thereby revolves the indentations 6, whereby the vapor phase also transversal or lateral can spread around the indentations 6 around.
  • the working medium can then condense again with the release of latent heat in the region of the upper shell.
  • porous material 13 arranged on the upper shell side. Because of the capillary force of the porous material 12, 13 and the connection of the upper and lower shell side arranged porous material 12, 13, at least partially - in the present case, however, in particular around each indentation 6 around - there, then the condensed liquid phase of the working medium again transported to the lower side region of the porous material 12, where it can evaporate again at not yet carried out temperature compensation.
  • each indentation 6 within the interspace in the present case is completely surrounded by the at least one steam gap 14 of the vapor chamber 1, a particularly effective heating of the individual indentations 6 acting as sample holders - and thus also the samples 7 taken therein - can take place.
  • a plurality of webs 16 are arranged, which are superior to the other layer thickness of the lower shell 3, which may be less than 2 mm or even less than 1 mm are selected, and thus cause a mechanical reinforcement of the structure of the lower shell 3.
  • the lower shell 3 on the underside a plurality of threaded blind holes 17, one of which in the sectional view Fig. 3 can be seen and used for fixed mounting of the Vapor Chamber 1 to an adjacent component, such as a heating and cooling element.
  • the lower shell 3 also has a suitable reinforcement 18.
  • the heat sink 22 has a lamellar structure 26 at the bottom which provides a particularly large surface area for effective heat exchange between a cooling fluid (e.g., air) passing between the louvers for high cooling performance.
  • a cooling fluid e.g., air
  • 24b, 24c ago in particular by providing a larger contact area for dissipating heat to the heat sink 22, as this would be given by the contrast significantly smaller surface area of the heating / cooling elements 24a, 24b, 24c.
  • Vapor Chamber Between heat sink 22 and lower vapor chamber 23 and the upper (inventively provided) Vapor Chamber presently a total of six each area designed heating and cooling elements 24a, 24b, 24c (eg Peltier elements) arranged in two adjacent rows of three each, the Depending on the electrical wiring, for the heating or cooling on the underside of the upper vapor chamber 25 or the specimens introduced in their indentations 6 in a suitable manner.
  • heating and cooling elements 24a, 24b, 24c eg Peltier elements
  • the upper Vapor Chamber is almost identical to the one from the Figures 1 - 3 constructed, so that reference can be made to the above statements with respect to their operation and the relevant features.
  • the only difference to that in the Fig. 1-3 shown embodiment is to be noted that the upper vapor chamber 25 in Fig. 4 a thicker-walled upper shell 4, wherein at least the wall thickness of the in the space between the upper shell 4 and lower shell 3 reaching inward indentations 6, which act as a sample holder, still thin - with a wall thickness of preferably less than or equal to 2 mm, even more preferably smaller than 1 mm - are designed.
  • FIG. 5 a diagram with measured values of comparative measurements for the sake of illustration of the prior art clearly improved temperature homogeneity or uniformity of a vapor chamber according to the invention.
  • the former temperature level at + 95 ° C was started by appropriate control of the heating / cooling means with a temperature rise rate of + 3 ° C / s (or 3 K / s) and then held for 10 seconds. Thereafter, the temperature in the sample holders was lowered at a rate of -1.5 K / s to + 55 ° C and held this temperature level for 10 seconds, after which a renewed heating at a rate of turn +3 K / s to + 72 ° C and then holding this temperature for 10 seconds.
  • monitoring of the temperature of the respective sample receiving body which in each case took place in a total of eight different sample recordings, was carried out, each of which had 96 sample recordings.
  • the location of the sample recordings monitored by means of the temperature sensors can be determined in Fig. 5 taken from the top right illustrated schematic diagram, wherein said schematic diagram represents a plan view of the respective sample receiving body.
  • the monitored sample recordings are indicated therein by black coloring.
  • the measurements were firstly made on a thermal cycler according to the invention of Fig. 4 on the other hand, in an arrangement known from the prior art, in which - compared with the arrangement of Fig. 4 -
  • the upper Vapor Chamber 25 was replaced by a likewise 96 sample recordings sample body made of solid silver ("96 well Silvermount”), which in turn was mounted on the underside of a flat heat pipe, which made thermal contact with the underlying heating and cooling elements.
  • Fig. 6 - 10 show various representations to demonstrate different variants for introducing the porous material into the Vapor Chamber Further embodiments of Vapor Chambers 1 for use in a thermal cycler according to the invention with the Vapor Chamber 1 underside heated or cooling heating / cooling medium.
  • Fig. 6 in this case relates to an embodiment of the invention, in which - see the upper diagram - before the assembly of the vapor chamber on both the upper shell 4 and the lower shell 3 each an intermediate space material layer 13, 12 applied from porous material and already previously under the influence of temperature, such as described above (in a kind of sintering process) was solidified.
  • the material layer 13 provided on the upper shell side which also covers the gap-side surface of the indentations 6, intentionally does not extend so far in the direction of its underside end on the indentations 6 that it would come into contact with the lower-shell-side material layer 12 when the vapor chamber 1 is assembled ,
  • porous material 30 is present in the area in which it adjoins both the indentations 6 and the lower shell 3 on the space side, made of an originally pasty mass 29, the bead before the assembly of the upper and lower shell 4,3 Area of pointing to the lower shell lateral ends of the recesses 6 is applied and solidified after assembly of the upper and lower shell 4, 3 under the action of suitably high temperatures.
  • the lower illustration Fig. 6 - shows well how the originally pasty mass 29 in the area in which the space between the adjacent pores 6 porous material 13, 30 adjacent to the lower shell 3 porous material 12 has touched, solidified and has connected to the respectively adjacent material layers 12, 13, so that in the region of the respective indentations 6 an immediate transport of the liquid phase of the working medium of the vapor chamber between the lower side and the upper shell side provided porous material 12, 13, 30 can be done.
  • Fig. 7 shows a further embodiment of a vapor chamber used in the invention, in which (see the above) before assembly of the Vapor Chamber both the upper shell 4 (and their indentations 6) and the lower shell 3 was painted on the space side with a pasty mass 29 containing the porous material , so that - when assembling upper and lower shell - the two layers of pasty mass 29 come into contact with each other in areas and after a subsequent exposure to temperature in the sense already explained a total coherent inner coating of the vapor chamber 1 of porous material 30 (see bottom view Fig. 7 ) can train.
  • Fig. 8 shows a further embodiment in which the upper and lower shell 4, 3 themselves have no Vapor Chamber occlusive circumferential edge. That is why, as in the above illustration Fig. 8 it can be seen, the upper shell 4 are joined to the lower shell 3, wherein still the space-side surfaces of the upper and lower shell 4, 3 are accessible from the outside and can be coated with a porous material containing pasty mass 29. Subsequently, the Vapor Chamber 1 can be closed by means of a separate, peripheral edge 31. Subsequently, a solidified layer of porous material 30 can then be prepared again under suitable temperature action from the pasty mass 29, as in the lower illustration of Fig. 8 is shown.
  • FIG. 9 illustrated embodiment relates to the possible within the scope of the invention use of prefabricated moldings 32, designed in such a way are that they can be attached from below to the indentations 6 of the upper shell 4 before assembling the upper and lower shell 4, 3, wherein each molded part 32 after assembly of the upper and lower shell gap side at least the indentation 6 and the lower shell 3 contacted.
  • each indentation 6 that is, the lower shell facing side of the bottom of the respective indentation 6 forming wall, contacted the lower shell and metallurgically connected after assembly of the Vapor Chamber with the lower shell.
  • FIG. 10 shows a last embodiment of a vapor chamber according to the invention in the first - not yet covered with porous material - upper and lower shell 4, 3 are assembled, wherein for introducing the porous material in the intermediate space 11, an edge-side arranged opening 33 is provided, the can be closed fluid-tight with a lid 34. Through this opening 33, a liquid containing the porous material of suitable viscosity can then be introduced into the gap 11 so that the porous material settles in the desired layer thickness on the upper and lower shell, whereupon - after possibly necessary removal of excess liquid - the same can be "baked" under appropriate temperature effect on top and bottom shell.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Thermocycler umfassend eine Wärmesenke, wenigstens ein elektrisches Heizelement, welches vorteilhaft auch zum Kühlen geeignet sein kann, und eine über dem wenigstens einen elektrischen Heizelement angeordnete Vapor Chamber gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Dabei umfasst die Vapor Chamber eine Unterschale und eine Oberschale, wobei zwischen Unterschale und Oberschale zumindest ein gas- und flüssigkeitsdichter Zwischenraum ausgebildet ist, in welchem ein fluides Arbeitsmedium aufgenommen sowie ein mit dem fluiden Arbeitsmedium zusammenwirkendes poröses Material angeordnet ist, wobei das poröse Material zumindest bereichsweise die Oberschale und/oder die Unterschale berührt, dabei jedoch den wenigstens einen Zwischenraum unter Ausbildung wenigstens eines hohlraumartigen Dampfspaltes nicht vollständig ausfüllt.
  • Solche Vapor Chambers, die in Art eines in der Regel flächig und flach gestalteten Wärmerohrs (sog. Heatpipe) ausgestaltet sind und auf dessen Funktionsprinzip beruhen, sind aus dem Stand der Technik, z.B. aus der WO 2005/114084 A1 , hinlänglich bekannt und haben bekanntermaßen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Ferner zeigt auch Fig. 7 der US 3,680,189 eine Vapor Chamber der eingangs genannten Art, bei welcher die Unter- und Oberschale jeweils plattenförmig ausgestaltet sind, wobei Ober- und Unterschale zur Bildung des für eine Vapor Chamber erforderlichen Zwischenraums über randseitig angeordnete Stäbe mit rechteckigem Querschnitt - gas- und flüssigkeitsdicht - miteinander verbunden sind.
  • Eine bestehende Temperaturdifferenz zwischen der Unter- und Oberschale einer Vapor Chamber wird dadurch ausgeglichen, dass das fluide Arbeitsmedium z.B. im Bereich der heißeren Unterschale verdampft, woraufhin der Dampfwegen eines sich einstellenden Druckgefälles - durch den Dampfspalt (also einen geeignet in der Vapor Chamber verlaufenden Dampfkanal) in Richtung zur kühleren Oberschale wandert, wo er wieder kondensiert. Das poröse Material innerhalb der Vapor Chamber dient der Aufnahme und dem Transport der kondensierten, also flüssigen Phase des Arbeitsmediums, um diese innerhalb des Zwischenraums zwischen Ober- und Unterschale durch Kapillarkräfte wieder in Richtung der wärmeren Seite der Vapor Chamber zu befördern, wo das Arbeitsmedium dann - sofern sich durch Temperaturausgleich noch kein Gleichgewichtszustand eingestellt hat - erneut verdampfen kann. Das poröse Material stellt dabei vorteilhaft eine im Inneren der Vapor Chamber verlaufende Verbindung zwischen Ober- und Unterschale her, um einen effektiven Transport der flüssigen Phase des Arbeitsmediums zwischen den beiden einander zugewandten (Innen-)Seiten der Ober- und Unterschale zu gewährleisten.
  • Die bei den betreffenden Phasenübergängen in einem kontinuierlichen Prozess vom Arbeitsmedium aufgenommene bzw. abgegebene latente Wärme und der durch den Dampfspalt und das poröse Medium erfolgende Transport der dampfförmigen und flüssigen Phase des Arbeitsmediums sorgen für einen sehr raschen Ausgleich einer zwischen Ober- und Unterschale bestehenden Temperaturdifferenz, so dass, z.B. bei aktiver Beheizung der Unterschale, welche mittels daran unterseitig befestigter Heizmittel erfolgen kann, eine sehr schnelle Aufheizung der Oberschale erfolgt. Von Vorteil ist dabei weiterhin, dass - auch bei einer ggfs. nur punktuell oder an mehreren Stellen/Bereichen erfolgenden Beheizung der Unterschale - eine für die meisten Anwendungen durchaus akzeptable Homogenität in der Temperaturverteilung auf der Oberschale erreicht wird.
  • Ferner kann mittels einer Vapor Chamber auch auf sehr effektive Weise Wärme von der Ober- oder Unterschale (bzw. einem hiermit thermisch gekoppelten Bauteil) abgeführt werden, indem die jeweils andere Schale thermisch mit einer geeigneten Wärmesenke gekoppelt wird.
  • Der Arbeitsbereich einer Vapor Chamber wird durch die Eigenschaften des darin enthaltenen Arbeitsmediums (z.B. Wasser) und des in der Vapor Chamber vorherrschenden Drucks vorgegeben und lässt sich daher z.B. durch eine geeignete Wahl des (wenigstens einen) Arbeitsmediums einstellen.
  • Vapor Chambers - also in flacher Bauweise gestaltete Heatpipes - der vorliegend relevanten Art dienen häufig in Zusammenwirkung mit geeigneten Heiz- und/oder Kühlmitteln zur möglichst uniformen Temperierung von mit der Heatpipe in (direktem oder indirektem) Wärmekontakt stehenden Formkörpern, welche ihrerseits - z.B. in Form von oberseitig daran vorgesehen Einbuchtungen - eine Mehrzahl an Aufnahmen für darin einer bestimmten Temperatur auszusetzende Proben aufweisen.
  • Insbesondere kommen solche Vapor Chambers in Thermocyclern zum Einsatz, bei denen im Rahmen der gleichzeitigen Temperierung einer Mehrzahl an (biologischen) Proben z.B. zum Zwecke der DNA-Vervielfältigung ein zur Durchführung der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) geeigneter Temperaturverlauf mehrfach zyklisch durchlaufen werden muss. Es versteht sich von selbst, dass dabei eine besonders präzise Temperierung der verschiedenen Proben ebenso erwünscht ist wie ein möglichst schneller Durchlauf des Temperaturzyklus, bei dem es wesentlich darauf ankommt, dass die verschiedenen Proben in zeitlicher Abfolge verschiedenen Temperaturen (für einen jeweils vorgegebenen Zeitraum) ausgesetzt werden. Ein typischer Zyklus beinhaltet zunächst die Aufheizung der Proben auf ca. 95° C (für den Verfahrensschritt der sog. Denaturierung; Schmelzen), eine anschließende Abkühlung auf ca. 55° C (für den Verfahrensschritt der sog. Primerhybridisierung) und ein erneutes Aufheizen auf ca. 72° C (für den Verfahrensschritt der sog. Elongation), woraufhin der Zyklus durch ein weiteres Aufheizen auf wiederum 95° C erneut beginnt. Diese Temperaturniveaus sollen - für alle gleichzeitig zu temperierenden Proben - möglichst exakt eingehalten werden, wobei die zwischen den Temperaturniveaus benötigten Aufheiz- und Abkühlvorgänge möglichst schnell durchführbar sein sollen.
  • Die aus dem Stand der Technik bisher bekannten Thermocycler, wie sie z.B. in der EP 1 710 017 A1 , der WO 01/24930 A1 oder der WO 2004/105947 A1 beschrieben sind, umfassen typischerweise einen sandwichartigen Aufbau aus einer Wärmesenke, wenigstens einer gattungsgemäßen Vapor Chamber ("thermal base", "heat pipe"), ein ggfs. aus mehreren Elementen bestehendes Heiz- und ggfs. Kühlmittel (z.B. in Ausführung wenigstens eines Peltier- oder PTC-Elements), welches ober- oder unterhalb der Vapor Chamber angeordnet sein kann, und einen mit dem Heizmittel und/oder der Vapor Chamber in direktem thermischem Kontakt stehenden Probenaufnahmekörper ("thermal block" bzw. "sample block" bzw. "Reaktionsgefäßaufnahmekörper") mit einer Mehrzahl an oberseitig auf dessen Oberfläche angeordneten Einbuchtungen, in welche die einem bestimmten Temperaturverlauf auszusetzenden Proben - ggfs. innerhalb geeigneter Probenbehältnisse - zum Zwecke ihrer Temperierung einbringbar sind. Jede Einbuchtung fungiert als Aufnahme für eine darin zu temperierende Probe und ist vorteilhaft derart gestaltet, dass ein darin von oben einsetzbares - zumeist aus einem dünnen Kunststoff bestehendes - Probenbehältnis, welches die zu temperierende Probe enthält, zum Zwecke eines guten Wärmeübergangs in flächigen Kontakt zu der als Probenaufnahme fungierenden Einbuchtung gebracht werden kann.
  • Der seinerseits unter Zuhilfenahme der wenigstens einen Vapor Chamber temperierte Probenaufnahmekörper ist dabei in der Regel massiv aus Silber (oder Aluminium) ausgestaltet, was neben dem hohen Gewicht eines solchen Formkörpers und einer vergleichsweise hohen Wärmekapazität, die besonders schnellen Temperaturänderungen im Wege steht, mit einem nicht unerheblichen Material- und Kostenaufwand verbunden ist. Ferner erweist sich dabei die Realisierung einer guten Uniformität der Temperatur in den verschiedenen Probenaufnahmen (Einbuchtungen) als besonders schwierig, dies insbesondere im Bereich der randseitig oder in einem Eckbereich des Probenaufnahmekörpers angeordneten Einbuchtungen.
  • Zur Verbesserung der Homogenität der sich in den einzelnen Probenaufnahmen einstellenden Temperatur wurde dabei in der WO 01/24930 A1 bereits vorgeschlagen, anstelle der Verwendung einer separaten Vapor Chamber bzw. Heatpipe ("Temperaturausgleichsplatte") unterhalb des - dort aus mehreren Segmenten bestehenden - Reaktionsgefäßaufnahmekörpers, einzelne rohrförmige Heatpipes in den verschiedenen Segmenten des Reaktionsgefäßaufnahmekörpers derart zu integrieren, dass diese in einer Richtung zwischen je zwei Reihen von Reaktionsgefäßhaltern verlaufen. Auch hierbei weist der Reaktionsgefäßaufnahmekörper wegen seiner ansonsten massiven Bauweise eine vergleichsweise hohe Wärmekapazität auf.
  • Und schließlich zeigt auch die US 5,161,609 A noch verschiedene Ausführungsbeispiele einer auf dem "heat pipe"-Prinzip funktionierenden Vapor Chamber der eingangs genannten Art zur Verwendung in einem Thermocycler, wobei besagte Vapor Chamber infolge der gegebenen Gestaltung der das fluide Arbeitsmedium aufnehmenden Einhausung, welche eine Innenbeschichtung mit porösem Material aufweist, gleichzeitig der Aufnahme der zu temperierenden Proben bzw. der Aufnahme von zu temperierenden Probenbehältnissen dient.
  • Bei einer ersten Ausgestaltung der in der US 5,161,609 A beschriebenen Vapor Chamber sind zum Zwecke der Aufnahme einer Mehrzahl von zu temperierenden Probenbehältnissen zylindrische Passagen durch die Vapor Chamber vorgesehen, die jeweils zur Ober- und Unterseite der Vapor Chamber hin geöffnet und von einem Dampfspalt umgeben sind. Diese Vapor Chamber wird an ihrem seitlich umlaufenden Rand von einer Heiz-/Kühlquelle beheizt bzw. gekühlt und ist ober- und unterseitig mit einer thermischen Isolierung versehen sowie mit einer Kappe abgedeckt. Bei einer zweiten Ausgestaltung der in der US 5,161,609 A beschriebenen Vapor Chamber sind oberseitig eine Mehrzahl an als Probenaufnahme fungierenden Einbuchtungen vorgesehen, wobei insoweit keine näheren Angaben zum Innenaufbau der Vapor Chamber gegeben sind. Auch diese Vapor Chamber steht an ihrem seitlich umlaufenden Rand mit einer Heiz-/Kühlquelle in Kontakt, wobei oberseitig noch eine die Vapor Chamber abdeckende Heiz- bzw. Kühlkappe vorgesehen ist.
  • Nicht beschrieben ist für beide vorstehend erläuterten Ausführungsvarianten, wie die Beschichtung der Innenwände der Vapor Chamber mit dem porösen Material erfolgt. Ferner ist festzustellen, dass das Arbeitsfluid zur Temperierung der nicht randseitig angeordneten Probenaufnahmen relativ lange Transportwege zurücklegen muss, z.B. wenn dieses zum Zwecke der Erwärmung einer Probe im Bereich der Durchgangspassagen bzw. Einbuchtungen kondensiert ist und durch das poröse Material wieder zum beheizten Rand zurückgeführt wird.
  • Bei den zur Verwendung in gattungsgemäßen Thermocyclern z,.B. aus der US 5,161,609 A bereits bekannten Vapor Chambers ist vorgesehen, dass die Oberschale der Vapor Chamber oberseitig eine Mehrzahl an über deren Oberfläche verteilten, sich in Richtung zur Unterschale erstreckenden und als Probenaufnahme fungierende Einbuchtungen aufweist, in welche unter Verwendung der Vapor Chamber zu temperierende Proben von oben einbringbar sind, wobei wenigstens ein zumindest teilweise durch das poröse Material begrenzter Dampfspalt sich derart dreidimensional erstreckt, dass er innerhalb des zwischen Ober- und Unterschale befindlichen Zwischenraums eine oder mehrere Einbuchtungen der Oberschale zumindest teilweise seitlich umlaufend umgibt.
  • Weiterhin ist aus der US 2004/244951 eine als Vapor Chamber ausgestaltete Heatpipe zur Kühlung von integrierten Schaltkreisen bekannt, welche von ober- und unterseitig offenen Montagelöchern durchdrungen wird, wobei besagte Montagelöcher zur oberseitigen Montage eines Kühlkörpers auf der Heatpipe vorgesehen sind.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen gattungsgemäßen und insbesondere hocheffizienten Thermocycler bereitzustellen, welcher im Rahmen der Temperierung von unter Verwendung der Vapor Chamber zu temperierenden Proben besonders schnelle Temperaturänderungen gestattet. Ferner soll damit unter Zuhilfenahme einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vapor Chamber eine Mehrzahl an Proben gleichzeitig temperierbar sein, und zwar unter Verbesserung der Homogenität der auf die einzelnen Proben einwirkenden Temperatur und der mechanischen Stabilität der Vapor Chamber.
  • Diese Aufgabe wird mit einem erfindungsgemäßen Thermocycler nach Anspruch 1 gelöst.
    Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens ein Teil der an der Oberschale ausgebildeten und sich in Richtung zur Unterschale erstreckenden Einbuchtungen, bevorzugt alle Einbuchtungen, unterseitig die Unterschale berühren, dass wenigstens ein Teil der die Unterschale berührenden Einbuchtungen unterseitig mit der Unterschale auf metallurgische Weise verbunden sind, dass jede Einbuchtung der Oberschale zwischenraumseitig mit dem porösem Material kontaktiert ist und dass das zwischenraumseitig an den Einbuchtungen angrenzende poröse Material das an die Unterschale angrenzende poröse Material im Bereich der jeweiligen Einbuchtungen berührt.
  • Die erfindungsgemäß zur Verwendung kommende Vapor Chamber zeichnet sich also u.a. dadurch aus, dass sie oberseitig eine Mehrzahl an Probenaufnahmen aufweist, die durch Einbuchtungen in der den Zwischenraum für das (wenigstens eine) fluide Arbeitsmedium begrenzenden Oberschale gebildet sind.
  • Der Aufnahme der zu temperierenden Proben dienen somit nicht die Einbuchtungen in einem im Wesentlichen massiven Bauteil, welches unter Zuhilfenahme wenigstens einer Vapor Chamber oder Heatpipe zu temperieren ist, sondern die Vapor Chamber wird selbst zum Probenaufnahmekörper, indem die den Zwischenraum für das Arbeitsmedium begrenzende Oberschale oberseitig geeignete Einbuchtungen aufweist, welche als Probenaufnahme fungieren. Im Vergleich mit einem aus massivem Silber bestehenden Probenaufnahmeblock, wie er derzeit in hocheffizienten Thermocyclern eingesetzt wird, lässt sich dabei eine erheblich verbesserte Wärmeleitfähigkeit ([W/mK]) (um bis zu einem Faktor 7) realisieren, so dass im Rahmen der Temperierung der Mehrzahl an Probenaufnahmen erfolgende Aufheiz- und Abkühlvorgänge erheblich schneller durchgeführt werden.
  • Dadurch dass vorliegend wenigstens ein Dampfspalt, d.h. der wenigstens eine innerhalb des Zwischenraums ausgebildete Dampfspalt, derart dreidimensional verläuft, dass er innerhalb des Zwischenraums wenigstens eine oder mehrere Einbuchtungen - zumindest teilweise - seitlich umlaufend umgibt, kann dabei gleichzeitig eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Temperaturhomogenität, d.h. eine stets besonders geringe Differenz der Temperatur in den verschiedenen Probenaufnahmen, erzielt werden, insbesondere wenn dabei ansonsten üblicherweise nicht hinreichend schnell bzw. effektiv zu temperierende Probenaufnahmen, insbesondere die randseitig oder in einem Eckbereich angeordneten Probenaufnahmen, entweder jeweils separat und/oder blockweise von dem (wenigstens einen) Dampfspalt umgeben sind, wobei es im Rahmen der vorliegenden Erfindung ersichtlich von besonderem Vorteil ist, wenn dabei jeweils ein einziger ununterbrochener Dampfspalt (jeweils) eine oder mehrere Einbuchtungen vollständig umlaufend umgibt.
  • Unter einem Dampfspalt ist dabei dasjenige Volumen innerhalb des zwischen Ober- und Unterschale befindlichen Zwischenraums zu verstehen, in welchem innerhalb der erfindungsgemäß verwendeten Vapor Chamber die Dampfphase des Arbeitsmediums transportiert wird. Sofern vorliegend von "wenigstens einem" Dampfspalt gesprochen wird, so schließt dies selbstverständlich die Möglichkeit ein, dass vorliegend nicht zwingend ein einziger zusammenhängender Dampfspalt die gesamte Vapor Chamber über ihre gesamte flächige Ausdehnung durchdringen muss, sondern dass stattdessen auch eine Mehrzahl an Dampfspalten vorgesehen sein können, die voneinander z.B. durch das dem Transport der flüssigen Phase dienende poröse Material und/oder durch wenigstens ein den Zwischenraum unterteilendes Element der Unter- und/oder Oberschale separiert sind.
  • Das in der Vapor Chamber zur Verwendung kommende poröse Material kann grundsätzlich jedwedes Material sein, welches sich - infolge seiner Porosität - unter Ausbildung einer Kapillarwirkung auf die flüssige Phase des Arbeitsmedium (z.B. Wasser) zur Aufnahme und zum Transport der flüssigen Phase des Arbeitsmediums eignet.
  • Der Umstand, dass vorliegend die Vapor Chamber durch geeignete Einbuchtungen an ihrer Oberseite selbst den Probenaufnahmekörper bildet, erweist sich auch deshalb als außerordentlich vorteilhaft, da hiermit das Gewicht und die Wärmekapazität eines z.B. in Thermocyclern zum Einsatz kommenden Probenaufnahmekörpers gegenüber massiv ausgestalteten Probenaufnahmekörpern aus dem vorbekannten Stand der Technik deutlich reduziert werden können, wobei sich - neben der verbesserten Leistung im Hinblick auf den Wärmetransport zu den einzelnen Einbuchtungen / Probenaufnahmen - gleichzeitig eine massive Kostenersparnis im Hinblick auf den verringerten Materialaufwand ergibt.
  • Dadurch dass erfindungsgemäß jede Einbuchtung der Oberschale zwischenraumseitig mit dem porösem Material kontaktiert ist kann insbesondere auch das unmittelbar an den Einbuchtungen anliegende poröse Material zum stoffgebundenen Wärmetransport in der auf dem Heatpipe-Prinzip basierenden Vapor Chamber beitragen.
  • Außerdem ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass wenigstens ein Teil der an der Oberschale ausgebildeten und sich in Richtung zur Unterschale erstreckenden Einbuchtungen, insbesondere alle Einbuchtungen, unterseitig die Unterschale berühren, wobei wenigstens ein Teil (bzw. nochmals bevorzugt alle) der die Unterschale berührenden Einbuchtungen unterseitig mit der Unterschale auf metallurgische Weise verbunden, insbesondere verlötet sind. Hiermit lässt sich zum einen die mechanische Stabilität einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber verbessern, da somit die die Probenaufnahmen bildenden Einbuchtungen - zumindest teilweise - eine mechanische Abstützung bzw.
  • Verbindung zwischen Oberschale und Unterschale herstellen. Zum anderen wird hierdurch gleichzeitig auch die thermische Leitfähigkeit zwischen Unter- und Oberschale, insbesondere im Bereich der die Probenaufnahmen bildenden Einbuchtungen erhöht, insbesondere wenn dann noch, wie dies erfindungsgemäß vorgesehen ist, im Bereich der jeweiligen Einbuchtungen das an die Unterschale angrenzende poröse Material mit dem zwischenraumseitig an den Einbuchtungen angrenzenden porösen Material zur Berührung kommt, was dann auch den stoffgebundenen Wärmetransport innerhalb der Vapor Chamber verbessert. Im Bereich der Einbuchtungen, also oberschalenseitig kondensierendes Arbeitsfluid kann somit durch das poröse Material unmittelbar und auf kurzem Weg zu der beheizten Unterschale zurückbefördert werden. Gleichermaßen kann bei Kühlung der Unterschale das dort kondensierende Arbeitsmedium der Vapor Chamber auf kürzestem Weg zu dem an den jeweiligen Einbuchtungen zwischenraumseitig vorgesehenen Bereich des porösen Materials befördert werden.
  • Die die Probenaufnahmen bildenden Einbuchtungen in der Oberschale einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber sind vorteilhaft in einem regelmäßigen Muster über die Oberfläche der Oberschale verteilt und besonders bevorzugt in Anzahl und Geometrie an die Anzahl und Geometrie der Kavitäten (engl.: "wells") handelsüblicher Microtiterplatten, wie Sie im Rahmen der industriellen Prozessierung von (biologischen) Proben Verwendung finden, angepasst, so dass eine Microtiterplatte derart auf die Oberseite der Vapor Chamber aufgesetzt werden kann, dass die einzelnen (von oben mit z.B. flüssigen Proben befüllten und nach unten frei hervorstehenden) Kavitäten der Microtiterplatte in je eine Einbuchtung der Oberschale unter möglichst guter (flächiger) Anlage an die jeweilige Seitenwand der Einbuchtung hineinreichen. Vorteilhaft sind somit in der Oberschale insbesondere z.B. 24, 48 oder 96 entsprechend regelmäßig angeordnete Einbuchtungen vorgesehen, um unter Zuhilfenahme der erfindungsgemäßen Vapor Chamber eine möglichst große Vielzahl an Proben gleichzeitig und definiert temperieren zu können.
  • Soweit im Rahmen der vorliegenden Erfindung davon gesprochen ist, dass die Vapor Chamber eine Unterschale und eine Oberschale aufweist, so sollen die insoweit gewählten Begriffe keine konkrete Geometrie der betreffenden Bauteile beschreiben, sondern vielmehr zum Ausdruck bringen, dass die erfindungsgemäß verwendete Vapor Chamber wenigstens zwei Teile (man könnte also auch von einem Oberteil und einem Unterteil sprechen) aufweist, zwischen denen der gas- und flüssigkeitsdichte Zwischenraum zur Aufnahme des Arbeitsmediums und des porösen Materials ausgebildet ist. Ersichtlich müssen Ober- und Unterschale (bzw. Oberteil und Unterteil) nicht zwingend durch zwei separate Beuteile gebildet sein, sondern können - z.B. unter Anwendung geeigneter Umformprozesse - ggfs. auch einstückig ausgebildet sein, wobei jedoch stets ein gas- und flüssigkeitsdichter Zwischenraum zwischen dem die Vapor Chamber nach oben bzw. unten begrenzenden Ober- bzw. Unterteil ausgebildet sein muss. Bevorzugt ist jedoch zumindest die Unterschale oder die Oberschale mit einem daran ausgebildeten umlaufenden Rand auch tatsächlich schalenartig ausgestaltet, wodurch sich auf einfache Weise die seitliche Berandung der Vapor Chamber durch den betreffenden Rand der Unter- oder Oberschale bilden lässt.
  • In einer ersten bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass bei der Vapor Chamber zwischen Ober- und Unterschale wenigstens ein Dampfspalt vorgesehen ist, der alle Einbuchtungen seitlich außen umläuft und hierzu innerhalb des Zwischenraums zwischen der seitlichen Berandung der Vapor Chamber und den randseitig angeordneten Einbuchtungen ausgebildet ist. Selbstverständlich kann dabei vorteilhaft vorgesehen sein, dass insbesondere die randseitigen Einbuchtungen (auf ihrer jeweils dem Zwischenraum zugewandten Seite) mit dem innerhalb des Zwischenraums angeordneten porösen Material (zumindest teilweise) in Kontakt stehen bzw. damit beschichtet sind, so dass (auch) in diesem Bereich ein besonders effektiver Wärmetransport realisiert wird.
  • Ein solcher alle Einbuchtungen bzw. Probenaufnahmen en bloc umlaufender Dampfspalt führt - bei einer durch geeignete Gestaltung der Ober- und Unterschale (sowie des porösen Materials) einfach zu realisierenden Geometrie der Vapor Chamber - dazu, dass auch die randseitig und im Eckbereich der Oberschale angeordneten Einbuchtungen allesamt von der hervorragenden thermischen Leitfähigkeit einer Vapor Chamber profitieren und somit gleichförmig und schnell beheizt und/oder gekühlt werden können.
  • Ferner ist in besonderer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorteilhaft vorgesehen, dass jede Einbuchtung von wenigstens einem Dampfspalt vollumfänglich umgeben ist, womit die hervorragende Wärmeleitfähigkeit einer Heatpipe im Bereich jeder der Probenaufnahme dienenden Einbuchtung mit der Folge einer besonders guten Temperaturhomogenität über alle Probenaufnahmen vollumfänglich zum Tragen kommt. Wenn dabei in der Vapor Chamber insgesamt ein die gesamte Vapor Chamber durchdringender und gleichzeitig jede Einbuchtung vollumfänglich seitlich umlaufender Dampfspalt vorgesehen ist, so kann im Rahmen der Temperierung aller Probenaufnahme (bzw. der darin angeordneten Proben) die Erzielung einer beinahe bestmöglichen Temperaturhomogenität realisiert werden.
  • In besonders bevorzugter Weise kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ferner vorgesehen sein, dass das poröse Material durch wenigstens zwei poröse Materialschichten gebildet ist, von denen eine erste Materialschicht zwischenraumseitig an der Oberschale und eine zweite Materialschicht zwischenraumseitig an der Unterschale ausgebildet ist, wobei die erste und zweite Materialschicht einander bereichsweise berühren und in anderen Bereichen zur Ausbildung des wenigstens einen Dampfspalts voneinander beabstandet sind.
  • Das in einer Heatpipe zur Verwendung kommende poröse Material bzw. die beiden vorgenannten porösen Materialschichten können z.B. aus einem zunächst im wesentlichen pulverartigen Material mit kugel- und/oder stäbchenförmigen Materialbestandteilen (z.B. aus Kupfer) gleicher oder verschiedener Abmessungen bestehen, welches - z.B. als Bestandteil einer flüssigen oder pastösen Masse - zunächst in geeigneter Schichtdicke auf die jeweilige Innenseite der Unter- und Oberschale aufgebracht und anschließend unter Einwirkung geeignet hoher Temperaturen (in einer Art Sinterprozess) dort gewissermaßen gebacken wird, womit es sich einerseits - unter Ausbildung der gewünschten porösen Struktur - verfestigt und sich andererseits an der Unter- bzw. Oberschale, die vorteilhaft erst in einem späteren Verfahrensschritt zusammengefügt werden, anheftet bzw. sich damit metallurgisch verbindet. Die Praxis hat gezeigt, dass sich bei Verwendung zweier im vorstehenden Sinn ober- und unterschalenseitig ausgebildeter Materialschichten aus porösem Material, die einander bei zusammengebauter Ober- und Unterschale insbesondere im Bereich der Einbuchtungen bereichsweise berühren müssen, Probleme im Hinblick auf die Wärmeleitleitfähigkeit auftreten können, sofern nicht hervorragende Fertigungstoleranzen eingehalten werden. Einerseits kann es dabei zu unerwünschten Spalten zwischen den ober- und unterschalenseitig ausgebildeten Materialschichten kommen, die den kapillaren Flüssigkeitstransport im Bereich des Spalts beinträchtigen oder verhindern. Andererseits kann es ggfs. zu Stauchungen des porösen Materials im Berührbereich der beiden Materialschichten kommen, was ebenfalls den kapillaren Flüssigkeitstransport zwischen den beiden Materialschichten nachteilig beeinträchtigt.
  • Deshalb ist in einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Berührung des zwischenraumseitig an den Einbuchtungen angrenzenden porösen Materials und des an die Unterschale angrenzenden porösen Materials dadurch erfolgt, dass das poröse Material an der Ober- und Unterschale als eine insgesamt zusammenhängende Innenbeschichtung der Vapor Chamber ausgebildet ist. Bei einer solchermaßen zusammenhängenden (zwischenraumseitigen) Innenbeschichtung der Vapor Chamber ist die Berührung des ober- und unterschalenseitig vorgesehenen porösen Materials somit dadurch gegeben, dass eine kontinuierliche und ununterbrochene Schicht porösen Materials die Ober- und Unterschale, insbesondere im Bereich der Einbuchtungen, verbindet. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem der Zwischenraum zwischen der (bereits zusammengefügten) Ober- und Unterschale mit einer das poröse Material beinhaltenden Flüssigkeit geeigneter Viskosität derart geflutet wird, dass sich das poröse Material in der gewünschten Schichtdicke an der Ober- und Unterschale absetzt, woraufhin - nach ggfs. notwendiger Entfernung überschüssiger Flüssigkeit - selbiges unter geeigneter Temperatureinwirkung an Ober- und Unterschale "festgesintert" werden kann.
  • Ferner kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das poröse Material zumindest bereichsweise, insbesondere in demjenigen Bereich, in welchem das zwischenraumseitig an den Einbuchtungen angrenzende poröse Material das an die Unterschale angrenzende poröse Material im Bereich der jeweiligen Einbuchtungen berührt, aus einer ursprünglich pastösen Masse hergestellt ist, die vor dem Zusammenbau auf entsprechende Bereiche der Ober- und/oder Unterschale aufgebracht und nach Zusammenbau der Ober- und Unterschale unter Einwirkung geeignet hoher Temperaturen (mit Verdampfung flüssiger Bestandteile) verfestigt wurde. Dabei kann entweder das gesamte die Ober- und Unterschale zwischenraumseitig geeignet überdeckende und verbindende poröse Material unter Verwendung einer pastösen Masse im vorstehend genannten Sinne hergestellt sein, wobei sich andererseits eine nur bereichsweise Verwendung einer pastösen Masse im vorstehend genannten Sinne insbesondere auch dazu anbieten kann, anderweitig hergestellte Materialschichten aus porösem Material, die bereits an der Unter- und/oder Oberschale ausgebildet sind, unter Vermeidung der Ausbildung von Spalten oder Stauchungen miteinander zu verbinden.
  • Eine abermals bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das poröse Material zumindest teilweise durch wenigstens ein vorgefertigtes Formteil aus porösem Material gebildet wird, das vor dem Zusammenbau von Ober- und Unterschale von unten auf wenigstens eine Einbuchtung der Oberschale aufgesteckt wird und derart gestaltet ist, dass das Formteil nach Zusammenbau der Ober- und Unterschale zwischenraumseitig die wenigstens eine Einbuchtung und die Unterschale kontaktiert.
  • Dabei kann z.B. ein einzelnes Formteil aus porösem Material vorgesehen sein, welches auf sämtliche Einbuchtungen der Oberschale aufgesteckt wird und jede Einbuchtung und die Unterschale - im Bereich der jeweiligen Einbuchtung - verbindet. Ferner kann gegebenenfalls auch für jede Einbuchtung (oder jeweils eine Gruppe von Einbuchtungen) ein separates Formteil vorgesehen sein, welches auf die betreffende Einbuchtung (bzw. die Gruppe von Einbuchtungen) im vorstehend genannten Sinn aufgesteckt wird. Dabei ggfs. nicht von den Formteilen kontaktierte Bereiche der Unter- und/oder Oberschale bzw. etwaige Zwischenbereiche innerhalb der Formteile können dann beispielsweise wiederum unter Verwendung einer pastösen Masse im vorstehend genannten Sinne mit weiterem porösem Material gefüllt werden.
  • Weiterhin kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in besonders bevorzugter Weise vorgesehen sein, dass das die Ober- und Unterschale zwischenraumseitig berührende poröse Material eine variierende Schichtdicke und/oder eine variierende Porosität und/oder variierende Porendurchmesser aufweist.
  • Da die Schichtdicke des porösen Materials Einfluss auf dessen Aufnahmekapazität und die in einem spezifischen Bereich gegebene Verdampfungsgeschwindigkeit hat, können durch Variation der Schichtdicke des porösen Materials somit spezifische Bereich der Unter- und/oder Oberschale für die Verdampfung von flüssigen Arbeitsmedium oder die Aufnahme des kondensierenden Arbeitsmediums optimiert werden. Ferner können durch spezifische Variation der Porosität bzw. des Porendurchmessers des - z.B. durch verschiedene pastöse Massen aufgebrachten - porösen Materials die sich hierdurch einstellenden Kapillarkräfte gezielt an den gewünschten Flüssigkeitstransport in der porösen Schicht angepasst werden.
  • Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl eine unterseitige Kühlung als auch eine unterschalenseitige Beheizung der Vapor Chamber vorgesehen sein kann, ist es besonders vorteilhaft, wenn die vorstehend genannte Variation der Schichtdicke und/oder der Porosität des porösen Materials den gewünschten Wärmetransport in beide Richtungen berücksichtigt, indem in dem porösen Material - z.B. im Bereich jeder Einbuchtung oder alternierend über die Vapor Chamber verteilt - ein erster Fluidpfad mit verbesserten Eigenschaften für einen Flüssigkeitstransport von der Ober- zur Unterschale und ein zweiter Fluidpfad mit verbesserten Eigenschaften für einen Flüssigkeitstransport von der Unter- zur Oberschale und/oder mit jeweils entsprechend verbesserter Verdampfungsrate an der Unter- bzw. Oberschale geschaffen wird.
  • Die Oberschale und/oder die Unterschale einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber können prinzipiell aus jedwedem geeigneten Material mit vergleichsweise guter Wärmeleitfähigkeit sowie hinreichend einfacher Verarbeitbarkeit gefertigt sein (z.B. aus Silber), sind jedoch - auch aus Kostengründen - besonders bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium gefertigt.
  • Bevorzugt sind die Ober- und Unterschale der erfindungsgemäß zur Verwendung kommenden Vapor Chamber an einem umlaufenden - vorteilhaft in einer Ebene - verlaufenden Rand gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden, insbesondere verschweißt und/oder verlötet.
  • Als besonders vorteilhaft erweist es sich ferner, wenn Ober- und/oder Unterschale - mit Ausnahme von gegebenenfalls zu Versteifungszwecken vorgesehenen Stegen - eine Schichtdicke von kleiner gleich 2 mm, nochmals bevorzugt von kleiner gleich 1 mm, aufweisen. Bevorzugt kann dabei die Wandstärke so dünn wie möglich realisiert, wobei unter Berücksichtigung der innerhalb der Vapor Chamber vorherrschenden Druckverhältnisse selbstverständlich noch eine hinreichende mechanische Stabilität gewährleistet sein muss. Solchermaßen dünne Schichtdicken sorgen für einen nochmals verbesserten Wärmetransport sowie eine besonders geringe Wärmkapazität und ein auch im Hinblick auf konstruktive Aspekte anzustrebendes besonders geringes Gewicht einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber.
  • Eine Oberschale mit für vorliegenden Zweck geeigneten Einbuchtungen kann z.B. durch Tiefziehen aus einem geeigneten Metallblech hergestellt werden. Ferner eignen sich zur Herstellung einer Oberschale geeigneter Geometrie, insbesondere wenn diese - was besonders vorteilhaft ist - eine sehr geringe Schichtdicke von deutlich kleiner als 1 mm aufweisen soll, auch elektrogalvanische Herstellungsverfahren, insbesondere das so genannte "electroforming".
  • Insbesondere die als Probenaufnahmen fungierenden Einbuchtungen der Oberschale können besonders bevorzugt dünnwandig (vorteilhaft < 1 mm, nochmals vorteilhaft < 5 mm) ausgestaltet sein, da hierdurch - wegen der insoweit geringen Masse der die Einbuchtung begrenzenden Wand - eine geringere spezifische Wärmekapazität im unmittelbaren Bereich der zu temperierenden Probenaufnahme erzielbar ist, wodurch schnellere Temperaturänderungen gestattet werden.
  • Außerdem kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Vapor Chamber wenigstens einen in den Dampfspalt hineinreichenden Temperatur- und/oder Drucksensor aufweist.
  • Ein in den Dampfspalt hineinreichender Temperatursensor erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn dessen Temperaturmesswert unter Zuhilfenahme einer geeigneten Überwachungs- und Vergleichseinheit (z.B. kontinuierlich oder in vorbestimmten Abständen) mit demjenigen eines zweiten Temperatursensors, der z.B. bodenseitig in der Vapor Chamber (d.h. in Kontakt mit der Unterschale) angeordnet ist, verglichen wird.
  • Denn die beiden dabei gemessenen Temperaturwerte der an verschiedenen Stellen angeordneten Temperatursensoren stehen in fester Relation zueinander, so dass - sofern sich insoweit eine Abweichung ergibt - eine Fehlfunktion der Vapor Chamber zuverlässig und schnell erkannt werden kann. Eine solche Fehlfunktion, bei der dann ersichtlich nicht mehr mit einer ordnungsgemäßen Temperierung und ggfs. einer Zerstörung von möglicherweise unwiederbringlichen Proben gerechnet werden kann, kann z.B. durch ein Leck in der Gasdichtigkeit des Zwischenraums verursacht sein, welches eine ggfs. schleichende Änderung der in der Vapor Chamber vorherrschenden Druckverhältnisse bis hin zum Funktionsverlust verursacht.
  • In konstruktiver Hinsicht erweist es sich bei einer erfindungsgemäß zur Verwendung kommenden Vapor Chamber als besonders vorteilhaft, wenn an der Unterseite der Unterschale - z.B. in einem extra hierfür verstärkten Bereich - wenigstens ein Gewindesackloch ausgebildet ist, um die Vapor Chamber unterseitig mittels einer Schraubverbindung mit einem benachbarten Bauteil verbinden zu können.
  • Der erfindungsgemäße Thermocycler umfasst - zur Temperierung von Proben mit vordefinierten Temperaturzyklen - zumindest eine Wärmesenke, (wenigstens) ein bevorzugt elektrisches Heizmittel (z.B. in Art eines PTC-Elements) und eine Vapor Chamber der vorbeschriebenen Art
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
    • Fig. 1
    ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß zur Verwendung kommenden Vapor Chamber zusammen mit einer darin einsetzbaren Microtiterplatte in Explosionsdarstellung,
    Fig. 2
    eine perspektivische - teilweise gebrochene Darstellung - der Vapor Chamber aus Fig. 1,
    Fig. 3
    eine Schnittdarstellung durch die Vapor Chamber aus den Fig. 1 und 2 mit darin eingesetzter Mikrotiterplatte gemäß der gewinkelt verlaufenden Schnittlinie III-III aus Fig. 2,
    Fig. 4
    eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Thermocyclers,
    Fig. 5
    eine Darstellung zum Vergleich der Temperaturhomogenität einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber mit derjenigen eines aus massivem Silber aufgebauten Probeaufnahmekörpers und
    Fig. 6-10
    verschiedene Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Vapor Chamber's zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Thermocycler mit unterseitig erfolgender Beheizung und Kühlung der Vapor Chamber.
  • Die Fig. 1 - 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer in einem erfindungsgemäßen Thermocycler zur Verwendung kommenden Vapor Chamber 1 in verschiedenen Ansichten, wobei in der perspektivischen Explosionsdarstellung aus Fig. 1 sowie in der Schnittdarstellung aus Fig. 3 ergänzend auch eine darin einsetzbare bzw. eingesetzte Microtiterplatte 2 dargestellt ist.
  • Die Vapor Chamber 1 umfasst eine vorliegend aus Kupfer hergestellte Unterschale 3 sowie eine aus dem gleichen Material hergestellte Oberschale 4, wobei die Oberschale 4 oberseitig eine Mehrzahl, vorliegend insgesamt 96, an über deren Oberfläche 5 verteilte Einbuchtungen 6 aufweist, die sich in Richtung zur Unterschale 3 erstrecken. Die Einbuchtungen 6 fungieren dabei als Probenaufnahmen, in welche - unter Verwendung der Vapor Chamber 1 zu temperierende - Proben 7 (vgl. Fig. 3) entweder mittelbar oder unmittelbar eingebracht werden können. Unterschale 3 und Oberschale 4 können dabei jedoch auch aus anderen geeigneten Materialien, z.B. aus Aluminium oder aus Silber hergestellt sein.
  • Die zu temperierenden (flüssigen) Proben 7 sind vorliegend in einzelnen Kavitäten bzw. Probenbehältnissen 8 der Mikrotiterplatte 2 aufgenommen, wozu die betreffende Probe 7 durch eine von oben zugängliche Öffnung 9 in das jeweilige Probenbehältnis 8 eingefüllt wurde. Die Proben 7 werden innerhalb der von der Mikrotiterplatte 2 nach unten hervorstehenden Probenbehältnissen 8 - durch lagerichtiges Aufsetzen der Mikrotiterplatte 2 auf die in ihrer Geometrie hieran angepasste Oberschale 4 - in die der betreffenden Probe 7 jeweils zugeordnete Einbuchtung 6 eingebracht. Dabei stehen die Probenbehältnisse 8 der Mikrotiterplatte 2 mit ihrer jeweiligen Außenseite in flächiger Anlage mit der Seitenwand der Einbuchtung 6, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten.
  • Oberschale 4 und Unterschale 3 sind längs eines - die Vapor Chamber 1 vollständig umlaufenden - Randes 10 gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden, was z.B. durch eine geeignete Schweiß- und/oder Lötverbindung erfolgen kann. Innerhalb des zwischen Oberschale 4 und Unterschale 3 ausgebildeten Zwischenraums 11 ist ein fluides Arbeitsmedium (nicht dargestellt) aufgenommen sowie - schichtartig an Ober- und Unterschale 3, 4 - ein poröses Material 12, 13 angeordnet, welches in dem Sinne mit dem fluiden Arbeitsmedium zusammenwirkt, dass es die flüssige Phase des Arbeitsmediums aufnehmen und unter Ausnutzung von Kapillarkräften transportieren kann. Das fluide Arbeitsmedium kann z.B. durch eine geeignet verschließbare Zugangsöffnung in der Ober- oder Unterschale in den Zwischenraum 11 eingebracht werden.
  • Zwischen dem die Unter- und Oberschale 3, 4 zwischenraumseitig bedeckenden porösen Material 12, 13 ist vorliegend ein die gesamte Vapor Chamber 1 durchdringender Dampfspalt 14 ausgebildet, der vorliegend zwischen den beiden porösen Materialschichten 12, 13 verläuft und dabei unter anderem - gemäß der in Fig. 1 dargestellten Strichlinie 14' - en bloc alle Einbuchtungen 6 der Oberschale 4 seitlich vollumfänglich umlaufend umgibt, und zwar zwischen der seitlichen Berandung der Vapor Chamber 1 und den randseitig angeordneten Einbuchtungen 6. Ferner wird durch den Dampfspalt 14 auch gleichzeitig jede Einbuchtung 6 separat vollumfänglich umlaufend umgeben, wie dies durch die beiden gestrichelten Linien 14" in Fig. 2 angedeutet ist.
  • Bei aktiver Beheizung der Unterschale 3 verdampft die in der daran angrenzenden Schicht aus porösem Material 12 aufgenommene flüssige Phase des Arbeitsmediums unter Aufnahme latenter Wärme in den Dampfspalt 14 hinein und wird dort aufgrund eines sich geeignet einstellenden Druckgefälles in Richtung zur kälteren Oberschale 4 bzw. der daran ausgebildeten Einbuchtungen 6 transportiert. Von Vorteil ist insoweit für die angestrebte Temperaturhomogenität im Bereich der verschiedenen Einbuchtungen 6, dass sich der Dampfspalt 14 in dreidimensionaler und zusammenhängender Weise über die gesamte Querschnittsfläche der Vapor Chamber 1 erstreckt und dabei die Einbuchtungen 6 umläuft, womit sich die Dampfphase auch transversal bzw. lateral um die Einbuchtungen 6 herum ausbreiten kann. Das Arbeitsmedium kann sodann unter Abgabe latenter Wärme im Bereich der Oberschale wieder kondensieren. Dort wird es von dem oberschalenseitig angeordneten porösen Material 13 aufgenommen. Wegen der Kapillarkraft des porösen Materials 12, 13 und der Verbindung des ober- und unterschalenseitig angeordneten porösen Materials 12, 13, die zumindest bereichsweise - vorliegend insbesondere jedoch auch um jede Einbuchtung 6 herum umlaufend - besteht, wird die kondensierte flüssige Phase des Arbeitsmediums anschließend wieder zum unterschalenseitigen Bereich des porösen Materials 12 befördert, wo sie bei noch nicht erfolgtem Temperaturausgleich erneut verdampfen kann.
  • Dadurch dass jede Einbuchtung 6 innerhalb des Zwischenraums vorliegend vollumfänglich von dem wenigstens einen Dampfspalt 14 der Vapor Chamber 1 umgeben ist, kann eine besonders effektive Beheizung der einzelnen als Probenaufnahmen fungierenden Einbuchtungen 6 - und damit auch der darin aufgenommenen Proben 7 - erfolgen.
  • Insbesondere in den Fig. 2 und 3 ist gut zu erkennen, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung sämtliche Einbuchtungen 6 der Oberschale 4 im Bereich ihrer Unterseite 15 mit der Unterschale 3 in Kontakt stehen, wobei in diesem Bereich die unterschalenseitig angeordnete Schicht aus porösem Material 12 unterbrochen ist. Ein Teil oder alle Einbuchtungen 6 sind dort zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Vapor Chamber 1 - und zur Verbesserung des Wärmetransports - auf metallurgische Weise mit der Unterschale 3 verbunden.
  • An der Unterschale 3 sind - über die Unterschale 3 in einem quadratischem Muster verteilt - eine Mehrzahl an Stegen 16 angeordnet, die gegenüber der sonstigen Schichtdicke der Unterschale 3, die kleiner als 2 mm oder gar kleiner als 1 mm gewählt sein kann, erhaben sind und somit eine mechanische Verstärkung der Struktur der Unterschale 3 bewirken.
  • Ferner weist die Unterschale 3 unterseitig eine Mehrzahl an Gewindesacklochbohrungen 17 auf, von denen eine in der Schnittdarstellung aus Fig. 3 erkennbar ist und die zur lagefesten Montage der Vapor Chamber 1 an ein benachbartes Bauteil, z.B. ein Heiz- und Kühlelement, dienen. In diesem Bereich weist die Unterschale 3 ebenfalls eine geeignete Verstärkung 18 auf.
  • Im rechten unteren Bereich des in Fig. 3 dargestellten Schnitts durch die Vapor Chamber 1 sind ferner zwei - zur Einbringung eines Temperatursensors von außen zugängliche - Bohrungen 19, 20 erkennbar, von denen eine Bohrung 19 bodennah angeordnet ist, während die andere Bohrung 20 innerhalb der Vapor Chamber 1 etwas höher gelegen ist und dort bis in den im Zwischenraum 11 vorhandenen Dampfspalt 14 hineinreicht bzw. hieran angrenzt. Mittels darin angeordneter Temperatursensoren (nicht dargestellt) und einer geeigneten Elektronik kann, wie dies bereits weiter oben erläutert wurde, die korrekte Funktionsweise der Vapor Chamber 1 überwacht werden, um die Temperierung der Vapor Chamber 1 im Falle einer Fehlfunktion zur Vermeidung einer Zerstörung von Proben 7 rechtzeitig - ggfs. automatisch - abschalten zu können.
  • Fig. 4 zeigt in perspektivischer Ansicht ein - zur besseren Darstellung der dabei zur Verwendung kommenden Komponenten teilweise geschnittenes - Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Thermocyclers 21, der vorliegend in schichtweisem Aufbau mit thermischer Kopplung der einander benachbarten Bauteile von unten nach oben
    • eine geeignet groß dimensionierte Wärmesenke 22,
    • eine erste flache Vapor Chamber 23 (ohne oberseitige Einbuchtungen zur Probenaufnahme),
    • eine Mehrzahl an Heiz-/Kühlelementen 24a, 24b, 24c (z.B. Peltierelementen) sowie
    • eine zweite über den Heiz-/Kühlelementen 24a, 24b, 24c angeordnete Vapor Chamber 25 erfindungsgemäßer Bauart mit daran oberseitig ausgebildeten Einbuchtungen 6 zur Aufnahme der mittels des Thermocyclers 1 zu temperierenden Proben
    aufweist.
  • Die Wärmesenke 22 weist unterseitig eine lamellenartige Struktur 26 auf, die zur Erzielung einer hohen Kühlleistung eine besonders große Oberfläche zum effektiven Wärmetausch einem zwischen den Lamellen hindurchströmenden Kühlfluid (z.B. Luft) bereitstellt.
  • Die untere Vapor Chamber 23, welche vorliegend mittels mehrerer Schraubverbindungen 27 zwischen einer Montageplatte 28 und der Oberseite der Wärmesenke 22 montiert ist, stellt einen hervorragenden thermischen Kontakt zwischen Wärmesenke 22 und den - in einer Aussparung der Montageplatte 28 angeordneten - Heiz-/Kühlmitteln 24a, 24b, 24c her, insbesondere indem sie zur Ableitung von Wärme an die Wärmesenke 22 eine größere Kontaktfläche bereit stellt, als diese durch die demgegenüber deutlich kleinere Fläche der Heiz-/Kühlelemente 24a, 24b, 24c gegeben wäre. Zum Zwecke der Verschraubung der unteren Vapor Chamber 23 mit der Wärmesenke 22 und der Montageplatte 28 sind in der Vapor Chamber zu Verschraubungszwecken dienende Durchgangsbohrungen vorgesehen, wie diese z.B. in der WO 2005/114084 A1 beschrieben sind.
  • Letztlich ist jedoch festzustellen, dass die untere Vapor Chamber 23 zwar den thermischen Kontakt zwischen Heiz-/Kühlelementen 24a, 24b, 24c verbessert, jedoch nicht notwendigerweise vorhanden sein muss ist und - unter Inkaufnahme einer ggfs. etwas langsamer verlaufenden Kühlung von Proben - auch ganz weggelassen werden könnte, also vorliegend nur fakultativ im Sinne einer bevorzugten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Thermocyclers vorgesehen ist.
  • Zwischen Wärmesenke 22 bzw. unterer Vapor Chamber 23 und der oberen (erfindungsgemäß vorgesehenen) Vapor Chamber sind vorliegend insgesamt sechs jeweils flächig gestaltete Heiz- und Kühlelemente 24a, 24b, 24c (z.B. Peltierelemente) in zwei nebeneinander liegenden Reihen zu je drei Stück angeordnet, die -je nach elektrischer Beschaltung - zur unterseitigen Beheizung oder Kühlung der oberen Vapor Chamber 25 bzw. der in deren Einbuchtungen 6 auf geeignete Weise eingebrachten Proben fungieren.
  • Die obere Vapor Chamber ist beinahe identisch zu derjenigen aus den Figuren 1 - 3 aufgebaut, so dass bezüglich deren Funktionsweise und der hierfür relevanten Merkmale auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden kann. Als einziger Unterschied zu dem in den Fig. 1 - 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist insoweit festzuhalten, dass die obere Vapor Chamber 25 in Fig. 4 eine dickwandigere Oberschale 4 aufweist, wobei auch hier zumindest die Wandstärke der in den Zwischenraum zwischen Oberschale 4 und Unterschale 3 hineinreichenden Einbuchtungen 6, die als Probenaufnahme fungieren, noch immer dünn - mit einer Wandstärke von bevorzugt kleiner gleich 2 mm oder nochmals bevorzugt kleiner gleich 1 mm - ausgestaltet sind.
  • Und schließlich zeigt Fig. 5 ein Diagramm mit Messwerten von Vergleichsmessungen zur Veranschaulichung der gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserten Temperaturhomogenität bzw. -uniformität einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber.
  • Dabei wurde - mit jeweils verschiedenen und nachfolgend erläuterten Messaufbauten - ein typischer PCR-Zyklus mit jeweils für 10 Sekunden gehaltenen Temperaturniveaus bei +95°C, bei +55°C und bei +72°C durchfahren.
  • Das erstgenannte Temperaturniveau bei +95°C wurde durch geeignete Steuerung der Heiz-/Kühlmittel mit einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von +3°C/s (bzw. 3 K/s) angefahren und dann für 10 Sekunden gehalten. Hieran anschließend wurde die Temperatur in den Probenaufnahmen mit einer Rate von -1,5 K/s auf +55°C gesenkt und auch dieses Temperaturniveau für 10 Sekunden gehalten, woraufhin ein erneuter Aufheizvorgang mit einer Rate von wiederum +3 K/s auf +72°C und anschließendes Halten dieser Temperatur für 10 Sekunden erfolgte. Gleichzeitig erfolgte mittels geeigneter Temperatursensoren eine Überwachung der sich in insgesamt acht verschiedenen Probenaufnahmen einstellenden Temperatur des jeweiligen Probenaufnahmekörpers, der jeweils 96 Probenaufnahmen aufwies. Die Lage der mittels der Temperatursensoren überwachten Probenaufnahmen kann der in Fig. 5 rechts oben eingezeichneten Prinzipskizze entnommen werden, wobei besagte Prinzipskizze eine Draufsicht auf den jeweiligen Probenaufnahmekörper darstellt. Die überwachten Probenaufnahmen sind darin durch schwarze Einfärbung kenntlich gemacht.
  • Vier der überwachten Probenaufnahmen entsprachen somit den eckseitig am Probenaufnahmekörper angeordneten Probenaufnahmen. Zwei weitere überwachte Probenaufnahmen befanden sich randseitig ungefähr mittig. Und die letzten beiden überwachten Probenaufnahmen waren ungefähr mittig in der jeweils linken und rechten Hälfte der gegebenen Anordnung aus insgesamt 96 Probenaufnahmen angeordnet.
  • Bei den Messungen wurden jeweils im letzten Abschnitt des für 10 Sekunden gehaltenen Temperaturniveaus drei Mal knapp aufeinanderfolgend die Temperatur in allen überwachten Probenaufnahmen zeitgleich bestimmt und anschließend die sich - unter Berücksichtung aller Messungen in den verschiedenen Probenaufnahmen - ergebende Differenz aus dem Maximalwert und dem Minimalwert der dabei gemessenen Temperaturen berechnet, was vorliegend als "Uniformität" (engl.: uniformity) definiert wurde und auf der y-Achse des Balkendiagramms in Fig. 5 aufgetragen wurde.
  • Die Messungen wurden zum einen an einem erfindungsgemäßen Thermocycler der in Fig. 4 gezeigten Art ("96 well 3D-VCM") und zum anderen an einer aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung durchgeführt, bei welcher - verglichen mit der Anordnung aus Fig. 4 - die obere Vapor Chamber 25 durch einen ebenfalls 96 Probenaufnahmen aufweisenden Probenaufnahmekörper aus massivem Silber ("96 well Silvermount") ersetzt wurde, der seinerseits unterseitig an einer flächigen Heatpipe montiert war, die den thermischen Kontakt zu den darunterliegenden Heiz- und Kühlelementen herstellte.
  • Die Messungen zeigen, dass die die maximale Temperaturdifferenz zwischen den gemessenen Temperaturen in den verschiedenen Probenaufnahmen bei einer erfindungsgemäßen Anordnung stets (d.h. bei allen drei angefahrenen Temperaturniveaus) deutlich niedriger liegt als dies bei der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung der Fall ist. Sie betrug beim 95°C-Temperaturplateau nur 0,25 K (gegenüber 0,49 Kelvin bei der im Stand der Technik verwendeten Anordnung), beim 55°C-Temperaturplateau nur 0,13 K (gegenüber 0,26 K bei der im Stand der Technik verwendeten Anordnung) und beim 72°C-Temperaturplateau nur 0,23 K (gegenüber 0,31 K bei der im Stand der Technik verwendeten Anordnung). Es zeigt sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung also - neben den weiter oben ausführlich erläuterten Vorteilen - auch eine deutlich verbesserte Homogenität der Temperatur bei der gleichzeitigen Temperierung einer Vielzahl von Proben.
  • Die Fig. 6 - 10 zeigen zur Demonstration verschiedener Varianten zur Einbringung des porösen Materials in die Vapor Chamber verschiedene Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele von Vapor Chambers 1 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Thermocycler mit die Vapor Chamber 1 unterseitig beheizender bzw. kühlender Heiz-/Kühlmittel.
  • Dabei sind in den Fig. 6 - 9 jeweils zwei übereinander angeordnete Darstellungen gezeigt, von denen jeweils die obere eine Schnittdarstellung durch eine Vapor Chamber 1 vor deren finalen Zusammenbau und die untere einen Schnitt durch die fertige Vapor Chamber 1 zeigt.
  • Fig. 6 betrifft dabei eine Ausführungsvariante der Erfindung, bei der - siehe die obere Darstellung - vor dem Zusammenbau der Vapor Chamber sowohl an der Oberschale 4 als auch an der Unterschale 3 jeweils eine zwischenraumseitige Materialschicht 13, 12 aus porösem Material aufgebracht und bereits zuvor unter Temperatureinwirkung, wie weiter oben beschrieben, (in einer Art Sinterprozess) verfestigt wurde. Die oberschalenseitig vorgesehene Materialschicht 13, die auch die zwischenraumseitige Oberfläche der Einbuchtungen 6 bedeckt, reicht dabei an den Einbuchtungen 6 allerdings bewusst nicht so weit in Richtung von deren unterseitigem Ende, dass sie bei Zusammenbau der Vapor Chamber 1 mit der unterschalenseitigen Materialschicht 12 in Berührung käme.
  • Vielmehr wird das poröse Material 30 vorliegend in demjenigen Bereich, in welchem es zwischenraumseitig sowohl an die Einbuchtungen 6 als auch an die Unterschale 3 angrenzt, aus einer ursprünglich pastösen Masse 29 hergestellt, die vor dem Zusammenbau der Ober- und Unterschale 4,3 wulstartig im Bereich der zur Unterschale weisenden seitlichen Enden der Einbuchtungen 6 aufgebracht und nach Zusammenbau der Ober- und Unterschale 4, 3 unter Einwirkung geeignet hoher Temperaturen verfestigt wird.
  • Die untere Darstellung aus Fig. 6 - insbesondere die darin enthaltene Ausschnittsvergrößerung - zeigt gut, wie sich die ursprünglich pastöse Masse 29 in demjenigen Bereich, in welchem das zwischenraumseitig an den Einbuchtungen 6 angrenzende poröse Material 13, 30 das an die Unterschale 3 angrenzende poröse Material 12 berührt, verfestigt hat und mit den jeweils angrenzenden Materialschichten 12, 13 verbunden hat, so dass im Bereich der jeweiligen Einbuchtungen 6 ein unmittelbarer Transport der flüssigen Phase des Arbeitmediums der Vapor Chamber zwischen dem unterschalenseitig und oberschalenseitig vorgesehenen porösen Material 12, 13, 30 erfolgen kann.
  • Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß verwendbaren Vapor Chamber, bei der (siehe die obere Darstellung) vor Zusammenbau der Vapor Chamber sowohl die Oberschale 4 (und deren Einbuchtungen 6) als auch die Unterschale 3 zwischenraumseitig mit einer das poröse Material beinhaltenden pastösen Masse 29 bestrichen wurde, so dass - bei Zusammenbau von Ober- und Unterschale - die beiden Schichten aus pastöser Masse 29 miteinander bereichsweise in Berührung kommen und nach einer anschließenden Einwirkung von Temperatur im bereits erläuterten Sinne eine insgesamt zusammenhängende Innenbeschichtung der Vapor Chamber 1 aus porösem Material 30 (siehe die untere Darstellung aus Fig. 7) ausbilden kann.
  • Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Ober- und Unterschale 4, 3 selbst keinen die Vapor Chamber verschließenden umlaufenden Rand aufweisen. Deshalb kann, wie dies in der oberen Darstellung aus Fig. 8 zu erkennen ist, die Oberschale 4 mit der Unterschale 3 zusammengefügt werden, wobei noch immer die zwischenraumseitigen Oberflächen der Ober- und Unterschale 4, 3 von außen zugänglich sind und mit einer das poröse Material beinhaltenden pastöser Masse 29 beschichtet werden können. Anschließend kann die Vapor Chamber 1 mittels einer separaten, umlaufenden Berandung 31 verschlossen werden. Anschließend kann dann wiederum unter geeigneter Temperatureinwirkung aus der pastösen Masse 29 eine verfestigte Schicht aus porösem Material 30 hergestellt werden, wie die in der unteren Darstellung von Fig. 8 gezeigt ist.
  • Das in Fig. 9 dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft die im Rahmen der Erfindung mögliche Verwendung von vorgefertigten Formteilen 32, die derart gestaltet sind, dass sie vor dem Zusammenbau von Ober- und Unterschale 4, 3 von unten auf die Einbuchtungen 6 der Oberschale 4 aufgesteckt werden können, wobei jedes Formteil 32 nach Zusammenbau der Ober- und Unterschale zwischenraumseitig zumindest die Einbuchtung 6 und die Unterschale 3 kontaktiert.
  • Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 die Unterseite 15 jeder Einbuchtung 6, also die zur Unterschale weisende Seite der den Boden der jeweiligen Einbuchtung 6 bildenden Wand, die Unterschale kontaktiert und nach Zusammenbau der Vapor Chamber metallurgisch mit der Unterschale verbunden wird.
  • Fig. 10 zeigt schließlich ein letztes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vapor Chamber bei dem zunächst - die noch nicht mit porösem Material bedeckte - Ober- und Unterschale 4, 3 zusammengebaut werden, wobei zur Einbringung des porösen Materials in den Zwischenraum 11 eine randseitige angeordnete Öffnung 33 vorgesehen ist, die mit einem Deckel 34 fluiddicht verschlossen werden kann. Durch diese Öffnung 33 kann dann eine das poröse Material beinhaltenden Flüssigkeit geeigneter Viskosität derart in den Zwischenraum 11 eingebracht werden, dass sich das poröse Material in der gewünschten Schichtdicke an der Ober- und Unterschale absetzt, woraufhin - nach ggfs. notwendiger Entfernung überschüssiger Flüssigkeit - selbiges unter geeigneter Temperatureinwirkung an Ober- und Unterschale "festgebacken" werden kann.

Claims (13)

  1. Thermocycler (21) umfassend
    eine Wärmesenke (22),
    wenigstens ein elektrisches Heizelement (24a, 24b, 24c), welches vorteilhaft auch zum Kühlen geeignet sein kann,
    und eine über dem wenigstens einen elektrischen Heizelement (24a, 24b, 24c) angeordnete Vapor Chamber (1),
    wobei die Vapor Chamber (1) eine Unterschale (3) und eine Oberschale (4) umfasst,
    wobei zwischen Unterschale (3) und Oberschale (4) zumindest ein gas- und flüssigkeitsdichter Zwischenraum (11) ausgebildet ist, in welchem ein fluides Arbeitsmedium aufgenommen sowie ein mit dem fluiden Arbeitsmedium zusammenwirkendes poröses Material (12, 13, 30) angeordnet ist,
    wobei das poröse Material (12, 13, 30) zumindest bereichsweise die Oberschale (4) und/oder die Unterschale (3) berührt, dabei jedoch den wenigstens einen Zwischenraum (11) unter Ausbildung wenigstens eines hohlraumartigen Dampfspaltes (14) nicht vollständig ausfüllt,
    wobei die Oberschale (4) der Vapor Chamber (1) oberseitig eine Mehrzahl an über deren Oberfläche (5) verteilten, sich in Richtung zur Unterschale (3) erstreckenden und als Probenaufnahme fungierende Einbuchtungen (6) mit einer einen Boden bildenden Wand aufweist, in welche unter Verwendung der Vapor Chamber (1) zu temperierende Proben (7) von oben einbringbar sind,
    wobei wenigstens ein zumindest teilweise durch das poröse Material (12, 13, 30) begrenzter Dampfspalt (14) sich derart dreidimensional erstreckt, dass er innerhalb des zwischen Ober- und Unterschale (4, 3) befindlichen Zwischenraums (11) eine oder mehrere Einbuchtungen (6) der Oberschale (4) zumindest teilweise seitlich umlaufend umgibt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass wenigstens ein Teil der an der Oberschale (4) ausgebildeten und sich in Richtung zur Unterschale (3) erstreckenden Einbuchtungen (6), bevorzugt alle Einbuchtungen (6), unterseitig die Unterschale (3) berühren,
    wobei wenigstens ein Teil der die Unterschale (3) berührenden Einbuchtungen (6) unterseitig mit der Unterschale (3) auf metallurgische Weise verbunden sind, und
    wobei jede Einbuchtung (6) der Oberschale (4) zwischenraumseitig mit dem porösem Material (13, 30) kontaktiert ist und
    wobei das zwischenraumseitig an den Einbuchtungen (6) angrenzende poröse Material (13, 30) das an die Unterschale (3) angrenzende poröse Material (12, 30) im Bereich der jeweiligen Einbuchtungen (6) berührt.
  2. Thermocycler (21) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen Ober- und Unterschale (4, 3) wenigstens ein Dampfspalt (14, 14') vorgesehen ist, der alle Einbuchtungen (6) seitlich außen umläuft und hierzu innerhalb des Zwischenraums (11) zwischen der seitlichen Berandung der Vapor Chamber (1) und den randseitig angeordneten Einbuchtungen (6) ausgebildet ist.
  3. Thermocycler (21) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jede Einbuchtung (6) von wenigstens einem Dampfspalt (14, 14") vollumfänglich umgeben ist.
  4. Thermocycler (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das poröse Material (12, 13) durch wenigstens zwei poröse Materialschichten (12, 13) gebildet ist, von denen eine erste Materialschicht (13) zwischenraumseitig an der Oberschale (4) und eine zweite Materialschicht (12) zwischenraumseitig an der Unterschale (3) ausgebildet ist, wobei die erste und zweite Materialschicht (12, 13) einander bereichsweise berühren und in anderen Bereichen zur Ausbildung des wenigstens einen Dampfspalts (14) voneinander beabstandet sind.
  5. Thermocycler (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Berührung des zwischenraumseitig an den Einbuchtungen (6) angrenzenden porösen Materials (13, 30) und des an die Unterschale angrenzenden porösen Materials (12, 30) dadurch erfolgt, dass das poröse Material (12, 13, 30) an der Ober- und Unterschale (4, 3) als eine insgesamt zusammenhängende Innenbeschichtung der Vapor Chamber (1) ausgebildet ist.
  6. Thermocycler (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das poröse Material (30) zumindest bereichsweise, insbesondere in demjenigen Bereich, in welchem das zwischenraumseitig an den Einbuchtungen (6) angrenzende poröse Material (30) das an die Unterschale (3) angrenzende poröse Material (12) im Bereich der jeweiligen Einbuchtungen (6) berührt, aus einer ursprünglich pastösen Masse (29) hergestellt ist, die vor dem Zusammenbau der Ober- und Unterschale (4, 3) auf entsprechende Bereiche der Ober- und/oder Unterschale (4, 3) aufgebracht und nach Zusammenbau der Ober- und Unterschale (4, 3) unter Einwirkung geeignet hoher Temperaturen verfestigt wurde.
  7. Thermocycler (21) nach einem der Ansprüche 1 - 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das poröse Material zumindest teilweise durch wenigstens ein vorgefertigtes Formteil (32) aus porösem Material gebildet ist, das vor dem Zusammenbau von Ober- und Unterschale (4, 3) von unten auf wenigstens eine Einbuchtung (6) der Oberschale (4) aufgesteckt wurde und derart gestaltet ist, dass das Formteil (32) nach Zusammenbau der Ober- und Unterschale (4, 3) zwischenraumseitig die wenigstens eine Einbuchtung (6) und die Unterschale (3) kontaktiert.
  8. Thermocycler (21) nach einem der vorangehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das die Ober- und Unterschale (4, 3) zwischenraumseitig berührende poröse Material (12, 13, 30) eine variierende Schichtdicke und/oder eine variierende Porosität und/oder variierende Porendurchmesser aufweist.
  9. Thermocycler (21) nach einem der vorangehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Ober- und Unterschale (4, 3) aus Kupfer oder Aluminium gefertigt sind.
  10. Thermocycler (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ober- und Unterschale (4, 3) an einem umlaufenden Rand (10) gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden, insbesondere verschweißt und/oder verlötet, sind.
  11. Thermocycler (21) nach einem der vorangehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Ober- und/oder Unterschale (4, 3) mit Ausnahme von gegebenenfalls zu Versteifungszwecken vorgesehenen Stegen (16) eine Wandstärke von kleiner gleich 2 mm, nochmals bevorzugt von kleiner gleich 1 mm, aufweisen.
  12. Thermocycler (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vapor Chamber (1) wenigstens einen in den Dampfspalt (14) hineinreichenden Temperatur- und/oder Drucksensor aufweist.
  13. Thermocycler (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an der Unterseite der Unterschale (3) wenigstens ein Gewindesackloch (17) ausgebildet ist, um die Vapor Chamber (1) unterseitig mittels einer Schraubverbindung mit einem benachbarten Bauteil verbinden zu können.
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