ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ТЕРМОСТАТ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Основная область применения представленной полезной модели - практическая медицина, сельское хозяйство, судебно-медицинская экспертиза, санитарно-эпидемиологическая служба при проведении любых лабораторных работ, требующих термостатирования реакционных смесей на плоских носителях, например, предметных стеклах in situ и биочипах, в области генной инженерии, микробиологии, вирусологии, биохимии.
Уровень техники.
Аналог программируемого термостата описан в патенте США №6300124.
Конструкция программируемого термостата, оптимизированного для использования плоских носителей биологических проб, например, предметного стекла in situ, содержит корпус, держатель с термостатируемой платой, выполненной в виде кремниевой пластины, на верхней поверхности которой располагается предметное стекло. Держатель с термостатируемой платой прикреплен к корпусу термостата. Термостатируемая плата на нижней поверхности имеет пленочный резистивный нагреватель и датчик температуры. Имеется охладитель термостатируемой платы, выполненный в виде вентилятора, прикрепленного к корпусу термостата. Термостатируемая плата имеет размеры большие, чем располагающееся на ней предметное стекло, и фиксируется на держателе с помощью контактных зажимов так, что имеются зазоры между краями пластины и держателем для прохождения охлаждающего воздуха. Программируемый термостат имеет плату электроники с микрокомпьютером, которая обеспечивает управление программируемым термостатом.
Основным недостатком рассмотренного программируемого термостата является невозможность использования его совместно с микроскопом или другим устройством для наблюдения и регистрации хода реакции в биологической пробе.
Другим недостатком указанного программируемого термостата является относительно низкая скорость нагрева и охлаждения термостатируемой платы (2,0°С/сек и 1,5°С/сек, соответственно).
Другим аналогом предлагаемого программируемого термостата является прибор, описанный в патенте США №6582962.
Данный прибор для независимого управления температурой предметных стекол in situ приспособлен для использования совместно с микроскопом или другим устройством
для наблюдения и регистрации хода реакции, также содержит программируемый термостат, который имеет корпус, термостатируемую плату, на верхней поверхности которой размещается предметное стекло, а на нижней поверхности имеется пленочный резистивный нагреватель и датчик температуры. Между корпусом термостата и термостатируемой платой имеется зазор, в котором расположено устройство для его герметизации. Указанное герметизирующее устройство имеет форму полого стакана из резины и одновременно предназначено для температурной изоляции термостатируемой платы от корпуса термостата. На корпусе термостата имеется устройство для фиксации положения предметного стекла в горизонтальных направлениях на пластине, представляющее собой стойки специальной формы. Термостат имеет плату электроники с микрокомпьютером и каналом связи с персональным компьютером.
Описанный программируемый термостат наиболее близок к полезной модели и поэтому принят авторами за прототип.
Необходимо указать следующие недостатки прототипа:
1. Мала скорость нагрева и охлаждения термостатируемой платы с предметным стеклом на ней. Так нагрев предметного стекла с 37°С до 95°С производится за 2 минуты, а охлаждение - еще медленнее.
2. Отсутствует прижим предметного стекла к термостатируемой плате, что ухудшает условия теплопередачи с платы на предметное стекло.
3. Отсутствует стабильное позиционирование предметного стекла в вертикальном направлении, так как между термостатируемой платой и корпусом нет жестких элементов конструкции. Это улучшает условия для наблюдения за ходом реакции в биологической пробе.
Раскрытие полезной модели.
Цель полезной модели - обеспечение высоких скоростей нагрева и охлаждения плоского носителя с биологической пробой. Кроме этого целью полезной модели является обеспечение точного позиционирования указанного плоского носителя относительно корпуса термостата и уменьшение потребляемой мощности.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение тепловых потерь при нагреве и увеличение теплообмена термостатируемой платы, на которой располагается плоский носитель, с охлаждающим воздухом. Малые тепловые потери при нагреве и высокая эффективность теплообмена при охлаждении позволяют уменьшить потребляемую мощность и одновременно увеличить скорость нагрева и охлаждения плоского носителя. Надежный контакт плоского носителя с термостатируемой платой позволяет жестко его зафиксировать относительно корпуса термостата и, тем самым,
улучшить условия для наблюдения за ходом реакции в биологической пробе с помощью специальных технических средств, например, микроскопа.
Полезная модель представляет программируемый термостат, который содержит корпус, термостатируемую плату в виде тонкой плоскопараллельной пластины из высокотеплопроводного материала, например, кремния или керамики, на верхней поверхности термостатируемой платы располагается плоский носитель с биологической пробой, например, предметное стекло in situ или биочип. Длина этой термостатируемой платы меньше длины плоского носителя, который устанавливается на ней, а на верхней части корпуса термостата имеется занижение под плоским носителем.
На нижней стороне термостатируемой платы выполнен пленочный резистивный нагреватель и закреплен датчик температуры. Датчик температуры также может быть выполнен в виде пленочного терморезистора.
Часть верха корпуса выполнена тонкостенной и имеет окно с опорными выступами. Термостатируемая плата нижней поверхностью опирается на указанные опорные выступы, а между поверхностью окна корпуса и боковой поверхностью термостатируемой платы выполнен зазор, в котором располагается герметизирующее устройство, выполненное, например, в виде заполнения этого зазора эластичным фиксирующим материалом с низкой теплопроводностью, например, силиконовым герметиком.
На нижней стороне корпуса термостата закреплен монтажный кронштейн, на вертикальной поверхности которого установлено охлаждающее устройство - вентилятор. Плоскость выходного отверстия вентилятора развернута относительно поверхности термостатируемой платы под острым углом в вертикальной плоскости. В термостате может использоваться как вентилятор центробежного типа, так и вентилятор осевого типа.
На другой стороне вертикальной поверхности монтажного кронштейна установлена плата электроники системы управления с микрокомпьютером и каналом связи с персональным компьютером. Резистивный нагреватель, датчик температуры и вентилятор электрически соединены с платой электроники.
На верхней стороне корпуса дополнительно закреплено фиксирующее устройство, выполненное, например, в виде кронштейна с пружиной кручения и осью поворота. Этот кронштейн имеет пару фиксирующих упоров, которые контактируют с плоским носителем по краю его верхней поверхности, и пару защитных упоров, которые смещены в боковом направлении относительно поверхности плоского носителя. Расстояние между парой защитных упоров превышает ширину термостатируемой платы на ширину бокового
зазора между корпусом и этой платой. Разница высот пары фиксирующих упоров и пары защитных упоров превышает высоту термостатируемой платы над поверхностью корпуса.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1 иллюстрирует конструктивное выполнение программируемого термостата - вид сверху.
Фиг.2 иллюстрирует конструктивное выполнение программируемого термостата - разрез прибора вертикальной плоскостью по оси А-А.
Фиг.3 иллюстрирует размещение термостатируемой платы на опорных выступах окна корпуса термостата.
Фиг.4 иллюстрирует конструктивное выполнение фиксирующего устройства. Здесь показано взаимное положение фиксирующих и защитных упоров.
Осуществление полезной модели.
Программируемый термостат (см. фиг.1) содержит корпус 1 и термостатируемую плату 2, которая выполнена в виде тонкой плоскопараллельной пластины из высокотеплопроводного материала, например, кремния или керамики. Плата 2 расположена в тонкой части 3 верха корпуса 1 и между ней и корпусом имеется герметизирующее устройство 4.
На верхней поверхности термостатируемой платы 2 располагается плоский носитель 5 с биологической пробой, например, предметное стекло для in situ или биочип. Область расположения биологической пробы на плоском носителе 5 ограничена и условно показана в виде зоны 6.
Длина термостатируемой платы 2 меньше длины плоского носителя 5 и корпус 1 имеет занижение 7 под плоским носителем 5.
Плоский носитель 5 прижимается к плате 2 фиксирующим устройством 8, которое выполнено в виде кронштейна 10 с осью поворота 9. Кронштейн 10 имеет отверстие 11.
На фиг.2 приведен разрез программируемого термостата вертикальной плоскостью по оси А-А.
Термостатируемая плата 2 располагается над окном в тонкой части 3 корпуса 1 и опирается на его выступы 12. Герметизирующее устройство 4 выполнено в виде тонкого слоя из эластичного фиксирующего материала с низкой теплопроводностью, например, силиконового герметика.
На нижней стороне термостатируемой платы 2 выполнен пленочный резистивный нагреватель 13 и установлен датчик 14 температуры. Датчик 14 температуры может быть выполнен также в виде пленочного терморезистора.
Кронштейн 10 фиксирующего устройства 8 имеет пару фиксирующих упоров 15, которые контактируют с плоским носителем 5. Пружина 18 кручения фиксирующего устройства 8 располагается на оси 9 так, что один ее конец заходит в отверстие 11 кронштейна 10, а другой фиксируется на планке 19 корпуса 1.
На нижней стороне корпуса 1 закреплен монтажный кронштейн 17, на вертикальной поверхности которого установлено охлаждающее устройство - вентилятор 19. Плоскость выходного окна 20 вентилятора 19 развернута относительно поверхности термостатируемой платы 2 в вертикальной плоскости под острым углом. Между тонкой частью 3 верха корпуса 1 и планкой 19 имеется окно 16 для прохождения охлаждающего потока воздуха.
За счет занижения 7 корпуса 1 между плоским носителем 5 и корпусом 1 имеется воздушный зазор 22.
На фиг.3 показано размещение термостатируемой платы 2 на опорных выступах 12 окна корпуса. Фиксирующее устройство 8 и герметизирующее устройство 4 на фиг.3 не показаны. Между боковой поверхностью термостатируемой платы 2 и окном имеется воздушный зазор 23.
В планке 19 корпуса 1 имеется отверстие 24 для фиксации пружины 18 кручения.
На фиг.4. Показано конструктивное выполнение фиксирующего устройства 8 полезной модели. Помимо пары фиксирующих упоров 15 кронштейн 10 имеет пару защитных упоров 25. Упоры 15 контактируют с плоским носителем 5 по краю его верхней боковой поверхности. Защитные упоры 25 смещены в боковом направлении относительно поверхности плоского носителя 5. Расстояние между парой защитных упоров 25 превышает ширину термостатируемой платы 2 на ширину бокового зазора между термостатируемой платой 2 и окном корпуса. Разница высоты а фиксирующих упоров 15 и защитных упоров 25 превышает высоту термостатируемой платы 2 над поверхностью корпуса 1.
На вертикальной поверхности монтажного кронштейна 17 закреплена плата 26 электроники с микрокомпьютером и каналом связи с персональным компьютером. Резистивный нагреватель 13, датчик 14 температуры и вентилятор 19 электрически соединены с платой 26 электроники.
Предлагаемый программируемый термостат работает следующим образом.
В исходном состоянии микрокомпьютер платы 26 электроники обеспечивает измерение температуры термостатируемой платы датчиком температуры 14 и отсутствие напряжения на резистивном нагревателе 13 и охлаждающем вентиляторе 19. При отсутствии плоского носителя 5 на поверхности термостатируемой платы 2 защитные
упоры 25 контактируют с поверхностью корпуса 1 и обеспечивают наличие зазора между фиксирующими упорами 15 и поверхностью термостатируемой платы 2. При повороте кронштейна 10 фиксирующего устройства происходит подъем фиксирующих упоров 15 и обеспечивается возможность установки на поверхность термостатируемой платы 2 плоского носителя 5 с биологической пробой. При плавном опускании кронштейна 9, фиксирующие упоры 15 вступают в механический контакт с верхней поверхностью плоского носителя 5, а защитные упоры 25 теряют контакт с верхней поверхностью корпуса 1. Прижатие фиксирующих упоров 15 к плоскому носителю 5 за счет пружины 18 кручения обеспечивает его хороший тепловой контакт с верхней поверхностью термостатируемой платы 2. Так как площадь контакта фиксирующих упоров 15 с поверхностью плоского носителя минимальна, то обеспечивается минимум отвода тепла от плоского носителя 5 к кронштейну 10. Выполнение термостатируемой платы 2 в виде тонкой плоскопараллельной пластины из керамики или кремния позволяет обеспечить плоскостность ее поверхностей и сохранение заданных геометрических размеров при быстром нагреве и охлаждении. При этом не происходит нарушения теплового контакта плоского носителя 5 с поверхностью термостатируемой платы 2, что необходимо для обеспечения равномерности распределения температуры в рабочей области 6 плоского носителя 5.
Для нагрева термостатируемой платы 2 с плоским носителем 5 микрокомпьютер платы электроники 26 обеспечивает подачу напряжения питания на пленочный резистивный нагреватель 13. Пленочный нагреватель 13 имеет хороший тепловой контакт с поверхностью пластины термостатируемой платы 2 и практически вся тепловая мощность, выделяемая на нагревателе, идет на нагрев платы 2. Сама пластина термостатируемой платы 2 имеет минимальный тепловой контакт с корпусом 1 через опорные выступы 12 окна корпуса и герметизирующее устройство 4, которое представляет собой тонкий слой материала с низкой теплопроводностью. Это позволяет увеличить скорость нагрева термостатируемой платы 2 и снизить мощность пленочного нагревателя 13. Одновременно такая фиксация термостатируемой платы 2 на опорных выступах 12 обеспечивает сохранение положения платы относительно корпуса при ее быстром нагреве и охлаждении.
Поскольку длина термостатируемой платы 2 меньше длины плоского носителя 5, то термостатируемая плата 2 с расположенным на ней плоским носителем 5 имеют малую массу. Это позволяет дополнительно увеличить скорость ее нагрева.
Кроме этого, за счет занижения 7 корпуса 1 между плоским носителем 5 и корпусом 1 имеется воздушный зазор 22, обеспечивающий уменьшение отвода тепла от
плоского носителя 5 к корпусу 1 и удобство ручного манипулирования плоским носителем 5.
При достижении требуемой температуры термостатируемой платы 2, что определяется микрокомпьютером платы 26 электроники по показаниям датчика 14 температуры, производится регулирование напряжения на пленочном резистивном нагревателе 13 для стабилизации заданной температуры.
Для охлаждения термостатируемой платы 2 с плоским носителем 5 микрокомпьютер платы 26 электроники обеспечивает подачу напряжения питания на охлаждающий вентилятор 19. Центробежный охлаждающий вентилятор 19 позволяет получить высокую производительность при малой потребляемой мощности и высокую скорость потока воздуха на его выходе. Высокая скорость обдува потоком воздуха нижней поверхности термостатируемой платы 2 позволяет получить высокую скорость ее охлаждения. Дополнительный разворот поверхности выходного отверстия 20 вентилятора 19 относительно плоскости пластины термостатируемой платы 2 улучшает условия отвода тепла с термостатируемой платы 2, так как не происходит резкого изменения направления охлаждающего воздушного потока.
Для улучшения качества регулирования во время стабилизации температуры термостатируемой платы 2 с плоским носителем 5 охлаждающий вентилятор 19 не выключается, а обеспечивает минимально необходимый воздушный поток вдоль термостатируемой платы 2.
Предлагаемый программируемый термостат позволяет получить скорость нагрева термостатируемой платы с плоским носителем типа предметного стекла до 6°С/сек, а охлаждения - до 3°С/сек. При этом потребляемая термостатом мощность не превышает 40 Вт.