CN104411813A - 热循环装置及方法 - Google Patents

Abstract

具有从安装壁延伸出来的样品界面壁的热循环装置。样品界面壁可接受热循环并将热循环应用于样品。气源可引导气流以冷却样品，另一气源可引导加热的空气离开样品。

Description

热循环装置及方法

本发明的背景

本发明要求于2012年5月15日提交的第61/647,493号美国临时专利申请的优先权。

多种生物检测方法需要热循环，通常用于通过热交换来引发化学反应。这种方法的一个实例是用于DNA扩增的聚合酶链反应(PCR)。更多的实例包括等温核酸扩增、快速PCR、连接酶链反应(LCR)、自持序列复制、酶动力学研究、均一配体结合试验、和需要复杂温度变化的更复杂的生物化学机理研究。

这样的方法需要可以精确地并在某些情况下迅速提高和降低样品温度的检测系统。存在很多这样的系统，其通常使用冷却装置(例如风扇)，这种装置占据很大的物理空间并需要大量的动力来提供所需的性能(例如快速降温)。此外，这种冷却装置有启动延时和关闭重叠的问题，即关闭后还将发挥作用，因此不能使用瞬时类似数字的精度进行操作。例如，离心风机在打开的时候将不会以全体积能力立即鼓风并且在电源关闭后也将继续旋转，这样就会产生在检测中必须考虑的重叠时间。这些问题通常会随着设备的老化变得更糟。

由于这种冷却装置成本低，相对来说性能可被接受且易实施，这妨碍工业界寻找解决问题的方法。因此，解决方法远不止具有更大的容量输出功率的更强力的风扇，并且这也增加了空间和动力的需求。这么做的代价是对场检测系统的便携性产生负面效应，例如，便携性可以应用于偏远地区的病毒爆发的快速检测。因此，亟需解决的是在生物检测系统中使用的已知的冷却设备的不足之处。

发明概述

本发明的一个实施方式涉及热循环装置，其可包括安装壁，该安装壁部分地界定用于将生物样品热循环的室。安装壁可具有与第二安装面相对的第一安装面。样品界面壁可从第二安装面横向延伸。样品界面壁具有可从第二安装面接近的平面接口。样品界面壁可在平面接口相对两侧具有第一加热元件和第二加热元件。第一气源具有设置为在第一加热元件处引导空气的出口。第二气源具有设置为引导空气离开第一加热元件的出口。第三气源具有设置为在第二加热元件处引导空气的出口。第四气源具有设置为引导空气离开第二加热元件的出口。

在一些实施方式中，各个气源包括具有平面的空气泵、在平面上的出口、以及在平面周围的多个边缘。

在一些实施方式中，各个空气泵与第二安装面连接，从而其平面基本上横向于第二安装面。

在一些实施方式中，设置第一空气泵、第二空气泵和样品界面壁以界定室的第一子体积。

在一些实施方式中，设置第二空气泵的出口以将空气排出第一子体积的出口。

在一些实施方式中，设置第三空气泵、第四空气泵和样品界面壁以界定室的第二个子体积。

在一些实施方式中，设置第四空气泵的出口以将空气排出第一子体积的出口。

在一些实施方式中，设置第一气源和第三气源都设置为在第一加热元件和第二加热元件处直接分别引导气流。

在一些实施方式中，设置第二气源和第四气源以在样品界面壁处引导气流。

在一些实施方式中，设置第二气源和第四气源以沿样品界面壁引导气流。

在一些实施方式中，设置及各个第二气源和第四气源以抽吸空气远离所述样品界面壁。

在一些实施方式中，安装壁和样品界面壁可包括印刷电路板。

在一些实施方式中，样品界面壁将室分为基本上相同的体积。

在一些实施方式中，气源对称地设置于样品界面壁。

在一些实施方式中，各个气源包括平面的外壳，外壳具有安装于内部隔板上的内部压电器件。

在一些实施方式中，各个平面的外壳可包括出口端口，且其中设置第一气源和第三气源的出口端口以在第一加热元件和第二加热元件处直接分别提供各自气流。

在一些实施方式中，设置第二气源和第四气源的出口端口以沿或远离样品界面壁方向分别提供气流。

本发明的另一实施方式涉及热循环方法。在该方法中，可以启动第一加热元件和第二加热元件，各个加热元件邻近生物样品架设置。使用第一气源在第一加热元件处引导第一气流以传递来自第一加热元件的热量。使用第二气源引导第二气流以引导加热的空气远离第一加热元件。使用第三气源在第二加热元件处引导第三气流以传递来自第二加热元件的热量。使用第四气源引导第四气流以引导加热的空气远离第一加热元件。

在一些实施方式中，第一加热元件和第二加热元件安装于样品界面壁的相对面上，样品界面壁从安装面延伸。

在一些实施方式中，各个气源包括基本上平面的外壳，外壳边缘安装于安装面。

在一些实施方式中，第一气流和第三气流直接贯穿第一加热元件和第二加热元件。

在一些实施方式中，第二气流和第四气流被沿样品界面壁引导。

在一些实施方式中，第二气流和第四气流方向被引导远离样品界面壁。

在一些实施方式中，各个气源包括平面外壳，该外壳具有安装于内部隔板上的内部压电器件。

在一些实施方式中，引导各个气流包括启动各个压电器件。

在一些实施方式中，根据预设的冷却循环将压电器件开启和关闭。

在一些实施方式中，根据预设的加热循环将所述加热元件开启和关闭，加热循环的开启位置与冷却循环的开启位置异相。

在一些实施方式中，监控第一加热元件和第二加热元件的温度。

在一些实施方式中，根据预设的最低温度和预设的最高温度来启动第一加热元件和第二加热元件以向生物样品架提供热量。

在一些实施方式中，当生物样品架达到预设的最高温度时，控制气源以引导空气。

在一些实施方式中，当生物样品架达到预设的最低温度时，控制气源以停止引导空气。

附图简述

图1A为根据本发明的一些实施方式的检测系统100的简化示意图。

图2A为根据本发明的一些实施方式的热循环装置的透视图。

图2B为图2A的热循环装置的前视图。

图2C为图2A的热循环装置的后视图。

图2D为图2A的热循环装置的俯视图(从上往下看)。

图2E为图2A的热循环装置的仰视图(从下往上看)。

图2F为图2A的热循环装置的侧视图。

图2G为图2F的侧视图，处于清楚的目的将组件移除。

图2H为根据本发明的一些实施方式的图2A中热循环装置在使用中的简化的后视图。

图3A至3E为根据本发明中各自相应的实施方式的热循环装置的后视图。

图4A为根据本发明的一些实施方式的气源的横断面图。

图4B为根据本发明的一些实施方式的多个连接的增压气源的横断面图。

图5A至5F为根据本发明的一些实施方式的多个连接的增压气源的布置的多种示意图。

图5E为根据本发明的一些实施方式的图2A中具有多个连接的增压气源的热循环装置的变型的简化后视图。

发明详述

I.系统综述

图1表示用来检测样品的系统100的简化示意图。系统100包括样品盒110，其设置用于接收和容纳材料样品，如体液(例如血液、尿液、唾液)或可溶于液体的固体(例如土壤、孢子、化学残留物)。样品盒110为围墙式结构，具有一个或多个流体通道和连接端口。样品盒110可相对地小，这样其可易于持握、便携并且/或者一次性使用。美国专利(专利号6,660,228)公开了这种样品盒的实例，其通过引用并入本文。

样品盒110可容纳一种或多种试剂和/或化学品，其用于处理样品以便最后检测样品的一些性质。这个过程的实例是用来扩增DNA存在的PCR。样品盒110包括样品室(110a)，其中可以进行热循环。

样品盒110可以连接热循环模块120，以便样品室110a可以与其热连接。热循环装置120包括一个或多个设置为可以将能量转移到室110a并从室110a中去除能量的设备120a。因此，热循环设备120a的至少一个如电加热元件的设备120a可以把热量传递到室110a，并且至少一个设备120b，可以冷却室110a来除去热量。这种加热和冷却可以以循环的方式来进行。

样品制备模块130也与样品盒110连接。样品制备模块130设置为可以在样品热循环之前和/或之后在样品盒110中处理样品。模块130可以包括一个或多个可以影响样品在样品盒110中移动的装置。例如，装置130a可以连接到盒的端口来提供可以使样品移动到样品盒110(如室110a)的不同位置的负压或者正压。这种装置可以是真空泵或柱塞，或在样品盒110中给样品的移动机构提供动力的电机。模块130的另一装置130b可以向样品提供能量(例如超声振动)从而在物理上将样品分解为更简单的形式并且/或者通过一种或多种试剂和/或化学品影响化学反应。这种装置可以通过压电装置提供振动。

传感器模块140也与样品盒110连接。传感器模块140可以包括一个或多个传感器140a和电路140b，其可被设置为基于样品可检测出的性质而产生信号。这些信号可以经过处理最终提供有用的数据。例如，传感器模块140可以包括探测器和向样品提供电磁能量的能量源，从而引起反应、检测的能量吸收、或检测由能量引起的激发态。传感器140a是基于光学的，包括一个或多个如CCD的摄像机。

热循环装置120、样品制备模块130和传感器模块140可物理地和/或电学地上全部或部分地彼此集成。例如，这些模块可被容纳在更大的检测模块150中，模块150是专门为一个或多个进程来设置的。检测模块150可被物理地设置在多壁结构中，如便携式模块外壳，并且还包括控制器160。控制器160被设置为向热循环装置120、样品制备模块130、和/或传感器模块140提供从模块接收的电学输入的控制指令。

检测模块150可与计算模块160连接。在一些实施方式中，检测模块150仅从计算模块160接收动力和指令。相反，在其他实施方式中，检测模块可向自身供电(例如通过内部电池)和/或本地供电(例如通过墙壁出口接头)，并且检测模块有存储装置，其设置用于存储从传感器模块140产生的并随后传送给计算模块160的检测结果。在这样的实施方式中，可以将动力部分和存储部分整合为传感器模块140的子模块。另外，在另外的实施方式中，检测模块虽然可以被独立供电(例如电池，墙上插座)，但是其依赖于计算模块160以通过直接的(例如接线的)或间接的(例如无线的)连接方式来接收控制指令。

计算模块160可以是一台通用计算机、专用计算机、服务器、或者服务器群。一般来说，计算模块160包括至少处理器，其通过通信总线连接至不同类型的物理内存(例如RAM、处理器缓存、HDD)和输入/输出设备(例如键盘、显示器)。由于机器可以读出在各种类型内存中的指令，因此操作检测模块160的方法可以被永久地或在操作需要时存储。因此，处理器可以执行指令来完成方法。

II.热循环模块

图2A至2G表示热循环装置200，它是热循环装置120的实施方式。

热循环装置(TCD)200是向检测样品循环供热和冷却的模块组件。TCD 200包括由安装壁204部分地界定的室202，安装壁204也作为安装组件的支撑体。安装壁204可与更大的附件进行整合，如检测模块150。安装壁204可由一个或多个诸如铝、钢或者塑料的刚性材料层构成。安装壁204可包括第一安装面206，这样可以易于接近，以便样品盒的插入。第二安装面208可是诸如金属片或模压塑料的的构件的一部分。安装壁204还可包括第二安装面208，第二安装面208通常是面向内的，不容易被用户所接近。第二安装面208表面可是PCB板的一部分，PCB板具有可以向安装在其上的设备提供电信号的设置(trace)。

从第二安装表面208横向延伸出的是样品界面壁210。样品界面壁210可是和安装壁204进行电子通讯的PCB板。样品界面壁210向平面接口212提供了支撑结构。平面接口212是可延伸到样品界面壁210专用的凹状连接器。平面接口212包括两个相对的平面加热元件214，其之间具有设置用于接收凸状连接器的开放空间。

平面接口212还包括设置为通过凸状连接器的边缘检测样品性能的传感器。该装置见图2G中所示。凸状连接器包括插入到平面接口212的平面的样品室(例如样品盒110)。各个平面加热元件214提供了相对大的表面积(例如各170mm²)以将热量传递至相应的平面样品室的平面，其各个的表面积相对较小(例如各16mm²)。

多个气源可以直接或间接地连接至第二安装面208和/或样品界面壁210。在一些实施方式中，多个气源包括第一气源216a、第二气源216b、第三气源216c和第四气源216d。

如图所示，第一气源216a位于样品界面壁210的一侧，以便第一气源216a的平面218a被设置为与样品界面壁210基本平行。在一些实施方式中，第一气源216a和样品界面壁210分隔的距离大约为9.5mm。设置第二气源216b，以便第二气源216b的平面218b或其虚拟平面延伸与样品界面壁210相交从而在其之间形成锐角，这里图示的锐角大约为45°。第三气源216c和第四气源216d以同样的方式设置于样品界面壁210的另一侧。

气源216如图所示的布置基本上是在样品界面壁210周围对称的。然而，这种对称并不是必须的，因此也可以是不对称的布置。此外，在一些实施方式中，不存在第三气源216c和第四气源216d。在其它实施方式中，仅存在第一气源216a和第四气源216d。

第二气源216b和第三气源216c可以通过被固定于样品界面壁210的延长支架220a连接到样品界面壁210。各个延长支架220a可包括用于托住气源216的边缘的槽。同样，第一和第四气源216a/216d可通过延长支架220b连接到第二安装面208，各个延长支架220b包括用于托住气源的边缘的槽。因此，如图所示，各个气源216都是直接或间接地被“边缘安装”于样品界面壁210和第二安装面208，以便各个气源216的平面基本上横向于第二安装面208。

样品界面壁210和第二安装面208的范围部分界定系统100的室，如图2A中虚线所示。也就是说，该室的体积至少可以通过用第二安装面208的面积乘以从第二安装面208延伸出来的样品界面壁210延伸长度来确定。第一气源216a、第二气源216b、第二安装面208和样品界面壁210部分定义室内的第一子体积V1。同样，第三气源216c、第四气源216d、第二安装面208和样品界面壁210部分定义室内的第二子体积V2。

设置第一气源216a和第四气源216d以便在平面218a/218d上的相对应的出口端222a/222d直接指向平面接口212上的平面加热元件214。通常在相对于出口端222的各个气源216上还提供有进气口。因此，从出口端222a/222d排出的气流被定向以贯穿平面接口212的平面加热元件216，以影响连接的样品盒的室。设置第二气源216b和第三气源216c以便使相对应的出口端222a/222d直接指向在样品界面壁邻近的位置或位于出口端口222a/222b所定向的同样的位置。因此，从出口端口222b/222c排出的气流被定向与样品界面壁以小于90°的锐角相交。如图所示，出口端222b/222c的夹角大约为45°。

在使用中，TCD 200可快速地在相对较低和较高的温度之间对由平面接口212夹住的样品进行热循环。样品将从高温转变为低温或从低温转变为高温，这是由一个或多个控制器操作平面加热元件214来进行的，冷却是由气源216来进行的。一些如PCR的生物检测过程需要热循环。对于PCR而言，样品通常会在60℃的低温下放置一段预设的时间并将温度逐渐升至94℃的高温下放置另一段预设的时间。与低温和高温所持续的时间相比，期望在低温期和高温期之间包括升温和降温的温度变化时间相对短。因此，温度随时间的理想的变化曲线图应该非常像矩形波。

在热循环过程开始之前，可以开启平面加热元件214以将样品预热，从初始(as-delivered)温度(例如室温)升温至基准的低温(例如60℃)并保持一段预定的时间(例如6秒)，随后升至高温(例如94℃)并再保持一段预定的时间(例如6秒)，或者任选地，直接从初始温度升至高温并保持一段预定的时间。

在高温期完成后，关闭平面加热元件214或仅为其提供很小的动力，开启气源216以冷却样品，并将温度降回低温并保持一段预定的时间(例如6秒)。在低温期结束后，关闭气源216并再次开启平面加热元件，以便样品被重新升回至高温并保持一段预定的时间。这个循环过程一直持续直到完成预定的循环量。通常，平面加热元件214和气源216的循环任务可是彼此异相的(仅有很小的重叠)，以便装置不在相同的时间运行。然而，在低温和高温期间，可以根据需要向平面加热元件214和/或气源216提供动力(例如间歇性地使用全部/部分动力或连续地使用部分动力)以将样品保持在所需的低或高温下。

在冷却期间发生的液体的流体动力学被简要地在图2H中描述。如图所示，气源216a/216d各自的平面218a/218d设置为与样品界面壁210和平面接口212(出于清楚的目的而为在图中表示)平行，并从与平面接口212横向相交的出口端口222a/222b排出气流。这种布置非常有效，这是因为其可在平面加热元件214周围产生湍流气流，其反过来在样品界面壁210和气源216a/216d之间的子体积V1/V2中提供有效的冷却。

因此，应该理解，气源216a/216d不仅是强制对流的来源，而且是给强制对流热传递提供封闭环境的结构构件，因此减少TCD 200整体占用空间并且还降低了气源216a/216d的体积流量要求。也就是说，气源216a/216d距离平面加热元件214越远，就需要的气源216a/216d的功率越大以满足所需冷却要求，这是因为空气的速度随着距离的增加而减小—这可以通过气源的布置安排来解决，即将强制对流源放置在离平面加热元件214相对较近的位置(例如9.5mm)，因此，与平面接口212产生的热量相比，气源216a/216d可具有较低的体积流量能力，从而实现了紧凑的设计。此外，平面加热元件214占用的体积越大，就需要气源216a/216d的功率越大以满足一定的冷却要求，这是因为较大的体积为循环涡流的形成提供较少的结构—这可以通过公开的气源的布置来解决，即向气源提供包围的平面来循环湍流空气。

然而，在子体积V1/V2中的空气可以快速受热，因此冷却效率会在一次或几次热循环后降低。为解决这个问题，气源216b/216c被设置为将经加热的空气导出子体积V1/V2有助于用未加热的空气补充子体积V1/V2。

如图所示，216b/216c的平面218b/218c分别相对于样品界面壁210气源以一定角度布置，从而使平面218b/218c或其虚拟的延伸部分与样品界面壁210相交并在其中间形成锐角。如图所示，气源216b/216c从与平面接口212相交成一定角度的出口端口222a/222b排出气流。气流的作用是通过推动加热的空气排出子体积V1/V2的出口来将加热的空气导出子体积V1/V2。在这里，将空气向底部方向沿着样品界面壁210且也是向后方(横向于安装壁204)排出。气源216b/216c也会进一步限制子体积V1/V2的范围，从而为进出子体积V1/V2的气流提供较少的通路。

图2A至2H中所示的TCD200的实施方式包括四个气源216，其在样品界面壁210周围是对称布置的。这样的布置非常有效，然而应该知道其他有效的布置安排也是可行的。

III.TCD布置备选方案

图3A表示与TCD 200的布置相似的TCD 300，四个气源302a/302b/302c/302d几乎以相同的方式布置。在本文中，TCD 300与TCD 200的不同点在于对气源302b和302c以一定角度进行设置以便它们的出口端口面远离内部的子体积。因此，气源302b和302c的进气口直接与子体积V1/V2连接。在使用中，参考上述的TCD 200来对气源302a/302d进行操作，然而，在子体积V1/V2中产生的经加热的空气将被导入和导出气源302b和302c。因此，气源302a/302b用于抽吸子体积V1/V2中的经加热的空气，其被来自底部和后方的新鲜空气所替换。在一些实施方式中，任选使用覆盖全部或部分侧开口的盖303，以便将大部分空气从底部方向引入子体积V1/V2。虚线表示盖的不同设置。出于简洁的目的，图示中只有盖303，然而，在子体积V1/V2上方的两侧可具有盖303。

图3B表示与TCD 200的布置相似的TCD 304，然而，其中仅提供两个平行的源302a/302d。在一些实施方式中，这样的布置足以提供所需的冷却效果，这是因为自然对流会将经加热的空气从向上的方向抽空，并且气源302a/302d的功率可能也会相应增加。

图3C表示与TCD 200的布置相似的TCD 306，然而，其中仅提供两个气源302a/302b，其被不对称地设置，以便仅向子体积V1提供强制对流。在一些实施方式中，这样的布置足以提供所需水平的冷却效果，并且气源302a/302b的功率可能也会根据需要提高。

图3D表示与TCD 200的布置相似的TCD 308，然而，其中提供另外两个气源302e/302f，其被设置用于抽吸子体积V1/V2中的经加热的空气。在一些实施方式中，需要这种布置以提供足够的冷却效果。

图3E表示与TCD 308的布置相似的TCD 310，然而，其中所有以一定角度设置的气源302b/302c/302e/302f被设置为抽吸子体积V1/V2。在一些实施方式中，使用这种布置以提供足够的冷却效果。在一些实施方式中，使用覆盖全部或部分侧开口的可选的盖312将大部分的空气从气源302a/302d引入子体积V1/V2。另外，在一些实施方式中，盖可以在流体地密封子体积V1/V2，以便使气源302a/302d仅提供新鲜的气源。在这样的实施方式中，由于可以驱动气源302b/302c/302e/302f以便用比气源302a/302d可提供的更高的速度将空气抽出，因此可以通过降低反压来提高气源302a/302d的性能。这样降低了气源302a/302d的工作负荷，这导致了在给定气源302a/302d功率输入下更大的容量输出。虚线表示盖的不同设置。出于简洁的目的，图示中只有一个盖312，然而，在子体积V1/V2上方的两侧可以各有盖312。在一些实施方式中，顶盖312可还包括气源(用虚线的圆形表示)，该气源被设置为将空气抽出或驱入子体积V1/V2。

IV.示例的冷却源

图4A表示冷却源400实例的横截面图。冷却源400和本文公开的气源(例如202a)共用基本上为平面的结构。冷却源400是空气泵，其包括具有被四个边或侧面403包围的平面402在内的外壳。在一些实施方式中，平面402的尺寸为20mm×20mm，各个边403的尺寸为1.85mm×20mm。压电装置406与内部隔板404连接。隔板404部分形成内部的增压室408。在使用时，驱动压电装置406以振动隔板404。这使得空气被吸入泵中并从喷嘴412排出。市售的冷却源是由MurataMfg.有限公司制造的微型风机，其速度26KHz驱动频率，在15Vpp和100Pa的反压下运行1L/Min。在一些实施方式中，冷源400可以被设置为高压空气泵，在运行时用小于5psi内部静压力操作。在一些实施方式中，冷却源400可以被设置为高压空气泵，在运行时用大于5psi内部静压力操作。在内部的增压室的静压力可以通过改变流动阻力来调节，其中空气通过隔板404吸入和/或其中空气在冷却源400内部的喷嘴412和/或其它位置。

图4B表示多个连接的气源414实例的横截面图。其中冷却源包括至少两个冷却源400，但可能包括更多冷却源。在两个冷却源400之间有流体地密封的容器416。在这个设置中，冷却源400被设置为高压空气泵。设置冷却源400和容器416以便从冷却源最底端到最顶端的空气阻力使空气在其间流动。

在检测中，冷却源400如图3B所示进行设置，在24Vpp下进行驱动，当反压约为100Pa时，其为各个冷却源产生1.4L/min(0.05CFM)的容量输出率(总共2.8L/min(0.1CFM))。发现这个布置比在113L/min(4CFM)下运转的离心风机(NIDEC GAMMA26型号a333-999)的性能稍好，向上(参考图2A中的方向)把空气吹动大约30毫米的距离。与风机用时7.6秒相比，冷却源400可让热源的温度在7.5秒内从95℃下降到60℃。因此，本发明的装置至少可以与离心风机的性能相同，然而仅需要大约离心式风机容量输出的2.5％。

在另外的检测中，冷却源400如图2C所示进行设置。在16Vpp下对冷却源进行驱动，当反压约为100Pa时，其为各个冷却源产生1.0L/min(0.035CFM)的容量输出率(总共产生4L/min(0.141CFM))。这个设置可让热源的温度在7.4秒内从95℃下降到60℃。因此，冷却源400的这种设置至少可以与离心风机的性能相同，然而仅需要大约离心式风机容量输出的3.5％。

在另检测中，冷却源400同样如图2C所示进行设置。在20Vpp下对冷却源进行驱动，当反压约为100Pa时，其为各个冷却源产生1.2L/min(0.042CFM)的容量输出率(总共产生4.8L/min(0.17CFM))。这个设置可让热源的温度在6.4秒内从95℃下降到60℃，比离心风机的性能提高了16％。因此，冷却源400的这种设置比离心风机的性能好很多，然而仅需要大约离心式风机容量输出的4.3％。

还是在另检测中，冷却源400同样如图2C所示进行设置。在24Vpp下对冷却源进行驱动，当反压约为100Pa时，其为各个冷却源产生1.4L/min(0.05CFM)的容量输出率(总共产生5.6L/min(0.2CFM))。这个设置可让热源的温度在5.8秒内从95℃下降到60℃，和离心风机相比性能提高了26％。因此，冷却源400的这种设置比离心风机的性能好很多，然而仅需要大约离心式风机容量输出的5％。

从这些试验中可以看出，显而易见本发明的实施方式可以等同于或更好于离心风机的性能。鉴于离心式风机的物理尺寸(约50mm×50mm×15mm)，其需要相对大的操作环境，然而本发明的实施方式几乎没有给检测系统增加空间的要求。因此，使用TCD的实施方式可以优化系统的尺寸、动力和冷却效率。此外，由于压电装置的激发是几乎瞬时的，所以TCD提供了更好的响应时间。

根据本发明的一些实施方式，图5A至5E表示多个连接的增压气源(“堆叠”)的不同布置的示意图，在一些实施方式中，可以设置堆叠来提供冲击射流冷却，其是指高压空气流。冲击射流冷却可以有效地除去粘在热源上的热的“粘”空气的边界层。在一些实施方式中，堆叠可设置为入口/出口压力比为0.54。在一些实施方式中，可设置堆叠以来提供脉冲气流，发动的脉冲大约为每1.6秒。堆叠通常需要至少两个串联的流体地连接的增压气源，但也可以使用更多的(例如1-10个)气源。各个增压气源可向提供至其入口的空气增加5psi的压力。例如，可以通过上游增压气源给下游增压气源提供5psi的空气，这样提供的空气压力为10psi。通常，增压气源的数量仅受气流的限制，即，在某点空气阻力将变得特别大从而阻碍空气在堆叠内的移动。

在图5A中，第一堆叠和第二堆叠设置为在热源处侧面地且横向地引导空气。图5B表示有两个以上的串联布置的冷却源的堆叠设置。图5B还表示用于给单一冷却源提供空气的有多个并联冷却源的堆叠设置。图5C表示图5B所示设置的组合。图5D表示使用阀调节气流进出空气储罐的堆叠设置。这些阀可电控设置为提供优化压力和流量的硅制微型阀。图5E表示通过空气管给热源提供空气的位于远端的堆叠设置。空气管可以分叉从而给热源提供一个以上的气流方向。

如图5B所示，在一些实施方式中，可以在压力容器上连接冷却单元。冷却单元可以向一个或多个压力容器壁提供液体制冷剂来冷却其中的压缩空气。商售的CPU冷却单元可以以这种方式工作，从而使堆叠可以在低于周围空气温度的温度下提供冲击射流冷却。

图5F表示使用中的多个连接的增压气源(“堆叠”)的后视图。堆叠的设置与图2C中所示的方式相似。

尽管在一些典型的实施方式中通过解释清楚并举例的方式进行了一些细节描述，可能还会进行一些修改、变化和改造。此外，所提及的尺寸均为为本领域技术人员的示范指南，因此不能根据尺寸和/或比例的大小对本发明进行限制。

Claims (52)

1.热循环装置，包括：

安装壁，部分地界定用于将生物样品热循环的室，所述安装壁具有与第二安装面相对的第一安装面；

样品界面壁，其从所述第二安装面横向延伸，所述样品界面壁具有可从所述第一安装面接近的平面接口，所述样品界面壁在所述平面接口的相对两侧具有第一加热元件和第二加热元件；

第一气源，其具有设置为在所述第一加热元件处引导空气的出口；

第二气源，其具有设置为引导空气离开所述第一加热元件的出口；

第三气源，其具有设置为在所述第二加热元件处引导空气的出口；以及

第四气源，其具有设置为引导空气离开所述第二加热元件的出口。

2.如权利要求1所述的装置，其中各个气源包括具有平面的空气泵、在所述平面上的所述出口、以及在所述平面周围的多个边缘。

3.如权利要求2所述的装置，其中各个空气泵与所述第二安装面连接，从而其平面基本上横向于所述第二安装面。

4.如权利要求2所述的装置，其中设置所述第一空气泵、所述第二空气泵和所述样品界面壁以界定所述室的第一子体积。

5.如权利要求4所述的装置，其中设置所述第二空气泵的出口以将空气排出所述第一子体积的出口。

6.如权利要求4所述的装置，其中设置所述第三空气泵、所述第四空气泵和所述样品界面壁以界定所述室的第二个子体积。

7.如权利要求6所述的装置，其中设置所述第四空气泵的出口以将空气排出所述第一子体积的出口。

8.如权利要求1所述的装置，其中设置各个所述第一气源和第三气源以在所述第一加热元件和第二加热元件处直接分别引导气流。

9.如权利要求8所述的装置，其中设置各个所述第二气源和第四气源以在所述样品界面壁处引导气流。

10.如权利要求8所述的装置，其中设置各个所述第二气源和第四气源以沿所述样品界面壁引导气流。

11.如权利要求10所述的装置，其中设置各个所述第二气源和第四气源以抽吸空气远离所述样品界面壁。

12.如权利要求1所述的装置，其中所述安装壁和样品界面壁包括印刷电路板。

13.如权利要求1所述的装置，其中所述样品界面壁将所述室分为基本上相同的体积。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述气源对称地设置于样品界面壁。

15.如权利要求1所述的装置，其中各个气源包括平面外壳，所述外壳具有安装于内部隔板上的内部压电器件。

16.如权利要求15所述的装置，其中各个平面外壳有出口端口，且其中设置所述第一气源和第三气源的出口端口以在所述第一加热元件和第二加热元件处直接分别提供各气流。

17.如权利要求16所述的装置，其中设置所述第二气源和第四气源的出口端口以沿或远离所述样品界面壁方向分别提供气流。

18.热循环方法，包括：

启动第一加热元件和第二加热元件，各个加热元件邻近生物样品架设置；

使用第一气源在第一加热元件处引导第一气流以传递来自所述第一加热元件的热量；

使用第二气源引导第二气流以引导加热的空气远离所述第一加热元件；

使用第三气源在第二加热元件处引导第三气流以传递来自所述第二加热元件的热量；以及

使用第四气源引导第四气流以引导加热的空气远离所述第一加热元件。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述第一加热元件和第二加热元件安装于样品界面壁的相对面上，所述样品界面壁从安装面延伸。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述各个气源包括基本上平面的外壳，外壳边缘安装于上述安装面。

21.如权利要求19所述的方法，其中所述第一气流和第三气流直接贯穿所述第一加热元件和第二加热元件。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述第二气流和第四气流被沿所述样品界面壁引导。

23.如权利要求21所述的方法，其中所述第二气流和第四气流被引导远离所述样品界面壁。

24.如权利要求21所述的方法，其中各个气源包括平面外壳，所述外壳具有安装于内部隔板的内部压电器件。

25.如权利要求24所述的方法，其中引导各个气流包括启动各个压电器件。

26.如权利要求25所述的方法，其中根据预设的冷却循环将所述压电器件开启和关闭。

27.如权利要求26所述的方法，其中根据预设的加热循环将所述加热元件开启和关闭，所述加热循环的开启位置与所述冷却循环的开启位置异相。

28.如权利要求18所述的方法，其还包括：

监控所述第一加热元件和第二加热元件的温度。

29.如权利要求28所述的方法，其中根据预设的最低温度和预设的最高温度启动所述第一加热元件和第二加热元件以向所述生物样品架提供热量。

30.如权利要求29所述的方法，其中当所述生物样品架达到所述预设的最高温度时，控制所述气源以引导空气。

31.如权利要求30所述的方法，其中当所述生物样品架达到所述预设的最低温度时，控制所述气源以停止引导空气。

32.热循环装置，包括：

用于加热生物样品架的相对面的部件；

用于在第一加热元件处引导第一气流以传递来自所述第一加热元件的热量的部件；

用于引导第二气流以引导加热的空气远离所述第一加热元件的部件；

用于在第二加热元件处引导第三气流以传递来自所述第二加热元件的热量的部件；以及

用于引导第四气流以引导加热的循环空气远离所述第一加热元件的部件。

33.热循环装置，包括：

热循环生物样品的室，所述室部分地被从第一安装面横向延伸的样品界面壁界定，所述样品界面壁具有可从第二安装面接近的平面接口，所述样品界面壁在所述平面接口的相对两侧具有第一加热元件和第二加热元件；

第一多个连接的增压气源，其具有设置为在所述第一加热元件处引导空气的出口；以及

第二多个连接的增压气源，其具有设置为在所述第二加热元件处引导空气的出口。

34.如权利要求33所述的装置，还包括：

第三多个连接的增压气源，其具有设置为引导加热的空气离开所述第一加热元件的出口；并且

第四多个连接的增压气源，其具有设置为引导加热的空气离开所述第一加热元件的出口。

35.如权利要求33所述的装置，其中所述多个连接的增压气源的至少之一包括近端空气泵和远端空气泵，其中所述近端空气泵具有设置为最终向所述远端空气泵的泵入口提供空气的泵出口。

36.如权利要求35所述的装置，其中在所述近端气泵和远端气泵之间流体地连接至少一个另外的空气泵。

37.如权利要求35所述的装置，其中在所述近端空气泵和远端空气泵之间设置至少一个单向阀。

38.如权利要求37所述的装置，其中所述至少一个单向阀在空气罐的上游。

39.如权利要求37所述的装置，其中所述至少一个单向阀在所述空气罐的下游。

40.如权利要求33所述的装置，其中所述第一多个增压气源和第二多个增压气源的至少之一的出口包括弯曲设置的管的末端。

41.如权利要求33所述的装置，其中各个增压气源包括具有带进口和出口的平面外壳的气泵、以及安装至隔板的内部压电器件，所述隔板在所述进口和出口之间流体地连接。

42.如权利要求15所述的装置，其中所述第一多个连接的气泵和第二多个连接的气泵的至少之一包括第一近端气泵和远端气泵，所述第一气泵的出口与所述远端气泵的入口流体地连接。

43.如权利要求42所述的装置，其中第二近端气泵的出口与所述远端气泵的入口流体地连接。

44.如权利要求43所述的装置，其中所述第一近端气泵和第二近端气泵是流体地并联的。

45.如权利要求43所述的装置，其中所述第一近端气泵和第二近端气泵是流体地串联的。

46.如权利要求35所述的装置，其中所述第一多个连接的增压气源和第二多个连接的增压气源的至少之一至少部分地并联。

47.热循环方法，包括：

启动第一加热元件和第二加热元件，各个加热元件邻近生物样品架设置；

使用第一多个连接的气源在第一加热元件处引导第一气流以传递来自所述第一加热元件的热量；

使用第二多个连接的气源在第二加热元件处引导第二气流以传递来自所述第一加热元件的热量。

48.如权利要求18所述的方法，进一步包括：

使用第三多个连接的气源引导第三气流以引导加热的空气远离所述第一加热元件；以及

使用第四多个连接的气源引导第四气流以引导加热的空气远离所述第一加热元件。

49.如权利要求18所述的方法，其中引导所述第一气流和第二气流的至少之一包括将来自所述第一多个气源和第二多个气源的至少之一的近端气源的空气最终泵入远端气源。

50.如权利要求18所述的方法，其中引导所述第一气流和第二气流的至少之一包括将来自所述第一多个气源和第二多个气源的至少之一的多个近端气源的空气最终泵入远端的气源。

51.如权利要求18所述的方法，其中引导所述第一气流和第二气流的至少之一包括将与所述第一多个气源和第二多个气源的至少之一流体地连接的空气罐增压。

52.如权利要求51所述的方法，其中引导所述第一气流和第二气流的至少之一还包括将来自所述空气罐的增压的空气释放。