基于热电制冷的微流体线性降温方法及温度控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于热电制冷的微流体线性降温方法及温度控制系统，包括以下步骤：根据微流控芯片内微流体线性降温的目标速率区间选择合适的热电制冷器，将选定的热电制冷器安装在微流控芯片与散热冷板之间，并通过可编程直流电源控制热电制冷器的工作电流；通过耦合单一函数电流曲线的方式自定义电流曲线函数控制驱动电流，分析微流体降温曲线并进行线性度检验，并通过改变耦合参数α、β实现电流曲线的迭代，获取不同的微流体降温速率所对应的电流曲线；将仿真获取的不同微流体降温速率对应的电流函数输入可编程直流电源，以此实现热电冷却微流体的在不同速率下的线性降温。实现了电流、制冷量及微流控芯片内微流体温度之间的线性耦合响应。之间的线性耦合响应。之间的线性耦合响应。

【技术实现步骤摘要】
基于热电制冷的微流体线性降温方法及温度控制系统


[0001]本专利技术涉及微流体冷却
，尤其涉及一种基于热电制冷的微流体线性降温方法及温度控制系统。

技术介绍

[0002]微流控芯片又称为“芯片实验室”，可以简化复杂生物医学、化学等研究，开展批量样品筛选和处理，显著减少分析样品量，提高研究的可预测性和可控性，在人工生物膜制备及细胞分析方面具有独特的优势。
[0003]在对生物微流体的操控过程中，不仅需要准确控制微流体的成分比，在某些场景下还需要对微流体进行温度以恒定速率变化的线性温度调控。对于冷冻保存，除细胞化学环境外，冷冻和复温过程中的细胞存活率也取决于冷却和复温速率。为了避免细胞内结冰或高电解质浓度引起的冷冻损伤，需要以最佳温度变化速率对样品线性降温或复温，常规的微流体温度控制方式难以实现。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种基于热电制冷的微流体线性降温方法及温度控制系统，通过对常规电流进行耦合获得非稳态过渡电流，对热电制冷器输入非稳态过渡电流曲线的并对非稳态过渡电流进行迭代弥补单一函数电流曲线在冷却微流体时所产生的冷量缺口与冷量盈余，保证了在利用热电制冷对微流体进行定速率降温的精度。
[0005]根据本专利技术提出的一种基于热电制冷的微流体线性降温方法，所述方法步骤如下：
[0006]S1：将待控温微流体注入微流控芯片样品池中；
[0007]S2：根据微流控芯片内微流体线性降温的目标速率区间选择合适的热电制冷器，将选定的热电制冷器安装在微流控芯片与散热冷板之间，并通过可编程直流电源控制热电制冷器上的电流；
[0008]S3：设置最大降温时间t
gen
、目标降温速率T
g,m
；
[0009]S4：根据最大降温时间t
gen
、目标降温速率T
g,m
设定非稳态过渡电流的参数α、β初始值，参数初始值设置方式如下：
[0010]α＝I
a
/(t
gen
×
t
gen
)
[0011]β＝I
b
/t
grn
[0012]其中，I
a
与I
b
满足I
b
+I
a
＝I
m
，I
m
为测得的热电制冷器的最佳工作电流，初始时，设定I
a
＝0；
[0013]S5：根据非稳态过渡电流参数的初始值α、β将常规电流进行耦合，得到电流函数I＝α
×
t2+β
×
t，其中t表示时间，并将电流函数输入到热电制冷器中进行数值分析与实验，通过后处理得到微流体在该电流曲线下微流体的降温曲线，并计算降温曲线的R
2，
，R2为实
际降温曲线相较于线性降温目标曲线的拟合优度，计算公式如下：
[0014][0015]其中，T
i
为各时刻下温度测量值，为温度测量值的均值，为各时刻下微流体满足线性降温的目标温度值，R2介于0～1之间，越接近1，降温过程线性程度越好；
[0016]S6：判断R
m2
≤R2是否成立，其中R
m2
为满足线性降温条件的R2最小值，如果是，则进入步骤S7；如果否，则使得I
a
＝I
a
+I
S
，I
S
为设置的电流迭代步长，进入步骤S4；
[0017]S7：判断|T
g
‑
T
g,m
|≤E
r
是否成立，其中，T
g
为计算得到的微流体降温速率，E
r
为降温速率误差极限，若是，进入步骤S9；若否，进入步骤S8；
[0018]S8：判断T
g
‑
T
g,m
≤0是否成立，若是，使得t
gen
＝t
gen
‑
t
m
；若否，使得t
gen
＝t
gen
+t
m
，并输出经修正后的t
gen
，进入步骤S4；
[0019]S9：确定α、β的值，并将电流函数I＝α*t2+β*t输入到可编程直流电源中，开启基于热电制冷的微流体温度控制系统，通过数据采集仪记录微流体温度的变化。
[0020]优选地，将所述电流函数I与单一函数电流曲线耦合获得非稳态过渡电流，单一函数电流曲线是指电流I与时间t为1幂次或者2幂次关系，改变参与耦合的单一函数电流曲线获得不同的非稳态过渡电流区间，以此适应不同的微流体降温目标速率。
[0021]优选地，基于热电制冷的微流体温度控制系统包括第一散热冷板、孔环型热电制冷器、微流控芯片和支架，所述孔环型热电制冷器设置在所述微流控芯片的上端位于样品池位置处，中部开孔的所述第一散热冷板安装在所述孔环型热电制冷器的上端，所述第一散热冷板、所述孔环型热电制冷器和所述微流控芯片通过所述支架固定，所述第一散热冷板上方正对开孔的位置处设有显微镜，所述样品池的进液口处连接有向内泵入微流体的注射泵，所述样品池的出液口连接有废液收集容器，所述孔环型热电制冷器的电源输入端连接有可编程直流电源，所述样品池内设置有测温通道，所述测温通道内设置有通过温度采集仪采集温度的温度采集点。
[0022]优选地，所述微流控芯片的底部安装有氮气喷嘴，所述的进气口连接有预冷组件，所述预冷组件外接有氮气罐。
[0023]优选地，所述预冷组件包括两组块状热电制冷器和气体冷却板，每组所述块状热电制冷器包括两块块状热电制冷器，所述气体冷却板安装在两组所述块状热电制冷器之间，所述两组所述块状热电制冷器的冷端设置在靠近所述气体冷却板的一侧，每组所述块状热电制冷器远离所述气体冷却板的热端安装有第二散热冷板，所述第二散热冷板开设有用于外接冷却水的冷却水入口和用于排出冷却水的冷却水出口，所述气体冷却板开设有氮气入口和氮气出口，所述氮气入口与氮气罐连接，所述氮气出口与所述氮气喷嘴连接。
[0024]优选地，所述第一散热冷板的内部设置有循环冷却水管道，所述循环冷却水管道外接有恒温水槽。
[0025]优选地，基于热电制冷的微流体温度控制系统的控制方法步骤如下：
[0026]A1：注射泵开启，微流体流入微流控芯片样品池中，开启显微镜对微流控芯片样品池进行实时观察，开启温度采集仪对微流控芯片样品池温度T
cen
进行实时测量；
[0027]A2：预冷装置开启，同时开启氮气瓶阀门，设置氮气流量；
[0028]A3：可编程直流电源开启，控制电流方向以电流方向一为孔环型热电制冷器供电使其处于制冷模式，输入电流数值或电流曲线，对微流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热电制冷的微流体线性降温方法，其特征在于，所述方法步骤如下：S1：将待控温微流体注入微流控芯片样品池中；S2：根据微流控芯片内微流体线性降温的目标速率区间选择合适的热电制冷器，将选定的热电制冷器安装在微流控芯片与散热冷板之间，并通过可编程直流电源控制热电制冷器上的电流；S3：设置最大降温时间t
gen
、目标降温速率T
g,m
；S4：根据最大降温时间t
gen
、目标降温速率T
g,m
设定非稳态过渡电流的参数α、β初始值，参数初始值设置方式如下：α＝I
a
/(t
gen
×
t
gen
)β＝I
b
/t
grn
其中，I
a
与I
b
满足I
b
+I
a
＝I
m
，I
m
为测得的热电制冷器的最佳工作电流，初始时，设定I
a
＝0；S5：根据非稳态过渡电流参数的初始值α、β将常规电流进行耦合，得到电流函数I＝α
×
t2+β
×
t，其中t表示时间，并将电流函数输入到热电制冷器中进行数值分析与实验，通过后处理得到微流体在该电流曲线下微流体的降温曲线，并计算降温曲线的R2，计算公式如下：其中，T
i
为各时刻下温度测量值，为温度测量值的均值，为各时刻下微流体满足线性降温的目标温度值，R2介于0～1之间，越接近1，降温过程线性程度越好；S6：判断R
m2
≤R2是否成立，其中R
m2
为满足线性降温条件的R2最小值，如果是，则进入步骤S7；如果否，则使得I
a
＝I
a
+I
S
，I
S
为设置的电流迭代步长，进入步骤S4；S7：判断|T
g
‑
T
g,m
|≤E
r
是否成立，其中，T
g
为计算得到的微流体降温速率，E
r
为降温速率误差极限，若是，进入步骤S9；若否，进入步骤S8；S8：判断T
g
‑
T
g,m
≤0是否成立，若是，使得t
gen
＝t
gen
‑
t
m
；若否，使得t
gen
＝t
gen
+t
m
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙东方，王好卿，高才，唐景春，周培，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：