專(zhuān)利名稱(chēng)：適于控制少量液體系統(tǒng)的可加熱與致冷元件的制造方法及按此方法制造的元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適于控制少量液體系統(tǒng)的可加熱與致冷元件的制造方法及以此方法制造的元件，所述元件設(shè)有若干流道和至少一個(gè)與所述流道連通的液體空間，并且在若干部位按功能和一致冷器和一加熱器連接。
芬蘭公開(kāi)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)57850提出了一種適于控制少量液體的裝置和工藝規(guī)程，依此來(lái)操作處在一個(gè)包括用于控制或處理該液體的空間或腔和一些與它們連通的流道的系統(tǒng)內(nèi)的液體，每一流道至少設(shè)有一個(gè)借助凍結(jié)而關(guān)閉的閥。每一閥連接于一個(gè)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的致冷器，并設(shè)有單獨(dú)的電加熱元件，這樣當(dāng)加熱元件工作時(shí)，它使閥的溫度保持在高于該液體的冰點(diǎn)，從而使閥開(kāi)道;而當(dāng)加熱元件不工作時(shí)，它使液體在閥中冰凍，從而使閥關(guān)閉。這樣在該系統(tǒng)中液體的操作，基于借助于壓力差把液體從一個(gè)空間遷移到另一個(gè)空間，是通過(guò)電控閥的加熱元件來(lái)達(dá)到的。在該說(shuō)明書(shū)中所介紹的裝置主要是用作一個(gè)自動(dòng)分析儀，其中液體的操作獨(dú)特地基于兩空間之間的壓力差以及加熱元件的電控，不采用活動(dòng)的機(jī)械部件。
按照芬蘭的公開(kāi)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)57850，致冷閥是以這樣方式把二塊材料彼此對(duì)著放置從而在對(duì)置的表面間形成一閥來(lái)形成的。這二塊材料中的一塊包括通向閥的流道，而連接于致冷器的另一塊設(shè)有裝于閥區(qū)并用于開(kāi)閉閥的加熱元件。為了調(diào)節(jié)閥的加熱與冷卻，閥區(qū)設(shè)有隔熱體，一些并排配置的閥借助于在閥體件表面之間的間隙內(nèi)的液體冰凍來(lái)達(dá)到相互隔熱。
芬蘭公開(kāi)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)70331提出了一種基于上述形成閥的原理的改進(jìn)的解決方案，這一解決方案的主要特點(diǎn)是該閥是通過(guò)在所述對(duì)置塊中的至少一塊表面上設(shè)置斷流器來(lái)形成的，并且這些塊的對(duì)置表面涂以一薄層化學(xué)惰性材料，用作加熱元件的涂層和隔熱體。在該解決方案中，這些閥還可設(shè)置裝于所述斷流器中的慣性斷流元件，以允許瞬時(shí)切斷進(jìn)入閥的液流。按照該公開(kāi)說(shuō)明書(shū)，在第一空間內(nèi)該惰性材料包括諸如聚四氟乙烯的含氟聚合物，雖然提到貴金屬是一種可能的取代物。按照實(shí)用的原則，現(xiàn)已采用含氟聚合物。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在芬蘭公開(kāi)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)70331中提出的解決方案有其缺點(diǎn)的，隨著時(shí)間的推移，水穿透薄的聚合物層，導(dǎo)致在經(jīng)受冷凍區(qū)域內(nèi)的該層下面結(jié)冰。在實(shí)踐中，由于閥被交替加熱和冷凍，外層冰的溶化和再凍結(jié)增加了熱負(fù)荷，導(dǎo)致閥運(yùn)轉(zhuǎn)緩慢且不精確。從冰的導(dǎo)熱大大優(yōu)于構(gòu)成閥表面的聚合物的事實(shí)中，也獲得類(lèi)似的效果。因此，閥被關(guān)閉時(shí)，冰阻塞邊界層的沉積過(guò)程是緩慢的。
此外，由芬蘭公開(kāi)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)70331所提出的閥結(jié)構(gòu)還有其它的缺點(diǎn)，沒(méi)有涉及用作在其間形成閥的閥體涂層的材料。這些缺點(diǎn)中的一個(gè)是結(jié)構(gòu)笨重，包括大的熱體和低的加熱與致冷效率。另一缺點(diǎn)是閥和流道的幾何形狀，這是由于這樣的事實(shí)造成的限制閥的閥體是通過(guò)鑄入模子制造的，在該工藝中鑄件必須隨后從鑄模中取出。結(jié)果，閥的流道出現(xiàn)光棱尖角，由于表面張力，它們保存了一些液體，這構(gòu)成了清理流道并使流道很快變干的障礙。這一缺陷能導(dǎo)致配劑誤差和污染液體。
本發(fā)明的目的是要開(kāi)創(chuàng)一種制造包含若干流道和一個(gè)或多個(gè)容納某種液體的空間或腔的元件的新技術(shù)，從而消除和先前公知技術(shù)有關(guān)的上述缺點(diǎn)。本發(fā)明的方法，其特點(diǎn)在于所述元件是通過(guò)采用作為沉積基底的可取出的模子，用這樣方式沉積一種或多種金屬材料，使被沉積金屬形成該元件的外殼，取出模子，在所述部位上把外殼和一致冷器和一加熱器連接等一系列步驟來(lái)制造的，該產(chǎn)品是這樣完成的，在元件外殼被連接到一冷卻器和一加熱器的一些部位上所獲得的結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)顯著超過(guò)鄰近所述部位的殼區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)。
采用本發(fā)明的方法能制造一種具有極小熱體和密封殼體的金屬元件。這些特點(diǎn)允許溫度能精確而迅速地調(diào)正。定義表明，包括元件和在連接部位連接于加熱和/或致冷裝置的連接橋的結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)明顯超過(guò)鄰近所述部位裝置的殼區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)，實(shí)際上，由于溫差引起的通過(guò)所述部位的熱流最好至少5倍于通過(guò)鄰近區(qū)域的熱流，并且按照具體情況，甚至可以達(dá)到10倍或更高些。這就是說(shuō)在連接于一致冷器與一加熱器的部位和鄰近殼區(qū)之間形成了一種陡的溫度梯度。
本發(fā)明的解決方案的一個(gè)基本優(yōu)點(diǎn)在于，用于制造元件的模子能按照所希望的流道與液體空間形狀很容易地成形。因此，能避免不希望有的尖棱尖角。此外，在金屬沉積和模子取出后，其流道能被沖洗并能用吹風(fēng)機(jī)迅速吹干的元件保證了不會(huì)出現(xiàn)配劑誤差。
正如本發(fā)明所介紹的，通過(guò)在有關(guān)部位上至少沿一個(gè)方向制出充分窄的流道并把這一部位和一加熱器及一致冷卻器連接，能在該元件內(nèi)形成致冷閥。除了或代替這點(diǎn)，該元件可設(shè)置一些液體空間，它們直接或間接地連接于一加熱器和一致冷器，以使該空間內(nèi)的液體能進(jìn)行迅速而精確的溫度調(diào)正。在液體分析裝置中，這些空間被用作混合和保溫的目的。作為本發(fā)明的解決方案的應(yīng)用可能性的一個(gè)例子是在由美國(guó)公開(kāi)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)4，683，202提出的基因技術(shù)中的DNA方法，包括在迅速變化溫度中的液體樣品的保溫以獲得某種反應(yīng)。按照這一公開(kāi)說(shuō)明書(shū)，這些樣品是在一笨重的金屬塊內(nèi)處理的，從反應(yīng)可靠完成的角度來(lái)看，其中溫度的變化顯得太慢了。采用按本發(fā)明制成的元件可避免這一缺點(diǎn)。此外，本發(fā)明能使液體處理過(guò)程自動(dòng)化，從而避免了和人工處理方法有關(guān)的一些污染問(wèn)題。
金屬的沉積可通過(guò)電成形方法來(lái)完成，其中模子被安排成作為一個(gè)在包括金屬離子的溶液內(nèi)的陰極。在模子上沉積一層金屬，并在需要時(shí)，這一層可作為相同或不同金屬的另外沉積層的基底。
可用于本發(fā)明的工藝中另一沉積技術(shù)包括自動(dòng)催化化學(xué)還原，其中金屬模子被浸沒(méi)在一種包含例如所述金屬鹽的要被沉積的金屬和還原劑的化合物的溶液中?？赡芤蠹訜崛芤旱幕瘜W(xué)反應(yīng)會(huì)使被還原的金屬層沉積于模子上。另一可被采用的技術(shù)是非常相似的化學(xué)氣化物還原，但采用在氣相中還原并沉積于模子的初生金屬有機(jī)化合物。
為完成這種沉積的另一取代方法是陰極濺鍍，其中把一片金屬材料和一個(gè)金屬模子放置于一真空腔內(nèi)，把1千伏或更高的電壓加在所述金屬片和模子之間。該電壓將使金屬離子化并將其吸引到模子上，這樣便形成了一金屬層。這一方法特殊的優(yōu)點(diǎn)是它被用來(lái)沉積任何可能要求的金屬或合金。
適于沉積的再一個(gè)取代的方法是在已放置模子的腔內(nèi)的金屬材料的氣化。該金屬將沉積于包括模子表面的該腔內(nèi)的全部可達(dá)到的表面上。在離子涂覆中，氣化和上述陰極濺鍍結(jié)合在一起，借助于這一方法，可獲得一種特別快的沉積過(guò)程。
在本發(fā)明的方法中，元件的外殼可通過(guò)二階段來(lái)制造，在第一階段，將第一層金屬沉積于模子的整個(gè)表面，然后將另一層金屬沉積于在要被連接于加熱與致冷裝置的特定位置上的第一金屬層上。在第一沉積階段之后，在那些部位之外的區(qū)域可被覆蓋一層例如油漆的保護(hù)層，以防止在下一階段內(nèi)金屬沉積于這些區(qū)域。
為適于連續(xù)的沉積期，最好選用二種具有不同導(dǎo)熱系數(shù)的金屬。在第一階段內(nèi)，沉積一層具有低導(dǎo)熱系數(shù)的金屬。這種金屬可以是例如鎳或諸如含有少量百分率鈷成份的鎳鈷合金的某種含鎳合金，或某種由鎳、鈷和錳組成的非晶體合金，這些合金和其它金屬相比具有低的導(dǎo)熱系數(shù)，因此特別適于本發(fā)明的應(yīng)用場(chǎng)合。然而，存在其它的金屬，例如單純的鈷、鐵、鉻和貴金屬，它們能被應(yīng)用于第一沉積階段。在第二階段中，采用一種具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬。當(dāng)然，純紫銅是最佳的選擇，雖然例如銀也可被采用。
在第一階段中沉積的例如鎳合金的金屬層的厚度最好處于10-100微米范圍內(nèi)，而在第二階段中沉積的，最好是紫銅的金屬層的厚度是10-500微米。為了獲得所希望的不同的導(dǎo)熱系數(shù)或熱流量，在第二階段中所沉積的金屬層必須普遍地比在第一階段中所沉積的金屬層為厚。特別是在二沉積階段中采用相同的金屬時(shí)這更為需要。在這種情況下，所獲得的是一種基本均質(zhì)的元件，它的性能只取決于在不同部位的殼體的不同厚度。
由于元件殼體是在二個(gè)階段中制造的，因此在二個(gè)階段中有可能采用同一沉積技術(shù)，例如電成形技術(shù)。然而，也有可能在不同的階段內(nèi)采用不同的技術(shù)，如對(duì)于第一金屬層的沉積采用電成形技術(shù)，而對(duì)第二金屬層的沉積則采用陰極濺鍍技術(shù)。對(duì)于在上文中所涉及的不同技術(shù)，唯一的限制是氣化不適于第二階段，因?yàn)楦豢赡苁菇饘俪练e僅限于特定的非保護(hù)部位，在包括離子涂覆的所有其它的技術(shù)中，保護(hù)涂層是通過(guò)防止在涂覆面上沉積而起作用的。
為使模子能從金屬沉積層內(nèi)取出，模子可由諸如鋁的可溶物質(zhì)制成。鋁適用于已敘述過(guò)的所有不同的沉積技術(shù)。在此情況下，用于排出模子的溶劑可以是例如一種強(qiáng)和熱的堿溶液。若模子是部分或全部空心的，它能較迅速地溶解，這樣溶劑能通過(guò)它。
另一方案是模子可用熔點(diǎn)足夠低的金屬制成，以便通過(guò)熔化能使模子從金屬殼內(nèi)排出。這種材料包括某些金屬合金，例如熔點(diǎn)處在69～200℃范圍內(nèi)的錫的、鉍的和鋁的一些合金，以及蠟和塑料。然而，由后者制成的一些模子，在它們用作金屬沉積的基底之前(除了用氣化沉積)必須涂覆金屬。
在某些情況下，甚至有可能采用由幾部分組成的模子，在沉積期后，它們能從金屬殼內(nèi)被分別拉出并再次使用。這些技術(shù)和傳統(tǒng)的金屬模鑄工藝的差別是該模子是由可分離的幾部分制成的，能將其取出。
為了在所希望的部位使元件外殼和致冷器連接，本發(fā)明的方法采用了一種由具有良好導(dǎo)熱性的例如紫銅材料制成的桿形或板狀橋。一種基本的考慮是橋會(huì)有小的質(zhì)量，因此它能足夠快地工作。殼體的加熱可通過(guò)對(duì)連接致冷器和殼體的橋提供適當(dāng)絕緣的加熱電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。一當(dāng)接通電源，電阻的加熱效應(yīng)有效地消除了致冷器的冷卻效果。在一種優(yōu)先的結(jié)構(gòu)里，該橋可以包括例如二層紫銅，在它們之間夾一層塑料絕緣層，電阻絲裝于塑料層內(nèi)。
另一種方法是元件殼體的加熱可用輻射來(lái)進(jìn)行?？梢圆捎醚b于殼體外適當(dāng)部位的放射例如萊塞光束的電控輻射源。
連接元件殼體和致冷器的橋可通過(guò)這樣的方法連接于殼體在殼體上電解沉積一層易熔金屬，例如銦，然后熔化這層金屬，從而該金屬材料便會(huì)使橋端和殼體熔合在一起。為了熔化這層金屬，可利用爐子，但另一種方法是可以利用裝于橋內(nèi)的電阻器，將它連接到供電網(wǎng)，并讓電流通過(guò)，直到所產(chǎn)生的熱量使材料熔化為止。在熔化時(shí)，該材料首先被鋪成均勻的一層，向橋端和殼體間的接觸線(xiàn)收縮，形成一環(huán)狀凸臺(tái)，當(dāng)固化時(shí)，使橋和殼體有效地結(jié)合在一起。
為使元件內(nèi)的工藝過(guò)程能被監(jiān)測(cè)，利用和橋在連接致冷器與殼體的情況中相同的技術(shù)，將具有低的特定溫度的溫度傳感器按需要連接到元件殼上。借助于沉積在殼體上的銦或一種類(lèi)似的易熔材料，能將這些傳感器和殼體熔合，最好同時(shí)和所述橋熔合。溫度傳感器能連續(xù)地提供關(guān)于系統(tǒng)內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)，液體或氣體的溫度變化以及在屬于該系統(tǒng)的閥內(nèi)液體的結(jié)冰和溶化的控制信息。
如上所述，由本發(fā)明的方法所制造的元件能被這樣設(shè)計(jì)它有一個(gè)或多個(gè)可加熱和可致冷區(qū)，在該處流道至少在一個(gè)方向上窄得足以能使這些區(qū)域用作能借助結(jié)冰來(lái)阻斷腔道的閥。這些可能是所謂高效率閥，它們能阻斷流經(jīng)該閥的液體通道，或者它們可能是一些常規(guī)的閥，它們的尺寸是被這樣選定的它們的致冷能力足以使閥內(nèi)的靜止液體結(jié)冰。尤其是，通過(guò)采用桿形模子可制造優(yōu)質(zhì)的高效率閥，這種桿形模子具有相應(yīng)于要形成的流道形狀的形狀，并且按這樣的方式來(lái)壓扁在金屬層沉積并取出模子后，結(jié)果得到金屬模子，其中在模子壓扁的區(qū)域，其內(nèi)的通道是一個(gè)構(gòu)成閥的窄槽。桿形模子壓扁的方向和相應(yīng)的窄槽相對(duì)于模子的縱向最好處于約20～60°的角度，并且流道由它來(lái)形成。這樣一個(gè)斜槽，它另外可以有向其出口端伸縮的形式，就動(dòng)力阻止液體流經(jīng)閥來(lái)說(shuō)具有最大的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明還涉及用上述方法制造的并設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)用于控制少量液體的系統(tǒng)的元件，它包括若干流道和至少一個(gè)與它們連通的液體空間，所述元件在許多部位按功能連接于一致冷器和一加熱器。本發(fā)明的元件的特征是它包括一組由具有基本空心部分的整體金屬殼封閉的流道和一個(gè)或多個(gè)液體空間，所述殼體在許多部位上連接于一致冷器和一加熱器;所述部位連同和致冷器及加熱器的接合處一起是這樣形成的，在這些部位的結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)顯著超過(guò)鄰近殼區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)。
按照本發(fā)明的元件，按照它的最簡(jiǎn)單形式，可只包括一個(gè)液體空間和二個(gè)或多個(gè)連接于該空間的流道，每一流道至少設(shè)有一個(gè)由在連接于一致冷器和一加熱器的腔道內(nèi)的某一部位形成的閥。因此，這些閥能使某一數(shù)量的液體通過(guò)該液體空間，并通過(guò)凍結(jié)這些閥來(lái)封閉于其間。然而，為便于制造較大的液體控制系統(tǒng)，一元件最好包含較大量的液體空間和/或流道與閥，取決于該系統(tǒng)的需要。
本發(fā)明的元件可包括一個(gè)或多個(gè)能高效率地阻止液流的上述高效率型閥，并且除了這些高效率閥之外，或代替這些高效率閥，還可包括一個(gè)或多個(gè)上面也提到的能靜態(tài)凍結(jié)閥內(nèi)液體的通常的閥，并且除了或代替這些閥外，還可包括一個(gè)或多個(gè)在其中液體不被凍結(jié)的但仍連接于一致冷器的空間或腔，并備有至少一個(gè)加熱器，以便能使該空間內(nèi)的液體溫度得到調(diào)節(jié)。在控制少量液體的分析儀中，這樣一個(gè)空間能用作混合或保溫室，在那里需要有快和精確的液體溫度變化。
已經(jīng)試驗(yàn)了一個(gè)按本發(fā)明制造的元件，在一個(gè)非正規(guī)或延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間的情況下，未發(fā)現(xiàn)水蒸汽經(jīng)沉積金屬流道泄漏。在這一金屬結(jié)構(gòu)里，在靜止?fàn)顟B(tài)下經(jīng)閥的熱損耗意外地處在1/10瓦的量級(jí)，而在芬蘭專(zhuān)利70331中敘述的聚合物結(jié)構(gòu)中是一瓦或幾瓦。
閥的一般開(kāi)、閉時(shí)間是幾十至幾百毫秒，在相對(duì)于所述專(zhuān)利的閥內(nèi)一般為幾秒。從停止流動(dòng)中造成的容積誤差除以流量率計(jì)算得到的高效率閥明顯的關(guān)閉時(shí)間為1/10000秒，它比所述專(zhuān)利的閥要快十倍以上，而比傳統(tǒng)的電磁閥要快百倍以上(如果它們能檢測(cè)輸入液體的話(huà))。作為一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明在處理少量液體容積的定量性能方面的改進(jìn)，例如，在配劑0.0625毫升液體中，所測(cè)的重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.00001毫升，比所述專(zhuān)利或現(xiàn)在傳統(tǒng)的配劑性能改善十倍。在0.00022毫升，實(shí)際少量血漿樣品自動(dòng)配劑的另一試驗(yàn)中，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0000007毫升，包括由于光學(xué)測(cè)量所引起的其它所有偏差在內(nèi)，就所述專(zhuān)利來(lái)說(shuō)，容積太小。
另一好處是通過(guò)檢測(cè)每個(gè)閥中溶解熱的吸收或放出來(lái)檢測(cè)每個(gè)閥的實(shí)際關(guān)開(kāi)時(shí)間。令人感到意外的是當(dāng)在所述系統(tǒng)閥容積內(nèi)的0.0000毫升水基液體冰凍時(shí)，冷卻率是這樣的高，以致閥導(dǎo)管冷到-20℃，然后當(dāng)突然關(guān)閉時(shí)，在不到0.02秒內(nèi)，其溫度突然升高超過(guò)5-10度，這是用所述熱敏元件每次清楚檢測(cè)到的。閥打開(kāi)時(shí)，吸收溶解熱，在每一閥內(nèi)用熱力學(xué)方法也容易檢測(cè)到。通過(guò)應(yīng)用或測(cè)量對(duì)壓力差的響應(yīng)并觀察壓力穩(wěn)定或變化，可獲得閥開(kāi)閉或液體進(jìn)入或離開(kāi)某一腔道或某一空間的獨(dú)立的證明。在借助于壓差運(yùn)送液體時(shí)，作為額外的好處，這是很方便進(jìn)行的。
關(guān)于本發(fā)明元件的優(yōu)先實(shí)施例，參照本發(fā)明方法的上述說(shuō)明和以下的權(quán)利要求書(shū)。
下面，參照所附附圖，借助于例子來(lái)描述本發(fā)明，其中

圖1表示用于形成一個(gè)由本發(fā)明所提供的可加熱和可致冷元件的模子的局部示圖;
圖2表示該元件外殼電成形的第一階段，處于該階段內(nèi)，用電鍍方法在模子上鍍覆一層金屬;
圖2a表示在成形該元件外殼的另一工藝中的第一階段，其中一層金屬在真空容器中用陰極濺鍍方法把一層金屬鍍覆到模子上;
圖3表示借助于溶溶從如此得到的由一層金屬所組成的外殼內(nèi)部排除模子;
圖4表示如此得到的金屬外殼，它的某些部分配有防護(hù)鍍層;
圖5表示該外殼電成形的第二階段，其中在外殼的未防護(hù)表面上電鍍第二層金屬;
圖6表示模子的局部頂視圖，它已被壓扁以便在要成形的元件內(nèi)形成一種所謂的高效率閥;
圖7表示在外殼的第一層沉積并排除模子后的閥區(qū);
圖8表示通過(guò)圖7中閥的Ⅶ-Ⅷ剖面;
圖9表示按本發(fā)明提供的方法制造的成品元件的一部分，其中這些閥通過(guò)可加熱電橋連接于致冷卻;
圖10表示通過(guò)一元件的截面，其中一溫度傳感器和一通至致冷器可加熱電橋被熔合在閥區(qū)內(nèi)的外殼上;
圖11表示通過(guò)按本發(fā)明提供的方法制造的另一元件的類(lèi)似截面。
圖1表示一個(gè)相當(dāng)柔軟、易于變形的由鋁制成的模子1的一部分。該模子在兩處2已被壓扁，以便在要被成形的元件內(nèi)形成一些高效率閥。這些被壓扁部分還被圖6重新表示出，隨后將詳細(xì)描述這些被壓扁部分。在被壓扁部分2之間的液體空間通過(guò)模子1來(lái)形成，在兩扁壓區(qū)之間它有3個(gè)條狀分支3，以形成一些與元件中的液體空間連通的流道。該模子整個(gè)是一種空心結(jié)構(gòu)，因此，利用使溶劑流通過(guò)模子內(nèi)的管道4的方法，它以后能從元件內(nèi)部排除。
在由圖2表示的第一電鍍階段內(nèi)，模子在氨基強(qiáng)酸鹽中作為一個(gè)陰極，一層鍍鈷合金自陰極電鍍于模子上，所形成的這一層厚度為10-100微米，最好為30微米，并有少量鈷成份。在圖2中，這一金屬層用標(biāo)號(hào)5標(biāo)記。一當(dāng)完成電鍍，借助于把熱的氫氧化鈉強(qiáng)溶液輸入到其內(nèi)的管道4內(nèi)來(lái)排除模子1。該溶液溶解了鋁模，但對(duì)電鍍于其上的鎳鈷合金不起作用。其結(jié)果是形成一個(gè)如圖3所示的鎳鈷合金的金屬外殼，其內(nèi)部已有一個(gè)相應(yīng)于成品另部外形的形狀。
作為在第二電鍍階段之前一種預(yù)備措施是，這樣獲得的鎳鈷合金外殼5的外表面某些部分被覆蓋上一層例如油漆的保護(hù)涂層6，如圖4所示，然后外殼5如圖5所示作為一個(gè)陰極浸沉于包含硫酸的硫酸銅溶液中。一層紫銅7現(xiàn)在僅電鍍于外殼上沒(méi)有被油漆6覆蓋的那些部分。紫銅層的厚度可在10-500微米范圍內(nèi)變化。由于紫銅和鎳鈷合金的導(dǎo)熱系數(shù)不同，由紫銅層7形成的外殼區(qū)域的導(dǎo)熱系數(shù)高出由鎳鈷合金組成的外殼區(qū)域的導(dǎo)熱系數(shù)大約10倍，但僅在所述兩電鍍層具有相同的厚度時(shí)才這樣。第二電鍍階段的結(jié)果是形成元件12，它由一液體空間8，在該空間的兩端的閥9和三個(gè)與該液體空間連通并具有閥10的流道11組成。如在下面連同圖9一起說(shuō)明的，該元件已作好準(zhǔn)備連接于致冷器和加熱器。假如愿意的話(huà)，可從該元件的表面上去除保護(hù)油漆6，然而，這是不必要的。
上面連同圖2-5一起敘述涉及到用電形成方法來(lái)制造元件。這種制造也可以采用通過(guò)化學(xué)方法還原金屬、由該金屬(或合金)本身催化的非電解沉積技術(shù)。按照本發(fā)明，可以在90-92℃溫度下，采用NaH2PO2作為還原劑，借助于從NiSO4或Nicl2中將鎳沉積于鋁型芯上，從而用調(diào)節(jié)PH值控制包含在沉積的鎳中的硫含量，由鎳和硫通過(guò)自動(dòng)催化制成元件。所包含的硫非常有利地減少了第一沉積階段沉積物的導(dǎo)熱系數(shù)。在大約+40℃下利用CuSO4和甲醛同樣可得到一層自動(dòng)催化還原的紫銅。
如上所述，參照?qǐng)D2-5按照自動(dòng)催化化學(xué)還原技術(shù)總可以得到金屬沉積層，包括排除型芯和第二沉積階段前的防護(hù)涂層。根本的不同在于無(wú)須電流來(lái)完成金屬沉積。
圖2a表示另一技術(shù)，其中一金屬層5通過(guò)陰極濺鍍沉積在金屬模1上，金屬模可以是鋁。在排氣腔A內(nèi)，把一千伏至數(shù)千伏的直流高壓或高頻連接到一塊在部分真空的離子化氬氣中要借助陰極濺鍍來(lái)沉積的金屬B上，該金屬塊B作為陰極，模子1作為陽(yáng)極。雖然陰極濺鍍沉積比在液體介質(zhì)中前述的沉積方法慢得多，但它具有能按特殊應(yīng)用要求沉積任何金屬或合金的巨大優(yōu)點(diǎn)。
高真空是金屬蒸發(fā)沉積的環(huán)境，由于溫度太高，金屬的蒸發(fā)沉積并不非常適于在本發(fā)明中所用的模子，但它和陰極濺鍍結(jié)合在一起產(chǎn)生了一個(gè)稱(chēng)為離子的沉積過(guò)程，它發(fā)生在適當(dāng)?shù)臏囟葍?nèi)，并且甚至可有比在液體沉積過(guò)程中更高的速度。
在液體空間8兩端的電壓9的形成由圖7和8得到說(shuō)明。從表示在該處形成電壓9的模子1區(qū)域的圖6中，可以看出該桿形模子在和其縱向成大約45°的方向上已被壓扁。該壓扁部分在圖中用標(biāo)號(hào)13標(biāo)記。從圖7和8中可以看出，在模子的壓扁區(qū)內(nèi)，在排除模子后得到的鎳鈷合金外殼5有一窄槽14，也和殼內(nèi)流道11的縱向成大約45°的角度。如圖所示，該槽或節(jié)流口14沿流道11內(nèi)液流的方向向一端15逐漸變細(xì)。該槽在流入端16的寬度可處在大約200-30微米范圍內(nèi);在流出端15的寬度大約在30-2微米范圍內(nèi)。節(jié)流口14的這種結(jié)構(gòu)確保到達(dá)由節(jié)流口14所組成的如下所述連接于一致冷器的閥內(nèi)的液流不直接流經(jīng)槽14較寬的流入端16，但借助于表面張力，會(huì)沿著該槽向其較窄的流出端15穩(wěn)定地流動(dòng)，因此，所包含的遲后足以允許在節(jié)流口14中的液體被冷凍，從而關(guān)閉該閥。
圖9表示按圖1-5說(shuō)明所制造的元件12。閥9、10區(qū)通過(guò)板形橋17連接于一致冷器，該橋按這樣方式來(lái)配備電阻18，使該橋同樣用作加熱器。在該圖所示的實(shí)施例中，橋17對(duì)準(zhǔn)單個(gè)板形體19的舌，若需要這些舌尖適于彎曲，連接于覆蓋著閥9、10區(qū)的紫銅層。橋17最好由雙紫銅膜組成，電阻絲18包含在紫銅層20之間的一層塑料21(參看圖10和11)內(nèi)。
圖10表示了一種型式，其中橋端17連接于元件12外殼上的紫銅層7。一薄層銦22沉積于紫銅層7并隨后熔化，因此它將橋17和紫銅層7熔合在一起。這一焊接由于采用點(diǎn)狀形式的銦23，它在熔化期間通過(guò)圍繞橋17的尖頭的表面張力的作用而收縮，是牢固的。
如在圖10中所示，一溫度傳感器24連接于在橋17對(duì)面的閥10的側(cè)面上的紫銅層7。傳感器24包括一熱電偶，其導(dǎo)線(xiàn)兩端按與橋17端部相同的方式熔合于紫銅7。熱電偶24能監(jiān)測(cè)閥的工作狀態(tài)以及閥內(nèi)液體的狀態(tài)變化。
圖11除了它表示連接于一連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的致冷器25的整個(gè)橋17外，很大程度上相當(dāng)于圖10。此外，在該圖所示的元件中，包圍大塊液體空間8的紫銅層7，例如，它可以作為某分析器內(nèi)的定量空間，經(jīng)一紫銅橋26連接于包圍通至該空間的流道11的紫銅層7，所述橋26用來(lái)保持在該元件的這些部分內(nèi)的溫度相等。該圖表示一冰塊27關(guān)閉了流道11內(nèi)的閥10。應(yīng)當(dāng)注意，圖10和11中所示的閥10是一種所謂的常規(guī)閥，其中，當(dāng)加熱電阻不起作用時(shí)，靜止液體借助于橋17通過(guò)致冷器25的作用而冰凍。然而，在由圖7和8所表示的高效率閥9能動(dòng)態(tài)阻止該液流的情況下，包圍該閥的紫銅層7按同樣的方式經(jīng)一可加熱橋17連接于一致冷器25。
取決于該元件的設(shè)計(jì)用途，可能需要采用一種化學(xué)惰性貴重金屬以構(gòu)成流道11的內(nèi)表面和該元件可能存在的液體空間8。在此情況下，上述制造過(guò)程可以修改，例如通過(guò)首先把一層幾個(gè)微米的鎳層沉積于模子1上，把一層大約相等厚度貴金屬，如金，沉積于該鎳層上。接著，如上所述，一層例如鎳鈷合金的金屬外殼層5，按圖2所示的方式沉積于該貴金屬上。采用強(qiáng)鹽酸溶劑能實(shí)現(xiàn)模子1的連續(xù)排出，強(qiáng)鹽酸溶劑溶解鋁模和沉積于其上的第一鎳層，因此，貴金屬層便構(gòu)成該元件的內(nèi)表面。此后，制造工藝按上述方式繼續(xù)進(jìn)行。
所申請(qǐng)的元件12是設(shè)計(jì)來(lái)用作在一個(gè)控制或處理少量液體的系統(tǒng)內(nèi)的、尤其是在受電子控制操作的自動(dòng)分析儀內(nèi)的部件。這樣，適當(dāng)連接于基本上按同一方法制造的其它元件的這一元件，可構(gòu)成大設(shè)備總成的部件。然而，即使由與少數(shù)帶有閥的流道連通的液體空間組成的簡(jiǎn)單元件也可足以作為一種儀器來(lái)完成對(duì)少量液體的某些操作。
本發(fā)明的不同實(shí)施例并不限于上述一些例子，它們可以在下列權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)變化，這對(duì)于精通本技術(shù)領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。例如在一個(gè)按圖11所示制造的元件里，液體空間8可通過(guò)和用作連接于閥10相同類(lèi)型的設(shè)有一加熱電阻18的橋17直接連于一冷卻器25。在此情況下，該空間內(nèi)的溫度能被調(diào)節(jié)，以便能使該空間用作一保溫腔，而橋17的端頭如和圖10一起說(shuō)明的那樣，借助于銦可被連接于包圍液體空間8的紫銅層7。也可能用一些具有相當(dāng)?shù)蜔崛萘康钠渌褪降膫鞲衅鱽?lái)代替用作溫度傳感器的熱電偶，例如熱敏電阻。此外，可用諸如鎳的適當(dāng)材料來(lái)制造安裝在橋17內(nèi)的加熱電阻18，這樣能使該電阻器用作溫度傳感器。
權(quán)利要求
1.為操作少量液體的系統(tǒng)制造一種可加熱和可致冷元件(12)的方法，所述元件設(shè)有流道(11)和至少一個(gè)與所述流道連通的液體空間(8)，所述元件在一些位置上(9、10)按其功能連接于致冷器(25)和加熱器(18)，其特征在于元件(12)是通過(guò)利用作為沉積基底的可排除模子(1)、沉積一種或多種金屬材料使所沉積的金屬形成元件的外殼(5、7)、排除模子、并在所述位置(9、10)上把外殼連接于一致冷器(25)和一加熱器來(lái)制造的，該產(chǎn)品是這樣完成的，在元件外殼已被連接到一致冷器和一加熱器的部位上所獲得的結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)基本上超過(guò)鄰近所述部位的外殼區(qū)域的傳熱系數(shù)。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述元件是利用電成形方法制成的。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述元件是利用自動(dòng)催化化學(xué)還原制造的，其中至少一種金屬材料從某一液相被還原并沉積。
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述元件是利用化學(xué)氣化物沉積制成的，其中至少一種金屬是從氣相還原和沉積的。
5.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述元件是利用陰極濺鍍制造的，其中金屬材料在一真空腔內(nèi)被離子化，并通過(guò)電壓被吸引到一模子上。
6.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該方法采用蒸發(fā)技術(shù)，其中金屬材料在一腔內(nèi)蒸發(fā)并能沉積在處于該腔內(nèi)的一個(gè)模子上。
7.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于元件的外殼(5、7)是在兩個(gè)階段內(nèi)形成的，首先把第一層金屬沉積于模子(1)的整個(gè)表面，然后把第二層金屬僅沉積于第一層上要被連接到一加熱器(18)和一致冷器(25)的一些部位上。
8.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于在第一沉積階段后，在可加熱和可致冷部位(9、10)之外的區(qū)域被覆蓋一保護(hù)涂層(6)，例如油漆，以防止在下階段內(nèi)金屬沉積于這些區(qū)域。
9.按權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于在第二階段中，所沉積的金屬層大致上比在第一階段中沉積的要薄。
10.按權(quán)利要求7-9中任一條所述的方法，其特征在于在第一階段中沉積的金屬，例如鎳，比在第二階段中沉積的金屬，例如紫銅具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)。
11.按權(quán)利要求7-10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在第一沉積階段后，模子(1)被排除。
12.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于它采用一可溶模子(1)，在結(jié)構(gòu)上至少部分是空心的，通過(guò)借助一溶劑流來(lái)把它排出。
13.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于模子(1)是由鋁制成的，用于排除它的溶液是一種堿溶液。
14.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于元件(12)的外殼(5、7)經(jīng)一桿形或板狀橋(17)被連接于一致冷器，這一橋由諸如紫銅材料制造，具有高的導(dǎo)熱系數(shù)。
15.按權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于橋(17)按這樣方法設(shè)置一絕緣電阻(18)，使該橋也能用作一加熱器。
16.按權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于通過(guò)把一適當(dāng)量的易熔金屬(2)，如銦，沉積到元件的外殼(7)上，然后熔化它，因而材料(22、23)將該橋的端部和外殼熔合在一起，使橋(17)和該元件連接。
17.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于元件(12)設(shè)置一可加熱的可致冷區(qū)(9)，至少在一個(gè)方向上它窄到足以允許它作為一個(gè)借助于冷凍其間的液體來(lái)阻斷流道(11)的閥。
18.按權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于閥(9)是通過(guò)這樣方式壓扁一桿形模子(1)來(lái)制成的，在金屬層沉積并排除模子后，結(jié)果是在模子壓扁區(qū)內(nèi)的金屬外殼(5)中的流道內(nèi)有一窄槽(14)。
19.按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于桿形模子(1)沿相對(duì)于模子縱軸線(xiàn)方向大約成20-60°的方向被壓扁。
20.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述方法制成的被設(shè)計(jì)來(lái)用于操作少量液體的元件(12)，包括一些流道(11)和至少一個(gè)和這些流道連通的液體空間(8)，所述元件在一些部位上(9、10)按功能連接于一致冷器(25)和一加熱器(18)，其特征在于元件(12)包括一組流道和一個(gè)或多個(gè)由大體具有若干空心部分的整體金屬殼(5、7)密封的液體空間，所述殼在若干部位(9、10)上連接于致冷器(25)和加熱器(18)，并且所述部位連同和致冷器及加熱器的接合處一起是這樣形成的，在這些部位的結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)顯著超過(guò)鄰近區(qū)域的導(dǎo)熱系數(shù)。
21.按權(quán)利要求20所述的元件，其特征在于在殼體連接于致冷器(25)和加熱器(18)的部位(9、10)的殼體(5、7)厚度顯著超過(guò)鄰近所述部位的區(qū)域內(nèi)的殼體厚度。
22.按權(quán)利要求20或21所述的元件，其特征在于元件(12)包括一個(gè)在元件整個(gè)表面上延伸的薄固體金屬殼(5)和在連接于致冷器(25)與加熱器(18)的部位(9、10)上由具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的不同金屬制成的另一殼層(7)。
23.按權(quán)利要求22所述的元件，其特征在于金屬殼(5)由鎳或鎳合金制成，而在可加熱與可冷卻部位(9、10)的第二殼層(7)是由紫銅制成的。
24.按權(quán)利要求20-23中任一項(xiàng)所述的元件，其特征在于元件(12)的外殼(7)通過(guò)由例如具有高導(dǎo)熱系數(shù)的紫銅材料制成的一桿形或板狀橋(17)連接于致冷器(25)。
25.按權(quán)利要求24所述的元件，其特征在于橋(17)按這樣方式設(shè)置絕緣電阻(18)，使橋也可用作一加熱器。
26.按權(quán)利要求24或25所述的元件，其特征在于橋(17)通過(guò)和一種例如銦(22、23)的易熔材料熔合連接于元件的外殼(7)。
27.按權(quán)利要求20-26任一項(xiàng)所述的元件，其特征在于元件(12)的可加熱和可致冷區(qū)(9)至少在一個(gè)方向上窄得足以允許它通過(guò)凍結(jié)其內(nèi)的液體來(lái)作為阻斷流道(11)的閥。
28.按權(quán)利要求27所述的元件，其特征在于閥(9)包括一條在流道(11)內(nèi)的槽，所述槽相對(duì)于該流道的縱向以大約20-60°的角度定向。
29.按權(quán)利要求27或28所述的元件，其特征在于閥(9、10)設(shè)有一個(gè)能監(jiān)測(cè)閥操作的溫度傳感器(24)。
30.按權(quán)利要求20-29任一項(xiàng)所述的元件，其特征在于元件(12)包括至少一個(gè)混合或保溫空間(8)，它連接于一致冷器并設(shè)置至少一個(gè)加熱器(18)以便使該空間內(nèi)液體溫度能得到調(diào)節(jié)。
全文摘要
操作少量液體的系統(tǒng)的可加熱和可致冷元件制造方法及由此法所制之元件，所述元件有流道和與所述流道連通的液體空間，并在適當(dāng)位置按其功能連接于致冷器和加熱器。該元件是利用作為沉積基底的可排除的模子來(lái)沉積一種或多種金屬材料使所沉積的金屬形成元件的外殼，再以溶解或熔融法排除模子，并把外殼連接于致冷器和加熱器而制成。該殼體的與加熱和致冷元件相連部位的導(dǎo)熱率高于殼體的其他部位。
文檔編號(hào)F25B29/00GK1057104SQ9010413
公開(kāi)日1991年12月18日 申請(qǐng)日期1990年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月2日
發(fā)明者尼以洛·卡丁倫 申請(qǐng)人:尼以洛·卡丁倫