医疗诊断与分析仪器领域的热管理解决方案

概述： 医疗诊断和分析仪器正趋向于小型化，这意味着更多废热需要从更小的空间内散去。热电制冷器组件（TEA）是一种紧凑、固态且不使用制冷剂的热泵，可有效解决这一问题。塔克热系统（Tark Thermal Solutions）升级版 Tunnel 系列能够以紧凑的外形提供超过 100 W 的制冷能力；搭配 SR-54 温度控制器使用时，可将温度设定点控制在 ±1°C 以内。典型应用包括免疫分析仪、临床生化分析仪、离心机、台式培养箱和液相色谱仪。

挑战：小型化带来的热管理难题

实验室工作台空间有限，因此 OEM 厂商不断将更多功能集成到尺寸更小的仪器中。随着更多电子元件被集成到更小的空间内，热密度随之增加，并带来了新的热管理挑战。必须高效管理废热，同时满足以下看似相互矛盾的要求：

• 提高单台仪器的性能
• 降低功耗
• 降低运行噪音

而所有这些功能都必须集成在尺寸更小的机箱内。仅仅采用更大的风扇和散热器已经无法满足这些要求。

对于需要特定反应温度的仪器，以及台式培养箱、实验室离心机、色谱系统和临床生化分析仪而言，制冷系统已不再只是产品设计中后期考虑的热管理问题。它会直接影响设备的外形尺寸、功率预算和检测准确性。

热管理技术

大多数热管理解决方案可以分为两类：

• 被动制冷：仅通过传导和对流进行热量传递，例如采用散热器、风扇和热界面材料。被动制冷只能将设备温度降低至环境温度，因此仅适用于环境温度本身已经足够低的应用。
• 主动制冷：使用热泵将温度降低至低于环境温度。主要有两种技术方案：蒸汽压缩制冷（传统压缩机制冷）和热电制冷（基于帕尔贴效应的固态制冷）。

精确温度控制的重要应用

自动血液分析仪和离心机。 此类设备广泛用于医疗、法医和生物科学实验室。低温有助于延长试剂使用寿命。过去，这些设备通常采用压缩机制冷或循环冷水机；而现代系统正逐渐转向热电制冷技术，以便在更小的空间内实现更好的性能。

免疫分析仪和临床生化分析仪。 医院和中心实验室使用此类设备进行疾病诊断和监测以及药物检测。它们利用化学反应以及光度法、比色法和电位法等测量技术，对患者体液样本中的葡萄糖、胆固醇、蛋白质和酶等物质进行定量分析。免疫分析仪则专门通过抗体与抗原反应测量目标物质的浓度。

这两类分析仪都依赖储存在设备内部的试剂。为了延长试剂的保存期限，试剂储存室通常需要保持在 4°C～8°C。热电制冷器组件可以直接替代过去用于这一用途的压缩机制冷系统。

液相色谱（LC/HPLC）。 液相色谱广泛用于制药、食品科学以及石油和天然气研发，用于分离、识别和定量分析混合物中的不同成分。热电制冷技术主要应用于高效液相色谱（HPLC）仪器中的两个位置:

1. 样品储存室的温度控制（制冷和加热）
2. 分离柱的加热和制冷

根据混合物的不同，典型温度控制范围为 4°C～40°C。热负载通常为 20 W～100 W；但新一代高通量 HPLC 设备可能需要高达 200 W 的制冷能力。采用多个独立温控样品室的设计也越来越普遍，从而进一步增加整个系统的热负载。

解决方案：塔克热系统升级版 Tunnel 系列热电制冷器组件

热电制冷器组件将帕尔贴热电模块与热交换器、风扇和导流结构集成在一起。施加直流电后，一端制冷，而另一端将热量散出。整个过程无需制冷剂和压缩机，除风扇外没有其他运动部件。

塔克热系统扩展了 Tunnel 系列产品，以满足更高制冷能力的应用需求。此前 Tunnel 系列热电制冷器组件的最高制冷能力为 30+ W；如今，升级版 Tunnel 系列的制冷能力已超过 100 W，足以满足更大试剂储存室和样品储存室的制冷需求。

节省空间的 Tunnel 系列热电制冷器组件可为分析仪器和医疗设备提供紧凑、高效的制冷性能。
 

Tunnel 系列规格

• 制冷能力： 超过 100 W（升级配置）
• 输入电压： 12 V 或 24 V DC
• 传热方式： 空气到空气或直接到空气
• 气流设计： 采用气流横向流过散热器的设计，而不是传统的撞击流方式，从而减少机箱内部所需的气流路径数量——这对于空间有限的设备尤为重要
• 热电模块： 针对高制冷效率和更高可靠性进行了优化
• 结构特点： 采用低噪音风扇、增强型防潮密封设计，与传统热电制冷器组件相比具有更高的整体效率

交叉流气流设计是实现紧凑外形的关键。更少的气流路径意味着设计人员在确定组件在仪器内部的安装位置和布局方式时拥有更大的自由度。
 

精确温度控制：PR-59 温度控制器

搭配先进的 PR-59 系列温度控制器，热电制冷器组件可实现 ±1°C 的温度控制精度。该控制器只需极少的编程设置，即可轻松安装在热电制冷器组件或系统外壳上。

PR-59 等温度控制器通过可配置的控制方式（例如 PID、ON/OFF 或功率控制）实现准确的双向温度调节，从而对热电制冷系统进行控制。控制器可实时监测并调整温度参数，实现高温度稳定性（±0.05°C）以及低至 0.01°C 的精细分辨率，这对于医疗诊断、分析仪器和光子系统等应用尤为重要。

通过支持多种传感器类型（例如 NTC 或 PT1000）、可编程温度设定点以及用于热电模块、风扇和报警功能的集成输出，这些控制器可使热电制冷器组件作为完全集成的独立热管理解决方案，在宽广的工作温度范围内运行（典型范围为 -20°C～+100°C）。
 

Tark Thermal Solutions’ PR-59 Series temperature controller

为什么此类仪器更适合采用热电制冷器组件，而不是压缩机制冷？

• 外形紧凑 —— 对于此类仪器实际所需的制冷能力而言，尺寸远小于压缩机制冷系统
• 固态结构 —— 除风扇外没有其他运动部件，因此易损部件更少
• 无需制冷剂 —— 不涉及含氟气体（F-gas）相关法规要求
• 可任意方向安装 —— 为机箱内部布局提供更高灵活性
• 精确温度控制 —— 在制冷和加热模式下均可实现更高的温度设定点稳定性
• 更快的升降温速率
• 更低的运行噪音
• 更高的可靠性和更长的 MTBF（平均故障间隔时间）

主要规格一览

结论

对于免疫分析仪、临床生化分析仪、离心机和 HPLC 系统而言，将温度制冷至低于环境温度至关重要。即使很小的温度波动，也可能影响检测结果，并缩短试剂和样品的使用寿命。

塔克热系统升级版 Tunnel 系列热电制冷器组件搭配 PR-59 温度控制器，可提供这些仪器所需的温度稳定性、防冷凝保护、紧凑外形和高可靠性，同时其整体设计能够满足现代实验室设备日益严格的空间限制要求。