96孔生化樣品處理臺的溫度均勻設計與優化

朱 杰，高貫虹,2

ZHU Jie1，GAO Guan-hong1,2

（1.常州大學，常州 213000；2.常州福生生物技術有限公司，常州 213000）

0 引言

隨著醫學技術、醫療檢測儀器的發展，生化樣品處理臺，在臨床檢驗、自動化生化分析中扮演著越來越重要的角色。目前國內使用的生化樣品處理臺主要依靠進口[1]，對生化樣品處理臺的研究也較少。我們所設計的生化樣品處理臺分布有96個樣品池，分成12排8列的格局均勻排布。生化樣品處理臺需要穩定的溫度保證，96個樣品只有統一在特定的溫度下才能保證生化樣品處理結果的可靠性。

近年來國內對于溫度均勻化設計的研究已經有了初步的發展。傅承陽[2]等提出的在“溫度低谷”通過加熱器熱量補償來提高溫度場均勻性的方法，使得溫差從超過20℃降低至6.5℃。花丹紅[3]等利用移動最小二乘法擬合熱管功率參數與加熱板溫度差值，使得加熱板溫度場溫差將至3℃。我們的生化樣品處理臺設計要求在5分鐘內將96份樣品試劑均勻加熱到100℃，溫度精度和樣品間溫度一致性控制在±1℃以內。

圖1 生化樣品處理臺的3D模型

1 加熱板的結構設計

整個生化樣品處理臺的設計模型如圖1所示。為了試管內生化樣品能夠快速的被加熱并且達到設定的目標溫度，我們將借助有限元仿真和實驗相結合的方法，針對設計模型進行分析、熱力學仿真和優化，最終得到符合要求的加熱板結構。

受限于處理臺的大小和結構要求，加熱板的物理尺寸為：長264mm，寬162mm，高20mm。表面均勻分布有96個樣品池。考慮到樣品池的試劑要在5分鐘以內達到100℃的高溫，生化樣品處理臺整體采用鋁合金材料制造。鋁合金具有中等強度，優良的機加工性能，是廣泛應用的工業結構件材料。鋁合金的導熱性能優越，處理臺能夠快速均勻的被加熱到指定溫度。

2 加熱板的加熱方式

普通儀器通常采用電阻絲在加熱板底部盤繞的方式加熱[4]。電阻絲加熱主要依靠一根較長的電阻絲彎曲盤繞提供穩定功率，控制簡單。由于加熱板表面積比較大，有一定的厚度，加熱板的溫度通常分布不均勻，一般中心溫度聚中，周邊散熱快[4]。通過改變電阻絲布局的疏密程度，可以合理的優化加熱板的溫度分布，實際工程中，電阻絲的盤繞受制于高密度規則排列的96個樣品池，優化實施困難。

我們采用加熱棒作為加熱元件。利用相同功率加熱棒的不等距排布，得到均勻溫度分布的加熱板。考慮到基于96個樣品池排布的長方體加熱板上加熱棒的安裝的方便性以及盡可能的避免與空氣接觸導致散熱大等問題。圓柱形加熱棒從加熱板側面插入。加熱棒尺寸為直徑6mm、長度50mm。在加熱板的每側等距各有13個圓孔，兩側一共26個圓孔，每個孔可插入一根加熱棒。基于處理臺的體積，5分鐘內從室溫加熱到100℃大約需要800W的輸入功率。

為了實現加熱板快速的到達設定的目標溫度，并且具有均勻的溫度場分布，我們對處理臺主體進行熱仿真分析，來優化加熱板側面加熱棒的空間分布方案。

3 有限元分析和優化

3.1 熱分析仿真實驗

溫度是熱分析中的基本未知量，我們的裝置中主要有傳導和對流兩種熱傳遞方式[5]。

處理臺的金屬材料通過自由電子傳遞熱能，熱量的傳遞從高溫區傳送到低溫區。熱導率是材料傳導熱能的重要屬性，熱量的大小與介質的厚度L成反比關系。

對流是存在于我們儀器中的另外一種主要傳熱模式，固體表面與附近流體間的傳熱的大小與下列因素成正比：對流系數h、表面積A、表面與周圍氣體之間的溫差，即：

為了更好的協助優化設計，我們模擬處理臺加熱板從室溫加熱到100℃的溫度場分布變化過程。并利用SolidWorks 的Simulation模塊來進行這個瞬態熱分析。

假定在熱源啟動前，裝配體所有部件的溫度都是298K（25℃）。在時刻t=0s處，熱源開始啟動，加熱板產生800W功率的熱量。

求解類型設置為（瞬態）[6]。模擬加熱的總時間為300s，時間增量是300s。使用Direct Sparse求解器求解[6]。瞬態分析執行模擬加熱300s的時間，300s后保存仿真數據。

定義加熱板和處理臺主板接觸面的相觸面組，20mm厚的鋁合金加熱板材料（AL6061）的傳熱系數（K）大約是8500W/（K·m2）。分布熱阻是傳熱系數的倒數：1/8500=1.176×10-4（K·m2）/W。在類型欄中選擇熱阻選項并且激活，選擇分布熱阻，輸入1.176×10-4（K·m2）/W（單位面積下的熱阻）。

在熱載荷的溫度選項中定義初始溫度25℃。選擇所有的裝配體組件：加熱板和處理臺主板。

定義裝配體的對流，在熱載荷選項中選擇對流選項，選取裝配體所有的外表面（除了被熱阻定義的兩板相接部分）。為選中的面指定對流系數為20W/（k.m2），此對流系數描述的是空氣的自然對流。

現在已經定義了仿真開始后熱量進入模型的方式。通過定義對流，也確立了熱量從模型中流失的機理。

最后通過劃分網格、運行分析得到最初始裝配體方案的熱力圖解。

圖2 最初始裝配體方案的加熱棒分布和熱力圖解

顯然，加熱板每側均勻分布13根加熱棒的初始方案熱力圖解不理想，兩側中間邊緣部分熱量過于集中，以輻射狀態向周圍散開，逐步降溫；加熱板中部溫度明顯高于左右兩邊緣溫度。

3.2 加熱實驗對比

根據所設計的3-D模型機加工加熱板和生化樣品處理臺其他部件，組裝成初始處理臺，并在其上進行了加熱實驗。

具體實驗中為避免測量誤差。首先，我們在同一個相對密閉空調房維持25℃的室溫做實驗，以消除每天的室溫高低差異，空氣的流動速度不一樣對實驗的影響；其次，試劑管中的傳感器是手工安裝的，安裝位置的偏差直接影響溫度的響應時間，因此，每組實驗后，需要檢測溫度數據不合理性，如有異常，則重新安裝測量。

實驗中，我們采用了PID控制算法來控制加熱棒的電流，使處理臺能最終穩定在設定的目標溫度上。

我們給生化樣品處理臺加熱5分鐘。選取24個樣品池作為溫度采樣對象，儀器加熱5分鐘，平均每隔一分鐘采集一次溫度，記錄在表格中。得到如表格1的實驗數據。數據直觀的表現了加熱板1/4局部面積的溫度分布狀況，由于中心對稱，加熱板其余面積與我們采樣的1/4采樣面積溫度分布理論上相同。從表格中可以看出，此時的加熱板表面溫度分布不均勻，溫差也大，達到2.4℃，和仿真結果相似。所以，我們需要對加熱板進行進一步的優化設計。

圖3 采樣點的選擇

表1 1/4采樣面積的溫度分布表

3.3 X方向優化

就一側加熱棒來說，我們假設這側為X方向，X方向中間溫度高，兩邊溫度低。根據前述的仿真與實驗數據，如果抽去中間段加熱棒，降低中間段加熱單元的密度，相應的增加兩邊的加熱密度，應能改善X方向均勻加熱的效果。如下圖所示，我們分別的在加熱板的兩側間隔的抽去總共10根加熱棒，兩側兩端又分別鄰近的布置兩根加熱棒，現在整個加熱板一共分布16根加熱棒。

在其他邊界條件不變的情況下，我們運行熱力分析，得到新的熱力圖解。新的熱力圖解圖4可以看出，X方向的溫度分布均勻度較之前有明顯改善。

3.4 Y方向優化

從X方向優化后的熱力分析圖解中可以看出，中間兩橫排樣品池溫度明顯較其他橫排樣品池溫度低。我們需要進一步調整加熱棒的Y軸位置，來均勻整個加熱板的溫度場。通過測量溫度云圖，進一步更改加熱板的物理模型結構，將加熱棒的插入孔深度Y方向延長15mm，理論上可以達到更好的溫度分布。

圖4 X方向優化后的加熱棒分布圖和熱力分析圖解

經過一系列的X方向和Y方向的優化和仿真模擬，得到了如圖5所示的加熱板溫度分布相對最均勻的溫度分布云圖，實際溫度差是否滿足我們的實際要求，我們需要進一步實驗驗證。

圖5 Y方向優化后的加熱棒分布圖和熱力分析圖解

4 實驗與驗證

按照仿真結果（如圖5所示）修改加熱棒的布局，重組實驗平臺，并設置和仿真過程一致的實驗條件，進行加熱實驗。我們還是取加熱板1/4的面積采樣，由于中心對稱，其余面積與我們采樣的1/4面積理論上溫度分布一致。

最終實驗數據如表格2所列，實驗結果取在處理臺加熱300s后的那個瞬間，測得的加熱板的24個溫度點，最大溫差相差1.8℃，達到我們的設計要求范圍。

表2 1/4采樣面積的溫度分布表

5 結束語

經過有限元熱力模擬、分析、優化后的，按特定空間分布的加熱棒陣列來加熱96孔生化樣品處理臺，能大大提高加熱過程中96孔溫度的均勻性，使之在被加熱到100℃時，溫差達到±1℃的要求。

[1]劉克平,曹書權,李巖.基于 ARM9 的高精度生化分析儀溫度控制系統設計[J].工業控制計算機,2008,7:044.

[2]傅承陽,李迎光,李楠埡,等.飛機復合材料制件熱壓罐成型溫度場均勻性優化方法[J].材料科學與工程學報,2013,31(2).

[3]花丹紅,李金國,樓勇,等.基于移動最小二乘法的橡膠注射模加熱板溫度場優化設計[J].模具工業,2012,38(9):17-20.

[4]魏銀文,朱磊,高貫虹.基于 SolidWorks 96 孔薄膜熱封板溫度場模擬與優化設計[J].包裝工程,2013,17:003.

[5]Kawase Y,Ichihashi T,Ito S.Heat analysis of thermal overload relays using 3-D finite element method[J].Magnetics,IEEE Transactions on,1999,35(3):1658-1661.

[6]羅群生,史光梅,李明海.有限元熱分析中空氣夾層傳熱處理方法及其驗證[J].包裝工程,2011,23:035.