(57)【要約】マイクロプレートまたは反応ウェルもしくは試料受け口のアレイを備える任意の薄壁プレートのウェルにおける迅速かつ一様な温度変化が、素子とマイクロプレートとの間に介挿されたベイパーチャンバーと共に加熱素子および冷却素子を使用することにより達成される。ある特定の態様における、ベイパーチャンバーの上面と試料プレートの裏面は、相補的な形状であり、すなわち、それらは、各試料受け口の周囲のエリアにおいて、同一であるが逆方向性の外形を有しており、各受け口の表面に沿って連続的な表面接触を提供する。他の態様では、ウェルプレートの裏面に対して相補的な形状の上面を有する中間プレートが、ベイパーチャンバーとウェルプレートとの間に設置される。2014518758.tif 000003
2014518758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の試料受け口を備える試料プレートと、
部分的に蒸発した作動流体を中に含む単一の内部空洞を有する中空体であって、該空洞の壁部と全ての該試料受け口の壁部との間に伝導性熱伝達を生じるように配置されている、中空体と、
該作動流体の蒸発および凝縮を生じるための、該空洞内における、該作動流体を制御可能に加熱するための手段、該作動流体を冷却するための手段、またはその両方と
を備える、試料受け口のアレイにおけるサーマルサイクルのための装置。
【請求項２】
前記試料受け口が、ウェルを連結するデッキ部分をさらに備えるマルチウェルプレートのウェルであり、該ウェルが該デッキ部分から下方向に延びる裏面を有し、前記中空体が、前記空洞の壁部と該ウェルの該裏面との間に伝導性熱伝達を生じるように配置されている、請求項1記載の装置。
【請求項３】
前記試料受け口がマイクロ流体デバイスのチャネルである、請求項1記載の装置。
【請求項４】
前記中空体が、凹部を備える上面を有し、該凹部が、ウェルを受け入れるように、したがって該凹部を該ウェルの裏面と直接的かつ連続的に接触する状態に置くように、間隔が空けられかつ形作られている、請求項2記載の装置。
【請求項５】
マルチウェルプレートと前記中空体との間に介挿された熱伝導性中間プレートをさらに備え、該中間プレートが、凹部を備える上面を有し、該凹部が、ウェルを受け入れるように、かつその際に該ウェルの裏面と直接的かつ連続的に接触するように、間隔が空けられかつ形作られ、該中間プレートが、該中空体と伝導性熱伝達接触状態にある、請求項2記載の装置。
【請求項６】
反応ウェルの裏面の形状が円錐形または円錐台形のいずれかである、請求項2記載の装置。
【請求項７】
前記中空体の内部空洞が、実質的に平坦な床を有し、前記凹部が、該空洞の内部に、該平坦な床と接触する裏面を有する、請求項4記載の装置。
【請求項８】
凝縮された作動流体の、空洞の表面上での分散を促進するために、空洞内にウィッキング手段をさらに備える、請求項1記載の装置。
【請求項９】
前記作動流体を制御可能に加熱するための手段が抵抗加熱器を含む、請求項1記載の装置。
【請求項１０】
前記作動流体を制御可能に加熱するための手段、該作動流体を冷却するための手段、またはその両方が、熱電式モジュールを含む、請求項1記載の装置。
【請求項１１】
前記作動流体を制御可能に加熱するための手段が抵抗加熱器を含み、かつ該作動流体を冷却するための手段が熱電式モジュールを含む、請求項1記載の装置。
【請求項１２】
熱電式モジュールが、制御可能な熱的結合によって前記中空体に熱的に結合されている、請求項10記載の装置。
【請求項１３】
制御可能な熱的結合が強磁性流体である、請求項12記載の装置。
【請求項１４】
制御可能な熱的結合が、冷却素子と前記中空体との間に介挿された熱伝達流体の本体と、熱伝達流体の該本体を上昇および下降させる手段とを備える、請求項12記載の装置。
【請求項１５】
制御可能な熱的結合が、冷却素子と前記中空体との間に介挿された熱伝達液の本体と、熱伝達液を該中空体に向かって噴霧するための手段とを備える、請求項12記載の装置。
【請求項１６】
事前に選択された温度シーケンスを通じた、複数の反応混合物のサーマルサイクルのための方法であって、
(a)該反応混合物を、複数受け口試料プレートの個々の試料受け口に入れる工程；
(b)単一の内部空洞の壁部と全ての該試料受け口の壁部との間の伝導性熱伝達を促進するために、該複数受け口試料プレートを、部分的に蒸発した作動流体を中に含む単一の内部空洞を有する中空体との熱的接触状態に置く工程；および
(c)該事前に選択された温度シーケンスを該反応混合物において達成するために選択されたタイミングシーケンスおよび温度プロトコルに従って該作動流体を蒸発および凝縮させるために、それぞれ、該作動流体を加熱および冷却する工程
を含む、前記方法。
【請求項１７】
試料プレートが、前記試料受け口を連結するデッキ部分をさらに備え、反応ウェルが、該デッキ部分から下方向に延びる裏面を有し、前記中空体が、該反応ウェルを受け入れるように間隔が空けられかつ形作られている凹部を有すると同時に、該反応ウェルの該裏面との直接的かつ連続的な接触を提供し、工程(b)が、該直接的かつ連続的な接触を達成するために、マルチウェルプレートを該中空体と接触する状態に置くことを含む、請求項16記載の方法。
【請求項１８】
工程(c)が、制御可能な熱的結合により前記中空体に接触している熱電式モジュールによって作動流体を冷却することを含む、請求項16記載の方法。
【請求項１９】
前記中空体が床を有する方法であって、凝縮された作動流体を、該作動流体を冷却する際にウィッキング手段によって該床に向けて吸引する工程をさらに含む、請求項16記載の方法。
【請求項２０】
試料プレートと前記中空体との間に熱伝導性中間プレートを介挿する工程をさらに含み、該中間プレートが、試料受け口の裏面および該中空体の両方との直接的かつ連続的な接触を提供する、請求項16記載の方法。
【請求項２１】
前記内部空洞の下面が実質的に平坦であり、前記凹部が、該空洞の内部に、該平坦な下面と接触する裏面を有する、請求項17記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、2011年5月6日に出願された米国特許仮出願第61/483,439号の恩典を主張するものであり、当該仮出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【０００２】
1.発明の分野
本発明は、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)を一例とする、逐次化学反応に関する。特に、本発明は、多数の反応混合物において同時に化学反応を実施し、かつ各混合物において当該反応を独立して制御するための方法および装置を対象とする。
【背景技術】
【０００３】
2.先行技術の説明
PCRは、手順における異なる段階の間において迅速な温度変化を伴う、反応混合物の高水準の温度制御を必要とする化学プロセスの多くの例の1つである。PCR自体は、DNAを増幅するためのプロセス、すなわち、DNA配列を有する一本鎖からの当該配列の多数コピーを製造するためのプロセスである。PCRは、通常、多数の反応容器、例えば、ウェル、チューブ、毛細管など、において、試薬移送、温度制御、および生成物の光学的検出を提供する器具において実施される。当該プロセスは、温度に敏感な一連の段階を含み、異なる段階は、異なる温度において実施され、ならびに当該温度シーケンスは、連続サイクルにおいて繰り返される。
【０００４】
PCRは、任意の反応容器において実施することができるが、マルチウェル反応プレートおよび複数のチャネルを備えるマイクロ流体デバイスは、多くのDNA鎖を同時に複製することができる最適な反応容器である。多くの用途において、PCRは、「リアルタイム」に実施され、反応混合物は、反応媒体中において蛍光標識種からの光を検出することにより、プロセス全体を通して繰り返し分析される。他の用途では、別の増幅および分析のために、媒体からDNAが回収される。多数試料のPCRプロセスにおいて、好ましい配置は、各試料が、マルチウェルプレートの1つのウェルまたはマルチチャネルマイクロ流体デバイスの1つのチャネルを占有し、当該プレートまたはマイクロ流体デバイスにおける全ての試料が、当該プロセスの各段階において、共通の熱環境へと同時に均衡化されるものである。
【０００５】
例えば、各ウェルに試料の入った96ウェルマイクロプレートを使用する場合、通常、当該プレートは、ペルチェ加熱/冷却装置によって、またはブロック中に機械加工されたチャネルを通って熱伝達流体が循環する閉ループ液体加熱/冷却システムによって加熱および冷却される金属ブロックに接触するように設置される。しかしながら、一般的に、全てのウェルまたはチャネルにわたって一様である迅速な温度の変化は、依然として達成することが困難である。
【発明の概要】
【０００６】
マイクロプレートのウェルに、または個々の試料受け口のアレイを収容する任意のプレートもしくはデバイスに保持される反応系において、迅速に温度を変化させる必要性に対処するために、本明細書において開示される様々なデバイスおよび方法は、当該ベイパーチャンバーでの作動流体の蒸発および凝縮を可能にするかまたは誘導するための、当該プレートまたはデバイスの下のベイパーチャンバー、ならびに加熱素子、冷却素子、またはその両方の設置を伴う。当該ベイパーチャンバーは、作動流体の加熱された蒸気、および冷却時には当該蒸気の凝縮との接触が、ベイパーチャンバーの壁部と試料受け口の壁部との間の伝導性熱伝達により、それぞれ、各試料受け口の内容物に熱を伝達し、および内容物から熱を奪うように配置される。本発明のある特定の態様において、ベイパーチャンバーの上部は、当該受け口の裏面と直接接触しており、その一方で、他の態様では、中間プレートが、受け口の裏面とベイパーチャンバーの上部との間に設置されている。受け口がウェルでありかつベイパーチャンバーとウェルが直接接触している態様において、ベイパーチャンバーの上面は、ウェルを受け入れるように、かつ凹部がウェルと直接的かつ連続的に接触する程度にウェルの裏面に外形が一致するように形作られかつ間隔が空けられている凹部を有する。中間プレートが具備される態様では、当該中間プレートは、その上面に凹部を有し、当該凹部は、試料受け口を受け入れるように、かつ試料受け口と外形が一致し、それと同時に当該プレートの下面の外形がベイパーチャンバーの上面との最大接触を提供するように形作られかつ間隔が空けられている。中間プレートが使用される多くの場合において、当該中間プレートの底面およびベイパーチャンバーの上面は、構成の便利さと低コストのために、両方とも平坦である。全ての態様において、すなわち、中間プレートを使用する場合および使用しない場合の両方において、単一のベイパーチャンバーが、複数の試料受け口への、および試料受け口からの熱伝達を制御するように配置され、多くの場合、全ての受け口、例えばマイクロプレートもしくは他のマルチウェルプレートのウェルまたはマイクロ流体デバイスの全てのマイクロチャネルなどは、受け口の間での一様かつ迅速な温度変化を達成するために、様々な受け口の間でヒートスプレッダおよび冷却スプレッダとして機能する。あるいは、単一のベイパーチャンバーは、ウェルプレートまたはマイクロ流体デバイスのあるセクションへの、およびあるセクションからの熱伝達を提供することができ、当該セクション自体は、複数のウェルまたはチャネルを収容しており、したがって、当該ベイパーチャンバーは、それが熱的に接触している全てのウェルまたはチャネルの間で熱的効果を伝播させる。
【０００７】
ベイパーチャンバーの壁部が試料受け口の壁部に直接接触している場合、最良の結果は、接触面の外形が、湾曲において同一である(平坦な表面の場合は湾曲を含まない)が反対方向に湾曲している場合に達成されるであろう。したがって、マルチウェルプレートのウェルの場合、当該ウェルの裏面に一致するベイパーチャンバーの表面は、当該ウェルの裏面と、またはウェル内の反応混合物の典型的な(または予想される範囲の)深さを包含するであろう高さまで当該ウェルの少なくとも側壁の一部と、直接的で連続的な接触を達成するであろう。
【０００８】
作動流体の蒸発および凝縮は、外部的に制御される、すなわち、ベイパーチャンバーの外側から電源をオンオフされ、場合によっては調整される、加熱素子、冷却素子、またはその両方を使用することによって、当該流体を加熱および冷却することにより達成される。ある特定の態様において、ベイパーチャンバーの内部のウィック構造は、作動流体の動きを高め、特に凝縮の際に、凝縮された流体が反応ウェルから移動して離れるのを促進する。ある特定の構成では、可変で独立した制御可能な熱的結合手段が、加熱素子とベイパーチャンバーとの間に、または冷却素子とベイパーチャンバーとの間に、またはその両方に介挿される。
【０００９】
これらの構成およびさらなる変法については、下記においてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実践形態の一例のある特定の特徴を示す、ウェルプレート、ベイパーチャンバー、ならびに加熱素子および冷却素子の組み合わせの断面図。この図におけるウェルプレートは、見やすくするために、ベイパーチャンバーの上方に上げられている。
【図２】同様に本発明のある特定の態様の特徴を示している、ベイパーチャンバーならびに加熱素子および冷却素子、ならびに熱的結合構成要素の異なる配置と組み合わせた、図1のウェルプレートの断面図。
【図３】本発明のある特定の態様の特徴のさらなる例示としての、ベイパーチャンバー、加熱素子および冷却素子、ならびに制御可能な熱的結合のさらに異なる配置と組み合わせた、図1のウェルプレートの断面図。
【図４】本発明のある特定の態様の特徴のさらなる例示としての、ベイパーチャンバー、加熱素子および冷却素子、ならびに熱的結合の第4の異なる配置と組み合わせた、図1のウェルプレートの断面図。
【図５】ベイパーチャンバーが先行の図に示されるようなウェルプレートと直接接触している、本発明のさらなる態様の断面図。
【図６】ベイパーチャンバーとウェルプレートとの間に中間プレートが介挿されている、本発明のさらなる態様の断面図。
【図７】2つのベイパーチャンバーを組み入れた、本発明のさらなる態様の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
選択された態様の詳細な説明
本明細書において説明されるシステムのそれぞれにおいてある構成要素を形成するベイパーチャンバーは、作動流体を収容した閉じた内部空洞を有する中空体であり、当該空洞内での当該作動流体の蒸発および凝縮は、当該空洞から反応ウェルへ、または反応ウェルから空洞への熱の伝達を促進または加速するための手段として機能する。ベイパーチャンバーと試料受け口との間の熱接触は、多くの場合、試料受け口の裏面との直接接触よって、または中間プレートを介してのどちらかによって、ベイパーチャンバーの上面において生じる。これを達成するために、作動流体は、空洞内において液体および蒸気の両方の状態で存在するように、概して部分的に蒸発される。加熱された蒸気は、空洞内を上昇する傾向にあり、その際に、試料受け口の壁部と直接接触している空洞の壁部セクションの内側表面と接触する。それらの表面での蒸気の凝縮は、蒸気から熱を放出させ、当該放出された熱が当該壁部を通過して受け口内の反応混合物を加熱する。逆に、壁部での蒸発は、受け口から空洞内へと熱を奪い、これにより反応混合物が冷却される。
【００１２】
中間プレートを具備しないある特定の態様では、ベイパーチャンバーは、試料受け口に一致しかつベイパープレートの内部空洞内へと下向きに延びる、凹部のアレイを有するであろう。ベイパーチャンバーの構造的完全性および剛性は、下肢部がベイパーチャンバーの床に接触するほど、または床に融着されるほど十分な深さの凹部を使用することによって強化することができる。他の場合では、液体または蒸気の形態のいずれかにおいての作動流体の循環のための追加の空間を提供するために、凹部の下端とチャンバーの床との間にギャップが残される。中間プレートを具備する態様では、ベイパーチャンバーは、試料受け口に直接には接触しないため、平坦かまたは任意の他の外形の上面を有することができる。最も効率的な熱伝達のため、当該中間プレートは、ウェルの裏面に対して、およびベイパーチャンバーに対して、それぞれ、相補的な外形の上面および底面を有するであろう。
【００１３】
試料受け口がマルチウェルプレートのウェルである態様では、当該プレートは、概して、デッキ部分によって接続されたウェルの平面アレイを有する一体構造として設計され、当該デッキ部分は、多くの場合、全てのウェルの間で連続表面を形成する平坦な水平部分である。他の場合において、当該デッキ部分は、ウェブの網目構造であるか、ギャップを有する平坦な表面である。製造上の便宜のため、多くのウェルプレートは、それぞれのウェルのリブを囲む連続するデッキ部分を有しており、この場合、デッキ部分またはデッキとウェルとの間にギャップはない。多くの場合、当該ウェルは、デッキから下方向に延びており、凸状の裏面がデッキの下に延びているであろう。ウェルの形状は、幅広く変わり得る。例えば、それらは、半球状、楕円形、円錐形、円錐台形(すなわち、切端された円錐状)、円筒形、または四角形のものであり得る。円錐形状は、内部ウェル体積に対する外壁エリアの高い比率を提供し、したがって大きな熱伝達エリアを提供し、かつ各ウェルは、所望の場合は液体反応媒体が容易に空の状態となるので、ウェルの壁を通して加えられる温度変化に対する最大応答のために、円錐形状は特に興味が持たれる形状である。
【００１４】
中間プレートを用いない使用のために設計されたシステムの場合のベイパーチャンバーとウェルプレートとの間の接触、または中間プレートを用いる使用のために設計されたシステムの場合の中間プレートとウェルプレートとの間の接触は、ウェルプレートのデッキ部分を含んでいてもよいが、デッキ部分の包含は必要でない。したがって、多くの場合、反応ウェルの側部のみが、熱伝達のためにベイパーチャンバーまたは中間プレートと接触されるであろうし、多くの場合、接触の必要性は、各反応ウェルの側壁を上がる距離の部分のみに及ぶ。そのため、反応ウェルは、ベイパーチャンバーまたは中間プレートにおける対応する凹部よりも深くてもよい。例えば、各ウェル内に保持される反応媒体が、ウェルの一部のみを占有する場合は、熱伝達の必要性はウェル中の液体媒体の高さと同じ高さにおいて生じるため、そのような反応ウェルを備えるウェルプレートを使用することができる。そのため、例えば、凹部の深さは、場合によって、反応ウェルの1/3〜5/6の深さ、または1/2〜3/4の深さであってもよく、それでも、迅速かつ効果的な温度変化を提供することができる。
【００１５】
中間プレートが具備される場合、当該中間プレートは、どちらの方向にも熱伝達の速度を著しく低下させないであろうように、概して高い熱伝導性材料であろう。多くの場合、当該中間プレートは、安定性とウェルプレートおよびベイパーチャンバーの適切な配置とを増すために、強固な構成でもある。そのため、金属、例えば、銅、アルミニウム、およびそれらの合金が、中間プレートのための材料として特に有用である。
【００１６】
本発明のある特定の態様は、熱伝達をさらに加速するために、かつ全ての試料受け口の間での温度の一様性をさらに促進するために、2つ以上のベイパーチャンバーを具備する。例えば、2つのベイパーチャンバーの間に上記において説明したタイプの中間プレートを備えた状態で、当該2つのチャンバーを具備させることができる。下側ベイパーチャンバーは、その下に設置された加熱素子または冷却素子への、または当該素子からの熱伝達を提供することができる。
【００１７】
作動流体の制御可能な加熱ならびに制御可能な冷却は、生化学または化学の実験設備において一般的に使用されるタイプの通常の加熱および/または冷却素子によって達成することができる。抵抗加熱器およびペルチェ(熱電式)モジュールは、それらのサイズの小ささおよび局所的な効果により、特に便利である。当該加熱および/または冷却素子は、ベイパーチャンバーの側部、ベイパーチャンバーの下、または概して、従うべき特定のプロトコルのために迅速なまたは最適な速度の加熱および冷却が結果として得られるであろう任意の場所に位置することができる。一般的に冷却を加速させるための熱放散フィンまたはヒートシンクも、多くの場合、有用であろう。
【００１８】
最適な作動流体は、高い熱伝達を提供し、急速に蒸発および凝縮し、かつベイパーチャンバーの壁面上を容易に流れる流体である。したがって、高い潜熱、高い熱伝導性、低い液体粘度および蒸気粘度、ならびに高い表面張力を有する流体が有用であろう。多くの場合、重要なさらなる特性は、熱安定性、ウィックおよび壁材料の濡れ性、ならびに想到される作動温度範囲においての適度な蒸気圧である。これらの特性を満たす流体は、有機または無機であってもよく、最適な選択は、想到される温度範囲に応じて変わる。PCRシステムの場合、約50℃〜約100℃の有効範囲を有する作動流体、すなわち、大気圧において、室温(周囲温度)で液体でありかつ100℃でも液体である流体が、最も適切であろう。そのような例は、アセトン、メタノール、エタノール、水、トルエン、および界面活性剤を溶解させたこれらの液体のいずれかである。
【００１９】
部分的に蒸発した作動流体は、単独でベイパーチャンバーの空洞を占有することも、または温度サイクル全体を通してガス状のままである希釈ガスと混合することもできる。しかしながら、最も効率的な熱伝達は、多くの場合、非希釈作動流体によって達成されるであろう。ベイパーチャンバーは閉じたチャンバーであるため、作動流体の加熱および冷却は、圧力を変えることによって達成されるであろう。多くの場合、特に、作動流体が非希釈であるかまたは実質的に非希釈(すなわち、空洞中でのガス状作動流体分子の拡散速度に影響を及ぼさないほど少ない割合の希釈ガスによってしか希釈されていない)である場合、反応ウェル中の試料のために求められる温度サイクルの温度に適合するであろう温度において蒸発および凝縮を提供するであろう作動圧力範囲を選択することが有利であろう。当該空洞は、最初に、排気するかまたは部分的に排気することができ、作動流体は、蒸気形態で、または排気された空洞に入る際に蒸発する液体形態で加えられ、結果として生じる圧力は、導入される作動流体の量によって変わるであろう。200mmHg未満の排気、多くの場合100mmHg未満、またはさらに25mmHg未満の排気は、多くの場合有用であろう。サーマルサイクル中の作動圧力範囲は、低大気圧〜大気圧の範囲または超大気圧であり得るが、多くの場合、サイクル全体での圧力範囲は、低大気圧、例えば、200mmHg〜500mmHgなどのままであろう。なお、この段落において列記された全ての圧力は、絶対圧力である。
【００２０】
上述のように、本発明のある特定の態様は、ベイパーチャンバーにウィッキング手段またはウィック構造を具備する。当該ウィック構造は、ベイパーチャンバーの内部空洞の壁面の一部または全てにおける内張りであり得、冷却効果および加熱効果をチャンバーの空洞全体へ分配するための、ベイパーチャンバーの内部表面上での作動流体の流れに役立ち、そのため、チャンバーによる、したがって試料受け口における、温度変化に対する応答性および温度の一様性を向上させる。したがって、ウィック構造は、ベイパーチャンバー内での凝集物の流れを促進する。ウィック構造の例は、典型的には金属発泡体で作られる多孔性材料、フェルト、または様々な孔径のメッシュであり、全ての場合において、ベイパーチャンバーの内壁における内張りである。さらなる例は、繊維状材料、とりわけセラミック繊維または炭素繊維である。ウィック構造は、ベイパーチャンバーの壁部における軸方向溝の形態の毛細管、または樹枝状金属結晶、例えば、銅の樹枝状結晶などでもあり得る。
【００２１】
本明細書により提供される図面および下記の付随の説明は、試料受け口がマルチウェルプレートのウェルの場合のシステムを対象としている。試料受け口がマイクロ流体デバイスのチャネルである場合の構成も類似している。
【００２２】
図1に示される装置は、ベイパーチャンバー12の上方に上げられたウェルプレート11、ならびに加熱素子として機能する1対の抵抗加熱器13、14、冷却素子として機能する1対の熱電式モジュール15、16、および、熱電式モジュール15、16によってベイパーチャンバー12から熱を放散させるためのヒレ付きヒートシンク17を具備する。ウェルプレートの4つのウェル18だけが示されているが、ウェルプレート11は、通常、二次元アレイのウェルを備える任意のプレート、例えば、8×12の長方形アレイの96のウェルを有するマイクロプレートなどであり、しかし、より多くの数またはより少ない数のウェルを有するプレートも、しばしば使用される。当該ウェルプレートは、通常、薄い材料で作られており、熱伝導性が高く、多くの場合、消耗性の構成要素、すなわち、一回使用後に破棄されるものである。当該プレートは、下方向に延びているウェル18を除いて平面状である単一のシートで作製されており、当該ウェルの裏面22は、一般的に凸状である。図示されている例において、裏面は円錐台である。ウェルプレート11全体の下にあるベイパーチャンバー12は、ウェルプレートのウェル18と同じ空間的配置でウェルと相補的な形状の凹部24を備える上面23を有する。凹部24は、凸状ではなく凹状であることを除いて、ウェルの裏面22の円錐台と同一の円錐台を形成している。したがって、ウェルプレート11が、完全にベイパーチャンバー12上に下げられた場合、各ウェルとベイパーチャンバーとの間は完全に表面接触する。図示されている構成において、表面接触は、ウェル18においてだけでなく、ウェルの間におけるプレートの平坦な部分25、すなわちデッキ部分においても達成される。同様に効果的な構成は、上述のように、ウェルだけでなくデッキ部分においても連続的な表面接触が存在する構成である。
【００２３】
ベイパーチャンバー12は、空洞内部を有する完全に閉じたチャンバーである。作動流体は、液体状態の場合、チャンバーの床の上に、液面26が凹部24の下端より低い薄層を形成する。蒸発させると、作動流体は、蒸気となり、チャンバーの上側領域へと上昇して、凹部24の裏面28に接触する。チャンバーの内壁面には、ウィック構造29が内張りされている。
【００２４】
図1に示される装置は、ベイパーチャンバー12における対向するそれぞれの側部に1つずつ、2つの抵抗加熱素子13、14を具備しており、当該加熱素子の数および位置は重要ではなく、大きく変わり得る。加熱素子によって発生された熱の分散は、ウィック構造29によって達成され、当該ウィック構造は、加熱素子のいずれの選択および配置に対しても最大効率を提供するように選択することができ、かつベイパーチャンバー内に配置することができる。2つの熱電式モジュール15、16が下部に並べて配置されており、ベイパーチャンバーの底面30に接触している。加熱素子13、14と同様に、熱電式モジュールの数と位置は大きく変わり得、その一方で、ウィック構造を、それらの最大冷却効果をモジュールに提供するように選択および配置することができる。例えば、加熱素子はベイパーチャンバーの底面に接触するように位置し、その一方で、冷却素子は側部に接触するように位置するか、または加熱素子と冷却素子の両方が側部に位置するか、または両方が底部に位置することもできる。加熱素子は、図示されるような抵抗加熱を用いるものであってもよく、または、外部から制御され、電気信号などの命令に応答する任意の他の通常の加熱ユニット、例えば、冷却ではなく加熱するために配線された熱電式モジュールなどであってもよい。同様に、当該熱電式モジュールも、外部から制御され、命令に応答する、任意の他の通常の冷却ユニットで置き換えることができる。
【００２５】
加熱および冷却における変化は、加熱/冷却素子とベイパーチャンバーの外面との間に制御可能な熱的結合を介挿することによってより迅速に達成することができる。「熱的結合」は、加熱/冷却素子とベイパーチャンバーの壁部との間の熱エネルギーの通過を可能にする物質または構成要素を意味し、「制御可能な熱的結合」は、熱流を高速から低速へ、またはその逆へと自由自在に切り替えることができる熱的結合を意味する。したがって、当該装置が、温度サイクルの加熱フェーズにある場合、加熱素子における制御可能な熱的結合を、高速の熱伝達を生じる状態へと活性化させることができ、その一方で、冷却素子における制御可能な熱的結合は、熱伝達速度が比較的低い状態へと切り替えられる。
【００２６】
制御可能な熱的結合を達成することができる手段の1つが図2に示されており、これは、加熱/冷却素子とベイパーチャンバーの壁部との間への、強磁性流体または強磁性流体シールの設置を表している。図示された構造において、加熱素子31および冷却素子32は両方とも、ベイパーチャンバー12の裏面に設置されており、別個の強磁性流体シール33、34が、それぞれ加熱素子および冷却素子とベイパーチャンバーとの間に存在している。磁場をかけることにより、当該流体中の熱伝導性粒子が磁化されて、整列するかまたはクラスター化されるであろう。当該粒子は、磁化されると、磁場の方向に応じて、加熱/冷却素子とベイパーチャンバー壁との間にブリッジを形成することができ、脱磁化されると、形成されたそのようなブリッジは崩壊する。図に示されている状態では、加熱素子における強磁性流体シール33は励磁されておらず、当該素子とベイパーチャンバーとの間に熱的ブリッジを形成していないが、冷却素子における強磁性流体シール34は励磁されており、ベイパーチャンバーとの間に熱的ブリッジを形成しており、冷却効果を高める。代替の構造(図示されず)では、冷却素子がベイパーチャンバーの下側全体を覆い、その一方で、加熱素子は、ベイパーチャンバーの側部または上部(ウェルから側方に間隔が空けられている)に存在し、強磁性流体の単一層が、ベイパーチャンバーの下の、ベイパーチャンバーと冷却素子との間に存在する。強磁性流体シールの代替物として、機械的手段を使用して、良好な熱的結合のために加熱および冷却素子とベイパーチャンバーとの間の接触を確立することができる。そのような機械的手段は、接触させるために上昇させ、接触を解除させるために下降させることができる可動式支持体を具備し得る。さらなる代替策は、加熱および冷却素子とベイパーチャンバーとの間での、熱伝導性グリースまたは熱伝導性液体または金属の使用である。
【００２７】
熱的結合の別の手段が図3に示されており、当該手段では、高さが可変の液層が、冷却素子35とベイパーチャンバー12との間の熱的結合として機能する。この例では、加熱素子36は、ベイパーチャンバー12の上隅に位置しており、冷却素子35が、ベイパーチャンバー12の裏面に位置するアコーディオン型の液体ブラダー37の底部に連結されている。当該ブラダー37が図示されているように拡張している場合、液体38はブラダー内部の一部のみを満たしており、液面39とベイパーチャンバーの裏面26との間にギャップを残している。当該ブラダーが上方向に圧縮されてギャップを埋めて、液面39がベイパーチャンバーの裏面26に接触している場合には、熱的ブリッジが形成される。ブラダーから空気を逃がすことができるように、ベント穴(図示されず)を具備させることもできる。
【００２８】
さらなる手段が図4に示されており、当該手段では、冷却素子35とベイパーチャンバー12との間の熱的接触を高めるために液体噴霧が使用される。この例では、ベイパーチャンバー12の2つの対向する側面のそれぞれに1つずつ、2つの加熱素子41、42が使用されており、冷却素子35は、介在チャンバー43を介してベイパーチャンバー12に連結されており、当該介在チャンバーは、液層46とベイパーチャンバーの裏面26との間に真空またはエアギャップ45を有する状態で、熱伝達流体44で部分的に満たされている。加熱サイクル中、当該真空またはエアギャップ45は、熱的障壁として機能し、冷却サイクル中は、ベイパーチャンバーの裏面に対して上方向に熱伝達液を噴霧するために、電気ノズル47、48に電圧が印加される。当該ノズルは、インクジェットプリンターにおいて使用されるタイプであり得るか、またはポンプによって供給することができる。電磁攪拌機49により、冷却効果を高めるために液体が循環される。当該電磁攪拌機は、ノズルを使用せずにベイパーチャンバーの裏面との接触を形成するために液体を外側および上方へと駆動するためのインペラーポンプとしても使用することができる。
【００２９】
図5の態様において、ウェルプレート52のウェル51は、ベイパーチャンバー54の上面における凹部53よりも深い。したがって、各ウェルにおいてベイパーチャンバー54の蒸発および凝縮の完全な恩恵を直接受ける唯一の部分は、反応混合物を含有しているであろう部分である、各ウェルの下側2/3である。この態様における加熱および冷却は両方とも、ベイパーチャンバーの裏面に接触している熱電式モジュール55、56によって達成される。
【００３０】
図6は、試料プレート62とベイパーチャンバー63との間に介挿された中間熱伝達プレート61を有する、さらなる態様を表している。中間プレートにおける凹部64は、図5の態様の凹部53と同じ方式で、反応ウェル65の裏面の間隔および外形に適合する。凹部64間には、中間プレートの質量を減じるために中空66が存在する。この態様におけるベイパーチャンバー63は、概して平坦であり、平坦な内部上面(天井)68および平坦な内部下面(床)69ならびに両表面に内張りされたウィック構造70を有する内部空洞67を備える。ベイパーチャンバーにおける平らな上面は、中間プレートにおける平らな下面との連続的な接触を提供する。
【００３１】
図7は、さらなる変法を表しており、こちらは2つのベイパーチャンバー71、72を備える。上側ベイパーチャンバー71は、図5のベイパーチャンバー54と同じ機能を果たし、その一方で、図6のベイパーチャンバー63と同様の形状である下側ベイパーチャンバー72は、2つの熱電式モジュール73、74とヒートシンク75との間に介挿されている。そのため、下側ベイパーチャンバー72は、各モジュールと下のヒートシンクとの間の熱伝達の速度を加速することにより、モジュールの機能を向上させる。さらにこの態様では、上側ベイパーチャンバー71における凹部76は、ベイパーチャンバーの空洞の床77に達している。
【００３２】
これらの図に示される構造は、単なる例示であり、本発明によるベイパーチャンバーの中心原理を用いる他の例および図示された例における変法は、当業者に容易に明かとなるであろう。
【００３３】
本明細書に添付される請求項において、用語「1つの(「a」または「an」)」は、「1つまたは複数」を意味することが意図される。用語「含む(「comprise」)」およびその変化形、例えば、「含む(「comprises」)」および「含む(「comprising」)」などは、工程または要素の列挙の前にある場合、さらなる工程または要素の追加が、任意でありかつ排除されないことを意味することが意図される。本明細書で引用される全ての特許、特許出願、および他の公開文献は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。本明細書において引用される任意の参考資料または一般的な任意の先行技術と、本願明細書における明確な教示との間の矛盾はいずれも、本願明細書における教示を優先することで解決することが意図されている。これは、単語または句に対する当技術分野において理解される定義と、同じ単語または句に対して本明細書において明確に提供される定義との間におけるあらゆる矛盾を包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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