JP4053042B2

JP4053042B2 - 寒剤の使用を制限する凍結融解バルブ

Info

Publication number: JP4053042B2
Application number: JP2004536333A
Authority: JP
Inventors: ゲルハルト，ジエフ・シー; ドウルドウビル，テオドール
Original assignee: ウオーターズ・インベストメンツ・リミテツド
Priority date: 2002-09-16
Filing date: 2003-09-15
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2023-09-15
Also published as: AU2003272397A1; US20060053807A1; GB0502758D0; DE10393204B4; WO2004025153A3; GB2407862B; JP2005539224A; GB2407862A; DE10393204T5; WO2004025153A2; US7841190B2; AU2003272397A8

Description

本出願は、２００２年９月１６日に出願の仮特許出願第６０／４１０，９９７号からの利益を全体として特許請求するものである。

本発明は、概して、管またはチャネルの一セグメントにおいて液体を冷凍するかまたは冷凍液体を解凍することによって、ナノ規模の毛細管およびチャネルを通じて液体流を制御するための方法および装置に関する。

小直径のチャネル内における液体流の管理は、チャネルの規模と液体の容積が小さくなるために、難題を提供する。重大な制約の１つは従来のバルブ技術の構成である。液体の流れをナノリットルの単位で管理する必要性は、流体管理の規模が従来の切換え方法内で固有の空所容積によってひどく影響されるとき、重大な制限に遭遇する。これらのナノ規模の毛細管およびチャネル内で流体を使用して液体を冷凍および解凍することによってオン／オフバルブとして作用する方法は、当技術分野では周知であり、例えば米国特許第６，１５９，７４４号明細書および同第５，７９５，７８８号明細書を参照されたい。管またはチャネルの一セグメント内に含まれる液体を単に冷凍および解凍することによって、液体の流れを停止またはさらに別のチャネル若しくはチャンバへ分岐できることがわかっている。「凍結融解バルブ操作」と呼ばれるこの流れ切換え装置は、動く部品を必要とせず、最も重要なことには、分析システム内の空所を無くする。

従来の技術による凍結融解バルブは、液化ガス源から冷ガスの噴流を圧力の下で凍結融解セグメントに直接提供することによって、凍結融解セグメント内の液体を冷凍する。液化炭酸ガスや液体窒素などの加圧ガスが、凍結融解セグメントの内容物を冷凍するために使用されている。これらの寒剤が、回収または制限方法が全くなくて凍結融解セグメントにおいて直接吸引されることは残念である。全く制限のないこれらの寒剤の流れは、これらの使用容積を大きく増加させ、したがって関連費用を大きく増大させる。さらに、従来の技術の方法において必要な寒剤の容積が、分析システム内での使用の費用に加わるのみならず、必要な容積が原因で、小型ベンチトップまたは携帯式器具における凍結融解バルブ操作の使用は実用的ではない。

さらにまた、周辺空気に露出される凍結融解セグメントにおけるこれらの寒剤を導く従来技術の方法は、霜の集積の蓄積を引き起こす。この霜の集積は妨害層を形成し、この妨害層は、凍結融解セグメントの寒剤への露出を減らし、凍結融解セグメントの内部チャネル内の温度上昇を引き起こし、最終的に凍結融解バルブの故障を招く結果となる。さらに、凍結融解バルブの閉動作中の凍結融解バルブにおけるこの霜の蓄積は、バルブの加熱／開放によって液状の水に変換される。凍結融解バルブが器具の中で使用される場合には、器具の中の敏感な電気構成部分からこの水を排出する方法を使用しなければならない。

本発明は、凍結融解バルブ操作を使用して分析システム内の寒剤を管理するための方法と装置を提供する。

本発明によれば、凍結融解バルブは、加圧液状寒剤が膨張室を通過し、したがって膨張して気体の状態になる膨張室を有する。バルブ本体は、寒剤が通って膨張室へ入る膨張ノズルと、寒剤が通って膨張室を出る多孔質の焼結ステンレス鋼フリットが取り付けられる。寒剤が低圧膨張室に入ると、寒剤は膨張して液体状態から気体になる。この膨張中に、流体はバルブ本体から熱を引き出し、これを冷却し、バルブ本体に含まれる凍結融解セグメントを冷凍する。バルブ本体は、バルブ全体の温度を低下させる熱伝導率のよい材料から構成されている。膨張室またはバルブ本体内部の熱オリフィスを通過する流体導管は、導管の流体内容物が冷凍することによって「閉じられる」ことになる。バルブ本体を通る流体導管の冷凍に加えて、寒剤の膨張によって発生する冷却効果は、膨張室の中に存在する低圧低温条件の下で寒剤を凝固させる。寒剤が固体の状態になると、フリットは寒剤の固体状態によって閉塞され、急速な流れを止める。寒剤の流れは公称流れにまで低下し、固体寒剤はフリットの区域において昇華を受ける。固体寒剤のこの昇華は連続冷却をもたらし、凍結融解バルブを閉じたままにすることができる。バルブ本体が周辺環境によって加熱された場合には、固体寒剤はその液体の状態に戻り、固体寒剤の栓の中にピンホールまたは亀裂を発生させ、寒剤の流れを可能にする。この液状寒剤が膨張してフリットを出ることによって気体になると、これは必要な冷却を提供して固体寒剤の中の亀裂を再封止する。この閉じた自己封止状態では、バルブによって消費される寒剤は、これらの再封止事象か、または大気に露出するフリット表面における寒剤の昇華のいずれかによるものである。バルブのその寒剤消費に対する効率を、バルブ本体をその周囲環境から熱的に遮断することによって向上させることができる。バルブ本体の断熱はまた、バルブ本体上の霜の集積も防止する。凍結融解バルブを開くために、バルブ本体の温度を、電気加熱素子によるか、またはバルブ本体の外部にわたって熱ガスを吹き付けることによって、バルブ本体を加熱することで上昇させる。

ある代替実施形態では、１つまたは複数の凍結融解セグメントを含む膨張室が、膨張室の中へ寒剤が急速に流れることを可能にするように構成されている。装置は凍結融解バルブを有し、凍結融解バルブは凍結融解セグメントを囲む膨張室を有し、寒剤の流れと使用とを制御する。膨張室の構成は、寒剤が毛細管の凍結融解セグメントに沿って同心状に膨張することを可能にする。膨張室の内側直径は、寒剤が最初に膨張室を急速に流れることを可能にして凍結融解セグメント内における急速な温度低下を発生させる、適切な制限形状を含む。寒剤の急速流は、続く固体寒剤の形成が膨張室を通る流れを制限すると、停止する。この制限的形状が寒剤の消費を著しく減少させる。膨張室の出口における固体寒剤は、大気に昇華し、昇華過程によって消費される熱はバルブ本体を冷却状態に維持する。膨張室が周囲環境によって加熱された場合、固体寒剤はその液状の状態に戻り、固体寒剤の栓の中にピンホールまたは亀裂を起こさせ、寒剤の流れを可能にする。この液状寒剤が膨張室を出ることによって膨張して気体になると、これは固体寒剤の中の亀裂を再封止するために必要な冷却を提供する。この閉鎖された自己封止状態では、バルブによって消費される寒剤は、これらの封止事象かまたは寒剤の昇華のいずれかによるものである。

さらに別の実施形態では、凍結融解バルブハウジングは微孔性アルミニウムなどの微孔性材料から製造される。この微孔性アルミニウムは、微細通気孔を有する凍結融解バルブハウジングを提供する。凍結融解バルブハウジング内のこれらの微細通気孔によって、液状寒剤はハウジングを通って急速に流れることができる。液状寒剤は膨張して固体を形成し、これによって凍結融解バルブハウジングの温度を急速に低下させる。固体寒剤は微細通気孔を閉塞し、これによって液状寒剤の流れを停止する。凍結融解バルブハウジングの微細通気孔内の固体寒剤は大気に昇華し、昇華過程によって消費される熱はバルブ本体を冷却状態に維持する。

本発明による凍結融解バルブのいくつかの実施形態では、バルブのその寒剤消費に関する効率を、バルブ本体をその周囲環境から断熱することによって向上させることができる。バルブ本体の断熱はまた、バルブ本体上の霜の集積も防止する。凍結融解セグメントを解凍するために、毛細管の周りにおけるワイヤコイルの形での限定的加熱が使用されるか、または膨張室の外側を被う加熱された気体の流れが、毛細管の内容物の解凍を達成する。

本発明の利点は、限られた量の寒剤を使用して、有利に寒剤を節約して使う凍結融解バルブの提供を含む。本発明による凍結融解バルブはより経済的にあり、ベンチトップまたは携帯用式システムで使用することができる。本発明による凍結融解バルブ構成は凍結融解セグメントにおける霜の集積を制限する。

本発明のこれらおよびその他の特徴と利点は、本発明による凍結融解バルブ操作のための方法および装置の例示的実施形態を図解する添付の図面を参照して行う、以下の詳細な説明から明らかになろう。

図１Ａと１Ｂに、金属製ブロック１０２の中に膨張室１０１を有する例証的な実施形態を示す。金属製ブロック１０２は、この例証的実施形態では銅で作られている。金属製ブロック１０２は、熱伝導性のよい様々な金属、または十分な強度と熱伝導性とを有するものとして当業者に知られているその他の材料のいずれからも作ることができる。膨張室１０１は遠位端部１０３と近位端部１０４とを有する。遠位端部１０３は焼結ステンレス鋼フリット１０５を含む。焼結ステンレス鋼フリット１０５は、寒剤が膨張室１０１を急速に通過して膨張室１０１の中で温度を急激に下げることを可能にする。焼結ステンレス鋼フリット１０５の多孔性は、寒剤が最初は急速に膨張室１０１を通って流れることを可能にする。膨張室１０１の近位端部１０４には膨張ノズル１０６が嵌合し、膨張ノズル１０６は寒剤の膨張室１０１への流れを制限する。この例証的実施形態における膨張ノズル１０６は、約１００μｍの内径と約１ｃｍの長さを有する。冷却速度は、膨張ノズル１０６において使用される絞りのサイズによって決まる。絞りのサイズは膨張室１０１への寒剤の流量を制御する。寒剤の流量は、フリット１０５の両端間の差圧ΔＰが小さくなって、膨張室１０１内の圧力が周辺圧に近くなって、この結果として膨張室１０１内部の寒剤の膨張が最大になるのに十分に小さいものでなければならない。絞りのサイズが大き過ぎる場合には、フリット１０５を横切る流量がフリット１０５両端間にかなりのΔＰを生じさせ、この結果、膨張室１０１の外側で液体の大部分が膨張して気体になり、凍結融解バルブの外側で冷却を起こさせる。逆に、絞りのサイズが小さ過ぎる場合には、結果的に膨張室１０１を通る寒剤の流量は低くなって、所望の急速な温度低下を行うには不十分となる。膨張ノズル１０６は供給管１０７に連結され、供給管１０７は寒剤供給源に連結され、寒剤供給源は、液化炭酸ガスなどの寒剤をその蒸気圧（すなわち、液化炭酸ガスについては約８００〜９００ｐｓｉ（約５６〜６３ｋｇ／ｃｍ^２））で供給する。

膨張室１０１は、第１熱オリフィス１０８と第２熱オリフィス１０９とを含む。これらの熱オリフィス１０８、１０９は膨張室１０１を通過し、流体導管１１０の凍結融解セグメント１１５の挿入を可能にする。凍結融解セグメント１１５は、それぞれの熱オリフィス１０８、１０９の中に挿入された熱スリーブ１１１によって囲まれている。熱スリーブ１１１は熱伝導性のよい材料から構成されている。熱スリーブ１１１は、当業者には周知の方法によって金属製ブロック１０２の中に密封され、実質的に気密シールを形成する。熱スリーブ１１１は、凍結融解セグメント１１５の中の流体内容物を解凍できるようにする加熱素子を含む。

動作中は、寒剤は膨張ノズル１０６を通って急速に流れ、膨張室１０１に入って金属製ブロック１０２および次に熱スリーブ１１１の温度を下げ、凍結融解セグメント１１５の流体内容物を冷凍させる。最初に、寒剤は膨張室１０１を通り、また焼結ステンレス鋼フリット１０５を通って急速に流れるが、液状寒剤が膨張して固体になると、フリット１０５を閉塞して、急速な寒剤の流れを遅くする。フリット１０５が閉塞するので、膨張室１０１を出る寒剤のみが昇華のための寒剤となる。膨張室１０１は、フリットによって閉じ込められた寒剤の昇華により凍結融解バルブがマイナス５０〜６０℃に維持されるような条件で平衡状態になる（すなわち二酸化炭素が寒剤として使用されるとき）。凍結融解バルブが正しく断熱されて平衡状態になると、膨張室１０１全体が固体寒剤で満たされる。この平衡点で、相障壁（固／液）が、膨張室１０１または供給管１０７のいずれかにおいて、温度が固体寒剤の形成を防止するために十分に高い個所で存在する。凍結融解バルブを開くために、供給管１０７の中のバルブをオフに切り換え、凍結融解セグメント１１５を囲む熱スリーブ１１１内の加熱素子をオンに切り換えて、凍結融解セグメント１１５の内容物を解凍させる。毛細管または流れチャネルの内容物は解凍され、これらの流体導管内の流れを再開できるようにし、凍結融解バルブを効果的に「オン」位置にする。バルブ本体１０２に熱電対を取り付けることもでき、熱電対はバルブの状態を外部制御システムに示すか、または供給管１０７内の供給バルブに信号を送って、寒剤の使用を制限する代わりまたは追加の手段として開閉することができる。

図２Ａおよび２Ｂに移ると、さらなる代替実施形態が示されている。この例証的な実施形態は、金属製ブロック２０２の中に膨張室２０１を有する。例証的実施形態における金属製ブロック２０２は銅製である。金属製ブロック２０２を熱伝導性のよい金属、または十分な強度と熱伝導性とを有するものとして当業者に知られているその他の材料のいずれからも作ることができる。膨張室２０１は遠位端部２０３と近位端部２０４とを有する。遠位端部２０３は焼結ステンレス鋼フリット２０５を含む。焼結鋼フリット２０５は、寒剤が最初に膨張室２０１を通って急速に流れることを可能にする多孔性を有し、これによってその温度を下げ、凍結融解セグメント内の流体内容物を冷凍させる。液状寒剤が膨張してその固体の状態になると、寒剤は焼結鋼フリット２０５を閉塞させ、寒剤の流れを止める。フリット２０５からの固体寒剤の昇華は、温度を低下した状態に維持する。この例証的実施形態では液化炭酸ガスが使用されているが、液体窒素などの他の寒剤を使用してもよい。

膨張室２０１の近位端部２０４には膨張ノズル２０６が嵌合し、膨張ノズル２０６は膨張室２０１への寒剤の流れを制限する。膨張ノズル２０６は一般的には約１００μｍの内径と約２ｃｍの長さを有する。冷却速度は膨張ノズル２０６において使用される絞りのサイズによって決まる。絞りのサイズは膨張室２０１への寒剤の流量を制御する。寒剤の流量は、フリット２０５の両端間の差圧ΔＰが小さくなって、膨張室２０１内の圧力が周辺圧に近くなって、この結果として膨張室２０１内部の寒剤の膨張が最大になるのに十分に小さいものでなければならない。やはり、絞りのサイズが大き過ぎる場合には、フリット２０５を横切る流量がフリット２０５両端間にかなりのΔＰを生じさせ、この結果、膨張室２０１の外側で液体の大部分が膨張して気体になり、凍結融解バルブの外側で冷却を起こさせる。逆に、絞りのサイズが小さ過ぎる場合には、結果的に膨張室２０１を通る寒剤の流量は低くなって、所望の急速な温度低下を行うには不十分となる。

膨張ノズル２０６は供給管２０７に連結され、供給管１０７は寒剤供給源に連結され、寒剤供給源は、液化炭酸ガスなどの寒剤をその蒸気圧（すなわち、液化炭酸ガスについては約８００〜９００ｐｓｉ（約５６〜６３ｋｇ／ｃｍ^２））で供給する。金属製ブロック２０２は、第１熱オリフィス２０８と第２熱オリフィス２０９とを含み、これらの熱オリフィスは流体導管２１０を受け入れるようになっている。第１熱オリフィス２０８と第２熱オリフィス２０９は、金属製ブロック２０２の近位端部２０４の内部に位置する。これらの熱オリフィス２０８、２０９は膨張室の近くに位置している。熱オリフィス２０８、２０９の位置は、膨張室２０１内の温度低下が金属製ブロック２０２と熱オリフィス２０８、２０９において対応する温度低下を起こすような位置である。熱オリフィス２０８、２０９の温度低下は凍結融解セグメント２１５の流体内容物を冷凍する。凍結融解セグメント２１５の結果的に得られる冷凍内容物によって、凍結融解バルブは効果的にオフ位置の状態になる。

金属製ブロック２０２は分析装置の構成に応じて単一の熱オリフィスまたは複数の熱オリフィスを有することができることが、本発明の範囲内で考えられる。さらに、金属製ブロック２０２内のオリフィスが流体導管、加熱素子、または熱電対などのその他のデバイスを受容できることが、考えられる。金属製ブロック２０２はさらに第１加熱素子２１１と第２加熱素子２１２とを含む。加熱素子２１１、２１２は、金属製ブロック２０２内のオリフィス２０８、２０９に隣接して置かれる。加熱素子２１１、２１２をオンに切り換えて、供給管２０７内のバルブをオフに切り換えると、金属製ブロックの温度は上昇し、凍結融解セグメント２１５の内容物は解凍され、凍結融解バルブをオン位置の状態にさせる。バルブ本体２０２にも熱電対を取り付けることができ、熱電対はバルブの状態を外部制御システムに示すか、または供給管２０７内の供給バルブに信号を送って、寒剤の使用を制限する代わりのまたは追加の手段として開閉することができる。

図３Ａおよび３Ｂに移ると、寒剤の使用を制限するために膨張室３０２を有する追加の代替実施形態の凍結融解バルブ３０１が示されている。膨張室３０２は、約０．０６２インチ（約１．５７ｍｍ）の内径と約０．１２５インチ（約３．１７ｍｍ）の外径とを有する。膨張室３０２の内径は、約３６５μｍの外径を有する毛細管３０３を膨張室３０２に貫通して挿入できるようにする。膨張室は遠位端部３０４と近位端部３０５とを有する。膨張室３０２の近位端部３０５には膨張室制限管３０６が取り付けられ、膨張室制限管３０６は、約０．０１５インチ（約０．３８ｍｍ）の内径と約０．０６２インチ（約１．５７ｍｍ）の外径とを有する。膨張室３０２の遠位端部３０４には膨張室出口管３０７が取り付けられている。膨張室制限管３０７は、約０．０４インチ（約１．０２ｍｍ）の内径と約０．０６２インチ（約１．５７ｍｍ）の外径とを有する。膨張室制限管３０６は入口混合Ｔ継手３０８に嵌合されている。入口混合Ｔ継手３０８は、毛細管３０３が膨張室３０２を通過できるようにする。入口混合Ｔ継手３０８はまた、膨張室３０２が供給管３１２によって寒剤源に連結されるようにする。

動作中、寒剤は、入口混合Ｔ継手３０８を通る供給管３１２を通じて、毛細管３０３を囲む膨張室３０２の中へ流れる。膨張室３０２の中で寒剤が膨張すると、バルブ本体の中で温度が突然低下する。この突然の温度低下は、冷凍バルブセグメントとして知られている毛細管３０３のセクション内部の内容物を冷凍させる。膨張室３０２の形状は、寒剤が凍結融解セグメントに沿って同心状に膨張するような形状である。膨張室３０２内部の中の形状は、寒剤が最初に膨張室３０２を通って急速に流れることができるようにし、突然の温度低下を起こし、次いで凍結融解セグメント内での流体の冷凍を起こし、凍結融解バルブ３０１をオフ位置の状態にする。

先に説明した実施形態におけるように、寒剤の急速な流れは、膨張室３０２の出口と出口管３０７において固体寒剤が形成され始めると停止し、膨張室３０２を通る流れを制限する。固体寒剤のこの形成は、寒剤の急速流を公称流れに低下させる。寒剤として二酸化炭素を使用する場合の膨張室３０２内における温度は、約マイナス５０〜６０℃であり（すなわち二酸化炭素が寒剤として使用されるとき）、この温度は寒剤の公称流れによって維持される。膨張室制限管３０７は出口混合Ｔ継手３０９に嵌合されている。出口混合Ｔ継手３０９は、毛細管３０３を通すことができるようにし、これはまた、膨張室３０２が出口管３１３を通じて寒剤を排出するかまたは回収できるようにする。膨張室３０２には熱電対３１４を取り付けることもでき、熱電対３１４はバルブの状態を外部制御システムに示すか、または供給管３１２内の供給バルブに信号を送って、寒剤の使用を制限する代わりのまたは追加の手段として開閉することができる。

膨張室の周りに巻きつけた加熱素子を使用して、毛細管の凍結融解セグメントを解凍し、凍結融解バルブ３０１をオン位置に切り換える。代替案として、供給管３１２内の供給混合Ｔ継手が熱ガスの流れを膨張室３０２の中へ供給して凍結融解セグメントを解凍することができ、これによって凍結融解バルブ３０１をオン位置に切り換える。

図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃに移ると、寒剤の使用を制限するためにバルブ本体内に膨張室４０２を有するさらなる追加の代替実施形態の凍結融解バルブ４０１が示されている。このさらなる追加実施形態は、マイクロ流体適用における急速温度サイクルデバイスとしての上記自己制限凍結融解バルブの使用を示す。この代替実施形態の動作は先に説明した実施形態と同様である。液状寒剤は膨張室４０２の中に噴霧され、これを固体寒剤が生じて焼結ステンレス鋼フリット４０４を閉塞する温度にまで冷却し、膨張室４０２を通る寒剤の流れを減らす。膨張室４０２は金属製ブロック４０７の中に位置する。この例証的な実施形態における金属製ブロック４０７は銅製である。金属製ブロック４０７を熱伝導性のよい金属、または十分な強度と熱伝導性とを有するものとして当業者に知られているその他の材料のいずれからも作ることができる。膨張室４０３は遠位端部４０５と近位端部４０６とを有する。遠位端部４０５は焼結ステンレス鋼フリット４０４を含む。焼結鋼フリット４０４は、寒剤が最初に膨張室４０２を通って急速に流れることを可能にする多孔性を有し、これによってその温度を下げ、凍結融解セグメント内の流体内容物を冷凍させる。液状寒剤が膨張してその固体の形になると、寒剤は焼結鋼フリット４０４を閉塞させ、寒剤の流れを止める。フリット４０４からの固体寒剤の昇華は、温度を低下した状態に維持する。この例証的実施形態では液化炭酸ガスが使用されているが、液体窒素などの他の寒剤を使用してもよい。

膨張室４０３の近位端部４０６には膨張ノズル４０８が嵌合し、膨張ノズル４０８は膨張室４０３への寒剤の流れを制限する。膨張ノズル４０８は一般的には約１００μｍの内径と約２ｃｍの長さを有する。冷却速度は膨張ノズル４０８において使用される絞りのサイズによって決まる。絞りのサイズは膨張室４０２への寒剤の流量を制御する。寒剤の流量は、フリット４０４の両端間の差圧ΔＰが小さくなって、膨張室４０２内の圧力が周辺圧に近くなって、この結果として膨張室４０２内部の寒剤の膨張が最大になるのに十分に小さいものでなければならない。絞りのサイズが大き過ぎる場合には、フリット４０４を横切る流量がフリット４０４の両端間にかなりのΔＰを生じさせ、この結果、膨張室４０２の外側で液体の大部分が膨張して気体になり、凍結融解バルブの外側で冷却を起こさせる。逆に、絞りのサイズが小さ過ぎる場合には、結果的に膨張室４０２を通る寒剤の流量は低くなって、所望の急速な温度低下を行うには不十分となる。

膨張ノズル４０８は、圧縮ねじ４０３を使用して供給管４０９に連結されている。供給管４０９は寒剤供給源に連結されており、寒剤供給源は、液化炭酸ガスなどの寒剤をその蒸気圧（すなわち、液化炭酸ガスについては約８００〜９００ｐｓｉ（約５６〜６３ｋｇ／ｃｍ^２））で供給する。

マイクロ流体チャネル４１０が、バルブ本体の冷面４１５と加熱素子４１１との間に位置している。この例証的実施形態の温度サイクルを使用して、マイクロ流体チャネル４１０内の流体の通過（すなわちバルブとして）、チャネル内の温度不安定物質の蓄積、または細胞溶解（すなわち、ラボオンチップデバイスにおいて細胞の全体を射出してチップの中に入れ、熱サイクルを使用して分解し、オンチップ分析の前に細胞間物質を取り除くことができる）を阻止することができる。バルブ本体をその冷状態から加熱するために使用される加熱素子４１１に加えて、図４Ｂに示すような薄膜区域加熱素子４１２が、急速温度サイクルデバイスを取り囲む。薄膜区域ヒーター４１２を使用して、サイクル温度のマイクロ流体デバイスの残部との熱連絡を減少することができる。熱電対４１３を使用して急速温度サイクルデバイス内の温度をモニタリングして、寒剤の供給または加熱素子４１１の動作を制御することもできる。マイクロ流体デバイス内での熱的状態の適用に適合するように、特定の形状または突出部を形成するために、金属製ブロック４０７を構成できることが、本発明の範囲内で考えられる。

図５Ａおよび５Ｂに移ると、寒剤の使用を制限するために膨張室５０２を有するさらに追加の代替実施形態の凍結融解バルブ５００が示されている。先の実施形態はすべて寒剤を軸方向に排出するが（すなわち、寒剤はバルブ本体に一端部から入って他端部から出る）、この例証的実施形態は寒剤を放射方向に排出する実施形態を示している。

先の実施形態におけるように、液状寒剤はフリット付きのエレメント５０３を有する膨張室５０２の中に吸引される。この例証的実施形態におけるフリット付きのエレメント５０３はカップの形を呈するが、他の形状を使用してよいことも本発明の範囲内で考えられる。液状寒剤の急速な膨張はフリット付きのエレメント５０３を急速に冷却し、結果的に固体寒剤が形成され、これはフリット付きのエレメント５０３を閉塞し、デバイスを通る寒剤の流れを減少させる。この例証的実施形態では、銅製熱シンク５０４がフリット付きのエレメント５０３のベースに接着されて、この間に熱的連絡を作っている。

寒剤の膨張と続く昇華の結果生じた温度の低下は、銅製熱シンク５０４に急速に伝えられ、銅製熱シンク５０４を通じて、バルブ作動される流体導管５２０が通っている。銅製熱シンク５０４の急速な加温は、銅製熱シンク５０４の対向側に接着された加熱素子５０６を使用して達成される。より急速な熱サイクルを達成するために、熱シンク５０６のサイズをかなり小さくすることができる。上の例証的実施形態とは異なって、バルブ本体は、上部バルブ本体５０７と下部バルブ本体５０８とから構成され、これらの間にギャップがある。これらのギャップは排出口５０９を形成し、この排出口５０９によって寒剤を放射方向に大気に排出することができる。上部バルブ本体５０７と下部バルブ本体５０８の間のギャップを通って寒剤が放射方向に排出されることによって、バルブの低温構成部分の周りにおける寒剤雰囲気が維持され、これらの構成部分における霜の蓄積が防止される。

熱電対５１０を使用して、例証的な凍結融解バルブ内の温度をモニタリングし、寒剤の供給または加熱素子５０６の動作を制御することができる。さらに、制御用電子装置５１４を使用して、熱電対５１０からの信号に基づいて本発明による凍結融解バルブをモニタリングおよび調整することができる。

図解された代替実施形態は、第１ねじ付き締め具５１１と、第２ねじ付き締め具５１２と、第１ねじ付き受け孔５１３と、第２ねじ付き受け孔５１４とを含む。第１および第２ねじ付き受け孔５１３、５１４は、下部バルブ本体５０８の中に位置し、ねじ付き締め具５１１、５１２を受け入れる。ねじ付き締め具５１１、５１２とねじ付き受け孔５１３、５１４とによって、上部バルブ本体５０７と下部バルブ本体５０８を共に締め付けることができる。これによって、毛細管が通される形式ではなくて、「クランプオン」形式の凍結融解バルブが可能になる。「クランプオン」構成によって、本発明による凍結融解バルブを既に流体システムの中に設けた毛細管に適用することが可能である。

図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、および６Ｄに移ると、寒剤の使用を制限するために微孔性材料から製造されたさらに追加の代替実施形態の凍結融解バルブ６００が示されている。先の実施形態はすべて寒剤を軸方向に（すなわち、寒剤はバルブ本体に一端部から入って他端部から出る）、またはフリット付きエレメントまたは制限ノズルを通じて放射方向に排出するが、この例証的実施形態は寒剤の排出を可能にする多孔性材料から製造された凍結融解バルブハウジング６０２を使用する。

先の例証的実施形態では、液状寒剤はフリット付きのエレメントを有する膨張室の中に吸引される。液状寒剤の急速な膨張はフリット付きのエレメントを急速に冷却し、結果的に固体寒剤が形成され、これはフリット付きのエレメントを閉塞し、デバイスを通る寒剤の流れを減少させる。この例証的代替実施形態では、凍結融解バルブハウジング６０２は、バルブハウジング６０２の中に微細通気孔を提供する微孔性材料から製造される。

この例証的実施形態における微孔性材料は、約１．０バールの圧力差で、約２０ミリメートルの板厚において約１．１４３リットル／分／ｃｍ^２の孔隙率を示すガス透過性アルミニウム合成物である。この合成物の密度は約１．８グラム／ｃｍ^３である。アルミニウム合成物は、約１１．８ＫＪ／ｍ^２の衝撃強さと、約２８ＭＰａの引張強さと、約９５ＭＰａの圧縮強さと、１９．８ＭＰａの見かけ降伏点を有する。このアルミニウム合成物の弾性率は約６４５０Ｍｐａであり、約６９のＨＢ５／３０６．５におけるブリネル硬度を有する。アルミニウム合成物の１００℃における熱伝導率は約１９．１Ｗｍ^−１°Ｋ^−１、および直接流＞２００Ｗｍ^−１°Ｋ^−６を有し、２５〜１１０℃間の熱膨張系数は約３０．４°Ｋ^−１×１０^−６である。

具体的には、この例証的実施形態において使用されるアルミニウム合成物は、アルスイス・アルグループのオランダのＡｌｕｓｕｉｓｓｅによって商品名ＭＥＴＡＰＯＲ（登録商標）として製造されている。多孔性セラミックなどの当技術分野で周知の他の多孔性材料を使用することも、本発明の範囲内で考えられる。このアルミニウム合成物材料は、微細通気孔として作用する微細孔を提供する。これらの微細通気孔はガス透過性であり、凍結融解ハウジング６０２からの寒剤の排出を可能にする。この例証的代替実施形態では、液状寒剤は寒剤入口管６０３を通じて凍結融解ハウジング６０２の中に導入される。液状寒剤の膨張は凍結融解ハウジング６０２を急速に冷却し、結果的に固体寒剤が形成され、これは凍結融解ハウジング６０２内の微孔排気口を閉塞する。微孔排気口の閉塞は凍結融解ハウジング６０２を通る寒剤の流れを減少させる。

寒剤の膨張と続く昇華の結果生じた温度の低下は、バルブ操作しようとする流動流体を運ぶ流体毛細管６０４の凍結融解バルブ区域６０５に急速に伝えられる。温度の低下は結果的に凍結融解バルブの「閉鎖」、または流体毛細管６０４を通る流体流れの停止となる。凍結融解バルブを「開く」ために、凍結融解ハウジング６０２の凍結融解区域６０５を加温する。凍結融解ハウジング６０２の加温は結果的に凍結融解区域６０５内の液体の解凍となり、流体の流れを再開させる。

凍結融解ハウジング６０２の急速な加温は、流体毛細管６０４の近傍における凍結融解ハウジング６０２の下側に接着された加熱素子６０６を使用して達成される。この例証的実施形態では、加熱素子６０６はＫａｐｔｏｎ（登録商標）抵抗加熱器である。当技術分野で周知の他の抵抗加熱素子を使用することも、本発明の範囲内で考えられる。さらに、加熱素子６０６をペルティエ熱ポンプの熱表面とすることができることも、本発明の範囲内で考えられる。

熱電対（図示せず）を使用して、例証的な凍結融解バルブ内の温度をモニタリングし、寒剤の供給または加熱素子６０６の動作を制御することができる。さらに、制御用電子装置を使用して、熱電対からの信号に基づいて本発明による凍結融解バルブをモニタリングおよび調整することができる。

図６Ｄに移ると、さらなる例証的代替実施形態では、凍結融解ハウジング６０２に非多孔性保護外装６０８が嵌合されている。この非多孔性保護外装６０８は、高い熱伝導性を有する非多孔性材料から製造されている。これらの保護外装６０８によって、凍結融解ハウジング６０２を、凍結融解ハウジング６０２の材料構成内の微孔排気口を除いて、確実に密封することができる。保護外装６０８は毛細管経路６１０を形成する。これらの毛細管経路６１０によって、本発明による凍結融解バルブの操作者は、バルブ操作しようとする流動液体を運ぶ流体毛細管６０４を容易に挿入することができる。保護外装６０８はまた、寒剤材料を排出することによって毛細管経路６１０の閉塞を防止する。

図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃに移ると、寒剤の使用を制限するために内部膨張室７０４を有する微孔性凍結融解ハウジング７０２を持つさらに追加の代替実施形態の凍結融解バルブ７００が示されている。内部膨張室７０４によって、この中に固体寒剤の丸い塊を形成することができ、これによって凍結融解ハウジング７０２の温度を低下させる。膨張室７０４を有する本発明の凍結融解ハウジング７０２は微孔性材料から製造される。この微孔性材料は、この例証的実施形態では多孔性アルミニウム合成物である。このアルミニウム合成物は、アルスイス・アルグループのオランダのＡｌｕｓｕｉｓｓｅによって商品名ＭＥＴＡＰＯＲ（登録商標）として製造されている。微孔性セラミックなどの当技術分野で周知の他の多孔性材料を使用することも、本発明の範囲内で考えられる。このアルミニウム合成物材料は、微細通気孔を提供する。これらの通気孔はガス透過性であり、内部膨張室７０４からの寒剤の排出を可能にする。このさらなる例証的代替実施形態では、液状寒剤は寒剤入口管７０３を通じて内部膨張室７０４の中に導入される。液状寒剤の膨張は内部膨張室７０４を急速に冷却し、結果的に固体寒剤の丸い塊が形成され、これは内部膨張室７０４へのさらなる寒剤通路を閉塞する。内部膨張室７０４の閉塞が凍結融解ハウジング７０２内の微孔排気口の閉塞に続く。微孔排気口の閉塞は、凍結融解ハウジング７０２を通る寒剤の流れを減少させ、内部膨張室７０４内に固体寒剤の丸い塊を形成する。

寒剤の膨張、続く昇華、および固体寒剤の丸い塊の形成によって生じる温度低下は、バルブ操作しようとする流動流体を運ぶ流体毛細管７０８の凍結融解バルブ区域７０５に急速に伝えられる。温度の低下は結果的に凍結融解バルブの「閉鎖」、または流体毛細管７０８を通る液体流れの停止となる。凍結融解バルブを「開く」ために、凍結融解ハウジング７０２を加温する。凍結融解ハウジング７０２の加温は結果的に、凍結融解区域内の液体の解凍が流体の流れを流体毛細管７０８の中で再開させることになる。

凍結融解ハウジング７０２の急速な加温は、この例証的実施形態内では、凍結融解ハウジング７０２の下側に接着された加熱素子７０６を使用して達成される。加熱素子７０６は流体毛細管７０８の近傍に位置する。この例証的実施形態では、加熱素子７０６はＫａｐｔｏｎ（登録商標）抵抗加熱器である。当技術分野で周知の他の抵抗加熱素子を使用することも、本発明の範囲内で考えられる。さらに、加熱素子７０６をペルティエ熱ポンプの熱表面とすることができることも、本発明の範囲内で考えられる。

熱電対（図示せず）を使用して、例証的な凍結融解バルブ内の温度をモニタリングし、寒剤の供給または加熱素子７０６の動作を制御することができる。さらに、制御用電子装置を使用して、熱電対からの信号に基づいて本発明による凍結融解バルブをモニタリングおよび調整することができる。

図７Ｄに移ると、さらなる例証的代替実施形態では、凍結融解ハウジング７０２に非多孔性保護外装７１０が嵌合されている。この非多孔性保護外装７１０は、高い熱伝導性を有する非多孔性材料から製造されている。これらの保護外装７１０によって、凍結融解ハウジング７０２を、凍結融解ハウジング７０２の材料構成内の微孔排気口を除いて、確実に密封することができる。保護外装７１０は毛細管経路７１２を形成する。これらの毛細管経路７１２によって、本発明による凍結融解バルブの操作者は、バルブ操作しようとする流動液体を運ぶ流体毛細管７０８を容易に挿入することができる。保護外装７１０はまた、寒剤材料を排出することによって毛細管経路７１２の閉塞を防止する。

本発明による凍結融解バルブの膨張室およびその他の構成部分を、当業者には周知の方法で製造することができる。毛細管またはチャネルの構成は、構造要件、製造過程、および試薬の相溶性／化学的耐性の関数となる。材料の選択は、製造の容易さおよびナノチャネルまたは毛細管を通る流体に対する不活性などのいくつかの要素に依存する。特定すれば、準備される流体導管は、無機結晶質または非晶質物質、例えば珪素、シリカ、石英、不活性金属から、またはプラスチックなどの有機物質、例えばポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、アセトニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリスチレン、ポレオレフィン、ポリプロピレン、およびメタロセンから作られる。本発明の流体導管を、テフロン（登録商標）、ポリエチレン、ポリプロピレン、メチルメタクリレート、およびポリカーボネートなどの熱可塑性物質から、特にその成形、打出し、およびフライス削りが容易であるために製造することができる。代替案として、毛細管およびチャネルをシリカ、ガラス、石英、または不活性金属から作ることができる。

図３Ａおよび３Ｂに説明した実施形態では、毛細管３０３が膨張室を通じて挿入されている。膨張室は図３Ａおよび３Ｂに示す内部形状と類似の内部形状を有する銅などの熱伝導のよい材料から作られるが、図２Ａおよび２Ｂに示す実施形態で説明したものと同様な熱オリフィスを銅製膨張室の中に作って、毛細管を受け入れることを可能にする外部形状を有する、同様な実施形態を考えることができる。このような実施形態では、毛細管は寒剤に露出しないが、寒剤が膨張ゾーンブロックを通過してこれを冷却したときにはさらに冷凍し（バルブは閉じる）、加熱素子が膨張ゾーンブロックを加熱するときには解凍する（バルブは開く）。

図３Ａおよび３Ｂに説明した実施形態では、膨張ゾーンの端部における狭窄部を使用して、固体寒剤が形成されたときに膨張ゾーンの阻止を実行したが、膨張ゾーンにおける曲管、または同様な回旋状の経路を提供する出口管などの、他の機構を膨張ゾーンの中または後に使用し、同様な固体寒剤の阻止を行うこともできる。

膨張室を有する本発明による凍結融解バルブをナノスケールの適用例に関して説明したが、本明細書に開示された構成は液体が高圧で使用されるはるかにより大きな規模のチャネルまたは管に適合できることを理解されたい。膨張室の特定の形状を上記の例証的実施形態に設定したが、本明細書に開示された構成は、使用可能な形状または構成の網羅的な図解ではないことを理解すべきである。凍結融解セグメントを囲む膨張室の中への寒剤の流れに制限的性質を分与するあらゆる構成を利用できることが、さらに理解されよう。

本発明の形および詳細における様々な他の変化、省略、および追加を、本発明の精神と範囲から逸脱することなく行うことができる。したがって、上記の説明を制限するものとして解釈してはならず、単に様々な実施形態の例示として解釈すべきである。

本発明による例証的自己制限寒剤凍結融解バルブを示す図である。本発明による例証的自己制限寒剤凍結融解バルブを示す図である。本発明による別の例証的自己制限寒剤凍結融解バルブを示す図である。本発明による別の例証的自己制限寒剤凍結融解バルブを示す図である。本発明による別の自己制限寒剤凍結融解バルブの概略図である。図３Ａの自己制限寒剤凍結融解バルブの膨張室を示す部分切取図である。本発明による別の自己制限寒剤凍結融解バルブの概略図である。図４Ａの自己制限寒剤凍結融解バルブの膨張室を示す部分Ａの切取図である。図４Ａの自己制限寒剤凍結融解バルブの膨張室を示す部分Ｂの切取図である。本発明による別の自己制限寒剤凍結融解バルブの概略図である。本発明による別の自己制限寒剤凍結融解バルブの組立てを示す概略図である。本発明による微孔性アルミニウムから製造されたさらなる代替の自己制限寒剤凍結融解バルブの概略図である。図６Ａの自己制限寒剤凍結融解バルブの微孔性凍結融解ハウジングを示す側面図である。図６Ａの自己制限寒剤凍結融解バルブの微孔性凍結融解ハウジングを示す部分切取図である。非多孔性保護外装を有する本発明による微孔性アルミニウムから製造されたさらなる代替の自己制限寒剤凍結融解バルブの概略図である。本発明による内部膨張室を有する微孔性アルミニウムから製造されたさらなる別の自己制限寒剤凍結融解バルブの概略図である。図７Ａの自己制限寒剤凍結融解バルブの微孔性凍結融解ハウジングを示す側面図である。図７Ａの自己制限寒剤凍結融解バルブの微孔性凍結融解ハウジングを示す部分切取図である。本発明による非多孔性保護外装を有する内部膨張室を有する微孔性アルミニウムから製造されたさらなる別の自己制限寒剤凍結融解バルブの概略図である。

Claims

凍結融解バルブ操作において利用される寒剤を制限する方法であって、
寒剤を受け入れる膨張室を有するセグメントを構成するステップであって、前記セグメントは流動する内容物を有する流体導管の少なくとも１つの熱オリフィスを有する、ステップと、
前記寒剤の流れを前記膨張室へ供給して、前記膨張室の温度を低下させ、前記の流動する内容物を冷凍するステップであって、前記膨張室は前記寒剤の前記流れを制限する手段を有する、ステップと、
前記寒剤の制限された流れを供給することによって、前記膨張室の前記の低下した温度を維持するステップと、
前記膨張室を加熱し、これによって前記冷凍内容物を解凍し、前記内容物の通過を起こさせるステップと
を含む方法。
前記セグメントが金属製ブロックである請求項１に記載の方法。
前記寒剤が二酸化炭素である請求項１に記載の方法。
前記寒剤が窒素である請求項１に記載の方法。
寒剤の流れを制限する手段が焼結ステンレス鋼フリットである、請求項１に記載の方法。
寒剤の流れを制限する手段が前記膨張室の制限的形状である、請求項１に記載の方法。
前記熱オリフィスが前記膨張室の内部に位置する請求項１に記載の方法。
前記熱オリフィスが前記金属製ブロックの内部に位置する請求項２に記載の方法。
凍結融解バルブ操作を使用してデバイス中の寒剤の使用を制限する装置であって、
寒剤を受け入れる内径を有する膨張室を有する金属製ブロックと、
前記寒剤の流れを制限する手段と、
流体導管を受け入れるように構成された、前記金属製ブロック中の熱オリフィスと
を含む装置。
前記寒剤の受入れを制限する前記手段がステンレス鋼フリットである、請求項９に記載の装置。
前記寒剤が二酸化炭素である請求項９に記載の装置。
前記寒剤が窒素である請求項９に記載の装置。
寒剤の受入れを制限する前記手段が前記膨張室の制限的形状である、請求項９に記載の装置。
前記金属製ブロックが銅である請求項９に記載の装置。
前記熱オリフィスが前記膨張室の内部に位置する請求項９に記載の装置。
前記熱オリフィスが前記金属製ブロックの内部に位置する請求項９に記載の装置。
前記寒剤の流れを制限する前記手段が熱電対からの信号である請求項９に記載の装置。
前記膨張室が断熱されている請求項９に記載の装置。
急速温度サイクルを有するマイクロ流体デバイスにおける寒剤の使用を制限する装置であって、
寒剤を受け入れる内径を持つ膨張室を有する金属製ブロックと、
前記寒剤の流れを制限する手段と、
前記金属製ブロックを加熱する手段と、
前記金属製ブロックの加熱と冷却とを制御する手段と
を備える装置。
前記金属製ブロックが平坦な熱表面を有するように構成された、請求項１９に記載の装置。
前記金属製ブロックが突出した熱表面を有するように構成された、請求項２０に記載の装置。
前記寒剤の受入れを制限する前記手段がフリットである、請求項２０に記載の装置。
前記寒剤が二酸化炭素である請求項２０に記載の装置。
二次加熱素子をさらに含み、前記二次加熱素子が前記金属製ブロックと取り囲むマイクロ流体構成部分との間の熱的連絡を防止する、請求項２０に記載の装置。
前記寒剤の受入れを制限する前記手段が前記膨張室の制限的形状である、請求項２０に記載の装置。
前記金属製ブロックが銅である請求項２０に記載の装置。
前記寒剤の流れを制限する手段が熱電対からの信号である、請求項２０に記載の装置。
急速熱サイクルデバイスの中で利用される寒剤を制限する方法であって、
寒剤を受け入れる膨張室を有するセグメントを構成するステップであって、前記セグメントは少なくとも１つの熱表面を有する、ステップと、
前記寒剤の流れを前記膨張室に供給し、前記膨張室の温度を低下させ、前記熱表面の上で温度低下を起こさせるステップであって、前記膨張室は前記寒剤の前記流れを制限する手段を有する、ステップと、
前記寒剤の制限された流れを供給することによって前記膨張室の前記の低下した温度を維持するステップと、
前記膨張室を加熱して、これによって前記熱表面上の温度を上昇させるステップと
を含む方法。
凍結融解バルブ操作において利用される寒剤を制限する方法であって、
微孔性材料からセグメントを構成して、寒剤を受け入れる微孔排気口を有するセグメントを形成するステップであって、前記セグメントは流動する内容物を有する流体導管のための少なくとも１つの熱オリフィスを有する、ステップと、
前記寒剤の流れを前記セグメントに供給して前記セグメントの温度を低下させ、前記の流動する内容物を冷凍するステップであって、前記セグメントは前記寒剤の前記流れを制限する手段を有する、ステップと、
前記寒剤の自己制限流を供給することによって前記セグメントの前記の低下した温度を維持するステップと、
前記セグメントを加熱し、これによって前記冷凍内容物を解凍し、前記内容物の通過を起こさせるステップと
を含む方法。
前記セグメントが微孔性アルミニウムから構成される請求項２９に記載の方法。
前記セグメントが微孔性セラミックから構成される請求項２９に記載の方法。
前記寒剤が二酸化炭素である請求項２９に記載の方法。
前記寒剤が窒素である請求項２９に記載の方法。
寒剤の流れを制限する前記手段が前記セグメント内の微孔排気口である請求項２９に記載の方法。
寒剤の流れを制限する前記手段が前記微孔排気口の閉塞部である請求項３０に記載の方法。
前記セグメント内に膨張室を形成するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
前記熱オリフィス内に少なくとも１つの非多孔性外装を組み込むことをさらに含む、請求項２９に記載の方法。