JP5363463B2 - 端部熱損失を低減した熱電デバイス及びヒートシンク・アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、熱電デバイス、及びこれらのデバイスと共に使用するヒートシンクに関する。

熱電デバイスは、化学及びバイオ化学の実験室において、反応容器、特に、複数のチューブあるいは複数の容器プレート（受容部プレート）を保持している加熱用金属ブロックに広く使用されている。金属ブロックは、“サンプル・ブロック”として参照されることがあり、典型的なサンプル・ブロックは、凹部あるいは各々ウェル内に別々のサンプル容器（サンプル受容部）を持ったウェルの平面的なアレイを含んでいる。サンプル・ブロック内で複数のサンプルに共通して施す処置には、各々のサンプルを近い温度で制御下に保持して、プログラムされた工程で、複数のサンプルを別々に加熱及び冷却することも含まれる。

ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）は、複数のサンプルに施され、かつ、処置の異なる段階間での迅速な温度変化を伴う正確な温度制御が要求される化学反応の多くの例の１つである。ＰＣＲはＤＮＡを増産する。即ち、単一の複製物から複数のＤＮＡシーケンスの複製を生成する。ＰＣＲは、通常、多くの反応容器（例えば、マイクロプレート、チューブ、毛管など）内での反応物転写、温度管理、及び光学検知を提供する器具の中で実行される。処置の様々な段階は温度に敏感であり、異なる段階は異なる温度で実行され、指定された期間だけ維持され、このシーケンスはサイクル内で繰返される。典型的な処置においては、サンプルは、約９５°まで最初に加熱されて二重鎖を融解して（分離して）、次に、約５５°まで冷却してプライマーをアニールして（ハイブリッド形成して）分離した鎖にして、次に、約７２°まで再加熱して重合酵素を使用してプライマー伸長を達成する。このシーケンスは繰返されて多くのＤＮＡ生成物の生成を達成し、各サイクルで消費された時間は、装置、反応スケール、及び自動化の程度に依存して１分の数分の１から２分に渡って変化する。温度変化と高度の制御を伴う化学反応の他の例は核酸配列である。その他の例は、分子生物学及びバイオ科学一般の分野に精通している者には明らかである。

上に引用した処置は、自動化された実験室を使用して、各々はマイクロリットル程度の比較的少ない体積の多数のサンプルに対して施されることが多い。この装置の中心的な構成要素は、サンプル・ブロック、サンプル・ブロックの下側に接触している熱電デバイス又はこの種のデバイスのアレイ、熱電デバイスに連結されているヒートシンクなどの最大の熱伝導を達成する適切な熱インターフェイスのすべてを含む、反応モジュールである。このようなモジュールの１つの例は、アトウッド，Ｊ．Ｇ．らの特許文献１に示されている。アトウッドらのヒートシンクは、熱電デバイスに直接接触している“一般に平面的な基部３４”と、基部から下方に向かって伸延して連続する複数のフィン３７を含んでいる。“トレンチ４４”が熱電デバイスの周囲の外側に基部３４に切込まれて熱伝導を制限し、かつ、トレンチによって画定される領域からの端部損失を低減している（第８欄、９−１３行）。特許文献１によると、長方形のサンプル・ブロックのコーナーでの熱損失は、ブロックの他の場所でのそれよりも大きく、コーナーは冷却される（第５欄、４０−４１行）。特許文献１では、コーナーの周りに絶縁体を配置してこの熱損失を制御すること、及びサンプル・ブロックの中央から“ヒートリーク”として機能するヒートシンクへの熱接続を小さくして使用することによって、ブロックの中央の温度を下げてブロック全体に渡るより均一の温度を維持することを推奨している（第５欄、４４−５４行）。

米国特許第７，１３３，７２６号

この度、反応モジュール内のサンプル・ブロックの（コーナーを含む）端部の熱損失は、熱電デバイス、このようなデバイスのアレイ、及び特別に配置されたボイドを持つヒートシンクを含む温度制御アセンブリを使用して低減されること、あるいは、なくすことができるという知見が得られた。ここでは、用語“熱電手段”は、個々の熱電デバイスと熱電デバイスのアレイとの双方を含むものとして使用される。ヒートシンクは、（アトウッドらの “一般に平面的な基部３４”と類似する）熱伝導性スラブ、及び熱放散フィンを含み、ボイドは、スラブ内にあって熱電デバイスあるいは熱電デバイスのアレイの周囲の端部にあるか、または、熱電デバイスあるいは熱電デバイスのアレイの周囲の端部内にある。ボイドは、サンプル・ブロック部分の直下の位置に含まれている。さもなければ、サンプル・ブロックは、熱電デバイスの配置のために、あるいは、サンプル・ブロックの端部に位置が近接しているため、温度が下がる傾向を示すことになるであろう。スラブは、スラブの中央領域を取囲むスラブ領域で、高密度のボイドを含み、すなわち、単位面積あたりのボイドの体積が大きい。いくつかの場合には、スラブの中央領域にはボイドはなく、他の場合では、ボイドは中央領域に現れるが数が少ない（すなわち、ボイドの体積は小さくなる）か、あるいは、中央領域の外側のボイドよりも空間的に間隔があいている。驚くべき知見は、熱電デバイスの下方にあるスラブ内のこれらのボイドの位置にかかわらず、ボイドの上方にある熱電デバイスが冷却されることを制限することにより、スラブがサンプル・ブロックを均一に加熱するのに、これらのボイドが有効な効果的があるということである。本発明のこれらの及びその他の特徴、実施態様、有利な効果は、以下の記載から明らかになるであろう。

本発明による熱電デバイス／ヒートシンク・アセンブリの１つのヒートシンク部の上面図である。 熱電デバイスのアレイを伴った、図１Ａのヒートシンクの前面図である。 図１ＡのＣ−Ｃに沿った断面図である。 本発明によるアセンブリの第二の例のヒートシンク部の上面図である。 本発明によるアセンブリの第二の例のヒートシンク部に熱電デバイスのアレイを追加した前面図である。 本発明によるアセンブリの第三の例のヒートシンク部の上面図である。 本発明によるアセンブリの第四の例のヒートシンク部の上面図である。 本発明によるアセンブリの第五の例のヒートシンク部の上面図である。 本発明によるアセンブリの第五の例のヒートシンク部の断面図である。

ペルチェ・デバイスあるいはペルチェ熱電デバイスとしても知られている、熱電デバイスは、デバイスを流れる電流の方向に依存して２つの反対の方向に熱流を誘起するというよく知られたペルチェ効果を利用した単体電子デバイスである。典型的な熱電デバイスの記載は、上で引用したアトウッドらの文献に見ることができる。上で注釈したように、本発明は単体熱電デバイスを含むシステムのみならず、２つあるいはそれ以上の熱電デバイスを含むシステムにも適用できる。各々の熱電デバイスは、通常、長方形の形状をなしており、２つあるいはそれ以上の熱電デバイスであるとき、ある場合には隣接する熱電デバイスは一定のギャップによって離すことができるが、それらは、好適には、長方形状のアレイに連続的に配列されている。熱電デバイスのアレイが使用されるとき、アレイは、好適には、２個から２０個の熱電デバイスからなり、最も好適な実施態様では、４個から１０個の熱電デバイスからなる。ここでは、“熱電手段”という表現は、単体熱電デバイスと熱電デバイスのアレイとの双方を包含するように使用される。単体熱電デバイスとこのようなデバイスのアレイは、サンプル・ブロックに接触する平坦な表面を形成するように配列されている。熱は、この領域を横切ってサンプル・ブロックと単体熱電デバイスとの間を能動的に伝導する。サンプル・ブロックは、単体熱電デバイスで占有されている平坦な領域と共に伸延することもできるし、また、これを超えて伸延することもできる。

ここでは、用語“ボイド”は、開口されたままの、すなわち、熱伝導材料内での非連続性を形成する熱伝導スラブ内の領域であり、通常、空気で満たされている領域を示すために使用されている。ここでは、用語“ボイド”は、原文では複数形で表現されているが、複数の分離した充填されていない領域とのトレンチのような単一の充填されていない領域との双方を含むものとする。さらに、用語“ボイド”は、スラブを通って単に部分的に伸延して、スラブの片側だけで、好適には、熱電デバイスに面している側で、開口する凹部を示すものとし、また、スラブの厚さを貫通して伸延してスラブの両面に開口している孔も示すものとする。ボイドが分離されている凹部又は孔からなるとき、各々の凹部又は孔は、熱電デバイスに占有されている領域の最も小さい横方向の寸法の、好適には、約１％から約１５％の最大幅、最も好適には、約１％から約５％の最大幅を有する。

“ボイド”は、また、完全に取除かれたスラブの端部であることもできる。これらの場合、スラブは、熱電デバイスによって占有された領域と同一の広がりを持たないが、その代わりに、その領域内で終端して、熱電デバイスによって熱電デバイスに占有された領域の端部とこれら端部に近接する帯状部を完全に露出させる。ボイドがこの領域の内部で終端する場合には、ボイドの最も外側の端部は、熱電デバイスによって占有された領域の端部（すなわち、周縁部）から、好適には、約０．１ｍｍから約２０．０ｍｍの範囲、最も好適には、約０．２ｍｍから約３．０ｍｍの範囲の距離にある。本発明の範囲に入るこの他の配置において、スラブは、熱電デバイスによって占有された領域を超えて伸延しており、ボイドは、熱電デバイスによって占有された領域内にあるか、あるいは、この領域の周縁部を超えて伸延している。ボイドがこの領域の周縁部を超えて伸延しているとき、熱電デバイスの少なくとも一部のより外側の端部は、１つあるいはそれ以上のボイドを横切っている。

均一な加熱を得る際の問題は多くの場合にヒートシンクの外側領域近傍に見られるので、熱電デバイスに占有される領域の外側で、その領域の中心に向かう場所で加熱異常も発生する。例えば、デバイスのアレイの中心近くで近接する熱電デバイスが小さいギャップによって離れているとき、この問題は発生する。このような異常を解決するには、本発明によるスラブは、一般に、より端部の近くに位置しているボイドよりも、より少ない、より小さいボイドが必要とされることになる、異常を示す場所にボイドを含んでいる。このように、上に注釈したように、これらのより中心に位置するボイドは、熱電デバイスに占有される領域の端部により近いボイドに比べて、空間的な密度あるいは個々の寸法という点で、より低密度になることにある。

スラブ、そしてスラブと熱放散フィンの双方を含むヒートシンク全体は、如何なる熱伝導材料からでもなることができ、好適には、金属あるいは金属合金からなることが望ましい。アルミ、銅、及びステンレス鋼がその例である。熱サイクル機関の製造及び／又は使用に馴染みのある者にとってはその他も明らかである。スラブは、フィンと一体成形されているか、あるいは、別々の部品から溶接その他の従来の接続手段によって熱インターフェイスとして機能する（つまり、接触は、インターフェイスを介しての熱伝導がインターフェイス自身によっては実質的に妨害されないという性質を有することを意味する）ように接続されて製造されている。スラブと熱電デバイスの間の接触は、同種の材料を使用していないが、熱インターフェイスでもある。スラブと熱電デバイスの間の熱インターフェイスとして機能するために、ＧＲＡＦＯＩＬ（登録商標、米国デラウェア州ウィルミントンのＵＣＡＲ社）、及び様々な入手可能な熱グリースのような材料をこれらの部材の間に置くことができる。

本発明を定義する特徴は、様々な実装態様によって実現できるが、特定の実施態様を詳細に調べることで本発明は全体として最もよく理解されるであろう。このような実施態様がいくつか図示されている。

図１Ａは、本発明の温度制御アセンブリの１つの例を描く。アセンブリは、スラブの中央部に盛り上がった領域１２あるいは台座を有する熱伝導部材からなるスラブ１１を含む。この台座の周囲は、熱電デバイスの占める領域と同じ寸法である。熱電デバイスのアレイは、スラブの上に少しだけ盛り上がり、熱電デバイスの表面は、平坦な面を形成し、この平坦な面がスラブの盛り上がった領域１２と共に伸延している。使用時、熱電デバイスは、スラブの盛り上がった領域１２と直接接触することになる。アセンブリは、スラブ１１と共にヒートシンクを形成する熱放散フィンも含む。

図１Ａのこの実施態様のボイドは、単一のループ形状を持つ凹部あるいはトレンチ１５を形成している。トレンチ１５はスラブの中央領域１６を取囲んでいる。この場合には中央領域にボイドはない。

第二の例は、図２Ａ、図２Ｂに示されている。この例でのスラブ２１は、上面図である図２、及び前面図である図２Ｂに示すように、同じように、盛り上がった領域２２を有している。熱電スラブの上方に保持されているデバイス・アレイ２４を示す図２Ｂに示すように、図１Ａに示したのと同じように、スラブ２１は、熱放散フィン２３に連結されている。ここでも同様に、熱電デバイス２４は、装置使用時、スラブの盛り上がった領域２２に直接接触している。この実施態様のボイドは、周縁領域２５はスラブから完全に取除かれた形状をなしており、図２Ａ、図２Ｂ双方において点線で示されている。このように、熱電デバイス２４の下側に接触しているスラブの盛り上がった領域２２は、長さも幅もアレイに占有される領域よりも小さい。

図１Ａに示されたループ形状のトレンチのバリエーションは、図３に示されている。この例でのスラブ３１は、図１Ａに示されたものと同じように、熱電デバイスは図示していないが、熱電デバイスに占有される領域と共に伸延する、盛り上がった領域３２を有している。この構造は、同心円形あるいは楕円形の２つのループ形状をなし、スラブの中心部のボイドのない領域３５を共に取囲んでいるトレンチ３３、３４を有している。この例の楕円ループの幅３６、３７は、等しくなく、スラブの周縁部に最も近い外側の楕円ループ３４の幅３７は、内側の楕円ループ３３の幅３６よりも大きい。これによって、スラブが熱損失により影響を受けやすいスラブの周縁部により近い位置で著しい熱損失の防止を実現できる。同じ幅の楕円ループあるいは完全に取除かれた端部に取り囲まれる楕円ループを含む、この配置のバリエーションは明らかである。

第四の例は、図４に示されている。図１Ａ、図３、及び図４の例にもあるように、図４の例のスラブ４１は、熱電デバイスは図示していないが、熱電デバイスに占有される領域と共に伸延する、盛り上がった領域４２を有している。この例のボイドは、中央部４４の周りに対称的に分布している連続する凹部４３あるいは孔４３である。これらの凹部４３あるいは孔４３は、盛り上がった領域４２の周縁部及びコーナーに向かって寸法が大きくなるように直径が徐々に変化している。これは、スラブが熱損失に最も敏感な領域での熱損失を著しく防止する別の手段である。

図５Ａ、図５Ｂは、本発明によるスラブの第五の例を示している。図１Ａ、図３、及び図４の例にもあるように、図５Ａ、図５Ｂの例のスラブ５１は、熱電デバイスに占有される領域と共に伸延する、盛り上がった領域５２を有している。この例のボイドは、すべて同じ同一の直径を持つ円形の断面５３を有する凹部であるが、こちらもボイドがない中央部５４の周りに対称的に分布している。図５Ｂの断面は、ボイド５３は、スラブを通して伸延する孔ではなくて正に凹部であり、凹部の上端部は、熱電モジュールに面するスラブ側で、面取り５５されているか傾斜５５しており、これによって熱損失防止効果を追加することを示している。

上述の記載では、様々な代替態様を記載したが、この分野の当業者にはこれら以外の代替態様は明らかであろうし、本願発明の範囲内にあるものとする。

ここに添付の請求項において、原文の用語“a”、あるいは“an”は、“１つあるいはそれ以上”を意味することを意図している。原文の用語“comprise”、あるいは、“comprising”は、原文において工程あるいは部材の記載に先行するとき、さらなる工程あるいは部材を付加することはオプションであって排除されないことを意味すると意図されている。この明細書で引用されたすべての特許、特許出願、及びその他の公開された参照文献は、ここで参照してそのすべてを取込むこととする。ここで参照されたすべての文献とこの明細書の明示的教示との間の如何なる差はこの明細書の教示を優先して解決されると意図されている。このことには、この技術分野で理解されている文言又はフレーズの定義と同一の文言又はフレーズのこの明細書でなされた明示的定義の間のすべての差を含むものとする。

Claims (9)

1. 複数のサンプルを受容可能なサンプル・ブロックのための温度制御アセンブリであって、
   （Ａ）周囲によって境界が定められた実質的に平坦な領域を占有する、熱電手段と、
   （Ｂ）ヒートシンクと、
   を備え、
   前記ヒートシンクは、
   （ｉ）前記熱電手段の下側に位置し、前記平坦な領域全面に伸延する、熱放散フィンと、
   （ii）前記熱電手段の前記下側と前記熱放散フィンとの間に位置して、前記熱電手段の前記下側と前記熱放散フィンとに接触して、前記熱電手段の前記下側と前記熱放散フィンとの間の熱を伝導によって伝達する熱伝導材料からなり、かつ、当該スラブの中央領域を取囲む領域で前記中央領域よりも高いボイド密度を持つ、前記平坦な領域の前記周囲内部において前記スラブを横切って分布したボイドを含む、スラブを備える、
   ヒートシンクを備え、
   前記ボイドは、前記中央領域を取囲む前記スラブ内に同心状にループ形状を有する複数の凹部を備え、前記複数の凹部は、最も内側のループ形状を有する凹部、及び最も外側のループ形状を有する凹部を含み、前記最も外側のループ形状を有する凹部は、前記最も内側のループ形状を有する凹部よりも大きい幅を持つ、
   温度制御アセンブリ。
2. 前記ボイドは、前記熱電手段によって占有されている前記領域の前記周囲の０．１ｍｍから１０．０ｍｍの距離内にある最も外側の端部を持つ、請求項１に記載の温度制御アセンブリ。
3. 前記ボイドは、前記熱電手段によって占有されている前記領域の前記周囲の０．２ｍｍから３．０ｍｍの距離内にある最も外側の端部を持つ請求項１に記載の温度制御アセンブリ。
4. 前記ボイドは、各々が前記熱電手段によって占有されている前記領域の最小横方向寸法の１％から１５％の範囲の最大幅を持った複数の別々の凹部を備える、請求項１に記載の温度制御アセンブリ。
5. 前記熱電手段によって占有されている前記領域の中心から遠くにある前記凹部は、前記中心に最も近い前記凹部よりも幅が大きい、請求項４に記載の温度制御アセンブリ。
6. 前記ボイドは、各々が前記熱電手段によって占有されている前記領域の最小横方向寸法の１％から５％の範囲の最大幅を持った複数の別々の凹部を備える、請求項１に記載の温度制御アセンブリ。
7. 前記ボイドは、前記熱電手段に面して、かつ、傾斜した端部を持つ開口を備える、請求項１に記載の温度制御アセンブリ。
8. 前記熱電手段は、長方形アレイに配置された２個から２０個の熱電デバイスを備える、請求項１に記載の温度制御アセンブリ。
9. 前記熱電手段は、長方形アレイに配置された４個から１０個の熱電デバイスを備える、請求項１に記載の温度制御アセンブリ。

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