JP6546691B2 - Ｄｃヒータ - Google Patents

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Description

本発明は、ＤＣ（直流）ヒータおよびその用途に関する。
電気ヒータは、一般に、多くの用途で使用されている。しかし、現在のところ、９ボルト以下の電圧を使用して最高で１００℃または１００℃を超えるまで加熱され得るＤＣヒータで、１インチ平方以下のサイズのＤＣヒータは存在しない。このような低電圧源によって電力が供給される小型ヒータは、省スペースおよび節電の点で多くの用途で、特に、携帯用さらには使い捨て用の用途の可能性を開くものである。
例えば、ＰＣＲは、配列決定、疾患診断、ＤＮＡ試料からの個体の識別、および遺伝子の機能解析のためのＤＮＡクローニングなどの種々の用途でＤＮＡ配列の複数のコピーを作成する一般的な方法である。ＰＣＲでは、複数の熱サイクルにおいてＤＮＡ配列の複製が行われ、各サイクルは、一般に、変性、アニーリングおよび伸長の３つの主要ステップを有する。変性ステップでは、二本鎖ＤＮＡ鋳型が２０〜３０秒間で約９４〜９８℃まで加熱されて、一本鎖ＤＮＡが生成される。アニーリングステップでは、２０〜４０秒間で約５０〜６５℃まで温度を下げることによりプライマーが一本鎖ＤＮＡにアニーリングする。伸長ステップでは、ＤＮＡポリメラーゼ（例えば、Ｔａｑ）を使用して、ＤＮＡポリメラーゼの最適な活性温度（Ｔａｑの場合、７５〜８０℃）で一本鎖ＤＮＡにアニーリングしたプライマーを伸長することにより、新しい二本鎖ＤＮＡを合成する。明らかに、１サイクルにおいて形成された新しい二本鎖ＤＮＡが次のサイクルで変性、アニーリング、伸長のステップを受け、各サイクルが得られるＤＮＡ配列の数を効果的に２倍生成するので、ＤＮＡの複製はかなり指数関数的である。上述した３つの主要ステップ以外に、使用されるＤＮＡポリメラーゼが熱活性化される場合に初期化ステップが必要であり得、一本鎖ＤＮＡ断片が確実に残ることがないように、長時間にわたって（例えば、５〜１５分間）最終サイクルの最終伸長ステップが行われる場合がある。
したがって、ＰＣＲを実施するためのあらゆる装置は、変性、アニーリング、および伸長のステップを行うために反復して熱サイクルを実行することができるものでなければならない。これには、所要温度まで反応物を加熱および冷却して、必要な時間の間、所要温度を維持することが必要である。温度が１００℃近くに達する、および／または１００℃を超える場合、既存のマイクロ流体またはｌａｂ−ｏｎ−ｃｈｉｐＰＣＲ装置には、一般的には、必要な熱を供給するための外部サーマルサイクラーが必要であり、このことにより、該装置の使用時の真の可搬性およびサイズを制限することになる。
輸血用の血液バッグを温める、またはレトルトパウチとして一般に知られている袋に保存されている食品を単に加熱するなどの他の用途では、現在では一般的に、９ボルトより大幅に高い電圧源を必要とする大型加熱装置が使用されており、使用者にとって可搬性および利便性が制限される。
第１の態様によれば、非導電性の表面上に配置される熱伝導性材料製の個別加熱領域と、ＤＣ電圧源に接続される構造であり、前記ＤＣ電圧源に接続されると前記個別加熱領域を均一温度になるまで加熱する構造である少なくとも１つの導電性トレースであって、前記個別加熱領域の周囲の少なくとも一部にわたって前記表面上の波形状部に配置される少なくとも１つの導電性トレースとを備える、ＤＣヒータが提供される。
前記ＤＣ電圧源は、最大でわずか９ボルトを供給してもよい。
前記ＤＣ電圧源は、最大でわずか５ボルトを供給してもよい。
前記少なくとも１つの導電性トレースは、前記ＤＣ電圧源を与えるホストデバイスのＵＳＢポートと接続するためのＵＳＢインターフェースと一体になる構造である端子を備えてもよい。
前記波形状部は、スカラップ状、ノコギリ歯状、波形、矩形波形、ダブテール状、切手の縁の形状、および上述の各波形状部の修正形態から成る群から選択された少なくとも１つの形状であってもよい。
前記表面は、可撓性シート材料上にあってもよい。
前記ＤＣヒータは、前記表面、前記個別加熱領域、および前記少なくとも１つの導電性トレースの上に設けられる保護層をさらに備えてもよい。
前記個別加熱領域のみが加熱されるアイテムに近接して配置される構造であってもよい。
第２の態様によれば、ベースシートと、少なくとも１つの試料捕集開口部および、結果窓として構成される透明部分を有する表面シートと、前記ベースシートと前記表面シートとの間に配設されるＰＣＲチャンバを備えたマイクロ流体チャネルであって、前記少なくとも１つの試料捕集開口部と流体連通する構造であり、前記ＰＣＲチャンバの下流側に位置する部分は前記結果窓から見える構造であるマイクロ流体チャネルと、前記個別加熱領域が前記ＰＣＲチャンバに近接するように前記ベースシートと前記表面シートとの間に配設される前記第１の態様のＤＣヒータとを備える、使い捨てＰＣＲ装置が提供される。
前記ベースシート、前記表面シート、および前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの可撓性シート材料で形成される。
第３の態様によれば、製品を保存する構造である電気加熱バッグであって、可撓性材料の第１のシートであって、ポリマー材料の第２のシートに対して封止されることにより前記可撓性材料の第１のシートと前記ポリマー材料の第２のシートとの間に空洞が形成され、前記空洞の周囲に前記可撓性材料の第１のシートと前記可撓性材料の第２のシートとを含む境界を形成する、可撓性材料の第１のシートと、前記第１の態様のＤＣヒータであって、前記個別加熱領域は前記空洞の第１の壁を形成する前記可撓性材料の第１のシートの部分に配置され、前記少なくとも１つの導電性トレースは前記可撓性材料の第１のシートの前記境界にある前記波形状部内に配置される、ＤＣヒータとを備える電気加熱バッグが提供される。
前記電気加熱バッグは、前記空洞と流体連通し、前記製品を分注する構造である閉鎖可能な開口部をさらに備えてもよい。
前記閉鎖可能な開口部は、チューブに接続可能であり、前記電気加熱バッグは、患者からの血液の採血と保存、および患者への血液または血液製剤の投与のうちの少なくとも１つを行う構造である血液バッグであってもよい。
本発明が十分に理解され、容易に実施されるように、単に非限定的な例として、本発明の例示的な実施形態について説明する。まず、添付図面の説明から始める。
本発明のＤＣヒータの第１の例示的な実施形態の概略図である。 本発明のＤＣヒータの導電性トレースの波形状部の種々の実施形態の概略図である。 図１のＤＣヒータを備えた例示的な使い捨てＰＣＲ装置の概略図である。 本発明のＤＣヒータを備えた例示的な電気加熱バッグを示した概略図である。 本発明のＤＣヒータの例示的な代替構造を示した概略図である。 本発明のＤＣヒータの例示的な代替構造を示した概略図である。
図１〜図５を参照しながら、ＤＣヒータ１０の例示的な実施形態およびその種々の用途について後述する。図面では、同じ参照番号は同じ部品または同様の部品を示すのに使用されている。
図１に示されているＤＣヒータ１０の第１の実施形態では、ＤＣヒータ１０は、非導電性の表面３０上に配置された熱伝導性材料から成る個別加熱領域２０を備える。表面３０は、例えば、ポリマー材料製としてもよく、比較的硬い材料（例えば、プリント基板に使用されるようなラミネート）または可撓性材料（例えば、可撓性ポリプロピレンシート、ポリマーフィルム、カードストックなど）で形成されてもよい。
ＤＣヒータ１０はさらに、ＤＣ電圧源５０（図面では、（＋）および（−）として示されている）に接続され、ＤＣ電圧源５０に接続された時に個別加熱領域２０を均一温度になるまで加熱する構造である導電性トレース４０を備える。個別加熱領域２０は、導電性トレース４０と導電接触しない。導電性トレース４０および個別加熱領域２０は、導電性インクまたは適切な金属などの同じ導電性材料から成るのが好ましい。
導電性トレース４０は、個別加熱領域２０の周囲の少なくとも一部にわたって表面３０上の波形状部６０に配置される。図１では、波形状部６０は、図２に示されているように、同じ方向に湾曲し、所定角度で交わり、外側に点を形成し、円弧凸面は個別加熱領域２０に向けられた一連の円弧を備えたスカラップ形状４１を有する。この実施形態では、個別加熱領域は長方形であり、波形状部６０は個別加熱領域２０の対向する両側のみに配設される。
代替形態では、波形状部６０は、図２に示されるように、ノコギリ歯状４２、波形４３、矩形波形４４、ダブテール状４５、切手の縁の形状４６、または上述の波形状部６０のそれぞれの修正形態とすることができる。波形状部６０は、導電性トレース４０の湾曲または屈曲の反復単位を備えるものと考えられ、そこに直線部分が組み入れられてもよいし、組み入れられなくてもよい。導電性トレース４０が湾曲または屈曲する場所の外縁もしくは凸縁または角６１で、より高い高温点が生じることが明らかである。したがって、表面３０上に導電性トレース４０の適切な波形状部６０を配設することにより、複数の高温点を個別加熱領域２０近くに位置決めすることができる。このようにして、十分な熱が導電性トレース４０の波形状部６０によって生成され得ることにより、例えば、ラップトップのＵＳＢポートによって供給されるようなわずか５ボルトのＤＣ電圧を使用して、例えば、わずか３ｍｍ×１０ｍｍの寸法の個別加熱領域２０が所望の高い温度になるまで、例えば、１００℃以上になるまで加熱されることになる。
ＤＣ電圧源５０は、ＤＣヒータ１０の用途に応じて、９ボルト以下の電圧を有する任意の適切な電源としてもよい。例えば、ＤＣ電圧源５０は、バッテリの形態としてもよいし、上述したように、ラップトップまたはコンピュータのＵＳＢポートとしてもよいし、自身の電源を有し、５ボルト以下の電圧を有する他のホストデバイスとしてもよい。このようにして、ＤＣヒータ１０は、ＤＣヒータ１０によって使用される低いＤＣ電圧を供給することができるバッテリまたは他の携帯装置を電力源とすることができるので、持ち運びしやすい。
個別加熱領域２０を導電性トレース４０のどの部分とも接触しないような構造にすることによって、ＤＣヒータ１０が定常加熱状態になった時に、個別加熱領域２０全体が均一な温度になることが明らかになった。したがって、個別加熱領域２０のみが加熱されるアイテムに近接して配置されるようにＤＣヒータ１０を構成することによって、そのアイテムは個別加熱領域２０から比較的均一に加熱されることになると思われる。用語「近接して」は、この場合、ＤＣヒータ１０の用途に合わせた構造に応じて、アイテムが個別加熱領域２０上または個別加熱領域２０を覆うように配置される、または個別加熱領域２０がアイテムを覆うように配置されるという意味で使用されている。均一に加熱するというこの特徴は、アイテムが熱の影響を受けやすい生物試料または生物学的製剤である生物学的用途では特に重要であり、アイテムのいかなる部分も損傷をもたらし得る過度温度または温度急上昇にさらされないことが重要である。
ＤＣヒータ１０はさらに、表面３０、個別加熱領域２０、および導電性トレース４０が環境にさらされることによる損傷から保護するために、これらの上に保護層（図示せず）が設けられるのが好ましい。さらに、保護層は、使用者の安全のために、電気絶縁機能を果たすのが好ましい。
上述のＤＣヒータ１０の実用的な用途は、図３に示されているような使い捨てＰＣＲ装置１００の用途である。ＰＣＲ装置１００は、ベースシート（図示せず）、表面シート１０１、ベースシートと表面シート１０１との間に配設されるＰＣＲチャンバ１２０を備えたマイクロ流体チャネル１１０、および同様にベースシートと表面シート１０１との間に配設されるＤＣヒータ（図示せず）を備える。したがって、ベースシートおよび表面シート１０１は、ＰＣＲチャンバおよびＤＣヒータを３ｍｍ未満の厚さのパッケージの中に収容する。
表面シート１０１は、ＤＮＡ試料を入れるための少なくとも１つの試料捕集開口部１０２を有する必要があり、ＰＣＲチャンバに試薬を加えるための１つまたは複数の他の開口部１０３を有してもよい。表面シート１０１はさらに、ＰＣＲから得られた結果を見るための結果窓１０４として構成された透明部分を有する。
マイクロ流体チャネルは、ＤＮＡ試料が装置１００のＰＣＲチャンバ１２０に流入することができるように試料捕集開口部１０２と流体連通した構造である。マイクロ流体チャネル１１０の、ＰＣＲチャンバ１２０の下流側にある部分１３０は、結果窓１０４から見える構造である。
使い捨てＰＣＲ装置１００では、使い捨てＰＣＲ装置１００内でＤＣヒータが占めるスペースが極めて小さくなるように、個別加熱領域および導電性トレースはポリマーフィルムなどの薄い可撓性材料製の表面に配置されるのが好ましい。ＤＣヒータは、ＤＣヒータの個別加熱領域のみが装置１００内のＰＣＲチャンバ１２０に近接し、波状部分を含む導電性トレース４０はＰＣＲチャンバ１２０から離間されるように構成される。このようにして、個別加熱領域は、波状部分によって加熱されると均一な熱をＰＣＲチャンバ１２０に供給するので、装置１００内で実行されるＰＣＲに必要な熱サイクルを提供することができる。
使い捨てＰＣＲ装置１００がＵＳＢホストデバイスによって供給されるＤＣ電圧源を有する必要がある場合、図３に示されているように、ＰＣＲ装置１００はさらに、ＵＳＢホストデバイスと接続するための、導電性トレース４０がＵＳＢインターフェースと一体になる構造であるタブ１４０を備えてもよい。
ＤＣヒータ１０の別の用途では、図４に示されているように、ＤＣヒータ１０は、製品を保存する構造である電気加熱バッグ２００上に配置されてもよい。この用途では、電気加熱バッグ２００の可撓性材料の第１のシート２０１が可撓性材料の第２のシート（図示せず）に対して封止されることにより、第１のシート２０１と第２のシートとの間に空洞２０２が形成され得る。
この封止は、可撓性材料の第１のシート２０１と可撓性材料の第２のシートとを含む境界２０３が、さらに空洞２０２の周囲に形成されるものでなければならない。ＤＣヒータ１０の個別加熱領域２０は、空洞２０２の第１の壁を形成する可撓性材料の第１のシート２０１の部分２０４上に配置される。ＤＣヒータ１０の導電性トレース４０は、可撓性材料の第１のシート２０１の境界２０３の波形状部６０内に配置される。このようにして、空洞２０２内に収容されている製品は、導電性トレース４０がＤＣ電圧源に接続されると加熱される個別加熱領域２０からの熱によって所望の温度まで加熱される。
電気加熱バッグ２００の用途が、例えば、バッグ２００から分注される製品を保存するものである場合、製品は、消費用の食品または輸血用の血液製剤とすることができ、この場合、バッグ２００はさらに、空洞２０２と流体連通するとともに、製品を分注することができる構造の閉鎖可能な開口部２０５を有する。バッグ２００が患者から血液を採血して保存する、および／または血液もしくは血液製剤を患者に投与するための血液バッグとして使用される特別な場合、閉鎖可能な開口部２０５はさらに、患者に静脈投与できる構造の端部を有するチューブ（図示せず）に接続できる構造であるのが好ましい。
上記では、本発明の例示的な実施形態に関して説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、設計、構造、および／または操作の細部に多くの変更を加えてもよいことは、当業者は理解するであろう。例えば、必要応じて、ＤＣヒータ１０の実際の用途に合わせて、個別加熱領域２０および波形状部６０の考えられる形状およびサイズを制限することなく、これらの代替形態を備えることも可能である。いくつかの例が図５に示されている。図５（ｂ）に示されているように、ＤＣヒータ１０は、個別加熱領域２０の周囲に波形状部６０を配設するために、１つではなく２つの導電性トレース４０を有する。したがって、ＤＣヒータ１０内の導電性トレース４０の数は、１つまたは複数とすることができる。

Claims (13)

  1. 非導電性の表面上に配置される熱伝導性材料製の個別加熱領域と、
    ＤＣ電圧源に接続される構造であり、前記ＤＣ電圧源に接続されると前記個別加熱領域を均一温度になるまで加熱する構造である少なくとも１つの導電性トレースであって、前記個別加熱領域の周囲の少なくとも一部にわたって前記表面上の波形状部に配置される少なくとも１つの導電性トレースと
    を備える、ＤＣヒータ。
  2. 前記ＤＣ電圧源は、最大でわずか９ボルトを供給する、請求項１に記載のＤＣヒータ。
  3. 前記ＤＣ電圧源は、最大でわずか５ボルトを供給する、請求項１または請求項２に記載のＤＣヒータ。
  4. 前記少なくとも１つの導電性トレースは、前記ＤＣ電圧源を与えるホストデバイスのＵＳＢポートと接続するためのＵＳＢインターフェースと一体になる構造である端子を備える、請求項３に記載のＤＣヒータ。
  5. 前記波形状部は、スカラップ状、ノコギリ歯状、波形、矩形波形、ダブテール状、切手の縁の形状、および上述の各波形状部の修正形態から成る群から選択された少なくとも１つの形状である、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のＤＣヒータ。
  6. 前記表面は、可撓性シート材料上にある、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＤＣヒータ。
  7. 前記表面、前記個別加熱領域、および前記少なくとも１つの導電性トレースの上に設けられる保護層をさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＤＣヒータ。
  8. 前記個別加熱領域のみが加熱されるアイテムに近接して配置される構造である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＤＣヒータ。
  9. ベースシートと、
    少なくとも１つの試料捕集開口部および、結果窓として構成される透明部分を有する表面シートと、
    前記ベースシートと前記表面シートとの間に配設されるＰＣＲチャンバを備えたマイクロ流体チャネルであって、前記少なくとも１つの試料捕集開口部と流体連通する構造であり、前記ＰＣＲチャンバの下流側に位置する部分は前記結果窓から見える構造であるマイクロ流体チャネルと、
    前記個別加熱領域が前記ＰＣＲチャンバに近接するように前記ベースシートと前記表面シートとの間に配設される請求項１〜７のうちのいずれか一項に記載のＤＣヒータと
    を備える、使い捨てＰＣＲ装置。
  10. 前記ベースシート、前記表面シート、および前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの可撓性シート材料で形成される、請求項９に記載の使い捨てＰＣＲ装置。
  11. 製品を保存する構造である電気加熱バッグであって、
    可撓性材料の第１のシートであって、ポリマー材料の第２のシートに対して封止されることにより前記可撓性材料の第１のシートと前記ポリマー材料の第２のシートとの間に空洞が形成され、前記空洞の周囲に前記可撓性材料の第１のシートと前記可撓性材料の第２のシートとを含む境界を形成する、可撓性材料の第１のシートと、
    請求項１〜７のうちのいずれか一項に記載のＤＣヒータであって、前記個別加熱領域は前記空洞の第１の壁を形成する前記可撓性材料の第１のシートの部分に配置され、前記少なくとも１つの導電性トレースは前記可撓性材料の第１のシートの前記境界にある前記波形状部内に配置される、ＤＣヒータと
    を備える電気加熱バッグ。
  12. 前記空洞と流体連通し、前記製品を分注する構造である閉鎖可能な開口部をさらに備える、請求項１１に記載の電気加熱バッグ。
  13. 前記閉鎖可能な開口部は、チューブに接続可能であり、前記電気加熱バッグは、患者からの血液の採血と保存、および患者への血液または血液製剤の投与のうちの少なくとも１つを行う構造である血液バッグである、請求項１２に記載の電気加熱バッグ。
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