JP5239353B2

JP5239353B2 - 温度制御装置および温度制御方法

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Publication number: JP5239353B2
Application number: JP2008011788A
Authority: JP
Inventors: 展雄佐々木
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-01-22
Also published as: JP2009171868A

Description

本発明は、ペルチェ素子を用いて温度制御対象物を加熱および吸熱する温度制御装置および温度制御方法に関する。

ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）を増幅させるための技術としてＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）法が存在する。このＰＣＲ法は、ＤＮＡを含む水溶液の温度を周期的に上下させることにより、短時間でＤＮＡを増幅させることができる技術である。そして、このＰＣＲ法を用いて、ＤＮＡの任意の断片の増幅を行うにあたり、ＤＮＡを含む水溶液が格納されたＰＣＲ用容器に対して加熱または吸熱を行っている。なお、液冷式ヒートシンクを用いたＰＣＲの制御において、流す液体の温度を制御する装置の技術が特許文献１に開示されている。
特開２００７−１１０９４３号公報

しかしながら、上述の特許文献１による技術では、液冷式ヒートシンクに流す液体の温度を変えるための可動機構が必要になるため、加熱・吸熱のサイクルが可動機構の動作に左右され、加熱・吸熱のサイクル速度が遅い。また当該可動機構により構造的に複雑となり、メンテナンスに労力がかかるという問題がある。

そこでこの発明は、メンテナンス労力を軽減するとともに、ＰＣＲ制御における加熱・吸熱のサイクル速度を容易に速めることのできる温度制御装置および温度制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、温度制御対象物への加熱または前記温度制御対象物からの吸熱を行う温度制御装置であって、前記温度制御対象物に接する面を備えた第１のペルチェ素子と、前記温度制御対象物に前記第１のペルチェ素子とは離れて接する面を備えた第２のペルチェ素子と、前記第１のペルチェ素子の前記面とは異なる他の面に接する加熱可能な第１の蓄熱手段と、前記第２のペルチェ素子の前記面とは異なる他の面に接する第２の蓄熱手段と、を備え、前記第１の蓄熱手段を加熱して、前記第１の蓄熱手段と前記第２の蓄熱手段とを異なる温度に制御する制御手段と、を備えることを特徴とする温度制御装置である。

また本発明は、上述の温度制御装置において、前記第１の蓄熱手段が、蓄熱材とヒータとで構成されることを特徴とする。

また本発明は、上述の温度制御装置において、前記制御手段は、前記温度制御対象物への加熱を行う場合には、前記第１のペルチェ素子に対して、前記第２のペルチェ素子が移動させる熱より大きな熱を前記第１の蓄熱手段から前記温度制御対象物へ移動させるように電流を流す制御を行い、前記温度制御対象物からの吸熱を行う場合には、前記第２のペルチェ素子に対して、前記第１のペルチェ素子が移動させる熱より大きな熱を前記温度制御対象物から前記第２の蓄熱手段へ移動させるように電流を流す制御を行うことを特徴とする。
また、本発明は、上述の温度制御装置において、前記第２の蓄熱手段の前記第２のペルチェ素子と接する面とは異なる他の面に接する第３のペルチェ素子と、該第３のペルチェ素子の前記第２の蓄熱手段と接する面とは異なる他の面に接する第３の蓄熱手段と、をさらに備えることを特徴とする。

また本発明は、前記温度制御対象物に接する面を備えた第１のペルチェ素子と、前記温度制御対象物に前記第１のペルチェ素子とは離れて接する面を備えた第２のペルチェ素子と、前記第１のペルチェ素子の前記面とは異なる他の面に接する加熱可能な第１の蓄熱手段と、前記第２のペルチェ素子の前記面とは異なる他の面に接する第２の蓄熱手段と、を備えた温度制御装置が、温度制御対象物への加熱または前記温度制御対象物からの吸熱を行う温度制御方法であって、制御手段が、前記温度制御対象物への加熱を行う場合には前記第１のペルチェ素子が前記温度制御対象物より高い熱を発するよう電流を流す制御を行い、前記温度制御対象物からの吸熱を行う場合には前記第２のペルチェ素子が前記温度制御対象物より低い熱を発するよう電流を流す制御を行い、前記第１の蓄熱手段と、前記第２の蓄熱手段を異なる温度に制御し、前記温度制御対象物への加熱を行う前に前記第１の蓄熱手段が加熱されていることを特徴とする温度制御方法である。

本発明によれば、温度制御対象物を加熱・吸熱するための機構に機械的構造を不要としたため、故障がなく、管理者のメンテナンス労力を軽減することができる。また、第１のヒートシンクを用いて、ペルチェ素子の一方の面から他方の面への通常の物体における熱伝導の効果を利用することで、従来に比べて迅速に温度制御対象物の温度を増加させることができる。また、吸熱時において第２のペルチェ素子２１の両面の温度差Ｔ_ｃｈｉｐ−Ｔ_ｓｉｎｋを負の値に安定させることができるため、１組のペルチェと空冷式ヒートシンクで加熱も吸熱も行う場合に比べて吸熱量Ｑ_ｃｈｉｐを制御しやすくなる。

以下、本発明の一実施形態による温度制御装置を図面を参照して説明する。
図１は同実施形態による温度制御装置の構成を示す第１の図である。
この図は、２つのペルチェ素子と２つのヒートシンクを備え、また、温度制御対象物Ａ（ＰＣＲ容器；本実施形態においては化学反応用チップと呼ぶ）を配置した状態を示す温度制御装置の断面図を示している。図で示すように、温度制御装置は第１のモジュールと第２のモジュールの２つのモジュールから構成されており、第１のモジュール１は、第一のペルチェ素子１１、第一のヒートシンク１２（蓄熱材１５、ヒータ１６）、温度センサ１３、１４から構成されている。また、第２のモジュール２は、第２のペルチェ素子２１、第２のヒートシンク２２（フィン２５、ファン２６）、温度センサ２３、２４から構成されている。また、温度センサ１２，１３，２３，２４及びヒータ１６，ファン２６には制御回路３０が接続されている。

本実施形態における温度制御装置は、第１のヒートシンク１２の温度を温度制御対象物Ａの化学反応用チップより高温に加熱して保温しておき、温度制御対象物Ａの化学反応用チップを加熱するときは、第１のペルチェ素子１１が発熱する様に電流を流して駆動し、また温度制御対象物Ａの化学反応用チップから吸熱するときは、第２のペルチェ素子２１が冷却する様に電流を流して駆動する。

図２は同実施形態による化学反応用チップの構成を示す図である。
この図は、温度制御対象物である化学反応用チップを示す図である。図２に示すように、化学反応用チップは、上板部１と下板部２の対応する面が接合して成る構造となっており、上板部１にはＤＮＡ水溶液の注入孔３が２つ備えられている。また、下板部２には水溶液が溜まる反応槽の凹部４が設けられている。図２においては簡略化して反応層の凹部４が３つのみ備えられた様子を示しているが、本実施系形態においては３６個が備えられているものとする。

次に、図１を用いて、第１のヒートシンク１２として十分に大きい熱容量をもつ蓄熱材１５を用いる実施例について説明する。
ここで、蓄熱材１５にはヒータ１６が内蔵されている。蓄熱材１５と第１のペルチェ素子１１が接する箇所に温度センサ１４が設置されており、この温度センサ１４は第１のヒートシンク側の蓄熱材の温度を計測している。また温度センサ１３は温度制御対象物Ａである化学反応用チップの第１のヒートシンク側の面の温度を計測している。そして、制御回路３０は、はじめに蓄熱材１５が９５℃に加熱されるようにヒータ１６に電流を流し、その後は蓄熱材１５が常時９５℃に保温されるようにヒータ１６に電流を流す。

このとき、温度制御対象物Ａである化学反応用チップへの吸加熱量Ｑ_ｃｈｉｐは、ペルチェ素子への入力電流をＩ_ｉｎ、ペルチェ素子の温度制御対象物側の温度をＴ_ｃｈｉｐ、ペルチェ素子のヒートシンク側の温度をＴ_ｓｉｎｋとすると、
Ｑ_ｃｈｉｐ＝｛α×（Ｔ_ｃｈｉｐ＋２７３）Ｉ_ｉｎ｝＋｛１／２×Ｒ×Ｉ_ｉｎ ^２｝
−｛Ｌ×（Ｔ_ｃｈｉｐ−Ｔ_ｓｉｎｋ）｝
で表すことができる。

この式においてαはペルチェ係数、Ｒは電気抵抗、１／Ｌが熱抵抗でありペルチェ素子に固有の値である。この式から分かるように、温度制御対象物Ａである化学反応用チップへの吸加熱量Ｑ_ｃｈｉｐは、『α×（Ｔ_ｃｈｉｐ＋２７３）Ｉ_ｉｎ』の第１項と、『１／２×Ｒ×Ｉ_ｉｎ ^２』の第２項と、『−Ｌ×（Ｔ_ｃｈｉｐ−Ｔ_ｓｉｎｋ）』の第３項とにより表すことができる。ここで、第１項はペルチェ素子の一方の面から他方の面へ強制的に熱移動を行うペルチェ効果によるものである。また第２項はペルチェ素子に電流を流すことによりペルチェ素子自体が発生させるジュール熱によるものである。また第３項はペルチェ素子の一方の面から他方の面への通常の物体における熱伝導によるものである。そして、これら第１項〜第３項の効果により、温度制御対象物Ａである化学反応用チップの温度が増減する。

そして、蓄熱材１５が９５℃に保温されている間に、式（１）で算出される吸加熱量Ｑ_ｃｈｉｐの熱量が温度制御対象物Ａである化学反応用チップに与えられ、これにより化学反応用チップの温度が増加する。なお、ペルチェ素子を用いて温度制御対象物である化学反応用チップの温度を制御する従来の技術においては、式（１）における第１項と第２項の効果を用いていたが、本実施形態においては、第１のヒートシンクを用いて式（１）の第３項の効果をもたらすことにより、従来に比べて迅速に化学反応用チップの温度を増加させることができる。

そして、温度センサ１３が、温度制御対象物Ａである化学反応用チップの第１のモジュール側の面の温度を計測し、制御回路３０が温度センサ１３の計測する温度を読み取る。そして制御回路３０は、温度センサ１３の温度が９５℃に達してから１５秒経過した後に、ヒータ１６への電流を停止し、また第１のペルチェ素子１１への電流を停止する。そして、制御回路３０は、第２のペルチェ素子２１がマイナスの温度を発するように電流を流す。そして、第２のペルチェ素子２１は、上記式（１）の算出式による熱量を、温度制御対象物Ａである化学反応用チップから温度を吸熱し、その熱をフィン２５へ伝える。そしてフィン２５と、ファン２６により熱が放出される。７０℃が４５秒間続くと、ペルチェ素子２１への電流を停止し、上記加熱の処理を再度行う。

なお、温度制御対象物Ａである化学反応用チップとして、アルミ合金とポリカーボネイト樹脂を積層した厚さ１ｍｍの板を用いる。化学反応用チップは微細加工されていて容量１０マイクロリットルの反応槽３６個をもち、それぞれの反応槽にＰＣＲ反応液が充填されている。そして制御回路３０は、上記の加熱と吸熱の処理を繰り返す。ここで反応試薬のＰＣＲ工程は２温度設定、例えば（９５℃１５秒、７０℃４５秒）×３０サイクルであるとする。

なお、上述の構成においては、温度制御対象物Ａへの加熱を行う場合には、第１のペルチェ素子１１に対して、第２のペルチェ素子２１が移動させる熱より大きな熱を第１のヒートシンク１２から温度制御対象物Ａへ移動させるように電流を流す制御を行い、また、温度制御対象物Ａからの吸熱を行う場合には、第２のペルチェ素子２１に対して、第１のペルチェ素子１１が移動させる熱より大きな熱を温度制御対象物Ａから第２のヒートシンク２２へ移動させるように電流を流す制御を行っている。

そして、この構成によれば、加熱時において第１のペルチェ素子１１の両面の温度差Ｔ_ｃｈｉｐ−Ｔ_ｓｉｎｋを第１のヒートシンク１２の蓄熱材１５を備えることにより強制的に負の値にすることができるため、第１のペルチェ素子１１に対して、従来と同じ電流値Ｉ_ｉｎを流したとしても、従来の１組のペルチェ素子１１と空冷式ヒートシンクで加熱も吸熱も行う場合に比べて、加熱量Ｑ_ｃｈｉｐが増加する。すなわち、温度制御対象物Ａである化学反応用チップの加熱を高速化することができる。また空冷式ヒートシンクに比べて第１のヒートシンク１２の温度を安定させることが出来るので、安定した加熱の制御を行うことができる。

図３は同実施形態による温度制御装置の構成を示す第２の図である。
図３で示す温度制御装置は、図１で示した温度制御装置における第２のペルチェ素子２１とフィン２５の間に蓄熱材２７と第３のペルチェ素子２８を備えるようにしたものである。図３で示す温度制御装置では、第２のペルチェ素子２１が温度制御対象物Ａである化学反応用チップから吸熱した熱を、一旦、蓄熱材２７に蓄熱し、第３のペルチェ素子２８により蓄熱材２７の熱を吸熱して、フィン２５、ファン２６により熱を放出する。

実施例２の温度制御装置の構成によれば、吸熱時において第３のペルチェ素子に電流を流すことによって、第２のペルチェ素子から蓄熱材２７に移動した熱を高速に吸熱することができる。つまり従来は室温に依存していた吸熱を、第３のペルチェ素子を利用して制御することができるので、吸熱を高速化することができ、さらに、その熱の移動の安定化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本温度制御装置によれば、温度制御対象物である化学反応用チップを加熱・吸熱するための機構に機械的構造を不要としたため、故障がなく、管理者のメンテナンス労力を軽減することができる。また、第１のヒートシンクを用いて、ペルチェ素子の一方の面から他方の面への通常の物体における熱伝導の効果を利用することで、従来に比べて迅速に温度制御対象物である化学反応用チップの温度を増加させることができる。また、吸熱時において第２のペルチェ素子２１の両面の温度差Ｔ_ｃｈｉｐ−Ｔ_ｓｉｎｋを負の値に安定させることができるため、１組のペルチェ素子と空冷式ヒートシンクで加熱も吸熱も行う場合に比べて吸熱量Ｑ_ｃｈｉｐを制御しやすくなる。

上述の温度制御装置における制御回路は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

温度制御装置の構成を示す第１の図である。化学反応用チップの構成を示す図である。温度制御装置の構成を示す第２の図である。

符号の説明

１１・・・第１のペルチェ素子
１２・・・第１のヒートシンク
１３，１４，２３，２４・・・温度センサ
１５・・・蓄熱材
１６ヒータ
２１・・・第２のペルチェ素子
２２・・・第２のヒートシンク
２５・・・フィン
２６・・・ファン
２７・・・蓄熱材
２８・・・第３のペルチェ素子
Ａ・・・温度制御対象物

Claims

温度制御対象物への加熱または前記温度制御対象物からの吸熱を行う温度制御装置であって、
前記温度制御対象物に接する面を備えた第１のペルチェ素子と、
前記温度制御対象物に前記第１のペルチェ素子とは離れて接する面を備えた第２のペルチェ素子と、
前記第１のペルチェ素子の前記面とは異なる他の面に接する加熱可能な第１の蓄熱手段と、
前記第２のペルチェ素子の前記面とは異なる他の面に接する第２の蓄熱手段と、を備え、
前記第１の蓄熱手段を加熱して、前記第１の蓄熱手段と前記第２の蓄熱手段とを異なる温度に制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする温度制御装置。
前記第１の蓄熱手段が、蓄熱材とヒータとで構成されることを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
前記制御手段は、
前記温度制御対象物への加熱を行う場合には、前記第１のペルチェ素子に対して、前記第２のペルチェ素子が移動させる熱より大きな熱を前記第１の蓄熱手段から前記温度制御対象物へ移動させるように電流を流す制御を行い、
前記温度制御対象物からの吸熱を行う場合には、前記第２のペルチェ素子に対して、前記第１のペルチェ素子が移動させる熱より大きな熱を前記温度制御対象物から前記第２の蓄熱手段へ移動させるように電流を流す制御を行う
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度制御装置。
前記第２の蓄熱手段の前記第２のペルチェ素子と接する面とは異なる他の面に接する第３のペルチェ素子と、
該第３のペルチェ素子の前記第２の蓄熱手段と接する面とは異なる他の面に接する第３の蓄熱手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の温度制御装置。
前記温度制御対象物に接する面を備えた第１のペルチェ素子と、
前記温度制御対象物に前記第１のペルチェ素子とは離れて接する面を備えた第２のペルチェ素子と、
前記第１のペルチェ素子の前記面とは異なる他の面に接する加熱可能な第１の蓄熱手段と、
前記第２のペルチェ素子の前記面とは異なる他の面に接する第２の蓄熱手段と、を備えた温度制御装置が、温度制御対象物への加熱または前記温度制御対象物からの吸熱を行う温度制御方法であって、
制御手段が、
前記温度制御対象物への加熱を行う場合には前記第１のペルチェ素子が前記温度制御対象物より高い熱を発するよう電流を流す制御を行い、
前記温度制御対象物からの吸熱を行う場合には前記第２のペルチェ素子が前記温度制御対象物より低い熱を発するよう電流を流す制御を行い、
前記第１の蓄熱手段と、前記第２の蓄熱手段を異なる温度に制御し、
前記温度制御対象物への加熱を行う前に前記第１の蓄熱手段が加熱されている
ことを特徴とする温度制御方法。