JP2004317041A

JP2004317041A - 温度制御装置

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Publication number: JP2004317041A
Application number: JP2003112607A
Authority: JP
Inventors: Muhammad Enamul Kabiru; ムハマドエナムルカビル; Yuji Ishida; 雄二石田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】試料等を設定値に精度よく制御ができる温度制御装置を得る。
【解決手段】本発明の温度制御装置は、熱を発生する熱移動層４と、熱移動層の近傍に設けられ熱を吸収する加熱冷却層１と、熱移動層の近傍に設けられた伝熱フィン６と、温度センサー３と、コントローラ５からなり、加熱冷却層に保持された試料の温度を調整するもので、熱移動層と加熱冷却層との間に潜熱蓄熱部材７を設けたものである。潜熱蓄熱部材は、化学式の異なる少なくとも２つの材料により構成してもよい。また、潜熱蓄熱部材は、その中に熱伝導性フィラーを分散させたものでもよく、無機水和塩又は溶融塩により構成してもよい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、熱サイクラー装置、分注装置、ＰＣＲ（ＰｏｌｙｍｅｒａｓｅＣｈａｉｎＲｅａｃｔｉｏｎ：ポリメラーゼチェインリアクション）装置、および炉の温度制御等に使用されている温度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱サイクラー等に使用されている温度制御装置として、図６に示すようなものがある（例えば、非特許文献１参照）。
図６において、１は加熱冷却層、２は試料、３は温度センサー、４は熱を発生する熱移動層、５はコントローラ、６は伝熱フィンである。なお、１ａは試料２が流れる流路である。また、加熱冷却層１はシリコンからなり、熱移動層４はペルチェモジュールからなる。
つぎに、動作について述べる。
加熱冷却層１を温度Ｔ１の一定値に保持する場合、温度センサー３により加熱冷却層１の温度を測定して、加熱冷却層１の温度がＴ１より高い時はコントローラ５より熱移動層４に電圧を印加して加熱冷却層１から伝熱フィン６に熱を流す。一方、加熱冷却層１の温度がＴ１より低い時は、コントローラ５から温度Ｔ１より高い時と逆極性の電圧を印加して伝熱フィン６から加熱冷却層１に熱を流す。これらの制御は、ＰＩＤ制御を用いたオンオフ制御であり、コントローラ５によって制御される。このとき、温度の時間に対するプロファイルは、図８に示すようになる。図８は、温度を一定値に制御した時の温度と測定時間との理論的な関係を示したグラフである。図８において、縦軸は温度、横軸は測定時間を示し、Ｔｅｓは理論温度を、Ｔｍｅは実測温度をそれぞれ示している。実測温度Ｔｍｅは、時間の経過とともに理論温度Ｔｅｓに近づき、温度を一定に制御できる。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｐ．Ｓｅｔｈｕ，Ｈ．Ｙｕ，Ｐ．ＧｒｏｄｚｉｎｓｋｉａｎｄＣ．Ｈ．Ｍａｓｔｒａｎｇｅｌｏ著、”ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＧｅｎｅｔｉｃＡｎａｌｙｓｉｓＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓＵｓｉｎｇＰｌａｓｔｉｃＭｉｃｒｏｃａｓｔｉｎｇ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ２０００Ｓｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒＷｏｒｋｓｈｏｐ，ＨｉｌｔｏｎＨｅａｄＩｓｌａｎｄ，ＳＣ，Ｊｕｎｅ４−８，２０００
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際には図８に示すように、微小温度ΔＴの変化に対する加熱冷却層のエンタルピーの変化ΔＨは、微小である。このため、ＰＩＤ制御を用いたオンオフ制御を利用して熱移動層４を駆動させる時、実測温度Ｔｍｅは、図８に示すように、微視的に見ると温度は時間に対して微妙に脈動を打って一定値になっていないと言う問題点があった。
そこで、本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、試料等を設定値に精度よく制御することができる温度制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、次のような構成になっている。
請求項１に記載の発明は、熱を移動させる熱移動層と、前記熱移動層の近傍に設けた加熱冷却層と、前記熱移動層の近傍に設けた伝熱フィンと、前記加熱冷却層の温度を測定する温度センサーと、前記熱移動層を制御するコントローラとからなり、前記加熱冷却層に保持された試料の温度を調整する温度制御装置において、前記熱移動層と前記加熱冷却層との間に潜熱蓄熱部材を配置したものである。このようになっているため、温度が上昇した時でもその熱量は潜熱蓄熱部材の相変化に使用されて、試料を一定温度に保持することができる。
請求項２に記載の発明は、前記潜熱蓄熱部材を、化学式の異なる少なくとも２つの材料からなるようにしたものである。このようになっているため、温度が上昇した時でもその熱量は潜熱蓄熱部材の相変化に使用されて、試料を一定温度に保持することができる。また、二以上の潜熱蓄熱部材を利用しているので、任意の温度に保持することも可能である。
請求項３に記載の発明は、前記潜熱蓄熱部材の中に熱伝導性フィラーを分散させたものである。このようになっているため、熱伝導性フィラーにより潜熱蓄熱部材内の熱の流れが良くなり温度が上昇した時でもその熱量は潜熱蓄熱部材の相変化を均一にかつ瞬時に起こされ試料を一定温度に保持することができる。
請求項４に記載の発明は、前記潜熱蓄熱部材を、無機水和塩又は溶融塩からなる構成にしたものである。このようになっているため、温度が上昇した時でもその熱量は潜熱蓄熱部材の相変化に使用されて、試料を一定温度に保持することができる。また、二以上の潜熱蓄熱部材を利用しているので、任意の温度に保持することも可能である。
請求項５に記載の発明は、前記無機水和塩を、Ｎａ_２ＳＯ_２・１０Ｈ_２Ｏ／ＮａＣｌ／ＮＨ_４Ｃｌ、ＣａＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２ＣＯ_３・１０Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２ＨＰＯ_４・１２Ｈ_２Ｏ、Ｃａ（ＮＯ_３）_２・４Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３・５Ｈ_２Ｏ、ＮａＣＨ_３ＣＯＯ・３Ｈ_２Ｏ、Ｂａ（ＯＨ）_２・８Ｈ_２Ｏ、Ｓｒ（ＯＨ）_２・８Ｈ_２Ｏ、Ｍｇ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ、ＫＡｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ、ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ、ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、またはＮａＣｌ／ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏのいずれかにしたものである。このようになっているため、温度が上昇した時でもその熱量は潜熱蓄熱部材の相変化に使用されて試料を一定温度に保持することができる。また、二以上の潜熱蓄熱部材を利用しているので、任意の温度に保持することも可能である。
請求項６記載の発明は、前記溶融塩を、ＮａＯＨ−ＫＯＨ、ＬｉＯＨ−ＮａＯＨ、Ａｌ_２Ｃｌ_６、ＮａＯＨ−ＮａＮＯ_２、ＮａＯＨ−ＮａＮＯ_３、またはＬｉＮＯ_３のいずれかにしたものである。このようになっているため、温度が上昇した時でもその熱量は潜熱蓄熱部材の相変化に使用されて、試料を一定温度に保持することができる。また、二以上の潜熱蓄熱部材を利用しているので、任意の温度に保持することも可能である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明の温度制御装置を示す構成図である。図１において、７は潜熱蓄熱部材、８は潜熱蓄熱部材７を封入する封入容器である。他の符号は、従来技術の項で述べたものと同じであるため説明を省略する。
潜熱蓄熱部材７は、融点が７８℃のＢａ（ＯＨ）_２・８Ｈ_２Ｏとした。加熱冷却層１はシリコンを、熱移動層４はペルチェモジュールを用いた。
つぎに、本実施例の動作について述べる。
先ず、熱移動層４であるペルチェモジュールを駆動させると、伝熱フィン６に蓄積している熱は、ペルチェモジュールおよび封入容器８を介して流路１ａへ流れる。このとき、温度は図３に示すように変化する。図３は、温度を一定値Ｔ１に制御した時の温度と測定時間との関係を示した図である。縦軸は温度、横軸は測定時間を、Ｔｅｓは理論温度を、Ｔｍｅは実測温度をそれぞれ示している。時間ｔ１において流路１ａは温度Ｔ１になる（以下、この駆動方式を正駆動と呼ぶ）。図２は、流路１ａの温度と潜熱蓄熱部材７のエンタルピーとの関係を示すグラフである。温度Ｔ１（例えば、融点）においてエンタルピーが増大する。この作用により、時間ｔ２までは潜熱蓄熱部材７が固体から液体に変化し潜熱が潜熱蓄熱部材７によって吸収されるため、流路１ａの温度は、図８に示すような温度の脈動は起こらず温度Ｔ１の一定値に保持される。時間ｔ２からｔ３までは、液体化した潜熱蓄熱部材７によって顕熱が吸収されるが、若干の温度は上昇する。時間ｔ３においてペルチェモジュールが負駆動し始め（正駆動の時にペルチェモジュールに印加した電圧とは逆の電圧を印加）、潜熱蓄熱部材７が冷却され始めるため潜熱蓄熱部材７から顕熱が奪われて、温度は下降し、時間ｔ４において、温度Ｔ１になる。さらに、時間ｔ５までは潜熱蓄熱部材７が液体から固体へ変化するために潜熱が奪われるため温度はＴ１の一定値を示す。さらに、時間ｔ５からｔ６までは、固体化した潜熱蓄熱部材７に顕熱が吸収されて温度は下降するが、時間ｔ６において、ペルチェモジュールが正駆動し始め、温度が上昇し時間ｔ７において温度Ｔ１に保持される。以下は、同様の現象が繰り返される。従って、この温度度制御を用いることにより、温度は図８の実測温度Ｔｍｅに示すような脈動が少なく、ほぼ一定値Ｔ１に保持することができる。
なお、本実施例では潜熱蓄熱部材として、Ｂａ（ＯＨ）_２・８Ｈ_２Ｏを用いたが、これに限らず、Ｎａ_２ＳＯ_２・１０Ｈ_２Ｏ／ＮａＣｌ／ＮＨ_４Ｃｌ、ＣａＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２ＣＯ_３・１０Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２ＨＰＯ_４・１２Ｈ_２Ｏ、Ｃａ（ＮＯ_３）_２・４Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３・５Ｈ_２Ｏ、ＮａＣＨ_３ＣＯＯ・３Ｈ_２Ｏ、Ｓｒ（ＯＨ）_２・８Ｈ_２Ｏ、Ｍｇ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ、ＫＡｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ、ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ、ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、またはＮａＣｌ／ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏのいずれの材料を用いてもよい。
【０００７】
（第２実施例）
本実施例は、第１実施例と同じ構成の温度制御装置を用い、潜熱蓄熱部材７の材質を二以上混合して使用した例である。
潜熱蓄熱部材７として、融点が５５〜６０℃のＮａＯＨと、ＫＯＨの混合物を用いた。
第１実施例において、保持温度Ｔ１は、潜熱蓄熱部材の融点に依存する。例えば、Ｂａ（ＯＨ）_２・８Ｈ_２Ｏにおいては、Ｔ１＝７８℃にしか設定できず、任意の温度への設定は不可能である。（ここでは、任意の温度Ｔａに温度を保持するため、二以上の潜熱蓄熱部材を混合して使用する方法を述べる。）
図４は、流路１ａの温度と二以上の潜熱蓄熱部材を混合した場合における潜熱蓄熱部材のエンタルピーとの関係を示すグラフである。微小温度ΔＴの変化に対して、エンタルピーの変化ΔＨはかなり大きい。この変化は、一種類の潜熱蓄熱部材ほどではないが、試料よりは大きな値である。また、図５は、温度を一定値Ｔａに制御した時の温度と測定時間との関係を示したグラフである。
本実施例では、任意の温度Ｔａにおいて、図４に示すエンタルピーの変化を利用するので、図５に示すように、第１実施例と同様に、温度の脈動を小さな値に押さえることができる。
なお、本実施例では潜熱蓄熱部材として、ＮａＯＨと、ＫＯＨとの組合せを用いたが、これに限らずＬｉＯＨ−ＮａＯＨ、Ａｌ_２Ｃｌ_６、ＮａＯＨ−ＮａＮＯ_２、ＮａＯＨ−ＮａＮＯ_３、またはＬｉＮＯ_３のいずれの組合せを用いてもよい。
【０００８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によればつぎの効果がある。
（１）熱移動層と加熱冷却層との間に潜熱蓄熱部材を設けたので、温度が上昇した時でもその熱量は潜熱蓄熱部材の相変化に使用されて、試料を一定温度に保持することができる。
（２）潜熱蓄熱部材として、化学式の異なる二以上の材料を用いたので、温度が上昇した時でもその熱量は潜熱蓄熱部材の相変化に使用されて、試料を一定温度に保持することができる。また、任意の温度に保持することもできる。
（３）前記潜熱蓄熱部材として、熱伝導性フィラーを分散させたので、熱の流れが良くなり温度が上昇した時でもその熱量は潜熱蓄熱部材の相変化を均一にかつ瞬時に起こされ試料を一定温度に保持することができる。
（４）潜熱蓄熱部材として、無機水和塩又は溶融塩を用いたので、温度が上昇した時でもその熱量は潜熱蓄熱部材の相変化に使用されて、試料を一定温度に保持することができる。また、二以上の潜熱蓄熱部材を利用しているので、任意の温度に保持することできる効果がある。
（５）無機水和塩として、Ｎａ_２ＳＯ_２・１０Ｈ_２Ｏ／ＮａＣｌ／ＮＨ_４Ｃｌ、ＣａＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２ＣＯ_３・１０Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２ＨＰＯ_４・１２Ｈ_２Ｏ、Ｃａ（ＮＯ_３）_２・４Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３・５Ｈ_２Ｏ、ＮａＣＨ_３ＣＯＯ・３Ｈ_２Ｏ、Ｂａ（ＯＨ）_２・８Ｈ_２Ｏ、Ｓｒ（ＯＨ）_２・８Ｈ_２Ｏ、Ｍｇ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ、ＫＡｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ、ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ、ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、またはＮａＣｌ／ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏのいずれかを用いたので、温度が上昇した時でもその熱量は潜熱蓄熱部材の相変化に使用されて、試料を一定温度に保持することができる。また、任意の温度に保持することもできる。
（６）溶融塩として、ＮａＯＨ−ＫＯＨ、ＬｉＯＨ−ＮａＯＨ、Ａｌ_２Ｃｌ_６、ＮａＯＨ−ＮａＮＯ_２、ＮａＯＨ−ＮａＮＯ_３、またはＬｉＮＯ_３のいずれかを用いたので、温度が上昇した時でもその熱量は潜熱蓄熱部材の相変化に使用されて、試料を一定温度に保持することができる。また、任意の温度に保持することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す温度制御装置の構成図。
【図２】第１実施例における流路の温度と潜熱蓄熱部材エンタルピーとの関係を示すグラフ。
【図３】温度と測定時間との関係を示すグラフ。
【図４】本発明の第２実施例を示す流路の温度と潜熱蓄熱部材エンタルピーとの関係を示すグラフ。
【図５】温度と測定時間との関係を示すグラフ。
【図６】従来の温度制御装置を示す構成図。
【図７】従来の温度制御装置による加熱冷却層の温度とエンタルピーとの関係を示すグラフ。
【図８】従来の温度制御装置による温度と測定時間との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１加熱冷却層
１ａ流路
２試料
３温度センサー
４熱移動層
５コントローラ
６伝熱フィン
７潜熱蓄熱部材
８封入容器
Ｔｅｓ理論温度
Ｔｍｅ実測温度

Claims

熱を移動させる熱移動層と、前記熱移動層の近傍に設けた加熱冷却層と、前記熱移動層の近傍に設けた伝熱フィンと、前記加熱冷却層の温度を測定する温度センサーと、前記熱移動層を制御するコントローラとからなり、前記加熱冷却層に保持された試料の温度を調整する温度制御装置において、
前記熱移動層と前記加熱冷却層との間に潜熱蓄熱部材を配置したことを特徴とする温度制御装置。
前記潜熱蓄熱部材は、化学式の異なる少なくとも２つの材料からなることを特徴とする請求項１記載の温度制御装置。
前記潜熱蓄熱部材は、その中に熱伝導性フィラーを分散させたことを特徴とする請求項１または２記載の温度制御装置。
前記潜熱蓄熱部材は、無機水和塩又は溶融塩からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の温度制御装置。
前記無機水和塩は、Ｎａ_２ＳＯ_２・１０Ｈ_２Ｏ／ＮａＣｌ／ＮＨ_４Ｃｌ、ＣａＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２ＣＯ_３・１０Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２ＨＰＯ_４・１２Ｈ_２Ｏ、Ｃａ（ＮＯ_３）_２・４Ｈ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３・５Ｈ_２Ｏ、ＮａＣＨ_３ＣＯＯ・３Ｈ_２Ｏ、Ｂａ（ＯＨ）_２・８Ｈ_２Ｏ、Ｓｒ（ＯＨ）_２・８Ｈ_２Ｏ、Ｍｇ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ、ＫＡｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ、ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ、ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、またはＮａＣｌ／ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏのいずれかであることを特徴とする請求項４記載の温度制御装置。
前記溶融塩は、ＮａＯＨ−ＫＯＨ、ＬｉＯＨ−ＮａＯＨ、Ａｌ_２Ｃｌ_６、ＮａＯＨ−ＮａＮＯ_２、ＮａＯＨ−ＮａＮＯ_３、またはＬｉＮＯ_３のいずれかであることを特徴とする請求項４または５記載の温度制御装置。