JP2006064365A - Temperature regulator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、熱電素子を用いて温度調節対象部材の局所的な領域の温度調節を行う温度調節装置に関する。 The present invention relates to a temperature control device that performs temperature control of a local region of a temperature control target member using a thermoelectric element.
熱電素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができるデバイスであるとともに、電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換することができるデバイスである。熱電素子は、複数の熱電対により構成されている。熱電対は、ほぼ同じ長さの柱状をしたp型熱電半導体およびn型熱電半導体を、それらの両端部で対にしたものである。 A thermoelectric element is a device that can directly convert thermal energy into electrical energy and a device that can directly convert electrical energy into thermal energy. The thermoelectric element is composed of a plurality of thermocouples. A thermocouple is a p-type thermoelectric semiconductor and an n-type thermoelectric semiconductor having a columnar shape having substantially the same length, and paired at both ends thereof.
一般的な熱電素子では、複数の熱電対が、そのp型熱電半導体とn型熱電半導体とが交互に規則的に並ぶように、平面的に配置されている。そして、そのように並べられた複数の熱電対は、電気的に直列に接続されている。熱電素子は、その両端の間に温度差が与えられると、ゼーベック効果により電圧を発生する。また、熱電素子に直流電流を流すと、ペルチェ効果により、熱電素子の一端では熱の吸収が起こり、他端では放熱(発熱)が起こる。 In a general thermoelectric element, a plurality of thermocouples are arranged in a plane so that the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor are alternately and regularly arranged. The plurality of thermocouples arranged in such a manner are electrically connected in series. A thermoelectric element generates a voltage due to the Seebeck effect when a temperature difference is given between both ends thereof. When a direct current is passed through the thermoelectric element, heat absorption occurs at one end of the thermoelectric element and heat dissipation (heat generation) occurs at the other end due to the Peltier effect.
このように、熱電素子は、可逆の効果を併せ持っており、熱エネルギーと電気エネルギーの変換素子として応用されている。特に、熱電素子に流す電流の量や向き(極性)を制御することによって、熱電素子の一端の面の温度を正確に制御することができる。そのため、熱電素子は、温度調節装置として用いられ得る。 Thus, the thermoelectric element has a reversible effect and is applied as a conversion element between heat energy and electric energy. In particular, the temperature of one end face of the thermoelectric element can be accurately controlled by controlling the amount and direction (polarity) of the current flowing through the thermoelectric element. Therefore, the thermoelectric element can be used as a temperature control device.
一方、このような熱電素子で局所的な温度調節が必要となる対象部材としては、例えばマイクロ化学チップが挙げられる。マイクロ化学チップには、DNAチップと呼ばれるDNA(ゲノム)解析用のチップ、タンパク質解析用のチップ、通常は実験室で行う様々な化学プロセスを数cm角の大きさのチップ上で行うマイクロTAS(Total Analysis System)、ラボオンチップ(lab−on−a−chip)、またはマイクロリアクターなどと呼ばれるチップなどがある。本明細書では、チップ上またはチップ内部で何らかの化学プロセスを生じるものを全てマイクロ化学チップと呼ぶこととする。また、チップ上またはチップ内部において化学プロセスが生じる部分を化学反応部と呼ぶこととする。 On the other hand, examples of the target member that requires local temperature adjustment in such a thermoelectric element include a microchemical chip. The microchemical chip includes a DNA chip called a DNA chip, a chip for protein analysis, and a micro TAS that performs various chemical processes usually performed in a laboratory on a chip of several cm square size. There are chips called a Total Analysis System, a lab-on-a-chip, or a microreactor. In this specification, anything that causes some kind of chemical process on or inside the chip is called a microchemical chip. A portion where a chemical process occurs on the chip or inside the chip is called a chemical reaction portion.
化学反応部で生じる化学的変化には、例えば混合、反応、抽出、分離または濃縮などの様々な化学プロセスがある。そして、それぞれの化学プロセスに対して、例えば反応速度を高めたり、反応系を安定化または活性化させたり、反応効率を上げたりするためには、温度を最適な状態にする必要がある。 The chemical changes that occur in the chemical reaction section include various chemical processes such as mixing, reaction, extraction, separation or concentration. For each chemical process, for example, in order to increase the reaction rate, stabilize or activate the reaction system, or increase the reaction efficiency, it is necessary to set the temperature to an optimum state.
そのためにマイクロ化学チップ内の化学反応部に対して局所的に温度調節を行うことが可能な構成とする必要がある。従来より、局所的な温度調節を行う構成を有するマイクロ化学チップが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 For this purpose, it is necessary to have a configuration capable of locally adjusting the temperature of the chemical reaction part in the microchemical chip. Conventionally, a microchemical chip having a configuration for performing local temperature adjustment has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
図14は、上記特許文献1に開示されたマイクロ化学チップの温度調節装置の構成を模式的に示す図である。図14に示すように、マイクロ化学チップ301の化学反応部305の下側に、順番に熱伝導体101、熱電素子103、熱交換部材105が設けられ、それぞれ熱伝導可能に接続した構成を取っている。この構成によれば、熱電素子103によって、化学反応部305を加熱したり、冷却したり、あるいは温度調節を行うことによって、化学反応部305での反応速度を速めたり、反応を停止したり、反応を最適に制御し
たりすることができる。
FIG. 14 is a diagram schematically showing a configuration of a temperature control device for a microchemical chip disclosed in
しかしながら、上記特許文献1に開示された従来技術では、熱伝導体101が熱伝導可能に接続されている領域1104は、熱電素子103によって温度調節されて周辺の雰囲気温度とは異なる所定の最適な温度に調節できるが、同時に領域1104の温度(熱)がマイクロ化学チップ301の部材を伝導して周りの領域1402の温度も周辺の雰囲気温度とは異なる温度分布を持ってしまう。
そのため、化学反応部305は周辺の雰囲気温度とは異なる所定の最適な温度が得られるが、同時に化学反応部304、306も周辺の雰囲気温度とは異なる温度(化学反応部305の温度と雰囲気温度の中間の温度)となる。
これは、化学反応部305のみを雰囲気温度と異なる所定の最適な温度に調節したい場合、化学反応部304、306も雰囲気温度とは異なる温度になってしまい、化学反応部305のみの個別の温度調節ができないという問題点が生じる。
However, in the prior art disclosed in
Therefore, the
This is because when only the
〔発明の目的〕
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消して、マイクロ化学チップの目的の化学反応部のみの温度を加熱や冷却によって雰囲気温度とは異なる温度に局所的に調節し、目的以外の化学反応部は雰囲気温度にすることができる温度調節装置を提供することを目的とする。
(Object of invention)
The present invention eliminates the above-mentioned problems caused by the prior art, and locally adjusts the temperature of only the target chemical reaction part of the microchemical chip to a temperature different from the ambient temperature by heating or cooling, so It is an object of the present invention to provide a temperature control device in which the reaction section can be set to an ambient temperature.
上述した課題を解決し目的を達成するために温度調節装置は、熱伝導率が大きい材料で構成された第1の熱伝導体と、第1の熱伝導体近傍に配置され、第1の熱伝導体の温度を測定する第1の温度測定手段と、第1の熱伝導体に一方の面が熱伝導可能に接続された第1の熱電素子と、第1の温度測定手段により測定された温度に基づいて第1の熱電素子に流す電流を制御する第1の温度制御手段と、熱伝導率が大きい材料で構成された第2の熱伝導体と、第2の熱伝導体近傍に配置され、第2の熱伝導体の温度を測定する第2の温度測定手段と、第2の熱伝導体に一方の面が熱伝導可能に接続された少なくとも1つ以上の第2の熱電素子と、第2の温度測定手段により測定された温度に基づいて第2の熱電素子に流す電流を制御する第2の温度制御手段と、第1の熱電素子および第2の熱電素子の他方の面と熱伝導可能に接合されて固定された熱交換手段とを有し、第1の熱伝導体の周囲が微小な隙間を介して第2の熱伝導体によって囲まれていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the temperature control device is arranged in the vicinity of the first thermal conductor made of a material having a high thermal conductivity, the first thermal conductor, and the first thermal conductor. Measured by a first temperature measuring means for measuring the temperature of the conductor, a first thermoelectric element having one surface connected to the first thermal conductor so as to be capable of conducting heat, and a first temperature measuring means. 1st temperature control means which controls the electric current sent through the 1st thermoelectric element based on temperature, 2nd heat conductor comprised with a material with large heat conductivity, and it arranges near the 2nd heat conductor Second temperature measuring means for measuring the temperature of the second heat conductor, at least one second thermoelectric element having one surface connected to the second heat conductor so as to conduct heat, And a second temperature for controlling the current flowing through the second thermoelectric element based on the temperature measured by the second temperature measuring means. Control means, heat exchange means joined and fixed to the other surface of the first thermoelectric element and the second thermoelectric element so as to be able to conduct heat, and a small gap around the first heat conductor It is characterized by being surrounded by the second thermal conductor via
また温度調節装置は、第1の熱伝導体と、第1の熱電素子とがそれぞれ複数あることが好ましい。 Moreover, it is preferable that a temperature control apparatus has multiple 1st heat conductors and 1st thermoelectric elements, respectively.
また温度調節装置は、第1および第2の温度測定手段がそれぞれ第1および第2の熱伝導体の内部に設けられていることが好ましい。 In the temperature adjusting device, it is preferable that the first and second temperature measuring means are provided inside the first and second heat conductors, respectively.
また温度調節装置は、雰囲気温度を測定する雰囲気温度測定手段を有し、前記第2の熱伝導体の温度を前記雰囲気温度測定手段によって測定した雰囲気温度と同一になるように調節することが好ましい。 The temperature adjusting device preferably has an atmospheric temperature measuring means for measuring the atmospheric temperature, and the temperature of the second heat conductor is preferably adjusted to be the same as the atmospheric temperature measured by the atmospheric temperature measuring means. .
また温度調節装置は、熱伝導率が大きい材料で構成された第3の熱伝導体と、第3の熱伝導体近傍に配置され、第3の熱伝導体の温度を測定する第3の温度測定手段と、第3の熱伝導体に一方の面が熱伝導可能に接続された第3の熱電素子と、第3の温度測定手段に
より測定された温度に基づいて前記第3の熱電素子に流す電流を制御する第3の温度制御手段と、熱伝導率が大きい材料で構成された第4の熱伝導体と、第4の熱伝導体近傍に配置され、第4の熱伝導体の温度を測定する第4の温度測定手段と、第4の熱伝導体に一方の面が熱伝導可能に接続された少なくとも1つ以上の第4の熱電素子と、第4の温度測定手段により測定された温度に基づいて前記第4の熱電素子に流す電流を制御する第4の温度制御手段と、第3の熱電素子および前記第4の熱電素子の他方の面と熱伝導可能に接合されて固定された第2の熱交換手段とを有し、第3の熱伝導体の周囲が微小な隙間を介して第4の熱伝導体によって囲まれており、第1の熱伝導体と第3の熱伝導体とが互いに対向し、かつ第2の熱伝導体と、第4の熱伝導体とが互いに対向するように配置され、第1の熱伝導体と第3の熱伝導体とを同じ温度に温度調節し、第2の熱伝導体と第4の熱伝導体とを同じ温度に温度調節することが好ましい。
In addition, the temperature control device includes a third thermal conductor made of a material having a high thermal conductivity and a third temperature that is disposed in the vicinity of the third thermal conductor and measures the temperature of the third thermal conductor. The third thermoelectric element is connected to the third thermoelectric element based on the temperature measured by the measuring means, the third thermoelectric element having one surface connected to the third heat conductor so as to conduct heat, and the temperature measured by the third temperature measuring means. Third temperature control means for controlling the current to flow, a fourth thermal conductor made of a material having a high thermal conductivity, and a temperature of the fourth thermal conductor, arranged in the vicinity of the fourth thermal conductor. Measured by a fourth temperature measuring means, at least one fourth thermoelectric element whose one surface is connected to the fourth heat conductor so as to conduct heat, and a fourth temperature measuring means. A fourth temperature control means for controlling a current flowing through the fourth thermoelectric element based on the measured temperature, and a third thermoelectric element And a second heat exchanging means that is joined and fixed to the other surface of the fourth thermoelectric element so as to be capable of conducting heat, and the periphery of the third heat conductor is fourth through a minute gap. The first heat conductor and the third heat conductor face each other, and the second heat conductor and the fourth heat conductor face each other. It is preferable to adjust the temperature of the first heat conductor and the third heat conductor to the same temperature, and to adjust the temperature of the second heat conductor and the fourth heat conductor to the same temperature. .
また温度調節装置は、第1の熱伝導体と第1の熱電素子と第3の熱伝導体と第3の熱電素子とがそれぞれ複数あることが好ましい。 Moreover, it is preferable that a temperature control apparatus has multiple 1st thermal conductors, 1st thermoelectric elements, 3rd thermal conductors, and 3rd thermoelectric elements, respectively.
また温度調節装置は、雰囲気温度を測定する雰囲気温度測定手段を有し、第2の熱伝導体と第4の熱伝導体の両方の温度を雰囲気温度測定手段によって測定した雰囲気温度と同一になるように調節することが好ましい。 The temperature control device has an atmospheric temperature measuring means for measuring the atmospheric temperature, and the temperature of both the second thermal conductor and the fourth thermal conductor is the same as the atmospheric temperature measured by the atmospheric temperature measuring means. It is preferable to adjust so that.
また温度調節装置は、第1から第4の温度測定手段がそれぞれ第1から第4の熱伝導体の内部に設けられていることが好ましい。 In the temperature control device, it is preferable that the first to fourth temperature measuring means are provided inside the first to fourth heat conductors, respectively.
本発明にかかる温度調節装置によれば、第1の熱伝導体および第1の熱伝導体を温度調節する第1の熱電素子によって、目的の化学反応部を雰囲気温度とは異なる温度に温度調節し、同時に第2の熱伝導体および第2の熱伝導体を温度調節する第2の熱電素子によって、目的の化学反応部の周辺領域を雰囲気温度に温度調節することができる。その結果、マイクロ化学チップの目的の化学反応部のみの温度を加熱や冷却によって雰囲気温度とは異なる温度に局所的に調節し、目的以外の化学反応部は雰囲気温度にすることができるという効果を持つ。特に、1mm角程度のような微小な領域のみを温度調節する場合に適している。 According to the temperature control device of the present invention, the temperature of the target chemical reaction section is adjusted to a temperature different from the ambient temperature by the first thermoconductor and the first thermoelectric element that controls the temperature of the first heat conductor. At the same time, the temperature of the peripheral region of the target chemical reaction part can be adjusted to the ambient temperature by the second thermoelectric element that adjusts the temperature of the second heat conductor and the second heat conductor. As a result, the temperature of only the target chemical reaction part of the microchemical chip is locally adjusted to a temperature different from the ambient temperature by heating and cooling, and the chemical reaction part other than the target can be brought to the ambient temperature. Have. In particular, it is suitable for adjusting the temperature of only a minute region such as about 1 mm square.
また本発明にかかる温度調節装置によれば、第1の熱伝導体と第2の熱伝導体とにそれぞれ対向するように設けられた第3の熱伝導体と第4の熱伝導体を設け、それぞれ第3の熱電素子と、第4の熱電素子とによって、第3の熱伝導体は第1の熱伝導体と同じ温度に、また第4の熱伝導体は第2の熱伝導体と同じ温度に温度調節することによって、第1の熱伝導体および第2の熱伝導体と、第3の熱伝導体および第4の熱伝導体とでマイクロ化学チップを上下で挟み込むようにして温度調節することができる。そのため、マイクロ化学チップの化学反応部は上下から同じ温度に温度調節され、マイクロ化学チップの厚さ方向の温度勾配が極力なくなるため、目的の化学反応部をより均一な温度に温度調節することができる効果を持つ。特にマイクロ化学チップが厚い場合や、1mmよりも小さい微小な領域を温度調節する場合に適している。 Moreover, according to the temperature control apparatus concerning this invention, the 3rd heat conductor and the 4th heat conductor which were provided so that it might respectively oppose the 1st heat conductor and the 2nd heat conductor were provided. The third thermoelectric element and the fourth thermoelectric element respectively cause the third thermal conductor to be at the same temperature as the first thermal conductor, and the fourth thermal conductor is the second thermal conductor. By adjusting the temperature to the same temperature, the microchemical chip is sandwiched between the first thermal conductor, the second thermal conductor, the third thermal conductor, and the fourth thermal conductor. Can be adjusted. Therefore, the temperature of the chemical reaction part of the microchemical chip is adjusted to the same temperature from the top and bottom, and the temperature gradient in the thickness direction of the microchemical chip is minimized, so that the target chemical reaction part can be adjusted to a more uniform temperature. Has an effect. It is particularly suitable when the microchemical chip is thick or when the temperature of a minute region smaller than 1 mm is adjusted.
さらに本発明にかかる温度調節装置によれば、複数の第1の熱伝導体および複数の第1の熱電素子、または複数の第1の熱伝導体および複数の第1の熱電素子と複数の第3の熱伝導体および複数の第3の熱電素子によって、複数の化学反応部を雰囲気温度とは異なる温度に温度調節することができるため、マイクロ化学チップの複数の化学反応部のみをそれぞれ個別の温度に温度調節することができる効果を持つ。
そのため、マイクロ化学チップの温度調節を必要とする領域のみを自由に温度調節することが可能となり、任意に温度調節が可能なマイクロ化学チップの集積化が実現できる。
Furthermore, according to the temperature control device of the present invention, the plurality of first thermal conductors and the plurality of first thermoelectric elements, or the plurality of first thermal conductors, the plurality of first thermoelectric elements, and the plurality of first thermoelectric elements. 3 thermal conductors and a plurality of third thermoelectric elements can adjust the temperature of the plurality of chemical reaction portions to a temperature different from the ambient temperature, so that only the plurality of chemical reaction portions of the microchemical chip are individually provided. It has the effect that the temperature can be adjusted to the temperature.
Therefore, it is possible to freely adjust the temperature of only the region where the temperature of the microchemical chip needs to be adjusted, and integration of the microchemical chip capable of arbitrarily adjusting the temperature can be realized.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる温度調節装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態の説明において、他の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。 Exemplary embodiments of a temperature control device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of each embodiment, the same components as those in the other embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
〔第1の実施の形態〕
図1の(a)、(b)は、本発明の第1の実施の形態にかかる温度調節装置の構成を模式的に示す平面図(a)および断面図(b)である。また、図2は本発明の第1の実施の形態にかかる温度調節装置の構成を模式的に示す斜視図である。
[First Embodiment]
FIGS. 1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view (b) schematically showing the configuration of the temperature control apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view schematically showing the configuration of the temperature adjusting device according to the first embodiment of the present invention.
第1の実施の形態の温度調節装置106は、図1に示すように、第1の熱伝導体101、第2の熱伝導体102、第1の熱電素子103、第2の熱電素子104、熱交換手段105、および図2に示すように第1の熱伝導体101および第2の熱伝導体102にはそれぞれ第1の温度測定手段203、第2の温度測定手段204を備えている。
As shown in FIG. 1, the
そして、図示されていないが、第1の温度測定手段203により測定された温度に基づいて第1の熱電素子103に流す電流を制御する第1の温度制御手段806と、第2の温度測定手段204により測定された温度に基づいて第2の熱電素子104に流す電流を制御する第2の温度制御手段906とを備えている。
Although not shown, the first temperature control means 806 for controlling the current flowing through the first
第1の熱伝導体101および第2の熱伝導体102は、例えば銅やアルミニウム、窒化アルミニウムなどの材料、またはヒートパイプや熱伝導率に異方性がある材料などの熱伝導率が大きく、熱が非常に伝わりやすい材料で構成されている。熱伝導率が大きい材料とは例えば熱伝導率が100〜400W/mK程度の材料をさしている。
The first
第1の熱伝導体101、第2の熱伝導体102の一方の面は、図3、4、5に示すマイクロ化学チップ301に熱伝導可能に接続されている。
One surface of the
図1、図2によれば、第1の熱伝導体101の他方の面は、第1の熱電素子103の一方の面に半田や熱伝導性接着剤などを介して熱伝導可能に接合されて固定されている。また、第2の熱伝導体102の他方の面も、第2の熱伝導体102の面積に応じて適当な数の第2の熱電素子104の一方の面に半田や熱伝導性接着剤などを介して熱伝導可能に接合されて固定されている。さらに熱交換手段105は、第1の熱電素子103および第2の熱電素子104の他方の面に半田や熱伝導性接着剤などを介して熱伝導可能に接合されて固定されている。
According to FIGS. 1 and 2, the other surface of the first
ここで、熱伝導可能とは、熱伝導性グリースや熱伝導性シートによる接続、または半田や熱伝導性接着剤による接合において、接続または接合により固定される面と面との熱抵抗が極めて小さいことを意味する。具体的には、熱抵抗率が1×10−4m2℃/W以下であるのが望ましい。 Here, heat conduction is possible because the thermal resistance between the surfaces fixed by connection or bonding is extremely small in connection with heat conductive grease or heat conductive sheet, or bonding with solder or heat conductive adhesive. Means that. Specifically, it is desirable that the thermal resistivity is 1 × 10 −4 m 2 ° C./W or less.
熱伝導性グリースは例えば、銅やアルミニウムなどの金属、あるいは窒化アルミニウムやアルミナやボロンナイトライドなどのセラミックスの微粒子(フィラー)などをシリコングリースなどに混ぜて熱伝導性を高めた熱伝導性グリースにより構成されている。また熱伝導性シートは例えば、上記微粒子(フィラー)を混ぜた厚さ方向に弾性を有するシリコン樹脂やシロキサン樹脂などの熱伝導性シートにより構成されている。また熱伝導性接着剤は例えば、エポキシ樹脂接着剤やシリコン樹脂接着剤に上記微粒子を混ぜたものを使用する。 Thermally conductive grease is made of, for example, thermally conductive grease with improved thermal conductivity by mixing fine particles (fillers) of metals such as copper and aluminum or ceramics such as aluminum nitride, alumina and boron nitride with silicon grease. It is configured. The heat conductive sheet is made of, for example, a heat conductive sheet made of silicon resin or siloxane resin having elasticity in the thickness direction mixed with the fine particles (filler). Further, as the heat conductive adhesive, for example, an epoxy resin adhesive or a silicon resin adhesive mixed with the fine particles is used.
ここで、本発明の最も特徴的な構造として、第1の熱伝導体101の周囲が微小な隙間を介して第2の熱伝導体102によって囲まれている構成とする。つまり、第2の熱伝導体102が第1の熱伝導体101の周囲全てを一周囲む形状となるようにする。
Here, as the most characteristic structure of the present invention, the first
このとき、第1の熱伝導体101と第2の熱伝導体102のマイクロ化学チップ301と接続する各面は、マイクロ化学チップ301の接続する面に同時に両方の各面が接続する形状とする。一例としては、マイクロ化学チップ301が1つの平面を有する板状を有するとして、第1の熱伝導体と第2の熱伝導体のマイクロ化学チップ301と接続する面は、同一平面上に存在する構成とする。この構造による効果については図5の説明で後述する。
At this time, each surface of the first
次に、第1の熱伝導体101、第2の熱伝導体102および第1の温度測定手段203、第2の温度測定手段204の一例について説明する。図2に示すように、本実施の形態では、第1の温度測定手段203は、第1の熱伝導体101に一体化して設けられている。同様に第2の温度測定手段204は、第2の熱伝導体102に一体化して設けられている。各熱伝導体と各温度測定手段を一体化させるため、各熱伝導体は穴部201、202を有しており、各温度測定手段は、各穴部内に挿入されている。
Next, an example of the first
各温度測定手段のリード線205、206は、各穴部201、202から外部に引き出されている。そして、各穴部201、202は、熱伝導性接着剤などの充填により塞がれており、それによって第1の温度測定手段203および第2の温度測定手段204は、第1の熱伝導体101および第2の熱伝導体102に各々固定されている。このように、各温度測定手段が各熱伝導体に内蔵されていることによって、各温度測定手段が、図3、4、5で後述するマイクロ化学チップ301の対応する各化学反応部の近傍に接続されるので、各熱伝導体、つまりは各化学反応部の温度を精度良く測定することができる。ここで、各温度測定手段としては、例えばサーミスター、白金測温抵抗体(Pt100Ω)または熱電対などの温度センサーを用いる。
The
また、これらの各熱伝導体は、各熱電素子とマイクロ化学チップ301との間に設けられており、かつ熱伝導性に優れるので、マイクロ化学チップ301の、各熱伝導体が接続されている部分、すなわち各化学反応部の温度分布のバラツキを少なくし、各化学反応部の温度を均一化する機能を有する。従って、各温度測定手段は各化学反応部の均一化した温度を測定することができる。
In addition, each of these thermal conductors is provided between each thermoelectric element and the
なお、各温度測定手段を各熱伝導体と一体化させずに、各温度測定手段を各熱伝導体から独立させてもよい。この場合、各温度測定手段を、マイクロ化学チップ301の各化学反応部の近傍の面、例えばマイクロ化学チップ301の上面に設置してもよいし、マイクロ化学チップ301に内蔵する構成としてもよい。
Each temperature measuring means may be made independent from each heat conductor without integrating each temperature measuring means with each heat conductor. In this case, each temperature measuring means may be installed on the surface in the vicinity of each chemical reaction part of the
つまり、各温度測定手段が各化学反応部の温度を測定することができれば、如何なる構成であってもよい。従って、各温度測定手段として、例えば非接触で温度を測定することができる放射温度計を設置してもよい。この場合、マイクロ化学チップ301から離れた位置で、各化学反応部の温度を測定することができる。
That is, any configuration may be used as long as each temperature measuring unit can measure the temperature of each chemical reaction unit. Therefore, for example, a radiation thermometer that can measure the temperature in a non-contact manner may be installed as each temperature measuring means. In this case, the temperature of each chemical reaction part can be measured at a position away from the
各温度測定手段で測定された温度に基づく信号は、図1、2には表されていないが、各温度制御手段に送られる(図8、9参照)。各温度制御手段は、各温度測定手段から送られてきた信号に基づいて、各温度測定手段での測定温度が目標値となるように、PID制御などにより各熱電素子に流す電流の制御を行う。各温度制御手段の構成については図8、9の説明で後述する。 A signal based on the temperature measured by each temperature measuring means is not shown in FIGS. 1 and 2, but is sent to each temperature control means (see FIGS. 8 and 9). Each temperature control means controls the current flowing through each thermoelectric element by PID control or the like based on the signal sent from each temperature measurement means so that the temperature measured by each temperature measurement means becomes a target value. . The configuration of each temperature control means will be described later with reference to FIGS.
次に、マイクロ化学チップ301の一例について説明する。図3は、本発明にかかる温度調節装置によって温度調節されるマイクロ化学チップ301の一例を示す斜視図である。ここでは、マイクロ化学チップ301の内部で、化学プロセスによって様々な分析や合成を行う概念的な例を示す。
Next, an example of the
マイクロ化学チップ301は、例えばガラス、樹脂、シリコン、セラミックス、半導体または金属などの材料で構成されており、薬液をマイクロ化学チップ内に入れる導入口302、薬液を搬送する搬送路303、様々な化学プロセスを行う化学反応部304、305、306、307、反応した薬液を回収する回収口308などを有している。
The
導入口302、搬送路303、化学反応部304、305、306、307、回収口308は、例えば機械加工、化学的エッチング、リソグラフィなどの微細加工法によって、マイクロ化学チップ301の内部または上部に作り込まれている。
The
マイクロ化学チップ301には、外部から薬液などが導入口302から導入される。そして、各化学反応部において、貯蔵、搬送、混合、反応、抽出、分離、濃縮、回収などの各種化学プロセスが行われる。各種化学プロセスにおいては、例えば安定に貯蔵したり、迅速に混合したり、活性化したり、反応速度を高めたり、反応効率を高めたり、反応を止めて安定化させるための最適な温度条件がある。
A chemical solution or the like is introduced into the
例えば、導入口302から導入された各薬液A、B、C、D、E、Fが各搬送路303で運ばれて、化学反応部304で薬液AとBが、化学反応部305で薬液CとDが、化学反応部306で薬液EとFが、それぞれ混合され反応する。そして化学反応部304、305、306で反応した薬液がさらに化学反応部307で混合され反応し、回収口308で回収される。
For example, each of the chemicals A, B, C, D, E, and F introduced from the
このとき、化学反応部305の最適な温度が37℃であり、その他の化学反応部304、306、307の温度、および各搬送路303の温度は加温したくない場合、例えば酵素反応過程において、酵素は体内での反応を再現するために体温である37℃で反応させ、酵素反応以外は雰囲気温度(室温)25℃一定で反応させたい場合がある。
At this time, when the optimum temperature of the
ここで、雰囲気温度とはマイクロ化学チップを使った実験を行う場合のマイクロ化学チップの周囲の温度とする。つまり、実験室で行う場合は実験室の空気の温度であり、恒温室や密閉された恒温領域であれば、その中の空気やガスの温度である。 Here, the atmospheric temperature is a temperature around the microchemical chip when an experiment using the microchemical chip is performed. That is, when it is performed in the laboratory, it is the temperature of the air in the laboratory, and in the case of a constant temperature room or a sealed constant temperature region, it is the temperature of the air or gas therein.
このようなとき、雰囲気温度(室温)が25℃の場合、化学反応部305の領域だけを37℃に温度調節すると、化学反応部305を雰囲気温度25℃とは異なる37℃に温度調節する影響で熱が化学反応部305の周辺領域の化学反応部304、306、307、搬送路303に伝導してしまい、化学反応部305に近い領域から徐々に37℃から25℃の温度分布を有してしまう。つまり、25℃にしたい化学反応部304、306、307、搬送路303の温度を25℃にすることができない。
In such a case, when the ambient temperature (room temperature) is 25 ° C., adjusting the temperature of only the region of the
したがって、化学反応部305のみを37℃にしたい場合、化学反応部305を37℃に温度調節するのと同時に、化学反応部305に隣接した周辺領域の化学反応部304、306、307、搬送路303を25℃に温度調節する必要が生じる。
Therefore, when only the
このような、2つの温度調節を行うことによって化学反応部305のみを雰囲気温度と異なる温度にすることが可能になる。
By performing such two temperature adjustments, only the
図4は、図3に示すマイクロ化学チップ301の各化学反応部と温度調節装置106と
の対応関係を示す斜視図である。雰囲気温度と異なる温度に温度調節する化学反応部305の直下に第1の熱伝導体101が配置されるようにし、また雰囲気温度に温度調節する化学反応部304、306、307、搬送路303などの直下に第2の熱伝導体102が配置されるようにして、マイクロ化学チップ301と各熱伝導体とを熱伝導可能に接続させる。
FIG. 4 is a perspective view showing a correspondence relationship between each chemical reaction unit of the
そして、図示は省略するが、各温度測定手段も、各熱伝導体に一体化され、化学反応部305の温度と、化学反応部305の周辺領域である化学反応部304、306、307、搬送路303の温度とを測定できるようになっている。
Although not shown, each temperature measuring means is also integrated with each heat conductor, and the temperature of the
図5は図1、2で説明した温度調節装置106にマイクロ化学チップ301を熱伝導可能に接続した断面図である。第1の熱伝導体101が化学反応部305直下に接続され、第2の熱伝導体102が化学反応部304、306の直下に接続されている。このとき、図では示されていないが、化学反応部307、搬送路303の直下にも第2の熱伝導体102が接続されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view in which the
ここで、雰囲気温度とは異なる温度に第1の熱伝導体101を温度調節することによって、第1の熱伝導体101が熱伝導可能に接続された近傍領域501の温度も熱伝導体101の温度とほぼ同じ温度に温度調節される。このとき同時に第2の熱伝導体102を雰囲気温度に温度調節することによって、周辺領域502には第2の熱伝導体102が熱伝導可能に接続されているため、近傍領域501の温度から周辺領域502に伝わった熱が周辺領域502の直下でキャンセルされて、周辺領域502の温度は雰囲気温度に温度調節される。また周辺領域502よりも外側(近傍領域501から遠い側)は雰囲気温度の気体中にあるのでここも雰囲気温度に保たれる。
Here, by adjusting the temperature of the first
ここで、近傍領域501の温度調節されていない面は雰囲気温度の周囲空気に触れて熱が伝導するため、近傍領域501には多少の温度勾配が生じるが、マイクロ化学チップ301は通常薄い板状をしているため、その温度勾配はほとんど許容範囲内であり問題になることは非常に少ない。
Here, the surface of the neighboring
以上のように、第1の熱伝導体101および第1の熱伝導体101を温度調節する第1の熱電素子103と、第2の熱伝導体102および第2の熱伝導体102を温度調節する第2の熱電素子104によって、化学反応部305のみを雰囲気温度とは異なる温度に温度調節することが可能になる。
As described above, the first
次に、第1の熱電素子103および第2の熱電素子104の一例について説明する。本発明にかかる温度調節装置106を構成する第1の熱電素子103および第2の熱電素子は同様の構造を有しているため、第1の熱電素子103の一例について説明する。図6は第1の熱電素子103の一例を示す断面図である。図6に示す熱電素子103では、p型熱電半導体601とn型熱電半導体602が交互に規則的になるように配置されている。そして、各々の熱電半導体601、602の両端は、その隣の熱電半導体602、601に配線電極603を介して接続されている。つまり、複数のp型熱電半導体601とn型熱電半導体602が交互に電気的に直列に接続されている。
Next, an example of the first
そして、熱電半導体601、602の直列接続体の両端に位置する熱電半導体601、602は、それぞれ引き出し電極604に接続されている。各引き出し電極604には、リード線607が接続されている。このような構成の熱電半導体601、602の直列接続体は、一対の熱伝導板605、606に挟まれており、配線電極603および引き出し電極604は、熱伝導板605、606に接合されている。
The
これら熱伝導板605、606のうち、一端は温接点となり、他端は冷接点となる。熱電半導体601、602の直列接続体に流す電流の向きを変えることによって、熱伝導板605、606のいずれも温接点または冷接点になり得る。
Of these
一方の熱伝導板605側が冷接点となるように第1の熱電素子103に電流を流して、この熱伝導板605が接触している物体を冷却する場合、冷接点で吸収された熱と第1の熱電素子103を流れる電流によって生じたジュール熱は、温接点となるもう一方の熱伝導板606側に伝わる。そのため、温接点となる熱伝導板606側では、伝わってきた熱が放散され得る構造になっていないと、第1の熱電素子103に熱が溜まり、第1の熱電素子103の温度が上昇してしまう。その結果、冷接点側の温度が上昇してしまう。
When a current is passed through the first
また、第1の熱電素子103に逆向きの電流を流して、一方の熱伝導板605側を温接点とし、この熱伝導板605が接触している物体を加熱する場合、もう一方の熱伝導板606側は冷接点となる。そのため、冷接点となる熱伝導板606側で第1の熱電素子103に必要な熱を与える構造にして温度を保つようにしないと、第1の熱電素子103の温度が下がってしまう。その結果、加熱したい熱伝導板605側の温度が下がってしまう。
In addition, when a reverse current is passed through the first
つまり、第1の熱電素子103の一方の端部を冷却したり加熱したりして温度調節を行うためには、第1の熱電素子103の他方の端部で十分に熱交換することができるヒートシンクのようなものが必要不可欠である。そのため、本実施の形態では、熱交換手段105が第1の熱電素子103に熱伝導性接着剤などで熱伝導可能に接合されている(図1参照)。熱交換手段105については図7の説明で後述する。
That is, in order to adjust the temperature by cooling or heating one end portion of the first
ここで、特に限定しないが、熱伝導板605、606の材料は、例えば窒化アルミニウムやアルミナなどの熱伝導の良いセラミックスである。また、p型熱電半導体601の材料は、例えばBiTeSbからなる合金であり、n型熱電半導体602の材料は、BiTeSeからなる合金である。ただし、熱電材料としては、これらに制限されるものではなく、例えば他のBiTe系など、用途に応じて様々な材料が用いられ得る。
Here, although not particularly limited, the material of the heat
過不足する熱を熱交換手段105により適切に交換することができる条件下では、第1の熱電素子103に流す電流を制御して逆転させたり、または調節することにより、第1の熱電素子103は、その一方の面をマイナス数十℃からプラス百数十℃の範囲内で一定の温度に保つことができる。また、ある程度の速さで温度を変化させることも可能である。そして、第1の熱電素子103の一方の面(各化学反応部に近い面)の温度を上述したようにして一定温度に保つ場合、プラスマイナス0.1℃程度の精度で調節することができるので、各化学反応部の温度を十分に高い精度で調節することができる。
Under the condition that the heat exchanging means 105 can appropriately exchange excess or deficient heat, the first
なお、第1の熱電素子103は、図6に示す構成の他に、p型熱電半導体601とn型熱電半導体602の間を樹脂などで充填し、熱伝導板605、606の一方または両方を省いた構成としてもよい。熱伝導板605、606を省いた場合には、例えば、配線電極603と第1の熱伝導体101との間、または配線電極603と熱交換手段105との間に絶縁層を設ければよい。また、複数の熱電素子を上下に重ね、それらを合わせて一つの第1の熱電素子103として用いることにより、より一層、調節可能な温度範囲が広がり、また温度調節の精度もより高くなる。
In addition to the configuration shown in FIG. 6, the first
なお、第2の熱電素子104の構造は、第1の熱電素子103と同様な構造を有しているため、第2の熱電素子104の説明は省略する。
Note that the structure of the second
本実施の形態で用いられる各熱電素子の大きさは、数mm角程度、例えば1〜3mm角程度である。このような小さい熱電素子を製造するにあたっては、本出願人による特許第
3225049号公報に記載の製造方法を適用することができる。すなわち、特許第3225049号公報に記載の製造方法を適用することによって、1〜3mm角程度の大きさの熱電素子が得られるので、マイクロ化学チップ301の1〜3mm角程度の微小な化学反応部を局所的に加熱したり、冷却することができ、それによって微小な化学反応部を局所的に温度調節を行うことができる。
The size of each thermoelectric element used in the present embodiment is about several mm square, for example, about 1 to 3 mm square. In manufacturing such a small thermoelectric element, the manufacturing method described in Japanese Patent No. 3225049 by the present applicant can be applied. That is, by applying the manufacturing method described in Japanese Patent No. 3225049, a thermoelectric element having a size of about 1 to 3 mm square can be obtained. Therefore, a minute chemical reaction portion of about 1 to 3 mm square of the
なお、第1の熱電素子103、および第1の熱電素子103の周囲を囲む形状(中央に穴が空いた形状)に作成した第2の熱電素子104の熱伝導板605(あるいは熱伝導板606)が各熱伝導体を兼ねる構成としてもよい。この場合、各温度測定手段を、各熱伝導体を兼ねる熱伝導板605(あるいは熱伝導板606)と一体化させてもよいし、各温度測定手段を熱伝導板605(あるいは熱伝導板606)から独立させてもよい。
Note that the first
次に、熱交換手段105の一例について説明する。図7(a)は、本発明にかかる温度調節装置106を構成する熱交換手段の第1の例を示す断面図である。図7(a)に示すように、熱交換手段105の第1の例は、フィン701を有するヒートシンクである。この場合、熱交換手段105は、フィン701を介して周囲の空気と熱交換を行う。なお、フィン701の他に、強制的に熱交換を行うためのファンを取り付けた構成としてもよい。この第1の例は、その構造が簡素でコンパクトであるので、温度調節範囲がそれほど広くない場合に適している。
Next, an example of the heat exchange means 105 will be described. Fig.7 (a) is sectional drawing which shows the 1st example of the heat exchange means which comprises the
図7(b)は、本発明にかかる温度調節装置106を構成する熱交換手段の第2の例を示す断面図である。図7(b)に示すように、熱交換手段105の第2の例は、配管703を介して恒温装置704に接続された液体漕702を備えており、液体漕702を流れる液体を用いて熱交換を行う構成となっている。この第2の例は、温度調節範囲が広く、特にマイナス数十℃に冷やす必要がある場合に有効である。
FIG.7 (b) is sectional drawing which shows the 2nd example of the heat exchange means which comprises the
次に、第1の温度制御手段806の一例について説明する。図8は、本発明にかかる温度調節装置106を構成する第1の温度制御手段の制御システムを説明するためのブロック図である。図8に示すように、第1の温度制御手段806は、温度変換回路801、電流制御回路802、外部コンセント804を有する電源回路803、およびコンソール805を備えている。
Next, an example of the first
図8において第1の温度測定手段203は、リード線205を介して温度変換回路801に接続されている。温度変換回路801は、第1の温度測定手段203の測定温度に基づいて第1の温度測定手段203から出力された電気的な信号を温度の情報に変換する。電流制御回路802は、温度変換回路801に接続されている。電流制御回路802は、第1の温度測定手段203の測定温度が予め設定された温度になるように、第1の温度測定手段203により測定された温度のフィードバック制御、例えば温度調節を行う際に一般的に用いられるPID制御などによって、第1の熱電素子103に流す電流の向きや電流量の制御を行う。このような制御を行うことよって、第1の温度測定手段203の測定温度が設定温度に対してプラスマイナス0.1℃程度の温度範囲におさまるようにすることができる。
In FIG. 8, the first temperature measuring means 203 is connected to the temperature conversion circuit 801 via the
電源回路803は、外部コンセント804を介して外部より供給された商用電源電圧を所望の直流電圧などに変圧して、電流制御回路802に供給する。コンソール805は、電流制御回路802に接続されており、リアルタイムの温度、すなわち第1の温度測定手段203の測定温度と設定温度とを表示する表示部や、設定を変更するスイッチ等を有する。
The
次に、第2の温度制御手段906の一例について説明する。図9は、本発明にかかる温
度調節装置106を構成する第2の温度制御手段の制御システムを説明するためのブロック図である。図9に示すように、第2の温度制御手段906は、温度変換回路901、電流制御回路902、外部コンセント904を有する電源回路903、およびコンソール905を備えている。
Next, an example of the second
図9において第2の温度測定手段204は、リード線206を介して温度変換回路901に接続されている。温度変換回路901は、第2の温度測定手段204の測定温度に基づいて第2の温度測定手段204から出力された電気的な信号を温度の情報に変換する。同様に、雰囲気温度を測定する雰囲気温度測定手段907はリード線908を介して温度変換回路901に接続されている。温度変換回路901は、雰囲気温度測定手段907の雰囲気の測定温度に基づいて雰囲気温度測定手段907から出力された電気的な信号も同時に温度の情報に変換する。電流制御回路902は、温度変換回路901に接続されている。電流制御回路902は、第2の温度測定手段204の測定温度が予め設定された雰囲気温度になるように、または雰囲気温度測定手段907の測定した雰囲気温度と同じになるように、フィードバック制御、例えば温度調節を行う際に一般的に用いられるPID制御などによって、接続配線909によってつながれた第2の熱電素子104に流す電流の向きや電流量の制御を行う。このような制御を行うことによって、第2の温度測定手段204の測定温度が雰囲気温度に対してプラスマイナス0.1℃程度の温度範囲におさまるようにすることができる。
In FIG. 9, the second temperature measuring means 204 is connected to the
電源回路903は、外部コンセント904を介して外部より供給された商用電源電圧を所望の直流電圧などに変圧して、電流制御回路902に供給する。コンソール905は、電流制御回路902に接続されており、リアルタイムの温度、すなわち第2の温度測定手段204の測定温度と雰囲気温度測定手段907の雰囲気温度とを表示する表示部や、設定を変更するスイッチ等を有する。
The
図9に示す第2の温度制御手段906によって、雰囲気温度をあらかじめ予測して設定することで第2の熱伝導体102を予測された雰囲気温度に温度調節することも可能であるし、実際に測定した雰囲気温度と同じ温度に第2の熱伝導体102を温度調節することも可能である。また、雰囲気温度とは異なる温度に設定することで、雰囲気温度とは異なる温度に第2の熱伝導体102を温度調節することも可能である。
The second temperature control means 906 shown in FIG. 9 can adjust the temperature of the
上述したように、第1の実施の形態によれば、第1の熱伝導体101および第1の熱伝導体を温度調節する第1の熱電素子103によって、化学反応部305を雰囲気温度とは異なる温度に温度調節し、同時に第2の熱伝導体102および第2の熱伝導体を温度調節する第2の熱電素子104によって、化学反応部305の周辺領域の化学反応部304、306、307、搬送路303を雰囲気温度に温度調節することができ、その結果化学反応部305のみを雰囲気温度とは異なる温度に温度調節することができる効果が得られる。
As described above, according to the first embodiment, the first
実際に本発明者らは、1mm×1mmの大きさの各熱電素子に1mm×1mmの大きさの第1の熱伝導体101と、1.2mm×1.2mmの穴を開けた3.2mm×3.2mmの大きさの第2の熱伝導体102とを接合し、第1の熱伝導体101と第2の熱伝導体102との隙間を0.1mmとした温度調節装置106のサンプル装置を作成した。
In fact, the inventors of the present invention made a 1 mm × 1 mm first
そして、数cm角のマイクロ化学チップ301をサンプル装置に熱伝導可能に接続し、第1の熱伝導体101の温度を37℃、第2の熱伝導体102の温度を雰囲気温度の25℃に設定して制御したところ、両方ともそれぞれ設定温度に調節することができた。この実験結果より、マイクロ化学チップ301のうち、1mm×1mmという非常に狭い領域のみを温度調節することが可能なことを確認した。
Then, a several cm square
〔第2の実施の形態〕
図10は本発明の第2の実施の形態にかかる温度調節装置の構成を模式的に示す平面図である。
[Second Embodiment]
FIG. 10 is a plan view schematically showing the configuration of the temperature control device according to the second embodiment of the present invention.
第2の実施の形態の温度調節装置は、図10に示すように、第1の熱伝導体101および第1の熱電素子103を複数備え、複数の第1の熱伝導体101a、101bの周囲を平面的に全て囲む形状に第2の熱伝導体102を備え、第2の熱伝導体102の面積に応じて適当な数の第2の熱電素子104を備え、複数の第1の熱電素子103a、103bによって複数の熱伝導体101a、101bは各々を独立に雰囲気温度とは異なる温度に温度調節し、第2の熱電素子104によって第2の熱伝導体102は雰囲気温度に温度調節する構造とする。
As shown in FIG. 10, the temperature control apparatus of the second embodiment includes a plurality of first
この構造により、マイクロ化学チップ301に雰囲気温度と異なる温度に温度調節する複数の化学反応部がある場合に、その複数の化学反応部のみをそれぞれ個別の温度に温度調節し、他の部分は雰囲気温度に保つことができる効果を持つ。
〔第3の実施の形態〕
図11は本発明の第3の実施の形態にかかる温度調節装置の構成を模式的に示す断面図である。
With this structure, when the
[Third Embodiment]
FIG. 11: is sectional drawing which shows typically the structure of the temperature control apparatus concerning the 3rd Embodiment of this invention.
第3の実施の形態の温度調節装置は図11に示すように、第1の熱伝導体101、第2の熱伝導体102、第1の熱電素子103、第2の熱電素子104、第1の熱交換手段105を下側に備え、かつ第1の熱伝導体とほぼ同じ形状の第3の熱伝導体1101、第2の熱伝導体とほぼ同じ形状の第4の熱伝導体1102、第3の熱電素子1103、第4の熱電素子1104、第2の熱交換手段1105を上側に備え、第1の熱伝導体と第3の熱伝導体とが対向するように配置し、さらに第2の熱伝導体と第4の熱伝導体とが対向するように配置し、第1の熱伝導体101、第2の熱伝導体102、第3の熱伝導体1101、第4の熱伝導体1102の各々の一方の面は、マイクロ化学チップ301の両面に熱伝導可能に接続されている。また、各々の熱伝導体の他方の面にはそれぞれ各々の熱電素子の一方の面が熱伝導可能に接合され、第1の熱電素子103、第2の熱電素子104の他方の面と熱交換手段105とが熱伝導可能に接合され、第3の熱電素子1103および第4の熱電素子1104の他方の面と熱交換手段1105とが熱伝導可能に接合されている。
As shown in FIG. 11, the temperature control device of the third embodiment includes a first
そして、図示はしないが各々の熱伝導体にはそれぞれ温度測定手段を備え、各々の温度測定手段により測定された温度に基づいて各々の熱電素子に流す電流を制御する各々の温度制御手段とを備えている。 Although not shown, each thermal conductor is provided with a temperature measuring means, and each temperature control means for controlling the current flowing through each thermoelectric element based on the temperature measured by each temperature measuring means. I have.
つまり、第3の実施の形態の温度調節装置は第1の実施の形態で説明した温度調節装置106とほぼ同じ装置2つを有していて、その2つの装置でマイクロ化学チップ301の両面を上下からまたは左右から挟み込むように配置している。
In other words, the temperature control device of the third embodiment has two devices that are substantially the same as the
そして、第1の熱伝導体101と第3の熱伝導体1101とを雰囲気温度とは異なる温度に温度調節し、第2の熱伝導体101と第4の熱伝導体1102とを雰囲気温度と同じ温度に温度調節を行う。
Then, the first
ここで、第1の熱伝導体101および第3の熱伝導体1101を雰囲気温度とは異なる同じ温度に温度調節することによって、第1の熱伝導体101および第3の熱伝導体1101が両面で熱伝導可能に接続された近傍領域501の温度は両面から同時に同じ温度に温度調節される。また同時に第2の熱伝導体102および第4の熱伝導体1102を雰囲気温度に温度調節することによって、第2の熱伝導体102および第4の熱伝導体110
2が両面で熱伝導可能に接続された周辺領域502の温度は両面から同時に雰囲気温度に温度調節される。
Here, by adjusting the temperature of the first
The temperature of the
第1の実施の形態において、近傍領域501の片面は雰囲気温度にさらされているため、周囲空気に熱が伝導し近傍領域501にわずかな温度勾配(温度ムラ)が生じる。マイクロ化学チップ301の厚さが薄い場合には許容範囲内の温度勾配であるが、厚さが数倍程度厚い場合には無視できない場合もある。また、わずかな温度勾配も許されない厳密な温度制御が必要な化学プロセスの場合にはマイクロ化学チップ301の厚さが薄い場合でもその温度勾配が影響を与える場合もある。
In the first embodiment, since one surface of the
第3の実施の形態の温度調節装置では、近傍領域501も周辺領域502もマイクロ化学チップ301の両面から各々同じ温度に温度調節し、片面から雰囲気温度の周囲空気に熱が伝導することがないため、マイクロ化学チップ301の厚さが厚い場合にも近傍領域501の温度勾配(温度ムラ)を極力なくし、厳密に均一な温度に温度調節することができる効果がある。
In the temperature control apparatus according to the third embodiment, the temperature in both the
この効果は温度調節する近傍領域501の両面の面積に対してマイクロ化学チップの厚さが厚い場合、つまりは温度調節する近傍領域501がマイクロ化学チップの厚さに対して非常に小さい場合に特に大きな効果がある。
This effect is particularly effective when the thickness of the microchemical chip is large relative to the area of both sides of the neighboring
図示はしないが、第2の実施の形態のようにマイクロ化学チップ301に雰囲気温度と異なる温度に温度調節する複数の化学反応部がある場合にも同様に、第2の実施の形態の温度調節装置を上下に設けることにより、複数の化学反応部のみをそれぞれ厳密に均一な温度に温度調節し、他の部分は雰囲気温度に保つことができる効果を持つ。
(実施例)
Although not shown, the temperature adjustment of the second embodiment is similarly performed when the
(Example)
図12は第3の実施の形態によるマイクロ化学チップ301の温度分布を有限要素法によって数値計算した結果を表した実施例の図である。
FIG. 12 is a diagram of an example showing the result of numerical calculation of the temperature distribution of the
有限要素法は有限要素解析ソフト(ANSYS)により行った。有限要素法はコンピュータ上でシミュレーションモデル形状を作製し、熱伝導率等の材質条件と温度の固定条件を与える温度境界条件面とを設定し、計算結果としてモデルの中で同じ温度の面(コンピュータ画面表示では線)を等温面として出力し、モデルの中の温度分布をシミュレーションできる。 The finite element method was performed by finite element analysis software (ANSYS). In the finite element method, a simulation model shape is created on a computer, and material conditions such as thermal conductivity and a temperature boundary condition surface that gives a fixed temperature condition are set. As a result of calculation, a surface of the same temperature (computer In the screen display, the line) is output as an isothermal surface, and the temperature distribution in the model can be simulated.
図12において、マイクロ化学チップ301の厚さを通常の5倍程度に設定し、マイクロ化学チップ301の材質としてガラスの熱伝導率を与え、温度境界条件面1201、1202、1203、1204、1205、1206を設定し、温度境界条件面1201、1204を37℃に設定し、温度境界条件面1202、1203、1205、1206を25℃(雰囲気温度)に設定し、温度分布を計算した。
In FIG. 12, the thickness of the
その結果、等温面1207、1208、1209、1210がそれぞれ34.6℃、32.2℃、29.8℃、27.4℃となった。実際の計算結果で与えられる等温面は数倍程度細かいが、これ以上は図面上で図示できないので割愛した。この結果では、温度調節する近傍領域501に相当する、等温面1207と温度境界条件面1201、1204で囲まれた領域1211の中の温度勾配はさらに詳細にシミュレーションで調べた計算結果では0.1℃未満であった。つまり、近傍領域501内は0.1℃未満の均一な温度に温度調節することが可能なことを示している。
(比較例)
As a result, the
(Comparative example)
図13は比較例として、マイクロ化学チップ301の厚さを図12のモデルと同じ厚さに設定し、温度境界条件面1201、1202、1203をそれぞれ37℃、25℃(雰囲気温度)、25℃(雰囲気温度)に設定し、片側(上側)は周囲空気(雰囲気温度)によって熱が伝導する条件を与えて計算した結果である。
FIG. 13 shows, as a comparative example, the thickness of the
図12と比べて図13は明らかに温度調節する近傍領域501に相当する領域1211の中での温度勾配が大きいことが分かる。詳細な計算結果としては5.0℃程度の温度勾配が生じている。つまり通常の5倍の厚さのマイクロ化学チップでは片側を空気に触れさせておくと近傍領域501内は5℃もの温度勾配が生じてしまう可能性があることが分かる。
Compared to FIG. 12, FIG. 13 clearly shows that the temperature gradient in the region 1211 corresponding to the neighboring
この実施例と比較例で示したことから明らかなように、第3の実施の形態では、通常よりも数倍の厚さを持つマイクロ化学チップ301や、温度調節する近傍領域501がマイクロ化学チップの厚さに対して非常に小さい場合に温度勾配の値を数十分の1以下に抑える効果があることが分かった。
As is apparent from the examples and comparative examples, in the third embodiment, the
第3の実施の形態の説明では第1の熱伝導体101と第3の熱伝導体1101を同じ温度に調節することによって近傍領域501(化学反応部)を均一な温度にすることができるが、逆に近傍領域をマイクロ化学チップ301の厚さ方向に温度勾配を生じさせる必要がある場合には、第1の熱伝導体101と第3の熱伝導体1101を異なる温度に温度調節することで達成できる。
In the description of the third embodiment, by adjusting the first
以上、本発明の実施の形態の説明で明らかなように、本発明の温度調節装置は、第2の熱伝導体が第1の熱伝導体の周囲を囲む構造を有し、第1の熱伝導体を第1の熱電素子によって雰囲気温度と異なる温度に温度調節し、第2の熱伝導体を第2の熱電素子によって雰囲気温度に温度調節することによって、第1の熱伝導体によって目的の化学反応部のみを雰囲気温度とは異なる温度に温度調節することができる。そのため、マイクロ化学チップの温度調節を必要とする領域のみを自由に温度調節することが可能となり、任意に温度調節が可能なマイクロ化学チップの集積化が実現できる。 As described above, as is apparent from the description of the embodiment of the present invention, the temperature control device of the present invention has a structure in which the second heat conductor surrounds the first heat conductor and the first heat conductor. The temperature of the conductor is adjusted to a temperature different from the ambient temperature by the first thermoelectric element, and the target temperature is adjusted by the first thermal conductor to the ambient temperature by the second thermoelectric element. Only the chemical reaction part can be adjusted to a temperature different from the ambient temperature. Therefore, it is possible to freely adjust the temperature of only the region where the temperature of the microchemical chip needs to be adjusted, and integration of the microchemical chip capable of arbitrarily adjusting the temperature can be realized.
以上のように、本発明にかかる温度調節装置は、DNAチップ、タンパク質解析用チップ、マイクロTAS、ラボオンチップまたはマイクロリアクターなどに有用であり、特に、それらのマイクロ化学チップの目的の化学反応部のみの温度を雰囲気温度とは異なる温度に局所的に調節して、様々な化学プロセスを行う場合に用いられるマイクロ化学チップ用の温度調節装置に特に適している。 As described above, the temperature control device according to the present invention is useful for a DNA chip, a protein analysis chip, a micro TAS, a lab-on-chip, a microreactor, and the like, and in particular, a target chemical reaction unit of the microchemical chip. It is particularly suitable for a temperature control device for a microchemical chip that is used when various chemical processes are performed by locally adjusting the temperature only to a temperature different from the ambient temperature.
101、101a、101b 第1の熱伝導体
102 第2の熱伝導体
103、103a、103b 第1の熱電素子
104 第2の熱電素子
105 熱交換手段
106 温度調節装置
201、202 穴部
203 第1の温度測定手段
204 第2の温度測定手段
205、206 リード線
301 マイクロ化学チップ
302 導入口
303 搬送路
304、305、306、307 化学反応部
308 回収口
501 近傍領域
502 周辺領域
601 p型熱電半導体
602 n型熱電半導体
603 配線電極
604 引き出し電極
605、606 熱伝導板
607 リード線
701 フィン
702 液体漕
703 配管
704 恒温装置
801、901 温度変換回路
802、902 電流制御回路
803、903 電源回路
804、904 外部コンセント
805、905 コンソール
806、906 温度制御手段
907 雰囲気温度測定手段
908 リード線
909 接続配線
1101 第3の熱伝導体
1102 第4の熱伝導体
1103 第3の熱電素子
1104 第4の熱電素子
1105 第2の熱交換手段
1201、1202、1203、1204、1205、1206 温度境界条件面
1207、1208、1209、1210 等温面
1211 領域
1401、1402 領域
101, 101a, 101b
302
Claims (8)
該第1の熱伝導体近傍に配置され、前記第1の熱伝導体の温度を測定する第1の温度測定手段と、
前記第1の熱伝導体に一方の面が熱伝導可能に接続された第1の熱電素子と、
前記第1の温度測定手段により測定された温度に基づいて前記第1の熱電素子に流す電流を制御する第1の温度制御手段と、
熱伝導率が大きい材料で構成された第2の熱伝導体と、
該第2の熱伝導体近傍に配置され、前記第2の熱伝導体の温度を測定する第2の温度測定手段と、
前記第2の熱伝導体に一方の面が熱伝導可能に接続された少なくとも1つ以上の第2の熱電素子と、
前記第2の温度測定手段により測定された温度に基づいて前記第2の熱電素子に流す電流を制御する第2の温度制御手段と、
前記第1の熱電素子および前記第2の熱電素子の他方の面と熱伝導可能に接合されて固定された熱交換手段とを有し、
前記第1の熱伝導体の周囲が微小な隙間を介して前記第2の熱伝導体によって囲まれている温度調節装置。 A first thermal conductor made of a material having a high thermal conductivity;
First temperature measuring means disposed in the vicinity of the first thermal conductor and measuring the temperature of the first thermal conductor;
A first thermoelectric element having one surface connected to the first heat conductor so as to conduct heat;
First temperature control means for controlling a current flowing through the first thermoelectric element based on the temperature measured by the first temperature measurement means;
A second thermal conductor made of a material having a high thermal conductivity;
A second temperature measuring means disposed in the vicinity of the second heat conductor and measuring the temperature of the second heat conductor;
At least one second thermoelectric element having one surface connected to the second heat conductor so as to conduct heat; and
Second temperature control means for controlling a current flowing through the second thermoelectric element based on the temperature measured by the second temperature measurement means;
Heat exchange means joined and fixed to the other surface of the first thermoelectric element and the second thermoelectric element so as to conduct heat;
A temperature control device in which the periphery of the first thermal conductor is surrounded by the second thermal conductor via a minute gap.
該第3の熱伝導体近傍に配置され、前記第3の熱伝導体の温度を測定する第3の温度測定手段と、
前記第3の熱伝導体に一方の面が熱伝導可能に接続された第3の熱電素子と、
前記第3の温度測定手段により測定された温度に基づいて前記第3の熱電素子に流す電流を制御する第3の温度制御手段と、
熱伝導率が大きい材料で構成された第4の熱伝導体と、
該第4の熱伝導体近傍に配置され、前記第4の熱伝導体の温度を測定する第4の温度測定手段と、
前記第4の熱伝導体に一方の面が熱伝導可能に接続された少なくとも1つ以上の第4の熱電素子と、
前記第4の温度測定手段により測定された温度に基づいて前記第4の熱電素子に流す電流を制御する第4の温度制御手段と、
前記第3の熱電素子および前記第4の熱電素子の他方の面と熱伝導可能に接合されて固定された第2の熱交換手段とを有し、
前記第3の熱伝導体の周囲が微小な隙間を介して前記第4の熱伝導体によって囲まれており、前記第1の熱伝導体と前記第3の熱伝導体とが互いに対向し、前記第2の熱伝導体と、前記第4の熱伝導体とが互いに対向するように配置され、前記第1の熱伝導体と前記第3の熱伝導体とを同じ温度に温度調節し、前記第2の熱伝導体と前記第4の熱伝導体と
を同じ温度に温度調節することを特徴とする請求項1に記載の温度調節装置。 A third thermal conductor made of a material having a high thermal conductivity;
A third temperature measuring means disposed in the vicinity of the third heat conductor and measuring the temperature of the third heat conductor;
A third thermoelectric element having one surface connected to the third heat conductor so as to conduct heat;
Third temperature control means for controlling a current flowing through the third thermoelectric element based on the temperature measured by the third temperature measurement means;
A fourth thermal conductor made of a material having a high thermal conductivity;
A fourth temperature measuring means disposed in the vicinity of the fourth heat conductor and measuring the temperature of the fourth heat conductor;
At least one fourth thermoelectric element having one surface connected to the fourth heat conductor so as to conduct heat;
Fourth temperature control means for controlling a current flowing through the fourth thermoelectric element based on the temperature measured by the fourth temperature measurement means;
A second heat exchanging means fixed to the other surface of the third thermoelectric element and the fourth thermoelectric element so as to be thermally conductive and fixed;
The periphery of the third thermal conductor is surrounded by the fourth thermal conductor through a minute gap, and the first thermal conductor and the third thermal conductor face each other, The second thermal conductor and the fourth thermal conductor are arranged to face each other, and the first thermal conductor and the third thermal conductor are adjusted to the same temperature, The temperature control device according to claim 1, wherein the temperature of the second heat conductor and the fourth heat conductor are adjusted to the same temperature.
Whether the first temperature measuring means is provided inside the first thermal conductor, whether the second temperature measuring means is provided inside the second thermal conductor, or the third temperature measuring means. 6. The temperature measuring means is provided inside the third heat conductor, or the fourth temperature measuring means is provided inside the fourth heat conductor. The temperature control device according to any one of claims 7 to 9.
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