JP2013074813A

JP2013074813A - 温度制御装置及び温度制御方法

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Publication number: JP2013074813A
Application number: JP2011215457A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Sasaki; 展雄佐々木
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: JP5853550B2

Abstract

【課題】ピーク電力を抑制して、複数台を同時に稼動させることが可能な温度制御装置及び温度制御方法を提供する。
【解決手段】ＰＣＲ法によって遺伝子増幅を行うための複数の温度制御装置をネットワークを介して相互通信可能に接続し、ある温度制御装置においてＰＣＲ開始の指示を受け付けた場合、他の温度制御装置においてＰＣＲが実行中であるか否かを判定、他の温度制御装置でＰＣＲが実行されていない場合はそのままＰＣＲを実行する一方、他の温度制御装置でＰＣＲが実行されていない場合は、温度制御装置間で加熱時間中におけるピーク電力時間が他の温度制御装置のピーク電力時間と重ならないように、他の温度制御装置の加熱工程の開始時刻から所定時間だけ遅れて加熱工程を開始させる、温度制御装置及び温度制御方法。
【選択図】図３

Description

本発明は温度制御装置及び温度制御方法に関する。特に、本発明は、遺伝子増幅のためにペルチェ素子を用いて加熱と吸熱を繰り返す温度制御装置及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法が知られている（特許文献１参照）。ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）は、試薬と検体（ＤＮＡを含む水溶液）の混合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。

加熱・吸熱を繰り返すＰＣＲ用の温度制御装置として、特許文献２に開示されたものがある。加熱・吸熱の手段は現在も多様であるが、ペルチェ素子は、素子に与える電流の向きを変えることで加熱にも吸熱にも使用できるという長所をもつため、ＰＣＲ用の温度制御装置にしばしば搭載される。

また、集積回路のピーク電力を低減する手法として、特許文献３に開示されたものがある。特許文献３の技術では、各回路が動作するタイミングを分散させることで、ピーク電力を低減している。

特開昭６２−２８１号公報米国特許第５４７５６１０号特開２００１−５９８６５号公報

しかしながら、特許文献２に記載の装置をはじめ、一般的なＰＣＲ用の温度制御装置では、消費電力について考慮されていない。ペルチェ素子は、比較的に大きな電流を必要とする。特に、加熱や吸熱の初期に定常時より大きな電流を必要とするため、高速に加熱・吸熱をくり返す場合には、非常に大きな電流を必要とする。

実験室で装置を使用する場合は、一般に電源容量が大きいため消費電力が問題になることはあまり多くなく、電源容量が不足する場合には増やすといった選択肢もあった。しかしながら、近年、遺伝子診断は実験室から臨床現場へと普及しつつあり、装置には一般的な部屋の電源容量で対応できることが求められている。

本発明は、ピーク電力を抑制して、複数台を同時に稼動させることが可能な温度制御装置及び温度制御方法を提供することを目的としている。

本発明は、ＰＣＲ法によって遺伝子を増幅するために用いられる温度制御装置に関する。本発明に係る温度制御装置は、ペルチェ素子と、ペルチェ素子への供給電流を制御して、加熱工程と吸熱工程とを所定回数だけ繰り返す制御マイコンと、制御マイコンに接続されると共に、ネットワークを介して他の温度制御装置と通信可能なコンピュータとを備える。コンピュータは、ＰＣＲの開始の指示を受け付けた場合、他の温度制御装置においてＰＣＲが実行されているか否かを判定し、他の温度制御装置においてＰＣＲが実行されている場合には、加熱時間中におけるピーク電力時間が他の温度制御装置のピーク電力時間と重ならないように、他の温度制御装置の加熱工程の開始時刻から所定時間だけ遅れて加熱工程を開始するように制御マイコンに指示し、他の温度制御装置においてＰＣＲが実行されていない場合には、ＰＣＲを開始するように制御マイコンに指示する。

また、本発明は、ＰＣＲ法によって遺伝子を増幅するために用いられ、ペルチェ素子への供給電流を制御して、加熱工程と吸熱工程とを所定回数だけ繰り返す制御マイコンと、制御マイコンに接続されると共に、ネットワークを介して他の温度制御装置と通信可能なコンピュータとを備える温度制御装置が行う温度制御方法に関する。本発明に係る温度制御方法では、コンピュータがＰＣＲの開始の指示を受け付けた場合に、コンピュータが、他の温度制御装置においてＰＣＲが実行されているか否かを判定し、コンピュータが他の温度制御装置においてＰＣＲが実行されていると判定した場合には、コンピュータが、加熱時間中におけるピーク電力時間が他の温度制御装置のピーク電力時間と重ならないように、他の温度制御装置の加熱工程の開始時刻から所定時間だけ遅れて加熱工程を開始するように制御マイコンに指示し、コンピュータが他の温度制御装置においてＰＣＲが実行されていないと判定した場合には、コンピュータが、ＰＣＲを開始するように制御マイコンに指示する。

本発明によれば、複数台の温度制御装置を共通の電源で使用する場合であっても、各装置でピーク電力となるタイミングを分散できるため、合計のピーク電力を低減することができる。

実施形態に係る温度制御装置の構成を示す図実施形態に係る温度制御装置の消費電力の経時変化を示す図２台の温度制御装置が相互に接続されている場合に、各温度制御装置が行う制御処理を示すフローチャート３台の温度制御装置が相互に接続されている場合に、各温度制御装置が行う制御処理を示すフローチャート

以下、本発明の一実施形態に係る温度制御装置を、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態による温度制御装置の構成を示す図である。図１においては、等価な２台の温度制御装置、すなわち、第一の温度制御装置及び第二の温度制御装置がネットワーク８を介して相互通信可能に接続されている。

第一の温度制御装置は、コンピュータ１、制御マイコン２、ペルチェコントローラ３、ペルチェ素子４、ヒートスプレッダ５、温度センサ６、スイッチング電源７、高精度クロック９９を備える。パソコン１は、キーボードやモニターといった一般的なユーザインターフェイスを有する。コンピュータ１と制御マイコン２とは、ＵＳＢ２．０等のインタフェースを介して相互通信可能に接続されている。スイッチング電源７は、ＡＣ１００Ｖ等の商用電源に接続されている。ペルチェ素子４と温度制御対象物であるバイオチップＡとは、ヒートスプレッダ５を介して熱的に接続されている。ヒートスプレッダ５には、温度センサ６が設けられている。制御マイコン２とペルチェ素子４と温度センサ６は、フィードバック制御ループを構成している。高精度クロック９９は、ＰＣＲ処理の開始時刻を制御するために必要な時刻を管理する。

第一の温度制御装置には、温度制御対象となるバイオチップＡがセットされている。バイオチップＡは、ポリプロピレン等のＰＣＲ反応を阻害しない素材で作製されている。バイオチップＡは、１０μＬの反応槽を２０槽有し、各反応槽には、試薬と検体の混合液が格納されている。

図２は、実施形態に係る温度制御装置の消費電力の経時変化を示す図である。以下、図１及び２を併せて参照して、本実施形態に係る温度制御装置が行う温度制御方法を説明する。尚、以下の説明では、「吸熱」という用語を用いているが、この「吸熱」という用語は、「冷却」と言い換えることができる。

まず、コンピュータ１に所望のプロトコルを入力する。例えば、ＰＣＲの加熱・吸熱条件（加熱・冷却条件）として、加熱９５℃・４２秒、吸熱（冷却）６８℃・２８秒と入力する。入力したプロトコルは、コンピュータ１から第一の温度制御装置の制御マイコン２に転送される。制御マイコン２は、入力されたプロトコルに従って、ペルチェコントローラ３からペルチェ素子４に流す直流電流値を決定する。ペルチェコントローラ３は、制御マイコンによって決定された電流値に基づいて、ペルチェ素子４を駆動する。ペルチェ素子４は、ヒートスプレッダ５を介して、バイオチップＡを加熱または吸熱（冷却）する。ペルチェ素子４の制御には、一般的なＰＩＤ制御を用いることができる。温度センサ６によって測定された温度は、例えば１秒間隔で制御マイコン２からコンピュータ１に転送され、コンピュータ１上でリアルタイムに監視することができる。

ここで、図２（ａ）に示すように、温度制御装置による消費電力がピークとなるのは、前処理、ＰＣＲ、検出からなる全工程のうち、ＰＣＲ工程である。また、図２（ｂ）に示すように、ＰＣＲ工程の中でも、加熱初期５秒と吸熱初期５秒の消費電力が大きい。ここでのピーク電力１ｋＶＡは、スイッチング電源５の最大出力電流１Ａに由来している。上述したプロトコルの例において、加熱工程より相対的に短い吸熱工程（冷却工程）２８秒のうち、ピーク電力となるのが５秒、それ以外が２３秒ある。図２（ｂ）からわかるように、ピーク電力が際立って高く１ｋＶＡであるが、それ以外は加熱工程であっても０．４４ｋＶＡ以下にほぼ収まる。なお、一般的な商用電源は、１００Ｖ、１５Ａである。

ここで、１つの部屋の中で共通の電源を用いて、２台の温度制御装置を稼動することを考える。ピーク電力となるタイミングを考慮せずに稼動する場合、ピーク電力は最大２ｋＶＡになる懸念がある。上記の例では、ＰＣＲの１サイクル（加熱＋吸熱）７０秒のうち、ピーク電力時間は１０秒であるので、２台の温度制御装置を同時に稼動させると、ピーク電力を消費している期間が重なる可能性はかなり高く、この場合のピーク電力の合計は２ｋＶＡとなる。これは一般的な部屋の電源容量より大きい。

一方、ピーク電力となるタイミングを分散して２台の温度制御装置を稼動すると、合計のピーク電力は１．４４ｋＶＡ以下にほぼ収まる。これならば一般的な部屋の電源容量で対応することができる。

そこで、例えば無線センサネットワーク用のＯＳであるＴｉｎｙＯＳを用いて、複数台の温度制御装置を制御する。ＴｉｎｙＯＳは、限られたハードウェア資源下で効率的な処理を実行できる、フリーオープンソースのシステムである。

図３は、２台の温度制御装置が相互に接続されている場合に、各温度制御装置が行う制御処理を示すフローチャートである。

まず、コンピュータ１は、ネットワーク８を介して他の温度制御装置が備えるコンピュータと通信を行い、常時、他の温度制御装置が稼動しているかどうかを監視している。他の温度制御装置でＰＣＲが実行されていない場合は（ステップＳ１でＮｏ）、コンピュータ１は、制御マイコン２にＰＣＲを開始させる（ステップＳ２）。一方、他の温度制御装置でＰＣＲが実行中である場合は（ステップＳ１でＹｅｓ）、コンピュータ１は、１回目の加熱工程の開始時刻が、他の装置における加熱工程の開始時刻より所定時間（例えば、１４秒）遅れるように、加熱時間調整を行う（ステップＳ３）。

図４は、３台の温度制御装置が相互に接続されている場合に、各温度制御装置が行う制御処理を示すフローチャートである。

まず、コンピュータ１は、ネットワーク８を介して他の温度制御装置が備えるコンピュータと通信を行い、常時、他の温度制御装置が稼動しているかどうかを監視している。他の温度制御装置でＰＣＲが実行されていない場合は（ステップＳ１１でＮｏ）、コンピュータ１は、制御マイコン２にＰＣＲを開始させる（ステップＳ１２）。一方、他の温度制御装置でＰＣＲが実行中である場合は（ステップＳ１でＹｅｓ）、コンピュータ１は、ＰＣＲを実行中の他の温度制御装置の数が２台であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。ＰＣＲを実行中の他の温度制御装置が２台でない場合（ステップＳ１３でＮｏ）、１回目の加熱工程の開始時刻が、他の装置における加熱工程の開始時刻より所定時間（例えば、９秒）遅れるように、加熱時間調整を行う（ステップＳ１４）。また、ＰＣＲを実行中の他の温度制御装置が２台である場合（ステップＳ１３でＹｅｓ）、１回目の加熱工程の開始時刻が、他の装置における加熱工程の開始時刻より所定時間（例えば、１８秒）遅れるように、加熱時間調整を行う（ステップＳ１５）。

以上のように、ある温度制御装置のコンピュータ１が他の温度制御装置の稼働状況に応じて、ＰＣＲの加熱開始時刻を調整することによって、複数の温度制御装置間で消費電力がピークとなる時間が重ならないように制御することができる。よって、本実施形態に係る温度制御装置によれば、複数台の温度制御装置を共通の電源で稼動させた場合に、ピーク電力を抑制しつつ同時に稼動させることが可能となる。

尚、他の温度制御装置でＰＣＲが実行されている場合は、当該他の温度制御装置からＰＣＲ工程の開始時刻を取得すれば良く、複数の温度制御装置の稼動を制御するために要するデータ量は少なくて済む。

また、複数の温度制御装置が相互接続されている場合、コンピュータ１にＰＣＲプロトコルが入力された場合またはＰＣＲプロトコルが更新された場合に、最新のＰＣＲプロトコルを接続されている他の温度制御装置に送信するように構成することが好ましい。このように構成すれば、複数の温度制御装置間で加熱サイクル及び吸熱サイクルが異なる場合でも、ＰＣＲ工程の開始時刻と予め取得している他の装置のＰＣＲプロトコルとから、加熱工程の開始時刻を算出できる。

本発明は、ＰＣＲ法によって遺伝子を増幅するために、ペルチェ素子を用いて加熱と吸熱を繰り返す温度制御装置に利用できる。

１・・・コンピュータ
２・・・制御マイコン
３・・・ペルチェコントローラ
４・・・ペルチェ素子
５・・・ヒートスプレッダ
６・・・温度センサ
７・・・スイッチング電源
９９・・・高精度クロック
８・・・ネットワーク（温度制御装置間）
Ａ・・・バイオチップ（温度制御対象）

Claims

ＰＣＲ法によって遺伝子を増幅するために用いられる温度制御装置であって、
ペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子への供給電流を制御し、加熱工程と吸熱工程とを所定回数だけ繰り返す制御マイコンと、
前記制御マイコンに接続されると共に、ネットワークを介して他の温度制御装置と通信可能なコンピュータとを備え、
前記コンピュータは、ＰＣＲの開始の指示を受け付けた場合、他の温度制御装置においてＰＣＲが実行されているか否かを判定し、他の温度制御装置においてＰＣＲが実行されている場合には、加熱時間中におけるピーク電力時間が他の温度制御装置のピーク電力時間と重ならないように、他の温度制御装置の加熱工程の開始時刻から所定時間だけ遅れて加熱工程を開始するように前記制御マイコンに指示し、他の温度制御装置においてＰＣＲが実行されていない場合には、ＰＣＲを開始するように前記制御マイコンに指示する、温度制御装置。
ＰＣＲ法によって遺伝子を増幅するために用いられ、ペルチェ素子と、前記ペルチェ素子への供給電流を制御して、加熱工程と吸熱工程とを所定回数だけ繰り返す制御マイコンと、前記制御マイコンに接続されると共に、ネットワークを介して他の温度制御装置と通信可能なコンピュータとを備える温度制御装置が行う温度制御方法であって、
前記コンピュータがＰＣＲの開始の指示を受け付けた場合に、前記コンピュータが、他の温度制御装置においてＰＣＲが実行されているか否かを判定し、
前記コンピュータが他の温度制御装置においてＰＣＲが実行されていると判定した場合には、前記コンピュータが、加熱時間中におけるピーク電力時間が他の温度制御装置のピーク電力時間と重ならないように、他の温度制御装置の加熱工程の開始時刻から所定時間だけ遅れて加熱工程を開始するように前記制御マイコンに指示し、
前記コンピュータが他の温度制御装置においてＰＣＲが実行されていないと判定した場合には、前記コンピュータが、ＰＣＲを開始するように前記制御マイコンに指示する、温度制御方法。