JP2013198409A

JP2013198409A - 温度制御装置及び温度制御方法

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Publication number: JP2013198409A
Application number: JP2012067149A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Sasaki; 展雄佐々木
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-10-03

Abstract

【課題】温度制御対象物の温度に多少の誤差があったとしても温度制御対象物を確実に所望の目標温度に制御する上で有利な温度制御装置および温度制御方法を提供する。
【解決手段】ペルチェ素子１は、温度制御対象物Ａに接する第１の面１Ａと、蓄熱材２に接する第２の面１Ｂとを有する。蓄熱材２およびヒータ３によって蓄熱手段が構成される。温度制御部１０は、温度制御対象物Ａの温度が蓄熱手段の温度によって支配的に制御され、かつ、温度制御対象物Ａの温度がペルチェ素子１の温度によって補助的に制御されるように、蓄熱手段およびペルチェ素子１の温度制御を行う。温度制御部１０は、蓄熱手段の温度が予め定められた第１の目標温度となるように蓄熱手段の温度制御を行い、かつ、温度制御対象物Ａの温度が、第１の目標温度よりも低い第２の目標温度と第１の目標温度よりも高い第３の目標温度とに交互に変化するようにペルチェ素子１の温度制御を行う。
【選択図】図１

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、ペルチェ素子を用いた遺伝子検査に用いる温度制御装置及び温度制御方法に関する。

デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）を特異的に増幅したり、個人に固有のＤＮＡ塩基配列を検出したりするためには、慎重な温度制御を必要とすることが多い。このような反応は、例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）やインベーダー反応である。しかしながら、最適温度を特定するのは容易ではない。効率的に特定するための技術として、特許文献１が開示されている。ヒートスプレッダに温度勾配を設定する技術であり、制御された僅かに異なる温度を、各反応ウェルに同時に与える技術である。

上述の温度制御のためのデバイスとして、ペルチェ素子が使用されることが多い。ペルチェ素子は、与える電流の向きによって加熱にも吸熱にも使用可能であるが、素子の両面に原理的に温度差が生じ、加熱と吸熱をくり返す場合は特に、熱応力で疲労破壊する問題があった。それを抑制するための技術として、本願と同じ発明者による特許文献２が開示されている。ペルチェ素子のヒートシンク側に、所望の温度の近傍に温度制御した蓄熱材を設置する技術である。

特許第４１０３９６４号公報特開２００９−１７１８６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、最適温度を効率的に特定するための発明であり、実験室で使用するには有用であるが、臨床現場には適さない。臨床現場における検査では、何らかの原因で誤差があったとしても、全ウェルで確実に反応が起きることが求められる。
本発明は、上述の事情に鑑みなされたものであり、温度制御対象物の温度に多少の誤差があったとしても温度制御対象物を確実に所望の目標温度に制御する上で有利な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する。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、温度制御対象物に対して加熱および吸熱を行うことにより前記温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、前記温度制御対象物に接する第１の面と該第１の面の反対側に位置する第２の面とを有するペルチェ素子と、前記第２の面に接する蓄熱手段と、前記温度制御対象物の温度が前記蓄熱手段の温度によって支配的に制御され、かつ、前記温度制御対象物の温度が前記ペルチェ素子の温度によって補助的に制御されるように、前記蓄熱手段および前記ペルチェ素子の温度制御を行う温度制御手段とを備え、前記温度制御手段は、前記蓄熱手段の温度が予め定められた第１の目標温度となるように前記蓄熱手段の温度制御を行い、かつ、前記温度制御対象物の温度が、前記第１の目標温度よりも高い第２の目標温度と前記第１の目標温度よりも低い第３の目標温度とに交互に変化するように前記ペルチェ素子の温度制御を行うことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の温度制御装置において、前記温度制御手段による前記蓄熱手段および前記ペルチェ素子の温度制御は、前記ペルチェ素子の温度の変化量が前記蓄熱手段の温度の変化量よりも小さく、かつ、前記ペルチェ素子の温度が単調に変化する期間が前記蓄熱手段の温度が単調に変化する期間よりも短くなるようになされることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の温度制御装置において、前記温度制御手段による前記ペルチェ素子の温度制御は、前記温度制御対象物に対して加熱を行う場合には前記第１の面が前記第２の面よりも高い熱を発するように前記ペルチェ素子への電流供給を行い、前記温度制御対象物に対して吸熱を行う場合には前記第２の面が前記第１の面よりも高い熱を発するように前記ペルチェ素子への電流供給を行うことでなされることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３に何れか１項記載の温度制御装置において、前記蓄熱手段は、前記第２の面に接して設けられた蓄熱材と、前記蓄熱材を加熱するヒータとを有し、前記温度制御手段による前記蓄熱手段の温度制御は前記ヒータに供給する電流を制御することによりなされることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、温度制御対象物に対して加熱および吸熱を行う温度制御方法であって、前記温度制御対象物に接する第１の面と該第１の面の反対側に位置する第２の面とを有するペルチェ素子と、前記第２の面に接する蓄熱手段とを設け、前記温度制御対象物の温度が前記蓄熱手段の温度によって支配的に制御され、かつ、前記温度制御対象物の温度が前記ペルチェ素子の温度によって補助的に制御されるように、前記蓄熱手段および前記ペルチェ素子の温度制御を行う温度制御工程を含み、前記温度制御工程は、前記蓄熱手段の温度が予め定められた第１の目標温度となるように前記蓄熱手段の温度制御を行うと共に、前記温度制御対象物の温度が、前記第１の目標温度よりも高い第２の目標温度と前記第１の目標温度よりも低い第３の目標温度とに交互に変化するように前記ペルチェ素子の温度制御を行うを含むことを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の温度制御方法において、前記蓄熱手段の温度制御および前記ペルチェ素子の温度制御は、前記ペルチェ素子の温度の変化量が前記蓄熱手段の温度の変化量よりも小さく、かつ、前記ペルチェ素子の温度が単調に変化する期間が前記蓄熱手段の温度が単調に変化する期間よりも短くなるようになされることを特徴とする。

本発明によれば、第１の目標温度の近傍で温度の幅が生じるため、温度制御対象物の温度に多少の誤差があったとしても温度制御対象物を確実に第１の目標温度に制御することができる。
したがって、本発明を遺伝子検査に用いると、第１の目標温度としての最適温度の近傍で温度の幅が生じるため、多少の誤差があったとしても温度制御対象物としての各ウェルを最適温度にできるため、全ウェルで確実に反応が起きる。
また、ペルチェ素子の第２の面に接して蓄熱手段を設けることでペルチェ素子の両面の温度差を縮小できるため、加熱と吸熱のくり返し数の増加によるペルチェ素子の疲労破壊を抑制でき、耐久性の向上を図る上で有利となる。

実施の形態における温度制御装置の構成を示す図である。実施の形態における温度制御対象物Ａの制御温度の経時変化を示す図である。従来装置における温度制御対象物Ａの制御温度の経時変化を示す図である。

以下、本発明の一実施形態による温度制御装置および温度制御方法について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図である。この図は、ペルチェ素子１を備え、また、温度制御対象物Ａ（バイオチップ）を配置した状態の、温度制御装置の断面図を示している。
温度制御装置は、温度制御対象物Ａに対して加熱および吸熱を行うことにより温度制御対象物の温度を制御するものである。
温度制御装置は、第１のヒートスプレッダ４、ペルチェ素子１、第２のヒートスプレッダ５、蓄熱材２、ヒータ３、温度制御部１０を含んで構成されている。

本実施形態における温度制御装置は、蓄熱材２の温度を、所望の温度の近傍に加熱して保温しておき、温度制御対象物Ａを加熱するときは蓄熱材２から熱が流れる様に、温度制御対象物Ａから吸熱するときは蓄熱材２へ熱が流れる様に、ペルチェ素子１１に電流を流して駆動する。

詳細に説明すると、ペルチェ素子１は、第１のヒートスプレッダ４を介して温度制御対象物Ａに接する第１の面１Ａと、第１の面１Ａの反対側に位置する第２の面１Ｂとを有する。
蓄熱材２は、第２のヒートスプレッダ５を介して第２の面１Ｂに接している。
ヒータ３は、蓄熱材２を加熱するものである。
したがって、本実施の形態では、蓄熱材２およびヒータ３によって、蓄熱手段が構成されている。

温度制御部１０は、温度制御対象物Ａの温度が蓄熱手段の温度によって支配的に制御され、かつ、温度制御対象物Ａの温度がペルチェ素子１の温度によって補助的に制御されるように、蓄熱手段およびペルチェ素子１の温度制御を行うものであり、本実施の形態では、温度制御手段を構成している。
温度制御部１０は、ヒータ３に供給する電流を制御することにより蓄熱手段の温度制御を行う。

また、温度制御部１０は、温度制御対象物Ａに対して加熱を行う場合には第１の面１Ａが第２の面１Ｂよりも高い熱を発するようにペルチェ素子１１への電流供給を行い、温度制御対象物ＡＡに対して吸熱を行う場合には第２の面１Ｂが第１の面１Ａよりも高い熱を発するようにペルチェ素子１１への電流供給を行う。

また、温度制御部１０は、蓄熱手段の温度が予め定められた第１の目標温度となるように蓄熱手段の温度制御を行い、かつ、温度制御対象物Ａの温度が、第１の目標温度よりも低い第２の目標温度と第１の目標温度よりも高い第３の目標温度とに交互に変化するようにペルチェ素子１の温度制御を行う（温度制御工程）。

また、温度制御部１０による蓄熱手段およびペルチェ素子１の温度制御は、ペルチェ素子１の温度の変化量が蓄熱手段の温度の変化量よりも小さく、かつ、ペルチェ素子１の温度が単調に変化する期間が蓄熱手段の温度が単調に変化する期間よりも短くなるようになされる。すなわち、ペルチェ素子１の温度の振幅が蓄熱手段の温度の振幅よりも小さく、かつ、ペルチェ素子１の温度の周期が蓄熱手段の温度の周期よりも短くなるようになされる。

図１乃至３を用いて、温度制御装置の実施例について説明する。
蓄熱材２は、温度制御対象物Ａと第１のヒートスプレッダ４を合わせた熱容量に対して十分に大きい熱容量を有する。制御回路は、予め蓄熱材２が、インベーダー反応に最適な６０℃の近傍に加熱される様にヒータ３に電流を流し、その後は蓄熱材２が常時６０℃の近傍に保温される様にヒータ３に電流を流す。

温度制御対象物Ａへの吸加熱量Ｑは、ペルチェ素子１１への入力電流をＩ、第１のヒートスプレッダ４の温度をＴ、蓄熱材２の温度を６０℃とすると、以下の式（１）で表すことができる。
Ｑ＝αＩ＋Ｒ／２×Ｉ^２−Ｌ（Ｔ−６０）……（１）
ここで、αはペルチェ係数、Ｒは電気抵抗、１／Ｌは熱抵抗であり、ペルチェ素子１固有の定数と大雑把に見做す。第１項は、ペルチェ効果による、ペルチェ素子１の一方の面から他方の面への熱移動量である。第２項は、ペルチェ素子１自体から発生するジュール熱である。第３項は、通常の物体と同様の、熱伝導による熱移動量である。これら第１乃至３項の効果により、温度制御対象物Ａの温度が制御される。

ペルチェ素子１はヒートポンプであるから、工夫をしていない場合は原理的に他方の面（第２の面１Ｂ）の温度に反作用が生じる。両面（第１の面１Ａ、第２の面１Ｂ）の温度差の上限は一般に７０℃であり、加熱或いは吸熱工程が進行して上限に達すると、第３項が支配的になり、それ以上加熱或いは吸熱を続けることが出来なくなる。しかしながら、蓄熱材２を使用して反作用を抑制すれば、蓄熱材２の温度の周辺において温度制御が容易になり、過大な温度差による疲労破壊の懸念が縮小する。

図２は、支配的な温度を９９℃から６０℃に吸熱制御したときの経時変化の様子である。ここで、保持温度６０℃は、第１の目標温度であり、インベーダー反応の最適温度である。しかしながら、臨床現場では、何らかの原因で設定温度に誤差が生じることがある。そのため、本実施形態において、５８℃から６２℃の間を２秒周期で意図的に変動させる。
すなわち、温度制御部１０は、蓄熱手段の温度が予め定められた第１の目標温度６０℃となるように蓄熱手段の温度制御を行い、かつ、温度制御対象物Ａの温度が、第１の目標温度６０℃よりも低い第２の目標温度５８℃と第１の目標温度よりも高い第３の目標温度６２℃とに交互に変化するようにペルチェ素子１の温度制御を行う。
また、図２に示すように、温度制御部１０による蓄熱手段およびペルチェ素子１の温度制御は、ペルチェ素子１の温度の変化量が蓄熱手段の温度の変化量よりも小さく、かつ、ペルチェ素子１の温度が単調に変化する期間（単調に低下あるいは単調に上昇する期間）が、蓄熱手段の温度が単調に変化する期間（単調に低下する期間）よりも短くなるようになされる。

図３に示すように、温度制御対象物Ａの制御温度を、反応の最適温度（第１の目標温度６０℃）に正確に調整した場合に比較して、反応のための時間を長くとることは必要になる。一方で、制御温度に範囲を与えることになり、多少の誤差であれば、反応最適温度は範囲内に収まる。

本発明者は鋭意研究の結果、一般に臨床現場で生じる誤差である±２℃で温度を意図的に変動させた場合、反応が全く生じない不具合の発生頻度が低減することを見出した。
したがって、本実施の形態の温度制御装置および温度制御方法によれば、臨床現場において温度制御対象物Ａに多少の温度誤差があったとしても所望の生化学反応を確実に起こす上で有利となる。

１・・・ペルチェ素子
１Ａ・・・第１の面
１Ｂ・・・第２の面
２・・・蓄熱材（蓄熱手段）
３・・・ヒータ（蓄熱手段）
４・・・第１のヒートスプレッダ
５・・・第２のヒートスプレッダ
１０・・・温度制御部（温度制御手段）
Ａ・・・温度制御対象物（バイオチップ）

Claims

温度制御対象物に対して加熱および吸熱を行うことにより前記温度制御対象物の温度を制御する温度制御装置であって、
前記温度制御対象物に接する第１の面と該第１の面の反対側に位置する第２の面とを有するペルチェ素子と、
前記第２の面に接する蓄熱手段と、
前記温度制御対象物の温度が前記蓄熱手段の温度によって支配的に制御され、かつ、前記温度制御対象物の温度が前記ペルチェ素子の温度によって補助的に制御されるように、前記蓄熱手段および前記ペルチェ素子の温度制御を行う温度制御手段とを備え、
前記温度制御手段は、
前記蓄熱手段の温度が予め定められた第１の目標温度となるように前記蓄熱手段の温度制御を行い、かつ、前記温度制御対象物の温度が、前記第１の目標温度よりも低い第２の目標温度と前記第１の目標温度よりも高い第３の目標温度とに交互に変化するように前記ペルチェ素子の温度制御を行う、
ことを特徴とする温度制御装置。
前記温度制御手段による前記蓄熱手段および前記ペルチェ素子の温度制御は、前記ペルチェ素子の温度の変化量が前記蓄熱手段の温度の変化量よりも小さく、かつ、前記ペルチェ素子の温度が単調に変化する期間が前記蓄熱手段の温度が単調に変化する期間よりも短くなるようになされる、
ことを特徴とする請求項１記載の温度制御装置。
前記温度制御手段による前記ペルチェ素子の温度制御は、
前記温度制御対象物に対して加熱を行う場合には前記第１の面が前記第２の面よりも高い熱を発するように前記ペルチェ素子への電流供給を行い、前記温度制御対象物に対して吸熱を行う場合には前記第２の面が前記第１の面よりも高い熱を発するように前記ペルチェ素子への電流供給を行うことでなされる、
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。
前記蓄熱手段は、前記第２の面に接して設けられた蓄熱材と、前記蓄熱材を加熱するヒータとを有し、
前記温度制御手段による前記蓄熱手段の温度制御は前記ヒータに供給する電流を制御することによりなされる、
ことを特徴とする請求項１〜３に何れか１項記載の温度制御装置。
温度制御対象物に対して加熱および吸熱を行う温度制御方法であって、
前記温度制御対象物に接する第１の面と該第１の面の反対側に位置する第２の面とを有するペルチェ素子と、
前記第２の面に接する蓄熱手段とを設け、
前記温度制御対象物の温度が前記蓄熱手段の温度によって支配的に制御され、かつ、前記温度制御対象物の温度が前記ペルチェ素子の温度によって補助的に制御されるように、前記蓄熱手段および前記ペルチェ素子の温度制御を行う温度制御工程を含み、
前記温度制御工程は、前記蓄熱手段の温度が予め定められた第１の目標温度となるように前記蓄熱手段の温度制御を行うと共に、前記温度制御対象物の温度が、前記第１の目標温度よりも低い第２の目標温度と前記第１の目標温度よりも高い第３の目標温度とに交互に変化するように前記ペルチェ素子の温度制御を行う、
を含むことを特徴とする温度制御方法。
前記蓄熱手段の温度制御および前記ペルチェ素子の温度制御は、
前記ペルチェ素子の温度の変化量が前記蓄熱手段の温度の変化量よりも小さく、かつ、前記ペルチェ素子の温度が単調に変化する期間が前記蓄熱手段の温度が単調に変化する期間よりも短くなるようになされる、
ことを特徴とする請求項５記載の温度制御方法。