JP2014057541A - Temperature control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は温度制御装置に関する。特に、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くり返す温度制御装置に関する。 The present invention relates to a temperature control device. In particular, the present invention relates to a temperature control device that repeats heating and heat absorption using a Peltier element for gene amplification.
DNA(デオキシリボ核酸)を増幅させるための技術として、特許文献1が開示されている。特許文献1に開示されている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。 Patent Document 1 is disclosed as a technique for amplifying DNA (deoxyribonucleic acid). The PCR (polymerase chain reaction) disclosed in Patent Document 1 is a technique that can amplify DNA in a short time by periodically raising and lowering the temperature of a mixed solution of a reagent and a sample (aqueous solution containing DNA). It is.
加熱・吸熱をくり返すPCR用の温度制御装置の例として、特許文献2が開示されている。特許文献2に記載の装置では、加熱・吸熱の手段としてペルチェ素子が採用されている。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が開示されている。特許文献3に開示された技術は、集積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。 Further, Patent Document 3 is disclosed as a technique for reducing the peak power of an integrated circuit. The technique disclosed in Patent Document 3 reduces peak power by distributing timings at which integrated circuits operate.
しかしながら、特許文献2に記載の発明をはじめ、一般的なPCR用の温度制御装置は、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。
However, general temperature control devices for PCR, including the invention described in
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、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、一般的な部屋の電力容量で対応できることがこれらの装置に求められている。 When the apparatus is used in a laboratory, the power supply capacity is generally large, so power consumption is not a problem, and there is an option to increase when the capacity is insufficient. However, in recent years, genetic diagnosis is spreading from laboratories to clinical sites, and these devices are required to be able to cope with the power capacity of a general room.
本発明は、消費電力を改善した温度制御装置を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a temperature control device with improved power consumption.
本発明の一態様は、PCR反応を行なう反応槽を備えた反応部と、前記反応部が取り付けられるヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダに設けられ電力の供給を受けて前記ヒートスプレッダを加熱・吸熱可能な複数の熱輸送素子と、前記複数の熱輸送素子に対して電力を供給する給電部と、を有し、前記複数の熱輸送素子は、前記給電部から電力の供給を受ける少なくとも1つの前記熱輸送素子を有する第一グループと、前記第一グループに含まれる前記熱輸送素子とは異なる少なくとも1つの前記熱輸送素子を有する第二グループと、を有し、前記給電部は、前記第一グループに対する給電のピーク電力と前記第二グループに対する給電のピーク電力とが重ならないように給電タイミングを調整するタイミング調整部を有することを特徴とする温度制御装置である。 One aspect of the present invention is a reaction unit including a reaction tank for performing a PCR reaction, a heat spreader to which the reaction unit is attached, and a plurality of heat spreaders that are provided in the heat spreader and can receive heat from the heat spreader and receive heat. A heat transport element, and a power supply unit that supplies electric power to the plurality of heat transport elements, wherein the plurality of heat transport elements receive at least one power supply from the power supply unit. And a second group having at least one heat transport element different from the heat transport element included in the first group, and the power feeding unit feeds power to the first group. A timing adjustment unit that adjusts the feeding timing so that the peak power of the second group does not overlap with the peak power of the feeding for the second group. A temperature control device to.
また、前記第一グループは、前記熱輸送素子が2以上直列に接続されており、前記第二グループは、前記熱輸送素子が2以上直列に接続されていてもよい。 In the first group, two or more heat transport elements may be connected in series, and in the second group, two or more heat transport elements may be connected in series.
本発明の温度調整装置によれば、ピーク電力を低く抑えることができるので、消費電力を改善した温度制御装置を提供することができる。 According to the temperature adjustment device of the present invention, the peak power can be kept low, so that a temperature control device with improved power consumption can be provided.
本発明の一実施形態の温度調整装置について説明する。図1は本実施形態の温度調整装置の一部を示す斜視図である。図2は、同温度調整装置における熱輸送素子の構成を示す図で、同温度調整装置を平面視した図である。図3は、温度調整装置のブロック図である。 A temperature control apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view showing a part of the temperature adjusting device of the present embodiment. FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the heat transport element in the temperature adjusting device, and is a diagram in plan view of the temperature adjusting device. FIG. 3 is a block diagram of the temperature adjusting device.
図1ないし図3に示すように、温度調整装置1は、反応部2と、ヒートスプレッダ3と、熱輸送素子4と、ヒートシンク5と、給電部6とを備える。
As shown in FIGS. 1 to 3, the temperature adjustment device 1 includes a
反応部2は、PCR反応を行なう反応槽10が設置される部位であり、本実施形態ではヒートスプレッダ3の一部に設定されている。即ち、本実施形態では、反応槽10がヒートスプレッダ3に接するように反応部2に反応槽10が設置され、この反応槽10が温度調整装置1による温度制御対象となっている。
The
温度調整装置1に適用される反応槽10の構成は特に限定されないが、例えば、PCR反応を行なう部位を有する公知のバイオチップ等を適宜採用することができる。
Although the structure of the
ヒートスプレッダ3は、熱伝導率の高い材料を有し、または熱輸送効率の高い部材を備えている。たとえば、ヒートスプレッダ3は、銅で形成されたブロックや、ヒートパイプを内蔵したアルミブロック等を有していてもよい。本実施形態では、ヒートスプレッダ3は、金属製の板状部材からなる。ヒートスプレッダ3には、反応部2の温度を測定するための温度センサ(不図示)が設けられている。温度センサは、給電部6における第一コントローラ7A及び第二コントローラ7Bに、フィードバックループで接続されている。
The heat spreader 3 includes a material having a high thermal conductivity or a member having a high heat transport efficiency. For example, the heat spreader 3 may have a block formed of copper, an aluminum block with a built-in heat pipe, or the like. In the present embodiment, the heat spreader 3 is made of a metal plate member. The heat spreader 3 is provided with a temperature sensor (not shown) for measuring the temperature of the
熱輸送素子4は、ヒートスプレッダ3とヒートシンク5との間で熱輸送を行なう素子である。熱輸送素子4としては、例えばペルチェ素子を用いることができる。なお、熱輸送素子4としてペルチェ素子が採用された場合、ペルチェ素子に対して給電することにより、熱輸送が起こるとともに、素子の電気抵抗によって発熱する。すなわち、ペルチェ素子を用いてヒートスプレッダ3を加熱する場合には、ヒートシンク5側からヒートスプレッダ3側へと熱輸送をすることによってヒートスプレッダ3を加熱するとともに、ペルチェ素子に給電することによるペルチェ素子自身の発熱によってヒートスプレッダ3を加熱する。なお、ヒートスプレッダ3を冷却する場合には、加熱する場合と逆向きにペルチェ素子に給電しヒートスプレッダ3からヒートシンク5へ向かってペルチェ素子を介して熱輸送を行なう。
The
本実施形態では、熱輸送素子4は複数設けられている。例えば、図1及び図2に示すように、ヒートシンク5とヒートスプレッダ3との間に8個の熱輸送素子4が並べられている。図2に示すように、8個の熱輸送素子4は、ヒートスプレッダ3を板厚方向から見たときに反応部2を囲むように配置されている。
In the present embodiment, a plurality of
図2及び図3に示すように、8個の熱輸送素子4のうちの4つは、互いに直列に接続されており第一グループG1を構成している(図中において第一グループG1に属する熱輸送素子4には符号4Aが付されている。)。また、8個の熱輸送素子4のうち第一グループG1に属していない4つは、互いに直列に接続されており第二グループG2を構成している(図中において第二グループG2に属する熱輸送素子4には符号4Bが付されている。)。第二グループG2に属する熱輸送素子4(4B)は、第一グループG1に属する2つの熱輸送素子4(4A)の間に配されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, four of the eight
図3に示すように、第一グループG1に属する熱輸送素子4(4A)は、給電部6における第一コントローラ7Aに接続されており、第一コントローラ7Aにより給電状態が制御される。第二グループG2に属する熱輸送素子4(4B)は、給電部6における第二コントローラ7Bに接続されており、第二コントローラ7Bにより給電状態が制御される。
As shown in FIG. 3, the heat transport elements 4 (4A) belonging to the first group G1 are connected to the
図1に示すように、ヒートシンク5は、熱輸送素子4においてヒートスプレッダ3に接する面と反対側の面に接している。ヒートシンク5は、熱伝導率の高い材料を有している。ヒートシンク5の形状は、熱交換効率を高めるために表面積が広い形状であることが好ましい。例えば、ヒートシンク5は、複数のフィンが取り付けられた、あるいは複数のフィンが一体成形された構造を有していてもよい。
As shown in FIG. 1, the heat sink 5 is in contact with the surface of the
図3に示すように、給電部6は、第一グループG1の熱輸送素子4を制御するための第一コントローラ7Aと、第二グループG2の熱輸送素子4を制御するための第二コントローラ7Bと、第一コントローラ7A及び第二コントローラ7Bに接続された制御マイコン8(タイミング調整部)とを備える。
As shown in FIG. 3, the power feeding unit 6 includes a
第一コントローラ7A及び第二コントローラ7Bは、温度センサを参照してヒートスプレッダ3上の反応部2の温度を取得し、反応部2の温度を制御目標温度と一致させるように給電状態を制御する。
The
制御マイコン8は、第一コントローラ7Aを用いた第一グループG1への給電を開始してから所定時間後に第二コントローラ7Bを用いた第二グループG2への給電を開始するように第一コントローラ7A及び第二コントローラ7Bを制御する。
熱輸送素子4としてペルチェ素子が採用されている場合、ペルチェ素子へ電力を供給する初期に、消費電力がピークに達する。制御マイコン8は、第一グループG1に属するペルチェ素子の消費電力がピークを過ぎた後に第二コントローラ7Bを駆動させる。これにより、第一グループG1に属するペルチェ素子の消費電力のピークと第二グループに属するペルチェ素子の消費電力とは時間的に分散される。
すなわち、制御マイコン8は、第一グループG1に対する給電のピーク電力と第二グループG2に対する給電のピーク電力とが重ならないように給電タイミングを調整する。
The
When a Peltier element is employed as the
That is, the
また、制御マイコン8は、PCR等の熱サイクル反応のためのプロトコルを記憶可能であり、外部からの入力や設定に基づいて生成されたプロトコルに基づいて動作する。PCR等の熱サイクル反応のためのプロトコルとは、例えば、加熱時間、加熱速度、冷却時間、及び冷却速度等である。
Further, the
次に、本実施形態の温度調整装置1の作用について説明する。図4は、温度調整装置1の使用時における第一グループG1と第二グループG2との各々について、時間と消費電力との関係を重ねて示したグラフである。なお、図4において横軸は時間を示している。また、図4において縦軸は消費電力の大きさを模式的に示しており、消費電力のピークを1とした相対値である。図5は、温度調整装置1を使用し、第一グループG1と第二グループG2とを同時に駆動させた場合において、時間と消費電力との関係を重ねて示したグラフである。なお、図5において横軸は時間を示している。また、図5において縦軸は消費電力の大きさを模式的に示しており、消費電力のピークを1とした相対値である。 Next, the operation of the temperature adjustment device 1 of the present embodiment will be described. FIG. 4 is a graph showing the relationship between time and power consumption for each of the first group G1 and the second group G2 when the temperature control apparatus 1 is used. In FIG. 4, the horizontal axis represents time. In FIG. 4, the vertical axis schematically shows the magnitude of power consumption, and is a relative value where the peak of power consumption is 1. FIG. 5 is a graph showing the relationship between time and power consumption when the temperature control device 1 is used and the first group G1 and the second group G2 are driven simultaneously. In FIG. 5, the horizontal axis represents time. Further, in FIG. 5, the vertical axis schematically shows the magnitude of power consumption, and is a relative value where the peak of power consumption is 1.
温度調整装置1は、例えば、PCR反応のように、急激に温度を上下させる熱サイクル反応を行なう場合に使用される。一例を挙げると、PCRに必要な試薬及び被検体(以下、「試薬類」と称する。)を反応槽10に収容して反応部2に設置し、反応部2に設置された試薬類に対して加熱や冷却を行なう。
The temperature adjusting device 1 is used when performing a heat cycle reaction that rapidly raises or lowers the temperature, such as a PCR reaction. For example, a reagent necessary for PCR and an analyte (hereinafter referred to as “reagents”) are accommodated in the
例えば、ユーザは、PCR反応をするために、給電部6に対してプロトコルを入力する。例えば、プロトコルは、パソコンにユーザが入力したプロトコルを給電部6に転送したり、規定のプロファイルを呼び出して給電部6に設定したりすることにより、給電部6における動作を規定するプロトコルとして給電部6に認識される。 For example, the user inputs a protocol to the power supply unit 6 in order to perform a PCR reaction. For example, the protocol is such that the protocol input by the user to the personal computer is transferred to the power supply unit 6 or a specified profile is called and set in the power supply unit 6 to define the operation of the power supply unit 6. 6 is recognized.
一例を挙げると、例えば、PCRでは、95℃30秒、68℃30秒という組みを25回繰り返すようにプロトコルを設定してよい。 For example, in PCR, for example, the protocol may be set so that a combination of 95 ° C. for 30 seconds and 68 ° C. for 30 seconds is repeated 25 times.
これにより、第一コントローラ7A及び第二コントローラ7Bにおける制御目標が決定される。なお、熱輸送素子4を制御するためには、例えば一般的なPIDを用いてよい。
Thereby, control targets in the
温度調整装置1において消費電力が最も高くなるのは、全工程のうち、PCRの熱サイクル工程(温度の上下を繰り返す工程)である。例えば、PCR工程においては、熱輸送素子4を用いた加熱・吸熱をするために消費電力が数百ワットに達する場合があり、温度調整装置1における消費電量の最大値が1500W程度に設定される場合がある。
The highest power consumption in the temperature adjusting device 1 is the PCR thermal cycle step (step in which the temperature is increased and decreased) among all the steps. For example, in the PCR process, power consumption may reach several hundred watts for heating and heat absorption using the
なお、熱輸送素子4としてペルチェ素子が使用されている場合、給電されたペルチェ素子自身の発熱により消費される電力が必要であるので、ヒートスプレッダ3を冷却する工程では、ヒートスプレッダ3を加熱する工程よりも多くの電力を要する場合がある。
When a Peltier element is used as the
図4に示すように、本実施形態では、8つの熱輸送素子4が第一グループG1と第二グループG2とに分けられており、第一グループG1に含まれる熱輸送素子4への供給電力のピークと、第二グループG2に含まれる熱輸送素子4への供給電力のピークは互いに異なるタイミングで生じる。このため、8つの熱輸送素子4に対して同時に電力を供給した場合(図5参照)と比較して、供給電力のピークが低い。なお、第一グループG1及び第二グループG2ともに、消費電力がピークに達した後消費電力が低下しているが、この領域においても第一グループG1及び第二グループG2ともに熱輸送をしている。
As shown in FIG. 4, in this embodiment, the eight
例えば、本実施形態では、8つの熱輸送素子4を全て同時に動作させて上述のプロトコルを実行するとピーク電力は8つの熱輸送素子4のピーク電力の和となり、相対値として2となるが、第一グループG1と第二グループG2とに分けて動作させると、温度調整装置1全体としてのピーク電力は1.3を超えない。これは、第一グループG1と第二グループG2との各々の消費電力がピークとなるタイミングが分散されていることによる。
For example, in the present embodiment, when all the eight
また、PCRでは、温度上昇速度や温度下降速度が高い方が感度の高い反応ができる。本実施形態では、第一グループG1に対する給電が開始された後第二グループG2に対して給電するまでのタイムラグが設定されており、温度上昇速度や温度下降速度が高められている。
例えば、熱輸送素子4にペルチェ素子が採用されている場合、ペルチェ素子に供給することができる電力の上限に近い電力を長時間かけると、ペルチェ素子による温度上昇速度や温度下降速度が鈍ってくる。
この点に対応して、第一グループG1に対する給電が開始された後第二グループG2に対して給電するまでのタイムラグの設定方法の一例としては、たとえば、第一グループG1に含まれる熱輸送素子4において温度上昇速度や温度下降速度が鈍る前に第一グループG1への供給電力を低下させ、その直後に第二グループG2へ電力を供給する。これにより、第一グループG1と第二グループG2とを同時に駆動させた場合と略同様の温度変化が得られるとともに、温度調整装置1全体としてのピーク電力は、第一グループG1におけるピーク電力と第二グループG2におけるピーク電力との単純和よりも低い。
In PCR, a reaction with higher sensitivity can be performed when the temperature increasing rate or the temperature decreasing rate is higher. In the present embodiment, a time lag from when power supply to the first group G1 is started until power is supplied to the second group G2 is set, and the temperature increase rate and temperature decrease rate are increased.
For example, when a Peltier element is employed for the
Corresponding to this point, as an example of a method of setting a time lag until power is supplied to the second group G2 after power supply to the first group G1 is started, for example, a heat transport element included in the first group G1 In
以上説明したように、本実施形態の温度調整装置1によれば、2つのグループに分けられた熱輸送素子4を同時に用いた場合と略同様の急激な温度制御を可能としつつ、装置全体としてのピーク電力を低く抑えることができ、消費電力が改善される。
As described above, according to the temperature control device 1 of the present embodiment, the temperature control device 1 according to the present embodiment can perform the same rapid temperature control as when the
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述の実施形態で説明した熱輸送素子に加えて、反応槽を間に挟んで前記熱輸送素子と反対側に他の熱輸送素子をさらに備え、これらの熱輸送素子によって反応槽を挟んでもよい。
また、熱輸送素子は8つのペルチェ素子には限られず、2つ以上のペルチェ素子であればよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
For example, in addition to the heat transport element described in the above-described embodiment, another heat transport element is further provided on the opposite side of the heat transport element with the reaction tank interposed therebetween, and the reaction tank is sandwiched by these heat transport elements. But you can.
Further, the heat transport element is not limited to eight Peltier elements, and may be two or more Peltier elements.
1 温度調整装置
2 反応部
3 ヒートスプレッダ
4 熱輸送素子
5 ヒートシンク
6 給電部
7A 第一コントローラ
7B 第二コントローラ
8 制御マイコン(タイミング調整部)
10 反応槽
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
10 Reaction tank
Claims (2)
前記反応部が取り付けられるヒートスプレッダと、
前記ヒートスプレッダに設けられ電力の供給を受けて前記ヒートスプレッダを加熱・吸熱可能な複数の熱輸送素子と、
前記複数の熱輸送素子に対して電力を供給する給電部と、
を有し、
前記複数の熱輸送素子は、
前記給電部から電力の供給を受ける少なくとも1つの前記熱輸送素子を有する第一グループと、
前記第一グループに含まれる前記熱輸送素子とは異なる少なくとも1つの前記熱輸送素子を有する第二グループと、
を有し、
前記給電部は、前記第一グループに対する給電のピーク電力と前記第二グループに対する給電のピーク電力とが重ならないように給電タイミングを調整するタイミング調整部を有する
ことを特徴とする温度制御装置。 A reaction section in which a reaction vessel for performing a PCR reaction is installed;
A heat spreader to which the reaction part is attached;
A plurality of heat transport elements that are provided in the heat spreader and receive heat supply to heat and absorb the heat spreader;
A power feeding section for supplying power to the plurality of heat transport elements;
Have
The plurality of heat transport elements are:
A first group having at least one heat transport element that receives power from the power supply;
A second group having at least one heat transport element different from the heat transport elements included in the first group;
Have
The temperature control device, wherein the power supply unit includes a timing adjustment unit that adjusts a power supply timing so that a peak power supplied to the first group does not overlap a peak power supplied to the second group.
前記第一グループは、前記熱輸送素子が2以上直列に接続されており、
前記第二グループは、前記熱輸送素子が2以上直列に接続されている
ことを特徴とする温度調整装置。 The temperature control device according to claim 1,
In the first group, two or more heat transport elements are connected in series,
In the second group, two or more heat transport elements are connected in series.
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