JP2015064842A - 温度制御装置および温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ペルチェ素子の両面の温度差を抑え、サーマルサイクルのように刻々と変化する目標温度に対して適切な制御を行う。【解決手段】温度制御装置１は、高温側の制御目標温度である第１の制御目標温度と低温側の制御目標温度である第２の制御目標温度とをくり返し切り替えて、温度制御対象物Ａへの加熱および吸熱をおこなう。ペルチェ素子１０は、一方の面を温度対象物Ａと接し、電流の印加によって温度対象物への加熱および吸熱をおこなう。ヒートシンク１１は、ペルチェ素子１０の他方の面と接する。ヒートシンク１１の温度は、第１の制御目標温度よりも低温かつ第２の制御目標温度よりも高温の所定温度に保たれており、ペルチェ素子１０の両面の温度差は第１の制御目標温度と第２の制御目標温度との差分以下に抑えられる。【選択図】図２

Description

本発明は、ペルチェ素子を用いて温度制御対象物を加熱および吸熱する温度制御装置および温度制御方法に関する。

ペルチェ素子は、半導体ビスマステルルなどのペルチェ効果（ゼーベック効果）を利用したヒートポンプである。素子の形状は一般に板状であり、温度制御対象物に接する面とその裏面とを有する。温度制御対象物を吸熱するとき、温度制御対象物から吸熱された熱がペルチェ素子の裏面へ移動して、裏面の温度は上昇する。

セラミックヒーターなど、加熱のための素子はペルチェ素子の他にも多数存在するため、ペルチェ素子は単調な吸熱に使われることが多いが、原理的にペルチェ素子は、電流を流す向きを変えることで加熱と吸熱とを切り替えることができる。この特徴を活かして吸加熱ともにペルチェ素子を用いる温度制御方法が特許文献１に開示されている。

ペルチェ素子を用いた温度制御方法として、ＰＩＤ制御が知られている。ＰＩＤ制御では、ペルチェ素子の温度制御対象物に接する側の面の温度を測定してペルチェ素子に流す電流値を制御するが、ペルチェ素子の特性は両面の温度差に依存するので、このような一般的なＰＩＤ制御が常に最適な制御にはならない。そのため、ＰＩＤ制御を拡張したペルチェ素子の制御方法が特許文献２に開示されている。

特開２００２−１１９４９３号公報 特開２００４−３５６４４９号公報

しかしながら、特許文献１はＭＲＩ装置の内部のワックスを３０℃に維持するための発明であり、サーマルサイクルのように目標温度が刻々と変化する用途には十分に対応できない。

また、特許文献２は電流投入時を別扱いとし、その後にＰＩＤ制御に移行する発明であるが、ペルチェ素子の両面の温度差がペルチェ素子の特性に与える影響は何ら改善されていない。

本発明はこのような状況を鑑みて為されたものであり、ペルチェ素子の両面の温度差を抑え、サーマルサイクルのように刻々と変化する目標温度に対して適切な制御を行うことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、高温側の制御目標温度である第１の制御目標温度と低温側の制御目標温度である第２の制御目標温度とをくり返し切り替えて、温度制御対象物への加熱および吸熱をおこなう温度制御装置であって、一方の面を前記温度対象物と接し、電流の印加によって前記温度対象物への加熱および吸熱をおこなうペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の他方の面と接するヒートシンクと、前記温度制御対象物の制御目標温度と前記温度制御対象物の現在温度とに基づいて、前記ペルチェ素子に印加する電流を制御する制御回路と、を備え、前記ヒートシンクの温度は、前記第１の制御目標温度よりも低温かつ前記第２の制御目標温度よりも高温の所定温度に保たれている、ことを特徴とする温度制御装置である。
また、本発明は、一方の面を温度制御対象物と接し、電流の印加によって前記温度制御対象物への加熱および吸熱をおこなうペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の他方の面と接するヒートシンクと、前記温度制御対象物の制御目標温度に基づいて、前記ペルチェ素子に印加する電流を制御する制御回路と、を備える温度制御装置における温度制御方法であって、高温側の制御目標温度である第１の制御目標温度と、低温側の制御目標温度である第２の制御目標温度とを決定する制御目標温度決定工程と、前記ヒートシンクの温度を所定温度に保ちつつ、前記温度制御対象物の現在温度と前記制御目標温度とに基づいて、前記ペルチェ素子に印加する電流を制御する制御工程と、を含み、前記制御工程では、前記所定温度を、前記第１の制御目標温度よりも低温かつ前記第２の制御目標温度よりも高温とする、ことを特徴とする温度制御方法である。

本発明によれば、ペルチェ素子の両面の温度差を常に小さく保った状態で温度制御を行うため、刻々と変化するサーマルサイクルにおいて過渡時の温度のオーバーシュートを抑制し、安定時の温度の精度を高めることができる。

本発明の温度制御装置の構成の説明図。 本発明の温度制御方法の説明図。 従来の温度制御方法の説明図。

以下、本発明の一実施形態の温度制御装置について図を用いて説明する。
図１は温度制御装置の構成を示す図である。温度制御装置１は、ペルチェ素子１０とヒートシンク１１を備えている。ペルチェ素子１０の一方の面には、ヒートスプレッダ１２を介して温度制御対象物Ａが配置されている。また、ペルチェ素子１０の他方の面には、ヒートシンク１１が配置されている。よって、ペルチェ素子１０の一方の面の温度は、温度制御対象物Ａの温度によって、ペルチェ素子１０の他方の面の温度は、ヒートシンク１１の温度によって、それぞれ近似できる。

ヒートシンク１１は、たとえばフィンとファンから成る空冷ヒートシンクである。ヒートスプレッダ１２には温度センサー１３が組み込まれており、温度センサー１３とペルチェ素子１０には制御回路１４が接続されている。制御回路１４は、温度センサー１３によって計測される温度制御対象物Ａの現在の温度と、あらかじめ設定された温度制御対象物Ａの制御目標温度とに基づいて、ペルチェ素子１０に印加する電流量および電流の向きを制御する。また、制御回路１４は、ヒートシンク１１にも接続されており、ヒートシンク１１の温度に基づいてヒートシンク１１の稼働状態を制御する。すなわち、制御回路１４は、ヒートシンク１１の温度を制御するヒートシンク制御部（図示なし）を備える。なお、ヒートシンク１１の温度を計測する温度センサーを別途設けて、制御回路１４と接続してもよい。また、制御回路１４とヒートシンク１１とを接続せずに、ヒートシンク１１が常時一定の温度（たとえば室温近傍）に保たれるようにしてもよい。

すなわち、温度制御装置１は、温度制御対象物Ａへの加熱および吸熱をおこなう装置であり、一方の面を温度対象物Ａと接し、電流の印加によって温度対象物への加熱および吸熱をおこなうペルチェ素子１０と、ペルチェ素子１０の他方の面と接するヒートシンク１１と、温度制御対象物Ａの制御目標温度と温度制御対象物Ａの現在温度とに基づいて、ペルチェ素子１０に印加する電流を制御する制御回路１４と、を備えている。

ペルチェ素子１０の一般的な特性について下記式（１）を用いて説明する。下記式（１）では、ペルチェ素子１０の吸加熱量Ｑを、ペルチェ素子１０への入力電流Ｉｉｎとペルチェ素子１０の両面の温度差ΔＴの関数として示す。より詳細には、右辺の第１項はペルチェ効果による熱移動量であり、第２項は抵抗発熱であり、第３項は通常の熱伝導である。なお、右辺第２項のＲはペルチェ素子１０の素子抵抗、右辺第３項のＬはペルチェ素子１０の熱コンダクタンスである。入力電流の向き（Ｉｉｎの正負）を変えるとＱの正負が変わるが、第２項は常に正なので、Ｑの変化は正負で対称的にならない。

ここで、温度制御装置１において、高温側の制御目標温度である第１の制御目標温度と低温側の制御目標温度である第２の制御目標温度とをくり返し切り替えて、吸熱工程および加熱工程を交互にくり返す場合について説明する。制御回路１４には工程毎に最適化されたＰＩＤパラメタ（ＰＩＤ制御値）が予め記憶されており、各工程の開始時に、制御目標温度（設定温度）とともに対応するＰＩＤ制御値が読み込まれ更新される。ＰＩＤ制御値は、ヒートシンク１１の温度（上記式（１）の右辺第３項）および吸加熱の差異（上記式（１）の右辺第２項）を考慮してそれぞれに最適化されている。また、ヒートシンク１１の温度は、典型的に２つの制御目標温度（第１の制御目標温度および第２の制御目標温度）の間の所定温度になるように大まかに保たれている。
すなわち、ヒートシンク１１の温度は、第１の制御目標温度よりも低温かつ第２の制御目標温度よりも高温の所定温度に保たれている。

実施例１では、ヒートシンク１１の温度が室温（たとえば２５℃（１５℃〜２５℃）程度）に保たれている。この場合、制御回路１４とヒートシンク１１とが接続していなくてもよい。たとえば、ヒートシンク１１を常時稼働させることによって、ヒートシンク１１の温度を常温に保つことができる。第１の制御目標温度は４０℃、第２の制御目標温度は１３℃に設定される。
すなわち、ヒートシンクの温度は、室温に保たれており、第１の制御目標温度は室温よりも高温であり、第２の制御目標温度は室温よりも低温である。

また、温度制御対象物Ａを第１の制御目標温度とする工程を第１の温度制御工程、第２の制御目標温度とする工程を第２の温度制御工程とすると、制御回路１４は、第１および第２の温度制御工程をたとえば６７秒毎に切り替える。このとき、制御回路１４は、第１および第２の温度制御工程の開始時に制御目標温度およびＰＩＤ制御値を更新する。
すなわち、制御回路１４は、ペルチェ素子１０の素子特性に基づくＰＩＤ制御値を用いてペルチェ素子１０に印加する電流を制御し、制御目標温度が第１の制御目標温度と第２の制御目標温度との間で切り替えられる都度、ＰＩＤ制御値を変更する。

これにより、ペルチェ素子１０の両面の温度差は、第１の温度制御工程時で１５℃程度（４０℃−２５℃）、第２の温度制御工程時で１２℃程度（２５℃−１３℃）に保たれる。すなわち、ペルチェ素子１０の両面の温度差は第１の制御目標温度と第２の制御目標温度との差分以下に抑えられる。

図２を用いて、ヒートシンク１１が８０℃に大まかに制御されており、第１の目標温度が９５℃、第２の目標温度が６８℃であり、第１および第２の温度制御工程を６７秒毎に切り替える実施例について説明する。
本実施例では、温度制御対象物Ａは化学反応用チップであり、化学反応用チップはポリプロピレン樹脂から成る厚さ１ｍｍの円板で２４個の微小反応槽が配置されており、それら微小反応槽に収められたＤＮＡ溶液に対して、ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）を発生させるための温度制御を行う。

図２は、ヒートシンク１１および温度制御対象物であるチップの温度の時間変化を示すグラフであり、縦軸は温度、横軸は時間を示している。第１の温度制御工程がＴ１に開始されると、所定時間後に温度制御対象物Ａの温度は第１の制御目標温度である９５℃となる。時刻Ｔ１の６７秒後の時刻Ｔ２に第２の温度制御工程が開始されると、所定時間後に温度制御対象物Ａの温度は第２の制御目標温度である６８℃となる。このとき、ペルチェ素子１０の一方の面の温度も、同様に９５℃および６８℃と近似できる。
一方で、ヒートシンク１１の温度は、常時８０℃に保たれている。すなわち、ペルチェ素子１０の他方の面の温度は、常時８０℃に保たれている。
よって、ペルチェ素子１０の両面の温度差は、第１の温度制御工程では１５℃、第２の温度制御工程では１２℃となる。すなわち、ペルチェ素子１０の両面の温度差は第１の制御目標温度と第２の制御目標温度との差分以下に抑えられる。

なお、実施例２においても、制御回路１４は、予め記憶されたＰＩＤ制御値から、温度制御対象物Ａとヒートシンク１１との温度差、すなわちペルチェ素子１０の両面の温度差に基づいて適切なＰＩＤ制御値を読み出し、第１および第２の温度制御工程の開始時に制御目標温度およびＰＩＤ制御値を更新する。

つぎに、比較例として、図３を用いて従来の温度制御方法を説明する。
図３に示す従来の温度制御方法においても、図２と同様に、第１の目標温度を９５℃、第２の目標温度を６８℃とし、第１および第２の温度制御工程を６７秒毎に切り替えている。ただし、ヒートシンク１１には特に制御をおこなっておらず、ヒートシンク１１の温度は室温近傍となっている。
図３に示すように、第１の温度制御工程がＴ１’に開始されると、所定時間後に温度制御対象物Ａの温度は第１の制御目標温度である９５℃となる。時刻Ｔ１’の６７秒後の時刻Ｔ２’に第２の温度制御工程が開始されると、所定時間後に温度制御対象物Ａの温度は第２の制御目標温度である６８℃となる。このとき、ペルチェ素子１０の一方の面の温度も、同様に９５℃および６８℃と近似できる。
一方で、ヒートシンク１１の温度は、常時常温である２５℃となっている。すなわち、ペルチェ素子１０の他方の面の温度は、常時２５℃となっている。
よって、ペルチェ素子１０の両面の温度差は、第２の温度制御工程では４３℃、第１の温度制御工程では７０℃に達する。
この温度差７０℃とは、ペルチェ素子１０の限界温度差に近い値であり、温度の応答速度や精度、ひいてはＰＣＲ反応に対して負の影響を及ぼす。

このように、本発明によれば、ペルチェ素子１０の両面の温度差を常に小さく保った状態で温度制御を行うため、刻々と変化するサーマルサイクルにおいて過渡時の温度のオーバーシュートを抑制し、安定時の温度の精度を高めることができる。

ペルチェ素子を用いた、迅速で正確な温度制御を行う装置に利用できる。特に、ＰＣＲ用の温度制御装置に利用できる。

１０…ペルチェ素子、１１…ヒートシンク、１２…ヒートスプレッダ、１３…温度センサー、１４…制御回路、Ａ…温度制御対象物。

Claims (7)

1. 高温側の制御目標温度である第１の制御目標温度と低温側の制御目標温度である第２の制御目標温度とをくり返し切り替えて、温度制御対象物への加熱および吸熱をおこなう温度制御装置であって、
   一方の面を前記温度対象物と接し、電流の印加によって前記温度対象物への加熱および吸熱をおこなうペルチェ素子と、
   前記ペルチェ素子の他方の面と接するヒートシンクと、
   前記温度制御対象物の制御目標温度と前記温度制御対象物の現在温度とに基づいて、前記ペルチェ素子に印加する電流を制御する制御回路と、を備え、
   前記ヒートシンクの温度は、前記第１の制御目標温度よりも低温かつ前記第２の制御目標温度よりも高温の所定温度に保たれている、
   ことを特徴とする温度制御装置。
2. 前記ヒートシンクの温度は、室温に保たれており、
   前記第１の制御目標温度は前記室温よりも高温であり、前記第２の制御目標温度は前記室温よりも低温である、
   ことを特徴とする請求項１記載の温度制御装置。
3. 前記制御回路は、前記ヒートシンクの温度を制御するヒートシンク制御部を備え、
   前記ヒートシンク制御部は、前記ヒートシンクの温度を前記第１の制御目標温度よりも低温、かつ前記第２の制御目標温度よりも高温の前記所定温度に保つ、
   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。
4. 前記制御回路は、前記ペルチェ素子の素子特性に基づくＰＩＤ制御値を用いて前記ペルチェ素子に印加する電流を制御し、前記制御目標温度が前記第１の制御目標温度と前記第２の制御目標温度との間で切り替えられる都度、前記ＰＩＤ制御値を変更する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の温度制御装置。
5. 一方の面を温度制御対象物と接し、電流の印加によって前記温度制御対象物への加熱および吸熱をおこなうペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の他方の面と接するヒートシンクと、前記温度制御対象物の制御目標温度に基づいて、前記ペルチェ素子に印加する電流を制御する制御回路と、を備える温度制御装置における温度制御方法であって、
   高温側の制御目標温度である第１の制御目標温度と、低温側の制御目標温度である第２の制御目標温度とを決定する制御目標温度決定工程と、
   前記ヒートシンクの温度を所定温度に保ちつつ、前記温度制御対象物の現在温度と前記制御目標温度とに基づいて、前記ペルチェ素子に印加する電流を制御する制御工程と、を含み、
   前記制御工程では、前記所定温度を、前記第１の制御目標温度よりも低温かつ前記第２の制御目標温度よりも高温とする、
   ことを特徴とする温度制御方法。
6. 前記制御目標温度決定工程では、前記第１の制御目標温度を室温よりも高温とし、前記第２の制御目標温度を前記室温よりも低温とし、
   前記制御工程では、前記ヒートシンクの温度を前記室温に保つ、
   ことを特徴とする請求項５記載の温度制御方法。
7. 前記制御工程では、前記ペルチェ素子の素子特性に基づくＰＩＤ制御値を用いて前記ペルチェ素子に印加する電流を制御し、前記制御目標温度が前記第１の制御目標温度と前記第２の制御目標温度との間で切り替えられる都度、前記ＰＩＤ制御値を変更する、
   ことを特徴とする請求項５または６記載の温度制御装置。

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