JP2642654B2 - 冷凍装置 - Google Patents

冷凍装置

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JP2642654B2 JP63030742A JP3074288A JP2642654B2 JP 2642654 B2 JP2642654 B2 JP 2642654B2 JP 63030742 A JP63030742 A JP 63030742A JP 3074288 A JP3074288 A JP 3074288A JP 2642654 B2 JP2642654 B2 JP 2642654B2
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、DNA等の生体試料の自動処理操作を行い、
異なる2つの温度レベルの保存室を冷却する機能を有す
る装置に用いるに好適な冷凍装置に関する。
〔従来の技術〕
異なる2つの温度レベルの保存室を冷却するための従
来の冷凍装置には、冷凍サイクルと熱電素子とを用いて
冷凍冷蔵庫を構成するもの(特開昭57−138416号)があ
った。
〔発明が解決しようとする課題〕
DNA等の生体試料の自動処理装置には、例えば−20℃
と4℃の異なる2つの温度レベルの保存室を温度制御す
る冷凍装置が必要である。すなわち反応に用いる酵素等
の試薬を保存する−20℃レベルの冷凍室、及び反応前後
の試料を凍結させずに保存する4℃レベルの冷蔵室の2
つを温度制御するもので、各々数10ケの1.5ml容量試料
容器を格納できる1l程度の容積を有していれば十分であ
る。これらの冷凍負荷は、容積が1l程度と小さいため冷
蔵室、冷凍室共に10〜20W程度である。従来よりかかる
冷凍室と冷蔵室を備えた装置としては家庭用の冷凍冷蔵
庫が知られているが、その冷凍冷蔵庫は冷凍室,冷蔵室
の容量が数101〜数1001と大きく、そのため冷凍能力も1
00W程度以上と大きい。そのため、この冷凍冷蔵庫をそ
のままDNA自動処理装置用の冷凍装置に用いるには寸法
の点で大き過ぎ適当ではない。また、かかる家庭用冷凍
冷蔵庫に用いられている圧縮機を利用してDNA自動処理
装置用の冷凍装置を作ることは可能であるが、冷凍能力
が過大であるため、頻繁に稼働、停止を繰り返すことに
なり温度制御が難しいばかりでなく、信頼性の点でも問
題がある。また、従来仕様よりも大幅に小型化した圧縮
機を開発しそれを用いて従来方式と同一の冷凍装置を構
成することも考えられるが、この場合、圧縮機の新規開
発のための費用負担が大きいこと、及び記述の生体試料
の自動処理装置のマーケットが従来の家庭用冷凍冷蔵庫
と比べて小さいため大量生産によるコストダウンを期待
できないこと等により、冷凍装置部分の価格が高くなる
ことが避けられない。
本発明の目的は上記問題点を解決し、熱負荷が小さ
く、異なる2つの温度レベルを有する保存室を温度制御
するとともに高温側となる冷蔵室の過冷却を防止するこ
とにより、生体試料の保存に好適な冷凍装置を提供する
ことにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、保存温度が高い冷蔵室は冷凍サイクルの
蒸発器と熱交換させて冷却し、また保存温度が低い冷凍
室はペルチェ素子低温面と熱交換させて冷却し、かつ上
記ペルチェ素子の高温面と冷凍サイクル蒸発器を熱交換
させるとともに、ペルチェ素子の高温側から与えられ熱
エネルギーで冷蔵室側を加温することができるように構
成することによって達成される。
〔作用〕
本発明による冷凍装置の作用は次の通りである。保存
温度が高い冷蔵室は冷凍サイクルの蒸発器と熱交換する
ことによって冷却され、また保存温度が低い冷凍室は、
冷凍室からペルチェ素子低温面、ペルチェ素子高温面か
ら冷凍サイクル蒸発器への熱流を生ぜしめることによっ
て冷却される。さらに冷蔵室温度が低いため冷凍サイク
ルを止めている場合でもペルチェ素子に通電して冷蔵室
の過冷却を防止する。
〔実施例〕
第1図を用いて、本発明による冷凍装置の実施例の前
提となる構成について述べる。第1図は先に引用した公
知例と同じ構成といえる冷凍装置の構成図である。この
構成は、圧縮機1、凝縮器2、キャピラリーチューブ等
を用いる膨張機構3、試料容器を−20℃の温度レベルで
保存する冷凍室5a、試料容器を4℃の温度レベルで保存
する冷蔵室5b、前記冷凍冷蔵室5a,5bを冷却する蒸発器
6よりなる冷凍装置において、ペルチェ素子9を、その
低温面9aを冷凍室5a側に、また高温面9bを蒸発器6側に
向けて設け、かつ前記冷凍室5a、冷蔵室5bに温度検知器
10a,10bを、また前記温度検知器10a,10bの値に応じて圧
縮機1及びペルチェ素子9の動作を制御するコントロー
ラ11を設けたものである。すなわち冷蔵室5bは蒸発器6
との熱交換により、また冷凍室5aは、冷凍室5aからペル
チェ素子低温面9a,ペルチェ素子高温面9bから蒸発器6
への熱流を生ぜしめることによって冷却させる。
第2図に、コントローラ11の動作フローチャートを示
す。温度検知器10aによって検知される冷凍室温度をTa,
Taと比較する第一の設定値をTa1,Taと比較する第二の設
定値をTa2(Ta1<Ta2)、温度検知器10bによって検知さ
れる冷蔵室温度をTb,Tbと比較する第一の設定値をTb1,T
bと比較する第二の設定値をTa2(Ta1<Ta2)とする。ま
ず冷凍室温度Taを第一の設定値Ta1と比較し、TaがTa1
り高い場合にはペルチェ素子9に電流を流し続け、Taが
Ta1より低くなった場合にはペルチェ素子9の電流を停
止する。ペルチェ素子9の電流を停止している冷凍室温
度Taは上昇するが、ペルチェ素子9の頻繁なオン・オフ
の繰り返しを避けるために、冷凍室温度Taを第一の設定
値Ta1よりも高い第二の設定値Ta2と比較し、TaがTa2
り高くなったときにペルチェ素子9に電流を流し始め
る。次いで冷蔵室温度Tbについても同様に、Tbを同一の
設定値Tb1と比較し、TbがTb1より高い場合には圧縮機1
を駆動して冷凍サイクルを運転し続け、TbがTb1より低
くなった場合には圧縮機1を停止する。圧縮機1を停止
していると冷蔵室温度Tbは上昇するが、圧縮機1の頻繁
なオン・オフの繰り返しを避けるために、冷蔵室温度Tb
を第一の設定値Tb1よりも高い第二の設定値Tb2と比較
し、TbがTb2より高くなったときに圧縮機1を駆動し冷
蔵室5bを冷却する。
本構成による冷凍装置において、各々20Wの冷凍負荷
の冷凍室と冷蔵室を温度制御する場合の熱負荷と用いる
機器所要能力の関係を示し、10〜20W容量の冷凍運転を
無理なく実現できる理由を述べる。冷凍室温度は−20
℃、冷蔵室温度は4℃とする。冷凍サイクル蒸発器の熱
負荷は、冷蔵室侵入熱とペルチェ素子冷凍能力とペルチ
ェ素子電流入力の和である。ペルチェ素子の所要冷凍能
力は冷凍室侵入熱に等しいので20Wである。ペルチェ素
子高温面温度を0℃、低温面温度を−25℃と仮定する
と、この温度条件を実現するためのペルチェ素子電流入
力は、40W程度である。また冷蔵室侵入熱も20Wなので、
冷凍サイクル蒸発器の熱負荷は80Wと見積もられる。負
荷に対して余裕をもたせるため冷凍能力を負荷の2倍と
設定すると、冷凍サイクルの冷凍能力には160W程度のも
のを採用することになるが、この条件に合う圧縮機は家
庭用冷凍冷蔵庫に用いる圧縮機として量産されており、
それを用いることによって無理なく実現できる。以上の
検討から、本発明の構成で10〜20W容量の冷凍運転を容
易に実現できることがわかる。
第3図と第4図を用いて、本発明による冷凍装置の第
1の実施例の構成について述べる。第4図は本実施例の
平面構成図、第3図は本実施例における冷凍冷蔵庫室5
a,5bの部分を断面表示した図である。本実施例は、圧縮
機1,凝縮機2,キャピラリーチューブ等を用いる膨張機構
3,試料容器4を−20℃の温度レベルで保存する冷凍室5
a,試料容器4を4℃の温度レベルで保存する冷蔵室5b、
前記冷凍冷蔵室5を冷却する蒸発器6よりなる冷凍装置
において、冷凍冷蔵室5を断熱する断熱壁7a,7b,7c,7d,
7e、比熱が小さい熱伝導性に優れたアルミニウム等の金
属材料よりなり試料容器4,蒸発器5,ペルチェ素子9と接
触して熱交換を行う温度保持部材8a,8b、ペルチェ素子
9をその低温面9aを冷凍室5a側に、また高温面9bを蒸発
器6側に向けて設け、かつ前記冷凍室5a,冷蔵室5bに温
度検知器10a,10bを、また前記温度検知器10の値に応じ
て圧縮機1及びペルチェ素子9の動作を制御するコント
ローラ11を設けたものである。なお本実施例の冷凍装置
の制御フローチャートは第2図において述べたものと同
様であるが、第6図に示すように冷凍室温度Taが設定値
Ta2より低くても、冷蔵室温度Tbが設定値Tb1より低い場
合にはペルチェ素子をonとすることによって冷蔵室の過
冷却を防止できるように工夫されている。
本実施例では、試料容器4を温度保持部材8と直接接
触させて冷却する方法を採用しているので、冷凍冷蔵室
5の空気を冷却する方法と比べて試料容器4を短時間に
所定温度に冷却でき、かつ冷凍負荷も少なくなるという
長所がある。また温度保持部材8に熱伝導率が高くかつ
比熱の小さい材料を採用したので、冷凍装置のクールダ
ウン特性も良いという優れた特長もある。また、断熱壁
7cを温度保持部材8a,8bの上部を覆って外部からの熱侵
入及び霜付着を防ぐようにしたので、冷凍冷蔵室5の上
部に断熱扉を設ける必要がないという特長がある。さら
に、本実施例では冷凍室温度Taが設定値Ta2より低く、
冷蔵室温度Tbが設定値Tb1より低い場合においても温度
制御が容易であるという長所もある。この場合には圧縮
機1を停止しペルチェ素子9に電流を流し続けるわけで
あるが、本実施例においてはペルチェ素子高温面9bから
冷蔵室5bに向かって熱伝導性に優れた金属材料からなる
温度保持部材8bを介して熱が流れるよう構成したので、
冷凍室5aの冷却作用を進めながら冷蔵室5bを昇温し、冷
蔵室5bにおける過度の冷却による試料の凍結を防止でき
るという効果がある。
最後に第5図に、第2実施例における冷凍冷蔵室5の
断面図を示す。これは、ペルチェ素子9をその高温面9b
を冷蔵室5b側に、その低温面9aを冷凍室5a側に向けて設
け、制御方法には第2図のフローチャートに示した方法
を採用したものである。この実施例において、ペルチェ
素子高温面9bから冷蔵室5bへの伝熱がさらに円滑に行な
われるので、冷凍室温度Taが設定値Ta2より低く、冷蔵
室温度Tbが設定値Tb1より低い場合における温度制御が
より容易になるという長所がある。すなわち、圧縮機1
を停止しペルチェ素子9に電流を流し続けてペルチェ素
子高温面9bから冷蔵室5bに熱を流し、冷凍室5aの冷却作
用を進めながら冷蔵室5bを昇温して冷蔵室5bにおける過
度の冷却による試料の凍結を防止する作用をより容易に
行なえる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明において熱負荷が小さく
異なる2つの温度レベルを有する保存室を、簡単でかつ
価格が高くなることがない構成で提供できるとともに、
温度制御性トクールダウン特性に優れた冷凍装置を提供
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の前提となる冷凍装置の第一実施例の構
成図、第2図はコントローラの動作を示すフローチャー
ト、第4図は本発明による冷凍装置第1実施例の平面構
成図、第3図はその内の冷凍冷蔵室の部分を断面表示し
た構成図、第5図は第2実施例の断面図である。 1……圧縮機、4……試料容器、5a……冷凍室、5b……
冷蔵室、6……蒸発器、7……断熱壁、8……温度保持
部材、9……ペルチェ素子、10……温度検知器、11……
コントローラ。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧縮機、凝縮器、膨張機構および蒸発器よ
    りなる冷凍サイクルと冷凍室および冷蔵室の2つの保存
    室よりなる冷凍装置において、前記冷凍室はペルチェ素
    子の低温面で冷却し、前記ペルチェ素子の高温面と前記
    冷蔵室は前記冷凍サイクルの蒸発器と熱交換させて冷却
    するとともに、該冷蔵室および冷凍室それぞれに保持さ
    れる試料あるいは試料を収納している試料容器に接する
    温度保持部材は比熱が小さく熱伝導性に優れた固体材料
    で作成され、前記冷凍室の温度保持部材と前記冷蔵室の
    温度保持部材とをペルチェ素子を挟んで結合させること
    を特徴とする冷凍装置。
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