JP4967781B2 - 温度制御装置および温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ペルチェ素子を用いて温度制御対象物に高速な加熱冷却サイクルを与える温度制御装置および温度制御方法に関し、例えばバイオチップのＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ、ポリメラーゼ連鎖反応）法に適用できる温度制御方法に関する。

従来から、通信の分野などでは信号の立上り／立下りをシャープにする技術、すなわち劣化しやすい高周波成分を予め補正しておく技術が用いられてきた（例えば、特許文献１）。

ＰＣＲ法は、反応液に至適な温度サイクルを与えることで選択的にＤＮＡを増幅する方法である。高温に長時間さらされることによるダメージを低減したり、注目する塩基配列のみを増幅して意図しない生成物を抑制したりするには、素早い加熱冷却が望ましい。反応液を微量にして熱容量を小さくすることで高速な加熱冷却が可能になったが、それでも容器（バイオチップ）や装置の熱時定数をゼロにすることはできない。

すなわち、装置の温度センサが測定した温度と反応液（温度制御対象物）の実際の温度が異なるため、高速に加熱冷却した場合には応答の遅れが顕著になっていた。つまり、目標値に近づくにつれて加熱冷却速度が遅くなる、温度波形が鈍るという問題が生じていた。このような状態になっている場合の、温度変化の例を示すグラフを図５に示す。温度センサの測定温度が目標の温度（７０°Ｃおよび９５°Ｃ）に近づくにつれ、反応液の温度変化が鈍くなっているのがわかる。

ＰＣＲの加熱冷却装置には、小型で可動部分を持たず加熱冷却の両方に使えるペルチェ素子が用いられることが多い。ペルチェ素子の内部構造ａは、例えば、図４に示すように、ｎ型半導体ａ３とｐ型半導体ａ４とを金属板ａ２で接続し、これらｎ型半導体ａ３及びｐ型半導体ａ４のそれぞれに金属板ａ１１，ａ１２を取り付けて構成されたものである。半導体ａ３およびａ４は、例えば、ビスマステルルなどの大きなペルチェ効果の得られる材料からなる。そして、金属板ａ１１から金属板ａ１２に電流を流すと金属板ａ２側は冷却され、金属板ａ１２から金属板ａ１１に電流を流すと金属板ａ２側は加熱される。

ペルチェ素子は例えばＣＰＵや半導体レーザの冷却装置として用いられてきた。更に複数のペルチェ素子を組み合わせて、被温度制御物体である高出力半導体レーザを、間歇的に駆動されて急速加熱するときには急速冷却し、駆動されていないときには所定温度に保つ装置も知られている（特許文献２参照）。しかしながら、この装置においても、大部分の熱を廃棄しており、そのエネルギ効率は改善されていない。

特許第３４６１１０８号公報 特許第３０８７８１３号公報

本発明はこのような技術的背景に基づいてなされたもので、ペルチェ素子を利用して高速に温度制御対象物の温度を制御するに際し、小さい入力電流でシャープな温度波形をつくることのできる温度制御方法の提供を目的とするものである。

すなわち、請求項１に記載の発明は、温度制御対象物を加熱および冷却する温度制御装置であって、
第一の温度制御対象物が配置される一方の面を備えた第一のペルチェ素子と、
第二の温度制御対象物が配置される一方の面を備えた第二のペルチェ素子と、
前記第一のペルチェ素子の他方の面及び前記第二のペルチェ素子の他方の面に跨って熱的接触配置される接続部材と、
前記第一のペルチェ素子に流す電流の振幅と極性を制御する第一の通電制御手段と、
前記第二のペルチェ素子に流す電流の振幅と極性を制御する第二の通電制御手段と、
を備え、
前記第一および第二のペルチェ素子に流す電流の振幅を、前記第一および第二の温度制御対象物が配置される側の面の温度が冷却初期においては安定冷却期よりも低く、加熱初期においては安定加熱期よりも高くなるように、かつ、前記第一および第二のペルチェ素子に流す電流の極性を前記接続部材の温度を一定に保つように、前記第一および第二の通電制御手段により制御することを特徴とする温度制御装置である。

請求項１に記載の発明によれば、第一のペルチェ素子に流す電流の振幅を、前記第一の温度制御対象物を配置する一方の面の温度が、冷却初期において安定冷却期より低くなるように制御することによって、温度制御対象物の温度を直接測定せずに離れた場所で温度を測定していることによる誤差、すなわち容器（バイオチップ）や加熱冷却装置の熱時定数を補正し、第一の温度制御対象物の温度が目標値に近づいても冷却速度を最大に保つことができる。

第一のペルチェ素子が第一の温度制御対象物を最大速度で冷却する際、第一のペルチェ素子によって接続部材は最大速度で加熱されるが、接続部材は同時に第二のペルチェ素子によって最大速度で冷却されるので、結果として接続部材の温度は一定に保たれる。すなわち、第一のペルチェ素子の両面の温度差は、従来の方法を用いた場合より小さく保たれるため、目標温度近くで冷却速度を最大に保っても、熱を汲み上げるのに必要な電流値が小さくて済む。

なお、温度制御対象物がプラスチックなどの熱伝導率の低い材料で作製された薄い板であって熱的に領域分割されている場合には、第一の被温度制御領域と第二の被温度制御領域に対して加熱と冷却が反対になるように制御すればよい。

また請求項２に記載の発明は、前記接続部材が放熱フィンを有することを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置としたものである。

接続部材が放熱フィンを有することにより、ペルチェ素子からの発熱を放熱して前記接続部材の温度を一定に保つことができるという効果がある。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の温度制御装置において、前記第一および第二のペルチェ素子に流す電流の振幅を、前記第一および第二の温度制御対象物が配置される側の面の温度が冷却初期においては安定冷却期よりも低く、加熱初期においては安定加熱期よりも高くなるように、かつ、前記第一および第二のペルチェ素子に流す電流の極性を前記接続部材の温度を一定に保つように、前記第一および第二の通電制御手段により制御することを特徴とする温度制御方法としたものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の温度制御装置において、熱的に領域分割されている第一の領域と第二の領域とを有する一つの温度制御対象物に対して、
前記第一のペルチェ素子の一方の面に前記温度制御対象物の第一の領域を配置し、
前記第二のペルチェ素子の一方の面に前記温度制御対象物の第二の領域を配置し、
前記第一および第二のペルチェ素子に流す電流の振幅を、前記温度制御対象物の第一および第二の領域が配置される側の面の温度が冷却初期においては安定冷却期よりも低く、加熱初期においては安定加熱期よりも高くなるように、かつ、前記第一および第二のペルチェ素子に流す電流の極性を前記接続部材の温度を一定に保つように、前記第一および第二の通電制御手段により制御することを特徴とする温度制御方法としたものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の温度制御装置を２台使用し、温度制御対象物の一方の面に第一の温度制御装置を配置し、温度制御対象物のもう一方の面に第二の温度制御装置を配置して、請求項３または４のいずれかに記載の方法により、温度制御対象物の温度制御を行うことを特徴とする温度制御方法としたものである。

温度制御装置を２台使用して温度制御対象物の両面に配置することにより、より熱容量の大きな温度制御対象物に対しても、良好な温度制御を行うことが可能となる。

本発明によれば、装置に設置された温度センサでの温度ではなく、温度制御対象物それ自体の温度を予測して制御するため、より適切な温度波形をつくることができ、かつ、それぞれのペルチェ素子における両面の温度差が小さく抑えられるため、より小さい入力電流で温度制御対象物を加熱冷却することができる。

図１は、２つのペルチェ素子を使用した温度制御装置であって、温度制御対象物Ａ，Ｂを配置した状態を示す温度制御装置の斜視図である。温度制御装置は２つのモジュールと、この２つのモジュールに接続された接続部材５から構成されている。第一のモジュールは、第一のペルチェ素子１１、熱伝導板１２及び温度センサ１３から構成されている。また、別のモジュールは、第二のペルチェ素子２１、熱伝導板２２及び温度センサ２３から構成されている。そして、これら第一のペルチェ素子１１と第二のペルチェ素子２１に跨って熱的接続部材５が接続されている。熱的接続部材５は、銀などの熱伝導性の高い材料で作製されており、第一のペルチェ素子１１に接続した位置でその反対面に放熱フィン５１を備えており、また、第二のペルチェ素子２１に接続した位置でその反対面に放熱フィン５２を備えている。放熱フィン５１，５２及び熱伝導板１２，２２も熱伝導性の高い材料で作製することが望ましい。なお、図示しない負帰還制御回路が、第一のペルチェ素子１１、第二のペルチェ素子２１、温度センサ１３，２３の間に接続されている。

この例においては、第一のペルチェ素子１１及び第二のペルチェ素子２１として、図４に示す内部構造ａからなるペルチェ素子を使用し、その金属板ａ２を熱的接続部材５に接続している。そのため、第一のペルチェ素子１１及び第二のペルチェ素子２１のいずれにおいても、ｎ型半導体ａ３側の金属板ａ１１から電流を流すと、熱的接続部材５を冷却し、熱伝導板１２，２２を介して温度制御対象物Ａ，Ｂを加熱する。逆に、ｐ型半導体ａ４の金属板ａ１２から電流を流すと、熱的接続部材５を加熱し、温度制御対象物Ａ，Ｂを冷却する。

本発明では、この温度制御装置を次のように制御する。すなわち、第一の温度制御対象物Ａを加熱するとき、目標温度を高く設定しておき加熱後半においてより大きな電流を流し、第一の温度制御対象物Ａを冷却するとき目標温度を低く設定しておき冷却後半においてより大きな電流を流す。そのため、温度センサの設置されている熱伝導板の温度は目標温度を超過するが、温度制御対象物Ａの温度は、目標値に近づいても失速することなく最大速度を保って加熱冷却される。

第一の温度制御対象物Ａを加熱するとき、同時に第二の温度制御対象物Ｂを冷却し、第一の温度制御対象物Ａを冷却するとき、同時に第二の温度制御対象物Ｂを加熱する。第一の温度制御対象物Ａを冷却するとき、ペルチェ素子のフィン側の面はその反作用で加熱される。一部の熱はフィン５１から放熱され、一部の熱は接続部材５に流れる。同時に、第二の温度制御対象物Ｂを加熱するとき、ペルチェ素子２１の熱的接続部材５側の面はその反作用で吸熱される。すなわち、熱的接続部材５に熱的に接続されたペルチェ素子１１と２１を逆位相で駆動するとき、熱的接続部材５の温度変化は小さく抑えられる。

図１の例では、第一のペルチェ素子１１のｐ型半導体ａ４側の金属板ａ１２から電流を流して第一の温度制御対象物Ａを加熱し、同時に第二の温度制御対象物Ｂを冷却する。このとき、熱的接続部材５は、第一のペルチェ素子１１による冷却と第二のペルチェ素子２１による加熱で一定温度に保たれる。

また、第一のペルチェ素子１１のｎ型半導体ａ３側の金属板ａ１１から電流を流して第一の温度制御対象物Ａを冷却し、同時に第二のペルチェ素子２１のｐ型半導体ａ４の金属板ａ１２から電流を流して第二の温度制御対象物Ｂを加熱する。このとき、熱的接続部材５は、第一のペルチェ素子１１による冷却と第二のペルチェ素子による加熱で一定温度に保たれる。

そして、第一のペルチェ素子１１に交流電流を流し、第二のペルチェ素子２１に、これとは逆位相の交流電流を流すと、熱的接続部材５は一定温度に保たれ、第一の温度制御対象物Ａ及び第二の温度制御対象物Ｂは加熱と冷却を周期的に繰り返す。このような交流電流は、図示しない負帰還回路を使用して、目標設定された加熱冷却サイクルと、系による補正値を基に、それぞれの温度センサ１３，２３で検出された温度から負帰還制御する。

なお、仮に、第一のペルチェ素子１１と第二のペルチェ素子２１を熱的接続部材５に接続し、第一のペルチェ素子１１と第二のペルチェ素子２１に同位相の交流電流を流すと第一の温度制御対象物Ａ及び第二の温度制御対象物Ｂは加熱と冷却を周期的に繰り返す。

次に、図３（ａ）は温度制御装置を２台使用する温度制御方法を示す斜視図であり、図３（ｂ）はその正面図である。この方法では温度制御装置を２台使用し、この２台の温度制御装置の間に第一の温度制御対象物Ａ及び第二の温度制御対象物Ｂを挟んで温度制御する。

すなわち、図３に示すように、その一方の温度制御装置は第一の温度制御対象物Ａ及び第二の温度制御対象物Ｂの上方に配置されている。図中、１１および２１は一方の温度制御装置のペルチェ素子を示している。また、他方の温度制御装置は第一の温度制御対象物Ａ及び第二の温度制御対象物Ｂを挟んでその下方に配置されている。図中、３１および４１は他方の温度制御装置のペルチェ素子を示している。これら２台の温度制御装置はいずれも、それぞれ熱的接続部材５および６を一定温度に保つように駆動される。

図１に示す温度制御装置を使用し、第一の温度制御対象物Ａ及び第二の温度制御対象物Ｂとして２４ｍｍ×２４ｍｍ×１．５ｍｍのポリカーボネイトを使用して、ポリカーボネイトの中央が７２℃と９５℃の間で加熱冷却を繰り返すように、ペルチェ素子１１及び２１に交流電流を流した。電流の大きさとしては、図２に示すように、第一の温度制御対象物Ａを加熱するとき加熱後半においてより大きな電流を流し、第一の温度制御対象物Ａを冷却するとき目標温度を冷却後半においてより大きな電流を流した。反応液が至適な温度に達すれば反応が瞬間的に起きるとして安定加熱冷却時間はゼロ、すなわち目標温度波形は、台形波ではなく鋸波とした。電流の向きとしては、ペルチェ素子１１と２１とで逆位相の交流電流を流した。なお、熱的接続部材５としては金属で熱伝導率が最も高い銀を用いた。

この結果、加熱冷却を１サイクル回すのに必要なエネルギは３４．２Ｊであった。比較のため、目標値に近づくと加熱冷却速度が失速するような、予測制御を行わない場合の従来の電流値を同位相で流して加熱冷却を繰り返したところ、１加熱冷却サイクル回すのに必要なエネルギは３９．８Ｊであった。また、比較のため、温度制御対象物においてシャープな温度波形となるように、加熱冷却の後半においてより大きな電流値を同位相で流して加熱冷却を繰り返したところ、１加熱冷却サイクル回すために４２．０Ｊ、すなわち従来より約５％多くの入力エネルギが必要であった。それに対して、本発明の方法を用いた場合には、従来の入力電流を同位相で流した場合に比較して、温度制御対象物Ａ，Ｂに対してシャープな温度波形を与えながらも、すなわち常時高速に加熱冷却しながらも、約１４％エネルギ効率が向上していることが確認できた。

温度制御対象物として、２つの被温度制御領域をもつ５２ｍｍ×２４ｍｍ×１．５ｍｍのポリカーボネイトを使用して、それぞれの被温度制御領域が７２℃と９５℃の間で加熱冷却を繰り返すように、ペルチェ素子１１及び２１に交流電流を流した。ポリカーボネイトの熱伝導率は十分に低く、温度制御対象物は板形状でその厚さは十分に薄いため、それぞれの被温度制御領域は熱的に分断されている。電流の大きさとしては、第一の温度制御対象物領域を加熱するとき加熱後半においてより大きな電流を流し、第一の温度制御対象物領域を冷却するとき目標温度を冷却後半においてより大きな電流を流した。電流の向きとしては、ペルチェ素子１１と２１とで逆位相の交流電流を流した。なお、熱的接続部材５としては金属で熱伝導率が最も高い銀を用いた。

図３に示すように、第一の温度制御対象物Ａ及び第二の温度制御対象物Ｂを２台の温度制御装置で挟んだ。これら２台の温度制御装置は実施例１の温度制御装置と同じものである。また、第一の温度制御対象物Ａ及びＢも実施例１と同じものを使用した。そして、それぞれの温度制御装置を実施例１と同様に駆動して加熱冷却を繰り返した。

熱的な接続部材として放熱フィンを有するものを用いた。ペルチェ素子は熱を強制的に移動させるヒートポンプであるが、ペルチェ素子自体の発熱があるため、加熱と冷却は対称的にはならないためである。第一の温度制御対象物Ａ及びＢは実施例１と同じものを使用し、温度制御装置を実施例１と同様に駆動して加熱冷却を繰り返した。

本発明は、ペルチェ素子を用いて温度制御対象物に高速な加熱冷却サイクルを与える用途に適用できる。例えば、バイオチップのＰＣＲに適用できる。

本発明の温度制御方法において使用される装置の例を示す斜視図 本発明の温度制御方法における温度変化の例を示すグラフ 図３（ａ）本発明の温度制御装置の例を示す斜視図、図３（ｂ）その正面図 ペルチェ素子の内部構造ａを示す斜視図 従来の温度制御方法における温度変化の例を示すグラフ

符号の説明

１１，２１，３１，４１・・・ペルチェ素子
１２，２２・・熱伝導板
１３，２３・・温度センサ
５，６・・・・熱的接続部材
５１，５２，６１，６２・・放熱フィン
Ａ，Ｂ・・・・温度制御対象物
ａ・・・・・・ペルチェ素子の内部構造
ａ２・・・・・金属板
ａ３・・・・・ｎ型半導体
ａ４・・・・・ｐ型半導体
ａ１１，ａ２２・・金属板

Claims (5)

1. 温度制御対象物を加熱および冷却する温度制御装置であって、
   第一の温度制御対象物が配置される一方の面を備えた第一のペルチェ素子と、
   第二の温度制御対象物が配置される一方の面を備えた第二のペルチェ素子と、
   前記第一のペルチェ素子の他方の面及び前記第二のペルチェ素子の他方の面に跨って熱的接触配置される接続部材と、
   前記第一のペルチェ素子に流す電流の振幅と極性を制御する第一の通電制御手段と、
   前記第二のペルチェ素子に流す電流の振幅と極性を制御する第二の通電制御手段と、
   を備え、
   前記第一および第二のペルチェ素子に流す電流の振幅を、前記第一および第二の温度制御対象物が配置される側の面の温度が冷却初期においては安定冷却期よりも低く、加熱初期においては安定加熱期よりも高くなるように、かつ、前記第一および第二のペルチェ素子に流す電流の極性を前記接続部材の温度を一定に保つように、前記第一および第二の通電制御手段により制御することを特徴とする温度制御装置。
2. 前記接続部材が放熱フィンを有することを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の温度制御装置において、
   前記第一および第二のペルチェ素子に流す電流の振幅を、前記第一および第二の温度制御対象物が配置される側の面の温度が冷却初期においては安定冷却期よりも低く、加熱初期においては安定加熱期よりも高くなるように、かつ、前記第一および第二のペルチェ素子に流す電流の極性を前記接続部材の温度を一定に保つように、前記第一および第二の通電制御手段により制御することを特徴とする温度制御方法。
4. 請求項１または２のいずれかに記載の温度制御装置において、熱的に領域分割されている第一の領域と第二の領域とを有する一つの温度制御対象物に対して、
   前記第一のペルチェ素子の一方の面に前記温度制御対象物の第一の領域を配置し、
   前記第二のペルチェ素子の一方の面に前記温度制御対象物の第二の領域を配置し、
   前記第一および第二のペルチェ素子に流す電流の振幅を、前記温度制御対象物の第一および第二の領域が配置される側の面の温度が冷却初期においては安定冷却期よりも低く、加熱初期においては安定加熱期よりも高くなるように、かつ、前記第一および第二のペルチェ素子に流す電流の極性を前記接続部材の温度を一定に保つように、前記第一および第二の通電制御手段により制御することを特徴とする温度制御方法。
5. 請求項１または２のいずれかに記載の温度制御装置を２台使用し、温度制御対象物の一方の面に第一の温度制御装置を配置し、温度制御対象物のもう一方の面に第二の温度制御装置を配置して、請求項３または４のいずれかに記載の方法により、温度制御対象物の温度制御を行うことを特徴とする温度制御方法。