JP5315874B2

JP5315874B2 - 温度制御装置およびその予熱または予冷方法

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Publication number: JP5315874B2
Application number: JP2008236175A
Authority: JP
Inventors: 展雄佐々木
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: JP2010071476A

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と、その予熱または予冷の方法に関する。特に、温度制御対象物が板状で、加熱と吸熱を高速でくり返す温度制御装置（例えばバイオチップのＰＣＲ装置）と、その予熱または予冷の方法に関する。

ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）を増幅させるための技術としてＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）法が存在する。このＰＣＲ法は、ＤＮＡを含む水溶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。そして、このＰＣＲ法を用いて、ＤＮＡの任意の断片の増幅を行うにあたり、ＤＮＡを含む水溶液が格納されたＰＣＲ用容器に対して加熱または吸熱を行っている。なお、液冷式ヒートシンクを用いたＰＣＲの制御において、流す液体の温度を制御する装置の技術が特許文献１に開示されている。

しかしながら、上述の特許文献１による技術では、液冷式ヒートシンクに流す液体の温度を変えるための可動機構が必要になるため、加熱・吸熱のサイクルが可動機構の動作に左右され、加熱・吸熱のサイクル速度が遅い。また当該可動機構により構造的に複雑となり、メンテナンスに労力がかかるという問題がある。

そこで特許文献２には、メンテナンス労力を軽減し、ＰＣＲ制御における加熱・吸熱のサイクル速度を容易に速めることのできる、２組のペルチェ素子と蓄熱手段を用いた温度制御装置および温度制御方法が開示されている。

しかしながら、特許文献２に記載の発明においては、各蓄熱手段をそれぞれの温度に予熱または予冷しておく必要があるが、各蓄熱手段はバイオチップに対して十分に大きな熱容量をもつため、その予熱または予冷の際に、多大なエネルギーが消費されるという問題があった。

特開２００７−１１０９４３号公報特願２００８−０１１７７８号公報

本発明は上記の課題に鑑みなされたもので、ＰＣＲ制御における加熱・吸熱のサイクル速度が速く、かつ、予熱または予冷の際に消費されるエネルギーを削減可能な温度制御装置およびその予熱または予冷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本発明の請求項１においては、平板状の温度制御対象物への加熱または前記温度制御対象物からの吸熱を行う温度制御装置であって、
前記温度制御対象物の一方の面に接する面を備えた第１のペルチェ素子と、
前記温度制御対象物のもう一方の面に接する面を備えた第２のペルチェ素子と、
前記第１のペルチェ素子の前記面とは異なる他の面に接する第１の蓄熱体と、
前記第２のペルチェ素子の前記面とは異なる他の面に接する第２の蓄熱体と、
前記第１のペルチェ素子の温度制御対象物に接する面の側に配置された第１の温度センサと、
前記第１のペルチェ素子と前記第１の蓄熱体の間に配置された第２の温度センサと、
前記第２のペルチェ素子の温度制御対象物に接する面の側に配置された第３の温度センサと、
前記第２のペルチェ素子と前記第２の蓄熱体の間に配置された第４の温度センサと、
前記第１〜第４の温度センサにより測定された温度を基づいて前記第１のペルチェ素子と前記第２のペルチェ素子のそれぞれに所定の電流を流す制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とした温度制御装置としたものである。

また本発明の請求項２においては、請求項１に記載の温度制御装置を予熱または予冷する方法であって、
前記第１のペルチェ素子と前記第２のペルチェ素子を、前記温度制御対象物を介さずに直接接触させ、
前記制御手段が、前記第１のペルチェ素子および前記第２のペルチェ素子に対して、前記第２の蓄熱体から前記第１の蓄熱体へ熱が移動するように電流を流す制御を行う
ことを特徴とする予熱または予冷の方法としたものである。

本発明の温度制御装置は、温度制御対象物および第１および第２の蓄熱体の加熱または冷却は、第１および第２のペルチェ素子によって行なわれ、他の加熱手段や冷却手段を必要としないため、装置構成を簡単なものとすることができる。

また本発明の予熱または予冷の方法によれば、第２の蓄熱体からの吸熱分を、第１の蓄熱体の加熱に再利用することができるため、前記第１の蓄熱体と前記第２の蓄熱体の予熱または予冷のために消費されるエネルギーを削減することができる。

以下、本発明の一実施形態である温度制御装置とその予熱または予冷方法を、図面を参照して説明する。
図１は同実施形態の、予熱または予冷時の温度制御装置の構成を示す図である。
この図は、２つのペルチェ素子と２つの蓄熱体を備えた温度制御装置の断面図を示している。図１に示すように、温度制御装置は第１のモジュール１０と第２のモジュール２０の２つのモジュールから構成されている。

第１のモジュール１０は、第１のペルチェ素子１１、第１の蓄熱体１５、温度センサ１３、１４から構成されている。また、第２のモジュール２０は、第２のペルチェ素子２１、第２の蓄熱体２５、温度センサ２３、２４から構成されている。第１の蓄熱体１５、第２の蓄熱体２５はそれぞれ十分に大きい熱容量を持ち、温度センサ１３，１４，２３，２４及びペルチェ素子１１、２１には図示せぬ制御回路３０が接続されている。

第１のモジュール１０においては、第１の蓄熱体１５と第１のペルチェ素子１１が接する箇所に温度センサ１４が設置されており、この温度センサ１４は第１の蓄熱体１５の温度を計測している。また、第１のペルチェ素子１１の蓄熱体１５とは反対側の面には、温度センサ１３が設置されており、この温度センサ１３は第１のペルチェ素子１１のこの面に接する物体の温度を計測する。

同様に、第２のモジュール２０においては、第２の蓄熱体２５と第２のペルチェ素子２１が接する箇所に温度センサ２４が設置されており、この温度センサ２４は第２の蓄熱体２５の温度を計測している。また、第２のペルチェ素子２１の蓄熱体２５とは反対側の面には、温度センサ２３が設置されており、この温度センサ２３は第２のペルチェ素子２１のこの面に接する物体の温度を計測する。

本実施形態の温度制御装置の予熱（または予冷）時は、第１のペルチェ素子１１と第２のペルチェ素子２１を直接接触させた状態とし、図示せぬ制御回路３０により、蓄熱体１５を加熱するようにペルチェ素子１１に電流を流し、蓄熱体２５を吸熱するようにペルチェ素子２１に電流を流す。なお、図１は、温度センサ１３と温度センサ２３が接触するような配置の場合を示したものとなっているが、必ずしも温度センサ１３と温度センサ２３を接触させる必要はなく、適宜ずらした配置としてもよい。

ペルチェ素子１１内部の異金属接合面は、蓄熱体１５との接触面と略平行な方向にあり、同様にペルチェ素子２１内部の異金属接合面も、蓄熱体２５との接触面と略平行な方向にある。ペルチェ素子の発熱または吸熱は異金属接合面で起きるため、異金属接合面が蓄熱体や温度制御対象物（後述）をなるべく広く覆うようにしたほうが、効率よく加熱または冷却することができるからである。

図２は、本実施形態の温度制御対象物Ａ（ＰＣＲ容器；本実施形態においては化学反応用チップと呼ぶ）である化学反応用チップの構成を示す図である。
図２に示すように、化学反応用チップは、上板部１と下板部２の対応する面が接合して成る構造となっており、上板部１にはＤＮＡ水溶液の注入孔３が２つ備えられている。また、下板部２には水溶液が溜まる反応槽の凹部４が設けられている。図２においては簡略化して反応層の凹部４が３つのみ備えられた様子を示しているが、本実施形態においては３６個が備えられているものとする。

図３は、本実施形態の温度制御装置にて温度制御対象物Ａである化学反応用チップの温度制御を行う時の構成を示す図である。
本実施形態の温度制御装置を予熱（または予冷）が完了した状態とし、温度制御対象物Ａの一方の面の側に第１のモジュール１０を、もう一方の面の側に第２のモジュール２０を接触させて配置する。モジュール１０、２０とも、それぞれのペルチェ素子１１および２１が、温度制御対象物Ａに接触するように配置される。

本実施形態による温度制御装置は、温度制御対象物Ａである化学反応用チップを加熱するときは、主として第１のペルチェ素子１１に電流を流して駆動し、また、化学反応用チップから吸熱するときは、主として第２のペルチェ素子２１に電流を流して駆動する。

次に、図１を用いて、十分に大きい熱容量をもつ蓄熱体１５と、十分に大きい熱容量をもつ蓄熱体２５を用いた場合の実施例について説明する。

本実施形態の温度制御装置の予熱（または予冷）時は、第１のペルチェ素子１１と第２のペルチェ素子２１を直接接触させた状態とする。図示せぬ制御回路３０により、蓄熱体１５を加熱するようにペルチェ素子１１に電流を流し、また、蓄熱体２５を吸熱するようにペルチェ素子２１に電流を流す。

一般的には、高温物から低温物へは自然に熱が流れ、やがて温度が等しくなるが、低温物から高温物へは自然に熱が流れることはない。しかしペルチェ素子は、電流を利用して強制的に熱を流すことができる素子であり、低温物から高温物に強制的に熱を流すこともできる。

第２のペルチェ素子２１を用いて蓄熱体２５を吸熱すると、反対側の面へ熱が移動するため、ペルチェ素子２１の蓄熱体２５に接していない側の面は加熱される。この側に何も配置されていない状態であれば、この熱は空気中へ放出されるが、図１のように第１のペルチェ素子１１と第２のペルチェ素子２１を直接接触させた状態であれば、この熱を蓄熱体１５を加熱するために有効利用することができる。

このようにして、蓄熱体１５と蓄熱体２５の予熱または予冷のために消費されるエネルギーを削減することができる。

図３は同実施形態による化学反応チップを加熱または吸熱するときにおける温度制御装置の構成を示す図である。
温度センサ１３は化学反応チップと第１のペルチェ素子１１が接する箇所に設置されており、この温度センサ１３は化学反応用チップの第１のモジュール１０側の面の温度を計測している。また、温度センサ２３は化学反応チップと第２のペルチェ素子２１が接する箇所に設置されており、この温度センサ２３は化学反応用チップの第２のモジュール２０側の面の温度を計測している。これらの温度センサ１３および２３の測定値を基に、制御回路３０は、化学反応チップが高温時には９５℃、低温時には６８℃に、迅速に加熱または吸熱されるようにペルチェ素子１１、２１に電流を流す。

このとき、温度制御対象物Ａである化学反応用チップへの吸加熱量Ｑ_ｃｈｉｐは、ペルチェ素子への入力電流をＩ_ｉｎ、ペルチェ素子の温度制御対象物側の温度をＴ_ｃｈｉｐ、ペルチェ素子のヒートシンク側の温度をＴ_ｓｉｎｋとすると、
Ｑ_ｃｈｉｐ＝｛α×（Ｔ_ｃｈｉｐ＋２７３）Ｉ_ｉｎ｝＋｛１／２×Ｒ×Ｉ_ｉｎ ^２｝
−｛Ｌ×（Ｔ_ｃｈｉｐ−Ｔ_ｓｉｎｋ）｝
という式（１）で表すことができる。

この式（１）においてαはペルチェ係数、Ｒは電気抵抗、１／Ｌが熱抵抗でありペルチェ素子に固有の値である。この式から分かるように、温度制御対象物Ａである化学反応用チップへの吸加熱量Ｑ_ｃｈｉｐは、『α×（Ｔ_ｃｈｉｐ＋２７３）Ｉ_ｉｎ』の第１項と、『１／２×Ｒ×Ｉ_ｉｎ ^２』の第２項と、『−Ｌ×（Ｔ_ｃｈｉｐ−Ｔ_ｓｉｎｋ）』の第３項とにより表すことができる。ここで、第１項はペルチェ素子の一方の面から他方の面へ強制的に熱移動を行うペルチェ効果によるものである。また第２項はペルチェ素子に電流を流すことによりペルチェ素子自体が発生させるジュール熱によるものである。また第３項はペルチェ素子の一方の面から他方の面への通常の物体における熱伝導によるものである。そして、これら第１項〜第３項の効果により、温度制御対象物Ａである化学反応用チップの温度が昇降する。

そして、蓄熱体１５が９９℃に保温されている間に、式（１）で算出される吸加熱量Ｑ_ｃｈｉｐの熱量が温度制御対象物Ａである化学反応用チップに与えられ、これにより化学反応用チップの温度が増加する。なお、ペルチェ素子を用いて温度制御対象物である化学反応用チップの温度を制御する従来の技術においては、式（１）における第１項と第２項の効果を用いていたが、本実施形態においては、第１のヒートシンクを用いて式（１）の第３項の効果をもたらすことにより、従来に比べて迅速に化学反応用チップの温度を増加させることができる。

そして、温度センサ１３が、温度制御対象物Ａである化学反応用チップの第１のモジュール１０側の面の温度を計測し、制御回路３０が温度センサ１３の計測する温度を読み取る。そして制御回路３０は、温度センサ１３の温度が９５℃に達してから１５秒経過した後に、第１のペルチェ素子１１への電流を停止する。そして、制御回路３０は、第２のペルチェ素子２１がマイナスの温度を発するように電流を流す。そして、第２のペルチェ素子２１は、上記式（１）の算出式による熱量を、温度制御対象物Ａである化学反応用チップから温度を吸熱し、その熱を蓄熱体２５へ伝える。制御回路３０は、温度センサ２３の温度が６８℃に達して４５秒経過したら、ペルチェ素子２１への電流を停止し、上記加熱の処理を再度行う。

なお、温度制御対象物Ａである化学反応用チップとして、アルミ合金とポリカーボネイト樹脂を積層した厚さ１ｍｍの板を用いる。化学反応用チップは微細加工されていて容量１０マイクロリットルの反応槽３６個をもち、それぞれの反応槽にＰＣＲ反応液が充填されている。そして制御回路３０は、上記の加熱と吸熱の処理を繰り返す。ここで反応試薬のＰＣＲ工程は２温度設定、例えば（９５℃１５秒、６８℃４５秒）×３０サイクルであるとする。

なお、上述の構成においては、温度制御対象物Ａへの加熱を行う場合には、第１のペルチェ素子１１に対して、第２のペルチェ素子２１が移動させる熱より大きな熱を第１の蓄熱体１５から温度制御対象物Ａへ移動させるように電流を流す制御を行い、また、温度制御対象物Ａからの吸熱を行う場合には、第２のペルチェ素子２１に対して、第１のペルチェ素子１１が移動させる熱より大きな熱を温度制御対象物Ａから第２の蓄熱体２５へ移動させるように電流を流す制御を行っている。

そして、この構成によれば、加熱時において第１のペルチェ素子１１の両面の温度差Ｔ_ｃｈｉｐ−Ｔ_ｓｉｎｋを第１の蓄熱体１５を備えることにより強制的に負の値にすることができるため、第１のペルチェ素子１１に対して、従来と同じ電流値Ｉ_ｉｎを流したとしても、従来の１組のペルチェ素子１１と空冷式ヒートシンクで加熱も吸熱も行う場合に比べて、加熱量Ｑ_ｃｈｉｐが増加する。すなわち、温度制御対象物Ａである化学反応用チップの加熱を高速化することができる。また空冷式ヒートシンクに比べて第１の蓄熱体１５の温度を安定させることが出来るので、安定した加熱の制御を行うことができる。

また、この構成によれば、空冷式ヒートシンクに比べて第２の蓄熱体２５の温度を安定させることが出来るので、安定した吸熱の制御を行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本温度制御装置によれば、温度制御対象物である化学反応用チップを加熱または吸熱するための機構に機械的構造を不要としたため、故障がなく、管理者のメンテナンス労力を軽減することができる。また、第１及び第２のヒートシンクを用い、ペルチェ素子の一方の面から他方の面への熱移動の効果を利用することで、従来に比べて安定して迅速に温度制御対象物である化学反応用チップを加熱または吸熱することができる。

上述の温度制御装置における制御回路は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

予熱または予冷時における温度制御装置の構成を示す図である。化学反応用チップの構成を示す図である。化学反応用チップの加熱または吸熱時における温度制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０・・・第１のモジュール
２０・・・第２のモジュール
１１・・・第１のペルチェ素子
１３，１４，２３，２４・・・温度センサ
１５・・・蓄熱体
２１・・・第２のペルチェ素子
２５・・・蓄熱体
Ａ・・・温度制御対象物

Claims

平板状の温度制御対象物への加熱または前記温度制御対象物からの吸熱を行う温度制御装置であって、
前記温度制御対象物の一方の面に接する面を備えた第１のペルチェ素子と、
前記温度制御対象物のもう一方の面に接する面を備えた第２のペルチェ素子と、
前記第１のペルチェ素子の前記面とは異なる他の面に接する第１の蓄熱体と、
前記第２のペルチェ素子の前記面とは異なる他の面に接する第２の蓄熱体と、
前記第１のペルチェ素子の温度制御対象物に接する面の側に配置された第１の温度センサと、
前記第１のペルチェ素子と前記第１の蓄熱体の間に配置された第２の温度センサと、
前記第２のペルチェ素子の温度制御対象物に接する面の側に配置された第３の温度センサと、
前記第２のペルチェ素子と前記第２の蓄熱体の間に配置された第４の温度センサと、
前記第１〜第４の温度センサにより測定された温度を基づいて前記第１のペルチェ素子と前記第２のペルチェ素子のそれぞれに所定の電流を流す制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とした温度制御装置。
請求項１に記載の温度制御装置を予熱または予冷する方法であって、
前記第１のペルチェ素子と前記第２のペルチェ素子を、前記温度制御対象物を介さずに直接接触させ、
前記制御手段が、前記第１のペルチェ素子および前記第２のペルチェ素子に対して、前記第２の蓄熱体から前記第１の蓄熱体へ熱が移動するように電流を流す制御を行う
ことを特徴とする予熱または予冷の方法。