JP5470655B2 - 温度制御装置及び温度素子用の電源装置 - Google Patents
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対象物(例えば実施形態におけるプラスチックチューブ82)を加熱又は冷却する温度制御装置において、
ペルチェ効果により前記DNA検体を加熱又は冷却する温度素子(例えば実施形態における温度素子61)と、
前記温度素子に対する通電制御を行う制御部(例えば実施形態における温度制御部62)と
を備え、
前記温度素子は、
相互に離間して配置されるp型半導体(例えば実施形態におけるp型半導体72P)及びn型半導体(例えば実施形態におけるn型半導体72N)の組と、
前記対象物を装着する装着部(例えば実施形態における装着部81)を有し、前記p型半導体は第1又は第2の面で、と前記n型半導体とは前記第1又は第2の面に対向する第2又は第1の面で各々に接合する接合部位(例えば実施形態における金属製ウェル71)と、
前記p型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第1の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73P)と、
前記n型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第2の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73N)と
を有し、
前記制御部により前記第1の電極部位と前記第2の電極部位との各々に異なる電圧が印加されて、前記p型半導体と前記n型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記p型半導体と前記n型半導体との一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、前記ペルチェ効果を生じさせ、
前記制御部は、スイッチングレギュレータ(実施形態におけるスイッチングレギュレータ111P1乃至111M2)とリニアレギュレータ(実施形態におけるリニアレギュレータ113P及び113M)とを併せ持つ定電流源(実施形態における定電流源装置102)を有し、
前記定電流源は、
前記スイッチングレギュレータの出力電圧の絶対値が閾値以上の場合には、定電流の出力可変制御を前記スイッチングレギュレータに担当させ、
前記スイッチングレギュレータの出力電圧の絶対値が前記閾値未満の場合には、定電流の出力可変制御を前記リニアレギュレータに担当させる、
温度制御装置であることを特徴とする。
前記p型半導体及び前記n型半導体の複数の組を有し、
前記接合部位の前記第1の面(例えば実施形態における側面71a)には、前記複数の組の各々の前記p型半導体(例えば実施形態におけるp型半導体72P1及びp型半導体72P2)が接合され、前記接合部位の前記第2の面(例えば実施形態における側面71b)には、前記複数の組の各々の前記n型半導体(例えば実施形態におけるn型半導体72N1及びn型半導体72N2)が接合されており、
前記第1の電極部位には、前記複数の組の各々の前記p型半導体が接合され、前記第2の電極部位には、前記複数の組の各々の前記n型半導体が接合されているようにしてもよい。
前記p型半導体及び前記n型半導体の複数の組を有し、
前記接合部位の前記第1の面(例えば実施形態における側面71a)から前記第2の面(例えば実施形態における側面71b)に至って絶縁物(例えば実施形態における絶縁物91)が挿入されることで、前記接続部位は複数の領域(例えば実施形態における領域201,202)に区分されており、
前記複数の領域毎に、前記第1の面側に前記p型半導体を接合して前記第2の面側に前記n型半導体を接合する組と(例えば実施形態におけるp型半導体72P2及びn型半導体72N2の第2組)、前記第1の面側に前記n型半導体を接合して前記第2の面側に前記p型半導体を接合する組(例えば実施形態におけるp型半導体72P1及びn型半導体72N1の第1組)とが交互に配置されており、
前記第1の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73P)には、前記第1の面に接続された所定の前記p型半導体(例えば実施形態におけるp型半導体72P2)が接合され、前記第2の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73N)には、前記第1の面に接続された所定の前記n型半導体(例えば実施形態におけるn型半導体72N1)が接合されており、
前記複数の組を直列に接合する第3の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73PN)をさらに有するようにしてもよい。
ペルチェ効果により対象物(例えば実施形態におけるプラスチックチューブ82)を加熱又は冷却する温度素子用の電源装置において、
相互に離間して配置されるp型半導体(例えば実施形態におけるp型半導体72P)及びn型半導体(例えば実施形態におけるn型半導体72N)の組と、
前記対象物を装着する装着部(例えば実施形態における装着部81)を有し、前記p型半導体と前記n型半導体との各々に接合する接合部位(例えば実施形態における金属製ウェル71)と、
前記p型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第1の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73P)と、
前記n型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第2の電極部位(例えば実施形態における電極兼放熱板73N)と
を有し、
前記第1の電極部位と前記第2の電極部位との各々に異なる電圧が外部から印加されて、前記p型半導体と前記n型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記p型半導体と前記n型半導体との一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、前記ペルチェ効果を生じさせ、
前記電源装置は、
スイッチングレギュレータ(実施形態におけるスイッチングレギュレータ111P1乃至111M2)とリニアレギュレータ(実施形態におけるリニアレギュレータ113P及び113M)とを併せ持つ定電流源装置であって、
前記スイッチングレギュレータの出力電圧の絶対値が閾値以上の場合には、定電流の出力可変制御を前記スイッチングレギュレータに担当させ、
前記スイッチングレギュレータの出力電圧の絶対値が前記閾値未満の場合には、定電流の出力可変制御を前記リニアレギュレータに担当させる、
温度素子用の電源装置であることを特徴とする。
図4に示すように、温度制御部62は、温度調整器101と、定電流電源装置102と、電流計103と、別体電源104と、直流電源105とを備える。
また、別の電流の方向として、温度素子61の電極兼放熱板73Nから電極兼放熱板73Pに向かう方向が存在する。当該方向に電流が流れると、温度素子61は、プラスチックチューブ82を冷却する動作(以下、「冷却動作」と称する)をする。そこで、以下、当該方向を「冷却方向」と称する。
このような電流の方向は、温度調整器101の出力信号の種類によって特定される。即ち、温度調整器101は、電流の方向として加熱方向を指示する場合には、制御信号SPを出力する。これに対して、温度調整器101は、電流の方向として冷却方向を指示する場合には、制御信号SMを温度調整器101から出力する。
一方、温度素子61にマイナス電圧が印加される場合とは、図5に示すリニアレギュレータ113Mがオン状態となって、並列回路121M及びリニアレギュレータ113Mが駆動している場合を意味する。この場合、電流は、別体電源104の正極出力端、並列回路121M、リニアレギュレータ113M、温度素子61の電極兼放熱板73N及び73P、並びに、別体電源104の負極出力端の順に流れる。なお、リニアレギュレータ113Pはオフ状態となっているため、並列回路121P及びリニアレギュレータ113Pの駆動は停止している。
この場合、例えば、複数のプラスチックチューブ82が行列状に配置されているときには、金属製ウェル71を上述したように絶縁体で区切り、電流を流す方向を行方向と列方向とに区分することができる。これにより、行方向と列方向との各々に対する個別の温度制御が相互に独立して実行可能になる。
具体的には例えば、N行(Nは2以上の整数値)1列状、即ち直線状にN個のプラスチックチューブ82を接続することができる。この場合には、列方向に対する温度制御によって、N個のプラスチックチューブ82全体の温度制御(粗調整の温度制御)を実現できる。一方、行方向に対する温度制御によって、N個のプラスチックチューブ82各々に対する個別の温度制御(微調整の温度制御)を実現できる。
このように、複数のプラスチックチューブ82を加熱又は冷却する場合には、温度素子61の金属製ウェル71についての抵抗分が増加するので、定電流電源装置102のスイッチングレギュレータ111P1乃至111M2の出力電圧も増加して閾値(1V)を超えることが多くなる。このような場合には、スイッチングレギュレータ111P1乃至111M2が定電流の出力可変制御を担当するので、温度制御時の電力効率が向上する。
(A)最初に、温度目標値を94度として、94度まで加熱させて、94度で30秒間保持させる。
この期間が、図11Aにおいては期間201aであり、図11Bにおいては期間201bである。
(B)次に、温度目標値を55度に切り替えて、55度まで冷却させて、55度で30秒間保持させる。
この期間が、図11Aにおいては期間202aであり、図11Bにおいては期間202bである。
(C)次に、温度目標値を72度に切り替えて、72度まで加熱させて、72度で60秒間保持させる。
この期間が、図11Aにおいては期間203aであり、図11Bにおいては期間203bである。
(a)両試験とも、0.2mlの標準品のプラスチックチューブ82、及び、穴径が96mmの装着部81を2つ有する金属製ウェル71が用いられた。ただし、従来のペルチェ素子1を採用した試験では、金属製ウェル71は、放熱板21Aの表面上の所定位置、即ち図1に示す容器31の描画位置に配置された。即ち、従来のペルチェ素子1を採用した試験では、金属製ウェル71は、ブリッジ兼電極機能を発揮せずに、単にプラスチェックチューブ82を装着する装着部としての機能のみを発揮する。一方、本発明に係る温度素子61を採用した試験では、金属製ウェル71は、図3Bに示す寸法のサイズよりも肉薄にしたサイズ、即ち容積を小さくしている。また、温度調整機101内の温度検出部(センサ)は、本願出願時点において、可能な限り高精度で高応答なものを採用した。
(b)DNA検体(反応溶液)の温度は、両試験とも、同一の熱電対をプラスチックチューブ82内に挿入することで測定された。
(c)なお、本発明に係る温度素子61を備えるDNA増幅装置51を用いたPCR法の試験において、温度制御部62の出力電流は次の通りとなった。即ち、図11Bの期間201bのうち、加熱期間(94度まで温度を上昇させている期間)は19.6Aであり、温度保持期間(94度で保持させている期間)は10.4Aであった。図11Bの期間202bのうち、冷却期間(55度まで温度を下降させている期間)は18.1Aであり、温度保持期間(55度で保持させている期間)は5.4Aであった。図11Bの期間203bのうち、加熱期間(72度まで温度を上昇させている期間)は18.5Aであり、温度保持期間(72度で保持させている期間)は7.3Aであった。
61,61a,61b 温度素子
62 温度制御部
63 水冷部
71 金属製ウェル
72P,72P1,72P2 p型半導体
72N,72N1,72N2 n型半導体
73P,73N,73PN 電極兼放熱板
74P,74N 水管
81 装着部
91 絶縁体
101 温度調整器
102 定電流電源装置
103 電流計
104 別体電源
105 直流電源
111P1,111P2,111M1,111M2 スイッチングレギュレータ
112P1,112P2,112M1,112M2 ダイオード
113P1,113M リニアレギュレータ
114P,114M カレントループ電流電圧変換部
201,202 領域
Claims (8)
- 対象物を加熱又は冷却する温度制御装置において、
ペルチェ効果により前記対象物を加熱又は冷却する温度素子と、
前記温度素子に対する通電制御を行う制御部と
を備え、
前記温度素子は、
相互に離間して配置されるp型半導体及びn型半導体の組と、
前記対象物を装着する装着部を有し、前記p型半導体とは第1又は第2の面で、前記n型半導体とは前記第1又は第2の面に対向する第2又は第1の面で各々に接合する接合部位と、
前記p型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第1の電極部位と、
前記n型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第2の電極部位と
を有し、
前記制御部により前記第1の電極部位と前記第2の電極部位との各々に異なる電圧が印加されて、前記p型半導体と前記n型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記p型半導体と前記n型半導体との一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、前記ペルチェ効果を生じさせ、
前記制御部は、スイッチングレギュレータとリニアレギュレータとを併せ持つ定電流源を有し、
前記定電流源は、
前記スイッチングレギュレータの出力電圧の絶対値が閾値以上の場合には、定電流の出力可変制御を前記スイッチングレギュレータに担当させ、
前記スイッチングレギュレータの出力電圧の絶対値が前記閾値未満の場合には、定電流の出力可変制御を前記リニアレギュレータに担当させる、
温度制御装置。 - 前記対象物は、DNA(Deoxyribonucleic acid)検体収容に用いられる所定の容器であり、
前記装着部は、前記容器を装着すべく加工が施された
請求項1に記載の温度制御装置。 - 前記温度素子は、
前記p型半導体及び前記n型半導体の複数の組を有し、
前記接合部位の前記第1の面には、前記複数の組の各々の前記p型半導体が接合され、前記接合部位の前記第2の面には、前記複数の組の各々の前記n型半導体が接合されており、
前記第1の電極部位には、前記複数の組の各々の前記p型半導体が接合され、前記第2の電極部位には、前記複数の組の各々の前記n型半導体が接合されている
請求項1又は2に記載の温度制御装置。 - 前記温度素子は、
前記p型半導体及び前記n型半導体の複数の組を有し、
前記接合部位の前記第1の面から前記第2の面に至って絶縁物が挿入されることで、前記接合部位は複数の領域に区分されており、
前記複数の領域毎に、前記第1の面側に前記p型半導体を接合して前記第2の面側に前記n型半導体を接合する組と、前記第1の面側に前記n型半導体を接合して前記第2の面側に前記p型半導体を接合する組とが交互に配置されており、
前記第1の電極部位には、前記第1の面に接続された所定の前記p型半導体が接合され、前記第2の電極部位には、前記第1の面に接続された所定の前記n型半導体が接合されており、
前記複数の組を直列に接合する第3の電極部位をさらに有する
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の温度制御装置。 - 前記温度素子の前記第1の電極部位と前記第2の電極部位とのうち少なくとも一方を冷却する冷却部
をさらに備える請求項1乃至4の何れか1項に記載の温度制御装置。 - 前記温度制御装置は、携帯型の装置である
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の温度制御装置。 - ペルチェ効果により対象物を加熱又は冷却する温度素子用の電源装置において、
前記温度素子は、
相互に離間して配置されるp型半導体及びn型半導体の組と、
前記対象物を装着する装着部を有し、前記p型半導体と前記n型半導体との各々に接合する接合部位と、
前記p型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第1の電極部位と、
前記n型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第2の電極部位と
を有し、
前記第1の電極部位と前記第2の電極部位との各々に異なる電圧が外部から印加されて、前記p型半導体と前記n型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記p型半導体と前記n型半導体との一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、前記ペルチェ効果を生じさせる
温度素子であって、
前記電源装置は、
スイッチングレギュレータとリニアレギュレータとを併せ持つ定電流源装置であって、
前記スイッチングレギュレータの出力電圧の絶対値が閾値以上の場合には、定電流の出力可変制御を前記スイッチングレギュレータに担当させ、
前記スイッチングレギュレータの出力電圧の絶対値が前記閾値未満の場合には、定電流の出力可変制御を前記リニアレギュレータに担当させる、
温度素子用の電源装置。 - 前記装着部は、前記対象物の形状に対応した加工が施されて、前記接合部位内に形成されている
請求項7に記載の温度素子用の電源装置。
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