(57)【要約】【課題】板状の温度制御対象物をペルチェ素子を用いて迅速かつ正確に温度制御する装置において、消費電力のピークを低減させた装置及び方法を提供する。【解決手段】温度制御部による第１、第２のペルチェ素子１０、２０への電力の供給は、第１のペルチェ素子１０による加熱、吸熱のタイミングと、第２のペルチェ素子２０による加熱、吸熱のタイミングとの位相が合致している場合における温度制御対象物Ａの温度変化の推移が実質的に維持される範囲内において、前記位相をずらせるように行なわれる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の温度制御対象物への加熱と吸熱を繰り返す温度制御装置であって、
電力が供給されることで前記温度制御対象物の厚さ方向の一方の面の加熱と吸熱とを行う第１のペルチェ素子と、
電力が供給されることで前記温度制御対象物の厚さ方向の他方の面の加熱と吸熱とを行う第２のペルチェ素子と、
前記第１、第２のペルチェ素子のそれぞれに個別に電力を供給することで前記第１、第２のペルチェ素子の温度制御を独立して行う温度制御部とを備え、
前記温度制御部による前記第１、第２のペルチェ素子への電力の供給は、
前記第１のペルチェ素子による加熱と、前記第２のペルチェ素子による加熱とが同期して行なわれると共に、前記第１のペルチェ素子による吸熱と、前記第２のペルチェ素子による吸熱とが同期して行なわれ、
かつ、前記第１のペルチェ素子による加熱、吸熱のタイミングと、前記第２のペルチェ素子による加熱、吸熱のタイミングとの位相が合致している場合における前記温度制御対象物の温度変化の推移が実質的に維持される範囲内において、前記位相をずらせるように行なわれる、
ことを特徴とする温度制御装置。
【請求項２】
前記温度制御対象物は、バイオチップであり、
前記温度制御部による前記第１、第２のペルチェ素子の温度制御は、
前記第１、第２のペルチェ素子の加熱により、第１の保持時間にわたって前記バイオチップが核酸の変性温度Ｔ１に保持される状態と、前記第１、第２のペルチェ素子の吸熱により、第２の保持時間にわたって前記バイオチップが前記核酸の変性温度Ｔ１よりも低い伸長温度Ｔ２に保持される状態とが繰り返されるＰＣＲ温度サイクルが実現されるようになされる、
ことを特徴とする請求項１記載の温度制御装置。
【請求項３】
前記第１、第２のペルチェ素子は、その厚さ方向の両側に位置する一方の面と他方の面とを有し、
その厚さ方向の両側に位置する第１の面と第２の面とを有し、前記第１の面が前記温度制御対象物の一方の面に重ね合わされ、前記第２の面が前記第１のペルチェ素子の一方の面に重ね合わされる第１のサーマルブロックと、
その厚さ方向の両側に位置する第３の面と第４の面とを有し、前記第３の面が前記温度制御対象物の他方の面に重ね合わされ、前記第４の面が前記第２のペルチェ素子の一方の面に重ね合わされる第２のサーマルブロックとを設け、
前記第１、第２のペルチェ素子による前記温度制御対象物への加熱、吸熱は、前記第１、第２のサーマルブロックを介して行なわれる、
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。
【請求項４】
前記第１のペルチェ素子の厚さ方向の他方の面に第１のヒートシンクが重ね合わされて設けられ、
前記第２のペルチェ素子の厚さ方向の他方の面に第２のヒートシンクが重ね合わされて設けられている、
ことを特徴とする請求項３記載の温度制御装置。
【請求項５】
板状の温度制御対象物への加熱と吸熱を繰り返す温度制御方法であって、
電力が供給されることで、前記温度制御対象物の厚さ方向の一方の面の加熱と吸熱とを行う第１のペルチェ素子と、
電力が供給されることで、前記温度制御対象物の厚さ方向の他方の面の加熱と吸熱とを行う第２のペルチェ素子とを設け、
前記第１、第２のペルチェ素子のそれぞれに個別に電力を供給することで前記第１、第２のペルチェ素子の温度制御を独立して行うと共に、
前記第１、第２のペルチェ素子への電力の供給は、
前記第１のペルチェ素子による加熱と、前記第２のペルチェ素子による加熱とが同期して行なわれると共に、前記第１のペルチェ素子による吸熱と、前記第２のペルチェ素子による吸熱とが同期して行なわれ、
かつ、前記第１のペルチェ素子による加熱、吸熱のタイミングと、前記第２のペルチェ素子による加熱、吸熱のタイミングとの位相が合致している場合における前記温度制御対象物の温度変化の推移が実質的に維持される範囲内において、前記位相をずらせるように行う、
ことを特徴とする温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状の温度制御対象物を加熱または吸熱する温度制御装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生化学分野では、マイクロチューブやＰＣＲチューブと呼ばれる、小型試験管が用いられている。容量はマイクロリットルからミリリットル程度と微量であり、材質はポリプロピレン等の樹脂であり、使い方として一度使用して処分する使い方をする。蒸発を防止するために蓋が工夫されたタイプや、伝熱を促進するために側壁を薄くしたタイプもある。サンプルをまとめて処理できるように８連にしたタイプもあり、アレイ状に９６個並べたタイプもある。最後のタイプは、マイクロプレートやＰＣＲプレートと呼ばれる。
【０００３】
マイクロチューブの形状は、通常の試験管に類似した管状である。ＰＣＲでは、迅速かつ正確な温度制御が求められるため、電子式の温度制御装置が用いられるが、温度制御装置は、サーマルブロックと呼ばれる、アルミや銀といった金属等の接触部を備えており、そのサーマルブロックには、マイクロチューブ形状に合わせた穴が開いている。サーマルブロックの穴にマイクロチューブを挿入し、伝熱促進のために上から加圧して密着して、温度制御を行う。
【０００４】
マイクロプレートの形状は、マイクロチューブの開口部近傍で連結した形状である。開口部側は１枚のフィルムで９６個まとめて密封するため、上から見ると平らで、確かにプレートと呼ぶに相応しい形状であるが、下から見ると、９６本のチューブが剣山のように突出しており、プレートと呼ばれているものの、決して平らではない。
【０００５】
マイクロプレートは、突出部の先端付近に薬液があるため、下側から温度制御する。平らな上側は結露防止のための補助的な温度制御に留まり、迅速かつ正確なＰＣＲ温度サイクル制御を下側から行うのであるが、下側は剣山のように突出した形状であるために全てを密着させるのは困難であり、特にＰＣＲのように刻々と温度を変化させる場合はその影響が顕著に表れてしまう。そのため、マイクロプレートをサーマルブロックに密着させるための工夫として、特許文献１が開示されている。
【０００６】
また、マイクロチューブやマイクロプレートの温度制御の熱源として、ペルチェ素子が用いられる。ペルチェ素子は、半導体ビスマステルルのペルチェ効果（ゼーベック効果）を利用した、電子式のヒートポンプデバイスであり、流す電流の向きを変えることで加熱にも吸熱にも使用でき、流す電流の大きさによって迅速かつ正確に温度制御できるため、ＰＣＲ温度サイクル制御に適している。
【０００７】
一般的なペルチェ素子の制御において、目標値との偏差が大きい工程初期に、瞬間的に最大電流が流れる。複数のペルチェ素子を用いる場合、電流のピークが重なって瞬間的に大きな負荷がかかるため、それぞれのペルチェ素子の駆動タイミングをずらして駆動する方法が、特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２６５６２７号公報
【特許文献２】特開２００２−２４３３０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１は、マイクロプレートを温度制御対象物とした場合の発明であり、マイクロチューブとの形状互換性より伝熱特性等を優先させる場合、新規の形状の容器が考えられる。
【００１０】
特許文献２は、温度制御対象物の形状に関して考慮されていない。また、温度制御対象物の温度が重要であり、ペルチェの駆動タイミングをずらすことで温度制御対象物の温度変化が影響を受ける点に関して考慮されていない。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、板状の温度制御対象物をペルチェ素子を用いて迅速かつ正確に温度制御するにあたって、消費電力のピークを低減させる上で有利な温度制御装置及び温度制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、板状の温度制御対象物への加熱と吸熱を繰り返す温度制御装置であって、電力が供給されることで前記温度制御対象物の厚さ方向の一方の面の加熱と吸熱とを行う第１のペルチェ素子と、電力が供給されることで前記温度制御対象物の厚さ方向の他方の面の加熱と吸熱とを行う第２のペルチェ素子と、前記第１、第２のペルチェ素子のそれぞれに個別に電力を供給することで前記第１、第２のペルチェ素子の温度制御を独立して行う温度制御部とを備え、前記温度制御部による前記第１、第２のペルチェ素子への電力の供給は、前記第１のペルチェ素子による加熱と、前記第２のペルチェ素子による加熱とが同期して行なわれると共に、前記第１のペルチェ素子による吸熱と、前記第２のペルチェ素子による吸熱とが同期して行なわれ、かつ、前記第１のペルチェ素子による加熱、吸熱のタイミングと、前記第２のペルチェ素子による加熱、吸熱のタイミングとの位相が合致している場合における前記温度制御対象物の温度変化の推移が実質的に維持される範囲内において、前記位相をずらせるように行なわれることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、前記温度制御対象物は、バイオチップであり、前記温度制御部による前記第１、第２のペルチェ素子の温度制御は、前記第１、第２のペルチェ素子の加熱により、第１の保持時間にわたって前記バイオチップが核酸の変性温度Ｔ１に保持される状態と、前記第１、第２のペルチェ素子の吸熱により、第２の保持時間にわたって前記バイオチップが前記核酸の変性温度Ｔ１よりも低い伸長温度Ｔ２に保持される状態とが繰り返されるＰＣＲ温度サイクルが実現されるようになされることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記第１、第２のペルチェ素子は、その厚さ方向の両側に位置する一方の面と他方の面とを有し、その厚さ方向の両側に位置する第１の面と第２の面とを有し、前記第１の面が前記温度制御対象物の一方の面に重ね合わされ、前記第２の面が前記第１のペルチェ素子の一方の面に重ね合わされる第１のサーマルブロックと、その厚さ方向の両側に位置する第３の面と第４の面とを有し、前記第３の面が前記温度制御対象物の他方の面に重ね合わされ、前記第４の面が前記第２のペルチェ素子の一方の面に重ね合わされる第２のサーマルブロックとを設け、前記第１、第２のペルチェ素子による前記温度制御対象物への加熱、吸熱は、前記第１、第２のサーマルブロックを介して行なわれることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、前記第１のペルチェ素子の厚さ方向の他方の面に第１のヒートシンクが重ね合わされて設けられ、前記第２のペルチェ素子の厚さ方向の他方の面に第２のヒートシンクが重ね合わされて設けられていることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、板状の温度制御対象物への加熱と吸熱を繰り返す温度制御方法であって、電力が供給されることで、前記温度制御対象物の厚さ方向の一方の面の加熱と吸熱とを行う第１のペルチェ素子と、電力が供給されることで、前記温度制御対象物の厚さ方向の他方の面の加熱と吸熱とを行う第２のペルチェ素子とを設け、前記第１、第２のペルチェ素子のそれぞれに個別に電力を供給することで前記第１、第２のペルチェ素子の温度制御を独立して行うと共に、前記第１、第２のペルチェ素子への電力の供給は、前記第１のペルチェ素子による加熱と、前記第２のペルチェ素子による加熱とが同期して行なわれると共に、前記第１のペルチェ素子による吸熱と、前記第２のペルチェ素子による吸熱とが同期して行なわれ、かつ、前記第１のペルチェ素子による加熱、吸熱のタイミングと、前記第２のペルチェ素子による加熱、吸熱のタイミングとの位相が合致している場合における前記温度制御対象物の温度変化の推移が実質的に維持される範囲内において、前記位相をずらせるように行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１、５記載の発明によれば、板状の温度制御対象物の加熱、吸熱を行う第１、第２のペルチェ素子への電力の供給を、第１のペルチェ素子による加熱、吸熱のタイミングと、第２のペルチェ素子による加熱、吸熱のタイミングとの位相が合致している場合における温度制御対象物の温度変化の推移が実質的に維持される範囲内において、位相をずらせるように行うようにした。
したがって、板状の温度制御対象物を第１、第２のペルチェ素子を用いて迅速かつ正確に温度制御するにあたって、第１、第２のペルチェ素子の瞬間的な電流のピークを、温度制御対象物の反応が影響を受けない範囲において抑制することができ、第１、第２のペルチェ素子の消費電力のピークを低減させる上で有利となる。
請求項２記載の発明によれば、バイオチップに対するＰＣＲ温度サイクルを正確に実現しつつ、第１、第２のペルチェ素子の消費電力のピークを低減させる上で有利となる。
請求項３記載の発明によれば、第１、第２のペルチェ素子による温度制御対象物への加熱、吸熱を第１、第２のサーマルブロックを介して行なうので、温度制御対象物の温度制御を安定して精度よく行う上で有利となる。
請求項４記載の発明によれば、第１、第２のペルチェ素子にそれぞれ第１、第２のヒートシンクが重ね合わされて設けられているので、第１、第２のペルチェ素子による加熱、吸熱の効率を高める上で有利となり、第１、第２のペルチェ素子の消費電力の低減を図る上で有利となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の温度制御装置の構成の説明図である。
【図２】本発明の温度制御方法に関する説明図であり、（Ａ）は消費電力の時間変化を示す線図であり、（Ｂ）は温度制御対象物（バイオチップ）、第１、第２のサーマルブロックの温度の時間変化を示す線図である。
【図３】従来の温度制御方法に関する説明図であり、（Ａ）は消費電力の時間変化を示す線図であり、（Ｂ）は温度制御対象物（バイオチップ）、第１、第２のサーマルブロックの温度の時間変化を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。温度制御装置は、第１のペルチェ素子１０と第１のヒートシンク１１と第１のサーマルブロック１２と、第２のペルチェ素子２０と第２のヒートシンク２１と第２のサーマルブロック２２とを備え、第１のユニットと第２のユニットとで挟み込むように、板状の温度制御対象物Ａが配置されている。第１のサーマルブロック１２には第１の温度センサ１３が、第２のサーマルブロック２２には第２の温度センサ２３が組み込まれており、第１の温度センサ１３と第１のペルチェ素子１０には第１の電流制御回路１４が、第２の温度センサ２３と第２のペルチェ素子２０には第２の電流制御回路２４が接続されており、第１の電流制御回路１４と第２の電流制御回路２４にはシーケンサ３０が接続されている。
【００１５】
以下具体的に説明する。
第１のペルチェ素子１０は、板状を呈し、厚さ方向の両側に位置する一方の面１００２と他方の面１００４とを有している。
第１のペルチェ素子１０は、電力が供給されることで温度制御対象物Ａの厚さ方向の一方の面Ａ１の加熱と吸熱とを行うものである。
具体的には、第１のペルチェ素子１０は、供給される電流の向きに応じて一方の面１００２を加熱すると共に他方の面１００４を冷却する状態と、一方の面１００２を冷却すると共に他方の面１００４を加熱する状態とが切り替えられる。
第２のペルチェ素子２０は、板状を呈し、厚さ方向の一方の面２００２と他方の面２００４とを有している。
第２のペルチェ素子２０は、電力が供給されることで温度制御対象物Ａの厚さ方向の他方の面Ａ２の加熱と吸熱とを行うものである。
具体的には、第２のペルチェ素子２０は、供給される電流の向きに応じて一方の面２００２を加熱すると共に他方の面２００４を冷却する状態と、一方の面２００２を冷却すると共に他方の面２００４を加熱する状態とが切り替えられる。
【００１６】
第１のサーマルブロック１２は、板状を呈し、厚さ方向の両側に位置する第１の面１２０２と第２の面１２０４とを有し、第１の面１２０２が温度制御対象物Ａの一方の面Ａ１に重ね合わされ、第２の面１２０４が第１のペルチェ素子１０の一方の面１００２に重ね合わされている。
第２のサーマルブロック２２は、板状を呈し、厚さ方向の両側に位置する第３の面２２０２と第４の面２２０４とを有し、第３の面２２０２が温度制御対象物Ａの他方の面Ａ２に重ね合わされ、第４の面２２０４が第２のペルチェ素子２０の一方の面２００２に重ね合わされている。
したがって、第１、第２のペルチェ素子１０、２０による温度制御対象物Ａへの加熱、吸熱は、第１、第２のサーマルブロック１２、２２を介して行なわれる。
【００１７】
第１のヒートシンク１１は、第１のペルチェ素子１２の他方の面１００４に重ね合わされて設けられている。
第２のヒートシンク２１は、第２のペルチェ素子２０の他方の面２００４に重ね合わされて設けられている。
【００１８】
第１の電流制御回路１４は、シーケンサ３０からの制御指令と、第１の温度センサ１３で検出された第１のサーマルブロック１２の温度とに基づいて第１のペルチェ素子１０に供給する電力の制御を行うように構成されている。
また、第２の電流制御回路２４は、シーケンサ３０からの制御指令と、第２の温度センサ２３で検出された第２のサーマルブロック２２の温度とに基づいて第２のペルチェ素子２０に供給する電力の制御を行うように構成されている。
したがって、本実施の形態では、第１の温度センサ１３、第２の温度センサ２３、第１の電流制御回路１４、第２の電流制御回路２４、シーケンサ３０によって、第１、第２のペルチェ素子１０、２０のそれぞれに個別に電力を供給することで第１、第２のペルチェ素子１０、２０の温度制御を独立して行う温度制御部が構成されている。
【００１９】
そして、温度制御部による第１、第２のペルチェ素子１０、２０への電力の供給は、第１のペルチェ素子１０による加熱と、第２のペルチェ素子２０による加熱とが同期して行なわれると共に、第１のペルチェ素子１０による吸熱と、第２のペルチェ素子２０による吸熱とが同期して行なわれる。
また、温度制御部による第１、第２のペルチェ素子１０、２０への電力の供給は、第１のペルチェ素子１０による加熱、吸熱のタイミングと、第２のペルチェ素子２０による加熱、吸熱のタイミングとの位相が合致している場合における温度制御対象物Ａの温度変化の推移が実質的に維持される範囲内において、前記位相をずらせるように行なわれる。
【００２０】
本実施の形態によれば、板状の温度制御対象物Ａを第１、第２のペルチェ素子１０、２０を用いて迅速かつ正確に温度制御するにあたって、第１、第２のペルチェ素子１０、２０の瞬間的な電流のピークを、温度制御対象物Ａの反応が影響を受けない範囲において抑制することができ、第１、第２のペルチェ素子１０、２０の消費電力のピークを低減させる上で有利となる。
【実施例１】
【００２１】
温度制御対象物Ａを構成する直径４０ｍｍのポリプロピレンの平らな円板状のバイオチップに対して、ＰＣＲ温度サイクルを与える実施例について説明する。核酸の変性温度を９０℃とし、伸長温度を７０℃とし、それぞれの工程時間、すなわち吸加熱と保持をあわせた時間を共に６０秒とする。
具体的に説明すると、温度制御部による第１、第２のペルチェ素子１０、２０の温度制御は、第１、第２のペルチェ素子１０、２０の加熱により、第１の保持時間＝６０秒にわたってバイオチップが核酸の変性温度Ｔ１＝９０℃に保持される状態と、第１、第２のペルチェ素子１０、２０の吸熱により、第２の保持時間＝６０秒にわたってバイオチップが核酸の変性温度Ｔ１よりも低い伸長温度Ｔ２＝７０℃に保持される状態とが繰り返されるＰＣＲ温度サイクルが実現されるようになされる。
【００２２】
図３は従来の温度制御方法に関する説明図であり、バイオチップの上下に配置された２個のペルチェ素子（第１、第２のペルチェ素子１０、２０）を、同時に駆動してＰＣＲ温度サイクルを行った際の、２個のペルチェ素子合計の電力の推移（図３（Ａ））、及びバイオチップの温度の推移（図３（Ｂ））である。温度を保持する時間における消費電力は、核酸の変性温度９０℃のほうでも５０Ｗ程度と低いのに対し、加熱初期や吸熱初期といった工程初期における消費電力は瞬間的に高く、加熱初期において１７８Ｗに達している。
なお、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）において、「上ブロック」は第２のサーマルブロック２２の温度、「下ブロック」は、第１のサーマルブロック１２の温度、「チップ」はバイオチップの温度をそれぞれ示している。
【００２３】
図２は本発明の温度制御方法に関する説明図であり、バイオチップの上下に配置された２個のペルチェ素子（第１、第２のペルチェ素子１０、２０）を、下のペルチェ素子（第１のペルチェ素子１０）を５秒遅らせて駆動させた際の、２個のペルチェ素子合計の電力の推移（図２（Ａ））、及びバイオチップの温度の推移（図２（Ｂ））である。バイオチップの温度の推移が同等である一方で、加熱初期や吸熱初期といった工程初期における消費電力が抑えられている。加熱初期におけるピークは１２８Ｗに抑えられ、従来のように上下２個のペルチェ素子１０、２０を同時に駆動した場合に対して、電力ピークがおよそ３０％低減された。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
ペルチェ素子を用いて、迅速で正確な温度制御を行う装置に利用できる。特にバイオチップでＰＣＲを行う温度制御装置に利用できる。
【符号の説明】
【００２５】
１０…第１のペルチェ素子
１００２…一方の面
１００４…他方の面
１１…第１のヒートシンク
１２…第１のサーマルブロック
１２０２…第１の面
１２０４…第２の面
１３…第１の温度センサ
１４…第１の電流制御回路
２０…第２のペルチェ素子
２１…第２のヒートシンク
２２…第２のサーマルブロック
２２０２…第３の面
２２０４…第４の面
２３…第２の温度センサ
２４…第２の電流制御回路
３０…シーケンサ
Ａ…板状の温度制御対象物
Ａ１…一方の面
Ａ２…他方の面
【図１】
2015216850.tif 000003
【図２】
2015216850.tif 000004
【図３】
2015216850.tif 000005