(57)【要約】  装置を小型化且つ省力化し、更に静音性に優れた温度制御装置を提供する。温度制御装置は、ペルチェ素子（１０）を用いて温度制御対象Ａへの加熱及び上記温度制御対象Ａからの吸熱の少なくとも一方を行って温度制御対象Ａを予め設定した制御温度範囲で温度制御を行う。ペルチェ素子（１０）の面のうち温度制御対象Ａと対向する面とは反対側の面側に、蓄熱材ヒートシンク（１１）が配置され、蓄熱材ヒートシンク（１１）は、ペルチェ素子（１０）に接する熱伝達部（１８）と、その熱伝達部（１８）に接する蓄熱材（１５）とを備え、蓄熱材（１５）は、制御温度範囲内若しくは制御温度範囲より低い第２の温度範囲内に相変化温度が設定された潜熱式の蓄熱材である。
2016117334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体サンプルを温度制御対象とし、その温度制御対象への加熱及び上記温度制御対象からの吸熱の少なくとも一方をペルチェ素子を用いて行うことで、上記温度制御対象を予め設定した制御温度範囲に温度制御し、
上記ペルチェ素子の放熱面と熱伝達可能な蓄熱材を有し、
上記蓄熱材は、上記温度制御範囲内、若しくは上記制御温度範囲の下限値より低く且つ使用時の雰囲気温度よりも高い第２の温度範囲内に相変化温度をもつ潜熱式の蓄熱材であることを特徴とする温度制御方法。
【請求項２】
上記温度制御対象を一対のペルチェ素子で挟み込んで上記温度制御を行い、各ペルチェ素子の放熱面と熱伝達可能に上記蓄熱材を配置することを特徴とする請求項１に記載した温度制御方法。
【請求項３】
上記ペルチェ素子の面のうち上記温度制御対象と対向する面とは反対側の面側に、蓄熱部が配置され、
上記蓄熱部は、上記ペルチェ素子に接する熱伝達部と、その熱伝達部に接する上記蓄熱材とを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した温度制御方法。
【請求項４】
上記温度制御は、上記制御温度範囲内で上記温度制御対象への加熱と吸熱を繰り返し、
上記蓄熱材を予熱するための予熱ヒーターを備え、
上記温度制御対象への温度制御の実施前に上記予熱ヒーターに通電して上記蓄熱材を予熱し、
上記温度制御の実施中は、上記予熱ヒーターに通電しないことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した温度制御方法。
【請求項５】
上記蓄熱材は、上記相変化温度よりも低い温度に予熱されることを特徴とする請求項４に記載した温度制御方法。
【請求項６】
温度制御対象への加熱及び上記温度制御対象からの吸熱の少なくとも一方をペルチェ素子を用いて行って上記温度制御対象を予め設定した制御温度範囲で温度制御を行う温度制御装置であって、
上記ペルチェ素子の面のうち上記温度制御対象と対向する面とは反対の面側に、蓄熱部が配置され、
上記蓄熱部は、上記ペルチェ素子に接する熱伝達部と、その熱伝達部に接する蓄熱材とを備え、上記蓄熱材は、上記制御温度範囲内、若しくは上記温度制御範囲の下限値より低く且つ使用時の雰囲気温度よりも高い第２の温度制御範囲内に相変化温度が設定された潜熱式の蓄熱材であることを特徴とする温度制御装置。
【請求項７】
上記熱伝達部は、上記蓄熱材内に埋入する複数の突起部を備えることを特徴とする請求項６に記載した温度制御装置。
【請求項８】
上記突起部の上記蓄熱材への埋入量は、上記蓄熱材の深さの半分以上に設定されていることを特徴とする請求項７に記載した温度制御装置。
【請求項９】
上記蓄熱材を予熱する予熱ヒーターを備え、
上記予熱ヒーターで、上記蓄熱材は、上記温度制御前に、上記相変化温度よりも低い温度に予熱されることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１項に記載した温度制御装置。
【請求項１０】
上記温度制御対象を挟んで２組の温度制御装置が配置され、
上記２組の温度制御装置の少なくとも一方が、請求項６〜請求項９のいずれか１項の温度制御装置で構成されることを特徴とする温度制御装置。
【請求項１１】
上記蓄熱材には、放熱用の熱伝達体が接触していることを特徴とする請求項６〜請求項１０のいずれか１項に記載した温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペルチェ素子を用いた温度制御の技術に係り、特に、生体サンプルの温度制御など生化学反応用の温調制御に好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＮＡを増幅させる技術として、ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）がある。生体サンプルから抽出できるＤＮＡが微量であり直接に検出するのが難しいため、増幅してから検出する方法がしばしば用いられる。このＰＣＲ増幅法は、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、短時間で指数関数的にＤＮＡを増幅させる技術である。
このようなＰＣＲ工程における加熱冷却制御用の温度制御装置として、温度や時間を設定して、温度制御対象を加熱および吸熱するサイクルを繰り返すサーマルサイクラー（温度制御装置）が存在する。このサーマルサイクラーの熱源としてペルチェ素子が用いられる場合がある。このペルチェ素子は、電子式であるために制御性や応答性に優れ、また、デバイスに流す電流の向きを変えることによって単一のデバイスで加熱も吸熱も行うことができる。【０００３】
ペルチェ素子は機能的にヒートポンプであり、その性能は、温度制御対象と接しない面の温度と密接に関係する。ペルチェ素子を駆動すると、一般に、ペルチェ素子の両面に望まない温度差が生じる。温度差が大き過ぎると、熱を汲み上げて温度制御対象を温度調整することが難しくなる。
このため、従来のペルチェ素子を用いた温度制御装置では、ペルチェ素子の反対面にフィン及びファンからなる空冷式のヒートシンクを設置して、ペルチェ素子の両面の温度差の拡大を抑えている。
また、特許文献１には、液体循環式のヒートシンクを用いて温度調整することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１０９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
空冷式のヒートシンクを用いた場合、ファンを有する分、装置が大型化すると共に、ファンを駆動するために振動が発生する。
また液体循環式のヒートシンクを用いた場合でも、液体を収容するタンク、循環するためのポンプや温度調整のためのファンやラジエターが必要であることから、装置が大型化すると共に、ファンを駆動するために振動が発生する。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、装置を小型化し、更に静音性に優れた温度制御方法や温度制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
課題を解決するために、本発明の一態様は、生体サンプルを温度制御対象とし、その温度制御対象への加熱及び上記温度制御対象からの吸熱の少なくとも一方をペルチェ素子を用いて行うことで、上記温度制御対象を予め設定した制御温度範囲に温度制御し、上記ペルチェ素子の放熱面と熱伝達可能な蓄熱材を有し、その蓄熱材は、上記温度制御範囲内、若しくは上記制御温度範囲の下限値より低く且つ使用時の雰囲気温度よりも高い第２の温度範囲内に相変化温度を持つ。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の態様によれば、従来の温度制御装置のペルチェ素子の放熱面側に大型のフィンとファンを設置する代わりに潜熱式の蓄熱材を配置することで、装置を小型化且つ省力化できる。
また本発明によれば、ファンなどの機械的な駆動部が無いため静音性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に基づく実施形態に係る温度制御装置の構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明に基づく実施形態に係る温度制御装置の制御関係を示す図である。
【図３】本発明に基づく実施形態に係る温度制御装置の装置構成の例を示す図である。
【図４】温度制御対象をセットした状態を示す図である。
【図５】ペルチェ素子両面の温度差の状態を示す概念図であり、（ａ）は空冷の場合、（ｂ）は発明に基づく場合を示している。
【図６】温度制御対象をセットした状態における、比較例の温度制御装置の装置構成を示す概略図である。
【図７】実施例の温度制御装置を駆動したときの、温度の時間変化及びペルチェ素子への入力電力の時間変化を示すグラフである。
【図８】比較例の温度制御装置を駆動したときの、温度の時間変化及びペルチェ素子への入力電力の時間変化を示すグラフである。
【図９】第２の実施例における温度の時間変化及びペルチェ素子への入力電力の時間変化を示すグラフである。
【図１０】図９を部分的に拡大した図である。
【図１１】第２の実施例の遺伝子解析チップにおける反応後の確認としての電気泳動を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本実施形態では、生体サンプルの温度制御の一例として、生化学反応用の温調制御を対象とした場合を例示する。すなわち、ＰＣＲ工程における加熱冷却制御用の温度制御装置を例に挙げ、温度制御対象を加熱および吸熱するサイクルを、設定した温度や時間で繰り返す場合を想定して説明する。勿論、温度制御対象への加熱又は温度制御対象からの吸熱のいずれかをペルチェ素子を用いて行うことで、温度制御対象を予め設定した制御温度範囲で温度制御を行う場合であっても良い。
【００１０】
本実施形態の温度制御装置は、図１に示すように、ペルチェ素子１０、蓄熱材ヒートシンク１１、および予熱ヒーター１３を備える。
（ペルチェ素子）
ペルチェ素子１０は、温度制御対象Ａ側の第１の面１０ａと、蓄熱材ヒートシンク１１側の第２の面１０ｂ（放熱面）とを有する。ペルチェ素子１０の第１の面１０ａは、ヒートスプレッダ１２を介して温度制御対象Ａに面接触する。ヒートスプレッダ１２は、温度制御対象Ａにおける、図１の断面と垂直な面での温度分布の偏差を低減させるために配置される。ヒートスプレッダ１２を設けなくても良い。
【００１１】
蓄熱材ヒートシンク１１は、蓄熱材１５と、その蓄熱材１５を収容する蓄熱材容器１６とから構成される。
（蓄熱材）
蓄熱材１５は、潜熱式の蓄熱材からなる。潜熱式の蓄熱材は、小型でより多くの熱を蓄えるため、一般に顕熱式の蓄熱材より蓄熱密度が高い蓄熱材である。本実施形態の潜熱式の蓄熱材１５として、その相変化温度が、温度調整する制御温度範囲内に位置する材料からなる蓄熱材を選択する。好ましくは相変化温度が、該制御温度範囲内のうち室温側に近い温度であることが好ましい。制御温度範囲の上限値及び下限値は、実際の制御時に誤差が生じるため、その誤差分だけ広い範囲に設定する。誤差分は、制御の精度にもよるが例えば２℃である。
【００１２】
又は、蓄熱材１５として、相変化温度が、制御温度範囲の下限値より低く且つ使用時の雰囲気温度よりも高い第２の温度範囲内となる蓄熱材を採用する。温度制御装置を室温で使用することを想定すると、室温の平均温度は２０℃前後であり、使用時の雰囲気温度は高くても４０℃未満であると想定されるため、例えば上記の第２の温度範囲の下限値を４０℃以上として設定して、蓄熱材１５の相変化温度を決定しても良い。但し、その場合であっても、相変化温度が制御温度範囲に近い温度であることが好ましい。
ＰＣＲでは、室温の温度雰囲気で、およそ７０℃から９０℃の制御温度範囲において加熱と吸熱を繰り返すため、相変化温度が、例えば、８０℃前後の材質から蓄熱材１５を構成する。例えば、相変化温度が８０℃前後に設定されたパラフィンから構成する。
【００１３】
ここでパラフィンの蓄熱量は、およそ２００Ｊ／ｇであり、パラフィンの相変化温度は、炭素鎖数によって選択可能である。従って、相変化温度が制御温度範囲内若しくは制御温度範囲内よりも低い第２の温度範囲内となっているパラフィンを使用すれば良い。第２の温度範囲内を選択する場合であっても、上述のように制御温度範囲に近いことが好ましいため、第２の温度範囲として、例えば使用時の雰囲気温度よりも２０℃以上高温の６０℃以上７０℃未満に設定する。
【００１４】
（蓄熱材容器）
蓄熱材容器１６は、蓄熱材１５を収容する容器部１７と、蓋部１８から構成される。本実施形態では、蓄熱材容器１６として、容器部１７の収容部の形状が直方体形状の場合を例示しているが、収容部が円筒状やボール状その他であっても構わない。
蓄熱材容器１６は、伝熱促進のために、銅やアルミその他の金属など、熱伝導性の良い材料で作製されている。ここで、蓋部１８は熱伝達部を構成する。容器部１７の少なくとも側面部１７ａは、放熱用の熱伝達体を構成する。
蓋部１８の外面１８ａは、ペルチェ素子１０の第２の面１０ｂ（ヒートシンク側の面）に接触している。
蓋部１８の内面１８ｂ（蓄熱材１５に向く面）には、上記蓄熱材１５内に向けて突出して該蓄熱材１５に埋入する複数の突起部１９を備える。本実施形態では、突起部１９の形状として円柱形状のピンを例示した。蓄熱材１５に埋入される突起部１９の形状は、円柱形状に限定されず、角柱形状や円錐形状などでも良く、特に限定されない。
【００１５】
この突起部１９を設けることで、蓋部１８と蓄熱材１５との接触面積が増加して、蓄熱材１５の熱をペルチェ素子１０に、またペルチェ素子１０の熱を蓄熱材１５に効率よく伝熱出来るようになる。すなわち、突起部１９を有することで追従性が向上する。なお、この突起部１９を設けなくても良い。
また、上記突起部１９の蓄熱材１５への埋入量Ｌは、蓄熱材１５の深さＤの半分以上に設定されていることが好ましい。
突起部１９が蓄熱材１５の表面側の部分にだけ接触している場合には、蓄熱材１５の底側の蓄熱材部分の蓄熱を効率よくペルチェ素子１０に伝達出来ないおそれがある。これを考慮して、突起部１９の蓄熱材１５への埋入量は、蓄熱材１５の深さ（突起部の突出方向での深さ）の半分以上に設定することで、蓄熱材１５の底側の部分とペルチェ素子１０との熱交換も、迅速且つ効率良く出来るようになる。
【００１６】
ここで、各突起部１９の大きさ（表面積）や本数が、多いほど効果があるが、多くなるほど蓄熱材容器１６に収容される蓄熱材１５の量の減少に繋がる。従って、必要な蓄熱材１５の量を勘案しつつ、各突起部１９の大きさ（体積）や本数を設定すればよい。
また、容器部１７の下面に予熱ヒーター１３が配置され、その予熱ヒーター１３を覆うようにして断熱材１４が配置されている。断熱材１４を配置することで、予熱ヒーター１３の熱を蓄熱材１５に効率良く入力することが出来る。
【００１７】
（制御部）
また図２に示すように制御部１００を有する。制御部１００は、予熱ヒーター１３への電流制御を行うヒーター制御部１０４と、ペルチェ素子１０への電流制御を行うペルチェ制御部１０２を備える。制御部１００の処理として、予熱工程と、予熱工程が完了後に行われる温度制御工程とを有する。
蓄熱材１５には、第１の温度センサ１０３が配置され、第１の温度センサ１０３は、検出信号をヒーター制御部１０４に供給する。ヒーター制御部１０４は、第１の温度センサ１０３からの信号を参照しつつ、蓄熱材１５が目的の予熱温度となるまで予熱ヒーター１３に通電を行う。この通電は、温度制御を実行する温度制御工程の前に行われる。すなわち、予熱ヒーター１３に通電するのは、温度制御対象Ａの加熱と吸熱を繰り返す前に、蓄熱材ヒートシンク１１を室温から制御温度範囲まで予熱する予熱工程においてであり、温度制御対象Ａの加熱と吸熱を繰り返す温度制御工程において予熱ヒーター１３に通電しない。これは、無駄な通電を防止するためである。
【００１８】
また、ヒートスプレッダ１２の温度を検出する第２の温度センサ１０１を有する。第２の温度センサ１０１は、検出信号をペルチェ制御部１０２に供給する。ペルチェ制御部１０２では、ヒートスプレッダ１２の温度を温度制御対象Ａの温度とみなして、ペルチェ素子１０を電流をフィードバック制御する。
即ち、制御部１００は、まず作動すると、予熱工程として、蓄熱材１５を室温から制御温度範囲の下限温度に近い蓄熱初期温度である予熱温度まで予熱する。蓄熱材１５が予熱温度になったことを検知したら、ヒーター１３への通電を停止して予熱を終了する。
予熱工程が終了したら、ペルチェ制御部１０２を起動して、第２の温度センサ１０１の温度を参照しながら、予め設定した制御温度範囲及び時間間隔で、温度制御対象Ａを加熱および吸熱するサイクルを予め設定した時間間隔で予め設定した回数繰り返すように、ペルチェ素子１０に対し電流制御を実行する。
【００１９】
（温度制御装置の配置例）
次に、温度制御対象Ａを加熱制御する際の温度制御装置の配置構造の例を説明する。
本実施形態では、図３に示すように、上記説明した温度制御装置１，２を２組用意し、それぞれのヒートスプレッダ１２を対向するようにして基台４に取り付けられている。本実施形態では、２組の温度制御装置１，２を上下で対向させる場合で例示するが、横方向などで対向するように配置しても良い。
基台４は、上下で対向する底面部４ａと天井部４ｂと備え、更に底面部４ａと天井部４ｂとを繋いで連結する支持部４ｃを有する。
【００２０】
一方（下側）の温度制御装置１は、断熱材１４側を下方に向けた状態で、基台４の底面部４ａの上面に固定されている。
他方（上側）の温度制御装置２は、ねじ送り機構からなる加圧機構を介して天井部４ｂに支持されている。加圧機構は、他方の温度制御装置２を昇降（一方の温度制御装置１に接近・離脱）させる装置である。
加圧機構は、天井部４ｂに形成された雌ねじ部（不図示）に螺合する雄ねじ部３を備える。図３では、一つの雄ねじ部３だけが図示されているが、紙面直交方向に離隔して２本の雄ねじ部３が設けられている。そして、２本の雄ねじ部３の下端部に他方の温度制御装置２が取り付けられている。
【００２１】
なお、雄ねじ部３の軸回転に対して温度制御装置２が回転しないようにして、各雄ねじ部３の下端部を温度制御装置２に取付ける。雄ねじ部３にモータを接続しておき、制御部１００からの指令でモータを駆動して昇降するように構成しても良い。この場合、ロードセルなどの圧力センサを設けて、挟み込んだときの押し付け圧が所定値になるようにフィードバック制御などで昇降を調整するようにしても良い。
加圧機構は、図に示すねじ式以外でも、温度制御装置１と温度制御装置２で、温度制御対象Ａを適正に挟み込むことができる機構であればよい。例えば、モーターと歯車を組合わせたもの、モーターと歯車と無端ベルトを組合わせたもの、リンク機構を用いたもの、バネなどの弾性体を用いたもの、油圧、空気圧等の流体圧駆動のものが挙げられる。
【００２２】
そして、一方の温度制御装置１のヒートスプレッダ１２の上に温度制御対象Ａを載置し、加圧機構を操作して、上側に位置する他方の温度制御装置２を下降させて、図４のように、対向する２つのヒートスプレッダ１２で温度制御対象Ａを挟み込む。このとき、所定圧力で加圧するように、他方の温度制御装置２を下降させる。加圧状態とすることで、上下の温度制御装置１，２と温度制御対象Ａの間の接触熱抵抗を低減させた状態で温度制御が可能となる。
この状態で、制御部１００を作動して、上述の余熱、及び温度制御対象Ａに対する加熱および吸熱するサイクルを予め設定した回数繰り返すための電流制御を実施する。
【００２３】
（動作その他）
ここで、ペルチェ素子１０の吸加熱量Ｑは、ペルチェ素子１０への入力電流をＩｉｎ、ペルチェ素子１０の両面の温度差をΔＴとすると、下記の（１）式で表すことができる。
Ｑ  ＝  α・Ｉｉｎ  ＋（１／２）・Ｒ・Ｉｉｎ２  −Ｌ・ΔＴ  ・・・（１）
ここで、
α：ペルチェ係数
Ｒ：電気抵抗
１／Ｌ：熱抵抗（ペルチェ素子１０に固有の値）
である。
【００２４】
（１）式における、右辺の第１項は、ペルチェ素子１０の一方の面から他方の面へのペルチェ効果による熱移動量であり、第２項は、電流を流すことによるペルチェ素子１０自体からの発熱であり、第３項は、ペルチェ素子１０の両面の温度差に伴う熱伝導である。
本実施形態において、３つの項は比較し得る大きさとなり、これらの項の効果により温度制御対象Ａの温度が増減する。従来から、ペルチェ素子１０への入力電流Ｉｉｎは積極的に制御されてきたが、加熱と吸熱を繰り返す用途において、ペルチェ素子１０の両面の温度差ΔＴは積極的に制御されていなかった。
【００２５】
すなわち、図５（ａ）のように、汲み上げる温度差が大きいほど、ペルチェ素子１０に通電する電流を大電流とすることが必要となる。図５（ａ）は、空冷ヒートシンクを使用した場合を想定している。
これに対し、本実施形態では、ペルチェ素子１０の第２の面１０ｂに予熱した蓄熱材１５を配置することで、図５（ｂ）のように、ペルチェ両面の温度差を小さくすることが出来る。このため、温度制御のためにペルチェ素子１０に通電する電流を小さく出来ると共に、加熱、吸熱の際の温度変化の立上りを早くすることが出来る。またペルチェ素子１０への通電が小さい場合、ペルチェ素子１０が発生する熱もその分小さくなる。すなわち、温度制御中にペルチェ素子１０の両面の温度差が小さくなり、ペルチェ素子１０を少ない入力電力で駆動できることから、温度制御のためのエネルギー効率が上がる。
【００２６】
更に、本実施形態の温度制御装置では、蓄熱材１５として、制御温度範囲内に相変化温度が設定された潜熱式の蓄熱材１５を採用する。
この構成によれば、蓄熱材１５における一番蓄熱密度の良い温度範囲及びその近傍で、当該蓄熱材１５を使用出来るようになるため、装置を小型化できたり、蓄熱材１５への熱の吸収や放熱を、余裕の蓄熱容量を持って実行可能に設定したり出来る。
ここで、上述の特許文献１の方法では、液体循環式ヒートシンクの温度を変えるために、流す液体それぞれの温調機構と、液体を切り替える可動機構とが必要になり、構造が複雑かつ装置が大型となる。また、系全体を流れる液体を別に温度調整するため、エネルギー効率が低くなる。
【００２７】
また、本実施形態の温度制御装置によれば、従来の温度制御装置のペルチェ素子１０の放熱面に設置されていた大型のフィンとファンに代わりに潜熱式の蓄熱材１５を使用することで、装置の大きさを小型化できる。また、ファンなどの機械的な駆動部が無いため静音性に優れている。
また、蓋部１８に対し蓄熱材１５内に埋入する複数の突起部１９を備える。
突起部１９を設けることで、蓄熱材１５と蓋部１８（熱伝達部）との接触面積が増加することから、蓄熱材１５とペルチェ素子１０との間の熱の授受が迅速且つ効率的に実行可能となる。
【００２８】
また、突起部１９の蓄熱材１５への埋入量Ｌが、蓄熱材１５の深Ｄさの半分以上に設定されている。
この構成によれば、蓋部１８から離れた位置にある蓄熱材１５の部分とも効率良く熱交換が可能となり、より有効に蓄熱材１５の蓄熱容量を使用出来る。
また、蓄熱材１５を温度制御する前に予熱するための予熱ヒーター１３を備える。
この構成によれば、温度制御前に蓄熱材１５を、室温よりも高くして、制御温度範囲若しくはその近傍に加熱可能となる。これによって、上述のように、ペルチェ素子１０を少ない入力電力で駆動できるため、温度制御のためのエネルギー効率が上がる。
【００２９】
蓄熱材１５は、温度制御前に、相変化温度よりも低い温度に予熱、例えば制御温度範囲以下の温度に予熱される。予熱温度は、室温よりも高く、制御温度範囲の下限値近傍が好ましい。更には、温度制御終了後の蓄熱材１５の温度が、制御温度範囲に収まると推定される範囲で、制御温度範囲の下限値に近い温度に設定することが好ましい。
ここで発明者は、最初、蓄熱材１５の予熱温度を制御温度範囲の中央値に設定して実験を行った。このとき、サイクル数が所定以上の場合に、蓄熱材１５の温度が制御温度範囲よりも高くなっていくことが分かった。すなわち、通電によって発生するペルチェ素子１０からの熱によって、蓄熱材１５の温度がサイクル変動を伴いつつ徐々に高くなることが分かった。このため、予熱温度を、室温よりも高く且つ相変化温度よりも低い温度、好ましくは制御温度範囲の下限値より低い温度に設定した。
【００３０】
蓄熱材１５の具体的な予熱温度は、制御温度範囲と、サイクル数によって予め確認をして設定することができる。
このように、蓄熱材１５の初期温度を相変化温度以下に設定しておくことで、加熱、吸熱処理を行ううちに蓄熱材１５の温度は、その温度制御の時間の半分以上を制御温度範囲若しくはその近傍の温度となって、温度制御中にペルチェ素子１０の両面の温度差がより小さくなり、確実にペルチェ素子１０を少ない入力電力で駆動できるため、エネルギー効率が上がる。
【００３１】
蓄熱材１５の予熱温度を制御温度範囲内に設定しても良いが、制御温度範囲の下限値側に設定することが好ましい。
温度制御対象Ａを挟んで上記構成の温度制御装置１，２を一対使用する。
温度制御対象Ａに対し両側から温度調整することで、より反応良く温度制御対象Ａを温度制御することが可能となる。
ここで、一つの温度制御装置１で温度制御対象Ａを温度制御しても良い。例えば、図３の装置構成において、他方の温度制御装置２の代わりに、金属板や断熱材１４などの押付け板を加圧機構に取り付けて、その押付け板と一方の温度制御装置１で温度制御対象Ａを挟み込んで温度制御するような装置構成としても良い。
このような場合でも、温度制御時に機械的な駆動部が無いので、静音且つ装置の小型化が図れる。
【００３２】
また、２組の温度制御装置１，２のうちの一方の装置のヒートシンクとして、従来のような空冷式のヒートシンクを採用した装置構成としても良い。
蓄熱材１５には、放熱用の熱伝達体（側面部１７ａ）が接触している。
この構成によれば、蓄熱材１５からの放熱が促進することで、温度制御時の蓄熱材１５の温度上昇をその分、抑制することが可能となり、蓄熱材１５の予熱温度を制御温度範囲内若しくはその近傍に近づけることが出来る。フィン状の放熱板を、容器部１７の側面部１７ａに別途取り付けても良い。
【００３３】
以上のように、ペルチェ素子１０を用いて、加熱および吸熱を繰り返す温度制御装置に利用できる。特に、ＰＣＲ工程の後に増幅産物を４℃保存する必要がなく、温度設定の汎用性よりサイズや消費電力が優先される、全自動の遺伝子解析装置にも利用できる。
ここで、本実施形態の温度制御装置１，２は、ＰＣＲ用に特定されず、患者のベッド近傍での温度制御や、ワインセラーのように空冷ファンの振動除去の要請が高い状態での吸熱用途に好適である。
【実施例１】
【００３４】
以下、本発明の実施例について説明する。
＜第１の実施例＞
第１の実施例の温度制御装置として、実施形態で説明した装置（図４）に示す装置を使用した。また比較のために、比較例として、図６に示すような温度制御装置を使用した。比較例の温度制御装置は、蓄熱材ヒートシンク１１の代わりに、フィン及びファンからなる空冷式のヒートシンクを採用している。
温度制御対象Ａは、特許第５００３８４５号に記載の、内部に２３個の反応槽が設けられた遺伝子解析チップとした。遺伝子解析チップは、反応を阻害しないためにポリプロピレンで作製されており、直径７５ｍｍ、厚さ２ｍｍの円板状の外形をしており、各反応槽は円板の最外周部分に並んで設けられている。各反応槽は、略円柱状の形状となっている。ヒートスプレッダ１２は、それぞれの反応槽に等しく温度をかけるために、形状を遺伝子解析チップの外形に合わせて、熱伝導性の良いアルミ合金で作製した。
温度制御対象の温度は、任意の５つの反応槽に熱電対を差し込む穴をあけ、反応槽内に熱電対を設置し、各反応槽には生化学試験用の水を満たし、反応槽内の温度を記録した。【００３５】
（実施例の装置）
ペルチェ素子１０として、フェローテック社９５０１／２４２／１６０ＢＳを用いた。
蓄熱材１５としては、パラフィン（ＪＳＲ社Ｃａｌｇｒｉｐ）を用いた。この蓄熱材１５は、パラフィンの熱伝導率が０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低いため、伝熱促進のために、蓄熱材容器１６は、熱伝導率が３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高いタフピッチ銅合金で作製し、蓋部１８に、直径４ｍｍ、高さ１４ｍｍのピン（突起部１９）を７３本設けた。蓄熱材１５の相変化温度は、約７２℃である。
ここで、蓄熱材容器１６の外形サイズは、幅８０ｍｍ、奥行８０ｍｍ、深さ２０ｍｍである。蓄熱材容器１６と断熱材１４を合わせた高さは４１ｍｍである。この実施例は、ピンを断熱材１４の深さ方向に１４ｍｍ埋入した例である。【００３６】
（比較例の装置）
図６は、温度制御対象Ａをセットした状態における、比較例の温度制御装置の構成を示す概略断面図である。ペルチェ素子１０の放熱側（第２の面１０ｂ）には、空冷ヒートシンクが配置されている。空冷ヒートシンクは、フィン５１、ファン５２から構成されている。空冷ヒートシンクの高さは１１０ｍｍである。【００３７】
（温度制御方法）
実施例及び比較例ともに、それぞれの反応槽においてＰＣＲ増幅を行うための条件として、遺伝子解析チップに対して、所定時間間隔毎に９０℃への加熱と７０℃への吸熱を３０サイクル繰り返した。
すなわち、温度センサの検出値に基づきフィードバック制御によって、第２の温度センサの温度が９０℃となるよう加熱制御のための通電を実施し、所定時間経過後に、電流の向きを変更して、第２の温度センサの温度が７０℃となるように吸熱制御のための通電を実施した。これを３０サイクル繰り返した。
なお、蓄熱材１５の予熱は、制御温度範囲である７０℃〜９０℃の範囲より低めの６０℃とした。【００３８】
（温度制御結果）
図７は、上記の温度制御方法で、実施例の温度制御装置の駆動時における、ペルチェ素子１０への入力電力の時間変化と温度の時間変化とを表すグラフの一部である。
図８は、上記の温度制御方法で、比較例の温度制御装置の駆動時における、ペルチェ素子１０への入力電力の時間変化と温度の時間変化とを表すグラフの一部である。
また図７及び図８に電力が示されているが、温度上昇時と温度下降時では電流の向きが逆に制御されている。また、図７及び図８のグラフは、上下の温度制御装置への両方の蓄熱材の温度のグラフを重ねて記載しているが、ヒートスプレッダの温度については、グラフを分かり易くするため、上側の温度制御対象側の計測値を記載している。
温度制御対象の温度は、上記に示す測定を行った５つのウェルのうち、１つのウェル温度を代表として図７及び図８に記載している。【００３９】
図７と図８との比較から分かるように、制御温度を７０℃から９０℃に上昇させる際の、温度変化の立ち上がりが、比較例に比べて実施例の方が良いことが分かる。
実施例では、ヒートスプレッダの温度変化に追随して、温度制御対象（解析チップの反応槽内）の温度変化も良いことがわかる。
更に、同じ温度制御となるように電流制御を行っているにも係わらず、電力の波形が異なっており、実施例においては、蓄熱材ヒートシンク１１を予熱するために３７，０００Ｊのエネルギーが新たに必要になったが、加熱および吸熱を３０サイクル繰り返す工程において、比較例では、４２０，０００Ｊの電力が掛かっていたのに対し、実施例では１１０，０００Ｊの電力しか掛からず、合計の必要エネルギーは従来の３５％に低減されたことを確認した。【００４０】
ここで、ピンの高さが１４ｍｍの場合を例示したが、ピンの高さが１０ｍｍにしても同様の効果を得たことを確認している。
また、装置の寸法においても、実施例の装置構成は、比較例の装置構成に比べて、各温度制御装置の高さ方向の大きさが３７％削減されたにも関わらず、同等以上の温度制御が実現されていることが分かった。同等以上とは、比較のために最大±９Ａの電源にそろえた場合、実施例のほうが、比較例に比べて加熱速度が速いことを指す。
また上記実施例では、蓄熱材１５の相変化温度が約７２℃のものを使用したが、相変化温度が約６５℃の蓄熱材を使用しても、比較例に比べて上記と同様な有利な効果を奏することを確認している。【００４１】
＜第２の実施例＞
次に、第２の実施例について説明する。
（実施例の装置）
第１の実施例では、蓋部１８にピン（突起部１９）を設けた温度制御装置を使用する場合を示した。これに対し、第２の実施例の温度制御装置は、蓋部１８にピン（突起部１９）を設けず、代わりに蓄熱材１５の量を増やした点が、第１の実施例と異なる。その他は第１の実施例の装置と同じ構成とした。
すなわち、第２の実施例は、温度制御装置にピン（突起部１９）を設けない場合の実施例である。【００４２】
（温度制御方法）
また、第２の実施例では、本発明の装置に基づくＰＣＲ処理を２０サイクルで済むように、後述のように、一次処理を施してから、本発明に基づく温度制御（二次処理）を実施した場合を例示している。但し、二次処理におけるＰＣＲ処理の処理サイクル数を増加すれば、一次処理は不要である。【００４３】
［一次処理］
反応液を、表１記載の配列を含む表２に記載の組成となるように調整した。調整した反応液を９６穴プレートに入れ、リアルタイムＰＣＲシステム（Ｒｏｃｈｅ製、「ＬｉｇｈｔＣｙｃｌｅｒ」）にセットし、９５  ℃で２分間保持した。その後、９５  ℃，  １８秒間、６６  ℃，  ２０秒間の２ステップＰＣＲを４０サイクル行い、最後に９９  ℃，  ２分間の加熱により反応を終了させた。【００４４】
【表１】
2016117334.tif 000003
【００４５】
【表２】
2016117334.tif 000004
【００４６】
「二次処理」
次に、一次処理で得られた溶液を表３に記載の組成となるように調製した。
その調整後の溶液を、特許第５００３８４５号に記載の遺伝子解析チップに２６０μＬ送液して、卓上遠心機を利用して遠心を行って、各反応ウェルに溶液を送液し、本第２の実施例の温度制御装置で９３℃４５秒間、６２℃４５秒間の２ステップＰＣＲを２０サイクル行い、後述のように反応結果を確認した。
なお、この遺伝子解析チップには、表１の各プライマーと表２のＨａｗｋ  Ｔａｑが予め各反応ウェルに乾燥固化してある。
なお、約２００ｂｐの増幅産物を得られるように表１のプライマーを設計している。【００４７】
【表３】
2016117334.tif 000005
【００４８】
（温度制御効果）
図９は、第２の実施例の温度制御装置の駆動時における、ペルチェ素子１０への入力電力の時間変化と温度の時間変化とを表すグラフであり、図１０はその一部の拡大図である。
この第２の実施例においても、制御温度を上昇させる際の、温度変化の立ち上がりが良いことが分かる。
ここで、遺伝子解析チップにおける反応後の確認は、１２％ポリアクリルアミドゲル（モノアクリルアミド：ビスアクリルアミド＝１９：１）にて電気泳動を実施し、１ｘ  ＳＹＢＲ  Ｇｏｌｄで染色後、ＢＩＯ−ＲＡＤ社のＰｈａｒｏｓ  ＦＸにてイメージングで行った。結果を図１１に示す。【００４９】
図１１に示した第一レーン（左端のレーン）は、２０ｂｐラダーマーカー（ＴａＫａＲａ社）であり、第二レーン（中央のレーン）は前記ＰＣＲより得られた溶液を表３記載の組成に従い調整したものを用いて遺伝子解析チップ内にて更に増幅反応を行ったものである。なお、第三レーン（右端のレーン）は、ＰＣＲ処理をする前の溶液を表３記載の組成に従い調整したものである。
図１１から分かるように、第２の実施例においても、目的のバンド２００ｂｐ付近に増幅産物を得たことが確認されているため、目的としたものを増幅出来ていることが分かる。【００５０】
また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
以上、本願が優先権を主張する日本国特許出願２０１４−００６０１３（２０１４年１月１６日出願）の全内容はここに引用例として包含される。ここでは、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく各実施形態の改変は当業者にとって自明なことである。
【符号の説明】
【００５１】
１，２ 温度制御装置
４     基台
４ａ   底面部
４ｂ   天井部
４ｃ   支持部
１０   ペルチェ素子
１０ａ 第１の面
１０ｂ 第２の面
１１   蓄熱材ヒートシンク
１２   ヒートスプレッダ
１３   予熱ヒーター
１４   断熱材
１５   蓄熱材
１６   蓄熱材容器
１７   容器部
１７ａ 側面部（熱伝達体）
１８   蓋部（熱伝達部）
１９   突起部
５１   フィン
５２   ファン
１００ 制御部
１０１ 第２の温度センサ
１０２ ペルチェ制御部
１０３ 第１の温度センサ
１０４ ヒーター制御部
【図１】
2016117334.tif 000006
【図２】
2016117334.tif 000007
【図３】
2016117334.tif 000008
【図４】
2016117334.tif 000009
【図５】
2016117334.tif 000010
【図６】
2016117334.tif 000011
【図７】
2016117334.tif 000012
【図８】
2016117334.tif 000013
【図９】
2016117334.tif 000014
【図１０】
2016117334.tif 000015
【図１１】
2016117334.tif 000016
【配列表】
2016117334000001.app
【手続補正書】
【提出日】平成29年7月5日(2017.7.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
以上、本願が優先権を主張する日本国特許出願２０１５−００８６３３（２０１５年１月２０日出願）の全内容はここに引用例として包含される。ここでは、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく各実施形態の改変は当業者にとって自明なことである。
【国際調査報告】
2016117334.tif 000017
2016117334.tif 000018
2016117334.tif 000019
2016117334.tif 000020