(57)【要約】【課題】熱接触面の精度に関係無く、低コスト、高速且つ低消費電力で実施可能な加熱冷却装置及びそれを用いた加熱冷却方法を提供する。【解決手段】加熱冷却装置２０は、処理対象物１を設けるための支持部２と、支持部２上に設けられた処理対象物１の表面に高温気流を吹きつける高温気流源９と、支持部２上に設けられた処理対象物１の表面に低温気流を吹きつける低温気流源１４とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象物に対して加熱と冷却とを交互に行う加熱冷却装置であって、
処理対象物を設けるための支持部と、
前記支持部上に設けられた処理対象物の表面に高温気流を吹きつける高温気流源と、
前記支持部上に設けられた処理対象物の表面に低温気流を吹きつける低温気流源と、
を備えた加熱冷却装置。
【請求項２】
前記高温気流を吹き付ける高温気流源が、蒸気を吹きつける蒸気発生器である請求項１に記載の加熱冷却装置。
【請求項３】
前記低温気流を吹き付ける低温気流源が、空気を吹きつけるブロアである請求項１又は２に記載の加熱冷却装置。
【請求項４】
前記高温気流源からの高温気流の吹きつけと、前記低温気流源からの低温気流の吹きつけとを所定の時間間隔で交互に切り替える制御部を備えた請求項１〜３のいずれかに記載の加熱冷却装置。
【請求項５】
前記支持部と、前記高温気流源及び冷温気流源との間に、高温気流及び低温気流の切り替え時に、高温気流及び低温気流の処理対象物への吹きつけを遮断するためのシャッタを備えた請求項１〜４のいずれかに記載の加熱冷却装置。
【請求項６】
前記処理対象物が医療用の微量液体入り小型チップである請求項１〜５のいずれかに記載の加熱冷却装置。
【請求項７】
処理対象物を設けた支持部を準備し、前記支持部上の処理対象物に、高温気流源からの高温気流と低温気流源からの低温気流とを交互に切り替えて吹きつける加熱冷却方法。
【請求項８】
前記高温気流を吹き付ける高温気流源が、蒸気を吹きつける蒸気発生器である請求項７に記載の加熱冷却方法。
【請求項９】
前記低温気流を吹き付ける低温気流源が、空気を吹きつけるブロアである請求項７又は８に記載の加熱冷却方法。
【請求項１０】
前記支持部を水平に設け、前記高温気流源からの高温気流と低温気流源からの低温気流とを前記支持部の表面へ吹き付ける請求項７〜９のいずれかに記載の加熱冷却方法。
【請求項１１】
前記支持部を垂直に設け、前記高温気流源からの高温気流と低温気流源からの低温気流とを前記支持部の表面へ吹き付ける請求項７〜９のいずれかに記載の加熱冷却方法。
【請求項１２】
前記支持部と、前記高温気流源及び冷温気流源との間にシャッタを設け、前記シャッタによって、高温気流及び低温気流の切り替え時に、高温気流及び低温気流の処理対象物への吹きつけを遮断する請求項７〜１１のいずれかに記載の加熱冷却方法。
【請求項１３】
前記処理対象物が医療用の微量液体入り小型チップである請求項７〜１２のいずれかに記載の加熱冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱冷却装置及びそれを用いた加熱冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
処理対象物に対して加熱と冷却とを交互に行うことで、所定の熱履歴を与え、当該処理対象物の特性の変化を観察する方法が知られている。このような方法を用いた加熱冷却試験として、例えば、微量液体が含有された医療検査用マイクロチップの加熱冷却試験がある。
【０００３】
図１に、当該加熱冷却試験に用いられる、従来の医療検査用マイクロチップの加熱冷却装置の模式図を示す。従来の加熱冷却装置は、数μＬ程度の微量反応液入りマイクロチップを載せた温度サイクルステージに、高温水を含む恒温容器及び低温水を含む恒温容器から、交互に切り替えスイッチで高温水及び低温水を供給することで、熱履歴を与えている。このような技術は、例えば特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２５０８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような構成では、高温水と低温水とを切り替える時間を短縮することが難しく、目標加熱温度や目標冷却温度に達するまでに時間がかかり、全体として温度サイクル時間の短縮が困難となっている。ここで、図１に示すような従来の加熱冷却装置では、加熱時間及び冷却時間は、それぞれ１０秒程度であり、繰り返し加熱に要する時間は合計で最短で４分が限界である。
さらに、処理対象物表面を均一に加熱、冷却するためには、温度サイクルステージと処理対象物との熱的な接触を確保する必要があり、温度サイクルステージと処理対象物との接触面を精度良く加工する必要があるため、量産時のコスト低減の障壁となっている。
【０００６】
また、加熱を電気ヒータで行う場合は、温度のオーバーシュートを無くすために指定温度付近で電流を徐々に下げる制御が必要となり、それだけ時間を要している。また、比較的大きな電力が加熱及び冷却に必要であり、外部電源或いは大容量の畜電池が必要となっている。さらに、プログラムを含め、手間のかかる機構設計が必要であり、例えば、熱サイクル機構のみで数十万円以上の原価がかかる等、コストの面でも問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、熱接触面の精度に関係無く、低コスト、高速且つ低消費電力で実施可能な加熱冷却装置及びそれを用いた加熱冷却方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明者らは鋭意研究を重ねたところ、加熱冷却に高温水及び低温水を用いる代わりに、高温気流源からの高温気流と低温気流源からの低温気流とを交互に切り替えて吹きつけることで、複雑な機構設計が不要となり、高速且つ低消費電力で処理対象物の加熱冷却を行うことが可能となることを見いだした。
【０００９】
以上の知見を基礎として完成した本発明は、一側面において、処理対象物に対して加熱と冷却とを交互に行う加熱冷却装置であって、処理対象物を設けるための支持部と、前記支持部上に設けられた処理対象物の表面に高温気流を吹きつける高温気流源と、前記支持部上に設けられた処理対象物の表面に低温気流を吹きつける低温気流源とを備えた加熱冷却装置である。
【００１０】
本発明に係る加熱冷却装置は一実施形態において、前記高温気流を吹き付ける高温気流源が、蒸気を吹きつける蒸気発生器である。
【００１１】
本発明に係る加熱冷却装置は別の一実施形態において、前記低温気流を吹き付ける低温気流源が、空気を吹きつけるブロアである。
【００１２】
本発明に係る加熱冷却装置は更に別の一実施形態において、前記高温気流源からの高温気流の吹きつけと、前記低温気流源からの低温気流の吹きつけとを所定の時間間隔で交互に切り替える制御部を備える。
【００１３】
本発明に係る加熱冷却装置は更に別の一実施形態において、前記支持部と、前記高温気流源及び冷温気流源との間に、高温気流及び低温気流の切り替え時に、高温気流及び低温気流の処理対象物への吹きつけを遮断するためのシャッタを備える。
【００１４】
本発明に係る加熱冷却装置は更に別の一実施形態において、前記処理対象物が医療用の微量液体入り小型チップである。
【００１５】
本発明は別の一側面において、処理対象物を設けた支持部を準備し、前記支持部上の処理対象物に、高温気流源からの高温気流と低温気流源からの低温気流とを交互に切り替えて吹きつける加熱冷却方法である。
【００１６】
本発明に係る加熱冷却方法は一実施形態において、前記高温気流を吹き付ける高温気流源が、蒸気を吹きつける蒸気発生器である。
【００１７】
本発明に係る加熱冷却方法は別の一実施形態において、前記低温気流を吹き付ける低温気流源が、空気を吹きつけるブロアである。
【００１８】
本発明に係る加熱冷却方法は更に別の一実施形態において、前記支持部を水平に設け、前記高温気流源からの高温気流と低温気流源からの低温気流とを前記支持部の表面へ吹き付ける。
【００１９】
本発明に係る加熱冷却方法は更に別の一実施形態において、前記支持部を垂直に設け、前記高温気流源からの高温気流と低温気流源からの低温気流とを前記支持部の表面へ吹き付ける。
【００２０】
本発明に係る加熱冷却方法は更に別の一実施形態において、前記支持部と、前記高温気流源及び冷温気流源との間にシャッタを設け、前記シャッタによって、高温気流及び低温気流の切り替え時に、高温気流及び低温気流の処理対象物への吹きつけを遮断する。
【００２１】
本発明に係る加熱冷却方法は更に別の一実施形態において、前記処理対象物が医療用の微量液体入り小型チップである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、熱接触面の精度に関係無く、低コスト、高速且つ低消費電力で実施可能な加熱冷却装置及びそれを用いた加熱冷却方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の加熱冷却装置の模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る加熱冷却装置の模式図である。
【図３】本実施形態の加熱冷却方法の熱履歴の例である。
【図４】実施例１の飽和水蒸気を石英チップに約１５秒間当てた際のチップ背面温度（中央部）の過渡変化を示すグラフである。
【図５】図４の加熱開始時の時間幅を拡大したグラフである。
【図６】図４の冷却時の時間幅を拡大したグラフである。
【図７】実施例１の加熱（飽和蒸気）と冷却（ファン）を１秒間隔で繰り返した際のチップ背面温度の時間変化を示すグラフである。
【図８】実施例１の加熱（飽和蒸気）と冷却（ファン）を３秒間隔で繰り返した際のチップ背面温度の時間変化を示すグラフである。
【図９】実施例１の加熱（飽和蒸気）と冷却（ファン）を５秒間隔で繰り返した際のチップ背面温度の時間変化を示すグラフである。
【図１０】実施例２のノズルから蒸気を水平に噴出させてマイクロチップ表面に吹き付けた場合における、チップ半径方向の温度分布の時間変化（ノズルからの距離１０ｍｍ）を示すグラフである。
【図１１】実施例２のノズルから蒸気を水平に噴出させてマイクロチップ表面に吹き付けた場合における、チップ半径方向の温度分布の時間変化（ノズルからの距離２０ｍｍ）を示すグラフである。
【図１２】実施例２のノズルから蒸気を水平に噴出させてマイクロチップ表面に吹き付けた場合における、チップ半径方向の温度分布の時間変化（ノズルからの距離３０ｍｍ）を示すグラフである。
【図１３】実施例２のノズルから蒸気を上向きに噴出させてマイクロチップ表面に吹き付けた場合における、チップ中心を通る半径方向の温度分布の時間変化（ノズルからの距離１０ｍｍ）を示すグラフである。
【図１４】実施例２のノズルから蒸気を上向きに噴出させてマイクロチップ表面に吹き付けた場合における、チップ中心を通る半径方向の温度分布の時間変化（ノズルからの距離２０ｍｍ）を示すグラフである。
【図１５】実施例２のノズルから蒸気を上向きに噴出させてマイクロチップ表面に吹き付けた場合における、チップ中心を通る半径方向の温度分布の時間変化（ノズルからの距離３０ｍｍ）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（加熱冷却装置の構成）
図２に、本発明の実施形態に係る加熱冷却装置２０の模式図を示す。加熱冷却装置２０は、処理対象物に対して加熱と冷却とを交互に行う装置であり、処理対象物としては特に限定しない。本実施形態では、処理対象物として、医療用検査用の微量液体入り小型チップ（マイクロチップ１）を採用する。マイクロチップ１は、医療用検査用の液体と反応せず、熱伝導性が良い等の点から、石英製のものが好ましい。また、形状についても特に限定されない。本実施形態では、マイクロチップ１は、直径１０ｍｍ程度、厚さ０．３ｍｍ程度の円板状に形成され、さらに断面が１００μｍ四方であるマイクロ流路が複数形成してある。このような形状にすることで、被験溶液の容積を複数の流路合計で数マイクロリットルとして、熱容量を大幅に削減している。
【００２５】
加熱冷却装置２０は、マイクロチップ１を設けるための支持板２（支持部）と、支持板２上に設けられたマイクロチップ１の表面に蒸気流８（高温気流）を吹きつける蒸気発生器９（高温気流源）と、支持板２上に設けられたマイクロチップ１の表面にエア流１３（低温気流）を吹きつけるブロア１４（低温気流源）とを備えている。加熱冷却装置２０は、蒸気発生器９に蒸気流８用の水を供給する不図示の水供給容器を備えている。蒸気発生器９には蒸気流８が吹き出される蒸気ノズル３が支持板２に対向するように設けられている。ブロア１４にはエア流１３が吹き出されるエアノズル４が支持板２に対向するように設けられている。蒸気ノズル３及びエアノズル４は、それぞれ例えば支持板２から１０〜３０ｍｍ程度（距離Ｘ１、距離Ｘ２）離間した位置に設ける。本実施形態では、高温気流として蒸気流を、低温気流として乾燥したエア（空気）を用いているが、所定の高温及び低温状態の気流であれば特にこれらに限定されない。また、本発明で「高温」及び「低温」とは、それぞれ互いに相対的な温度を意味しており、処理対象物に与えたい熱履歴によるが、典型的には、「高温」は８５〜９６℃を、「低温」は５７〜６５℃を示す。本発明の実施形態では、蒸気流８としては１００℃の飽和水蒸気を用いており、エア流１３としては常温の空気を用いている。
【００２６】
加熱冷却装置２０は、蒸気発生器９からの蒸気流８の吹きつけと、ブロア１４からのエア流１３の吹きつけとを所定の時間間隔で交互に切り替える制御盤１０（制御部）を備えている。制御盤１０は、乾電池、可搬畜電池、又は、交流外部電源等の電源１２から電力が供給されている。蒸気発生器９及びブロア１４は、それぞれ電線と通信線１１、１１’で制御盤１０に接続されており、これによって電力が与えられ且つ制御されている。
【００２７】
加熱冷却装置２０は、支持板２と、蒸気発生器９に設けられた蒸気ノズル３及びブロア１４に設けられたエアノズル４との間に、蒸気流８及びエア流１３の切り替え時に、蒸気流８及びエア流１３のマイクロチップ１への吹きつけを遮断するためのシャッタ５，５’を備えている。シャッタ５は、支持板２と、蒸気発生器９に設けられた蒸気ノズル３との間に設けられ、蒸気流８のマイクロチップ１への吹きつけを遮断する。シャッタ５’は、支持板２と、ブロア１４に設けられたエアノズル４との間に設けられ、エア流１３のマイクロチップ１への吹きつけを遮断する。シャッタ５，５’は、不図示の電線と通信線によって制御盤１０と接続に接続されており、これによって電力が与えられ且つ制御されている。シャッタ５，５’は、その開閉により、蒸気流８及びエア流１３のマイクロチップ１への吹きつけを瞬時に開始又は遮断することができる。特にブロア１４を止めるとき、「ダル」状態になって瞬時にエア流１３が止まらない場合等、シャッタ５，５’を用いることが好ましい。シャッタ５，５’の形成材料は、特に限定されないが、例えば低熱伝導性の材料が好ましく、テフロン（登録商標）板等で形成することができる。
【００２８】
支持板２上には、マイクロチップ１を囲むように短いパイプ状のフード６が設けられており、フード６の内側には熱電対７が取り付けられている。熱電対７は、マイクロチップ１に直接取り付けると、当該取り付け箇所の温度が低下して正確な温度測定が困難となるため、このようにフード６の内側のように、マイクロチップ１と離間した位置に取り付けるのが好ましい。
【００２９】
加熱冷却装置２０は、図２に示すように、支持板２を垂直に設け、蒸気発生器９からの蒸気流８とブロア１４からのエア流１３とを支持板２上のマイクロチップ１の表面へ吹き付ける構成とされているが、これに限らない。すなわち、支持板２を水平に設け、蒸気発生器９からの蒸気流８とブロア１４からのエア流１３とを支持板２上のマイクロチップ１の表面へ吹き付ける構成としてもよい。このとき、蒸気流８とエア流１３とを支持板２上のマイクロチップ１の表面へ、上側から吹き付ける構成としても良く、下側から吹き付ける構成としても良い。このような構成によれば、支持板２を垂直に設けた場合と比べて、蒸気流８及びエア流１３と、支持板２との距離が大きくなってもマイクロチップ１の温度の降下が起こり難くなるため好ましい。
【００３０】
（加熱冷却方法）
次に、本発明の実施形態に係る加熱冷却装置２０を用いた、医療用検査用の微量液体入り小型チップ（マイクロチップ１）の加熱冷却方法について説明する。図３は、本実施形態の加熱冷却方法の熱履歴の例を示す。
【００３１】
（１）まず、マイクロチップ１を支持板２のフード６に囲まれた部位に設置する。また、蒸気ノズル３とマイクロチップ１との間に設けられたシャッタ５を閉じた状態にし、エアノズル４とマイクロチップ１との間に設けられたシャッタ５’を開いた状態にしておく。
（２）次に、蒸気発生器９を起動し、シャッタ５’を閉じ、シャッタ５を開いて、所定時間（ｔ１）だけ蒸気流８をマイクロチップ１へ吹き付ける。このときの蒸気流温度（Ｔ２）を熱電対７で測定する。
（３）所定時間（ｔ１）経過後、シャッタ５を閉じ、シャッタ５’を開いて、所定時間（ｔ２）だけエア流１３をマイクロチップ１へ吹き付ける。このときのマイクロチップ温度（Ｔ１）を熱電対７で測定する。ここで、マイクロチップは、熱容量が小さいため直接熱電対７でその温度を測定すると、熱が逃げてしまい正確な温度測定が困難となる。このため、マイクロチップ背面に黒体スプレー等を薄く塗布し、表面に蒸気を吹き付けて加熱した際の背面温度を赤外線サーモグラフィー等を用いて非接触で測定し、熱電対７の温度との相関をとった値をマイクロチップ温度（Ｔ１）とする。
（４）このパルス状の動作をＮ回繰り返した後、マイクロチップ１を交換する。このとき、マイクロチップ交換装置により交換しても良い。
これら（１）〜（４）の操作を、順に各マイクロチップ１に対して次々に行う。
【００３２】
蒸気流８は、マイクロチップ１の表面に到達すると、直ちに凝縮して微細な水滴となり、熱容量の小さいマイクロチップ１を温度Ｔ２まで急速に加熱昇温し、維持する。なお、マイクロチップ１を蒸気発生器９から距離Ｘ１だけ離間した位置に設けると、随伴流１５により１００℃以下の任意の蒸気温度で加熱でき、湿り空気として微細な液滴を多量に吹き付けることができる。
【００３３】
所定時間（ｔ１）後に、乾燥したエア流１３を吹き付けると、凝縮した微細な水滴が蒸発してマイクロチップ１を温度Ｔ１まで冷却し、維持する。乾燥空気による冷却過程では、マイクロチップ１の表面の微細な液滴を急速に蒸発させることができるため、瞬時に冷却でき、距離Ｘ２、冷却時間ｔ２を調整することで、任意の目標温度まで冷却できる。また、冷却するべき温度に応じて、乾燥空気を加熱することでも任意の目標温度まで冷却できる。このように、温度Ｔ１、Ｔ２に対して、時間ｔ１、ｔ２と距離Ｘ１、Ｘ２を事前に調整することで、加熱冷却条件を任意に調整することができる。例えば、距離Ｘ１を調整することで、随伴流１５の量が変化し、マイクロチップ１に到達する蒸気流８の温度Ｔ２を変更することができる。また、距離Ｘ２を調整することで、エア流１３の流速を変えることができ、これによって温度Ｔ１を変更することができる。冷却温度Ｔ１を変更するために冷却時間ｔ２を変更してもよい。
【００３４】
ブロア１４や蒸気発生器９は、短時間で噴出、停止が可能であるが、決められたタイミングで瞬時に加熱及び冷却を開始及び停止する手段として、シャッタ５，５’が有効である。
【００３５】
制御盤１０では設定温度と設定時間を制御するが、熱電対７の温度はフィードバックさせて時間ｔ１、ｔ２を制御することで、温度Ｔ１、Ｔ２のパターンが崩れるのを防ぐことができる。
【００３６】
加熱温度Ｔ２に対して冷却温度Ｔ１がかなり低い場合には、エア流１３の湿度を低くするのが有効であるため、乾燥材をブロア１４のエア吸入側に取り付けることができる。
【００３７】
マイクロチップ１と蒸気ノズル３とエアノズル４とを閉空間に収める構成とすると、外部から乾燥空気をブロア１４で導入して閉空間を低湿度で保つことができる。このため、蒸気流８を冷却する随伴流１５の効果の減少が抑制されるため好ましい。
【００３８】
従来の加熱冷却装置は大電力が必要であり、外部電源に接続することが一般的であるが、本発明によれば加熱時間が短くなり、乾電池或いは可搬型畜電池を電源１２とすることができる。これにより、装置を可搬可能にすることができ、試験室以外や特に屋外での使用が可能となる。処理対象物を本実施形態のように、石英製のマイクロチップとすることで、熱容量を小さくすると、このような効果がさらに高まる。また、本発明によれば、加熱冷却装置の構成が簡易となり、小型で安価となる。
【００３９】
（最終製品の仕様例）
限定されるものではないが、本発明の加熱冷却装置２０及びそれを用いた加熱冷却方法の最終製品における一仕様例を以下に示す。
（ａ）厚さ０．３ｍｍ、直径１０．４ｍｍの円板状石英マイクロチップに熱サイクルを与える機構とする。
（ｂ）熱サイクルは、９４℃×１秒間、６５℃×１秒間の２温度のサイクルとし、９４℃から６５℃への冷却時間と６５℃から９４℃への加熱時間もそれぞれ１秒以内とする。
（ｃ）熱サイクルは、オーバーシュートすること無く、３５サイクル行い、全サイクルを１４０秒以内で終了する。
（ｄ）熱サイクル中のマイクロチップ内の温度精度及び温度分布は、いずれも０．５℃以内に制御されている。
（ｅ）熱サイクル機構は１．５Ｖの乾電池で駆動できる。
（ｆ）熱サイクル機構の製造原価が２０１２年時点において５０００円以下となる構成とする。
【実施例】
【００４０】
次に、本発明に係る実施例を以下に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４１】
（実施例１）
図２に示す構成の加熱冷却装置を用いて、円板状の石英チップ（厚さ０．３ｍｍ、直径１０．４ｍｍ）の加熱冷却試験を行い、以下の項目を評価した。
（Ａ）室温の石英チップに飽和蒸気を当てた際のチップ背面温度の過渡変化
（Ｂ）加熱を停止した際の自然空冷におけるチップ背面温度の過渡変化
（Ｃ）加熱を停止すると同時に加熱面をファン（ブロア）で冷却した際のチップ背面温度の過渡変化
（Ｄ）加熱と冷却（ファン有り）を１秒、３秒、５秒間隔で繰り返し行った際の温度の過渡変化
【００４２】
石英チップ背面には黒体スプレー（放射率０．９４）を厚さ０．０５７ｍｍとなるように薄く塗布し、表面に蒸気を吹き付けて加熱した際の背面温度を、赤外線サーモグラフィー（ＦＬＩＲ Ｔ２５０、フレームタイム：９Ｈｚ）を用いて測定した。
中央に直径９．８ｍｍの孔を設けた厚さ１ｍｍのテフロン（登録商標）シート２枚で石英チップの縁を挟み、垂直に固定し、チップから１５ｍｍ離れた位置に本蒸気発生器のノズル（内径４ｍｍ）を配置して水平方向に蒸気を噴射し、石英チップを加熱した。
本蒸気発生器は加熱量を抑えても過熱度をもった蒸気が発生する傾向にあるため、飽和蒸気を噴出させる場合には、水を含んだガーゼをノズルに巻いて出口温度を下げ、直径０．１ｍｍの極細熱電対を用いて、ノズル出口より流出する蒸気が飽和温度になっていることを確認した上で試験を行った。
蒸気による加熱とファンからのエアによる冷却を交互に繰り返すとき、加熱の際はエアの吹き出し口を石英チップと別方向に向け、冷却のときは蒸気ノズルの前方にテフロン（登録商標）板（８０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍ）をシャッタとして設け、蒸気が石英チップに当たらないようにしながら、石英チップから５０ｍｍ離間した位置から送風して冷却した。
【００４３】
図４に飽和水蒸気を石英チップに約１５秒間当てた際のチップ背面温度（中央部）の過渡変化を示す。図５は加熱開始時の時間幅を拡大したグラフである。図６は冷却時の時間幅を拡大したグラフである。
加熱開始後（蒸気噴出後）約０．３秒でチップ背面は８０℃以上まで昇温されていること、加熱中は９０〜９２℃（ファン有り）を保ち、加熱停止後は６５℃まで約２秒で降下していることがわかる。迅速な昇温は蒸気の凝縮による加熱、迅速な降温は凝縮液滴の蒸発によるものと考えられる。なお、加熱中の温度が飽和温度より１０℃程度低いのは、チップ背面からの放熱によるものと考えられる。
【００４４】
図７は加熱（飽和蒸気）と冷却（ファン）を１秒間隔で、図８は３秒間隔、図９は５秒間隔で繰り返した際のチップ背面温度の時間変化の試験結果を示す。
いずれも温度幅約４０℃で上下を繰り返していることがわかる。試験結果では、高温部及び低温部でそれぞれ安定した時間が少ないが、これは高温及び低温の蒸気又はエアを所定時間適切に吹き付けること、その吹きつけ速度を調整すること等により調整することが可能である。
【００４５】
（実施例２）
ノズルから石英チップまでの距離と、ノズルからの蒸気の噴出方向は、蒸気を当てた際のチップ面内の温度の均一性に影響を与えることが予想される。そこで、図２に示す構成の加熱冷却装置を用いて、円板状の石英チップ（厚さ０．３ｍｍ、直径１０．４ｍｍ）の加熱冷却試験を行い、以下の項目を放射温度計（サーモグラフィ）を用いて評価した。
（Ｅ）ノズルから蒸気を水平に吹き付け、チップまでの距離を変化させたときのチップ背面温度分布の時間変化
（Ｆ）ノズルから蒸気を上向きに吹き付け、チップまでの距離を変化させたときのチップ背面温度分布の時間変化
【００４６】
〔ノズルから蒸気を水平に噴出させてマイクロチップ表面に吹き付けた場合〕
マイクロチップに対して、ノズルを、上下方向ではなく、側方に設けた構成の加熱冷却装置を準備した。この場合、飽和蒸気がノズルから水平に噴出され、マイクロチップ表面に吹き付けられる。
蒸気発生器を用いて、飽和蒸気をノズル（内径３．５ｍｍ）から水平に噴出させ（加熱量２００Ｗ）、ノズルからチップまでの距離を１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍとし、チップ面（直径１０ｍｍ）に垂直に衝突させた際の、チップ半径方向の温度分布の時間変化（測定間隔Δｔ＝約０．１６５秒（６Ｈｚ））を、それぞれ図１０〜１２に示す。ここで、ｘはチップ上端から中心を通り、下向きにとった座標を表す。また、各図において、温度変化を示す複数の曲線は、それぞれ下側から上側へと順に、約０．１６５秒毎の変化を表している。
図１０より、距離１０ｍｍでは、チップ温度は加熱開始後、約０．５秒で最終到達温度に近づき、半径４ｍｍ以内の範囲では到達温度は比較的一様になっていることがわかる。なお、ｘ＝５ｍｍ付近の温度の凹凸はチップ中央に貫通孔があるため（直径約０．３ｍｍ、黒体スプレー塗料が付着していない）と考えられ、チップの端部（ｘ＜１ｍｍとｘ＞９ｍｍ）で温度が顕著に低下しているのは、チップ固定用テフロン（登録商標）板（全周を挟んで固定する治具）に熱が逃げたためと考えられる。チップの上方（ｘ＜５ｍｍ）と下方（ｘ＞５ｍｍ）における温度の非対称性は到達温度においては比較的小さいことがわかる。図１１及び１２より、ノズルからの距離が２０ｍｍ、３０ｍｍと離れるにつれて、温度上昇速度、最終到達温度とも顕著に低下し、また周縁部の温度降下が顕著になってチップ面内に大きな温度分布が生じた。チップの下端の方が上端より温度が低いのは、蒸気流がチップに衝突する前に浮力により上昇しようとするためと考えられる。
【００４７】
〔ノズルから蒸気を上向きに噴出させてマイクロチップ表面に吹き付けた場合〕
マイクロチップに対して、ノズルを下方に設けた構成の加熱冷却装置を準備した。この場合、飽和蒸気がノズルから上向きに噴出され、マイクロチップ表面に吹き付けられる。
飽和蒸気をノズルから上向きに噴出させ（加熱量２００Ｗ）、ノズルから１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍの位置に水平に固定したチップ面に蒸気を衝突させた際の、チップ中心を通る半径方向の温度分布の時間変化（測定間隔Δｔ＝約０．１６５秒（６Ｈｚ））を、それぞれ図１３〜１５に示す。また、各図において、温度変化を示す複数の曲線は、それぞれ下側から上側へと順に、約０．１６５秒毎の変化を表している。鉛直上向きに蒸気を噴出してチップに当てた方が、水平噴出の場合に比べてノズルからの距離が大きくなっても温度の降下が起こり難かった。なお、端部の温度降下が著しいが、これは、ノズルとチップとの中心軸がずれていたか、或いは僅かなチップの傾斜のために蒸気の衝突後の流れが軸対象からずれたことも原因として考えられる。また、テフロン（登録商標）治具で囲まれたチップ下面付近に蒸気（空気との混合気）が衝突し、蒸気の凝縮後に残った空気が溜まり、新鮮な蒸気がチップに当たることが妨げられることも影響している可能性がある。
【符号の説明】
【００４８】
１  マイクロチップ
２  支持板
３  蒸気ノズル
４  エアノズル
５，５’  シャッタ
６  フード
７  熱電対
８  蒸気流
９  蒸気発生器
１０  制御盤
１１，１１’  電線と通信線
１２  電源
１３  エア流
１４  ブロア
１５  随伴流
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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