JP6107016B2

JP6107016B2 - 温度制御装置

Info

Publication number: JP6107016B2
Application number: JP2012204702A
Authority: JP
Inventors: 展雄佐々木
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2032-09-18
Also published as: JP2014057541A

Description

本発明は温度制御装置に関する。特に、遺伝子増幅のためにペルチェ素子を用いて加熱と吸熱をくり返す温度制御装置に関する。

ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）を増幅させるための技術として、特許文献１が開示されている。特許文献１に開示されているＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）は、試薬と検体（ＤＮＡを含む水溶液）の混合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。

加熱・吸熱をくり返すＰＣＲ用の温度制御装置の例として、特許文献２が開示されている。特許文献２に記載の装置では、加熱・吸熱の手段としてペルチェ素子が採用されている。ペルチェ素子は、素子に与える電流の向きを変えることで加熱にも吸熱にも使用できるという長所をもつため、ＰＣＲ用の温度制御装置にしばしば搭載される。

また、集積回路のピーク電力を低減する手法として、特許文献３が開示されている。特許文献３に開示された技術は、集積回路が動作するタイミングを分散させることで、ピーク電力を低減している。

特公平４−６７９５７号公報米国特許第５４７５６１０号明細書特許第４４２８４８９号公報

しかしながら、特許文献２に記載の発明をはじめ、一般的なＰＣＲ用の温度制御装置は、消費電力について考慮されていない。ペルチェ素子は、比較的に大きな電流を必要とする。特に、加熱や吸熱の初期に定常時より大きな電流を必要とするため、高速に加熱・吸熱をくり返す場合には、非常に大きな電流を必要とする。

実験室で装置を使用する場合は、一般に電源容量が大きいため消費電力が問題になることはあまり多くなく、容量が不足する場合には増やすといった選択肢もあった。しかしながら、近年、遺伝子診断は実験室から臨床現場へと普及しつつあり、一般的な部屋の電力容量で対応できることがこれらの装置に求められている。

本発明は、消費電力を改善した温度制御装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、ＰＣＲ反応を行なう反応槽が設置される反応部と、前記反応部が取り付けられるヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダに設けられ電力の供給を受けて前記ヒートスプレッダを加熱・吸熱可能な複数の熱輸送素子と、前記複数の熱輸送素子に対して電力を供給する給電部と、を有し、前記複数の熱輸送素子は、前記給電部から電力の供給を受ける少なくとも１つの前記熱輸送素子を有する第一グループと、前記第一グループに含まれる前記熱輸送素子とは異なる少なくとも１つの前記熱輸送素子を有する第二グループと、を有し、前記第一グループに含まれる前記熱輸送素子と前記第二グループに含まれる前記熱輸送素子が１つの前記ヒートスプレッダに取り付けられ、前記給電部は、前記第一グループに対する給電のピーク電力と前記第二グループに対する給電のピーク電力とが重ならないように給電タイミングを調整するタイミング調整部を有することを特徴とする温度制御装置である。

また、前記第一グループは、前記熱輸送素子が２以上直列に接続されており、前記第二グループは、前記熱輸送素子が２以上直列に接続されていてもよい。

本発明の温度調整装置によれば、ピーク電力を低く抑えることができるので、消費電力を改善した温度制御装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の温度調整装置の一部を示す斜視図である。同温度調整装置における熱輸送素子の構成を示す図で、同温度調整装置を平面視した図である。同温度調整装置のブロック図である。同温度調整装置の使用時における第一グループと第二グループとの各々について、時間と消費電力との関係を重ねて示したグラフである。なお、図４において横軸は時間を示し、縦軸は消費電力の大きさを示す。同温度調整装置を使用し、第一グループと第二グループとを同時に駆動させた場合において、時間と消費電力との関係を重ねて示したグラフである。なお、図５において横軸は時間を示し、縦軸は消費電力の大きさを示す。

本発明の一実施形態の温度調整装置について説明する。図１は本実施形態の温度調整装置の一部を示す斜視図である。図２は、同温度調整装置における熱輸送素子の構成を示す図で、同温度調整装置を平面視した図である。図３は、温度調整装置のブロック図である。

図１ないし図３に示すように、温度調整装置１は、反応部２と、ヒートスプレッダ３と、熱輸送素子４と、ヒートシンク５と、給電部６とを備える。

反応部２は、ＰＣＲ反応を行なう反応槽１０が設置される部位であり、本実施形態ではヒートスプレッダ３の一部に設定されている。即ち、本実施形態では、反応槽１０がヒートスプレッダ３に接するように反応部２に反応槽１０が設置され、この反応槽１０が温度調整装置１による温度制御対象となっている。

温度調整装置１に適用される反応槽１０の構成は特に限定されないが、例えば、ＰＣＲ反応を行なう部位を有する公知のバイオチップ等を適宜採用することができる。

ヒートスプレッダ３は、熱伝導率の高い材料を有し、または熱輸送効率の高い部材を備えている。たとえば、ヒートスプレッダ３は、銅で形成されたブロックや、ヒートパイプを内蔵したアルミブロック等を有していてもよい。本実施形態では、ヒートスプレッダ３は、金属製の板状部材からなる。ヒートスプレッダ３には、反応部２の温度を測定するための温度センサ（不図示）が設けられている。温度センサは、給電部６における第一コントローラ７Ａ及び第二コントローラ７Ｂに、フィードバックループで接続されている。

熱輸送素子４は、ヒートスプレッダ３とヒートシンク５との間で熱輸送を行なう素子である。熱輸送素子４としては、例えばペルチェ素子を用いることができる。なお、熱輸送素子４としてペルチェ素子が採用された場合、ペルチェ素子に対して給電することにより、熱輸送が起こるとともに、素子の電気抵抗によって発熱する。すなわち、ペルチェ素子を用いてヒートスプレッダ３を加熱する場合には、ヒートシンク５側からヒートスプレッダ３側へと熱輸送をすることによってヒートスプレッダ３を加熱するとともに、ペルチェ素子に給電することによるペルチェ素子自身の発熱によってヒートスプレッダ３を加熱する。なお、ヒートスプレッダ３を冷却する場合には、加熱する場合と逆向きにペルチェ素子に給電しヒートスプレッダ３からヒートシンク５へ向かってペルチェ素子を介して熱輸送を行なう。

本実施形態では、熱輸送素子４は複数設けられている。例えば、図１及び図２に示すように、ヒートシンク５とヒートスプレッダ３との間に８個の熱輸送素子４が並べられている。図２に示すように、８個の熱輸送素子４は、ヒートスプレッダ３を板厚方向から見たときに反応部２を囲むように配置されている。

図２及び図３に示すように、８個の熱輸送素子４のうちの４つは、互いに直列に接続されており第一グループＧ１を構成している（図中において第一グループＧ１に属する熱輸送素子４には符号４Ａが付されている。）。また、８個の熱輸送素子４のうち第一グループＧ１に属していない４つは、互いに直列に接続されており第二グループＧ２を構成している（図中において第二グループＧ２に属する熱輸送素子４には符号４Ｂが付されている。）。第二グループＧ２に属する熱輸送素子４（４Ｂ）は、第一グループＧ１に属する２つの熱輸送素子４（４Ａ）の間に配されている。

図３に示すように、第一グループＧ１に属する熱輸送素子４（４Ａ）は、給電部６における第一コントローラ７Ａに接続されており、第一コントローラ７Ａにより給電状態が制御される。第二グループＧ２に属する熱輸送素子４（４Ｂ）は、給電部６における第二コントローラ７Ｂに接続されており、第二コントローラ７Ｂにより給電状態が制御される。

図１に示すように、ヒートシンク５は、熱輸送素子４においてヒートスプレッダ３に接する面と反対側の面に接している。ヒートシンク５は、熱伝導率の高い材料を有している。ヒートシンク５の形状は、熱交換効率を高めるために表面積が広い形状であることが好ましい。例えば、ヒートシンク５は、複数のフィンが取り付けられた、あるいは複数のフィンが一体成形された構造を有していてもよい。

図３に示すように、給電部６は、第一グループＧ１の熱輸送素子４を制御するための第一コントローラ７Ａと、第二グループＧ２の熱輸送素子４を制御するための第二コントローラ７Ｂと、第一コントローラ７Ａ及び第二コントローラ７Ｂに接続された制御マイコン８（タイミング調整部）とを備える。

第一コントローラ７Ａ及び第二コントローラ７Ｂは、温度センサを参照してヒートスプレッダ３上の反応部２の温度を取得し、反応部２の温度を制御目標温度と一致させるように給電状態を制御する。

制御マイコン８は、第一コントローラ７Ａを用いた第一グループＧ１への給電を開始してから所定時間後に第二コントローラ７Ｂを用いた第二グループＧ２への給電を開始するように第一コントローラ７Ａ及び第二コントローラ７Ｂを制御する。
熱輸送素子４としてペルチェ素子が採用されている場合、ペルチェ素子へ電力を供給する初期に、消費電力がピークに達する。制御マイコン８は、第一グループＧ１に属するペルチェ素子の消費電力がピークを過ぎた後に第二コントローラ７Ｂを駆動させる。これにより、第一グループＧ１に属するペルチェ素子の消費電力のピークと第二グループに属するペルチェ素子の消費電力とは時間的に分散される。
すなわち、制御マイコン８は、第一グループＧ１に対する給電のピーク電力と第二グループＧ２に対する給電のピーク電力とが重ならないように給電タイミングを調整する。

また、制御マイコン８は、ＰＣＲ等の熱サイクル反応のためのプロトコルを記憶可能であり、外部からの入力や設定に基づいて生成されたプロトコルに基づいて動作する。ＰＣＲ等の熱サイクル反応のためのプロトコルとは、例えば、加熱時間、加熱速度、冷却時間、及び冷却速度等である。

次に、本実施形態の温度調整装置１の作用について説明する。図４は、温度調整装置１の使用時における第一グループＧ１と第二グループＧ２との各々について、時間と消費電力との関係を重ねて示したグラフである。なお、図４において横軸は時間を示している。また、図４において縦軸は消費電力の大きさを模式的に示しており、消費電力のピークを１とした相対値である。図５は、温度調整装置１を使用し、第一グループＧ１と第二グループＧ２とを同時に駆動させた場合において、時間と消費電力との関係を重ねて示したグラフである。なお、図５において横軸は時間を示している。また、図５において縦軸は消費電力の大きさを模式的に示しており、消費電力のピークを１とした相対値である。

温度調整装置１は、例えば、ＰＣＲ反応のように、急激に温度を上下させる熱サイクル反応を行なう場合に使用される。一例を挙げると、ＰＣＲに必要な試薬及び被検体（以下、「試薬類」と称する。）を反応槽１０に収容して反応部２に設置し、反応部２に設置された試薬類に対して加熱や冷却を行なう。

例えば、ユーザは、ＰＣＲ反応をするために、給電部６に対してプロトコルを入力する。例えば、プロトコルは、パソコンにユーザが入力したプロトコルを給電部６に転送したり、規定のプロファイルを呼び出して給電部６に設定したりすることにより、給電部６における動作を規定するプロトコルとして給電部６に認識される。

一例を挙げると、例えば、ＰＣＲでは、９５℃３０秒、６８℃３０秒という組みを２５回繰り返すようにプロトコルを設定してよい。

これにより、第一コントローラ７Ａ及び第二コントローラ７Ｂにおける制御目標が決定される。なお、熱輸送素子４を制御するためには、例えば一般的なＰＩＤを用いてよい。

温度調整装置１において消費電力が最も高くなるのは、全工程のうち、ＰＣＲの熱サイクル工程（温度の上下を繰り返す工程）である。例えば、ＰＣＲ工程においては、熱輸送素子４を用いた加熱・吸熱をするために消費電力が数百ワットに達する場合があり、温度調整装置１における消費電量の最大値が１５００Ｗ程度に設定される場合がある。

なお、熱輸送素子４としてペルチェ素子が使用されている場合、給電されたペルチェ素子自身の発熱により消費される電力が必要であるので、ヒートスプレッダ３を冷却する工程では、ヒートスプレッダ３を加熱する工程よりも多くの電力を要する場合がある。

図４に示すように、本実施形態では、８つの熱輸送素子４が第一グループＧ１と第二グループＧ２とに分けられており、第一グループＧ１に含まれる熱輸送素子４への供給電力のピークと、第二グループＧ２に含まれる熱輸送素子４への供給電力のピークは互いに異なるタイミングで生じる。このため、８つの熱輸送素子４に対して同時に電力を供給した場合（図５参照）と比較して、供給電力のピークが低い。なお、第一グループＧ１及び第二グループＧ２ともに、消費電力がピークに達した後消費電力が低下しているが、この領域においても第一グループＧ１及び第二グループＧ２ともに熱輸送をしている。

例えば、本実施形態では、８つの熱輸送素子４を全て同時に動作させて上述のプロトコルを実行するとピーク電力は８つの熱輸送素子４のピーク電力の和となり、相対値として２となるが、第一グループＧ１と第二グループＧ２とに分けて動作させると、温度調整装置１全体としてのピーク電力は１．３を超えない。これは、第一グループＧ１と第二グループＧ２との各々の消費電力がピークとなるタイミングが分散されていることによる。

また、ＰＣＲでは、温度上昇速度や温度下降速度が高い方が感度の高い反応ができる。本実施形態では、第一グループＧ１に対する給電が開始された後第二グループＧ２に対して給電するまでのタイムラグが設定されており、温度上昇速度や温度下降速度が高められている。
例えば、熱輸送素子４にペルチェ素子が採用されている場合、ペルチェ素子に供給することができる電力の上限に近い電力を長時間かけると、ペルチェ素子による温度上昇速度や温度下降速度が鈍ってくる。
この点に対応して、第一グループＧ１に対する給電が開始された後第二グループＧ２に対して給電するまでのタイムラグの設定方法の一例としては、たとえば、第一グループＧ１に含まれる熱輸送素子４において温度上昇速度や温度下降速度が鈍る前に第一グループＧ１への供給電力を低下させ、その直後に第二グループＧ２へ電力を供給する。これにより、第一グループＧ１と第二グループＧ２とを同時に駆動させた場合と略同様の温度変化が得られるとともに、温度調整装置１全体としてのピーク電力は、第一グループＧ１におけるピーク電力と第二グループＧ２におけるピーク電力との単純和よりも低い。

以上説明したように、本実施形態の温度調整装置１によれば、２つのグループに分けられた熱輸送素子４を同時に用いた場合と略同様の急激な温度制御を可能としつつ、装置全体としてのピーク電力を低く抑えることができ、消費電力が改善される。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述の実施形態で説明した熱輸送素子に加えて、反応槽を間に挟んで前記熱輸送素子と反対側に他の熱輸送素子をさらに備え、これらの熱輸送素子によって反応槽を挟んでもよい。
また、熱輸送素子は８つのペルチェ素子には限られず、２つ以上のペルチェ素子であればよい。

１温度調整装置
２反応部
３ヒートスプレッダ
４熱輸送素子
５ヒートシンク
６給電部
７Ａ第一コントローラ
７Ｂ第二コントローラ
８制御マイコン（タイミング調整部）
１０反応槽

Claims

ＰＣＲ反応を行なう反応槽が設置される反応部と、
前記反応部が取り付けられるヒートスプレッダと、
前記ヒートスプレッダに設けられ電力の供給を受けて前記ヒートスプレッダを加熱・吸熱可能な複数の熱輸送素子と、
前記複数の熱輸送素子に対して電力を供給する給電部と、
を有し、
前記複数の熱輸送素子は、
前記給電部から電力の供給を受ける少なくとも１つの前記熱輸送素子を有する第一グループと、
前記第一グループに含まれる前記熱輸送素子とは異なる少なくとも１つの前記熱輸送素子を有する第二グループと、
を有し、
前記第一グループに含まれる前記熱輸送素子と前記第二グループに含まれる前記熱輸送素子が１つの前記ヒートスプレッダに取り付けられ、
前記給電部は、前記第一グループに対する給電のピーク電力と前記第二グループに対する給電のピーク電力とが重ならないように給電タイミングを調整するタイミング調整部を有する
ことを特徴とする温度制御装置。
請求項１に記載の温度制御装置であって、
前記第一グループは、前記熱輸送素子が２以上直列に接続されており、
前記第二グループは、前記熱輸送素子が２以上直列に接続されている
ことを特徴とする温度制御装置。