JP6609702B2

JP6609702B2 - 保冷加温装置、及び分析装置

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Publication number: JP6609702B2
Application number: JP2018524617A
Authority: JP
Inventors: 忠雄藪原; 輝美田村; 洋渡辺
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2036-06-28
Also published as: JPWO2018003009A1; WO2018003009A1; US11209197B2; CN109477679A; CN109477679B; US20200182518A1; DE112016006885T5

Description

本発明は、保冷加温装置、及びそれを利用する分析装置に係り、特に簡単な構造でコスト低減が可能な保冷加温装置技術に関する。

保冷加温装置の冷却および加熱に用いる構成要素は、ヒートポンプ、ヒータ、ペルチェ、コンプレッサーなどが一般的である。また、装置内に冷却室と加温室などがあり、それぞれを同時に冷却・加熱する場合、上記構成要素を２つ使用する必要がある。つまり、１つの構成要素のみで２つの領域をそれぞれ冷却および加熱を行う装置はない。

冷却および加温を同時に行う装置としては、特許文献１に冷却用ヒートポンプおよび加温用ヒートポンプ、シーズヒータを用いる冷却加温装置が開示されている。特許文献１では、空気の流れ方向に沿って、上流側から冷却用ヒートポンプの凝集器、冷却用ヒートポンプの圧縮機、加温用ヒートポンプ蒸発器の順に配置することにより、冷却用ヒートポンプの凝縮器の排熱で加温された空気が、冷却用ヒートポンプの圧縮機に接触することでさらに加温され、この加温空気が加温用ヒートポンプの蒸発器へ導入されることにより、蒸発器での蒸発温度をより上昇させることができて加温用ヒートポンプの熱効率を向上させることができる構成となっている。

また、特許文献２には、冷却用ペルチェおよび加温用ペルチェを用いるインキュベータが開示されている。加熱ブロックを加熱する第１のペルチェ素子と、吸熱面によって前記冷却ブロックを冷却する第２のペルチェ素子と、第１のペルチェ素子の吸熱面と第２のペルチェ素子の放熱面を接続する熱伝導性の接続部材とを設けており、第２のペルチェ素子の放熱面から生じる熱エネルギーを第１のペルチェ素子の吸熱面にて回収して加熱ブロックの加熱に利用することで、効率向上・耐久性向上を図っている。

特開２００９−２２３８３８号公報特開２０００−２７０８３７号公報

上述した特許文献１は、冷却用と加温用にそれぞれ独立した温度調整用の構成要素を２系統配置し、冷却用ヒートポンプの発熱を加温用ヒートポンプの熱効率向上に転用している。温度設定の異なる２つのエリアを有し、それらに対して冷却および加温を同時に行う場合、一般的にこのような方式を使用するが、温度制御のための構成要素が複数必要となるため、コストが増大し、装置サイズも大きくなる。

特許文献２では、一つの装置内に冷却部と加熱部の異なる温度設定領域（冷却ブロック、加熱ブロック）を有している。温度調整用の構成要素はペルチェ素子であり、加熱用ペルチェ素子の吸熱面と冷却用ペルチェ素子の放熱面を熱伝導性接続部材で接続することで、全体としての効率向上が図られる。しかし、ペルチェ素子を２つ使用し、それぞれのペルチェ素子毎に冷却あるいは加温の温度制御が必要となるため、特許文献１と同様に、温度制御のための機械要素が複数必要となり、コストが増大し、装置サイズも大きくなる。

本発明の目的は、上記の課題を解決するため、温度設定の保冷部と加温部を有する装置に対し、ペルチェ素子１つで保冷および加温が可能で、かつ低コストの保冷加温装置を提供すること、及びそれを利用した分析装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においては、保冷庫と、保冷庫内に冷気を供給するペルチェ式冷却機と、ペルチェ放熱用の放熱部材と、放熱部材を空冷するためのファンと、ファンおよび放熱部材からの廃熱が通過する流路内に設けられ、加温対象を設置可能な設置部とを備え、設置部に加温対象を設置して加温する構成の保冷加温装置を提供する。

また、上記の目的を達成するため、保冷庫と、保冷庫内に冷気を供給するペルチェ式冷却機と、ペルチェ放熱用の放熱部材と、放熱部材を空冷するためのファンと、ファンおよび放熱部材からの廃熱の温度を測定する温度測定部と、加温対象を設置可能な設置部と、設置部に設置される加温対象と廃熱との熱交換が可能な排気ルート、廃熱と加温対象との熱交換を行わない排気ルートを切換える流路切換え部とを備え、流路切換え部は、温度測定部の測定結果に基づき、二つの排気ルートを切換える構成の保冷加温装置を提供する。

また、上記の目的を達成するため、熱源として実質的に単一のペルチェ素子を使用し、ペルチェ素子の吸熱部と保冷部を直接または間接的に接合し、ペルチェ素子の発熱部と加温対象の設置部を直接または間接的に接合する保冷加温装置を提供する。また、前記保冷加温装置は、保冷部の温度が所望の温度になるようにペルチェ素子を制御し、ペルチェ素子の発熱部に、フィン等の放熱部材を設け、空冷用ファンにより、廃熱を排気ダクトを介して加温対象の設置部に伝達してもよい。なお、前記保冷加温装置は、排気ダクト内に温度センサ、排気ダクトを通り保温対象の設置部に伝達する流量を０から１００％の間で調整する流量調整機構、複数の保温対象の設置部を設けてもよい。

更に、上記の目的を達成するため、これらの保冷加温装置を搭載した分析装置であって、保冷庫で保冷試薬を保冷し、設置部に保温試薬を設置する構成の分析装置を提供する。

本発明によれば、ペルチェ１つで保冷および加温が可能で、かつ低コストの保冷加温装置を提供することができる。

実施例１に係る、保冷加温装置の一構成例を示す図である。実施例１に係る、保冷加温装置の変形例を示す図である。実施例１に係る、保冷加温装置の廃熱の流路例を示す図である。実施例１に係る、保冷加温装置の室温と廃熱―室温との関係を示す図である。実施例２に係る、保冷加温装置の一構成例を示す図である。実施例２に係る、保冷加温装置の流路切換え部の構成例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の種々の実施例を詳細に説明する。

実施例１は、保冷庫と、保冷庫内に冷気を供給するペルチェ式冷却機と、ペルチェ放熱用の放熱部材と、放熱部材を空冷するためのファンと、ファンおよび放熱部材からの廃熱が通過する流路内に設置される、加温対象を設置可能な設置部とを備え、設置部に加温対象を設置して加温する保冷加温装置の実施例である。

図１は、実施例１に係る保冷加温装置の一構成例を示す図である。図１に示すように、本実施例に係る保冷加温装置２１は、制御部１８、保冷部１９、加温部２０を含んで構成される。図1の（ａ）は熱伝達および熱伝導を利用した保冷加温装置であり、図１の（ｂ）は熱伝導を利用した保冷加温装置である
図１の（ａ）において、保冷部１９は、ペルチェ式冷却機を構成するペルチェ１、保冷庫１１、保冷庫の扉１２、温度測定部１３、カバー１４、ファン１５、および冷却部材１６で、加温部２０は、ファン２、ペルチェ放熱用の放熱部材３、排気ダクト４、加温対象の設置部５、およびファン７で構成される。ここで、温度測定部１３は、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体、集積回路（ＩＣ）温度センサなどを用いる。

本実施例に係る保冷加温装置２１における冷却は、保冷庫１１内の温度測定部１３の温度が５℃±２℃以内となるよう、制御部１８からペルチェ１に流す電流あるいは電圧を制御することで実行される。ペルチェ１が冷却制御を開始すると、冷却部材１６の温度が低下し、放熱部材３の温度が上昇する。冷却部１９は、ファン１５により保冷庫１１内の空気１７を循環させ、保冷庫１１内の温度を冷却・保冷する。なお、保冷庫１１内へのアクセスは、保冷庫の扉１２によりおこなう。

また、ペルチェ１の冷却効率は、吸熱面と放熱面の温度差（Δt）が小さいほど良いため、ファン２により放熱部材３を空冷する。ファン２により、吸引された空気８は、放熱部材の熱を吸収し、廃熱９となり、その流路となる排気ダクト４を介して、流路上に設置される加温対象の設置部５へ供給され、加温対象６を加温する。加温対象６によりエネルギーを奪われた廃熱９は廃熱１０となり、保冷加温装置外へ排出される。なお、図１に示した構成には、ファン２およびファン７を２つ記載しているが、どちらか一方だけの設置でも良い。

図１の（ｂ）に示した熱伝導を利用した保冷加温装置の構成においては、ペルチェ１と保冷庫１１を接触させ、熱伝導により保冷庫内を冷却・保冷する。他の構成は、図１の（ａ）の構成と同様であり、保冷庫１１内の温度測定部１３の温度が５℃±２℃以内となるよう、制御部１８からペルチェ１に流す電流あるいは電圧を制御する。

図２に実施例１の保冷加温装置の変形例の構成を示す。図２の（ａ）において、特定の出口から廃熱１０を排出するため、加温対象の設置部５の下流に、流路となる排気ダクト２０１を更に備える。図２の（ｂ）においては、加温対象の設置場所５の下流に排気ダクト２０１に加えて、加温対象の設置場所２０２、加温対象２０３を更に備える。

図２の（ａ）、（ｂ）に示す変形例の構成のように、図１の保冷加温装置の構成において、排気ダクトおよび加温対象の設置場所、加温対象が２つ以上あっても良い。

図３は、本実施例における保冷加温装置の廃熱の流路の構成例を示す図である。図３の（ａ）、（ｂ）は、排気ダクト４、加温対象の設置部５、加温対象６、排気ダクト２０１の平面図を示し、図３の（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、排気ダクト４、加温対象の設置部５、加温対象６、排気ダクト２０１の鉛直断面図を示す。

図３の（ａ）において、流路となる排気ダクト４および排気ダクト２０１の位置関係が直線上、すなわち０°となり、加温対象６に廃熱９を積極的に接触させ、熱交換を行う。図３の（ｂ）は、流路となる排気ダクト４および排気ダクト２０１を直角、すなわち９０°の位置に配置する。以上の構成例では、０°と９０°の位置を示したが、０〜１８０°の好きな位置で接続をしても良い。

図３の（ｃ）は、流路となる排気ダクト４および排気ダクト２０１を重力方向に直線状に配置する。加温対象６は、加温対象の設置部５の側面から設置し、宙に浮いた状態となる。ただし、加温対象６が排気ダクト２０１の通気口をふさがない範囲であれば、加温対象の設置部５の底面に加温対象６を設置しても良い。図３の（ｄ）は、排気ダクト４が加温対象の設置部５の上面に接続され、排気ダクト２０１が加温対象の設置部５の側面に接続される。加温対象6は、加温対象の設置部５の側面から設置され、加温対象６は宙に浮いた状態、あるいは加温対象の設置部５の底面に接した状態とする。なお、加温対象の設置部５の底面に穴を開けておき、加温対象の設置部５の底面の下方から、加温対象６を設置するよう構成しても良い。

図３の（ｅ）は、排気ダクト４が加温対象の設置部５の側面に接続され、排気ダクト２０１が加温対象の設置部５の下面に接続される。加温対象６は、加温対象の設置部５の側面から設置し、宙に浮いた状態となる。ただし、加温対象６が排気ダクト２０１の通気孔をふさがない範囲であれば、加温対象の設置部５の底面に加温対象６を設置しても良い。図３の（ｅ）では、加温対象６が加温対象の設置部５内に設置されているが、加温対象の設置部５の上面に穴が開いており、加温対象６が加温対象の設置部５の上面の穴から飛び出した状態となる構成であっても良い。この場合、加温対象６の設置は加温対象の設置部５の上面の穴からアクセスが可能となる。

図４は、本実施例の保冷加温装置の構成において、室温と廃熱−室温との関係の一例を示すグラフである。この廃熱の温度は、放熱部材３の下流の廃熱９の温度を測定したものである。同図の横軸が室温（℃）を示し、縦軸が廃熱−室温（℃）の関係を示す。なお、図４のデータは保冷庫の冷却制御が定常状態時のデータである。室温１８〜２５℃の環境下で、室温＋約２．６℃の廃熱を供給可能である。

図４に示したデータでは、室温＋約２．６℃の廃熱となったが、放熱部材３の形状および材料、ペルチェ１の選定によっては供給する廃熱の温度をさらに上げることが可能となる。なお、冷却部材１６および放熱部材３の材料には、アルミ、銅、金、銀、その他合成金属、熱伝導性樹脂など、形状には、剣山状の物、フィンが多数並んだ物、柱が多数並んだ物などを用いることができる。

本実施例によれば、ペルチェ１つの簡単な構成で保冷および加温が可能で、低コストの保冷加温装置を提供することができる。

本実施例によれば、ペルチェ素子の動作制御は保冷庫の温度に基づいて制御し、この制御のみで、保温対象を約２１℃から２８℃に加温（室温（18-26℃））することが可能であり、ペルチェ素子１つおよび制御装置も１系統で保冷加温装置を構成し、小型化と低コスト化が可能となる。また、ペルチェ素子の発熱部の温度が加温部の温度以上であり、この熱をそのまま加温部に使うことで、十分な加温性能を確保することができることを確認した。この発熱部の熱を加温部に使うことで、簡便・安価な加温部を構築できる。

実施例２は、実施例１の構成に加え、排気ダクト内に設けた温度測定部の測定温度に基づき、排気ルートを切換え可能とする流路切換え部を更に備えた構成であり、廃熱と加温対象との熱交換が可能な排気ルートと、廃熱と加温対象との熱交換を行わない排気ルートを切換え可能とする保冷加温装置の実施例である。図５に、本実施例に関わる保冷加温装置の一構成を示した。

図５において、保冷部１９は、ペルチェ１、保冷庫１１、保冷庫の扉１２、温度測定部１３、カバー１４、ファン１５、及び冷却部材１６で、加温部２０は、ファン２、放熱部材３、排気ダクト４、加温対象の設置場所５、ファン７、廃熱の温度を測定する温度測定部３０２、流路切換え部３０３、排気ダクト２０１、排気ダクト３０４、排気ダクト３０６、及び廃熱廃棄部３０５で構成される。なお、温度測定部３０２は、温度測定部１３同様、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体、ＩＣ温度センサなどを用いる。

冷却・保冷は、実施例１同様、保冷庫１１内の温度測定部１３の温度が５℃±２℃以内となるよう、制御部１８からペルチェ１に流す電流あるいは電圧を制御する。ペルチェ１が冷却制御を開始すると、冷却部材１６の温度が低下し、放熱部材３の温度が上昇する。保冷部１９は、ファン１５により保冷庫１１内の空気１７を循環させ、保冷庫１１内の温度を冷却・保冷する。なお、保冷庫１１内へのアクセスは、保冷庫の扉１２によりおこなう。

ファン２により放熱部材３を空冷する。ファン２により、吸引された空気８は、放熱部材の熱を吸収し、廃熱９となり、排気ダクト４を介し、流路切換え部３０３へ供給される。また、排気ダクト４内の温度測定部３０２で廃熱９の温度を測定し、その測定温度に基づき、流路切換え部３０３を切換え制御して流路、すなわち、廃熱と加温対象との熱交換が可能な排気ルートと、廃熱と加温対象との熱交換を行わない排気ルートを切換える。

図５の（ａ）は、本実施例の構成おける、加温対象の設置部５へ廃熱９を供給する流路を示す図である。温度測定部３０２による廃熱９の測定温度が３０℃以下の場合、流路切換え部３０３は流路を排気ダクト３０４側へ接続し、加温対象の設置場所５へ廃熱９を供給し、加温対象６を加温する。加温対象６によりエネルギーを奪われた廃熱９は廃熱１０となり、廃熱廃棄部３０５から装置外へ排出する。なお、図５には、ファン２およびファン７を２つ記載しているが、実施例１と同様、どちらか一方だけの設置でも良い。

図５の(ｂ)は、加温対象の設置部５へ廃熱９を供給しない流路を示す図である。温度測定部３０２の温度が３０℃を超えた場合、流路切換え部３０３は排気ダクト３０６へ接続し、廃熱廃棄部３０５から廃熱９を直接装置外部へ排出する。

図６は、本実施例の保冷加温装置の流路切換え部の具体的構成例を示す図である。図６の（ａ）は、ステッピングモータ４０１により、流路切換え軸４０２および流路切換え板４０３を回転移動させ、流路を切り替える構成を示す。図６の（ｂ）、（ｃ）は、ばね４０４、ソレノイド４０５により流路の切り替えを行う構成を示す。ソレノイド４０５への電力供給時は、ソレノイド４０５の力により、流路切換え板４０３を排気ダクト３０４側へ押しつけ、排気ダクト３０６の流路となる。非供給時は、ばね４０４の力により、流路切換え板４０３を排気ダクト３０６側へ押しつけ、排気ダクト３０４の流路となる。なお、機械要素を逆に使用し、接続先が逆転しても良い。また、ソレノイド４０５の代わりにサーモエレメントなどを使用しても良い。

なお、図６は、加温対象への切り替えを0％と100％の場合についての例であるが、流路切換え板を中間位置にするなどで、0％〜100％の任意の位置に設定することも可能である。

本実施例の保冷加温装置によれば、排気ダクト内で廃熱の温度を測定することにより、加温対象への不必要な加温を防ぐことが出来る。

本例では、実施例１と同様に、ペルチェ素子が一つで、その制御は保冷庫の温度に基づいて行う。また、流路切換え部の制御は、構造が簡単で、小電力にて動作が可能である。これにより、小型化と低コスト化が可能となる。

実施例３は、実施例１あるいは実施例２の保冷加温装置を搭載、利用した分析装置の実施例である。すなわち、上述した保冷加温装置の構成・機能を分析装置に搭載し、保冷部である保冷庫１１で保冷試薬の保冷を行い、その加温部の設置部５に保温試薬を設置してその加温を行う。なお、分析装置における保温試薬としては、結晶化を防止する必要のある試薬等が対象となる。

以上説明した本発明によれば、ペルチェ１つの簡単な構成で保冷および加温が可能で、低コストかつ小型の保冷加温装置、及び分析装置を提供でき、更に加温対象への不必要な加温を防止することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ペルチェ，２、１５…ファン，３…放熱部材，４、２０１、３０４、３
０６…排気ダクト，５、２０２…設置部，６、２０３…加温対象，７…ファ
ン，８、１７…空気，９…廃熱，１０…廃熱，１１…保冷庫，１２…保冷庫
の扉，１３、３０２…温度測定部，１４…カバー，１６…冷却部材，１８…
制御部，１９…冷却部，２０…加温部，２１…冷却加温装置，３０３…流路
切換え部，３０５…廃熱廃棄部，４０１…ステッピングモータ，４０２…流
路切換え軸，４０３…流路切換え板，４０４…ばね，４０５…ソレノイド

Claims

保冷庫と、前記保冷庫内に冷気を供給するペルチェ式冷却機と、ペルチェ放熱用の放熱部材と、前記放熱部材を空冷するためのファンと、前記ファンおよび前記放熱部材からの廃熱が通過する流路内に設けられ、加温対象を設置可能な設置部と、を備え、前記流路は排気ダクトを含み、前記排気ダクトは、前記設置部を挟んで直線上に或いは直角の位置に配置された２つの排気ダクトからなり、前記設置部に加温対象を設置して加温する、
ことを特徴とする保冷加温装置。
請求項１に記載の保冷加温装置であって、
前記ペルチェ式冷却機から前記保冷庫に熱伝導を利用して冷気を供給する、
ことを特徴とする保冷加温装置。
請求項１に記載の保冷加温装置であって、
前記ペルチェ式冷却機から前記保冷庫に熱伝達および熱伝導を利用して冷気を供給する、
ことを特徴とする保冷加温装置。
保冷庫と、前記保冷庫内に冷気を供給するペルチェ式冷却機と、ペルチェ放熱用の放熱部材と、前記放熱部材を空冷するためのファンと、前記ファンおよび前記放熱部材からの廃熱の温度を測定する温度測定部と、加温対象を設置可能な設置部と、前記設置部に設置される加温対象と前記廃熱との熱交換が可能な排気ルート、前記廃熱と前記加温対象との熱交換を行わない排気ルートを切換える流路切換え部と、を備え、
前記流路切換え部は、前記温度測定部の測定結果に基づき、二つの前記排気ルートを切換え、
二つの前記排気ルートはそれぞれ排気ダクトを含み、前記流路切換え部は、二つの前記排気ダクトを何れかに流路を切換える流路切換え板を含む、
ことを特徴とする保冷加温装置。
請求項８に記載の保冷加温装置であって、
空気の流れる方向に沿って上流側から、前記ファン、前記放熱部材、前記温度測定部、前記流路切換え部の順に配置される、
ことを特徴とする保冷加温装置。
請求項８に記載の保冷加温装置であって、
前記流路切換え部は、前記流路切換え板を流路切換え軸で回転移動させるステッピングモータを含む、
ことを特徴とする保冷加温装置。
請求項８に記載の保冷加温装置であって、
前記流路切換え部は、前記流路切換え板を流路切換え軸で回転移動させるソレノイドあるいはサーモエレメントと、バネとからなる、
ことを特徴とする保冷加温装置。
請求項１に記載の保冷加温装置を搭載した分析装置であって、
前記保冷庫で保冷試薬を保冷し、前記設置部に保温試薬を設置する、
ことを特徴とする分析装置。
請求項８に記載の保冷加温装置を搭載した分析装置であって、
前記保冷庫で保冷試薬を保冷し、前記設置部に保温試薬を設置する、
ことを特徴とする分析装置。
保冷部と加温対象を加温する加温部を有する保冷加温装置であり、
実質的に単一のペルチェ素子を具備し、
前記ペルチェ素子の吸熱部と前記保冷部が実質的に接合し、
前記ペルチェ素子の発熱部と前記加温部が実質的に接合し、
前記保冷部の温度情報のみに基づいて、前記ペルチェ素子の制御をするペルチェ素子制御部を有し、
前記ペルチェ素子の発熱部には、放熱部材と、空冷用ファンが設けられ、排気ダクトを介して前記加温対象の設置部と接続され、
前記ペルチェ素子と前記加温対象の設置部との間に、前記排気ダクト内の温度測定のための温度センサ及び、前記加温対象の設置部への排気ダクト内の流量を調整する流量調整機構部を具備し、
前記流量調整機構部が、前記ペルチェ素子の発熱部からの廃熱を分岐して一部を前記加温対象の設置部へ供給する機構である、
ことを特徴とする保冷加温装置。
請求項１６に記載の保冷加温装置であって、
前記流量調整機構部が、前記ペルチェ素子の発熱部からの廃熱の前記加温対象の設置部への供給をＯＮ／ＯＦＦする機構であることを特徴とする保冷加温装置。
請求項１６または請求項２１に記載の保冷加温装置を搭載した分析装置であって、
前記保冷部で保冷試薬を保冷し、
前記加温部に保温試薬を設置する、
ことを特徴とする分析装置。