JP2004288510A

JP2004288510A - 昇降温ユニット及びこのユニットを用いた昇降温装置

Info

Publication number: JP2004288510A
Application number: JP2003080255A
Authority: JP
Inventors: Akira Koike; 明小池
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP4103997B2

Abstract

【課題】昇降温室の昇降温を迅速になすことができると共に、温度制御を高精度に行うことができ、しかも昇降温室内の温度をより均一になすことができる昇降温ユニット及びこの昇降温ユニットを用いた昇降温装置を提供する。
【解決手段】小径管２と、前記小径管２内に封入された発熱体３と、前記発熱体３に電力を供給する封止端子部４と、前記小径管２の外周囲に前記小径管２と軸線を同一にして形成された大径管５と、前記大径管５と小径管２の間隙に形成された冷却媒体流路６と、前記冷却媒体流路６に冷却媒体を導入するための導入口７と、前記冷却媒体流路６に導入された冷却媒体を排出するための排出口８とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、昇降温ユニット及びこの昇降温ユニットを用いた昇降温装置に関し、より詳細には、加熱手段と冷却手段の両方を備える昇降温ユニット及びこの昇降温ユニットを用いた昇降温装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から各種分野において、加熱処理等の熱処理が行われているが、一般的に、加熱処理はヒータによって行われる。このような加熱処理装置に用いられるヒータとして、既に、本願出願人は特許公報第３３７２５１５号公報で提案している。
このヒータの概略構成を図１１に基づいて説明すると、このヒータは、石英ガラス管５０と、前記石英ガラス管５０内に封入されたカーボンワイヤー発熱体５１と、カーボンワイヤー発熱体５１に電力を供給する接続線５４を有する封止端子部５２とから構成されている。
このヒータは、両端に形成された封止端子部５２の接続線５４に電力を供給することで、カーボンワイヤー発熱体５１を発熱させる。特に、このヒータは、カーボンワイヤー発熱体５１を石英ガラス管５０で覆うことにより、より急速な昇温を可能とし、かつ均一な発熱を可能にしている。
【０００３】
ところで、前記ヒータを用いて所定温度ｈ１まで加熱する場合、図１２に示すように急激（時間ｔ１で）に加熱すると、所定温度ｈ１を超えた加熱状態、いわゆるオーバーシュートの状態となり、その後所定の温度に近づいていく傾向がある。
このようなオーバーシュートの状態になると、加熱する対象物を必要以上に加熱することとなり、ダメージを与えることととなる。そのため、オーバーシュートを極力抑制するために、徐々に加熱する必要があった。
一方、温度をｈ０まで低下させる場合には、一般的に自然冷却となるため、温度低下のための時間（時間ｔ３−ｔ２）が長くかかるという問題があった。また、自然冷却の場合、外気が導入されるため、対象物が汚染する虞もあった。
【０００４】
【特許文献１】
特許公報第３３７２５１５号（第５欄第４３行乃至第６欄３行、第１４頁第２７欄第４７行乃至第２８欄８行）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる問題を解決する方法として、加熱処理装置（昇降温装置）内に前記したヒータのような加熱手段と別に冷却手段を設け、両者を制御することにより、オーバーシュートの抑制、温度の昇降時間の短縮を図ることができる。
しかしながら、前記加熱手段及び冷却手段を昇降温室内に別々に配置し、両者を用いて温度制御すると、昇降温室内の温度が均一な温度にならないという技術的課題があった。即ち、加熱手段の近傍は温度の高い領域となり、また冷却手段の近傍は温度の低い領域になり、均一な温度を得ることできなかった。
【０００６】
本発明は、昇降温室の昇降温を迅速になすことができると共に、温度制御を高精度に行うことができ、しかも昇降温室内の温度をより均一になすことができる昇降温ユニット及びこの昇降温ユニットを用いた昇降温装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するためになされた本発明にかかる昇降温ユニットは、小径管と、前記小径管内に封入された発熱体と、前記発熱体に電力を供給する封止端子部と、前記小径管の外周囲に前記小径管と軸線を同一にして形成された大径管と、前記大径管と小径管の間隙に形成された冷却媒体流路と、前記冷却媒体流路に冷却媒体を導入するための導入口と、前記冷却媒体流路に導入された冷却媒体を排出するための排出口とを備えることを特徴としている。
【０００８】
このように、本発明にかかる昇降温ユニットは、発熱体を小径管内に封入し、小径管の外周囲に前記小径管と軸線を同一する大径管を設け、前記小径管と大径管との間に冷却媒体を供給するように構成されているため、発熱体及び冷却媒体を制御することにより、オーバーシュートを抑制でき、温度の昇降時間の短縮を図ることができる。
また、発熱体を覆うように冷却媒体が流通するため、言い換えれば、加熱手段が冷却手段に一体に形成されているため、昇降温ユニットを均一の温度状態になすことができる。その結果、昇降温室内の温度をより均一な温度になすことができる。
【０００９】
ここで、前記大径管の外周囲に所定の間隔をもって、複数のフィンが形成されていることが望ましい。
このように、大径管の外周囲に所定の間隔をもって軸線方向に、複数のフィンが形成されている場合には、熱伝達効率が向上するため、昇降温室内の温度を急激に昇降させることができる。
【００１０】
また、前記発熱体としては、カーボンワイヤー発熱体あるいはニクロム線を用いることができるが、好ましくは、昇降温の高速化、また、昇降温室の汚染抑制の観点から、前記小径管及び大径管が石英ガラス管であり、かつ発熱体がカーボンワイヤー発熱体であることが好ましい。
【００１１】
また、上記技術的課題を解決するためになされた本発明にかかる昇降温ユニットを用いた昇降温装置は、前記昇降温ユニットを用いた昇降温装置であって、昇降温をさせる対象物を収容する昇降温室と、前記昇降温室に配置される前記昇降温ユニットと、前記昇降温室の温度を測定する温度センサーと、前記昇降温ユニットに冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置と、前記昇降温ユニットの発熱体に電力を供給する電力供給装置と、前記温度センサーで測定された温度に基づいて、前記昇降温ユニットの発熱体の発熱量、および冷却媒体の供給量あるいは温度を制御する制御装置を備えていることを特徴としている。
【００１２】
このように、前記昇降温室に昇降温ユニットを配置し、前記昇降温室の温度を測定する温度センサーの測定温度に基づいて、前記昇降温ユニットの発熱体の発熱量、および冷却媒体の供給量あるいは温度を制御するように構成されているため、オーバーシュートを抑制しつつ、温度の昇降時間の短縮を図ることができる。
また、昇降温ユニットの発熱体を覆うように冷却媒体の流路が形成されているため、昇降室内の温度をより均一になすことができる。
なお、冷却媒体の供給量、温度のいずれか一方を制御しても良いが、好ましくは、冷却媒体の供給量および温度を制御するのが良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる昇降温ユニットについて図１乃至図５に基づいて説明する。なお、図１は、本発明にかかる昇降温ユニットの第１の実施形態を示す一部断面図であり、図２は、図１の封止端子部分を示す断面図、図３は、接続線とカーボンワイヤー発熱体の接続部分を示す断面図、図４は、封止端子部の終端部分を示す斜視図、図５はカーボンワイヤー発熱体を示す図である。
【００１４】
図１に示されている昇降温ユニット１は、小径管２と、前記小径管２の内部に封入されたカーボンワイヤー発熱体３と、前記カーボンワイヤー発熱体３に電力を供給する封止端子部４と、前記小径管２の外周囲に前記小径管２と軸線を同一にして形成された大径管５と、前記大径管５と小径管２の間隙に形成された冷却媒体流路６と、前記冷却媒体流路６に冷却媒体を導入するための導入口７と、前記前記冷却媒体流路６に導入された冷却媒体を排出するための排出口８とを備えている。なお、図中、符号９はこの昇降ユニット１を固定する基台である。
【００１５】
前記小径管２は、両端に封止端子部４が形成されたＵ字状の小径の石英ガラス管であって、その内部に発熱体３を収納している。
また、大径管５は、前記小径管２と軸線を同一にして形成されたＵ字状の大径の石英ガラス管であって、前記小径管２と大径管５とはいわゆる二重管を構成している。そして、小径管２の外側と大径管の内側によって形成される間隙は、冷却媒体流路６として形成されている。
また、大径管５の一の端子部４の近傍に、冷却媒体流路６に冷却媒体を導入する導入口７が形成され、また他の端子部４の近傍に冷却媒体流路６から冷却媒体を排出する排出口８が形成されている。
【００１６】
また、前記冷却媒体流路６の導入口７および排出口８の封止端子４側には、冷却媒体の溜り部６ａが形成されている。この溜り部６ａは、封止端子４の後端部に対する急冷緩衝層となるものであって、熱膨張係数が異なる接続線１３と結合する小径管２のクラックの発生をより抑制することができる。
前記溜り部６ａの長さ（終端部から導入口７あるいは排出口８）は、大径管５の直径の５０％〜１５０％であることが好ましい。前記溜り部６ａの長さが、大径管５の直径の５０％未満では緩衝効果が発揮されず、１５０％を超えると冷却効果が劣るため好ましくない。
【００１７】
更に、図２に示すように、前記溜り部６ａは接続線１３よりも先方に形成されていることが好ましい。
即ち、接続線１３を冷却すると、電気抵抗値が減少する。一方、カーボンワイヤー発熱体３、後述するワイヤーカーボン部材１２の電気抵抗値は増大する。したがって、接続線１３をなるべく冷却せず、電気抵抗値の減少を抑制することが、オーバーシュートをより抑制できる点から好ましい。
【００１８】
前記カーボンワイヤー発熱体３の代わりに、ニクロム線を用いることができるが、カーボンワイヤー発熱体を用いる方が好ましい。これは、ニクロム線ヒータに比べて、カーボンワイヤー発熱体の方が、熱容量が小さいため急速昇温させることができるためである。
特に、小径管２及び大径管５が石英ガラスで構成されている場合には、ヒートショックによる割れが生じ難いため、急速昇温が可能である。また、ニクロム線ヒータに比べて、カーボンワイヤー発熱体の方が、熱容量が小さく、電力の供給を遮断すると短時間で温度が下がるため、好ましい。
また、冷却媒体としては、液体、気体を用いることができる。例えば、液体窒素を用いることができる。
【００１９】
次に、図２、図３、図４に基づいて封止端子部４について詳しく説明する。
なお、図３は封止端子部４の先端部分を示し、図４は封止端子部４の後端部分を示している。
図２、３に示すように、カーボンワイヤー発熱体３の端部を収容する石英ガラス管１１と、前記ガラス管１１に圧縮されて収容され、前記カーボンワイヤー発熱体３の端部を挟持するワイヤーカーボン部材１２とを備えている。この石英ガラス管１１は小径管２の内部に収納されている。
なお、カーボンワイヤー発熱体３の端部を挟持するワイヤーカーボン部材１２は、カーボンワイヤー発熱体３と同質のものが用いられ、後述するカーボンワイヤー発熱体３を２乃至４の複数本まとめて束にし、更にこの束を三束用いてワイヤーカーボン部材１２としている。前記カーボンワイヤー発熱体３は、この三つの均等なワイヤーカーボン束の間であって、かつ前記石英ガラス管１１のほぼ中心に位置するように配設される。
【００２０】
また、封止端子部４の後端部分（終端部分）は、図４に示すように、ピンチングシールされている。すなわち、封止端子部４の後端部分にはピンチシール部２ｄが形成され、接続線１３を構成するタングステン（Ｗ）の熱膨張係数に近いタングステン（Ｗ）ガラス（タングステン（Ｗ）ガラス部２ｃ）で形成すると共に、小径管２との融着側を石英ガラス（石英ガラス部２ａ）で形成している。
このように、ピンチシール部２ｄを、接続線１３を構成するタングステン（Ｗ）の熱膨張係数に近いタングステン（Ｗ）ガラスで形成したため、接続線１３の高温時熱膨張に伴うガラス部（ピンチシール部２ｄ）の破損を防止することができる。
また小径管２に融着される石英ガラス部２ａを、小径管２と同等あるいは同一の石英ガラスとすることで、熱膨張に伴う破損をより防止することができる。
更に、石英ガラス部２ａとタングステン（Ｗ）ガラス部２ｃとを間にグレイデッド（Ｇｒａｄｅｄ）シール部２ｂが形成されている。すなわち、前記石英ガラス部２ａと接する側を石英ガラス組成もしくは、これと熱膨張係数が近似する材料とし、前記Ｗガラス部２ｃと接する側に向け、ＳｉＯ_２成分とＷガラス成分が徐々に変化し、上記熱膨張係数をＷガラスのそれにより近似するように傾斜分布させた材料からなるグレイデッド（Ｇｒａｄｅｄ）シール部２ｂを石英ガラス部２ａとタングステン（Ｗ）ガラス部２ｃとを間に設けることにより、高温時熱膨張に伴うガラス管２１の破損を防止することができる。
【００２１】
更に、このカーボンワイヤー発熱体３について図５に基づいて説明すると、図５に示すように、前記カーボンワイヤー発熱体３は、カーボン繊維を束ねた繊維束を複数本編み上げてなる編紐または組紐から構成されている。
カーボンワイヤー発熱体３としては、直径５乃至１５μｍ程度のカーボン単繊維、例えば直径７μｍのカーボン単繊維を約３０００乃至３５００本程度束ねた繊維束を９束程度用いて直径２ｍｍの編紐、あるいは組紐形状に編み込んだものが好適である。
【００２２】
このようなカーボンワイヤー発熱体３が用いられるのは、前記したように従来の金属ヒータに比べて、熱容量が小さいため急速昇温させることができるからである。特に、小径管２及び大径管５が石英ガラスで構成されているため、急速昇温が可能である。また、カーボンワイヤー発熱体３の抵抗は金属ヒータと異なり常温で高く、高温になると低くなる傾向がある。その結果、急速昇温した際にも過電流が流れることがなく、ヒューズが切れる等の事故を防止できる。
更に、カーボンワイヤー発熱体３はカーボン単繊維を組み上げたものであるため切断され難く、数本切れても抵抗値に変化がないため、ヒータとしては好適である。
【００２３】
次に、図６、図７に基づいて、前記昇降温ユニットの変形例について説明する。図６に示す変形例は、前記大径管５の外周囲に所定の間隔をもって軸線方向に、複数のフィン５ａを形成したものである。
このように、大径管５の外周囲に所定の間隔をもって軸線方向に、複数のフィン５ａが形成されている場合には、熱伝達効率が向上するため、昇降温室の温度を急激に昇降させることができる。
また、図７に示す変形例は、小径管２と大径管５をＵ字状からＹ字状に変更した場合を示している。このように小径管２と大径管５をＹ字状に変更することにより、昇降温室内の雰囲気との接触面積が増大するため、熱伝達効率が向上するため、温度を急激に昇降させることができる。
【００２４】
次に、本発明にかかる昇降温ユニットを用いた昇降温装置について、図８に基づいて説明する。
この昇降温装置２０は、昇降温をさせる対象物２１を収容する昇降温室２２と、前記昇降温室２２に配置される前記昇降温ユニット１と、前記昇降温室２２の温度を測定する温度センサー２３と、前記昇降温ユニット１に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置２４と、前記昇降温ユニット１の発熱体に電力を供給する電力供給装置２５と、前記温度センサー２３で測定された温度に基づいて、前記昇降温ユニット１の発熱体の発熱量、および冷却媒体の供給量あるいは温度を制御する制御装置２６を備えている。
なお、図中符号２７は切換え弁、３０は冷却媒体供給管２８、排出管２９に設けられた流量計、３１は同様に冷却媒体供給管２８、排出管２９に設けられた温度センサー、３２は冷却媒体排出管２９に設けられた排出量制御弁である。また、図中、冷却媒体供給装置２４が二つも設けられているため、必要に応じて、温度の異なる冷却媒体を供給することができる。
【００２５】
次に、この昇降温装置２０の動作、作用について、図９、図１０に基づいて説明する。ここで、図９は、温度ｈ０からｈ１に急速に昇降温させた状態を示している。
従来の加熱装置にあっては、ヒータのみで所定温度に昇温させるため、図中点線で示すように、該所定温度ｈ１を超えるオーバーシュート現象が生じる。一方、冷凍装置においても同様に、冷却装置のみで降温させるため、図中の点線で示すように、該所定温度ｈ０を超えるオーバーシュート現象が生じる。
【００２６】
これに対して、本発明にかかる昇降温ユニット１には、加熱手段であるカーボンワイヤー発熱体３と冷却手段である冷却媒体流路６を備えている。
したがって、昇降温室２２内を急速に所定温度ｈ１まで昇温させる場合、まず前記カーボンワイヤー発熱体３で昇温させる。このとき冷却媒体供給装置２４は停止している。そして、温度センサ２３の測定結果に基づいて、所定温度ｈ１の手前で、カーボンワイヤー発熱体３への電力の供給を停止する。そして、前記冷却媒体流路６に冷却媒体を供給し、カーボンワイヤー発熱体３の余熱を除去する。このとき、冷却媒体の温度、流量は、カーボンワイヤー発熱体３への電力の供給停止後の昇降温室２２の温度上昇、排出された冷却媒体の温度等から決定される。
その結果、図９に示すように、オーバーシュート現象を抑制することができる。
【００２７】
また、前記冷却媒体で温度ｈ１からｈ０に急速に降温させる場合には、所定温度ｈ０の手前で、冷却媒体供給装置２４を停止すると共に、前記カーボンワイヤー発熱体３に電力を供給する。その結果、前記場合と同様に、オーバーシュート現象を抑制することができる。
【００２８】
なお、本発明にかかる昇降温ユニットには、加熱手段であるカーボンワイヤー発熱体３と冷却手段である冷却媒体流路６を備えているため、図１０に示すように、昇降温の領域を拡げることができ、加熱領域のみならず、冷凍領域（温度−ｈ２）における昇降温（ｈ１：１０００℃〜ｈ２：−１００℃）が可能である。したがって、この昇降温ユニットを用いた昇降温装置２０は、加熱装置のみならず、冷凍装置としても用いることができる。
【００２９】
以上説明したように、前記昇降温ユニットにあっては、加熱手段と冷却手段とを制御することにより、温度制御を高精度に行うことができる。しかも、加熱手段と冷却手段が一つのユニットに設けられているため、このユニットが設置された昇降室内の温度をより均一になすことができる。
【００３０】
本発明にかかる昇降温ユニットおよび昇降温装置は、例えば、微生物の冷凍及び解凍、遺伝子の冷凍及び解凍、臓器の冷凍、解凍等に用いることができる。また、薬品の製造プロセス、化合物の生成プロセス、半導体の製造プロセス等各種製造プロセスで、用いることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、昇降温室の昇降温を迅速になすことができると共に、温度制御を高精度に行うことができ、しかも昇降温室内の温度をより均一になすことができる昇降温ユニット及びこの昇降温ユニットを用いた昇降温装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明にかかる昇降温ユニットの第１の実施形態を示す一部断面図である。
【図２】図２は、図１の封止端子部分を示す断面図である。
【図３】図３は、接続線とカーボンワイヤー発熱体の接続部分を示す断面図である。
【図４】図４は、封止端子部の終端部分を示す斜視図である。
【図５】図５はカーボンワイヤー発熱体を示す図である。
【図６】図６は、図１に示した変形例を示す断面図である。
【図７】図７は、図１に示した変形例を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明にかかる昇降温装置の実施形態を示す概略構成図である。
【図９】図９は、昇降温装置の温度曲線を示す図である。
【図１０】図１０は、昇降温装置の温度曲線を示す図である。
【図１１】図１１は、従来のヒータを示す一部断面図である。
【図１２】図１２は、従来のヒータを用いた昇降温室の温度曲線である。
【符号の説明】
１昇降温ユニット
２小径管
３発熱体（カーボンワイヤー発熱体）
４封止端子部
５大径管
５ａフィン
６冷却媒体流路
７導入口
８排出口
９基台
２０昇降温装置
２１対象物
２２昇降温室
２３温度センサー
２４冷却媒体供給装置
２５電力供給装置
２６制御装置
２７切換え弁
２８冷却媒体供給管
２９冷却媒体供給管
３０流量計
３１温度センサー
３２排出制御弁

Claims

小径管と、前記小径管内に封入された発熱体と、前記発熱体に電力を供給する封止端子部と、前記小径管の外周囲に前記小径管と軸線を同一にして形成された大径管と、前記大径管と小径管の間隙に形成された冷却媒体流路と、前記冷却媒体流路に冷却媒体を導入するための導入口と、前記冷却媒体流路に導入された冷却媒体を排出するための排出口とを備えることを特徴とする昇降温ユニット。
前記大径管の外周囲に所定の間隔をもって、複数のフィンが形成されていることを特徴とする請求項１に記載された昇降温ユニット。
前記発熱体がカーボンワイヤー発熱体あるいはニクロム線であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された昇降温ユニット。
前記小径管及び大径管が石英ガラス管であり、かつ発熱体がカーボンワイヤー発熱体であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された昇降温ユニット。
前記請求項１乃至請求項４のいずれかの記載された昇降温ユニットを用いた昇降温装置であって、
昇降温をさせる対象物を収容する昇降温室と、前記昇降温室に配置される前記昇降温ユニットと、前記昇降温室の温度を測定する温度センサーと、前記昇降温ユニットに冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置と、前記昇降温ユニットの発熱体に電力を供給する電力供給装置と、前記温度センサーで測定された温度に基づいて、前記昇降温ユニットの発熱体の発熱量、および冷却媒体の供給量あるいは温度を制御する制御装置を備えていることを特徴とする昇降温装置。
前記制御装置は、冷却媒体の供給量および温度を制御することを特徴とする請求項５に記載された昇降温装置。