JP2012013496A - 恒温装置用均熱ブロック - Google Patents

Abstract

【課題】従来の恒温装置用の均熱ブロックは、温度センサなどの恒温対象物を挿入する穴の開口部分から、熱が流出したり流入したりするため、上下で大きな温度差が生まれ、温度分布が不均一であった。
【解決手段】本件発明では、恒温対象物収納ブロックと加熱冷却ブロックの二重構造からなり、略円柱状のブロックであって、上面から底面方向へ恒温対象物を収納する恒温対象物収納穴と、上面側に加熱冷却ブロックと接触する第一接触領域とを有し、加熱冷却ブロックは、上面が開口し恒温対象物収納ブロックを内接して収納可能なブロック収納穴と、第一接触領域と接触する第二接触領域とを有し、加熱冷却ブロックに収納ブロックを収納した状態で、ブロック収納穴の内壁面と前記恒温対象物収納ブロックの外壁面との間に空間を有する恒温装置用均熱ブロックを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱電対や測温抵抗体などの温度計や温度センサの校正を行う校正装置等の恒温装置に用いられる恒温装置用均熱ブロックに関する。

温度センサの校正を行う校正装置は、温度がヒータなどの加熱装置や、ペルチェ素子やスターリングクーラーなどの冷却装置などによって、一定温度に保持された恒温装置の均熱ブロック内に校正対象となる温度センサを挿入し、校正を行っている。

温度センサの校正に際して、均熱ブロックの温度は、一定に保たれ、また温度センサが挿入された空間は、できるだけ温度分布が少なく、均一な温度に保つことが必要である。

このため、例えば特許文献１に示した温度校正用の恒温槽では、均熱ブロック（金属槽）の底面から加熱を行い、校正対象となる温度センサ（温度計）が挿入される均熱ブロックの周囲に断熱ケースを設けて、熱の流入や流出を防ぎ、温度センサ周囲の温度分布が均一になるように構成している。

特開平１１−２２３５６４号公報

しかし、特許文献１に示した温度校正用の恒温槽では、温度センサを挿入する恒温槽の上面側は、断熱ケースの厚さが薄く、温度センサを挿入する穴にはゴム蓋のみがされている。このため、特許文献１に示した温度校正用の恒温槽では、恒温槽の下部から加熱または冷却されると、断熱ケースの薄い箇所の他、特に温度センサを挿入する穴の開口部分から、熱が流出したり流入したりするため、恒温槽の上下で大きな温度差が生まれ、温度分布が不均一になる可能性がある。

そこで、本件発明では、上記課題に鑑み、以下の恒温装置用均熱ブロックを提供する。すなわち第一の発明としては、恒温対象物収納ブロックと加熱冷却ブロックの二重構造からなる均熱ブロックであって、前記恒温対象物収納ブロックは、略円柱状のブロックであって、円柱の上面から底面方向へ恒温を維持すべき恒温対象物を挿入し収納する恒温対象物収納穴と、円柱の上面側に設けられ、底面側に比べ円柱の断面径が大きく、加熱冷却ブロックと接触する第一接触領域と、からなり、前記加熱冷却ブロックは、恒温を維持するための加熱冷却装置と接続し、略円柱形状のブロックであって、円柱の上面が開口し前記恒温対象物収納ブロックの第一接触領域が内接して収納可能なブロック収納穴と、前記ブロック収納穴の内面に設けられ、第一接触領域と接触する第二接触領域と、からなり、前記加熱冷却ブロックのブロック収納穴に収納ブロックを収納した状態において、第一接触領域と第二接触領域を除く、ブロック収納穴の内壁面と前記恒温対象物収納ブロックの外壁面との間に空間を有する恒温装置用均熱ブロックを提供する。

第二の発明としては、前記恒温対象物収納ブロックに設けられた第一接触領域は、上面から底面方向に向かって断面径が狭まるテーパー形状を有し、前記加熱冷却ブロックの第二接触領域は、前記第一接触領域のテーパー形状に沿ったテーパー形状を有している第一の小発明に記載の恒温装置用均熱ブロックを提供する。

本件発明の恒温装置用均熱ブロックのように、例えば校正対象である温度センサのような恒温対象物を収納する恒温対象物収納ブロックの第一接触領域のみから加熱または冷却をおこなうこと、つまり、恒温対象物収納穴の開口寄に加熱冷却装置から恒温対象物収納ブロックへの加熱または冷却箇所を設けることで、恒温対象物収納ブロックおよび校正対象である温度センサのような恒温対象物の温度分布を少なくすることが可能となる。

また、恒温対象物収納ブロックと加熱冷却ブロックが接触する第一接触領域および第二接触領域を、底面方向に向かって恒温対象物収納ブロックの断面径が狭まるテーパー形状とすることで、加熱または冷却による恒温対象物収納ブロックおよび加熱冷却ブロックの膨張または収縮による、接触不良を回避することが可能となる。

実施形態１の恒温装置用均熱ブロックを説明するための斜視概念図 実施形態１の恒温装置用均熱ブロックを説明するための断面概念図 実施形態１の恒温装置用均熱ブロックの温度分布を説明するための断面概念図 実施形態１の恒温装置用均熱ブロックを説明するための断面概念図 実施形態１の恒温装置用均熱ブロックの係止構造を説明するための断面概念図 実施形態２の恒温装置用均熱ブロックを説明するための斜視概念図 実施形態２の恒温装置用均熱ブロックを説明するための断面概念図 実施形態２の恒温装置用均熱ブロックの温度変化による影響を説明するための断面概念図 実施形態２の恒温装置用均熱ブロックの係止構造を説明するための断面概念図

以下、本件発明の実施の形態について、添付図面を用いて説明する。なお、本件発明は、これら実施形態に何ら限定されるべきものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。

実施形態１は主に請求項１、実施形態２は主に請求項２、実施形態３は主に請求項３に関する。
＜＜実施形態１＞＞
＜実施形態１ 概要＞

本実施形態の恒温装置用均熱ブロックは、ヒータなどの加熱装置やペルチェ素子やスターリングクーラーなどの冷却装置と接続された加熱冷却ブロックと、加熱冷却ブロックの内側に収納され、例えば校正対象である温度センサのような恒温対象物が収納可能な恒温対象物収納ブロックからなる二重構造からなる。また、加熱冷却ブロックと恒温対象物収納ブロックは、恒温対象物収納ブロックの恒温対象物収納穴開口より、つまり恒温対象物収納ブロックの上方部分のみで接触するように構成されている。

このように、均熱ブロックの温度分布の斑の原因となる熱の流入または流出が起こりやすい恒温対象物収納穴の開口寄に加熱冷却装置から恒温対象物収納ブロックへの加熱または冷却箇所を設けることで、恒温対象物収納ブロックおよび恒温対象物の温度分布を少なくすることが可能となる。
＜実施形態１ 構成＞

図１に本実施形態の恒温装置用均熱ブロックの斜視概念図を、図２に断面概念図を示した。図１および図２の（ａ）は恒温対象物収納ブロック、（ｂ）は加熱冷却ブロック、（ｃ）は加熱冷却ブロックに恒温対象物収納ブロックを収納した状態を示している。

本実施形態の恒温装置用均熱ブロックは、恒温対象物収納ブロック０１０１、０２０１）と加熱冷却ブロック（０１０２、０２０２）の二重構造からなる均熱ブロックであって、前記恒温対象物収納ブロックは、略円柱状のブロックであって、円柱の上面から底面方向へ恒温を維持すべき恒温対象物を挿入し収納する恒温対象物収納穴（０１０３、０２０３）と、円柱の上面側に設けられ、底面側に比べ円柱の断面径が大きく、加熱冷却ブロックと接触する第一接触領域（０１０４、０２０４）と、からなり、前記加熱冷却ブロックは、恒温を維持するための加熱冷却装置と接続し、略円柱形状のブロックであって、円柱の上面が開口し前記恒温対象物収納ブロックの第一接触領域が内接して収納可能なブロック収納穴（０１０５、０２０５）と、前記ブロック収納穴の内面に設けられ、第一接触領域と接触する第二接触領域（０１０６、０２０６）と、からなり、前記加熱冷却ブロックのブロック収納穴に収納ブロックを収納した状態において、第一接触領域と第二接触領域を除く、ブロック収納穴の内壁面と前記恒温対象物収納ブロックの外壁面との間に空間（０１０７、０２０７）を有する。

「恒温対象物収納ブロック」は、例えば校正対象である温度センサなどの恒温対象物を収納するための恒温対象物収納穴が設けられている。恒温対象物収納ブロックは、略円柱状であって、恒温対象物収納ブロックの円柱の上面から底面方向へ校正対象である温度センサのような恒温対象物を挿入し収納する恒温対象物収納穴が設けられている。また、恒温対象物収納ブロックは、上下で円柱の断面径が異なる形状となっている。恒温対象物収納ブロックの上面側は、断面径が大きく、底面側（下面側）は、断面径が小さくなった形状となっている。この上面側の断面径が大きい部分は、その外側面が後述する加熱冷却ブロックのブロック収納穴の内壁面と接触するように構成されている。

「恒温対象物収納穴」は、例えば温度センサの校正を行う際に、校正対象である温度センサなどの恒温対象物を収納する穴である。この温度センサなどの恒温対象物を収納する恒温対象物収納穴は、恒温対象物収納ブロックに一つだけ設けられていても良いし、複数設けられていても良い。また、複数の恒温対象物収納穴は、すべて同じサイズや形状であっても良いし、様々なサイズや形状に対応するように、種々のサイズや形状としてもよい。複数の恒温対象物収納穴が設けられた場合には、いずれの恒温対象物収納穴に収納された温度センサ等の恒温対象物が等しく加熱または冷却されて均一の温度になるように恒温対象物収納穴の位置を配置する必要がある。また、均熱ブロックを恒温対象物収納ブロックと加熱冷却ブロックの二重構造にすることで、恒温対象物収納ブロックを交換することで、様々なサイズや形状の温度センサ等の恒温対象物に対応することが可能となる。

「第一接触領域」は、恒温対象物収納ブロックと加熱冷却ブロックが接触する箇所である。この第一接触領域を介して、恒温対象物収納ブロックへ加熱冷却ブロックから加熱または冷却される。これにより、先に説明した恒温対象物収納穴に収納された校正対象である温度センサ等の恒温対象物の温度を任意にコントロールしている。この第一接触領域は、恒温対象物収納ブロックの上面側に配置されている。また、加熱冷却ブロックのブロック収納穴の内壁面に接触するように構成されるため、恒温対象物収納ブロックの第一接触領域を構成する部分の断面径は他の部分に比べて大きくなるように構成されている。

ここで、図３を参照して、第一接触領域の機能を説明する。前述のように、第一接触領域は、恒温対象物収納ブロックの上面側に配置されている。第一接触領域は、恒温対象物収納ブロックの加熱または冷却箇所となるため、恒温対象物収納ブロックは、上面側から加熱されたり冷却されたりすることとなる。ここでは、図３において加熱冷却ブロック（０３０１）を冷却する場合を例に説明する。恒温対象物収納ブロック（０３０２）の上面（０３０３）を除く外周全てを加熱冷却ブロックと接触するように構成した場合（図３の（ａ）の状態）や、恒温対象物収納ブロックの底面（０３０４）側のみが加熱冷却ブロックと接触するように構成した場合（図３の（ｂ）の状態）、加熱冷却ブロックを冷却すると、上面から熱の流入が発生するため、恒温対象物収納ブロック全体を見たときに、上部は比較的暖かく、下部は温度が低い状態となるため温度差が生じてしまい、校正対象である温度センサなどの恒温対象物に温度斑が生じる可能性がある。しかし、本実施形態（図３の（ｃ）の状態）のように、恒温対象物収納ブロックの上面側に第一接触領域を設け、加熱冷却ブロックと接触するように構成した場合、先にも述べたように、熱は上面から流入するが、上面側にて加熱冷却ブロックから冷却されるため、第一接触領域以下、底面方向には温度差が発生しにくくなる。従って、校正対象である温度センサなどの恒温対象物にも温度分布が生じない構成となっている。

「加熱冷却ブロック」は、上面が開口した円柱状である。この開口は、先に示した恒温対象物収納ブロックを収納させるためのブロック収納穴である。また、ブロック収納穴には、ブロック収納穴に収納された恒温対象物収納ブロックの第一接触領域と接触する第二接触領域が設けられている。また、加熱冷却ブロックは、電気ヒータなどの加熱装置や、スターリングクーラーといった冷却装置や、ペルチェ素子といった加熱冷却装置などと接続されている。

「ブロック収納穴」は、上面が開口し、恒温対象物収納ブロックが収納される。このブロック収納穴には、恒温対象物収納ブロックの第一接触領域が内接する第二接触領域が設けられている。

「第二接触領域」は、ブロック収納穴の内壁に設けられ、恒温対象物収納ブロックの第一接触領域と接触する領域である。この第一接触領域と第二接触領域が接触することで、加熱冷却ブロックが恒温対象物収納ブロックを加熱したり冷却したりする、恒温対象物収納ブロックの熱の出入り口となる。

加熱冷却ブロックは、恒温装置用均熱ブロックを加熱冷却する加熱冷却装置に接続されている。この加熱冷却装置が吸熱または発熱することで、加熱冷却ブロックを介して恒温対象物収納ブロックに収納された温度センサなどの恒温対象物を恒温状態に保つことが可能となる。加熱冷却ブロックと加熱冷却装置の接続位置は、加熱冷却ブロックの外面側であれば、いずれの場所であってもよい。加熱冷却装置の形状や冷却又は加熱能力に応じて、接続位置を決定するものである。例えば、図４に冷却装置としてペルチェ素子（０４０１）とスターリングクーラー（０４０２）を用いた場合を例に説明する。図４の（ａ）は冷却装置としてスターリングクーラーを用いた場合、（ｂ）は冷却装置としてペルチェ素子を用いた場合である。スターリングクーラーは、比較的大型の冷却装置であるため、加熱冷却ブロック（０４０３）の下部に設置することが望ましい。従って、加熱冷却ブロックとの接続は（ａ）のように加熱冷却ブロックの底面（０４０４）にて接続される。スターリングクーラーの冷却能力は比較的高いため、加熱冷却ブロックと恒温対象物収納ブロック（０４０５）との接触位置、つまり、第一接触領域（０４０６）および第二接触領域（０４０７）から遠い場所に接続位置を設けても、十分に恒温対象物を冷却することが可能である。一方、ペルチェ素子を冷却装置とした場合、ペルチェ素子は、前述のスターリングクーラーに比べて大きさが小さいため、接続位置は比較的自由に選択することが可能である。従って、ペルチェ素子は（ｂ）に示したように、加熱冷却ブロックと恒温対象物収納ブロックとの接触位置、つまり、第一接触領域および第二接触領域に近い位置に取り付けることも可能である。このように、加熱冷却装置の配置位置と加熱冷却ブロックとの接続位置は、加熱冷却装置の大きさや性能等に応じて配置する。

また、加熱冷却ブロックの加熱冷却装置との接触位置の形状は、加熱冷却装置の形状に合わせて変更させてもよい。たとえば、（ａ）の場合、スターリングクーラーとの接触位置は、スターリングクーラーに合わせて、曲面（０４０４）になるように構成され、（ｂ）の場合は、ペルチェ素子の形状に合うよう、平面（０４０８）になるように構成されている。

また、加熱冷却ブロックのブロック収納穴に収納ブロックを収納した状態において、加熱冷却ブロックと恒温対象物収納ブロックの接触個所は、第一接触領域と第二接触領域が接触する個所のみとし、その他のブロック収納穴の内壁面と恒温対象物収納ブロックの外壁面との間には、空間が存在するように構成されている。この空間は、恒温対象物収納ブロックの断熱や保温に効果があり、恒温対象物収納ブロックを均一な温度に保つために重要である。従って、加熱冷却ブロックは、第一接触領域と第二接触領域のみが接触した状態で、恒温対象物収納ブロックを保持しなければならない。このため、本実施形態の恒温装置用均熱ブロックでは、図５の（ａ）や（ｂ）のように、恒温対象物収納ブロック（０５０１）を保持するために、恒温対象物収納ブロックや加熱冷却ブロック（０５０２）につば部（０５０３）や段差（０５０４）を設ける必要がある。例えば図５の（ａ）（図１や図２にも示した例と同様）では、恒温対象物収納ブロックの上面にブロック収納穴の直径よりも大きなつば部を設け、加熱冷却ブロックの上面に係止させることで、恒温対象物収納ブロックを保持している。また、（ｂ）では、ブロック収納穴の内面に、第二接触領域以下のブロック収納穴の直径が小さくなるように段差を設け、この段に恒温対象物収納ブロックの第一接触領域を係止させることで恒温対象物収納ブロックを保持せるように構成してもよい。
＜実施形態１ 効果＞

本実施形態の恒温装置用均熱ブロックのように、校正対象である温度センサなどの恒温対象物を収納する恒温対象物収納ブロックの第一接触領域のみから加熱または冷却をおこなうこと、つまり、恒温対象物収納穴の開口寄に加熱冷却装置から恒温対象物収納ブロックへの加熱または冷却箇所を設けることで、恒温対象物収納ブロックおよび校正対象である温度センサなどの恒温対象物の温度分布を少なくすることが可能となる。
＜＜実施形態２＞＞
＜実施形態２ 概要＞

本実施形態は、恒温対象物収納ブロックと加熱冷却ブロックが接触する第一接触領域および第二接触領域が、底面方向に向かって恒温対象物収納ブロックの断面径が狭まるテーパー形状となっている恒温装置用均熱ブロックである。

第一接触領域および第二接触領域をテーパー形状とすることで、加熱または冷却による恒温対象物収納ブロックおよび加熱冷却ブロックの膨張または収縮による、接触不良を回避することが可能となる。
＜実施形態２ 構成＞

図６に本実施形態の恒温装置用均熱ブロックの斜視概念図を、図７に断面概念図を示した。図６および図７の（ａ）は恒温対象物収納ブロック、（ｂ）は加熱冷却ブロック、（ｃ）は加熱冷却ブロックに恒温対象物収納ブロックを収納した状態を示している。本実施形態の恒温装置用均熱ブロックは、実施形態１に示した、恒温対象物収納ブロック（０６０１、０７０１）と加熱冷却ブロック（０６０２、０７０２）、恒温対象物収納穴（０６０３、０７０３）、第一接触領域（０６０４、０７０４）、ブロック収納穴（０６０５、０７０５）、第二接触領域（０６０６、０７０６）、ブロック収納穴の内壁面と前記恒温対象物収納ブロックの外壁面との間に空間（０６０７、０７０７）を有する恒温装置用均熱ブロックにおいて、恒温対象物収納ブロックに設けられた第一接触領域が、上面から底面方向に向かって断面径が狭まるテーパー形状を有し、加熱冷却ブロックの第二接触領域が、前記第一接触領域のテーパー形状に沿ったテーパー形状を有している。

第一接触領域と第二接触領域をテーパー形状とすることで、第一接触領域と第二接触領域における恒温対象物収納ブロックと加熱冷却ブロックを確実に接触させることが可能となる。仮に第一接触領域および第二接触領域を、テーパー形状ではない形状であった場合、温度変化によって恒温対象物収納ブロックと加熱冷却ブロックが膨張または収縮することで、第一接触領域と第二接触領域の間に隙間が生じる可能性がある。図７に本実施形態の恒温装置用均熱ブロックを説明するための概念図を示した。図８の（ａ）は第一接触領域と第二接触領域がテーパー形状となっていない形状の場合を示している。このとき、恒温対象物収納ブロックは、加熱冷却ブロックのブロック収納穴に設けられた第二接触領域が常温状態において、第一接触領域が内接するように構成されているとする。この状態から仮に、加熱冷却ブロックを冷却した状態を想定すると、加熱冷却ブロックは冷却により収縮する。加熱冷却ブロックが収縮すると、第一接触領域と第二接触領域の間に隙間が生じ、恒温対象物収納ブロックの冷却がされにくい状態となる。仮に、恒温対象物収納ブロックも冷却されたとすると、更に隙間が拡大し、所定温度まで冷却することができなかったり、時間がかかるなど、非効率的となってしまう。

一方、（ｂ）に示した第一接触領域と第二接触領域をテーパー形状とした場合は、冷却によって加熱冷却ブロックが収縮した場合、恒温対象物収納ブロックはテーパー形状に沿って下がる。このように、恒温対象物収納ブロックが下がることで、第一接触領域と第二接触領域の間に隙間は生じにくい。従って、温度の変化によって熱の伝達に影響を及ぼす可能性は低い。

本実施形態の恒温装置用均熱ブロックのように、第一接触領域と第二接触領域をテーパー形状とした場合には、温度変化によって恒温対象物収納ブロックが上下するのを妨げないように、恒温対象物収納ブロックを加熱冷却ブロックに係止しなければならない。従って、恒温対象物収納ブロックを係止するための段差やつば部は、恒温対象物収納ブロックが上下する動きを妨げないように、図９に示すように、温度変化によって恒温対象物収納ブロックが上下した場合でも（図中は下がる場合を想定）、上下するのを妨げないように十分な余裕をもって配置する必要がある。
＜実施形態２ 効果＞

本実施形態の恒温装置用均熱ブロックのように、恒温対象物収納ブロックと加熱冷却ブロックが接触する第一接触領域および第二接触領域を、底面方向に向かって恒温対象物収納ブロックの断面径が狭まるテーパー形状とすることで、加熱または冷却による恒温対象物収納ブロックおよび加熱冷却ブロックの膨張または収縮による、接触不良を回避することが可能となる。

また、第一接触領域および第二接触領域のテーパー角度が互いに合致すれば、恒温対象物収納ブロックと加熱冷却ブロックのサイズに多少の誤差が生じても、第一接触領域と第二接触領域の接触状態を確保することが可能なため、熱伝導を確実に行うことが可能となる。

０１０１、０２０１、０５０１、０６０１、０７０１ 恒温対象物収納ブロック
０１０２、０２０２、０５０２、０６０２、０７０２ 加熱冷却ブロック
０１０３、０２０３、０６０３、０７０３ 恒温対象物収納穴
０１０４、０２０４、０６０４、０７０４ 第一接触領域
０１０５、０２０５、０６０５、０７０５ ブロック収納穴
０１０６、０２０６、０６０６、０７０６ 第二接触領域
０１０７、０２０７、０６０７、０７０７ 空間
０５０３ つば部
０５０４ 段差

Claims (2)

1. 恒温対象物収納ブロックと加熱冷却ブロックの二重構造からなる均熱ブロックであって、
   前記恒温対象物収納ブロックは、
   略円柱状のブロックであって、
   円柱の上面から底面方向へ恒温を維持すべき恒温対象物を挿入し収納する恒温対象物収納穴と、
   円柱の上面側に設けられ、底面側に比べ円柱の断面径が大きく、加熱冷却ブロックと接触する第一接触領域と、からなり、
   前記加熱冷却ブロックは、
   恒温を維持するための加熱冷却装置と接続し、略円柱形状のブロックであって、
   円柱の上面が開口し前記恒温対象物収納ブロックの第一接触領域が内接して収納可能なブロック収納穴と、
   前記ブロック収納穴の内面に設けられ、第一接触領域と接触する第二接触領域と、からなり、
   前記加熱冷却ブロックのブロック収納穴に収納ブロックを収納した状態において、第一接触領域と第二接触領域を除く、ブロック収納穴の内壁面と前記恒温対象物収納ブロックの外壁面との間に空間を有する恒温装置用均熱ブロック。
2. 前記恒温対象物収納ブロックに設けられた第一接触領域は、上面から底面方向に向かって断面径が狭まるテーパー形状を有し、
   前記加熱冷却ブロックの第二接触領域は、前記第一接触領域のテーパー形状に沿ったテーパー形状を有している請求項１に記載の恒温装置用均熱ブロック。