JP2013020471A - Temperature controller and temperature control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、温度コントローラ及び真空装置の温度制御方法に関する。 The present invention relates to a temperature controller and a temperature control method for a vacuum apparatus.
真空装置(減圧容器)においては、その内部に封入した物体の温度制御を行わなければならない状況がある。温度制御を行う際には、ペルチェモジュールや冷却ガスによる冷却又はヒータなどによる加熱が行われている。 In a vacuum apparatus (depressurized container), there is a situation in which the temperature of an object enclosed inside must be controlled. When performing temperature control, cooling by a Peltier module, a cooling gas, or heating by a heater or the like is performed.
この場合において、温度制御を精度よく行うためには、それぞれの制御対象に対応した温度コントローラが必要になる。 In this case, in order to accurately control the temperature, a temperature controller corresponding to each control object is required.
特許文献1には、真空チャンバに設けた液体窒素容器からの伝導、及びヒータのコントロールによって温度制御を行う真空装置が開示されている。 Patent Document 1 discloses a vacuum apparatus that performs temperature control by conduction from a liquid nitrogen container provided in a vacuum chamber and control of a heater.
特許文献2には、真空容器の外部に部分的に露出するように取り付けられた支持部材を伝導して外部に取り出された被計測物の温度を測温器によって計測する真空装置が開示されている。 Patent Document 2 discloses a vacuum apparatus that uses a temperature meter to measure the temperature of an object to be measured that has been conducted to the outside through a support member attached so as to be partially exposed to the outside of the vacuum vessel. Yes.
特許文献3には、真空チャンバの内部に収容した液晶供給装置における冷却手段としてペルチェ素子を用いた液晶注入装置が開示されている。
特許文献4には、複数の物品を異なる温度に冷却することを目的として、2個のペルチェ素子とヒータとを内蔵した真空容器を用いた冷却装置が開示されている。
特許文献5には、真空容器の内部にペルチェ素子とヒータとを備えた断熱型カロリーメータが開示されている。
本発明の目的は、長時間にわたって冷却することができ、かつ、液体窒素の使用量を低減することができる温度コントローラ及び温度制御方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a temperature controller and a temperature control method capable of cooling for a long time and reducing the amount of liquid nitrogen used.
本発明の真空装置の温度制御においては、冷却媒体による冷却からペルチェモジュールによる冷却に切り替えることが可能な構成であることを特徴とする。 The temperature control of the vacuum device of the present invention is characterized in that the cooling can be switched from the cooling by the cooling medium to the cooling by the Peltier module.
本発明によれば、真空装置の使用環境や用途に対して柔軟に温度制御を行うことができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, temperature control can be flexibly performed with respect to the use environment and application of a vacuum apparatus.
また、本発明によれば、真空装置において目標温度までの冷却を液体窒素等の冷却媒体で行い、温度の維持をペルチェモジュールで行うことができる。これにより、真空装置内の試料を長時間にわたって冷却することができ、かつ、冷却媒体の使用量を低減することができる。 Further, according to the present invention, in the vacuum apparatus, cooling to the target temperature can be performed with a cooling medium such as liquid nitrogen, and the temperature can be maintained with the Peltier module. Thereby, the sample in a vacuum apparatus can be cooled over a long time, and the usage-amount of a cooling medium can be reduced.
さらに、本発明によれば、試料を取り出す際にヒータ及びペルチェによって常温まで加熱することができるため、試料に結露が生じることを防止することができる。 Furthermore, according to the present invention, when the sample is taken out, it can be heated to room temperature by the heater and the Peltier, so that it is possible to prevent the sample from being condensed.
本発明は、真空容器を含む装置において温度制御を行うための温度コントローラに関するものである。装置の具体例としては、イオンミリング装置等がある。 The present invention relates to a temperature controller for performing temperature control in an apparatus including a vacuum vessel. Specific examples of the apparatus include an ion milling apparatus.
以下、本発明の一実施形態に係る温度コントローラ及び温度制御方法について説明する。 Hereinafter, a temperature controller and a temperature control method according to an embodiment of the present invention will be described.
前記温度コントローラは、試料を封入して減圧可能とした真空容器と、冷却媒体を供給して冷却可能とした熱交換部と、試料の冷却及び加熱を可能としたペルチェモジュールと、試料の加熱を可能としたヒータとを含む真空装置の温度制御を行う温度コントローラであって、ペルチェモジュール制御回路と、ヒータ制御回路と、試料の目標温度を設定する温度設定部と、試料の冷却及び加熱を選択する冷却/加熱選択部と、温度制御の設定を書き換え可能とした演算部とを備え、冷却媒体による冷却からペルチェモジュールによる冷却に切替可能としたことを特徴とする。 The temperature controller includes a vacuum vessel that can be depressurized by enclosing the sample, a heat exchange unit that can be cooled by supplying a cooling medium, a Peltier module that enables cooling and heating of the sample, and heating of the sample. A temperature controller that controls the temperature of a vacuum device including a heater that is enabled, and selects Peltier module control circuit, heater control circuit, temperature setting unit for setting target temperature of sample, and cooling and heating of sample A cooling / heating selection unit and a calculation unit capable of rewriting temperature control settings, and switching from cooling by a cooling medium to cooling by a Peltier module is characterized.
前記温度コントローラは、さらに、測定温度を演算部に伝達するアナログ/デジタル変換部を備えていることが望ましい。 It is desirable that the temperature controller further includes an analog / digital conversion unit that transmits the measured temperature to the calculation unit.
前記温度コントローラにおいて、真空装置は、ペルチェモジュールを2個以上直列に接続した構成を有することが望ましい。 In the temperature controller, the vacuum device preferably has a configuration in which two or more Peltier modules are connected in series.
前記温度コントローラにおいては、試料と、熱交換部、ペルチェモジュール及びヒータとが熱伝導部材で接続してあることが望ましい。 In the temperature controller, it is desirable that the sample, the heat exchange unit, the Peltier module, and the heater are connected by a heat conducting member.
前記温度制御方法は、試料を封入して減圧可能とした真空容器と、冷却媒体を供給して冷却可能とした熱交換部と、試料の冷却及び加熱を可能としたペルチェモジュールと、試料の加熱を可能としたヒータとを含む真空装置の温度制御方法であって、冷却媒体の残量又は熱交換部若しくは試料の温度を検知して冷却媒体による冷却からペルチェモジュールによる冷却に切り替えることを特徴とする。 The temperature control method includes a vacuum vessel that can be depressurized by enclosing a sample, a heat exchange unit that can be cooled by supplying a cooling medium, a Peltier module that enables cooling and heating of the sample, and heating of the sample. A temperature control method for a vacuum apparatus including a heater capable of detecting a remaining amount of a cooling medium or a temperature of a heat exchange unit or a sample, and switching from cooling by a cooling medium to cooling by a Peltier module To do.
前記温度制御方法は、試料を封入して減圧可能とした真空容器と、冷却媒体を供給して冷却可能とした熱交換部と、試料の冷却及び加熱を可能としたペルチェモジュールと、試料の加熱を可能としたヒータとを含む真空装置の温度制御方法であって、冷却媒体による冷却によって試料の温度が低下した後、冷却媒体による冷却からペルチェモジュールによる冷却に切り替えることを特徴とする。 The temperature control method includes a vacuum vessel that can be depressurized by enclosing a sample, a heat exchange unit that can be cooled by supplying a cooling medium, a Peltier module that enables cooling and heating of the sample, and heating of the sample. A temperature control method for a vacuum apparatus including a heater that enables cooling, and after the temperature of the sample is decreased by cooling with a cooling medium, switching from cooling with a cooling medium to cooling with a Peltier module is characterized.
前記温度制御方法においては、真空容器から試料を取り出す前に、ヒータ及びペルチェモジュールの少なくともいずれかで加熱することが望ましい。 In the temperature control method, it is desirable to heat the sample with at least one of a heater and a Peltier module before taking out the sample from the vacuum vessel.
以下、図面を用いて説明する。 Hereinafter, it demonstrates using drawing.
図1は、温度コントローラを備えた真空装置の例を示す概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a vacuum apparatus including a temperature controller.
本図において真空装置100は、真空容器1と温度制御部2とを含む。真空容器1の壁面には、熱交換部5、ペルチェモジュール6及びヒータ7が設置されている。これらには、それぞれ、熱伝導部材12、13、14が接続されている。熱伝導部材12、13、14は、試料冷却加熱部9に連結されている。
In this figure, the
試料10は、試料冷却加熱部9の表面に接するように設置され、試料台8の上に置かれている。試料10は、熱伝導部材12、13、14を介して加熱又は冷却をすることができるようになっている。試料冷却加熱部9には、温度センサが設置してあり、温度信号線11によって温度制御部2に温度のデータを送ることができるようになっている。熱交換部5は、液体窒素容器3(冷却媒体容器)から液体窒素4(冷却媒体)を供給して冷却することができるようになっている。
The
本図に示す真空装置100において、試料10を急速に冷却する際は、液体窒素4を用い、試料10の温度が目標温度に近づいた状態では、ペルチェモジュール6によって試料10の温度調節を行う。また、試料10の温度が目標温度よりも低くなった状態では、ヒータ7を用いて試料10を加熱する。これにより、試料10の温度を一定に保つ場合等に液体窒素4を浪費することがなくなる。また、夜間等に長時間にわたって試料10の温度を一定に保つ場合等に液体窒素4を使わずに温度を制御することができるため、真空装置100を設置した部屋に窒素が充満する危険を防止することができる。
In the
さらに、試料10を取り出す前には、ヒータ7を用いて試料10を加熱する。これにより、大気中において試料10の表面に結露が生じることを防止することができる。
Further, the
図2は、温度コントローラを備えた真空装置の変形例を示す概略構成図である。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating a modified example of the vacuum apparatus including the temperature controller.
本図においては、ペルチェモジュール6とペルチェモジュール21とが直列に接続されている。すなわち、ペルチェモジュール6の放熱面とペルチェモジュール21の吸熱面とが接するように接続されている。これにより、ペルチェモジュール6、21による試料10の冷却を急速に行うことができ、かつ、試料10の温度を図1に示す例よりも低くすることができる。ペルチェモジュール6、21は、3個以上(3段以上)直列に接続してもよい。
In this figure, the Peltier
図3は、ペルチェモジュールを制御する温度コントローラの例を示すブロック図である。 FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of a temperature controller that controls the Peltier module.
本図において、真空容器1には、温度測定部117及びペルチェモジュール118が備えてある。また、温度制御部2(温度コントローラ)には、A/D変換部111(アナログ/デジタル変換部)、ペルチェモジュール制御回路112、ヒータ制御回路113、演算部114、温度設定部115、冷却/加熱選択部116及び温度制御開始/停止スイッチ120が備えてある。
In this figure, the vacuum vessel 1 includes a
ペルチェモジュール118は、流す電流の向きで冷却/加熱の切替ができる。このため、温度制御部2のペルチェモジュール制御回路112によって電流の向き及び量を調整することにより温度制御を行うことができる。
The Peltier
図4は、図3の温度コントローラの変形例を示すブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram showing a modification of the temperature controller of FIG.
本図においては、真空容器1には、さらに、ヒータ119を設置してあり、温度制御部2のヒータ制御回路113によってヒータ119を制御するようになっている。また、温度測定部117a、117bを2か所設け、更に精密な制御を可能としている。
In this figure, the vacuum vessel 1 is further provided with a
図5は、温度コントローラによる温度制御を示すフローチャートである。以下では、図3及び4の構成要素も用いて説明する。 FIG. 5 is a flowchart showing temperature control by the temperature controller. In the following description, the components shown in FIGS. 3 and 4 are also used.
図5において、温度制御部2(温度コントローラ)は、初めに、ペルチェモジュール118による温度制御又はヒータ119による温度制御の選択を冷却/加熱選択部116にて行う(S20)。つぎに、冷却または加熱の選択を行う(S21)。つぎに、温度測定部117より測定温度を取り込み、A/D変換部111にてデジタル信号とし、温度設定部115から設定温度も同時に演算部114に取り込み(S22)、温度を表示する(S23)。この際に測定温度が異常値を示した場合、真空装置を停止する。温度は、常に監視し、異常値ならばいつでも真空装置を停止するようにしておく。
In FIG. 5, the temperature control unit 2 (temperature controller) first selects the temperature control by the
つぎに、温度制御開始/停止スイッチ120により温度制御を開始(S24)する。そして、測定温度と設定温度とを比較し(S25、S27)、冷却処理または加熱処理を行う(S26、S28)。 Next, temperature control is started by the temperature control start / stop switch 120 (S24). Then, the measured temperature is compared with the set temperature (S25, S27), and a cooling process or a heating process is performed (S26, S28).
以上の処理を行い、温度制御の終了を判断する(ステップ29)。温度制御終了ならば室温に戻す処理を行い(S30)、温度コントローラを停止する。温度制御がまだ終了していなければS25へ戻って温度制御を繰り返す。真空装置の冷却を目的とする場合、加熱処理はS30にて行う。真空装置の加熱を目的とする場合、冷却処理はS30にて行う。 The above process is performed to determine the end of temperature control (step 29). If the temperature control is completed, a process for returning to room temperature is performed (S30), and the temperature controller is stopped. If the temperature control is not yet finished, the process returns to S25 and the temperature control is repeated. When aiming at cooling the vacuum device, the heat treatment is performed at S30. When the purpose is to heat the vacuum apparatus, the cooling process is performed in S30.
例えば、特許文献1のように液体窒素等の冷却媒体によって冷却を行い、ヒータ119で温度制御を行う真空装置の場合、冷却媒体は、冷却能力は高いが、量に限りがあり、冷却できる時間が限られている。そのような場合、図1の熱交換部5(冷却部位)の温度を温度測定部117にて監視し、冷却部位の温度が上昇した場合にペルチェモジュール118による温度制御に切り替えれば長時間の温度制御が可能になる。
For example, in the case of a vacuum apparatus in which cooling is performed with a cooling medium such as liquid nitrogen and temperature control is performed with a
真空装置の温度制御方法について図5を使って説明する。 A temperature control method of the vacuum apparatus will be described with reference to FIG.
まず、ペルチェモジュール118による温度制御又はヒータ119による温度制御の選択を冷却/加熱選択部116にて行う(S20)。初めは、ヒータによる温度制御を行う。冷却部位の温度測定部117a、117bによって十分な冷却ができないと判断した場合は、制御対象を演算部114内でペルチェモジュール118に切り替え、図3と同じように温度制御を行う。
First, selection of temperature control by the
すなわち、冷却媒体(液体窒素等)の残量がわずかとなった場合、又は熱交換部若しくは試料の温度が上昇した場合には、これを検知して冷却媒体による冷却からペルチェモジュールによる冷却に切り替える。 That is, when the remaining amount of the cooling medium (liquid nitrogen or the like) becomes small, or when the temperature of the heat exchange unit or the sample rises, this is detected and the cooling by the cooling medium is switched to the cooling by the Peltier module. .
以下、本発明の効果について更に述べる。 The effects of the present invention will be further described below.
本発明によれば、冷却媒体である液体窒素等がなくなった場合でもペルチェモジュールによって試料の温度制御をすることができる。 According to the present invention, the temperature of the sample can be controlled by the Peltier module even when liquid nitrogen or the like as a cooling medium is exhausted.
また、液体窒素等を使いたくない場合にも有効である。この場合、直列に2個以上(2段以上)接続したペルチェモジュールを用いることにより、低い温度を維持することができる。 It is also effective when liquid nitrogen or the like is not desired. In this case, a low temperature can be maintained by using two or more Peltier modules connected in series (two or more stages).
本発明によれば、液体窒素等の使用量を低減することができる。これにより、ランニングコストも低減することができる。 According to the present invention, the amount of liquid nitrogen or the like used can be reduced. Thereby, running cost can also be reduced.
また、本発明によれば、真空容器から試料を取り出す前に、ヒータ及びペルチェモジュールの少なくともいずれかで常温まで加熱することができるため、試料の結露を防止することができる。 In addition, according to the present invention, the sample can be heated to room temperature with at least one of the heater and the Peltier module before the sample is taken out from the vacuum vessel, so that condensation of the sample can be prevented.
さらに、本発明によれば、液体窒素等の残量を検知し、液体窒素等がなくなる前にペルチェモジュールで温度制御を代替する準備を進めることができる。 Furthermore, according to the present invention, the remaining amount of liquid nitrogen or the like can be detected, and preparation for substituting temperature control with the Peltier module can be advanced before the liquid nitrogen or the like runs out.
さらにまた、本発明によれば、液体窒素等によって急速に冷却することができ、かつ、ペルチェモジュールによって温度の微調整を行うことができる。また、液体窒素等とペルチェモジュールとを併用することにより、更に急速な冷却が可能となる。 Furthermore, according to the present invention, the temperature can be rapidly cooled with liquid nitrogen or the like, and the temperature can be finely adjusted with the Peltier module. Further, by using liquid nitrogen or the like together with the Peltier module, further rapid cooling becomes possible.
1:真空容器、2:温度制御部、3:液体窒素容器、4:液体窒素、5:熱交換部、6、21:ペルチェモジュール、7:ヒータ、8:試料台、9:試料冷却加熱部、10:試料、11:温度信号線、12、13、14:熱伝導部材、100:真空装置、111:A/D変換部、112:ペルチェモジュール制御回路、113:ヒータ制御回路、114:演算部、115:温度設定部、116:冷却/加熱選択部、117、117a、117b:温度測定部、118:ペルチェモジュール、119:ヒータ、120:温度制御開始/停止スイッチ。
1: Vacuum container, 2: Temperature control unit, 3: Liquid nitrogen container, 4: Liquid nitrogen, 5: Heat exchange unit, 6, 21: Peltier module, 7: Heater, 8: Sample stand, 9: Sample cooling heating unit 10: sample, 11: temperature signal line, 12, 13, 14: heat conducting member, 100: vacuum device, 111: A / D converter, 112: Peltier module control circuit, 113: heater control circuit, 114:
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