JP2018181506A - 流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、加熱効率を高め、小型化を図ることのできる流体加熱装置を提供する。【解決手段】本発明に係る流体加熱装置１０は、内部を流体が流通可能なフッ素樹脂製のチューブ２２と、前記チューブの外周に螺旋状に巻回された発熱体２４と、を具える加熱チューブ体２０と、芯材３０と、を具え、前記加熱チューブ体は、芯材の外周に螺旋状に複層巻回されている。前記加熱チューブ体の各層の外周は、前記加熱チューブ体の広がりを防止するラッピング層４０で覆われていることが望ましい。前記チューブのフッ素樹脂材料は、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体が望ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体などのエレクトロニクス分野等において、強酸性や強アルカリ性等の流体を流通させつつ加熱、昇温させる流体加熱装置に関するものである。

半導体などのエレクトロニクス分野、医薬分野、バイオテクノロジー分野等における製造、洗浄、組立等の各種装置では、原料用流体、洗浄用流体、燃料用流体等の流体の供給、移送にチューブが使用されている。

これら流体には強酸性や強アルカリ性など、金属を腐食或いは変質させる流体も含まれるから、チューブとして専らフッ素樹脂製のものが採用されている。

そして、チューブを介して前記各種装置内や装置間で流体を移送する際に、流体を昇温させる要望がある。そこで、フッ素樹脂製のチューブの外周に発熱体をコイル状に巻回し、柔軟性のある樹脂テープで被覆した加熱チューブ体が提案されている（特許文献１参照）。これにより、チューブを流通する間に流体を加熱、昇温できるようにしている。

特許第３９１１７２３号公報

加熱チューブ体は、流体を所望の温度まで加熱するために一定の流路長が必要である。しかしながら、加熱チューブ体が長くなると、外部への露出面積も大きくなるため放熱ロスが発生し、加熱効率が低下する。また、流路長を確保するために加熱チューブ体を装置内で迂回させると配管の複雑化に繋がる。

そこで、複数の加熱チューブ体を束ねることも考えられるが、流体の所望する加熱温度は個々異なるため流体の過加熱や加熱不足を招き、十分な効果を得られない。

本発明の目的は、加熱効率を高め、小型化を図ることのできる流体加熱装置を提供することである。

本発明に係る流体加熱装置は、
内部を流体が流通可能なフッ素樹脂製のチューブと、前記チューブの外周に螺旋状に巻回された発熱体と、を具える加熱チューブ体と、
芯材と、
を具え、
前記加熱チューブ体は、前記芯材の外周に螺旋状に複層巻回されている。

前記加熱チューブ体の各層の外周は、前記加熱チューブ体の広がりを防止するラッピング層で覆われていることが望ましい。

前記チューブのフッ素樹脂材料は、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体が望ましい。

前記発熱体は、ステンレス線が望ましい。

前記加熱チューブ体は、前記チューブに、前記発熱体の外周から電気絶縁性を有するテープが巻回されたものを使用することが望ましい。

前記芯材は、前記加熱チューブ体の外径と略等しいピッチの螺旋状の溝が形成されていることが望ましい。

前記芯材は、中空の樹脂製の芯本体と、前記芯本体の内面に挿入された金属筒を含む構成とすることが望ましい。

前記チューブは、真円度が９０％以上であることが望ましい。

螺旋状に巻回された内層側の前記加熱チューブ体の曲げ半径Ｒは、前記加熱チューブ体の外径Ｄに対して、Ｒ≦３Ｄであることが望ましい。

螺旋状に巻回された前記加熱チューブ体はケーシングに収容されていることが望ましい。

本発明の流体加熱装置によれば、加熱チューブ体を螺旋状に複層巻回することで、隣り合う加熱チューブ体、さらには、内側と外側の加熱チューブ体どうしを密着させることができ、外部雰囲気による影響を抑えることで放熱ロスを低減でき、加熱効率を向上できる。

また、加熱チューブ体を芯材に巻回することで、チューブの折れ曲がりを防ぎつつ巻回することができ、チューブ内の流路を確保して、内部を流通する流体の流路抵抗の上昇を抑えることができる。

加熱チューブ体の各層の外周をラッピング層により包囲することで、加熱チューブ体を巻回する際に、加熱チューブ体が広がって解けることを防止でき、流体加熱装置の製造を効率化できる。

さらに、発熱体としてステンレス線を採用することで、その復元力によりチューブの折れ曲がりを防止でき、チューブ内の流路を確保して、内部を流通する流体の流路抵抗の上昇を抑えることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る流体加熱装置の部分断面図である。 図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。 図３は、加熱チューブ体の一実施形態を示す部分断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る流体加熱装置１０の部分断面図、図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。

図１及び図２に示すように、本発明の流体加熱装置１０は、加熱チューブ体２０を芯材３０の外周に螺旋状に複層巻回し、ケーシング６０に収容して構成される。なお、図示の実施形態では、加熱チューブ体２０は２層としているが、３層以上であっても構わない。

図１に示すように、加熱チューブ体２０の一端はケーシング６０に配置された入口ポート７０、他端は出口ポート７２に接続されており、流体加熱装置１０は、入口ポート７０、出口ポート７２は夫々半導体製造装置等の流体流路と接続して使用することができる。

加熱チューブ体２０は、図３に示すように、管状の可撓性を有するチューブ２２の外周に螺旋状に発熱体２４を巻回し、その外周にテープ２６を巻き付けた構成を例示できる。

チューブ２２は、フッ素樹脂材料から構成することができる。採用するフッ素樹脂材料として、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）が強酸性や強アルカリ性などの高純度薬液に対する安定性の点から最も望ましい。その他、フッ素樹脂材料として、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−ビニリデンフルオライド三元共重合体等を例示することができる。なお、フッ素樹脂材料は上記に限定されるものではない。

発熱体２４は、通電により発熱する導電線を例示でき、図３に示すように、チューブ２２の外周に螺旋状に巻回される。発熱体２４に採用できる導電線として、ステンレス線、ニクロム線を挙げることができる。なお、加熱チューブ体２０を螺旋状に巻回したときに、チューブ２２が折れ曲がることや、押し潰されることを防止して流路を確保するため、発熱体２４にはバネ性の強い材料を採用することが好適である。この理由により、発熱体２４はステンレス線を採用することが望ましい。

テープ２６は、チューブ２２と発熱体２４を被覆する。テープ２６は、発熱体２４の位置ずれや隣り合う巻きどうしの絶縁を図り、短絡を阻止する。従って、テープ２６は、電気絶縁性を有する材料を採用することが好適である。この種の材料として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を例示できる。加熱チューブ体２０は、チューブ２２に発熱体２４を螺旋状に巻回し、その上からテープ２６を発熱体２４の巻回方向に沿って順次チューブ２２に巻き付けること作製できる。

加熱チューブ体２０は、芯材３０に螺旋状に巻回される。芯材３０は、加熱チューブ体２０が巻回される骨格材の役割をなすと共に、後述するケーシング６０への取付手段を兼ねている。

芯材３０の外周には、図１に示すように、加熱チューブ体２０の外径Ｄに合わせたピッチＰに合わせた螺旋状の溝３４を形成しておくと、溝３４に沿って加熱チューブ体２０を巻き付けるだけで、一定ピッチＰで加熱チューブ体２０を巻回できる。

本実施形態では、芯材３０は、外周に溝３４の形成された中空の芯本体３２と、芯本体３２の内面に挿入された金属筒３６を含む構成としている。芯本体３２は、樹脂製とすることができ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を例示することができる。金属筒３６は、ＳＵＳ３０４製のパイプを例示できる。このように、芯材３０を樹脂製芯材３２と金属筒３６の二重構成とすることにより、芯材３０の熱容量を小さくすることができ、加熱チューブ体２０から芯材３０を介した放熱を抑えることができる。

芯材３０には、加熱チューブ体２０を内周側から巻回する。加熱チューブ体２０は、後述する入口ポート７０側に接続する始端Ｓを残して巻き始め、隣り合う加熱チューブ体２０どうしを密着させつつ、芯材３０の他端側まで一層目を巻き付ける。そして、二層目を巻回する前に、一層目の加熱チューブ体２０の広がりを防止するために、一層目の外周をラッピング層４０で覆う。ラッピング層４０は、伸縮性や電気絶縁性を有する材料から構成することが望ましい。図１では、一層目のラッピング層４０は、電気絶縁性のテープ４２を巻回した後、その外周に電気絶縁性を有する収縮チューブ４４を嵌めた構成としている。これは、テープ４２で一層目を仮止めした後、収縮チューブ４４を嵌めたためである。もちろん、電気絶縁性の収縮チューブ４４のみでラッピング層４０を形成しても構わない。テープ４２、収縮チューブ４４の材料として、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などを挙げることができる。これら材料は熱収縮材料であるから、一層目に被せた状態で加熱することで一層目に密着し、一層目の加熱チューブ体２０の広がりを防止でき、電気絶縁性も確保される。

なお、ラッピング層４０は、多孔質材料、望ましくは上記樹脂材料の多孔質フィルムを採用することが望ましい。これにより、ラッピング層４０にクッション性を具備でき、二層目の加熱チューブ体２０を巻きやすくすることができる。また、加熱チューブ体２０に流体が流通することにより生ずる振動を吸収できるから、流体加熱装置１０の振動発生を低減できる効果もある。

一層目にラッピング層４０を形成した後、加熱チューブ体２０を図２中矢印２１で示すように外側に誘引し、二層目の加熱チューブ体２０を一層目の外周に巻回する。二層目の加熱チューブ体２０は、一層目の加熱チューブ体２０と半ピッチずらした所謂整列巻きで巻回することが望ましい。これにより、一層目の加熱チューブ体２０と二層目の加熱チューブ体２０を密着させることができ、放熱を避けて温度保持効果を高めることができる。

二層目、本実施形態では、最外層となる加熱チューブ体２０を巻回した後、二層目の外周をラッピング層４０により覆う。図１ではラッピング層４０は収縮チューブ４４のみの構成である。ラッピング層４０は上記と同様の材料を採用することが望ましい。

加熱チューブ体２０を三層以上の構成とする場合には、二層目の外周に同様の要領で加熱チューブ体２０を巻回すればよい。

なお、加熱チューブ体２０の内部を流通する流体の温度測定のために、温度センサー５２を加熱チューブ体２０に接近して配置することが望ましい。また、後述するとおり加熱チューブ体２０はケーシング６０に収容して外部から視認できないため、内部を流通する流体の漏洩を検知し、発熱体２４の短絡を防止するために漏液センサー５４を配置することが望ましい。図示の実施形態では、温度センサー５２を加熱チューブ体２０の二層目外周と二層目のラッピング層４０の間に配置し、漏液センサー５４は二層目のラッピング層４０の外周に配置している。

上記により得られた螺旋状の加熱チューブ体２０は、始端Ｓと終端Ｔを流体流通路に接続して液体加熱装置１０として使用することができるが、ケーシング６０に収容して使用することもできる。

ケーシング６０は、図１に示すように、両端を蓋体６２，６４で閉じた筒状体６６とすることができ、一方の蓋体６２に入口ポート７０、他方の蓋体６４に出口ポート７２を具える。また、蓋体６２，６４の内面側には、芯材３０が嵌まる凹みを形成している。ケーシング６０は断熱性にすぐれる材料から構成することが望ましい。

そして、発熱体２４、温度センサー５２、漏液センサー５４に配線５０を施し、加熱チューブ体２０は、始端Ｓを入口ポート７０、終端Ｔを出口ポート７２と接続して芯材３０を蓋体６２，６４の凹みに取り付けつつケーシング６０の内部に収容し、流体加熱装置１０が作製される。

図１に示す実施形態では、螺旋状に巻回された二層の加熱チューブ体２０は、始端Ｓと終端Ｔが同じ側に位置している。従って、加熱チューブ体２０の終端を出口ポート７２に接続するために、終端Ｔを長めに採って、図１中Ｔ、Ｔ’に示すように、終端Ｔを蓋体６４側に曲げて出口ポート７２と接続するようにしている。これにより、液体加熱装置１０は、入口ポート７０と出口ポート７２を直線状に配置でき、直管状の流体流通路に導入できる。もちろん、入口ポート７０と出口ポート７２を同じ向きに設けることもできる。

本実施形態において、入口ポート７０に接続される加熱チューブ体２０の始端Ｓを内周側の一層目、出口ポート７２に接続される終端Ｔを外周側となる二層目としている。これは、内周側に位置する一層目の方が外部雰囲気の影響を受けにくく放熱ロスも少ないため、流入した流体を一気に加熱、昇温できるからである。外周側を始端、内周側を始端とすることももちろん可能である。

発熱体２４、センサー５２，５４の配線５０は、電源や制御装置に接続され、発熱体２４の発熱量の管理やセンサー５２，５４による監視を行なうことができる。たとえば、発熱体２４のオン、オフ制御や温度設定、現在の温度、漏液の有無は、ケーシング６０の適所に操作部や表示部を設けて操作、視認等可能にすることもできる。

作製された流体加熱装置１０は、半導体装置などの流体流路に設置される。チューブ２２の内部を通過する流体として、液体や気体を例示でき、必要に応じて液体や気体には粉体や粒体が混合される。これら流体は、可燃性、不燃性の何れであってもよい。

流体加熱装置１０の入口ポート７０から加熱チューブ体２０に流体（図１中矢印Ｌ１）が導入されると、当該流体は、チューブ２２内を螺旋状に旋回しながら、発熱体２４によって加熱、昇温されつつ、螺旋状の一層目、二層目を流通し、所望の温度域まで加熱されて出口ポート７２から流出する（図１中矢印Ｌ２）。これにより流体の加熱、昇温が達成される。

本発明の流体加熱装置１０によれば、加熱チューブ体２０を螺旋状に複層巻回した構成を具備することで、同じ長さの直管状の加熱チューブ体と比較して装置長さを１／３以下に小型化できる。また、外部雰囲気に露出する面積（ケーシングは考慮せず）は、２層に加熱チューブ体２０を巻回した場合、同じ長さの直管状の加熱チューブ体と比較して、二層の場合で約１４％程度に抑えることができる。従って、放熱ロスを低減でき、加熱効率を可及的に高めることができる。

また、芯材３０の螺旋状の溝３４を形成し、各層の外周にラッピング層４０を設けたことで、加熱チューブ体２０が広がることなく次の層を巻回でき、製造効率も向上できる。ラッピング層４０としてクッション性を具備する材料を使用することで、加熱チューブ体２０や流体加熱装置１０の振動発生も抑制できる。

上記説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或いは範囲を限縮するように解すべきではない。また、本発明の各部構成は、上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

上記構成の流体加熱装置１０について、チューブ２２の真円度は９０％以上を確保することが望ましい。これにより、チューブ２２の流路が確保され、流体をスムーズに流通させることができる。

たとえば、図１に示すように、加熱チューブ体２０の外径をＤ、内周側となる一層目の加熱チューブ体２０の曲げ半径をＲとしたときに、Ｒ≦３Ｄとなるように芯材３０、螺旋状の溝３４を構成すればよい。これにより、チューブ２２の真円度を９０％以上に確保できる。

また、上記したとおり、発熱体２４としてバネ性の強いステンレス線を採用することで、その復元力によりチューブ２２の真円度の向上に寄与できる。

１０ 流体加熱装置
２０ 加熱チューブ体
２２ チューブ
２４ 発熱体
２６ テープ
３０ 芯材
３４ 溝
４０ ラッピング層

Claims (10)

1. 内部を流体が流通可能なフッ素樹脂製のチューブと、前記チューブの外周に螺旋状に巻回された発熱体と、を具える加熱チューブ体と、
   芯材と、
   を具え、
   前記加熱チューブ体は、前記芯材の外周に螺旋状に複層巻回されている、
   流体加熱装置。
2. 前記加熱チューブ体の各層の外周は、前記加熱チューブ体の広がりを防止するラッピング層で覆われている、
   請求項１に記載の流体加熱装置。
3. 前記チューブのフッ素樹脂材料は、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体である、
   請求項１又は請求項２に記載の流体加熱装置。
4. 前記発熱体は、ステンレス線である、
   請求項１乃至請求項３の何れかに記載の流体加熱装置。
5. 前記加熱チューブ体は、前記チューブに、前記発熱体の外周から電気絶縁性を有するテープが巻回されている、
   請求項１乃至請求項４の何れかに記載の流体加熱装置。
6. 前記芯材は、前記加熱チューブ体の外径と略等しいピッチの螺旋状の溝が形成されている、
   請求項１乃至請求項５の何れかに記載の流体加熱装置。
7. 前記芯材は、中空の樹脂製の芯本体と、前記芯本体の内面に挿入された金属筒を含む、
   請求項１乃至請求項６の何れかに記載の流体加熱装置。
8. 前記チューブは、真円度が９０％以上である、
   請求項１乃至請求項７の何れかに記載の流体加熱装置。
9. 螺旋状に巻回された内層側の前記加熱チューブ体の曲げ半径Ｒは、前記加熱チューブ体の外径Ｄに対して、Ｒ≦３Ｄである、
   請求項１乃至請求項８の何れかに記載の流体加熱装置。
10. 螺旋状に巻回された前記加熱チューブ体はケーシングに収容されている、
    請求項１乃至請求項９の何れかに記載の流体加熱装置。

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