JP3033412U - 均熱パイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体工業等で使用する清浄度の高いガス等
を一定の温度で流送する加熱型パイプを課題とする。 【解決手段】 内管１の外側を熱伝導性に優れる均熱層
２で覆い、この均熱層に温度制御が可能な発熱体５が配
設された管構造を有する加熱型パイプで、必要により発
熱体の外側に断熱層７が設けられている。 【効果】 内管の材質は通常ステンレス鋼や樹脂或いは
セラミックスのように、熱伝導率が小さく、温度分布が
不均一になりがちなものであっても、均一に加熱するこ
とができるので、内管の加熱浄化が均一に行われ、又流
送物の温度を変えずに流送するこができる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本発明は、半導体や液晶等のエレクロニック業界或いは医薬品、食品業界等で 多用される清浄度の高いパイプで、ガスや液体等の流体を一定温度で流送する均 熱パイプに関する。

【０００２】

【従来技術】

純度の高い流体を輸送するパイプでは、流体の汚染を避けるためパイプ内面を 高度に清浄化する必要がある。この場合、パイプ内面を洗浄剤で洗浄する等の浄 化処理を行った後、更に、不活性雰囲気或いは真空状態でパイプを加熱して浄化 することがしばしば行われる。この場合、浄化面全体を均一に一定の温度に加熱 することが必要となる。又、流体の状態変化を避けるため一定の温度を維持しな がら流送する場合にも、一定温度に加熱のできるパイプが必要となる。

【０００３】 従来、このような要請に対し、パイプの外周に電熱線等の発熱体を巻いた発熱 型パイプや、二重管とし、内管と外管との間に熱媒体を流す熱媒体型パイプ等が 用いられていた。

【０００４】 発熱体型パイプの例を図４に示す。図４で、１は内管でありこの中を流体が流 れる。３は測温体であり内管１の温度を測定するが、通常熱電対が多用される。 測温体３は、内管１の外面に直接螺旋状に卷いたヒータ５によって固定されてい る。そして、一般にはヒータ５の上に、断熱層７が配設され外部への放熱を防い でいる。更に外観上、及び使用場所によっては発塵を防止するために、断熱層７ の上を覆うこともある。

【０００５】 熱媒体型パイプを図５に示す。内管１の外径より大きな内径を有する外管４を 同心円上、またはそれに近い関係で配置した二重管で、内管１と外管４の間隙に 熱媒体を通す。熱媒体は、オイルバスや電子冷却装置等の温度制御器で一定温度 に調節され、導入部１３より前記二重管を送り込まれ、流出部１５を経て温度制 御器に戻され循環する。外管４の外側に断熱層７を設けその外側を更に被覆層９ で覆ったものもある。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

発熱体型パイプの場合、内管の温度分布はその材質、肉厚、及び発熱体の温度 、形状、配設状態等に依存するが、パイプの長手方向に温度分布が生じ均一に加 熱できないという問題があった。

【０００７】 特に半導体工業に代表される精密電子工業用のパイプでは、高度の清浄度の実 現と維持が要求され、この要求を満たすことの出来る配管材料としてステンレス 鋼が用いられる。ステンレス鋼製のパイプでは、その内面を電解研磨、更には複 合電解研磨等の方法により平坦度を極限まで高めたものが用いられ、使用直前に 真空状態で加熱して浄化する。

【０００８】 加熱により吸着したガスを除去する浄化では、加熱温度が直接浄化度を左右し 、温度分布が生じた場合、温度の低い部分では浄化度が不十分となる。この温度 分布は、ステンレス鋼製のパイプでは長手方向に±数度から数十度にも達するこ とがあった。

【０００９】 他方、熱媒体型パイプでは以下の問題があった。問題点の第１は、流送抵抗の ためにパイプの長さが制限されることである。 流送抵抗は熱媒体を流す二重管の間隙の大きさと長さ及び流速によって決まる が、温度を保つためには循環速度を確保する必要があり、流速は大きいほど望ま しい。温度制御器からの流送圧を高めれば流速を大きくすることはできるが、流 送圧にも限界がある。このため、熱媒体型パイプでは、高々数ｍの配管の長さに しか対応できなかった。特に、コーナ、Ｌ型やＴ字部が存在する場合はその配管 長さは更に短くなった。

【００１０】 第２の問題点は、パイプの長手方向に温度勾配が生じる事である。これは熱の 流入点、即ち熱媒体の流入点が１点であるため下流に行くに従い加熱温度が低下 するものである。特に二重管に流す熱媒体の流量が少ない場合は、配管の長手方 向の温度勾配は更に大きくなる。内管中を流れる流体の流量が変化した場合、配 管の温度分布に変動を来すことも容易に想到されよう。

【００１１】 更に、二重管方式では間隙を一定に確保して内管外周に均一に熱媒体を流す必 要があり、高度の製作技術を必要とし、且つ溶接等で両端や熱媒体の導入・導出 口を取り付けるなど製作工数も大きくなり価格的にも高価なものとなっていた。 この考案は、上記の問題を解決するためになされたもので、均一な温度分布が 得られ、且つ製作が容易で安価な均熱パイプの提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

この目的を達成するための手段は次の考案である。 第１の考案は、流体を流送する内管と、該内管の外側を覆う、内管よりも熱電 導性に優れる均熱層と、この均熱層を外周する温度制御が可能な熱供給体と、を 備えた管構造を有することを特徴とする均熱パイプである。

【００１３】 熱供給体が電熱線のように線状の場合、一般に熱は接触した部分に集中的に伝 わり直接接触していない部分には伝わりにくい。しかし、熱供給体に接触してい る均熱層が熱伝導性に優れていれば、その周囲にも熱は良く伝わる。 内管の外側が熱伝導性に優れる均熱層で覆われ、この均熱層の外周に熱供給体 が配設されていると、熱供給体からの熱は熱伝導性に優れる均熱層を伝わりパイ プの周方向或いは長手方向に拡散する。このため、均熱層を介して内管にも均一 に熱が伝わり内管の温度分布は均一化する。

【００１４】 ここで、熱供給体としては、電熱線の発熱体を巻いた発熱型パイプ、又は内管 と外管とからなる二重管の間に熱媒体を流す熱媒体型パイプがあが、いずれも均 熱効果に問題がある。特に、熱供給体として熱媒体型パイプを用いた場合には、 前述したように流入部から流出部に向かって温度低下が起こるが、この温度低下 を改善し均熱度を向上させるためには熱媒体を外管の外側に前述の均熱層を配設 する。

【００１５】 また、前述したように流入部から流出部に向かって生ずる温度低下は、熱媒体 の熱が外部へ放熱することによっても起こる。そこで、熱供給体の上に熱絶縁層 を設けて外部への放熱を防ぐことによって温度低下をさらに緩和することができ る。

【００１６】 熱供給体の上にさらに熱絶縁層が設けられていると、発熱体の熱がパイプの外 に逃げず熱の殆どが熱伝導性に優れた均熱層に伝わるので、均熱層の温度分布は 一層均一化し、したがって内管の温度分布も一層均一になる。断熱層としては、 例えば両面にアルミニュウムを蒸着したエンボス加工のポリイミドフィルムを用 いることができる。

【００１７】 第２の考案は、前記均熱層が金、銀、銅、アルミニュウム又はこれらの金属を 主体とする合金の層であることを特徴とする均熱パイプである。 均熱層の熱伝導率が大きいほど均熱効果は大きい。一般に、セラミックスや樹 脂等に較べ金属は熱伝導率が大きい。しかし、同じ金属でも電熱線によく使われ るニクロム線や電気抵抗体として使われるマンガニン線等に較べ、金、銀、銅、 アルミニュウム又はこれらの金属を主体とする合金は、その熱伝導率が数十倍も 大きい。例えば、熱伝導率をＷ／ｃｍ・ｄｅｇ．で表示すると、ニクロム線の１ ２、マンガニン線の８に較べ、金は３２０、銀は４３０、銅は４００、アルミニ ュウムは２４０である。

【００１８】 なお、上記の熱伝導性に優れる均熱層の効果は内管の熱伝導率が小さい程顕著 である。内管としては一般に用いられているステンレス鋼、例えばＳＵＳ３０４ は、金属であっても熱伝導率が小さく１６Ｗ／ｃｍ・ｄｅｇ．程度であり、アル ミニュウムと較べても１０分の１以下である。このため配管の長手方向に±数度 から数十度の温度分布が生じることも珍しくない。

【００１９】 樹脂に至っては大半がアルミニュウムの１００分の１以下の熱伝導率である。 したがって、ステンレス鋼製や樹脂製の内管にアルミニュウム等熱伝導性に優れ る均熱層を設けることによって、温度分布の不均一性は著しく改善される。

【００２０】 第３の考案は、前記熱供給体が、電熱線の発熱体を巻いた発熱型パイプ、又は 内管と外管とからなる二重管の間に熱媒体を流す熱媒体型パイプのいずれかであ ることを特徴とする均熱パイプである。 本考案において、熱供給体は電熱線の発熱体を巻いた発熱型パイプ、又は内管 と外管とからなる二重管の間に熱媒体を流す熱媒体型パイプのいずれでもよく、 前記均熱層により均熱の効果が発揮される。

【００２１】

【考案の実施の形態】

実施の形態の代表例を図１に示す。（ａ）図にパイプの横断面を、（ｂ）図に 縦断面を示す。内管１は均熱層２で覆われ、その外面に発熱体５が配設されてい る。発熱体５は断熱層７で覆われ、更に外被覆９で覆われている。内管１の温度 は測温体３で測定され、測定値は温度制御器１１へ送られる。

【００２２】 発熱体５は温度制御器１１に接続し、温度制御器１１では測温体から送られる 測定値と予め設定された目標温度とに基づき、発熱体５に送るエネルギーを調整 し供給熱量を制御する。

【００２３】 発熱体５は、例えば電熱線であって、温度制御器１１から送るエネルギーは電 気エネルギーであってもよく、又前述した二重管の間を流れる熱媒体であって、 温度制御器１１から送るエネルギーは熱エネルギーであってもよい。更に、熱媒 体を二重管の間に流すのではなく、細管の中を流しこの細管を螺旋状に巻き付け て配設した発熱体であってもよい。細管を使用した場合は二重管にする必要はな い。

【００２４】 均熱層２は熱伝導性に優れた材料で構成されていれば、内管に外挿した金属の 管であっても、又内管の外側に金属を溶着した被覆層や金属薄板を巻き付けたよ うな被覆層であってもよい。外被覆９は均熱パイプの使用環境を考慮して設けれ ばよく、外観或いは塵埃等を考慮する必要がなければ省略することもできる。

【００２５】 断熱層７は一層とは限らず複数の層であってもよい。複数層が有利なのは、最 下層は耐熱性を考慮しなければならないが、外側になるほど耐熱性を必要としな くなり断熱性を主体に材料を選択することができからである。更に、断熱層自体 が構造を持ち、例えばその中間に空気層や真空層を含むものであってもよい。又 、制御温度が室温とあまり違わない場合、例えば１００℃以下温度領域では、断 熱材の層数を少なくしたり、場合によっては空気層だけの構造としてもよい。

【００２６】

【実施例】

実施例１ 直管及び曲管の発熱体型の均熱パイプを製作し、内管の温度分布を測定した。直 管の均熱パイプの構造は図１に示したものである。内管１はステンレス鋼製で外 径１／４インチ、肉厚１ｍｍであり、均熱層２は肉厚０．５ｍｍのアルミニュウ ム管であった。

【００２７】 測温体３にはシース型のアルメル・クロメル熱電対を使用し、挿入孔を設けて その先端を内管１に密接させた。発熱体５には、シース発熱体を用い、これを３ ０ｍｍ間隔で螺旋状に巻き付けた。

【００２８】 熱絶縁層としての断熱層７には、両面にアルミニュウムを蒸着したエンボス加 工のポリイミドフィルムを用いた。この断熱材は超高清浄度が要求される環境下 でも使用できる。

【００２９】 温度制御器には、ＰＩＤコントローラを用い、温度制御は４ｍを１ゾーンとし て行った。又、温度制御は内管温度を測定し、これに基づいて行ったが、均熱層 の温度を測定して行っても、又内管を流れる流体の温度を測定して行ってもよい 。 なお、均熱層２のアルミニュウム管は内管１に外挿し嵌合したが、肉厚０． ５ｍｍ程度までものが作業性がよく、更に薄くなると嵌合作業に時間を要した。

【００３０】 この均熱パイプの内管の温度分布を調べると、制御温度１５０℃の場合で、ゾ ーンの両端２０ｍｍを除き、最も高温の箇所で１５２℃、最も低温の箇所で１４ ８℃であった。螺旋の間隔を小さくすれば、更に温度分布を均一化することがで き、又、加熱エネルギー供給源に限界があっても、ゾーン数を増やすことによっ てどんなに長い距離でも温度分布を均一に保つことができる。

【００３１】 比較例１ 実施例１の均熱パイプで均熱層２を設けなかったものについて同様に温度分布 を調べた結果１５０℃±８℃であった。この考案の実施例では、温度分布の幅は 比較例の４分の１に狭まっており、温度分布の均一性が大きく改善されている。

【００３２】 実施例２ 直管の均熱パイプで、内管１と測温体３は実施例１と同じである。均熱層２に は厚さ０．２ｍｍのアルミニュウム製テープを用い、これを内管１に貼りつけた 。発熱体５には、シース発熱体を用いたが、これを５ｍｍ間隔で螺旋状に巻き付 けた。断熱層７には、エンボス加工をしたポリイミドフィルムにアムミニュウム を被着した厚さ２ｍｍの断熱フィルムを４層に巻いたものを使用した。

【００３３】 外被覆９は設けなかった。パイプの長さは４ｍである。均熱層２は実施例１の 場合よりも薄かったが螺旋の間隔を狭くしたので、温度分布は、両端５０ｍｍを 除き、実施例１と同様に１５０℃±２℃であった。

【００３４】 実施例３ 曲管の均熱パイプを製作した。その構造を図２に示す。（ａ）図にパイプの横 断面を、（ｂ）図に縦断面を示す。曲管であることとシース発熱体の螺旋の間隔 が１０ｍｍであることが実施例１と異なる。曲管のコーナー部は、ステンレス鋼 製の内管にアルミニュウム管を外挿し、ベンダーで９０度に曲げた後、測温体３ を取り付け発熱体５を巻き付け断熱層７及び外被覆９で被覆して作製した。曲管 の長さは２００ｍｍである。

【００３５】 この曲管の両端を実施例１の直管に接続し、制御温度１５０℃とし、温度分布 を測定したが、両端１０ｍｍを除いて、１５０℃±２℃を得た。なお、曲管の作 製について、９０度に曲げた内管に、これに合わせて曲げて二つ割りにしたアル ミニュウム管を勘合した曲管でも同じく良好な温度分布が得られた。

【００３６】 実施例４ 実施例１のシース発熱体に替えて、熱媒体を通す銅製の細管を螺旋状に巻き付 けた均熱パイプを製作し、内管の温度分布を測定した。 流入部近くと流出部近くとで６℃の差が生じたが、温度Ｔ（℃）は式（１）の 範囲に入っていた。 Ｔ＝１５３−（３／２）×Ｌ±２ ・・・ （１） 但し、Ｌは流入部から測定点までの距離で単位はメートルである。 以上、均熱層がアルミニュウムの場合について述べたが、アルミニュウムより も熱伝導率が大きい、金、銀、銅では更に良い温度分布が得られる。

【００３７】 又、発熱体もテープ発熱体やシース発熱体に限定されるものではない。例えば 、熱媒体をパイプの長手方向に往復させて流す構造もある。図３に示した発熱体 は、二枚のアルミニュウム箔から作られたもので、厚さ０．２ｍｍのアルミニュ ウム箔を重ねて、部分的に圧接し、細管がシート状の発熱体の長手方向に蛇行す るように流路を形成したものである。６は細管である。

【００３８】 二枚のアルミニュウム箔の流路となる部分に離形剤を塗布し、重ねて圧接する 。圧接後離形剤の塗布部に内圧をかけて膨らませると塗布した部分の形状にした がって細管が成形される。このシート状の発熱体で、その長手方向を内管の長手 方向に合わせて内管に巻き付け、流入部１３から温度調整された熱媒体を流し蛇 行した流路を経て流出部１５から温度制御器に戻す。

【００３９】 発熱体のアルミニュウム箔自身が熱伝導性に優れた均熱層となり、均一な温度 分布が得られる。更に、熱媒体はパイプの長手方向に何回も往復するので、二重 管の間を一方向へ熱媒体を流す従来の構造に見られる長手方向の温度降下も発生 しない。

【００４０】

【考案の効果】

以上述べてきたように、この考案によれば、流体を通す内管の外側を熱伝導性 に優れる均熱層で外周し、この均熱層に温度制御可能な熱供給体が配設された構 造の加熱式パイプである。熱伝導性に優れる均熱層が存在するため、内管全面に わたって均一な温度分布が得られ、更に熱供給体が、発熱体の場合も又熱媒体の 場合も、温度制御されるので、内管全体が目標温度から隔たることなく一様な温 度に制御される。これに加えて、内管を熱伝導性に優れる均熱層で覆うという簡 単な操作で製作するこができ、構造も簡素でコストもかからない。 このように、内管材質の熱伝導度が小さく均一に加熱しにくいものであっても 、簡素な構造且つ低コストで内管全体を均一に加熱できるようにしたこの考案の 効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】考案の一実施例である直管の構造を示す加熱式
パイプの断面図である。

【図２】考案の一実施例である曲管の構造を示す加熱式
パイプの断面図である。

【図３】考案に用いられるその他の発熱体の斜視図であ
る。

【図４】従来の発熱体を配設した構造の加熱式パイプの
斜視図である。

【図５】従来の二重管の間に熱媒体を通す加熱式パイプ
の斜視図である。

【符号の説明】

１ 内管 ２ 均熱層 ３ 測温体 ４ 外管 ５ 熱供給体 ６ 細管 ７ 断熱層 ９ 外被覆 １１ 温度制御器 １３ 流入部 １５ 流出部

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体を流送する内管と、該内管の外側を
   覆う、内管よりも熱電導性に優れる均熱層と、この均熱
   層を外周する温度制御が可能な熱供給体と、を備えた管
   構造を有することを特徴とする均熱パイプ。
2. 【請求項２】 前記均熱層が金、銀、銅、アルミニュウ
   ム又はこれらの金属を主体とする合金の層であることを
   特徴とする請求項１記載の均熱パイプ。
3. 【請求項３】 前記熱供給体が、電熱線の発熱体を巻い
   た発熱型パイプ、又は内管と外管とからなる二重管の間
   に熱媒体を流す熱媒体型パイプのいずれかであることを
   特徴とする請求項１又は２記載の均熱パイプ。