JP3887652B2 - 恒温槽 - Google Patents

Description

本発明は、恒温槽に関し、さらに詳細にはタンク内部の液体を所定の温度に保つ恒温槽に関する。

例えば半導体製造時において用いられる洗浄用等の液体を、所定の温度に維持する恒温槽が従来から知られている（例えば特許文献１参照）。
図６に基づいて、従来の恒温槽について説明する。
恒温槽９を構成するタンク１０内には、所定の温度に保つべき液体１１が貯留されている。このタンク１０内には、内部を冷媒液が流通する冷却用蛇管１２が配置されている。タンク１０内の液体は、この冷却用蛇管１２を介して冷媒液と熱交換されており、タンク１０内の液体の温度が一定に保たれるように設けられている。

また、図７に他の恒温槽の例を示す。
この恒温槽１３のタンク１４の上部および下部のそれぞれには、ヒータ１５およびサーモモジュール１６に接続される配管１７ａ、１７ｂが設けられている。各配管１７ａ，１７ｂは、タンク１４内の液体１１を直接ヒータ１５やサーモモジュール１６へ循環させるように設けられており、配管１７ａの途中には液体１１を循環させるためのポンプ１８が設けられている。

特開平４−２１３１０３号公報（図１、図６等）

図６に示したように、タンク内の液体を循環させずに、冷媒液を循環させる方式の恒温槽では、冷却蛇管に接触している部分と冷却蛇管から離れている部分の液体に温度差がでてきしまうという課題があった。また、このようなタンクにタンク内の液体を撹拌させるための撹拌手段（スターラー等）を設けた場合であっても、タンクの隅々まで十分に撹拌することは難しく、タンク内にどうしても温度差が生じてしまっていた。

図７に示したように、タンクから液体を取り出して循環させる方式の恒温槽では、配管をタンクの上部と下部に設けることでタンク内を液体が流通することとなり、タンク内の液体の温度差がほとんどなくなる点では好ましい方式である。
しかし、タンク内の液体としてフッ素系不活性液体を用いた場合、フッ素性不活性液体は電気的な絶縁性が極めて高いので、配管内を液体が流通することで配管と液体との摩擦により静電気が発生してしまう。静電気の発生を防止するには、配管を金属製にする必要があるが、金属製配管では恒温槽全体が重量化・大型化してしまい、またコスト的にも不利であるという課題があった。

そこで、本発明者は、タンク内部で液体を流通させるようにすれば、配管が必要なくなり、且つタンク内部での温度差の発生を解消して、上記課題を解決することができると考え、本発明に想到した。

すなわち、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、タンクから外部へ液体を流通させる配管を設けなくともよく、且つタンク内での液体の温度差を無くし、液体温度を高精度に制御できる恒温槽を提供することにある。

本発明にかかる恒温槽によれば、対象となる液体を所定の温度に維持する恒温槽において、内部の温度分布が均一となるように円筒状に形成された内タンクと、該内タンクを内部に収納するようにして内タンクの外壁面から所定の距離を置いて配置され、多角筒状に形成された外タンクとから成る二重壁構造のタンクが設けられ、前記内タンクと前記外タンクとの間は、前記液体が流通する流路として設けられ、前記内タンクの上部および底面には、内タンクの内部と前記流路とを連通させる上部連通孔および底部連通孔が設けられ、前記内タンク内の液体を、前記内タンクの底部連通孔から前記流路内を上昇して前記内タンクの上部連通孔から再度前記内タンク内に流入するように循環させる、回転軸の軸線方向と直交する方向に液体を移動させるような形状に羽根が設けられた羽根車を有する循環手段が、内タンクの底部連通孔の下方の外タンクの底面に設けられ、前記外タンクの外壁面に取り付けられ、前記流路を流通する液体を所定の温度となるように維持するサーモモジュールが前記外タンクの外壁面の平面部分に設けられていることを特徴としている。

この構成による作用は以下の通りである。
内タンクと外タンクとから成る二重壁構造のタンク内に液体を貯留させ、内タンクと外タンクとの間で液体を循環させているので、内タンクの内部のいずれの場所においても温度が偏り無く所定の温度に維持することができる。
また、タンクからタンク外部へ液体を流通させるための配管を設けなくともよいので、恒温槽全体を軽量化・小型化することができると共に、コストダウンにも寄与する。
また、この構成によれば、サーモモジュールの外タンクへの取り付けが容易になると共に、サーモモジュールと外タンクとの接触面積を最大限に取ることができるので、温度制御が確実なものとなる。また、外タンクは多角形状であっても内タンクは円筒状であるので、内タンク内には液体の流通を妨げるようなデッドスペースを作らずに済み、内タンク内部における温度差の解消にさらに寄与することができる。

さらに、前記外タンクは、八角形筒状であることを特徴としてもよい。
四角形や六角形では、内タンクの外壁面との間の距離が場所によって大きく異なるものとなってしまい、液体の流路におけるスムーズな流通が妨げられるおそれがある。また、十角形以上の角数になってしまうと製造上手間がかかり且つ平面部分の面積が小さくなってサーモモジュールの取り付けに支障をきたすおそれがある。このため、外タンクの形状は、平面視八角形程度の多角形状が好ましいと考えられる。

本発明の恒温槽によれば、内タンク内のいずれの場所においても液体の温度差が無く液体温度を高精度に維持することができる。また、タンクからタンクの外部へ液体を流通させるための配管を設けなくともよいので、恒温槽全体を軽量化・小型化することができると共に、コストダウンにも寄与する。

（実施例１）
以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１に、恒温槽の全体構成を示す。
本実施例における恒温槽３０は、タンク３１が内蔵された本体３３に、温度制御用の制御装置３４が接続されて設けられている。
恒温槽３０は、フッ素系不活性液体を所定の温度に保つ機能を有するものであり、タンク３１内にフッ素系不活性液体（以下、単に液体と称する場合がある）を貯留させている
。タンク３１内で所定の温度に維持された液体は、例えば半導体製造時の洗浄等に用いられる。

図２に本体の平面図を、図３はタンクの側面図を、図４にタンクの断面図を示す。
本体３３には、内タンク３６と、内タンク３６を内部に収納するように内タンク３６の外周に配置された外タンク３８とからなる二重壁構造のタンク３１が設けられている。このタンク３１に、液体が所定の温度となるように貯留される。
内タンク３６は、上部が開口した円筒状に形成されている。一方、外タンク３８は上部が開口した八角形筒状に形成されている。

内タンク３６と外タンク３８との間には所定間隔の隙間が形成されている。この隙間が、内タンク３６と外タンク３８との間で液体が循環するための流路４０として構成される。
内タンク３６の底面３６ａには、流路４０と内タンク３６の内部とを連通させるための底部連通孔４２が形成されている。また、内タンク３６の上部には、流路４０と内タンク３６内部とを連通させるための上部連通孔４４が形成されている。

また、外タンク３８の底面であって内タンク３６の底部連通孔４２の下方には、液体を内タンク３６から外タンク３８へ循環させるための循環手段４８が設けられている。循環手段４８として具体的には、マグネット式の遠心ポンプを用いている。マグネット式の遠心ポンプは、外タンク３８の外底面に配置され、回転軸にマグネット（図示せず）が設けられたモータ４９と、該モータ４９と分離して設けられ、底部にマグネット５０を有する羽根車５１とを具備している。羽根車５１は、回転軸の軸線方向と直交する方向に流体を移動させるような形状に羽根が設けられている。

モータ４９が回転駆動することによって、羽根車５１が回転し、内タンク３６内の液体を内タンク３６底面の底部連通孔４２から流路４０へ流入させる。さらに、流路４０に流入した液体は羽根車５１の回転により流路４０内を上昇し、内タンク３６の上部連通孔４４から内タンク３６の内部へ流入する。

液体が流路４０を上昇している最中に、外タンク３８の外壁面に設けられたサーモモジュール５２によって液体は所定の温度に設定される。
すなわち、サーモモジュール５２は、外タンク３８の外壁面に取り付けられており、外タンク３８を直接加熱または冷却しており、外タンク３８に接触しつつ通過する液体を加熱または冷却することができる。

このように、流路４０を移動中に所定の温度にされた液体は、内タンク３６の上部連通孔４４から内タンク３６内に流入して内タンク３６の底面に向けて流れるので、内タンク３６内では常に上下方向に流動することとなり、内タンク３６内部における液体の温度差を無くすことができる。また、内タンク３６は円筒状に形成されているので、液体の流通がスムーズに行え液体が滞留等してしまうことがなく、特に均一な温度分布に設定することができる。

次に、サーモモジュールの構成について説明する。
サーモモジュール５２は、制御装置３４に接続されたペルチェ素子５６と、ペルチェ素子５６の一方の面側と外タンク３８の外壁面との間に配置される熱伝導板５８と、ペルチェ素子５６の他方の面側に設けられた熱交換器５９とを有している。

ペルチェ素子５６は、2種類の金属が貼り合わされて構成されており、電圧を印加する
ことによって一方の金属から他方の金属へ熱が移動して温度を調節することが出来る素子である。
また、熱伝導板５８は、ペルチェ素子５６を確実に外タンク３８の外壁面に取り付けると共に、ペルチェ素子５６の熱を均一に外タンク３８へ伝導させるために設けられており、ペルチェ素子５６の表面積よりも大きい表面積の銅板等が用いられる。

熱交換器５９は、水冷式であり、内部を冷媒が通過する流路６０が形成されたブロック体６１から構成されている。
例えば、ペルチェ素子５６において、外タンク３８を冷却する際には、ペルチェ素子５６の他方側の面は高温になるが、この高温となった他方側の面の温度を下げることによって、さらにペルチェ素子５６の性能を引き出すことができるようになる。
なお、冷媒としては、チラー水等を採用することができ、冷媒がポンプ６２によって循環可能となるように配管６３を設け、冷媒の熱交換を行なう熱交換器（図示せず）を設けても良い。

また、制御装置３４は、ペルチェ素子５６に印加する電流を制御するための回路が内蔵されており、ユーザが指定する温度に液体が短時間で到達するように制御がなされる。
制御装置３４は、ペルチェ素子５６へ印加する電圧の極性切換を行なうことによって、タンク３１内の液体の温度を加熱および冷却の双方を実行することができる。

なお、上述した実施例においては、外タンク３８の形状としては平面視八角形の筒状のものを採用した。しかし、外タンクの形状としてはこのようなものに限定されることはない。サーモモジュール５２が取り付けられる平面部分が形成されていれば、平面視四角形や平面視六角形、あるいは平面視十角形以上のものであってもよい。ただし、四角形や六角形では、内タンク３６の外壁面との間の距離が場所によって大きく異なるものとなってしまい、液体の流路４０におけるスムーズな流通が妨げられるおそれがある。また、十角形以上の角数になってしまうと製造上手間がかかり且つ平面部分の面積が小さくなってサーモモジュールの取り付けに支障をきたすおそれがある。このため、外タンク３８の形状は、平面視八角形程度の多角形状が好ましいと考えられる。

さらに、例えばサーモモジュール５２が取り付けられる面のみが平面でさえあれば取り付けが容易となるので、平面と曲面とが組み合わされた形状であってもよい。

本発明の恒温槽は、液体の温度をコンパクトな構成で低コストで提供できるので、一般産業用のみならず、実験用として用いるのも好適である。

以上本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。

本発明の恒温槽の全体構成を示すブロック図である。 二重壁構造のタンクの平面図である。 タンクの側面図である。 タンクの断面図（内タンクの側面図）である。 サーモモジュールの分解図である。 液体を循環させない従来の恒温槽の構成について説明する説明図である。 液体を循環させる従来の恒温槽の構成について説明する説明図である。

符号の説明

３０ 恒温槽
３１ タンク
３３ 本体
３４ 制御装置
３６ 内タンク
３８ 外タンク
４０ 流路
４２ 底部連通孔
４４ 上部連通孔
４８ 循環手段
４９ モータ
５０ マグネット
５１ 羽根車
５２ サーモモジュール
５６ ペルチェ素子
５８ 熱伝導板
５９ 熱交換器
６０ 流路
６１ ブロック体
６２ ポンプ
６３ 配管

Claims (2)

1. 対象となる液体を所定の温度に維持する恒温槽において、
   内部の温度分布が均一となるように円筒状に形成された内タンクと、該内タンクを内部に収納するようにして内タンクの外壁面から所定の距離を置いて配置され、多角筒状に形成された外タンクとから成る二重壁構造のタンクが設けられ、
   前記内タンクと前記外タンクとの間は、前記液体が流通する流路として設けられ、
   前記内タンクの上部および底面には、内タンクの内部と前記流路とを連通させる上部連通孔および底部連通孔が設けられ、
   前記内タンク内の液体を、前記内タンクの底部連通孔から前記流路内を上昇して前記内タンクの上部連通孔から再度前記内タンク内に流入するように循環させる、回転軸の軸線方向と直交する方向に液体を移動させるような形状に羽根が設けられた羽根車を有する循環手段が、内タンクの底部連通孔の下方の外タンクの底面に設けられ、
   前記外タンクの外壁面に取り付けられ、前記流路を流通する液体を所定の温度となるように維持するサーモモジュールが前記外タンクの外壁面の平面部分に設けられていることを特徴とする恒温槽。
2. 前記外タンクは、八角形筒状であることを特徴とする請求項１記載の恒温槽。

Images