JP3998592B2 - 流体温度調節装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体温度調節装置に関し、特には、半導体製造装置等の処理液として使用される腐食性流体の温度を効率良く調節するのに適した流体温度調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エッチングや洗浄、レジスト剥離等の半導体ウェハの処理作業には、一般的に、腐食性が高く、高純度の薬液が使用される。このような薬液の反応速度は、温度依存性が高い。薬液の反応を正確に制御するためには、薬液の温度を、例えば、１５〜８５℃の範囲で、高精度に制御する必要がある。このような温度制御には、様々な温度調節装置が使用されている。
【０００３】
図１０は、従来の流体温度調節装置の伝熱室の構造を模式的に示す平面図である。
この流体温度調節装置１００は、フッ素系樹脂等の耐食性材料からなるブロック内に形成された伝熱室１０１を有している。伝熱室１０１内を通過する流体には、熱電素子モジュール等の温度調節手段から、図には示していないが、伝熱板を介して熱が伝えられる。伝熱室１０１の内部は、３枚の流路形成プレート１０３により、深さ方向に４つの区画１０５に分割されている。流路形成プレート１０３の一端には、開口１０７が形成されている。この開口１０７は、３枚の流路形成プレート１０３の端に交互に配置されている。このような構成により、各分割区画１０５は、開口１０７を介して相互に連通して、伝熱室内を蛇行する流路を形成する。
【０００４】
伝熱室１０１内の最上部及び最下部の２つの区画１０５には、これらの区画１０５に連通するパイプが接続されている。パイプの一方は、流体導入パイプ１０９で、他方は流体導出パイプ１１１である。パイプは、流路形成プレート１０３の開口１０７から遠い位置で各区画に接続されている。流体導入パイプ１０９から伝熱室１０１内に入った流体は、伝熱室内を蛇行する間に、温度調節手段から伝熱板を介して加熱又は冷却を受け、温度調節される。そして温度調節された流体が、流体導出パイプ１１１から導出される。なお、図１０に示す流体温度調節装置の詳細については、特許文献１に開示されている。
【０００５】
図１１は、従来の他の流体温度調節装置の伝熱室の構造を模式的に示す図であり、図１１の（ａ）は側面図、図１１の（ｂ）は図１１の（ａ）のＶ−Ｖにおける断面図である。この流体温度調節装置１２０は、図１１の（ａ）に示すような伝熱室１２１を有している。伝熱室１２１には、伝熱板１２３が取り付けられている。伝熱板１２３には、熱電素子モジュール等の温度調節手段が熱的に接続されており、該温度調節手段により、伝熱室１２１内を流れる流体に対して加熱又は冷却を行う。また、伝熱室１２１は、該伝熱室の上区画１２５及び下区画１２７を有し、両区画を連通する孔１２９ａ及び１２９ｂが形成されている。図１１の（ｂ）に示すように、上区画１２５及び下区画１２７は、それぞれ仕切り壁１３１によって２つに分割されている。孔１２９ａ及び１２９ｂの側面には、流体導入パイプ１３３及び流体導出パイプ１３５がそれぞれ接続されている。
【０００６】
流体導入パイプ１３３から孔１２９ａに入った流体は、同区画で上下に分かれて上区画１２５と下区画１２７に分岐し、各区画内で仕切り壁１３１に沿ってＵターンするように流れ、この間に熱電素子モジュール等により加熱又は冷却され温度調節される。そして、孔１２９ｂにおいて合流し、流体導出パイプ１３５から導出される。
【０００７】
このような流体温度調節装置においては、流体を効率良く加熱又は冷却するために、流体が流路を流れる間に熱的に均一に伝熱板に接する必要がある。従って、伝熱室内で流体の渦が発生したり、流速が遅くなって淀みが発生する等、流体の流れが不規則になる部分、即ち、熱伝達が不均一になる部分ができるだけ少なくなるように流路を形成する必要がある。また、薬液の変更や、装置の取り外し時に装置内から薬液を抜くときには、次に使用される薬液の汚染を防ぐために、装置内は、薬液が残留しないように完全に空になるのが望ましい。さらに、伝熱室内の流体の多くが有効な伝熱を受けることが好ましい。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−６７７１７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１０に示す従来例においては、伝熱室１０１の深さが深いため、伝熱板から遠い位置にある流体は伝熱に寄与せず、効率的でない。また、流路形成プレート１０３は、伝熱室１０１の側面に形成した溝に嵌め込んで取り付けられている。このため、溝とプレート１０３との間に隙間ができ、この隙間に薬液が入り込み、ここで薬液から固体が晶出してしまうことがある。また、流路は上述のように蛇行した形状であり、薬液を抜くときに、各区画１０５の隅の部分に薬液が残りやすい。加えて、隅部で淀みや渦が発生して、熱伝達が不均一になり易い。
【００１０】
また、図１１に示す従来例においては、上区画１２５及び下区画１２７からなる流路において、仕切り壁１３１寄りと外側では流体の流速が異なり、また、各流路の隅の部分で流体が淀むことがある。この従来例においても、薬液を抜く際に、隅部に薬液が残留し易いという問題がある。
【００１１】
上記の問題点に鑑み、本発明は、伝熱室から薬液を抜くときに薬液が残留しにくく、流体を効率良く加熱又は冷却することが可能な流体温度調節装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
上記課題を解決するため、本発明の流体温度調節装置は、伝熱室に流体を通過させることにより、該流体の温度を調節する流体温度調節装置であって、凹部を有するブロック材と、該凹部を覆うことにより、伝熱室を形成する伝熱板と、該伝熱板を介して、上記伝熱室を通過する流体との間で熱交換を行う温度調節手段とを備え、上記ブロック材には、上記伝熱室に流体を流入させる流入口と、上記伝熱室から流体を流出される流出口が形成されており、該流入口及び該流出口は、上記凹部の互いに対向する端部にそれぞれ形成され、該流入口及び該流出口の少なくとも一方が複数であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る流体温度調節装置によれば、流体を通過させる伝熱室に、少なくとも一方が複数である流入口と流出口とを設けることにより、伝熱室における流体の速度を均一にすることができるので、効率的な流体の加熱又は冷却が可能になる。
【００１４】
ここで、上記ブロック材において、上記流入口同士、又は、上記流出口同士を連結する開口が形成されていても良い。複数の流入口又は複数の流出口を開口により連結して一体化させることにより、ブロック材の製造工程を簡単にすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置の構造を示す断面図である。この流体温度調節装置は、伝熱ブロック１と、伝熱ブロック１の両側に配置されている２枚の伝熱板２と、伝熱ブロック１と伝熱板２とを押さえつけることにより接触部分が密着するように両者を保持する保持部６０と、２枚の伝熱板２にそれぞれ接触するように配置されている温度調節部５０とを含んでいる。
【００１６】
伝熱ブロック１と伝熱板２との間には、伝熱室１０が形成されている。伝熱室１０は、流体を加熱又は冷却しながら通過させることにより流体の温度調整を行う領域である。伝熱ブロック１は、耐食性を有する材料のブロックから、伝熱室１０となる領域（凹部５）、孔７及び孔９を削り出すことにより作製される。耐食性を有する材料としては、例えば、テフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂が用いられる。なお、伝熱ブロック１の形状及び流体の流路については、後で詳しく説明する。
【００１７】
伝熱板２は、伝熱ブロック１に形成された凹部５を覆うように配置されている。伝熱板２は、アルミニウム等の熱伝導性の高い材料によって形成される。また、伝熱板２の内、流体に接触する面には、例えば、０．５ｍｍ厚のアモルファスカーボンフィルム２ａが接着されている。アモルファスカーボンは、熱伝導性及び耐食性を有しており、伝熱板２が流体によって腐食されるのを防ぐ。
【００１８】
伝熱ブロック１に形成された凹部５の周囲には、溝２３が形成されており、そこには、Ｏリング等のシール部材２４が嵌め込まれている。このような伝熱ブロック１と伝熱板２とを保持部６０によって押さえつけることにより、伝熱ブロック１及び伝熱板２によって形成される伝熱室１０の液密性が保持される。
【００１９】
保持部６０は、伝熱ブロック１とその両側に配置された伝熱板２とを、それらの接触部分が密着するように保持している。保持部６０は、例えば、２つのフレーム６１ａ及び６１ｂと、ボルト６２と、ナット６３と、コイルバネ６４と、バネ押さえ（カラー）６５とを含んでいる。２つのフレーム６１ａ及び６１ｂは、伝熱ブロック１及びその両側に配置された伝熱板２を挟み込む。ボルト６２は、これらのフレーム６１ａ及び６１ｂを、ナット６３及びコイルバネ６４と共に締結する。コイルバネ６４は、ボルト６２に組み合わされて弾性体として作用する。このように、伝熱ブロック１と伝熱板２とを弾性体を用いて保持することにより、伝熱ブロック１が熱膨張した場合においても、伝熱室１０の液密性を損なったり、伝熱ブロック１を大きく塑性変形させることなく、これらを保持することができる。
【００２０】
なお、本実施形態においては、伝熱ブロック１の熱変形を敏感に吸収するために、弾性体として、比較的バネ定数の小さいコイルバネ６４を用いている。しかしながら、伝熱ブロック１の熱変形を吸収できる弾性を有するものであれば、コイルバネに限らず用いることができる。例えば、皿バネや板バネ等を用いても良い。
【００２１】
２枚の伝熱板２の外側には、温度調節部５０がそれぞれ設けられている。温度調節部５０は、伝熱板２を介して伝熱室１０内部の流体を加熱又は冷却して温度調節を行う装置である。温度調節部５０としては、一般的なヒータや、複数の熱電素子を用いた熱電モジュール等、加熱又は冷却量を制御可能な加熱装置又は冷却装置、或いは、その両方を行う装置が用いられる。本実施形態において、温度調節部５０は、各々の両端に電極５２が形成された複数の熱電素子５１と、熱交換板５３とを含んでいる。電極５２が形成された複数の熱電素子５１は、絶縁層５５を介して、伝熱板２及び熱交換板５３に熱的に接続しており、これらによって挟み込まれるように保持されている。熱交換板５３は、熱電素子５１の放熱の除去或いは給熱をするためのものであり、例えば、水循環式のものが用いられる。複数の熱電素子５１に電流を印加すると、それらの熱電効果により、熱が吸収又は放出される。このような熱電モジュールの詳細については、日本国特許公開平３−２２５９７３号公報及び平１０−１７８２１８号公報を参照されたい。
【００２２】
次に、伝熱ブロック１の構造について、図２及び図３を参照しながら、詳しく説明する。図２は、図１に示す伝熱ブロック１の平面図であり、図３は、図２に示す伝熱ブロック１のIII−IIIにおける断面図である。
図２及び図３に示すように、凹部５は、フッ素系樹脂等の耐食性材料で作製された直方体状の伝熱ブロック１の表面を掘り込むことにより形成される。伝熱ブロック１の寸法は、例えば、縦１５１ｍｍ、横１８１ｍｍ、厚さ３１ｍｍである。この伝熱ブロック１の上面及び下面の同じ位置に、同じ大きさの凹部５が形成されている。凹部５の平面形状は、伝熱ブロック１の長手方向に延びる長方形である。凹部５の対向する側面５ａと５ｂは平行で、側面５ｃと５ｄも平行であり、底面は平坦である。凹部５の寸法は、例えば、縦１０６ｍｍ、横１４１ｍｍ、深さ４ｍｍである。
【００２３】
ここで、実際には、凹部５の寸法及び縦横比は、これらの値に限られることはない。特に、凹部５の平面形状については、伝熱ブロック１の長手方向に延びる長方形に限られず、正方形、平行四辺形、台形等、対向する２つの端部を有する形状であれば、用いることができる。また、本実施形態において、凹部５は、伝熱ブロック１の上面及び下面の同じ位置に形成されているが、伝熱ブロック１の片面のみに形成しても良い。
【００２４】
伝熱ブロック１の側部には、同ブロック１の長手方向に平行に延びる２つの孔７及び９が開けられている。図３に示すように、これらの孔７及び９の中心線は、伝熱ブロック１の厚さ方向の略中心に位置する。また、孔７の外周と孔９の外周との間の距離は、凹部５の側面５ａ及び５ｂの長さよりも短くなっている。孔７及び９は、伝熱ブロック１の一方の外面から凹部５の側面５ａに達する長さを有する。一例として、孔７及び９の径は１５．８ｍｍ、長さは１６１ｍｍである。ここで、一方の孔７（図の右側）を導入流路、他方の孔９（図の左側）を導出流路とする。導入流路７には、流体源に連通するパイプ１１が接続され、導出流路９には、パイプ１２が接続されている。以下においては、伝熱ブロック１において、パイプ１１及び１２が接続されている側を手前、その反対側を奥とする。
【００２５】
伝熱ブロック１には、凹部５の右側の側面５ｄに沿って、厚さ方向に貫通する複数の流入口１３ａ〜１３ｅが開けられている。また、凹部５の左側の側面５ｃに沿って、厚さ方向に貫通する複数の流出口１４ａ〜１４ｃが開けられている。流入口１３ａ〜１３ｅは、導入流路７と伝熱ブロック１の上面及び下面の凹部５とに通じるとともに、流出口１４ａ〜１４ｃは、導出流路９と凹部５とに通じている。従って、導入流路７は、流入口１３ａ〜１３ｅを介して上面及び下面の凹部５に連通し、導出流路９は、流出口１４ａ〜１４ｃを介して凹部５に連通する。その結果、導入流路７から、流入口１３ａ〜１３ｅ、凹部５、流出口１４ａ〜１４ｃを介して、導出流路９へ達する流路が形成される。
【００２６】
流入口１３ａ〜１３ｅは、凹部５の側面５ｄに沿って３つの領域に合計５個形成され、手前側に対をなす２個（１３ａ、１３ｂ）、中央付近に対をなす２個（１３ｃ、１３ｄ）、奥側に１個（１３ｅ）が配置されている。手前側の流入口１３ａと奥側の流入口１３ｅは、凹部５の隅に位置する。ここでは、流入口が形成される３つの領域の面積は、手前側から奥側に行くに従って小さくなっている。
【００２７】
また、流出口１４ａ〜１４ｃは、凹部５の側面５ｃに沿って３つの領域に合計３個形成され、手前側に１個（１４ａ）、奥側に１個（１４ｃ）、中央付近に１個（１４ｂ）が配置されている。手前側の流出口１４ａと奥側の流出口１４ｃは、凹部５の隅に位置する。ここでは、流出口１４ａ〜１４ｃが形成される３つの領域の面積は、中央、奥側、手前側の順の大きさとなっている。
【００２８】
次に、この伝熱ブロック１における流体の流動状態について、図１〜図３を参照しながら説明する。実際に使用される際には、図１に示すように、伝熱ブロック１の上下面に、アモルファスカーボンフィルム２ａが接着された伝熱板２が配置され、各凹部５と伝熱板２との間には空間（図１及び図２に示す伝熱室１０）が形成される。この空間が、温度制御される流体の流路となる。図３に示すように、上凹部５に形成される空間を上流路２１、下凹部５に形成される空間を下流路２２とする。
【００２９】
パイプ１１を通って供給される流体が、伝熱ブロック１の導入流路７に導入されると、流体は、導入流路７内を長手方向に流れるとともに、流入口１３ａ〜１３ｅを通って上下方向に分岐する。分岐した流体は、流入口１３ａ〜１３ｅを通って伝熱ブロック１の上面及び下面に達し、上流路２１及び下流路２２内に流れ出す。上流路２１及び下流路２２の各々では、複数の流入口１３ａ〜１３ｅから流れ出した流体が合流し、一つの流れとなる。これらの流路内において、温度調節装置５０（図１）による加熱又は冷却が、伝熱板２を介して流体に対して行われ、流体の温度が調節される。そして、温度調節されながら流体は、各流路２１、２２を流出口１４ａ〜１４ｃ方向に流れ、流出口１４ａ〜１４ｃに入り、導出流路９で合流する。その後、導出流路９内を手前方向に流れ、パイプ１２を通って導出される。
【００３０】
このように、伝熱ブロック１の上面及び下面の凹部５とそれぞれの伝熱板２との間に形成された上流路２１及び下流路２２においては、液体が凹部５の側面５ｄから対向する側面５ｃへ向かうように流れる。これらの流路の深さは４ｍｍと浅く、流路内の流体の深さ方向の容量が小さいので、流路内において、流体の容量に対し、実質的に伝熱に寄与する流体の割合が大きくなり、効率的に伝熱が行われる。
【００３１】
さらに、流入口や流出口は、凹部５の隅にも設けられている。また、流路中に湾曲した部分や、角となる部分が存在しないので、流体が淀んだり渦を巻くことがなく、スムーズに流体を流すことができる。また、流路を形成するための仕切り壁などを設ける必要がなく、ブロックの掘り込みや孔開け加工のみで装置を作製できるため、装置の作製に要する手間やコストを低減できる。
【００３２】
また、上述のように、複数の流入口及び流出口の開口面積が異なるように設定したことにより、流路内で、よりスムーズで一定流速の流動が実現できる。流入口については、手前から奥に行くほど開口面積を小さくしている。これは、導入流路７から導入された流体は、導入流路７の長手方向への流れの慣性を有しているため、奥側の流入口に流入し易く、手前側ほど流入し難くなるためである。そこで、手前側の流入口１３ａ、１３ｂの開口面積を大きくすることにより、流体が流入しやすいようにしている。
【００３３】
図２に示すように、手前側の流入口１３ａと１３ｂが対をなし、中央の流入口１３ｃと１３ｄが対をなすように、２つの流入口が近接する位置に配置されている。ここで、流体が１つの流入口から伝熱室１０に流れ出すと、流入口から放射状に広がってしまうので、伝熱室１０の流入側の側面５ｄから流出側の側面５ｃに向かう均一な並行流が形成されないおそれがある。そこで、対をなす２つの流入口を配置することにより、これらの流入口から放射状に流れ出そうとする流体が互いにぶつかって干渉し合い、まっすぐに流れるようになる。これにより、各流入口から流れ出した流体は、流路２１、２２をほぼ平行に均一な速度で流れるようになる。
【００３４】
流出口については、奥の流出口１４ｃと比較して、手前の流出口１４ａの開口面積を小さくしている。手前側の開口を大きくすると、手前側からの流出量が増大し、奥側の流出量が減る傾向となり、結果として、流れは手前側に偏ってしまう。このため、手前の流出口１４ａの開口面積を小さくして、手前の流出口１４ａから導出流路９に流れ込む流量を減少させることにより、流体が流路２１、２２をほぼ平行に均一な速度で流れるようにしている。
【００３５】
実際には、流入口及び流出口の設定は、シミュレーションによる解析と調整の繰り返しによって行われた。
伝熱室１０における流体の流れをシミュレーションによって解析した最終結果として、流れはほぼ平行で流速が一定であり、流入口と流出口での流体の圧力の差が少ないことが示された。また、導入流路から導入される流体の流量を変化させても、ほぼ均一な流れを形成することが示された。
【００３６】
本装置の実際の使用形態においては、図３に示す※印のいずれかの面が下になるように設置される。
伝熱室１０から液体を抜くときに、流路や貫通孔に入り込んでいる流体は下降し、導入流路７又は導出流路９から排出される。このように、流体の流路がシンプルであるため、流体の排出作業により、流体をあまり溜めることなくほぼ完全に抜くことができる。これにより、残留薬液による汚染や晶出等を防ぐことができる。
【００３７】
ここで、伝熱ブロック１の材料として用いられるフッ素系樹脂は、長方形の板状で供給されることが多い。しかしながら、本実施形態によれば、凹部形成のためのブロック表面の掘り込み加工、導入流路及び導出流路形成のための孔開け加工、流入口、流出口及び連通孔形成のための孔開け加工という簡単な加工によって伝熱ブロックを作製できるので、板状で供給される材料を用いても、容易に加工することができる。従って、製造コストを低減することが可能になる。
【００３８】
次に、本実施形態に係る流体温度調節装置において用いられる伝熱ブロックの変形例について、図４及び図５を参照しながら説明する。
図４は、伝熱ブロックの第１の変形例を示す平面図である。伝熱ブロック３１には、凹部３１ａが設けられている。凹部３１ａの対向する２つの端部には、複数の流入口１５ａ〜１５ｄ及び複数の流出口１６ａ〜１６ｄがそれぞれ形成されている。伝熱ブロック３１及び伝熱板によって形成される伝熱室は、図２に示す伝熱室１０とほぼ同様の構造を有するが、流入口及び流出口の位置と大きさと数とが異なっている。
【００３９】
本実施形態においては、導入流路７側の流入口１５ａ〜１５ｄが４ヶ所に形成され、いずれの孔も対をなしていない。そして、手前側から奥側に行くほど開口面積を小さくしている。また、導出流路９側の流出口１６ａ〜１６ｄも４ヶ所に形成され、奥側から手前側に行くほど開口面積を大きくしている。
伝熱ブロックの構造をこのように変形しても、図２に示す伝熱室１０と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
図５の（ａ）は、伝熱ブロックの第２の変形例を示す平面図である。伝熱ブロック３２には、凹部３２ａが設けられている。凹部３２ａの対向する２つの端部には、円形の開口を複数配置することにより、複数の流入口１５ｅ及び複数の流出口１６ｅがそれぞれ形成されている。
【００４１】
また、図５の（ｂ）は、伝熱ブロックの第３の変形例を示す平面図である。伝熱ブロック３３には、凹部３３ａが設けられている。凹部３３ａの対向する２つの端部には、大きさの等しい長円形の開口を複数配置することにより、複数の流入口１５ｆ及び複数の流出口１６ｆがそれぞれ形成されている。
【００４２】
図５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、流入口や流出口となる開口の形状は、円や長円に限られず、楕円や多角形でも良い。また、対をなして配置される複数の流入口の形状は、図２に示すように、互いに異なっていても良く、図５に示すように、同じ形状でも良い。さらに、３つ以上の流入口が隣接するように配置しても良い。流入口や流出口となる開口の形状、数、配置については、シミュレーション等による解析により、伝熱室を通過する流体の流れが均一且つ並行流になるように調整することが望ましい。
【００４３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る流体温度調節装置について、図６を参照しながら説明する。本実施形態に係る流体温度調節装置は、図１に示す流体温度調節装置の伝熱ブロック１の形状を変更したものである。その他の構成については、本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置と同様である。
【００４４】
図６に示す伝熱ブロック３４には、凹部３５が設けられ、凹部３５の対向する２つの端部３５ｄ及び３５ｃには、流入口１７ａ〜１７ｅ及び流出口１８ａ〜１８ｃがそれぞれ形成されている。伝熱ブロック３４及び伝熱板により、伝熱室３６が形成される。
ここで、図２に示す伝熱ブロック１においては、隣接する複数の流入口（例えば、１３ａと１３ｂ）は、完全に分離されていた。しかしながら、図６に示すように、隣接する複数の流入口（例えば、１７ａと１７ｂ）の一部を一体化させても良い。このように、流入口の形状を、一部が絞られた形状にすることにより、流体が伝熱室内に流入する際の流れの向きをほぼ平行に保つことができる。
【００４５】
次に、本発明の第３の実施形態に係る流体温度調節装置について、図７を参照しながら説明する。本実施形態に係る流体温度調節装置は、図１に示す流体温度調節装置の伝熱ブロック１の形状を変更したものである。その他の構成については、本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置と同様である。
【００４６】
図７に示す伝熱ブロック３７には、凹部３８が設けられ、凹部３８の対向する２つの端部３８ｄ及び３８ｃには、流入口１９ａ、１９ｂ、…及び流出口２０ａ、２０ｂ、…がそれぞれ形成されている。伝熱ブロック３８及び伝熱板により、伝熱室３９が形成される。
流入口１９ａ、１９ｂ、…及び流出口２０ａ、２０ｂ、…は、端部３８ｄ及び３８ｃの全域に渡ってそれぞれ設けられている。ここで、隣接する流入口１９ｂ及び１９ｃは、例えば、多角形や円や楕円等の形状をしており、開口１９ｄを形成してこれらを連結することにより一体化されている。その結果、全体としての流入口は、両端及び中央部を含む一部の領域を除いて、細く絞られたような形状を有している。また、隣接する流出口２０ａ及び２０ｂも、多角形や円や楕円等の形状をしており、開口２０ｃを形成してこれらを連結することにより一体化されている。その結果、全体としての流出口は、両端及び中央部を含む一部の領域を除いて、細く絞られたような形状を有している。
【００４７】
このように、流入口や流出口の形状を、一部が絞られた形状にすることにより、流体が伝熱室内に流入する際の流れの向きをほぼ平行に保つことができる。また、流入口や流出口を一体化することにより、これらの開口を効率良く、簡単に形成することができる。
【００４８】
本実施形態においては、伝熱ブロックに設けられた凹部の対向する２つの端部に、連結された流入口及び流出口を形成したが、それらのいずれか一方を分離された開口としても良い。流入口又は流出口として分離された開口を形成する場合には、本発明の第１又は第２の実施形態において説明したような開口の形状や配置を用いても良い。
【００４９】
次に、本発明の第４の実施形態に係る流体温度調節装置について、図８を参照しながら説明する。本実施形態に係る流体温度調節装置は、図１に示す流体温度調節装置の伝熱ブロック１の形状を変更したものである。その他の構成については、本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置と同様である。
【００５０】
図８の（ａ）は、本実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックを示す平面図である。伝熱ブロック４０に設けられている凹部５、流入口１３ａ〜１３ｅ、流出口１４ａ〜１４ｃの形状及び配置については、図２に示すものと同様である。
図８の（ｂ）は、図８の（ａ）のIV−IVにおける断面を示している。本実施形態において、伝熱室１０に流体を導入する導入流路４１、及び、伝熱室１０から流体を導出する導出流路４２は、流入口１３ａ〜１３ｅと流出口１４ａ〜１４ｃとの内側、即ち、伝熱ブロック４０の両側に形成された凹部５の間に形成されている。
【００５１】
導入流路４１及び導出流路４２の配置をこのように変更しても、流体の流路は上下及び左右方向のみであるので、薬液が流路に溜まるのを防ぐことができる。従って、残留薬液による汚染や晶出等を防止することができる。また、伝熱ブロック４０のサイズを小さくして、流体温度調節装置をコンパクトにすることができる。
【００５２】
次に、本発明の第５の実施形態に係る温度調節装置について、図９を参照しながら説明する。図９は、本実施形態に係る温度調節装置に含まれる伝熱ブロックを示す平面図である。
本実施形態に係る温度調節装置は、並列に接続された複数の伝熱室を有している。図９に示すように、この温度調節装置は、両面に凹部４３ｃ及び４４ｃがそれぞれ形成された伝熱ブロック４３及び４４を有している。
【００５３】
伝熱ブロック４３に形成された導入流路４３ａ及び導出流路４３ｂと、伝熱ブロック４４に形成された導入流路４４ａ及び導出流路４４ｂとは、パイプ４５ａ及び４５ｂを介してそれぞれ接続されている。このような伝熱ブロック４３及び４４に形成された凹部を覆うように伝熱板を配置することにより、並列に接続された複数の伝熱室が形成される。ここで、１枚の伝熱板を用いて複数の凹部４３ｃ、４４ｃを覆うようにしても良いし、複数の伝熱板を用いて複数の凹部４３ｃ、４４ｃをそれぞれ覆うようにしても良い。
なお、本実施形態においては、２つの伝熱ブロックを接続しているが、接続される伝熱ブロックの数は２つに限定されるものではない。
【００５４】
凹部４３ｃには、流入口４６ａ〜４６ｅ及び流出口４７ａ〜４７ｃが形成されている。また、凹部４４ｃには、流入口４８ａ〜４８ｅ及び流出口４９ａ〜４９ｃが形成されている。これらの流入口及び流出口は、複数の伝熱室の間において流体の流量が均一になるように、孔の大きさ及び位置を調整されている。例えば、流入口については、各々の凹部において、流体は、奥側の流入口（例えば、４６ｅ、４８ｅ）に流入し易く、手前側（例えば、４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ）ほど流入し難いので、手前側の流入口を大きくしているが、奥側の伝熱ブロック４３においては、手前側の伝熱ブロック４４に比較して、導入流路４３ａにおける流れの慣性が小さいので、流入口４６ａ〜４６ｅの大きさの差を小さくしている。
【００５５】
本実施形態によれば、複数の伝熱室において、同時に流体の加熱又は冷却を行うので、流体温度調節装置の能力を上げることが可能である。
また、本実施形態によれば、各伝熱室は並列に接続されているので、伝熱室の増加による圧力損失の増大は低く抑えられる。
なお、本形態を実施する際には、さらに能力を上げるために、伝熱室内の流速を上げるよう、単位時間当たりの流量を増すことが望ましいが、単位時間当たりの流量を増すことによる圧力損失の増大は、同様に低く抑えられる。
【００５６】
本実施形態においては、導入流路４３ａ及び導出流路４３ｂと、導入流路４４ａ及び導出流路４４ｂとを、パイプ４５ａ及び４５ｂを用いてそれぞれ接続したが、パイプを用いないでこれらを直接接続しても良い。さらに、本実施形態においては、各々に伝熱室を構成する凹部が形成された伝熱ブロックを複数接続したが、１つの伝熱ブロックに複数の凹部を形成しても良い。その場合には、複数の凹部に通じる導入流路及び導出流路をそれぞれ連続して作製できるので、伝熱ブロックの製造工程を簡単にすることができる。また、複数の伝熱ブロックを接続する場合と比較して、伝熱ブロック全体の大きさを小さくすることができるので、流体温度調節装置を小型化することができる。
なお、図８を参照しながら第４の実施形態において説明したものと同様に、導入流路４３ａ、４４ａ、及び、導出流路４３ｂ、４４ｂを、流入口４６ａ〜４６ｅ、４８ａ〜４８ｅと、流出口４７ａ〜４７ｃ、４９ａ〜４９ｃとの内側に形成しても良いのは言うまでもない。この場合には、さらに装置の小型化が図られる。
【００５７】
また、複数の伝熱ブロックにおいて、上流側の伝熱ブロックの導出路を、下流側の伝熱ブロックの導入路に接続することを繰り返すことにより、複数の伝熱ブロックを直列に接続しても良い。これにより、流体が繰り返し加熱又は冷却されることになり、第５の実施形態において説明したものと同様に、流体温度調節装置の能力を上げることが可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、流体を均一な速度で伝熱室を通過させることができるので、流体の効率的な加熱又は冷却が可能になる。また、伝熱室から薬液を抜くときに薬液の残留を防止することができるので、伝熱室の汚染を防ぐことができる。さらに、本発明によれば、流体温度調節装置の構造がシンプルであるため、製法が容易であり、製造コストを低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す流体温度調節装置の伝熱室の構造を示す平面図である。
【図３】図２の伝熱室の正面断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックの変形例を示す平面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックの別の変形例を示す平面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックの構造を示す平面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックの構造を示す平面図である。
【図８】図８の（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックの構造を示す平面図であり、図８の（ｂ）は、図８の（ａ）のIV−IVにおける断面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックの構造を示す平面図である。
【図１０】従来の流体温度調節装置の構造を模式的に示す平面図である。
【図１１】従来の他の流体温度調節装置の構造を模式的に示す図であり、図１１の（ａ）は側面図、図１１の（ｂ）は図１１の（ａ）のＶ−Ｖにおける断面図である。
【符号の説明】
１、３、４、３１〜３４、３７、４０、４３、４４、７１、７３…伝熱ブロック、２、１２３…伝熱板、２ａ…アモルファスカーボンフィルム、５、３１ａ〜３３ａ、３５、３８、４３ｃ、４４ｃ…凹部、５ａ〜５ｄ、３２ａ〜３２ｄ、３５ａ〜３５ｄ、３８ａ〜３８ｄ…側面、７、４１、４３ａ、４４ａ…導入流路、９、４２、４３ｂ、４４ｂ…導出流路、１０、３６、３９、１０１、１２１…伝熱室、１１、１２、４５ａ、４５ｂ…パイプ、１３ａ〜１３ｅ、１５ａ〜１５ｆ、１７ａ〜１７ｅ、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ…流入口、１４ａ〜１４ｂ、１６ａ〜１６ｆ、１８ａ〜１８ｃ、２０ａ、２０ｂ…流出口、１９ｄ、２０ｃ…開口、２１…上流路、２２…下流路、２３…溝、２４…シール部材（Ｏリング）、５０…温度調節部、５１…熱電素子、５２…電極、５３…熱交換板、５５…絶縁層、６０…保持部、６１ａ、６１ｂ…フレーム、６２…ボルト、６３…ナット、６４…コイルバネ、６５…バネ押さえ（カラー）、７２、７４、７５…凸部、７６…流路、１００…流体温度調節装置、１０３…流路形成プレート、１０５…区画、１０７…開口、１０９…流体導入パイプ、１１１…流体導出パイプ、１２５…上区画、１２７…下区画、１２９ａ、１２９ｂ…孔、１３１…仕切り壁、１３３…流体導入パイプ、１３５…流体導出パイプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体温度調節装置に関し、特には、半導体製造装置等の処理液として使用される腐食性流体の温度を効率良く調節するのに適した流体温度調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エッチングや洗浄、レジスト剥離等の半導体ウェハの処理作業には、一般的に、腐食性が高く、高純度の薬液が使用される。このような薬液の反応速度は、温度依存性が高い。薬液の反応を正確に制御するためには、薬液の温度を、例えば、１５〜８５℃の範囲で、高精度に制御する必要がある。このような温度制御には、様々な温度調節装置が使用されている。
【０００３】
図１０は、従来の流体温度調節装置の伝熱室の構造を模式的に示す平面図である。
この流体温度調節装置１００は、フッ素系樹脂等の耐食性材料からなるブロック内に形成された伝熱室１０１を有している。伝熱室１０１内を通過する流体には、熱電素子モジュール等の温度調節手段から、図には示していないが、伝熱板を介して熱が伝えられる。伝熱室１０１の内部は、３枚の流路形成プレート１０３により、深さ方向に４つの区画１０５に分割されている。流路形成プレート１０３の一端には、開口１０７が形成されている。この開口１０７は、３枚の流路形成プレート１０３の端に交互に配置されている。このような構成により、各分割区画１０５は、開口１０７を介して相互に連通して、伝熱室内を蛇行する流路を形成する。
【０００４】
伝熱室１０１内の最上部及び最下部の２つの区画１０５には、これらの区画１０５に連通するパイプが接続されている。パイプの一方は、流体導入パイプ１０９で、他方は流体導出パイプ１１１である。パイプは、流路形成プレート１０３の開口１０７から遠い位置で各区画に接続されている。流体導入パイプ１０９から伝熱室１０１内に入った流体は、伝熱室内を蛇行する間に、温度調節手段から伝熱板を介して加熱又は冷却を受け、温度調節される。そして温度調節された流体が、流体導出パイプ１１１から導出される。なお、図１０に示す流体温度調節装置の詳細については、特許文献１に開示されている。
【０００５】
図１１は、従来の他の流体温度調節装置の伝熱室の構造を模式的に示す図であり、図１１の（ａ）は側面図、図１１の（ｂ）は図１１の（ａ）のＶ−Ｖにおける断面図である。この流体温度調節装置１２０は、図１１の（ａ）に示すような伝熱室１２１を有している。伝熱室１２１には、伝熱板１２３が取り付けられている。伝熱板１２３には、熱電素子モジュール等の温度調節手段が熱的に接続されており、該温度調節手段により、伝熱室１２１内を流れる流体に対して加熱又は冷却を行う。また、伝熱室１２１は、該伝熱室の上区画１２５及び下区画１２７を有し、両区画を連通する孔１２９ａ及び１２９ｂが形成されている。図１１の（ｂ）に示すように、上区画１２５及び下区画１２７は、それぞれ仕切り壁１３１によって２つに分割されている。孔１２９ａ及び１２９ｂの側面には、流体導入パイプ１３３及び流体導出パイプ１３５がそれぞれ接続されている。
【０００６】
流体導入パイプ１３３から孔１２９ａに入った流体は、同区画で上下に分かれて上区画１２５と下区画１２７に分岐し、各区画内で仕切り壁１３１に沿ってＵターンするように流れ、この間に熱電素子モジュール等により加熱又は冷却され温度調節される。そして、孔１２９ｂにおいて合流し、流体導出パイプ１３５から導出される。
【０００７】
このような流体温度調節装置においては、流体を効率良く加熱又は冷却するために、流体が流路を流れる間に熱的に均一に伝熱板に接する必要がある。従って、伝熱室内で流体の渦が発生したり、流速が遅くなって淀みが発生する等、流体の流れが不規則になる部分、即ち、熱伝達が不均一になる部分ができるだけ少なくなるように流路を形成する必要がある。また、薬液の変更や、装置の取り外し時に装置内から薬液を抜くときには、次に使用される薬液の汚染を防ぐために、装置内は、薬液が残留しないように完全に空になるのが望ましい。さらに、伝熱室内の流体の多くが有効な伝熱を受けることが好ましい。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−６７７１７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１０に示す従来例においては、伝熱室１０１の深さが深いため、伝熱板から遠い位置にある流体は伝熱に寄与せず、効率的でない。また、流路形成プレート１０３は、伝熱室１０１の側面に形成した溝に嵌め込んで取り付けられている。このため、溝とプレート１０３との間に隙間ができ、この隙間に薬液が入り込み、ここで薬液から固体が晶出してしまうことがある。また、流路は上述のように蛇行した形状であり、薬液を抜くときに、各区画１０５の隅の部分に薬液が残りやすい。加えて、隅部で淀みや渦が発生して、熱伝達が不均一になり易い。
【００１０】
また、図１１に示す従来例においては、上区画１２５及び下区画１２７からなる流路において、仕切り壁１３１寄りと外側では流体の流速が異なり、また、各流路の隅の部分で流体が淀むことがある。この従来例においても、薬液を抜く際に、隅部に薬液が残留し易いという問題がある。
【００１１】
上記の問題点に鑑み、本発明は、伝熱室から薬液を抜くときに薬液が残留しにくく、流体を効率良く加熱又は冷却することが可能な流体温度調節装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
上記課題を解決するため、本発明の流体温度調節装置は、伝熱室に流体を通過させることにより、該流体の温度を調節する流体温度調節装置であって、凹部を有するブロック材と、該凹部を覆うことにより、伝熱室を形成する伝熱板と、該伝熱板を介して、上記伝熱室を通過する流体との間で熱交換を行う温度調節手段とを備え、上記ブロック材には、上記伝熱室に流体を流入させる流入口と、上記伝熱室から流体を流出される流出口が形成されており、該流入口及び該流出口は、上記凹部の互いに対向する端部にそれぞれ形成され、該流入口及び該流出口の少なくとも一方が複数であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る流体温度調節装置によれば、流体を通過させる伝熱室に、少なくとも一方が複数である流入口と流出口とを設けることにより、伝熱室における流体の速度を均一にすることができるので、効率的な流体の加熱又は冷却が可能になる。
【００１４】
ここで、上記ブロック材において、上記流入口同士、又は、上記流出口同士を連結する開口が形成されていても良い。複数の流入口又は複数の流出口を開口により連結して一体化させることにより、ブロック材の製造工程を簡単にすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置の構造を示す断面図である。この流体温度調節装置は、伝熱ブロック１と、伝熱ブロック１の両側に配置されている２枚の伝熱板２と、伝熱ブロック１と伝熱板２とを押さえつけることにより接触部分が密着するように両者を保持する保持部６０と、２枚の伝熱板２にそれぞれ接触するように配置されている温度調節部５０とを含んでいる。
【００１６】
伝熱ブロック１と伝熱板２との間には、伝熱室１０が形成されている。伝熱室１０は、流体を加熱又は冷却しながら通過させることにより流体の温度調整を行う領域である。伝熱ブロック１は、耐食性を有する材料のブロックから、伝熱室１０となる領域（凹部５）、孔７及び孔９を削り出すことにより作製される。耐食性を有する材料としては、例えば、テフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂が用いられる。なお、伝熱ブロック１の形状及び流体の流路については、後で詳しく説明する。
【００１７】
伝熱板２は、伝熱ブロック１に形成された凹部５を覆うように配置されている。伝熱板２は、アルミニウム等の熱伝導性の高い材料によって形成される。また、伝熱板２の内、流体に接触する面には、例えば、０．５ｍｍ厚のアモルファスカーボンフィルム２ａが接着されている。アモルファスカーボンは、熱伝導性及び耐食性を有しており、伝熱板２が流体によって腐食されるのを防ぐ。
【００１８】
伝熱ブロック１に形成された凹部５の周囲には、溝２３が形成されており、そこには、Ｏリング等のシール部材２４が嵌め込まれている。このような伝熱ブロック１と伝熱板２とを保持部６０によって押さえつけることにより、伝熱ブロック１及び伝熱板２によって形成される伝熱室１０の液密性が保持される。
【００１９】
保持部６０は、伝熱ブロック１とその両側に配置された伝熱板２とを、それらの接触部分が密着するように保持している。保持部６０は、例えば、２つのフレーム６１ａ及び６１ｂと、ボルト６２と、ナット６３と、コイルバネ６４と、バネ押さえ（カラー）６５とを含んでいる。２つのフレーム６１ａ及び６１ｂは、伝熱ブロック１及びその両側に配置された伝熱板２を挟み込む。ボルト６２は、これらのフレーム６１ａ及び６１ｂを、ナット６３及びコイルバネ６４と共に締結する。コイルバネ６４は、ボルト６２に組み合わされて弾性体として作用する。このように、伝熱ブロック１と伝熱板２とを弾性体を用いて保持することにより、伝熱ブロック１が熱膨張した場合においても、伝熱室１０の液密性を損なったり、伝熱ブロック１を大きく塑性変形させることなく、これらを保持することができる。
【００２０】
なお、本実施形態においては、伝熱ブロック１の熱変形を敏感に吸収するために、弾性体として、比較的バネ定数の小さいコイルバネ６４を用いている。しかしながら、伝熱ブロック１の熱変形を吸収できる弾性を有するものであれば、コイルバネに限らず用いることができる。例えば、皿バネや板バネ等を用いても良い。
【００２１】
２枚の伝熱板２の外側には、温度調節部５０がそれぞれ設けられている。温度調節部５０は、伝熱板２を介して伝熱室１０内部の流体を加熱又は冷却して温度調節を行う装置である。温度調節部５０としては、一般的なヒータや、複数の熱電素子を用いた熱電モジュール等、加熱又は冷却量を制御可能な加熱装置又は冷却装置、或いは、その両方を行う装置が用いられる。本実施形態において、温度調節部５０は、各々の両端に電極５２が形成された複数の熱電素子５１と、熱交換板５３とを含んでいる。電極５２が形成された複数の熱電素子５１は、絶縁層５５を介して、伝熱板２及び熱交換板５３に熱的に接続しており、これらによって挟み込まれるように保持されている。熱交換板５３は、熱電素子５１の放熱の除去或いは給熱をするためのものであり、例えば、水循環式のものが用いられる。複数の熱電素子５１に電流を印加すると、それらの熱電効果により、熱が吸収又は放出される。このような熱電モジュールの詳細については、日本国特許公開平３−２２５９７３号公報及び平１０−１７８２１８号公報を参照されたい。
【００２２】
次に、伝熱ブロック１の構造について、図２及び図３を参照しながら、詳しく説明する。図２は、図１に示す伝熱ブロック１の平面図であり、図３は、図２に示す伝熱ブロック１のIII−IIIにおける断面図である。
図２及び図３に示すように、凹部５は、フッ素系樹脂等の耐食性材料で作製された直方体状の伝熱ブロック１の表面を掘り込むことにより形成される。伝熱ブロック１の寸法は、例えば、縦１５１ｍｍ、横１８１ｍｍ、厚さ３１ｍｍである。この伝熱ブロック１の上面及び下面の同じ位置に、同じ大きさの凹部５が形成されている。凹部５の平面形状は、伝熱ブロック１の長手方向に延びる長方形である。凹部５の対向する側面５ａと５ｂは平行で、側面５ｃと５ｄも平行であり、底面は平坦である。凹部５の寸法は、例えば、縦１０６ｍｍ、横１４１ｍｍ、深さ４ｍｍである。
【００２３】
ここで、実際には、凹部５の寸法及び縦横比は、これらの値に限られることはない。特に、凹部５の平面形状については、伝熱ブロック１の長手方向に延びる長方形に限られず、正方形、平行四辺形、台形等、対向する２つの端部を有する形状であれば、用いることができる。また、本実施形態において、凹部５は、伝熱ブロック１の上面及び下面の同じ位置に形成されているが、伝熱ブロック１の片面のみに形成しても良い。
【００２４】
伝熱ブロック１の側部には、同ブロック１の長手方向に平行に延びる２つの孔７及び９が開けられている。図３に示すように、これらの孔７及び９の中心線は、伝熱ブロック１の厚さ方向の略中心に位置する。また、孔７の外周と孔９の外周との間の距離は、凹部５の側面５ａ及び５ｂの長さよりも短くなっている。孔７及び９は、伝熱ブロック１の一方の外面から凹部５の側面５ａに達する長さを有する。一例として、孔７及び９の径は１５．８ｍｍ、長さは１６１ｍｍである。ここで、一方の孔７（図の右側）を導入流路、他方の孔９（図の左側）を導出流路とする。導入流路７には、流体源に連通するパイプ１１が接続され、導出流路９には、パイプ１２が接続されている。以下においては、伝熱ブロック１において、パイプ１１及び１２が接続されている側を手前、その反対側を奥とする。
【００２５】
伝熱ブロック１には、凹部５の右側の側面５ｄに沿って、厚さ方向に貫通する複数の流入口１３ａ〜１３ｅが開けられている。また、凹部５の左側の側面５ｃに沿って、厚さ方向に貫通する複数の流出口１４ａ〜１４ｃが開けられている。流入口１３ａ〜１３ｅは、導入流路７と伝熱ブロック１の上面及び下面の凹部５とに通じるとともに、流出口１４ａ〜１４ｃは、導出流路９と凹部５とに通じている。従って、導入流路７は、流入口１３ａ〜１３ｅを介して上面及び下面の凹部５に連通し、導出流路９は、流出口１４ａ〜１４ｃを介して凹部５に連通する。その結果、導入流路７から、流入口１３ａ〜１３ｅ、凹部５、流出口１４ａ〜１４ｃを介して、導出流路９へ達する流路が形成される。
【００２６】
流入口１３ａ〜１３ｅは、凹部５の側面５ｄに沿って３つの領域に合計５個形成され、手前側に対をなす２個（１３ａ、１３ｂ）、中央付近に対をなす２個（１３ｃ、１３ｄ）、奥側に１個（１３ｅ）が配置されている。手前側の流入口１３ａと奥側の流入口１３ｅは、凹部５の隅に位置する。ここでは、流入口が形成される３つの領域の面積は、手前側から奥側に行くに従って小さくなっている。
【００２７】
また、流出口１４ａ〜１４ｃは、凹部５の側面５ｃに沿って３つの領域に合計３個形成され、手前側に１個（１４ａ）、奥側に１個（１４ｃ）、中央付近に１個（１４ｂ）が配置されている。手前側の流出口１４ａと奥側の流出口１４ｃは、凹部５の隅に位置する。ここでは、流出口１４ａ〜１４ｃが形成される３つの領域の面積は、中央、奥側、手前側の順の大きさとなっている。
【００２８】
次に、この伝熱ブロック１における流体の流動状態について、図１〜図３を参照しながら説明する。実際に使用される際には、図１に示すように、伝熱ブロック１の上下面に、アモルファスカーボンフィルム２ａが接着された伝熱板２が配置され、各凹部５と伝熱板２との間には空間（図１及び図２に示す伝熱室１０）が形成される。この空間が、温度制御される流体の流路となる。図３に示すように、上凹部５に形成される空間を上流路２１、下凹部５に形成される空間を下流路２２とする。
【００２９】
パイプ１１を通って供給される流体が、伝熱ブロック１の導入流路７に導入されると、流体は、導入流路７内を長手方向に流れるとともに、流入口１３ａ〜１３ｅを通って上下方向に分岐する。分岐した流体は、流入口１３ａ〜１３ｅを通って伝熱ブロック１の上面及び下面に達し、上流路２１及び下流路２２内に流れ出す。上流路２１及び下流路２２の各々では、複数の流入口１３ａ〜１３ｅから流れ出した流体が合流し、一つの流れとなる。これらの流路内において、温度調節装置５０（図１）による加熱又は冷却が、伝熱板２を介して流体に対して行われ、流体の温度が調節される。そして、温度調節されながら流体は、各流路２１、２２を流出口１４ａ〜１４ｃ方向に流れ、流出口１４ａ〜１４ｃに入り、導出流路９で合流する。その後、導出流路９内を手前方向に流れ、パイプ１２を通って導出される。
【００３０】
このように、伝熱ブロック１の上面及び下面の凹部５とそれぞれの伝熱板２との間に形成された上流路２１及び下流路２２においては、液体が凹部５の側面５ｄから対向する側面５ｃへ向かうように流れる。これらの流路の深さは４ｍｍと浅く、流路内の流体の深さ方向の容量が小さいので、流路内において、流体の容量に対し、実質的に伝熱に寄与する流体の割合が大きくなり、効率的に伝熱が行われる。
【００３１】
さらに、流入口や流出口は、凹部５の隅にも設けられている。また、流路中に湾曲した部分や、角となる部分が存在しないので、流体が淀んだり渦を巻くことがなく、スムーズに流体を流すことができる。また、流路を形成するための仕切り壁などを設ける必要がなく、ブロックの掘り込みや孔開け加工のみで装置を作製できるため、装置の作製に要する手間やコストを低減できる。
【００３２】
また、上述のように、複数の流入口及び流出口の開口面積が異なるように設定したことにより、流路内で、よりスムーズで一定流速の流動が実現できる。流入口については、手前から奥に行くほど開口面積を小さくしている。これは、導入流路７から導入された流体は、導入流路７の長手方向への流れの慣性を有しているため、奥側の流入口に流入し易く、手前側ほど流入し難くなるためである。そこで、手前側の流入口１３ａ、１３ｂの開口面積を大きくすることにより、流体が流入しやすいようにしている。
【００３３】
図２に示すように、手前側の流入口１３ａと１３ｂが対をなし、中央の流入口１３ｃと１３ｄが対をなすように、２つの流入口が近接する位置に配置されている。ここで、流体が１つの流入口から伝熱室１０に流れ出すと、流入口から放射状に広がってしまうので、伝熱室１０の流入側の側面５ｄから流出側の側面５ｃに向かう均一な並行流が形成されないおそれがある。そこで、対をなす２つの流入口を配置することにより、これらの流入口から放射状に流れ出そうとする流体が互いにぶつかって干渉し合い、まっすぐに流れるようになる。これにより、各流入口から流れ出した流体は、流路２１、２２をほぼ平行に均一な速度で流れるようになる。
【００３４】
流出口については、奥の流出口１４ｃと比較して、手前の流出口１４ａの開口面積を小さくしている。手前側の開口を大きくすると、手前側からの流出量が増大し、奥側の流出量が減る傾向となり、結果として、流れは手前側に偏ってしまう。このため、手前の流出口１４ａの開口面積を小さくして、手前の流出口１４ａから導出流路９に流れ込む流量を減少させることにより、流体が流路２１、２２をほぼ平行に均一な速度で流れるようにしている。
【００３５】
実際には、流入口及び流出口の設定は、シミュレーションによる解析と調整の繰り返しによって行われた。
伝熱室１０における流体の流れをシミュレーションによって解析した最終結果として、流れはほぼ平行で流速が一定であり、流入口と流出口での流体の圧力の差が少ないことが示された。また、導入流路から導入される流体の流量を変化させても、ほぼ均一な流れを形成することが示された。
【００３６】
本装置の実際の使用形態においては、図３に示す※印のいずれかの面が下になるように設置される。
伝熱室１０から液体を抜くときに、流路や貫通孔に入り込んでいる流体は下降し、導入流路７又は導出流路９から排出される。このように、流体の流路がシンプルであるため、流体の排出作業により、流体をあまり溜めることなくほぼ完全に抜くことができる。これにより、残留薬液による汚染や晶出等を防ぐことができる。
【００３７】
ここで、伝熱ブロック１の材料として用いられるフッ素系樹脂は、長方形の板状で供給されることが多い。しかしながら、本実施形態によれば、凹部形成のためのブロック表面の掘り込み加工、導入流路及び導出流路形成のための孔開け加工、流入口、流出口及び連通孔形成のための孔開け加工という簡単な加工によって伝熱ブロックを作製できるので、板状で供給される材料を用いても、容易に加工することができる。従って、製造コストを低減することが可能になる。
【００３８】
次に、本実施形態に係る流体温度調節装置において用いられる伝熱ブロックの変形例について、図４及び図５を参照しながら説明する。
図４は、伝熱ブロックの第１の変形例を示す平面図である。伝熱ブロック３１には、凹部３１ａが設けられている。凹部３１ａの対向する２つの端部には、複数の流入口１５ａ〜１５ｄ及び複数の流出口１６ａ〜１６ｄがそれぞれ形成されている。伝熱ブロック３１及び伝熱板によって形成される伝熱室は、図２に示す伝熱室１０とほぼ同様の構造を有するが、流入口及び流出口の位置と大きさと数とが異なっている。
【００３９】
本実施形態においては、導入流路７側の流入口１５ａ〜１５ｄが４ヶ所に形成され、いずれの孔も対をなしていない。そして、手前側から奥側に行くほど開口面積を小さくしている。また、導出流路９側の流出口１６ａ〜１６ｄも４ヶ所に形成され、奥側から手前側に行くほど開口面積を大きくしている。
伝熱ブロックの構造をこのように変形しても、図２に示す伝熱室１０と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
図５の（ａ）は、伝熱ブロックの第２の変形例を示す平面図である。伝熱ブロック３２には、凹部３２ａが設けられている。凹部３２ａの対向する２つの端部には、円形の開口を複数配置することにより、複数の流入口１５ｅ及び複数の流出口１６ｅがそれぞれ形成されている。
【００４１】
また、図５の（ｂ）は、伝熱ブロックの第３の変形例を示す平面図である。伝熱ブロック３３には、凹部３３ａが設けられている。凹部３３ａの対向する２つの端部には、大きさの等しい長円形の開口を複数配置することにより、複数の流入口１５ｆ及び複数の流出口１６ｆがそれぞれ形成されている。
【００４２】
図５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、流入口や流出口となる開口の形状は、円や長円に限られず、楕円や多角形でも良い。また、対をなして配置される複数の流入口の形状は、図２に示すように、互いに異なっていても良く、図５に示すように、同じ形状でも良い。さらに、３つ以上の流入口が隣接するように配置しても良い。流入口や流出口となる開口の形状、数、配置については、シミュレーション等による解析により、伝熱室を通過する流体の流れが均一且つ並行流になるように調整することが望ましい。
【００４３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る流体温度調節装置について、図６を参照しながら説明する。本実施形態に係る流体温度調節装置は、図１に示す流体温度調節装置の伝熱ブロック１の形状を変更したものである。その他の構成については、本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置と同様である。
【００４４】
図６に示す伝熱ブロック３４には、凹部３５が設けられ、凹部３５の対向する２つの端部３５ｄ及び３５ｃには、流入口１７ａ〜１７ｅ及び流出口１８ａ〜１８ｃがそれぞれ形成されている。伝熱ブロック３４及び伝熱板により、伝熱室３６が形成される。
ここで、図２に示す伝熱ブロック１においては、隣接する複数の流入口（例えば、１３ａと１３ｂ）は、完全に分離されていた。しかしながら、図６に示すように、隣接する複数の流入口（例えば、１７ａと１７ｂ）の一部を一体化させても良い。このように、流入口の形状を、一部が絞られた形状にすることにより、流体が伝熱室内に流入する際の流れの向きをほぼ平行に保つことができる。
【００４５】
次に、本発明の第３の実施形態に係る流体温度調節装置について、図７を参照しながら説明する。本実施形態に係る流体温度調節装置は、図１に示す流体温度調節装置の伝熱ブロック１の形状を変更したものである。その他の構成については、本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置と同様である。
【００４６】
図７に示す伝熱ブロック３７には、凹部３８が設けられ、凹部３８の対向する２つの端部３８ｄ及び３８ｃには、流入口１９ａ、１９ｂ、…及び流出口２０ａ、２０ｂ、…がそれぞれ形成されている。伝熱ブロック３８及び伝熱板により、伝熱室３９が形成される。
流入口１９ａ、１９ｂ、…及び流出口２０ａ、２０ｂ、…は、端部３８ｄ及び３８ｃの全域に渡ってそれぞれ設けられている。ここで、隣接する流入口１９ｂ及び１９ｃは、例えば、多角形や円や楕円等の形状をしており、開口１９ｄを形成してこれらを連結することにより一体化されている。その結果、全体としての流入口は、両端及び中央部を含む一部の領域を除いて、細く絞られたような形状を有している。また、隣接する流出口２０ａ及び２０ｂも、多角形や円や楕円等の形状をしており、開口２０ｃを形成してこれらを連結することにより一体化されている。その結果、全体としての流出口は、両端及び中央部を含む一部の領域を除いて、細く絞られたような形状を有している。
【００４７】
このように、流入口や流出口の形状を、一部が絞られた形状にすることにより、流体が伝熱室内に流入する際の流れの向きをほぼ平行に保つことができる。また、流入口や流出口を一体化することにより、これらの開口を効率良く、簡単に形成することができる。
【００４８】
本実施形態においては、伝熱ブロックに設けられた凹部の対向する２つの端部に、連結された流入口及び流出口を形成したが、それらのいずれか一方を分離された開口としても良い。流入口又は流出口として分離された開口を形成する場合には、本発明の第１又は第２の実施形態において説明したような開口の形状や配置を用いても良い。
【００４９】
次に、本発明の第４の実施形態に係る流体温度調節装置について、図８を参照しながら説明する。本実施形態に係る流体温度調節装置は、図１に示す流体温度調節装置の伝熱ブロック１の形状を変更したものである。その他の構成については、本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置と同様である。
【００５０】
図８の（ａ）は、本実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックを示す平面図である。伝熱ブロック４０に設けられている凹部５、流入口１３ａ〜１３ｅ、流出口１４ａ〜１４ｃの形状及び配置については、図２に示すものと同様である。
図８の（ｂ）は、図８の（ａ）のIV−IVにおける断面を示している。本実施形態において、伝熱室１０に流体を導入する導入流路４１、及び、伝熱室１０から流体を導出する導出流路４２は、流入口１３ａ〜１３ｅと流出口１４ａ〜１４ｃとの内側、即ち、伝熱ブロック４０の両側に形成された凹部５の間に形成されている。
【００５１】
導入流路４１及び導出流路４２の配置をこのように変更しても、流体の流路は上下及び左右方向のみであるので、薬液が流路に溜まるのを防ぐことができる。従って、残留薬液による汚染や晶出等を防止することができる。また、伝熱ブロック４０のサイズを小さくして、流体温度調節装置をコンパクトにすることができる。
【００５２】
次に、本発明の第５の実施形態に係る温度調節装置について、図９を参照しながら説明する。図９は、本実施形態に係る温度調節装置に含まれる伝熱ブロックを示す平面図である。
本実施形態に係る温度調節装置は、並列に接続された複数の伝熱室を有している。図９に示すように、この温度調節装置は、両面に凹部４３ｃ及び４４ｃがそれぞれ形成された伝熱ブロック４３及び４４を有している。
【００５３】
伝熱ブロック４３に形成された導入流路４３ａ及び導出流路４３ｂと、伝熱ブロック４４に形成された導入流路４４ａ及び導出流路４４ｂとは、パイプ４５ａ及び４５ｂを介してそれぞれ接続されている。このような伝熱ブロック４３及び４４に形成された凹部を覆うように伝熱板を配置することにより、並列に接続された複数の伝熱室が形成される。ここで、１枚の伝熱板を用いて複数の凹部４３ｃ、４４ｃを覆うようにしても良いし、複数の伝熱板を用いて複数の凹部４３ｃ、４４ｃをそれぞれ覆うようにしても良い。
なお、本実施形態においては、２つの伝熱ブロックを接続しているが、接続される伝熱ブロックの数は２つに限定されるものではない。
【００５４】
凹部４３ｃには、流入口４６ａ〜４６ｅ及び流出口４７ａ〜４７ｃが形成されている。また、凹部４４ｃには、流入口４８ａ〜４８ｅ及び流出口４９ａ〜４９ｃが形成されている。これらの流入口及び流出口は、複数の伝熱室の間において流体の流量が均一になるように、孔の大きさ及び位置を調整されている。例えば、流入口については、各々の凹部において、流体は、奥側の流入口（例えば、４６ｅ、４８ｅ）に流入し易く、手前側（例えば、４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ）ほど流入し難いので、手前側の流入口を大きくしているが、奥側の伝熱ブロック４３においては、手前側の伝熱ブロック４４に比較して、導入流路４３ａにおける流れの慣性が小さいので、流入口４６ａ〜４６ｅの大きさの差を小さくしている。
【００５５】
本実施形態によれば、複数の伝熱室において、同時に流体の加熱又は冷却を行うので、流体温度調節装置の能力を上げることが可能である。
また、本実施形態によれば、各伝熱室は並列に接続されているので、伝熱室の増加による圧力損失の増大は低く抑えられる。
なお、本形態を実施する際には、さらに能力を上げるために、伝熱室内の流速を上げるよう、単位時間当たりの流量を増すことが望ましいが、単位時間当たりの流量を増すことによる圧力損失の増大は、同様に低く抑えられる。
【００５６】
本実施形態においては、導入流路４３ａ及び導出流路４３ｂと、導入流路４４ａ及び導出流路４４ｂとを、パイプ４５ａ及び４５ｂを用いてそれぞれ接続したが、パイプを用いないでこれらを直接接続しても良い。さらに、本実施形態においては、各々に伝熱室を構成する凹部が形成された伝熱ブロックを複数接続したが、１つの伝熱ブロックに複数の凹部を形成しても良い。その場合には、複数の凹部に通じる導入流路及び導出流路をそれぞれ連続して作製できるので、伝熱ブロックの製造工程を簡単にすることができる。また、複数の伝熱ブロックを接続する場合と比較して、伝熱ブロック全体の大きさを小さくすることができるので、流体温度調節装置を小型化することができる。
なお、図８を参照しながら第４の実施形態において説明したものと同様に、導入流路４３ａ、４４ａ、及び、導出流路４３ｂ、４４ｂを、流入口４６ａ〜４６ｅ、４８ａ〜４８ｅと、流出口４７ａ〜４７ｃ、４９ａ〜４９ｃとの内側に形成しても良いのは言うまでもない。この場合には、さらに装置の小型化が図られる。
【００５７】
また、複数の伝熱ブロックにおいて、上流側の伝熱ブロックの導出路を、下流側の伝熱ブロックの導入路に接続することを繰り返すことにより、複数の伝熱ブロックを直列に接続しても良い。これにより、流体が繰り返し加熱又は冷却されることになり、第５の実施形態において説明したものと同様に、流体温度調節装置の能力を上げることが可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、流体を均一な速度で伝熱室を通過させることができるので、流体の効率的な加熱又は冷却が可能になる。また、伝熱室から薬液を抜くときに薬液の残留を防止することができるので、伝熱室の汚染を防ぐことができる。さらに、本発明によれば、流体温度調節装置の構造がシンプルであるため、製法が容易であり、製造コストを低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す流体温度調節装置の伝熱室の構造を示す平面図である。
【図３】図２の伝熱室の正面断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックの変形例を示す平面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックの別の変形例を示す平面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックの構造を示す平面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックの構造を示す平面図である。
【図８】図８の（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックの構造を示す平面図であり、図８の（ｂ）は、図８の（ａ）のIV−IVにおける断面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態に係る流体温度調節装置に含まれる伝熱ブロックの構造を示す平面図である。
【図１０】従来の流体温度調節装置の構造を模式的に示す平面図である。
【図１１】従来の他の流体温度調節装置の構造を模式的に示す図であり、図１１の（ａ）は側面図、図１１の（ｂ）は図１１の（ａ）のＶ−Ｖにおける断面図である。
【符号の説明】
１、３、４、３１〜３４、３７、４０、４３、４４、７１、７３…伝熱ブロック、２、１２３…伝熱板、２ａ…アモルファスカーボンフィルム、５、３１ａ〜３３ａ、３５、３８、４３ｃ、４４ｃ…凹部、５ａ〜５ｄ、３２ａ〜３２ｄ、３５ａ〜３５ｄ、３８ａ〜３８ｄ…側面、７、４１、４３ａ、４４ａ…導入流路、９、４２、４３ｂ、４４ｂ…導出流路、１０、３６、３９、１０１、１２１…伝熱室、１１、１２、４５ａ、４５ｂ…パイプ、１３ａ〜１３ｅ、１５ａ〜１５ｆ、１７ａ〜１７ｅ、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ…流入口、１４ａ〜１４ｂ、１６ａ〜１６ｆ、１８ａ〜１８ｃ、２０ａ、２０ｂ…流出口、１９ｄ、２０ｃ…開口、２１…上流路、２２…下流路、２３…溝、２４…シール部材（Ｏリング）、５０…温度調節部、５１…熱電素子、５２…電極、５３…熱交換板、５５…絶縁層、６０…保持部、６１ａ、６１ｂ…フレーム、６２…ボルト、６３…ナット、６４…コイルバネ、６５…バネ押さえ（カラー）、７２、７４、７５…凸部、７６…流路、１００…流体温度調節装置、１０３…流路形成プレート、１０５…区画、１０７…開口、１０９…流体導入パイプ、１１１…流体導出パイプ、１２５…上区画、１２７…下区画、１２９ａ、１２９ｂ…孔、１３１…仕切り壁、１３３…流体導入パイプ、１３５…流体導出パイプ
Claims (2)
- 伝熱室に流体を通過させることにより、該流体の温度を調節する流体温度調節装置であって、
凹部（５）を有するブロック材（１）と、
前記凹部（５）を覆うことにより、伝熱室（１０）を形成する伝熱板（２）と、
前記伝熱板（２）を介して、前記伝熱室（１０）を通過する流体との間で熱交換を行う温度調節手段（５０）と、
を備え、
前記ブロック材（１）には、前記伝熱室（１０）に流体を流入させる流入口（１３ａ〜１３ｅ、１９ａ〜１９ｃ）と、前記伝熱室から流体を流出される流出口（１４ａ〜１４ｃ、２０ａ、２０ｂ）とが形成されており、
前記流入口（１３ａ〜１３ｅ、１９ａ〜１９ｃ）及び前記流出口（１４ａ〜１４ｃ、２０ａ、２０ｂ）は、前記凹部（５）の互いに対向する端部にそれぞれ形成され、
前記流入口（１３ａ〜１３ｅ、１９ａ〜１９ｃ）及び前記流出口（１４ａ〜１４ｃ、２０ａ、２０ｂ）の少なくとも一方が複数であることを特徴とする流体温度調節装置。 - 請求項１記載の流体温度調節装置であって、
前記流入口（１９ａ〜１９ｃ）同士、又は、前記流出口（２０ａ、２０ｂ）同士を連結する開口（１９ｄ、２０ｃ）が形成されていることを特徴とする流体温度調節装置。
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