JP5183744B2 - 配管装置および流体搬送装置 - Google Patents

Description

本発明は、配管装置および流体搬送装置に関し、特に、被搬送物である流体に熱を加える配管装置および流体搬送装置に関する。

従来、流体を搬送するための配管において、配管内部を輸送される流体の高精度の温度管理を必要とするとき、配管を加熱することにより流体の温度を制御する場合がある。たとえば成膜装置において、液体状の原料を気化させる気化器と、気化された気体状の原料を基板に供給して基板の表面に成膜を行なう反応室とを連結する配管では、配管内部での反応ガスの再液化や熱分解を防止して反応室へ原料を安定して供給するために、たとえばテープヒータなどを配管に巻き、配管を加熱する。

図２３は、従来の成膜装置の構成を示すブロック図である。図２４は、図２３に示す成膜装置に用いられる配管装置の構成を示す模式図である。図２３に示すように、従来の成膜装置においては、気化器２４０と反応室２５０とは配管２４１により連結されている。この配管２４１には、気化器２４０で気化したガスの再液化や熱分解の防止のために、配管２４１を加熱するテープヒータ２４３が配管２４１の外周面に巻かれて、温度制御が行なわれる。

配管２４１の全長を均一の温度に制御するためには、配管２４１の外周面に均等にテープヒータ２４３を巻く必要がある。しかし、テープヒータ２４３の巻き方やテープヒータ２４３自身の温度ムラにより、配管２４１の温度のバラつきが発生することがある。また、テープヒータ２４３の一部が断線すると、断線したテープヒータ２４３を除去して、新たにテープヒータ２４３を巻き直す必要がある。しかしながら、テープヒータ２４３の巻き直しに時間がかかると共に、巻き直す前と同じテープヒータ２４３の巻き方を再現することは困難である。そのため、加熱時の配管２４１の温度分布がテープヒータ２４３断線前の状態から変化し、成膜の性能に影響を及ぼすという問題があった。

そのため従来、配管の外壁をヒートパイプにより被覆して、配管の温度を所定の温度に均一性良く保持し、配管の全長にヒータを巻くことなく配管全体を高精度に温度管理する技術が提案されている（たとえば、特開平６−１６８８７７号公報（特許文献１）参照）。

ところで、従来のヒートパイプは、管の内部を真空に排気して作動流体を適量封入し、管の一方端側を加熱して作動流体を蒸発させ、その蒸気を他方端側で冷却し凝縮させて液体にすることで、管の一方端側から他方端側に大量の熱を輸送する装置である。低温側で凝縮した液体状の作動流体を高温側へ戻すために、管の内壁に細い溝やメッシュまたは多孔性状の構造（総称してウィックと呼ぶ）が配置されており、表面張力による毛管作用により作動流体を高温側へ還流させる。

従来のヒートパイプでは、管の高温部の位置が低温部よりも高くなるトップヒート状態にある場合、凝縮した作動流体が下部側（低温側）に滞留し、ウィックの毛管力のみでは重力に抗して高温部に作動流体を十分に還流させることができない場合がある。このようなトップヒート状態においては、従来のヒートパイプでは十分な熱輸送が行なうことができない。そこで、重力の影響による熱輸送能力の変動を抑制する技術として、ループ型細管ヒートパイプが提案されている（たとえば、特開平４−１９００９０号公報（特許文献２）参照）。
特開平６−１６８８７７号公報 特開平４−１９００９０号公報

流体を搬送するための配管の外表面にループ型細管ヒートパイプを貼り付けることにより、ループ型細管ヒートパイプから配管へ熱を伝達して、配管内部を流れる流体を加熱することができる。しかし、配管の外表面およびループ型細管ヒートパイプを構成する細管の表面には、凹凸な構造があり、接触面同士を完全に密着させることは困難である。空気など熱伝導率の小さい流体が接触面間の隙間に存在すると、接触熱抵抗と呼ばれる大きな熱抵抗が生じる。つまり、ループ型細管ヒートパイプを配管の外表面に接触させた場合、配管の外表面と細管の表面とが完全に密着しないことにより、ループ型細管ヒートパイプから配管への熱伝達は必ずしも十分とはいえず、更なる改良の余地がある。

また、流体を搬送するための配管をヒートパイプを用いて加熱する場合、ヒートパイプに封入される作動流体を加熱するための熱源を別途設ける必要があるため、装置構成が複雑となり、装置の製造コストおよび運転費用が増大するという問題があった。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、流体を搬送するための配管を効率よく加熱し、配管内部を流れる流体の温度の均一性を向上できる、配管装置を提供することである。また、本発明の他の目的は、流体を搬送するための配管を加熱するヒートパイプを備えた、低コストな流体搬送装置を提供することである。

本発明に係る配管装置は、流体を搬送するための配管装置であって、管状部材と、管状部材を加熱する加熱部とを備える。管状部材の環状壁部の内部には、管状部材の延在方向に沿う複数の細管部と、細管部の一端同士を連結する第一連結管部と、細管部の他端同士を連結する第二連結管部とが設けられている。加熱部は、第一連結管部と第二連結管部との少なくともいずれか一方を加熱する。細管部、第一連結管部および第二連結管部は、ループ型細管ヒートパイプを構成する。

上記配管装置において好ましくは、管状部材は、内側管と、内側管の外周面に内周面が密着する外側管とを含む。細管部は、内側管の外周面および外側管の内周面の少なくともいずれか一方が凹凸加工されて形成されている。

上記配管装置において好ましくは、配管装置は、管状部材を内包する外覆管をさらに備える。加熱部は、管状部材の端部を介して、第一連結管部と第二連結管部との少なくともいずれか一方を加熱する。配管装置は、管状部材の外周面と、外覆管の内周面との間に、真空空間を有する。

本発明に係る流体搬送装置は、第一加熱部と、第二加熱部と、第一加熱部と第二加熱部とを連結する管状部材と、管状部材に熱的に接触するヒートパイプとを備える。管状部材は、第一加熱部から第二加熱部へ流体を搬送する。ヒートパイプは、第一加熱部および第二加熱部の少なくともいずれか一方により加熱される。

ここで、「熱的に接触」とは、管状部材とヒートパイプとの間において熱が直接的に伝達される、熱伝達効率が十分に高い状態とされていることをいい、管状部材とヒートパイプとが当接して直接機械的に接触している場合に限られない。たとえば、ヒートパイプを管状部材に内蔵する構成など、管状部材とヒートパイプとが互いに一体化されている場合、また、熱伝導性に優れた物質を中間に介在させ間接的に管状部材とヒートパイプとが接触している場合をも、熱的に接触している状態に含むものとする。

上記流体搬送装置において好ましくは、管状部材およびヒートパイプを内包する外覆管をさらに備え、管状部材の外周面と、外覆管の内周面との間に、真空空間を有する。

上記流体搬送装置において好ましくは、ヒートパイプは、ループ型細管ヒートパイプである。

上記流体搬送装置において好ましくは、管状部材の環状壁部の内部には、管状部材の延在方向に沿う複数の細管部と、細管部の一端同士を連結する第一連結管部と、細管部の他端同士を連結する第二連結管部とが設けられている。細管部、第一連結管部および第二連結管部は、ループ型細管ヒートパイプを構成する。

本発明の配管装置によると、ループ型細管ヒートパイプの細管の管状部材への貼り付けによる接触熱抵抗をなくすことができるので、管状部材を効率よく加熱し、管状部材の内部を搬送される流体の温度の均一性を向上させることができる。本発明の流体搬送装置によると、ヒートパイプを加熱するための熱源を新たに設ける必要がないので、ヒートパイプを備える流体搬送装置のコスト低減および小型化を達成することができる。

本発明に係る流体搬送装置を備える、反応室へ気体状の物質を供給するための物質供給システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の流体搬送装置の一例を示す模式図である。 ヒートパイプの構成を示す斜視図である。 図３に示すＩＶ−ＩＶ線に沿うヒートパイプの断面を示す図である。 ヒートパイプの動作原理を示す模式図である。 実施の形態１の流体搬送装置の反応ガスを搬送する配管の温度変化を示すグラフである。 実施の形態２の流体輸送経路の構成を示す模式図である。 図７に示す流体輸送経路を端面側から視た模式図である。 実施の形態３の流体輸送経路の構成を示す模式図である。 ループ型細管ヒートパイプの構成および動作原理を説明する模式図である。 実施の形態３の流体輸送経路の配置の一例を示す模式図である。 実施の形態４の配管を平板状に展開した状態を示す模式図である。 図１２に示す矢印ＸＩＩＩ方向から平板状に展開された配管を見た図である。 実施の形態４の配管の斜視図である。 実施の形態５の配管の斜視図である。 図１５に示すＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う配管の断面図である。 実施の形態６の配管の斜視図である。 図１７に示すＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿う配管の断面図である。 物質供給システムの変形例１の概略構成を示すブロック図である。 物質供給システムの変形例２の概略構成を示すブロック図である。 物質供給システムの変形例３の概略構成を示すブロック図である。 物質供給システムの変形例４の概略構成を示すブロック図である。 従来の成膜装置の構成を示すブロック図である。 図２３に示す成膜装置に用いられる配管装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１ 物質供給システム、２ 流体搬送装置、１０，４０，５０ 配管、１０ａ，４０ａ 外周面、１０ｂ 一端、１０ｃ 他端、１１，１２ 断熱壁、１３，１４ 空間、２０ ヒートパイプ、２０ａ，２０ｂ 端部、２１ 外管、２２ ウィック、２３ 作動液、２４ 空間、２７ 高温部、２８ 低温部、３０ ループ型細管ヒートパイプ、３１ 加熱部、３２ 冷却部、３３ 液相、３４ 気相、３５ 蒸気泡、４１ 壁部、４２ 細管部、４３，４４ 連結管、５１ 外側管、５１ａ 内周面、５２ 内側管、５２ａ 外周面、６０ 外覆管、６０ａ 内周面、６１ 真空空間、１１０ 液状原料供給装置、１１１，１１４，１２１，１２４，１４１，１４４，１６１ａ，１６４ａ 流体輸送経路、１１２，１２２，１４２，１６２ａ，１６２ｎ バルブ、１１３，１２３，１４３，１４６，１６３ａ，１６３ｎ 加熱部、１２０ キャリアガス供給装置、１３０ 制御部、１４０ 気化器、１４５ 接合部、１５０，１５０ａ，１５０ｎ 反応室。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

なお、以下に説明する実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下の実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、上記個数などは例示であり、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。

（実施の形態１）
図１は、本発明に係る流体搬送装置を備える、反応室へ気体状の物質を供給するための物質供給システムの概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、物質供給システム１は、外部より液体状の原料を受け入れて気化器１４０に供給する液状原料供給装置１１０と、液状原料供給装置１１０より供給された液体状の原料を加熱し気化させて気体状にする気化器１４０と、気体状の原料が供給されて、基板の表面への成膜などの所定の反応が行なわれる、反応室１５０とを備える。また物質供給システム１は、気化器１４０において気化された原料を反応室１５０へ向けて搬送するキャリアガスを気化器１４０へ供給する、キャリアガス供給装置１２０を備える。

液状原料供給装置１１０と気化器１４０とは、流体輸送経路１１１、バルブ１１２および流体輸送経路１１４によって連結されている。液状原料供給装置１１０と気化器１４０間の流体輸送経路１１１，１１４は、バルブ１１２を介して接合されている。キャリアガス供給装置１２０と気化器１４０とは、流体輸送経路１２１、バルブ１２２および流体輸送経路１２４によって連結されている。キャリアガス供給装置１２０と気化器１４０間の流体輸送経路１２１，１２４は、バルブ１２２を介して接合されている。気化器１４０と反応室１５０とは、流体輸送経路１４１、バルブ１４２および流体輸送経路１４４によって連結されている。気化器１４０と反応室１５０間の流体輸送経路１４１，１４４は、バルブ１４２を介して接合されている。

液状原料供給装置１１０から供給された液体状の原料は、気化器１４０において熱を加えられて温度上昇し、沸点に到達することにより気体へと状態変化する。気化器１４０で気化した気体状の原料（これを反応ガスと称する）は、キャリアガス供給装置１２０から供給されるキャリアガスによって、流体輸送経路１４１、バルブ１４２、流体輸送経路１４４を経由して、反応ガスとして反応室１５０に供給される。

物質供給システム１はまた、制御部１３０を備える。液状原料供給装置１１０から気化器１４０への原料の供給量は、液状原料供給装置１１０と気化器１４０間の流体輸送経路１１１，１１４の間のバルブ１１２の開度を制御部１３０にて制御することにより、制御される。キャリアガスの流量は、キャリアガス供給装置１２０と気化器１４０間の流体輸送経路１２１，１２４の間のバルブ１２２の開度を制御部１３０にて制御することにより、制御される。反応ガスの供給量は、気化器１４０と反応室１５０間の流体輸送経路１４１，１４４の間のバルブ１４２の開度を制御部１３０にて制御することにより、制御される。

気化器１４０内部の温度は、気化器１４０の内部に配置された図示しないヒータなどの加熱部による熱供給量を制御部１３０にて制御することにより、制御される。反応室１５０内部の温度も、反応室１５０の内部に配置された図示しない加熱部による熱供給量を制御部１３０にて制御することにより、制御される。図１に示す点線矢印は、制御部１３０からの制御信号の経路を示している。

図２は、本発明の流体搬送装置の一例を示す模式図である。図２には、流体搬送装置の一例として、気化器１４０とバルブ１４２とを連結する流体輸送経路１４１を含んで構成される、流体搬送装置２が図示されている。流体搬送装置２は、第一加熱部としての気化器１４０と、第二加熱部としての加熱部１４３と、管状部材としての配管１０と、配管１０の外周面１０ａを被覆するヒートパイプ２０とを備える。配管１０は、気化器１４０からバルブ１４２へ向かう方向に、液状原料供給装置１１０から供給され気化器１４０で気化された、気体状の原料を搬送する。

配管１０の一方の端部である一端１０ｂは、気化器１４０に連結されている。配管１０の他方の端部である他端１０ｃは、バルブ１４２に連結されている。バルブ１４２の周囲には、加熱部１４３が配設されている。加熱部１４３は、バルブ１４２を内包するように設けられており、バルブ１４２を含む箇所を加熱する。制御部１３０は、加熱部１４３よりバルブ１４２に供給される熱量を制御することにより、バルブ１４２を通過する反応ガスの温度を制御する。配管１０は、気化器１４０と加熱部１４３とを連結している。

気化器１４０に接合された配管１０の一端１０ｂを囲うように、断熱壁１１が設けられている。一端１０ｂ近傍の配管１０と、一端１０ｂに近接するヒートパイプ２０の端部２０ａとは、気化器１４０の外壁および断熱壁１１によって取り囲まれた空間１３内に配置されている。また、バルブ１４２に接合された他端１０ｃ近傍の配管１０を囲うように、断熱壁１２が設けられている。他端１０ｃ近傍の配管１０と、他端１０ｃに近接するヒートパイプ２０の端部２０ｂとは、加熱部１４３の外壁および断熱壁１２によって取り囲まれた空間１４内に配置されている。

図２中の矢印によって、熱流ＨＦが図示されている。熱流ＨＦは、気化器１４０および加熱部１４３からヒートパイプ２０へ伝わり、外部へ放出される熱の流れを示す。気化器１４０から、気化器１４０の外壁を経由して空間１３へ熱が伝わり、空間１３内部が加熱されて、空間１３からヒートパイプ２０の端部２０ａ付近に熱が加えられる。また、加熱部１４３から、加熱部１４３の外壁を経由して空間１４へ熱が伝わり、空間１４内部が加熱されて、空間１４からヒートパイプ２０の端部２０ｂ付近に熱が伝えられる。ヒートパイプ２０の端部２０ａ，２０ｂ付近は、雰囲気温度が相対的に高くヒートパイプ２０を加熱して作動流体を蒸発させる、高温部を構成している。

一方、気化器１４０と加熱部１４３との中間地点付近では、ヒートパイプ２０は周囲から熱を加えられていない。この中間地点付近において、ヒートパイプ２０から外部へ熱が放出されている。気化器１４０と加熱部１４３との中間地点付近は、雰囲気温度が相対的に低く、ヒートパイプ２０から放熱されることにより作動流体を凝縮させる、低温部を構成している。

ヒートパイプ２０の構成について以下説明する。図３は、ヒートパイプの構成を示す斜視図である。図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線に沿うヒートパイプの断面を示す図である。図３および図４に示すように、流体輸送経路１４１では、配管１０の外部に外管２１を設け、外管２１内の中空空間内に配管１０が挿通された、二重管構造が形成されている。外管２１は、たとえば銅、アルミニウム、ステンレスなどの金属材料により形成されている。外管２１の内面には、毛管力を有する多孔質のウィック２２が設けられている。ウィック２２としては、外管２１の内表面に金網が取り付けられてもよく、外管２１の内表面に細かい溝が形成されてもよい。

配管１０の外周面と、外管２１の内周面との間には、空間２４が形成されている。空間２４の内部は、真空に排気され減圧されている。この空間２４に、作動液２３を適量注入する。このようにして、配管１０と外管２１との間に、ヒートパイプ２０の構造を設けることができる。

図５は、ヒートパイプの動作原理を示す模式図である。図３および図４に示すヒートパイプ構造の一部を、周囲の温度が相対的に高い高温部２７に配置し、他の一部を周囲の温度が相対的に低い低温部２８に配置する。高温部２７は、たとえばヒータなどで加熱されており、低温部２８に対して温度が高くなっている。熱流ＨＦに示すように、高温部２７において周囲から伝熱されることにより、外管２１が加熱される。そのため、配管１０と外管２１との間に封入された作動液２３も加熱され、潜熱として熱を吸収して作動液２３は蒸発して気体状になる。

蒸発した作動液２３の蒸気が、蒸気流ＳＦに示すように、高温部２７側から低温部２８側へ流れることにより、熱が蒸気流ＳＦの流れる方向に蒸気として運ばれる。このとき作動液２３の蒸気は、配管１０の外表面および外管２１の内表面で潜熱を放出することで凝縮して、配管１０をその全長にわたり均一に加熱する。低温部２８側で凝縮した作動液２３は、液流ＬＦに示すように、ウィック２２の毛管力によって高温部２７側へ還流する。また、低温部２８において、作動液２３から伝熱された外管２１の管外壁から、熱流ＨＦに示すように外部への放熱が行なわれる。

このようにして、配管１０内を流れる反応ガスの温度は一定温度に維持される。つまり、配管１０と外管２１との間における作動液２３の蒸気化および液化によって、熱輸送が行なわれ、配管１０の全長に亘って反応ガスの温度の均一性を向上させることができる。

図６は、実施の形態１の流体搬送装置の反応ガスを搬送する配管の温度変化を示すグラフである。図６において、縦軸は、配管の温度を示す。また横軸は、図２に示す気化器１４０から加熱部１４３へ至る反応ガスの経路を示す。図６の横軸に示す領域Ａは、図２に示す流体搬送装置２において、気化器１４０の内部、および断熱壁１１によって囲まれた空間１３の内部の領域に相当する。領域Ｂは、図２に示す空間１３の出口から空間１４の入口へ至る領域に相当する。領域Ｃは、図２に示す断熱壁１２によって囲まれた空間１４の内部、および加熱部１４３の内部の領域に相当する。

図６に示すように、領域Ａでは気化器１４０からの伝熱影響によって、領域Ｃでは加熱部１４３からの伝熱影響によって、配管の温度が変化している。領域Ｂでは、気化器１４０および加熱部１４３を熱源として加熱されたヒートパイプ２０により配管１０が全長に亘って均一に加熱されるので、領域Ａから領域Ｃへ向かう配管１０の内部を流れる反応ガスの温度低下がなく、反応ガスの凝縮による再液化を防止でき、反応ガスの高精度な温度管理を可能としている。

以上説明したように、実施の形態１では、流体輸送経路１４１を二重管構造にし、配管１０の外周面と外管２１の内周面との間に真空の空間２４およびウィック２２を設けヒートパイプ化することにより、配管１０の外表面にヒートパイプ２０を接触させる。ヒートパイプ２０の一部を加熱することで配管１０の全長に亘っての均熱化を実現することができるので、流体輸送経路１４１の全長に亘りテープヒータなどのヒータを配置しなくても、容易に配管１０内を流れる反応ガスを高精度に温度管理することができる。

また、実施の形態１では、ヒートパイプ２０は気化器１４０および加熱部１４３から伝熱されることにより加熱されている。そのため、流体搬送装置２は、ヒートパイプ２０を加熱して作動液２３を蒸発させるための、ヒータや温水などの別の熱源を備える必要がない。すなわち、流体搬送装置２は、ヒートパイプ２０のためだけの加熱装置を備えていない。したがって、流体搬送装置２の製造コストおよび運転費用を低減することができ、かつ、流体搬送装置２の小型化を達成することができる。

なお、図２に示す流体搬送装置２では、気化器１４０および加熱部１４３の双方からヒートパイプ２０が加熱され、気化器１４０と加熱部１４３との間で外部へ放熱される例について説明したが、気化器１４０または加熱部１４３のいずれか一方によりヒートパイプ２０が加熱される構成としてもよい。

（実施の形態２）
図７は、実施の形態２の流体輸送経路の構成を示す模式図である。図８は、図７に示す流体輸送経路を端面側から視た模式図である。実施の形態１では、流体輸送経路１４１を二重管構造にして、外管２１の内周面にウィック２２を設けてヒートパイプ化することにより、気体状の反応ガスを搬送する配管１０の外周部にヒートパイプ２０を設ける例について説明した。これに対し、実施の形態２では、図７および図８に示すように、複数のヒートパイプ２０が配管１０の外周面１０ａに貼付されており、これらのヒートパイプ２０の熱輸送によって配管１０を全長に亘って均熱化する例が示されている。

ヒートパイプ２０の構成および動作原理は、図３〜図５を参照して説明した実施の形態１のヒートパイプ２０と同じであり、実施の形態１と同様にヒートパイプ２０内で作動液２３の蒸気化および液化による熱輸送を行なうことによって、配管１０の全長に亘る温度の均一化が可能である。実施の形態２では、配管１０の外周面に複数のヒートパイプ２０を貼付して、ヒートパイプ２０から配管１０へ伝熱させる構造とされており、既存の配管１０の構造を変更することなく、配管１０内部を流れる反応ガスの高精度な温度の均一化を容易に行なうことができる。

なお図７および図８では、ヒートパイプ２０を配管１０の外周面１０ａに貼り付けて、ヒートパイプ２０が配管１０に直接接触する流体輸送経路１４１が例示されている。流体輸送経路１４１はこのほか、配管１０の外周面１０ａにヒートパイプ２０を収納可能な溝を配管１０の延在方向に加工して、この溝内にヒートパイプ２０を収納するようにした構成としてもよい。

また、熱伝導率の高い物質を介在させてヒートパイプ２０が配管１０の外周面１０ａに貼付され、ヒートパイプ２０と配管１０とは直接機械的に接触していないが、ヒートパイプ２０から配管１０への熱伝達性能が確保されている構成としてもよい。つまり、ヒートパイプ２０が配管１０の外周面１０ａに熱的に接触する流体輸送経路１４１であれば、配管１０内部を流れる反応ガスの温度を高精度に均一化することが可能である。

（実施の形態３）
図９は、実施の形態３の流体輸送経路の構成を示す模式図である。実施の形態１および２では、配管１０を加熱するためのヒートパイプ２０は、従来のウィック式のヒートパイプであった。これに対し、実施の形態３では、図９に示すように蛇行させたループ型細管が配管１０の外周面１０ａに貼り付けられ、そのループ型細管の内部に２相凝縮性作動液が封入されており、配管１０に熱的に接触するヒートパイプがループ型細管ヒートパイプ３０である例について示す。

図１０は、ループ型細管ヒートパイプの構成および動作原理を説明する模式図である。図１０には、図９に示す配管１０が延在方向に切り開かれ、管状の配管１０が平板状に展開された状態を示している。配管１０の周囲に巻回されるように配置されていたループ型細管ヒートパイプ３０も、上記平板の形状に沿って二次元的に展開されている状態が、図１０に図示されている。

図１０に示すように、ループ型細管ヒートパイプ３０に入熱する加熱部３１と、ループ型細管ヒートパイプ３０から放熱される冷却部３２との間に、作動流体の流路である細管が複数本配置されている。この細管は、図９に示す配管１０の延在方向に沿うように、偶数本設けられている。複数の細管の一方側の端部である一端同士、および、細管の他方側の端部である他端同士は、連結管により連結されている。ループ型細管ヒートパイプ３０は、加熱部３１と冷却部３２との間で細管に多数のターンを繰り返させ、細管を往復させる蛇行構造に形成されている。この蛇行構造により、ループ型細管ヒートパイプ３０は、加熱部３１から熱を受ける多数の受熱部と、冷却部３２へ熱を放出する多数の放熱部を有する。

ループ型細管ヒートパイプ３０の内部には、気液二相の作動流体が封入されている。作動流体は、蛇行構造の細管の内部を減圧し真空排気した後に細管内部へ封入されている。そのため、細管の内部には、液体状および気体状の作動流体が、平衡状態を保って充満されている。図１０には、液体状の作動流体が充満している液相３３、気体状の作動流体が充満している気相３４および蒸気泡３５が図示されている。

ループ型細管ヒートパイプ３０へ伝熱される熱量が小さいとき、液相３３は冷却部３２側へ偏って存在し、静止したＵ字型の液柱となる。加熱部３１からループ型細管ヒートパイプ３０へ入熱する加熱量が増加するにつれて、液相３３が熱を吸収して液相３３内に核沸騰を発生させる。この核沸騰により、液相３３の一部が液体から気体へと相変化して、液相３３内に蒸気泡３５が発生する。発生した蒸気泡３５は、加熱部３１側から冷却部３２側へ向かって細管内を移動する。蒸気泡３５が冷却部３２に到達すると、蒸気泡３５に含まれる気体が冷却されて凝縮し、気体から液体へと相変化する。この蒸気泡３５の移動を利用して、加熱部３１から冷却部３２への潜熱の移送が行なわれる。

また、加熱部３１における蒸気泡３５の発達および冷却部３２における蒸気泡３５の収縮により、細管内の液相３３が自励的に振動し、図１０中の両矢印に示すように、液相３３と気相３４との界面が細管の延在方向に沿って移動する。この液相３３の振動を利用して、加熱部３１から冷却部３２への顕熱の移送が行なわれる。このように、ループ型細管ヒートパイプ３０では、加熱部３１と冷却部３２との温度差を駆動力として、蒸気泡３５の移動および液相３３の振動を発生させ、蒸気泡３５による潜熱輸送および液相３３による顕熱輸送によって、加熱部３１から冷却部３２への熱輸送が行なわれる。

上記のように作動するループ型細管ヒートパイプ３０は、自励振動ヒートパイプとも呼称され、傾斜姿勢に関係なく加熱部３１から冷却部３２への熱輸送が可能とされている。また、潜熱と顕熱とを混合輸送するために、ループ型細管ヒートパイプ３０は高い熱輸送能力を有している。またループ型細管ヒートパイプ３０は、ウィックなど内部構造のない細管を使用するため、細管の自由な屈曲が可能であり、屈曲による熱輸送性能の低下が少ないので、大規模な熱輸送装置を低コストで実現することができる。

また、ループ型細管ヒートパイプ３０では、細管の蛇行数を増減することで熱輸送量を増減させることができ、広範囲に亘って所望の熱輸送量を得ることができる。つまり、細管の数を増加させるに従って、加熱部３１から冷却部３２への熱輸送効率を向上させることができる。蛇行構造のループ型細管を限られたスペースに配置する必要があるので、偶数本の細管が設けられている構成とすれば、効率的に蛇行構造を形成できるため好ましい。また、所望の熱輸送量に合わせて、複数のループ型細管を配管１０の外周面に貼り付ける構成としてもよい。

また、ループ型細管ヒートパイプ３０を構成する細管は、内径１〜２ｍｍ程度であって、板厚を含めた細管の外径は２ｍｍ〜３ｍｍ程度である。そのため、図３および図７に示す従来型のヒートパイプ２０を配管１０の外周面に熱的に接触させる場合と比較して、配管１０およびループ型細管ヒートパイプ３０を含む配管装置の外径を、大幅に小さくすることができる。したがって、より小さな回路によって配管１０内を流れる反応ガスを加熱することができ、装置全体としての小型化を達成することが可能である。

図１１は、実施の形態３の流体輸送経路の配置の一例を示す模式図である。図１１に示す流体輸送経路は、高温部２７が上側に配置され、低温部２８が下側に配置された、トップヒート状態に配置されている。ガス流ＧＦに示すように配管１０の内部を反応ガスが流れ、配管１０を介在させて反応ガスを加熱するために、配管１０の外周面にループ型細管ヒートパイプ３０を構成する蛇行細管が貼り付けられている。このように実施の形態３では、配管１０に熱的に接触するヒートパイプとして、ループ型細管ヒートパイプ３０が用いられているために、配管１０の高低差が大きいトップヒート状態でも熱輸送が可能となる。したがって、配管１０の姿勢に関わらず熱輸送できる流体搬送装置２を得ることができ、配管１０の配置計画に係る設計の自由度を大幅に向上させることができる。

（実施の形態４）
図１２は、実施の形態４の配管を平板状に展開した状態を示す模式図である。図１３は、図１２に示す矢印ＸＩＩＩ方向から平板状に展開された配管を見た図である。なお図１２は、図１３に示す矢印ＸＩＩ方向から平板状に展開された配管を見た図を示している。図１４は、実施の形態４の配管の斜視図である。

実施の形態３では、配管１０の外周面に蛇行させた細管を貼り付けて、ループ型細管ヒートパイプ３０を配管１０に対し熱的に接触させる例について説明した。これに対し実施の形態４では、図１２および図１３に示すように、配管４０を展開した平板の内部にループ型細管ヒートパイプ３０が組み込まれている。蛇行させたループ型細管を組み込んだ平板を製造した後に、その平板を曲げ加工して管状の配管４０を形成することで、ループ型細管ヒートパイプ３０を内蔵した配管４０を得ることができる。この配管４０を、図２に示す配管１０およびヒートパイプ２０に替えて、流体搬送装置２に適用することができる。

つまり、図１４に示す管状部材としての配管４０は、配管４０の延在方向に交差する断面の形状が環状の壁部４１を有する。壁部４１の内部には、配管４０の延在方向に沿う複数の細管部４２と、細管部４２の端部同士を連結する連結管４３，４４とが設けられている。連結管４３は、細管部４２の一方の端部同士を連結する。連結管４４は、細管部４２の他方の端部同士を連結する。細管部４２および連結管４３，４４は、多数ターンを繰り返す蛇行構造のループ型細管ヒートパイプ３０を構成する。図１０を参照して説明した動作原理に基づいて、連結管４３，４４のいずれか一方の近傍を加熱部３１とし、他方を冷却部３２とすることにより、傾斜姿勢に関係なく加熱部３１から冷却部３２への熱輸送を行なうことができる。

このようにループ型細管ヒートパイプ３０を配管４０の内部に内蔵させて形成し、熱源から配管４０に熱を加え、内部を搬送される流体を加熱する加熱配管として配管４０を適用することにより、配管４０の内部を流れる反応ガスをより効率よく加熱することができる。つまり、図９に示すループ型細管ヒートパイプ３０を配管１０の外周部に貼り付けた場合、配管の外表面と細管の表面とが完全に密着せず、配管の外表面と細管の表面との間に隙間が存在する。その結果、接触熱抵抗と呼ばれる大きな熱抵抗が生じて、ループ型細管ヒートパイプ３０から配管１０への熱伝達効率が低下する。

これに対し、図１４に示す配管４０では壁面内にループ型細管ヒートパイプ３０が形成されているので、接触熱抵抗が発生することがなく、ループ型細管ヒートパイプ３０によって配管４０を効率よく加熱することができる。したがって、反応ガスを搬送する配管装置に配管４０を適用することで、配管４０の内部を流れる反応ガスの温度の均一性を、より向上させることができる。また、図１１で説明したように、ループ型細管ヒートパイプ３０が用いられると、配管４０の高低差が大きいトップヒート状態でも熱輸送が可能となる。したがって、配管４０の姿勢に関わらず熱輸送できる流体搬送装置２を得ることができる。

（実施の形態５）
図１５は、実施の形態５の配管の斜視図である。図１６は、図１５に示すＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う配管の断面図である。実施の形態４では、内部にループ型細管ヒートパイプ３０が形成された平板を曲げて管状に加工する配管４０について説明した。これに対し、実施の形態５の配管５０は、図１５および図１６に示すように、外側管５１と内側管５２とを含む。内側管５２の外周面５２ａに、外側管５１の内周面５１ａが密着している。

内側管５２の外周面５２ａには、溝加工が施されている。この溝形状は、内側管５２の延在方向に沿う複数の細溝を含む。内側管５２の外周面５２ａには、ループ型細管ヒートパイプ３０の回路の細管部４２となる、細溝が加工されている。内側管５２の外部に外側管５１をかぶせて、溶接などで一体化接合した後、外周面５２ａに形成された溝を真空排気して作動液を封入することにより、ループ型細管ヒートパイプ３０を内部に内蔵する管状部材としての配管５０を構成することができる。

なお、図１５および図１６では、内側管５２の外側表面である外周面５２ａに溝を加工した例を示している。外側管５１の内側表面である内周面５１ａに溝を加工した後、内側管５２と外側管５１とを一体化接合して、上記と同様のループ型細管ヒートパイプ３０の回路を形成するようにしてもよい。また、内側管５２の外周面５２ａと外側管５１の内周面５１ａとの双方に同一パターンの溝加工を施した後、内側管５２と外側管５１とを一体化接合して、上記と同様のループ型細管ヒートパイプ３０の回路を形成するようにしてもよい。

また、ループ型細管ヒートパイプ３０の細管部４２を構成する細溝のみならず、連結管４３，４４を構成する細溝を、内周面５１ａまたは外周面５２ａに形成してもよい。さらに、内側管５２の外周面５２ａおよび外側管５１の内周面５１ａの少なくともいずれか一方に、溝加工のほか、たとえばエンボス加工などの、内周面５１ａまたは外周面５２ａに凹凸形状を形成する任意の凹凸加工を行なうことにより、ループ型細管ヒートパイプ３０の回路を形成するようにしてもよい。

このようにすると、一般的な配管材料を加工することにより外側管５１および内側管５２を形成して、これらを一体化接合することで、ループ型細管ヒートパイプ３０を内蔵した配管５０を容易に得ることができる。そのため、実施の形態４に示すような平板の曲げ加工や、曲げ加工後に平板を接合して管状にする作業が不要となり、配管５０の内面研磨も容易になる。したがって、製作が容易かつ低コストな、ループ型細管ヒートパイプ３０を内蔵する配管５０を得ることができる。

（実施の形態６）
図１７は、実施の形態６の配管の斜視図である。図１８は、図１７に示すＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿う配管の断面図である。図１７に示す配管は、図１４を参照して説明した配管４０の周囲を、さらに外覆管６０で囲っている。外覆管６０は、ループ型細管ヒートパイプ３０を内蔵する配管４０を内包している。配管４０の外周面４０ａと、外覆管６０の内周面６０ａとの間には、真空空間６１が形成されている。

配管４０の外周面４０ａと外覆管６０の内周面６０ａとの間に真空空間６１を有することにより、配管４０を真空断熱し、配管４０の外周面４０ａから外部への放熱を抑制して、配管４０から周囲へのエネルギーロスを低減する構造にすることができる。配管４０の内部を流れる反応ガスをヒートパイプによって加熱する構成であり、配管４０の外表面にテープヒータなどの加熱部を設けることなく配管４０全体の均熱加熱が可能とされているので、配管４０の外周面４０ａに真空空間６１を設けることが容易である。

このような真空空間６１を設けて配管４０からの放熱量を低減して熱損失を減らすことにより、配管４０の外部に断熱材を巻き付ける必要がなくなる。したがって、断熱材の取り付け取り外しが不要となるため、配管のメンテナンスが容易となり、配管の使用環境をクリーンに保つことができる効果がある。さらに、断熱材を配管に巻き付ける場合の断熱材の外径と比較して、外覆管６０の外径を大幅に小さくしても同等の断熱効果を得ることができ、装置の小型化を達成することができる。または、断熱材の外径と同等の外径を有する外覆管６０を用いて真空空間６１を形成すれば、より高い断熱性能を得ることができるので、限られたスペースで一層高い断熱性を有する断熱構造を形成することができる。

なお、実施の形態１〜５で説明した配管を、上記説明した通り外覆管６０で囲って真空空間６１を形成して真空断熱することによって、断熱材を廃止でき装置を小型化できるという同様の効果が得られることは言うまでもない。

（実施の形態７）
実施の形態１〜６の説明においては、図１に示す気化器１４０と加熱部１４３との間に設けられた流体輸送経路１４１を例として説明したが、本発明の配管装置および流体搬送装置は、種々の系統に用いることが可能である。図１９〜図２２は、物質供給システムの変形例の概略構成を示すブロック図である。

図１９に示す物質供給システムは、ｎ（ｎは２以上の整数）個の反応室１５０ａ〜１５０ｎを備える。流体輸送経路１４４には、配管の分岐のための接合部１４５が接続されており、接合部１４５は加熱部１４６により周囲を覆われている。接合部１４５から反応室１５０ａに至る流体輸送経路１６１ａ，１６４ａは、反応ガスの流量制御用のバルブ１６２ａを介して接合されている。バルブ１６２ａは加熱部１６３ａにより周囲を覆われており、加熱部１６３ａからの伝熱によってバルブ１６２ａが加熱される。接合部１４５からその他の反応室１５０ｎへ至る経路も、上記と同様の構成を成している。

図１９に示す物質供給システムにおいて、流体輸送経路１４１，１４４，１６１ａ〜１６１ｎ，１６４ａ〜１６４ｎに、実施の形態１〜６に記載のいずれかの流体搬送装置を適用することにより、気化器１４０から反応室１５０ａ〜１５０ｎへ至る反応ガスの温度を均一化することができる。

図２０に示す物質供給システムでは、気化器１４０と反応室１５０とが流体輸送経路１４１によって直接連結されており、反応ガスの流量制御用のバルブ１４２を有していない。この場合でも、流体輸送経路１４１に実施の形態１〜６のいずれかの流体搬送装置を適用し、流体輸送経路１４１を加熱するヒートパイプに気化器１４０または反応室１５０の熱を伝熱させることにより、気化器１４０から反応室１５０へ至る反応ガスの温度を均一化することができる。

図２１に示す物質供給システムは、バルブ１１２を加熱する加熱部１１３を備えており、液状原料供給装置１１０から気化器１４０へ供給される液体状の原料を、気化器１４０の上流で予熱できる構成とされている。この場合でも、流体輸送経路１１１，１１４に実施の形態１〜６のいずれかの流体搬送装置を適用し、流体輸送経路１１１，１１４を加熱するヒートパイプに加熱部１１３または気化器１４０の熱を伝熱させることにより、液状原料供給装置１１０から気化器１４０へ至る液体状の原料の温度を均一化することができる。つまり、本発明の配管装置および流体搬送装置は、気体を搬送する装置に限られず、液体を搬送する装置に適用することも可能である。

図２２に示す物質供給システムは、バルブ１２２を加熱する加熱部１２３を備えており、キャリアガス供給装置１２０から気化器１４０へ供給されるキャリアガスを、気化器１４０の上流で予熱できる構成とされている。この場合でも、流体輸送経路１２１，１２４に実施の形態１〜６のいずれかの流体搬送装置を適用し、流体輸送経路１２１，１２４を加熱するヒートパイプに加熱部１２３または気化器１４０の熱を伝熱させることにより、キャリアガス供給装置１２０から気化器１４０へ至るキャリアガスの温度を均一化することができる。

（実施の形態８）
実施の形態１〜７においては、ヒートパイプを用いた配管の加熱について述べたが、ヒートパイプから積極的に熱を奪ってヒートパイプの作動流体を冷却させる冷却器を、ヒートパイプと熱的に接触するように設けてもよい。加熱部によるヒートパイプの加熱を停止した後に、冷却器によってヒートパイプを冷却すれば、ヒートパイプの一部を冷却することにより、ヒートパイプ全体の冷却を効率的に行なうことができる。つまり、実施の形態１で説明した従来型のヒートパイプの熱輸送動作、または実施の形態３で説明したループ型細管ヒートパイプの熱輸送動作により、ヒートパイプ全体を冷却する必要はなく、効率的にヒートパイプの冷却を行なうことができる。

このようにすれば、メンテナンス時などの配管の温度を下げたい場合に、配管をより高速に均一温度で下げることができるので、配管の温度低下に要する時間を短縮でき、メンテナンス時間を短縮することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、各実施の形態の構成を適宜組合せてもよい。また、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の配管装置および流体搬送装置は、たとえば半導体ウェハや液晶ガラス基板などに成膜対象物を成膜する際の反応ガスなど、高精度の温度管理を必要とする物質を搬送する配管装置および流体搬送装置に、特に有利に適用され得る。

Claims (7)

1. 流体を搬送するための配管装置であって、
   管状部材と、
   前記管状部材を加熱する加熱部とを備え、
   前記管状部材の環状壁部の内部には、前記管状部材の延在方向に沿う複数の細管部と、前記細管部の一端同士を連結する第一連結管部と、前記細管部の他端同士を連結する第二連結管部とが設けられており、
   前記加熱部は、前記第一連結管部と前記第二連結管部との少なくともいずれか一方を加熱し、
   前記細管部、前記第一連結管部および前記第二連結管部は、ループ型細管ヒートパイプを構成する、配管装置。
2. 前記管状部材は、内側管と、前記内側管の外周面に内周面が密着する外側管とを含み、
   前記細管部は、前記内側管の前記外周面および前記外側管の前記内周面の少なくともいずれか一方が凹凸加工されて形成されている、請求項１に記載の配管装置。
3. 前記管状部材を内包する外覆管をさらに備え、
   前記加熱部は、前記管状部材の端部を介して、前記第一連結管部と前記第二連結管部との少なくともいずれか一方を加熱し、
   前記管状部材の外周面と、前記外覆管の内周面との間に、真空空間を有する、請求項１に記載の配管装置。
4. 第一加熱部と、
   第二加熱部と、
   前記第一加熱部と前記第二加熱部とを連結し、前記第一加熱部から前記第二加熱部へ流体を搬送する管状部材と、
   前記管状部材に熱的に接触するヒートパイプとを備え、
   前記ヒートパイプは、前記第一加熱部および前記第二加熱部の少なくともいずれか一方により加熱される、流体搬送装置。
5. 前記管状部材および前記ヒートパイプを内包する外覆管をさらに備え、
   前記管状部材の外周面と、前記外覆管の内周面との間に、真空空間を有する、請求項４に記載の流体搬送装置。
6. 前記ヒートパイプは、ループ型細管ヒートパイプである、請求項４または請求項５に記載の流体搬送装置。
7. 前記管状部材の環状壁部の内部には、前記管状部材の延在方向に沿う複数の細管部と、前記細管部の一端同士を連結する第一連結管部と、前記細管部の他端同士を連結する第二連結管部とが設けられており、
   前記細管部、前記第一連結管部および前記第二連結管部は、前記ループ型細管ヒートパイプを構成する、請求項６に記載の流体搬送装置。

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