JP5283758B2 - 伝熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱装置に関し、特に、配管系に均等に熱を伝える伝熱装置に関する。

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。

配管を加熱するための技術に関し、従来、軸線に沿って配管挿通用の貫通孔が形成された筒状体を該軸線に沿って２等分に切断してなる一対の半筒体からなり、配管に装着した状態で、対向する切断面同士で隙間を形成することを特徴とする配管加熱用被覆体が提案されている（たとえば、特開２００７−２９８６号公報（特許文献１）参照）。

また従来、熱媒体流通管を囲繞する２つ割りの囲繞体の表面に多数の凹溝を形成し、その凹溝にその両端部が嵌入する半円形状等の嵌合体により２つ割りの嵌合体を跨ぐように取付ける囲繞体と嵌合体とからなる、熱媒体流通管の被覆体が提案されている（たとえば、特開２００３−１８５０８６号公報（特許文献２）参照）。

特開２００７−２９８６号公報 特開２００３−１８５０８６号公報

上記の技術では、配管加熱用の被覆体の外側全面を被覆して配置されたヒータからの熱を被覆体を介して伝熱することで、配管を加熱することが行なわれている。しかし、ヒータと被覆体との接触条件が異なることや、ヒータ自身の発熱分布によって、配管に温度分布が発生するため、配管を均一に加熱することは困難であった。この配管の温度分布を改善するため、被覆体を厚肉化して、被覆体の内面側の温度の均一性を向上させることが必要になるが、この場合、被覆体の熱容量が増大しエネルギー消費量が増加するとともに、装置が大型化し、重量が増大する問題があった。

また、上記の技術では、被覆体が配管に接触する部分において、熱伝導によって被覆体から配管への熱伝達量が増加する。被覆体から配管への熱伝達量が配管の周方向でばらつくと、配管の温度分布が乱れるので、被覆体から配管への熱伝達量ができるだけ一定になるように、被覆体と配管との接触条件を調整する必要がある。そのため、配管を囲繞するように被覆体を取り付ける際の微調整が必要となり、装置の組み立て性が低下、すなわち、組み立て時の工数が増加するともにコスト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、配管系全体を高精度に温度管理できる、伝熱装置を提供することである。

本発明に係る伝熱装置は、内部を流体が流れる配管系に熱を伝える伝熱装置であって、配管系を囲繞する高熱伝導性の伝熱ブロックと、配管系の延在方向に沿って伝熱ブロックに形成されたヒートパイプと、ヒートパイプに熱を加える加熱部とを備える。伝熱ブロックは、配管系の延在方向に沿って分割可能な、複数の分割ブロックを含む。

上記伝熱装置において好ましくは、配管系は、第一配管と、第二配管と、第一配管の一端部と第二配管の一端部とを連結する連結部と、を含み、ヒートパイプは、第一配管の他端部から第二配管の他端部にまで至るように延在する。

上記伝熱装置において好ましくは、連結部の外径は、第一配管の外径および第二配管の外径よりも大きく、伝熱ブロックには、ヒートパイプよりも配管系に近接する部分に、配管系の延在方向に沿って延びる管状空間が形成されている。

上記伝熱装置において好ましくは、配管系は、第一配管と、第二配管と、第一配管の一端部と第二配管の一端部とを連結する連結部と、を含み、連結部の外径は、第一配管の外径および第二配管の外径よりも大きく、ヒートパイプは、第一配管に沿って埋設された第一回路と、第二配管に沿って埋設された第二回路とを含む。

上記伝熱装置において好ましくは、加熱部は、連結部を囲繞する伝熱ブロックに熱的に接触する。

上記伝熱装置において好ましくは、加熱部は、第一回路の連結部に近接する側の端部を加熱する第一熱源と、第二回路の連結部に近接する側の端部を加熱する第二熱源と、を含む。

上記伝熱装置において好ましくは、伝熱ブロックは、第一回路が埋設された第一ブロックと、第二回路が埋設された第二ブロックと、連結部を囲繞する連結ブロックとを含む。加熱部は、連結ブロックに熱的に接触する。

上記伝熱装置において好ましくは、ヒートパイプは、連結ブロックに埋設された第三回路を含む。

上記伝熱装置において好ましくは、分割ブロックのうち一つのみにヒートパイプが埋設される。

上記伝熱装置において好ましくは、伝熱ブロックは、配管系の延在方向と直交する断面において、多角形状の外形を有する。

上記伝熱装置において好ましくは、ヒートパイプは、伝熱ブロック内に形成され真空排気された中空部と、中空部に滞留する作動流体とを含む。

上記伝熱装置において好ましくは、伝熱ブロックの外周面に溝部が形成されており、ヒートパイプは、溝部内に埋設され真空排気された管部材と、管部材内に滞留する作動流体と、を含む。

上記伝熱装置において好ましくは、配管系の端部に連結された機器をさらに備え、伝熱ブロックは、上記機器を囲繞する。

本発明の伝熱装置によると、配管系に均等に熱を伝えることができ、配管系全体を高精度に温度管理することができる。

実施の形態１の伝熱装置の構成を示す模式図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う伝熱装置の断面図である。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う伝熱装置の断面図である。 実施の形態２の伝熱装置の構成を示す模式図である。 図４中のＶ−Ｖ線に沿う伝熱装置の断面図である。 実施の形態３の伝熱装置の構成を示す模式図である。 図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う伝熱装置の断面図である。 図６中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う伝熱装置の断面図である。 実施の形態４の伝熱装置の構成を示す模式図である。 実施の形態５の伝熱装置の構成を示す模式図である。 実施の形態６の伝熱装置の構成を示す模式図である。 実施の形態７の伝熱装置の構成を示す模式図である。 実施の形態７の伝熱装置の構成の他の例を示す模式図である。 実施の形態８の伝熱装置の構成を示す模式図である。 図１４中のＸＶ−ＸＶ線に沿う伝熱装置の断面図である。 図１４中のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う伝熱装置の断面図である。 実施の形態８の伝熱装置の構成の他の例を示す模式図である。 実施の形態９の伝熱装置の構成を示す模式図である。 図１８中のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿う伝熱装置の断面図である。 図１８中のＸＸ−ＸＸ線に沿う伝熱装置の断面図である。 実施の形態９の伝熱装置の構成の他の例を示す模式図である。 実施の形態１０の伝熱装置の構成を示す模式図である。 図２２中のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線に沿う伝熱装置の断面図である。 図２２中のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線に沿う伝熱装置の断面図である。 実施の形態１１の伝熱装置の構成を示す模式図である。

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。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の伝熱装置の構成を示す模式図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う伝熱装置の断面図である。図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う伝熱装置の断面図である。図１では、本実施の形態の伝熱装置を用いた流体搬送装置１の、部分的に切断した平面図が示されている。

図１に示すように、流体搬送装置１は、二つの機器１１０，１２０と、機器１１０，１２０を接続する配管系１０とを備える。流体搬送装置１は、図１中の白抜き矢印に示すように、一方の機器１１０から配管系１０を経由して他方の機器１２０へ流体を流通させる装置である。配管系１０は、第一配管１２と、第二配管１４とを含む。第一配管１２は、一端部１３ａと他端部１３ｂとを有する。第二配管１４は、一端部１５ａと他端部１５ｂとを有する。配管系１０はまた、第一配管１２の一端部１３ａと第二配管１４の一端部１５ａとを連結する連結部１６と、機器１１０と第一配管１２の他端部１３ｂとを連結する連結部１８と、第二配管１４の他端部１５ｂと機器１２０とを連結する連結部１９とを含む。

流体搬送装置１は、伝熱装置２０を備える。伝熱装置２０は、配管系１０に均等に熱を伝え、配管系１０を介して、配管系１０の内部を流れる流体を均一に加熱する。伝熱装置２０は、配管系１０を囲繞する伝熱ブロック３０と、配管系１０の延在方向に沿って伝熱ブロック３０に形成されたヒートパイプ４０と、ヒートパイプ４０に熱を加える加熱部の一例としてのヒータ５２とを備える。

ここでいう配管系１０とは、流体を流通させる配管と、当該配管に接続された配管付属品とを含む概念であって、配管付属品を含んだ相互に連結された配管の集合体を指す。配管は、直管に限られず、任意の形状に曲げられた曲げ管を含み、また非可撓性管に限らず、たとえばフレキシブルチューブなどの可撓性管を含んでもよい。配管付属品としては、たとえば、エルボやティーなどに代表される継手、バルブ、ストレーナ、ノズルなどが挙げられる。また、流体を貯蔵するタンク、流体を加熱し気化させる気化器、気体状の原料を供給し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などの、配管に連通接続された機器類を、配管系１０に含んでもよい。

配管系１０を被覆する伝熱ブロック３０は、たとえばアルミニウムまたは銅などの金属材料に代表される、高熱伝導性の材料により形成されている。伝熱ブロック３０をアルミニウム製とすると、伝熱ブロック３０を軽量化でき、また伝熱ブロック３０の配管系１０に対向する面をアルマイト処理すれば輻射による熱伝達効率を向上できるので望ましい。また伝熱ブロック３０を銅製とすると、熱伝導率をより高くすることができ、またヒートパイプ４０の作動流体として熱特性の良好な水を用いることができるので望ましい。

ヒートパイプ４０は、従来のウィック式のヒートパイプであって、伝熱ブロック３０内に形成された中空部を含む。この中空部は、密閉された空間であって、真空排気され減圧された真空空間として形成されている。中空部の内面には、毛管力を有する多孔質材料により形成されたウィック４２が設けられている。ウィック４２としては、上記中空部の内表面に金網や焼結金属が取り付けられてもよく、内表面に細かい溝が形成されてもよい。

ヒートパイプ４０はまた、上記中空部に滞留する作動流体を含む。作動流体は、加熱されて蒸発し、かつ放熱して凝縮する性質（凝縮性）を有する。この凝縮性の作動流体が、真空減圧された密閉空間である中空部に適量注入されることで、ヒートパイプ４０を形成することができる。ヒートパイプ４０は、ヒータ５２が配置された高温部において加熱され蒸気化した作動流体が中空部内を移動し、中空部内の相対的に温度の低い低温部の壁面において凝縮して潜熱を放出して、中空部を均等に加熱する。凝縮した作動流体は、ウィック４２の毛細管作用によって、上記高温部へ還流する。この繰り返しで、高温部から低温部への熱輸送が行なわれる。

なお、ヒートパイプ４０は、上述したウィック式に限られるものではなく、重力を援用するサーモサイホン式のヒートパイプであってもよく、ループ型細管の内部に２相凝縮性作動液を封入したループ型細管ヒートパイプであってもよい。

ヒートパイプ４０は、第一配管１２の他端部１３ｂから第二配管１４の他端部１５ｂにまで至るように延在する。図１に示すように、ヒートパイプ４０は、第一配管１２の他端部１３ｂに接続される連結部１８を囲繞する伝熱ブロック３０から、第二配管１４の他端部１５ｂに接続される連結部１９を囲繞する伝熱ブロック３０まで、配管系１０の延在方向に沿って、伝熱ブロック３０の内部に形成されている。ヒートパイプ４０は、第一配管１２、第二配管１４および連結部１６の延在方向の全体を囲繞している。

ヒートパイプ４０を加熱して作動流体を蒸発させるヒータ５２としては、任意の熱源を用いることができる。典型的には、たとえば電気ヒータ、熱媒循環式のヒータまたは誘導加熱式のヒータなどを適用することができる。

ヒータ５２は、機器１１０に近接する側のヒートパイプ４０を加熱するように、伝熱ブロック３０と熱的に接触している。図１および図２に示すように、ヒータ５２は、円筒形状の伝熱ブロック３０の外周面に接触している。ヒータ５２は、伝熱ブロック３０と熱的に接触して、伝熱ブロック３０を介してヒートパイプ４０に熱を伝えることができればよく、図１および図２に示すように伝熱ブロック３０の外表面に接触する構成のほか、伝熱ブロック３０の内部にヒータ５２が埋め込まれてもよい。ヒータ５２がヒートパイプ４０の任意の一箇所を加熱できれば、ヒートパイプ４０の全体を均一に加熱することができるので、ヒータ５２の配置は図１に示す位置に限られない。

ここで、「熱的に接触」とは、伝熱ブロック３０とヒータ５２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う。これらの部材が相互に当接して、直接機械的に接触している場合に限られない。たとえば、ヒータ５２が伝熱ブロック３０とロウ付け、溶接などで一体化されている場合、また、熱伝導性の高い物質を中間に介在させて間接的に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。

機器１１０から第一配管１２、第二配管１４を経て機器１２０へ至る装置全体が、断熱材５０によって外側から被覆されている。断熱材５０によって、流体搬送装置１と外部との熱伝達が抑制されている。そのため、配管系１０を流通する気化された流体の再液化を抑制できるとともに、エネルギーロスを低減できる構成とされている。断熱材５０は、熱伝導を抑える障壁の働きをする熱伝導性の低いものであればどのようなものであってもよく、たとえばグラスウールやポリスチレンフォームなどの固体の中に気体の小泡を多量に有する素材により形成される。

図２および図３に示すように、伝熱ブロック３０は、複数の分割ブロック３２，３４を含む。配管系１０の周囲は、分割型の伝熱ブロック３０で覆われている。本実施の形態では、分割ブロック３２，３４は、配管系１０の延在方向（すなわち、図１中の左右方向、図２，３中の紙面垂直方向）に沿って分割可能な、半円筒形状に形成されている。分割ブロック３２，３４を組み合わせることで、内部に筒状の中空空間が形成された、中空の円筒形状の伝熱ブロック３０が構成される。分割ブロック３２，３４の内部に中空部が形成されて、分割ブロック３２，３４にヒートパイプ４０が設けられている。

伝熱ブロック３０を構成する分割ブロックの形状は、図２および図３に示す半円筒形状に限られず、また分割ブロックの個数も二個に限られるものではない。任意の形状および個数の分割ブロックによって伝熱ブロック３０が形成されてもよいが、同一形状の分割ブロックの組み合わせによって伝熱ブロック３０が形成されれば、伝熱ブロック３０の生産性を向上できるので望ましい。

以上説明した伝熱装置２０によると、配管系１０の周囲が伝熱ブロック３０で被覆され、この伝熱ブロック３０の内部に中空部を形成してヒートパイプ４０を設け、伝熱ブロック３０を経由して配管系１０へ熱を伝達する。このようにすれば、ヒートパイプ４０の熱輸送機能により伝熱ブロック３０が自動的に等温に加熱されるので、配管系１０へ伝達される熱量の均一性を向上させることができる。

従来の、伝熱ブロックの外表面にヒータを接触させて配管系を加熱する構成では、ヒータと伝熱ブロックとの接触条件が異なることや、ヒータ自身の発熱分布によって、配管に温度分布が発生する。そのため、配管系を等温にするための制御は困難であった。これに対し、本実施の形態の伝熱装置２０では、伝熱ブロック３０にヒートパイプ４０を形成した構造にすることで、伝熱ブロック３０の全体に亘り、均熱性を確保できる。したがって、配管系１０に均等に熱を伝えることができ、配管系全体を高精度に温度管理できる伝熱装置２０を提供することができる。

伝熱ブロック３０の内部に中空回路が設けられてヒートパイプ４０が形成されているために、伝熱ブロック３０を加熱するヒータ５２は、伝熱ブロック３０の一部分のみを加熱すればよい。つまり、ヒータ５２は、伝熱ブロック３０の一部分のみに配置されていればよい。そのため、ヒータ５２の小型化、コンパクト化および低価格化を達成できるとともに、ヒータ５２が消費するエネルギー量を低減することができるので、伝熱装置２０のランニングコストを低減することができる。

伝熱ブロック３０の均熱性をヒートパイプ４０の機能によって発揮させるので、伝熱ブロック３０の温度分布を改善するために伝熱ブロック３０を厚肉化する必要はない。伝熱ブロック３０の厚みは、ヒートパイプ４０の作動流体の内圧に対する強度を確保できる最小の肉厚でよく、伝熱ブロック３０を小型化できる。したがって、伝熱ブロック３０の熱容量を低減できるので、昇温時のヒータ５２の容量の低減が可能となり、エネルギー消費量を低減できる。かつ、伝熱ブロック３０を軽量化できる。

伝熱ブロック３０を小型化することに伴って、伝熱ブロック３０の外周を被覆する断熱材５０の周長を短くでき、断熱材５０の外表面の面積を小さくできる。断熱材５０の表面から周囲への放熱量は断熱材５０の表面積に比例し、また、伝熱装置２０の定常時のヒータ５２の入力は、断熱材５０から周囲への放熱量に相当する。したがって、断熱材５０の断面周長を短くし、断熱材５０の表面積を小さくすることにより、ヒータ５２の入力を低減することができるので、エネルギー消費量をより低減できる。

従来の技術では、配管を囲繞して設けられる被覆体と配管との接触条件を調整するために、組み立て時の微調整が必要であった。これに対し、本実施の形態の伝熱装置２０では、ヒートパイプ４０によって伝熱ブロック３０の表面温度が自動的に均一化され、伝熱ブロック３０全体が均温面で配管系１０を覆う構造となる。そのため、伝熱ブロック３０と配管系１０との接触条件は、配管系１０の温度分布に大きな影響を与えない。したがって、伝熱ブロック３０と配管系１０との接触条件の調整が不要であるために、装置の組み立て性を向上させ、組み立て時の工数低減およびコストの低減を達成できる。

図１〜３に示す円筒状の伝熱ブロック３０の内周面と、伝熱ブロック３０に囲繞される配管系１０の外表面との間には、隙間が形成されている。図２に示すように、伝熱ブロック３０の、第一配管１２を被覆する部分の内径は、第一配管１２の外径に対し、所定の寸法分大きく設けられている。図３に示すように、伝熱ブロック３０の、連結部１６を被覆する部分の内径は、連結部１６の外径に対し、所定の寸法分大きく設けられている。

このように隙間を形成することで、配管系１０の組み付け時に発生する誤差を許容できるので、配管系１０の組み付け性を向上させることができる。上述したように、伝熱ブロック３０と配管系１０との接触条件は配管系１０の温度分布に大きな影響を与えず、伝熱ブロック３０と配管系１０との間の隙間の有無によって配管系１０の温度分布は大きく影響されない。

図２および図３に示すように、配管系１０は、複数の分割ブロック３２，３４によって覆われて加熱される。ヒートパイプ４０は、分割ブロック３２，３４の内部に埋設されている。このような分割型の伝熱ブロック３０の構造を採用することにより、ヒートパイプ４０の配管系１０への取り付け、取り外しが容易となるために、配管系１０のメンテナンスが容易となる。

また、既設の配管系１０を分割型の伝熱ブロック３０で覆うことにより、既設の配管系１０を均等に加熱できる伝熱装置２０を、容易に追設することができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２の伝熱装置の構成を示す模式図である。図５は、図４中のＶ−Ｖ線に沿う伝熱装置の断面図である。図４および図５に示すように、実施の形態２の伝熱装置２０は、伝熱ブロック３０の、ヒートパイプ４０よりも配管系１０に近接する部分である内径側に、配管系１０の延在方向に沿って延びる複数の管状空間３１が形成されている点で、実施の形態１とは異なっている。

実施の形態１および２では、第一配管１２と第二配管１４とを連結する連結部１６は、直線継手、エルボなど、第一配管１２および第二配管１４よりも直径の大きい部分となっている。そのため、ヒートパイプ４０が、伝熱ブロック３０の両方の端部にまで至るように延びる中空部を含んで構成される場合、第一配管１２および第二配管１４を囲繞する伝熱ブロック３０の内径側には、厚肉の部分が存在する（図１および図２参照）。この厚肉の部分が存在すると、伝熱ブロック３０が重量化し、また伝熱ブロック３０の熱容量が増大する。

そこで、実施の形態２の伝熱ブロック３０では、その内径側において、伝熱ブロック３０の延在方向に延びる管状空間３１が形成される。このように、伝熱ブロック３０の内径部に穴あけ加工を施すことにより、伝熱ブロック３０を軽量化し、伝熱ブロック３０の熱容量を低減することができる。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３の伝熱装置の構成を示す模式図である。図７は、図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う伝熱装置の断面図である。図８は、図６中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う伝熱装置の断面図である。実施の形態１と同様に、実施の形態３の配管系１０は、第一配管１２と、第二配管１４と、第一配管１２の一端部１３ａと第二配管１４の一端部１５ａとを連結する連結部１６と、を含む。連結部１６の外径は、第一配管１２の外径および第二配管１４の外径よりも大きくされている。

ヒートパイプ４０は、図６に示すように、第一配管１２に沿って埋設された第一回路４４と、第二配管１４に沿って埋設された第二回路４６とを含む。第一配管１２周りに設けられる伝熱装置２０は、第一配管１２を囲繞する伝熱ブロック３０と、第一回路４４と、第一回路４４に熱を伝えるヒータ５２とを含んで構成される。第二配管１４周りに設けられる伝熱装置２０は、第二配管１４を囲繞する伝熱ブロック３０と、第二回路４６と、第二回路４６に熱を伝えるヒータ５２とを含んで構成される。

第一配管１２と第二配管１４とを連結する連結部１６には、たとえばジョイント、エルボ、ティーなどが用いられ、連結部１６は第一配管１２および第二配管１４に対し直径が大きくなる。そのため、連結部を囲繞する伝熱ブロック３０にヒートパイプ４０を設けると、伝熱ブロック３０は、ヒートパイプ４０を埋設できるだけの径を有する必要があり、伝熱ブロック３０が大型化する。

そこで、実施の形態３では、ヒートパイプ４０を第一回路４４と第二回路４６とに分割し、連結部１６は伝熱ブロック３０のみで覆う構成とされている。このようにすれば、実施の形態１と比較して、第一配管１２および第二配管１４に近接する伝熱ブロック３０の内径側の位置にヒートパイプ４０を埋設でき、伝熱ブロック３０の外径を小さくすることができる。したがって、伝熱ブロック３０を小型化できるので、伝熱ブロック３０の軽量化、熱容量の低減などの効果を、より顕著に得ることができる。

実施の形態３の構成では、連結部１６の周囲にはヒートパイプ４０が配置されない。第一回路４４および第二回路４６により加熱された伝熱ブロック３０からの熱伝導により、連結部１６を囲繞する伝熱ブロック３０が加熱されることで、連結部１６に熱が伝えられる。伝熱ブロック３０がアルミニウムや銅などの熱伝導性のよい材料で形成され、かつ、ヒートパイプ４０（すなわち第一回路４４および第二回路４６）と連結部１６との間の距離が小さければ、連結部１６への熱伝達が熱伝導のみにより行なわれるとしても、配管系１０全体の温度分布を十分に小さくでき、配管系１０全体を均熱加熱することができる。たとえば、第一配管１２の一端部１３ａと第二配管１４の一端部１５ａとの間の距離が５０ｍｍ以下程度であれば、伝熱ブロック３０の外周面を断熱材５０で十分に断熱を施すことで、第一回路４４および第二回路４６から伝熱ブロック３０を介して連結部１６へ良好に熱を伝えることができる。

（実施の形態４）
図９は、実施の形態４の伝熱装置の構成を示す模式図である。実施の形態４では、実施の形態１と同様に、ヒートパイプ４０は、第一配管１２、第二配管１４および連結部１６の外側を囲繞するように配置されている。ヒートパイプ４０は、連結部１６を乗り越える形で、径方向の寸法を変化させて形成されている。一箇所のヒータ５２が、伝熱ブロック３０の外周面に接触して設けられる。ヒータ５２は、この例では機器１１０に近接する側のヒートパイプ４０の端部を加熱する。

連結部１６の外径は、第一配管１２の外径および第二配管１４の外径よりも大きくされている。伝熱ブロック３０の外径は、伝熱ブロック３０にヒートパイプ４０を埋設可能であるように、調整されている。第一配管１２を囲繞する伝熱ブロック３０と、第二配管１４を囲繞する伝熱ブロック３０とは、連結部１６を囲繞する伝熱ブロック３０に対して、外径が小さい。伝熱ブロック３０は、その延在方向において外径を変化させている。伝熱ブロック３０は、連結部１６を囲繞する部分の外径が最大であって、第一配管１２および第二配管１４を囲繞する部分の外径は相対的に小さくなるように、形成されている。

このようにすれば、実施の形態１と比較して、第一配管１２および第二配管１４を囲繞する伝熱ブロック３０を小径に形成することができるので、伝熱ブロック３０の軽量化、および熱容量の低減を達成することができる。

また、第一配管１２から第二配管１４に至るまでの配管系１０が、一回路のヒートパイプ４０により被覆されているので、ヒートパイプ４０を加熱するヒータ５２は一箇所に設ければよい。本実施の形態のヒートパイプ４０は、湾曲または屈曲された曲がり部を有するために、実施の形態１〜３のヒートパイプと比較して熱伝達性能が低下する可能性がある。しかし、ヒートパイプ４０が、十分な熱伝達性能を発揮でき、伝熱ブロック３０の全体に均等に熱を伝えることができるように設けられていれば、伝熱ブロック３０の小型化およびヒータ５２の本数低減の点において、本実施の形態の構成は有利である。

配管系１０が一本のヒートパイプ４０で囲繞されるため、ヒータ５２がヒートパイプ４０の任意の一箇所を加熱できれば、ヒートパイプ４０の全体を均一に加熱できる。そのため、実施の形態１で説明した通り、ヒータ５２は任意に配置することができる。つまり、ヒータ５２は、伝熱ブロック３０の外表面の任意の位置に接触してもよく、伝熱ブロック３０の内部の任意の位置に埋め込まれてもよい。

（実施の形態５）
図１０は、実施の形態５の伝熱装置の構成を示す模式図である。実施の形態５の伝熱装置２０は、実施の形態３と同様にヒートパイプ４０が第一回路４４と第二回路４６とを含むものの、第一回路４４および第二回路４６の両方に熱を加えるヒータ５２が一箇所のみに配置されている点で異なる。本実施の形態では、加熱部の一例としてのヒータ５２は、連結部１６を囲繞する伝熱ブロック３０に熱的に接触する。ヒータ５２が発生した熱は、熱伝導によって伝熱ブロック３０内部を伝達され、連結部１６に近接する側の第一回路４４の端部と、連結部１６に近接する側の第二回路４６の端部とに伝えられる。この熱によって、第一回路４４および第二回路４６の作動流体が加熱される。

このようにすれば、一箇所のヒータ５２によって第一回路４４と第二回路４６との両方を加熱できるので、実施の形態３の伝熱装置２０と比較してヒータ５２の本数を低減できる。そのため、伝熱装置２０の装置費用および運転費用を低減させることができる。また、一箇所のヒータ５２から第一回路４４と第二回路４６との両方に均等に熱が伝わるように伝熱装置２０を形成すれば、配管系１０の温度制御のために複数のヒータ５２を制御する必要はなく、配管系１０の全体を一層均等な温度に容易に維持することができる。

（実施の形態６）
図１１は、実施の形態６の伝熱装置の構成を示す模式図である。実施の形態６の伝熱装置２０では、ヒートパイプ４０が第一回路４４と第二回路４６とを含み、加熱部としてのヒータ５２は、第一回路４４の連結部１６に近接する側の端部４５を加熱する第一熱源５３と、第二回路４６の連結部１６に近接する側の端部４７を加熱する第二熱源５４と、を含む。

第一配管１２と第二配管１４とを連結する連結部１６がバルブを含む場合など、連結部１６を囲繞する伝熱ブロック３０にヒータ５２を接触させる構造が好ましくない場合がある。この場合には、本実施の形態のように、第一回路４４を加熱する第一熱源５３と第二回路４６を加熱する第二熱源５４とを別々に設置して、第一熱源５３および第二熱源５４で発生した熱が伝熱ブロック３０内部を熱伝導によって伝達されることにより連結部１６を加熱してもよい。

このようにすれば、熱伝導によって連結部１６を囲繞する伝熱ブロック３０を加熱して、連結部１６に熱を伝えることができる。第一熱源５３と第二熱源５４との両方から、連結部１６を囲繞する伝熱ブロック３０に均等に熱が伝わるように伝熱装置２０を形成することにより、連結部１６を囲繞する伝熱ブロック３０にヒータ５２を接触させることを回避し、配管系１０の全体を精度よく均等に加熱することができる。

（実施の形態７）
図１２は、実施の形態７の伝熱装置の構成を示す模式図である。実施の形態１〜６と比較して、実施の形態７の連結部１６は、第一配管１２および第二配管１４に対して一層大きな外径を有する。連結部１６は、図１２に示すように、第一配管１２および第二配管１４の周囲に配置されたヒートパイプ４０（第一回路４４、第二回路４６）の外径よりも大きな外径を有するように形成されている。

伝熱ブロック３０は、複数のブロックに分割されている。つまり、伝熱ブロック３０は、第一回路４４が埋設された第一ブロック３６と、第二回路４６が埋設された第二ブロック３８と、連結部１６を囲繞する連結ブロック３９とを含む。第一ブロック３６と連結ブロック３９とは互いに接触し、かつ第二ブロック３８と連結ブロック３９とは互いに接触している。連結ブロック３９は、第一ブロック３６および第二ブロック３８と比較して、より大きな外径を有する。

加熱部としてのヒータ５２は、連結ブロック３９に熱的に接触する。ヒータ５２は、連結ブロック３９の外周面に接触して、連結ブロック３９に熱を伝える。ヒータ５２により加熱された連結ブロック３９によって、連結部１６が加熱される。また、連結ブロック３９から第一ブロック３６および第二ブロック３８へ伝熱されることで、第一回路４４および第二回路４６に熱が伝わり、第一回路４４および第二回路４６の作動流体が加熱される。

このように、大径の連結部１６を取り囲む連結ブロック３９を、第一配管１２および第二配管１４を取り囲む第一ブロック３６、第二ブロック３８と別体とすることで、伝熱ブロック３０全体を小型化することができる。また、伝熱ブロック３０を複数のブロックに分割することで、伝熱ブロック３０の取り外しが一層容易となるので、配管系１０またはヒートパイプ４０のメンテナンスが一層容易となる。

図１３は、実施の形態７の伝熱装置の構成の他の例を示す模式図である。図１３に示す伝熱装置２０において、ヒートパイプ４０は、連結ブロック３９の内部に埋設された第三回路４８を含む。このようにすれば、第三回路４８の均熱作用によって、連結ブロック３９をさらに均熱化することができるので、配管系１０の全体にさらに均等に熱を伝える伝熱装置２０を提供することができる。

（実施の形態８）
図１４は、実施の形態８の伝熱装置の構成を示す模式図である。図１５は、図１４中のＸＶ−ＸＶ線に沿う伝熱装置の断面図である。図１６は、図１４中のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う伝熱装置の断面図である。実施の形態８の伝熱装置２０は、伝熱ブロック３０の形状において、図６〜図８を参照して説明した実施の形態３の伝熱装置とは異なっている。

具体的には、図１５および図１６に示す配管系１０の延在方向と直交する断面において、複数の分割ブロック３２，３４を含む伝熱ブロック３０は、多角形状の外形を有する。本実施の形態では、伝熱ブロック３０の外形は略正方形状に形成されているが、伝熱ブロック３０は任意の多角形状の外形を有するように形成することが可能である。

伝熱ブロック３０の外形を多角形状、特に矩形状とすることで、連結部１６を含む配管系１０全体を囲繞する一体の伝熱ブロック３０の内部に形成されるヒートパイプ４０の回路の形成が容易となる。つまり、実機の配管系１０では、配管系１０が直管状に形成されているとは限らない。たとえば、連結部１６が、Ｔ字形の分岐部を有するティーである場合など、異なる方向に延在する配管を連結する場合が考えられる。

伝熱ブロック３０を多角形状に形成し、伝熱ブロック３０の外表面を平面状として、伝熱ブロック３０に形成される中空部４０を配管に対向する面が平面である形状とすることができる。実機の異なる方向に延在する配管形状に沿った伝熱ブロック３０への展開を考慮した場合、ヒートパイプ４０を形成する中空部は、配管を囲む半円筒状の形状を実機の異なる方向に延在する配管形状に沿わせるよりも、配管に対向する面が平面状に形成された中空部の方が、中空部の連続性の維持の容易性、ならびに、中空部の加工の容易性の観点より、実現性が高い。したがって、この場合、伝熱ブロック３０の断面形状を丸型とするよりも多角形状とするほうが好ましい。

また、ヒートパイプ４０を形成するための、伝熱ブロック３０の内部に形成される中空部の形状は、図１５に示すように、断面形状矩形状にすることができる。加えて、ヒータ５２は、平面状の伝熱ブロック３０の外周面に接触するように設置される。このような矩形状の中空部や、平面に面接触するヒータ５２は、実施の形態３に示すように半円環形状の中空部や円筒面に面接触するヒータと比較して、容易に製作することができる。したがって、伝熱装置２０の製作容易性を向上できるので、伝熱装置２０の製造コストを低減させることができる。

図１７は、実施の形態８の伝熱装置の構成の他の例を示す模式図である。ヒータ５２は、ヒートパイプ４０の最下部に滞留する液相の作動流体を加熱して気化できるように配置されていればよい。そこで、図１７に示すように、断面形状略正方形状の伝熱ブロック３０の下面側の外表面に接触するように、ヒータ５２を配置することができる。このようにすれば、図１５に示す伝熱装置２０と比較して、ヒータ５２の本数を低減できるので、伝熱装置２０のコストを低減することができる。

（実施の形態９）
図１８は、実施の形態９の伝熱装置の構成を示す模式図である。図１９は、図１８中のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿う伝熱装置の断面図である。図２０は、図１８中のＸＸ−ＸＸ線に沿う伝熱装置の断面図である。図１９および図２０に示すように、実施の形態８と同様に、伝熱ブロック３０は多角形状の外形を有する。図示されるように、多角形状とは、実施の形態８で説明した矩形などの凸多角形に限られず、凹多角形も含むものとする。

伝熱ブロック３０は、複数の分割ブロック３２，３４を含む。複数の分割ブロック３２，３４のうち一つのみにヒートパイプ４０が形成される。図１９に示すように、実施の形態９の伝熱ブロック３０では、二つの分割ブロック３２，３４のうち一方の分割ブロック３２に中空部が形成されてヒートパイプ４０が設けられており、他方の分割ブロック３４は中実に形成されている。ヒートパイプ４０が設けられていない分割ブロック３４は、中空部が形成されない分、小型化して形成することができる。

このようにすれば、複数の分割ブロック３２，３４のそれぞれにヒートパイプ４０が埋設される構成に対し、伝熱ブロック３０を小型化することができる。したがって、伝熱ブロック３０の軽量化、熱容量の低減、低コスト化などの効果を、さらに顕著に得ることができる。

図２１は、実施の形態９の伝熱装置の構成の他の例を示す模式図である。図２１に示すように、実施の形態１および３で説明した断面形状が円環形状の伝熱ブロック３０に含まれる複数の分割ブロック３２，３４のうち、一つのみにヒートパイプ４０が埋設されてもよく、上記と同様に、伝熱ブロック３０を小型化できる同等の作用効果が得られる。

（実施の形態１０）
図２２は、実施の形態１０の伝熱装置の構成を示す模式図である。図２３は、図２２中のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線に沿う伝熱装置の断面図である。図２４は、図２２中のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線に沿う伝熱装置の断面図である。実施の形態１０の伝熱装置２０は、ヒートパイプ４０の構成において、実施の形態１〜９と異なっている。

具体的には、実施の形態１０の伝熱ブロック３０の外周面には、溝部６０が形成されている。ヒートパイプ４０は、管部材６２を含む。管部材６２は、溝部６０内に埋設されている。管部材６２の内部が真空排気され、また管部材６２内に作動流体が滞留することで、ヒートパイプ４０が形成されている。溝部６０の内部には熱伝導性の充填材が充填され、溝部６０の表面と管部材６２とは充填材を介して熱的に接触し、管部材６２から伝熱ブロック３０への熱伝達率が高められている。管部材６２が配置された後、溝部６０には蓋部材６４が嵌挿されることで、管部材６２は溝部６０内部へ確実に保持される。

管部材６２には、熱伝導性に優れる銅管が使用される。図２３に示す例では、三箇所の溝部６０が伝熱ブロック３０に形成され、三本の管部材６２がそれぞれの溝部６０内に埋め込まれている。溝部６０を形成する数、および管部材６２の本数は任意の数としてもよい。また、それぞれの溝部６０に蓋部材６４が嵌め込まれているが、蓋部材６４の形状は任意であり、たとえば三本の管部材６２の全てを保持可能な、三箇所の溝部６０全体に亘る蓋部材６４を設けてもよい。また蓋部材６４と伝熱ブロック３０との接合方法も任意であり、たとえば溶接、ロウ付けなどにより蓋部材６４を伝熱ブロック３０に取り付けることができる。

このように、伝熱ブロック３０に形成された溝部６０に銅管製の管部材６２を用いたヒートパイプ４０を埋め込む方式とすることで、ヒートパイプ４０の加工が容易となる。つまり、伝熱ブロック３０内に中空部を形成するための溶接、ロウ付けなどの接合工程が不要となる。

また、管部材６２が銅管製であることにより、ヒートパイプ４０の作動流体として、熱特性の良好な水を使用することができる。伝熱ブロック３０がアルミニウムにより形成され、伝熱ブロック３０内部に形成された中空部を用いたヒートパイプ４０により伝熱ブロック３０に熱が伝えられる場合、ヒートパイプ４０の作動流体として水は使用できず、アルミニウムと反応しない無水アルコール、フッ素系液体などの作動流体を用いる必要がある。銅管製の管部材６２を伝熱ブロック３０に埋め込むことで、伝熱ブロック３０がアルミニウム製であっても、作動流体として熱特性の良好な水を使用することが可能となる。

（実施の形態１１）
図２５は、実施の形態１１の伝熱装置の構成を示す模式図である。図２５に示す実施の形態１１の伝熱装置２０では、伝熱ブロック３０は、配管系１０の端部に連結された機器１１０を囲繞する。機器１１０を覆う伝熱ブロックと、配管系１０に熱を伝える伝熱ブロックとは、一体の伝熱ブロック３０として形成されている。

ヒータ５２は、伝熱ブロック３０の外周面に接触して、伝熱ブロック３０に熱的に接触している。ヒータ５２は、伝熱ブロック３０の内部に埋め込まれてもよい。伝熱ブロック３０を一体化して、一体のヒータ５２により、伝熱ブロック３０を介してヒートパイプ４０を加熱するとともに、伝熱ブロック３０内部の熱伝導によって機器１１０を加熱する。したがって、一体のヒータ５２を用いて、配管系１０に加え機器１１０の温度制御も行なうことができるので、ヒータ５２を容易に制御することができる。

伝熱ブロック３０は、機器１１０を覆う伝熱ブロック３２，３４を含む構造であれば、これまでに説明したどの形状を有していても構わない。すなわち、伝熱ブロック３０内のヒートパイプ４０の構造は任意であり、ヒータ５２の本数および配置も任意である。また、伝熱ブロック３０の断面形状は、丸型でも角型でもよい。

機器１１０がバルブである場合など、機器１１０の周囲にヒータ５２が設けられないほうがよい場合がある。このような場合には、機器１１０を囲繞する伝熱ブロック３０の外周面にはヒータ５２を接触させず、第一配管１２周りのヒートパイプ４０を加熱するヒータ５２から伝熱ブロック３０内部を伝わる熱伝導によって、機器１１０に熱が伝わるようにしてもよい。また、機器１１０を被覆する伝熱ブロック３０の内部にまで到達するようにヒートパイプ４０を配置してもよく、このようにすれば、ヒートパイプ４０の均熱作用により、配管系１０と機器１１０との温度をさらに容易に制御でき、配管系１０と機器１１０との温度の均一性を向上させることができる。

なお、実施の形態１〜１１の説明においては、ヒートパイプ４０を用いた配管系１０の加熱について述べたが、ヒートパイプ４０から積極的に熱を奪ってヒートパイプ４０の作動流体を冷却させる冷却器を、ヒートパイプ４０と熱的に接触するように設けてもよい。当該冷却器は、たとえば空冷または水冷回路、ペルチェ素子など、任煮の冷却器を適用することが可能である。

ヒータ５２によるヒートパイプ４０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４０の一部を冷却することにより、ヒートパイプ４０全体の冷却を効率的に行なうことができる。このようにすれば、温度設定変更時およびメンテナンス時などの配管系１０の温度を下げたい場合に、配管系１０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。

本発明の伝熱装置は、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流体搬送装置の配管系に熱を伝える伝熱装置に、特に有利に適用され得る。

１ 流体搬送装置、１０ 配管系、１２ 第一配管、１３ａ，１５ａ 一端部、１３ｂ，１５ｂ 他端部、１４ 第二配管、１６，１８，１９ 連結部、２０ 伝熱装置、３０ 伝熱ブロック、３１ 管状空間、３２，３４ 分割ブロック、３６ 第一ブロック、３８ 第二ブロック、３９ 連結ブロック、４０ ヒートパイプ、４２ ウィック、４４ 第一回路、４５，４７ 端部、４６ 第二回路、４８ 第三回路、５０ 断熱材、５２ ヒータ、５３ 第一熱源、５４ 第二熱源、６０ 溝部、６２ 管部材、６４ 蓋部材、１１０，１２０ 機器。

Claims (13)

1. 内部を流体が流れる配管系（１０）に熱を伝える伝熱装置（２０）であって、
   前記配管系（１０）を囲繞する高熱伝導性の伝熱ブロック（３０）と、
   前記配管系（１０）の延在方向に沿って前記伝熱ブロック（３０）に形成されたヒートパイプ（４０）と、
   前記ヒートパイプ（４０）に熱を加える加熱部（５２）とを備え、
   前記伝熱ブロック（３０）は、前記配管系（１０）の延在方向に沿って分割可能な、複数の分割ブロック（３２，３４）を含む、伝熱装置（２０）。
2. 前記配管系（１０）は、第一配管（１２）と、第二配管（１４）と、前記第一配管（１２）の一端部（１３ａ）と前記第二配管（１４）の一端部（１５ａ）とを連結する連結部（１６）と、を含み、
   前記ヒートパイプ（４０）は、前記第一配管（１２）の他端部（１３ｂ）から前記第二配管（１４）の他端部（１５ｂ）にまで至るように延在する、請求の範囲第１項に記載の伝熱装置（２０）。
3. 前記連結部（１６）の外径は、前記第一配管（１２）の外径および前記第二配管（１４）の外径よりも大きく、
   前記伝熱ブロック（３０）には、前記ヒートパイプ（４０）よりも前記配管系（１０）に近接する部分に、前記配管系（１０）の延在方向に沿って延びる管状空間（３１）が形成されている、請求の範囲第２項に記載の伝熱装置（２０）。
4. 前記配管系（１０）は、第一配管（１２）と、第二配管（１４）と、前記第一配管（１２）の一端部（１３ａ）と前記第二配管（１４）の一端部（１５ａ）とを連結する連結部（１６）と、を含み、
   前記連結部（１６）の外径は、前記第一配管（１２）の外径および前記第二配管（１４）の外径よりも大きく、
   前記ヒートパイプ（４０）は、前記第一配管（１２）に沿って埋設された第一回路（４４）と、前記第二配管（１４）に沿って埋設された第二回路（４６）とを含む、請求の範囲第１項に記載の伝熱装置（２０）。
5. 前記加熱部（５２）は、前記連結部（１６）を囲繞する前記伝熱ブロック（３０）に熱的に接触する、請求の範囲第４項に記載の伝熱装置（２０）。
6. 前記加熱部（５２）は、前記第一回路（４４）の前記連結部（１６）に近接する側の端部（４５）を加熱する第一熱源（５３）と、前記第二回路（４６）の前記連結部（１６）に近接する側の端部（４７）を加熱する第二熱源（５４）と、を含む、請求の範囲第４項に記載の伝熱装置（２０）。
7. 前記伝熱ブロック（３０）は、前記第一回路（４４）が埋設された第一ブロック（３６）と、前記第二回路（４６）が埋設された第二ブロック（３８）と、前記連結部（１６）を囲繞する連結ブロック（３９）とを含み、
   前記加熱部（５２）は、前記連結ブロック（３９）に熱的に接触する、請求の範囲第４項に記載の伝熱装置（２０）。
8. 前記ヒートパイプ（４０）は、前記連結ブロック（３９）に埋設された第三回路（４８）を含む、請求の範囲第７項に記載の伝熱装置（２０）。
9. 前記分割ブロック（３２，３４）のうち一つのみに前記ヒートパイプ（４０）が形成される、請求の範囲第１項から第８項のいずれかに記載の伝熱装置（２０）。
10. 前記伝熱ブロック（３０）は、前記配管系（１０）の延在方向と直交する断面において、多角形状の外形を有する、請求の範囲第１項から第９項のいずれかに記載の伝熱装置（２０）。
11. 前記ヒートパイプ（４０）は、前記伝熱ブロック（３０）内に形成され真空排気された中空部と、前記中空部に滞留する作動流体とを含む、請求の範囲第１項から第９項のいずれかに記載の伝熱装置（２０）。
12. 前記伝熱ブロック（３０）の外周面に溝部（６０）が形成されており、
    前記ヒートパイプ（４０）は、溝部（６０）内に埋設され真空排気された管部材（６２）と、前記管部材内に滞留する作動流体と、を含む、請求の範囲第１項から第９項のいずれかに記載の伝熱装置（２０）。
13. 前記配管系（１０）の端部に連結された機器（１１０）をさらに備え、
    前記伝熱ブロック（３０）は、前記機器（１１０）を囲繞する、請求の範囲第１項から第９項のいずれかに記載の伝熱装置（２０）。

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