JP6512626B2 - 温度調節装置用カバーおよび温度調節装置 - Google Patents

Description

本発明は、調熱ステージを備えた温度調節装置に用いるカバー、及び当該カバーを備える温度調節装置に関する。

温度に応じて特性が変化する対象物の温度を自在に調整するべく、調熱ステージの温度を変化させることにより、当該調熱ステージ上に載置された対象物の温度を調節する温度調節装置が提案されている。例えば特許文献１に記載の温度調節装置では、調熱ステージの温度をペルチェ素子によって調節することにより、ステージ上の対象物の温度を所望の温度に変化させる。その他、調熱ステージの内部に、チラーやヒータで所望の温度に冷却又は加熱した熱媒体（例えば液体、気体等）を循環させて調熱ステージ表面の温度を変化させる温度調節装置も提案されている。

国際公開第２０１３／１５７４１７号

このような、調熱ステージを備える温度調節装置では、ステージが露出しているため、対象物が周囲の雰囲気との間で熱を授受することにより所望の温度まで温度が変化するのに時間が掛かることがある。また、周辺の雰囲気の対流により対象物の温度にムラが生じることがある。

そこで、本発明は上記の課題を解決することのできる温度調節装置を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係るカバーは、調熱ステージの温度を変化させることにより調熱ステージ上に載置された対象物の温度を調節する温度調節装置における、調熱ステージの上部の空間を囲うカバーであって、高熱伝導率材料により形成され、空間を規定する凹部を備え、凹部の周縁に設けられる縁部により調熱ステージと接触する内殻と、断熱材により形成され、内殻を覆う外殻とを備えることを特徴とする。

また、本発明の実施形態に係る温度調節装置は、上述のカバーと、温度調節の対象物が載置され、自らの温度が変化することにより対象物の温度を変化させる調熱ステージとを備えることを特徴とする。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。

本発明の実施形態に係る温度調節装置１の構成を示す。 調熱ステージユニット１０の構成を示す。 カバー３０の構成を示す。 調温ステージユニット１０に対象物Ｄとカバー３０を設置した状態における断面の模式図である。 温度調節装置に関する概略説明図である。 温度調節装置に関する概略説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る温度調節装置１の構成を示す。温度調節装置１は、調熱ステージユニット１０、温度制御ユニット２０、カバー３０、及び接続部材４０を備える。なお、図１において、カバー３０は使用のために設置された状態とされている。

図２は、調熱ステージユニット１０の構成を示す。調熱ステージユニット１０は、筐体１１０、ステージ１２０、及び入出力部１３０を備える。筐体１１０は、樹脂、金属等で形成されたケースであり、ステージ１２０及びステージ１２０の温度を変化させるための構成・構造（例えばペルチェ素子、熱媒体が循環する配管等）を保持する。筐体１１０は、上面にステージ１２０を露出するための開口を備える。また、筐体１１０は、側面に入出力部１３０を備える。

ステージ１２０は、温度調節の対象物が配置される台であり、対象物との間で熱を授受することにより対象物の温度を変化させる。ステージ１２０は、その上面が外部に露出するように筐体１１０に保持される。ステージ１２０は、断熱材で形成されたスペーサ、シーリング、ねじ等により筐体１１０に取り付けられる。断熱材や空気の層を介することでステージ１２０と筐体１１０とが直接接触しない。このためステージ１２０と筐体１１０との間の熱交換が抑制され、対象物との熱の授受を効率よく行うことができる。ステージ１２０は、アルミ、銅等の熱伝導率の高い材料により形成される。ステージ１２０の表面中央部には、後述するカバー３０の内殻３１０に設けられる凹部３１２の開口の形状に対応した凸部１２２が設けられる。図２に示した例では、凸部１２２の表面は平坦に形成されているが、対象物の底部形状に合わせた形状とすることで、対象物との密着性を高め、対象物との熱交換を生じやすくしてもよい。凸部１２２の周りには周縁部１２４が設けられる。周縁部１２４は、後述するカバー３０の内殻３１０に設けられる縁部３１４と熱的に結合する。ステージ１２０にはステージ１２０の温度をモニタするための温度計が取り付けられる。ステージ１２０の温度に加え、対象物の温度を直接モニタする温度計も備えるように構成してもよい。

入出力部１３０は、ステージ１２０の温度を変化させるために必要な制御信号、熱媒体等を入出力するための構成である。また、入出力部１３０にはステージ１２０に設置した温度計から出力されるモニタ信号を出力する端子も含まれる。筐体１１０の内部に設けたペルチェ素子でステージ１２０の温度を変化させる構成の場合には、入出力部１３０はペルチェ素子を駆動する電流の入出力端子が含まれる。また、ステージ１２０に設けられた流路に、外部（例えば温度制御ユニット２０）で加熱／冷却された熱媒体を流すことによりステージ１２０の温度を変化させる構成の場合には、入出力部１３０には熱媒体を導入／排出するための配管が接続されるコネクタが含まれる。入出力部１３０には、各種信号や制御電流を伝達する配線、熱媒体を流通させる配管等で構成される接続部材４０の一端が接続される。接続部材４０の他端は温度制御ユニット２０に接続される。

図１に戻って、温度制御ユニット２０は、ステージ１２０の温度を制御するための制御ユニットである。温度制御ユニット２０は、ステージ１２０や対象物に設置された温度計が出力するモニタ信号に応じて、ステージ１２０の温度を制御する。例えば、筐体１１０の内部に設けたペルチェ素子でステージ１２０の温度を変化させる構成の場合には、モニタ信号に応じて、ステージ１２０または対象物の温度を設定温度と一致させるべくペルチェ素子の駆動電流を変化させる。また、ステージ１２０に設けられた流路に、熱媒体を流すことによりステージ１２０の温度を変化させる構成の場合には、モニタ信号に応じて、ステージ１２０または対象物の温度を設定温度と一致させるべく熱媒体を加熱／冷却したり、熱媒体の流量を変化させたりする。他の方式であっても、温度制御ユニット２０は、各方式に応じた適切な手段により、調熱ステージユニット１０のステージ１２０の温度を所望の温度とすべく制御を行う。

図３は、カバー３０の構成を示す。カバー３０は、内殻３１０と、外殻３２０とを備える。

内殻３１０は、ステージ１２０の上部の空間を覆うためのカバーであり、アルミ、銅等の熱伝導率の高い材料により形成される。熱伝導率の高い金属等の材料で囲うことにより、空間を均等に冷却することができる。内殻３１０には、ステージ１２０の上面に設けられた凸部１２２の形状に対応した開口を有する凹部３１２が設けられる。凹部３１２の周辺には縁部３１４が設けられる。縁部３１４は、ステージ１２０の周縁部１２４と直接または間接的に接触して熱的に結合する。縁部３１４と周縁部１２４とを直接接触させる場合には、境界面での熱抵抗を極小化すべく、両者を鏡面研磨するとよい。間接的に接触させる場合には、熱的結合効率を高めるべく、縁部３１４と周縁部１２４との間に耐熱カーボンのシートを挟むとよい。冷却／加熱時間を短縮するため内殻３１０の体積（熱容量）は極力小さくすることが好ましい。

外殻３２０は、内殻３１０の側面及び底面を覆うカバーであり、ウレタンフォーム、フェノールフォーム、ポリスチレンフォーム等の断熱材により形成される。外殻３２０には、内殻３１０の外形に対応した形状の凹部が設けられる。当該凹部の中に内殻３１０が挿入され、外殻３２０の内面と内殻３１０の外面とは断熱性の接着剤等で接着される。外殻３２０の凹部の周辺には縁部３２４が設けられる。外殻３２０と内殻３１０とが接着された状態において、内殻３１０の縁部３１４が外殻３２０の縁部３２４よりもやや突出するように形成されるとよい。このようにすることで、内殻３１０の縁部３１４がステージ１２０の周縁部１２４と確実に接触するようにすることができる。外殻３２０の外側面には、カバー３０の操作性を高めるべく、把持部３２８が設けられる。

内殻３１０の縁部３１４及び外殻３２０の縁部３２４には、対応する位置にそれぞれ溝部（３１６、３２６）が設けられる。この溝部（３１６、３２６）は、ステージ１２０上に配置する対象物に対し電気的信号を入出力するための配線、対象物に付設した温度計のモニタ信号を伝達する配線等をカバーの外部に引き出すときに配線を通すために設けられる。溝の一部または全部の領域に例えばブラシやカーテンのような構造を設けて、配線が通らない部分を通じた内外の雰囲気の連通を妨げるようにすることが好ましい。

続いて、図４を参照して、以上のように構成される温度調節装置１の使用方法について説明する。

はじめに、ステージ１２０の凸部１２２の上に温度調節をする対象物Ｄを配置する。対象物Ｄには必要に応じて電気的信号を入出力するための配線Ｗを接続する。続いて、ステージ１２０の上にカバー３０を設置する。このとき、ステージ１２０の凸部１２２上面とカバー３０の凹部３１２とが嵌め合わされることで、正確な位置合わせができるとともにステージ１２０と内殻３１０とが確実に熱的に結合される。対象物Ｄに接続された配線Ｗは溝部（３１６、３２６）から引き出される。以上の手順により、対象物Ｄはステージ１２０とカバー３０の内殻３１０とによって囲まれた空間内に配置される。続いて、温度制御ユニット２０によってステージ１２０の温度を設定温度になるように制御する。ステージ１２０と内殻３１０とは熱的に結合され、内殻３１０が高い熱伝導率を有しているため、対象物Ｄの周囲を囲む面はすべて設定温度となる。対象物Ｄは、直接接触しているステージ１２０からの熱伝導や内殻３１０の内壁面からの輻射等によって、設定温度に温度調節される。対象物Ｄの周囲を囲む面がすべて設定温度となるので、対流が生じず均一に温度を制御することができる。なお、図５及び図６は本発明に係る温度調節装置に関する概略説明図である。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

例えば、断熱効率を高めるべく、外殻３２０の内部、あるいは外殻３２０と内殻３１０との間に空気の層を設け、外気からの直接熱伝導を防止するようにするとよい。このような、空気の層を設けることで耐熱能力が飛び抜けて高くない断熱材でも採用することが可能となる。

また、対象物に熱を伝達させやすくするべく、内殻３１０の内部であえて風を起こして熱伝達させる、内殻３１０の凹部３１２内面を輻射が生じやすい構造（例えば塗装）にする等としてもよい。

また、カバー３０を内殻３１０の上部及び下部が開口となった筒状の構造とし、底と天井をそれぞれ調熱ステージユニット１０によって構成するようにしてもよい。このような構成にすれば、ステージ１２０と内殻３１０とで囲まれる空間を、底と天井の２つのステージ１２０によって温度調整することができるので、正確且つ迅速な温度調整が可能となる。

１ 温度調節装置
１０ 調熱ステージユニット
２０ 温度制御ユニット
３０ カバー
４０ 接続部材
１１０ 筐体
１２０ ステージ
１２２ 凸部
１２４ 周縁部
１３０ 入出力部
３１０ 内殻
３１２ 凹部
３１４ 縁部
３１６ 溝部
３２０ 外殻
３２４ 縁部
３２６ 溝部
３２８ 把持部

Claims (3)

1. 調熱ステージの温度を変化させることにより前記調熱ステージ上に載置された対象物の温度を調節する温度調節装置における、前記調熱ステージの上部の空間を囲うカバーであって、
   高熱伝導率材料により形成され、前記空間を規定する凹部を備え、前記凹部の周縁に設けられる縁部により前記調熱ステージと接触する内殻と、
   断熱材により形成され、前記内殻を覆う外殻と
   を備えることを特徴とするカバー。
2. 前記内殻の縁部は前記外殻の縁部よりも突出していることを特徴とする請求項１に記載のカバー。
3. 請求項１または２に記載のカバーと、
   温度調節の対象物が載置され、自らの温度が変化することにより対象物の温度を変化させる調熱ステージと
   を備えることを特徴とする温度調節装置。

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