JP7314462B2

JP7314462B2 - 温調装置

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Inventors: 諒菊地; 達也天野; 春彦徳井
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Description

本発明は、温度調節された循環液を負荷に供給することによって、該負荷の温度を所望の温度に制御する温調装置であって、特に、負荷の温度を高温に制御するのに適したものに関する。

温度調節された循環液を負荷に供給することによって、該負荷の温度を所望の温度に制御する温調装置は、例えば特許文献１や特許文献２に開示されているように、既に広く知られている。そして、これら特許文献に開示された温調装置においては、循環液を負荷との間で循環させる循環液回路と、この循環液を冷却する冷却回路とが並列的に設けられており、これら循環液回路と冷却回路とが、タンクやバルブを通じて互いに接続されている。

ところで、半導体製造装置においては、例えば特許文献２に示すように、大気圧下における水の沸点（１００℃）を大きく超える温度に負荷を制御することが必要とされる場合がある。そして、このような温調装置においては、循環液を温度調節するにあたって、循環液の温度変化幅が非常に大きくなったり、循環液と冷却液との温度差が非常に大きくなったり等するため、循環液を高温で使用することを考慮した設計が為されるべきである。

しかしながら、従来の装置においては、このように循環液を高温で使用することに対して必ずしも十分な対策が施されているとはいえず、そのため、負荷を高温に制御するにあたり、循環液の高温での使用に特に適した設計の温調装置の開発が強く望まれている。

特開２００４－２５１４８６号公報特開２０１５－１４８３９９号公報

本発明の技術的課題は、負荷を高温に制御するにあたり、循環液の高温での使用に特に適した設計の温調装置を提供することにある。

前記技術的課題を解決するため、本発明に係る温調装置は、沸点が１００℃よりも高い循環液を１００℃よりも高い温度に調節して外部の負荷に供給し、該負荷を所定の高温に制御するための温調装置であって、前記温調装置は、循環液を蓄えていて該循環液を加熱するヒータを備えたタンク部；該タンク部と循環液を前記負荷に対して送り出す循環液吐出口との間を結ぶ吐出流路；循環液を前記タンク部から該吐出流路へと送り出す循環ポンプ；前記負荷から戻された循環液を受け入れる循環液戻り口と前記タンク部との間を結ぶ戻り流路；前記循環液が流れる第１熱交換流路と、該第１熱交換流路の循環液を冷却する冷却液が流れる第２熱交換流路とを有する熱交換器；前記タンク部から循環液を該熱交換器の第１熱交換流路へと供給する冷却用循環往路；該熱交換器で冷却された循環液を前記第１熱交換流路から再びタンク部へと戻す冷却用循環復路；循環液を前記タンク部から前記冷却用循環往路へと送り出す冷却ポンプ；冷却液を前記熱交換器の第２熱交換流路へと導入する冷却液供給路；熱交換後の冷却液を該第２熱交換流路から導出する冷却液排出路；を有しており、前記熱交換器において、第１熱交換流路は、軸に沿って螺旋状に延びる螺旋状流路部と、該螺旋状流路部の一端に連接されて循環液流入口を備えた流入側流路部と、該螺旋状流路部の他端に連接されて循環液流出口を備えた流出側流路部とによって形成されていて、前記第２熱交換流路は、中空のシェル内に形成された流路空間から成っており、前記第１熱交換流路の螺旋状流路部が前記シェル内の第２熱交換流路に収容されると共に、前記流入側流路部及び流出側流路部が前記シェル外に導出されていて、前記循環液流入口に前記冷却用循環往路が接続され、前記循環液流出口に前記冷却用循環復路が接続されており、前記冷却液供給路が、シェルに開設された冷却液流入口を通じて前記第２熱交換流路に連通され、前記冷却液排出路が同じくシェルに開設された冷却液流出口を通じて前記第２熱交換流路に連通され、金属管によって形成された前記第１熱交換流路の流入側流路部及び流出側流路部には、それぞれ金属製の筒状部材が外嵌合されており、
金属製の前記シェルには、前記流入側流路部及び流出側流路部をシェル外に導出すると共に、これら流路部に外嵌合された前記筒状部材をシェルに取り付ける一対の取付用開口部が開設されており、それら取付用開口部において、前記各筒状部材の外周が前記シェルに対して溶接により固定されていることを特徴としている。

このとき、好ましくは、前記筒状部材が、前記取付用開口部に対して、前記シェルの外側から挿入した状態で取り付けられている。より好ましくは、前記流入側流路部及び流出側流路部に外嵌合された筒状部材が、金属製の筒状ボディと、該筒状ボディの内周に配設されてこれら流路部の外周をシールする金属製の環状シール部材とを有しており、前記筒状ボディの外周が前記シェルに対して環状に溶接されている。

また、さらに好ましくは、前記筒状ボディが、シェルに対して前記溶接により固定された固定用筒状部と、内周に前記環状シール部材が配設されたシール用筒状部とから形成されていて、該シール用筒状部が前記固定用筒状部に対して螺合により締結されており、前記環状シール部材は、前記固定用筒状部側の先端縁が鋭角に形成されていて、該シール用筒状部を前記固定用筒状部に対して螺合した際に、環状シール部材の前記先端縁が、該シール用筒状部による押圧により、前記流入側流路部及び流出側流路部の各外周に圧接されて食い込んだ状態となるように構成されている。
また、本発明に係る温調装置において、好ましくは、前記シェルにおいて、前記冷却液排出路が接続された冷却液流出口が、軸方向における前記流入側流路部が配された一端部に開設され、前記冷却液供給路が接続された冷却液流入口が、軸方向における前記流出側流路部が配された他端部に開設されている。

さらに、本発明に係る温調装置において、好ましくは、前記温調装置は、前記吐出流路に設けられて負荷に対して送り出される循環液の温度を測定する吐出側温度センサと、負荷に対して送り出す循環液の温度を設定する温度設定部を備え、前記吐出側温度センサの測定結果及び前記温度設定部で設定された温度に基づいて、前記循環ポンプ及び冷却ポンプの回転数を制御する制御部とを有しており、前記循環ポンプが、前記タンク部内において循環液に浸漬されており、前記制御部は、前記温度設定部で設定された循環液の温度が、所定の閾値温度よりも低い時には、前記循環ポンプの回転数を低回転数に維持し、前記所定の閾値温度よりも高い時には、前記循環ポンプの回転数を高回転数に維持するように構成されている。

より好ましくは、前記制御部は、前記温度設定部により設定温度を上げた時には、前記冷却ポンプの回転数を一旦低下させた後に徐々に上昇させ、設定温度を下げた時には、前記冷却ポンプの回転数を一旦上昇させた後に徐々に降下させ、前記吐出側温度センサにより測定された循環液の温度が、前記設定温度と一致した状態においては、その時の回転数を維持するように構成されている。
また、さらに好ましくは、前記設定温度を上げる場合には、その設定温度が高いほど、前記冷却ポンプの回転数を一旦低下させた後に徐々に上昇させる時の該回転数変化の傾きをより小さくし、前記設定温度を下げる場合には、その設定温度が低いほど、前記冷却ポンプの回転数を一旦上昇させた後に徐々に降下させる時の該回転数変化の傾きをより小さくするように構成されている。
なお、前記冷却液の流路には、そこを流れる冷却液の圧力を調整する圧力調整部が接続されていても良い。

本発明においては、循環液を冷却するための熱交換器として、中空のシェル内の流路空間により形成されて冷却水が流れる第２熱交換流路内に、循環液が流れる第１熱交換流路の螺旋状流路部を収容したものを使用している。また、その好ましい形態では、前記第１熱交換流路における螺旋状流路部の両端に連接された流入側流路部及び流出側流路部にそれぞれ筒状部材を外嵌合し、該筒状部材を熱交換器のシェルに対して溶接により固定した。そのため、熱交換器の構造を簡易化して溶接部分を最小限に留めることができ、循環液と冷却液との温度差によって溶接部分にクラック等の不具合が生じるのを、可及的に抑制することができる。その結果、高温の循環液の使用に対する温調装置の耐久性を向上させることができる。
また、本発明の好ましい他の形態では、循環ポンプがタンク部内において循環液に浸漬されていて、循環液の設定温度が所定の閾値温度よりも高い時に、前記循環ポンプの回転数を高回転数に維持するため、循環液の温度を、循環ポンプの発熱をも利用して効率良く設定温度に上昇させ保持することができる。

そして、本発明のより好ましい他の形態においては、循環液の設定温度を前記閾値温度よりも高い温度から低い温度に設定した時に、循環ポンプの回転数が低回転数に降下して維持されると同時に、冷却ポンプの回転数が上昇するため、循環ポンプからの発熱が抑制されると同時に、熱交換器による循環液の冷却が促進され、それにより、循環液の温度を効率良く設定温度に下降させることができる。
さらに、本発明の好ましいその他の形態においては、冷却液の流路に圧力調整部を接続したため、冷却液が、高温の循環液との間で熱交換を行った結果、たとえ沸騰等により膨張したとしても、この圧力調整部で冷却液の圧力を調整することにより、流路に破損等の不具合が生じるのを防止することができる。
このように、本発明及び本発明の各好ましい形態によれば、負荷を高温に制御するにあたり、高温の循環液の使用に特に適した設計の温調装置を提供することができる。

本発明に係る温調装置の概略的な回路図である。本発明に係る温調装置に使用した熱交換器の概略的な断面構造を示している。図２の一点鎖線で囲んだ要部を拡大した部分断面図である。循環液の設定温度及び測定温度と、これら温度によって制御される循環ポンプ及び冷却ポンプの動作状態との相関関係を示すグラフである。

図１～４は、本発明に係る温調装置の一実施形態を示すものである。この温調装置１は、沸点が１００℃よりも高い循環液を１００℃よりも高い温度に調節して、図示しない外部の負荷に供給することにより、該負荷を例えば１００℃よりも高い所定の高温に制御するのに特に適したものである。

前記温調装置１は、該装置１の外側を覆う筐体１０と、循環液を収容して蓄えるタンク部２と、循環液をタンク部２から外部の負荷（図示略）に対して送り出し、該負荷から受け入れた循環液を再びタンク部２に戻す循環液吐出回路３と、タンク部２から送り出した循環液を熱交換器４で冷却して再びタンク部２に戻す循環液冷却回路５と、前記熱交換器４に対して冷却液を導入し、循環液と熱交換した後の冷却液を該熱交換器４から導出する冷却液供給回路６と、前記循環液吐出回路３及び循環液冷却回路５を流れる循環液の温度や流量等を制御する制御部７とを有している。

そして、これらタンク部２、循環液吐出回路３、熱交換器４、循環液冷却回路５、冷却液供給回路６及び制御部７が１つの前記筐体１０内に収容されている。そして、後に詳述するが、該筐体１０の外周の側面には、前記循環液吐出回路３の循環液吐出口１１及び循環液戻り口１２と、前記冷却液供給回路６の冷却液供給口１３及び冷却液排出口１４とが開設されている。それにより、ユーザー側における温度制御の対象装置（負荷）や冷却液のチラー装置等の配管を、これら開口（ポート）１１，１２，１３，１４に対して接続することができるようなっている。

また、前記筐体１０の底部には、漏れた循環液や冷却液を受けるためのドレンパン１５が配設されている。このドレンパン１５には、前記制御部７に電気的に接続されたフロートタイプの漏水センサ１６と、常時外部に開放されてドレンパン１５に溜まった液を外部に排出するドレンポート１７が設けられている。それより、例えば、装置１内で循環液や冷却液が大量に漏れて漏水センサ１６がそれを検知した時に、制御部７によって報知したり装置１の電源をＯＦＦにしたりすることができるようになっている。

前記循環液としては、例えば、大気圧下における沸点が２００℃前後かそれよりも高いフッ素化液等が好適に用いられる。また、前記冷却液としては、例えば、大気圧下における沸点が１００℃の工業用水等が好適に用いられる。本実施形態においては、タンク部２内の１６０℃の循環液が循環液吐出回路３を通じて外部の負荷に対して送り出され、該負荷を温度制御（冷却）した後の１７０℃の循環液が該循環液吐出回路３を通じて再びタンク部２に戻されるようになっている。また、タンク部２内の１６０℃の循環液が循環液冷却回路５に送り出され、熱交換器４で１００℃に冷却された後に再びタンク部２に戻されるようになっている。さらに、冷却液に関しては、冷却液供給回路６を通じて、２５℃の冷却液が前記熱交換器４に供給され、前記循環液との熱交換により３０℃に加熱されて該熱交換器４から排出されるようになっている。

このように、この温調装置１においては、循環液吐出回路３と循環液冷却回路５とが、１つのタンク部２に対して並列的に接続されている。すなわち、温度制御対象としての負荷に対して該循環液を送り出し、その負荷との熱交換により加熱された循環液を受け入れて再びタンク部２に戻す循環液吐出回路３と、この循環液吐出回路３から負荷に対して送り出される循環液の温度を設定温度に調節するために、タンク部２内の循環液を前記熱交換器４へと導き、該熱交換器４において前記冷却液供給回路６の冷却液との熱交換により冷却された循環液を再びタンク部２内へと戻す循環液冷却回路５とが、タンク部２を中心として互いに独立して形成されている。

より具体的に説明すると、前記タンク部２は、底面と側面と上面とによって区画されて内部に所定深さの循環液が貯められたメインタンク２０と、同じく底面と側面と上面とによって区画されて前記メインタンク２０よりも大きな容積を有し、該内部にメインタンク２０全体が収容されると共に予備の循環液が貯められたサブタンク２５とを有している。

前記メインタンク２０の内部には、所定深さまで貯められた循環液の水面よりも低い高さの第１仕切り壁２１ａが、タンク２０の底面から立設され、また、タンク２０における底面からの側面の高さよりも低い高さの第２仕切り壁２１ｂが、タンク２０の上面から垂下されている。それにより、メインタンク２０の内部は、その一方の側面と第１仕切り壁２１ａとで仕切られた第１室２０ａ、第１仕切り壁２１ａと第２仕切り壁２１ｂとで仕切られた第２室２０ｂ、及び、第２仕切り壁２１ｂと他方の側壁とで仕切られた第３室２０ｃの３つの室に区画されている。

このとき、前記メインタンク２０内において、前記第１室２０ａと第２室２０ｂは、前記第１仕切り壁２１ａの上端と該タンク２０の上面との間に形成された空隙によって互いに連通され、前記第２室２０ｂと第３室２０ｃとは、前記第２仕切り壁２１ｂの下端と該タンク２０の底面との間に形成された空隙によって互いに連通されている。なお、メインタンク２０の側面の上端部の一部はサブタンク２５に対して開口していて、メインタンク２０の最大容量を超過した循環液をサブタンク２５内に排出することができるようになっている。また、前記第１仕切り壁２１ａの下端部には、図示しない連通口が開設されていて、それにより、後述するように、メインタンク２０の底面に接続された冷却用循環復路５１を通じてドレンコック５３ａから、メインタンク２０内の循環液を外部に排出することができるようになっている。

前記メインタンク２０の第１室２０ａにおいて、前記第１仕切り壁２１ａの上端近傍からタンク２０の底面近傍までの範囲には、前記制御部７によって制御されて循環液を加熱するヒータ２２ａが設けられている。また、同室２０ａにおいて、前記第１仕切り壁２１ａの上端部からタンク２０に最大容量の循環液を収容したときの該循環液の液面（すなわち、循環液の最高液面）までの範囲には、制御部７に電気的に接続されたサーモスタット２２ｂが設けられている。それにより、例えば、循環液の温度が所定の温度を超えた時に、ヒータ２２ａをＯＦＦにすること等ができるようになっている。さらに、同室２０ａにおいて、前記循環液の最高液面とタンク２０の上面との間には、同じく制御部７に電気的に接続された温度ヒューズ２２ｃが設けられている。それにより、例えば、タンク２０内の空気の温度（気温）が所定の温度より高くなった時に、循環液が過熱状態になっていると判断して温調装置１の電源をＯＦＦにすること等ができるようになっている。

前記メインタンク２０の第２室２０ｂには、その底部の循環液を前記循環液冷却回路５に対して送り出す浸漬型の冷却ポンプ２３ａが設けられている。さらに、同タンク２０の第３室２０ｃには、その底部の循環液を前記循環液吐出回路３に対して送り出す浸漬型の循環ポンプ２４ａが設けられている。そして、これらポンプも制御部７によって制御されるようになっている。なお、本実施形態においては、これら冷却ポンプ２３ａ及び循環ポンプ２４ａとして、インバータ制御方式のポンプを用いている。また、該第３室の深さ方向中央よりも上部には、上下２つのレベルスイッチ２４ｂ，２４ｃが設けられていて、これらスイッチも制御部７に電気的に接続されている。そして、これらスイッチ２４ｂ，２４ｃでメインタンク２０内の循環液の液位（液面）を検出することにより、後述の内部ポンプ２６等の稼働状態を制御するようになっている。

サブタンク２５の内部には、その底部の循環液を前記メインタンク２０内に汲み上げる浸漬型の前記内部ポンプ２６と、該タンク２５の深さ方向中央よりも上部に１つ、下部に上下２つの計３つのレベルスイッチ２７ａ，２７ｂ，２７ｃとが設けられている。そして、これらスイッチも制御部７に電気的に接続されている。また、該サブタンク２５の外周には、該タンク２５内の循環液量を筐体１０の外部から目視にて確認可能とするレベルゲージ２８と、該サブタンク２５に循環液を筐体１０の外部から補充するための循環液注入口２５ａとが設けられている。さらに、該サブタンク２５にはドレン管２９が接続されていて、その先端部が筐体１０の外部に導出されている。このドレン管２９の先端部にはドレンコック２９ａが設けられており、該ドレンコック２９ａを開操作することで該サブタンク２５内の循環液を外部に排出することができるようになっている。そして、前記３つのレベルスイッチ２７ａ，２７ｂ，２７ｃでサブタンク２５内の循環液の液位（液面）を検出することにより、前記ドレンコック２９ａを開いて液位を低くするよう促したり、前記循環液注入口２５ａから循環液をサブタンク２５に補充するよう促したり等するようになっている。

前記循環液吐出回路３は、前記タンク部２におけるメインタンク２０の第３室２０ｃと、筐体１０の外部に開設されて循環液を負荷に対して送り出す循環液吐出口１１との間を結ぶ吐出流路３０、及び、筐体１０の外部に開設されて前記負荷から戻された循環液を受け入れる循環液戻り口１２と、前記タンク部２のメインタンク２０との間を結ぶ戻り流路３１を有している。そして、前記メインタンク２０の第３室２０ｃに設けられた前記循環ポンプ２４ａによって、メインタンク２０内の循環液が前記吐出流路３０及び循環液吐出口１１を通じて負荷へと送り出され、負荷の温度を制御した循環液が前記循環液戻り口１２及び戻り流路３１を通じて再びメインタンク２０に戻されるようになっている。

このとき、図１に示すように、前記戻り流路３１が、メインタンク２０内で最も上流側に位置してヒータ２２ａが配設された第１室２０ａに接続されていると好ましい。そうすることにより、戻り流路３１からメインタンク２０に戻された循環液の温度がたとえ変化したとしても、該第１室２０ａに戻された循環液が、ヒータ２２ａや循環液冷却回路５で温度調節された上で前記吐出流路３０へと送り出されるため、より正確な温度に調整された循環液を負荷へと供給することができる。

前記吐出流路３０には、第１圧力センサ３２及び第１温度センサ（吐出側温度センサ）３３が設けられ、前記戻り流路３１には、第２圧力センサ３４及び第２温度センサ３５が設けられている。また、これら吐出流路３０と戻り流路３１との間はバイパス流路３７によって常時接続されている。それにより、温調装置１に接続した負荷側において循環液の流れが止められたとしても、このバイパス流路３７を通じて循環液をメインタンク２０に戻して、その循環状態を維持することができる。さらに、前記圧力センサ３２，３４及び温度センサ３３，３５は、何れも制御部７に電気的に接続されている。それにより、例えば、これらセンサからの測定値に基づいて、前記ヒータや冷却ポンプや循環ポンプを適切に制御することができる。

前記循環液冷却回路５は、前記タンク部２におけるメインタンク２０の第２室２０ｂと、前記熱交換器４の循環液流入口４２ａ（図２）との間を結ぶ冷却用循環往路５０、及び、該熱交換器４の循環液流出口４３ａ（図２）と、タンク部２のメインタンク２０との間を結ぶ冷却用循環復路５１を有している。そして、前記メインタンク２０の第２室２０ｂに設けられた前記冷却ポンプ２３ａによって、メインタンク２０内の循環液が前記冷却用循環往路５０を通じて熱交換器４へと流入し、該熱交換器４で冷却されて該熱交換器４から流出した循環液が、前記冷却用循環復路５１を通じて再びメインタンク２０に戻されるようになっている。

このとき、図１に示すように、前記冷却用循環復路５１も、前記戻り流路３１と同様に、メインタンク２０内で最も上流側に位置してヒータ２２ａが配設された第１室２０ａに接続されていると好ましい。そうすることにより、冷却用循環復路５１からメインタンク２０に戻された循環液が、前記戻り流路３１から戻された循環液と共に温度調節された上で、最も下流側に位置する第１室から前記吐出流路３０へと送り出されるため、より正確な温度に調整された循環液を負荷へと供給することができる。

前記冷却用循環往路５０には、循環液冷却回路５用のドレン管５２が接続されていて、その先端部が筐体１０の外部に導出されている。このドレン管５２の先端部にはドレンコック５２ａが設けられており、該ドレンコック５２ａを開操作することで該循環液冷却回路５内の循環液を外部に排出することができるようになっている。一方、冷却用循環復路５１には、メインタンク２０用のドレン管５３が接続されていて、その先端部が筐体１０の外部に導出されている。このドレン管５３先端部にもドレンコック５３ａが設けられており、該ドレンコック５３ａを開操作することで該メインタンク２０内の循環液を外部に排出することができるようになっている。また、該冷却用循環復路５１には第３温度センサ５４が設けられており、この温度センサ５４も前記制御部７に電気的に接続されている。それにより、例えば、第３温度センサ５４による循環液の温度に応じて、制御部７で冷却ポンプ２３ａの回転数を制御することができるようになっている。

前記冷却液供給回路６は、筐体１０の外部に開設されて冷却液を受け入れる冷却液供給口１３と、前記熱交換器４の冷却液流入口４８（図２）との間を結ぶ冷却液供給路６０、及び、該熱交換器４の冷却液流出口４９（図２）と、筐体１０の外部に開設されて冷却液を排出する冷却液排出口１４との間を結ぶ冷却液排出路６１を有している。それにより、前記冷却液供給口１３から供給された冷却液が、冷却液供給路６０を通じて熱交換器４内に導入され、該熱交換器４で循環液を冷却して該熱交換器４から導出された冷却液が、前記冷却液排出路６１を通じて前記冷却液排出口１４から外部に排出されるようになっている。

前記冷却液供給路６０には、第４温度センサ６２及び流量計６３が設けられており、これら温度センサ６２及び流量計６３も前記制御部７に電気的に接続されている。それにより、例えば、熱交換器４に供給される冷却液の温度や流量の異常を検知して、アラーム等により報知することができるようになっている。
また、本実施形態においては、該冷却液供給路６０に、冷却液の圧力を調整するための圧力調整部６４が接続されている。そのため、冷却液が、熱交換器４で高温の循環液と熱交換を行った結果、たとえ沸騰等により膨張したとしても、この圧力調整部６４で冷却液の圧力を調整することにより、流路に破損等の不具合が生じるのを防止することができる。なお、圧力調整部６４は、冷却液排出路６１側に設けられていても良い。
さらに、前記冷却液排出路６１にも、制御部７に電気的に接続された第５温度センサ６９が設けられていて、該制御部７で熱交換器４から排出された冷却液の温度を制御部７に表示したり等することができるようになっている。

この圧力調整部６４は、具体的には、圧力調整用のアキュムレータ本体６５、該アキュムレータ本体６５と冷却液供給路６０との間に設けられた開閉弁６６（二方弁）、並びに、これらアキュムレータ本体６５と開閉弁６６との間に設けられた圧力ゲージ６７及び圧力開放弁（二方弁）６８を有している。前記開閉弁６６は、少なくとも温調装置１の稼働中には常時開いた状態とされ、圧力ゲージ６７により冷却液の圧力を監視することができるようになっている。また、前記圧力開放弁６８は、温調装置１の稼働中には常時閉じた状態とされる。そして、温調装置１のメンテナンス時などに、前記開閉弁６６を閉じた上で前記圧力開放弁６８を開くことにより、アキュムレータ本体６５内の圧力を大気に開放することができるようになっている。なお、前記開閉弁６６及び圧力開放弁６８は、本実施形態のように手動で開閉するものであっても良いし、制御部７に電気的に接続して該制御部７で開閉制御するものであっても良い。

前記熱交換器４は、図２に示すように、全体がステンレス等の金属材料から形成されて長手方向の軸Ｌに沿うように延びたもので、前記循環液冷却回路５の循環液が流れる第１熱交換流路４０と、該第１熱交換流路４０の循環液を冷却するための冷却液が流れる第２熱交換流路４５とを含んでいる。
前記第１熱交換流路４０は、１本の金属管を曲げ加工することにより形成されたもので、軸Ｌ周りに螺旋状を成して該軸Ｌ方向に延びた螺旋状流路部４１と、該螺旋状流路部４１の軸Ｌ方向の一端に連接されて、軸Ｌに沿って直線状に延びた流入側流路部４２と、それとは反対側の他端に連接されて、軸Ｌに沿って直線状に延びた流出側流路部４３とによって、継ぎ目なく一体に形成されている。

そして、前記第１熱交換流路４０において、前記流入側流路部４２及び流出側流路部４３における螺旋状流路部４１と接続されたのとは逆側の各端（すなわち、軸Ｌ方向における該第１熱交換流路４０の両端）には、循環液を熱交換器４に流入させる循環液流入口４２ａ、及び、熱交換による冷却後の循環液を該熱交換器４から流出させる循環液流出口４３ａが開設されている。

一方、前記第２熱交換流路４５は中空の金属製シェル４４内に形成された流路空間から成っており、該第２熱交換流路４５内に、前記第１熱交換流路４０の螺旋状流路部４１が収容されている。前記シェル４４は、軸Ｌ方向に延びた中空で円筒状の筒状側壁４４ａと、該筒状側壁４４ａの軸Ｌ方向の一端を閉塞する中空でドーム状の第１端部壁４４ｂと、同じく他端を閉塞する中空でドーム状の第２端部壁４４ｃとから一体に形成されている。すなわち、第１熱交換流路４０の軸はシェル４４の筒状側壁４４ａの軸とも一致している。

前記シェル４４の第１端部壁４４ｂ及び第２端部壁４４ｃには、前記第１熱交換流路４０の流入側流路部４２及び流出側流路部４３を、第２熱交換流路４５からシェル４４外に導出した状態で、該シェル４４に対して固定するための第１取付用開口部４６及び第２取付用開口部４７が開設されている。このとき、上述したように、流入側流路部４２及び流出側流路部４３は、金属管によって継ぎ目なく一体に形成されている。また、該シェル４４には、冷却液を前記第２熱交換流路４５内へと導入するための冷却液流入口４８と、前記第１熱交換流路４０内の循環液と熱交換した後の冷却液を該第２熱交換流路４５から導出するための冷却液流出口４９とが開設されている。そして、前記冷却液供給路６０及び冷却液排出路６１が、これら冷却液流入口４８及び冷却液流出口４９を通じて第２熱交換流路４５に連通されている。

本実施形態では、前記冷却液流入口４８は、シェル４４における前記第１熱交換流路４０の流出側流路部４３が配された軸Ｌ方向一端部（具体的には、筒状側壁４４ａにおける第２端部壁４４ｃ側の端部）に、軸Ｌと直交する方向に開設されている。一方、前記冷却液流出口４９は、シェル４４における前記第１熱交換流路４０の流入側流路部４２が配された軸Ｌ方向他端部（具体的には、第１端部壁４４ｂの中央部）に、軸Ｌ方向に開設されている。

そして、前記流入側流路部４２の循環液流入口４２ａに、前記冷却用循環往路５０を形成する金属管の端部が溶接等の接続手段によって接続され、前記流出側流路部４３の循環液流出口に、前記冷却用循環復路５１を形成する金属管の端部が溶接等の接続手段によって接続されている。一方、前記冷却液流入口４８及び冷却液流出口４９には、前記冷却液供給路６０及び冷却液排出路６１を形成する配管の端部が、継手や螺合等の接続手段によって接続されている。

ところで、前記第１及び第２取付用開口部４６，４７の内径は、前記第１熱交換流路４０の流入側流路部４２及び流出側流路部４３の外径よりも大きく形成されている。また、これら流入側流路部４２及び流出側流路部４３の外周には、ステンレス等の金属材料から成る中空の筒状部材７０，７０が液密に外嵌合されて固定されている。そして、その筒状部材７０，７０を第１及び第２取付用開口部４６，４７内に挿入した状態で、該筒状部材７０，７０の外周がシェル４４に対して溶接Ｗ，Ｗされている。すなわち、前記各流路部４２，４３は、前記筒状部材７０，７０を介在させた状態でシェル４４に対して固定されている。

このように、熱交換器４として、中空のシェル４４内に形成された第２熱交換流路（流路空間）４５に、第１熱交換流路４０の螺旋状流路部４１を収容したものを使用しているため、熱交換器４の構造を簡易化して溶接部分を最小限に留めることができる。しかも、高温の循環液が流れる第１熱交換流路を形成する金属管を、低温の冷却液が流れる第２熱交換流路を形成するシェル４４に対して直接的に溶接で固定していない。そのため、高温の循環液を冷却する場合であっても、循環液と冷却液との温度差によって熱交換器４の溶接部分にクラック等の不具合が生じるのを、可及的に抑制することができ、その結果、高温の循環液の使用に対する温調装置１の耐久性を向上させることができる。

次に、図３に基づいて、前記筒状部材７０についてより具体的に説明する。該筒状部材７０は、中空で両端が開口した金属製の筒状ボディ７１と、前記流入側流路部４２及び流出側流路部４３を形成する金属管の外周とボディ７１の内周面との間を液密にシールすると共に、ボディ７１をこれら流路部４２，４３に対して固定する金属製のシール部材７２とを有している。そして、前記各流路部４２，４３に固定されたボディ７１の一部が、前記シェル４４の外部から第１及び第２取付用開口部４６，４７を通じてシェル４４内に挿入された状態で、該ボディの外周が、該開口部４６，４７において、シェル４４に対して環状かつ連続的に溶接Ｗ，Ｗされている。

前記ボディ７１は、前記溶接Ｗでシェル４４に対して固定された固定用筒状部７３と、内周に前記シール部材７２が配設されたシール用筒状部７４とを互いに結合することによって形成されている。前記固定用筒状部７３は、シェル４４の外部に配された端部に雄ネジ部７５を一体に有している。そして、該雄ネジ部７５の先端部の内周には、該雄ネジ部７５の先端に向けて内径をリニアに拡大させる傾斜面７６が形成されている。一方、前記シール用筒状部７４は、前記固定用筒状部７３側の端部の内周に雌ネジ部７７を有している。そして、該シール用筒状部７４の内周における雌ネジ部７７よりも奥側には、該雌ネジ部７７側に向けて内径をステップ状に拡大させる段部７８が形成されている。

さらに、前記環状のシール部材７２は、その横断面において、前記固定用筒状部７３側を向く先端縁が鋭角を成す楔状に形成されている。そして、該シール部材７２は、環状の先端縁の向きをその中心軸Ｌ１側に傾斜させた状態で、前記シール用筒状部７４の段部７８に装着されている。そのため、該シール用筒状部７４の雌ネジ部７７を前記固定用筒状部７３の雄ネジ部７５に対して螺合することで両筒状部７３，７４を互いに締結した際に、該シール用筒状部７４の段部７８により前記シール部材７２がその先端縁方向に押圧される。すると、該シール部材７２の先端縁が、各流路部４２，４３の外周に圧接されて食い込んだ状態となる。その結果、各流路部４２，４３と筒状部材７０のボディ７１との間が液密にシールされると同時に、ボディ７１が各流路部４２，４３に対して固定されるようになっている。

本実施形態においては、図３に示すように、前記シール部材７２として２つの環状の第１及び第２楔状シール片７２ａ，７２ｂを有しており、これら楔状シール片７２ａ，７２ｂが前記シール用筒状部７４の２段の段部７８の各段に装着されている。
このとき、第１シール片７２ａの先端縁を含む先端部は、前記雄ネジ部７５の傾斜面７６と、前記流入側流路部４２及び流出側流路部４３の各外周との間に潜り込んでいる。それにより、第１シール片７２ａの先端部が前記傾斜面７６に圧接されると同時に、該シール片７２ａの先端縁が各流路部４２，４３の外周に圧接されて食い込んだ状態となっている。

一方、第２シール片７２ｂは、前記第１シール片７２ａにおける前記先端縁とは反対側の後端部に配されている。そして、該第２シール片７２ｂの先端縁を含む先端部が、第１シール片７２ａの後端部と各流路部４２，４３の外周との間に潜り込んでいる。それにより、前記第１シール片７２ａの後端部が押し広げられると同時に、該第２シール片７２ｂの先端縁が各流路部４２，４３の外周に圧接されている。なお、前記筒状部材７０としては、例えば、前記楔状シール片７２ａ，７２ｂとしての２つの環状フェルールを備えた食い込み継手にて代用することも可能である。

前記制御部７は、図１に示すように、吐出流路３０を通じて負荷に対して送り出す循環液の温度を適宜設定するための温度設定部７ａを有している。そこで、以下において、この循環液の設定温度に応じた、制御部７による冷却ポンプ２３ａ及び循環ポンプ２４ａの制御方法について、図４のグラフを用いて説明する。なお、本実施形態では、制御部７において、負荷に対する循環液の送出温度に所定の閾値温度（７５℃）が設定されている。循環液の送出温度がこの閾値温度よりも高い場合には温調装置１が稼働状態であり、該閾値温度以下である場合には温調装置１がアイドリング状態（休止状態）であることを意味している。

まず、第１ステップとして、循環液の設定温度が前記閾値温度（７５℃）よりも低い温度（４０℃）に設定され、かつ、吐出流路３０の第１温度センサ３３によって測定された循環液の送出温度（以下「測定温度」という。）もこの設定温度まで降下している状態、すなわち温調装置１のアイドリング状態においては、インバータ制御方式の冷却ポンプ及び循環ポンプが、制御部７により所定の低回転数（低周波数）に維持される。

そこで、第２ステップとして、循環液の設定温度を前記閾値温度よりも高い温度に設定すると、循環ポンプ２４ａについては、それと同時に所定の高回転数（高周波数）に切り換えられ、その高回転数が維持される。
一方、冷却ポンプ２３ａについては、それと同時に一旦回転数をさらに低下させた後、温度センサ３３による循環液の測定温度が設定温度に到達する前の所定のタイミングで、該回転数を徐々に上昇させていく。その後、循環液の測定温度が設定温度まで到達した時点で回転数の上昇を止め、測定温度と設定温度とが一致した状態においては、その回転数（第１ステップ時よりも低回転数）が維持される。

続いて、第３ステップとして、循環液の設定温度をさらに高温に設定すると、循環ポンプ２４ａについては、前記第２ステップに引き続いて前記所定の高回転数に維持される。
一方、冷却ポンプ２３ａについては、それと同時に一旦回転数を前記第２ステップと同回転数まで低下させた後、循環液の測定温度が設定温度に到達する前の所定のタイミングで、該回転数を再び徐々に上昇させていく。このとき、回転数変化の傾きは、前記第２ステップの時よりも小さくなっている。その後、第２ステップと同様にして、循環液の測定温度が設定温度まで到達した時点で回転数の上昇を止め、測定温度と設定温度とが一致した状態においては、その回転数（第１ステップ時及び第２ステップ時よりも低回転数）が維持される。

次に、第４ステップとして、循環液の設定温度を第２ステップの設定温度まで低下させると、循環ポンプ２４ａについては、前記第３ステップに引き続いて前記所定の高回転数に維持される。
一方、冷却ポンプ２３ａについては、それと同時に一旦回転数を前記第１ステップのアイドリング回転数よりも高回転数まで上昇させた後、循環液の測定温度が設定温度に到達する前の所定のタイミングで、該回転数を徐々に降下させていく。その後、循環液の測定温度が設定温度に到達した時点で回転数の降下を止め、測定温度と設定温度とが一致した状態においては、その回転数（第２ステップ時と同回転数）が維持される。

続いて、第５ステップとして、循環液の設定温度をさらに第１ステップの設定温度（４０℃）まで低下させると、循環ポンプ２４ａについては、それと同時に第１ステップ時と同じ所定の低回転数に切り換えられ、その低回転数が維持される。
一方、冷却ポンプ２３ａについては、それと同時に一旦回転数を前記第４ステップと同回転数まで上昇させた後、循環液の測定温度が設定温度に到達する前の所定のタイミングで、該回転数を再び徐々に降下させていく。このとき、回転数変化の傾きは、前記第４ステップの時よりも小さくなっている。その後、循環液の測定温度が設定温度に到達した時点で回転数の降下を止め、測定温度と設定温度とが一致した状態においては、その回転数（第１ステップ時と同回転数）が維持される。

すなわち、本実施形態においては、前記温度設定部７ａで設定された循環液の温度が、所定の閾値温度よりも低い時には、前記循環ポンプ２４ａの回転数を低回転数に維持し、前記所定の閾値温度よりも高い時には、前記循環ポンプ２４ａの回転数を高回転数に維持するようになっている。
また、前記温度設定部７ａにより設定温度を上げた時には、前記冷却ポンプ２３ａの回転数を一旦低下させた後に徐々に上昇させ、設定温度を下げた時には、前記冷却ポンプ２３ａの回転数を一旦上昇させた後に徐々に降下させ、前記吐出流路３０の第１温度センサ３３により測定された循環液の温度（すなわち、循環液の測定温度）が、前記設定温度と一致した状態においては、その時の回転数を維持するようになっている。

さらに、前記設定温度を上げる場合には、その設定温度が高いほど、前記冷却ポンプ２３ａの回転数を一旦低下させた後に徐々に上昇させる時の該回転数変化の傾きをより小さくし、前記設定温度を下げる場合には、その設定温度が低いほど、前記冷却ポンプ２３ａの回転数を一旦上昇させた後に徐々に降下させる時の該回転数変化の傾きをより小さくするようになっている。

このように、本実施形態においては、循環ポンプ２４ａがメインタンク２０内で循環液に浸漬されていて、循環液の設定温度が所定の閾値温度よりも高い時には、前記循環ポンプ２４ａの回転数を高回転数に維持するようになっているため、循環液の温度を、ヒータ２２ａに加えて循環ポンプ２４ａの発熱をも利用して効率良く設定温度まで上昇させ、その温度に保持することができる。
また、循環液の設定温度を前記閾値温度よりも高い温度から低い温度に設定した時に、循環ポンプ２４ａの回転数を低回転数に降下させて維持すると同時に、冷却ポンプ２３ａの回転数が上昇するため、循環ポンプ２４ａからの発熱が抑制されると同時に、熱交換器４による循環液の冷却が促進され、それにより、循環液の温度を効率良く設定温度まで下降させることができる。

１温調装置
２タンク部
４熱交換器
７制御部
７ａ温度設定部
１１循環液吐出口
１２循環液戻り口
１３冷却液供給口
１４冷却液排出口
２２ａヒータ
２３ａ冷却ポンプ
２４ａ循環ポンプ
３０吐出流路
３１戻り流路
３３第１温度センサ（吐出側温度センサ）
４０第１熱交換流路
４１螺旋状流路部
４２流入側流路部
４２ａ循環液流入口
４３流出側流路部
４３ａ循環液流出口
４４シェル
４５第２熱交換流路（流路空間）
４６第１取付用開口部
４７第２取付用開口部
５０冷却用循環往路
５１冷却用循環復路
６０冷却液供給路
６１冷却液排出路
６４圧力調整部
７０筒状部材
７１筒状ボディ
７２シール部材
７２ａ第１楔状シール片
７２ｂ第２楔状シール片
７３固定用筒状部
７４シール用筒状部
７５雄ネジ部
７６傾斜面
７７雌ネジ部
７８段部
Ｌ軸
Ｗ溶接（溶接部）

Claims

沸点が１００℃よりも高い循環液を１００℃よりも高い温度に調節して外部の負荷に供給し、該負荷を所定の高温に制御するための温調装置であって、
前記温調装置は、循環液を蓄えていて該循環液を加熱するヒータを備えたタンク部；該タンク部と循環液を前記負荷に対して送り出す循環液吐出口との間を結ぶ吐出流路；循環液を前記タンク部から該吐出流路へと送り出す循環ポンプ；前記負荷から戻された循環液を受け入れる循環液戻り口と前記タンク部との間を結ぶ戻り流路；前記循環液が流れる第１熱交換流路と、該第１熱交換流路の循環液を冷却する冷却液が流れる第２熱交換流路とを有する熱交換器；前記タンク部から循環液を該熱交換器の第１熱交換流路へと供給する冷却用循環往路；該熱交換器で冷却された循環液を前記第１熱交換流路から再びタンク部へと戻す冷却用循環復路；循環液を前記タンク部から前記冷却用循環往路へと送り出す冷却ポンプ；冷却液を前記熱交換器の第２熱交換流路へと導入する冷却液供給路；熱交換後の冷却液を該第２熱交換流路から導出する冷却液排出路；を有しており、
前記熱交換器において、第１熱交換流路は、軸に沿って螺旋状に延びる螺旋状流路部と、該螺旋状流路部の一端に連接されて循環液流入口を備えた流入側流路部と、該螺旋状流路部の他端に連接されて循環液流出口を備えた流出側流路部とによって形成されていて、前記第２熱交換流路は、中空のシェル内に形成された流路空間から成っており、
前記第１熱交換流路の螺旋状流路部が前記シェル内の第２熱交換流路に収容されると共に、前記流入側流路部及び流出側流路部が前記シェル外に導出されていて、前記循環液流入口に前記冷却用循環往路が接続され、前記循環液流出口に前記冷却用循環復路が接続されており、
前記冷却液供給路が、シェルに開設された冷却液流入口を通じて前記第２熱交換流路に連通され、前記冷却液排出路が同じくシェルに開設された冷却液流出口を通じて前記第２熱交換流路に連通され、
金属管によって形成された前記第１熱交換流路の流入側流路部及び流出側流路部には、それぞれ金属製の筒状部材が外嵌合されており、
金属製の前記シェルには、前記流入側流路部及び流出側流路部をシェル外に導出すると共に、これら流路部に外嵌合された前記筒状部材をシェルに取り付ける一対の取付用開口部が開設されており、
それら取付用開口部において、前記各筒状部材の外周が前記シェルに対して溶接により固定されている、
ことを特徴とする温調装置。
前記筒状部材が、前記取付用開口部に対して、前記シェルの外側から挿入した状態で取り付けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の温調装置。
前記流入側流路部及び流出側流路部に外嵌合された筒状部材が、金属製の筒状ボディと、該筒状ボディの内周に配設されてこれら流路部の外周をシールする金属製の環状シール部材とを有しており、前記筒状ボディの外周が前記シェルに対して環状に溶接されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の温調装置。
前記筒状ボディが、シェルに対して前記溶接により固定された固定用筒状部と、内周に前記環状シール部材が配設されたシール用筒状部とから形成されていて、該シール用筒状部が前記固定用筒状部に対して螺合により締結されており、
前記環状シール部材は、前記固定用筒状部側の先端縁が鋭角に形成されていて、該シール用筒状部を前記固定用筒状部に対して螺合した際に、環状シール部材の前記先端縁が、該シール用筒状部による押圧により、前記流入側流路部及び流出側流路部の各外周に圧接されて食い込んだ状態となるように構成されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の温調装置。
前記シェルにおいて、前記冷却液排出路が接続された冷却液流出口が、軸方向における前記流入側流路部が配された一端部に開設され、前記冷却液供給路が接続された冷却液流入口が、軸方向における前記流出側流路部が配された他端部に開設されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の温調装置。
前記温調装置は、前記吐出流路に設けられて負荷に対して送り出される循環液の温度を測定する吐出側温度センサと、負荷に対して送り出す循環液の温度を設定する温度設定部を備え、前記吐出側温度センサの測定結果及び前記温度設定部で設定された温度に基づいて、前記循環ポンプ及び冷却ポンプの回転数を制御する制御部とを有しており、
前記循環ポンプが、前記タンク部内において循環液に浸漬されており、
前記制御部は、前記温度設定部で設定された循環液の温度が、所定の閾値温度よりも低い時には、前記循環ポンプの回転数を低回転数に維持し、前記所定の閾値温度よりも高い時には、前記循環ポンプの回転数を高回転数に維持するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の温調装置。
さらに、前記制御部は、前記温度設定部により設定温度を上げた時には、前記冷却ポンプの回転数を一旦低下させた後に徐々に上昇させ、設定温度を下げた時には、前記冷却ポンプの回転数を一旦上昇させた後に徐々に降下させ、前記吐出側温度センサにより測定された循環液の温度が、前記設定温度と一致した状態においては、その時の回転数を維持するように構成されている、
ことを特徴とする請求項６に記載の温調装置。
前記制御部は、前記設定温度を上げる場合には、その設定温度が高いほど、前記冷却ポンプの回転数を一旦低下させた後に徐々に上昇させる時の該回転数変化の傾きをより小さくし、前記設定温度を下げる場合には、その設定温度が低いほど、前記冷却ポンプの回転数を一旦上昇させた後に徐々に降下させる時の該回転数変化の傾きをより小さくするように構成されている、
ことを特徴とする請求項７に記載の温調装置。
前記冷却液の流路には、そこを流れる冷却液の圧力を調整する圧力調整部が接続されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の温調装置。