JPH09210577A - 流体の温度制御装置 - Google Patents
流体の温度制御装置Info
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- JPH09210577A JPH09210577A JP18010396A JP18010396A JPH09210577A JP H09210577 A JPH09210577 A JP H09210577A JP 18010396 A JP18010396 A JP 18010396A JP 18010396 A JP18010396 A JP 18010396A JP H09210577 A JPH09210577 A JP H09210577A
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- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
- Instantaneous Water Boilers, Portable Hot-Water Supply Apparatuses, And Control Of Portable Hot-Water Supply Apparatuses (AREA)
Abstract
なく、かつ光吸収率の小さい流体でも加熱できる流体温
度制御装置を提供する。 【解決手段】 筒状の外側容器2内に、熱伝導の良い金
属製の筒状の内側容器1が挿入され、内側容器1内に光
透過性の極めて高い透明筒4が挿入され、透明筒4内に
赤外線を多く発するヒーティングランプ5が挿入されて
いる。内側容器1の内側の空間3aに、温度制御したい
流体が流され、外側の空間3bに、冷却液が流される。
内側容器1の内周面と外周面には、熱伝導性の良い金属
製のフィン8a、8bが立設されている。フィン8a、
8bは、内側と外側の空間3a、3bの全体にわたって
ほぼ一様の密度で配置され、かつ流体及び冷却液の流れ
る方向に沿って伸びている。流体の加熱はランプ5から
の放射熱で行い、冷却は冷却水で行う。
Description
する。
体デバイスや液晶デバイスなどを処理するためのチャン
バの空調や壁面温度制御に用いられる液体の温度は、そ
れぞれの目的に応じた目標温度に制御される必要があ
る。この種の流体の温度制御装置の従来例が、特開昭5
8−219374号、特開平7−280470号及び特
開平5−231712号に開示されている。
が螺旋状に流れるように細かく仕切られた、全体として
円筒形の水流路を有する。この円筒形水流路の中心に
は、細長い電気ヒータが挿入されている。更に、この円
筒形水通路の外周面は、凝縮冷媒が螺旋状に流れるよう
に仕切られた、やはり全体として円筒形の冷媒通路によ
って覆われている。電気ヒータと凝縮冷媒とにより、水
流路を流れる水が加熱される。
度制御したい流体の流れるパイプの中心に電気ヒータが
挿入され、かつ、そのパイプの外周に冷却水の流れる大
きいパイプが被せられている。電気ヒータと冷却水とに
より、パイプ内の流体の温度が制御される。
度制御したい流体の流れる円筒形の容器の中心に、石英
ガラス製の中空管が配置され、この中空管の内部に赤外
線ランプが挿入されている。ランプからの放射熱で容器
内の流体が加熱される。
0号の装置では、ヒータや冷却水からの熱伝導を利用し
ているため、熱源からの距離に応じた流体の温度むらが
存在する。例えば、ヒータに近い場所では温度が高く、
ヒータから遠い場所では温度が低い。
装置は、熱伝導を利用しているが、流体が螺旋状に流れ
て攪拌されるから、温度むらの問題は実質的にないであ
ろう。しかし、螺旋状の流路は構造的に複雑であるか
ら、その製造及びメンテナンスが面倒である。
近傍は局所的に高温になる。そのため、ヒータの近傍を
通る流体が沸騰しないよう、かつヒータやその近傍部分
の材料の耐熱限界を越えないよう、ヒータの温度を抑え
る必要がある。結果として、多量の熱を供給することが
難しく、流体の目標温度を余り高くすることも難しい。
導でなく熱放射(つまり、電磁波、主として赤外線、に
よる熱供給)を利用している。赤外線による放射熱は流
体内の各場所へ平等に行き渡るから、温度むらの問題は
ほとんどない。また、放射熱量を増大させても、光源の
近くだけが局所的に高温になるということはないから、
多量の熱を供給でき且つ目標温度を容易に高くできる。
しかしながら、流体が光吸収率の極めて低い物質である
場合には、放射熱による加熱は難しい。
あって、流体の温度むらが少なく、かつ光吸収率の小さ
い流体でも加熱できる流体温度制御装置を提供すること
を目的とする。
御装置は、透明筒と、この透明筒内に配置された、赤外
線を放射するためのランプと、透明筒を囲繞し、透明筒
との間に内側空間を有した筒状の容器と、内側空間に流
体を流入させるための流体入口と、内側空間から流体を
流出させるための流体出口と、上記容器の内周面に接触
し、内側空間内に配置された内側フィンとを備える。
ンプからの放射熱で加熱することができる。放射熱を利
用するために温度むらは小さい。内側空間にフィンがあ
るため、流体が光吸収率の極めて低い物質であっても、
フィンが放射熱を受けて流体に伝達するから、そのよう
な流体も加熱できる。
ためには、フィンが内側空間のほぼ全体領域にわたって
分散されて配置されていることが望ましく、更に、フィ
ンが内側空間のほぼ全体領域にわたって実質的に一様の
密度で配置されていれば一層好ましい。
質である場合は、フィンがランプからの赤外線の放射方
向にほぼ沿って立っていることが望ましい。それによ
り、赤外線がフィンに遮られずに流体の全体に行き渡る
ので、流体全体が一様に加熱できる。
するためには、フィンが流体の流れる方向にほぼ沿って
伸びていることが望ましい。
に、上記容器を囲繞し、容器との間に外側空間を有した
外筒と、外側空間に冷却液を流入させるための冷却液入
口と、外側空間から冷却液を流出させるための冷却液出
口とを更に備えることができる。これにより、流体の加
熱だけでなく冷却も行える。
温度むらを小さくするために、上記容器の外周面に接触
して外側空間内に配置された外側フィンを更に備えるこ
とが望ましい。この外側フィンは、外側空間のほぼ全体
領域にわたって分散され且つ実質的に一様の密度で配置
されていれば一層望ましい。
施形態の説明の中で明らかにする。
を参照して説明する。
り、図2は同装置のA−A線での横断面図である。
筒形の形状で、内側に空間3aを有し、かつ塞がれた両
端面を有する。外側容器2も円筒形の形状で、塞がれた
両端面を有し、かつ内側容器1を囲繞して内側容器1の
外側に空間3bを有している。内側容器1は、その周壁
の一端に近い箇所に、温度を制御される流体の入口1a
を有し、かつ、周壁の他端に近い箇所であって入口1a
とは中心軸に対して対称な箇所に、その流体の出口1b
を有する。また、外側容器2は、その周壁の一端に近い
箇所に、冷却液(例えば水)の入口2aを有し、かつ、
周壁の他端に近い箇所であって入口2aとは中心軸に対
して対称な箇所に、冷却液の出口2bを有する。
性の良好な材料、例えばアルミニューム、銅、ステンレ
ススチールなどで作られる。外側容器2も同様な材料で
作られてよいし、或は、耐食性及び成形性は良好である
が熱伝導性の高くない別の材料、例えばプラスチックや
塩化ビニルやセラミックスなどで作ることもできる。内
側容器1と外側容器2との接合部は、溶接やロウ付けや
その他の適当な方法により、液を洩らさないようシール
される。
に沿って透明筒4が配置され、この透明筒4は内側容器
1の両端の壁6、6を貫通している。この透明筒4内
に、ヒーティングランプ5が挿入されている。透明筒4
は、石英ガラスのような光透過性の極めて高い耐熱性の
材料で作られている。ヒーティングランプ5には、赤外
線を多く出すものが好ましく、例えばヒータ用のハロゲ
ンランプが用いられる。このランプ5は、ブッシュ9に
よって透明筒4に接触しないように、透明筒4内の中心
軸位置に支持されている。
やプラスチックや金属のように適度な弾性と十分な耐熱
性とをもつ材料によって作られている。端壁6、6と内
側容器1及び透明筒4との間の隙間をシールするため
に、端壁6、6の外周面と内周面にはそれぞれOリング
のようなシールリングが填め込まれている。
に平行に伸びた多数本の内側フィン8aが固定されてお
り、外周面にも中心軸に平行に伸びた多数本の外側フィ
ン8bが固定されている。内側フィン8aは、内側空間
3aの半径の方向に、つまり、ランプ5からの赤外線の
放射方向に、真っ直ぐに立っている。外側フィン8bも
同様に、半径の方向に放射状に直立しているが、必ずし
もそうである必要はない。内側フィン8aも外側フィン
8bも、内側空間3a及び外側空間3bのほぼ全体領域
にわたって分散されて配置されており、且つその全体領
域にわたって実質的に一様の密度(つまり、概略的に一
様の間隔)で配置されている。これらのフィン8a、8
bは、熱伝導率が高く、耐食性及び成形性も良好な、例
えばアルミニューム、銅、ステンレススチールのような
材料で作られる。更に、赤外線の吸収率も良い材料であ
ることが望ましい。
との間には僅かな隙間がある。外側フィン8bの先端と
外側容器2の内周面との間にも僅かな隙間がある。
流体は、入口1aから内側空間3aに流入し内側空間3
aを通って出口1bから流出する。また、冷却液は、入
口2aから外側空間3bに流入し外側空間3bを通って
出口2bから流出する。
より目標温度が高い(例えば100℃)場合、ランプ5
が点灯される。この場合、冷却液の流れは原則として停
止される。ランプ5から放射された赤外線は透明筒4を
通過して内側空間3aに入射する。もし、流体が光吸収
性の極めて低い物質(例えばフロリナート(登録商
標))であれば、赤外線の大部分はフィン8aに吸収さ
れ、そこで生じた放射熱がフィン8aから流体へと伝え
られて、流体が加熱される。もし、流体が光吸収性を適
度にもつ物質(例えば水、エチレングリコールなど)で
あれば、赤外線はフィン8aだけでなく流体自体にも直
接吸収され、その放射熱で流体の温度が上昇する。
センサとコントローラ(いずれも図示せず)とにより、
ランプ5の点灯時間のデューティ比や発光量を調節する
ことにより行われる。例えば、出口温度が目標温度に一
致するように、ランプ5への供給電力をフィードバック
制御する。過加熱や外的な原因などにより流体の出口温
度が目標温度を越えてしまった場合、ランプ5は消灯さ
れる。また、ランプ消灯だけでは十分でない場合、冷却
液が流される。
り目標温度が低い(例えば30℃)場合には、冷却液が
流され、ランプ5は通常は消灯される。流体が保有する
熱が内側フィン8a、内側容器1及び外側フィン8bを
通じて冷却液に伝えられ、流体が冷却される。上述した
コントローラが、冷却液の流量の調節を行って、流体の
出口温度を目標温度に一致させる。過冷却により流体の
出口温度が目標温度を下回った場合は、ランプ5が点灯
されたり、冷却液の流量が絞られたりする。
灯と冷却液の流量とを制御して、加熱と冷却とを使い分
けたり併用したりすることにより、流体の温度を目標温
度に制御する。
赤外線の放射熱により行われる。放射熱は、その本来の
性質故に、ランプ5からの距離に関わらず内側空間3a
内のどの場所にある光吸収物質へも平等に供給される。
それに加え、内側空間3a内でフィン8aがランプ5か
らの赤外線の放射方向に向いて立っているため、赤外線
はフィン8aに遮られずに、内側空間3aの全ての場所
に平等に入射し得る。結果として、もし流体が光を適度
に吸収する物質ならば、内側空間3a内の全ての場所で
その流体は実質的に平等に放射熱を受けて一様に温度が
上昇する。また、流体が光を殆ど吸収しない物質である
場合は、内側空間3aの全体領域にほぼ一様密度で存在
する多数のフィン8aが、その全ての箇所にて平等に放
射熱を受け取ってこれを流体に伝達するから、やはり流
体は一様に近い態様で加熱される。
射熱として内側空間3a内の流体全体にほぼ平等に供給
されるので、熱が特定の局所に集中することがない。ま
た、ランプ5と透明筒4との間には間隔が空いているた
め、熱伝導によって透明筒4やその近傍を通る流体だけ
が特別に高温になることもない。これらのことから、ラ
ンプ25の出力熱量をかなり増大させることが可能であ
り、結果として、サイズは小型でも大きい加熱能力を発
揮することができる。
外側容器2との間に隙間があるため、加熱の際に内側容
器1内の放射熱が外側フィン8bから直接に外側容器2
へと逃げることがない。このことは加熱効率の観点から
好ましい。同じ観点から、外側容器2をセラミックスや
プラスチックのような熱伝導性の悪い材料で作ることも
好ましい。但し、加熱効率に特に問題が無ければ、外側
フィン8bと外側容器2とが接触していても、あるい
は、外側容器2が熱伝導性の高い材料(例えば内側容器
1と同じ材料)で作られていていても構わない。
を利用して行われる。フィン8a、8bが内側及び外側
空間3a、3bの全体領域にわたり概略一様の密度で分
散配置されているから、冷却効率が良好であると共に、
熱伝導を利用するが故の温度むらも小さい。外側フィン
8bと外側容器2との間に隙間があることは、外側フィ
ン8bが外気温度の影響を受けにくいので、冷却効率の
観点からも好ましい。
内側空間3a内へ挿入される。また、メンテナンス時に
も、透明筒4が内側空間3aから引出されたり再び挿入
されたりする。この挿入・引出し作業では、透明筒4と
内側フィン8aとの間の隙間がクリアランスとなって、
この作業をスムーズに行わせしめる。勿論、作業に支障
が無ければ、内側フィン8aと透明筒4とが接触してい
ても構わない。
範囲内で、様々に変更することができる。
側に設けたブラケット10によりヒーティングランプ5
を支持してもよい。ブラケット10は、外側容器2のよ
うな本装置の適当な部分に取付けられてもよいし、本装
置以外の固定物に取付けられてもよい。
状の外側容器2内に円筒状の内側容器1が同軸の配置で
挿入され、かつ外側容器3の両端にドーナツ形のブッシ
ュ41が填め込まれている。それらブッシュ41は、そ
の側面で外側空間3bを閉塞すると共に、内周面で透明
筒4を支持している。ブッシュ41と透明筒4との接合
部はOリング42によってシールされている。さらに、
外側容器2の両端のブッシュ41の更に外側に、中心に
円孔をもつ円板形のブッシュ43がネジで固定されてい
る。この外側のブッシュ43は、側面で透明筒4の両端
面と当接し、かつ、内周面でヒーティングランプ5を支
持している。
があり、そのため、透明筒4がランプからの伝導熱で局
所的に高温になる虞がない。
装置の反対側の端部に設けられている。よって、流体と
冷却液は互いに逆の方向に流れる。この方が、同一方向
に流れる場合より、一般に冷却効率が良い。
が、内側容器1の内周面と外周面には、それぞれの全面
にわたって、内側フィン44aと外側フィン44bとが
固定されている。内側フィン44aの先端と透明筒4と
の間、及び外側フィン44bの先端と外側容器2との間
にはそれぞれ僅かな隙間がある。その理由は、前の実施
形態に関して既に述べた通りである。
(A)〜(G)に示すような種々の形態のものが採用で
きる。図5(A)は薄板を断面四角形の波形に折り曲げ
たものであり、図5(B)は断面三角形の波形に折り曲
げたもの、図5(C)は波形の各尾根をさらに波型にう
ねらせたもの、図5(D)は波形に折り曲げたベルト状
の薄板を複数個、波の位置を互いに違えて並べたもので
ある。図5(E)は波形の薄板の表面に多数の細かい凹
部又は突起を形成したもの、図5(F)は波形の薄板の
表面にルーバ様の切れ込みを形成したものである。ま
た、図5(G)はピン形のフィンである。図6中の矢印
は、内側容器1の中心軸に平行な方向、つまり流体又は
冷却液の流れる方向を示す。流れ方向に対して図示の姿
勢でフィンを配置することは、フィンが冷却液や流体の
流れを邪魔しないようにするために重要である。
個々の波部分(図5(G)の場合は個々のピン)は内側
空間3a及び外側空間3bの全体領域にわたって、実質
的に一様な密度で分散されて配置されている。従って、
それらのフィン44a、44bは、空間3a、3b内の
全ての場所の流体及び冷却液に一様に作用する。よっ
て、加熱及び冷却が、効率良くかつ実質的に温度むらな
く行われる。この観点から、フィン44a、44bの個
々の波部分(又は個々のピン)の配置密度は、フィンが
流れに及ぼす圧損が問題にならない範囲内で、できるだ
け密であることが望ましい。
いずれのフィン形態も、フィン自身が赤外線を吸収して
放射熱を効率良く受け取るのに適している。流体が光吸
収率の極めて小さい物質である場合、ランプからの赤外
線は、フィンの随所に入射して一部は吸収され一部は反
射され、反射された光はフィンの別の箇所に入射して一
部は吸収され一部は反射され、…という過程を繰り返し
て、最終的に多くの赤外線がフィンに吸収されて放射熱
となる。結果として、流体は効率良くかつ一様に加熱さ
れる。
る物質の場合、図5(G)のピン形フィンでは赤外線は
流体の全体に行き渡るので問題はないが、図5(A)〜
(F)のフィンを用いると、フィンの内側を通る流体だ
けに赤外線が当たり、フィンの外側を通る流体には赤外
線が当たらないため、加熱効率が低下する虞がある。
いる装置では、図5(G)や前の実施形態のフィンのよ
うに、ランプからの光が流体全体に行き渡る形態のフィ
ンを採用することが望ましい。一方、光吸収率の極めて
低い流体のみを用いる装置では、図5(A)〜(G)の
フィン及び前の実施形態のようなフィンのいずれもが採
用できる。
型のフィンは、それ自体の製造や内側容器への取付けが
比較的容易であるという利点がある。
いた温度制御システム例の回路を示す。
弁11を介して冷却液供給管12が接続され、冷却液出
口2bに、冷却液排出管13が接続されている。冷却液
排出管13は逃がし弁14を有している。冷却液供給管
12にも、開閉弁11の前又は後の位置に逃がし弁を設
けてもよい。
15から流体が戻るための流体戻り管16が接続され、
流体出口1bには、温度制御対象15へ流体を供給する
ための流体供給管17が接続されている。温度制御対象
15は、恒温槽やプラズマCVD装置のチャンバなどの
ような温度制御が必要な設備であって、ここでは、流体
供給管17から供給された流体によって温度制御が行わ
れる。
ぞれ、開閉弁18a、18bと、流体温度を測る温度セ
ンサ19a、19bとが設けれられている。また、流体
供給管17には、流体からイオンを除去するための脱イ
オン装置20が設けられている。更に、流体を循環させ
るためのポンプ21が、流体供給管17と流体戻り管1
6の何れか一方に設けられている。
が開かれポンプ21が運転されると、流体が温度制御装
置Aと温度制御対象15との間を循環する。流体の入口
温度と出口温度とが温度センサ19aと19bとによっ
て検出され、図示しないコントローラに送られる。コン
トローラは、前述したように、出口温度が目標温度に一
致するように、ランプの点灯時間又は通電量、及び冷却
液の流量などを制御する。
めのものであって、それら実施形態のみに本発明の範囲
を限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱し
ない範囲内で、上記実施形態に変更、修正、改良などを
加えた他の種々の形態においても実施することができ
る。
図。
ムの回路図。
Claims (16)
- 【請求項1】 透明筒と、 前記透明筒内に配置された、赤外線を放射するためのラ
ンプと、 前記透明筒を囲繞し、前記透明筒との間に内側空間を有
した筒状の容器と、 前記内側空間に流体を流入させるための流体入口と、 前記内側空間から流体を流出させるための流体出口と、 前記容器の内周面に接触し、前記内側空間内に配置され
た内側フィンと、を備えたことを特徴とする流体の温度
制御装置。 - 【請求項2】 請求項1記載のものにおいて、 前記容器を囲繞し、前記容器との間に外側空間を有した
外筒と、 前記外側空間に冷却液を流入させるための冷却液入口
と、 前記外側空間から冷却液を流出させるための冷却液出口
とを更に備えたことを特徴とする流体の温度制御装置。 - 【請求項3】 請求項1及び2のいずれか一項記載のも
のにおいて、 前記内側フィンが、前記内側空間のほぼ全体領域にわた
って分散されて配置されていることを特徴とする流体の
温度制御装置。 - 【請求項4】 請求項3記載のものにおいて、 前記内側フィンが、前記内側空間のほぼ全体領域にわた
って実質的に一様の密度で配置されていることを特徴と
する流体の温度制御装置。 - 【請求項5】 請求項1及び2のいずれか一項記載のも
のにおいて、 前記内側フィンが、前記ランプからの赤外線の放射方向
にほぼ沿って立っていることを特徴とする流体の温度制
御装置。 - 【請求項6】 請求項1及び2のいずれか一項記載のも
のにおいて、 前記内側フィンが、前記流体の流れる方向にほぼ沿って
伸びていることを特徴とする流体の温度制御装置。 - 【請求項7】 請求項1及び2のいずれか一項記載のも
のにおいて、 前記内側フィンの先端が前記透明筒から離れていること
を特徴とする流体の温度制御装置。 - 【請求項8】 請求項1及び2のいずれか一項記載のも
のにおいて、 前記透明筒が前記ランプから離れていることを特徴とす
る流体の温度制御装置。 - 【請求項9】 請求項2記載のものにおいて、 前記容器の外周面に接触し、前記外側空間内に配置され
た外側フィンを更に備えたことを特徴とする流体の温度
制御装置。 - 【請求項10】 請求項9記載のものにおいて、 前記外側フィンが、前記外側空間のほぼ全体領域にわた
って分散されて配置されていることを特徴とする流体の
温度制御装置。 - 【請求項11】 請求項10記載のものにおいて、 前記外側フィンが、前記外側空間のほぼ全体領域にわた
って実質的に一様の密度で配置されていることを特徴と
する流体の温度制御装置。 - 【請求項12】 請求項9記載のものにおいて、 前記外側フィンが、前記冷却液の流れる方向にほぼ沿っ
て伸びていることを特徴とする流体の温度制御装置。 - 【請求項13】 請求項9記載のものにおいて、 前記外側フィンの先端が前記外筒から離れていることを
特徴とする流体の温度制御装置。 - 【請求項14】 請求項9記載のものにおいて、 前記外筒が、前記内側フィン及び外側フィンより熱伝導
性の悪い材料で作られていることを特徴とする流体の温
度制御装置。 - 【請求項15】 請求項2記載のものにおいて、 前記流体と前記冷却液とが互いに逆方向へ流れるよう
に、前記流体入口、流体出口、冷却液入口及び冷却液出
口が配置されていることを特徴とする流体の温度制御装
置。 - 【請求項16】 請求項9記載のものにおいて、 前記内側フィン及び外側フィンが、それぞれ、前記内側
空間及び外側空間のほぼ全体領域にわたって分散されて
配置されていることを特徴とする流体の温度制御装置。
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JP31204895 | 1995-11-30 | ||
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JP8180103A Expired - Fee Related JP3033047B2 (ja) | 1995-11-30 | 1996-06-20 | 流体の温度制御装置 |
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