JPH10220909A

JPH10220909A - 流体温度制御装置

Info

Publication number: JPH10220909A
Application number: JP9056934A
Authority: JP
Inventors: Kanichi Kadotani; ▲かん▼一門谷
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1996-12-03
Filing date: 1997-02-25
Publication date: 1998-08-21
Also published as: KR20000057379A; US6236810B1; WO1998025089A1; US20010018828A1

Abstract

(57)【要約】【課題】冷却能力が高く、かつ制御可能な温度範囲の
広い流体温度制御装置を提供する。【解決手段】筒状の容器１内に透明筒３が挿入され、
透明筒３内に円柱状のヒーティングランプ５が挿入され
る。容器１と透明筒３との間の通路２５に、温度制御し
たい流体が流される。容器１の外周面には熱電変換素子
７が接合され、熱電変換素子７の外表面に冷却管９が接
合される。冷却管９には冷却液が流される。流体の加熱
は、ヒーティングランプ５により行う。流体の冷却は、
冷却液と熱電変換素子７とにより行う。熱電変換素子７
は、強制的に流体から吸熱して冷却液へ放熱することに
より、流体を急速な冷却したり、冷却水より低温に流体
を冷却する。更に、熱電変換素子７は、冷却水による冷
却を抑制したり、冷却量を精度良く且つ応答性良く調節
するためにも用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、流体の温度制御装置に関
し、特に、流体を冷却するための構造の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】恒温槽、半導体製造装置（例えば、エッ
チング装置、ＣＶＤ装置）、樹脂板の熱圧成形装置など
では、装置のプロセスチャンバや壁面の温度を制御する
ために、循環流体が好んで用いられている。特開平７−
２８０４７０号や特開平７−３０８５９２号には、循環
流体の温度を制御するのに好適な装置が開示されてい
る。

【０００３】特開平７−２８０４７０号に開示された装
置では、流体の流れるパイプの中に電気ヒータが挿入さ
れ、そのパイプの外側により大きいパイプが被せられ、
この外側と内側のパイプの間に冷却水が流される。電気
ヒータと冷却水とにより、流体の温度が制御される。

【０００４】特開平７−３０８５９２号に開示された装
置では、内部に流体が流れる伝熱ブロックに、熱電変換
素子を介して放熱器が接合されている。ブロック内を流
れる流体は、熱電変換素子によって冷却または加熱され
る。熱電変換素子が流体から吸取った熱は放熱器によっ
て外気へ放出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の流体温
度制御装置は、特に冷却の性能に関して、次のような問
題がある。

【０００６】特開平７−２８０４７０号の装置は、流体
を冷却液の温度以下に冷却することができない、つま
り、冷却可能な温度の範囲が狭い。また、一般に冷却液
の温度や流量は微調節が困難であるため、冷却中のヒー
タによる加熱も併用して流体温度を微調節しないと、流
体を目標温度まで精度良く冷却することができない。

【０００７】特開平７−３０８５９２号の装置は、冷却
時に熱電素子から大気へ放熱するが、大気の熱容量は小
さいから冷却能力が低い、つまり、短時間に多くの流体
を処理することが難しい。また、熱電変換素子で加熱と
冷却の双方を行うため、制御可能な温度の範囲は余り広
くないし、熱電変換素子の寿命も短い。

【０００８】従って、本発明の目的は、冷却能力が高
く、かつ制御可能な温度範囲が広い流体温度制御装置を
提供することにある。

【０００９】本発明の別の目的は、冷却量の制御が容易
な流体温度制御装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の側面に従
う流体温度制御装置は、流体を流すための流体通路と、
冷却液を流すための冷却液通路と、流体から吸熱し且つ
冷却液へ放熱できるよう流体通路と冷却液通路との間に
配置された熱電変換素子とを備える。

【００１１】この流体温度制御装置によれば、熱電変換
素子が流体通路と冷却液通路との間に介在し、流体から
吸熱し冷却液へ放熱するように作動することができるた
め、冷却液のみで冷却したり、熱電変換素子から外気へ
放熱する従来装置に比較して、大きい冷却能力が発揮で
きる、かつ、冷却液の温度以下の温度まで流体を冷却す
ることができる。また、熱電変換素子は、冷却量を増加
させるだけでなく、冷却液による冷却量を抑制するよう
に働かせることもできるので、冷却液だけでは困難であ
った冷却量の細かい制御が容易となる。

【００１２】この流体温度制御装置は、望ましくは、流
体通路の近傍に配置されたヒータを更に備えることがで
きる。ヒータとしては、赤外線を放出するランプが望ま
しい。これにより、広い温度範囲にわたって流体を加熱
及び冷却することができる。

【００１３】好適な実施形態では、筒状の容器があり、
この容器の外周面に沿って熱電変換素子が配置されてい
る。容器内には透明筒が挿入されており、この透明筒の
外周面と容器の内周面との間の空間が流体通路となって
いる。透明筒内には、ヒータとしての赤外線放出ランプ
が挿入されている。熱電変換素子は、容器の外周面に接
合されてもよいし、あるいは、容器の周壁内に埋め込ま
れてもよい。熱電変換素子は、容器の外周面の実質的に
全域にわたって配置されている。熱電変換素子の外側に
は冷却液通路が配置される。この冷却液通路は、熱電変
換素子に冷却液を流す管を接合することによって形成し
てもよいし、あるいは、容器の外側に大径の外筒を外嵌
して、この外筒の内周面と容器の外周面又は熱電変換素
子の外表面との間の空間を冷却液通路としてもよい。更
に、流体通路と冷却液通路内には多数のフィンが設けら
れる。

【００１４】本発明の流体温度制御装置の冷却液通路に
は、冷却液として水を流してもよいし、あるいは、冷凍
回路からの冷媒を流してもよい。あるいは、冷凍回路に
よって不凍液を冷却して、この不凍液を冷却液通路に流
してもよい。

【００１５】本発明の第２の側面に従う流体温度制御装
置は、内周面に沿って流体通路を有した筒状の容器と、
流体から吸熱できるよう容器の周壁に配置された熱電変
換素子とを備える。

【００１６】この流体温度制御装置によれば、筒状容器
の周壁に流体通路を囲繞するように熱電変換素子を配置
することができるので、装置サイズの割には大きい冷却
能力を発揮することができ、冷却できる温度範囲も広
い。さらに、熱電変換素子により冷却量が制御できると
共に、流体通路内の流体をほぼ一様に冷却できるので、
温度制御の精度が良い。

【００１７】この流体温度制御装置は、望ましくは、熱
電変換素子からの放熱を受け得るように熱電変換素子の
近傍に配置された冷却液通路を更に備えることができ
る。これにより冷却能力が一層増大する。また、流体通
路の近傍に流体を加熱するためのヒータを備えることも
望ましい。

【００１８】筒状容器の周壁がある程度肉厚の場合、こ
の周壁内に複数の穴又は空洞を開けることができる。そ
うすると、容器自体の体積が減ってより軽量になると共
に、容器の熱容量も小さくなるので装置の熱応答性がよ
り良好になる。容器周壁の穴又は空洞でない部分が、容
器内側の流体通路から熱交換素子への熱伝導経路に沿っ
て繋がっているように、穴又は空洞の形状及び配置を選
ぶことが望ましい。そうすることにより、穴又は空洞が
あっても容器の熱伝導性をあまり損なわれないことにな
る。

【００１９】本発明のその他の特徴と目的は、以下の実
施形態の説明の中で明らかにする。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施形態を図面を
参照して説明する。

【００２１】図１は本発明の一実施形態にかかる流体温
度制御装置の縦断面図であり、図２は同装置のＡ−Ａ線
での横断面図である。

【００２２】図１及び図２に示すように、多角筒形、例
えば六角筒形、をした容器１の内部に、円筒形をした透
明筒３が同軸の配置で挿入され、この透明筒３内に円柱
形のヒーティングランプ５がやはり同軸の配置で挿入さ
れている。容器１の外周面をなす６つの平らな面には、
細長い平板形の６枚の熱電変換素子７、７、…がそれぞ
れ接合されている。さらに、６枚の熱電変換素子７、
７、…の外面には、長方筒形をした冷却管９、９、…が
接合されている。容器１の形状は六角筒のみに限らず、
四角筒のような他の多角筒でもよいことは言うまでもな
い。

【００２３】透明筒３の両端部の容器１の両端外へ突出
した部分に、ドーナツ形のブッシュ１１、１１が外嵌さ
れており、これらブッシュ１１、１１が容器１及び冷却
管９の両端面を閉塞している。ブッシュ１１、１１と透
明筒３との接合部はＯリング１３、１３によってシール
されている。ブッシュ１１、１の外側にさらに、中心に
円孔をもつ円板形のブッシュ１５、１５がネジで固定さ
れている。この外側のブッシュ１５、１５は、内側のブ
ッシュ１１、１１及び透明筒３を両側から押さえるよう
に固定すると共に、ヒーティングランプ５の両端部を支
持している。

【００２４】容器１の両端近傍には、容器１内に流体を
流入させるための流体入口１７と、容器１内から流体を
流出させるための流体出口１９とが設けられている。ま
た、冷却管９、９、…は両端近傍において相互に連結さ
れており、その連結された両端箇所に、冷却管９、９、
…内に冷却液を流入させるための冷却液入口２１と、冷
却管９、９、…から冷却液を流出させるための冷却液出
口２３とが設けられている。尚、各冷却管９毎に個別に
冷却液入口及び出口を設けてもよい。容器１内に流入し
た流体は、容器１と透明筒３との間の通路（以下、流体
通路という）２５内を、容器１の一端から他端へ向かっ
て流れる。また、冷却液は、各冷却管９内を流体とは逆
の方向へ流れる。

【００２５】容器１の内周面には、多数のフィン２７が
取付けられている（図１では図示省略）。これらフィン
２７は流体通路２５の全域にほぼ一様な密度で分布して
いる。フィン２７の先端と透明筒３との間には僅かな隙
間があり、よって、フィン２７と透明筒３とは接触して
いない。各冷却管９の熱電変換素子７と接合した壁の内
面にも、多数のフィン２９が取付けられている（図１で
は図示省略）。これらフィン２９は、各冷却管９内の全
域にほぼ一様な密度で分布している。フィン２９の先端
と冷却管９の反対側の壁との間には僅かな隙間があり、
よって、両者は接触していない。

【００２６】容器１は、熱伝導性、耐食性及び成形性の
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ことが望ましい。各冷却管９につ
いては、その少なくとも熱電変換素子７と接合した壁は
容器１と同様な熱伝導性の良い材料で作られることが望
ましいが、他の壁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。透明筒
３は、石英ガラスのような光透過性の極めて高い耐熱性
の材料で作られることが望ましい。ヒーティングランプ
５には、ヒータ用ハロゲンランプのように赤外線を多く
出すものが好ましい。ブッシュ１１、１５には、硬質ゴ
ムやプラスチックや金属のように適度な弾性と十分な耐
熱性とをもつ材料が好ましい。容器１と各熱電変換素子
７の互いの接合面、及び各熱電変換素子７と各冷却管９
の互いの接合面は、両者が完全に密着して接触熱抵抗が
最小となるように、シリコングリースのような熱伝導率
の高い充填剤が塗布された状態でネジ締めなどにより圧
接されることが望ましい。

【００２７】フィン２７、２８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。フィン
２７、２９には、図３（Ａ）〜（Ｈ）に示すような種々
の形態のものが採用できる。図３（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３（Ｂ）は断面
三角形の波形に折り曲げたもの、図３（Ｃ）は波形の各
尾根をさらに波型にうねらせたもの、図３（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３（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３
（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３（Ｇ）はピン形のフィンで
あり、図３（Ｈ）は単純なブレード形のフィンである。

【００２８】図３中の矢印は、冷却液又は流体に対する
フィンによる圧損を最小とした場合の、フィンに対する
流体又は冷却液の流れる方向（内側容器１の中心軸にほ
ぼ平行）を示す。フィンと冷却液又は流体との間の熱交
換を良好にするるためには、矢印の流れ方向に対して、
フィンを図示の姿勢より適当角度だけ傾けて配置した方
が好ましい。

【００２９】また、特に容器１内のフィン２７について
は、フィン２７の立っている向きは次のようであること
が望ましい。すなわち、流体として水やエチレングリコ
ールのような光吸収率の高い物質を用いる場合には、ヒ
ーティングランプ５からの赤外線が流体通路２５の全域
に行き渡って全域の流体に均等に吸収されるよう、フィ
ン２７は赤外線の放射方向と平行に立っている、つま
り、容器１の半径に沿って立っていることが望ましい。
一方、流体としてガルデン（登録商標）やフロリナート
（登録商標）のような光吸収率の低い物質を用いる場合
には、フィン２７の全ての部分が赤外線を均等に吸収す
るように、赤外線の放射方向に対して適当な角度で交差
するような方向で立っていることが望ましい。

【００３０】図４は、熱電変換素子７の構造を示す。

【００３１】熱電変換素子７は、多数の小さいＰ型半導
体ピース３２及びＮ型半導体ピース３４を２次元平面上
に交互に配列すると共に、そのＰ型半導体ピース３２及
びＮ型半導体ピース３４の配列の上面と下面において多
数の平板電極３５を用いて、Ｐ型半導体ピース３２とＮ
型半導体ピース３４とを交互の順序で電気的に直列接続
したものである。図４（Ａ）に示すように、この熱電変
換素子７に直流電力を供給すると、ペルチェ効果が生じ
て熱電変換素子７はその一面で吸熱、他面で放熱を行
う。この動作モードを以下、「ペルチェモード」と呼
ぶ。また、熱電変換素子７の吸放熱を行う面を以下、
「熱交換面」と呼ぶ。図４（Ｂ）に示すように、この熱
電変換素子７の一方の熱交換面を加熱し、他方の熱交換
面を冷却すると、ゼーベック効果が生じて熱電変換素子
７は電力を発生する。この動作モードを以下、「ゼーベ
ックモード」と呼ぶ。熱電変換素子７の熱交換面は、一
般にセラミックス板のような絶縁板（図示省略）でカバ
ーされる。既に説明したように、各熱電変換素子７の一
方の熱交換面は容器１と接合し、他方の熱交換面は各冷
却管９と接合している。各熱電変換素子７は、図示しな
い電源回路（冷却コントローラ）に接続される。

【００３２】上述した構成において、温度を制御される
流体は、入口１７から容器１内に流入し流体通路２５を
通って出口１９から流出する。また、冷却液は、入口２
１から各冷却管９内にに流入し冷却管９内を通って出口
２３から流出する。

【００３３】入口１７での流体の温度（例えば２５℃）
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、熱電変換素子７も作動しない。流体の加熱は専
らランプ５によって行われる。ランプ５から放射された
赤外線は透明筒３を通過して流体通路２５に入射する。
流体として光吸収性の極めて低い物質（例えばフロリナ
ート）を用いている場合、赤外線の大部分はフィン２７
に吸収され、フィン２７から流体へと熱が伝えられる。
流体としてかなりの光吸収性をもつ物質（例えば水、エ
チレングリコールなど）を用いた場合は、赤外線はフィ
ン２７だけでなく流体自体にも直接吸収され、流体が加
熱される。

【００３４】加熱量の制御は、出口１９に配置した温度
センサ（図示せず）と、温度センサ及びランプ５に接続
された加熱コントローラ（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、加熱コントローラが、温度セン
サからフィードバックされた流体出口温度と目標温度と
の偏差に基づいて、ランプ５への供給電力を制御する。
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充分でない場合、冷却液が流さ
れ、また、必要に応じて熱電変換素子７が駆動される。

【００３５】また、流体の入口温度（例えば８０℃）よ
り目標温度が低い（例えば３０℃）場合、冷却液が流さ
れ、ランプ５は通常は消灯される。流体からの熱がフィ
ン２７、容器１、熱電変換素子７、冷却管９及びフィン
２９を通じて冷却液へ移動し、流体が冷却される。急速
に流体を冷却したい場合（例えば、流体の入口温度が急
激に上昇したような場合）や、冷却液の温度以下に冷却
したい場合（例えば目標温度が０℃の場合）には、熱電
変換素子７がペルチェモードで駆動されて、強制的に熱
を流体から奪って冷却液へ放出する。また、冷却液によ
る冷却を抑制したい場合（例えば、冷却液による冷却で
は流体が目標温度以下まで冷却されてしまう場合）に
は、熱電変換素子７はゼーベックモードで動作させられ
て、流体から冷却液への熱移動の一部を電力に変換す
る。ペルチェモード及びゼーベックモードのいずれにお
いても、熱電変換素子７に流れる電流を電源回路で調節
することにより、冷却量をきめ細かくかつ応答性良く制
御することができる。

【００３６】上の動作説明から分るように、加熱は専ら
ランプ５からの放射熱により行われる。放射熱は距離に
関係なく流体通路２５内の光の届く全ての場所に均等に
行き渡る。結果として、流体が光を吸収する物質の場
合、流体通路２５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の場合は、流体通路２５の
全域にほぼ一様密度で存在する多数のフィン２７が平等
に放射熱を受け取ってこれを流体に伝達するから、やは
り流体はほぼ一様に温度上昇する。

【００３７】ランプ５の出力の多くは、赤外線として流
体通路２５の全域にほぼ均等に放射される。また、ラン
プ５と透明筒３との間には空間が空いている。そのた
め、ランプ５からの熱伝導により透明筒３が特別高温に
加熱されて溶けたり、その近傍を通る流体が沸騰したり
する虞はない。よって、出力の大きいランプ５を使用す
ることが可能であり、結果として、装置サイズの割には
大きい加熱能力を発揮することができる。

【００３８】冷却は、フィン２７、熱電変換素子７及び
フィン２９を通じた容器１内の流体から冷却管９内の冷
却液への熱伝導を利用して行われる。フィン２７、２９
が流体通路２５及び冷却管９内の全域にほぼ一様密度で
配置されているから、冷却効率が良好であると共に、冷
却の温度むらも小さい。また、熱電変換素子７が、冷却
量を増大させ、冷却可能な温度範囲を広げ、さらには、
冷却液では困難な高精度で応答性の良い冷却量の制御を
容易にする。また、熱電変換素子７はゼーベックモード
では流体の熱を電力に変換して電源回路へ戻すから、省
エネルギー効果も期待できる。熱電変換素子７によって
冷却量が制御できるため、高価な比例弁を用いて冷却水
の流量を調節することは不要であり、安価な開閉弁で冷
却水を流すか止めるかするだけでよい。同じ理由から、
冷却中にランプを点灯して過冷却を抑制する必要もな
い。さらに、熱電変換素子７は流体の冷却のみに用いら
れ、加熱には用いられないから、冷却と加熱の双方に用
いる場合に比較して、熱電変換素子７の寿命が長い。

【００３９】冷却管９内のフィン２９と冷却管９の外側
壁との間に隙間があることにより、外気温度の影響を受
けにくいという利点がある。また、流体通路２５内のフ
ィン２７と透明筒３との間に隙間があることにより、本
装置の組み立て時やメンテナンス時に透明筒３を容器１
内に挿入したり引出したりする作業が容易であるという
利点がある。

【００４０】図５は、本発明の第２の実施形態にかかる
流体温度制御装置の横断面を示す。

【００４１】図５に示すように、容器３１は、横断面形
状が円形の内周面と、横断面形状が正方形の外周面とを
有した筒体であり、例えば金属の押出し成形により作ら
れたものである。この容器３１の外周面の４つの平面に
それぞれ熱電変換素子７が接合されている。他の部分の
構成は、図１、２に示した実施形態と同様である。尚、
流体通路３３及び冷却管９内のフィンについては、図を
見やすくするため、図示を省略してある。この実施形態
では、流体通路３３が完全な円筒形であるから、流体の
温度むらが前の実施形態よりも小さいであろうと推測さ
れる。容器３１の外形の断面形状は、正方形に限らず、
他の多角形であってもよいことは言うまでもない。

【００４２】図６は、第３の実施形態にかかるの流体温
度制御装置の横断面を示す。

【００４３】図６に示すように、容器４１は、肉厚の周
壁をもった円筒体であり、その周壁内に全周にわたって
複数個の熱電変換素子７が埋め込まれている。この容器
４１の外側には、より大径の円筒体である外筒４５が外
嵌されており、この外筒４５と容器４１との間に、冷却
水の通る冷却水通路４７が形成されている。容器４１の
内周面と外周面とには、それぞれ多数のフィンが取付け
られており（図示省略）、それらのフィンは流体通路４
３と冷却液通路４７の全域にほぼ一様の密度で分布して
いる。他の部分の構成は、図１、２に示した実施形態と
同様である。尚、隣り合う熱電変換素子７相互間の隙間
には、図示のように容器４１周壁と同じ材料ではなく、
熱伝導性の非常に悪い材料（図示せず）を充填した方が
望ましい。

【００４４】図７は、第４の実施形態にかかる流体温度
制御装置の横断面を示す。

【００４５】図７に示すように、円筒体の容器５１の外
周面に、全周にわたって、外周面に密着するように湾曲
した形状をもつ複数の熱電変換素子５７が接合されてい
る。その外側に円筒形の中間筒５５が外嵌されており、
この中間筒５５と容器５１の間に熱電変換素子５７が、
中間筒５５及び容器５１に密着した状態で挟持されてい
る。その外側に、円筒形の外筒５９が外嵌されており、
この外筒５９と中間筒５５との間に冷却水通路６１が形
成されている。隣り合う熱電変換素子５７の相互間の隙
間５８は、空気層又は非常に熱伝導性の悪い材料で充填
されていることが望ましい。他の部分の構成は、図６に
示した実施形態と同様である。尚、流体通路５３と冷却
水通路６１内のフィンは図示を省略してある。

【００４６】図８は、第５の実施形態にかかる流体温度
制御装置の横断面を示す。

【００４７】図８に示すように、円筒形の容器５１の外
周面に、湾曲形状の複数の熱電変換素子６３が接合され
ており、その外側に外筒５９が外嵌されて、外筒５９と
熱電変換素子６３との間に冷却液通路６５が形成されて
いる。熱電変換素子６３の外周面、特に側面、は素子内
部に冷却液が進入しないよう、適当なシール材６４でシ
ールされている。また、熱電変換素子６３の冷却液通路
６５に面した熱交換面には、フィン６７が取付けられて
いる。熱電変換素子６３とフィン６７とは、一つのユニ
ットとして構成されていてもよい。他の部分の構成は、
図７に示した実施形態と同様である。尚、流体通路５３
内のフィンは図示を省略してある。

【００４８】図９（Ａ）〜（Ｃ）は、冷却管の幾つかの
変形例の横断面を示す。

【００４９】図９（Ａ）に示す冷却管７１は、複数の冷
却液通路７３を内部にもつように例えば押出し成形によ
り作られたものであり、熱電変換素子７の熱交換面に接
合される。冷却液通路７３間の仕切７５がフィンの役目
を果たすので、特にフィンを設ける必要はない。図９
（Ｂ）に示す冷却管８１は、やはり複数の冷却液通路８
３を内部にもつように、例えばアルミニウムのブロック
８５内に銅管８３を鋳込んだもので、熱電変換素子７の
熱交換面に接合される。これも、特にフィンを設ける必
要はない。図９（Ｃ）に示す冷却管９１は、例えばアル
ミニウムのブロック９３に１本の銅管９５を鋳込んだも
ので、熱電変換素子７の熱交換面に接合される。

【００５０】図１０は、熱電変換素子の容器への取付け
態様の変形例を示す（熱電変換素子と容器以外の要素は
図示省略）。

【００５１】図１０に示すように、例えば六角筒形の容
器１０１の外周の６つの平面のうち、１つ置きの３つの
平面にのみ熱電変換素子１０３が取付けられている。こ
のように容器１０１外周面の厳密な全域には熱電変換素
子１０３が配置されていなくても、容器１０３内を流れ
る流体を実質的に一様に冷却できるように配置されてい
れば（つまり、実質的に外周面の全域に配置されている
ならば）構わない。

【００５２】図１１は、熱電変換素子の容器への取付け
態様の別の変形例を示す。

【００５３】図１１に示すように、例えば四角筒形の容
器１１１の外周に、環状に繋がれた４個の熱電変換素子
１１３から成る幾つかの熱電変換ベルト１１５が外嵌さ
れている。熱電変換ベルト１１５同士は、密着していて
もよいし、あるいは、満足できる冷却効果が得られるな
ら図示のように離れていてもよい。冷却管は図示してな
いが、熱電変換ベルト１１５の外周面に密着した状態
で、容器１１１の中心軸と平行に延びるように、又は容
器１１１の外周を螺旋状に巻くように配置することがで
きる。熱電変換素子１１３が故障した場合、熱電変換ベ
ルト１１５単位で交換することができる。

【００５４】図１２は、本発明の流体温度制御装置に冷
却液を供給するための構成の変形例を示す。

【００５５】図１２に示すように、本発明の流体温度制
御装置１２１は、例えばフロンのような冷媒を用いた冷
凍回路１２３に接続される。この冷凍回路１２３では、
冷媒がコンプレッサ１２５により断熱圧縮された後、凝
縮器１２７にて冷却水１２９により冷却されて凝縮し、
続いて膨張弁１３１で低圧にされてから、蒸発器として
の流体温度制御装置１２１の冷却管１３３に送られ、こ
こで流体温度制御装置１２１内を流れる流体１３５を冷
却する。この構成によれば、流体温度制御装置１２１の
冷却管１３３に冷却水をそのまま流す場合に比較し、よ
り低温まで流体を冷却することができる。すなわち、冷
却水（通常、２５℃程度）を冷却管１３３に流した場
合、熱電変換素子の働きにより流体を例えば０℃程度ま
で冷却できたとすると、図１２の構成では冷凍回路と熱
電変換素子の働きにより、流体を摂氏マイナス数十度程
度まで冷却できる。尚、図１２では１個の流体温度制御
装置１２１しか示してないが、複数個の流体温度制御装
置１２１を１つの冷凍回路１２３に接続してもよい。

【００５６】図１３は、冷却液を供給するための構成の
別の変形例を示す。

【００５７】図１２に示したのものと同様に冷凍回路１
２３と流体温度制御装置１２１との間に、さらに、不凍
液回路１３７が設けられる。この不凍液回路１３７で
は、不凍液がポンプ１３９によって、冷凍回路１２３の
蒸発器１３５と、流体温度制御装置１２１の冷却管１３
３との間を循環させられる。この構成によれば、図１２
に示した構成と同等の冷却能力が得られる共に、膨張弁
１３１からの冷媒管（内部は殆ど真空状態である）を流
体温度制御装置１２１内に導く必要がないので、流体温
度制御装置１２１の設計が図１２に示したものより容易
である。尚、図１３では１個の流体温度制御装置１２１
しか示してないが、複数個の流体温度制御装置１２１を
１つの不凍液回路１３７に接続してもよい。

【００５８】図１４は、第６の実施形態を示す。

【００５９】容器２０１は概略正四角柱形の外形を有
し、その４つの外面にはそれぞれ、容器２０１の長手方
向に延びた凹部２０３が形成されている。凹部２０３の
各々は長方形の断面形状をもち、その内部には、そこに
フィットするサイズの平板形の多数の熱電変換素子２０
５が填め込まれている。さらに、凹部２０３を外側から
塞ぐようにして、細長い４枚の冷却板２０７が、容器２
０１の４つの外面にビス２０９で固定されている。冷却
板２０７の各々は、内部に長手方向に延びた冷却液通路
２１１を有し、各冷却液通路２１１内には、既に説明し
た他の実施形態の場合と同様、フィン（図示省略）が設
けられている。また、各冷却板２０７の長手方向の一端
及び他端部には、冷却液を通路２１１に導くための冷却
液入口管２１３と、冷却液を通路２１１から排出するた
めの冷却液出口管２１５とがそれそれ取付けられてい
る。

【００６０】容器２０１の中心部には、容器２０１を長
手方向に貫通する円柱形の空洞が形成されている。この
円柱空洞内に、既に説明した他の実施形態の場合と同様
のヒーティングランプ５と透明筒３とのセットが挿入さ
れ、これにより、透明筒３の外周面と空洞の内周面との
間に流体通路２１７が形成されている。流体通路２１７
内には、空洞の内周面に接合したフィン２１９が設けら
れている。

【００６１】容器２０１の両端面の中央部分には、流体
通路２１７の両端を塞ぐための円環形のキャップ２２１
が被せられている。ランプ５の両端部は、この円環形の
キャップ２２１を貫通して外方へ出ている。また、冷却
液入口管２１３に近い側のキャップ２２１には、流体を
流体通路２１７から出すための流体出口管２２３が取付
けられ、また、容器２０１の陰となって図示してない
が、他方のキャップには、流体を流体通路２１７に入れ
るための流体入口管が取付けられている。従って、流体
通路２１７内の流体は、冷却液通路２１１内の冷却液と
は逆の方向へ流れる。さらに、キャップ２２１を通す穴
を中央部に有した概略正方形の側板２２５が、同形状の
ゴムパッキン２２７を容器２１０との間に介して、容器
２０１の両端面にビス２２９で固定されている。この側
板２２５によって、冷却液通路２１１の両端が塞がれて
いる。

【００６２】図１５は、図１４の装置における熱電変換
素子２０５の取付け部の断面を示す。

【００６３】ビス２０９の締め付けにより、図示のよう
に熱電変換素子２０５の表裏の熱交換面２０５ａ、２０
５ｂが凹部２０３の底面２０３ａと冷却板２０７の外面
２０７ａとにそれぞれ密着（接合面にはシリコングリー
スなどが塗られている）しており、それによりこの接合
面での熱抵抗が最小化されている。図１５では、熱電変
換素子２０５の側面と凹部２０３の内側面との間に隙間
があるが、両者が隙間なしに密着していてもよい。な
お、容器２０１に凹部を設けずに、図１６に示すよう
に、単純に容器２０１と冷却板２０７との間に熱電変換
素子２０５を挟みビス２０９で締め付けるようにしても
よい。

【００６４】図１７は、第７の実施形態を示す。

【００６５】この装置は、図１４に示した装置の冷却板
の内部構成を変えたものである。すなわち、各冷却板２
３１の内部には、長手方向に互いに平行に延びた複数本
の細い冷却液管２３３が埋め込まれている。それら複数
本の冷却液管２３３は両端で、１本の冷却液入口管２３
５及び１本の冷却液出口管２３７にそれぞれ結合してい
る。冷却液入口管２３５及び冷却液出口管２３７は、冷
却板２３１の側面からパッキン２２７及び側板２２５を
貫いて外へ出ている。

【００６６】図１８は、図１４及び図１７に示した装置
における容器の断面構造の変形例を示す。

【００６７】図１４及び図１７に示した容器２０１の壁
は相当に肉厚であるが、このような場合、図１８に示す
ように、容器２０１の壁に多数の穴（又は空洞）２４１
を開けるようにしてもよい。穴２４１は、図示のように
容器壁の穴２４１でない部分が容器内側から外側へ向か
う方向（つまり放射方向）に繋がっているように形成さ
れていることが望ましく、それにより、容器内側の流体
通路２１７から容器外側の熱電変換素子２０５への熱伝
導性が良好で保たれる。容器２０１の製造方法として長
手方向への押出し成形法を用いることにより、多数の穴
２４１が長手方向に開いた容器２０１を容易に製造する
ことができる。多数の穴２４１があることによって、容
器２０１それ自体の体積が小さくなるので、軽量化やコ
スト削減が図れ、さらには、容器２０１の熱容量が減る
ために装置の熱応答性が良好になる。なお、他の実施形
態においても、容器の壁に同様の穴を形成してもよいこ
とは言うまでもない。例えば、図５に示した実施形態で
も、図１９に示すように、容器３１の壁の肉厚の部分に
穴２４３を形成することにより、軽量化や熱応答性の改
善などが得られる。

【００６８】以上の実施形態の説明は本発明の理解のた
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。例えば、流体の加熱手段を持たない流体の冷却のみ
を目的とした流体温度制御装置や、冷却液を用いない流
体温度制御装置も、本発明の要旨を逸脱すること無く実
施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態にかかる流体温度制御
装置の縦断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面矢視図。

【図３】フィンの形態のバリエーションを示す斜視図。

【図４】熱電変換素子を示す斜視図。

【図５】本発明の第２の実施形態にかかる流体温度制御
装置の横断面図。

【図６】第３の実施形態にかかる流体温度制御装置の横
断面図。

【図７】第４の実施形態にかかる流体温度制御装置の横
断面図。

【図８】第５の実施形態にかかる流体温度制御装置の横
断面図。

【図９】冷却管の幾つかの変形例の横断面図。

【図１０】熱電変換素子の配置態様の変形例を示す横断
面図。

【図１１】熱電変換素子の配置態様の別の変形例を示す
斜視図。

【図１２】流体温度制御装置に冷却液を供給するための
構成の変形例を示す回路図。

【図１３】流体温度制御装置に冷却液を供給するための
構成の別の変形例を示す回路図。

【図１４】第５の実施形態にかかる流体温度制御装置を
部分的に分解及び切り欠いて示した斜視図。

【図１５】第５の実施形態の熱電変換素子の取付け部分
の横断面図。

【図１６】熱電変換素子の取付け構造の変形例を示す横
断面図。

【図１７】第６の実施形態にかかる流体温度制御装置を
部分的に分解及び切り欠いて示した斜視図。

【図１８】第５、６の実施形態における容器の変形例を
示す横断面図。

【図１９】第２の実施形態における容器の変形例を示す
横断面図。

【符号の説明】

１、３１、４１、５１、１０１、１１１、２０１容器３透明筒５ヒーティングランプ７、５７、６３、１０３、１１３、２０５熱電変換素
子９、７１、８１、９１、１３３冷却管２７、２９、６７フィン２５、３３、４３、５３流体通路４７、６１、６５、７３、８３冷却液通路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の温度を制御するための装置におい
て、前記流体を流すための流体通路と、冷却液を流すための冷却液通路と、前記流体から吸熱し且つ前記冷却液へ放熱できるよう前
記流体通路と前記冷却液通路との間に配置された熱電変
換素子とを備えた流体温度制御装置。
【請求項２】請求項１記載のものにおいて、前記流体通路の近傍に配置された、前記流体を加熱する
ためのヒータを更に備えた流体温度制御装置。
【請求項３】請求項１乃至２記載のものにおいて、内周面に沿って前記流体通路を有し、周壁に前記熱電変
換素子が設けられた筒状の容器を備えた流体温度制御装
置。
【請求項４】請求項３記載のものにおいて、前記容器内に挿入され、前記流体通路を前記容器の内周
面との間に形成する外周面を有した透明筒と、前記透明筒内に配置された、前記流体通路内へ赤外線を
放射するための前記ヒータとしてのランプとを備えた流
体温度制御装置。
【請求項５】請求項３記載のものにおいて、前記容器の外周面に前記熱電変換素子が接合された流体
温度制御装置。
【請求項６】請求項３記載のものにおいて、前記容器の周壁内に前記熱電変換素子が埋め込まれた流
体温度制御装置。
【請求項７】請求項３記載のものにおいて、前記熱電変換素子が、前記容器の外周面の実質的に全域
にわたって設けられている流体温度制御装置。
【請求項８】請求項３記載のものにおいて、前記容器の内周面に取付けられ、前記流体通路内に分散
して配置された多数のフィンを更に備えた流体温度制御
装置。
【請求項９】請求項３記載のものにおいて、内部に前記冷却液通路を有し、外表面にて前記熱電変換
素子と接合した冷却管を更に備えた流体温度制御装置。
【請求項１０】請求項９記載のものにおいて、前記冷却管の内周面に取付けられ、前記冷却液通路内に
分散して配置された多数のフィンを更に備えた流体温度
制御装置。
【請求項１１】請求項３記載のものにおいて、前記容器に外嵌され、内周面にて前記容器外周の前記熱
電変換素子と接合した中間筒と、前記中間筒に外嵌され、前記冷却液通路を前記中間筒の
外周面との間に形成する内周面を有した外筒とを備えた
流体温度制御装置。
【請求項１２】請求項１１記載のものにおいて、前記中間筒の外周面に取付けられ、前記冷却液通路内に
分散して配置された多数のフィンを更に備えた流体温度
制御装置。
【請求項１３】請求項３記載のものにおいて、前記容器に外嵌され、前記冷却液通路を前記容器の外周
面又は前記熱電変換素子の外表面との間に形成する内周
面を有した外筒を更に備えた流体温度制御装置。
【請求項１４】請求項１３記載のものにおいて、前記熱電変換素子の外表面に取付けられ、前記冷却液通
路内に分散して配置された多数のフィンを更に備えた流
体温度制御装置。
【請求項１５】請求項１記載のものにおいて、前記冷却液通路と接続され、膨張弁から出た冷媒を前記
冷却液として前記冷却液通路に供給する冷凍回路を更に
備えた流体温度制御装置。
【請求項１６】請求項１記載のものにおいて、前記冷却液通路と接続され、不凍液を前記冷却液として
前記冷却液通路に供給する不凍液回路と、前記不凍液回路と結合され、膨張弁から出た冷媒を用い
て前記不凍液を冷却する冷凍回路とを備えた流体温度制
御装置。
【請求項１７】流体の温度を制御するための装置にお
いて、内周面に沿って前記流体を流すための流体通路を有した
筒状の容器と、前記流体から吸熱できるよう前記容器の
外周面に沿って配置された熱電変換素子と、を備えた流
体温度制御装置。
【請求項１８】請求項１７記載のものにおいて、前記熱電変換素子からの放熱を受け得るよう前記熱電変
換素子の近傍に配置された、冷却液を流すための冷却液
通路を更に備えた流体温度制御装置。
【請求項１９】請求項１７乃至１８記載のものにおい
て、前記流体通路の近傍に配置された、前記流体を加熱する
ためのヒータを更に備えた流体温度制御装置。
【請求項２０】請求項１７記載のものにおいて、前記熱電変換素子が、前記容器の外周面の実質的に全域
にわたって設けられている流体温度制御装置。
【請求項２１】請求項３記載のものにおいて、前記容器の外周面に凹部を有し、この凹部に前記熱電変
換素子が填め込まれている流体温度制御装置。
【請求項２２】請求項３記載のものにおいて、前記容器の壁内部に穴又は空洞を有する流体温度制御装
置。