JP4103997B2

JP4103997B2 - Temperature raising / lowering unit and temperature raising / lowering device using this unit

Info

Publication number: JP4103997B2
Application number: JP2003080255A
Authority: JP
Inventors: 明小池
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004288510A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、昇降温ユニット及びこの昇降温ユニットを用いた昇降温装置に関し、より詳細には、加熱手段と冷却手段の両方を備える昇降温ユニット及びこの昇降温ユニットを用いた昇降温装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から各種分野において、加熱処理等の熱処理が行われているが、一般的に、加熱処理はヒータによって行われる。このような加熱処理装置に用いられるヒータとして、既に、本願出願人は特許公報第３３７２５１５号公報で提案している。
このヒータの概略構成を図１１に基づいて説明すると、このヒータは、石英ガラス管５０と、前記石英ガラス管５０内に封入されたカーボンワイヤー発熱体５１と、カーボンワイヤー発熱体５１に電力を供給する接続線５４を有する封止端子部５２とから構成されている。
このヒータは、両端に形成された封止端子部５２の接続線５４に電力を供給することで、カーボンワイヤー発熱体５１を発熱させる。特に、このヒータは、カーボンワイヤー発熱体５１を石英ガラス管５０で覆うことにより、より急速な昇温を可能とし、かつ均一な発熱を可能にしている。
【０００３】
ところで、前記ヒータを用いて所定温度ｈ１まで加熱する場合、図１２に示すように急激（時間ｔ１で）に加熱すると、所定温度ｈ１を超えた加熱状態、いわゆるオーバーシュートの状態となり、その後所定の温度に近づいていく傾向がある。
このようなオーバーシュートの状態になると、加熱する対象物を必要以上に加熱することとなり、ダメージを与えることととなる。そのため、オーバーシュートを極力抑制するために、徐々に加熱する必要があった。
一方、温度をｈ０まで低下させる場合には、一般的に自然冷却となるため、温度低下のための時間（時間ｔ３−ｔ２）が長くかかるという問題があった。また、自然冷却の場合、外気が導入されるため、対象物が汚染する虞もあった。
【０００４】
【特許文献１】
特許公報第３３７２５１５号（第５欄第４３行乃至第６欄３行、第１４頁第２７欄第４７行乃至第２８欄８行）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる問題を解決する方法として、加熱処理装置（昇降温装置）内に前記したヒータのような加熱手段と別に冷却手段を設け、両者を制御することにより、オーバーシュートの抑制、温度の昇降時間の短縮を図ることができる。
しかしながら、前記加熱手段及び冷却手段を昇降温室内に別々に配置し、両者を用いて温度制御すると、昇降温室内の温度が均一な温度にならないという技術的課題があった。即ち、加熱手段の近傍は温度の高い領域となり、また冷却手段の近傍は温度の低い領域になり、均一な温度を得ることできなかった。
【０００６】
本発明は、昇降温室の昇降温を迅速になすことができると共に、温度制御を高精度に行うことができ、しかも昇降温室内の温度をより均一になすことができる昇降温ユニット及びこの昇降温ユニットを用いた昇降温装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するためになされた本発明にかかる昇降温ユニットは、小径管と、前記小径管内に封入された発熱体と、前記発熱体に電力を供給する封止端子部と、前記小径管の外周囲に前記小径管と軸線を同一にして形成された大径管と、前記大径管と小径管の間隙に形成された冷却媒体流路と、前記冷却媒体流路に冷却媒体を導入するための導入口と、前記冷却媒体流路に導入された冷却媒体を排出するための排出口とを備え、前記冷却媒体流路の導入口および排出口の封止端子側において、封止端子部の接続線よりも先方の前記大径管と小径管の間隙に、冷却媒体流路につながる冷却媒体の溜り部が形成されていることを特徴としている。
【０００８】
このように、本発明にかかる昇降温ユニットは、発熱体を小径管内に封入し、小径管の外周囲に前記小径管と軸線を同一する大径管を設け、前記小径管と大径管との間に冷却媒体を供給するように構成されているため、発熱体及び冷却媒体を制御することにより、オーバーシュートを抑制でき、温度の昇降時間の短縮を図ることができる。
また、発熱体を覆うように冷却媒体が流通するため、言い換えれば、加熱手段が冷却手段に一体に形成されているため、昇降温ユニットを均一の温度状態になすことができる。その結果、昇降温室内の温度をより均一な温度になすことができる。
更に、前記冷却媒体流路の導入口および排出口の封止端子側において、封止端子部の接続線よりも先方の前記大径管と小径管の間隙に、冷却媒体流路につながる冷却媒体の溜り部が形成されている。この溜り部は、封止端子の後端部に対する急冷緩衝層となるものであって、熱膨張係数が異なる接続線と結合する小径管のクラックの発生をより抑制することができる。また、この溜り部は接続線よりも先方に形成されているため、接続線をなるべく冷却せず、電気抵抗値の減少を抑制することが、オーバーシュートをより抑制できる。
【０００９】
ここで、前記溜り部６ａの長さ（終端部から導入口７あるいは排出口８）は、大径管５の直径の５０％〜１５０％であることが好ましい。前記溜り部６ａの長さが、大径管５の直径の５０％未満では緩衝効果が発揮されず、１５０％を超えると冷却効果が劣るため好ましくない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる昇降温ユニットについて図１乃至図５に基づいて説明する。なお、図１は、本発明にかかる昇降温ユニットの第１の実施形態を示す一部断面図であり、図２は、図１の封止端子部分を示す断面図、図３は、接続線とカーボンワイヤー発熱体の接続部分を示す断面図、図４は、封止端子部の終端部分を示す斜視図、図５はカーボンワイヤー発熱体を示す図である。
【００１４】
図１に示されている昇降温ユニット１は、小径管２と、前記小径管２の内部に封入されたカーボンワイヤー発熱体３と、前記カーボンワイヤー発熱体３に電力を供給する封止端子部４と、前記小径管２の外周囲に前記小径管２と軸線を同一にして形成された大径管５と、前記大径管５と小径管２の間隙に形成された冷却媒体流路６と、前記冷却媒体流路６に冷却媒体を導入するための導入口７と、前記前記冷却媒体流路６に導入された冷却媒体を排出するための排出口８とを備えている。なお、図中、符号９はこの昇降ユニット１を固定する基台である。
【００１５】
前記小径管２は、両端に封止端子部４が形成されたＵ字状の小径の石英ガラス管であって、その内部に発熱体３を収納している。
また、大径管５は、前記小径管２と軸線を同一にして形成されたＵ字状の大径の石英ガラス管であって、前記小径管２と大径管５とはいわゆる二重管を構成している。そして、小径管２の外側と大径管の内側によって形成される間隙は、冷却媒体流路６として形成されている。
また、大径管５の一の端子部４の近傍に、冷却媒体流路６に冷却媒体を導入する導入口７が形成され、また他の端子部４の近傍に冷却媒体流路６から冷却媒体を排出する排出口８が形成されている。
【００１６】
また、前記冷却媒体流路６の導入口７および排出口８の封止端子４側には、冷却媒体の溜り部６ａが形成されている。この溜り部６ａは、封止端子４の後端部に対する急冷緩衝層となるものであって、熱膨張係数が異なる接続線１３と結合する小径管２のクラックの発生をより抑制することができる。
前記溜り部６ａの長さ（終端部から導入口７あるいは排出口８）は、大径管５の直径の５０％〜１５０％であることが好ましい。前記溜り部６ａの長さが、大径管５の直径の５０％未満では緩衝効果が発揮されず、１５０％を超えると冷却効果が劣るため好ましくない。
【００１７】
更に、図２に示すように、前記溜り部６ａは接続線１３よりも先方に形成されていることが好ましい。
即ち、接続線１３を冷却すると、電気抵抗値が減少する。一方、カーボンワイヤー発熱体３、後述するワイヤーカーボン部材１２の電気抵抗値は増大する。したがって、接続線１３をなるべく冷却せず、電気抵抗値の減少を抑制することが、オーバーシュートをより抑制できる点から好ましい。
【００１８】
前記カーボンワイヤー発熱体３の代わりに、ニクロム線を用いることができるが、カーボンワイヤー発熱体を用いる方が好ましい。これは、ニクロム線ヒータに比べて、カーボンワイヤー発熱体の方が、熱容量が小さいため急速昇温させることができるためである。
特に、小径管２及び大径管５が石英ガラスで構成されている場合には、ヒートショックによる割れが生じ難いため、急速昇温が可能である。また、ニクロム線ヒータに比べて、カーボンワイヤー発熱体の方が、熱容量が小さく、電力の供給を遮断すると短時間で温度が下がるため、好ましい。
また、冷却媒体としては、液体、気体を用いることができる。例えば、液体窒素を用いることができる。
【００１９】
次に、図２、図３、図４に基づいて封止端子部４について詳しく説明する。
なお、図３は封止端子部４の先端部分を示し、図４は封止端子部４の後端部分を示している。
図２、３に示すように、カーボンワイヤー発熱体３の端部を収容する石英ガラス管１１と、前記ガラス管１１に圧縮されて収容され、前記カーボンワイヤー発熱体３の端部を挟持するワイヤーカーボン部材１２とを備えている。この石英ガラス管１１は小径管２の内部に収納されている。
なお、カーボンワイヤー発熱体３の端部を挟持するワイヤーカーボン部材１２は、カーボンワイヤー発熱体３と同質のものが用いられ、後述するカーボンワイヤー発熱体３を２乃至４の複数本まとめて束にし、更にこの束を三束用いてワイヤーカーボン部材１２としている。前記カーボンワイヤー発熱体３は、この三つの均等なワイヤーカーボン束の間であって、かつ前記石英ガラス管１１のほぼ中心に位置するように配設される。
【００２０】
また、封止端子部４の後端部分（終端部分）は、図４に示すように、ピンチングシールされている。すなわち、封止端子部４の後端部分にはピンチシール部２ｄが形成され、接続線１３を構成するタングステン（Ｗ）の熱膨張係数に近いタングステン（Ｗ）ガラス（タングステン（Ｗ）ガラス部２ｃ）で形成すると共に、小径管２との融着側を石英ガラス（石英ガラス部２ａ）で形成している。
このように、ピンチシール部２ｄを、接続線１３を構成するタングステン（Ｗ）の熱膨張係数に近いタングステン（Ｗ）ガラスで形成したため、接続線１３の高温時熱膨張に伴うガラス部（ピンチシール部２ｄ）の破損を防止することができる。
また小径管２に融着される石英ガラス部２ａを、小径管２と同等あるいは同一の石英ガラスとすることで、熱膨張に伴う破損をより防止することができる。
更に、石英ガラス部２ａとタングステン（Ｗ）ガラス部２ｃとを間にグレイデッド（Graded）シール部２ｂが形成されている。すなわち、前記石英ガラス部２ａと接する側を石英ガラス組成もしくは、これと熱膨張係数が近似する材料とし、前記Ｗガラス部２ｃと接する側に向け、ＳｉＯ₂成分とＷガラス成分が徐々に変化し、上記熱膨張係数をＷガラスのそれにより近似するように傾斜分布させた材料からなるグレイデッド（Graded）シール部２ｂを石英ガラス部２ａとタングステン（Ｗ）ガラス部２ｃとを間に設けることにより、高温時熱膨張に伴うガラス管２１の破損を防止することができる。
【００２１】
更に、このカーボンワイヤー発熱体３について図５に基づいて説明すると、図５に示すように、前記カーボンワイヤー発熱体３は、カーボン繊維を束ねた繊維束を複数本編み上げてなる編紐または組紐から構成されている。
カーボンワイヤー発熱体３としては、直径５乃至１５μｍ程度のカーボン単繊維、例えば直径７μｍのカーボン単繊維を約３０００乃至３５００本程度束ねた繊維束を９束程度用いて直径２ｍｍの編紐、あるいは組紐形状に編み込んだものが好適である。
【００２２】
このようなカーボンワイヤー発熱体３が用いられるのは、前記したように従来の金属ヒータに比べて、熱容量が小さいため急速昇温させることができるからである。特に、小径管２及び大径管５が石英ガラスで構成されているため、急速昇温が可能である。また、カーボンワイヤー発熱体３の抵抗は金属ヒータと異なり常温で高く、高温になると低くなる傾向がある。その結果、急速昇温した際にも過電流が流れることがなく、ヒューズが切れる等の事故を防止できる。
更に、カーボンワイヤー発熱体３はカーボン単繊維を組み上げたものであるため切断され難く、数本切れても抵抗値に変化がないため、ヒータとしては好適である。
【００２３】
次に、図６、図７に基づいて、前記昇降温ユニットの変形例について説明する。図６に示す変形例は、前記大径管５の外周囲に所定の間隔をもって軸線方向に、複数のフィン５ａを形成したものである。
このように、大径管５の外周囲に所定の間隔をもって軸線方向に、複数のフィン５ａが形成されている場合には、熱伝達効率が向上するため、昇降温室の温度を急激に昇降させることができる。
また、図７に示す変形例は、小径管２と大径管５をＵ字状からＹ字状に変更した場合を示している。このように小径管２と大径管５をＹ字状に変更することにより、昇降温室内の雰囲気との接触面積が増大するため、熱伝達効率が向上するため、温度を急激に昇降させることができる。
【００２４】
次に、本発明にかかる昇降温ユニットを用いた昇降温装置について、図８に基づいて説明する。
この昇降温装置２０は、昇降温をさせる対象物２１を収容する昇降温室２２と、前記昇降温室２２に配置される前記昇降温ユニット１と、前記昇降温室２２の温度を測定する温度センサー２３と、前記昇降温ユニット１に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置２４と、前記昇降温ユニット１の発熱体に電力を供給する電力供給装置２５と、前記温度センサー２３で測定された温度に基づいて、前記昇降温ユニット１の発熱体の発熱量、および冷却媒体の供給量あるいは温度を制御する制御装置２６を備えている。
なお、図中符号２７は切換え弁、３０は冷却媒体供給管２８、排出管２９に設けられた流量計、３１は同様に冷却媒体供給管２８、排出管２９に設けられた温度センサー、３２は冷却媒体排出管２９に設けられた排出量制御弁である。また、図中、冷却媒体供給装置２４が二つも設けられているため、必要に応じて、温度の異なる冷却媒体を供給することができる。
【００２５】
次に、この昇降温装置２０の動作、作用について、図９、図１０に基づいて説明する。ここで、図９は、温度ｈ０からｈ１に急速に昇降温させた状態を示している。
従来の加熱装置にあっては、ヒータのみで所定温度に昇温させるため、図中点線で示すように、該所定温度ｈ１を超えるオーバーシュート現象が生じる。一方、冷凍装置においても同様に、冷却装置のみで降温させるため、図中の点線で示すように、該所定温度ｈ０を超えるオーバーシュート現象が生じる。
【００２６】
これに対して、本発明にかかる昇降温ユニット１には、加熱手段であるカーボンワイヤー発熱体３と冷却手段である冷却媒体流路６を備えている。
したがって、昇降温室２２内を急速に所定温度ｈ１まで昇温させる場合、まず前記カーボンワイヤー発熱体３で昇温させる。このとき冷却媒体供給装置２４は停止している。そして、温度センサ２３の測定結果に基づいて、所定温度ｈ１の手前で、カーボンワイヤー発熱体３への電力の供給を停止する。そして、前記冷却媒体流路６に冷却媒体を供給し、カーボンワイヤー発熱体３の余熱を除去する。このとき、冷却媒体の温度、流量は、カーボンワイヤー発熱体３への電力の供給停止後の昇降温室２２の温度上昇、排出された冷却媒体の温度等から決定される。
その結果、図９に示すように、オーバーシュート現象を抑制することができる。
【００２７】
また、前記冷却媒体で温度ｈ１からｈ０に急速に降温させる場合には、所定温度ｈ０の手前で、冷却媒体供給装置２４を停止すると共に、前記カーボンワイヤー発熱体３に電力を供給する。その結果、前記場合と同様に、オーバーシュート現象を抑制することができる。
【００２８】
なお、本発明にかかる昇降温ユニットには、加熱手段であるカーボンワイヤー発熱体３と冷却手段である冷却媒体流路６を備えているため、図１０に示すように、昇降温の領域を拡げることができ、加熱領域のみならず、冷凍領域（温度−ｈ２）における昇降温（ｈ１：１０００℃〜ｈ２：−１００℃）が可能である。したがって、この昇降温ユニットを用いた昇降温装置２０は、加熱装置のみならず、冷凍装置としても用いることができる。
【００２９】
以上説明したように、前記昇降温ユニットにあっては、加熱手段と冷却手段とを制御することにより、温度制御を高精度に行うことができる。しかも、加熱手段と冷却手段が一つのユニットに設けられているため、このユニットが設置された昇降室内の温度をより均一になすことができる。
【００３０】
本発明にかかる昇降温ユニットおよび昇降温装置は、例えば、微生物の冷凍及び解凍、遺伝子の冷凍及び解凍、臓器の冷凍、解凍等に用いることができる。また、薬品の製造プロセス、化合物の生成プロセス、半導体の製造プロセス等各種製造プロセスで、用いることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、昇降温室の昇降温を迅速になすことができると共に、温度制御を高精度に行うことができ、しかも昇降温室内の温度をより均一になすことができる昇降温ユニット及びこの昇降温ユニットを用いた昇降温装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明にかかる昇降温ユニットの第１の実施形態を示す一部断面図である。
【図２】図２は、図１の封止端子部分を示す断面図である。
【図３】図３は、接続線とカーボンワイヤー発熱体の接続部分を示す断面図である。
【図４】図４は、封止端子部の終端部分を示す斜視図である。
【図５】図５はカーボンワイヤー発熱体を示す図である。
【図６】図６は、図１に示した変形例を示す断面図である。
【図７】図７は、図１に示した変形例を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明にかかる昇降温装置の実施形態を示す概略構成図である。
【図９】図９は、昇降温装置の温度曲線を示す図である。
【図１０】図１０は、昇降温装置の温度曲線を示す図である。
【図１１】図１１は、従来のヒータを示す一部断面図である。
【図１２】図１２は、従来のヒータを用いた昇降温室の温度曲線である。
【符号の説明】
１昇降温ユニット
２小径管
３発熱体（カーボンワイヤー発熱体）
４封止端子部
５大径管
５ａフィン
６冷却媒体流路
７導入口
８排出口
９基台
２０昇降温装置
２１対象物
２２昇降温室
２３温度センサー
２４冷却媒体供給装置
２５電力供給装置
２６制御装置
２７切換え弁
２８冷却媒体供給管
２９冷却媒体供給管
３０流量計
３１温度センサー
３２排出制御弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a temperature raising and lowering unit and a temperature raising and lowering device using the temperature raising and lowering unit, and more particularly to a temperature raising and lowering unit including both a heating means and a cooling means and a temperature raising and lowering device using the temperature raising and lowering unit.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, heat treatment such as heat treatment has been performed in various fields. Generally, heat treatment is performed by a heater. The present applicant has already proposed in Japanese Patent No. 3372515 as a heater used in such a heat treatment apparatus.
The schematic configuration of the heater will be described with reference to FIG. 11. The heater supplies power to the quartz glass tube 50, the carbon wire heating element 51 enclosed in the quartz glass tube 50, and the carbon wire heating element 51. And a sealing terminal portion 52 having a connecting line 54 to be connected.
This heater causes the carbon wire heating element 51 to generate heat by supplying power to the connecting wires 54 of the sealing terminal portions 52 formed at both ends. In particular, in this heater, the carbon wire heating element 51 is covered with the quartz glass tube 50, so that the temperature can be increased more rapidly and uniform heat generation is possible.
[0003]
By the way, when heating to the predetermined temperature h1 using the heater, if it is heated suddenly (at time t1) as shown in FIG. 12, a heating state exceeding the predetermined temperature h1, that is, a so-called overshoot state is obtained, and then a predetermined temperature h1 is reached. There is a tendency to approach temperature.
In such an overshoot state, the object to be heated is heated more than necessary, causing damage. Therefore, it was necessary to heat gradually in order to suppress overshoot as much as possible.
On the other hand, when the temperature is lowered to h0, since natural cooling is generally performed, there is a problem that it takes a long time for the temperature to be lowered (time t3-t2). Further, in the case of natural cooling, since the outside air is introduced, there is a possibility that the object is contaminated.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3372515 (column 5, line 43 to column 6, line 3, page 14, column 27, line 47 to column 28, line 8)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As a method for solving such a problem, a cooling means is provided in the heat treatment apparatus (temperature raising / lowering apparatus) separately from the heating means such as the heater described above, and by controlling both, it is possible to suppress overshoot and reduce the temperature rise / fall time. Shortening can be achieved.
However, when the heating means and the cooling means are separately arranged in the elevating greenhouse and the temperature is controlled using both, there is a technical problem that the temperature in the elevating greenhouse does not become a uniform temperature. That is, the vicinity of the heating means is a high temperature region, and the vicinity of the cooling means is a low temperature region, and a uniform temperature cannot be obtained.
[0006]
The present invention is capable of quickly raising and lowering the temperature of an elevating greenhouse, performing temperature control with high accuracy, and capable of making the temperature in the elevating greenhouse more uniform, and the temperature raising and lowering unit. An object of the present invention is to provide a temperature raising and lowering device using a unit.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The heating / cooling unit according to the present invention made to solve the above technical problem includes a small-diameter tube, a heating element enclosed in the small-diameter tube, a sealing terminal portion for supplying electric power to the heating element, A large-diameter pipe formed on the outer periphery of the small-diameter pipe with the same axis as the small-diameter pipe, a cooling medium passage formed in a gap between the large-diameter pipe and the small-diameter pipe, and a cooling medium in the cooling medium passage And a discharge port for discharging the cooling medium introduced into the cooling medium flow path, and at the sealing terminal side of the inlet and the discharge port of the cooling medium flow path, sealing is performed. other party of the of the connection line of the stop pin portions in a gap between the large diameter tube and small diameter tube, is characterized in that reservoir of tuna wants cooling medium to the cooling medium flow path is formed.
[0008]
As described above, the heating / cooling unit according to the present invention includes a heating element enclosed in a small-diameter pipe, a large-diameter pipe having the same axis as the small-diameter pipe is provided around the small-diameter pipe, and the small-diameter pipe and the large-diameter pipe are provided. Since the cooling medium is supplied during the period, overshoot can be suppressed by controlling the heating element and the cooling medium, and the temperature rise / fall time can be shortened.
In addition, since the cooling medium flows so as to cover the heating element, in other words, the heating means is formed integrally with the cooling means, so that the temperature raising / lowering unit can be in a uniform temperature state. As a result, the temperature in the elevating greenhouse can be made more uniform.
Further, in the above sealing terminal side of the inlet and outlet of the coolant flow, the gap of other party of the large diameter tube and the smaller diameter tube than the connection line of the sealing terminal portion is tuna the coolant flow A cooling medium reservoir is formed. The pool portion serves as a quenching buffer layer for the rear end portion of the sealing terminal, and can further suppress the occurrence of cracks in the small-diameter pipe coupled to the connection line having a different thermal expansion coefficient. In addition, since the pool portion is formed ahead of the connection line, overshooting can be further suppressed by suppressing the decrease in the electric resistance value without cooling the connection line as much as possible.
[0009]
Here, the length of the reservoir 6a (from the terminal portion to the introduction port 7 or the discharge port 8) is preferably 50% to 150% of the diameter of the large diameter tube 5. If the length of the reservoir 6a is less than 50% of the diameter of the large-diameter tube 5, the buffering effect is not exhibited, and if it exceeds 150%, the cooling effect is inferior.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Below, the temperature raising / lowering unit concerning this invention is demonstrated based on FIG. 1 thru | or FIG. FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a first embodiment of a heating / cooling unit according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a sealing terminal portion of FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a perspective view showing a terminal portion of the sealing terminal portion, and FIG. 5 is a view showing the carbon wire heating element.
[0014]
1 includes a small-diameter tube 2, a carbon wire heating element 3 enclosed in the small-diameter tube 2, and a sealing terminal portion for supplying power to the carbon wire heating element 3. 4, a large diameter pipe 5 formed on the outer periphery of the small diameter pipe 2 with the same axis as the small diameter pipe 2, and a cooling medium flow path 6 formed in the gap between the large diameter pipe 5 and the small diameter pipe 2. And an inlet 7 for introducing the cooling medium into the cooling medium flow path 6 and an outlet 8 for discharging the cooling medium introduced into the cooling medium flow path 6. In the figure, reference numeral 9 denotes a base for fixing the lifting unit 1.
[0015]
The small-diameter tube 2 is a U-shaped small-diameter quartz glass tube in which sealing terminal portions 4 are formed at both ends, and a heating element 3 is accommodated therein.
The large-diameter tube 5 is a U-shaped large-diameter quartz glass tube formed with the same axis as the small-diameter tube 2, and the small-diameter tube 2 and the large-diameter tube 5 are so-called double tubes. Is configured. A gap formed by the outside of the small diameter pipe 2 and the inside of the large diameter pipe is formed as a cooling medium flow path 6.
Further, an introduction port 7 for introducing a cooling medium into the cooling medium flow path 6 is formed in the vicinity of one terminal portion 4 of the large-diameter pipe 5, and cooling is performed from the cooling medium flow path 6 in the vicinity of the other terminal portion 4. A discharge port 8 for discharging the medium is formed.
[0016]
A cooling medium reservoir 6 a is formed on the inlet 7 and outlet 8 of the cooling medium flow path 6 on the sealing terminal 4 side. This pool portion 6a serves as a quenching buffer layer for the rear end portion of the sealing terminal 4, and can further suppress the occurrence of cracks in the small-diameter pipe 2 coupled to the connecting wire 13 having a different thermal expansion coefficient. .
The length of the reservoir 6a (from the end portion to the introduction port 7 or the discharge port 8) is preferably 50% to 150% of the diameter of the large diameter tube 5. If the length of the reservoir 6a is less than 50% of the diameter of the large-diameter tube 5, the buffering effect is not exhibited, and if it exceeds 150%, the cooling effect is inferior.
[0017]
Further, as shown in FIG. 2, the reservoir 6 a is preferably formed ahead of the connection line 13.
That is, when the connection line 13 is cooled, the electric resistance value decreases. On the other hand, the electrical resistance values of the carbon wire heating element 3 and the wire carbon member 12 described later increase. Therefore, it is preferable that the connection line 13 is not cooled as much as possible and the decrease in the electric resistance value is suppressed from the point that overshoot can be further suppressed.
[0018]
Nichrome wire can be used in place of the carbon wire heating element 3, but it is preferable to use a carbon wire heating element. This is because the carbon wire heating element has a smaller heat capacity than the nichrome wire heater, so that the temperature can be increased rapidly.
In particular, when the small-diameter pipe 2 and the large-diameter pipe 5 are made of quartz glass, cracking due to heat shock is unlikely to occur, so rapid temperature increase is possible. In addition, the carbon wire heating element is preferable compared to the nichrome wire heater because the heat capacity is small and the temperature drops in a short time when the supply of power is cut off.
As the cooling medium, liquid or gas can be used. For example, liquid nitrogen can be used.
[0019]
Next, the sealing terminal portion 4 will be described in detail based on FIG. 2, FIG. 3, and FIG.
FIG. 3 shows the front end portion of the sealing terminal portion 4, and FIG. 4 shows the rear end portion of the sealing terminal portion 4.
As shown in FIGS. 2 and 3, a quartz glass tube 11 that accommodates an end portion of the carbon wire heating element 3, and a wire that is compressed and accommodated in the glass tube 11 and sandwiches the end portion of the carbon wire heating element 3. And a carbon member 12. The quartz glass tube 11 is housed inside the small diameter tube 2.
In addition, the wire carbon member 12 which clamps the edge part of the carbon wire heat generating body 3 uses the same thing as the carbon wire heat generating body 3, and bundles a plurality of 2 to 4 carbon wire heat generating bodies 3 which will be described later. Further, the wire carbon member 12 is formed by using three bundles. The carbon wire heating element 3 is disposed so as to be positioned between the three equal wire carbon bundles and substantially at the center of the quartz glass tube 11.
[0020]
Further, the rear end portion (terminal portion) of the sealing terminal portion 4 is pinched and sealed as shown in FIG. That is, a pinch seal portion 2 d is formed at the rear end portion of the sealing terminal portion 4, and tungsten (W) glass (tungsten (W) glass portion 2 c) close to the thermal expansion coefficient of tungsten (W) constituting the connection line 13. ) And the fused side with the small-diameter tube 2 is formed of quartz glass (quartz glass portion 2a).
Thus, since the pinch seal part 2d is formed of tungsten (W) glass having a thermal expansion coefficient close to that of tungsten (W) constituting the connection line 13, the glass part (pinch seal) accompanying the thermal expansion of the connection line 13 at a high temperature. Damage to the part 2d) can be prevented.
Moreover, the quartz glass part 2a fused to the small-diameter tube 2 is made of the same or the same quartz glass as the small-diameter tube 2, so that breakage due to thermal expansion can be further prevented.
Further, a graded seal portion 2b is formed between the quartz glass portion 2a and the tungsten (W) glass portion 2c. That is, the side in contact with the quartz glass portion 2a is made of a quartz glass composition or a material having a thermal expansion coefficient approximate to this, and the SiO ₂ component and the W glass component gradually change toward the side in contact with the W glass portion 2c. By providing a graded seal portion 2b made of a material in which the thermal expansion coefficient is approximated to that of W glass by providing a quartz glass portion 2a and a tungsten (W) glass portion 2c therebetween. Further, it is possible to prevent the glass tube 21 from being damaged due to thermal expansion at high temperature.
[0021]
Further, the carbon wire heating element 3 will be described with reference to FIG. 5. As shown in FIG. 5, the carbon wire heating element 3 is formed from a knitted string or braid formed by knitting a plurality of fiber bundles in which carbon fibers are bundled. It is configured.
As the carbon wire heating element 3, a carbon single fiber having a diameter of about 5 to 15 μm, for example, a bundle of about 3000 to 3500 carbon single fibers having a diameter of 7 μm is used to form about 9 bundles of braided or braids having a diameter of 2 mm. What was knitted into the shape is suitable.
[0022]
The reason why such a carbon wire heating element 3 is used is that, as described above, since the heat capacity is smaller than that of a conventional metal heater, the temperature can be rapidly raised. In particular, since the small diameter tube 2 and the large diameter tube 5 are made of quartz glass, rapid temperature increase is possible. Also, the resistance of the carbon wire heating element 3 tends to be high at room temperature unlike a metal heater and low at high temperatures. As a result, overcurrent does not flow even when the temperature is rapidly increased, and an accident such as a blown fuse can be prevented.
Furthermore, since the carbon wire heating element 3 is an assembly of carbon monofilaments, it is difficult to cut, and even if several pieces are cut, the resistance value does not change, so that it is suitable as a heater.
[0023]
Next, based on FIG. 6, FIG. 7, the modification of the said temperature raising / lowering unit is demonstrated. In the modification shown in FIG. 6, a plurality of fins 5 a are formed in the axial direction around the outer circumference of the large-diameter tube 5 with a predetermined interval.
As described above, when a plurality of fins 5a are formed in the axial direction around the outer periphery of the large-diameter pipe 5, the heat transfer efficiency is improved. be able to.
Moreover, the modification shown in FIG. 7 has shown the case where the small diameter pipe 2 and the large diameter pipe 5 are changed from U shape to Y shape. By changing the small-diameter pipe 2 and the large-diameter pipe 5 into a Y shape in this way, the contact area with the atmosphere in the elevating greenhouse is increased, so that the heat transfer efficiency is improved, and the temperature is rapidly increased or decreased. Can do.
[0024]
Next, a temperature increasing / decreasing apparatus using the temperature increasing / decreasing unit according to the present invention will be described with reference to FIG.
The temperature raising and lowering device 20 includes a temperature raising and lowering greenhouse 22 that accommodates an object 21 to be raised and lowered, the temperature raising and lowering unit 1 disposed in the temperature raising and lowering greenhouse 22, and a temperature sensor 23 that measures the temperature of the temperature raising and lowering greenhouse 22. Based on the temperature measured by the temperature sensor 23, the cooling medium supply device 24 that supplies the cooling medium to the heating / cooling unit 1, the power supply device 25 that supplies power to the heating element of the heating / cooling unit 1, and the temperature sensor 23. The controller 26 controls the amount of heat generated by the heating element of the heating / cooling unit 1 and the supply amount or temperature of the cooling medium.
In the figure, reference numeral 27 is a switching valve, 30 is a flow meter provided in the cooling medium supply pipe 28 and the discharge pipe 29, 31 is a temperature sensor similarly provided in the cooling medium supply pipe 28 and the discharge pipe 29, and 32 is This is a discharge amount control valve provided in the cooling medium discharge pipe 29. Further, since two cooling medium supply devices 24 are provided in the drawing, cooling mediums having different temperatures can be supplied as necessary.
[0025]
Next, operation | movement and an effect | action of this temperature raising / lowering apparatus 20 are demonstrated based on FIG. 9, FIG. Here, FIG. 9 shows a state where the temperature is rapidly raised and lowered from the temperature h0 to h1.
In the conventional heating apparatus, since the temperature is raised to a predetermined temperature only by the heater, an overshoot phenomenon exceeding the predetermined temperature h1 occurs as shown by a dotted line in the figure. On the other hand, similarly in the refrigeration apparatus, since the temperature is lowered only by the cooling apparatus, an overshoot phenomenon exceeding the predetermined temperature h0 occurs as indicated by a dotted line in the figure.
[0026]
On the other hand, the heating / cooling unit 1 according to the present invention includes a carbon wire heating element 3 as a heating means and a cooling medium flow path 6 as a cooling means.
Therefore, when the temperature inside the elevating greenhouse 22 is rapidly raised to the predetermined temperature h1, the temperature is first raised by the carbon wire heating element 3. At this time, the cooling medium supply device 24 is stopped. Then, based on the measurement result of the temperature sensor 23, the supply of electric power to the carbon wire heating element 3 is stopped before the predetermined temperature h1. And a cooling medium is supplied to the said cooling medium flow path 6, and the remaining heat of the carbon wire heat generating body 3 is removed. At this time, the temperature and flow rate of the cooling medium are determined from the temperature rise of the elevating greenhouse 22 after the supply of power to the carbon wire heating element 3 is stopped, the temperature of the discharged cooling medium, and the like.
As a result, as shown in FIG. 9, the overshoot phenomenon can be suppressed.
[0027]
Further, when the temperature is rapidly lowered from the temperature h1 to h0 with the cooling medium, the cooling medium supply device 24 is stopped and the electric power is supplied to the carbon wire heating element 3 before the predetermined temperature h0. As a result, the overshoot phenomenon can be suppressed as in the case described above.
[0028]
In addition, since the temperature raising / lowering unit according to the present invention includes the carbon wire heating element 3 which is a heating means and the cooling medium flow path 6 which is a cooling means, as shown in FIG. The temperature can be raised and lowered (h1: 1000 ° C. to h2: −100 ° C.) in the freezing region (temperature −h2) as well as the heating region. Therefore, the temperature raising and lowering device 20 using this temperature raising and lowering unit can be used not only as a heating device but also as a refrigeration device.
[0029]
As described above, in the temperature raising / lowering unit, temperature control can be performed with high accuracy by controlling the heating means and the cooling means. Moreover, since the heating means and the cooling means are provided in one unit, the temperature in the lift chamber in which this unit is installed can be made more uniform.
[0030]
The temperature raising / lowering unit and temperature raising / lowering device according to the present invention can be used for, for example, freezing and thawing microorganisms, freezing and thawing genes, freezing and thawing organs, and the like. Further, it can be used in various manufacturing processes such as a chemical manufacturing process, a compound generation process, and a semiconductor manufacturing process.
[0031]
【The invention's effect】
The present invention is capable of quickly raising and lowering the temperature of an elevating greenhouse, performing temperature control with high accuracy, and capable of making the temperature in the elevating greenhouse more uniform, and the temperature raising and lowering unit. A temperature raising and lowering device using the unit can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a first embodiment of a temperature raising / lowering unit according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a sealed terminal portion of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a connection portion between a connection line and a carbon wire heating element.
FIG. 4 is a perspective view showing a terminal portion of a sealing terminal portion.
FIG. 5 is a view showing a carbon wire heating element.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a modification example shown in FIG. 1;
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modification shown in FIG. 1;
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a temperature raising and lowering device according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a temperature curve of the temperature raising and lowering device.
FIG. 10 is a diagram showing a temperature curve of the temperature raising and lowering device.
FIG. 11 is a partial cross-sectional view showing a conventional heater.
FIG. 12 is a temperature curve of an elevating greenhouse using a conventional heater.
[Explanation of symbols]
1 Heating / cooling unit 2 Small diameter tube 3 Heating element (carbon wire heating element)
4 Sealing terminal portion 5 Large diameter tube 5a Fin 6 Cooling medium flow path 7 Inlet 8 Ejecting port 9 Base 20 Elevating / warming device 21 Object 22 Elevating greenhouse 23 Temperature sensor 24 Cooling medium supply device 25 Electric power supply device 26 Control device 27 Switching valve 28 Cooling medium supply pipe 29 Cooling medium supply pipe 30 Flow meter 31 Temperature sensor 32 Discharge control valve

Claims

小径管と、前記小径管内に封入された発熱体と、前記発熱体に電力を供給する封止端子部と、前記小径管の外周囲に前記小径管と軸線を同一にして形成された大径管と、前記大径管と小径管の間隙に形成された冷却媒体流路と、前記冷却媒体流路に冷却媒体を導入するための導入口と、前記冷却媒体流路に導入された冷却媒体を排出するための排出口とを備え、
前記冷却媒体流路の導入口および排出口の封止端子側において、封止端子部の接続線よりも先方の前記大径管と小径管の間隙に、冷却媒体流路につながる冷却媒体の溜り部が形成されていることを特徴とする昇降温ユニット。A small-diameter tube, a heating element enclosed in the small-diameter tube, a sealing terminal portion for supplying electric power to the heating element, and a large-diameter formed on the outer periphery of the small-diameter tube with the same axis as the small-diameter tube A cooling medium channel formed in a gap between the large diameter tube and the small diameter tube, an inlet for introducing the cooling medium into the cooling medium channel, and a cooling medium introduced into the cooling medium channel and a discharge opening for discharging,
Wherein the inlet and the sealing terminal side of the outlet of the cooling medium flow path, other party of the of the connection line of the sealing terminal portion in the gap between the large diameter tube and the smaller diameter tube, tuna wants to coolant flow cooling A temperature increasing / decreasing unit characterized in that a medium reservoir is formed.

前記溜り部の終端部から導入口あるいは排出口までの溜り部の長さが、大径管の直径の５０％〜１５０％に形成されていることを特徴とする請求項１記載の昇降温ユニット。 2. The temperature increasing / decreasing unit according to claim 1, wherein the length of the reservoir portion from the terminal portion of the reservoir portion to the introduction port or the discharge port is 50% to 150% of the diameter of the large diameter pipe. .