JPH06307791A - 高性能伝熱体 - Google Patents
高性能伝熱体Info
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- JPH06307791A JPH06307791A JP9942393A JP9942393A JPH06307791A JP H06307791 A JPH06307791 A JP H06307791A JP 9942393 A JP9942393 A JP 9942393A JP 9942393 A JP9942393 A JP 9942393A JP H06307791 A JPH06307791 A JP H06307791A
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- Japan
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- heat transfer
- temperature difference
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
- F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
- F28F13/187—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites
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- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 伝熱面と液体との温度差が大きい場合でも膜
沸騰せず、広範にわたって有効な高性能伝熱面を得るも
のである。 【構成】 金属又は合金からなる伝熱基体表面に、熱の
不良導体材料からなる多孔質層を設けたことを特徴とす
るものである。 【効果】 伝熱面と液体との温度差が大きくても沸騰せ
ず、核沸騰が維持でき、温度差が小さいときも核沸騰が
促進され、高性能な伝熱面を提供することができる。し
たがって、冷却速度が早くなり、その分効率的となっ
て、装置を小型化することができる。
沸騰せず、広範にわたって有効な高性能伝熱面を得るも
のである。 【構成】 金属又は合金からなる伝熱基体表面に、熱の
不良導体材料からなる多孔質層を設けたことを特徴とす
るものである。 【効果】 伝熱面と液体との温度差が大きくても沸騰せ
ず、核沸騰が維持でき、温度差が小さいときも核沸騰が
促進され、高性能な伝熱面を提供することができる。し
たがって、冷却速度が早くなり、その分効率的となっ
て、装置を小型化することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば低温エッチング
装置、ＬＰＧのベーパーライザーなどの大温度差領域で
使用される熱交換器に用いられる高性能伝熱体に関する
ものである。
装置、ＬＰＧのベーパーライザーなどの大温度差領域で
使用される熱交換器に用いられる高性能伝熱体に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】熱交換器は温度の異なる２流体を熱伝達
させて、両者の温度差を狭めるものであり、２流体を分
ける熱交換器壁での表面熱伝達が課題となる。この場
合、一方の流体の沸点が伝熱面温度より低い場合にはそ
の流体が沸騰し、通常の伝熱形態とは異なり、核沸騰か
膜沸騰かで熱伝達が大きく変化する。核沸騰とは、伝熱
面に液が接しており、伝熱面から蒸気泡が出ることであ
り、膜沸騰とは、伝熱面上は蒸気層であり、液と伝熱面
は接触しておらず、蒸気泡は蒸気層に接する液面から出
ることをいう。
させて、両者の温度差を狭めるものであり、２流体を分
ける熱交換器壁での表面熱伝達が課題となる。この場
合、一方の流体の沸点が伝熱面温度より低い場合にはそ
の流体が沸騰し、通常の伝熱形態とは異なり、核沸騰か
膜沸騰かで熱伝達が大きく変化する。核沸騰とは、伝熱
面に液が接しており、伝熱面から蒸気泡が出ることであ
り、膜沸騰とは、伝熱面上は蒸気層であり、液と伝熱面
は接触しておらず、蒸気泡は蒸気層に接する液面から出
ることをいう。
【０００３】沸騰する場合の熱伝達で、流体間の温度差
が２０Ｋ以下と比較的小さい場合には、核沸騰促進型の
高性能伝熱面がいろいろ考案されている。例えば伝熱面
に微小孔を設けて核沸騰を促進し、結果的に同じ熱量を
伝えるときに、伝熱面温度と流体温度の差がより小さく
なるようにしたものである。
が２０Ｋ以下と比較的小さい場合には、核沸騰促進型の
高性能伝熱面がいろいろ考案されている。例えば伝熱面
に微小孔を設けて核沸騰を促進し、結果的に同じ熱量を
伝えるときに、伝熱面温度と流体温度の差がより小さく
なるようにしたものである。
【０００４】しかしながら、伝熱面と冷媒液沸点の温度
差（過熱度と呼ぶ）が１０Ｋを超えるようになると、核
沸騰から膜沸騰へと変り易くなり、２０Ｋを超えると膜
沸騰を起し、熱伝達は伝熱面→蒸気層→液面と伝わるの
で、伝熱面温度と液体温度は急増し、表面熱伝達率は低
下する。
差（過熱度と呼ぶ）が１０Ｋを超えるようになると、核
沸騰から膜沸騰へと変り易くなり、２０Ｋを超えると膜
沸騰を起し、熱伝達は伝熱面→蒸気層→液面と伝わるの
で、伝熱面温度と液体温度は急増し、表面熱伝達率は低
下する。
【０００５】従来、小温度差領域で高い伝熱性能を有
し、かつ、伝熱性能の安定した、信頼性のある高性能伝
熱体に関しては、さまざまな創意工夫がなされ、特許出
願もなされている。例えば、特公平２−５３７１７号公
報に記載された多孔質伝熱面もその一つである。因に該
公報に記載されたものは、多孔質層により構成された伝
熱面において、多孔質層の表面の一部に多孔質層表面の
一空隙率を規則的に変化させた溝が複数配置され、溝部
分の空隙率が溝のない部分より小さく形成されているこ
とを特徴とするものである。
し、かつ、伝熱性能の安定した、信頼性のある高性能伝
熱体に関しては、さまざまな創意工夫がなされ、特許出
願もなされている。例えば、特公平２−５３７１７号公
報に記載された多孔質伝熱面もその一つである。因に該
公報に記載されたものは、多孔質層により構成された伝
熱面において、多孔質層の表面の一部に多孔質層表面の
一空隙率を規則的に変化させた溝が複数配置され、溝部
分の空隙率が溝のない部分より小さく形成されているこ
とを特徴とするものである。
【０００６】大温度差領域すなわち膜沸騰状態での高性
能伝熱面については、さきに本出願人が提案した技術が
ある。（特開平４−３７１８００号公報参照）これは伝
熱面に熱の良導体材料を用いるものである。
能伝熱面については、さきに本出願人が提案した技術が
ある。（特開平４−３７１８００号公報参照）これは伝
熱面に熱の良導体材料を用いるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、熱の不良導
体材料を用いて、伝熱面と液体との温度差が例えば４０
〜４００Ｋのような大温度差であっても、膜沸騰せず、
核沸騰が維持でき、温度差の小さい時にも核沸騰が促進
され、結果的に大温度差領域および小温度差領域の広い
温度差領域にわたって高性能な伝熱面を提供することを
目的とするものである。
体材料を用いて、伝熱面と液体との温度差が例えば４０
〜４００Ｋのような大温度差であっても、膜沸騰せず、
核沸騰が維持でき、温度差の小さい時にも核沸騰が促進
され、結果的に大温度差領域および小温度差領域の広い
温度差領域にわたって高性能な伝熱面を提供することを
目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、金属又は合金
からなる伝熱基体表面に、熱の不良導体材料からなる多
孔質層を設けたことを特徴とする高性能伝熱体である。
上記多孔質層は、ガラスウール、カーボンファイバー、
セラミックス等の無機質材料、あるいはガーゼ等の有機
質材料よりなるものである。その他伝熱基体面に長繊維
を植毛したものでもよい。
からなる伝熱基体表面に、熱の不良導体材料からなる多
孔質層を設けたことを特徴とする高性能伝熱体である。
上記多孔質層は、ガラスウール、カーボンファイバー、
セラミックス等の無機質材料、あるいはガーゼ等の有機
質材料よりなるものである。その他伝熱基体面に長繊維
を植毛したものでもよい。
【０００９】多孔質層の厚さは１〜５ｍｍがよい。１ｍ
ｍ未満の場合、多孔質層を設けた効果が得られず、本発
明の目的を達成することができない。又、５ｍｍを超え
ると、これ以上多孔質層の厚さを大きくしても、伝熱性
能が向上しないためである。特に伝熱管として使用する
場合、多孔質層が２ｍｍを超えると、伝熱管の径が大き
くなり、一定域に伝熱管を多数設けることができなくな
り、装置全体として温度の制御が容易に行えなくなる。
ｍ未満の場合、多孔質層を設けた効果が得られず、本発
明の目的を達成することができない。又、５ｍｍを超え
ると、これ以上多孔質層の厚さを大きくしても、伝熱性
能が向上しないためである。特に伝熱管として使用する
場合、多孔質層が２ｍｍを超えると、伝熱管の径が大き
くなり、一定域に伝熱管を多数設けることができなくな
り、装置全体として温度の制御が容易に行えなくなる。
【００１０】本発明の伝熱面構成は、図１に示す如く、
金属又は合金からなる伝熱基体表面に、熱の不良導体で
ある無機質又は有機質からなる多孔質層を被覆したもの
である。これにより、温度は被覆層部でＴｗ2−Ｔｓを
大きくとることができる。この結果、被覆外表面Ｔｓ−
Ｔｏが小さく、かつ多孔質層であるから、核沸騰が被覆
層で生じ、総合的にＴｗ2−Ｔｏが小さくなる。因に従
来の熱良導体被覆では、Ｔｗ2−Ｔｓが小さく、Ｔｓ−
Ｔｏが大きくなり、総合的にＴｗ2−Ｔｏが大きくな
る。熱伝達係数は、α＝Ｑ／（Ｔｗ2−Ｔｏ）であるか
ら、Ｔｗ2−Ｔｏが小さくなれば、熱伝達性能が高いこ
ととなる。図２は多孔質層の具体例を示すもので、ａは
網状積層、ｂは植毛層、ｃは綿状層、ｄは粒状層よりな
るものである。
金属又は合金からなる伝熱基体表面に、熱の不良導体で
ある無機質又は有機質からなる多孔質層を被覆したもの
である。これにより、温度は被覆層部でＴｗ2−Ｔｓを
大きくとることができる。この結果、被覆外表面Ｔｓ−
Ｔｏが小さく、かつ多孔質層であるから、核沸騰が被覆
層で生じ、総合的にＴｗ2−Ｔｏが小さくなる。因に従
来の熱良導体被覆では、Ｔｗ2−Ｔｓが小さく、Ｔｓ−
Ｔｏが大きくなり、総合的にＴｗ2−Ｔｏが大きくな
る。熱伝達係数は、α＝Ｑ／（Ｔｗ2−Ｔｏ）であるか
ら、Ｔｗ2−Ｔｏが小さくなれば、熱伝達性能が高いこ
ととなる。図２は多孔質層の具体例を示すもので、ａは
網状積層、ｂは植毛層、ｃは綿状層、ｄは粒状層よりな
るものである。
【００１１】
【実施例】図３に示すように、直径１２ｍｍ、長さ６０
ｍｍの銅棒よりなる伝熱基体に熱電対を付し、表面に多
孔質層を形成した。多孔質層としては、銅あるいは青銅
の焼結面（先行例に相当）、ガーゼ巻き面（巻き回数を
変えたもの、本発明例に相当）を適用した。これらの試
料を液体窒素中で加熱後、自然冷却する時の各伝熱面の
冷却速度を図５に示す。ガーゼ巻き面を有するものが極
めて早く温度が低下し、熱伝達性能が高いことを示して
いる。
ｍｍの銅棒よりなる伝熱基体に熱電対を付し、表面に多
孔質層を形成した。多孔質層としては、銅あるいは青銅
の焼結面（先行例に相当）、ガーゼ巻き面（巻き回数を
変えたもの、本発明例に相当）を適用した。これらの試
料を液体窒素中で加熱後、自然冷却する時の各伝熱面の
冷却速度を図５に示す。ガーゼ巻き面を有するものが極
めて早く温度が低下し、熱伝達性能が高いことを示して
いる。
【００１２】又、図４に示すような図３と同様の試料の
銅棒内に熱電対の他にヒーターをつけたものを用い、こ
れを多孔質層のみが露出するようにして、液体窒素中で
ヒーター加熱し、銅棒の温度を計測し、これを図６にま
とめた。図６の横軸は銅棒の温度と液体窒素沸点との温
度差で縦軸はヒーターの熱流束（Ｗ／ｍ2）である。熱
伝導率＝熱流束／温度差であるから、図６では熱伝達性
能の高低が示される。図中、上部の方が熱伝達性能が高
く、下部の方が低い。例えば試料ロの銅焼結面を有する
ものは温度差１０Ｋ以下で高性能（核沸騰促進）であ
り、試料ハの青銅焼結面を有するものは温度差１０〜１
００Ｋで高性能である。本発明の試料ニ〜リは温度差１
００Ｋ以上で高性能である。温度差４０〜４００℃の範
囲で１０5以上の熱流束が得られている。ガーゼ（１巻
きで０．２ｍｍ）は１２巻きで約２ｍｍぐらいの厚さと
なる（重なり合うので）が、効果的には１〜５ｍｍ（５
〜５０巻き、ただし、強く巻いたもので約１０〜５０巻
き緩く巻いたもので約５〜２５巻きである）特に１〜２
ｍｍがよい。試料ハ以外は温度差がほぼ１０〜１００Ｋ
の間で線が表示されていないが、これは１００Ｋでの熱
流束値のまま、温度差が時間と共に低下し、１０Ｋ以下
の線に移行するためである。すなわち１０2Ｋの熱流束
値のまま左に線を引くように変化するものであって、こ
れを遷移領域と呼ぶ。
銅棒内に熱電対の他にヒーターをつけたものを用い、こ
れを多孔質層のみが露出するようにして、液体窒素中で
ヒーター加熱し、銅棒の温度を計測し、これを図６にま
とめた。図６の横軸は銅棒の温度と液体窒素沸点との温
度差で縦軸はヒーターの熱流束（Ｗ／ｍ2）である。熱
伝導率＝熱流束／温度差であるから、図６では熱伝達性
能の高低が示される。図中、上部の方が熱伝達性能が高
く、下部の方が低い。例えば試料ロの銅焼結面を有する
ものは温度差１０Ｋ以下で高性能（核沸騰促進）であ
り、試料ハの青銅焼結面を有するものは温度差１０〜１
００Ｋで高性能である。本発明の試料ニ〜リは温度差１
００Ｋ以上で高性能である。温度差４０〜４００℃の範
囲で１０5以上の熱流束が得られている。ガーゼ（１巻
きで０．２ｍｍ）は１２巻きで約２ｍｍぐらいの厚さと
なる（重なり合うので）が、効果的には１〜５ｍｍ（５
〜５０巻き、ただし、強く巻いたもので約１０〜５０巻
き緩く巻いたもので約５〜２５巻きである）特に１〜２
ｍｍがよい。試料ハ以外は温度差がほぼ１０〜１００Ｋ
の間で線が表示されていないが、これは１００Ｋでの熱
流束値のまま、温度差が時間と共に低下し、１０Ｋ以下
の線に移行するためである。すなわち１０2Ｋの熱流束
値のまま左に線を引くように変化するものであって、こ
れを遷移領域と呼ぶ。
【００１３】次に本発明の応用例について述べる。超Ｌ
ＳＩの加工に用いられる低温エッチング装置は、加工面
を−１３０℃程度に冷却するため、例えば図７に示すよ
うな構成がとられる。図７中、１はウェーハＷを載置し
て加工する加工面で、その下部に液体窒素槽２を取付
け、加工面１から垂下する伝熱制御棒３を液体窒素４に
浸し冷却する。液体窒素４は液体窒素入口５より入り窒
素ガス出口６よりガスとなって排出される。伝熱制御
は、液体窒素の液レベルを調整し、伝熱制御棒３の液浸
漬深さを変えることによる冷却制御と加工面１に内蔵し
たヒーター７による加熱制御のバランスで行う。ウェー
ハＷの加工は、加工時にプラズマ照射を受けるので、加
工時とウェーハＷ交換時のような非加工時との熱負荷差
が大きい。又、加工面１は−１００℃、液体窒素の沸点
は−１９６℃と、両者の温度差も大きい。
ＳＩの加工に用いられる低温エッチング装置は、加工面
を−１３０℃程度に冷却するため、例えば図７に示すよ
うな構成がとられる。図７中、１はウェーハＷを載置し
て加工する加工面で、その下部に液体窒素槽２を取付
け、加工面１から垂下する伝熱制御棒３を液体窒素４に
浸し冷却する。液体窒素４は液体窒素入口５より入り窒
素ガス出口６よりガスとなって排出される。伝熱制御
は、液体窒素の液レベルを調整し、伝熱制御棒３の液浸
漬深さを変えることによる冷却制御と加工面１に内蔵し
たヒーター７による加熱制御のバランスで行う。ウェー
ハＷの加工は、加工時にプラズマ照射を受けるので、加
工時とウェーハＷ交換時のような非加工時との熱負荷差
が大きい。又、加工面１は−１００℃、液体窒素の沸点
は−１９６℃と、両者の温度差も大きい。
【００１４】この装置の伝熱制御はウェーハ加工面１の
温度を例えば−１０５℃に設定し、温度上昇時に液体窒
素液位を上昇させ、温度低下時に液体窒素液位を低下さ
せて行う。この温度制御を応答良く行うためには、伝熱
制御棒３の温度は−１２０℃にもなり、液体窒素沸点−
１９６℃との温度差が大きく、無処理面では膜沸騰を生
じるので、伝熱制御棒の長さや本数が大となり、装置が
大型化する。液体窒素を回収、液化する装置を組合せて
冷媒密閉回路を形成すると、耐圧性の問題その他でさら
に装置が大型化する。
温度を例えば−１０５℃に設定し、温度上昇時に液体窒
素液位を上昇させ、温度低下時に液体窒素液位を低下さ
せて行う。この温度制御を応答良く行うためには、伝熱
制御棒３の温度は−１２０℃にもなり、液体窒素沸点−
１９６℃との温度差が大きく、無処理面では膜沸騰を生
じるので、伝熱制御棒の長さや本数が大となり、装置が
大型化する。液体窒素を回収、液化する装置を組合せて
冷媒密閉回路を形成すると、耐圧性の問題その他でさら
に装置が大型化する。
【００１５】又、液体窒素の代りにフロンを用いて冷凍
機と組合せると、装置が大型化し、フロン液を大量に要
することとなり、非運転時にフロン液温が上り、圧力が
高くなるので、同じく装置の耐圧力のため、さらに装置
が大型化する。
機と組合せると、装置が大型化し、フロン液を大量に要
することとなり、非運転時にフロン液温が上り、圧力が
高くなるので、同じく装置の耐圧力のため、さらに装置
が大型化する。
【００１６】そこで、図７における伝熱制御棒３の表面
あるいはさらに液体窒素層２の内壁面に、本発明に係る
多孔質層８を施せば、熱伝達率は約１０倍となるので装
置の小型化に寄与する。
あるいはさらに液体窒素層２の内壁面に、本発明に係る
多孔質層８を施せば、熱伝達率は約１０倍となるので装
置の小型化に寄与する。
【００１７】
【発明の効果】本発明によれば、伝熱面と液体との温度
差が大きくても膜沸騰せず、核沸騰が維持でき、温度差
が小さい時にも核沸騰が促進され、結果的に大温度差領
域および小温度差領域の広い温度差領域にわたって高性
能な伝熱面を提供することができる。したがって、冷却
速度が早くなり、その分効率的となって装置を小型化す
ることができる。
差が大きくても膜沸騰せず、核沸騰が維持でき、温度差
が小さい時にも核沸騰が促進され、結果的に大温度差領
域および小温度差領域の広い温度差領域にわたって高性
能な伝熱面を提供することができる。したがって、冷却
速度が早くなり、その分効率的となって装置を小型化す
ることができる。
【図１】本発明の構成の説明図である。
【図２】本発明の具体的な構成例の説明図である。
【図３】本発明の試験例における試料の説明図である。
【図４】本発明の試験例における試料の説明図である。
【図５】各種伝熱面の冷却速度の試験結果を示すグラフ
である。
である。
【図６】各種伝熱面の沸騰曲線を示すグラフである。
【図７】本発明を低温エッチング装置に応用した例の説
明図である。
明図である。
１ 加工面 ２ 液体窒素槽 ３ 伝熱制御棒 ４ 液体窒素 ５ 液体窒素入口 ６ 窒素ガス出口 ７ ヒーター ８ 多孔質体
Claims (4)
- 【請求項１】 金属又は合金からなる伝熱基体表面に、
熱の不良導体材料からなる多孔質層を設けたことを特徴
とする高性能伝熱体。 - 【請求項２】 多孔質層は、ガラスウール、カーボンフ
ァイバー、セラミックスの如き無機質材料あるいはガー
ゼの如き有機質材料よりなる請求項１記載の高性能伝熱
体。 - 【請求項３】 多孔質層の厚さが１ないし５ｍｍである
請求項１又は２記載の高性能伝熱体。 - 【請求項４】 多孔質層の厚さが１ないし２ｍｍである
請求項３記載の高性能伝熱体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9942393A JPH06307791A (ja) | 1993-04-26 | 1993-04-26 | 高性能伝熱体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9942393A JPH06307791A (ja) | 1993-04-26 | 1993-04-26 | 高性能伝熱体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06307791A true JPH06307791A (ja) | 1994-11-01 |
Family
ID=14247060
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9942393A Pending JPH06307791A (ja) | 1993-04-26 | 1993-04-26 | 高性能伝熱体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06307791A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001013057A1 (fr) * | 1999-08-12 | 2001-02-22 | Nkk Corporation | Tube d'echange thermique et procede de recuperation de chaleur utilisant ce tube |
| JP2008229510A (ja) * | 2007-03-20 | 2008-10-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 発熱体、蒸発装置および気泡微細化方法 |
| JP2010528207A (ja) * | 2007-05-22 | 2010-08-19 | エミテック ゲゼルシヤフト フユア エミツシオンス テクノロギー ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 流体を蒸発させるための装置及び方法 |
| JP2010249501A (ja) * | 2009-04-17 | 2010-11-04 | General Electric Co <Ge> | 表面処理基材を備えた熱交換器 |
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| CN114206640A (zh) * | 2019-10-23 | 2022-03-18 | 株式会社Uacj | 传热双层管、传热双层管用内管及其制造方法 |
Citations (1)
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| JPS60169089A (ja) * | 1984-02-10 | 1985-09-02 | Agency Of Ind Science & Technol | 沸騰伝熱面 |
-
1993
- 1993-04-26 JP JP9942393A patent/JPH06307791A/ja active Pending
Patent Citations (1)
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| CN114206640A (zh) * | 2019-10-23 | 2022-03-18 | 株式会社Uacj | 传热双层管、传热双层管用内管及其制造方法 |
| CN114206640B (zh) * | 2019-10-23 | 2024-03-08 | 株式会社Uacj | 传热双层管、传热双层管用内管及其制造方法 |
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