KR100965446B1 - 유체 온도조절장치 - Google Patents

Abstract

냉각가열에 따른 온도사이클의 반복환경에서도 전열실에서의 높은 시일성이 유지되어 온도의 정밀한 컨트롤이 가능한 유체 온도조절장치. 이 유체 온도조절장치는 유체의 적어도 1 개의 유입구 및 적어도 1 개의 유출구와, 유체를 통과시킴으로써 이 유체의 온도를 조절하는 전열실 (10) 의 일부를 형성하는 오목부가 형성된 전열블록 (1) 과; 전열블록의 오목부를 덮음으로써 전열실을 형성하는 전열판 (2) 과; 전열블록과 전열판을 접촉부분이 밀착하도록 지지하는 지지부로서, 전열블록의 열팽창 또는 열수축에 추종하여 이 탄성체가 신축함으로써 상기 전열블록의 소성 변형을 방지하도록 전열블록과 전열판을 탄성체를 사용하여 누르는 지지부 (60) 와; 전열판을 통하여 전열실을 통과하는 유체와의 사이에서 열교환하는 온도조절부 (50) 를 포함한다.

Description

유체 온도조절장치 {THERMO CONTROLLER}

도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치의 구조를 나타내는 단면도.

도 2 는 도 1 에 나타내는 유체 온도조절장치의 전열실의 구조를 나타내는 평면도.

도 3 은 도 2 의 전열실의 정면 단면도.

도 4 는 본 발명의 제 2 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치에 포함되는 전열블록의 구조를 나타내는 평면도.

도 5 는 본 발명의 제 3 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치의 구조를 나타내는 단면도.

도 6 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치의 변형예를 나타내는 단면도.

도 7a ∼ 도 7c 는 본 발명의 제 4 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치의 구조를 나타내는 단면도.

도 8 은 종래의 유체 온도조절장치의 구조를 모식적으로 나타내는 평면도.

도 9a 및 도 9b 는 종래의 다른 유체 온도조절장치의 구조를 모식적으로 나타내는 도면으로, 도 9a 는 측면도, 도 9b 는 도 9a 의 Ⅳ-Ⅳ 에서의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 전열블록 2 : 전열판

2a : 비정질 카본필름 7 : 유입구

9 : 유출구 10 : 전열실

24 : 시일부재 50 : 온도조절부

60 : 지지부 61a, 61b : 프레임

62 : 볼트 63 : 너트

64 : 코일스프링 65 : 스프링 누름부

본 발명은 유체 온도조절장치에 관련된 것으로, 특히 반도체 제조장치 등의 처리액으로 사용되는 부식성 유체의 온도를 정밀하게 조절하는 데에 적합한 유체 온도조절장치에 관한 것이다.

에칭이나 세정, 레지스트 박리 등의 반도체 웨이퍼의 처리작업에는 일반적으로 부식성이 높고 고순도의 약액이 사용된다. 이와 같은 약액의 반응속도는 온도의존성이 높다. 약액의 반응을 정확하게 제어하기 위해서는 약액의 온도를 예컨대 15∼85℃ 의 범위에서 고정밀도로 제어할 필요가 있다. 이와 같은 온도제어에는 다양한 온도조절장치가 사용되고 있다.

도 8 은 종래의 유체 온도조절장치의 구조를 모식적으로 나타내는 평면도이 다.

이 유체 온도조절장치 (100) 는 불소계 수지 등의 내식성 재료로 이루어지는 블록내에 형성된 전열실 (101) 을 갖고 있다. 전열실 (101) 내를 통과하는 유체에는 열전소자 모듈 등의 온도제어장치로부터 열이 전달된다. 전열실 (101) 의 내부는 3 장의 유로형성 플레이트 (103) 에 의해 깊이방향으로 4 개의 구획 (105) 으로 분할되어 있다. 유로형성 플레이트 (103) 의 일단에는 개구 (107) 가 형성되어 있다. 이 개구 (107) 는 3 장의 유로형성 플레이트 (103) 의 끝단에 번갈아 배치되어 있다. 이와 같은 구성에 의해 각 분할 구획 (105) 은 개구 (107) 를 통하여 서로 연통하여 전열실내를 꾸불거리며 흐르는 유로를 형성한다.

전열실 (101) 내의 최상부 및 최하부의 2 개의 구획 (105) 에는 이들 구획 (105) 에 연통하는 파이프가 접속되어 있다. 한쪽 파이프는 유체 도입파이프 (109) 이며 다른쪽 파이프는 유체 도출파이프 (111) 이다. 파이프는 유로형성 플레이트 (103) 의 개구 (107) 로부터 먼 위치에서 각 구획에 접속되어 있다. 유체 도입파이프 (109) 로부터 전열실 (101) 내로 들어간 유체는 전열실내를 꾸불거리며 흐르는 동안 온도제어장치로부터 방열 또는 흡열을 받아 온도조절된다. 그리고 온도조절된 유체가 유체 도출파이프 (111) 로부터 다음 공정으로 공급된다. 또한, 도 8 에 나타내는 유체 온도조절장치의 상세에 대해서는 일본 공개특허공보 평11-67717호에 개시되어 있다.

도 9a 및 도 9b 는 종래의 다른 유체 온도조절장치의 구조를 모식적으로 나타내는 도면으로, 도 9a 는 측면도, 도 9b 는 도 9a 의 Ⅳ-Ⅳ 에서의 단면도이다. 이 유체 온도조절장치 (120) 는 도 9a 에 나타내는 바와 같은 전열실 (121) 을 갖고 있다. 전열실 (121) 의 상면과 하면에는 전열판 (123) 이 부착되어 있다. 전열판 (123) 에는 열전소자 모듈 등의 온도제어장치가 접속되어 있고, 이 온도제어장치의 제어에 의해 전열실 (121) 에 대해 방열 또는 흡열을 실시한다. 또, 전열실 (121) 은 이 전열실의 상구획 (125) 및 하구획 (127) 을 갖고, 두 구획을 연통하는 홀 (129a) 및 홀 (129b) 이 형성되어 있다. 도 9b 에 나타내는 바와 같이 상구획 (125) 및 하구획 (127) 은 각각 분리벽 (131) 에 의해 2 개로 분할되어 있다. 홀 (129a) 및 홀 (129b) 의 측면에는 유체 도입파이프 (133) 및 유체 도출파이프 (135) 가 각각 접속되어 있다.

유체 도입파이프 (133) 로부터 홀 (129a) 로 들어간 유체는 동 구획에서 상하로 나뉘어 상구획 (125) 과 하구획 (127) 으로 분기되고, 각 구획내에서 분리벽 (131) 을 따라 U 턴하듯이 흐르고, 이 사이에 열전소자 모듈 등에 의해 온도조절된다. 그리고, 홀 (129b) 에서 합류하여 유체 도출파이프 (135) 로부터 다음 공정으로 유출된다.

이와 같은 유체 온도조절장치에서는 유체의 온도를 정밀하게 제어하기 위해 유체가 유로를 흐르는 동안에 균일하게 열전소자에 접할 필요가 있다. 따라서, 전열실내에서 유체의 소용돌이가 발생하거나 유속이 늦어져 고임이 발생하는 등 유체의 흐름이 불규칙해지는 부분이 가능한 한 적어지도록 유로를 형성할 필요가 있다. 또, 장치 사용후에 약액을 빼낼 때에는 다음에 사용되는 약액의 오염을 방지하기 위해 장치내에 약액이 잔류되지 않도록 완전히 비워 놓을 필요가 있다. 또한, 전열실의 깊이를 많이 얕게 하는 것이 유체가 유효한 전열을 받게 되어 바람직하다.

그러나, 도 8 에 나타내는 종래예에서는 전열실 (101) 내의 용량이 크고 전열실 (101) 의 깊이가 깊기 때문에, 유체 전체로의 전열 성능이 균일하게 되지 않을 우려가 있다. 또, 유로형성 플레이트 (103) 는 전열실 (101) 의 측면에 형성된 홈에 끼워져 장착되어 있다. 이로 인해, 홈과 플레이트 (103) 사이에 틈이 생기고 이 틈에 약액이 들어가 여기에서 약액으로부터 고체가 정출되는 경우가 있다. 또, 유로는 상기 서술한 바와 같이 꾸불거린 형상이기 때문에 약액을 빼낼 때 각 구획 (105) 의 모서리 부분에 약액이 잔존하기 쉽다.

또, 도 9a 및 도 9b 에 나타내는 종래예에서는 상구획 (125) 및 하구획 (127) 으로 이루어지는 유로에서 분리벽 (131) 주변과 외측에서는 유체의 유속이 다르고 또 각 유로의 모서리 부분에서 유체가 고이는 경우가 있다.

따라서, 모서리가 되는 부분이나 매우 좁아지는 부분이 형성되지 않도록 유로를 형성할 필요가 있다. 또, 유로가 소정 깊이를 갖고 있으면, 온도조절 부재의 효과가 유체의 중앙부 부근까지 도달하지 않는 경우가 있어 균일한 온도조절을 할 수 없게 된다. 따라서, 유체 층을 가능한 한 얕게 하여 온도조절 부재에 접하는 유효한 유체의 양을 많게 하고, 또한 소용돌이나 고임이 발생하지 않는 유로를 구비한 유체 온도조절장치가 필요해진다. 또한, 약액을 완전히 빼낼 수 있으면 보다 바람직하다.

한편, 종래의 유체 온도조절장치에는 다음과 같은 다른 문제도 존재한다. 일반적으로 전열실은 블록형상의 재료 (전열블록) 로 전열실이 되는 오목부를 깎아내고 이 오목부를 고열전도성 플레이트에 의해 덮음으로써 형성된다. 이 플레이트에는 온도조절하는 열전소자 모듈이 접촉하고 있고, 이 플레이트를 통하여 전열실내의 유체와 열전소자 모듈 사이에서의 열교환이 실시된다. 전열블록과 고열전도성 플레이트의 접촉부분은 ○링 등의 시일부재에 의해 밀착되고, 이로써 양자에 의해 형성된 전열실로부터 유체가 누출되는 것을 방지하고 있다.

이렇게 하여 전열블록은 불소계 수지 등의 내식성이 우수한 재료로 제작된다. 일반적으로, 이와 같은 재료는 선팽창계수가 큼 (예컨대, 철의 약 10 배) 과 동시에, 소성 변형되기 쉽다. 따라서, 전열블록의 가열과 냉각을 반복하면 압접방향의 치수가 감소하여 전열블록과 고열전도성 플레이트 사이의 시일부분에서의 접촉면압이 저하되어 틈이 생기고 전도실내의 유체가 누출된다는 문제가 있었다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 일본 공개특허공보 평11-67717호의 도 5 에는 전열블록과 열교환 기판을 볼트 및 접시스프링을 사용하여 고정시키는 것이 개시되어 있다. 즉, 접시스프링의 장수나 겹치는 방향을 적절하게 선택함으로써 접시스프링 전체의 누름력을 높이거나 접시스프링의 신축을 증대시켜 소성 변형에 의한 치수 감소분을 많이 흡수하고 있다.

그러나, 최근 유체 온도조절장치에 요구되는 제어가 가능한 온도조절 범위는 점점 커지고 있다. 그로 인해, 전열블록의 소성 변형량도 많아지므로 그 변형량을 상기와 같은 기구에서는 다 흡수할 수 없거나, 또는 그와 같은 변형을 반복함 으로써 장치 자체의 내구성에 영향을 미치는 경우도 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 감안하여 이루어졌다. 본 발명의 제 1 목적은 냉각가열에 따른 온도사이클의 반복환경에서도 전열실에서의 높은 시일성이 유지되어 온도의 정밀한 컨트롤이 가능한 유체 온도조절장치를 제공하는 것이다. 또, 본 발명의 제 2 목적은 전열실로부터 약액을 폐기할 때에 약액이 잘 잔류되지 않는 유체 온도조절장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 유체 온도조절장치는 유체의 적어도 1 개의 유입구 및 적어도 1 개의 유출구와, 유체를 통과시킴으로써 이 유체의 온도를 조절하는 전열실의 일부를 형성하는 오목부가 형성된 블록재와; 블록재의 이 오목부를 덮음으로써 전열실을 형성하는 전열판과; 블록재와 전열판을 접촉부분이 밀착하도록 지지하는 지지수단으로서, 이 블록재의 열팽창 또는 열수축에 추종하여 탄성체가 신축함으로써 블록재의 소성 변형을 방지하도록 블록재와 전열판을 탄성체를 사용하여 누르는 상기 지지수단과; 전열판을 통하여 전열실을 통과하는 유체와의 사이에서 열교환하는 온도조절수단을 구비한다.

본 발명에 관련되는 유체 온도조절장치에 의하면, 탄성체를 포함하는 밀착수단을 사용하여 블록재와 전열판을 누름으로써 이들을 지지하므로, 블록재에서 열변형이 발생해도 탄성체에 의해 열변형량이 흡수되어 이 블록재에 소성 변형을 발생시키는 것을 방지하면서 블록재와 전열판 사이의 시일성을 유지할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여하여 설명을 생략한다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치의 구조를 나타내는 단면도이다. 이 유체 온도조절장치는 전열블록 (1) 과, 전열블록 (1) 의 양측에 배치되어 있는 2 장의 전열판 (2) 과, 전열블록 (1) 과 전열판 (2) 을 누름으로써 접촉부분이 밀착하도록 양측을 지지하는 지지부 (60) 와, 2 장의 전열판 (2) 에 각각 접촉하도록 배치되어 있는 온도조절부 (50) 가 포함되어 있다.

전열블록 (1) 과 전열판 (2) 사이에는 전열실 (10) 이 형성되어 있다. 전열실 (10) 은 유체를 가열 또는 흡열하면서 통과시킴으로써 유체의 온도를 조정하는 영역이다. 전열블록 (1) 은 내식성을 갖는 재료의 블록으로부터 전열실 (10) 이 되는 영역 (오목부), 유체의 유입구 (7) 및 유출구 (9) 를 깎아냄으로써 제작된다. 내식성을 갖는 재료로는, 예컨대 테플론 (등록상표) 등의 불소계 수지가 사용된다. 또한, 전열블록 (1) 의 형상 및 유체의 유로에 대해서는 뒤에 상세하게 설명한다.

전열판 (2) 은 전열블록 (1) 에 형성된 오목부를 덮도록 배치되어 있다. 전열판 (2) 은 알루미늄 등의 열전도성이 높은 재료로 형성된다. 또, 전열판 (2) 중 유체에 접촉하는 면에는 예컨대 두께 0.5㎜ 의 비정질 카본필름 (2a) 이 접착되어 있다. 비정질 카본은 열전도성 및 내식성을 갖고 있어 전열판 (2) 이 유체에 의해 부식되는 것을 방지한다.

전열블록 (1) 에 형성된 오목부의 주위에는 홈 (23) 이 형성되어 있고, 그곳 에는 ○링 등의 시일부재 (24) 가 끼워져 있다. 이와 같은 전열블록 (1) 과 전열판 (2) 을 지지부 (60) 에 의해 누름으로써 전열블록 (1) 및 전열판 (2) 에 의해 형성되는 전열실 (10) 의 액밀착성이 유지된다.

지지부 (60) 는 전열블록 (1) 과 그 양측에 배치된 전열판 (2) 을, 그것들 의 접촉부분이 밀착하도록 지지하고 있다. 지지부 (60) 는 2 개의 프레임 (61a) 및 프레임 (61b) 과, 볼트 (62) 와, 너트 (63) 와, 코일스프링 (64) 과, 스프링누름부 (컬러) (65) 를 포함하고 있다. 2 개의 프레임 (61a) 및 프레임 (61b) 사이에는 전열블록 (1) 및 그 양측에 배치된 전열판 (2) 이 끼워진다. 볼트 (62) 는 이들 프레임 (61a) 및 프레임 (61b) 을 너트 (63) 및 코일스프링 (64) 과 함께 체결한다. 코일스프링 (64) 은 볼트 (62) 와 조합되어 탄성체로 작용한다.

다음과 같은 이유에 의해, 2 개의 프레임 (61a) 및 프레임 (61b) 을 체결할 때에 코일스프링 (64) 을 사용하고 있다.

본 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치에서 전열실 (10) 은 테플론 (등록상표) 등의 불소계 수지의 블록에 의해 제조된다. 이와 같은 불소계 수지는 일반적으로 선팽창계수가 높다 (예컨대, 철의 약 10 배). 따라서, 예컨대 유체 온도조절을 상온 (20℃) 에서 고온 (100℃) 으로 변경하면 전열블록 (1) 은 크게 열변형된다. 그 때, 전열블록 (1) 과 전열판 (2) 이 단단히 고정되어 있으면 전열블록 (1) 은 소성 변형된다. 그 후에 전열블록 (1) 이 냉각되어도 소성 변형된 형상은 원래로 복귀되지 않아 전열블록 (1) 과 전열판 (2) 사이에 틈이 생긴 다.

그로 인해, 본 실시형태에서는 전열블록 (1) 과 전열판 (2) 을 단단히 고정하지 않고 양자를 코일스프링 (64) 의 탄성력을 이용하여 지지하고 있다. 이로써, 전열블록 (1) 이 열변형되면 전열판 (2) 은 그 변형에 추종하여 이동할 수 있게 된다. 즉, 전열블록 (1) 이 열팽창하면 코일스프링 (64) 이 압축되고 그 팽창량이 스프링에 흡수된다. 따라서, 전열블록 (1) 에 무리한 열응력이 가해지지 않게 되어 전열블록 (1) 의 소성 변형을 방지할 수 있다. 또, 전열블록 (1) 이 냉각되어 수축되었을 때에는 그 수축량에 따라 코일스프링 (64) 이 신장되므로 전열블록 (1) 과 전열판 (2) 의 시일부분을 밀착시킨 상태로 지지할 수 있다. 이와 같이 탄성력을 이용하여 전열블록 (1) 과 전열판 (2) 을 지지함으로써 양자간의 액밀착성을 유지하면서 전열블록 (1) 이 응력에 의해 소성 변형되어 치수가 감소되는 것을 방지하고 있다.

여기에서, 코일스프링 (64) 의 재료나 형상 등에 대해서는 본 실시형태에 관련되는 온도조절장치에서 제어가 가능한 온도범위나 전열블록 (1) 의 열팽창률 등을 고려하여, 전열블록 (1) 의 변형범위에 걸쳐 전열블록 (1) 과 전열판 (2) 사이의 누름력이 거의 변동되지 않도록 선택하는 것이 바람직하다. 이로써, 전열블록 (1) 과 전열판 (2) 사이의 시일부분의 밀착성을 유지하면서 전열블록 (1) 에 무리한 열응력을 가하지 않고 전열블록 (1) 의 변형량을 흡수할 수 있다. 특히, 초기에는 상온에서 코일스프링 (64) 을 어느 정도 압축시킨 상태에서 프레임 (61a) 과 프레임 (61b) 을 체결하는 것이 바람직하다.

또, 본 실시형태에서는 전열블록 (1) 의 열변형을 민감하게 흡수하기 위해 탄성체로서 비교적 스프링정수가 작은 코일스프링 (64) 을 사용하고 있다. 그러나, 전열블록 (1) 의 열변형을 흡수할 수 있는 탄성을 갖는 것이면 코일스프링에 한정되지 않고 사용할 수 있다. 예컨대 접시스프링이나 판스프링 등을 사용해도 된다.

2 장의 전열판 (2) 의 외측에는 온도조절부 (50) 가 각각 형성되어 있다. 온도조절부 (50) 는 전열판 (2) 을 통하여 전열블록 (1) 내부의 유체를 온도조절하는 장치이다. 온도조절부 (50) 로는 일반적인 히터나 복수의 열전소자를 사용한 열전모듈 등, 온도제어가 가능한 가열장치 또는 냉각장치가 사용된다. 본 실시형태에서 온도조절부 (50) 는 각각의 양단에 전극 (52) 이 형성된 복수의 열전소자 (51) 와, 열교환판 (53) 을 포함하고 있다. 전극 (52) 이 형성된 복수의 열전소자 (51) 는 절연층 (55) 을 통하여 전열판 (2) 및 열교환판 (53) 에 접속되어 있고, 이들에 의해 끼워 넣어지도록 지지되어 있다. 열교환판 (53) 은 열전소자 (51) 를 냉각하거나 가열하기 위한 것으로 예컨대 물순환식이 사용된다. 복수의 열전소자 (51) 에 전류를 인가하면 그들 열전효과에 의해 열이 흡수 또는 방출된다. 이와 같은 열전모듈의 상세에 대해서는 일본 공개특허공보 평3-225973호와 동 공개특허공보 평10-178218호를 참조로 여기에 삽입한다.

이어서, 전열블록 (1) 의 구조에 대해 도 2 및 도 3 을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 2 는 도 1 에 나타내는 전열블록 (1) 의 평면도이며, 도 3 은 도 2 에 나타내는 전열블록 (1) 의 Ⅲ-Ⅲ 에서의 단면도이다.

도 2 에 나타내는 바와 같이 오목부 (5) 는 불소계 수지 등의 내식성 재료로 제조된 직방체형상의 전열블록 (1) 표면을 파냄으로써 형성된다. 전열블록 (1) 의 치수는 일례로서 세로 151㎜, 가로 181㎜, 두께 31㎜ 이다. 이 전열블록 (1) 의 상면 및 하면의 동일 위치에 동일 크기의 오목부 (5) 가 형성되어 있다. 오목부 (5) 의 평면형상은 전열블록 (1) 의 길이방향으로 신장하는 장방형이다. 오목부 (5) 의 대향되는 측면 (5a) 과 측면 (5b) 은 평행하며, 측면 (5c) 과 측면 (5d) 도 평행하며, 바닥면은 평탄하다. 오목부 (5) 의 치수는 일례로서 세로 106㎜, 가로 141㎜, 깊이 4㎜ 이다.

전열블록 (1) 의 측부에는 동일 블록 (1) 의 길이방향으로 평행하게 신장하는 2 개의 홀 (7) 및 홀 (9) 이 형성되어 있다. 도 3 에 나타내는 바와 같이 이들 홀 (7) 및 홀 (9) 의 중심선은 전열블록 (1) 의 두께방향의 중심에 위치한다. 또, 홀 (7) 의 외주와 홀 (9) 의 외주 사이의 거리는 오목부 (5) 의 측면 (5a) 및 측면 (5b) 의 길이보다 짧게 되어 있다. 홀 (7) 및 홀 (9) 은 전열블록 (1) 의 한쪽 외면으로부터 오목부 (5) 의 측면 (5a) 에 도달하는 길이를 갖는다. 일례로서 홀 (7) 및 홀 (9) 의 직경은 15.8㎜, 길이는 160㎜ 이다. 여기에서 한쪽 홀 (7) (도면의 우측) 을 도입유로, 다른쪽 홀 (9) (도면의 좌측) 을 도출유로로 한다. 도입유로 (7) 에는 유체원으로부터 신장되는 파이프 (11) 가 접속되고, 도출유로 (9) 에는 다음 섹션으로 신장되는 파이프 (13) 가 접속되어 있다. 이하에서는 전열블록 (1) 에서 파이프 (11) 및 파이프 (13) 가 접속되어 있는 측을 앞쪽, 그 반대측을 안쪽으로 한다.

전열블록 (1) 에는 오목부 (5) 의 우측 측면 (5d) 을 따라 두께방향으로 관통하는 복수의 유입구 (15a∼15e) 가 형성되어 있다. 또, 오목부 (5) 의 좌측 측면 (5c) 을 따라 두께방향으로 관통하는 복수의 유출구 (17a∼17c) 가 형성되어 있다. 유입구 (15a∼15e) 는 도입유로 (7) 와 전열블록 (1) 의 상면 및 하면의 오목부 (5) 로 통함과 동시에, 유출구 (17a∼17c) 는 도출유로 (9) 와 오목부 (5) 로 통하고 있다. 따라서, 도입유로 (7) 는 유입구 (15a∼15e) 를 통하여 상면 및 하면의 오목부 (5) 로 연통하고, 도출유로 (9) 는 유출구 (17a∼17c) 를 통하여 오목부 (5) 로 연통한다. 그 결과, 도입유로 (7) 로부터 유입구 (15a∼15e), 오목부 (5), 유출구 (17a∼17c) 를 통하여 도출유로 (9) 에 도달하는 유로가 형성된다.

유입구 (15a∼15e) 는 오목부 (5) 의 측면 (5d) 을 따라 3 개 영역에 합계 5 개가 형성되고, 앞쪽에 쌍을 이루는 2 개 (15a,15b), 중앙 부근에 쌍을 이루는 2 개 (15c, 15d), 안쪽에 1 개 (15e) 가 배치되어 있다. 앞쪽 유입구 (15a) 와 안쪽 유입구 (15e) 는 오목부 (5) 의 모서리에 위치한다. 여기에서, 유입구가 형성되는 3 개 영역의 면적은 앞쪽에서 안쪽으로 갈수록 작게 되어 있다.

또, 유출구 (17a∼17c) 는 오목부 (5) 의 측면 (5c) 을 따라 3 개 영역에 합계 3 개가 형성되고, 앞쪽에 1 개 (17a), 안쪽에 1 개 (17c), 중앙 부근에 1 개 (17b) 가 배치되어 있다. 앞쪽 유출구 (17a) 와 안쪽 유출구 (17c) 는 오목부 (5) 의 모서리에 위치한다. 여기에서, 유출구 (17a∼17c) 가 형성되는 3 개 영역의 면적은 중앙, 안쪽, 앞쪽 순의 크기로 되어 있다.

이어서, 이 전열블록 (1) 에서의 유체의 유동상태에 대해 도 1 ∼ 도 3 을 참조하면서 설명한다. 실제로 사용될 때는 도 1 에 나타내는 바와 같이 전열블록 (1) 의 상하면에 비정질 카본필름 (2a) 이 접착된 전열판 (2) 이 배치되고, 각 오목부 (5) 와 전열판 (2) 사이에는 공간 (도 1 및 도 2 에 나타내는 전열실 (10)) 이 형성된다. 이 공간은 온도제어되는 유체의 유로가 된다. 상오목부 (5) 에 형성되는 공간을 상유로 (19), 하오목부 (5) 에 형성되는 공간을 하유로 (21) 로 한다.

파이프 (11) 를 통하여 공급되는 유체가 전열블록 (1) 의 도입유로 (7) 로 도입되면 유체는 도입유로 (7) 내를 길이방향으로 흐르는 동시에, 유입구 (15a∼15e) 를 통하여 상하방향으로 분기된다. 분기된 유체는 유입구 (15a∼15e) 를 통하여 전열블록 (1) 의 상면 및 하면에 도달하여 상유로 (19) 및 하유로 (21) 로 흐르기 시작한다. 상유로 (19) 및 하유로 (21) 의 각각에서는 복수의 유입구 (15a∼15e) 로부터 흐르기 시작한 유체가 합류하여 하나의 흐름이 된다. 이들 유로내에서 온도조절장치 (50) (도 1) 에 의한 방열 또는 흡열이 전열판 (2) 을 통하여 유체에 전달되어 유체의 온도가 조절된다. 그리고, 온도조절된 유체는 각 유로 (19,21) 를 유출구 (17a∼17c) 방향으로 흘러 유출구 (17a∼17c) 로 들어가 도출유로 (9) 에서 합류한다. 그 후, 도출유로 (9) 내를 앞쪽방향으로 흘러 파이프 (13) 를 통하여 다음 섹션으로 안내된다.

이와 같이 전열블록 (1) 의 상면 및 하면의 오목부 (5) 와 각각의 전열판 (2) 사이에 형성된 상유로 (19) 및 하유로 (21) 에서는 액체가 오목부 (5) 의 측면 (5d) 으로부터 대향되는 측면 (5c) 을 향하도록 흐른다. 이들 측면 (5c,5d) 은 평행하기 때문에 유체의 유속이나 단위면적 당 유량은 거의 균일해진다. 또 유로의 깊이는 4㎜ 로 얕고 유로내의 유체의 깊이방향의 용량이 작기 때문에 유로내에서 액체가 전열판 (2) 과 접촉하는 부분의 면적이 커진다. 따라서, 유체의 용량에 대해 실질적으로 전열에 기여하는 유체의 비율이 커져 유로내의 깊이방향으로도 전열되기 쉬워지므로 전열성능이 향상된다.

또한, 유입구나 유출구는 오목부 (5) 의 모서리에도 형성되어 있기 때문에 유로중에 만곡된 부분이나 각진 부분이 존재하지 않아 유체가 고이거나 소용돌이가 생기지 않고 원활하게 유체를 흐르게 할 수 있다. 또, 유로를 만들기 위한 분리벽 등을 형성할 필요가 없고 블록의 파내기나 홀형성가공만으로 장치를 제작할 수 있기 때문에 장치의 제작에 필요로 하는 시간이나 비용을 저감시킬 수 있다.

또, 상기 서술한 바와 같이 복수의 유입구 및 유출구의 개구 면적이 다르게 설정함으로써 유로내에서 보다 원활하게 일정 유속의 유동을 실현할 수 있다. 유입구에서는 앞쪽에서 안쪽으로 갈수록 개구 면적이 작게 되어 있다. 이것은 도입유로 (7) 로부터 도입된 유체는 도입유로 (7) 의 길이방향으로 흐르는 관성을 갖고 있기 때문에 안쪽 유입구로 유입되기 쉽고 앞쪽일수록 유입되기 어려워지기 때문이다. 그래서, 앞쪽 유입구 (15a,15b) 의 개구 면적을 크게 하여 많은 유체를 유입시키고, 안쪽 유입구 (15e) 는 동 면적을 작게 하고 있다. 이로써, 각 유입구로 흘러들어가는 유량을 거의 균일하게 하고 있다.

도 2 에 나타내는 바와 같이 앞쪽 유입구 (15a) 와 유입구 (15b) 가 쌍을 이 루고, 중앙의 유입구 (15c) 와 유입구 (15d) 가 쌍을 이루도록 2 개의 유입구가 근접하는 위치에 배치되어 있다. 유체가 1 개의 유입구로부터 전열실 (10) 로 흐르기 시작하면 유입구로부터 방사형상으로 확대되므로 전열실 (10) 의 유입측 측면 (5d) 으로부터 유출측 측면 (5c) 을 향하는 균일한 병행흐름이 형성되지 않을 우려가 있다. 그래서, 쌍을 이루는 2 개의 유입구를 배치함으로써 이들 유입구로부터 흐르기 시작한 유체가 충돌하고 서로 간섭하여 곧장 흐르게 하고 있다. 이와 같이 하여 각 유입구로부터 흐르기 시작한 유체는 유로를 거의 평행하게 균일한 속도로 흐른다.

유출구에서는 안쪽 유출구 (17c) 와 비교하여 앞쪽 유출구 (17a) 의 개구 면적을 작게 하고 있다. 도출유로 (9) 에서는 하류측인 앞쪽일수록 내부를 흐르는 유량이 증가하여 유체의 밀도도 높아진다. 이로 인해, 앞쪽 유출구 (17a) 의 개구 면적을 작게 하여 앞쪽 유출구 (17a) 로부터 도출유로 (9) 로 흘러들어가는 유량을 감소시켜 도출유로 (9) 내에서의 유체 흐름을 원활하게 하고 있다.

전열실 (10) 에서의 유체 흐름을 시뮬레이션으로 해석한 결과, 흐름은 거의 평행하며 유속이 일정하고 유입구와 유출구에서의 유체의 압력의 차이가 적음이 나타났다. 또, 도입유로로부터 도입되는 유체의 유량을 변화시켜도 거의 균일한 흐름을 형성하는 것으로 나타났다.

전열실 (10) 로부터 액체를 빼낼 때 유로나 관통홀에 들어가 있는 유체는 하강하여 도입유로 (7) 또는 도출유로 (9) 로부터 배출된다. 유로는 상하방향과 좌우방향뿐이므로 유체의 배출작업에 의해 유체를 그다지 고이게 하지 않고 거의 완전히 빼낼 수 있다. 이로써, 잔류 약액으로 인한 오염이나 정출 등을 방지할 수 있다.

여기에서, 전열블록 (1) 의 재료로 사용되는 불소계 수지는 장방형의 판형상으로 공급되는 경우가 많다. 그러나, 본 실시형태에 의하면 오목부 형성을 위한 블록표면의 파내기가공, 도입유로 및 도출유로형성을 위한 홀형성가공, 유입구, 유출구 및 연통홀형성을 위한 홀형성가공과 같은 간단한 가공에 의해 전열블록을 제작할 수 있기 때문에 판형상으로 공급되는 재료를 사용해도 용이하게 가공할 수 있다. 따라서, 제조비용을 저감시킬 수 있게 된다.

이어서, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치에 대해 도 4 를 참조하면서 설명한다. 본 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치는 도 1 에 나타내는 유체 온도조절장치의 전열블록 (1) 의 형상을 변경한 것이다. 그 외의 구성에 대해서는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치와 동일하다.

도 4 는 본 실시형태에 관련되는 유체 온도전열실에 포함되는 전열블록 (3) 의 구조를 나타내는 평면도이다. 전열블록 (3) 및 전열판으로 형성되는 전열실 (30) 은 도 2 에 나타내는 전열실 (10) 과 거의 동일한 구조를 갖지만, 오목부의 형상 및 유입구 및 유출구의 위치와 크기가 다르다. 또한, 도 2 의 전열실과 동일한 구조ㆍ작용을 갖는 부품에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

본 실시형태에서는 도입유로 (7) 측의 유입구 (45a∼45d) 가 4 개소에 형성되고, 어느 홀도 쌍을 이루고 있지 않다. 그리고, 앞쪽에서 안쪽으로 갈수록 개구 면적이 작게 되어 있다. 또, 도출유로 (9) 측의 도출구 (47a∼47d) 도 4 개소에 형성되고, 안쪽에서 앞쪽으로 갈수록 개구 면적이 크게 되어 있다.

전열블록의 구조를 이와 같이 변형해도 도 2 에 나타내는 전열실과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이어서, 본 발명의 제 3 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치에 대해 도 5 를 참조하면서 설명한다. 본 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치는 전열블록과 전열판의 시일부분의 구조에 특징을 갖는 것이다. 그 외의 구성에 대해서는 본 발명의 제 1 또는 제 2 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치와 동일하다.

도 5 에 나타내는 바와 같이 전열실 (10) 은 전열블록 (71) 및 전열판 (2) 으로 형성되어 있다. 전열블록 (71) 중 전열판 (2) 과 접촉하는 영역에는 이 전열블록 (71) 을 깎아냄으로써 환상 볼록부 (72) 가 형성되어 있다. 즉, 볼록부 (72) 는 도 2 에 나타내는 시일부재를 끼워 넣기 위한 홈 (23) 대신에 전열실 (10) 주위를 둘러싸도록 형성되어 있다. 볼록부 (72) 의 단면형상으로는 도 5 에 나타내는 바와 같은 사다리꼴형에 한정되지 않고, 그 외에도 삼각형이나 원호형 등 다양한 형상을 사용할 수 있다.

앞에도 서술한 바와 같이 전열블록 (71) 의 재료로는 테플론 (등록상표) 블록 등의 불소계 수지가 사용된다. 이와 같은 재료는 소정 탄성을 갖고 있으므로 지지부 (60) 에 의해 전열블록 (71) 과 전열판 (2) 을 누름으로써 볼록부 (72) 가 전열판 (2) 에 밀착되어 전열실 (10) 의 액밀착성이 유지된다. 또, 전열블 록 (71) 이 열팽창한 경우에 볼록부 (72) 를 약간 소성 변형시키도록 지지부 (60) 의 코일스프링 (64) 을 조정해도 된다. 이로써, 볼록부 (72) 의 전열판 (2) 과의 접촉부분에서의 밀착성을 보다 높일 수 있다.

본 실시형태에 의하면, 전열블록과 일체화된 볼록부에 의해 전열실을 시일하므로 시일부분의 기계적 강도 및 내약품성을 강화하여 시일성을 높일 수 있다. 또, 액체가 잔류되기 쉬운 홈이 형성되어 있지 않으므로 약액이 잘 잔류되지 않고 잔류 약액으로 인한 오염이나 정출 등을 방지할 수 있다.

도 6 은 본 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치의 변형예를 나타내고 있다. 이 변형예에서 전열블록 (73) 에는 전열실 (10) 을 시일하기 위한 볼록부 (74) 의 외측에 볼록부 (75) 가 추가로 형성되어 있다. 이로써, 볼록부 (74) 와 볼록부 (75) 사이에는 환상 유로 (76) 가 형성된다. 또, 볼록부 (75) 의 일부에는 유입구 및 유출구가 형성되어 있고, 유로 (76) 에는 N₂ 등의 불활성 가스가 퍼지 가스로 흐른다.

여기에서 온도조절장치를 사용하고 있을 때에는 전열실 (10) 에서 온도조정되는 약액으로부터 기체가 발생하여 볼록부 (74) 의 시일부분으로부터 누출되는 경우가 있다. 그로 인해, 퍼지가스를 유입구로부터 유로 (76) 로 도입하고 유로 (76) 를 통과시켜 유출구로부터 도출시킴으로써 누출된 기체를 회수할 수 있다.

이어서, 본 발명의 제 4 실시형태에 관련되는 유체 온도조절장치에 대해 도 7a ∼ 도 7c 를 참조하면서 설명한다. 본 실시형태에 관련되는 유체 온도조절 장치는 도 1 또는 도 5 에 나타내는 유체 온도조절장치에서의 지지부의 구조를 변경한 것이다. 즉, 본원에 관련되는 유체 온도조절장치에서의 지지부의 구조는 탄성력을 이용하여 전열블록과 전열판을 지지하는 구조이면 되고, 도 1 또는 도 5 에 나타내는 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 7a 에 나타내는 유체 온도조절장치는 전열블록 (71) 및 그 양측에 배치된 전열판 (2) 을 양측에서 끼워 넣는 프레임 (81) 과, 이들 프레임 (81) 을 체결하는 코일스프링 (82) 을 포함하는 지지부 (80) 를 갖고 있다. 지지부 (80) 를 이와 같은 구조로 함으로써 전열블록 (71) 의 열변형에 대한 자유도를 증가시킬 수 있다.

또, 도 7b 에 나타내는 유체 온도조절장치는 전열판과 그것을 지지하는 프레임이 일체화된 전열판 (91a) 및 전열판 (91b) 을 갖고 있다. 이와 같이 전열판을 프레임과 일체화시킴으로써 구조를 간단하게 하여 제조비용을 낮출 수 있다. 또, 도면의 상하에 배치된 2 개의 전열판 (91a) 및 전열판 (91b) 사이에서 볼트 (62) 등을 통하여 열이 전도되므로, 전열블록 (71) 의 양측에 형성된 2 개의 전열실 (10) 에서 효율적으로 유체의 온도를 제어할 수 있다.

또한, 도 7c 에 나타내는 바와 같이 전열블록 (92) 과 전열판 (2) 을 지지할 때, 유체의 유로를 제외한 위치이면 전열블록 (92) 을 관통하도록 볼트 (62) 를 배치해도 된다. 볼트가 전열블록 (92) 을 관통하도록 함으로써 전열블록 (92) 을 안정적으로 지지할 수 있다. 또, 전열실 (10) 의 시일부분인 볼록부 (93) 근방에 볼트 (62) 를 배치함으로써 볼록부 (93) 에 가해지는 힘을 코일스프링의 탄성력 에 의해 정밀하게 제어할 수 있다.

이상의 실시형태에서 전열블록과 전열판을 지지하는 지지부의 위치는 도면의 양측에 한정되지 않는다. 예컨대 도 1 에 나타내는 유체 온도조절장치에서 지지부 (60) 를 도면의 우측 또는 좌측 중 어느 한쪽에만 배치하여 전열블록 및 전열판을 지지해도 된다. 이로써, 유체 온도조절장치의 구성을 간단하게 할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 냉각가열에 따른 온도사이클의 반복환경에서도 전열실에서의 높은 시일성을 유지할 수 있으므로 유체 온도조절장치를 제어온도범위가 큰 환경하에서 장기간 안정적으로 사용할 수 있다. 또, 본 발명에 의하면 유체를 균일한 속도로 전열실을 통과시킬 수 있어 유체의 정밀한 온도제어가 가능해진다. 또한, 전열실로부터 약액을 폐기할 때에 약액의 잔류를 방지할 수 있으므로 전열실의 오염을 방지할 수 있다. 본 발명에 의하면 유체 온도조절장치의 구조가 간단하기 때문에 제법이 용이하며 제조비용을 저감시킬 수 있게 된다.

Claims (2)

1. 유체를 통과시킴으로써 이 유체의 온도를 조절하는 전열실의 일부를 형성하는 오목부와, 서로 평행하게 신장하고, 유체의 도입 유로 및 도출 유로로서 각각 사용되는 제 1 홀 및 제 2 홀과, 상기 오목부와 상기 제 1 홀을 연통하는 복수의 유입구와, 상기 오목부와 상기 제 2 홀 사이를 연통하는 복수의 유출구가 형성된 블록재와;

   상기 블록재의 상기 오목부를 덮음으로써 상기 전열실을 형성하는 전열판과;

   상기 블록재와 상기 전열판을 접촉부분이 밀착하도록 지지하는 지지수단으로서, 상기 블록재의 열팽창 또는 열수축에 추종하여 탄성체가 신축함으로써 상기 블록재의 소성 변형을 방지하도록 상기 블록재와 상기 전열판을 상기 탄성체를 사용하여 누르는 상기 지지수단과;

   상기 전열판을 통하여 상기 전열실을 통과하는 유체와의 사이에서 열교환하는 온도조절수단을 구비하는 유체 온도조절장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 지지수단이 코일스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 온도조절장치.

Images