(57)【要約】【課題】ペルチェ素子を用いたヒートエクスチェンジャーにおいて、装置を小型化するとともに熱交換効率をあげることを可能にする。【解決手段】上方側に位置する熱交換エリア４と下方側に位置する循環液供給エリア５を有する本体部２と、熱交換エリアを、内側部分に位置して循環液出口９を有する循環液エリア７と、外側部分に位置する冷却エリア８に分断した隔壁６と、隔壁の複数個所に装着されたペルチェ素子１３と、循環液供給エリアに形成された循環液入口１５と、循環液入口と循環液エリアを連通した循環液用流路１６と、循環液用流路の途上に配置された循環液供給用ポンプ１７を具備し、ペルチェ素子に対向する箇所に噴射ノズル２０を取り付けた循環液受け入れタンク１４を循環液エリアに配置し、循環液受け入れタンク内の循環液をペルチェ素子に衝突させて熱移動することで、循環液の温度を所定温度に調節可能にした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定温度に調節した循環液を真空チャンバー、ステージ等の温調対象へ供給することで前記温調対象の温度コントロールを行うためのヒートエクスチェンジャーであって、
床板（３）を境に、該床板（３）の上方側を熱交換エリア（４）とし、前記床板（３）の下方側を循環液供給エリア（５）とした本体部（２）と、
前記熱交換エリア（４）に配置された、前記熱交換エリア（４）を、内側部分に位置する循環液エリア（７）と、外側部分に位置する冷却エリア（８）に分断した隔壁（６）と、
該隔壁（６）の複数個所に形成した前記循環液エリア（７）と冷却エリア（８）を連通する切り欠き（１２）を閉鎖する配置で前記隔壁（６）に取り付けられたペルチェ素子（１３）と、
前記循環液エリア（７）の天井部に形成した循環液出口（９）と、
前記循環液供給エリア（５）に形成された循環液入口（１５）と、
該循環液入口（１５）と前記循環液エリア（７）を連通した循環液用流路（１６）と、
該循環液用流路（１６）の途上に配置された循環液供給用ポンプ（１７）と、を具備するとともに、
前記循環液エリア（７）に、前記循環液用流路（１６）が連結され、前記循環液入口（１５）及び循環液用流路（１６）を介して供給される循環液を受け入れる筒状の循環液取り入れタンク（１４）を配置し、
該循環液受け入れタンク（１４）の側壁における前記ペルチェ素子（１３）に対向する箇所に噴射孔（１９）を形成するとともに、該噴射孔（１９）には前記循環液受け入れタンク（１４）内に受け入れた循環液を前記ペルチェ素子（１３）に向けて噴射させてペルチェ素子（１３）に衝突させるための循環液用噴射ノズル（２０）を取り付け、
前記ペルチェ素子（１３）に電流を流した状態で、前記循環液取り入れタンク（１４）に受け入れた循環液を前記循環液用噴射ノズル（２０）からペルチェ素子（１３）に噴射させて衝突させることで、ペルチェ効果によって循環液の温度を所定温度に調節可能にしたことを特徴としたヒートエクスチェンジャー。
【請求項２】
前記冷却エリア（８）は、冷却水入口（１１）及び冷却水出口（１０）を備えた密閉空間であるとともに、
冷却水流路（２２）によって前記冷却水入口（１１）に連結された、中空の枠状とした冷却水受け入れタンク（２１）を具備し、
前記冷却水受け入れタンク（２１）の内周側の側壁における前記ペルチェ素子（１３）に対向する箇所に噴射孔（２３）を形成するとともに、該噴射孔（２３）には前記冷却水受け入れタンク（２１）内に受け入れた冷却水を前記ペルチェ素子（１３）に向けて噴射させてペルチェ素子（１３）に衝突させるための冷却水用噴射ノズル（２４）を取り付け、
前記冷却水受け入れタンク（２１）に受け入れた冷却水を前記冷却水用噴射ノズル（２４）からペルチェ素子（１３）に噴射させて衝突させることで、ペルチェ効果によって循環液の温度を所定温度に調節可能にしたことを特徴とした請求項１に記載のヒートエクスチェンジャー。
【請求項３】
前記冷却エリア（８）において前記ペルチェ素子（１３）に冷却用のヒートシンクを備え、該ヒートシンクを介して、ペルチェ効果によって循環液の温度を所定温度に調節可能にしたことを特徴とした請求項１に記載のヒートエクスチェンジャー。
【請求項４】
前記ポンプ（１７）が小型ＤＣポンプであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒートエクスチェンジャー。
【請求項５】
前記循環液用流路（１６）の途上における前記循環液供給用ポンプ（１７）の手前側に温度センサー（１８）を配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒートエクスチェンジャー。
【請求項６】
前記循環液出口（９）に温度センサー（９０１）を配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒートエクスチェンジャー。
【請求項７】
前記循環液出口（９）に水流センサー（９０２）を配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒートエクスチェンジャー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートエクスチェンジャーに係り、より詳しくは、ペルチェ素子を用いたヒートエクスチェンジャーにおいて、装置を小型化するとともに熱交換効率をあげることを可能にしたヒートエクスチェンジャーに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、半導体やフラットパネルディスプレイ（「ＦＰＤ」）等の製造に際しては、配線膜や絶縁膜を成膜する工程（ＣＶＤ、ＰＶＤ等）やプラズマ等で不要な幕を削る工程（エッチング、アッシング等）があるが、これらの工程においては、安定した歩留まりの成膜や安定した歩留まりのエッチング等を実現するために、真空チャンバー、ステージ等の各部分の温度コントロールを行う必要がある。
【０００３】
そのために、従来から、これらの温度コントロールを行う方法として、チラー又は恒温水循環器、ヒートエクスチェンジャー等の装置を使用して、一定温度に調節した液体（「温度媒体」）を真空チャンバー、ステージ等へ供給して、これにより、真空チャンバー、ステージ等の温度コントロールを行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−４４１００
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述したチラー又は恒温水循環機器は一般的に、ポンプ、熱交換部、冷凍機又はペルチェ素子、タンク、温度センサー等の機器を配管で接続して、筐体に収める構成であるために、装置全体のサイズが大きくなってしまうという問題点があった。
【０００６】
そしてそのために、前述の従来のチラー又は恒温水循環器、ヒートエクスチェンジャー等の装置では、設置場所を確保することが困難な場合があり、かかる場合には地下階から配管で真空チャンバー、ステージ等まで温度媒体としての液体を循環させることもあり、それにより、配管の長さ分の熱効率ロスもあって、決して熱効率の良い装置ではないという問題点が指摘されていた。
【０００７】
また、従来のチラー又は恒温水循環機器の中には、ペルチェ素子を用いて熱交換を行う方式を採用したものがあるが、これらのペルチェ素子を用いた従来の装置では、熱効率におけるエネルギー効率向上には限界があることが指摘されていた。
【０００８】
即ち、周知の通りペルチェ素子は、異なる性質を持った２種類の半導体素子に直流の電気を流すと熱が移動し、一方の面が吸熱し反対の面が放熱（加熱）するというペルチェ効果を応用したものであるが、このペルチェ素子は、発熱側の放熱を確実に行わなければ、熱効率が悪くなってしまい十分な吸熱を行うことができないという問題点が指摘されていた。
【０００９】
そのために、従来のペルチェ素子を用いた装置では、流路を設けた銅板等の金属プレートでペルチェ素子を挟み込み、冷却側の金属プレートには温度媒体としての循環液を流し、放熱側の金属プレートには冷却水を流し、これにより、循環液の熱をペルチェ素子で吸熱するとともに、吸熱した熱を冷却水と熱交換する構造としていたが、このとき、金属プレートの取り付けのためのボルト等に熱抵抗があるために、熱交換のエネルギー効率向上に限界が生じてしまった。
【００１０】
また、ペルチェ素子を用いて熱交換を行う場合には、従来は、前述したように、流路を設けた銅板等の金属プレートでペルチェ素子を挟み込んでいたために、熱交換部のサイズが大きくなってしまうという問題点も指摘されていた。
【００１１】
一方、昨今は半導体やＦＰＤ業界もエネルギー効率化に注力しており、世界中の半導体、ＦＰＤメーカーから、コンパクトかつ熱効率の良いチラー、恒温水循環器、ヒートエクスチェンジャーの開発が求められている。
【００１２】
そこで、本発明は、ペルチェ素子を用いたヒートエクスチェンジャーにおいて、装置を小型化するとともに熱交換効率をあげることを可能にしたヒートエクスチェンジャーを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のヒートエクスチェンジャーは、
所定温度に調節した循環液を真空チャンバー、ステージ等の温調対象へ供給することで前記温調対象の温度コントロールを行うためのヒートエクスチェンジャーであって、
床板を境に、該床板の上方側を熱交換エリアとし、前記床板の下方側を循環液供給エリアとした本体部と、
前記熱交換エリアに配置された、前記熱交換エリアを、内側部分に位置する循環液エリアと、外側部分に位置する冷却エリアに分断した隔壁と、
該隔壁の複数個所に形成した前記循環液エリアと冷却エリアを連通する切り欠きを閉鎖する配置で前記隔壁に取り付けられたペルチェ素子と、
前記循環液エリアの天井部に形成した循環液出口と、
前記循環液供給エリアに形成された循環液入口と、
該循環液入口と前記循環液エリアを連通した循環液用流路と、
該循環液用流路の途上に配置された循環液供給用ポンプと、を具備するとともに、
前記循環液エリアに、前記循環液用流路が連結され、前記循環液入口及び循環液用流路を介して供給される循環液を受け入れる筒状の循環液取り入れタンクを配置し、
該循環液受け入れタンクの側壁における前記ペルチェ素子に対向する箇所に噴射孔を形成するとともに、該噴射孔には前記循環液受け入れタンク内に受け入れた循環液を前記ペルチェ素子に向けて噴射させてペルチェ素子に衝突させるための循環液用噴射ノズルを取り付け、
前記ペルチェ素子に電気を流した状態で、前記循環液取り入れタンクに受け入れた循環液を前記循環液用噴射ノズルからペルチェ素子に噴射させて衝突させることで、ペルチェ効果によって循環液の温度を所定温度に調節可能にしたことを可能にしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のヒートエクスチェンジャーでは、床板を境にして、床板の上方側を熱交換エリアとし、床板の下方側を循環液供給エリアとした本体部を備え、熱交換エリアは、複数個のペルチェ素子を備えた隔壁によって、隔壁の内側部分に位置する循環液エリアと、隔壁の外側部分に位置する冷却エリアに分断し、循環液エリアには循環液取り入れタンクを配置するとともに、この循環液受け入れタンクに受け入れた循環液をペルチェ素子に向けて噴射させてペルチェ素子に衝突させるための噴射ノズルを取り付け、真空チャンバーやステージ等の温調対象から戻ってきた循環液をペルチェ素子に直接接触させて、熱の移動を行うことで、循環液の温度を所定温度に調節することとしている。
【００１５】
そのために、流路を設けた銅板等の金属プレートでペルチェ素子を挟み込み、冷却側の金属プレートには温度媒体としての循環液を流し、放熱側の金属プレートには冷却水を流すことで、循環液の熱をペルチェ素子で吸熱するとともに吸熱した熱を冷却水と熱交換する従来の方法と異なり、金属プレートの取り付けのためのボルト等が不要であるために、ボルト等による熱抵抗が無く、熱抵抗を限りなくゼロにすることができ、それにより、熱交換のエネルギー効率を向上させることが可能である。
【００１６】
また、ペルチェ素子に直接循環液を接触させる方式を採用することで、銅板等の金属プレートでペルチェ素子を挟み込むことを不要にしているため、銅板等の金属プレートでペルチェ素子を挟み込む従来の方式と異なり、熱交換部のサイズが大きくなってしまうという問題点も解決することが可能である。
【００１７】
従って、本発明のヒートエクスチェンジャーでは。コンパクトかつ熱効率の良いヒートエクスチェンジャーを実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のヒートエクスチェンジャーの実施例の構成を正面側から示した図である。
【図２】本発明のヒートエクスチェンジャーの実施例の構成を平面側から示した図である。
【図３】本発明のヒートエクスチェンジャーの実施例の制御系を説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明のヒートエクスチェンジャーでは本体部を具備しており、この本体部は、床板を境にして、床板の上方側を熱交換エリアとし、床板の下方側を循環液供給エリアとしている。
【００２０】
また、熱交換エリアには隔壁が配置されており、この隔壁によって、熱交換エリアは、循環液エリアと冷却エリアに分断されている。
【００２１】
そして、隔壁の内側が循環液エリアとされ、隔壁の外側は冷却エリアとされており、循環液エリアは、密閉されているとともに、天井部には循環液出口が形成されている。
【００２２】
また、隔壁には複数個所に、隔壁の内側の循環液エリアと隔壁の外側の冷却エリアを連通する切り欠きが形成されているとともに、この切り欠きを閉鎖する配置で、隔壁には、ペルチェ素子が取り付けられている。
【００２３】
一方、循環液供給エリアには循環液入口が形成され、この循環液入口と循環液エリアは、循環液用流路によって連通され、更に、この循環液用流路の途上には、循環液供給用ポンプが配置されている。
【００２４】
また、循環液エリアには筒状の循環液取り入れタンクが配置されており、この循環液受け入れタンクには、循環液用流路が連結されており、これにより、循環液入口及び循環液流路を介して、循環液を循環液受け入れタンクに受け入れることを可能にしている。
【００２５】
更に、循環液受け入れタンクの側壁におけるペルチェ素子に対向する箇所には噴射孔が形成され、この噴射孔には、循環液受け入れタンク内に受け入れた循環液をペルチェ素子に向けて噴射させ、これにより循環液受け入れタンク内に受け入れた循環液をペルチェ素子に衝突させるための噴射ノズルが取り付けられている。
【００２６】
そしてこれにより、ペルチェ素子に電流を流した状態で、循環液受け入れタンクに受け入れた循環液を噴射ノズルからペルチェ素子に噴射させて衝突させることで、ペルチェ素子を介して熱の移動を行い、循環液の温度を所定温度に調節することとしている。
【００２７】
ここで、冷却エリアは、ペルチェ素子を介して循環液との間で熱の移動が可能であればいずれの構成でもよいが、例えば水冷方式にする場合には、冷却エリアを、冷却水入口と冷却水出口を備えた密閉空間に形成して、その内部に、冷却水流路によって冷却水入口に連結された、中空の枠状とした冷却水受け入れタンクを具備し、この冷却水受け入れタンクの内周側の側壁におけるペルチェ素子に対向する箇所に噴射孔を形成するとともに、この噴射孔に、冷却水受け入れタンク内に受け入れた冷却水をペルチェ素子に向けて噴射させてペルチェ素子に衝突させるための冷却水用噴射ノズルを取り付け、冷却水受け入れタンクに受け入れた冷却水を冷却水用噴射ノズルからペルチェ素子に噴射させて衝突させることで、ペルチェ効果によって、循環液の温度を所定温度に調節可能にすると良い。
【００２８】
一方、ペルチェ素子を介した熱の移動を空冷方式にする場合には、冷却エリアにおいて、ペルチェ素子に冷却用のヒートシンクを備え、このヒートシンクを介して、循環液との間で熱の移動を可能にした構成にすると良い。
【００２９】
また、前記ポンプとして小型ＤＣポンプを用いると良く、これにより装置全体をコンパクトにすることが可能である。
【００３０】
更に、循環液入口に温度センサー、水流センサーを配置するとよく、これにより、容易に、循環液の液温を設定温度に調節することが可能である。
【実施例１】
【００３１】
本発明のヒートエクスチェンジャーの実施例について説明すると、図１及び図２は本実施例のヒートエクスチェンジャーの構成を示す一部断面図であり、図１は正面から見た構成を示し、図２は平面から見た構成を示している。そして、本実施例のヒートエクスチェンジャーは、温調対象から戻ってきた循環液の温度を所定温度まで下げ、その後に再び温調対象に供給するために用いられるとともに、水冷方式によって循環液の温度を調節する構成としている。
【００３２】
即ち、図において１が、本実施例のヒートエクスチェンジャーである。そして、図において２は、本実施例における前記ヒートエクスチェンジャー１の本体部であり、本実施例における前記ヒートエクスチェンジャー１は本体部２を有しており、本実施例において前記本体部２は、わずかに円弧状とした天井部を有する、有底円筒状のタンク状としている。
【００３３】
次に、図において３が床板である。即ち、本実施例における前記本体部２は、下方部分に床板３を有しており、この床板３によって、前記本体部２は、底部分近傍で上下に分割されている。そして、本実施例のヒートエクスチェンジャー１では、前記床板３の上方側を熱交換エリア４とし、床板３の下方側は、循環液供給エリア５としている。
【００３４】
ここで、前記熱交換エリア４について説明すると、本実施例において前記熱交換エリア４には、中央部分に、四角の枠状とした断熱性の隔壁６を配置している。そして、本実施例における前記隔壁６は、前記床板３部分から立ち上がって、本体部２の天井部まで伸びており、これにより、前記隔壁６によって、前記熱交換エリア４は隔壁６の内側と外側に分断されている。
【００３５】
そして、本実施例においては、前記隔壁６の内側部分を循環液エリア７としており、隔壁６の外側部分は冷却水エリア８とし、いずれも密閉空間としている。また、前記循環液エリア７の天井部には循環液出口９が形成されており、一方、前記冷却水エリア８の上部側壁には冷却水出口１０が形成され、前記冷却水エリア８の下部側壁には冷却水入口１１が形成されている。更にまた、前記循環液出口９には、温度センサー９０１及び流量センサー９０２が配置されている。
【００３６】
また、本実施例において前記隔壁６の各側壁部分にはそれぞれ、上下多段に亘って複数個の切り欠き１２が形成されており、この切り欠き１２は、前記循環液エリア７と冷却水エリア８を連通している。
【００３７】
そして、本実施例においては、前記切り欠き１２を閉鎖する配置で、隔壁６には、ペルチェ素子１３が取り付けられており、このペルチェ素子１３によって、前記切り欠き１２を介した前記循環液エリア７と冷却水エリア８の連通が遮断されている。即ち、前記循環液エリア７と冷却水エリア８は、前記ペルチェ素子１３を挟んで、対向した構成となっており、ペルチェ素子１３は、隔壁６の内側の循環液エリアに面した側が吸熱側で、隔壁６の外側の冷却水エリア８に面した側が放熱側として配置している。
【００３８】
また、本実施例においては、前記ペルチェ素子１３の金属表面にメッキ処理を施している。即ち、周知のように標準的なペルチェ素子はセラミック製で多孔質なために循環液や冷却水が浸入してしまうおそれがあるので、循環液の吸熱には適さない。そこで、本実施例においてはセラミックの代わりに銅板を用いたペルチェ素子を用いることとしている。しかし、銅板は、循環液として一般的に用いられているフロリナートやガルデン、エチルグリコール等によって浸食されるおそれが考えられるため、本実施例においては、前記ペルチェ素子１３の金属表面に、ニッケルやクロム等でメッキ処理を施し、循環液による浸食を防いでいる。
【００３９】
なお、前記隔壁６は、必ずしも四角の枠状にする必要は無く、前記熱交換エリア４を内側と外側に分断可能であり、側壁に切り欠きが形成可能であるとともにこの切り欠き内にペルチェ素子を埋め込むことが可能であればいずれの形状としてもよく、従って、筒状としても良い。また、前記切り欠き１２の数や形状は特に限定されず、本実施例においては、隔壁６の各側壁部分に６か所ずつの切り欠き１２を形成している。
【００４０】
次に、図において１４は循環液受け入れタンクである。即ち、本実施例においては、前記循環液エリア７内のほぼお中央部分に円筒状の循環液受け入れタンク１４を立設している。そして、本実施例においてこの循環液受け入れタンク１４は、前記床板３から立ち上がって、上端部は循環液エリアの上方部分で閉鎖されている。
【００４１】
一方、前記循環液供給エリア５の側壁には循環液入口１５が形成されており、前記循環液供給エリア５内において、前記循環液入口１５には循環液用流路１６が連結されている。そして、この循環液用流路１６の先端は、前記床板３を貫通して前記循環液受け入れタンク１４に連結されるとともに、循環液供給エリア５内において、前記循環液用流路１６の途上には、循環液供給用ポンプ１７を配置している。従って、この構成により、前記循環液入口１５に循環液供給用の配管等を連結した状態で前記循環液供給用ポンプ１７を駆動することで、前記循環液受け入れタンク１４内に循環液を供給することが可能となる。
【００４２】
なお、本実施例において前記循環液供給用ポンプ１７としては小型のＤＣポンプを用いており、また、前記循環液用流路１６における前記循環液供給用ポンプ１６の手前には温度センサー１８を配置している。
【００４３】
次に、図において２０は循環液用噴射ノズルである。即ち、本実施例において、前記循環液受け入れタンク１４の側壁において、前記ペルチェ素子１３に対向する箇所には噴射孔１９を形成しており、この噴射孔１９には循環液用噴射ノズル２０を取り付けている。そして、この構成により、前記循環液受け入れタンク１４内に受け入れた循環液を前記ペルチェ素子１３に噴射して接触させ、これにより、循環液の熱をペルチェ素子１３側に移動させて循環液の液温を下げることとしている。
【００４４】
次に、図において２１は冷却水受け入れタンクである。即ち、本実施例においては、前記冷却水エリア８において、前記隔壁６の外側を囲むような配置で冷却水受け入れタンク２１を配置している。
【００４５】
そして、本実施例において前記冷却水受け入れタンク２１は、中空の四角形状の枠状としており、前記床板近傍から立ち上がって、上端は前記循環液受け入れタンク１４とほぼ同じ高さとしている。また、上部及び下部を閉鎖するとともに、下方部分において、冷却水流路２２によって、前記冷却水入口１１と連結されており、これにより、冷却水入口１１から冷却水を供給することで、前記冷却水受け入れタンク２１内に冷却水を供給することを可能としている。
【００４６】
更に、本実施例において前記冷却水受け入れタンク２１の内側の側壁には、冷却水用噴射ノズル２４が取り付けられている。即ち、本実施例において、前記冷却水受け入れタンク２１の側壁において、前記ペルチェ素子１３に対向する箇所には噴射孔２３を形成しており、この噴射孔２３には冷却水用噴射ノズル２４を取り付けている。そして、この構成により、前記冷却水受け入れタンク２１内に受け入れた冷却水を前記ペルチェ素子１３に噴射して接触させ、これにより、ペルチェ素子１３の熱を冷却水側に移動させて、循環液からペルチェ素子１３に移動した熱を放熱することとしている。
【００４７】
次に、本実施例のヒートエクスチェンジャー１の制御系について図３を参照して説明すると、図において、本実施例のヒートエクスチェンジャー１では、装置全体の作動を制御する制御部としてのマイコン２５を有しており、このマイコン２５には、前記ペルチェ素子１３、温度センサー９０１、１８、流量センサー９０２、循環液供給用ポンプ１７、循環液供給用ポンプ１７をインバータ制御するためのインバータ回路、電源、該電源から分配したペルチェ素子１３用の電源、及び各種スイッチ等が接続されており、マイコン２５は、前記温度センサー９０１、１８、流量センサー９０２の測定値に基づいて、ペルチェ素子１３に加える電圧値、循環液供給用ポンプ１７の駆動を制御し、真空チャンバー、ステージ等の温調対象に供給する循環液の液温を、予め設定した所定温度に調整することとしている。また、本実施例においては、循環液の出口の温度センサー９０１と入口の温度センサー１８によって温度差をリアルタイムで監視可能し、それによって、装置の熱負荷の予想曲線を計算することとしている。
【００４８】
次に、このように構成される本実施例のヒートエクスチェンジャー１の作用について説明すると、循環液供給用ポンプ１７を作動させると、真空チャンバー、ステージ等の温調対象に供給されて温調対象の温度コントロールに用いられ、それにより設定温度以上の液温になった循環液は、循環液入口１５を介して、本実施例のヒートエクスチェンジャー１に戻ってきて、循環液受け入れタンク１４に供給される。そうすると、循環液受け入れタンク１４に供給された循環液は、循環液用噴射ノズル２０からペルチェ素子１３に噴射され、それにより、ペルチェ素子１３によって吸熱されて液温が所定温度まで下がった状態で、循環液エリア７の底部分から蓄積されていき、循環液エリア７の天井部分に到達した後に、循環液出口９から排出され、再び、真空チャンバー、ステージ等の温調対象に供給されて真空チャンバー、ステージ等の温調対象の温度コントロールに用いられる。
【００４９】
一方、冷却水入口１１からは、工場等におけるクーリングタワー等から供給される冷却水が冷却水受け入れタンク２１内に供給される。そうすると、この冷却水受け入れタンク２１内に供給された冷却水は、冷却水用噴射ノズル２４からペルチェ素子１３に噴射され、それにより、ペルチェ素子１３の熱を奪って液温が上がった状態で、冷却水エリア８の底部分から蓄積されていき、冷却水の水面が冷却水エリア８における冷却水出口１０の位置に至った後に、オーバーフローによって本体部から排出されてクーリングタワー等へ戻される。
【００５０】
そうすると、循環液から熱を奪って温度が上がったペルチェ素子１３は、冷却水との熱交換によって温度が下がり、これにより、循環液からの熱の移動を継続して行うことが可能である。
【００５１】
次に、本実施例のヒートエクスチェンジャー１を用いて、真空チャンバー、ステージ等の温調対象の温度コントロールを行う方法について説明すると、本実施例のヒートエクスチェンジャー１によって真空チャンバー、ステージ等の温調対象の温度コントロールを行う場合には、温調対象に循環液を供給する循環液用の配管の両端部を前記循環液入口１５、循環液出口９に連結して、循環液エリア７と温調対象との間で循環液を循環可能な状態にする。なおこのとき、循環液供給ポンプ１７の駆動によって循環液の循環を開始する際には、循環液の円滑な循環のために、循環液用の配管内、循環液エリア７及び循環液用流路１６内は循環液で満杯にしておくと良い。
【００５２】
また、それとともに、前記冷却水入口１１と冷却水出口１０にそれぞれ、クーリングタワー等の冷却水生成手段に連結された配管の両端部を連結して、冷却水エリア８とクーリングタワー間で冷却水を循環可能な状態にする。即ち、クーリングタワーで製造された冷却水を冷却水エリア８に供給し、ペルチェ素子との熱交換で温度が上がった冷却水をクーリングタワーに戻すことを可能にする。更に各種スイッチ等によって、温調対象に供給する循環液の温度を設定する。なおこのときも、冷却水の円滑な循環のために、冷却水の循環の際には、冷却水循環用の配管内、冷却水エリア７及び冷却水流路２２内は冷却水で満杯にしておくと良い。
【００５３】
そしてこの状態で、前記ペルチェ素子１３に電気を流した状態で、循環液供給用ポンプ１７を駆動して、循環液を循環液受け入れタンク１４に受け入れていくとともに、クーリングタワーからの冷却水を冷却水受け入れタンクエリア２１に受け入れていく。
【００５４】
そうすると、温調対象に供給されて温調対象の温度コントロールに用いられて液温が上がった循環液は、循環液入口１５から循環液受け入れタンク１４に供給された後に、循環液で満液状態の循環液エリア７の中で、循環液用噴射ノズル２０からペルチェ素子１３に噴射され、それにより、ペルチェ素子１３によって吸熱されて液温が所定温度まで調整される。
【００５５】
そして、所定温度の調整された循環液エリア７内の循環液は、新たな循環液が循環液受け入れタンク１４に受け入れられ、循環液用噴射ノズル２０からペルチェ素子１３に噴射され、それにより循環液エリア７内の循環液が増えていくに従って、循環液エリア７の天井部分に形成した循環液出口９から排出されて真空チャンバー、ステージ等の温調対象に供給され、真空チャンバー、ステージ等の温調対象の温度コントロールに用いられた後に再びヒートエクスチェンジャー１に循環され、以後はこの循環が繰り返される。
【００５６】
そしてそのとき、温度センサー９０１、１８、流量センサー９０２からの測定値、及び予め設定した循環液の設定温度に基づくマイコン２５の制御により、循環液供給用ポンプ１７の駆動が比例制御され、これにより、循環液の温度、流量等が予め設定した温度、流量に調整される。
【００５７】
一方、冷却水入口１１及び冷却水流路２２を介して、工場等におけるクーリングタワー等から供給される冷却水が冷却水受け入れタンク２１内に受け入れられると、この冷却水受け入れタンク２１内に供給された冷却水は、冷却水で満液状態の冷却水エリア７の中で、冷却水用噴射ノズル２４からペルチェ素子１３に噴射される。
【００５８】
そうすると、ペルチェ素子１３に衝突された冷却水とで熱交換が行われることで、ペルチェ素子１３は放熱して温度が下がる一方、冷却水は液温が上がった状態になる。そして、温度が上がった状態の冷却水エリア８内の冷却水は、新たな冷却水が冷却水受け入れタンク２１に受け入れられて冷却水用噴射ノズル２４からペルチェ素子１３に噴射され、それにより冷却水エリア８内の冷却水が増えるに従い、オーバーフローによって冷却水出口１０から本体部２から排出されてクーリングタワー等へ戻された後に、クーリングタワー内で冷却され、再びヒートエクスチェンジャー１に循環され、以後はこの循環が繰り返される。
【００５９】
そして、これにより、循環液から熱を奪って温度が上がったペルチェ素子１３は、冷却水との熱交換によって温度が下がり、循環液からの熱の移動を効率良く継続することが可能である。
【００６０】
このように、本実施例のヒートエクスチェンジャーでは、温調対象の温度コントロールを行った循環液をペルチェ素子に噴射してペルチェ素子に衝突させるために、効率よく循環液の熱をペルチェ素子に移動させることが可能であるとともに、ペルチェ素子の吸熱するための冷却水もまたペルチェ素子に噴射、衝突させるために、効率よくペルチェ素子の熱を取ることができ、熱交換のエネルギー効率を向上させることが可能である。
【００６１】
また、本実施例のヒートエクスチェンジャーでは、ペルチェ素子に循環液、冷却水を直接接触させる方式であり、ペルチェ素子を銅板等の金属プレートで挟み込むことを不要とし、従って、ペルチェ素子に銅板等の金属プレートを取り付けるためのボルト等が不要であるために、ボルト等による熱抵抗が無く、熱抵抗を限りなくゼロに近づけることができるので、これによっても、熱交換のエネルギー効率を向上させることが可能である。
【００６２】
更に、銅板等の金属プレートの取り付けを不要にしているため、銅板等の金属プレートでペルチェ素子を挟み込む従来の方式と異なり、熱交換部のサイズが大きくなってしまうという問題点も解決することも可能である。
【００６３】
更にまた、本実施例のヒートエクスチェンジャーでは、本体部を熱交換エリアと循環液供給エリアに分割して、循環液供給エリアに循環液供給用ポンプを配置するとともに循環液用流路における循環液供給用ポンプの手前に温度センサーを配置し、熱交換エリアにおける循環液エリアの天井部に形成した循環液出口に温度センサー、流量センサーを配置し、循環液供給エリアに形成された循環液入口に温度センサーを配置することで、本体部の内部に循環液供給用ポンプ、温度センサー、流量センサーを収容してユニットにまとめたので、これによっても、装置全体を小型化することが可能である。
【００６４】
また本実施例のヒートエクスチェンジャーでは、循環液用流路１６の途上における循環液供給用ポンプ１７の手前側と、循環液出口９の双方に温度センサー１８、９０１を配置して、これにより、循環液の出口と入口の温度差をリアルタイムで監視可能としているために、装置の熱負荷が変動した場合でも、短時間で循環液の温度、流量等を予め設定した温度、流量に調整することが可能である。
【００６５】
即ち、ＣＶＤやエッチャー等の装置ではプラズマを応用するために、装置を稼働しないプラズマＯＦＦ時には装置の熱負荷が小さく変動も安定しているため、ヒートエクスチェンジャーの制御が遅くても問題は発生しないが、急に装置が稼働してプラズマがＯＮになると、装置側の温度が急に上がるために、従来のヒートエクスチェンジャー等では温度の上昇に追従して循環液の温度調節を行うまでに時間を要していた。
【００６６】
しかしながら本実施例のヒートエクスチェンジャーでは、前述したように、循環液の出口の温度センサー９０１と入口の温度センサー１８によって温度差をリアルタイムで監視可能し、それによって、装置の熱負荷の予想曲線を計算することとしており、これにより、装置の熱負荷が発生する時に迅速にペルチェ素子１３の冷却加熱出力を制御することが可能であり、装置の熱負荷の変動に迅速に対応して循環液の温度を安定させることが可能である。
【００６７】
なお、前述の説明では、前記冷却エリア８を密閉空間にしてこの冷却エリアに冷却水を受け入れ、ペルチェ素子１３に移動した循環液の熱を水冷によって放熱することとした構成を説明したが、必ずしも水冷による必要はなく、空冷によってペルチェ素子１３に移動した熱を放熱してもよい。そしてこの場合には、冷却エリアを密閉空間にする必要は無く、ペルチェ素子１３にヒートシンクを取り付けるとともに、このヒートシンクにファンを取り付けて、ファンを駆動することで、ペルチェ素子１３に移動した熱を放熱すると良い。
【００６８】
また、前述の説明では、真空チャンバー、ステージ等の温調対象に供給されて戻ってきた循環液の温度を冷却する場合について説明したが、本発明のヒートエクスチェンジャーでは、温調対象に供給されることで温度が下がって戻ってきた循環液を加熱する場合にも使用可能であることは言うまでもなく、この場合には、ペルチェ素子に加える電圧の極性を前述の場合とは反対にして、それにより、ペルチェ素子１３は、循環液エリア７に面した側を放熱側とし、冷却エリア８に面した側を吸熱側にする。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、ペルチェ素子に循環液、冷却水を直接接触させる方式を採用することで、熱交換のエネルギー効率の向上を可能にするとともに、装置全体のサイズが多くなることを防止しているために、ペルチェ素子を用いた温調装置の全般に適用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１    ヒートエクスチェンジャー
２    本体部
３    床板
４    熱交換エリア
５    循環液供給エリア
６    隔壁
７    循環液エリア
８    冷却水エリア
９    循環液出口
９０１    温度センサー
９０２  流量センサー
１０    冷却水出口
１１    冷却水入口
１２    切り欠き
１３    ペルチェ素子
１４    循環液受け入れタンク
１５    循環液入口
１６    循環液用流路
１７    循環液供給用ポンプ
１８    温度センサー
１９    噴射孔
２０    循環液用噴射ノズル
２１    冷却水受け入れタンク
２２    冷却水流路
２３    噴射孔
２４    冷却水用噴射ノズル
２５    制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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