(57)【要約】【課題】  恒温チャンバに供給される空気の温度変動を極めて小さくする恒温制御ユニットを提供する。【解決手段】  温度調整された流体を恒温チャンバ２２に供給する流体通路３０に配置される畜熱体１０を有する恒温制御ユニット２０であって、前記畜熱体１０を多孔通路部材１２により形成するとともに、温調流体の温度変動周波数に対応させて前記畜熱体１０の熱容量の値と前記多孔通路部材１２の形状とを選定してなる構成とした。そして前記畜熱体１０を、熱容量および表面積が異なる複数材料から形成し、これを前記流体通路３０に直列配置した構成にすることもできる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度調整された流体を恒温チャンバに供給する流体通路に配置される畜熱体を有する恒温制御ユニットであって、前記畜熱体を多孔通路部材により形成するとともに、温調流体の温度変動周波数に対応させて前記畜熱体の熱容量の値と前記多孔通路部材の形状とを選定してなることを特徴とする恒温制御ユニット。
【請求項２】
前記畜熱体は熱容量および表面積が異なる複数材料から形成し、これを前記流体通路に直列配置したことを特徴とする請求項１に記載の恒温制御ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は恒温制御ユニットに係り、特に恒温チャンバに供給される流体の温度変動を小さくするのに好適な恒温制御ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
高精度のレーザ測定やレーザ加工を行う場合、測定や加工を行う恒温チャンバ内の空気の温度、湿度および圧力の変化によりレーザ光の光路が変化することがある。この光路の変化を防止するために、恒温チャンバ内の空気の温度、湿度および圧力を一定に保つ必要がある。そして空気の温度を一定に保つために恒温チャンバには、恒温チャンバ内の空気を循環させるとともに、前記空気の温度を一定にする恒温制御ユニットが設けられている。この恒温制御ユニットは、恒温チャンバの排気側から冷却コイル、ファンおよびヒータが、ダクトを介して順に接続され、前記ヒータの後段を恒温チャンバの供給側に接続した構成である。そしてチャンバから排気された空気は冷却コイルで冷却された後にファンで送気され、送気された空気はヒータで設定温度まで暖められて恒温チャンバに供給される。この構成において、ヒータで空気を暖めると温度に変動が生じてしまうが、ヒータを高精度に制御すると±０．０１℃程度まで温度変動を小さくできる。
【０００３】
また恒温チャンバ内に空気が供給される供給口の前段に、多数の小通路を束ねるとともに、その小通路の少なくとも一部を、その空気取入れ口と出口の位置が互いに変位するように傾斜させて積層した気流混合手段と、通路断面を塞ぐ大きさのフレーム枠の内側に空間率の大きな充填物を詰めた細混合手段を設けた構成の発明がある。この構成は、通路内の離れた位置にある気流同士を互いに混合するとともに、細断面の気流の温度分布をなくす作用を有し、空間的および時間的に±０．０１℃の温度分布を達成したものである（特許文献１）。
【０００４】
また曲がりダクト内に、該ダクト内を流れる空気の流れ方向に沿って曲がり管を積層させた構成の発明がある。この構成は曲がりダクトの剛性を高めるとともに、曲がりダクト内を流れる空気の大きな２次流れを防止する効果を有するものであるが、ダクト内を流れる空気の温度変動を小さくすることを目的とするものでない（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−６６４３４号公報
【特許文献２】特開平１１−１５７４４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
恒温制御ユニットのヒータを制御する場合、ヒータの後段に設けられている温度センサにおいて空気の温度を計測し、この計測した温度に基づいて制御機器がヒータを制御している。ところが、ヒータから出力される空気の温度は時間的に変動しているために、温度を計測してからヒータを制御し、そして空気を暖める構成では時間的な応答性が悪く、ヒータを通過している空気に対して適切な温度制御を行うことができない問題点があった。またヒータから出力される空気の温度は様々な周波数で変動しているので、制御機器は温度変動の生じる全ての周波数に対応できない問題点があった。このため、制御機器を用いる恒温制御ユニットでは、空気の温度変動を±０．００１℃以下にする高精度の温度制御ができない問題点があった。
【０００７】
また特許文献１に記載された発明は、気流混合手段と細混合手段でダクト内を流れる空気を混合するだけなので、温度変動を±０．００１℃以下まで小さくすることができない。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、恒温チャンバに供給される流体の温度変動を極めて小さくする恒温制御ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る恒温制御ユニットは、温度調整された流体を恒温チャンバに供給する流体通路に配置される畜熱体を有する恒温制御ユニットであって、前記畜熱体を多孔通路部材により形成するとともに、温調流体の温度変動周波数に対応させて前記畜熱体の熱容量の値と前記多孔通路部材の形状とを選定してなることを特徴としている。
【００１０】
温度調整された流体であっても僅かな温度変動を有しており、かつ様々な周波数において変動している。この流体が多孔通路部材を通過するときに、流体と蓄熱体の間で熱交換が行われる。この熱交換は流体の温度が高い場合には蓄熱体に対して熱を放出し、流体の温度が低い場合には蓄熱体から熱を吸収する。この熱交換により流体の温度がより一定となり、流体の温度変動を小さくすることができる。なお蓄熱体の熱容量をより大きくすると、低い周波数側の温度変動を小さくすることができ、蓄熱体の表面積をより大きくすると、高い周波数側の温度変動を小さくすることができる傾向がある。このため温調流体の温度変動周波数に対応して蓄熱体の熱容量と表面積について選定すると、前記温調流体の温度変動を小さくすることができる。
【００１１】
また前記畜熱体は熱容量および表面積が異なる複数材料から形成し、これを前記流体通路に直列配置したことを特徴としている。低い周波数で変動する流体は、蓄熱体の表面積の大きさよりも熱容量の大きさの影響を受け易い。また高い周波数で変動する流体は、蓄熱体の熱容量の大きさよりも表面積の大きさの影響を受け易い。すなわち、より大きな熱容量を持つ蓄熱体を用いると低い周波数側の温度変動を小さくすることができ、より大きな表面積を持つ蓄熱体を用いると高い周波数側の温度変動を小さくすることができる。このため熱容量の大きな蓄熱体と表面積の大きな蓄熱体を直列に配置すると、広い周波数範囲において温度変動を小さくすることができる。
【００１２】
また前記畜熱体は熱容量が異なる複数材料から形成し、これを前記流体通路の同一断面内に複合配置したことを特徴としている。流体通路内を流れる流体は、流体通路の断面方向に沿って異なる温度変動や、温度変動周波数を持つ場合がある。このとき前記温度変動や前記温度変動周波数に合わせて同一断面内で熱容量の異なる材料を蓄熱体に配置すると、同一断面内における温度変動や温度変動周波数の分布がなくなる。これにより同一断面内において均一な流体になるとともに、流体が持つ温度変動を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
上述した本発明によれば、温度調整された流体を恒温チャンバに供給する流体通路に配置される畜熱体を有する恒温制御ユニットであって、前記畜熱体を多孔通路部材により形成するとともに、温調流体の温度変動周波数に対応させて前記畜熱体の熱容量の値と前記多孔通路部材の形状とを選定してなる構成としたので、蓄熱体を通過する流体の温度変動を極めて小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る恒温制御ユニットについて説明する。なお、以下に記載する実施形態では、流体として空気を用いた構成として説明するが、これは本発明の実施の一形態にすぎず、本発明はこれに限定されるものでない。
【００１５】
まず、第１の実施形態について説明する。図１に第１の実施形態に係る恒温制御ユニットの説明図を示す。恒温制御ユニット２０は恒温チャンバ２２、冷却コイル２４、ファン２６およびヒータ２８が流体通路３０（ダクト３０）により接続され、これらを空気が循環する構成である。すなわち、恒温チャンバ２２から空気が排出される出力側に、排出された空気を冷却する冷却コイル２４が設けられている。この冷却コイル２４はチラー３２と配管３４で接続され、これらの内部を冷媒が循環する構成である。前記冷却コイル２４の後段にはファン２６が設けられ、冷却コイル２４を通過した空気をファン２６で後段側へ送気する構成となっている。そしてファン２６の後段にはヒータ２８が設けられ、該ヒータ２８で空気を予め設定された温度まで加熱して温度調整する構成である。本実施形態ではヒータ２８を２段設けた構成にしているが、恒温制御ユニット２０の設計によってはヒータを１段にしてもよく、３段以上設けてもよい。なおヒータを通過した空気は温度調整されているが、微小な温度変動を有している。この空気には、早く温度変動する場合や遅く変動する場合など、様々な温度変動の速さを持ったものが組み合わされている。そして温度変動の速さは温度変動周波数として表すことができる。
【００１６】
そしてヒータ２８の後段のダクト３０内には、空気の温度変動を小さくするための蓄熱体１０が設けられている。図２に第１の実施形態に係る蓄熱体の説明図を示す。この蓄熱体１０は複数の多孔通路部材１２からなり、この多孔通路部材１２に設けられた孔を空気が通過して、該空気と蓄熱体１０が熱交換する構成となる。このため蓄熱体１０は空気と熱交換し易くするために、表面積（伝熱面積）の大きいことが好ましい。すなわち、小さな孔を複数有してなる多孔通路部材１２が好ましい。この多孔通路部材１２には、例えば複数のパイプ部材の側面を密接して形成したもの（図２（ａ）参照）、ハニカム構造の部材（図２（ｂ）参照）、平板部材を格子状に形成したもの（図２（ｃ）参照）、多数の孔を有するとともに密度が疎になる多孔質部材等が用いられる。
【００１７】
また蓄熱体１０は、空気の温度が高ければ熱を吸収し、空気の温度が低ければ熱を放出する構成なので、蓄熱体１０自体の温度が変化しにくいことが好ましい。このため、蓄熱体１０には大きな熱容量を持つ材料、例えばアルミニウムや銅等の金属等が用いられる。ところで、蓄熱体１０は温度変動の生じる広い周波数範囲にわたって、温度変動を小さくすることができない。すなわち蓄熱体１０の形状や材料によって伝熱面積や熱容量が異なり、この伝熱面積や熱容量によって温度変動を小さくすることのできる周波数範囲が異なるのである。このため、空気の温度変動を小さくしたい周波数に応じて蓄熱体１０を選定しなければならない。これは様々な蓄熱体１０、すなわち蓄熱体１０の伝熱面積や熱容量を変化させたときに、温度変動が小さくなる周波数域を予め調べておき、この結果を利用して温度変動を小さくしたい周波数に対応させ、蓄熱体１０の伝熱面積の大きさと蓄熱体１０の熱容量の値を選定すればよい。なお低い周波数で変動する空気は、蓄熱体１０の伝熱面積の大きさよりも熱容量の大きさの影響を受け易く、高い周波数で変動する空気は、蓄熱体の熱容量の大きさよりも伝熱面積の大きさの影響を受け易い傾向がある。このため、低い周波数側の温度変動を小さくしたい場合には、熱容量のより大きな蓄熱体１０を選定することになり、高い周波数側の温度変動を小さくしたい場合には、伝熱面積の大きな蓄熱体１０を選定することになる。
【００１８】
そして、蓄熱体１０はダクト３０の断面方向の全面に設けられている。すなわち、ダクト３０を通る空気は全て蓄熱体１０を通過する構成である。なお蓄熱体１０をダクト３０へ直接に配設してもよく、またダクト３０の断面外周の大きさに一致する枠部を形成して、当該枠部の中に蓄熱体を配設した枠型蓄熱体としてもよい。枠型蓄熱体を形成すると、ダクト３０への枠型蓄熱体の着脱が容易となり、蓄熱体の交換が容易となる。
【００１９】
また発明者は空気の温度変動を小さくするために検討を重ね、蓄熱体１０の長さを長くすれば、温度変動をより小さくできることを見出している。また蓄熱体１０の熱容量が大きければ大きい程、低周波の温度変動を小さくできることを見出している。また蓄熱体１０の伝熱面積が大きければ大きい程、すなわち蓄熱体１０の長さが長い程または多孔通路部材１２が細く密に配置されている程、単位時間当たりの空気と蓄熱体１０の熱交換の割合が大きくなり、高周波の温度変動を小さくできることを見出している。
【００２０】
次に、恒温制御ユニット２０の作用について説明する。恒温チャンバ２２の出力側から排出された空気は冷却コイル２４で前記溶媒と熱交換され、一定温度まで冷却される。そして冷却された空気はファン２６によりヒータ２８へ送気される。ヒータ２８では空気を設定温度まで暖めて温度調整したのち出力する。このときヒータ２８から出力される空気は、微小な温度変動を持って出力され、様々な温度変動周波数を持っている。図３に温度変動と時間の関係を示す。図３の最上段に示すグラフはヒータ２８を通過した直後の空気の温度変動を示す。この図より、ヒータ２８から出力される空気の温度変動は、時間が経過しても一定でなく、様々な振幅を持つことがわかる。また図４に空気がヒータを通過した直後の温度変動の強度と周波数の関係を示す。図４は各周波数における温度変動の大きさを示すものであり、ヒータ２８を通過した直後の空気は広範囲な周波数で大きな温度変動の強度を持つことがわかる。
【００２１】
そしてヒータ２８から出力された空気は、蓄熱体１０を構成する多孔通路部材１２の孔を通過する。このとき、空気の温度が高い場合には蓄熱体１０に対して熱を放出し、空気の温度が低い場合には蓄熱体１０から熱を吸収する。この熱交換により空気の温度変動を小さくする。図３において、上から２段目のグラフは熱容量が大きい蓄熱体を通過した空気の温度変動と時間の関係を示す。また３段目のグラフは伝熱面積が大きい蓄熱体を通過した空気の温度変動と時間の関係を示す。これらのグラフより、蓄熱体１０を通過した空気は、ヒータを通過した直後の空気に比べて温度変動が小さくなっていることがわかる。
【００２２】
図５に熱容量が大きい蓄熱体を通過した空気の温度変動の強度と周波数の関係を示す。また図６に伝熱面積が大きい蓄熱体を通過した空気の温度変動の強度と周波数の関係を示す。これらの図より、熱容量が大きい蓄熱体または伝熱面積が大きい蓄熱体を通過した空気の温度変動の強度は、ヒータ２８を通過した直後の空気の温度変動に比べて、すべての周波数において空気の温度変動が小さくなっていることがわかる。特に、低い周波数側における空気の温度変動の強度は、伝熱面積が大きい蓄熱体を用いた場合に比べて、熱容量が大きい蓄熱体を用いた場合の方が小さくなっていることがわかる。また、高い周波数側における空気の温度変動の強度は、熱容量が大きい蓄熱体を用いた場合に比べて、伝熱面積が大きい蓄熱体を用いた場合の方が小さくなっていることがわかる。
【００２３】
図７に蓄熱体１０の入口と出口における温度変動比と周波数との関係を示す。そして図７からも、低い周波数側では熱容量が大きい蓄熱体を用いた方が温度変動を小さくするのに有効であり、高い周波数側では伝熱面積が大きい蓄熱体を用いた方が温度変動を小さくするのに有効であることがわかる。
そして蓄熱体１０を通過して温度変動が小さくなった空気は恒温チャンバ２２に供給される。
【００２４】
このような構成によれば、恒温チャンバ２２に空気が供給される供給口の前段に蓄熱体１０を設け、該蓄熱体１０にヒータ２８から出力した空気を通して熱交換をさせることにより、空気の温度変動を小さくすることができる。これにより温度変動の小さい空気を恒温チャンバ２２に供給することができる。また蓄熱体１０の長さを長くすれば、温度変動をより小さくすることができる。
【００２５】
また空気と蓄熱体１０の熱交換により空気の温度変動を小さくできるので、広範囲な周波数の温度変動に対応することができる。そして熱容量のより大きい材料からなる蓄熱体を用いれば低周波の温度変動を小さくすることができ、伝熱面積のより大きい材料からなる蓄熱体を用いれば高周波の温度変動を小さくすることができる。
【００２６】
また蓄熱体１０はダクト３０の断面の全面に設けられているので、蓄熱体１０を通過する空気の温度がダクト３０の断面方向に異なる温度分布を有することがない。このため温度がダクト３０の断面方向に均一な空気を恒温チャンバ２２へ供給することができる。
【００２７】
なお本実施形態では蓄熱体１０を同一の材料、断面形状および寸法として形成しているが、蓄熱体１０を熱容量の異なる複数材料から形成し、若しくは伝熱面積を変更してダクト３０の同一断面内に複合配置することもできる。これはヒータ２８から出力される空気がダクト３０の断面方向に対して異なる温度変動の分布を有する場合、若しくはダクト３０の断面方向に対して異なる温度変動周波数の分布を有する場合に用いられる。これにより、蓄熱体から出力される空気の温度変動を小さくできるとともに、ダクト３０の断面方向に対する分布を一定にすることができる。
【００２８】
次に、第２の実施形態について説明する。発明者は、恒温チャンバ２２に供給される空気の温度変動をさらに小さくするために検討を重ね、１つの蓄熱体１０を用いて温度変動を小さくしたときに得られる温度変動の値から、さらに温度変動を小さくする、すなわち温度変動を±０．００１℃以下にするには、蓄熱体１０の長さを３倍以上長くしなければならないことを見出した。しかし蓄熱体１０の長さをこれ以上長くすることは、恒温制御ユニット２０の構成上できなかった。すなわち、蓄熱体１０の熱容量と伝熱面積を同時に大きく取ることは困難であった。このため、低い周波数側の温度変動を小さくする熱容量が大きい蓄熱体と、高い周波数側の温度変動を小さくする伝熱面積が大きい蓄熱体を直列に配設して、広い周波数範囲にわたって温度変動を小さくするとともに、蓄熱体の小型化することを行った。
【００２９】
第２の実施形態に係る恒温制御ユニット２０において、ヒータ２８の後段のダクト３０内には、熱容量が大きい蓄熱体と伝熱面積が大きい蓄熱体が直列に配設され、それぞれ前段の蓄熱体１０ａおよび後段の蓄熱体１０ｂのどちらかを構成している。蓄熱体１０ａ，１０ｂは第１の実施形態と同じ構成でダクト３０内に配設されている。これらの蓄熱体１０ａ，１０ｂは、熱容量や伝熱面積によって周波数に応じた温度変動が減衰するので、温度変動を小さくしたい周波数に応じて適切な蓄熱体を選定する。この選定は、使用する蓄熱体と、この蓄熱体を使用することによって温度変動が小さくなる周波数帯域との関係を予め調べておき、この結果を利用して行う。なお熱容量が大きい蓄熱体と伝熱面積が大きい蓄熱体を配設する順番は、どちらを先に配設してもよい。また蓄熱体の種類によっては、３種類以上の蓄熱体を直列に配設する構成としてもよい。
【００３０】
このような恒温制御ユニット２０では、ヒータ２８から出力された空気は前段の蓄熱体１０ａの孔を通過する。このとき、空気の温度が高い場合には蓄熱体１０ａに対して熱を放出し、空気の温度が低い場合には蓄熱体１０ａから熱を吸収する。さらに前段の蓄熱体１０ａを通過して温度変動が小さくなった空気は、後段の蓄熱体１０ｂの孔を通過する。このとき前段の蓄熱体１０ａを通過したときと同じ作用が行われ、空気の温度変動がさらに小さくなる。図３の最下段に示すグラフは前段の蓄熱体１０ａと後段の１０ｂを通過した空気の温度変動と時間の関係を示す。図３より、前段の蓄熱体１０ａと後段の蓄熱体１０ｂを空気が通過することにより、温度変動が極めて小さくなることがわかる。また図７の最下段に示すスペクトルは、前段の蓄熱体１０ａの入口と、後段の蓄熱体１０ｂの出口における温度変動の比を示す。さらに図８に熱容量が大きい蓄熱体と伝熱面積が大きい蓄熱体を通過した空気の温度変動の強度と周波数の関係を示す。図７および図８より、蓄熱体を１段のみ通過した空気に比べて、前段の蓄熱体１０ａと後段の蓄熱体１０ｂを通過した空気の方が、広範囲な周波数にわたって温度変動の強度が小さくなることがわかる。
そして蓄熱体１０ａ，１０ｂを通過して温度変動が極めて小さくなった空気は、恒温チャンバ２２に供給される。
【００３１】
このような構成によれば、ダクト３０内に異なる特徴を有する蓄熱体を直列に配設し、一方の蓄熱体で低い周波数側の温度変動を小さくし、他方の蓄熱体で高い周波数側の温度変動を小さくしている。よって、蓄熱体を組み合わせることで広範囲な周波数の温度変動を極めて小さくすることができ、高精度の温度制御を実現できる。そして恒温チャンバ２２内の温度を一定にすることができる。また蓄熱体の組み合わせを変えることで、様々な温度変動周波数に対応することができる。そして熱容量が大きい蓄熱体と伝熱面積が大きい蓄熱体を組み合わせて恒温制御ユニット２０に配設したところ、恒温チャンバ２２に供給される空気の温度変動を±０．００１℃以下にすることができた。
【００３２】
また上述したように、低い周波数側の温度変動を小さくする熱容量が大きい蓄熱体と、高い周波数側の温度変動を小さくする伝熱面積が大きい蓄熱体を直列に配設している。これは蓄熱体を１段のみ設けて熱容量と伝熱面積の両方を大きくする、すなわち熱容量の大きい蓄熱体を用いるとともに、該蓄熱体の長さを３倍以上長くしたものと同じ効果を得る。このため、蓄熱体を１段のみ設けて空気の温度変動を±０．００１℃以下に小さくする場合よりも、異なる特徴を有する蓄熱体を組み合わせた方が、蓄熱体全体の長さを短くすることができる。すなわち蓄熱体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第1の実施形態に係る恒温制御ユニットの説明図である。
【図２】第１の実施形態に係る蓄熱体の説明図である。
【図３】温度変動と時間の関係を示す図である。
【図４】ヒータ通過直後の空気における温度変動の強度と周波数の関係を示す図である。
【図５】熱容量が大きい蓄熱体を通過した空気の温度変動の強度と周波数の関係を示す図である。
【図６】伝熱面積が大きい蓄熱体を通過した空気の温度変動の強度と周波数の関係を示す図である。
【図７】蓄熱体の入口と出口における温度変動比と周波数との関係を示す図である。
【図８】熱容量が大きい蓄熱体と伝熱面積が大きい蓄熱体を通過した空気の温度変動の強度と周波数の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０………蓄熱体、２０………恒温制御ユニット、２２………恒温チャンバ、２４………冷却コイル、２６………ファン、２８………ヒータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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