(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温調対象体である低温の被加熱体を、目標とする所定の温度近くまで加熱するか、または同様に、温調対象体である高温の被冷却体を、目標とする所定の温度近くまで冷却するかして、然る後この目標とする所定の温度近くを所定の時間の間出来るだけ変化することなく保持することの可能な、加熱冷却装置であって、この装置に熱量、または冷熱量を供給する熱量供給手段と伝熱的に接続一体化されてあり、熱伝導性の良好な素材で構成されてあり且つ温調対象体の加熱または冷却に必要な蓄熱容量を有する主蓄熱体を第一構成要素とし、温調対象体である被加熱体または被冷却体に、熱量、または冷熱量を熱伝導により供給する、熱伝導性良好な素材で構成されてある副蓄熱体であり且つその蓄熱容量は主蓄熱体の補完を受けながら温調対象体の温度を所定の時間内に目標とする所定の温度近くまで上昇または降下せしめるに必要な蓄熱容量を有する副蓄熱体を第二構成要素とし、主蓄熱体と副蓄熱体を伝熱的に連結し主蓄熱体から副蓄熱体に熱量、または冷熱量を補給する蛇行細管ヒートパイプ技術応用ヒートパイプを第三構成要素とし、これら三構成要素を含んで構成されてあると共に、温調対象体である被加熱体または被冷却体の底表面と主蓄熱体の表面の所定の部分との間、及び、被加熱体または被冷却体の外周表面と第二構成要素である副蓄熱体の内周壁面との間には、固体間熱伝導手段、流体による熱伝達手段、熱放射による熱伝達手段、または上記各手段の組み合わせによる熱コンダクタンス制御手段の何れかの手段が、着脱自在に介在配置されてあることを特徴とする加熱冷却装置。
【請求項２】
温調対象体である被加熱体または被冷却体の形状は円柱形状または円筒形状であり、熱コンダクタンス制御手段は管状介在体であり、その内面形状は被加熱体または非冷却体を滑合挿抜することの可能な形状であり、その外面形状は副蓄熱体の内周表面に滑合し、容易に挿抜することの可能な形状及び構造であり、熱コンダクタンスの制御は管状介在体を形成する素材の選択または管状介在体の挿抜によりなされることを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却装置。
【請求項３】
第一構成要素である主蓄熱体に伝熱的に接続されてある熱量供給手段はペルチエ効果応用の電子加熱冷却方式が適用されてある手段であることを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は比較的熱容量の大きな温調対象体である、多数の、または複数の、被加熱体または被冷却体を、順次、または交互に、または断続的に所定の温度に急速加熱または急速冷却し、かつこの温度を所定の時間保持する、急速加熱冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような目的の装置は従来使用されていないから、比較すべき対象技術はないが、温調対象体を急速加熱または急速冷却し、その温度に所定の時間保持する如き手段としては、熱湯または冷水の如き熱媒液中に浸漬挿抜せしめる手段が多用されてきた。これは熱媒液の比較的大きな熱容量を利用し、且つその対流熱伝達を利用するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする問題点】
熱媒液による加熱または冷却手段の場合、その問題点として、一般には熱媒液は熱伝導率が悪く、一旦上昇したり下降した熱媒液温度を迅速に回復せしめることが困難であり、従って温調対象体の数が多く、加熱または冷却の繰返し頻度が高い場合は極めて非能率となり本発明の如き適用目的には不適当であった。
【０００４】
熱媒液による加熱または冷却手段の場合、気液相変換温度、及び固液相変換温度、においては極めて急速能率的な加熱冷却が可能であり、且つ高い頻度で実施することが出来る。然しこれは熱媒液の沸点、凝固点に限定されるものであり、本発明の目標とする広範囲の所定の温度における急速加熱、急速冷却を可能にするものではなく、所定の温度における温度保持を可能にするものでもなかった。
【０００５】
また熱量を高水位側から低水位側に向かって移動せしめて加熱冷却する場合、また温度制御手段から被加熱体または被冷却体に至る距離が長い場合、等においては、熱伝導率の悪さ、対流の発生、等の影響により極めて加熱冷却の効率が悪く、所定の温度に到達せしめるのに、長い時間を必要とし本発明に適用するには不適当であった。
【０００６】
また熱容量の比較的大きな温調対象体の多数または複数を順次、または交互に、または断続的に所定の温度に加熱または冷却する作業の高能率化には、サイクルタイムを出来るだけ短縮せしめることが必須条件となる。従来技術の考え方は、このような場合加熱または冷却手段として強力な加熱能力または冷却能力を有する手段を採用することが通例であった。然しその場合は、加熱または冷却手段が大型化する問題点があり、それにより温度上昇または温度降下の熱慣性が大きくなり、それにより対象体温度を目標とする所定の温度に安定せしめるのに、目的に反して長時間を必要とし、更にこの温度を所定の時間正確に保持するする為の温度制御も困難になり、その対策として高級高精度な電気または電子制御の温度制御装置が必要となるなどの問題点が派生するものであった。
【０００７】
【問題点を解決する為の手段】
本発明は上述の如き問題点を解決して、温調対象体の急速加熱急速冷却しその温度を所定の時間保持することを可能にする為の手段であって図１はその基本的な構造を示す断面説明図であり、図２はその平面図である。図において１は熱エネルギーまたは冷熱エネルギーを蓄熱体２、３に供給しその温度を制御する熱量供給手段であり、温調対象体５が多数または複数であり、熱量供給は順次、交互、断続的であるにも拘らず、熱量供給手段１からの熱量供給は蓄熱体２、３の緩衝作用により安定して連続的に行われるよう構成されてある。熱量供給手段１はこれと伝熱的に接続一体化されてある熱伝導性良好で且つ蓄熱容量が極めて大きな主蓄熱体２と共に本発明の第一構成要素を構成している。３は副蓄熱体であって、温調対象体５である被加熱体５または被冷却体５の外周に近接して配設されてあり、この副蓄熱体３は温調対象体５に熱量、または冷熱量を急速に供給することを可能ならしめるよう熱伝導性良好な素材で形成されてあり、且つ温調対象体５の温度を目標とする温度近くまで加熱または冷却するに必要な蓄熱容量が与えられてあり、この副蓄熱体３を第二構成要素とし、主蓄熱体２と副蓄熱体３を伝熱的に連結し主蓄熱体２から副蓄熱体３に熱量、または冷熱量を急速に補充する蛇行細管ヒートパイプ技術応用ヒートパイプ４を第三構成要素とし、これら三構成要素２、３及び４を含んで構成されてあると共に、温調対象体５である被加熱体５または被冷却体５の底表面と主蓄熱体２の表面の所定の部分との間、及び、被加熱体５または被冷却体５の外周表面と副蓄熱体３の内周壁面との間には、固体間熱伝導手段、流体による熱伝達手段、熱放射による熱伝達手段、または上記各手段の組み合わせによる熱コンダクタンス制御手段３−１、３−２が着脱自在に介在配置されてあり、熱コンダクタンス制御により温調対象体５の温度を所定の温度に急速加熱冷却しその温度に保持する機能が付与されてあることを特徴としている急速加熱冷却装置である。図において４−１、４−２は蛇行細管ヒートパイプ技術応用ヒートパイプ４を夫々主蓄熱体２及び副蓄熱体３に締結固定する締結具である。６は温調対象体５の外側面を夫々主蓄熱体２の上部平面の所定の部分及び副蓄熱体３の内側平面に近接せしめて保持する温調対象体保持具である。
【０００８】
【作用】
問題点を解決する為の手段の基本構造の基本的な作用について図１、図２により説明する。
（１）発生する問題点の多くは大きな熱量供給または大きな冷熱量供給に起因する温度上昇、温度降下時の熱慣性により発生するものであるから、急速加熱、急速冷却、の際の熱緩衝手段が必要となる。
（２）熱緩衝手段としては、電気的制御による精密制御が可能ではあるが、費用が高価であるにも拘らず、比較的信頼性に乏しい欠点があった。本発明では電気的制御方式を避けて、主蓄熱体２及び副蓄熱体３の熱量吸収能力または冷熱量吸収能力を熱緩衝手段とすることとした。主蓄熱体２及び副蓄熱体３の大きな熱容量は急速加熱、急速冷却時の熱慣性を吸収緩和し調温対象体５の迅速な加熱冷却及び迅速な熱安定を可能にする。また蓄熱体２、３の熱緩衝作用は熱量供給手段１の熱量供給を連続安定化せしめて、熱量供給手段１に対する負担を軽減せしめ、その信頼性を向上せしめる作用もある。
【０００９】
（３）本発明の構造においては蓄熱体２、３の大型化を出来るだけ避けて、必要な蓄熱エネルギー量を、蓄熱体の温度の大幅な上昇、または大幅な低下により吸収し、温調対象体５と副蓄熱体３との温度差を大ならしめる、と同時に主蓄熱体２、副蓄熱体３の素材として熱伝導率の高い素材を適用することにより、蓄熱体２、３から温調対象体５に対する熱量の移動速度を増大せしめることとした。このことが本発明における温調対象体５の急速加熱、急速冷却を可能ならしめる為に大きく貢献している。
【００１０】
（４）蓄熱体２、３と温調対象体５との間に介在せしめられてある熱コンダクタンス制御手段３−１、３−２には二つの作用がある。その第一の作用は蓄熱体２、３から温調対象体５に流れる熱量、または冷熱量を制御して、加熱冷却完了時の温調対象体５の温度を所定の温度に制御する作用である。その第二の作用は熱量供給手段１から継続して安定供給される加熱熱量または冷熱熱量による温調対象体５の温度制御の余剰熱量を制御して、蓄熱体２、３に蓄積せしめその温度を制御する作用である。即ち、熱コンダクタンス制御手段３−１、３−２の熱量及び冷熱量のコンダクタンスが温調対象体５の急速加熱急速冷却時には最大量に制御されるのは当然であるが、温度保持時間中はコンダクタンスは最小量に制御され、熱量供給手段１から継続して安定供給される熱量の余剰分を増加せしめ、蓄熱体２、３に蓄積せしめその温度を上昇せしめる。これは温度保持時間の後に続いて必要となる急速加熱冷却時に必要となるエネルギーの畜積量増加と熱量供給速度の増加を意味するものであり、本発明の急速加熱冷却装置の温調サイクルタイムを短縮せしめ作業能率を向上せしめる。
【００１１】
（５）蓄熱体が主蓄熱体２と副蓄熱体３に分割され、副蓄熱体３の消費熱量を主蓄熱体２から補充するよう構成された、本発明の二段階蓄熱方式は熱量供給手段１から主蓄熱体２に対する熱量供給量を平準化せしめ常に安定して供給することを可能ならしめ、また蓄熱体２、３から温調対象体５に対する熱量の過大供給を防ぐことも可能ならしめる。これは温調対象体５の温度制御を容易ならしめたり、急速加熱、急速冷却時の温調対象体５の温度安定化を容易ならしめる作用もある。
【００１２】
（６）主蓄熱体２から副蓄熱体３を連結して副蓄熱体３に対する熱量補給に蛇行細管ヒートパイプ技術応用のヒートパイプ４を適用する本発明の構成は、熱輸送損失を減少せしめ、熱量補給時間を短縮せしめる。更にこのヒートパイプは従来のヒートパイプでは得られない、熱量輸送能力の姿勢無依存性を有するから、冷熱量の供給時に多発するトップヒート姿勢での熱量供給を可能ならしめるものであり、この作用は本発明の実施には不可欠の必須条件である。
【００１３】
（８）熱コンダクタンス制御手段３−２が着脱自在であり、簡易安価な構造を採ることが出来る本発明の加熱冷却装置の構造は、複数の熱コンダクタンス制御手段３−２を予め準備しておく事により、その着脱交換により容易かつ迅速に熱コンダクタンスの制御を実施する事を可能ならしめる。これは本発明の急速加熱冷却装置の作業能率の向上を意味する。
【００１４】
【実施例】
［第一実施例］  第一実施例においては熱コンダクタンス制御手段３−１が極めて簡易な構造に形成されてあり、且つ着脱自在であることは基本構造と全く同じであるが、本実施例では実際に使用する場合の能率的な適用構造に関する。即ち本実施例は、熱コンダクタンス制御手段３−２として、熱貫流を固体間熱伝導により実施し、その熱伝導率を変化せしめることにより実施する。熱伝導率を変化せしめるには制御手段３−２を交換することが最も簡易な手段であるから、夫々熱伝導率の異なる素材で形成された制御手段３−２を複数個準備して、それらを着脱交換することにより熱貫流時の熱コンダクタンスを制御する。この場合は熱コンダクタンス制御手段３−２は交換部品となるから、着脱の容易な簡易構造であることを必要とし且つ制御担当者の肉体的負担を軽減するよう軽量である必要がある。従って本実施例では温調対象体５である被加熱体５または被冷却体５の外周表面と、第二構成要素である副蓄熱体３の内周壁面とは近接して分離配置され、これによりその両者間の間隙に介在配置される熱コンダクタンス制御手段３−２は薄肉軽量となる。また簡易な構造とするため、熱コンダクタンス制御手段３−２は単純に挿抜するだけで交換可能な簡易構造となっている。また必要な熱コンダクタンスが保温用である如く、少熱量で事足りる場合は、放射熱伝達のみで充分な場合が多い。このような場合、本実施例では加熱冷却の完了の後に熱コンダクタンス制御手段３−２を抜き去るのみという最も単純な操作が熱コンダクタンス制御手段となる。また必要な熱コンダクタンスが極めて小さい場合熱コンダクタンス制御手段３−２は断熱材で構成しても良い。
【００１５】
［第二実施例］  第二実施例においては、温調対象体５である被加熱体５または被冷却体５の形状は円柱形状または円筒形状であり、熱コンダクタンス制御手段３−２は管状介在体であり、その内面形状は被加熱体５または非冷却体５を密接嵌合または圧入することの可能な形状であり、その外面形状は副蓄熱体３の内周表面に密に滑合して容易に挿抜することの可能な形状及び構造であり、熱コンダクタンスの制御は管状介在体を形成する素材の選択または管状介在体の挿抜によりなされることを特徴としている。本実施例の場合管状介在体である熱コンダクタンス制御手段３−２は、温調対象体５を加熱冷却装置に着脱することを容易ならしめる為の治具としての役目をも併持しており、作業能率を向上せしめる大きな効果がある。この第二実施例は温調対象体５の円柱または円筒形状の形状において、その外径が数種に及ぶ場合であっても、この装着治具兼用の熱コンダクタンス制御手段３−２は極めて簡易安価な構造であるから、これを数種類準備することにより、本体の加熱冷却装置は改造や設計変更の必要がなく、同一の装置で複数種類の温調対象体５に幅広く対応することが出来る。
【００１６】
［第三実施例］  本実施例は制御性の良好な熱量供給手段１に関する。即ち第一構成要素である主蓄熱体２に伝熱的に接続一体化されてある熱量供給手段１はペルチエ効果応用の電子加熱冷却方式が適用されてある手段であることを特徴とする。ペルチエ効果応用の加熱冷却素子は、その発生する熱量について、［強力さ］の点では優れているとは云えないが、制御応答性の点では極めて優れており、特に冷熱エネルギーの制御応答性に優れ、また加熱、冷却の正逆切替えが極めて容易且つ即応的に実施出来る点において抜群に優れている。この点から本発明の加熱冷却装置の熱量供給手段１としてペルチエ効果応用の電子加熱冷却方式を適用した手段を適用する本実施例は、強力急速な熱量供給機能を有するが、その制御性に乏しい主蓄熱体２及び副蓄熱体３と、強力急速な熱量供給の機能には乏しいが、加熱冷却の制御応答性及び制御容易性に優れたペルチエ効果応用の電子加熱冷却方式による手段とを、効果的に相互補完せしめて適用することが可能となり、熱エネルギー、または冷熱エネルギーを無駄なく且つ急速に温調対象体５に供給する加熱冷却装置を提供することが出来た。特に蓄熱体２、３の温度を−５℃から＋１００℃に及ぶ広範囲に制御し、温調対象体５の温度を＋５℃から＋８０℃に至る広範囲に急速制御することが可能な加熱冷却装置は、ペルチエ効果応用の電子加熱冷却方式による手段を適用した、本実施例によって初めて可能になった。
【００１７】
【発明の効果】
熱容量の大きな且つ熱伝導率の優れた蓄熱体と供給熱量制御性に優れた熱量供給手段とを組み合わせた加熱冷却装置は温調対象体を極めて迅速に加熱冷却することを可能にした。更に極めて大きな熱容量の主蓄熱体と大きな熱容量の副蓄熱体とを蛇行細管ヒートパイプ技術応用のヒートパイプで連結した二段階蓄熱体の適用は、多数の温調対象体を順次、または交互に、または断続的に且つ効率的に冷却または加熱することを可能にした。またこの構造は冷熱エネルギーを効率的に供給し、温調対象体を低温に調整する際に極めて効果的であった。この装置適用の実例としては、熱量供給手段としてペルチエ効果応用の高熱、冷熱自在に制御することの可能な素子を適用した場合、ボトル封入の要冷却飲料の急速冷却、及び保冷に、または同様にボトル封入の要加温飲料の急速加熱、及び保温に極めて能率的に実施することが出来た。またこの冷却装置は冷却、及び保冷、加熱及び保温に際しての温度制御の正確化にも極めて優れた効果を発揮した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の急速加熱冷却装置の基本構造及び実施例の断面説明図である。
【図２】本発明の急速加熱冷却装置の基本構造及び実施例の平面説明図である。
【符号の説明】
１      熱量供給手段
２      主蓄熱体
３      副蓄熱体
３−１  熱コンダクタンス制御手段
３−２  熱コンダクタンス制御手段
４      蛇行細管ヒートパイプ技術応用ヒートパイプ
４−１  締結具
４−２  締結具
５      温調対象体
６      温調対象体保持具
【図１】
0004280847.tif 000002
【図２】
0004280847.tif 000003