JP2002098627A - スターリング冷凍機及びヒートショック試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スターリング冷凍機のコールドヘッド
の直上に温度特性試験槽を設けヒートショック試験機の
構造を簡単にするとともに、コールドヘッドからの熱の
放散を抑え熱損失を少なくし、スターリング冷凍機の振
動の影響を温度特性試験に与えない。 【解決手段】 温度特性試験槽３をコールドヘッド４
５の上方に隙間を介して設け、コールドヘッド４５の輻
射熱により冷却又は加熱されるように、支持部材により
スターリング冷凍機とは独立して固定し、作動シリンダ
及び上記温度特性試験槽３に、金属成形ベローズ５４の
上端及び下端が夫々気密的に固定し、コールドヘッド４
５を囲むように真空断熱する密閉空間５８を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、環境温度を低温又
は高温状態にしたり、あるいは急速に、低温から高温、
逆に高温から低温に切り換えて電子部品、工業材料等温
度特性試験を行うヒートショック試験機であり、特に、
スターリング冷凍機を使用したヒートショック試験機に
関する。

【０００２】また、電子部品や材料などを冷却する冷却
器へ冷却に用いる熱媒体を供給する際の冷却能力の増加
／変更を可能にするスターリング冷凍機に関するもので
ある。

【０００３】

【従来の技術】従来、電子部品、工業材料等温度特性試
験を行うために、環境温度を低温状態又は高温状態にし
たり、あるいは冷却して急速に降温、又は加熱して急速
に昇温したりするヒートショック試験機は知られている
ところである。従来のヒートショック試験機は、夫々独
立した冷凍装置と加熱装置が組み合わされ構成されてお
り、冷凍装置としは、フロン（単一、二元あるいは混合
冷媒等）を冷媒として使用したシステムが知られてい
る。そして地球環境問題を背景とした昨今のフロン規制
に対しては、ＨＣＦＣ、ＨＦＣを使用した冷凍装置が知
られている。

【０００４】しかしながら、前記従来の構成によると、
次のような問題がある。第１に、従来のヒートショック
試験機は、夫々独立した冷凍装置と加熱装置が必要であ
り、構造が複雑であり、製作コストも高くなる。又、従
来の冷凍装置は、２元あるいは２段冷凍システムとなる
ために構造が複雑であり、コストが高くなる。

【０００５】第２に、従来の冷凍装置と加熱装置を使用
したものでは、その温度範囲は、大体、ー６０〜＋１５
０℃程度にしか設定できず、特に、従来の冷媒としてフ
ロンを使用した冷却装置は、そのシステムの特性から使
用温度領域が狭く、特に、昨今の各産業分野における技
術発展に伴い求められている超低温領域の要求には十分
ではない。

【０００６】第３に、地球環境問題に対する国際的な取
り組みの本格化を背景として、今後、特定フロン及び代
替フロンを含めフロン使用の一層の規制が求められる方
向にあり、他の方式の冷却装置の開発の必要性が重要と
なっている。

【０００７】そこで、本発明者等は、このような問題を
解決するヒートショック試験機をすでに提案している
（特願平１０−３１１８０４号）。このヒートショック
試験機６３は、図７に示すように、スターリング冷凍機
２の膨張シリンダのコールドヘッド４５に、ヒートショ
ック試験機の温度特性試験槽６４を直接取付け、コール
ドヘッド４５に発生する冷熱又は温熱で温度特性試験槽
６４を直接冷却又は加熱するようにした構成を特徴とす
るものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等が既に提案
したスターリング冷凍機を利用した前記ヒートショック
試験機は、構造がコンパクトとなり、温度特性試験のた
めの使用温度領域も液体窒素レベル（ー２００℃近辺）
の超低温領域での温度特性試験も可能となり、しかもエ
ネルギー効率が良好である等の数々の利点を有し、各種
の試験対象試験対象物の温度特性試験に有用である。

【０００９】しかしながら、スターリン冷凍機のコール
ドヘッド等からの冷熱（又は温熱）の放散については、
さらに改善の余地があり、又前記ヒートショック試験機
は、スターリング冷凍機のコールドヘッドに直接、温度
特性試験槽を取り付けた構造であるから、スターリング
冷凍機の振動が若干温度特性試験槽に伝わる。この点
は、通常の温度特性試験では問題ないが、半導体デバイ
ス等の精密電子部品等については、振動の影響のない環
境で温度特性試験を行うことが、より好ましい。

【００１０】本発明は、このような熱放散による熱損失
の減少を図り、併せて振動の問題を解決することを目的
とし、具体的な課題は、次の通りである。 （１）スターリング冷凍機の膨張シリンダのコールドヘ
ッド近傍に、ヒートショック試験機の温度特性試験槽を
配設し、しかも、スターリング冷凍機の振動を温度特性
試験槽へ伝えないようにする。これにより、コールドヘ
ッドに発生する冷熱又は温熱で温度特性試験槽を直接冷
却又は加熱できるようにして構造をコンパクトとする。 （２）そして、互いに近辺に配設した温度特性試験槽と
膨張シリンダの周辺のスペースを有効活用して、コール
ドヘッドを含む膨張シリンダからの熱の放散をなるべく
少なくする相乗的作用を行う手段を実現する。この結
果、成績係数が高く、エネルギー効率が良好な、地球環
境問題に適応したヒートショック試験機を実現する。

【００１１】また、膨張シリンダのコールドヘッドでは
被冷却物の大きさがコールドヘッドの大きさによって実
質的に限られものであり、より大きな被冷却物へ対応で
きるスターリング冷凍機が求められていた。この場合、
コールドヘッドに相当する冷却器を膨張シリンダから分
離して設けるものも求められており、冷却能力の増加を
可能にするスターリング冷凍機を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するために、スターリング冷凍機と、該スターリング冷
凍機により冷却又は加熱される温度特性試験槽とを備え
て成るヒートショック試験機において、前記スターリン
グ冷凍機は、作動ガスを封入した作動シリンダと、モー
タの正転又は逆転により低温又は高温とされる前記作動
シリンダの先端部のコールドヘッドとを有し、前記温度
特性試験槽は、温度特性試験に供する試験対象物を収納
するものであり、前記コールドヘッドの上方に隙間を介
して、前記コールドヘッドにより冷却又は加熱されるよ
うに、支持部材により前記スターリング冷凍機とは独立
して固定されており、前記作動シリンダ及び前記温度特
性試験槽に、金属成形ベローズの上端及び下端が夫々気
密的に固定され、前記コールドヘッドを囲むように真空
の密閉空間を形成しており、前記コールドヘッドは、前
記密閉空間によって真空断熱されていることを特徴とす
るヒートショック試験機を提供する。

【００１３】前記スターリング冷凍機は、圧縮ピストン
を有する圧縮シリンダと、膨張ピストン又はディスプレ
ーサを有する膨張シリンダとを備え、前記圧縮ピストン
と前記膨張ピストン又はディスプレーサとが位相差をも
って往復動するものであり、前記コールドヘッドを有す
る作動シリンダは、前記膨張シリンダである構成として
もよい。

【００１４】前記コールドヘッドの外周面は、真空断熱
用コア材で覆われている構成としてもよい。

【００１５】また、スターリング冷凍機は、熱媒体が循
環するサイクル中に、圧縮ピストンを有する圧縮シリン
ダと、膨張ピストン又はディスプレーサを有する膨張シ
リンダとを備え、前記圧縮ピストンと前記膨張ピストン
又はディスプレーサとが位相差をもって往復動して前記
熱媒体を冷却する用に構成しスターリング冷凍機を複数
台前記サイクル中に直列に設ける構成である。

【００１６】また、スターリング冷凍機は、熱媒体が循
環するサイクル中に、圧縮ピストンを有する圧縮シリン
ダと、膨張ピストン又はディスプレーサを有する膨張シ
リンダとを備え、前記圧縮ピストンと前記膨張ピストン
又はディスプレーサとが位相差をもって往復動して前記
熱媒体を冷却する用に構成し、スターリング冷凍機を複
数台リザーブタンクを介して前記サイクルに並列に設け
る構成である。

【００１７】前記スターリング冷凍機の作動ガスは窒
素、ヘリウム又は水素である。

【００１８】前記スターリング冷凍機を運転制御して温
度制御を行う温度調整装置を設けた構成としてもよい。

【００１９】前記熱媒体は、少なくともエチルアルコー
ル、フロリナート又はＨＦＥ（ハイドロフルオロエーテ
ル）を有する構成である。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を実施例に基
づき図面を参照して以下に説明する。図１は、本発明の
ヒートショック試験機の実施例を示す図であり、図２
は、図１の要部を拡大した図である。図１において、ヒ
ートショック試験機１は、スターリング冷凍機２と、ス
ターリング冷凍機２により冷却又は加熱の行われる温度
特性試験槽３とから構成される。

【００２１】スターリング冷凍機２のハウジング４は、
鋳物で形成されている。このハウジング４内は、区画壁
５によってモータ室６とクランク室７とに区画され、こ
のモータ室６には正逆回転可能なモータ８が、クランク
室７には、モータ８の回転動作を往復動に変換する回転
往復変換機構部９が夫々配設されている。モータ室６及
びクランク室７は、夫々蓋１０、１１で閉止され、ハウ
ジング４内が半密閉状態に保持される。ハウジング４
は、金属ばねやゴムばね等の緩衝部材１４を介してベー
ス又は架台に載置される。

【００２２】ハウジング４内には、区画壁５を貫通し、
軸受１２、１３により軸支されたクランクシャフト１５
が回転可能に配置されている。モータ８は、ステータ１
６と、このステータ１６の内周側に回転可能に配置され
たロータ１７とから構成され、このロータ１７の中央に
クランクシャフト１５が固定されている。

【００２３】回転往復変換機構部９は、クランク室７内
に延びたクランクシャフト１５のクランク部１８、１９
と、このクランク部１８、１９に連結されたコンロッド
２０、２１と、このコンロッドの先端に取り付けられた
クロスガイドヘッド２２、２３とから構成され、スター
リング冷凍機２の駆動伝達手段として機能している。

【００２４】クロスガイドヘッド２２、２３は、ハウジ
ング４のシリンダの内壁に設けられたクロスガイドライ
ナ２４、２５内を往復動可能に配置されている。クラン
ク部１８、１９は、モータ８の正転時にクランク１９が
クランク１８より先行して移動するように、又、逆転時
にクランク１８がクランク１９より先行して移動するよ
うに位相差を付けて形成されている。この位相差は、一
般的には約９０度の位相差が採用される。

【００２５】スターリング冷凍機２のハウジング４のク
ランク室７の上部には、作動シリンダとして、圧縮シリ
ンダ２６と、圧縮シリンダ２６の若干上方に位置した膨
張シリンダ２７とが配設されている。圧縮シリンダ２６
と膨張シリンダ２７、並びにハウジング４内には、作動
ガスとして、例えば、ヘリウム、水素、窒素等が封入さ
れている。圧縮シリンダ２６は、ハウジング４にボルト
等によって固定される圧縮シリンダブロック２８を有
し、この圧縮シリンダブロック２８の空間内をピストン
リングの付設された圧縮ピストン２９が往復摺動して、
この空間の上部が高温室（圧縮空間）３０であり、この
中の作動ガスは圧縮されて高温となる。

【００２６】圧縮ピストンロッド３１は、一端が圧縮ピ
ストン２９に固定し、他端がオイルシール３２を通って
クランク室７内に伸び、ピンによってクロスガイドヘッ
ド２２に回動自在に連結されている。往復動する圧縮ピ
ストン２９は上死点及び下死点で摺動方向が反転するた
め、速度がゼロになり、上死点及び下死点付近では速度
が遅く単位時間当たりの容積の変化量も小さく、下死点
から上死点及び上死点から下死点に向かって移動すると
きの夫々の中間点で最高速度になり、単位時間当たりの
圧縮ピストン２９の移動による容積の変化量も最大とな
る。

【００２７】一方、膨張シリンダ２７は、ボルト等によ
ってハウジング４の上部に固定される膨張シリンダブロ
ック３３を有し、この膨張シリンダブロック３３の空間
内をピストンリングの付設された膨張ピストン３４が往
復摺動して、この空間の上部が低温室（膨張空間）３５
であり、この中の作動ガスが膨張し低温となる。膨張ピ
ストン３４には、膨張ピストンロッド３６の一端が固定
され、膨張ピストンロッド３６の他端はオイルシール３
７を通ってクランク室７内に伸び、クロスガイドヘッド
２３に連結されている。膨張ピストン３４は、圧縮ピス
トン２９より９０度の位相だけ先行して移動する。

【００２８】膨張シリンダブロック３３には、図面下か
ら、圧縮シリンダ２６の高温室（圧縮空間）３０に作動
ガスが流入流出するマニホールド３８が連通するように
設けられており、さらに放熱用熱交換器（高温側熱交換
器）３９、再生器４０及び冷却用熱交換器（低温側熱交
換器）が互いに順次連通して環状に配設されている。圧
縮シリンダブロック２８の上端部近くには、高温室とマ
ニホールド３８を連通する連通孔３８'が形成されてお
り、これにより、高温室（圧縮空間）３０と低温室（膨
張空間）３５は、連通孔３８'、マニホールド３８、放
熱用熱交換器３９、再生器４０及び冷却用熱交換器（低
温側熱交換器）４１を介して互いに順次連通するように
構成されている。

【００２９】放熱用熱交換器３９は、特に図示しない
が、アニュラータイプの熱交換器、例えば、シェルアン
ドチューブ式熱交換器（環状の熱交換室内に作動ガスを
流す多数のチューブを軸方向に貫設して、冷却用の水を
熱交換室内に流して作動ガスを冷却する熱交換器。）、
あるいは、環状の作動ガス流路の周囲に環状のジャケッ
トを配設し、このジャケット内に冷却水を流して作動ガ
スの冷却を行う熱交換器等がある。

【００３０】放熱用熱交換器３９は、冷却水循環管路４
２及び冷却水用ポンプＰ１を介して放熱器４３と接続し
ており、冷却水を循環している。放熱用熱交換器３９で
熱交換され加熱された冷却水は放熱器４３の冷却ファン
４４より冷却される。

【００３１】膨張シリンダブロック冷却用熱交換器（低
温側熱交換器）４１を構成する膨張シリンダブロック３
３の頂部（先端部）はコールドヘッド４５と呼ばれてい
るが、このコールドヘッド４５の上方に温度特性試験槽
３が、スターリング冷凍機とは独立して支持部材４７に
支持されて配設されている。支持部材４７はベース又は
架台に立設された支柱４８等に固定されている。

【００３２】温度特性試験槽３は、温度特性試験の試験
対象物である電子部品等を収納するケースであり、テフ
ロン（登録商標）等の樹脂材料や断熱材等で形成された
周壁４９と、アルミニウム、銅等の金属製プレートで形
成された底壁５０とから試験対象物５１を収納する収納
空間を形成し、蓋５２で閉鎖されるように構成されてい
る。温度特性試験槽３には、図２に示すように電気ヒー
タ６６を設けてもよい。

【００３３】コールドヘッド４５の外周面を含め膨張シ
リンダブロック３３の上部は真空断熱用コア材５３で覆
われている。さらに、膨張シリンダブロック３３の上半
部は、金属成形ベローズ５４に囲まれるように構成され
ている。この金属成形ベローズ５４の材料としては、Ｓ
ＵＳ等を利用する。

【００３４】金属成形ベローズ５４の底部５５は、膨張
シリンダブロック３３の外周フランジ５６にシールを介
して気密的に固着又は溶着されている。金属成形ベロー
ズ５４の上端部５７は、温度特性試験槽３にシールを介
して気密的に固着されている。このようにして、コール
ドヘッド４５は、真空断熱用コア材５３で囲まれるとと
もに、温度特性試験槽３と膨張シリンダブロック３３の
間に配設された金属成形ベローズ５４により形成される
密閉空間５８内に配設されることとなる。

【００３５】金属成形ベローズ５４の底部５５にパイプ
５９が連通するように取り付けられ、このパイプ５９は
途中、開閉調整弁６０を介して真空ポンプＰに接続して
いる。ポンプＰを駆動し、開閉調整弁６０を操作するこ
とで、密閉空間５８内に真空状態を発生させ、その状態
を調整することができる。これにより、コールドヘッド
４５は、真空断熱用コア材５３による断熱に加え、金属
成形ベローズ５４により真空断熱の状態にすることがで
きる。

【００３６】しかも、金属成形ベローズ５４の上端部５
７及び底部５５を温度特性試験槽３及び膨張シリンダブ
ロック３３に気密的に固定して密閉空間５８を形成した
ので、スターリング冷凍機２の振動が金属成形ベローズ
５４で吸振され、温度特性試験槽３に直接伝わらず、防
振効果が生じる。この結果、温度特性試験に対するスタ
ーリング冷凍機２の振動の影響を排除することができ
る。

【００３７】ところで、コールドヘッド４５と温度特性
試験槽３の底壁下面の間にはギャップ（空隙）６１が形
成されるように温度特性試験槽３を配設する。このギャ
ップ６１の寸法は、スターリング冷凍機２の振動により
コールドヘッド４５が温度特性試験槽３の底壁５０下面
に当接しない程度、例えば数ｍｍ程度に設計される。コ
ールドヘッド４５の冷熱又は温熱は、このギャップを介
して輻射により温度特性試験槽３の底壁５０に伝熱され
る。

【００３８】要するに、本発明では、スターリング冷凍
機２のコールドヘッド４５の上方に設けた温度特性試験
槽３と膨張シリンダブロック３３の間を金属成型ベロー
ズ５４で接続して、コールドヘッド４５を囲う真空の密
閉空間５８を形成することで、コールドヘッド４の冷
熱、温熱を輻射で温度特性試験槽３に伝熱し冷却、加熱
を可能とするとともに、コールドヘッド４５を真空断熱
し熱の放散を防止し、しかもスターリング冷凍機２の振
動は温度特性試験槽３に伝えないようにした構成を特徴
とする。

【００３９】図３は、本発明のヒートショック試験機１
の温度調整装置６２を示している。この温度調整装置６
２は、温度設定パネルと、温度設定パネルにより温度設
定を可能とする温度制御回路と、温度特性試験槽３内に
配設されたは温度センサーとを有する。

【００４０】温度調整装置を構成する温度制御回路内の
比較回路において、温度センサーで検知した収納ケース
５２内の温度信号を設定された温度と比較し、設定され
た温度を中心とする許容温度範囲にあるか否かを判断
し、その結果に応じてモータ８をＰＩＤ制御して、ある
いはモータ８を逆回転させて、設定温度を保ちながら運
転を行うような構成とする。

【００４１】さらに、温度特性試験槽３に電気ヒータ６
６を付設しておけば、スターリング冷凍機２のモータ８
の運転制御による温度制御に加え、電気ヒータをＰＩＤ
制御して加熱すれば、より精密な温度コントロールも可
能である。

【００４２】本発明のヒートショック試験機１は、スタ
ーリング冷凍機２を圧縮シリンダ２６と膨張シリンダ２
７の２ピストンとすることにより、スターリング冷凍機
２内の作動ガスの充填された空間の容積変動を大きくす
ることによって、冷凍能力の大きいスターリング冷凍機
２を提供できるようにしている。

【００４３】なお、本発明では前記実施例では膨張シリ
ンダと圧縮シリンダの２つの作動シリンダを有する２ピ
ストン型のスターリング冷凍機２を使用したが、１つの
作動シリンダを有するディスプレーサ型のスターリング
冷凍機等他の形式のスターリング冷凍機を適用してもよ
いことはいうまでもない。

【００４４】次に、本発明の前記実施例のヒートショッ
ク試験機１の作用を説明する。図１において、モータ８
によってクランクシャフト１５が正方向に回転し、クラ
ンク室７内のクランク部１８、１９が互いに位相がずれ
て回転する。このクランク部１８、１９に回動自在に連
結されたコンロッド２０、２１を介して、このコンロッ
ドの先端に取り付けられたクロスガイドヘッド２２、２
３が、クロスガイドライナ２４、２５内を往復動する。
クロスガイドヘッド２２、２３の夫々に圧縮ピストンロ
ッド３１及び膨張ピストンロッド３６を介して連結され
た圧縮ピストン２９及び膨張ピストン３４が、互いに位
相差をもって往復動する。

【００４５】膨張ピストン３４が約９０度先行して上死
点付近でゆっくりと移動中、圧縮ピストン２９は中間付
近を上死点に向かって急速に移動して作動ガスの圧縮動
作を行う。圧縮された作動ガスは、連通孔３９及びマニ
ホールド３８を通り放熱用熱交換器３９に流入する。放
熱用熱交換器３９内で冷却水に放熱した作動ガスは、再
生器４０で冷却され、通路を通って低温室（膨張空間）
３５内に流入する。

【００４６】圧縮ピストン２９が上死点近辺でゆっくり
と移動している時に膨張ピストン３４は急激に下死点に
向かって移動し低温室（膨張空間）３５に流入した作動
ガスは急激に膨張し冷熱が発生する。これにより低温室
（膨張空間）３５を囲むコールドヘッド４５は冷却され
低温となる。

【００４７】コールドヘッド４５に生じる冷熱は、ギャ
ップ６１を通して輻射により試験用温度特性試験槽３の
底壁５０に伝熱され、その結果、試験用温度特性試験槽
３内は冷却可能である。

【００４８】そして、ジャケット４８内の冷熱冷媒をコ
ールドヘッド４５において冷却する。膨張ピストン３４
が下死点から上死点に移動するときには圧縮ピストン２
９は中間位置から下死点に向かっており、作動ガスは低
温室（膨張空間）３５より流路４６を通り再生器４０に
流入し作動ガスの有する冷熱を再生器４０に蓄熱する。
再生器４０に蓄熱された冷熱は、前記のように高温室３
０から放熱用熱交換器３９を通して送られてくる作動ガ
スを再度冷却するために再利用される。

【００４９】放熱用熱交換器３９で熱交換された冷却水
は、冷却水循環管路４２から放熱器４３に流れ、そこで
冷却ファン４４により冷却され、再度放熱用熱交換器３
９へと循環する。

【００５０】以上は冷凍機を冷却運転して温度特性試験
用温度特性試験槽３を低温状態にする場合であるが、加
熱運転をして温度特性試験槽３を高温状態にする場合
は、モータ８を逆回転させる。すると上述した冷却運転
の場合と全く逆に、クランク部１８が、クランク部１９
に先行して約９０度位相がずれて回転する。これによ
り、上述した冷却運転の場合と全く逆に、膨張シリンダ
２７は圧縮シリンダとして作用し、圧縮シリンダ２６は
膨張シリンダとして作用し、冷却用熱交換器４１は放熱
用熱交換器として機能し、コールドヘッド４５は高温と
なる。

【００５１】コールドヘッド４５に生じる温熱は、ギャ
ップ６１を通して輻射により試験用温度特性試験槽３の
底壁５０に伝熱され、その結果、試験用温度特性試験槽
３内は加熱され温度特性試験槽３内に収納された試験対
象物５１を加温する。

【００５２】このように、モータ８を正転と逆転を相互
に切り換えることにより、冷凍機の冷却運転と加熱運転
を相互に切り換え、温度特性試験槽３を降温又は昇温し
て低温状態と高温状態を相互に急激に切り換えることが
でき、試験対象物５１に温度変化によるヒートショック
を与えることができる。

【００５３】ところで、本発明に係るヒートショック試
験機では、コールドヘッド４５を真空断熱用コア材５３
で断熱するとともに、金属成形ベローズ５４で取り囲ま
れる密閉空間５８で真空断熱を行う構成としているか
ら、温度特性試験槽３と膨張シリンダヘッド４５の周辺
の空間を真空断熱空間としてスペースの有効活用が図れ
る。そして、真空断熱用コア材５３と密閉空間５８の真
空断熱により、コールドヘッド４５から冷熱（加熱運転
の場合は温熱）が周囲に放散しにくくなり、熱損失が少
なくなり、コールドヘッド４５は、輻射によって温度特
性試験槽３の底壁を十分冷却することができる。

【００５４】しかも、温度特性試験槽３及び膨張シリン
ダブロックに取り付けて密閉空間５８を形成する囲い壁
を金属成形ベローズ５４で形成したので、スターリング
冷凍機の振動が金属成形ベローズ５４で吸振され、温度
特性試験槽３に直接伝わらず、防振効果が生じる。この
結果、密閉空間５８を形成して真空断熱を行っても、温
度特性試験に対するスターリング冷凍機の振動の影響を
排除することができる。このように、金属成形ベローズ
５４で密閉空間５８を形成することにより、スペースの
有効活用、断熱効果、及び防振効果という相乗的な効果
が生じる。

【００５５】温度特性試験槽３で試験対象物５１に加え
られる温度は、温度調整装置６２の温度設定パネルによ
り設定する。この設定温度が低温領域か高温領域に応じ
て、温度制御回路によりモータ８を正転又は逆転するよ
うに制御する。

【００５６】そして、スターリング冷凍機２の運転状態
において、温度特性試験槽３内の温度を温度センサーで
検知し、この検知温度と温度設定パネルで設定した温度
とを温度調整装置６２を構成する温度制御回路内の比較
回路において比較し、設定された温度を中心とする許容
温度範囲にあるか否かを判断し、その結果に応じてスタ
ーリング冷凍機２のモータ８をＰＩＤ制御し、場合（設
定温度と検知温度に大幅に温度差がある場合等）によっ
ては、モータ８の回転方向を切り換えて急激に昇温又は
降温して、設定温度を保ちながら運転を行う。

【００５７】さらに、温度特性試験槽３に電気ヒータ６
６を付設すれば、スターリング冷凍機２のモータ８の運
転制御による温度制御に加え、電気ヒータを制御して加
熱することにより、より精密な温度コントロールも可能
である。

【００５８】なお、電気ヒータ６６を付設すれば、コー
ルドヘッド４５や温度特性試験槽３内に生じる霜の霜取
りを行う際には、これらの場所に設けた着霜センサーに
より着霜を検知して、霜取り用の制御回路により電気ヒ
ータ６６により加熱を行い霜取りを行うことができる。
又、スターリング冷凍機２のモータ８を逆回転すること
により、コールドヘッド４５を高温として、急速かつ効
果的に霜取りが可能である。

【００５９】図４はスターリング冷凍機を用いたサイク
ル図である。この図において、１０１Ａ、１０１Ｂはス
ターリングユニットであり、駆動することにより入り口
１０３Ａ、１０３Ｂから入った熱媒体（エチルアルコー
ル、フロリナート又はＨＦＥ（ハイドロフルオロエーテ
ル）など低温の熱搬送に適したものであれば良い）を冷
却して出口１０２Ａ、１０２Ｂから供給するものであ
る。スターリングユニット１０１Ａ、１０１Ｂの具体的
な構成は図６を用いて後記する。

【００６０】１０４は冷却器であり、冷却された熱媒体
が循環して収納された被冷却体（電子部品、半導体材
料、温度試験材料など）を冷却するように構成されてい
る。

【００６１】１０５はサイクル中で熱媒体を循環させる
ギアポンプなどの搬送手段であり、１０６は冷却された
熱媒体を溜めるリザーブタンクである。

【００６２】スターリングユニット１０１Ｂ、スターリ
ングユニット１０１Ａ、冷却器１０４、ギアポンプ１０
５が順に配管で直列に接続されて、ギアポンプ１０５を
駆動することによって熱媒体が実線矢印に沿って循環す
るサイクルを構成している。リザーブタンク１０６はギ
アポンプ１０５の１次側（吸い込み側）に接続され、こ
のサイクル中を循環する熱媒体の循環量が減少しないよ
うにするものである。尚、このリザーブタンク１０６に
は熱媒体補充用にバルブ及びガス抜き弁等が設けられて
いる。

【００６３】スターリングユニット１０２Ａ、１０２Ｂ
と同様のスターリングユニットをサイクル中に直列に追
加させることによって冷却器１０４における冷却能力を
増加させることができるものである。尚、この際はギア
ポンプ１０５の熱媒体の搬送能力を調整する。

【００６４】図５はスターリングユニット１１１Ａ、１
１１Ｂを並列に接続した際のサイクル図である。この図
において１１１Ａ、１１１Ｂはスターリングユニット１
０１Ａ、１０１Ｂと同様なスターリングユニットであ
り、熱媒体の入り口１１３Ａ、１１３Ｂ、出口１１２
Ａ、１１２Ｂを備えている。

【００６５】１１４はリザーブタンク、１１６は冷却
器、１１７はギアポンプでありリザーブタンク１０６、
冷却器１０４、ギアポンプ１０５と同様なものを用いて
いる。１１５Ａ、１１５Ｂは電磁ポンプであり熱媒体を
搬送するものである。尚、ギアポンプ１１７を用いるこ
とによって熱媒体の搬送圧力を高くかつ脈動を抑制でき
るので、好ましくはギアポンプが冷却器１１６への熱媒
体の搬送に適している。

【００６６】スターリングユニット１１１Ａ、１１１Ｂ
及び電磁ポンプ１１５Ａ、１１５Ｂを運転することによ
って、熱媒体が実線矢印に沿って循環するサイクルを構
成し、リザーブタンク１１４内の熱媒体の温度を下げる
ことができる。このリザーブタンク１１４内の熱媒体は
ギアポンプ１１７を運転することによって冷却器１１６
へ供給され、被冷却体を冷やすことができる。

【００６７】冷却器１１６の冷却負荷が大きい際は同様
なスターリングユニットをスターリングユニット１１１
Ａ、１１１Ｂと並列に接続することによって冷却能力の
増加を図ることができるものである。

【００６８】図６はスターリングユニット１０１Ａ、１
０１Ｂ、１１１Ａ、１１１Ｂの一実施例を示す図であ
る。図１に記載の構成と同様のものは同一符号を付して
説明は省略する。

【００６９】１２０はコールドヘッド４５の外側に形成
された冷却フィンであり、冷却フィン１２０及びコール
ドヘッド４５を覆うようにジャケット１２１が設けられ
ている。このジャケット１２１には熱媒体の入り口１０
３（１０３Ａ、Ｂ、１１３Ａ、Ｂに相当）及び出口１０
２（１０２Ａ、Ｂ、１１２Ａ、Ｂに相当）が設けられて
おり、熱媒体がジャケット内を通過する際に冷却される
ものである。

【００７０】以上、本発明の実施の形態を実施例に基づ
いて説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるこ
となく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でい
ろいろな実施の形態があることは言うまでもない。

【００７１】

【発明の効果】以上のような構成とすることにより、本
発明は次のような効果を奏する。 （１）スターリング冷凍機の膨張シリンダのコールドヘ
ッド近傍に温度特性試験槽を配設したので、ヒートショ
ック試験機の構造が簡単、かつコンパクトとなる。 （２）温度特性試験槽と膨張シリンダヘッドとに金属成
形ベローズを気密的に取り付けることで、温度特性試験
槽と膨張シリンダヘッドの周辺の密閉空間を真空断熱空
間としてスペースの有効活用が図れる。 （３）しかも、金属成形ベローズの防振効果により、ス
ターリング冷凍機の振動による温度特性試験への影響を
なくすことができるとともに、コールドヘッドからの熱
の放散を抑えて熱損失を少なくし、成績係数が高く、エ
ネルギー効率が良好となる。そして、従来のフロン以外
の冷媒使用可能とすることにより、地球環境問題に適応
したヒートショック試験機が提供可能である。 （４）さらに、スターリング冷凍機の特性である低温及
び高温における広い温度範囲の温度特性試験が可能であ
り、又正転、逆転による急速な昇温、降温による、極め
て効果的なヒートショック試験を可能とする。 （５）冷却器での冷却負荷が増加した際にはスターリン
グユニットを増加することによって容易に対応が可能に
なるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒートショック試験機の実施例を示す
図である。

【図２】図１の要部を説明する図である。

【図３】本発明のヒートショック試験機の実施例の温度
調整装置を説明する図である。

【図４】本発明のスターリング冷凍装置の概略を示す説
明図である。

【図５】本発明のスターリング冷凍装置の概略を示す説
明図である。

【図６】本発明のスターリング冷凍機に用いるスターリ
ングユニットの概略を示す説明図である。

【図７】従来のヒートショック試験機を示す図である。

【符号の説明】

１ ヒートショック試験機 ２ スターリング冷凍機 ３ 温度特性試験槽 ８ モータ ２６ 圧縮シリンダ ２７ 膨張シリンダ ２９ 圧縮ピストン ３０ 高温室（圧縮空間） ３４ 膨張ピストン ３５ 低温室（膨張空間） ３９ 放熱用熱交換器 ４０ 再生器 ４１ 冷却用熱交換器 ４５ コールドヘッド ４８ 支柱 ５０ 温度特性試験槽の底壁 ５１ 試験対象物 ５３ 真空断熱用コア材 ５４ 金属成型ベローズ ５８ 密閉空間 ６１ 空隙（ギャップ） ６２ 温度調整装置 １０１、１１１ スターリングユニット １０６、１１４ リザーブタンク １０４、１１６ 冷却器 Ｐ 真空ポンプ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スターリング冷凍機と、該スターリン
   グ冷凍機により冷却又は加熱される温度特性試験槽とを
   備えて成るヒートショック試験機において、前記スター
   リング冷凍機は、作動ガスを封入した作動シリンダと、
   モータの正転又は逆転により低温又は高温とされる前記
   作動シリンダの先端部のコールドヘッドとを有し、前記
   温度特性試験槽は、温度特性試験に供する試験対象物を
   収納するものであり、前記コールドヘッドの上方に隙間
   を介して、前記コールドヘッドにより冷却又は加熱され
   るように、支持部材により前記スターリング冷凍機とは
   独立して固定されており、前記作動シリンダ及び前記温
   度特性試験槽に、金属成形ベローズの上端及び下端が夫
   々気密的に固定され、前記コールドヘッドを囲むように
   真空の密閉空間を形成しており、前記コールドヘッド
   は、前記密閉空間によって真空断熱されていることを特
   徴とするヒートショック試験機。
2. 【請求項２】 前記スターリング冷凍機は、圧縮ピス
   トンを有する圧縮シリンダと、膨張ピストン又はディス
   プレーサを有する膨張シリンダとを備え、前記圧縮ピス
   トンと前記膨張ピストン又はディスプレーサとが位相差
   をもって往復動するものであり、前記コールドヘッドを
   有する作動シリンダは、前記膨張シリンダであることを
   特徴とする請求項１記載のヒートショック試験機。
3. 【請求項３】 前記コールドヘッドの外周面は、真空
   断熱用コア材で覆われていることを特徴とする請求項１
   又は２記載のヒートショック試験機。
4. 【請求項４】 熱媒体が循環するサイクル中に、圧縮
   ピストンを有する圧縮シリンダと、膨張ピストン又はデ
   ィスプレーサを有する膨張シリンダとを備え、前記圧縮
   ピストンと前記膨張ピストン又はディスプレーサとが位
   相差をもって往復動して前記熱媒体を冷却する用に構成
   されたスターリング冷凍機を複数台前記サイクル中に直
   列に設けることを特徴とするスターリング冷凍機。
5. 【請求項５】 熱媒体が循環するサイクル中に、圧縮
   ピストンを有する圧縮シリンダと、膨張ピストン又はデ
   ィスプレーサを有する膨張シリンダとを備え、前記圧縮
   ピストンと前記膨張ピストン又はディスプレーサとが位
   相差をもって往復動して前記熱媒体を冷却する用に構成
   されたスターリング冷凍機を複数台リザーブタンクを介
   して前記サイクルに並列に設けることを特徴とするスタ
   ーリング冷凍機。
6. 【請求項６】 前記サイクル中に被冷却体を収納する
   冷却器を備えることを特徴とする請求項４又は請求項５
   に記載のスターリング冷凍機。
7. 【請求項７】 前記スターリング冷凍機の作動ガスは
   窒素、ヘリウム又は水素である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スターリング冷凍又
   はヒートショック試験機。
8. 【請求項８】 前記スターリング冷凍機を運転制御し
   て温度制御を行う温度調整装置を設けたことを特徴とす
   る請求項１、２、３又は７のいずれかに記載のヒートシ
   ョック試験機。
9. 【請求項９】 前記熱媒体は少なくともエチルアルコ
   ール、フロリナート又はＨＦＥ（ハイドロフルオロエー
   テル）を有することを特徴とする請求項７記載のスター
   リング冷凍機。